Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har utvecklat ett hållbart alternativ till petrokemiskt framställd plast med hjälp av terpener som finns i hartsrikt trä. De naturliga ämnena finns tillgängliga från barrträd som tall, lärk eller gran. Vid tillverkning av massa, där trä bryts ner för att separera cellulosafibrerna, terpenerna isoleras i stora mängder som en biprodukt, terpentinolja.

Forskare vid Fraunhofer IGB, Bio, Electro and Chemocatalysis BioCat, Straubing-grenen har lyckats optimera syntesen av laktamer från 3-karen och den efterföljande polymerisationen till Caramid-R och Caramid-S, representanter för en ny klass av terpenbaserade polyamider. Nyligen, ett patent beviljades för syntesprocessen av de nya polyamiderna från terpener.

En-kärl reaktionssekvens och skala upp till 100 liter

Omvandlingen av 3-karen till motsvarande laktam är möjlig i fyra på varandra följande kemiska reaktioner som varken kräver komplexa produktionsanläggningar eller dyra reagenser. Nyckelstegen till polymerbyggstenarna 3S- och 3R-karanlaktam är den selektiva produktionen av den mellanliggande 3S-karanketonen och dess selektiva omarrangering till den isomera 3R-karanketonen.

Det speciella är att omvandlingarna kan ske som en enkärls reaktionssekvens i en enda reaktor. "Detta ger möjlighet att producera laktamer även i enkla anläggningar utan en komplex reaktorkaskad. Det är inte nödvändigt att rena mellanprodukterna, " förklarar Paul Stockmann, som utvecklade och optimerade den lovande processen.

Syntesen av monomeren för Caramid-S har nu skalats till 100-litersskalan vid Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP, Leuna-filialen till Fraunhofer IGB. "I denna pilotproduktion, vi producerade flera kilo monomer, som gör att polymerisationen kan skalas till kilogramskalan, säger Dr Harald Strittmatter, som leder TerPa-projektet.

Utmärkta termiska egenskaper

Den kemiska strukturen av det naturliga ämnet 3-karen, som hittills knappt har använts kommersiellt och som skulle vara mycket svår att komma åt från petrokemiska råvaror, leder till nya polyamider som innehåller cykliska strukturer längs polymerkedjan. På grund av dessa ringar och andra substituenter, Caramid-S och Caramid-R har exceptionella termiska egenskaper jämfört med standardpolyamider:Mjukningstemperaturerna (glasövergången) är över 110°C.

Karanlaktamer utökar funktionella egenskaper hos standardpolyamider

Dessutom, forskarna har omvandlat de biobaserade laktamerna till sampolymerer med andra kommersiellt tillgängliga monomerer - laurolaktam för PA12 och kaprolaktam för PA6. Detta möjliggör möjligheten att ändra egenskaperna såsom transparensen av polyamiderna PA6 och PA12, därmed utöka sin ansökningsprofil.

För närvarande, forskarna från Fraunhofer arbetar med ytterligare förbättringar av monomersyntesen som är avgörande för en ekonomiskt lönsam polyamid. Vidare, de undersöker polymerernas egenskaper i detalj för att identifiera potentiella tillämpningar och implementera kommersiell användning av biopolyamiderna tillsammans med industriella partners.

Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB använder en ny, nyligen patenterad process för att utveckla nya polyamider från terpen 3-karen, ett restmaterial från cellulosaindustrin. De biobaserade polyamiderna Caramid-R och Caramid-S som produceras med denna process representerar en ny klass av polyamider med enastående termiska egenskaper. Produktionen av monomeren för Caramid-S har redan framgångsrikt testats i en 100-liters skala. Fraunhofer-forskarna kommer att presentera de nya polyamiderna på K-mässan i Düsseldorf från 16 till 23 oktober 2019 (Hall 7.0, Ställ SC01).