Monomereinheit des neuen Biopolyamids - Poly-3S-Caranamid - Bild: Paul Stockmann / TUM - frei fuer Berichterstattung ueber TU Muenchen und Fraunhofer IGB

Monomereinheit des neuen Biopolyamids – Poly-3S-Caranamid – (Bildquelle: Paul Stockmann / TUM)

Kommerziell werden Plyamide bislang meist auf Erdölbasis hergestellt; es gibt nur wenige Alternativen, etwa aus Rizinusöl. Biobasierte Verbindungen sind in der Herstellung oft teurer und können sich bislang nur dann gegenüber Erdölprodukten durchsetzen, wenn sie besondere Eigenschaften aufweisen.

Neue Polyamid-Familie entwickelt

Dem Team unter Leitung von Volker Sieber, Professor für Chemie biogener Rohstoffe an der TU München, hat nun eine völlig neue Polyamid-Familie entwickelt. Der biogene Ausgangsstoff, (+)-3-Caren, ist aus zwei aneinander hängenden Ringen aufgebaut. Die Chemiker der TUM und des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), Straubing, modifizierten nun den einen Ring so, dass er sich unter Aneinanderreihung vieler Moleküle, also unter Bildung von Polymeren, öffnen lässt. Der zweite Ring bleibt dabei jeweils erhalten. So entsteht anstelle einer linearen Polymerkette – wie bei gewöhnlichen Polyamiden – eine Kette, die viele kleine Ringe und weitere Seitengruppen trägt. Dies verleiht dem Polymer neue Funktionen.

Die beiden Autoren Paul Stockmann (links) und Daniel Dr. Van Opdenbosch mit dem Reaktor, in dem das polymerisationsfähigen Monomer aus dem Naturstoff 3-Caren hergestellt wurde. (Bildquelle: Prof. Cordt Zollfrank / TUM)

Die beiden Autoren Paul Stockmann (links) und Daniel Dr. Van Opdenbosch mit dem Reaktor, in dem das polymerisationsfähigen Monomer aus dem Naturstoff 3-Caren hergestellt wurde. (Bildquelle: Prof. Cordt Zollfrank / TUM)

Spezielle Eigenschaften

Diese alternativen Polyamide überzeugen durch spezielle Eigenschaften, die sie für viele Anwendungen attraktiv machen. Sie werden beispielsweise erst bei höheren Temperaturen weich als die Erdölprodukte. Zudem lassen sich die neuen Verbindungen sowohl transparent als auch teilkristallin herstellen. Das vergrößert bei gleichem Ausgangsstoff ihre späteren Einsatzmöglichkeiten.

„Wir können leicht über Reaktionsbedingungen und Katalysatoren während der Synthese steuern, ob wir am Ende ein transparentes oder teilkristallines Polyamid erhalten“, erklärt Sieber. „Die Grundlage dafür bietet aber vor allem die spezifische Struktur der biobasierten Ausgangsstoffe, die aus fossilen Rohstoffen so nur sehr aufwändig zu erhalten wäre.“

Aus industrieller Sicht überzeugend sei, soe die Wissenschaftler, dass die Synthese in einem Reaktionsbehälter passiert. Dieses One-Pot-Verfahren ermögliche es nicht nur, die Kosten zu reduzieren, sondern bedeute auch einen deutlichen Gewinn an Nachhaltigkeit. Der biogene Ausgangsstoff (+)-3-Caren lässt sich nämlich aus bei der Zelluloseindustrie als Nebenprodukt anfallendem Terpentinöl mit verhältnismäßig geringem Aufwand in hoher Reinheit herausdestillieren. Bislang wurde das Terpentinöl in den Zellulosefabriken nur verheizt. „Wir verwenden es als wertvollen Ausgangsstoff für Kunststoffe“, sagt Sieber.

Ohne Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion

Sieber weist darauf hin, dass man beim Terpentinöl nicht, wie etwa bei der Verwendung von Rizinusöl, in Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehe. Noch sind die Forscher mit der erreichten Gesamtausbeute des Prozesses nicht ganz zufrieden. Sie liegt bei 25 Massenprozent. Paul Stockmann, auf dessen Doktorarbeit an der TUM die Ergebnisse beruhen, arbeitet nun am Fraunhofer-IGB daran, (+)-3-Caran-basierte Polyamide als Alternative für erdölbasierte Hochleistungspolyamide am Markt zu etablieren. (jhn)