Bye-bye Mikroplastik: neuer Kunststoff ist recycelbar und vollständig im Meer abbaubar
"Mit diesem neuen Material haben wir eine neue Familie von Kunststoffen geschaffen, die stark, stabil und recycelbar sind, mehrere Funktionen erfüllen können und vor allem kein Mikroplastik erzeugen"
Forscher unter der Leitung von Takuzo Aida am RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) haben einen neuen haltbaren Kunststoff entwickelt, der unsere Ozeane nicht verschmutzt. Das neue Material ist genauso stabil wie herkömmliche Kunststoffe und biologisch abbaubar, aber das Besondere daran ist, dass es sich im Meerwasser zersetzt. Der neue Kunststoff soll daher dazu beitragen, die schädliche Verschmutzung durch Mikroplastik zu verringern, das sich in den Meeren und im Boden ansammelt und schließlich in die Nahrungskette gelangt. Die experimentellen Ergebnisse wurden am 22. November in Science veröffentlicht.
Künstlerisches Rendering des neuen Kunststoffs. Vernetzte Salzbrücken, die im Kunststoff außerhalb des Meerwassers sichtbar sind, verleihen ihm seine Struktur und Festigkeit. Im Meerwasser (und im Boden, nicht abgebildet) werden die Brücken durch die Versalzung zerstört, wodurch die Bildung von Mikroplastik verhindert wird und der Kunststoff biologisch abbaubar wird.
RIKEN
Wissenschaftler versuchen seit langem, sichere und nachhaltige Materialien zu entwickeln, die herkömmliche Kunststoffe ersetzen können, die nicht nachhaltig sind und die Umwelt schädigen. Zwar gibt es bereits einige recycelbare und biologisch abbaubare Kunststoffe, doch ein großes Problem bleibt bestehen. Derzeitige biologisch abbaubare Kunststoffe wie PLA gelangen häufig ins Meer, wo sie nicht abgebaut werden können, weil sie wasserunlöslich sind. Infolgedessen schädigt Mikroplastik - Plastikteile, die kleiner als 5 mm sind - das Leben im Wasser und gelangt in die Nahrungskette, auch in unseren eigenen Körper.
In ihrer neuen Studie konzentrierten sich Aida und sein Team darauf, dieses Problem mit supramolekularen Kunststoffen zu lösen, also mit Polymeren, deren Strukturen durch reversible Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Die neuen Kunststoffe wurden durch die Kombination zweier ionischer Monomere hergestellt, die vernetzte Salzbrücken bilden, die für Festigkeit und Flexibilität sorgen. In den ersten Tests war eines der Monomere ein gängiger Lebensmittelzusatzstoff namens Natriumhexametaphosphat und das andere eines von mehreren Monomeren auf Guanidinium-Ionen-Basis. Beide Monomere können von Bakterien verstoffwechselt werden, wodurch die biologische Abbaubarkeit gewährleistet ist, sobald der Kunststoff in seine Bestandteile aufgelöst ist.
"Während man bisher davon ausging, dass die reversiblen Bindungen in supramolekularen Kunststoffen diese schwach und instabil machen," sagt Aida, "sind unsere neuen Materialien genau das Gegenteil." In dem neuen Material ist die Salzbrückenstruktur irreversibel, es sei denn, sie wird Elektrolyten ausgesetzt, wie sie im Meerwasser vorkommen. Die wichtigste Entdeckung war, wie man diese selektiv irreversiblen Querverbindungen herstellen kann.
Wie bei Öl mit Wasser beobachteten die Forscher nach dem Mischen der beiden Monomere in Wasser zwei getrennte Flüssigkeiten. Die eine war dick und zähflüssig und enthielt die wichtigen strukturell vernetzten Salzbrücken, während die andere wässrig war und Salzionen enthielt. Bei der Verwendung von Natriumhexametaphosphat und Alkyldiguanidiniumsulfat beispielsweise wurde Natriumsulfatsalz in die wässrige Schicht ausgetrieben. Der endgültige Kunststoff, Alkyl SP₂, wurde durch Trocknen der in der dicken viskosen Flüssigkeitsschicht verbliebenen Reste hergestellt.
Das "Entsalzen" erwies sich als der kritische Schritt; ohne ihn war das getrocknete Material ein spröder Kristall, der sich nicht verwenden ließ. Wurde der Kunststoff in Salzwasser gelagert, kehrten sich die Wechselwirkungen um und die Struktur des Kunststoffs wurde innerhalb weniger Stunden destabilisiert. Nachdem die Forscher also einen starken und dauerhaften Kunststoff geschaffen hatten, der sich unter bestimmten Bedingungen dennoch auflösen lässt, testeten sie als Nächstes die Qualität des Kunststoffs.
Die neuen Kunststoffe sind ungiftig und nicht entflammbar - also ohne CO2-Emissionen - und lassen sich wie andere Thermoplaste bei Temperaturen über 120 °C umformen. Durch das Testen verschiedener Arten von Guanidiniumsulfaten konnte das Team Kunststoffe mit unterschiedlichen Härten und Zugfestigkeiten erzeugen, die alle vergleichbar oder besser als herkömmliche Kunststoffe sind. Dies bedeutet, dass die neue Art von Kunststoffen je nach Bedarf angepasst werden kann: harte, kratzfeste Kunststoffe, gummisilikonartige Kunststoffe, starke, gewichtstragende Kunststoffe oder flexible Kunststoffe mit geringer Zugfestigkeit sind möglich. Die Forscher schufen auch im Meer abbaubare Kunststoffe unter Verwendung von Polysacchariden, die mit Guanidinium-Monomeren vernetzte Salzbrücken bilden. Solche Kunststoffe können für den 3D-Druck sowie für medizinische oder gesundheitsbezogene Anwendungen eingesetzt werden.
Schließlich untersuchten die Forscher die Wiederverwertbarkeit und die biologische Abbaubarkeit des neuen Kunststoffs. Nachdem sie den neuen Kunststoff in Salzwasser aufgelöst hatten, konnten sie 91 % des Hexametaphosphats und 82 % des Guanidiniums als Pulver zurückgewinnen, was zeigt, dass das Recycling einfach und effizient ist. Im Boden zersetzten sich die Platten des neuen Kunststoffs im Laufe von 10 Tagen vollständig und versorgten den Boden ähnlich wie ein Dünger mit Phosphor und Stickstoff.
"Mit diesem neuen Material haben wir eine neue Familie von Kunststoffen geschaffen, die stark, stabil und recycelbar sind, mehrere Funktionen erfüllen können und vor allem kein Mikroplastik erzeugen", sagt Aida.
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