Eine grüne Alternative zu Plastik → atmungsaktive und wasserdichte Papier-„Rüstung“!

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Papier mit einer weichen und wasserdichten „Panzerung“ versehen, die es wasserdicht wie Plastik, aber auch abbaubar wie Papier macht. Wie toll wäre das?

Nun ist dieser Traum Wirklichkeit geworden. Japanische Wissenschaftler haben eine innovative Technologie entwickelt, die gewöhnliches Papier in eine umweltfreundliche Alternative zu Kunststoff verwandeln kann. Noch unglaublicher ist, dass dieses Papierflugzeug Windkanaltests mit Mach 7 standhält!

[Hinweis: Das Originalbild stammt aus diesem Papier. Das obige Bild (a) zeigt ein beschichtetes Papierflugzeug in einem Windkanal. Das Bild unten zeigt die Stoßwelle, die durch eine Windgeschwindigkeit von Mach 7 erzeugt wird. 】

Diese Technologie ist, als würde man Papierfasern mit einem speziellen „atmungsaktiven Regenmantel“ überziehen. Die Wissenschaftler verwendeten eine Verbindung namens Silan, um auf der Oberfläche von Papierfasern eine nur wenige Mikrometer dicke poröse Beschichtung zu bilden. Diese Beschichtung besteht sozusagen aus unzähligen winzigen „Waben“ und macht das Papier sowohl wasserdicht als auch flexibel. Durch Eintauchen von Papier oder Papierprodukten in eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität, die hauptsächlich aus Alkoxysilan besteht, und anschließendes Trocknen unter Umgebungsbedingungen bildet sich auf den Zellulosefasern gleichmäßig eine mehrere Mikrometer dicke poröse Schicht aus Kieselsäureharz. Die poröse Kieselsäureharzschicht verleiht dem Papier hervorragende Haltbarkeit und Wasserfestigkeit, während die ursprüngliche Textur und Flexibilität des Papiers erhalten bleiben. Das daraus resultierende organisch-anorganische Verbundmaterial kann viele Kunststoffprodukte ersetzen und lässt sich in der natürlichen Umwelt leicht zersetzen, ohne Umweltverschmutzung zu verursachen.

[Diese Abbildung ist eine schematische Darstellung der Verwendung einer Superbeschichtung zur Bildung eines Silicafilms auf den Zellulosefasern, aus denen das Papier besteht. Zunächst durchlaufen die Methyltrimethoxytetrahydrosilan-Moleküle in der Beschichtungslösung (oben links in der Abbildung) eine Hydrolysereaktion mit im Papier und in der Luft vorhandenen Wassermolekülen, wobei Si–OH-Tetrahydrosilanolgruppen entstehen. Anschließend werden die Tetrahydrosilanolgruppen zweier Methyltrimethoxytetrahydrosilanmoleküle durch eine Dehydratationsreaktion verbunden, wodurch eine Siloxanbindung entsteht. Schließlich geht die Tetrahydrosilanolgruppe des Methyltrimethoxytetrahydrosilan-Moleküls eine Dehydratationsreaktion mit den Hydroxygruppen der Zellulosefaser ein und wird über Si–O–C-Bindungen an der Faseroberfläche fixiert (unten rechts in der Abbildung). Das entstehende Siloxan-Netzwerk weist eine große Anzahl von Hohlräumen auf, wodurch das Papier sehr weich wird und die in den Hohlräumen verbleibenden Methylgruppen (R) für wasserabweisende Eigenschaften sorgen. 】

Der Vorgang ist sehr raffiniert gestaltet, als würde man ein komplexes Netz aus Papierfasern weben. Zunächst verwendeten die Wissenschaftler einen speziellen „Starter“ (Tetraisopropyltitanat), um die Reaktion zu starten, ähnlich wie die erste Masche beim Stricken. Dann „halten“ sich die Silanmoleküle automatisch an den Händen und bilden ein Schutznetz auf der Oberfläche der Papierfasern. Dieses Netz hält die Papierfasern fest und behält gleichzeitig eine poröse Struktur bei, die das Atmen ermöglicht. Dieses mit Silica beschichtete Papier ist für den menschlichen Körper unbedenklich, da die Additive keine organischen Fluorverbindungen, Borverbindungen oder Alkyltrialkoxysilane enthalten. Das behandelte Papier weist erstaunliche Eigenschaften auf:

Ⅰ. Es kann 72 Stunden lang in Wasser eingeweicht werden, ohne dass es sich verformt

Ⅱ. Behält die ursprüngliche Flexibilität bei und kann nach Belieben gefaltet werden

III. Die Festigkeit wird erheblich verbessert, und es können sogar Papierflugzeuge hergestellt werden, die dem Aufprall eines Hochgeschwindigkeitsluftstroms standhalten.

IV. Am wichtigsten ist, dass es in der natürlichen Umwelt sicher abgebaut werden kann

【Hinweis: Abbildung (b) zeigt den Block, der nach dem Erstarren der Beschichtungslösung entsteht. Abbildung (c) zeigt einen Wassertropfen, der auf beschichtetes Papier tropft. Abbildung (e) zeigt ein mit einer Superbeschichtung beschichtetes Papierprodukt. Abbildung (d) zeigt Fotos von beschichteten (links) und unbeschichteten (rechts) Papierstrohhalmen, nachdem sie 3 Tage lang in Wasser eingeweicht wurden. 】

Bei der Technologie geht es um viel mehr. Weltweit gelangen jedes Jahr Millionen Tonnen Plastikmüll in die Meere und Böden. Dort bilden sich schwer abbaubare Mikroplastikpartikel, die die Ökosysteme an Land und im Meer bedrohen. Dieses verbesserte Papier kann nicht nur eine große Menge an Einweg-Plastikprodukten im täglichen Leben ersetzen, sondern nach Gebrauch auch sicher in die Natur zurückkehren, ohne eine dauerhafte Umweltbelastung zu hinterlassen.

Es ist wie ein Kreislauf: Aus Bäumen und Pflanzen werden Fasern gewonnen, um Papier herzustellen, die Eigenschaften des Papiers werden umweltschonend verbessert und nach der Verwendung gelangt es zurück in die Natur. Diese Technologie demonstriert die Kraft wissenschaftlicher Innovation und spiegelt zugleich die Weisheit der Menschen wider, die ein harmonisches Zusammenleben mit der Natur anstreben.

Diese Innovation hat weitreichende Auswirkungen auf die Zukunft. Es zeigt uns, dass die Lösung von Umweltproblemen nicht allein auf Beschränkungen und Verboten beruht. Durch technologische Innovationen können wir Lösungen finden, die den Bedürfnissen der Menschen gerecht werden und gleichzeitig die Umwelt schonen. Dies ist auch der Kern nachhaltiger Entwicklung: die Bedürfnisse der Gegenwart zu befriedigen, ohne die Fähigkeit der nächsten Generation zu beeinträchtigen, ihre Bedürfnisse zu befriedigen.

Wie diese Studie zeigt, sind der menschlichen Kreativität keine Grenzen gesetzt. Durch kontinuierliche Innovation sind die Menschen in der Lage, Wege zu finden, im Einklang mit der Natur zu leben und der Zukunft einen blauen Planeten zu hinterlassen.

Bildnachweis und Papierquelle:

Moderne Alchemie: „Kunststoffe“ aus Papier herstellen. Yoko Iwamiya, Masayoshi Kawai, Daisuke Nishio-Hamane, Mitsuhiro Shibayama und Zenji Hiroi. Industrielle und technische Chemieforschung 2021 60 (1), 355-360. DOI: 10.1021/acs.iecr.0c05173