Das moderne Leben ist auf Plastik angewiesen. Dieses leichte, anpassungsfähige Produkt ist ein Eckpfeiler der Verpackungs-, medizinischen Geräte-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie und mehr. Doch Plastikmüll bleibt ein Problem, da er auf Mülldeponien abgebaut wird und die Ozeane verschmutzt.
Forscher des FAMU-FSU College of Engineering haben eine potenzielle Alternative zu herkömmlichem Kunststoff auf Erdölbasis geschaffen, die aus Kohlendioxid (CO2) und Lignin hergestellt wird, einem Bestandteil von Holz, das ein kostengünstiges Nebenprodukt der Papierherstellung und Biokraftstoffproduktion ist. Ihre Forschung war veröffentlicht In Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
„Unsere Studie nutzt das schädliche Treibhausgas CO2 und verwandelt es in einen nützlichen Rohstoff für die Herstellung abbaubarer Polymere oder Kunststoffe“, sagte Hoyong Chung, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomedizintechnik an der Hochschule. „Wir reduzieren nicht nur den CO2-Ausstoß, sondern stellen unter Verwendung des CO2 ein nachhaltiges Polymerprodukt her.“
Diese Studie ist die erste, die die direkte Synthese eines sogenannten zyklischen Carbonatmonomers demonstriert – eines Moleküls aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen, das mit anderen Molekülen verknüpft werden kann – hergestellt aus CO2 und Lignin.
Durch die Verknüpfung mehrerer Monomere können Wissenschaftler synthetische Polymere herstellen, langkettige Moleküle, die für alle möglichen Anwendungen konzipiert werden können.
Das von Chung und seinem Forschungsteam entwickelte Material ist am Ende seiner Lebensdauer vollständig abbaubar, ohne dass Mikroplastik und giftige Substanzen entstehen. Es kann bei niedrigeren Drücken und Temperaturen synthetisiert werden. Und das Polymer kann recycelt werden, ohne seine ursprünglichen Eigenschaften zu verlieren.
Mithilfe der Depolymerisation können die Forscher Polymere in reine Monomere umwandeln, die die Bausteine von Polymeren darstellen. Dies ist der Schlüssel zur hohen Qualität des recycelten Materials. Die Monomere können unbegrenzt recycelt werden und ergeben ein qualitativ hochwertiges Polymer, das genauso gut ist wie das Original, eine Verbesserung gegenüber zuvor entwickelten und derzeit verwendeten Polymermaterialien, bei denen wiederholte Hitzeeinwirkung durch Schmelzen die Qualität verringert und ein begrenztes Recycling ermöglicht.
„Wir können das Polymer durch Depolymerisation leicht abbauen und das abgebaute Produkt kann das gleiche Polymer wieder synthetisieren“, sagte Chung. „Das ist kostengünstiger und verhindert, dass bei mehrfachem Recycling die ursprünglichen Eigenschaften von Polymeren verloren gehen. Dies gilt als Durchbruch in der Materialwissenschaft, da es die Verwirklichung einer echten Kreislaufwirtschaft ermöglicht.“
Das neu entwickelte Material könnte für kostengünstige Kunststoffprodukte mit kurzer Lebensdauer in Bereichen wie Bauwesen, Landwirtschaft, Verpackung, Kosmetik, Textilien, Windeln und Einwegküchenartikel verwendet werden. Mit der weiteren Entwicklung rechnet Chung mit der Verwendung in hochspezialisierten Polymeren für biomedizinische und Energiespeicheranwendungen.
Der Postdoktorand Arijit Ghorai war der Hauptautor der Studie.
Mehr Informationen:
Arijit Ghorai et al, CO2- und Lignin-basierte nachhaltige Polymere mit geschlossenem chemischem Recycling, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2024). DOI: 10.1002/adfm.202403035