Forschende haben eine Polystyrolvariante mit chemischen Sollbruchstellen entwickelt. Nach der Nutzung sollen sich ihre Kunststoffketten gezielt spalten lassen. Erste Petrischalen aus dem Material sind bereits entstanden – allerdings noch im Miniaturformat.
Die Petrischalen sind gerade einmal so groß wie eine 1-Euro-Münze. Gefertigt wurden sie im Spritzguss, einem gängigen Verfahren der Kunststoffverarbeitung. Das Besondere steckt in ihrem Material: Es enthält Bindungen, an denen sich die langen Kunststoffketten nach Gebrauch chemisch zerlegen lassen.
Entwickelt hat die Polystyrolvariante ein Team unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Hereon. Beteiligt waren die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, die Freie Universität Berlin und die Helmut-Schmidt-Universität Hamburg. Die Forschenden verbinden dabei drei Ansätze: biobasierte Ausgangsstoffe, Mikrowellen für die Herstellung und gezielt eingebaute spaltbare Bindungen. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Chem Circularity.
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Sollbruchstellen in den Kunststoffketten
Polystyrol begegnet uns als Schutzverpackung für Elektrogeräte, in Leisten für den Innenausbau und in Laborgefäßen. Der Kunststoff besteht aus langen Ketten miteinander verbundener Styrolbausteine. Diese Struktur ist beständig und unter natürlichen Bedingungen schwer biologisch abbaubar.
Das Team veränderte die Zusammensetzung der Ketten. Ein zusätzlicher Baustein mit der Kurzbezeichnung DOT sorgt dafür, dass sogenannte Thioesterbindungen entstehen. Diese lassen sich chemisch spalten. Aus den langen Polymerketten werden dadurch kleinere Fragmente.
„Anders als herkömmliches Polystyrol zerfällt unsere Variante dadurch in kleine Bruchstücke“, erklärt Doktorand Phannaro Nhem in der Forschungsmitteilung.
Die chemischen Sollbruchstellen werden bereits bei der Herstellung eingebaut. Das unterscheidet den Ansatz von Verfahren, die vorhandene Polystyrolabfälle nachträglich aufbereiten. Ein Beispiel ist die auf ingenieur.de vorgestellte Forschung, bei der Bakterien zuvor gewonnene Polystyrolbausteine in Ausgangsstoffe für Nylon umwandeln.
Biobasierte Bausteine ergänzen das Styrol
Für die neue Variante verwendeten die Forschenden außerdem Itaconsäureanhydrid. Dessen Ausgangsstoff Itaconsäure lässt sich durch Fermentation aus pflanzlichen Kohlenhydraten wie Zucker gewinnen.
Nach Angaben des Teams enthält das entwickelte Material rund 50 Prozent biobasierten Rohstoff. Welche Bezugsgröße dieser Angabe zugrunde liegt, erläutert die Pressemitteilung nicht.
Durch die zusätzlichen Bausteine entsteht chemisch ein Copolymer – ein Kunststoff, dessen Ketten aus unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sind. Die Entwicklung verändert also die Struktur des Materials. Es handelt sich nicht einfach um gewöhnliches Polystyrol mit einem zugesetzten Abbaumittel.
Mikrowellen statt konventioneller Beheizung
Auch bei der Herstellung wählte das Team einen anderen Weg. Die Wärme für die Polymerisation lieferten Mikrowellen statt konventionell beheizter Reaktionsgefäße.
Nach Angaben der Forschenden kann das die Herstellung energieeffizienter machen. Konkrete Vergleichswerte zum Energieverbrauch nennt die Pressemitteilung allerdings nicht. Wie groß der Vorteil bei einer industriellen Produktion wäre, lässt sich daraus noch nicht beurteilen.
Die kleinen Petrischalen zeigen zunächst, dass sich das Material im Labor per Spritzguss formen lässt. Erste Untersuchungen mit menschlichen Stammzellen sprechen nach Angaben des Teams zudem für seine biologische Verträglichkeit und eine mögliche Verwendung in Zellkulturen.
Gezielter Abbau ist noch kein Recyclingkreislauf
Nach Angaben der Forschenden können Bakterien die nach der chemischen Spaltung entstehenden Fragmente weiter verarbeiten. Das bedeutet allerdings nicht, dass eine fertige Petrischale im Boden oder im Meer schnell und vollständig verschwindet. Welche chemische Behandlung die Zerlegung auslöst und wie vollständig die anschließende biologische Umsetzung abläuft, beschreibt die Pressemitteilung nicht näher.
Ebenso muss zwischen Abbau und Recycling unterschieden werden. Ein Materialkreislauf entsteht erst, wenn aus dem gebrauchten Kunststoff wieder nutzbare Rohstoffe oder Produkte gewonnen werden. Einen solchen Kreislauf belegt die Forschungsmitteilung für die neue Variante bislang nicht. Welche Wege dafür grundsätzlich infrage kommen, erläutern die VDI nachrichten im Beitrag über chemisches Recycling von Kunststoffabfällen.
Herkömmliches Polystyrol ist außerdem grundsätzlich recyclingfähig. Es kann beispielsweise mechanisch aufbereitet oder mit geeigneten Verfahren gereinigt und zurückgewonnen werden. Eine Übersicht bietet der Beitrag „Polystyrole im Kreislauf“. Die Hereon-Entwicklung setzt früher an: Sie berücksichtigt die spätere Zerlegung bereits beim Aufbau der Kunststoffketten.
Für größere Anwendungen müssen nun Eigenschaften, Herstellung und Abbau zusammenpassen. Ein Laborgefäß muss während seines Einsatzes beständig bleiben und sich anschließend unter definierten Bedingungen zerlegen lassen. Die münzgroßen Petrischalen liefern dafür einen ersten Demonstrator. Eine Eignung für Verpackungsschäume oder langlebige Bauprodukte ist damit noch nicht nachgewiesen.
