Biokunststoffe Wie „bio“ ist ihr Acrylharz? Dank "Eintopfsynthese" geht's auch ohne Erdöl

Redakteur: Dominik Stephan

Ressourcensparende Synthese von Polyacrylat- und Polymethacrylatharzen aus biologischen Rohstoffen: Trotz vieler Anstrengungen zur Nachhaltigkeit sind die meisten Kunststoffe bislang noch Produkte der Erdölindustrie. Forschende haben nun eine Methode für die Herstellung von biobasierten Acrylharzen, vom Grundbaustein bis zur Polymerisation, in einem einzigen Reaktor entwickelt. Diese „Eintopfsynthese“ hilft, aufwändige Reinigungsschritte und Lösemittel einzusparen, hoffen die Entwickler.

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Ressourcensparende Synthese von Polyacrylat- und Polymethacrylatharzen aus biologischen Rohstoffen.
Ressourcensparende Synthese von Polyacrylat- und Polymethacrylatharzen aus biologischen Rohstoffen.
(Bild: Wiley-VCH)

Die meisten Lacke und ein Großteil der wasserbasierten Klebstoffe und Anstriche bestehen aus Acrylharzen, den Polymeren von Acrylsäure- und Methacrylsäureestern. Deren chemische Grundstoffe sind Acrylsäure beziehungsweise Methacrylsäure sowie Alkohole. Vor allem den Alkoholen verdanken die Kunststoffe ihre Eigenschaften wie weich oder hart und wasseraufnehmend oder -abweisend.

Um diese Polyacrylate und Polymethacrylate nachhaltiger zu machen, setzten Christophe M. Thomas und sein Team vom Institut de Recherche de Chimie in Paris Alkohole aus biologischen Quellen ein, darunter die pflanzlichen Stoffe Laurylalkohol, Menthol, Tetrahydrogeraniol (eine Pheromon-ähnliche Substanz) und Vanillin sowie Ethyllactat, einen Milchsäureester.

Zudem sollte die gesamte Kunststoffsynthese möglichst wenige Teilschritte erfordern. Dafür mussten die Forschenden nicht nur geeignete Katalysatoren finden, die für mehrere Schritte passen. Nötig war auch eine genaue Abstimmung aller chemischer Bedingungen wie Lösungsmittel, Konzentrationen und Temperaturen.

Polymerisation? Kommt Sofort!

Für den ersten Syntheseschritt, die Aktivierung der Acrylsäure oder Methacrylsäure, identifizierten die Entwicklerinnen und Entwickler Katalysatoren aus einfachen Salzen. Mit diesen Substanzen gelang auch die anschließende Verknüpfung der biologischen Alkohole mit Anydriden, den kondensierten Formen der Acryl- und Methacrylsäure, zu den entsprechenden Estern, den Grundbausteinen des Polymers.

„Dieser Schritt bei der Produktion der Bausteine für das Polymer ist sehr effizient. Dadurch konnten wir die Polymerisation gleich im selben Reaktor durchführen“, erläutert Thomas. Ohne weitere Aufreinigung der Zwischenprodukte kam das Team sogar durch separate Herstellung von zwei oder drei Einzelsubstanzen zu den in der Kunststoffproduktion besonders gefragten Block-Copolymeren.

Geringer E-Faktor dank "Eintopfsynthese"

Die hergestellten biobasierten Kunststoffe warteten je nach Monomer mit vielen interessanten Eigenschaften auf. So war das Harz mit der Milchsäureseitenkette hart und spröde, das mit der flexibleren Tetrahydrogeraniol-Seitenkette bei Raumtemperatur biegsam. Wegen der vielen möglichen biobasierten Alkohole ist ein breites Produktspektrum denkbar. „Die Möglichkeiten sind riesig“, schwärmen die Forscherinnen und Forscher.

Dieses „Eintopfsynthese“-Verfahren (alle Teilschritte in einem Reaktor) ermöglicht einen besonders kleinen ökologischen Fußabdruck, abgelesen als E-Faktor, dem Indikator für die Masseneffizienz. „Die Lösungsmittel für die Aufarbeitungen stellen den Großteil des gesamten E-Faktors“, erklären die Autor:innen. Da diese Eintopfsynthese keine Aufarbeitung der Zwischenprodukte enthielt, konnte das Team für eines ihrer Produkte den E-Faktor um drei Viertel senken.

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