La sustancia natural 3-careno es un componente del aceite de trementina, un flujo de residuos de la producción de celulosa a partir de madera. Hasta ahora, este subproducto se ha incinerado en su mayor parte. Los investigadores de Fraunhofer están utilizando nuevos procesos catalíticos para convertir el 3-careno en bloques de construcción para plásticos de base biológica. Las nuevas poliamidas no solo son transparentes, pero también tienen una alta estabilidad térmica.

Los plásticos son una alternativa útil al vidrio o al metal para una amplia gama de aplicaciones. Las poliamidas juegan un papel importante en la fabricación de componentes estructurales de alta calidad, ya que no solo son resistentes a los golpes y a la abrasión, pero también resistente a muchos productos químicos y disolventes. Hoy dia, las poliamidas se producen principalmente a partir de petróleo crudo.

Una alternativa sostenible:monómeros de residuos de madera

El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB está investigando una alternativa sostenible para la producción de nuevos plásticos de alto rendimiento a partir de terpenos que se encuentran en la madera rica en resina. Las sustancias naturales están disponibles en coníferas como el pino, alerce o abeto. En la producción de pulpa, en el que la madera se descompone para separar las fibras de celulosa, los terpenos se aíslan en grandes cantidades como subproducto, aceite de trementina.

En el proyecto conjunto "TerPa - Terpenos como bloques de construcción para poliamidas de base biológica", Los investigadores de la rama Straubing BioCat de Fraunhofer IGB han logrado optimizar la síntesis de lactamas del terpeno 3-careno y convertirlas en un proceso competitivo a escala potencialmente industrial. Las lactamas son componentes básicos para la producción de poliamidas. Los expertos de Straubing ya pudieron demostrar que los terpenos como el α-pineno, El limoneno y el 3-careno son materias primas adecuadas para la síntesis de lactamas de base biológica.

Secuencia de reacción económica en un recipiente

La conversión del 3-careno en la lactama correspondiente requiere cuatro pasos químicos sucesivos. La característica especial de la solución Straubing pendiente de patente es que las conversiones pueden tener lugar como una "secuencia de reacción en un solo recipiente" en un solo reactor; no se requiere la purificación de los productos intermedios. "Lo hemos logrado seleccionando cuidadosamente los catalizadores y las condiciones de reacción, y ahorra tiempo y dinero. "Paul Stockmann explica, que desarrolló y optimizó el prometedor proceso.
"Incluso a escala de laboratorio, nuestro proceso entrega más de 100 gramos de monómero de lactama diastereoméricamente puro por ciclo de producción. Esta cantidad es suficiente para las investigaciones iniciales de la producción y evaluación de los nuevos plásticos. "Dijo Stockmann. Otra ventaja:no se requieren productos químicos tóxicos o peligrosos para el medio ambiente para la síntesis de la lactama.

De base biológica, transparente, térmicamente estable

Sin embargo, eso no es todo. Debido a la estructura química especial del 3-careno, las cadenas laterales del compuesto natural inhiben la cristalización del polímero resultante (ver cuadro de información). "Por lo tanto, nuestros polímeros de base biológica son predominantemente 'amorfos' y, por lo tanto, transparentes, lo que es muy inusual para las poliamidas de base biológica, "dice el Dr. Harald Strittmatter, quien dirige el proyecto en la sucursal de BioCat en Straubing. Esto hace que las nuevas poliamidas sean adecuadas como pantallas protectoras, por ejemplo en viseras o gafas de esquí. También se pueden producir con un aporte de energía considerablemente menor que las poliamidas transparentes a base de petróleo. A diferencia de otros bioplásticos, que se producen principalmente a partir de maíz, almidón de trigo o patata, las poliamidas de base biológica no compiten con la producción de alimentos. Bastante, añaden valor a un flujo de residuos que, hasta aquí, se ha quemado para la producción de energía.

Otra ventaja:las nuevas poliamidas de base biológica también tienen excelentes propiedades térmicas. "El punto de transición vítrea de nuestras poliamidas es de 110 ° C. Por lo tanto, también pueden estar a temperaturas permanentemente altas, por ejemplo, como componentes en el compartimento del motor de vehículos de motor, ", Dice Strittmatter. Es cierto que las poliamidas fabricadas a partir de recursos fósiles tienen propiedades de temperatura similares. Sin embargo, debido a sus dominios aromáticos, que no se encuentran en las poliamidas a base de 3-careno, se decoloran con el tiempo bajo la influencia de la luz ultravioleta, limitando su potencial para aplicaciones al aire libre.

Las carenlactamas dan nuevas propiedades a PA12 y PA6

Los científicos también han polimerizado las lactamas de base biológica con otras moléculas de monómero disponibles comercialmente, laurolactama (monómero de PA12) y caprolactama (monómero de PA6), para formar copolímeros. La cristalinidad y por tanto la transparencia de los nuevos copolímeros se modificaron significativamente. En principio, Los perfiles de aplicación de los plásticos ampliamente utilizados PA12 y PA6 se amplían potencialmente.

Tras una mayor optimización de la síntesis de monómeros, colegas del Instituto Fraunhofer de Medio Ambiente, Tecnología de seguridad y energía UMSICHT en Oberhausen transferirá el proceso a la escala piloto de 20 litros y producirá mayores cantidades de muestra de lactamas. Las propiedades de los nuevos polímeros y copolímeros se investigarán con más detalle para identificar posibles aplicaciones. Los científicos también tienen la intención de estudiar la biodegradabilidad de la nueva poliamida. Los investigadores de Fraunhofer esperan que las empresas interesadas puedan transferir los resultados a escala industrial.

En polímeros cristalinos, las cadenas de polímero están alineadas de forma ordenada. La luz incidente se dispersa sobre las estructuras cristalinas de modo que los plásticos aparecen opacos o turbios. Si, por otra parte, las cadenas de polímero están desordenadas, por ejemplo, porque las cadenas laterales interfieren entre sí, hablamos de polímeros amorfos. La luz incidente no se dispersa; los polímeros aparecen transparentes.