Het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB heeft een duurzaam alternatief ontwikkeld voor petrochemisch geproduceerde kunststoffen met behulp van 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.

Onderzoekers van Fraunhofer IGB, Bio, Elektro- en Chemokatalyse BioCat, Straubing-tak is erin geslaagd de synthese van lactamen uit 3-careen en de daaropvolgende polymerisatie tot Caramid-R en Caramid-S te optimaliseren, vertegenwoordigers van een nieuwe klasse van op terpeen gebaseerde polyamiden. Onlangs, er werd patent verleend op het syntheseproces van de nieuwe polyamiden uit terpenen.

Eenpansreactievolgorde en opschaling tot 100 liter

De omzetting van 3-careen in het overeenkomstige lactam is mogelijk in vier opeenvolgende chemische reacties die geen complexe productiefaciliteiten of dure reagentia vereisen. De belangrijkste stappen voor de polymeerbouwstenen 3S- en 3R-caranlactam zijn de selectieve productie van het intermediaire 3S-caranketon en de selectieve herschikking ervan tot het isomere 3R-caranlactam.

Het bijzondere is dat de omzettingen als een éénvatsreactiesequentie in een enkele reactor kunnen plaatsvinden. "Dit biedt de mogelijkheid om de lactamen ook in eenvoudige installaties te produceren zonder een complexe reactorcascade. Het is niet nodig om de tussenproducten te zuiveren, " legt Paul Stockmann uit, die het veelbelovende proces heeft ontwikkeld en geoptimaliseerd.

De synthese van het monomeer voor Caramid-S is nu opgeschaald naar de schaal van 100 liter in het Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, de Leuna-vestiging van Fraunhofer IGB. "In deze proefproductie we produceerden enkele kilo's monomeer, waardoor de polymerisatie kan worden geschaald naar de kilogramschaal, " zegt Dr. Harald Strittmatter, die het TerPa-project leidt.

Uitstekende thermische eigenschappen

De chemische structuur van de natuurlijke stof 3-careen, die tot op heden nauwelijks commercieel is gebruikt en zeer moeilijk toegankelijk zou zijn vanuit petrochemische grondstoffen, leidt tot nieuwe polyamiden die cyclische structuren langs de polymeerketen bevatten. Door deze ringen en andere substituenten, Caramid-S en Caramid-R hebben uitzonderlijke thermische eigenschappen in vergelijking met standaard polyamiden:de verwekingstemperaturen (glasovergang) liggen boven 110°C.

Caranlactams breiden de functionele eigenschappen van standaardpolyamiden uit

In aanvulling, de wetenschappers hebben de biobased lactamen omgezet in copolymeren met andere commercieel beschikbare monomeren:laurolactam voor PA12 en caprolactam voor PA6. Dit maakt het mogelijk om de eigenschappen zoals de transparantie van de polyamiden PA6 en PA12 te veranderen, waardoor hun toepassingsprofiel wordt uitgebreid.

Momenteel, de Fraunhofer-wetenschappers werken aan verdere verbeteringen van de monomeersynthese die essentieel is voor een economisch levensvatbaar polyamide. Verder, ze onderzoeken de eigenschappen van de polymeren in detail om mogelijke toepassingen te identificeren en samen met industriële partners commercieel gebruik van de biopolyamiden te implementeren.

Het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB gebruikt een nieuwe, recent gepatenteerd proces om nieuwe polyamiden te ontwikkelen uit het terpeen 3-careen, een reststof uit de cellulose-industrie. De biobased polyamiden Caramid-R en Caramid-S die met dit proces worden geproduceerd, vertegenwoordigen een nieuwe klasse polyamiden met uitstekende thermische eigenschappen. De productie van het monomeer voor Caramid-S werd al met succes uitgeprobeerd op een schaal van 100 liter. De Fraunhofer-onderzoekers presenteren de nieuwe polyamiden op de K-beurs in Düsseldorf van 16 tot 23 oktober 2019 (hal 7.0, Stand SC01).