Neue biologisch abbaubare Kunststoffe sind in Ihrem Hinterhof kompostierbar
Wir verwenden Kunststoffe in fast allen Bereichen unseres Lebens. Diese Materialien sind billig in der Herstellung und unglaublich stabil. Das Problem entsteht, wenn wir etwas aus Plastik nicht mehr verwenden - es kann jahrelang in der Umwelt verbleiben. Im Laufe der Zeit zerfällt Plastik in kleinere Fragmente, das so genannte Mikroplastik, das ein erhebliches Umwelt- und Gesundheitsproblem darstellen kann.
Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Washington hat neue Biokunststoffe entwickelt, die in der gleichen Zeitspanne abgebaut werden wie eine Bananenschale in einer Komposttonne im Hinterhof. Diese Biokunststoffe werden aus pulverisierten blaugrünen Cyanobakterienzellen, auch bekannt als Spirulina, hergestellt. Hier hält Mallory Parker, UW-Doktorandin der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens, einen aus Spirulina hergestellten Biokunststoffwürfel hoch.
Mark Stone/University of Washington
Die beste Lösung wäre es, stattdessen biobasierte Kunststoffe zu verwenden, die biologisch abbaubar sind, aber viele dieser Biokunststoffe sind nicht für den Abbau in der Kompostierung im Hinterhof geeignet. Sie müssen in kommerziellen Kompostieranlagen verarbeitet werden, die nicht in allen Regionen des Landes zugänglich sind.
Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Washington hat neue Biokunststoffe entwickelt, die in der gleichen Zeitspanne abgebaut werden wie eine Bananenschale in einer Komposttonne im Hinterhof. Diese Biokunststoffe werden vollständig aus pulverisierten blaugrünen Cyanobakterienzellen, auch bekannt als Spirulina, hergestellt. Das Team verwendete Hitze und Druck, um das Spirulina-Pulver in verschiedene Formen zu bringen, die gleiche Verarbeitungstechnik, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Kunststoffe verwendet wird. Die Biokunststoffe des UW-Teams haben mechanische Eigenschaften, die mit denen von Einwegkunststoffen aus Erdöl vergleichbar sind.
Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse am 20. Juni in Advanced Functional Materials.
"Wir waren motiviert, Biokunststoffe zu entwickeln, die in unseren Hinterhöfen biologisch gewonnen werden und biologisch abbaubar sind, während sie gleichzeitig verarbeitbar, skalierbar und recycelbar sind", sagte die Hauptautorin Eleftheria Roumeli, UW-Assistenzprofessorin für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. "Die von uns entwickelten Biokunststoffe, die ausschließlich aus Spirulina bestehen, haben nicht nur ein ähnliches Abbauprofil wie organische Abfälle, sondern sind im Durchschnitt auch zehnmal stärker und steifer als die bisher bekannten Spirulina-Biokunststoffe. Diese Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten für die praktische Anwendung von Kunststoffen auf Spirulina-Basis in verschiedenen Branchen, darunter Einwegverpackungen für Lebensmittel oder Haushaltskunststoffe wie Flaschen oder Tabletts".
Die Forscher haben sich aus mehreren Gründen für die Verwendung von Spirulina zur Herstellung ihrer Biokunststoffe entschieden. Zunächst einmal kann sie in großem Maßstab angebaut werden, da sie bereits für verschiedene Lebensmittel und Kosmetika verwendet wird. Außerdem binden Spirulina-Zellen während ihres Wachstums Kohlendioxid, was diese Biomasse zu einem kohlenstoffneutralen bzw. potenziell kohlenstoffnegativen Ausgangsstoff für Kunststoffe macht.
"Spirulina hat auch einzigartige feuerbeständige Eigenschaften", sagte der Hauptautor Hareesh Iyer, ein Doktorand der UW-Materialwissenschaft und -Technik. "Wenn sie einem Feuer ausgesetzt wird, erlischt sie sofort von selbst, im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Kunststoffen, die entweder verbrennen oder schmelzen. Diese feuerbeständige Eigenschaft macht Kunststoffe auf Spirulina-Basis vorteilhaft für Anwendungen, für die herkömmliche Kunststoffe aufgrund ihrer Entflammbarkeit nicht geeignet sind. Ein Beispiel wären Kunststoffgestelle in Rechenzentren, da die Systeme, die zur Kühlung der Server verwendet werden, sehr heiß werden können.
Die Herstellung von Kunststoffprodukten erfordert häufig einen Prozess, bei dem der Kunststoff durch Hitze und Druck in die gewünschte Form gebracht wird. Das UW-Team verfolgte bei seinen Biokunststoffen einen ähnlichen Ansatz.
"Das bedeutet, dass wir die Fertigungsstraßen nicht von Grund auf neu entwerfen müssen, wenn wir unsere Materialien in industriellem Maßstab einsetzen wollen", so Roumeli. "Wir haben eine der üblichen Barrieren zwischen dem Labor und der Skalierung auf den industriellen Bedarf beseitigt. Viele Biokunststoffe werden beispielsweise aus Molekülen hergestellt, die aus Biomasse wie Algen extrahiert und mit Leistungsmodifikatoren gemischt werden, bevor sie zu Folien gegossen werden. Bei diesem Verfahren müssen die Materialien vor dem Gießen in Form einer Lösung vorliegen, und das ist nicht skalierbar.
Andere Forscher haben Spirulina zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet, aber die Biokunststoffe der UW-Forscher sind viel stärker und steifer als frühere Versuche. Das UW-Team optimierte die Mikrostruktur und die Bindung innerhalb dieser Biokunststoffe, indem es die Verarbeitungsbedingungen - wie Temperatur, Druck und Zeit im Extruder oder in der Heißpresse - veränderte und die strukturellen Eigenschaften der resultierenden Materialien, einschließlich ihrer Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, untersuchte.
Diese Biokunststoffe sind noch nicht ganz reif für den industriellen Einsatz. So sind diese Materialien zwar fest, aber immer noch recht spröde. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sie empfindlich gegenüber Wasser sind. "Man möchte nicht, dass es auf diese Materialien regnet", so Iyer.
Das Team befasst sich mit diesen Problemen und untersucht weiterhin die grundlegenden Prinzipien, die das Verhalten dieser Materialien bestimmen. Die Forscher hoffen, durch die Schaffung eines Sortiments von Biokunststoffen für verschiedene Situationen geeignet zu sein. Dies wäre vergleichbar mit der Vielfalt der bestehenden Kunststoffe auf Erdölbasis. Die neu entwickelten Materialien sind außerdem recycelbar.
"Biologischer Abbau ist nicht unser bevorzugtes End-of-Life-Szenario", sagte Roumeli. "Unsere Spirulina-Biokunststoffe können durch mechanisches Recycling wiederverwertet werden, was sehr einfach ist. Die Menschen recyceln jedoch nicht oft Kunststoffe, daher ist es ein zusätzlicher Bonus, dass unsere Biokunststoffe in der Umwelt schnell abgebaut werden."
Co-Autoren dieser Arbeit sind die UW-Doktoranden Ian Campbell und Mallory Parker, Paul Grandgeorge, ein UW-Postdoktorand in Materialwissenschaft und Technik, und Andrew Jimenez, der diese Arbeit als UW-Postdoktorand in Materialwissenschaft und Technik abgeschlossen hat und jetzt bei Intel arbeitet; Michael Holden, ein UW-Masterstudent, der Materialwissenschaften und Ingenieurwesen studiert; Mathangi Venkatesh, ein UW-Bachelorstudent, der Chemieingenieurwesen studiert; Marissa Nelsen, die diese Arbeit als UW-Bachelorstudentin im Fach Biologie abgeschlossen hat; und Bichlien Nguyen, ein Hauptforscher bei Microsoft. Diese Forschung wurde von Microsoft, Meta und der National Science Foundation finanziert.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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