Polymilchsäure, ein biologisch abbaubares Material der neuen Ära, ist der „Schlüssel zur Zukunft“ für einen grünen Umweltschutz

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ding Jianxun, Li Hongjie , Yang Jiazhen (Changchun Institut für Angewandte Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Kunststoff hat unserem Leben viele Annehmlichkeiten gebracht und viele Kunststoffprodukte werden in unseren Lebensmitteln, unserer Kleidung, unseren Wohnungen und unserem Transportmittel verwendet. Doch bei Kunststoff herrscht bei vielen Menschen der allgemeine Eindruck, er sei nicht umweltfreundlich. Dies liegt daran, dass häufig verwendete Kunststoffe auf Erdölbasis in der natürlichen Umwelt nur schwer abbaubar sind und ihre Umweltverschmutzungskontrolle zudem ein globales Problem darstellt.

In den letzten Jahren haben Themen wie „weiße Verschmutzung“, „Mikroplastik“ und „Müllkontinent“ große Aufmerksamkeit erregt. Wir achten immer mehr auf die Belastung, die nicht abbaubare Kunststoffe für die Natur darstellen, und die Beschränkungen der menschlichen Gesellschaft für nicht abbaubare Kunststoffe sind zu einem Mainstream-Trend geworden. Dennoch sind Kunststoffprodukte in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Infolgedessen haben sich biologisch abbaubare Kunststoffe allmählich zu einem neuen Trend entwickelt.

Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler ein neues Konzept vorgeschlagen, das auf dem Prinzip „Aus der Natur stammen und zur Natur zurückkehren“ beruht. Sie haben einen synthetischen Weg entwickelt, um Biomasse wie Mais in biologisch abbaubaren Polymilchsäure-Kunststoff (PLA) umzuwandeln und so mithilfe der Magie der Chemie eine praktikable Lösung zur Kontrolle der Plastikverschmutzung zu bieten. Dieser aus Pflanzenstärke gewonnene Kunststoff verzichtet bei seiner Herstellung auf umweltschädliche petrochemische Rohstoffe, ist hervorragend biologisch abbaubar und ein umweltfreundlicher Kunststoff.

Die Verbreitung von PLA kann die Verwendung nicht abbaubarer Kunststoffe wirksam reduzieren und ist für die Eindämmung der Kunststoffverschmutzung von großer Bedeutung. Wie wird PLA also Schritt für Schritt aus Biomasse wie Mais gewonnen und wie ersetzt es herkömmliche Kunststoffe auf Erdölbasis, die seit einem Jahrhundert im täglichen Leben, in der biomedizinischen Forschung und Entwicklung, in der landwirtschaftlichen Produktion, in der Textilindustrie, im Maschinenbau usw. erfolgreich eingesetzt werden? Lass es uns herausfinden!

PLA-Recyclingprozess und seine Anwendung

(Bildquelle: selbst erstellt, einige Abbildungen zitiert aus Referenzen 26-29)

Die Magie der Verwandlung von Pflanzen in Plastik

PLA ist ein aliphatischer Polyester, der durch Prozesse wie Oligomerisierung, Zyklisierung und Polymerisation aus Milchsäure (LA) hergestellt wird. Der Umwandlungsprozess von PLA läuft wie folgt ab: Chemiker können aus Nutzpflanzen wie Mais gewonnene Stärke durch Hydrolyse und mikrobielle Fermentation effizient in LA umwandeln und diese durch Kondensationspolymerisation oder Ringöffnungspolymerisation weiter in PLA umwandeln und so die „Magie“ der Umwandlung von Nutzpflanzen in Kunststoffe verwirklichen.

Da LA-Monomere sowohl Hydroxylgruppen (−OH) als auch Carboxylgruppen (−COOH) enthalten, können sie Kondensationsreaktionen mit den Carboxylgruppen bzw. Hydroxylgruppen eines anderen LA-Monomers eingehen. Auf diese Weise reagieren die LA-Monomere hin und her, um PLA-Material mit hohem Molekulargewicht zu erhalten.

Warum also wurde ein so umweltfreundliches Material zunächst nicht weit verbreitet eingesetzt? Tatsächlich ist dieser Prozess nicht so einfach, wie er klingt. Es gibt viele chemische und technische Probleme sowie Engpässe im Herstellungsprozess. Beispielsweise können die während der Kondensationsreaktion erzeugten Wassermoleküle (H2O) nicht rechtzeitig entladen werden, was den Reaktionsverlauf stark behindert. Darüber hinaus verringern die harschen Reaktionsbedingungen auch das Potenzial dieses Verfahrens für die industrielle Produktion.

Mittlerweile wurde jedoch die Methode zur Herstellung von PLA verbessert, sodass der gesamte Prozess besser kontrollierbar ist. Der derzeit gängige Weg zur industriellen Produktion von PLA, die Lactid-Ringöffnungspolymerisationsmethode, ermöglicht die kontrollierbare Synthese von PLA-Molekülen.

Um jedoch bedarfsgerechte PLA-Kunststoffe zu erhalten, reicht ein bestimmtes Molekulargewicht allein bei weitem nicht aus. Auch Fortschritte in der Verarbeitungstechnologie und bei den Modifizierungsmethoden sind wichtig. Als Nächstes stellen wir die Eigenschaften von PLA vor und zeigen, wie PLA in verschiedene alltägliche Gegenstände umgewandelt werden kann.

PLA-Syntheseweg und die chemischen Strukturen von LA, Lactid und PLA. A. Synthese von PLA durch direkte Polykondensation; B. Synthese von PLA durch Lactid-Ringöffnungspolymerisation; C. Stereoisomere von LA, Lactid und PLA

(Fotoquelle: Selbst gemacht)

Eigenschaften und Modifikation von PLA

Zu den Eigenschaften von PLA sei noch eines erwähnt: LA enthält ein chirales Kohlenstoffatom und lässt sich in L-Milchsäure (L-LA) und D-Milchsäure (D-LA) unterteilen. Ersteres hat die gleiche Struktur wie die vom menschlichen Körper verstoffwechselte LA, eine hohe Aufnahme von D-LA hat jedoch toxische Nebenwirkungen.

Daher handelt es sich bei kommerziellem PLA im Allgemeinen um linkshändiges PLA (PLLA), das aus L-LA synthetisiert wird. Darüber hinaus gibt es rechtsdrehendes PLA (PDLA), das aus D-LA synthetisiert wird, und Poly(D, L-LA) (PDLLA), das aus der Copolymerisation von L-LA und D-LA synthetisiert wird.

Aus der chemischen Struktur von PLA lässt sich schließen, dass die große Anzahl an Esterbindungen im PLA-Rückgrat der Schlüssel zu seiner guten Abbauleistung ist. Unter Kompostierungsbedingungen (hohe Temperatur, hohe Luftfeuchtigkeit und mikrobielle Aktivität) kann PLA in nur wenigen Monaten vollständig zu H2O und Kohlendioxid (CO2) abgebaut und dann durch die Photosynthese der Pflanzen recycelt werden.

Darüber hinaus kann PLA im menschlichen Körper abgebaut werden und sein Hydrolyseprodukt LA kann vom menschlichen Körper aufgenommen und verwertet werden. Diese hervorragende Biokompatibilität verleiht ihm einen extrem hohen Anwendungswert im Bereich der Biomedizin.

Schematische Darstellung der wichtigsten Abbauwege von PLA: PLA-Photooxidation und Hydrolyse (links), biologischer Abbau von PLA durch von Mikroorganismen produzierte Enzyme (rechts)

(Fotoquelle: Selbst gemacht)

Neben seiner hervorragenden Umweltfreundlichkeit, biologischen Abbaubarkeit und Biokompatibilität verfügt PLA auch über physikalische Eigenschaften, die mit denen herkömmlicher Kunststoffe auf Erdölbasis vergleichbar sind.

Hinweis: PET ist Polyethylenterephthalat, PS ist Polystyrol, HIPS ist hochschlagfestes Styrol, PP ist Styrol

(Datenquelle: Referenz 10)

Aufgrund seiner hervorragenden Thermoformeigenschaften kann PLA durch Extrusionsformen, Vakuumformen, Laminieren, Blasformen, Spritzgießen, Faserspinnen, Schäumen usw. zu verschiedenen Kunststoffprodukten verarbeitet werden und verfügt über ein breites Anwendungsspektrum.

(Datenquelle: Bengbu Bio-based Materials Industry Development Plan)

Allerdings weist PLA bei seinen Anwendungen auch einige Mängel auf, wie etwa Sprödbruch, unkontrollierbarer Abbauzyklus, unzureichende Biokompatibilität usw.

Wissenschaftler suchen auch aktiv nach Lösungen für diese Probleme mit PLA. Beispielsweise wurden durch Mischen, Copolymerisation, Nanokomposit, Stereokomposit und andere Mittel die Zähigkeit, der kontrollierbare Abbauzyklus, die Hydrophilie, die antibakteriellen Eigenschaften und andere Eigenschaften von PLA weiter verbessert, wodurch der Anwendungsbereich von PLA erheblich erweitert wurde.

Hinweis: PBS ist Polybutylensuccinat, PBAT ist Polybutylenadipat, PHDA ist Poly(hexamethylendecamethylenadipat)

Anwendung und Entwicklung von PLA

PLA ist eigentlich nichts Unbekanntes und Sie werden ihm in jedem Aspekt Ihres Lebens begegnen.

Aus der Perspektive des Essens hat die Kommerzialisierung von PLA-Produkten mit der rasanten Entwicklung der Take-away-, Express-Liefer- und Cateringbranche in den letzten Jahren und der Förderung von Richtlinien wie dem vom Staat erlassenen „Plastikverbot“ große Fortschritte gemacht. Wenn wir täglich Milchtee trinken, werden neben Papierstrohhalmen heute häufiger PLA-Strohhalme verwendet.

Aus Trageperspektive wird PLA-Kleidung, die aus einer Mischung von PLA und antibakteriellen Wirkstoffen hergestellt wird, von den Verbrauchern bevorzugt.

Aus Sicht des täglichen Gebrauchs wird plastifiziertes und gehärtetes PLA in Schalen für den täglichen Bedarf und in Kinderspielzeug verwendet, wodurch Kinder wirksam vor der Aufnahme schädlicher Kunststoffpartikel geschützt werden können.

Aus medizinischer Sicht werden durch die Verbesserung der Hydrophilie und Biokompatibilität von PLA und die verstärkte Kontrolle der PLA-Abbauzeit biomedizinische Polymere wie PLA-Gefäßstützen, resorbierbare Materialien und chirurgische Nähte allmählich zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus gibt es für Materialien wie PLA-Mulch und Sandbarrieren einen breiten Markt, sie sind für die Umweltpolitik von großer Bedeutung und haben einen sehr großen Anwendungsmarkt.

Statistiken zum Polymilchsäureverbrauch in China von 2017 bis 2021

(Datenquelle: Guanyan Report Network)

Heutzutage beträgt die inländische PLA-Produktionskapazität etwa 250.000 Tonnen/Jahr, die Nachfrage nach PLA ist in den letzten Jahren jedoch gestiegen. Derzeit liegt die Gesamtkapazität der von verschiedenen Unternehmen im Bau befindlichen oder geplanten PLA-Produktionslinien bei über 1,5 Millionen Tonnen pro Jahr. Es wird erwartet, dass PLA in den nächsten drei bis fünf Jahren eine größere Popularität erlangen wird.

Obwohl sich die heimische PLA-Industrie schnell entwickelt hat, steht sie noch immer vor zwei großen Herausforderungen. Erstens müssen die Schlüsseltechnologien der Branche dringend verbessert werden, und zweitens müssen die Produktionskosten von PLA weiter gesenkt werden. Derzeit sind die Produktionskosten von PLA dreimal oder sogar höher als die von üblicherweise verwendeten Kunststoffen auf Erdölbasis, was es schwierig macht, herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen. Neben der Kostensenkung in der Produktionstechnologie ist es auch notwendig, das Layout der PLA-Industrie zu stärken und den Bau von PLA-Produktionslinien zu beschleunigen, um die Kosten auf ein „günstiges“ Niveau zu senken, das mit dem herkömmlicher Kunststoffe vergleichbar ist.

Abschluss

Derzeit hat PLA aufgrund seiner hervorragenden biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und breiten Anwendbarkeit einen Platz im täglichen Leben, in der biomedizinischen Forschung und Entwicklung, in der landwirtschaftlichen Produktion, in der Textilindustrie, in der Maschinenbaufertigung usw. erobert. Im Vergleich zu erdölbasierten Kunststoffen, die seit hundert Jahren entwickelt werden, sind die höheren Produktionskosten und der komplexe Produktionsprozess von PLA jedoch immer noch die Hauptgründe für seine große Beliebtheit.

Heute eröffnet PLA, angetrieben durch die Umsetzung der „Dual-Carbon“-Strategie und das Plastikverbot, neue Möglichkeiten zur Marktentwicklung. Dieser aus Getreide hergestellte Kunststoff verwirklicht das Umweltschutzkonzept „Von der Natur zurück zur Natur“ und weist den Weg zur Lösung des Problems der Plastikverschmutzung. Vielleicht gelingt es uns eines Tages, umweltfreundliche und abbaubare Kunststoffe populär zu machen, sodass wir den Komfort von Kunststoffprodukten genießen und ein harmonisches Zusammenleben mit der Natur erreichen können.

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Herausgeber: Guo Yaxin