Kunststoffforschung Eingebaute Sollbruchstellen machen alternatives Polystyrol abbaubar

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Polystyrol gehört zu den wichtigsten Kunststoffen weltweit, gilt aber bislang als wenig nachhaltig. Seine Herstellung basiert auf fossilen Rohstoffen, benötigt viel Energie und das Material wird selten recycelt. Ein vom Helmholtz-Zentrum Hereon geleitetes Forschungsteam hat nun ein alternatives Polystyrol entwickelt, das nachwachsende Rohstoffe enthält, energieeffizient hergestellt werden kann und abbaubar ist.

Es steckt in Schutzverpackungen für Fernseher und Elektrogeräte, in Zier- und Sockelleisten für den Innenausbau von Häusern und auch in Petrischalen. Polystyrol ist einer der weltweit bedeutendsten Kunststoffe. Knapp 20 Millionen Tonnen werden davon jährlich produziert. Das Material wird überwiegend aus Rohöl hergestellt und ist kaum recyclebar – fabrikneue Polystyrole sind preiswerter, gebrauchte Produkte werden meist verbrannt oder deponiert. Wie andere Kunststoffe ist das Polystyrol in der Natur kaum abbaubar.

Die Forschenden haben nun ein nachhaltigeres Polystyrol entwickelt. „Die Faktoren abbaubare Rohstoffe, Energieverbrauch und Recycling sind ein großer Fortschritt“, sagt Doktorand Phannaro Nhem, der derzeit bei Prof. Francesca Toma promoviert, der Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit. Beteiligt waren zudem Forschende der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU), der Freien Universität Berlin und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg.

50 % nachwachsende Rohstoffe

Handelsübliches Polystyrol wird hergestellt, indem man Styrol-Moleküle miteinander zum Kunststoff reagieren lässt. Dabei verbinden sich die Styrol-Moleküle zu einer stabilen Kette. Der Behälter, in dem die Reaktion stattfindet, muss dafür aufgeheizt werden. Das Team ergänzte die Styrol-Moleküle durch die chemische Verbindung Itaconsäureanhydrid. Sie lässt sich durch Fermentation aus pflanzlichen Kohlenhydraten wie etwa Zucker herstellen. Das Polystyrol enthält dann rund 50 % jenes biobasierten Rohstoffs.

Auch der Herstellungsprozess wurde energieeffizienter: Statt beheizter Reaktionsgefäße nutzten die Forschenden Mikrowellenstrahlung als Wärmequelle. „Das ist wie in der heimischen Küche. Essen auf dem Herd warm zu machen, dauert lange und verbraucht viel Energie. Die Mikrowellen sind schneller“, sagt Phannaro Nhem. „Bislang hat sich die Mikrowellentechnologie in der Polymersynthese noch nicht breit durchgesetzt“, sagt Francesca Toma. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sie sich als energieeffizientere Alternative für gesteuerte Polymerisationsprozesse etablieren könnte.“

Sollbruchstelle für das Recycling

Zusätzlich nutzte das Team die Verbindung dibenzo[c,e]oxepane-5-thione (DOT) als Monomer, wodurch Thioestergruppen in das Material integriert wurden. Diese Bausteine wirken im Polymernetzwerk als gezielt eingebaute Sollbruchstellen. Dadurch lässt sich das Material später chemisch in kleinere Fragmente zerlegen. „Anders als herkömmliches Polystyrol zerfällt unsere Variante dadurch in kleine Bruchstücke“, sagt Nhem. Auch Bakterien seien in der Lage, die kleinen Polystyrol-Fragmente zu verarbeiten – ein klassisches, fest geknüpftes Polystyrol nicht. „Das neue Polymer ist nach dem Prinzip des Design-for-Degradation entwickelt worden, dem kontrollierten Abbau am Ende seiner Lebenszeit“, ergänzt Francesca Toma, „damit eröffnet es dem Werkstoff Polystyrol einen Weg hin zu geschlossenen Materialkreisläufen und in die Kreislaufwirtschaft.“

Biobasierte Grundstoffe

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Erste Versuche zeigen, dass sich das Material auf Spritzgussanlagen verarbeiten lässt. Mit der aktuellen Laboranlage fertigte das Team zunächst Mini-Petrischalen in der Größe einer 1-Euro-Münze. Perspektivisch sind aber viele Anwendungen denkbar. Erste Untersuchungen mit menschlichen Stammzellen deuten zudem darauf hin, dass das Material gut biologisch verträglich ist und sich für Zellkulturen ebenso eignet wie kommerziell verfügbares Polystyrol.

Spitzenforschung für eine Welt im Wandel

Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.

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