Nachhaltiger Kunststoff aus landwirtschaftlichen Abfällen ist bereits Realität

Die Suche nach nachhaltige Materialien war noch nie so dringend: in einer Welt, die durch die Auswirkungen zunehmend geschwächt wird die globale Erwärmung und der Umgang mit der sehr schnellen Entwicklung der Schwellenländer stellt eine der größten Herausforderungen dar Kunststoff, jetzt allgegenwärtig im täglichen Leben eines jeden von uns, von einem Ende des Planeten bis zum anderen.

Zusätzlich zum Problem von Entsorgung von KunststoffmaterialienBesorgniserregend ist auch die Tatsache, dass diese Stoffe hergestellt werden fossile Brennstoffe, weshalb ihre Synthese einen direkten Einfluss auf die hatTreibhausgasemission und globale Erwärmung.

Wissenschaftler der EPFL haben jedoch eine nachhaltige Produktionsmethode entwickelt Hochleistungskunststoffe, wie Polyamide, beginnend mit einem Zucker, der aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen wird, insbesondere aus Biomasse wie Holz oder Maiskolben.

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Nachhaltiger Kunststoff, eine wirklich entscheidende Herausforderung für den Planeten

Produkte Hochleistungskunststoffe Auf nachhaltige Weise ist es so eine entscheidende Herausforderung für die Zukunft des Planeten, insbesondere wenn man bedenkt, dass die meisten Hochleistungsmaterialien wie Nylon oder die sogenannten Technopolymere zum Einsatz kommen aromatische Vorstufen die immer noch sehr schwer nachhaltig zu beschaffen sind.

Ein bahnbrechender Ansatz für dieses Problem stammt aus der Studie des Teams von Jeremy Luterbacher des Eidgenössischen Polytechnikums Lausanne gerade veröffentlicht am „Nachhaltigkeit in der Natur“: Forscher haben es geschafft, einige davon zu synthetisieren Polyamide, eine Klasse von Kunststoffen, zu der die verschiedenen Arten von Nylon gehören, beginnend mit a Zuckerkern aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen.

Nicht nur die neue Methode nutzt eine erneuerbare Ressource, sondern schafft es auch, diese Transformation effizient und mit a zu bewerkstelligen minimale Umweltbelastung.

"Typische Kunststoffe auf fossiler Basis benötigen aromatische Gruppen, um ihren Kunststoffen Steifigkeit zu verleihen, die ihnen Leistungseigenschaften verleiht, wie z Härte, Festigkeit und Widerstand bei hohen Temperaturen“, erklärt Luterbacher.

"Hier erhalten wir ähnliche Ergebnisse, aber Wir verwenden eine Zuckerstruktur, das überall in der Natur vorkommt und im Allgemeinen völlig ungiftig ist, um Steifigkeit und Leistungseigenschaften zu gewährleisten".

Die aus Abfallprodukten gewonnenen Kohlenhydrate, lesen wir in der Studie, sind in der Lage, Kunststoffen Leistungen zu verleihen, die mit denen von Kunststoffen konkurrieren können „klassische“ oder halbaromatische Polymere.

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Diese Polyamide, die nachhaltig und zu einem wettbewerbsfähigen Preis sind …

Lorenz Manner und seine Kollegen entwickelten ein katalysatorfreies Verfahren zur Umwandlung Xylose-Dimethylglyoxylat (DMGX), ein stabilisiertes Kohlenhydrat, das direkt aus gewonnen wird Biomasse wie Holz oder Maiskolben, hergestellt aus hochwertigen Polyamiden.

Das Verfahren ist nicht nur nachhaltig, sondern auch äußerst effektiv: Tatsächlich wird eine beeindruckende Wirkung erzielt Atomwirkungsgrad von 97 ProzentDas bedeutet, dass fast das gesamte Ausgangsmaterial im Endprodukt verwendet wird, wodurch der Abfall drastisch reduziert wird.

Was Wissenschaftler herausgefunden haben, ist Folgendes: amorphe Polyamide mit einer Leistung, die mit fossilbasierten halbaromatischen Alternativen vergleichbar ist. In der Studie heißt es: „Trotz des Vorhandenseins eines Kohlenhydratkerns behalten diese Materialien dank mehrerer Zyklen des mechanischen Recyclings mit hoher Scherung ihre thermomechanischen Eigenschaften bei Sie können chemisch recycelt werden".

Und nicht nur das: Die technisch-ökonomische Analyse und Ökobilanz der neuen nachhaltigen Polyamide haben gezeigt, dass diese Materialien „un konkurrenzfähiger Preis im Vergleich zu herkömmlichen Polyamiden, einschließlich Nylons (z. B. Nylon 66), mit a Reduzierung des Treibhauspotenzials um bis zu 75 Prozent".

Wie wir in der Studie lesen, haben Polyamide einen hohen Marktwert, wobei die Preise zwischen 3 und 7 Dollar pro Kilo für Nylon 66 und bis zu 20 Dollar pro Kilo für halbaromatische Hochleistungs-Polyphthalamide (PPAs) auf Säurebasis liegen ihre Copolymere.

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Ein effizienter Prozess, der den ökologischen Fußabdruck reduzieren kann

Ausgangspunkt für nachhaltige Polyamide ist Xylose-Dimethylglyoxylat (DMGX), ein polymerer Vorläufer, der aus verfügbarer Biomasse hergestellt werden kann und bereits zur Produktion verwendet wurde abbaubare Polyester.

In der neuen Studie wird dieselbe Verbindung für die Synthese hochmolekularer Polyamide verwendet schmilzt bei 250 Grad Celsius, ohne die Notwendigkeit eines Katalysators und mit Reaktionszeiten von nur drei Stunden.

Die Produktion nachhaltiger Monomere für den Einbau in technische Polyamide könnte deutlich sinken Der ökologische Fußabdruck der chemischen Industrie, bietet aber gleichzeitig die Möglichkeit dazu die Rentabilität von Lignozellulose-Biomasse steigern Erschließung eines Marktes mit hohem Mehrwert im Vergleich zu dem der Basispolyester und Polyolefine.

Traditionelle Polyamide, wie z Nylon oder KevlarSie weisen eine hohe Beständigkeit gegen Stöße, Verschleiß, Lösungsmittel und Öle auf und gewährleisten so eine angemessene Wärmedämmung.

Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit gibt es jedoch noch viel zu tun. Dies lässt sich deutlich erkennen, wenn man die berücksichtigt Treibhauspotenzial (GWP), der den Beitrag eines Materials zum Treibhauseffekt ausdrückt und bei Polyamiden besonders hoch ist. In der Studie heißt es: „Das gebräuchlichste Polyamid, Nylon 66, hat einen GWP von etwa 8–9 kg CO2-Äquivalent pro Kilo“, im Vergleich zu den 3 kg von Polyethylenterephthalat (PET).

Es ist auch interessant zu sehen, wie in Synthese von NylonEin großer Teil des GWP ist gerade auf die Vorstufe Adipinsäure zurückzuführen, die allein 8,5 kg „wiegt“.

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Eine echte konkrete Alternative zur Verwendung fossiler Kunststoffe

"Bei der Analyse der Gesamtnachhaltigkeit unseres Materials haben wir neben dem GWP auch andere Umweltauswirkungskategorien berücksichtigt“, erklären die Wissenschaftler. Wie so oft passiert biobasierte Produkte, verlagert sich die Umweltbelastung für die Herstellung dieser Polyamide an andere Stellen, insbesondere im Hinblick auf die natürliche Umwandlung des Bodens und Ökotoxizität durch intensive Landwirtschaft.

Der daraus gewonnene Kunststoff landwirtschaftlicher Abfall, lesen wir in der Studie: „hat diese Belastung im Vergleich zu anderen biobasierten Polyamiden, die ausschließlich für diesen Zweck Ölpflanzen anbauen (z. B. aus Rizinusöl gewonnene Polyamide), reduziert.“. Darüber hinaus erfolgt die Verwendung landwirtschaftlicher Reststoffe anstelle von Pflanzenölen reduziert die Auswirkungen erheblich zur terrestrischen Versauerung, onEutrophierung von Süßwasser, zur marinen Ökotoxizität und zur Erschöpfung fossiler Brennstoffe.

Die von EPFL-Forschern entwickelten biobasierten Polyamide bietenvielversprechende Alternative zu fossilen Kunststoffen, für eine Vielzahl von Anwendungen, die von Automobilkomponenten bis hin reichen Filamente für den 3D-Druck und Konsumgüter.

"Suche nach Kunststoffvorläufern, die mit hoher Effizienz synthetisiert werden können reichlich vorhandene und nachwachsende Rohstoffe, die mit verschiedenen chemischen Materialien kompatibel sind und ähnliche Leistungseigenschaften wie aromatische Monomere und Phthalate bieten können, würden dies erheblich erleichtern Konkurrenz zu Erdölprodukten“, zeigt die Studie erneut.

Der Weg ist noch lang, aber die Fortschritte gehen schnell voran: Die Produktion dieser neuen Materialien befindet sich dank bereits in der Scale-up-Phase Bloom Biorenewables, das Spin-off der EPFL die darauf abzielt, sie auf den Markt zu bringen. Die konkrete Alternative zu fossilen Kunststoffen ist bereits Realität.

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