Wissensbasierter Entwurf besserer Biopolymere
Herkömmliche Polymere bzw. Kunststoffe bestehen aus Materialien, die aus Erdöl gewonnen werden – daher besteht Bedarf an alternativen Biopolymeren, um sie zu ersetzen. Zudem weisen die nanokeramischen anorganischen Füllstoffe, die üblicherweise zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften eingesetzt werden, bei Verarbeitung und Nutzung eine geringe Stabilität auf. Das EU-finanzierte Projekt "Novel nano-stabilisation for green bioplastic nanocomposites" (NANOSTAB-GB) lieferte eine Lösung für beide Probleme. Die Wissenschaftler entwickelten neuartige Verbundwerkstoffe mit verbesserter thermischer Stabilität und Haltbarkeit, die auf Biopolymeren und natürlich vorkommenden funktionalisierten Nanoton-Füllstoffen beruhen. Mit intelligenten Stabilisierungsstrategien zur Veränderung des Nanotons mit Antioxidantien erzeugen sie verstärkende Biopolymer-Nanoton-Netzwerke. In einem Ansatz entwickelten die Forscher von NANOSTAB-GB neuartige organische Modifikatoren aus Ton, die ein Antioxidant oder einen Lichtstabilisator mit sterisch gehinderten Aminen (hindered amine light stabiliser, HALS) enthalten, um die Photo-Oxidation der Polymere zu hemmen. Die modifizierten Tone wurden in das Polyamid (PA11) und die Polymilchsäure (PLA) der Biopolymere integriert, um neuartige Nanoverbundwerkstoffe aus Biopolymer-Ton herzustellen. Diese neuen Verbundwerkstoffe waren stabiler während der thermischen Verarbeitung und verstärkter UV-Belastung als die gleichen Polymere mit kommerziell erhältlichen organischen Tonmodifikatoren. In einem zweiten Ansatz nutzten die Wissenschaftler eine relativ neue Klasse von Molekülen, die Layered Double Hydroxides (LDHs). Positiv geladene Schichten werden durch Schichten aus schwach gebundenen Anionen getrennt, die durch unterschiedlichste negativ geladene Ionen ersetzt werden können. Das Team synthetisierte neue LDH-Nanopartikel, die entweder ein Antioxidant oder einen Lichstabilisator enthielten. Diese wurden in PA11 und PLA integriert. Die neuartigen auf Biopolymeren beruhenden LDH-Nanoverbundwerkstoffe waren bei hohen Temperaturen nicht so stabil wie Verbundwerkstoffe mit unveränderten LDH, verfügten bei beschleunigten Bewitterungstests jedoch über bessere photo-oxidative Stabilität. Durch NANOSTAB-GB wurden mit Erfolg stabile, auf Biopolymeren basierende Nanoverbundwerkstoffe mit funktionalisiertem Ton bereitgestellt, die von einem äußerst wirksamen, gezielten Stabilisierungsmechanismus Gebrauch machen. Die innovativen funktionalisierten Ton-Nanofüllstoffe konnten den Nanoverbundwerkstoff, neben ihrer Rolle als Füllstoff, zusätzlich stabilisieren. Da sie direkt an den Oxidationsorten (den Übergangspunkten zwischen Polymermatrix und Füllstoff) verfügbar sind, boten sie die bestmögliche Hemmfunktion und gewährleisteten eine verbesserte Langzeitstabilität. Das Projekt eröffnete wichtige Möglichkeiten zur Stabilisierung von Bio- und herkömmlichen Polymeren mit Ton-Nanofüllstoffen. Die funktionalisierten Nanofüllstoffe mit integrierten stabilisierenden Eigenschaften werden die Lebensdauer zahlreicher Produkte verlängern. Insgesamt trugen die Ergebnisse wesentlich zu einer nachhaltigen wissensbasierten Bio-Wirtschaft in Europa bei.
Schlüsselbegriffe
Biopolymere, Nanostabilisierung, Biokunststoff, Nanoverbundwerkstoffe, Nanoton
