Gerade stabile Kunststoffe überdauern oft Jahrhunderte in der Umwelt, ohne biologisch abgebaut zu werden. Jetzt haben Forscher eine neue Variante des vielseitig eingesetzten Kunststoffs Polyester entwickelt, der fast genauso stabil ist wie das bisher gängige Plastikmaterial, aber besser abbaubar ist. Möglich wird dies durch den Einbau spezieller Sollbruchstellen in den Polymerketten, die Ansatzpunkte für mikrobielle Enzyme bieten. In ersten Tests zersetzten Enzyme im Labor den neuen Polyester in wenigen Tagen und in einer Kompostierungsanlage benötigen Mikroben dafür rund zwei Monate. Damit könnte dieser Kunststoff eine umweltverträglichere Alternative bilden – beispielsweise für Plastikfolien aus Polyester.
Kunststoffe bestehen aus langen Ketten von einem oder wenigen chemischen Grundbausteinen. Diese Polymere können je nach Aufbau vielfältige Eigenschaften besitzen – von hart und widerstandsfähig bis zu gummiartig weich. Besonders langlebig und stabil sind dabei die Plastikvarianten, deren Ketten durch Wasserstoffbrücken eine kristallartige Struktur bilden und die zudem noch wasserabweisend sind. Ein Beispiel dafür ist hochdichtes Polyethylen (HDPE), aus dem Plastikflaschen für Reinigungsmittel, stabile Folien, Plastikrohre und mittels Spritzguss hergestellte Haushaltswaren und Verpackungen produziert werden. Doch die große Stabilität bedeutet auch, dass diese Kunststoffe kaum abbaubar sind – sie bleiben über Jahrzehnte bis Jahrhunderte in der Umwelt, ohne zersetzt zu werden. „Die Kristallinität in Kombination mit dem wasserabweisenden Charakter bremst in der Regel die biologische Abbaubarkeit der Materialien stark, weil sie die Zugänglichkeit der Sollbruchstellen für Mikroorganismen erschwert”, erklärt Seniorautor Stefan Mecking von der Universität Konstanz.
Eine neue Polyester-Variante
Das Team um Mecking sucht deshalb nach Kunststoffen, die zwar im Gebrauch fest und widerstandsfähig sind, sich aber dennoch gut recyceln und abbauen lassen. Denn oft ist es bei Plastik wie HDPE sehr energieaufwendig und ineffizient, wenn man im Rahmen des Recyclings die Grundbausteine wiedergewinnen und so für neues Plastik nutzbar machen möchte. Eine Strategie, um diese vermeintliche Unvereinbarkeit der Beständigkeit und Abbaubarkeit von Kunststoffen zu umgehen, ist der Einbau chemischer „Sollbruchstellen“ in die Polymerketten. Die Chemiker konnten bereits zeigen, dass dies die Rezyklierbarkeit von polyethylenartigen Kunststoffen deutlich verbessert. Allerdings war dieser Kunststoff noch nicht biologisch abbaubar. Jetzt ist ihnen auch dieser zweite wichtige Schritt gelungen: Sie haben einen neuen Polyester entwickelt, der industriell gefragte Materialeigenschaften und gute Umweltverträglichkeit in einem Kunststoff vereint.
Das neue Plastikmaterial, Polyester-2,18, besteht aus zwei Grundbausteinen: der aus 18 Kohlenstoffatomen aufgebauten Dicarbonsäure 1,18-Octadecanedi-Carboxylsäure und dem zwei Kohlenstoffatome enthaltenden Ethylenglykol. Wie das Team erklärt, können beide Grundbausteine leicht aus nachhaltigen Rohstoffquellen gewonnen werden. So ist beispielsweise der Ausgangsstoff für die Dicarbonsäure pflanzlichen Ursprungs. Durch die Verkettung dieser Grundeinheiten entsteht ein Polymer, das ähnlich wie das hochdichte Polyethylen eine kristalline Struktur aufweist und daher eine hohe mechanische Stabilität und Temperaturbeständigkeit besitzt. In Tests zeigte das PE-2,18 eine ähnlich hohe Druck- und Zugfestigkeit wie HDPE.
Abbau in wenigen Tagen bis Wochen
Noch wichtiger jedoch: Trotz dieser hohen Kristallinität und Festigkeit ist der Polyester überraschend gut biologisch abbaubar, wie Laborversuche mit natürlicherweise vorkommenden Enzymen und Tests in einer industriellen Kompostieranlage zeigten. „Wir waren selbst über diese schnelle Abbaubarkeit erstaunt“, sagt Mecking. So konnte der Kunststoff durch die Enzyme im Laborversuch innerhalb weniger Tage abgebaut werden. Die Mikroorganismen in der Kompostieranlage benötigten etwa zwei Monate. „Natürlich lassen sich die Ergebnisse aus der Kompostieranlage nicht eins zu eins auf jede erdenkliche Umweltsituation übertragen”, räumt der Chemiker ein. “Sie belegen dennoch die biologische Abbaubarkeit des Materials und deuten darauf hin, dass es um ein Vielfaches weniger persistent ist als Kunststoffe wie HDPE, sollte es einmal unbeabsichtigt in die Umwelt gelangen.“
Sowohl die Rezyklierbarkeit des neuen Polyesters als auch seine Bioabbaubarkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen sollen nun noch weiter untersucht werden. Anwendungsmöglichkeiten für das neue Material sieht Mecking zum Beispiel im 3D-Druck oder bei der Herstellung von Verpackungsfolien. Hinzu kommen weitere Felder, in denen Kristallinität in Kombination mit Rezyklierbarkeit und Abbaubarkeit von Abrieb oder ähnlichen Materialverlusten wünschenswert ist.
Quelle: Marcel Eck (Universität Konstanz) et al., Angewandte Chemie International Edition, doi: 10.1002/ange.202213438
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