Kunststoff aus hydroplastischen Polymeren

27.10.2021

Die Herstellung von Kunststoff ist häufig noch nicht besonders nachhaltig - das bedeutet eine Gefährdung der Umwelt und der menschlichen Gesundheit. Dies soll sich nun ändern: Forscher der Universität Göttingen haben eine neue Methode entwickelt, bei der umweltfreundliche Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt werden. Hierbei wird ein neuer Typ von Hydroplastik mit Wasser verarbeitet und umgeformt.

Prof. Kai Zhang ist leitender Autor der Studie und erläutert in diesem Interview mit K-MAG, wie die neuen Polymere entstehen, was die Vorteile der sogenannten Hydrosetting-Methode sind und wirft einen Blick in die Zukunft der nachhaltigen Herstellung von Kunststoff.

Bild: Prof. Kai Zhang lächelt in die Kamera; Copyright: Kai Zhang

Prof. Kai Zhang. Quelle: Kai Zhang

Prof. Zhang, was ist das Problem bei der herkömmlichen Herstellung von Polymeren?

Kai Zhang: Die konventionelle Herstellung von Polymeren hat das Problem, dass die Monomere der Polymere in der Regel aus Petrochemikalien wie Erdöl und Gas stammen, die nicht nachhaltig sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass für die Formgebung von Polymeren in der Regel komplexe und teure Geräte erforderlich sind. Zudem findet der Prozess unter hohen Temperaturen, hohem Druck oder Aushärtungsprozessen unter Ausschluss von Sauerstoff statt.

Welches Material verwenden Sie für Ihre neuen Polymere und warum gerade dieses?

Zhang: Für unsere neuen Polymere verwenden wir Cellulosecinnamat. Cellulosecinnamat ist gut geeignet, da der Hauptrohstoff Cellulose als häufigste organische Verbindung auf der Erde verfügbar ist. Außerdem enthält die Cellulosekette viele Wasserstoffbrückenbindungen, die es dem Polymer ermöglichen, Wasser zu absorbieren, sodass es nach entsprechender chemischer Modifizierung als Hydroplastik verwendet werden kann.

Was sind die Vorteile der neuen Polymere?

Zhang: Neben der hohen Verfügbarkeit von Cellulose ist die Verarbeitungstechnologie, also die Hydrierung des neuen Polymers in verschiedene Formen unter Verwendung von Wasser und Lufttrocknung einfach und sehr kosteneffizient. Sie erfordert keinen großen Energieaufwand und somit entsteht ein umweltfreundlicher Kunststoff. Das Polymer kann durch die einfache Hydrosetting-Methode wiederholt geformt werden, anstatt sie einfach wegzuwerfen oder abzulagern – das verlängert die Haltbarkeit und Nutzungsdauer solcher Kunststoffe erheblich. Die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften des neuen Polymers gewährleisten seine Anwendung in verschiedenen Szenarien, was auch für ihre wiederholte Verwendung von Vorteil ist.

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Welche Anwendungen sind für das neue Polymer vorgesehen?

Zhang: Wir sehen für das neue Polymer in der Zukunft ein breites Spektrum von Anwendungen vor. Es sollte generell für viele Szenarien geeignet sein, in denen thermoplastische und duroplastische Materialien eingesetzt werden. Insbesondere versprechen unsere Polymerwerkstoffe als Hydroplastik den Einsatz in Szenarien, in denen sie nur wenig mit Wasser in Berührung kommen müssen, zum Beispiel bei Elektro- und Elektronikgeräten, Konsumgütern und institutionellen Produkten sowie bei einigen industriellen Maschinen. Hydroplastik kann beispielsweise für Verpackungen verwendet werden, die derzeit einen riesigen Markt für Kunststoffe darstellen, insbesondere für Produkte, die normalerweise in trockener Umgebung gelagert werden, wie Kleidung und Papier, aber auch Lebensmittel wie beispielsweise Reis, Kekse, Trockenfrüchte oder Nüsse sowie ölige oder unpolare Produkte. Wenn die Polymere mehrschichtig aufgebaut sind, können sie auch als Verpackungsmaterial für Flüssigkeiten verwendet werden, die viel Wasser enthalten, wie Saft oder auch für reines Wasser. In Verbindung mit einem ausgeklügelten Produktdesign können Hydroplastikmaterialien auch für Textilien und in der Medizin und im Gesundheitswesen verwendet werden. In der Automobilindustrie können sie beispielsweise in der Innenausstattung eine Rolle spielen. Auch die Möbelindustrie und sogar der Luft- und Raumfahrt können in Zukunft profitieren.

Was macht die neue Herstellungsmethode so nachhaltig?

Zhang: Die Hydrosetting-Methode für die Formgebung von Kunststoffen kann mit Hilfe von Wasser angewandt werden, ohne dass teure und komplexe Maschinen oder raue Bedingungen wie hohe Temperaturen, hoher Druck oder Aushärtungsprozesse unter Sauerstoffabschluss erforderlich sind. Daher ist das Hydrosetting-Verfahren kosteneffizient, energiesparend und nachhaltig. Die Hydrohärtungsmethode kann wiederholt für die Formgebung des hydroplastischen Polymers verwendet werden. So kann das Polymer mit dieser Hydrohärtungsmethode mehrfach in verschiedene Formen gebracht werden.

Bild: Kleines hydroplastisches Polymer wird von zwei Händen in blauen Handschuhen gehalten; Copyright: Kai Zhang

Der neu hergestellte Bio-Kunststoff besteht aus hydroplastischen Polymeren, welche weich sind und sich bei Kontakt mit Wasser formen lassen. Quelle: Kai Zhang

Wie wird sich Ihrer Meinung nach die Forschung im Bereich nachhaltige Kunststoffe oder Polymere in den nächsten Jahren entwickeln?

Zhang: Meiner Meinung nach werden sich Forscher weltweit verstärkt mit nachhaltigen Kunststoffen befassen, da die schädlichen Auswirkungen von Kunststoffen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit inzwischen gut bekannt sind. Bei der künftigen Entwicklung von Kunststoffen wird mehr auf die Verwendung erneuerbarer Ressourcen wie Kohlenhydrate, Kohlendioxid und Pflanzenöle anstelle von petrochemischen Stoffen als Rohstoff für die Herstellung von Kunststoffen gesetzt. Die Erforschung von Methoden für ein effizienteres Recycling und eine effizientere Wiederverwendung von Kunststoffen, wie beispielsweise effiziente Enzyme zur Depolymerisierung der Polymere oder die Überführung der Kunststoffe in andere nützliche Formen von Ressourcen wird vorangetrieben. Generell denke ich, dass der Fokus auf neue kosteneffiziente, umweltfreundliche und nachhaltige Methoden gelenkt wird.