Het in Nature Communications beschreven onderzoek werd uitgevoerd in het kader van het door NWO gefinancierde RIBIPOL-project met bijdragen van de industrie, met name LEGO en Avantium. De eerste steunde het project in het kader van de zoektocht naar niet-fossiele alternatieven voor de iconische plastic steentjes. Avantium is geïnteresseerd in fles- en folietoepassingen. Eerste auteur van het artikel is Daniel Weinland, die op 27 oktober promoveerde. In totaal zijn 5 promovendi betrokken bij het RIBIPOL-project, waarvan er 2 onlangs hun proefschrift hebben verdedigd.

Stijfheid is essentieel

Over het algemeen worden polyester kunststoffen gesynthetiseerd uit twee typen kleine moleculaire bouwstenen (monomeren): de een met een dubbele alcoholgroep en de ander met een dubbele zuurgroep. Deze monomeren worden gekoppeld tot lange polymeerketens waarin de moleculaire bouwstenen elkaar afwisselen. De functionele eigenschappen van deze materialen hangen af van het aantal monomere bouwstenen waaruit de polymeerketen bestaat, en van de inherente eigenschappen van die monomeren. Met name hun stijfheid is de sleutel tot een stevige, sterke en duurzame kunststof.

Het van glucose afgeleide di-alcohol monomeer isosorbide is op zich een zeer geschikte bio-based monomeer omdat het een zeer stijve moleculaire structuur heeft. Bovendien is het al industrieel beschikbaar. Het is echter weinig reactief en in de afgelopen twee decennia is het een hele uitdaging gebleken om er bruikbare polyesters mee te maken. Het bleek vrijwel ondoenlijk om voldoende lange polymeerketens te verkrijgen (nodig om een bepaalde mate van vervormbaarheid te realiseren) en daar tegelijkertijd voldoende grote hoeveelheden isosorbide in te verwerken (nodig om een sterk en degelijk materiaal te verkrijgen).

Reactieve componenten

Weinland en zijn RIBIPOL-collega’s wisten deze impasse te doorbreken door een kleine hoeveelheid van bepaalde typen gesubstitueerde fenolen (aromatische alcoholen) in het polymerisatieproces toe te voegen. Als gevolg daarvan ontstaan reactieve componenten (fenolesters) die de polymerisatie op gang houden en voorkomen dat isosorbide een remmend effect heeft. Daardoor lukte het om materialen met een hoog molecuulgewicht te maken, met een groot aandeel ingebouwd isosorbide. Zo werd voor het eerst een hoogmoleculair polymeer gemaakt uit isosorbide en barnsteenzuur (zogenaamd poly(isosorbidesuccinaat)).

De in het onderzoek geproduceerde plastics presteren beter dan bestaande kunststoffen (zoals PET) op het gebied van hittebestendigheid, wat bijvoorbeeld relevant is voor hergebruik - denk aan het wassen van flessen bij 85 °C. Ook met betrekking tot mechanische en andere relevante eigenschappen kunnen de op isosorbide gebaseerde polymeren een verbetering inhouden ten opzichte van bestaande materialen op fossiele basis.

Publicatie details

Daniel H. Weinland, Kevin van der Maas, YueWang, Bruno Bottega Pergher, Robert-Jan van Putten, BingWang, Gert-Jan M. Gruter: Overcoming the low reactivity of biobased, secondary diols in polyester synthesis. Nat Commun 13, 7370 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34840-2

Zie ook

• Plastic uit CO2 en planten, voor LEGO bijvoorbeeld
• Onderzoeksgroep Sustainable Industrial Chemistry