Umweltfreundliche Kunststoffe

Umweltfreundliche Kunststoffe: Materialinnovation für eine nachhaltige Entwicklung

Umweltfreundliche Kunststoffe sind ein neuartiges Material, das auf der Basis herkömmlicher Kunststoffe entwickelt wurde. Ziel ist es, negative Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren und Ressourcenrecycling zu ermöglichen. Sie sind zu einer wichtigen Lösung geworden, um die Umweltverschmutzung zu bekämpfen. Durch die Verbesserung von Materialien, Produktionsprozessen oder Recyclingsystemen können Umweltrisiken reduziert und gleichzeitig die Praktikabilität von Kunststoffen erhalten werden.

1. Klassifizierung und Eigenschaften umweltfreundlicher Kunststoffe

Umweltfreundliche Kunststoffe können anhand ihrer Umwelteigenschaften in drei Kategorien unterteilt werden: biologisch abbaubare Kunststoffe, recycelte Kunststoffe und biobasierte Kunststoffe, jede mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungsszenarien.

abbaubarer Kunststoff

Abbaubare Kunststoffe können in natürlichen Umgebungen wie Erde, Meerwasser und unter Kompostierungsbedingungen durch Mikroorganismen in Kohlendioxid, Wasser und unschädliche Substanzen zersetzt werden, wodurch eine langfristige Restverschmutzung vermieden wird.

Polymilchsäure (PLA): Hergestellt aus Pflanzenstärke wie Mais und Zuckerrohr, weist sie eine hohe Transparenz und ähnliche mechanische Eigenschaften wie herkömmliche Kunststoffe auf. Sie eignet sich für Verpackungsfolien, Einweggeschirr usw., hat jedoch eine geringe Hitzebeständigkeit (normalerweise nicht über 60 °C).

Polybutylenadipat/Polybutylenterephthalat (PBAT): Es ist flexibel und kann in Kombination mit PLA die Sprödigkeit verbessern. Es wird häufig in Agrarfolien, Müllsäcken usw. verwendet. Es kann unter Kompostierungsbedingungen innerhalb von 3–6 Monaten vollständig abgebaut werden.

Polyhydroxyalkanoate (PHA): werden durch mikrobielle Fermentation hergestellt, weisen eine ausgezeichnete Biokompatibilität auf, können im medizinischen Bereich (z. B. als chirurgisches Nahtmaterial) verwendet werden und zersetzen sich auch in der Meerwasserumgebung, sodass sie für Verpackungen im maritimen Bereich geeignet sind.

recyceltem Kunststoff

Recycelte Kunststoffe werden durch das Recycling von Kunststoffabfällen durch Reinigen, Zerkleinern, Schmelzen und Umformen hergestellt, wodurch eine Ressourcenrückgewinnung erreicht und der Rohölverbrauch reduziert wird.

Physisch recycelte Kunststoffe: Durch die direkte Verarbeitung von Kunststoffabfällen, die eine etwas geringere Leistung als Neukunststoffe aufweisen, können Mülleimer, Stoffe aus Recyclingfasern usw. hergestellt werden.

Chemisch recycelte Kunststoffe: Durch die chemische Depolymerisation von Kunststoffen in Monomere können diese erneut polymerisiert werden und erhalten ähnliche Eigenschaften wie Rohstoffe. Sie eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen wie Lebensmittelverpackungen, und recycelte PET-Flaschen werden häufig für Getränkeverpackungen verwendet.

Biobasierte Kunststoffe

Biobasierte Kunststoffe werden aus nachwachsender Biomasse wie Stärke, Pflanzenölen und Stroh hergestellt, verringern die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen und sind teilweise biologisch abbaubar.

Kunststoffe auf Stärkebasis: Kostengünstig, leicht zu verarbeiten, werden oft mit anderen Materialien zu Verpackungsmaterialien gemischt, weisen jedoch eine geringe Wasserbeständigkeit auf.

Biobasiertes PE/PET: Hergestellt aus Ethylen oder Terephthalsäure, die durch Biomassefermentation produziert werden. Die Leistung entspricht der von herkömmlichem PE/PET und die Recyclingfähigkeit reduziert den Kohlenstoffausstoß.

2. Produktionsprozess und technologische Durchbrüche bei umweltfreundlichen Kunststoffen

Bei der Herstellung umweltfreundlicher Kunststoffe stehen Ökologisierung und geringe Karbonisierung im Vordergrund, wodurch der Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen bei der Rohstoffgewinnung und -verarbeitung reduziert werden.

Rohstoffinnovation

Abbaubare und biobasierte Kunststoffe können sich von der Abhängigkeit von Rohöl lösen und die durch die Photosynthese von Pflanzen gespeicherten Kohlenstoffressourcen nutzen. Beispielsweise wird bei der Herstellung von PLA Maisstärke als Rohstoff verwendet, die fermentiert und in Milchsäure umgewandelt und anschließend zu Polymermaterialien polymerisiert wird. Der gesamte Prozess reduziert die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen um 30–50 %.

Bei recycelten Kunststoffen wird durch effiziente Sortiertechniken wie die Infrarotspektroskopie eine präzise Trennung unterschiedlicher Kunststoffarten erreicht. Dadurch werden hochwertige Rohstoffe für die anschließende Recyclingverarbeitung bereitgestellt und Verunreinigungen vermieden, die die Produktleistung beeinträchtigen.

Prozessoptimierung

Die Technologie der enzymatischen Katalyse wird häufig bei der Synthese biologisch abbaubarer Kunststoffe eingesetzt, beispielsweise durch den Einsatz von Lipase zur Katalyse der Polymerisationsreaktion von PBAT, wodurch Reaktionstemperatur und Energieverbrauch gesenkt und der Einsatz chemischer Katalysatoren minimiert werden.

Im chemischen Regenerationsprozess werden umweltfreundliche Lösungsmittel und Katalysatoren eingesetzt, beispielsweise die Verwendung der überkritischen Wassertechnologie bei der PET-Depolymerisation, die keine organischen Lösungsmittel erfordert und eine höhere Reaktionseffizienz sowie verbesserte Produktreinheit aufweist.

3. Anwendungsszenarien für umweltfreundliche Kunststoffe

Umweltfreundliche Kunststoffe haben in vielen Bereichen Einzug gehalten, beispielsweise in der Verpackungsbranche, der Landwirtschaft, im täglichen Bedarf und im Gesundheitswesen, und ersetzen nach und nach herkömmliche Kunststoffe.

Verpackungsbereich: Biologisch abbaubare Plastiktüten und Essensboxen sind im Lebensmittellieferdienst und in Supermärkten beliebt; biobasierte PET-Flaschen werden für die Verpackung von Getränken und Kosmetika verwendet, während recycelte Kunststofffolien für Expressverpackungen verwendet werden.

Im Agrarbereich löst biologisch abbaubare Agrarfolie das Problem herkömmlicher Folienrückstände, zersetzt sich nach der Ernte automatisch und verhindert eine Bodenverdichtung; Düngersäcke auf Biobasis können sich bei Kontakt mit dem Boden zersetzen, wodurch Abfall reduziert wird.

Dinge des täglichen Bedarfs: Müllbeutel auf Stärkebasis, Einweggeschirr aus PLA, Kleidung aus Biofasern usw., die Zweckmäßigkeit und Umweltfreundlichkeit in Einklang bringen.

Im medizinischen Bereich können Nähte aus PHA nach der Wundheilung vom menschlichen Körper absorbiert werden, ohne dass eine zweite Operation zu ihrer Entfernung erforderlich ist. Abbaubare Arzneimittelträger können Medikamente präzise freisetzen und auf natürliche Weise abbauen.

4. Herausforderungen und zukünftige Trends

Trotz der rasanten Entwicklung umweltfreundlicher Kunststoffe stehen diese noch immer vor zahlreichen Herausforderungen:

Kostenproblem: Der Produktionsprozess von biobasierten Kunststoffen und chemisch recycelten Kunststoffen ist komplex und teurer als bei herkömmlichen Kunststoffen, was ihre Anwendung im großen Maßstab einschränkt.

Leistungseinschränkungen: Einige biologisch abbaubare Kunststoffe weisen Mängel hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Wasserbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften auf, wie etwa PLA, das bei hohen Temperaturen zur Verformung neigt und sich nur schwer zum Aufbewahren heißer Getränke eignet.

Unvollkommenes Recyclingsystem: Das Mischen biologisch abbaubarer Kunststoffe mit herkömmlichen Kunststoffen kann die Recyclingeffizienz beeinträchtigen und die Verbraucher haben kein ausreichendes Verständnis für die Klassifizierung verschiedener umweltfreundlicher Kunststoffe, was das Recycling erschwert.

In Zukunft werden sich umweltfreundliche Kunststoffe in Richtung "hohe Leistung, niedrige Kosten und Umweltschutz über den gesamten Lebenszyklus entwickeln":

Materialmischung: Durch den Einsatz von Misch- und Copolymerisationstechniken zur Verbesserung der Mängel eines einzelnen Materials, wie beispielsweise PLA- und PBAT-Verbundwerkstoffen, erhält es sowohl eine gute Festigkeit als auch Flexibilität.

Intelligenter Abbau: Entwicklung umweltfreundlicher, biologisch abbaubarer Kunststoffe, die nur unter bestimmten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen (z. B. im Boden) abgebaut werden und während der Lagerung und Verwendung stabil bleiben.

Geschlossenes Recyclingsystem: Durch die Kombination der Blockchain-Technologie wird eine vollständige Rückverfolgbarkeit des Lebenszyklus von Kunststoffen erreicht, der gesamte Prozess von der Produktion über den Verbrauch bis hin zum Recycling und zur Regeneration aufgezeichnet, die Recyclingeffizienz und -transparenz verbessert und das Kreislaufmodell (Produktion, Verbrauch, Regeneration) gefördert.

Die Entwicklung umweltfreundlicher Kunststoffe erfordert nicht nur materialtechnologische Innovationen, sondern auch politische Unterstützung (z. B. Kunststoffbeschränkungsverordnungen, Subventionspolitik), die Zusammenarbeit von Unternehmen und die Sensibilisierung der Verbraucher. Mit dem technologischen Fortschritt und der Verbesserung der industriellen Kette werden umweltfreundliche Kunststoffe zu einem Schlüsselmaterial für das Erreichen des dualen Kohlenstoffziels und einer nachhaltigen Entwicklung und fördern den Wandel der Gesellschaft hin zu einem grünen und kohlenstoffarmen Modell.