Papier oder Plastik?
Starre wasserdichte Beschichtung für Papier soll unsere Abhängigkeit von Kunststoffen verringern
Uns und der Umwelt zuliebe wird intensiv an der Reduzierung von Kunststoffen für die verschiedensten Anwendungen geforscht. Zum ersten Mal haben Forscher einen Weg gefunden, relativ nachhaltige Papiermaterialien mit einigen der nützlichen Eigenschaften von Kunststoffen auszustatten. Dies kann einfach, kostengünstig und effizient geschehen. Eine Beschichtung namens Choetsu macht Papier nicht nur wasserdicht, sondern erhält auch seine Flexibilität und baut es sicher ab.
Ein Rendering, das die Siliziumdioxidschicht zeigt, die auf eine Substanz, nicht nur auf Papier, aufgetragen wurde, und in der Titan-Nanopartikel verteilt sind. Diese können eine antimikrobielle Wirkung haben, wie die in der Mitte abgetöteten Bakterien zeigen.
©2022 Hiroi et al.
Ein klassischer Origami-Kranich aus Papier, beschichtet mit Choetsu (links) und unbeschichtet (rechts). Wenn er in Wasser getaucht wird, behält der beschichtete Papierkranich seine Form, während der unbeschichtete Kranich schnell mit Wasser gesättigt ist und sich aufzulösen beginnt.
©2022 Hiroi et al.
Es ist kaum zu übersehen, dass Kunststoffe im Großen und Ganzen umweltschädlich sind. Wahrscheinlich haben Sie schon einmal Bilder von der Plastikverschmutzung gesehen, die an Strände gespült wird, Flüsse verseucht und unzählige Tiere tötet. Doch angesichts der Allgegenwart von Kunststoffen im täglichen Leben scheint das Problem oft nicht in unseren Händen zu liegen. Professor Zenji Hiroi vom Institut für Festkörperphysik an der Universität Tokio und sein Team erforschen, wie die Materialwissenschaft helfen kann, und ihre jüngste Entdeckung zielt darauf ab, einige Verwendungen von Plastik durch etwas Nachhaltigeres zu ersetzen: Papier.
"Das Hauptproblem bei Kunststoffen ist meiner Meinung nach ihre Unfähigkeit, sich schnell und sicher abzubauen", so Hiroi. "Es gibt zwar Materialien, die sicher abgebaut werden können, wie z. B. Papier, aber Papier kann natürlich nicht so vielseitig eingesetzt werden wie Kunststoff. Wir haben jedoch einen Weg gefunden, dem Papier einige der positiven Eigenschaften von Kunststoff zu verleihen, ohne dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Wir nennen es Choetsu, eine kostengünstige, biologisch abbaubare Beschichtung, die einfaches Papier wasserfest und stabil macht.
Choetsu ist eine Kombination von Materialien, die, wenn sie auf Papier aufgetragen werden, spontan einen starken und wasserdichten Film bilden, wenn sie mit der Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommen. Die Beschichtung besteht aus sicheren und kostengünstigen Chemikalien, hauptsächlich Methyltrimethoxysilan, etwas Isopropylalkohol und einer kleinen Menge Tetraisopropyltitanat. Papierstrukturen, z. B. Lebensmittelbehälter, werden mit dieser flüssigen Mischung besprüht oder in sie getaucht und bei Raumtemperatur getrocknet. Nach dem Trocknen bildet sich auf der Zellulose, aus der das Papier besteht, eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid, das Methyl, eine Art Alkohol, enthält und für die festen und wasserdichten Eigenschaften sorgt.
Außerdem entsteht durch die Reaktionen während des Beschichtungsvorgangs automatisch eine Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln. Diese führen zu einer schmutz- und bakterienabweisenden Eigenschaft, der so genannten photokatalytischen Aktivität, die den beschichteten Gegenstand über einen längeren Zeitraum schützt. Alle an der Beschichtung beteiligten Chemikalien zerfallen im Laufe der Zeit in harmlose Stoffe wie Kohlenstoff, Wasser und sandartiges Silizium.
"Die technische Herausforderung ist bewältigt, und einige Anwendungen könnten schon bald realisiert werden, z. B. Gegenstände zum Verzehr, zur Verpackung oder Lagerung von Lebensmitteln", so Hiroi. "Wir hoffen nun, diesen Ansatz 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 herstellen, die sich auf Glas, Keramik und sogar anderen Kunststoffen bilden könnte, um deren Nutzbarkeit zu erhöhen. Zusammen mit der Forscherin Yoko Iwamiya, die schon seit einiger Zeit auf diesem Gebiet arbeitet, und dem Rest meines Teams hoffe ich, dass wir etwas wirklich Nützliches für die Welt tun können."
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