Starrer Kunststoff ist sehr nützlich, aber schwer zu recyceln. Zumindest bis zur Entdeckung sogenannter Vitrimere. Mit diesen Vitrimeren haben Forscher der Wageningen University & Research den Grundstein für eine neue Art von nachhaltigem, hartem Kunststoff gelegt, der sich leicht verformen lässt und von selbst wieder zusammenwächst. Obwohl die Forscher bisher nur über einen Prototyp verfügen, könnte er in Zukunft ein hervorragender Ersatz für die heute verwendeten Hartkunststoffe sein. Es könnte beispielsweise Kunststoffe in Baumaterialien, Plastikbechern, Armaturenbrettern, Laptops und Spielzeug ersetzen.
Der erste vollständig aus Erdöl bestehende Kunststoff wurde vor über einem Jahrhundert erfunden. Chemiker entdeckten bald, dass kleine Veränderungen in den Bausteinen von Kunststoffen die Eigenschaften verändern und so neue Arten von Kunststoffen schaffen können. Seitdem ist dieses starke, billige Material aus unserer Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Wir haben Fensterrahmen aus Kunststoff und andere Baumaterialien, Plastikbecher und -flaschen, Reifen und Armaturenbretter, Linsen, Laptops und Spielzeug. Und ganz zu schweigen davon, dass der Großteil unserer Lebensmittel in Plastik verpackt ist.
Die zunehmende Verschmutzung durch Plastik in der Natur ist jedoch eine offensichtliche Kehrseite. Der Prozentsatz des weltweit recycelten Plastikmülls schwankt um einige Prozent. Der Rest wird verbrannt, deponiert oder verschwindet in der Umwelt. Daher suchen Chemiker nach Methoden zur Herstellung von unendlich erneuerbarem Kunststoff mit praktischen Eigenschaften. Das ist eine ziemliche Herausforderung. Recycelbarer Kunststoff existiert bereits, aber dieser Kunststoff ist eher weich und daher weniger geeignet für die Herstellung von Autoteilen oder starren Verpackungen.
Eine neue Erfindung
Bei bestehenden Hartkunststoffen bestehen die kleinsten Bausteine, die Moleküle, wie bei allen Arten von Kunststoffen aus langen Strängen. In harten Kunststoffen sind diese Stränge jedoch mit starken Verbindungsgliedern miteinander verbunden. Diese Verbindungen bleiben auch bei hohen Temperaturen an Ort und Stelle. Dies macht es schwierig, Hartplastik zu recyceln, da es, einmal geformt, nicht mehr umgewandelt werden kann. Vor fünf Jahren beschlossen Chemiker in Wageningen, weiter an Vitrimeren zu arbeiten, einer französischen Erfindung, die die Vorteile von harten und weichen Kunststoffen vereint.
Simon van Hurne und Sybren Schoustra von der Gruppe für organische Chemie in Wageningen arbeiten an diesem neuen nachhaltigen Kunststoff. „Vielleicht sieht man ein Vitrimer als Netz in einem zusammengeknoteten Fußballtor“, sagt Schoustra. „Dieses Netzwerk kann aktiviert werden, was die Knoten löst und es Ihnen ermöglicht, sie an anderer Stelle neu zu knüpfen.“
Das Vitrimer wird durch Hitze aktiviert. „Am liebsten hättest du etwas, das bei Raumtemperatur hart ist und bei 150 Grad Celsius formbar wird. Denn du willst nicht, dass deine Tasse zusammenfällt, sobald du heißen Kaffee hineingießt“, sagt Schoustra.
Mit anderen testen
Shoutra und Van Hurne bringen ihre neuen Plastikstücke zu anderen Forschern, um die Eigenschaften zu testen. Einer dieser Standorte ist ihr Nachbar, das Labor für Physikalische Chemie und Weiche Materie. Hier legten sie Kunststoffstücke in ein Rheometer, um zu testen, wie steif oder elastisch das Material ist und bis zu welcher Temperatur es stabil bleibt.
Jasper van der Gucht, der im Labor arbeitet, erklärt: „Unser Rheometer drückt und zieht das Material, um zu sehen, wie stark es ist. Simon und Sybren kommen für diese Messungen zu uns, und wir helfen ihnen bei der Interpretation der Daten. Wir ergänzen uns gegenseitig .“
Schoustra geht dann eine Tür weiter nach unten in die Biophysik-Gruppe. „Diese Zusammenarbeit begann als Experiment am Freitagnachmittag“, sagt Shoutra. „Aber wir haben sofort interessante Dinge gesehen. Jetzt arbeiten wir seit anderthalb Jahren zusammen.“ Er verwendet das Raman-Mikroskop dieser Gruppe, um die kleinsten Details neuer Materialien zu untersuchen. Er untersucht die genaue Zusammensetzung des Materials und die Anordnung seiner Moleküle.
„Wenn auf molekularer Ebene alles richtig angeordnet ist, sollte man in der Lage sein, direkt durch den Kunststoff zu sehen. Das ist für einige Anwendungen wichtig; die Leute möchten gerne sehen können, was sie kaufen.“
Forscher des Organic Chemistry Lab werden die neuen Kunststoffe künftig mit bestehenden Sorten mischen. Außerdem wollen sie mit ihrer Technik bestehende Kunststoffe so modifizieren, dass diese Kunststoffe recycelbar werden. Andere Forscher können ihr Wissen nutzen, um neue Lebensmittelverpackungen zu entwickeln, die stark, sicher und nachhaltig sind.
Löslich in Meerwasser
Es besteht die Hoffnung, dass Produkte aus diesem neuen Kunststoff recycelt werden und nicht in der Umwelt landen. Sollte dies dennoch passieren, könnte ein neuartiger biobasierter Kunststoff, der von Julian Engelhardt entwickelt wurde, in Zukunft eine Lösung bieten. Engelhardt arbeitet für Wageningen Food and Biobased Research und die Gruppe Organic Chemistry and Soft Matter.
Die Kunststoffe, die er zu entwickeln versucht, nennt man Saloplaste. Dieses Material zerfällt im Salzwasser in harmlose Moleküle. „Es kann in wenigen Tagen, Wochen oder Monaten abgebaut werden“, sagt Engelhardt. Im Gegensatz dazu können andere Kunststoffe Dutzende oder sogar Hunderte von Jahren im Ozean schwimmen,
Das Prinzip funktioniert, aber Engelhardt feilt noch am Material, um es stark genug für den Einsatz in Produkten zu machen. Dass sein Projekt eine Gemeinschaftsarbeit zweier Gruppen und eines Forschungsinstituts ist, ist ein großer Vorteil. „Ich habe einfachen Zugang zu Geräten an drei verschiedenen Standorten. Durch diese gemeinsame Position steht mir auch ein umfangreiches Netzwerk von Forschern zur Verfügung, was mein Projekt beschleunigt.“
Van Hurne ist auch der Ansicht, dass die gemeinsam genutzte Ausrüstung und der einfache Zugang zu anderen Forschern die Hauptvorteile dieser Zusammenarbeit sind. „Die Zusammenarbeit bedeutet, dass man einfach reinspazieren kann, und es hilft einem auch dabei, neue Ideen für sein nächstes Forschungsprojekt zu bekommen.“