Het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) heeft een bio-polycarbonaat ontwikkeld dat door Japan is gemonopoliseerd, en heeft de mogelijkheid van commercialisering van bio-polycarbonaat geopend.

Biopolycarbonaat is een milieuvriendelijk bioplastic dat conventioneel polycarbonaat kan vervangen, die de omgevingshormoon veroorzakende stof bevat, bisfenol A (BPA). Tot nu, Mitsubishi Chemical Corp. uit Japan is het enige bedrijf dat met succes de productie van biopolycarbonaat op de markt heeft gebracht.

Dr. Jeyoung-park, Dr. Dongyeop Oh, en Dr. Sung Yeon Hwang van het Research Center for Bio-based Chemistry van KRICT gebruikten de plantaardige componenten van isosorbide en nanocellulose om het bio-polycarbonaat te ontwikkelen.

BPA is een petrochemische stof en een omgevingshormoon dat hormoonontregelingen en metabole complicaties veroorzaakt. Het wordt meestal gebruikt in polycarbonaat, en het gebruik van deze stof is in Korea verboden in melkflessen en cosmetica. Het wordt ook gebruikt in kassabonnen en de coatingmaterialen van ingeblikt voedsel.

Om die reden, bio-polycarbonaat heeft aandacht gekregen als alternatief voor polycarbonaat dat BPA bevat. Echter, het is moeilijk om tegelijkertijd te voldoen aan zowel de economische haalbaarheid als de hoge mechanische prestaties van kunststoffen met een algemeen plantaardig ingrediënt. KRICT overwon dit probleem met de combinatie van isosorbide en nanocellulose, en slaagde erin bio-polycarbonaat te produceren dat op aardolie gebaseerde polycarbonaat overtreft.

Isosorbide, een milieuvriendelijke verbinding afgeleid van glucose, verbetert niet alleen de mechanische eigenschappen van het ingebouwde polymeer, maar bezit ook goede optische en UV-bestendige eigenschappen dankzij de unieke moleculaire structuur.

Het onderzoeksteam paste het principe van "like lost like" toe, waarbij vergelijkbare verbindingen beter met elkaar vermengen. Isosorbide is goed vermengd met nanocellulose als een bio-afgeleid versterkingsmiddel omdat beide stoffen hydrofiel zijn en een vergelijkbare structuur hebben. Vervolgens, het polymerisatieproces van het nanocomposiet plastic werd uitgevoerd. De goed verspreide nanocellulose werkte als metalen wapening in beton en maximaliseerde zo de sterkte van het bioplastic.

Dr. Jeyoung Park van KRICT zei:"We wilden het stereotype doorbreken dat bioplastic inferieure mechanische eigenschappen heeft en duur is." Dr. Park vervolgde, "Door het synergetische samenspel tussen de plantaardige ingrediënten, hebben we een bioplastic kunnen ontwikkelen dat superieur is aan petroleumplastic." het verbeterde aanzienlijk de fysieke eigenschappen van het bioplastic, zoals sterkte en transparantie, die zijn aangeduid als beperkingen van algemene bio-plastics.

Het ontwikkelde bio-polycarbonaat vertoonde een treksterkte (hoe sterk een materiaal is) van 93 MPa. Dit is de hoogste meting tot nu toe van de bestaande aardolie- en bio-polycarbonaten. De treksterkte van petroleumpolycarbonaat varieert van 55 - 75 MPa, terwijl de treksterkte van het bio-polycarbonaat van de Japanse firma Mitsubishi Chemical Corp. 64 - 79 MPa is.

De lichtdoorlatendheid, die staat voor de transparantie van het plastic, werd gemeten op 93%. Dit komt door de onderdrukte kristalliniteit door de gedispergeerde nanocellulose, en het resultaat is superieur aan in de handel verkrijgbaar petroleumpolycarbonaat. Dit is opmerkelijk omdat de meeste nanocomposieten een verminderde transparantie hebben omdat niet-uniforme aggregaten licht verstrooien. In aanvulling, er is geen risico op verkleuring, zelfs niet na langdurige blootstelling aan ultraviolette stralen, aangezien er geen benzeenringen in bio-polycarbonaten zitten, in tegenstelling tot petroleumpolycarbonaten.

Bijgevolg, bio-polycarbonaat kan worden gebruikt als industrieel materiaal voor toepassingen zoals zonnedaken voor auto's, koplampen, transparante weggeluidsbarrières, en buitenkanten van elektronica zoals smartphones. Het materiaal zal dus naar verwachting een levensvatbaar alternatief zijn voor bestaande polycarbonaten.

Ook, de lage toxiciteit van het materiaal werd geverifieerd door middel van in vivo ontstekingstests bij dieren met behulp van een rattenmodel, ter ondersteuning van het potentieel van het materiaal voor biomedische toepassingen. Injectie van het polymeer in het onderhuidse weefsel werd uitgevoerd om de aanwezigheid van ontsteking te testen, en een toxiciteitsniveau van 1, van een bereik van 0 - 5, werd gemeten (toxiciteit is het laagst wanneer de waarde 0 benadert).

Dr. Dongyeop Oh van KRICT zei:"Een resultaat van lage toxiciteit werd verkregen uit de in vivo ontstekingstests met een rat. Het toxiciteitsniveau is veilig voor zuigelingen en kinderen om in hun mond te stoppen, wat betekent dat de materialen voor medische doeleinden kunnen worden gebruikt in onder meer implantaten en kunstmatige botten, maar ook speelgoed, melkflessen, en kinderwagens."

The market size of petroleum polycarbonate based on the current production is about 5 million tons annually and the bio-polycarbonate annual production capacity of Mitsubishi Chemical Corp. is approximately 20, 000 tons. Although the bio-polycarbonate market is still in its infancy, the transition to commercialization due to this accomplishment is expected to contribute to domination of the bio-plastic market in the future.

This research achievement entitled "Preparation of synergistically reinforced transparent bio-polycarbonate nanocomposites with highly dispersed cellulose nanocrystals" was featured on the front cover of the October issue of Groene chemie van de Royal Society of Chemistry, which is the highest authority in the field of green chemistry, and it was simultaneously selected as a Hot Article of 2019.

KRICT Bio-based Chemistry Research Center Director Dr. Hwang Sung Yeon explained, "Fear of plastics is growing because of issues like plastic waste and chemophobia, but plastics have become an essential part of everyday life, so we will develop bio-plastics that people can use without fear."