Holzchemikalien ersetzen giftige Bisphenole in Kassenbons
Lignin macht Quittungen, Fahrkarten und Versandetiketten sicherer
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EPFL-Forscher haben Formulierungen für die Art von Papier entwickelt, die für Kassenquittungen oder Versandetiketten verwendet wird, und dabei Chemikalien auf Holzbasis eingesetzt.
Jeden Tag verwenden Millionen von Menschen Thermopapier, ohne darüber nachzudenken. Quittungen, Versandetiketten, Fahrkarten und Krankenakten sind alle auf wärmeempfindliche Beschichtungen angewiesen, damit der Text erscheint. Genauer gesagt, löst Wärme eine Reaktion zwischen einem farblosen Farbstoff und einem "Entwickler" aus, wodurch dunkler Text an den Stellen entsteht, an denen das Papier erwärmt wird.
Thermopapier ist ein kleines Objekt mit einem großen Fußabdruck. Es wird in großen Mengen hergestellt, täglich gehandhabt und oft recycelt, wodurch die Chemikalien ins Wasser und in den Boden gelangen können. Jahrzehntelang waren die gängigsten Entwickler Bisphenol A (BPA) und in jüngerer Zeit Bisphenol S (BPS). Beide können lebende Organismen beeinträchtigen, indem sie die Hormonsignale stören, und beide werden in der Umwelt und bei Menschen, die häufig mit Quittungen umgehen, nachgewiesen.
Es ist schwierig, sicherere Alternativen zu Bisphenolen zu finden, denn Thermopapier muss auch stabil, bedruckbar und kosteneffizient sein: Im Jahr 2022 wurde der Weltmarkt für Thermopapier auf etwa 4 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 auf etwa 6 Milliarden US-Dollar anwachsen.
Regulierungsbehörden und Hersteller haben nach Ersatzstoffen gesucht, aber es gab nur langsame Fortschritte, da jede weniger toxische Alternative auch bei der richtigen Temperatur reagieren, während der Lagerung stabil bleiben, sich gut mit anderen Beschichtungsbestandteilen mischen und Hintergrundverfärbungen vermeiden muss. Und viele vorgeschlagene biobasierte Materialien scheitern an einem oder mehreren dieser Punkte.
Eine Lösung aus Holz
Wissenschaftler aus den Gruppen von Jeremy Luterbacher und Harm-Anton Klok an der EPFL haben nun gezeigt, dass aus Holz gewonnene Materialien diese Anforderungen erfüllen können. In einer in Science Advances veröffentlichten Studie berichten die Forscher über Thermopapierbeschichtungen, die Lignin, einen Hauptbestandteil von Holz, zusammen mit einem aus Pflanzenzucker gewonnenen Sensibilisator verwenden.
"Wir haben Thermopapierformulierungen entwickelt - die häufig in Alltagsprodukten wie Kassenbelegen, Paketetiketten, Flugtickets usw. zu finden sind -, die aus pflanzlichen Molekülen hergestellt werden, die nur sehr geringe oder gar keine toxischen Signaturen aufweisen", sagt Luterbacher, der 2014 bekannt wurde, nachdem er eine Methode zur kostengünstigen Extraktion von Lignin aus Pflanzen entwickelt und gleichzeitig dessen Zerstörung vermieden hatte (veröffentlicht in Science).
Die neue Studie baut auf der laufenden Arbeit des Labors mit Lignin auf. Die Forscher konzentrierten sich auf Lignin, weil es bereits chemische Gruppen enthält, die als Farbentwickler wirken können.
Isoliertes Lignin ist jedoch in der Regel dunkel und chemisch unrein, was es für den Druck ungeeignet macht. Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher eine kontrollierte Extraktionsmethode, die so genannte "sequentielle aldehydunterstützte Fraktionierung", um helle Ligninpolymere mit weniger dunklen, farbabsorbierenden Gruppen herzustellen, die beim Drucken stören können. Ihre Chemie ermöglichte auch eine gute Durchmischung in der Wärmeschicht - eine wichtige Voraussetzung für eine gute Reaktivität.
Um das Lignin bei Drucktemperaturen reaktiv zu machen, fügte das Team einen "Sensibilisator" hinzu, eine Verbindung, die beim Erhitzen schmilzt und die Wechselwirkung zwischen Farbstoff und Entwickler unterstützt. Anstatt herkömmliche Sensibilisatoren auf Erdölbasis zu verwenden, testeten sie Diformylxylose, ein Molekül, das aus Xylan hergestellt wird, einem Zucker, der in Pflanzenzellwänden vorkommt. Anschließend trugen sie die resultierenden Mischungen als dünne Beschichtungen auf Papier auf und testeten sie mit kontrollierter Heizung und handelsüblichen Druckern.
Klarer Vorteil bei Sicherheitstests
Die Beschichtungen auf Ligninbasis erzeugten beim Erhitzen klare Druckbilder mit Farbdichtewerten, die im gleichen Bereich liegen wie bei handelsüblichem Thermopapier. Die Beschichtungen blieben stabil, wenn sie monatelang in der Nähe eines Fensters gelagert wurden, und gedruckte Logos waren auch nach einem Jahr noch lesbar. Der Bildkontrast war zwar immer noch geringer als bei vollständig optimiertem kommerziellem Papier, aber die Leistung entsprach der von BPA-basiertem Thermopapier.
Auch die Sicherheitstests zeigten einen klaren Vorteil, da die Ligninentwickler eine östrogenähnliche Aktivität aufwiesen, die um zwei bis vier Größenordnungen geringer war als die von BPA. Der Sensibilisator auf Zuckerbasis zeigte unter den getesteten Bedingungen kein östrogenes oder toxisches Profil.
Die Studie zeigt, dass sicherere Thermopapierformulierungen mit einfachen Verarbeitungsschritten direkt aus nicht essbarer Biomasse hergestellt werden können. Zwar sind noch weitere Arbeiten zur Optimierung der Druckqualität und der Maßstabsvergrößerung erforderlich, doch weisen die Ergebnisse auf Quittungen und Etiketten hin, die ihre Aufgabe erfüllen, ohne auf problematische Chemikalien angewiesen zu sein.
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