Dennis L.
Plastikverschmutzung stellt eine der größten Umweltherausforderungen unserer Zeit dar. Herkömmliche Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen zersetzen sich nur sehr langsam und sammeln sich in den Ozeanen auf Deponien und sogar in der Luft an. Bambus hingegen ist eine Pflanze die in vielen Regionen der Welt natürlich vorkommt und eine der schnellsten Wachstumsraten aufweist. Die Cellulose die den Hauptbestandteil der Bambushalme bildet kann als Ausgangsmaterial für biobasierte Polymere dienen. Forscher suchen nach Wegen diese natürliche Ressource so zu nutzen dass daraus Materialien entstehen die die Vorteile von Plastik mit denen von natürlichen Stoffen vereinen.
Die Struktur von Cellulose als lineares Polysaccharid aus Beta-1-4-glykosidisch verbundenen Glucoseeinheiten ermöglicht die Bildung ausgedehnter Wasserstoffbrückennetzwerke die für die hohe Festigkeit und Kristallinität verantwortlich sind. In der Natur dient diese Struktur der Stabilität der Pflanzenzellwände. Bei der Verarbeitung zu Kunststoffen müssen diese Bindungen kontrolliert aufgebrochen und neu geordnet werden um thermoplastische Eigenschaften zu erreichen. Bambus bietet gegenüber anderen Biomassequellen wie Holz oder Mais den Vorteil einer höheren Ertragsrate pro Fläche und eines geringeren Bedarfs an Wasser und Dünger. Dies macht ihn zu einem idealen Kandidaten für großskalige Produktion von Biokunststoffen ohne Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Im Vergleich zu manchen Bioplastiken die im Meer kaum abgebaut werden zeigt sich hier das Potenzial einer echten Kreislaufwirtschaft.
Die Herstellung des neuen Materials beginnt mit der sorgfältigen Aufbereitung von Bambusstämmen aus nachhaltig bewirtschafteten Plantagen. Zunächst erfolgt eine Delignifizierung bei 50 Grad Celsius über 12 Stunden mit einer zehnprozentigen Peroxyameisensäurelösung gefolgt von Neutralisation und Waschen. Die gewonnene Bambuscellulose mit einem Polymerisationsgrad von etwa 730 wird dann in einem hydratisierten tief eutektischen Lösungsmittel aus Zinkchlorid Ameisensäure und Wasser im Molverhältnis 1 zu 2 zu 2 bei Raumtemperatur unter Rühren für 1,5 Stunden aufgelöst. Dabei kommt es zu einer partiellen Veresterung mit einem Substitutionsgrad von 0,4 was durch Infrarotspektroskopie nachweisbar ist. Die viskose Lösung wird auf eine Glasplatte aufgetragen und in 48-prozentiger Calciumchloridlösung über mehr als zwei Stunden zu einem flexiblen Hydrogel mit 82,7 Prozent Wassergehalt umgewandelt. Nach Auswaschen der Calciumionen erfolgt die entscheidende Ethanolbehandlung über 12 Stunden die die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Cellulose und Wasser stört und eine dichte Rekonstruktion der intermolekularen Bindungen zwischen Hydroxyl- und Formiatgruppen ermöglicht. Abschließend wird an der Luft über 12 Stunden getrocknet wodurch das fertige hochfeste Material entsteht. Dieses Verfahren arbeitet bei Umgebungsbedingungen ohne hohe Drücke oder Temperaturen und erlaubt die Wiederverwendung der Lösungsmittel. Die resultierende Struktur zeigt eine dichte mikroporenfreie Morphologie und orientierte Domänen wie durch Röntgenbeugung und Kleinwinkelstreuung bestätigt.
Das fertige Material erreicht eine Zugfestigkeit von 110 Megapascal und ein Biegemodul von 6,41 Gigapascal was es mit vielen petrochemischen Kunststoffen wie Acrylnitril-Butadien-Styrol oder Polymethylmethacrylat vergleichbar oder überlegen macht. Die Brucharbeit beträgt 80 Kilojoule pro Kubikmeter und die Schlagzähigkeit 110 Kilojoule pro Quadratmeter bei einer Dehnung bis fünf Prozent mit über 90 Prozent plastischer Verformung. Thermisch bleibt das Material bis über 180 Grad Celsius stabil mit einem Speichermodul von etwa 3,6 Gigapascal bei 150 Grad Celsius und einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 40,7 mal 10 hoch minus 6 pro Kelvin. Es widersteht Korrosion in organischen Lösungsmitteln und extremen pH-Werten ohne Quellung oder Zersetzung. Die Dimensionsstabilität ist ausgezeichnet mit minimalen Volumenänderungen bei Temperaturen von minus 30 bis plus 100 Grad Celsius über sieben Tage oder bei 70 Prozent relativer Luftfeuchte über 30 Tage. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen wie Automobilteilen Verpackungen oder Elektronikgehäusen. Im Vergleich zu herkömmlichem Plastik bietet es gleichwertige oder bessere Leistung bei deutlich geringerer Umweltbelastung. Die Verarbeitbarkeit umfasst Spritzguss Pressformen und mechanische Bearbeitung zu komplexen dreidimensionalen Formen wie Zahnrädern oder großflächigen Platten bis 50 mal 35 Zentimeter.
Die vollständige biologische Abbaubarkeit im natürlichen Boden bei 25 Grad Celsius innerhalb von nur 50 Tagen durch mikrobielle Aktivität stellt einen entscheidenden Fortschritt dar. Im Gegensatz zu vielen kommerziellen Biokunststoffen wie Polymilchsäure oder Polybutylenadipat-Terephthalat die nur teilweise abgebaut werden oder petrochemischen Varianten die über Jahrhunderte persistent bleiben hinterlässt dieses Material keine Mikroplastikrückstände. Das geschlossene Recyclingverfahren löst Abfälle erneut im recycelten Lösungsmittel auf und rekonstruiert das Hydrogel mit Ethanol wodurch 90 Prozent der mechanischen Festigkeit erhalten bleiben. Die Lösungsmittelrückgewinnung erfolgt durch Fällung und Destillation ohne Leistungsverlust. Technoökonomische Analysen zeigen Produktionskosten von etwa 2302 US-Dollar pro Tonne was zwischen konventionellen Kunststoffen und teureren Biovarianten liegt und Skalierbarkeit bei steigender Nachfrage unterstützt. Bambus als Rohstoff bindet während seines Wachstums erhebliche Mengen Kohlendioxid und benötigt keine intensiven landwirtschaftlichen Eingriffe. Damit schließt sich der Kreislauf von der Pflanze über das Produkt zurück in die Natur oder in neue Produkte und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen nachhaltig.
Die vielseitige Prozessierbarkeit erlaubt die Integration in bestehende Fertigungslinien der Kunststoffindustrie ohne große Umrüstungen. Mögliche Einsatzbereiche reichen von Einwegverpackungen über langlebige Konsumgüter bis hin zu technischen Komponenten in der Automobil- und Bauindustrie. Weitere Optimierungen könnten durch Variation der Lösungsmittelzusammensetzung oder Zusatzstoffe die Eigenschaften noch gezielter anpassen. Die Kombination aus erneuerbarem Rohstoff hoher Leistungsfähigkeit und echter Kreislauffähigkeit positioniert diesen Ansatz als Vorreiter für eine bioökonomische Transformation der Materialwirtschaft. Langfristig könnte die Technologie dazu beitragen die globale Plastikproduktion die bis 2060 auf über 1,2 Milliarden Tonnen ansteigen könnte auf nachhaltige Pfade zu lenken.
Nature Communications, High-strength, multi-mode processable bamboo molecular bioplastic enabled by solvent-shaping regulation; doi:10.1038/s41467-025-63904-2
