Det naturliga ämnet 3-carene är en komponent i terpentinolja, en avfallsström för produktion av cellulosa från trä. Tills nu, denna biprodukt har förbrunnits för det mesta. Fraunhoferforskare använder nya katalytiska processer för att omvandla 3-carene till byggstenar för biobaserad plast. De nya polyamiderna är inte bara transparenta, men har också en hög termisk stabilitet.

Plast är ett användbart alternativ till glas eller metall för en mängd applikationer. Polyamider spelar en viktig roll vid tillverkning av konstruktionskomponenter av hög kvalitet, eftersom de inte bara är slag- och nötningsbeständiga, men också resistent mot många kemikalier och lösningsmedel. I dag, polyamider produceras huvudsakligen från råolja.

Ett hållbart alternativ:monomerer från träavfall

Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB undersöker ett hållbart alternativ för produktion av nya högpresterande plaster från terpener som finns i hartsrikt trä. De naturliga ämnena är tillgängliga från barrträd som tall, lärk eller gran. Vid produktion av massa, i vilket trä bryts ner för att separera cellulosafibrerna, terpenerna isoleras i stora mängder som en biprodukt, terpentinolja.

I det gemensamma projektet "TerPa - Terpener som byggstenar för biobaserade polyamider", forskare vid Straubing BioCat-grenen av Fraunhofer IGB har nu lyckats optimera syntesen av laktamer från terpen 3-karenen och omvandla dem till en skalbar, konkurrenskraftig process i potentiellt industriell skala. Laktamer är byggstenar för produktion av polyamider. Straubing-experterna kunde redan visa att terpener som α-pinen, limonen och 3-karen är lämpliga råvaror för syntes av biobaserade laktamer.

Ekonomisk reaktionssekvens med en kruka

Omvandlingen av 3-caren till motsvarande laktam kräver fyra på varandra följande kemiska steg. Det särdrag hos den patentsökta Straubing-lösningen är att omvandlingarna kan äga rum som en "enpottreaktionssekvens" i en enda reaktor-rening av mellanprodukterna krävs inte. "Vi har uppnått detta genom att noggrant välja katalysatorer och reaktionsförhållanden - och det sparar tid och pengar, "Paul Stockmann förklarar, som utvecklade och optimerade den lovande processen.
"Även i laboratorieskala, vår process levererar mer än 100 gram diastereomeriskt ren laktammonomer per produktionskörning. Denna mängd är ganska tillräcklig för inledande undersökningar av produktionen och utvärderingen av den nya plasten, "Stockmann sa. En annan fördel:Inga giftiga eller miljöfarliga kemikalier krävs för syntesen av laktam.

Biobaserat, transparent, termiskt stabil

Ändå, det är inte allt. På grund av 3-karens speciella kemiska struktur, sidokedjorna av den naturliga föreningen inhiberar kristallisationen av den resulterande polymeren (se inforuta). "Våra biobaserade polymerer är därför övervägande" amorfa "och därmed transparenta vilket är mycket ovanligt för biobaserade polyamider, säger doktor Harald Strittmatter, som leder projektet vid BioCat -filialen i Straubing. Detta gör de nya polyamiderna lämpliga som skyddande sköldar, till exempel i visir eller skidglasögon. De kan också produceras med betydligt mindre energitillförsel än petroleumbaserade transparenta polyamider. Till skillnad från annan bioplast, som huvudsakligen framställs av majs, vete eller potatisstärkelse, biobaserade polyamider konkurrerar inte med livsmedelsproduktion. Snarare, de tillför värde till en avfallsström som, än så länge, har bränts för energiproduktion.

En annan fördel:De nya biobaserade polyamiderna har också utmärkta värmeegenskaper. "Glasövergångspunkten för våra polyamider är 110 ° C. De kan därför också ha permanent höga temperaturer, till exempel som komponenter i motorfordonets motorrum, "Säger Strittmatter. Det är sant att polyamider tillverkade av fossila resurser har liknande temperaturegenskaper. Men på grund av deras aromatiska domäner-som inte förekommer i 3-karenbaserade polyamider-missfärgas de över tid under påverkan av UV-ljus, begränsa deras potential för utomhusapplikationer.

Carenlactams ger PA12 och PA6 nya egenskaper

Forskarna har också polymeriserat de biobaserade laktamerna med andra kommersiellt tillgängliga monomermolekyler - laurolaktam (monomer av PA12) och kaprolaktam (monomer av PA6) - för att bilda sampolymerer. Kristalliniteten och därmed transparensen hos de nya sampolymererna modifierades signifikant. I princip, applikationsprofilerna för den mycket använda plasten PA12 och PA6 kan eventuellt förlängas.

Efter ytterligare optimering av monomersyntes, kollegor på Fraunhofer Institute for Environmental, Säkerhets- och energiteknik UMSICHT i Oberhausen kommer att överföra processen till 20-liters pilotskalan och producera större provmängder laktamer. Egenskaperna för de nya polymererna och sampolymererna kommer sedan att undersökas mer i detalj för att identifiera möjliga tillämpningar. Forskarna tänker också studera den nya polyamidens biologiska nedbrytbarhet. Fraunhofer -forskarna hoppas att intresserade företag sedan kommer att kunna överföra resultaten till industriell skala.

I kristallina polymerer, polymerkedjorna är inriktade på ett ordnat sätt. Infallande ljus sprids på de kristallina strukturerna så att plasterna verkar ogenomskinliga eller grumliga. Om, å andra sidan, polymerkedjorna är störda, till exempel för att sidokedjorna stör varandra, vi talar om amorfa polymerer. Incidentljus sprids inte; polymererna verkar transparenta.