Forscher haben erstmals einen Bio-Kunststoff entwickelt, der gleichzeitig transparent für sichtbares Licht und undurchlässig für UV-Licht ist. Basis des neuen Plastiks sind Substanzen, die bei der Bioraffinerie von Zellulose und Hemizelluse anfallen – und daher beispielsweise aus Holzabfällen gewonnen werden. Anwenden könnte man die Bio-Kunststofffolien unter anderem, um gedruckte Elektronik vor ultravioletter Strahlung zu schützen.
Kunststoffe sind auch unserem Alltag kaum mehr wegzudenken. Doch die Entsorgung des Plastikmülls zählt zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Im Meer findet man tonnenweise Kunststoffabfälle und selbst unsere Körper sind mit Mikroplastik belastet. Forscher sind deshalb seit langem auf der Suche nach Alternativen. Mittlerweile gibt es bereits Bioplastik, das aus Apfelschalen oder Holzabfällen hergestellt wird.
Aber für einige Anwendungen muss der Kunststoff ganz spezielle Eigenschaften haben. Bisher war es zum Beispiel ein Problem, dass durchsichtiges Bioplastik – im Gegensatz zu Quarzglas – auch durchlässig für die ultraviolette Strahlung der Sonne ist.
Polymer-Bausteine aus „karamellisierten“ Kohlenhydraten
Doch ein Team aus Chemikern um Tuomo Kainulainen von der Universität Oulo ist auf der Suche nach Bioplastik mit UV-Schutz nun fündig geworden. Sie haben erstmals einen neuen synthetischen Biokunstoff hergestellt, der im Gegensatz zu herkömmlichen Bio-Kunststoffen nicht durchlässig für die ultraviolette Strahlung der Sonne ist.
Das neuentwickelte Plastik wird vollständig auf der Basis von Biomasse hergestellt. Ausgangsstoffe des Materials sind die Substanzen Hydroxymethylfurfural und Furfural, aus. Diese organischen Verbindungen entstehen, wenn Zucker und Kohlehydrate der Hitze ausgesetzt werden und dadurch quasi karamellisieren. Sie sind daher in geringen Mengen sogar in manchen Lebensmitteln nachweisbar. In verwertbaren Mengen aber fallen sie bei der Bioraffinierie von Zellulose und Hemizellose an – beispielsweise aus Holzabfällen.
Diese Ausgangssubstanzen wandelten die Forscher in chemische Verbindungen um, die ähnlich wie die ringförmigen Kohlenstoffverbindungen Furan oder Bifuran aufgebaut sind und als Grundeinheiten für langkettige Polymere geeignet sind. Indem die Chemiker diese Moleküle miteinander verknüpften, erhielten sie Ketten die aus beiden Arten von Grundeinheiten bestanden – sogenannte Copolymere.
Undurchlässig für UV-Licht
Aus dem neuen Bio-Kunststoff lassen sich dünne, durchsichtige Plastikfolien herstellen. Der Vorteil dieses neuen Materials: Es verhindert den Durchtritt von UV-Strahlung und ist dabei immer noch transparent für sichtbares Licht, wie erste Tests ergaben. Die anderen Eigenschaften des Bioplastiks wie die Zugfestigkeit und der Schmelzpunkt waren durch die Kombination der Copolymer-Einheiten aus Furan und Bifuran genauso gut wie bei herkömmlichen Kunststoffen.
Ein weiterer Vorteil: Material ist extrem undurchlässig gegenüber Gasen, wie Kainulainen und seine Kollegen berichten. In den Versuchen zeigte sich, dass die Luftdichtheit des Materials drei bis vier Mal so hoch war wie bei Standard-PET-Kunststoff. Das zum Patent angemeldete Material hat damit teilweise sogar bessere Eigenschaften als Plastik-Sorten auf fossiler Basis.
Die Chemiker haben bereits erste Anwendungen für den nachhaltigen Kunststoff vor Augen. „Der neue umweltfreundliche Biokunststoff eignet sich beispielsweise für den Schutz von Produkten vor direkter Sonneneinstrahlung. Auch Hightech-Anwendungen wie Chassis-Materialien für die gedruckte Elektronik erfordern fortschrittliche Eigenschaften für den Materialschutz.“, erklärt Kainulainen. (ACS Biomacromolecules, 2020, doi: 10.1021/acs.biomac.9b01447)
Quelle: University of Oulu
