EPFL-Wissenschaftler haben eine nachhaltige Methode entwickelt, um aus landwirtschaftlichen Reststoffen Hochleistungskunststoffe herzustellen.
In unserer schnell industrialisierten Welt war die Suche nach nachhaltigen Materialien noch nie so dringend und notwendig wie heute. Kunststoffe stellen aufgrund ihrer Herkunft aus fossilen Brennstoffen und ihrer problematischen Entsorgung eine große Herausforderung für die Umwelt dar.
Eine Studie unter der Leitung von Jeremy Luterbachers Team an der EPFL stellt laut Pressemitteilung nun einen 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 für ihre Festigkeit und Haltbarkeit bekannten Kunststoffklasse, deren bekanntester Vertreter Nylons sind – unter Verwendung eines aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnenen Zuckerkerns. Die neue Methode nutze eine erneuerbare Ressource und erreicht diese Transformation effizient und mit minimalen Umweltauswirkungen.
„Typische Kunststoffe auf fossiler Basis benötigen aromatische Gruppen, um ihren Kunststoffen Stabilität zu verleihen – dies verleiht ihnen Leistungseigenschaften wie Härte, Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit“, so Jeremy Luterbacher. „Hier erzielen wir ähnliche Ergebnisse, verwenden aber eine Zuckerstruktur, die in der Natur allgegenwärtig und im Allgemeinen völlig ungiftig ist, um Festigkeit und Leistungseigenschaften zu erzielen.“
Eigenschaften und Anwendungen der Polyamide
Lorenz Manker, der Hauptautor der Studie, und seine 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 nach Presseinformationen eine beeindruckende Atomeffizienz von 97 Prozent. Das bedeutet, fast das gesamte Ausgangsmaterial wird im Endprodukt verwendet, was den Abfall drastisch reduziert.
„Die biobasierten Polyamide weisen Eigenschaften auf, die mit denen ihrer fossilen Gegenstücke konkurrieren können, und bieten eine vielversprechende Alternative für verschiedene Anwendungen“, so die Publikation. Darüber hinaus hätten die Materialien eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit über mehrere Zyklen des mechanischen Recyclings hinweg gezeigt und ihre Integrität und Leistung beibehalten, was ein entscheidender Faktor für das Management des Lebenszyklus nachhaltiger Materialien ist.
Die potenziellen Anwendungen für diese innovativen Polyamide seien vielfältig und reichen von Automobilteilen bis hin zu Konsumgütern, die alle einen deutlich geringeren Kohlenstoff-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 Prozent reduziert werden könnte.
Die Produktion dieser Materialien wird nun von dem EPFL-Spin-off Bloom Biorenewables hochgefahren, um sie auf den Markt zu bringen.
Andere Mitwirkende
- Westschweizerische Hochschule für Angewandte Wissenschaften und Künste
- EPFL-Institut für Werkstoffe
- EPFL Wallis-Wallis
- Die Universität Manchester
Finanzierung
- Schweizerischer Nationalfonds (SNFPlasti
- Nationale Forschungsschwerpunkte (NCCR) Katalyse
- Marie Sklodowska-Curie-Stipendium
- EPFL
- Industrial Strategy Challenge Fund (ISCF) Intelligente nachhaltige Kunststoffverpackungen
- Sustainable Materials Innovation Hub
Referenzen
Lorenz P. Manker, Maxime A. Hedou, Clement Broggi, Marie J. Jones, Kristoffer Kortsen, Kalaiyarasi Puvanenthiran, Yildiz Kupper, Holger Frauenrath, François Marechal, Veronique Michaud, Roger Marti, Michael P. Shaver, Jeremy S. Luterbacher. Leistungsstarke Polyamide, die auf einem nachhaltigen Kohlenhydratkern aufgebaut sind. Nature Sustainability 13. März 2024. DOI: 10.1038/s41893-024-01298-7