Polystyrol (PS) zählt mit einer jährlichen Globalproduktion von knapp 20 Millionen Tonnen zu den synthetisch bedeutendsten Thermoplasten. Einsatzbereiche reichen von Schutzverpackungen und Baumaterialien bis hin zu Primärpackmitteln und Verbrauchsmaterialien in der Labordiagnostik wie Petrischalen. Bislang basiert PS primär auf fossilem Rohöl, weist eine hohe Prozessenergiebilanz auf und entzieht sich aufgrund seiner stabilen Kohlenstoff-Hauptkette dem bio- und chemischen Abbau. Ein durch das Helmholtz-Zentrum Hereon koordiniertes Forschungsteam – unter Beteiligung der BTU Cottbus-Senftenberg, der FU Berlin und der Universität Hamburg – präsentiert nun eine nachhaltige PS-Alternative, die nachwachsende Rohstoffe integriert, energieeffizient synthetisiert werden kann und gezielt abbaubar ist.
Synthese mit biobasierten Co-Monomeren und Mikrowellen-Prozessführung
In der konventionellen PS-Herstellung erfolgt die Radikalkettenpolymerisation rein erdölbasierter Styrol-Monomere. Im neuen Syntheseansatz wendeten die Forschenden eine Copolymerisation an, bei der Styrol mit Itaconsäureanhydrid kombiniert wird. Dieser Baustein wird biotechnologisch via Fermentation aus pflanzlichen Kohlenhydraten gewonnen, wodurch ein Biomasse-Anteil von rund 50 Prozent im Polymernetzwerk erreicht wird. „Die Faktoren abbaubare Rohstoffe, Energieverbrauch und Recycling sind ein großer Fortschritt“, sagt Phannaro Nhem.
Parallel dazu wurde die thermische Reaktionsführung optimiert. Statt konventionell beheizter Reaktoren setzte das Team auf mikrowelleninduzierte Erwärmung. „Das ist wie in der heimischen Küche. Essen auf dem Herd warm zu machen, dauert lange und verbraucht viel Energie. Die Mikrowellen sind schneller“, sagt Phannaro Nhem. „Bislang hat sich die Mikrowellentechnologie in der Polymersynthese noch nicht breit durchgesetzt“, sagt Prof. Francesca Toma. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sie sich als energieeffizientere Alternative für gesteuerte Polymerisationsprozesse etablieren könnte.“
Molekulares „Design-for-Degradation“ via Thioester-Sollbruchstellen
Um die chemische und biologische Degradation zu ermöglichen, wurde das Monomer Dibenzo[c,e]oxepan-5-thion (DOT) in das Makromolekül eingebaut. Das Resultat sind periodisch integrierte Thioestergruppen. Sie fungieren als molekulare Sollbruchstellen und erlauben eine chemische Spaltung des Polymergerüsts in niedermolekulare Fragmente. „Anders als herkömmliches Polystyrol zerfällt unsere Variante dadurch in kleine Bruchstücke“, sagt Nhem. Diese Oligomere und Bruchmassen können im Gegensatz zum hochmolekularen Standard-PS auch von Bakterien verstoffwechselt werden. „Das neue Polymer ist nach dem Prinzip des Design-for-Degradation entwickelt worden, dem kontrollierten Abbau am Ende seiner Lebenszeit“, ergänzt Francesca Toma, „damit eröffnet es dem Werkstoff Polystyrol einen Weg hin zu geschlossenen Materialkreisläufen und in die Kreislaufwirtschaft.“
Verarbeitbarkeit und Biokompatibilität im Labor-Maßstab
Erste verarbeitungstechnische Validierungen im Spritzgussverfahren verliefen erfolgreich. Auf einer Laboranlage fertigte das Team miniaturisierte Petrischalen mit dem Durchmesser einer 1-Euro-Münze. In-vitro-Untersuchungen mit menschlichen Stammzellen belegen eine hervorragende Zytokompatibilität des Materials. Damit erweist es sich in der Zellkulturtechnik als gleichwertige, nachhaltige Alternative zu kommerziell genutztem Polystyrol.