Umweltschützer konzentrieren sich auf „giftige“ Kunststoffe

Clare Goldsberry | 29. März 2021

Vor einigen Jahren erhielt die University of Minnesota (UMN) ein US-Patent für ihre hochfesten Lignin-basierten Kunststoffe (20140254, Dr. Simo Sarkanen), eine neue Generation von Lignin-Kunststoffen, die einen „sehr hohen Ligningehalt und vergleichbare … oder sogar bessere Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichem PMMA (Polymethylmethacrylat) und Polystyrol (PS). Diese innovativen Polymermaterialien enthalten mindestens 80 % Lignin und bestehen überwiegend aus methyliertem oder nicht methyliertem Ligninsulfonat“, sagte UMN.

Damals fehlten ligninbasierten Kunststoffen zufriedenstellende mechanische Eigenschaften, und frühere Verfahren hatten die Menge an Lignin, die eingearbeitet werden konnte, begrenzt, da sie bei mehr als 35 bis 40 % Ligningehalt einen erheblichen Abbau zeigten. Die Kunststoffe und Polymermaterialien mit hohem Ligningehalt zeigten bei Formulierungen mit einem Ligningehalt von 85 bis 100 % eine vielversprechende Zugfestigkeit.

Diese Kunststoffe waren nicht nur stärker als die damals gängigen Polymere auf Ligninbasis, sondern sie stellten auch einen Mehrwert für die Bioraffinerie- und Zellstoffindustrie dar, die Lignin als Nebenprodukt produziert und es meist wegen seines Brennstoffwerts verbrannt. UMN erklärte, dass diese Technologie „einen Weg bietet, einen erheblichen kommerziellen Wert aus Lignin in Form eines neuen erneuerbaren Kunststoffs zu erzielen.“

Im Jahr 2018 kündigte das Natural Resources Research Institute (NRRI) der UMN einen Zuschuss des US-Landwirtschaftsministeriums in Höhe von 3 Millionen US-Dollar für die Wood Products and Bioeconomy Initiative des NRRI an, um das Potenzial von Lignin als hochwertiger, erneuerbarer Biokunststoff zu erschließen. Ziel war es, ein patentiertes Verfahren zu entwickeln, das die Zellwandverbindungen eines Baumes – Zellulose, Hemizellulose und Lignin – trennt, um einen Kunststoff herzustellen, der das beliebte Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ersetzen kann. Das Lignin würde in ABL-Harz (Acrylnitril-Butadien-Lignin) umgewandelt, das einen Wert von etwa 1,20 US-Dollar pro Pfund hat und direkt mit ABS konkurrieren würde.

NRRI behauptete, dass das Institut mit der Entwicklung von Verbundverkleidungsprodukten aus Minnesotas schnell wachsenden Hybridpappelarten beginnen würde. Innerhalb von drei Jahren sollten ausreichende Mengen des ligninbasierten Harzes zur Verfügung stehen, um seine Eigenschaften zu demonstrieren. Dann war geplant, in den Automobilmarkt und mehr einzusteigen.

Die Herstellung von Kunststoffen aus Holz liegt derzeit im Trend, angetrieben durch den Wunsch, biologisch abbaubaren Kunststoff mit der mechanischen Festigkeit fossiler Kunststoffe herzustellen. Jede Woche erhalte ich weitere Pressemitteilungen über Unternehmen, die auf holz- und pflanzenbasierte Alternativen zu Kunststoff setzen. Letzte Woche erschien eine Nachricht von Forest.fi, einer Nachrichtenorganisation zur Förderung des Forstsektors in Finnland, über ein Projekt zum Ersatz von Styropor und Luftpolsterfolie durch Produkte auf Holzbasis. „Das Projekt basiert auf Biomimetik – einem Bereich, der natürliche Phänomene nachahmt“, sagte Professor Mikko Alava in einer Pressemitteilung der Aalto-Universität. „Wir nutzen KI, um einen Schaum mit holzähnlichen Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität und Hitzebeständigkeit zu entwickeln.“

Ziel der Forscher ist es, die Eigenschaften des Schaums – einer Mischung aus Lignin, Holzfasern und Laponit (Nanoton) – zu optimieren, der zu stoß- und hitzebeständigem Schaum verarbeitet und anstelle von Kunststoff verwendet werden kann. Lignin, so heißt es in der Nachricht, sei die „Verbindung, die Holzfasern miteinander verbindet. Als getrockneter Schaum ist es hart und wasserbeständig und leitet sogar Strom.“

Die gleiche Methode, so die Forscher, „kann verwendet werden, um Schaum aus pulverisierten Karotten, Preiselbeeren, Preiselbeeren oder Roter Bete herzustellen, und dieser kann zu Chips weiterverarbeitet werden, die Kartoffelchips ähneln“, sagte Forscher Juha Kivisto.

PulPac, PA Consulting und Seismic Solutions gaben kürzlich bekannt, dass diese Unternehmen ihre Kräfte gebündelt haben, um Einwegkunststoffe durch eine neuartige „nachhaltige, erschwingliche Dry Moulded Fiber-Technologie“ zu ersetzen. PulPac hat „Pionier bei der Technologie des Formens von Zellulose (Holzzellstoff) entwickelt und es Kunden ermöglicht, Einwegkunststoffe weltweit durch eine nachhaltige und kostengünstige Alternative zu ersetzen.“

Kürzlich hat Ren Com AB seinen Namen in Lignin Industries AB geändert. Das in Schweden ansässige Unternehmen produziert Renol, einen Ligninzusatz auf Basis von Holzzellstoff, der als Bioadditiv für neue Thermoplaste wie ABS, PE, PP und andere fungiert. Laut der Website von Lignin Industries werden weltweit 80 Millionen Tonnen Lignin, ein Nebenprodukt der Zellstoffindustrie, verarbeitet, „was es zum größten natürlichen Nebenprodukt der Erde macht. Heute werden 99 % des produzierten Lignins für seinen Energiewert verbrannt.“

Am 18. März war der Global Recycling Day und ich erhielt eine Pressemitteilung des Plant Based Products Council (PBPC), die pflanzliche Produkte aus erneuerbaren Materialien wie landwirtschaftlichen Nutzpflanzen und Lebensmittelabfällen fördert. Diese pflanzlichen Produkte seien zudem einfach durch Kompostierung und Recycling zu entsorgen, heißt es in der Information. Zu den Mitgliedern von PBPC gehören PepsiCo, Sweetgreen Georgia-Pacific und viele andere kleine und große Unternehmen.

Die Verwendung von Holz zur Herstellung papierbasierter Produkte, wie viele Einwegartikel, die zum Mitnehmen von Lebensmitteln benötigt werden, und Verpackungen für den Versand von Produkten sowie die Verwendung von Holzpellets zur Verbrennung als Brennstoff zum Heizen von Häusern bedeuten, dass wir eine benötigen werden Viele Bäume und andere Pflanzen, um den Bedarf an Millionen von Produkten zu decken.

Bäume in Plastik zu verwandeln wird auch auf akademischer Ebene immer beliebter. Yale und die University of Maryland haben gerade bekannt gegeben, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Yuan Yao, Professor der Yale School of the Environment (YSE), und Liangbing Hu von der University of Maryland einen „hochwertigen Biokunststoff aus Holznebenprodukten geschaffen hat, von dem sie hoffen, dass er es kann.“ eines der drängendsten Umweltprobleme der Welt [Plastikmüll] lösen.“ Laut der Ankündigung haben sich die Bemühungen, „von petrochemischen Kunststoffen auf erneuerbare und biologisch abbaubare Kunststoffe umzusteigen, als schwierig erwiesen – der Produktionsprozess kann giftige Chemikalien erfordern und ist teuer, und die mechanische Festigkeit und Wasserstabilität sind oft unzureichend.“ Allerdings behaupten diese Forscher, dass sie einen „Durchbruch bei der Verwendung von Holznebenprodukten erzielt haben, der vielversprechend für die Herstellung haltbarerer und nachhaltigerer Biokunststoffe ist.“

Eine in Nature Sustainability veröffentlichte und von Yao mitverfasste Studie beschreibt den Prozess der Zerlegung der porösen Matrix von Naturholz in eine Aufschlämmung. Die Forscher sagen, dass das resultierende Material eine hohe mechanische Festigkeit, Stabilität beim Halten von Flüssigkeiten und UV-Lichtbeständigkeit aufweist. Es kann auch in der natürlichen Umgebung recycelt oder sicher biologisch abgebaut werden und hat im gesamten Lebenszyklus eine geringere Umweltbelastung als erdölbasierte Kunststoffe und andere biologisch abbaubare Kunststoffe.

„Es gibt viele Menschen, die versucht haben, diese Art von Polymeren in Kunststoff zu entwickeln, aber die mechanischen Stränge sind nicht gut genug, um die Kunststoffe zu ersetzen, die wir derzeit verwenden, die größtenteils aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden“, sagte Yao. „Wir haben einen unkomplizierten und einfachen Herstellungsprozess entwickelt, der aus Holz biomassebasierte Kunststoffe erzeugt, aber auch Kunststoffe mit guten mechanischen Eigenschaften.“

Aus diesem neuen Kunststoff lassen sich Folien für Plastiktüten und -verpackungen herstellen; Es kann auch in verschiedene Formen geformt werden, mit „Potenzial für den Einsatz im Automobilbau“. Yao leitete eine umfassende Ökobilanz, um die Umweltauswirkungen des Biokunststoffs im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen zu testen. Im Boden vergrabene Biokunststoffplatten brachen nach zwei Wochen und zerfielen nach drei Monaten vollständig. Zur Dicke der verwendeten Bleche machte Yao jedoch keine Angaben. Forscher sagten, dass der Biokunststoff durch mechanisches Rühren wieder in die Aufschlämmung zerlegt werden kann, was auch die Verwendung des tiefen eutektischen Lösungsmittels (DES) ermöglicht, einer neuen Klasse von Lösungsmitteln, die durch Mischen von Cholinchlorid (quartäres Ammoniumsalz mit Cholin-Caiton und Chloridanion) gebildet werden Wasserstoffbrückendonoren sollen zurückgewonnen und wiederverwendet werden.

Wie bei den meisten neuen Entwicklungen gilt immer das Gesetz der unbeabsichtigten Folgen. Während für den Prozess derzeit Holznebenprodukte wie Sägemehl aus holzverarbeitenden Betrieben verwendet werden, sind sich die Forscher „sehr bewusst, dass die Produktion in großem Maßstab den Einsatz riesiger Mengen Holz erfordern könnte, was weitreichende Auswirkungen auf die Wälder haben könnte.“ Landmanagement, Ökosysteme und Klimawandel, um nur einige zu nennen.“ Yao sagte, das Forschungsteam habe bereits begonnen, mit einem Waldökologen zusammenzuarbeiten, um Waldsimulationsmodelle zu erstellen, die den Wachstumszyklus der Wälder mit dem Herstellungsprozess verknüpfen.

Irgendwann werden all diese Unternehmen und Universitäten, die versuchen, „Kunststoff“ aus allem und jedem außer Erdgas und Öl aus dem Vorrat an alter Biomasse der Natur herzustellen, entscheiden, ob sie neue Bäume verwenden, deren Wachstum Jahrzehnte dauert und die als Kohlenstoff dienen sinkt ist es wert. Zumindest haben wir das Glück, uns in einer Zwischeneiszeit zu befinden, in der das Klima wärmer ist und der Anstieg des CO2 den Bäumen und Pflanzen die Nährstoffe liefert, die sie für eine Beschleunigung der Wachstumsraten benötigen.

Das ist gut, denn Eastman, die Eastman Foundation und Georgia Pacific (GP) Cellulose arbeiten in Zusammenarbeit mit der Longleaf Alliance zusammen, um 60.000 Langblättrige Kiefernsämlinge für den Torreya State Park im Nordwesten Floridas bereitzustellen. Der Ankündigung zufolge soll die Naturschutzkooperation „zum Schutz der Waldökosysteme, zur Unterstützung empfindlicher Wildtiergemeinschaften und zur Wiederherstellung des Planeten für künftige Generationen beitragen“.

Der Torreya State Park wurde aufgrund der Verwüstung des Gebiets durch Hurrikan Michael im Jahr 2018 ausgewählt. Nach Angaben der Florida Forestry Association gibt es in Florida 17 Millionen Hektar Waldfläche, die fast die Hälfte der gesamten Landfläche des Staates bedecken. Der Ankündigung zufolge trägt die Forstindustrie 25 Milliarden US-Dollar zur Wirtschaft des Staates bei, und zehn Landkreise sind wirtschaftlich von der Forstindustrie abhängig. Offensichtlich werden wir mehr Wälder brauchen, um den Anforderungen der zunehmenden Entwicklung von Kunststoffen aus Bäumen und Pflanzen gerecht zu werden.

Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC) sind heute beliebt für Terrassendielen, Geländer, Zäune und Verkleidungen. Bei diesen Materialien werden recycelte Kunststoffe gemischt mit Holzsägemehl verwendet. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sie sich aufgrund ihrer nahezu wartungsfreien Vorteile zu beliebten Baumaterialien entwickelt. WPCs spielen eine Rolle für die Umweltfreundlichkeit und als Möglichkeit, Holzabfälle zusammen mit Kunststoffabfällen zu nutzen.

Bisher habe ich jedoch keine Informationen darüber gefunden, ob eines der ligninbasierten Biokunststoffe in großem Maßstab kommerzialisiert wurde, um sie mit herkömmlichen Kunststoffen oder herkömmlichen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen. Ich vermute, dass die Herstellung dieser Materialien auf Ligninbasis nicht so kosteneffektiv ist wie die Herstellung herkömmlicher Polymere. Es kann noch viele Jahre dauern, bis diese zu einer sinnvollen Alternative zu recycelbaren Kunststoffmaterialien werden.

Tatsächlich muss ich wirklich die Weisheit in Frage stellen, riesige Mengen an Bäumen und Pflanzenmaterial zu verwenden, um einen Biokunststoff herzustellen, der biologische Abbaubarkeit mit der mechanischen Festigkeit von Kunststoffen aus fossilen Brennstoffen verspricht, insbesondere wenn die tatsächliche biologische Abbaurate dieser Materialien fraglich ist.

Wo sind all die „Baumhüter“, wenn Sie sie brauchen?

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