Forschung entwickelt umweltfreundliches Polyester

Plastik spielt in unserem Alltag eine wichtige Rolle. Leider ist es aber auch für einen großen Anteil unseres Müllproblems verantwortlich. Die meisten Plastiksorten können nur schwer recycelt werden und bleiben viele Jahre in der Umwelt, wenn sie einmal in dieser gelandet sind. Deshalb suchen Wissenschaftler:innen weltweit nach umweltverträglichen Alternativen. Für den vielgenutzten Kunststoff Polyester könnte dies nun gelungen sein: Ein Forschungsteam hat eine neue Variante entwickelt, die ähnlich stabil und kristallin wie hochdichtes Polyethylen (HDPE), verfügt aber über Sollbruchstellen in den Polymerketten, dank derer sie weit besser recycelt und innerhalb weniger Tage bis Wochen biologisch abgebaut werden kann.

Stabile Kunststoffe sind schwer abbaubar

Die Suche nach alternativen Kunststoffen stellt eine Herausforderung dar. Zwar werden viele Biokunststoffe können zwar aus nachwachsenden Rohstoffen produziert werden, sind aber weder ungiftig noch klimafreundlich – geschweige denn biologisch abbaubar. Zudem erfordern viele Anwendungen besonders harte und widerstandsfähige Kunststoffe. Statt biologischen Kunststoffen kommen hier oft wasserabweisende Polymere zum Einsatz, deren Ketten dank Wasserstoffbrücken eine kristallartige Struktur bilden. Ein solches Polymer ist hochdichtes Polyethylen (HDPE), das etwa für Plastikflaschen für Reinigungsmittel, Plastikrohre, stabile Folien und Kunststoff-Haushaltswaren verwendet wird.

Aufgrund ihrer großen Stabilität sind solche Kunststoffe kaum abbaubar und bleiben über Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte in der Umwelt. „Die Kristallinität in Kombination mit dem wasserabweisenden Charakter bremst in der Regel die biologische Abbaubarkeit der Materialien stark, weil sie die Zugänglichkeit der Sollbruchstellen für Mikroorgansimen erschwert„, so erläutert Stefan Mecking von der Universität Konstanz.

Neuer Kunststoff für aus nachwachsenden Rohstoffen

Gemeinsam mit seinem Kollegen Marcel Eck und weiteren Forscher:innen könnte Mecking dieses Problem nun gelöst haben. Das Team baute chemische „Sollbruchstellen“ in die Polymerketten ein, die Ansatzstellen bieten, um das Polymer im Rahmen des Recyclings oder auch des biologischen Abbaus aufbrechen zu können. Diese Sollbruchstellen stören die stabile, kristalline Struktur des Kunststoffes nicht, sodass seine Eigenschaften erhalten bleiben. In dieser Konfiguration erwies sich der Kunststoff zwar als gut recycelbar, konnte aber noch nicht biologisch abgebaut werden.

In einem zweiten Schritt konnten die Chemiker:innen diesen Umstand ändern. Das Team entwickelte einen neuen Polyester, der nicht nur industriell gefragte Materialeigenschaften, sondern auch eine gute Umweltverträglichkeit in sich vereint. Der Polyester hört auf den Namen Polyester-2,18 und besteht aus zwei Grundbausteinen, die beide aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können: der aus 18 Kohlenstoffatomen aufgebauten Dicarbonsäure 1,18-Octadecanedi-Carboxylsäure und dem zwei Kohlenstoffatome enthaltenden Ethylenglykol.

Ähnlich wie hochdichtes Polyethylen weist auch der neue Polyester eine kristalline Struktur auf und hat daher eine hohe mechanische Stabilität und Temperaturbeständigkeit.

Stabiler Kunststoff kann biologisch und industriell abgebaut werden

Trotz dieser Eigenschaften ist der Polyester gut biologisch abbaubar, wie die Forscher:innen in Laborversuchen mit in der Natur vorkommenden Enzymen sowie Tests in einer industriellen Kompostieranlage zeigen konnten. Im Laborversuch konnte der Polyester innerhalb weniger Tage abgebaut werden, in der Kompostieranlage wurden etwa zwei Monate benötigt.

„ Wir waren selbst über diese schnelle Abbaubarkeit erstaunt. Natürlich lassen sich die Ergebnisse aus der Kompostieranlage nicht eins zu eins auf jede erdenkliche Umweltsituation übertragen. Sie belegen dennoch die biologische Abbaubarkeit des Materials und deuten darauf hin, dass es um ein Vielfaches weniger persistent ist als Kunststoffe wie HDPE, sollte es einmal unbeabsichtigt in die Umwelt gelangen„, so Mecking.

Zwar müssen noch weitere Untersuchungen zur Abbaubarkeit des neuen Kunststoffs folgen, aber die Forscher:innen gehen davon aus, dass ihre Entwicklung zeigt, dass die Herstellung neuer Plastikmaterialien, die den klassischen Polyethylen-Kunststoffen in ihren Eigenschaften gleichen, allerdings besser recycelbar und biologisch abbaubar sind.

via Universität Konstanz