Es gibt eine beträchtliche Menge an Forschung zur Reduzierung von Kunststoff für viele und verschiedene Anwendungen. Zum ersten Mal haben Forscher einen Weg gefunden, relativ nachhaltige Papiermaterialien mit einigen der nützlichen Eigenschaften von Kunststoff zu versehen. Dies kann einfach, kostengünstig und effizient durchgeführt werden. Eine Beschichtung namens Choetsu macht Papier nicht nur wasserfest, sondern behält auch seine Flexibilität und lässt sich sicher abbauen.
Es ist schwer zu übersehen, dass Kunststoffe im Großen und Ganzen schädlich für die Umwelt sind. Sie haben wahrscheinlich Bilder von Plastikmüll gesehen, der an Strände gespült, Flüsse verschmutzt und unzählige Tiere getötet hat. Doch angesichts der Allgegenwärtigkeit von Kunststoffmaterialien im Alltag scheint das Problem oft völlig aus unserer Hand zu liegen. Professor Zenji Hiroi vom Institut für Festkörperphysik an der Universität Tokio und sein Team untersuchen, wie die Materialwissenschaft helfen kann, und ihre jüngste Entdeckung zielt darauf ab, einige Verwendungen von Kunststoff durch etwas Nachhaltigeres zu ersetzen: Papier.
„Das Hauptproblem bei Kunststoffmaterialien ist meiner Meinung nach ihre Unfähigkeit, schnell und sicher abgebaut zu werden“, sagte Hiroi. „Es gibt Materialien, die sicher abgebaut werden können, wie Papier, aber offensichtlich kann Papier nicht die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von Kunststoff erfüllen. Wir haben jedoch einen Weg gefunden, Papier einige der schönen Eigenschaften von Kunststoff zu verleihen, aber ohne deren Wir nennen es Choetsu, eine kostengünstige, biologisch abbaubare Beschichtung, die einfachem Papier Wasserfestigkeit und Festigkeit verleiht.“
Choetsu ist eine Materialkombination, die beim Auftragen auf Papier bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit spontan einen starken und wasserfesten Film bildet. Die Beschichtung besteht aus sicheren und kostengünstigen Chemikalien, hauptsächlich Methyltrimethoxysilan, etwas Isopropylalkohol und einer kleinen Menge Tetraisopropyltitanat. Papiergebilde, beispielsweise Lebensmittelbehälter, werden mit dieser flüssigen Mischung besprüht oder getaucht und bei Raumtemperatur getrocknet. Nach dem Trocknen bildet sich auf der Zellulose, aus der das Papier besteht, eine dünne Schicht aus Kieselsäure, die Methyl, eine Art Alkohol, enthält und die starken und wasserfesten Eigenschaften verleiht.
Darüber hinaus erzeugen Reaktionen, die während des Beschichtungsvorgangs stattfinden, automatisch eine Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln. Diese bewirken eine schmutz- und bakterienabweisende Eigenschaft, die sogenannte photokatalytische Aktivität, die den beschichteten Gegenstand über einen längeren Zeitraum schützt. Alle an der Beschichtung beteiligten Chemikalien zerfallen mit der Zeit in harmlose Dinge wie Kohlenstoff, Wasser und sandartiges Silizium.
„Die technische Herausforderung ist abgeschlossen, und einige Anwendungen könnten bald realisiert werden, wie z. B. Artikel zum Verzehr, Verpacken oder Aufbewahren von Lebensmitteln“, sagte Hiroi. „Wir hoffen, diesen Ansatz nun auch auf andere Arten von Materialien anwenden zu können. Die Flüssigkeitszusammensetzung kann auf andere Materialien abgestimmt werden, und wir können eine schmutz- und schimmelresistente Beschichtung erzeugen, die sich auf Glas, Keramik und sogar anderen Kunststoffen bilden könnte ihren Nutzen erweitern. Ich hoffe, dass wir zusammen mit der Forscherin Yoko Iwamiya, die schon seit einiger Zeit auf diesem Gebiet arbeitet, und dem Rest meines Teams etwas wirklich Nützliches für die Welt tun können.“
Die Studie erscheint in Industrielle und technische Chemieforschung.
Yoko Iwamiya et al, Photokatalytische Silica-Harz-Beschichtung für den Umweltschutz von Papier als Kunststoffersatz, Industrielle und technische Chemieforschung (2022). DOI: 10.1021/acs.iecr.2c00784