Nachhaltige Kunststoffe aus landwirtschaftlichen Abfällen
In unserer schnell industrialisierten Welt war die Suche nach nachhaltigen Materialien noch nie so dringend wie heute. Kunststoffe, die im täglichen Leben allgegenwärtig sind, stellen eine grosse Herausforderung für die Umwelt dar, vor allem aufgrund ihrer Herkunft aus fossilen Brennstoffen und ihrer problematischen Entsorgung.
Eine Studie unter Leitung des Teams von Jeremy Luterbacher an der EPFL stellt nun einen bahnbrechenden Ansatz zur Herstellung von Hochleistungskunststoffen aus erneuerbaren Ressourcen vor. Die in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlichte Forschungsarbeit stellt eine neuartige Methode zur Herstellung von Polyamiden vor – einer Kunststoffklasse, die für ihre Festigkeit und Haltbarkeit bekannt ist und zu deren bekanntesten Vertretern Nylons gehören –, bei der ein Zuckerkern aus landwirtschaftlichen Abfällen verwendet wird.
Die neue Methode nutzt eine erneuerbare Ressource und erreicht diese Umwandlung effizient und mit minimalen Umweltauswirkungen.
«Typische Kunststoffe auf fossiler Basis benötigen aromatische Gruppen, um ihren Kunststoffen Steifigkeit zu verleihen – dies verleiht ihnen Leistungseigenschaften wie Härte, Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit», sagt Luterbacher. «Hier erhalten wir ähnliche Ergebnisse, verwenden aber eine Zuckerstruktur, die in der Natur allgegenwärtig und im Allgemeinen völlig ungiftig ist, um Steifigkeit und Leistungseigenschaften zu erzielen.»
Lorenz Manker, der Hauptautor der Studie, und seine Kolleginnen und Kollegen entwickelten ein katalysatorfreies Verfahren zur Umwandlung von Dimethylglyoxylat-Xylose, einem stabilisierten Kohlenhydrat, das direkt aus Biomasse wie Holz oder Maiskolben gewonnen wird, in hochwertige Polyamide. Das Verfahren erreicht einen beeindruckenden Atomwirkungsgrad von 97 %, was bedeutet, dass fast das gesamte Ausgangsmaterial im Endprodukt verwendet wird, was den Abfall drastisch reduziert.
Transparenter Film aus diesem Polyamid. Bildrechte: Lorenz Manker/EPFL
Die biobasierten Polyamide weisen Eigenschaften auf, die mit denen ihrer fossilen Gegenstücke konkurrieren können, und bieten eine vielversprechende Alternative für verschiedene Anwendungen. Darüber hinaus zeigten die Materialien eine erhebliche Widerstandsfähigkeit über mehrere Zyklen des mechanischen Recyclings hinweg und behielten ihre Integrität und Leistung bei, was ein entscheidender Faktor für das Management des Lebenszyklus nachhaltiger Materialien ist.
Die potenziellen Anwendungen für diese innovativen Polyamide sind vielfältig und reichen von Automobilteilen bis hin zu Konsumgütern, die alle einen deutlich reduzierten CO2-Fussabdruck aufweisen. Die technisch-ökonomische Analyse und die Lebenszyklusbewertung des Teams legen nahe, dass diese Materialien preislich mit herkömmlichen Polyamiden, einschliesslich Nylons (z. B. Nylon 66), konkurrieren könnten, wobei das Treibhauspotenzial um bis zu 75 % reduziert werden könnte.
(Die Produktion dieser Materialien wird derzeit von dem EPFL-Spin-off Bloom Biorenewables intensiviert, mit dem Ziel, sie auf den Markt zu bringen.)
Ein iPhone-Etui aus nachhaltigem Polyamid. Bildrechte: Lorenz Manker/EPFL
