Der perfekte Kunststoff?
Auf Pflanzenbasis, vollständig in Salzwasser abbaubar, kein Mikroplastik
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Forscher unter der Leitung von Takuzo Aida am RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Japan haben sich in ihrem Bestreben, unser Mikroplastikproblem zu lösen, selbst übertroffen. In einer kürzlich im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie berichten sie über eine neue Art von Kunststoff, der aus pflanzlicher Zellulose, der am häufigsten vorkommenden organischen Verbindung der Welt, hergestellt wird. Der neue Kunststoff ist stark, flexibel und kann sich in der natürlichen Umgebung schnell zersetzen, was ihn von anderen als biologisch abbaubar vermarkteten Kunststoffen unterscheidet.
Das Schema zeigt, wie sich Zellulose und Polyethylen-Imin-Guanidinium in Wasser verbinden, um den ersten glasartigen und transparenten Kunststofffilm auf Zellulosebasis zu bilden. Später entdeckten die Forscher, wie sich die mechanischen Eigenschaften mit Hilfe des organischen Salzes Cholinchlorid einstellen lassen.
RIKEN
Mikroplastik ist eine globale Verunreinigung, die in fast allen Ökosystemen zu finden ist, vom Boden über den Ozean bis hin zu den dort lebenden Tieren und Pflanzen. Es wurde sogar in menschlichem Gewebe und im Blutkreislauf gefunden, wo es wahrscheinlich schädliche Auswirkungen hat. Biologisch abbaubare Kunststoffe und sogar einige aus Zellulose gewonnene Kunststoffe (Zellulosenitrat oder Zelluloseacetat) sind zwar nicht neu, aber die meisten als "biologisch abbaubar" bezeichneten Kunststoffe bauen sich in der Meeresumwelt nicht oder nur sehr langsam ab und hinterlassen in der Zwischenzeit Mikroplastik.
Letztes Jahr haben Aida und sein Team einen Kunststoff entwickelt, der sich in Salzwasser innerhalb weniger Stunden schnell abbauen lässt, ohne Mikroplastik zu hinterlassen. Bei diesem Kunststoff handelte es sich um einen supramolekularen Kunststoff, der aus zwei Polymeren bestand, die durch reversible Wechselwirkungen, so genannte "Salzbrücken", zusammengehalten wurden. In Gegenwart von Salzwasser lösten sich die Bindungen, die die beiden Polymere zusammenhielten, und der Kunststoff zersetzte sich. Dieser Kunststoff war jedoch nicht so praktisch, wie er in der realen Welt hergestellt werden könnte.
Der neue Kunststoff auf Pflanzenbasis ist ähnlich, nur dass eines der beiden Polymere ein handelsübliches, von der FDA zugelassenes, biologisch abbaubares Holzfaserderivat namens Carboxymethylcellulose ist. Die Suche nach einem kompatiblen zweiten Polymer erforderte einige Versuche, aber schließlich fand das Team ein sicheres Vernetzungsmittel, das aus positiv geladenen Polyethylen-Imin-Guanidinium-Ionen besteht. Als die Zellulose und die Guanidinium-Ionen in Wasser mit Raumtemperatur gemischt wurden, zogen sich die negativ und positiv geladenen Moleküle wie Magneten an und bildeten das kritische vernetzte Netzwerk, das diese Art von Kunststoff stark macht. Gleichzeitig brachen die Salzbrücken, die das Netzwerk zusammenhalten, wie in Gegenwart von Salzwasser zu erwarten war. Um eine ungewollte Zersetzung zu vermeiden, kann der Kunststoff mit einer dünnen Beschichtung auf der Oberfläche geschützt werden.
So weit, so gut. Doch obwohl sich der neue Kunststoff schnell zersetzte, war er anfangs wegen der Zellulose zu spröde. Der resultierende Kunststoff war farblos, transparent und extrem hart, hatte aber eine brüchige, glasartige Qualität. Was das Team brauchte, war ein guter Weichmacher, ein kleines Molekül, das sie der Mischung hinzufügen konnten, um den Kunststoff flexibler zu machen, ohne ihn zu verhärten. Nach vielen Experimenten entdeckten sie, dass das organische Salz Cholinchlorid wahre Wunder bewirkte. Durch die Zugabe unterschiedlicher Mengen dieses von der FDA zugelassenen Lebensmittelzusatzstoffs zum Kunststoff konnten die Forscher genau einstellen, wie flexibel der Kunststoff sein sollte. Je nach Menge des Cholinchlorids kann der Kunststoff hart und glasartig sein oder so elastisch, dass er sich um bis zu 130 % seiner ursprünglichen Länge dehnen lässt. Er kann sogar zu einer starken und dennoch dünnen Folie mit einer Dicke von nur 0,07 mm verarbeitet werden. Ein Video einer Tüte aus dem neuen biologisch abbaubaren Kunststoff auf Pflanzenbasis ist hier zu sehen: https://youtu.be/glBYYhk1STQ.
Die Verbesserungen gegenüber dem ursprünglichen Entwurf sind nicht trivial. "Während sich unsere erste Studie vor allem auf das Konzept konzentrierte", erklärt Aida, "zeigt diese Studie, dass unsere Arbeit nun ein praktischeres Stadium erreicht hat." Der neue supramolekulare Kunststoff aus Carboxymethylcellulose, genannt CMCSP, ist genauso stabil wie herkömmliche Kunststoffe auf Erdölbasis und seine mechanischen Eigenschaften können je nach Bedarf angepasst werden, ohne dass die intrinsische Transparenz, die Verarbeitbarkeit, die Dissoziierbarkeit in Meerwasser oder die Recyclingfähigkeit beeinträchtigt werden. Durch die Verwendung gängiger und preiswerter biologisch abbaubarer Inhaltsstoffe, die von der FDA zugelassen sind, haben Aida und sein Team sichergestellt, dass ihr Kunststoff schnell in reale, praktische Anwendungen überführt werden kann.
"Die Natur produziert jedes Jahr etwa eine Billion Tonnen Zellulose", sagt Aida. "Aus dieser reichlich vorhandenen natürlichen Substanz haben wir ein flexibles und dennoch widerstandsfähiges Kunststoffmaterial geschaffen, das sich im Meer sicher zersetzt. Diese Technologie wird dazu beitragen, die Erde vor Plastikverschmutzung zu schützen".
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