Grüne Chemie schafft Beschichtungen aus der Natur: Aus Biomasse werden hochwertige Beschichtungen

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Organische Chemiker der Universität Groningen und das niederländische multinationale Unternehmen AkzoNobel, ein großer globaler Hersteller von Farben und Lacken, haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Biomasse mithilfe von Licht, Sauerstoff und UV-Licht in eine hochwertige Beschichtung verwandeln können.

Dieser Prozess kombiniert eine erneuerbare Quelle mit grüner Chemie und könnte Monomere auf petrochemischer Basis wie Acrylate ersetzen, die derzeit als Bausteine für Lacke, Harze und Farben verwendet werden.

Eine Arbeit über den neuen Prozess wurde am 16. Dezember 2020 in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Beschichtungen sind überall, von der Farbe auf Ihrem Haus bis hin zur Schutzschicht auf dem Bildschirm Ihres Smartphones.

Sie schützen Oberflächen vor Kratzern, Witterungseinflüssen oder alltäglicher Abnutzung. Die meisten Beschichtungen bestehen aus Polymeren, die auf Acrylatmonomeren basieren. Die weltweite Produktion von Acrylat liegt bei über 3,5 Millionen Tonnen pro Jahr, die alle aus fossilem Öl hergestellt werden.
Biomasse
Um diese Beschichtungen nachhaltiger zu machen, haben sich Wissenschaftler der Universität Groningen unter der Leitung von Professor für Organische Chemie Ben Feringa mit Wissenschaftlern des Beschichtungsherstellers AkzoNobel zusammengetan. “Wir wollten Lignocellulose als Ausgangsmaterial verwenden”, sagt George Hermens, Doktorand in der Gruppe von Feringa und Erstautor der Veröffentlichung in Science Advances. Lignocellulose macht 20 bis 30 Prozent der holzigen Pflanzenteile aus und ist der am häufigsten verfügbare Biomasse-Rohstoff auf der Erde.

Derzeit wird sie hauptsächlich als Festbrennstoff genutzt oder zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.

“Lignocellulose kann mit Säure gecrackt werden, um den chemischen Baustein Furfural zu erzeugen, der aber modifiziert werden muss, um ihn für die Herstellung von Beschichtungen geeignet zu machen”, erklärt Hermens. Er nutzte ein Verfahren, das in ihrer Gruppe entwickelt wurde, um das Furfural in eine Verbindung, Hydroxybutenolid, umzuwandeln, die der Acrylsäure ähnelt. “Die chemische Umwandlung benötigt nur Licht, Sauerstoff und einen einfachen Katalysator und erzeugt keinen Abfall.

Das einzige Nebenprodukt ist Methylformiat, das als Ersatz für Fluorchlorkohlenwasserstoffe in anderen Prozessen nützlich ist.”
Eigenschaften
Ein Teil der Struktur von Hydroxybutenolid ist ähnlich wie Acrylat, aber der reaktive Teil des Moleküls ist eine Ringstruktur. “Das bedeutet, dass es weniger reaktiv ist als Acrylat, und unsere Herausforderung bestand darin, das Molekül so weiter zu modifizieren, dass es ein brauchbares Polymer ergibt.” Dies wurde erreicht, indem verschiedene grüne oder biobasierte Alkohole zum Hydroxybutenolid hinzugefügt wurden, wodurch vier verschiedene Alkoxybutenolid-Monomere entstanden.

Diese Monomere können mit Hilfe eines Initiators und UV-Licht in Polymere und Beschichtungen umgewandelt werden. “Beschichtungen sind aus vernetzten Polymerketten aufgebaut. Indem wir verschiedene Monomere kombinieren, können wir vernetzte Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten.” Während zum Beispiel alle Polymere Glas beschichten würden, war eine Kombination in der Lage, auch eine Beschichtung auf Kunststoff zu bilden.

Und durch Hinzufügen von steiferen Monomeren entstand eine härtere Beschichtung, deren Eigenschaften mit denen von Beschichtungen auf Autos vergleichbar sind.

Auf diese Weise sind diese Beschichtungen für verschiedene Zwecke anpassbar.
Die Produktentwicklung
“Es ist uns gelungen, mit grüner Chemie Beschichtungen aus einer erneuerbaren Quelle, der Lignozellulose, herzustellen”, fasst Hermens zusammen. “Und die Qualität unserer Beschichtungen ist vergleichbar mit der von aktuellen Beschichtungen auf Acrylatbasis.” Für zwei Schritte des Verfahrens wurden bereits Patente bei AkzoNobel, dem Industriepartner im Projekt, angemeldet. Hermens arbeitet nun an einem anderen, von Furfural abgeleiteten Baustein, um andere Arten von Polymerbeschichtungen herzustellen.
Das Projekt wurde vom Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC) initiiert, einem niederländischen nationalen öffentlich-privaten Forschungszentrum, das neue chemische Prozesse und chemische Bausteine für neuartige Energieträger, Materialien und Chemikalien für eine nachhaltige Chemie entwickelt. Hermens’ Vorgesetzter, Ben Feringa, ist einer der Gründer dieses Zentrums.

Das ARC CBBC ist eine nationale Initiative mit Partnern aus Industrie, Wissenschaft und Regierung.

Beteiligt sind drei Universitäten (Universität Utrecht, Universität Groningen und Technische Universität Eindhoven) und große Industriepartner (AkzoNobel, Shell, Nouryon und BASF) sowie die Ministerien für Bildung, Kultur und Wissenschaft und für Wirtschaft und Klimapolitik und der niederländische Forschungsrat (NWO).

Feringa: “Das Programm umfasst alle Schritte von der grundlegenden wissenschaftlichen Entdeckung bis zur Prozess- und Produktentwicklung.

In dieser langfristigen Partnerschaft arbeiten Universitäten und die chemische Industrie gemeinsam an der Entwicklung der grünen Chemie der Zukunft.”
Referenz: “A coating from nature” von Johannes G. H. Hermens, Thomas Freese, Keimpe J. van den Berg, Rogier van Gemert und Ben L.

Feringa, 16. Dezember 2020, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.abe0026

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