„Doppelt interpenetrierende nanostrukturierte Netzwerke“
Die Kreislaufwirtschaft erfordert Materialien mit geringem Kohlenstoff- und Umweltfußabdruck. In diesem Zusammenhang stellen aus Algen gewonnene Polysaccharide, die ein Produkt des Kohlendioxidverbrauchs sind, eine reichhaltige und nachhaltige Quelle für technische Materialien dar. Der Ersatz von Kunststoffen ist eine Herausforderung, da sie über bessere Eigenschaften verfügen, so drei Forschende der Universität Freiburg. In den marinen Polysacchariden zu Folien vorgestellt, deren mechanische Eigenschaften besser sind als die von Polymilchsäure, dem gängigsten biologisch abbaubaren Kunststoff. Kernstück dieses Systems ist ein Netzwerk aus zwei Polysacchariden mit sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, bei dem eine einfache Abstimmung der Kalziumkonzentration zu Filmen mit unterschiedlichem Grad an elastischem und plastischem Verhalten führt.
Chemie-Labor – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
In den Proceedings der amerikanischen National Academy of Sciences (PNAS) präsentieren die Freiburger Wissenschaftler einen konzeptionellen Rahmen, der einen bedeutenden Schritt in Richtung der Nutzung mariner Makromoleküle in strukturellen Verbundwerkstoffen und Verbraucherprodukten darstellt.
Interpenetrierende Netzwerke
Interpenetrierende Netzwerke (IPN), auch Durchdringungsnetzwerke genannt, bestehen aus zwei Netzwerken, die einander durchdringen. Die beiden Netzwerkkomponenten können chemisch identisch oder verschieden sein. Besonders interessant ist es, zwei nicht mischbare Polymertypen auf diese Art miteinander zu verbinden. IPN werden z.B. aus Butylkautschuk/Polyestern, Polyacrylaten/Polyurethanen/Polystyrol, Kautschuk/Polypropylen oder Polypropylen-Epoxid-Kautschuk hergestellt. Anwendungsgebiete sind z.B. Automobilteile, Reifen, Schläuche, Riemen, Ionenaustauscher-Harze, wetterfeste Beschichtungsmaterialien, Klebstoffe und Dentalkeramik.
Nachhaltige Kreislaufwirtschaft erfordert Materialien, die ein mit synthetischen Polymeren vergleichbares Eigenschaftsprofil aufweisen, und darüber hinaus eine Verarbeitung und Beschaffung von Rohstoffen, die einen geringen ökologischen Fußabdruck hinterlassen. Hier stellen wir ein Paradigma für die Verarbeitung von marinen Biopolymeren zu Materialien vor, die sowohl elastisches als auch plastisches Verhalten innerhalb eines einzigen Systems aufweisen, das ein doppeltes interpenetrierendes Polymernetzwerk umfasst, das die elastische Phase dynamischer physikalischer Vernetzungen und spannungsabbauende ionisch vernetzte Domänen umfasst. Zum Beweis des Prinzips wurden Filme mit einem mehr als zweifach höheren Elastizitätsmodul, einer höheren Zugfestigkeit und einer höheren Fließspannung als die von Polymilchsäure hergestellt, indem zwei wasserlösliche marine Polysaccharide, nämlich Alginsäure (Alg) mit physikalisch vernetzbarer carboxylierter Agarose (CA) und anschließender ionischer Vernetzung mit einem zweiwertigen Kation gemischt wurden. Getrocknete CAAlg-Filme zeigten homogene Domänen im Nano- und Mikromaßstab, wobei die Fließspannung und die Größe der Domänen umgekehrt zur Kalziumkonzentration skalierten. Durch Oberflächenaktivierung/Vernetzung mit Kalzium konnten CAAlg-Filme durch Nassverklebung weiterverarbeitet werden, um laminierte Strukturen zu erhalten, deren Bruchlast an der Grenzfläche (13,2 ± 0,81 N) ähnlich hoch war wie die Bruchlast von nicht laminierten Filmen (10,09 ± 1,47 N). Im Hinblick auf die Entwicklung von Holz-Biopolymer-Verbundwerkstoffen wurde eine Reihe von CAAlg-Linien auf Holzfurniere (Paneele) gedruckt, getrocknet und dann nach Aktivierung mit Kalzium verklebt, um ein vollständig verklebtes zweilagiges Holzlaminat zu erhalten. Das hier vorgestellte System bietet eine Blaupause für die Verwendung von aus Meeresalgen gewonnenen Polysacchariden bei der Entwicklung von nachhaltigen Hochleistungsmaterialien.
->Quellen:
- pnas.org/pnas.2204073119
- Originalpublikation: Ghrissi, Yawei Gu und V. Prasad Shastri: Double-interpenetrating nanostructured networks of marine polysaccharides possessing properties comparable to synthetic polymers, in: Proceedings oft the american National Acadmy of Sciences (PNAS), October 10, 2022, 119 (42) e2204073119 – doi.org/10.1073/pnas.2204073119