Vår beroende av petroleum kan minska inte bara genom elbilar, utan även genom hållbara plaster

Användning av grödor för att producera hållbara plaster

When we think of oil, we think primarily of fuel for cars, ships, and planes. But petrochemicals, of which a large portion are plastics or components to produce plastics, represent 12% of global oil demand.

Även om oljeanvändning ofta ses som en förorening på grund av koldioxidutsläpp, är mikroplaster också en växande oro. Plastproduktion från olja bidrar till utsläpp av både koldioxid och mikroplaster.

Det är därför goda nyheter att mer hållbara plastmaterial nu är på horisonten.

Forskare från Schweiz Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Högskolan för tillämpade vetenskaper och konst i Västra Schweiz samt University of Manchester har utvecklat en källa för hållbara plaster från jordbruksavfall.

Mer exakt har de skapat hållbara polyamider med en sockerbas som härrör från jordbruksavfall.

Varför polyamider?

Many plastic products, like nylons, a subclass of polyamides, need to be very durable. For this, they rely on a specific chemical structure called an aromatic group.

Dessa aromatiska grupper ger plasten hårdhet, styrka och hög temperaturtålighet. De är dock ofta också det som gör plaster icke‑biologiskt nedbrytbara och giftiga för miljön.

Källa: Master Organic Chemistry

En polyamid som använder organiskt socker istället för en aromatisk förening skulle vara mycket mindre giftig. EPFL:s polyamids användning av sådant socker, som kommer från jordbruksavfall, ökar hållbarhetsaspekten av deras upptäckt ännu mer.

En ny typ av plast

They developed a catalyst-free process to convert dimethyl glyoxylate xylose, a stabilized sugar made directly from biomass such as wood or corn cobs, into high-quality polyamides. The process relies on a series of steps, starting with the material being warmed at 140°C and then 250–260 °C.

Källa: Nature.com

Processen var också anmärkningsvärt effektiv, med 97 % atomutnyttjande, vilket betyder att nästan hela den ursprungliga materialet omvandlades till polyamider.

Det resulterande materialet testades för att kontrollera dess kemiska och fysiska egenskaper.

Det visade sig vara lika, om inte mer, värmebeständigt än traditionella polyamider baserade på fossila bränslen. Det presterade också bra när det gäller hållbarhet och mekanisk motståndskraft (draghållfasthet).

Källa: Nature.com

En begränsning som forskarna fann är att materialet kan vara känsligt för exponering för stora mängder vatten, så det kan inte nedsänkas. Det kan också vara för permeabel för syre och vatten för att användas i tunn livsmedelsförpackning. Viktigt är att många möjliga tillämpningar fortfarande finns.

Hållbara plaster redo för industriell användning

Användbarhet

Another factor to take into account for industrial applications is “processability.” Or the ease of turning the raw plastic base components into useful materials.

Forskarna demonstrerade att deras nya material kan användas för pistonginjicering och högskjuvningsdubbelskruvextrudering, vilka båda är vanliga metoder för att forma plaster.

Källa: EPFL

De testade även dess egenskaper för 3D‑utskrift, med högtemperaturinställningar för att framgångsrikt producera ett iPhone 11‑fodral.

Källa: EPFL

Återvinning

Another test was to check the potential for recycling of the new polyamide material. They re-used the plastic through high-shear twin-screw extrusion 3 times.

De dragmekaniska egenskaperna förblev nästan identiska över de tre cyklerna.

Färgen ökade något vid varje cykel. Om så behövs kan den orange färgen dock helt undvikas genom att justera produktionsprocessen (förbättrad rening av diaminer), så detta skulle inte vara ett stort problem.

Sammanfattningsvis visade mekanisk återvinning god prestanda, som var lika bra eller bättre än befintliga plastleveranser.

Slutligen undersökte de även möjligheten till kemisk återvinning som ett livscykelavslut för plast. Detta förlitade sig starkt på kraftfulla syror som svavelsyra men visade att plasten kan återvinnas fullständigt med kemikalier i slutet.

Ett kostnadskonkurrenskraftigt alternativ

For the industry to adopt such sustainable plastic (without regulation changes), it will need to be cost-competitive against established fossil fuel-based chemicals.

Priset för nylon 66, den vanligaste polyamiden, ligger vanligtvis mellan 3 000–7 000 USD/ton. Priserna för det nya materialet skulle ligga i ett liknande intervall, även om man antar relativt höga kostnader för råmaterialet.

Möjligen kan användning av material från billigare källor som majsstjälkar göra det ännu billigare.

Källa: Nature.com

Förutom att vara pris­konkurrenskraftigt är det nya materialet en mycket mindre utsläppare av koldioxid och växthusgaser än befintliga produkter på marknaden, särskilt om xylose från majsstjälkar används istället för kommersiell xylose.

Hållbara plaster – ett nödvändigt framsteg

Nya typer av bioplaster, som i denna studie, behövs för att minska konsumtionen av fossila bränslen.

Detta representerar ett nytt steg, där en ny typ av plastmolekyler med liknande eller överlägsna prestanda skapas istället för att försöka återskapa traditionella plastkemikalier med en biomaterialkälla.

Troligen är ersättningen av aromatiska grupper från fossila bränslen med biologiska sockerarter bara början.

Detta tillvägagångssätt är svårare men möjliggör också nya plastleveranser som har många fördelar jämfört med traditionella:

• Lägre koldioxidavtryck.
• Mindre förorening.
• Värdeskapande av jordbruksavfallsprodukter.
• Möjlig kostnadsminskning eller förbättrade kemiska egenskaper.

Framgången för EPFL‑teamet (och dess forskningspartners) bör användas som en mall för andra innovationer som använder biomaterial för att skapa nya användbara industriella kemikalier istället för att bara försöka exakt replikera befintliga plaster med kemiska strukturer som är rikliga i olja.