PEF sagt PET den Kampf an
Das Bioplastik PEF könnte einige Probleme, die das PET verursacht, lösen. Die langwierige und energieverschlingende Herstellung hat eine Massenproduktion bislang verhindert. Forscher der ETH Zürich haben nun eine Methode entwickelt, die das PEF endlich marktfähig machen könnte.
Die Problematik durch Plastik ist in aller Munde. Jedes Jahr werden allein rund 50 Millionen Tonnen des Kunststoffs Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, Tendenz steigend. Da das Recycling meist kostenintensiv und technologisch schwer umsetzbar ist, landen sehr viele Plastikabfälle in den Meeren oder werden verbrannt, wodurch massive CO2-Emissionen verursacht werden. Und auch die Verwendung von Erdöl bei der Herstellung ist problematisch. Komplett auf Plastik verzichten, kann aber niemand von uns.
«Polymere und Plastik sind sehr nützliche Materialien, die eine breite Palette alltäglicher Anwendungen überhaupt erst ermöglichen. Leichtere Autos, Smartphones, moderne Kleidung und viele medizinische Geräte würde es beispielsweise nicht geben, wenn wir keine Polymere erfunden hätten», sagt Jan-Georg Rosenboom, frisch graduierter Doktorand in der Forschungsgruppe von ETH-Professor Massimo Morbidelli am Department Chemiewissenschaften und Angewandte Biowissenschaften. «Die Frage ist, wie wir die negativen ökologischen Auswirkungen von Plastik reduzieren und gleichzeitig seine Vorteile für unsere Gesellschaft erhalten können.»
Bessere Materialeigenschaften
Eine Antwort darauf könnten biobasierte Polymere sein, sogenanntes Bioplastik. Dieses weist sehr ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Kunststoffe auf, wird aber aus pflanzlichen Rohstoffen anstelle von Rohöl hergestellt. Einige Biokunststoffe sind zudem biologisch abbaubar und ermöglichen eine bessere Kompostierung.
Die Gruppe von Massimo Morbidelli erforscht unter anderem das Bioplastik namens Polyethylenfuranoat (PEF). PEF ist dem PET chemisch sehr ähnlich, besteht jedoch zu hundert Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen, wie etwa Forst- und Agrarabfällen. Seine etwas andere Molekularstruktur ermöglicht ausserdem bessere Produkteigenschaften: PEF-Flaschen benötigen beispielsweise weniger Material, sind leichter sowie stabiler als ihre PET-Konkurrenten und machen Getränke länger haltbar. PEF ist zwar biologisch nicht abbaubar, kann neben dem Recycling aber auch umweltschonend verbrannt werden, da keine zusätzlichen CO2-Emissionen entstehen.
Dafür, dass sich PEF auf dem Markt noch nicht durchsetzen konnte, ist vor allem dessen zeit- und energieintensive Produktion verantwortlich. Die ETH-Doktoranden Jan-Georg Rosenboom und Peter Fleckenstein haben nun zusammen mit dem ETH-Professor Giuseppe Storti ein Verfahren entwickelt, das PEF den kommerziellen Durchbruch ermöglichen könnte. Gestern wurden ihre Forschungsresultate in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert.
Energieeffiziente und schnelle Herstellung
«Unsere Methode reduziert die Herstellungszeit von mehreren Tagen auf wenige Stunden. Zudem können Verfärbungen im Endprodukt im Gegensatz zu bisherigen Verfahren vermieden werden», sagt Jan-Georg Rosenboom und erklärt: «Statt die üblichen seil-artigen Polymerketten mit zwei Endpunkten reagieren zu lassen, schnüren wir aus selbigen zunächst Ringe, die somit kein Ende mehr haben. Diese Ringe lassen sich dann viel schneller und kontrollierter zu PEF polymerisieren. Das liegt daran, dass keine chemischen Nebenprodukte entstehen und abgeführt werden müssen, wenn man die Ringe öffnet und zum finalen Polymer-Seil aneinanderhängt. Die sehr schnelle Reaktion innerhalb von Minuten ermöglicht PEF-Produkte, die PET in Materialeigenschaften überlegen sind, und reduziert den Energiebedarf.»
Darüber hinaus ermöglicht die Methode der Ringöffnung eine präzise Abstimmung der Produktqualität, was beim bisherigen Herstellungsverfahren nicht möglich war. Dadurch könnte die neue Methode auch für die Herstellung von anderen Arten von Plastik und Bioplastik interessant sein. Aufgrund der guten Materialeigenschaften könnte das PEF eventuell auch Vielschichtmaterialien ersetzen, die schwierig zu recyclen sind.
Momentan erforschen die Wissenschaftler gemeinsam mit der Firma Sulzer, wie der neue Prozess bei der industriellen Massenproduktion umgesetzt werden könnte. Trotz der vielen Vorteile, die das PEF bietet, könne es von alleine nicht alle Probleme lösen, sagt Rosenboom und betont: «Bildung und ein geschärftes Bewusstsein für den Umgang mit Plastik werden weiterhin wichtig sein, um die zunehmende Umweltbelastung zu stoppen. Fortschritte bei den Herstellungs- und Recyclingtechnologien werden jedoch den Übergang zu einer nachhaltigen Gesellschaft erleichtern.»
Literaturhinweis
Rosenboom JG, Hohl DK, Fleckenstein P, Storti G, Morbidelli M: Bottle-grade polyethylene furanoate from ring-opening polymerisation of cyclic oligomers. Nature Communications, 24. Juli 2018, doi: externe Seite 10.1038/s41467-018-05147-y