Werkstoff-Durchbruch Erster biologisch abbaubarer Polyester mit Eigenschaften wie HD-PE

Quelle: Pressemitteilung der GDC

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High Density Polyethylen (HD-PE) ist zäh, bruchfest, leicht und chemisch kaum totzukriegen, doch die biologische Abbaubarkeit ist nicht drin. Konkurrenz könnte jetzt aus dem „Hause“ Polyester kommen.

Das sind typische PET-Getränkeflaschen. Viele wissen nicht, dass dieser Kunststoff ein Vertreter der Polyester (PES) ist – eigentlich also ein bekannter Kunstfaserwerkstoff. Forscher haben jetzt einen Polyester entwickelt, der HD-PE ersetzen könnte und auch noch biologisch abbaubar ist.
Das sind typische PET-Getränkeflaschen. Viele wissen nicht, dass dieser Kunststoff ein Vertreter der Polyester (PES) ist – eigentlich also ein bekannter Kunstfaserwerkstoff. Forscher haben jetzt einen Polyester entwickelt, der HD-PE ersetzen könnte und auch noch biologisch abbaubar ist.
(Bild: J. Bürgner)

Hoch dichtes Polyethylen (High Density HD-PE) ist ein besonders beständiger und langlebiger Werkstoff, der auch für Lebensmittel zugelassen ist. Was ihn von seinem Bruder Low Density Polyethylen (LD-PE) unterscheidet, ist sein relativ hoher Kristallisationsgrad der Makromoleküle, aus denen er besteht, der diesen Thermoplast (wieder schmelzbarer Kunststoff) in vielerlei Hinsicht sehr robust macht. Fraglos gehört er zu den gut zu recycelnden Kunststoffen, was fast alle Thermoplaste auszeichnet, doch leider trotzt er wegen seiner Robustheit der biologischen Abbaubarkeit. Denn er ist nur aus Kohlenwasserstoff aufgebaut – praktisch eine Art hoch zähes Kerzenwachs – und besitzt deshalb auch keine sogenannten funktionellen Molekülgruppen, an denen Enzyme eine Abbaureaktion einleiten könnten. Deshalb wird er für Behälter aller Art auch in der Chemieindustrie eingesetzt oder als Verpackungsmaterial sowie als Rohr- und Schlauchwerkstoff, wo er auch den gängigsten, garstigen Medien trotzt, außer oxidierenden Säuren, wie etwa Salpeter- und Chromsäure sowie Halogenen, wie Brom, Chlor, Iod und Flour.

Es muss nicht immer HD-PE sein ...

Doch einige Forscher an der Universität Konstanz haben sich irgendwann gefragt, ob es für diese Einsatzzwecke unbedingt HD-PE sein muss! Sie schauten sich deshalb die Vertreter aus der Welt der Polyester (PES) näher an. Der bekannteste Polyester ist im Übrigen das PET (Polyethylenterephtalat) aus dem unsere Getränkeflaschen bestehen. Ihre Forschung gipfelte schließlich in der Entwicklung eines Polyesters, der eine ähnliche Kristallinität wie HD-PE hat und deshalb auch so gute mechanische Eigenschaften ins Feld führt, wie die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDC) jetzt verkündet. Polyester – und jetzt kommt`s – haben aber funktionelle Gruppen! Deshalb können ihre Makromolekülketten chemisch oder enzymatisch (biologisch) aufgebrochen werden, was sie biologisch abbaubar machen würde. Doch ist die robust machende Kristallinität dabei ein gewisser Störenfried, wie man erfährt.

Immerhin, heißt es weiter, war das Forschungsteam aus Konstanz dennoch überrascht, wie schnell sich der neue teilkristalline Polyester in einem Enzymbad zersetzte. Man testete dabei den Abbau mit natürlich vorkommenden Enzymen. Im Vergleich zum Referenzmaterial baute sich das neue Material dabei um eine Größenordnung schneller ab. Nicht nur Enzymlösungen seien gute Abbauhilfen sondern auch Mikroorganismen im Boden, die in der Lage seien, den neuen Polyester vollständig im Boden zu kompostierten.

„Frostschutzmittel“ macht biologisch abbaubar

Warum ist dieser eigentlich so robuste Polyester so ungewöhnlich gut abbaubar, wenn Enzyme oder Chemikalien angreifen? Die Antwort aus Konstanz: Es liegt an einem der Grundstoffe, der für die Polymerisation des Polyesters benötigt wird, und der heißt Ethylenglykol (also das allseits bekannte Frostschutzmittel). Dieser Baustein sei eigentlich recht gängig für Polyestermaterialien und Davon erhalten sie ihren recht hohen Schmelzpunkt (ab etwa 230 Grad Celsius). Doch erhöht Ethylenglykol eben auch die Abbaubarkeit für diesen Polyester, der hart an die Eigenschaften von HD-PE heranreicht. Mit Blick auf die Schmelztemperatur, die direkt den Energieeinsatz bei der Verarbeitung beeinflusst, muss aber bei allem Erfolg auch eingeräumt werden, dass HD-PE schon bei etwa 130 Grad Celsius als verarbeitbare Schmelze vorliegt, die extrudiert oder spritzgegossen werden kann.

Keine Panik, wenn was daneben geht ...

Wegen seiner guten chemischen und biologischen Abbaubarkeit, verbunden mit den mechanischen Eigenschaften, bietet sich der neue Polyester, übrigens auch ein Thermoplast, an, gewisse HD-PE-Produkte zu ersetzen, die sonst verbrannt oder deponiert werden würden. Das Ziel ist auch in diesem Fall ein geschlossener Materialkreislauf, der hier durch chemisches Recycling in die Wege geleitet werden kann. Und wenn bei diesem Kreislaufprozess, bei dem der Kunststoff chemisch in seine Moleküle zerlegt wird, um aus ihnen wieder hochwertiges Neumaterial zu fertigen, doch etwas in die Umwelt gelangt, bauen sich die Ausreißer schnell von selber ab, wie die Forscher aus Konstanz versprechen. (pk)

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