De natuurlijke stof 3-careen is een bestanddeel van terpentijnolie, een afvalstroom van de productie van cellulose uit hout. Tot nu toe, dit bijproduct is grotendeels verbrand. Onderzoekers van Fraunhofer gebruiken nieuwe katalytische processen om 3-careen om te zetten in bouwstenen voor biobased plastics. De nieuwe polyamiden zijn niet alleen transparant, maar hebben ook een hoge thermische stabiliteit.

Kunststoffen zijn een nuttig alternatief voor glas of metaal voor een breed scala aan toepassingen. Polyamiden spelen een belangrijke rol bij de vervaardiging van hoogwaardige structurele componenten, omdat ze niet alleen slag- en slijtvast zijn, maar ook bestand tegen veel chemicaliën en oplosmiddelen. Vandaag, polyamiden worden voornamelijk geproduceerd uit ruwe olie.

Een duurzaam alternatief:monomeren uit houtafval

Het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB onderzoekt een duurzaam alternatief voor de productie van nieuwe hoogwaardige kunststoffen uit terpenen die worden aangetroffen in harsrijk hout. De natuurlijke stoffen zijn verkrijgbaar van coniferen zoals dennen, lariks of spar. Bij de productie van pulp, waarin hout wordt afgebroken om de cellulosevezels te scheiden, de terpenen worden in grote hoeveelheden als bijproduct geïsoleerd, terpentijn olie.

In het gezamenlijke project "TerPa – Terpenen als bouwstenen voor biobased polyamiden", onderzoekers van de Straubing BioCat-tak van Fraunhofer IGB zijn er nu in geslaagd de synthese van lactamen uit het terpeen 3-careen te optimaliseren en om te zetten in een schaalbare, concurrerend proces op een potentieel industriële schaal. Lactams zijn bouwstenen voor de productie van polyamiden. De Straubing-experts konden al aantonen dat terpenen zoals α-pineen, limoneen en 3-careen zijn geschikte grondstoffen voor de synthese van biobased lactamen.

Economische eenpansreactievolgorde

De omzetting van 3-careen in het overeenkomstige lactam vereist vier opeenvolgende chemische stappen. Het bijzondere van de Straubing-oplossing waarvoor patent is aangevraagd, is dat de omzettingen als een "one-pot-reactiesequentie" in een enkele reactor kunnen plaatsvinden - zuivering van de tussenproducten is niet vereist. "We hebben dit bereikt door de katalysatoren en reactieomstandigheden zorgvuldig te selecteren - en het bespaart tijd en geld, "Paul Stockmann legt uit, die het veelbelovende proces heeft ontwikkeld en geoptimaliseerd.
"Zelfs op laboratoriumschaal, ons proces levert meer dan 100 gram diastereomeer zuiver lactammonomeer per productierun. Deze hoeveelheid is ruim voldoende voor een eerste onderzoek naar de productie en evaluatie van de nieuwe kunststoffen, " zei Stockmann. Nog een voordeel:er zijn geen giftige of milieugevaarlijke chemicaliën nodig voor de synthese van het lactam.

Biogebaseerd, transparant, thermisch stabiel

Hoe dan ook, dat is niet alles. Door de speciale chemische structuur van 3-careen, de zijketens van de natuurlijke verbinding remmen de kristallisatie van het resulterende polymeer (zie infobox). "Onze biobased polymeren zijn daarom overwegend 'amorf' en dus transparant, wat zeer ongebruikelijk is voor biobased polyamiden. " zegt Dr. Harald Strittmatter, die het project leidt in de BioCat-vestiging in Straubing. Dit maakt de nieuwe polyamiden geschikt als beschermende schilden, bijvoorbeeld in vizieren of skibrillen. Ze kunnen ook worden geproduceerd met aanzienlijk minder energie-input dan op petroleum gebaseerde transparante polyamiden. In tegenstelling tot andere bioplastics, die voornamelijk worden geproduceerd uit maïs, tarwe- of aardappelzetmeel, biobased polyamiden concurreren niet met voedselproductie. Liever, ze voegen waarde toe aan een afvalstroom die, tot dusver, is verbrand voor de productie van energie.

Nog een voordeel:de nieuwe biobased polyamiden hebben ook uitstekende thermische eigenschappen. "Het glasovergangspunt van onze polyamiden is 110°C. Ze kunnen dus ook permanent hoge temperaturen hebben, bijvoorbeeld als onderdelen in de motorruimte van motorvoertuigen, " zegt Strittmatter. Het is waar dat polyamiden gemaakt van fossiele bronnen vergelijkbare temperatuureigenschappen hebben. door hun aromatische domeinen – die niet voorkomen in de op 3-careen gebaseerde polyamiden – verkleuren ze na verloop van tijd onder invloed van UV-licht, het beperken van hun potentieel voor buitentoepassingen.

Carenlactams geven PA12 en PA6 nieuwe eigenschappen

De wetenschappers hebben de biobased lactamen ook gepolymeriseerd met andere commercieel beschikbare monomeermoleculen - laurolactam (monomeer van PA12) en caprolactam (monomeer van PA6) - om copolymeren te vormen. De kristalliniteit en dus de transparantie van de nieuwe copolymeren werden significant gewijzigd. In principe, de toepassingsprofielen van de veelgebruikte kunststoffen PA12 en PA6 worden potentieel uitgebreid.

Na verdere optimalisatie van de monomeersynthese, collega's van het Fraunhofer Instituut voor Milieu, Veiligheids- en energietechnologie UMSICHT in Oberhausen zal het proces overbrengen naar de 20-liter proefschaal en grotere monsterhoeveelheden lactamen produceren. Vervolgens worden de eigenschappen van de nieuwe polymeren en copolymeren nader onderzocht om mogelijke toepassingen te identificeren. De wetenschappers willen ook de biologische afbreekbaarheid van het nieuwe polyamide bestuderen. De Fraunhofer-onderzoekers hopen dat geïnteresseerde bedrijven de resultaten dan op industriële schaal kunnen overbrengen.

In kristallijne polymeren, de polymeerketens zijn op een ordelijke manier uitgelijnd. Invallend licht wordt verstrooid op de kristallijne structuren, zodat de kunststoffen ondoorzichtig of troebel lijken. Indien, anderzijds, de polymeerketens zijn ontregeld, bijvoorbeeld omdat de zijketens met elkaar interfereren, we spreken van amorfe polymeren. Invallend licht wordt niet verstrooid; de polymeren lijken transparant.