Ett forskargrupp från Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) och Münchens tekniska universitet (TUM) under ledning av kemisten Volker Sieber har utvecklat en ny polyamidfamilj som kan produceras från en biprodukt från cellulosaproduktion. Bilden visar den monomera enheten för den resulterande poly-3S-karanamiden. Upphovsman:Paul Stockmann/TUM
Ett forskargrupp från Fraunhofer Society och Technical University of Munich (TUM) under ledning av kemisten Volker Sieber har utvecklat en ny polyamidfamilj som kan produceras från en biprodukt av cellulosaproduktion-ett framgångsrikt exempel på en mer hållbar ekonomi med biobaserade material.
Polyamider är viktiga plaster. De finns i skidbindningar och i bilar eller kläder. Kommersiellt, de har till övervägande del tillverkats av råolja; det finns bara några "gröna" alternativ, såsom polyamider baserade på ricinolja.
Biobaserade föreningar är ofta betydligt dyrare att producera och har därför bara kunnat tränga in på marknaden innan nu om de har haft särskilda egenskaper.
Ett team under ledning av Volker Sieber, Professor i kemi för biogena råvaror vid TU München, har nu utvecklat en helt ny polyamidfamilj som kan produceras från en biprodukt från cellulosaproduktion.
Ny polyamidfamilj
Det biogena utgångsmaterialet, (+)-3-carene, består av två ringar som är sammanfogade med varandra. Kemisterna vid TUM och Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) i Straubing har nu modifierat en av ringarna så att den kan öppnas, ger en lång kedja av molekyler, en polymer.
Den andra ringen förblir intakt här. På det här sättet, istället för en linjär polymerkedja som i traditionella polyamider, en kedja som bär många små ringar och andra sidogrupper kommer fram. Detta ger polymeren helt nya funktioner.
De två författarna, Paul Stockmann och Dr. Daniel Van Opdenbosch, med reaktorn i vilken den polymeriserbara monomeren framställdes av naturprodukten 3-caren. Kredit:Cordt Zollfrank/TUM
Särskilda egenskaper
De nya polyamiderna imponerar tack vare deras speciella egenskaper som gör dem attraktiva för många applikationer. Till exempel, de smälter vid högre temperaturer än de konkurrerande råoljeprodukterna. Dessutom, de nya föreningarna kan produceras både transparent och delvis kristallint, vilket ökar sina senare appliceringsmöjligheter med samma utgångssubstans.
"Som reaktionsförhållanden och katalysatorer under syntes, vi kan enkelt kontrollera om vi kommer att få en transparent eller delvis kristallin polyamid i slutet, "förklarar Sieber." Men grunden för detta erbjuds framför allt av den specifika strukturen för det biobaserade utgångsmaterialet som skulle vara mycket dyrt att få från fossila råvaror. "
Ökad hållbarhet
Ur industriell synvinkel, det är viktigt att syntesen i princip sker i en reaktionsbehållare. Denna "one-pot" -process skulle inte bara tillåta en betydande minskning av kostnaderna, men skulle också innebära en tydlig ökning av hållbarheten, enligt Sieber.
Det biogena utgångsmaterialet (+)-3-karen kan faktiskt destilleras med hög renhet och relativt låg kostnad från den terpentinolja som produceras som en sekundär produkt inom cellulosaindustrin.
Ända tills nu, terpentinoljan upphettades endast i cellulosafabrikerna. "Vi använder det som ett viktigt utgångsmaterial för plast, "säger Sieber." Det här är en enorm värdeökning. "
Ingen konkurrens med livsmedelsproduktion
Sieber påpekar att eftersom terpentinolja är en biprodukt av skogsindustrin, i motsats till användningen av ricinolja, vi konkurrerar inte mot livsmedelsproduktion. Forskarna är ännu inte helt nöjda med det uppnådda totala utbytet av processen, med 25 viktprocent.
"Tack vare den enkla skalbarheten, potentialen för en effektiv process är mycket hög, säger Paul Stockmann, vars doktorsavhandling vid TUM är baserad på resultaten. På Fraunhofer IGB, kemisten arbetar nu med att etablera (+)-3-karenbaserade polyamider på marknaden som alternativ till råoljebaserade högpresterande polyamider.
