Materiaalkunde

Onze afhankelijkheid van petroleum kan niet alleen afnemen door elektrische voertuigen, maar ook door duurzame kunststoffen

mm
Gepubliceerd op
Bijgewerkt op
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Toelichting: Securities.io kan een vergoeding ontvangen wanneer u links naar beoordeelde producten gebruikt. Dit beïnvloedt onze redactionele beoordelingen niet. Wij zijn geen geregistreerd beleggingsadviseur; dit is geen beleggingsadvies. Lees onze affiliateverklaring.

Gebruik van gewassen om duurzame kunststoffen te produceren

Bij olie denken we vooral aan brandstof voor auto’s, schepen en vliegtuigen. Maar petrochemicaliën, waarvan een groot deel kunststoffen of componenten voor de productie van kunststoffen zijn, vormen 12 % van de wereldwijde olievraag.

Hoewel het verbruik van olie vaak wordt gezien als een verontreiniging vanwege de CO₂‑emissies, zijn microplastics ook een groeiende zorg. De productie van kunststoffen uit olie draagt bij aan zowel koolstofuitstoot als microplasticvervuiling.

Het is daarom goed nieuws dat steeds meer duurzame kunststoffen in zicht komen.

Onderzoekers van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), de Universiteit voor Toegepaste Wetenschappen en Kunsten van West-Zwitserland en de Universiteit van Manchester hebben een bron van duurzame kunststoffen ontwikkeld uit landbouwafval.

Meer specifiek hebben zij duurzame polyamiden gemaakt met een uit landbouwafval afgeleide suikerkern.

Waarom polyamiden?

Veel kunststofproducten, zoals nylon, een subklasse van polyamiden, moeten zeer duurzaam zijn. Daarvoor zijn ze afhankelijk van een specifieke chemische structuur: een aromatische groep.

Deze aromatische groepen geven kunststof hardheid, sterkte en bestendigheid tegen hoge temperaturen. Vaak zorgen ze er echter ook voor dat kunststoffen niet biologisch afbreekbaar en schadelijk voor het milieu zijn.

Een polyamide die organische suiker gebruikt in plaats van een aromatische verbinding zou veel minder giftig zijn. Het gebruik van zo’n suiker, afkomstig uit landbouwafval, in de polyamide van EPFL vergroot de duurzaamheidsaspecten van hun ontdekking nog verder.

Een nieuw type kunststof

De onderzoekers ontwikkelden een proces zonder katalysator om dimethylglyoxylaat-xylose, een gestabiliseerde suiker die rechtstreeks uit biomassa zoals hout of maïskolven wordt gemaakt, om te zetten in hoogwaardige polyamiden. Het proces omvat meerdere stappen, waarbij het materiaal eerst tot 140 °C en vervolgens tot 250–260 °C wordt verwarmd.

Het proces was bovendien opmerkelijk efficiënt, met een atoomrendement van 97 %, wat betekent dat bijna al het oorspronkelijke materiaal werd omgezet in polyamiden.

Het resulterende materiaal werd getest om de chemische en fysieke eigenschappen te controleren.

Het bleek net zo, zo niet meer, hittebestendig te zijn dan traditionele op fossiele brandstoffen gebaseerde polyamiden. Het presteerde ook goed op het gebied van duurzaamheid en mechanische weerstand (treksterkte).

Een beperking die de onderzoekers vonden, is dat het materiaal gevoelig kan zijn voor blootstelling aan grote hoeveelheden water, waardoor het niet ondergedompeld kan worden. Het kan ook te permeabel voor zuurstof en water zijn om te worden gebruikt in dunne voedselverpakkingen. Belangrijk is dat er nog tal van mogelijke toepassingen zijn.

Duurzame kunststoffen klaar voor industrieel gebruik

Verwerkbaarheid

Een andere belangrijke factor voor industriële toepassingen is de verwerkbaarheid: hoe gemakkelijk de grondstoffen van de kunststof in bruikbare materialen kunnen worden omgezet.

De onderzoekers toonden aan dat het nieuwe materiaal geschikt is voor plunjerspuitgieten en dubbelschroefextrusie met hoge snelheid, twee gebruikelijke methoden om kunststoffen te vormen.

Bron: EPFL

Ze hebben zelfs de eigenschappen getest voor 3D‑printen, waarbij ze hoge temperatuurinstellingen gebruikten om succesvol een iPhone 11‑hoesje te produceren.

Bron: EPFL

Recycling

Een andere test onderzocht de recyclebaarheid van het nieuwe polyamide. De onderzoekers verwerkten de kunststof drie keer opnieuw via dubbelschroefextrusie met hoge afschuifkrachten.

De trekeigenschappen bleven tijdens de drie cycli vrijwel gelijk.

De kleurintensiteit nam bij elke cyclus iets toe. Indien nodig kan de oranje kleur volledig worden voorkomen door het productieproces aan te passen, met name door diaminen beter te zuiveren. Dit hoeft dus geen groot probleem te zijn.

Over het geheel genomen presteerde mechanische recycling goed, even goed als of beter dan bij bestaande kunststoffen.

Tot slot onderzochten ze chemische recycling als mogelijkheid aan het einde van de levensduur. Daarvoor waren sterke zuren zoals zwavelzuur nodig, maar de proeven toonden aan dat het materiaal uiteindelijk volledig chemisch kan worden gerecycled.

Een kostenefficiënt alternatief

Om zonder gewijzigde regelgeving door de industrie te worden overgenomen, moet deze duurzame kunststof qua prijs kunnen concurreren met gevestigde chemicaliën op basis van fossiele grondstoffen.

Nylon 66, het meest voorkomende polyamide, kost meestal 3.000–7.000 dollar per ton. Het nieuwe materiaal zou in dezelfde prijsklasse vallen, zelfs bij relatief hoge grondstofkosten.

Materialen uit goedkopere bronnen, zoals maïskolven, kunnen de prijs mogelijk verder verlagen.

Naast prijsconcurrentie stoot het nieuwe materiaal veel minder koolstof en broeikasgassen uit dan de bestaande producten op de markt, vooral bij gebruik van xylose uit maïskolven in plaats van commerciële xylose.

Duurzame kunststoffen – een noodzakelijke vooruitgang

Nieuwe soorten biokunststoffen, zoals in deze studie, zijn nodig om het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen.

Dit is een nieuwe stap: een nieuw type kunststofmolecuul met vergelijkbare of betere prestaties ontwikkelen, in plaats van traditionele kunststofchemicaliën met een biologische grondstof na te maken.

Waarschijnlijk is het vervangen van aromatische groepen uit fossiele brandstoffen door biologische suikers slechts het begin.

Deze benadering is moeilijker, maar maakt ook nieuwe kunststoffen mogelijk met verschillende voordelen ten opzichte van traditionele materialen:

  • Lagere CO₂‑voetafdruk.
  • Minder vervuiling.
  • Benutting van landbouwafval.
  • Potentiële kostenverlaging of verbeterde chemische eigenschappen.

Het succes van het EPFL-team en zijn onderzoekspartners moet als voorbeeld dienen voor verdere innovaties met biomaterialen om nieuwe, bruikbare industriële chemicaliën te creëren. Het doel gaat verder dan alleen bestaande kunststoffen exact namaken met chemische structuren die overvloedig in olie voorkomen.

mm

Jonathan is een voormalig biochemisch onderzoeker die werkzaam was in genetische analyse en klinische proeven. Hij is nu een aandelenanalist en financieel schrijver met een focus op innovatie, marktcycli en geopolitiek in zijn publicatie 'The Eurasian Century'.