In den letzten Jahren sind biologisch abbaubare Polymere (allgemeiner als biologisch abbaubare Werkstoffe bezeichnet) stark in das Interesse der Öffentlichkeit gerückt. Sie können maßgeblich zur Lösung dringender ökologischer Probleme unserer hochtechnisierten Gesellschaft beitragen, insbesondere im Bereich der Müll- und Entsorgungsproblematik. Zudem bietet ihre Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen die Möglichkeit der Unabhängigkeit vom Rohöl. Rohöl ist nur begrenzt als Basisrohstoff der Kunststoff produzierenden chemischen Industrie anzusehen.
Nachteile sind bei den biologisch abbaubaren Werkstoffen (BAW) der höhere Preis, die Hygieneprobleme und die eingeschränkte technologische Eignung. Außerdem werden biologisch abbaubare Kunststoffe nur ein begrenztes Marktsegment, z. B. Verpackung, einnehmen können. Für viele andere Anwendungen, bei denen auch Langlebigkeit gefragt ist (z. B. Fußbodenbeläge), sind sie hingegen kaum geeignet, sodass weiterhin auch große Mengen an erdölbasierten Kunststoffen gebraucht werden.
Schon lange war bekannt, dass Polyester und Polyamide aufgrund der Hydrolyseanfälligkeit der Ester- bzw. Amidbindung in gewissen Grenzen biologisch abbaubar sind.
Biologisch abbaubare Polymere müssen zwei Grundvoraussetzungen erfüllen:
- Es müssen chemische Bindungen vorhanden sein, die enzymatisch spaltbar sind z. B. Esterbindungen, Amidbindungen oder Acetalbindungen.
- Und die entstehenden Produkte müssen im Stoffwechsel von Bakterien und Pilzen verwertbar sein.
Darauf basierend wurden moderne Produkte entwickelt.
Polymere auf Stärkebasis
Verpackungen und Folien aus kompostierbaren Polymeren auf Stärkebasis
konnten schon einige Marktnischen erobern, z. B. Einkaufstüten, Formteile
für Verpackungen, essbares Geschirr, Folien oder Gärtnereibedarf.
Synthese von Stärkefolien
Stärke neigt beim Eintrocknen
aus wässriger Lösung leicht zur Bildung von Filmen. Diese Tatsache
wird bei der Synthese der Stärkefolien ausgenutzt: Vermischt man
Stärke (10g) mit 100 ml Wasser und erwärmt das Gemisch für
ca. 15 min auf 100 °C, erhält man eine brüchige Folie. Durch
Zusatz von Weichmachern (z. B. Glycerin) kann man die Zug- und Reißfestigkeit
erheblich erhöhen.
Glycerin lagert sich zwischen die Stärkeketten und verringert so
die sehr starken zwischenmolekularen Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindungen).
Daraus resultiert die erhöhte Flexibilität der Folie mit Weichmacherzusatz.
Polyhydroxybutansäure (PHB)
Reine Polyhydroxybutansäure
ist sehr spröde, durch Einlagern von bis zu 20% Polyhydroxypentansäure
entsteht ein Polymer, das in seinen mechanischen und physikalischen Eigenschaften
dem Polyethylen ähnelt, in seinen chemischen Eigenschaften eher mit
Polyethylentherephthalat (PET) vergleichbar ist und dessen Eigenschaftsspektrum
aufweist.
Der unter dem Handelsnamen Biopol® produzierte Polyester kann sogar
von Bakterien auf der Basis von Hydroxyalkansäuren produziert werden.
Speziell Alcaligenes eutrophus ist in der Lage bis zu 80% seiner
Trockenmasse des Polyester in seinen Zellen zu speichern. Der Polyester
dient dem Bakterium als Nahrungsreserve. Konkret handelt es sich dabei
um ein Coploymer aus b-Polyhydroxybutansäure (Polyhydroxybuttersäure)
und b-Polyhydroxypentansäure (Polyhydroxyvaleriansäure).
Der Polyester kann sehr einfach aus den Bakterien in reiner Form gewonnen werden und als Thermoplast zu Flaschen oder Beschichtungsfolien auf Papier verarbeitet werden.
Cellophan
Schon in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die allseits bekannte
Cellophanfolie durch Behandlung
von Cellulose mit Natronlauge und anschließend Schwefelkohlenstoff
entwickelt. Diese Cellophanfolien sind zwar biologisch abbaubar aber keineswegs
umweltfreundlich, da bei der aufwändigen Herstellung hochgiftiger
Schwefelkohlenstoff freigesetzt wird. Zudem erfüllen die steifen,
wenig dehnbaren und leicht entflammbaren Cellophanfolien nicht die Anforderungen
an einen modernen Verpackungsstoff.
Heute kennt man Weiterentwicklungen, die ihre biologische Abbaubarkeit
zwar vollständig erhalten haben, jedoch in ihren Produkteigenschaften
den synthetischen Folien aus Polyethylen kaum nachstehen. Hierzu wurden
spezielle kurzkettige Polyurethane entwickelt, die mit dem Zellglas eine
Verbindung eingehen. Derartige Gemische zweier unterschiedlicher Kunststoffe
werden als Blends (engl. blend = Mischung)
bezeichnet.
Ausgehend von der Tatsache, dass Esterbindungen durch Hydrolyse gespalten werden können, also auch Polyester hydrolyseanfällig sind, wurden vielfältige Experimente angestellt. So hat beispielsweise die BASF-AG ein vollständig biologisch abbaubares Copolymer aus 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Terephthalsäure (Handelsname: Ecoflex®) entwickelt. Von einem anderem Unternehmen wurde ein Polycaprolacton entwickelt, das z. B. als Gipsersatz für orthopädische Anwendungen, als Synthetikverband, aber auch für Flaschen Folien oder Faservliese genutzt wird.