Kunststoffe spielen in der modernen Gesellschaft eine wichtige Rolle und werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. für Flaschen, Spielzeug und Lebensmittelverpackungen. Insbesondere Kunststoffverpackungen sind in der Lebensmittelindustrie von Bedeutung, da sie eine Haltbarkeit, Leichtigkeit und Flexibilität bieten, die andere Materialien nicht bieten können. Die Verschmutzung durch Kunststoff stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da er weit verbreitet ist und sich nur schwer abbauen lässt. Es liegt in der Verantwortung eines jeden Einzelnen, die Umwelt vor dieser zunehmenden Kunststoffverschmutzung zu schützen. Eine vielversprechende Lösung zur Verringerung der negativen Auswirkungen von Kunststoffverpackungen auf die Umwelt ist die Verwendung nachhaltiger Alternativen wie kompostierbarer und biologisch abbaubarer Verbundwerkstoffe auf Biobasis, die frische Produkte wirksam schützen und gleichzeitig den Schaden für den Planeten minimieren.
Ziel dieser Studie ist es, die Umweltauswirkungen des Kunststoffverbrauchs zu bewerten und die Eignung biobasierter Verbundwerkstoffe speziell für einfache Verpackungsanwendungen, wie Obst und Gemüse, zu beurteilen. Die untersuchten Materialien sind:
Hauptziel: Identifizierung, Bewertung, Beurteilung und Differenzierung der hervorragenden Eigenschaften der einzelnen Verbundstoffe.
Die erfolgreiche Synthese dieser biobasierten Verbundwerkstoffe wurde durch ATR-FTIR-Spektroskopie bestätigt. Die entstandenen Biopolymerfilme wurden verschiedenen Tests unterzogen, darunter Dickenmessung (wobei der stärkeveredelte Graphenverbundstoff deutlich dicker war), Feuchtigkeitsgehalt, Wasserlöslichkeit, Wasserkontaktwinkel, mechanische, thermische Eigenschaften, Oberflächenmorphologie und antimikrobielle Aktivität. Diese Tests zeigten wichtige Materialeigenschaften auf, die für nachhaltige Verpackungsanwendungen entscheidend sind.
Unter den Verbundstoffen wies Stärke-PLA-Chitosan eine bessere Wasserbeständigkeit, einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt, eine geringere Wasserlöslichkeit und eine bessere Hydrophobie auf, was auf sein großes Potenzial für nachhaltige Lebensmittelverpackungen hinweist. Thermische Analysen (DSC und TGA) zeigten, dass das Vorhandensein von PLA die thermische Stabilität erhöht, mit der höchsten Temperatur für den Beginn des Abbaus und einer guten antibakteriellen Aktivität gegen E. coli, während die REM-Bildgebung eine homogene Oberflächenmorphologie und eine gute Dispersion der Komponenten in den Stärke-PLA-Chitosan- und Stärke-Chitosan-Verbundstoffen bestätigte.
Der Stärke-Chitosan-Verbundstoff wies die höchste biologische Abbaubarkeit und eine sehr gute antibakterielle Aktivität auf, was ihn ideal für Anwendungen macht, die einen schnelleren Abbau in der Umwelt erfordern.
Obwohl seine mechanischen und thermischen Eigenschaften etwas schlechter waren als die des Stärke-PLA-Chitosan-Verbundstoffs, wies er einen höheren Verkohlungsrückstand auf und behielt eine einheitliche Morphologie bei.
Der mit Stärke modifizierte Graphen-Verbundstoff war zwar dicker und wies gewisse funktionelle Verbesserungen auf, zeigte aber im Vergleich zu den beiden anderen Verbundstoffen eine geringere biologische Abbaubarkeit und thermische Leistung. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von modifiziertem Graphen in dieser Formulierung im Vergleich zu den anderen beiden Materialien Wärmeverhalten nicht wesentlich verbessert, obwohl es einzigartige strukturelle Eigenschaften wie die besten antibakteriellen Aktivitätsergebnisse bietet und für weitere Forschungen als Verpackungsmaterial verwendet werden kann.
Weitere laufende Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften und der Anti-Barriere-Eigenschaften aller Materialien und anderer zielen darauf ab, die strukturellen Wechselwirkungen besser zu verstehen und die Schlüsseleigenschaften für praktische Verpackungsanwendungen zu optimieren.
Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse, dass biobasierte Verbundwerkstoffe, die natürliche Polymere wie Stärke, PLA und Chitosan enthalten, vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen darstellen. Der Stärke-PLA-Chitosan-Verbundstoff zeichnet sich als die ausgewogenste Option in Bezug auf mechanische Festigkeit, Wasserbeständigkeit und thermische Stabilität aus, während die hohe biologische Abbaubarkeit von Stärke-Chitosan ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen der Abbau der Umwelt im Vordergrund steht. Darüber hinaus steigert die nachgewiesene antimikrobielle Aktivität aller Proben, insbesondere die starke Leistung von Stärke-Chitosan- und Stärke-Graphen-Verbundstoffen, deren Wert für sichere und nachhaltige Lebensmittelverpackungen. Dieses Forschungsprojekt zeigt das Potenzial biobasierter Verbundstoffe auf und leistet einen wertvollen und vielversprechenden Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger, kompostierbarer und biologisch abbaubarer Verpackungsmaterialien, die die Kunststoffverschmutzung verringern und umweltfreundliche Alternativen fördern können.
Dieses Forschungsprojekt wurde an zwei Institutionen durchgeführt: HTW Berlin unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Baldauf und BAM unter der Leitung von Dr. Paulina Szymoniak.