Erforschung der Wissenschaft und Lösungen hinter abbaubaren Kunststoffen #
Polymermaterialien, insbesondere Kunststoffe, sind integraler Bestandteil der modernen Industrie und des täglichen Lebens. Ihre Haltbarkeit und Resistenz gegen natürlichen Abbau haben jedoch zu erheblichen Umweltproblemen geführt. Dieser Artikel beleuchtet die Mechanismen des Kunststoffabbaus, die Entwicklung abbaubarer Kunststoffe und die Hauptkategorien biologisch abbaubarer Materialien.
Mechanismen des Polymerabbaus #
Polymermaterialien können aufgrund äußerer Einflüsse während Produktion, Verarbeitung und Nutzung verschiedene Abbauformen durchlaufen. Dazu gehören:
- Thermisches Spalten
- Mechanisches Spalten
- Photolyse
- Strahlungsspaltung
- Oxidative Spaltung
- Biologischer Abbau
- Chemische Spaltung
Oft treten mehrere Spaltungsarten gleichzeitig auf. Unter diesen ist die oxidative Spaltung am häufigsten, besonders wenn Polymere Luft ausgesetzt sind. Die Kontrolle dieser Faktoren zur Verlängerung der Strukturfestigkeit und Lebensdauer von Polymerprodukten bleibt eine zentrale Herausforderung der Materialwissenschaft.
Die zwei Hauptwege in der Polymerentwicklung #
Mit dem raschen Fortschritt der Kunststoffindustrie konzentriert sich die Forschung auf zwei Hauptbereiche:
- Verbesserung der Polymerstabilität, um die Produktlebensdauer zu verlängern und den Abbau zu verzögern.
- Beschleunigung des Abbaus, um Umweltverschmutzung durch feste Abfälle zu bekämpfen, insbesondere da globale Kunststoffbeschränkungen zunehmend verbreitet sind.
Letzteres führte zur Entwicklung verschiedener abbaubarer Materialien, darunter biologisch abbaubare, photodegradierbare, thermisch abbaubare und chemisch abbaubare Kunststoffe.
Die Umweltproblematik von Kunststoffen #
Kunststoffe sind allgegenwärtig, doch ihre hohe chemische Stabilität macht sie resistent gegen Säuren, Laugen, Schimmel und Korrosion. Im Erdreich vergraben können sie Jahrhunderte überdauern und tragen so zur wachsenden Abfall- und Umweltbelastung bei. Der Bedarf, Kunststoffverschmutzung zu reduzieren, hat die Suche nach Alternativen vorangetrieben, insbesondere für Einwegartikel wie Verpackungen und Lunchboxen.
Was sind abbaubare Kunststoffe? #
Abbaubare Kunststoffe sind so konzipiert, dass sie unter bestimmten Bedingungen zerfallen. Die Stabilität von Kunststoffpolymeren beruht auf ihrer molekularen Struktur – langen Ketten von Kohlenstoffatomen, verbunden durch starke Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Dies erschwert den natürlichen Abbau. Drei Hauptabbauarten haben sich jedoch als wirksam erwiesen:
- Biologischer Abbau
- Chemischer Abbau
- Photodegradation
Wissenschaftler haben Kunststoffe entwickelt, die auf jede dieser Methoden zugeschnitten sind, wie biologisch abbaubare, chemisch abbaubare und photodegradierbare Kunststoffe, die alle zur Bekämpfung der „weißen Verschmutzung“ beitragen.
Biologisch abbaubare Kunststoffe #
Biologisch abbaubare Kunststoffe sind so gestaltet, dass sie durch Mikroorganismen und Enzyme in natürlichen Umgebungen wie Boden oder Kompost zersetzt werden. Letztlich zerfallen sie zu Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Wasser (H2O), mineralisierten anorganischen Salzen und neuer Biomasse.
Anwendungen:
- Schutzabdeckungen für Setzlinge, die nach dem Einpflanzen im Boden verrotten
- Abbaubare chirurgische Fäden, die im Körper nach einigen Monaten verschwinden
Herausforderungen:
- Hohe Produktionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen
Methoden zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe:
- Stärkezugabe: Die Einbindung von Stärke schwächt die Kohlenstoffkette, macht sie für Mikroben leichter verdaulich und führt zur Zersetzung in Wasser und CO2.
- Gelartige Stärke und Zusatzstoffe: Zugabe von 40–50 % gelartiger Stärke oder mit organosilikonischen Kupplungsmitteln und ungesättigten Fettsäuren behandelter Stärke. Diese Methode ist teuer und langsam, benötigt 3–5 Jahre für vollständigen Abbau unter Kompostbedingungen.
- Stärke und Polycaprolactam: Kombination dieser Zutaten verkürzt die Abbauzeit, geeignet für Produkte wie chirurgische Nähte, jedoch mit hohen Kosten.
Es wird daran gearbeitet, die Kosten durch Verwendung natürlicher Abfallmaterialien wie Reishülsen und Holzschliff zu senken.
Chemisch abbaubare Kunststoffe #
Chemisch abbaubare Kunststoffe enthalten spezielle Verpackungen – Stärke, die Oxidationsmittel einschließt. Beim Vergraben verbrauchen Bakterien die Stärke und hinterlassen eine poröse Hülle. Das Oxidationsmittel reagiert dann mit Bodensalzen und Wasser und spaltet die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Kunststoffs.
Vorteile:
- Geringere Kosten
- Effektiver Abbau (pulverisiert in etwa 6 Monaten, vollständiger Abbau in wenigen Jahren unter idealen Bedingungen)
Photodegradierbare Kunststoffe #
Photodegradierbare Kunststoffe bauen sich unter Sonneneinstrahlung, insbesondere UV-Licht, ab. Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen in der Polymerkette ermöglicht es UV-Licht, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu spalten, was zur Kettenzersetzung führt.
Eigenschaften:
- Hinterlässt zunächst Rückstände und Fragmente; vollständiger Abbau dauert mehrere Jahre
- Benötigt längere Sonneneinstrahlung
- Häufig verwendet für Lebensmittelverpackungsbeutel
Hauptkategorien biologisch abbaubarer Materialien #
1. PLA (Polymilchsäure) #
- Quelle: Polymerisation von Milchsäure
- Abbau: Kompostierbar bei Temperaturen über 55 °C mit Sauerstoff und Mikroorganismen, zerfällt zu CO2 und Wasser
- Eigenschaften: Biokompatibel, biologisch abbaubar, gute mechanische Festigkeit, leicht zu verarbeiten
- Anwendungen: Verpackungen, Textilien, Agrarfolien, biomedizinische Polymere
- Einschränkung: Benötigt spezifische Abbaubedingungen, aber kostengünstig unter biologisch abbaubaren Kunststoffen
2. PBS (Polybutylensuccinat) #
- Quelle: Kondensation von Bernsteinsäure und Butandiol (aus Erdöl oder biologischer Fermentation)
- Abbau: Leicht von Mikroorganismen oder Enzymen zersetzt
- Eigenschaften: Gute Biokompatibilität, Bioabbaubarkeit, Hitzebeständigkeit
- Anwendungen: Verpackungsfolien, Geschirr, Schaumverpackungen, Flaschen, Agrarfolien, langsam freisetzende Materialien
- Varianten: PBAT und PBSA mit ähnlicher Leistung, aber ungünstigeren Verarbeitungseigenschaften
3. PBAT (Polybutylenterephthalatadipat) #
- Quelle: Herstellung aus aliphatischen Säuren und Butandiol (petrochemisch oder biologische Fermentation)
- Eigenschaften: Thermoplastisch, gute Duktilität, Dehnbarkeit, Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit, ausgezeichnete Filmbildung
- Anwendungen: Einweg-Verpackungsfolien, Agrarfolien
- Hinweis: Weit verbreitet und gut erforscht unter abbaubaren Kunststoffen
4. PHAs (Polyhydroxyalkanoate) #
- Typen: Einschließlich PHA, PHB (Polyhydroxybutyrat)
- Abbau: Vollständiger Abbau zu β-Hydroxybuttersäure, CO2 und Wasser
- Eigenschaften: Hohe Wärmeverzugsfestigkeit, gute Biokompatibilität, aber enger Verarbeitungsbereich, schlechte thermische Stabilität, hohe Sprödigkeit
- Anwendungen: Einwegprodukte, medizinische Geräte, Verpackungsbeutel, Kompostbeutel, medizinische Nähte, Reparaturgeräte, Verbände, Knochenstifte, Antihaftfolien, Stents