4,8 bis 12,7 Tonnen Plastikmüll werden jährlich in unsere Weltmeere eingetragen. Dieses Plastik schadet vorwiegend den in den Meeren lebenden Tieren, aber im Rückschluss daraus auch uns Menschen. 2
Abb. 1: Plastikverschmutzung im Meer
Dass die immensen Plastikmengen in den Meeren ein riesiges Problem sind, sollte mittlerweile allen bekannt sein. Deswegen ist die Forschung an biologisch abbaubaren und nachhaltigen Kunststoffen wichtiger denn je.
Polymilchsäure stellt einen biologisch abbaubaren Kunststoff dar.
Polymilchsäure – Eigenschaften
Polymilchsäure, wird auch Polylactid bzw. PLA genannt. Das ist ein Polymer der Milchsäure, welches durch seine Eigenschaften als Biokunststoff verwendet werden kann. Es handelt sich um einen thermoplastischen Biokunststoff, der sich durch Erwärmung verformen lässt.
Ein Polymer ist ein Makromolekül, das aus Monomeren besteht. Die Monomere bilden große kettenförmige oder verzweigte Moleküle.
Mehr zu Biokunststoffen und Alternativen zum herkömmlichen Plastik findest Du in der Erklärung "nachhaltige Kunststoffe".
Die Eigenschaften der Polymilchsäure lassen sich in chemische, physikalische und biologische Eigenschaften unterteilen.
Polymilchsäure – chemische Eigenschaften
Die Polymilchsäure ist ein Stoff der Gruppe der Polyester.
Polyester sind Polymere mit sich wiederholenden Estereinheiten, sogenannten Esterfunktionen, in ihrer Hauptkette.
Eigenschaften wie die Molekülmasse und der Kristallinitätsgrad beeinflussen zusätzlich die Form des Stoffes.
Aufgrund der Methylgruppen, die sich an der Hauptkette der Polymilchsäure befinden, besitzt der Stoff hydrophobe Eigenschaften.
Hydrophob bedeutet, dass die Polymilchsäure wasserabweisend ist.
Polymilchsäure – Strukturformel
Abb. 2: Strukturformel von Polymilchsäure (PLA)
Die Polymilchsäure ist aus einzelnen Monomeren der Milchsäure aufgebaut. Diese werden zu langen Ketten zusammengefügt und ergeben dann die Polymerstruktur des Polylactids.
Die Buchstaben S und R in Abb. 2 zeigen Dir die verschiedenen Stereoisomere dieser Strukturformel. Die obere Strukturformel unterscheidet sich somit nur in ihrer räumlichen Anordnung und nicht in der Zusammensetzung. Wenn Du mehr über die Stereoisomerie wissen möchtest, dann lies Dir gerne die gleichnamige Erklärung dazu durch.
Polymilchsäure – physikalische Eigenschaften
Durch die hydrophoben Eigenschaften des Polylactids, nimmt das Material nur im geringen Maße Feuchtigkeit auf. Das macht PLA besonders geeignet zur Verarbeitung zu Verpackungsmaterial.
Des Weiteren besitzt es eine geringe Entflammbarkeit, eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlen und eine hohe Farbechtheit. Durch das große Festigkeits- und Gewichtsverhältnis, kann das Material auch für Leichtbauanwendungen optimal genutzt werden.
Polymilchsäure – biologische Eigenschaften
Die Eigenschaft, die PLA so einzigartig macht, ist die Möglichkeit des biologischen Abbaus. Die biologische Abbaubarkeit ist jedoch abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Materials und den äußeren Einflüssen, die auf das Material einwirken.
Unter industriellen Bedingungen dauert die Zersetzung des Stoffes maximal wenige Monate. In der Natur jedoch kann der biologische Abbau bis zu zwei Jahre dauern. Das liegt daran, dass die Mikroorganismen, die für die Zersetzung des Stoffes benötigt werden, nur unter bestimmten Bedingungen optimal existieren können. In industriellen Kompostieranlagen wird eine solche Umgebung geschaffen und der Abbau kann stattfinden.
Polymilchsäure – Entdeckung
Zuerst entdeckt wurde Polymilchsäure 1845 bei dem Versuch, Milchsäure durch Erhitzen aufzureinigen. Das Wasser wurde hierbei entfernt und der Forscher konnte eine Bildung von Polymeren beobachten. Erst 1932 entwickelt dann ein Mitarbeiter eines Chemie-Konzerns eine Möglichkeit zur Herstellung von Polylactiden aus Lactiden.
Polymilchsäure – Herstellung
Als Grundlage für die PLA dient die natürlich vorkommende Milchsäure, die hauptsächlich aus pflanzlicher Stärke gewonnen wird. Durch Fermentation aus einer Kohlenhydratquelle wie Maisstärke oder Zuckerrohr wird PLA mithilfe von Mikroorganismen hergestellt. Die eingesetzten Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze sind in der Lage, die Kohlenhydratquelle zu Milchsäure umzusetzen. Für diese Umsetzung benötigen die Mikroorganismen ein optimales Umfeld, was in Bioreaktoren imitiert wird.
Die Herstellung der Polymilchsäure lässt sich in vier Schritte unterteilen:
Substratkonditionierung
Milchsäurefermentation
Milchsäureisolierung
Synthese/Polymerisation
Zunächst findet die Substratkonditionierung statt. Dabei wird etwa die Stärke aufgespalten, um die weiteren Reaktionen zu erleichtern. Bei der Milchsäurefermentation setzen dann die eingesetzten Mikroorganismen die pflanzliche Stärke unter dem Ausschluss von Sauerstoff zu Milchsäure um. Nach der Isolation der Milchsäure wird sie über eine Polykondensationsreaktion zu Polylactid umgesetzt.
Die Synthese des Polylactids kann durch ionische Polymerisation passieren. Das heißt, dass es zu einem Zusammenschluss zweier Lactide, in Form eines Ringes kommt. Bei hohen Temperaturen von 140 bis 180 °C oder bei Zugabe eines Katalysators kann sich dieser gebildete Ring öffnen und Verbindungen mit weiteren Lactiden möglich machen. So kann dann ein Polymer entstehen.
Abb. 3: Synthese eines Polylactids aus einem ringförmigen Dilactid
Polymilchsäure – Verwendung
Der Stoff Polylactid ist vielfältig einsetzbar und durch die Fähigkeit der biologischen Abbaubarkeit eine perfekte Alternative zu herkömmlichem Plastik. Somit wird diese umweltfreundlichere Methode bei Verpackungen, in der Landwirtschaft, in der Medizin oder im 3D-Druck verwendet.
Verpackung
Am häufigsten wird Polymilchsäure für Verpackungen eingesetzt. Beispiele dafür können Joghurtbecher, Dosen oder Flaschen sein. In diesen Fällen kann das PLA ein Ersatz für das klassische Verpackungsmaterial Polyethylen und Polypropylen sein.
Landwirtschaft
In der Landwirtschaft werden Folien aus Polylactid verwendet, um Felder oder Ackerflächen abzudecken. Dadurch wird die Ernte vor Frost geschützt. Der Vorteil von Folien aus PLA ist, dass diese nach dem Einsatz untergepflügt werden können und sich dann biologisch abbauen. Folien aus PA oder PE müssten nach dem Einsatz wieder vom Landwirt eingesammelt und gereinigt werden.
Abb. 4: Mulchfolie aus PLA.
Medizintechnik
Nicht nur in der Natur kann PLA abgebaut werden, sondern auch im menschlichen Körper. Somit werden in der Medizin häufig Implantate oder Nahtmaterial (Fäden) aus PLA verwendet. Hierbei unterscheiden sich die Produkte aus PLA nicht in der Qualität von den anderen Produkten. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass kein weiterer chirurgischer Eingriff nötig wird, um die eingesetzten Produkte wieder zu entfernen.
3D-Druck
Durch die thermoplastischen Eigenschaften des Polylactids ist es besonders gut für den 3D-Druck geeignet. Die Schmelztemperatur liegt bei 150 - 160 °C. Besonders beliebt ist das PLA als 3D-Druckmaterial, weil die Verarbeitung mit dem Stoff einfach und sehr präzise ist. Zudem ist der Biokunststoff sehr formstabil und beständig gegenüber Alkohol, Wasser und Fetten.
Mit dem 3D-Druck ist es möglich, am Computer entwickelte Gegenstände, dreidimensional mit einem formbaren Material Schicht für Schicht zu fertigen. Materialien, die dafür geeignet sind Metalle, Kunststoffe oder Kunstharze. Das verwendete Material wird durch Schmelzprozesse formbar gemacht und dann in Fäden Schicht für Schicht zusammengefügt. Die möglichen Einsatzgebiete für den 3D-Druck sind sehr weit. Zum einen wird der 3D-Druck in der Industrie und in der Wissenschaft genutzt, zum anderen aber auch zur Heimanwendung.
Polymilchsäure – Das Wichtigste
- Polymilchsäure Eigenschaften: Bei der Polymilchsäure handelt es sich um ein Polymer der Milchsäure, welches als Biokunststoff genutzt wird.
- Polymilchsäure Strukturformel: Die Polymilchsäure besteht aus vielen einzelnen Monomeren der Milchsäure, die zusammengesetzt das Polymer Polylactid bilden.
- Polymilchsäure Herstellung: Hergestellt werden kann der Stoff durch einen vierschrittigen Prozess.
- Polymilchsäure Verwendung: Verwendet wird die Polymilchsäure für verschiedenste Gebiete, Beispiele hierfür sind Verpackungen, medizinische Produkte und als Rohstoff für den 3D-Druck.
Nachweise
- Abb. 4: Mulch film made of polylactic acid (PLA)-blend bio-flex (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Mulch_Film_made_of_PLA-Blend_Bio-Flex.jpg?20090924122413) von F. Kesselring, FKuR Willich unter der Lizenz von CC BY-SA 3.0 DE
- WWF.de: Projekte. Plastik im Meer. (25.11.2022)
- Abb. 1: Beach in Sharm el-Naga03 (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/Beach_in_Sharm_el-Naga03.jpg/900px-Beach_in_Sharm_el-Naga03.jpg) von Vberger unter der Lizenz von Public Domain
- Abb. 2: Polylactides Formulae (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/79/Polylactides_Formulae_V.1.svg/1152px-Polylactides_Formulae_V.1.svg.png?20121113180442) von Jü unter der Lizenz von Public Domain
- Abb. 3: Polylactide synthesis (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a3/Polylactide_synthesis_v.1.png/1597px-Polylactide_synthesis_v.1.png?20100623152753) von Jü unter der Lizenz von Public Domain
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