Fachgebiet: Chemie

Von der Baumwolle zum Kunststoff

Justus Ködel

Schule: Wirtschaftswissenschaftliches und Naturwissenschaftlich-technologisches Gymnasium der Stadt Bayreuth
Regionalwettbewerb: Oberfranken

Projektbeschreibung

Ziel dieser Arbeit war es, einen völlig umweltfreundlichen Biokunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen, inklusive biologisch abbaubarer Weichmacher, herzustellen, um die herkömmlichen auf Erdöl basierenden Kunststoffe zu ersetzen.

Dabei sollte das Problem des langsamen biologischen Abbaus in die Umwelt eingetragenen Kunststoffes gelöst und eine umweltschonende Recyclingmethode entwickelt werden. Um das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten zu vergrößern, konnte durch spezielle Additive die Entflammbarkeit des Biokunststoffes herabgesetzt werden. Oberstes Ziel war dabei, nach dem Prinzip der „Green Chemistry“ zu arbeiten, was bedeutet, möglichst umweltfreundlich zu produzieren, Energie zu sparen und Gefahr für Mensch und Umwelt so weit wie möglich einzuschränken.

Für die Synthese des Biokunststoffes Cellulosediacetat (CA) wurde daher als Ausgangsstoff das am häufigsten natürlich vorkommende Polymer Cellulose in Form von Baumwolle gewählt. Für die entsprechende Modifikation des Polymers wurden die aus umweltfreundlichen Chemikalien hergestellten Edukte Essigsäure und Essigsäureanhydrid verwendet. Da trotz intensiver Recherche keine Syntheseanleitung für den Biokunststoff zu finden war, musste ein Syntheseplan unter geeigneten Parametern entwickelt werden. Um nicht auf Phthalate zurückgreifen zu müssen, wurden als unbedenkliche Alternativen zum einen Triacetin, ein auf Glycerin basierender Weichmacher, und zum anderen Triethylcitrat, ein auf Citronensäure basierender Weichmacher, verwendet. Um das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten zu vergrößern, wurden neuartige, umweltfreundliche Flammschutzadditive hinzugesetzt, wodurch die Brandgefährlichkeit enorm reduziert werden konnte. Um die biologische Abbaubarkeit des Biokunststoffes zu testen, wurden vielversprechende Versuche mit Cellulase durchgeführt. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass der Kunststoff sowohl in der Natur mikrobiell in rascher Zeit zersetzt werden, als auch von Lebewesen, die den Kunststoff mit der Nahrung aufgenommen haben, abgebaut werden kann. Ja sogar das Entsorgen des Kunststoffes als Tierfutter in zerkleinerter Form wäre denkbar. Um Ressourcen zu schonen, sollte eine umweltschonende Recyclingmethode entwickelt werden, mit deren Hilfe am Ende wieder die eingesetzte Cellulose in Reinstform erhalten werden kann.

Dazu wurden die zuvor am Molekül addierten Acetylgruppen vom CA durch basische Esterhydrolyse (Verseifung) getrennt. Die dabei anfallende Cellulose kann nun entweder wieder zur Synthese von CA verwendet werden, oder – wie oben beschrieben – noch leichter abgebaut werden. Da zum Recyceln ein Abtrennen des Kunststoffes von herkömmlichen Kunststoffen unumgänglich ist, wurden abschließend CA-Folien mit natürlichen Farbstoffen wie z.B. Chinin versetzt, um diese von anderen Kunststoffen durch Fluoreszenz vollautomatisch aussortieren zu können. Ergebnis ist also ein schwer entflammbarer, leicht abtrennbarer, wiederverwertbarer Kunststoff, der biologisch abbaubar ist und daher hoffentlich bald einen Großteil der auf Erdöl basierenden Kunststoffe ersetzen wird!


Platz: 3

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