Röhren gefüllt mit Kunstoffgranulat
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Bio-Additive für nachhaltige Kunststoffe

Obwohl Kunststoffe stark in der Kritik stehen, sind sie aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken, denn sie sind extrem vielseitig einsetzbar, von Lebensmittelverpackungen, über dünne feuerfeste Dämmplatten und körperresorbierbare Nahtmaterialien bis hin zu Motorenaufhängungen im Automobil. Diese Bandbreite an Anwendungen wird durch zahlreiche Additive und Füllstoffe, wie beispielsweise Antioxidantien, Weichmacher und flammhemmende Zusätze erst ermöglicht. Im Zuge der Nachhaltigkeitsbestrebungen der letzten Jahrzehnte ist es wünschenswert, herkömmliche Zuschlagstoffe durch natürliche und biologisch abbaubare zu ersetzen.

Bereits seit den neunziger Jahren wird vermehrt daran geforscht, natürlich vorkommende Zuschlagstoffe mit stabilisierenden Eigenschaften zu nutzen, um Polymere vor thermomechanischen und UV-Licht-Belastungen zu schützen. Hierbei sind natürliche Polyphenole, Vitamine und Carotinoide von Interesse, wie beispielsweise Thymol, Rosmarinsäure, Vanillinsäure, Ferulasäure, Tocopherol und Carotin. Sie dienen als ökologisch nachhaltige und biokompatible Kandidaten für die Formulierung innovativer Materialien, die in den Bereichen von Biomedizin, Landwirtschaft, Lebensmittelverpackungen und Textilien als Stabilisatoren für den Schutz von Kunststoffen vor oxidativem Abbau genutzt werden können.

Abhängig von der Konzentration solcher natürlicher Additive können zudem nicht nur antioxidative, sondern auch pro-oxidative Prozesse gefördert werden. Einige bio-basierte Additive sind in der Lage, die Oxidation von Polymeren zu beschleunigen, wenn sie in hohen Konzentrationen (>2 Gew.-%) zugegeben werden. Dadurch können die Abbauzeiten verkürzt und die abiotische Oxidation beschleunigt werden. Dies ermöglicht es, den Abbau solcher Kunststoffe zu kontrollieren und auf die beabsichtigte Lebensdauer zuzuschneiden.

Weitere wichtige Additive sind Weichmacher, die die Flexibilität eines Materials erhöhen. Werden sie lediglich durch physikalische Wechselwirkungen in einem Polymer gebunden, können sich die Moleküle in der Polymermatrix teilweise bewegen und an der Oberfläche austreten. Dadurch werden einerseits die Eigenschaften des Kunststoffs beeinflusst, andererseits entstehen gesundheitliche Risiken für die Anwender. Natürliche Weichmacher aus nachwachsenden Rohstoffen mit niedrigen Migrationswerten und geringer Toxizität können z. B. aus Pflanzenölen (nach chemischen Modifikationen), Zitraten (z. B. Zitronensäure) und Zuckerderivaten (z. B. Mannose, Glucose) gewonnen werden, die sowohl für Petro- als auch für Biopolymere eingesetzt werden können.

Die Forschung beschäftigt sich außerdem mit Flammschutzmitteln, die aus natürlichen Rohstoffen gewonnen werden können, wie etwa bio-basierte Furane, Gerbsäure, Casein, DNA und Lignin. Lignin bildet beispielsweise bei der thermischen Zersetzung hohe Verkohlungsrückstände, was zu einer verbesserten Flammwidrigkeit von Polymerwerkstoffen führt. Allerdings ist die Flammschutzwirkung von reinem Lignin unzureichend, weshalb chemische Modifikationen z. B. mit stickstoff- und/oder phosphorhaltigen Molekülen nötig sind, um die Flammschutzwirkung weiter zu verbessern. Auch eine Kombination verschiedener Metallionen mit modifiziertem Lignin stellt eine wirksame Strategie zur weiteren Verbesserung dar.

Bio-basierte Additive können darüber hinaus auch als antimikrobielle Zusätze in Kunststoffen genutzt werden, wobei vor allem Pflanzenextrakte und ätherische Öle eine Rolle spielen, die aufgrund der enthaltenen Bestandteile, wie z. B. Eugenol, Zimtaldehyd, Thymol, Squalen oder Rosmarinsäure, zu diesem Zweck eingesetzt werden können. Hier besteht jedoch noch ein hoher Forschungsbedarf.

Das Feld der Kunststoffadditive ist sehr breit gefächert. Das Interesse an bio-basierten, nicht toxischen Zuschlagstoffen nimmt in diesem Bereich jedoch beständig zu und obgleich das Thema in der Forschung teilweise bereits seit den 1990er Jahren präsent ist, rückte die Thematik in den letzten Jahren weiter in den Vordergrund, vor allem auch durch die zunehmende Reife an Biokunststoffen.

 

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