Badania nad tworzywami sztucznymi Wbudowane miejsca planowanego pęknięcia sprawiają, że alternatywny polistyren ulega biodegradacji

Polistyren należy do najważniejszych tworzyw sztucznych na świecie, jednak dotychczas uważano go za materiał mało zrównoważony. Jego produkcja opiera się na surowcach kopalnych, wymaga dużych nakładów energii, a sam materiał rzadko poddaje się recyklingowi. Zespół badawczy pod kierownictwem Centrum Helmholtza Hereon opracował obecnie alternatywny rodzaj polistyrenu, który zawiera surowce odnawialne, może być wytwarzany w sposób energooszczędny i ulega biodegradacji.

Znajduje się w opakowaniach ochronnych do telewizorów i urządzeń elektrycznych, w listwach dekoracyjnych i cokołowych stosowanych w wykończeniu wnętrz domów, a także w szalkach Petriego. Polistyren jest jednym z najważniejszych tworzyw sztucznych na świecie. Rocznie produkuje się go prawie 20 milionów ton. Materiał ten wytwarza się głównie z ropy naftowej i praktycznie nie nadaje się do recyklingu – nowy polistyren jest tańszy, a zużyte produkty są zazwyczaj spalane lub składowane na wysypiskach. Podobnie jak inne tworzywa sztuczne, polistyren praktycznie nie ulega rozkładowi w środowisku naturalnym.

Naukowcy opracowali teraz bardziej zrównoważony rodzaj polistyrenu. „Czynniki takie jak surowce ulegające rozkładowi, zużycie energii i recykling stanowią ogromny postęp” – mówi doktorant Phannaro Nhem, który obecnie przygotowuje pracę doktorską pod kierunkiem prof. Franceski Toma, dyrektor Instytutu Hereon ds. Materiałów Funkcjonalnych na rzecz Zrównoważonego Rozwoju. W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Brandenburskiego Uniwersytetu Technicznego w Cottbus-Senftenbergu (BTU), Wolnego Uniwersytetu w Berlinie oraz Uniwersytetu im. Helmuta Schmidta w Hamburgu.

50 % surowców odnawialnych

Polistyren dostępny w handlu wytwarza się poprzez reakcję cząsteczek styrenu, w wyniku której tworzy się tworzywo sztuczne. W trakcie tej reakcji cząsteczki styrenu łączą się w stabilny łańcuch. Zbiornik, w którym zachodzi reakcja, musi być w tym celu podgrzany. Zespół uzupełnił cząsteczki styrenu o związek chemiczny – bezwodnik kwasu itakonowego. Można go uzyskać w drodze fermentacji z węglowodanów pochodzenia roślinnego, takich jak cukier. Polistyren zawiera wówczas około 50% tego surowca pochodzenia biologicznego.

Również proces produkcji stał się bardziej energooszczędny: zamiast podgrzewanych naczyń reakcyjnych naukowcy wykorzystali promieniowanie mikrofalowe jako źródło ciepła. „To tak jak w domowej kuchni. Podgrzewanie jedzenia na kuchence trwa długo i zużywa dużo energii. Mikrofale działają szybciej” – mówi Phannaro Nhem. „Jak dotąd technologia mikrofalowa nie zyskała jeszcze szerokiego zastosowania w syntezie polimerów” – dodaje Francesca Toma. „Nasze wyniki pokazują, że mogłaby ona stać się bardziej energooszczędną alternatywą dla kontrolowanych procesów polimeryzacji”.

Miejsce zaprojektowane do pęknięcia w celu ułatwienia recyklingu

Ponadto zespół wykorzystał związek dibenzo[c,e]oksapan-5-tion (DOT) jako monomer, dzięki czemu do materiału wbudowano grupy tioestrowe. Elementy te pełnią w sieci polimerowej rolę celowo wbudowanych punktów pęknięcia. Dzięki temu materiał można później rozłożyć chemicznie na mniejsze fragmenty. „W przeciwieństwie do tradycyjnego polistyrenu, nasza wersja rozpadnie się w ten sposób na małe fragmenty” – mówi Nhem. Nawet bakterie są w stanie przetworzyć te małe fragmenty polistyrenu – czego nie da się zrobić w przypadku klasycznego, ściśle splecionego polistyrenu. „Nowy polimer został opracowany zgodnie z zasadą »Design-for-Degradation«, czyli kontrolowanego rozkładu pod koniec cyklu życia” – dodaje Francesca Toma – „dzięki czemu otwiera on przed polistyrenem drogę do zamkniętych obiegów materiałowych i gospodarki o obiegu zamkniętym”.