Neue biologisch abbaubare Kunststoffe sind in Ihrem Garten kompostierbar

Wir verwenden Kunststoffe in fast jedem Aspekt unseres Lebens. Diese Materialien sind günstig in der Herstellung und unglaublich stabil. Das Problem entsteht, wenn wir aufgebraucht sind, etwas Plastik zu verwenden – es kann jahrelang in der Umwelt verbleiben. Im Laufe der Zeit zerfällt Kunststoff in kleinere Fragmente, sogenannte Mikroplastik, die erhebliche Umwelt- und Gesundheitsrisiken mit sich bringen können.

Die beste Lösung bestünde darin, stattdessen biobasierte Kunststoffe zu verwenden, die biologisch abbaubar sind. Viele dieser Biokunststoffe sind jedoch nicht für den Abbau bei der Kompostierung im Hinterhof konzipiert. Sie müssen in kommerziellen Kompostieranlagen verarbeitet werden, die nicht in allen Regionen des Landes zugänglich sind.

Ein von Forschern der University of Washington geleitetes Team hat neue Biokunststoffe entwickelt, die im gleichen Zeitrahmen abgebaut werden wie eine Bananenschale in einem Kompostbehälter im Hinterhof. Diese Biokunststoffe bestehen vollständig aus pulverisierten blaugrünen Cyanobakterienzellen, auch bekannt als Spirulina. Das Team nutzte Hitze und Druck, um das Spirulina-Pulver in verschiedene Formen zu bringen, wobei es sich um dieselbe Verarbeitungstechnik handelte, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Kunststoffe angewendet wird. Die Biokunststoffe des UW-Teams haben mechanische Eigenschaften, die mit Einwegkunststoffen aus Erdöl vergleichbar sind.

Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse am 20. Juni Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

„Wir waren motiviert, Biokunststoffe zu entwickeln, die sowohl biologisch gewonnen als auch in unseren Hinterhöfen biologisch abbaubar sind und gleichzeitig verarbeitbar, skalierbar und recycelbar sind“, sagte die leitende Autorin Eleftheria Roumeli, UW-Assistenzprofessorin für Materialwissenschaften und -technik.

„Die von uns entwickelten Biokunststoffe, die ausschließlich Spirulina verwenden, weisen nicht nur ein ähnliches Abbauprofil wie organische Abfälle auf, sondern sind auch im Durchschnitt zehnmal stärker und steifer als zuvor beschriebene Spirulina-Biokunststoffe. Diese Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten für die praktische Anwendung von Spirulina.“ -basierte Kunststoffe in verschiedenen Branchen, darunter Einweg-Lebensmittelverpackungen oder Haushaltskunststoffe wie Flaschen oder Tabletts.“

Die Forscher entschieden sich aus mehreren Gründen für die Verwendung von Spirulina zur Herstellung ihrer Biokunststoffe. Erstens kann es in großem Maßstab angebaut werden, da es bereits für verschiedene Lebensmittel und Kosmetika verwendet wird. Außerdem binden Spirulina-Zellen während ihres Wachstums Kohlendioxid und machen diese Biomasse zu einem kohlenstoffneutralen oder möglicherweise kohlenstoffnegativen Rohstoff für Kunststoffe.

„Spirulina hat auch einzigartige feuerbeständige Eigenschaften“, sagte Hauptautor Hareesh Iyer, ein Doktorand der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften der UW.

„Wenn es Feuer ausgesetzt wird, verlöscht es sofort von selbst, im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Kunststoffen, die entweder verbrennen oder schmelzen. Diese feuerbeständige Eigenschaft macht Kunststoffe auf Spirulina-Basis für Anwendungen vorteilhaft, bei denen herkömmliche Kunststoffe aufgrund ihrer Entflammbarkeit möglicherweise nicht geeignet sind. Ein Beispiel könnte sein.“ In Rechenzentren werden Kunststoff-Racks verwendet, da die Systeme, die zur Kühlung der Server dienen, sehr heiß werden können.“

Bei der Herstellung von Kunststoffprodukten handelt es sich häufig um einen Prozess, bei dem der Kunststoff mithilfe von Hitze und Druck in die gewünschte Form gebracht wird. Einen ähnlichen Ansatz verfolgte das UW-Team mit seinen Biokunststoffen.

„Das bedeutet, dass wir Produktionslinien nicht von Grund auf neu konzipieren müssten, wenn wir unsere Materialien im industriellen Maßstab nutzen wollten“, sagte Roumeli. „Wir haben eine der häufigsten Hürden zwischen dem Labor und der Skalierung zur Deckung der industriellen Nachfrage beseitigt. Beispielsweise werden viele Biokunststoffe aus Molekülen hergestellt, die aus Biomasse wie Meeresalgen extrahiert und mit Leistungsmodifikatoren vermischt werden, bevor sie in Filme gegossen werden.“ . Dieser Prozess erfordert, dass die Materialien vor dem Gießen in Form einer Lösung vorliegen, und dies ist nicht skalierbar.“

Andere Forscher haben Spirulina zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet, aber die Biokunststoffe der UW-Forscher sind viel stärker und steifer als frühere Versuche. Das UW-Team optimierte die Mikrostruktur und Bindung innerhalb dieser Biokunststoffe, indem es ihre Verarbeitungsbedingungen – wie Temperatur, Druck und Zeit im Extruder oder in der Heißpresse – veränderte und die strukturellen Eigenschaften der resultierenden Materialien, einschließlich ihrer Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, untersuchte.

Diese Biokunststoffe sind noch nicht ganz für den industriellen Einsatz geeignet. Beispielsweise sind diese Materialien zwar stabil, aber dennoch recht spröde. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sie wasserempfindlich sind.

„Sie möchten nicht, dass auf diese Materialien Regen fällt“, sagte Iyer.

Das Team befasst sich mit diesen Problemen und untersucht weiterhin die Grundprinzipien, die das Verhalten dieser Materialien bestimmen. Die Forscher hoffen, durch die Entwicklung einer Reihe von Biokunststoffen ein Design für unterschiedliche Situationen zu schaffen. Dies würde der Vielfalt bestehender erdölbasierter Kunststoffe ähneln.

Die neu entwickelten Materialien sind zudem recycelbar.

„Biologischer Abbau ist nicht unser bevorzugtes End-of-Life-Szenario“, sagte Roumeli. „Unsere Spirulina-Biokunststoffe sind durch mechanisches Recycling recycelbar, was sehr leicht zugänglich ist. Menschen recyceln Kunststoffe jedoch nicht oft, daher ist es ein zusätzlicher Bonus, dass unsere Biokunststoffe in der Umwelt schnell abgebaut werden.“