Bunte biologische Kunststoffe

Veröffentlicht am 8. Januar 2021 um 21:46

Niklas und Rebecca haben mit ihrem Projekt am Jugend forscht Wettbewerb 2021 teilgenommen und den Sonderpreis für nachwachsende Rohstoffe gewonnen.

Bunte biologische Kunststoffe aus Chitosan

Idee und Werkstoff

Aktuell gibt es viele Ansätze, um biologische und vor allem auch biologisch abbaubare Kunststoffe herzustellen, mit dem Ziel, fossile Ressourcen zu schonen und gleichzeitig der Problematik des Plastikmülls zu begegnen. Biologische Kunststoffe bestehen mindestens aus einem Anteil nachwachsender Rohstoffe, lassen sich aber nicht zwingend auch biologisch abbauen. Zu den biologisch abbaubaren, biobasierten Kunststoffen gehören Stärkeblends, die aus thermoplastisch modifizierter Stärke und anderen biologisch abbaubaren Polymeren, wie Cellulose bestehen und Polyester wie die Polymilchsäure (PLA) oder Polyhydroxyalkanoate (PHA).

Neue biobasierte Monomere werden aus Bernsteinsäure, Butan-, Propandiol oder Fettsäurederivaten gewonnen. Andere Biokunststoffe wie Bio-PE, Bio-PP, Bio-PVS, biobasiertes PET oder PTT sind nicht biologisch abbaubar. Rohstoffe wie Chitin, Chitosan, Lignin oder Gelatine kommen auch für die Herstellung von Biokunststoffen in Frage, wobei je nach Verwendungszweck die Eigenschaften durch unterschiedliche Mischverhältnisse angepasst werden müssen, was wir bei unseren Versuchen mit unterschiedlichen Rohstoffmengen und Mischungen ebenfalls erfahren haben.

Einfache Folien auf der Basis von Chitosan sind bereits bekannt, allerdings gibt es für solche Folien aufgrund ihrer Eigenschaften bisher nur begrenzte Anwendungsbereiche, wie zum Beispiel Dialyseschläuchen oder Wursthüllen [1].

Chitin ist das verbreitetste Polysaccharid der Erde. Die Panzer von Insekten und Schalentiere bestehen daraus, ebenso die Zellwände von Gruppen von niederen und höheren Pilzen. Der Grundbaustein von Chitin ist ein 1,4-ß-glycosidisch verknüpftes N-acetyl-D-glucose-2-amin. Die Gewinnung des Chitosans erfolgt durch die enzymatische Deacetylierung von Chitin, wodurch Chitosan an diesen Stellen eine freie Aminogruppe besitzt. Dadurch ist Chitosan hydrophil und es können darüber hinaus an der Aminogruppe Protonen gebunden werden, diese als Brönsted-Base reagieren.   

Chitosan besteht aus linearen Molekülen, die lange flexible Ketten ausbilden. Es weist keine Toxizität beim Abbau auf, besitzt eine hohe Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit [2].  

Unsere Ziele sind es, selbst hergestellte Folien aus Chitosan in ihrer Farbe und ihren Werkstoffeigenschaften zu verändern, um neue Anwendungen zu ermöglichen. Die benötigten Farbpigmente bringen wir über physikalische Prozesse aus Algen ein, um weiterhin eine biologische Abbaubarkeit zu gewährleisten. Auch die Modifizierung der Werkstoffeigenschaften soll auf biologischer Basis erfolgen.

Da auch dieser Ansatz nicht unsere Anforderungen erfüllt hat, recherchierten wir nach Alternativen, wie eine Chitosanfolie mit einer höheren Flexibilität hergestellt werden kann. Für gewöhnlich werden hierfür Kunststoffen sogenannte Weichmacher hinzugefügt. Einige der Weichmacher können jedoch gesundheitsschädlich sein und stehen teilweise im Verdacht, erbgutverändernd und krebserregend zu sein. Häufig werden Ester der Phthalsäure und der Phosphorsäure als Weichmacher in Kunststoffprodukten, Gummiprodukte, Farben und Lacke eingesetzt. Diese Weichmacher sind toxisch, denn sie greifen Leber, Nieren und Hoden an. Außerdem werden sie nur sehr schlecht von der Umwelt abgebaut, somit können sie über sehr lange Zeiträume in Gewässern, Böden, aber auch in der Nahrungskette verbleiben. Weichmacher bewirken, dass Stoffe, in unserem Fall die Chitosanfolien, weicher, flexibler, geschmeidiger und elastischer werden.

Bei unseren Recherchen stießen wir auch auf den Stoff Triethylcitrat (TEC), welcher als Lebensmittelzusatzstoff E1505 zugelassen ist und gelegentlich als Weichmacher bereits eingesetzt wird. Triethylcitrat ist ein Ester der Zitronensäure, die mit Ethanol verestert wurde. Es ist eine farblose, ölige Flüssigkeit.

Einbringen von Farbstoffen in die Folienstruktur

Als ersten Versuch haben wir Chitosan-Folien hergestellt, denen wir je 1g Phycocyanin, Paprikapulver, Chlorella und Kurkumapulver zugesetzt haben.                

Die Folien sind spröde und nicht sonderlich farbintensiv geworden. Auch kann man erkennen, dass die Farbstoffe als Pigmente nicht homogen in den Folien verteilt sind. Vielmehr bilden sich Farbstoffklumpen.

Um eine bessere und auch feinere Verteilung der Pigmente zu erreichen, haben wir die Einfärbung in einem zweiten Versuch mit einem Ultraschallbad versucht. Dabei legten wir den Fokus vorerst auf Phycocyanin.

Wir haben 1g bzw. 2g Phycocyanin zu 25ml einer 3%-igen Essigsäurelösung gegeben und das Gemisch für 10 Minuten in einer Plastikfolie in ein Ultraschallbad gelegt. Ein Ultraschallbad erzeugt Schallwellen, die das Wasser permanent in Schwingungen versetzen und damit in der Flüssigkeit einen Über- und Unterdruck erzeugen. Durch den ständigen Druckwechsel entstehen im Wasser winzig kleine Bläschen. Die stete Wellenbewegung des Wassers lässt die Blasen auf ein Vielfaches ihres ursprünglichen Durchmessers anschwellen, bis sie platzen. Durch das Zerplatzen wird eine große Menge an Energie freigesetzt und es wird kurz in direkter Umgebung sehr heiß. Dadurch gehen die Farbstoffe besser in Lösung. Anschließend haben wir das Gemisch zu einem Ansatz einer Chitosan-Folie gegeben und dieses nochmals in einer Plastiktüte für 10 Minuten ins Ultraschallbad gelegt. Diese Prozedur hat in Bezug auf das Anfärben der Folien die gewünschte Wirkung gezeigt. Alle Folien wurden homogen tiefblau gefärbt. Wir mussten jedoch feststellen, dass die Folien äußerst spröde geworden sind.

Die beiden Ansätze haben als einzigen Unterschied die Farbintensität, welche von der Menge des eingesetzten Phycocyanin abhängig ist. Sie sind türkis mit einem Blauton und in der Folie sind kleine Luftblasen eingeschlossen, die glitzern.

Nach der erfolgreichen Farbstoffeinbringung von Phycocyanin in Chitosan-Folien haben wir das Verfahren mit dem Ultraschallbad mit dem Farbstoff der Chlorella ausprobiert. Hierfür haben wir ebenfalls zwei Ansätze gemacht, bei denen wir eine höhere Masse an Farbstoffpigmenten eingesetzt haben, die Folienmasse dann aber auf unterschiedliche Mengen verteilt haben. Die fertigen Ansätze haben wir für 2min auf einen Vortexer gesetzt, um die Entstehung der Blasen zu verhindern. Ein Vortexer dreht sich mit der eigestellten Geschwindigkeit auf der Stelle. Durch diese Zentrifugalkraft werden die Luftblasen nach außen gedrängt. Danach haben wir die Ansätze auf einen Rüttler gestellt. Der Rüttler bewegt sich durchgehend kreisförmig, sodass wir eine neue Entstehung von Luftbläschen verhindern können.

Die Anwendungsbereiche von Chitosan-Folien lassen sich unserer Meinung nach nicht nur durch das Färben der Folien, sondern auch durch eine Erhöhung der Stabilität erweitern. Vorbild hierbei ist für uns glasfaserverstärker Kunststoff (GFK) als Faser-Verbund-Werkstoff. GFK ist jedoch nicht umweltfreundlich und biologisch abbaubar, sodass wir eine Alternative entwickeln wollen. Bei unseren Recherchen stießen wir auf einen interessanten Ansatz, bei dem Chitosan-Folien mithilfe von Fibroin miteinander verklebt und zur Stabilisierung Holzfasern mit eingebracht werden. Fibroin ist ein Faserprotein und der Hauptbestandteil von Seide. Fibroin wird in der Gewebetechnik als Grundgerüst für die Herstellung von Austauschgewebe verwendet.

Zum Testen der Klebefähigkeit des Gemischs, haben wir nach 12 Stunden Reaktions- und Trocknungszeit die zwei Folien jeweils auseinandergezogen. Hierbei war die Lösung mit 30% Fibroin, 60% Wasser und 10% Holzstaub besonders überzeugend, da die Folien nicht mehr voneinander zu lösen waren. Zudem wurden alle Folien steifer, ohne spröder zu werden.


«   »