Was ist tPB?
Eine Studie in den veröffentlichten Wissenschaft Fortschritte Berichte[1]. Ein brandneues Material namens transparenter Karton (tPB) wird vollständig aus reiner Zellulose hergestellt und löst das jahrhundertealte Problem des undurchsichtigen Kartons. Es setzt neue Maßstäbe in Sachen Nachhaltigkeit: Es kann vollständig in einem geschlossenen Kreislauf recycelt werden und ist im gesamten Ozean biologisch abbaubar – von flachen Gewässern bis zur Tiefsee.
Mithilfe einer eigens entwickelten Lithiumbromid-Lösung haben Forscher Cellulose-Hydrogele in verschiedene praktische Formen gebracht – von Trinkhalmen bis hin zu Bechern. Tests zeigen, dass das tPB-Material im Alltag mit Kunststoff vergleichbare Eigenschaften aufweist und selbst unter Tiefseebedingungen innerhalb von 12 Monaten vollständig biologisch abbaubar ist. Dank einer Beschichtung aus pflanzenbasiertem Harz ist es auslaufsicherer als herkömmliche Pappbecher.
1. Inspiration & Durchbruch: Wenn Karton „transparent“ wird
Abbildung A
Die Bilder zeigen von links nach rechts die Transformation des Materials:
Pulver/Textil → Celluloselösung → Hydrogel → Endprodukt (tPB, transparentes Poly-Biomaterial).
Pulver- oder Textilabfälle werden zunächst zu einer Zelluloselösung verarbeitet;
Diese Lösung wird anschließend geliert, um ein Cellulose-Hydrogel zu bilden;
Schließlich wird es zu einem transparenten, biobasierten Kunststoffersatz verarbeitet (zum Beispiel zu dem abgebildeten transparenten Becher).
Abbildung B (Prozessdiagramm)
Rohes Material:
Kurze Baumwollfasern (Baumwoll-Linters, die nicht zu Garn versponnen werden können), die aus Baumwollsamen oder Baumwollkapseln sowie aus Papier- oder Textilabfällen gewonnen werden.
Chemische Behandlung:
Cellulose wird mit dem Lösungsmittel LiBr (Lithiumbromid) gelöst, um ein Gel zu bilden.
Anschließend wird das Gel gewaschen, um das Lösungsmittel zu entfernen, wodurch ein Hydrogel entsteht.
Recycling:
Das LiBr-Lösungsmittel wird durch Kondensation zurückgewonnen (geschlossener Recyclingkreislauf), und auch Wasser wird zur Wiederverwendung recycelt.
Materialien (wie z. B. gebrauchte transparente Becher) können pulverisiert und wieder zu Pulver recycelt werden.
Formgebung und Anwendungen:
Das Hydrogel kann getrocknet, pressgetrocknet oder zu verschiedenen Produkten wie Bechern, Strohhalmen oder transparenten Folien geformt werden.
Lebensende:
Werden diese Materialien in die natürliche Umwelt (z. B. ins Meer) freigesetzt, können sie von Mikroorganismen biologisch abgebaut werden, wodurch eine langfristige Anreicherung wie bei herkömmlichen Kunststoffen verhindert wird.
Papier und Karton werden aus Zellulose in Holz hergestellt. Sie sind wiederverwendbare und biologisch abbaubare Alternativen zu Plastik und daher ideal als Ersatz geeignet. Allerdings gibt es einen Haken: Karton ist nicht transparent und kann daher keine durchsichtigen Kunststoffe in Verpackungen ersetzen, bei denen der Inhalt sichtbar sein muss (z. B. Lebensmittelkartons, Getränkebecher).
Warum ist Transparenz so schwer herzustellen? Der Grund ist die Lichtstreuung. Die großen Holzfasern in herkömmlichem Karton streuen das Licht und machen ihn dadurch undurchsichtig. Bislang war Zellophan die einzige kommerziell erhältliche, rein aus Zellulose bestehende transparente Folie, doch mit diesem Verfahren lassen sich keine millimeterdicken Kartons herstellen.
Ein japanisches Team verfolgte einen anderen Ansatz. Sie verwendeten eine wässrige Lithiumbromid-Lösung (LiBr). Zellulose löst sich darin beim Erhitzen auf und geliert beim Abkühlen wieder. Durch direktes Trocknen dieses dicken Zellulose-Hydrogels stellte das Team millimeterdicke, smartphonegroße transparente Kartonagen (tPB) her – eine neue Alternative zu Kunststoffverpackungen.
2. Herausragende Eigenschaften: Transparent, robust und isolierend.
Hohe Transparenz. Bei einer Dicke von 0.7 mm erreicht tPB eine Lichtdurchlässigkeit von ca. 87 % bei einer Trübung von nur etwa 22 %, sodass entfernte Objekte weiterhin klar erkennbar sind. Selbst bei 1.5 mm bleibt es sichtbar transparent und weist nur eine leichte Trübung auf.
Hervorragende mechanische Eigenschaften. Es vereint die Steifigkeit von Karton mit der Flexibilität von Kunststoff. In Biegeversuchen hält es großen Verformungen stand, ohne zu brechen – etwas, was normaler Karton nicht kann.
Außergewöhnliche Nassfestigkeit. Reine Zellulosematerialien verlieren normalerweise in Wasser an Festigkeit. Doch selbst nach 72 Stunden vollständigem Eintauchen ist die Zugfestigkeit von tPB noch 5- bis 15-mal höher als die von Standardkarton. Es ist formstabil und bricht nicht zusammen.
Natürliche Wärmedämmung. Dank seiner anisotropen Nanofaserstruktur fließt Wärme in der Ebene anders als in Dickenrichtung, wodurch eine natürliche Wärmedämmung entsteht. Tests mit kochendem Wasser ergaben, dass die Außenwand eines tPB-Bechers deutlich kühler blieb als die eines Polystyrolbechers (PS).
Abbildung Ergebnisse – Charakterisierung von tPB (transparentes Poly-Biomaterial)
A. Optische Eigenschaften
Transmission (Tt) und Trübung in Abhängigkeit von der Schichtdicke. tPB weist eine hohe Transparenz auf, wobei die Trübung mit zunehmender Schichtdicke leicht ansteigt.
B. Biegeeigenschaften
Die Biegespannungs-Dehnungskurven zeigen, dass tPB (textilbasiert und MCC-basiert) im Vergleich zu herkömmlichen PB- und PC-Kunststoffen eine höhere Biegefestigkeit und Zähigkeit aufweist.
C. Zugeigenschaften
Die Zugspannungs-Dehnungskurven zeigen, dass nasses tPB auch unter feuchten oder wässrigen Bedingungen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit beibehält und herkömmliches PB übertrifft.
D. Oberflächenrauheit
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) zeigt eine mittlere quadratische Rauheit (RMS) von ~15.4 nm, was auf eine glatte Oberfläche hinweist, die für optische Anwendungen geeignet ist.
E–F. Mikrostruktur
SEM/TEM-Aufnahmen zeigen eine einheitliche Mikrostruktur und ein dichtes Netzwerk von Cellulosefasern im Nanobereich, was die überlegenen mechanischen Eigenschaften erklärt.
G. Röntgenstreuung (SAXS/WAXS)
Ringförmige Beugungsmuster bestätigen die geordnete Ausrichtung der Celluloseketten und die Anisotropie innerhalb der Struktur.
H. Strukturmodell
Schematische Darstellungen (Draufsicht und Seitenansicht) veranschaulichen das gestapelte und ausgerichtete Cellulosekettennetzwerk und stellen so den Zusammenhang zwischen Struktur und Leistungsfähigkeit her.
I. Temperaturleitfähigkeit
Wärmetransportmessungen zeigen ein anisotropes Verhalten: Die Diffusivität in der Ebene ist deutlich höher als senkrecht zur Ebene, was eine gerichtete Wärmeleitung bestätigt.
Zusammenfassung
Zusammenfassung: Diese Ergebnisse bestätigen, dass tPB ein transparentes, mechanisch starkes, glattflächiges, biologisch abbaubares Material auf Cellulosebasis mit geordneter Nanostruktur und anisotropen thermischen Eigenschaften ist, was es zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen macht.
3. Gebrauchsfertige Alternativen: Formbecher und Strohhalme
Mithilfe dieser Eigenschaften formten die Forscher tPB zu transparenten Bechern und Strohhalmen.
Der Clou: Diese Zellulosebecher halten heißes Wasser ohne Kunststoffbeschichtung und ohne auszulaufen oder matschig zu werden. Das ist eine wirklich umweltfreundliche Alternative zu den heutigen Bechern aus Papier-Kunststoff-Verbundmaterial.
Für die Langzeitlagerung von Flüssigkeiten genügt eine ultradünne Beschichtung aus pflanzlichen Fettsäuresalzen (etwa 5–10 μm) an der Innenwand – die Haltbarkeit wird erhöht, ohne die Nachhaltigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
Abbildung – Funktionelle Bewertung von tPB (transparentes Polybiomaterial)
A. Anwendung der Tasse:
Ein nasser Hydrogelbecher trocknet zu einem transparenten tPB-Becher, der Flüssigkeiten effektiv aufnehmen kann.
B. Strohapplikation:
Ein nasser Hydrogelstrohhalm wurde zu einem transparenten tPB-Strohhalm getrocknet, dessen praktische Anwendung zum Umrühren von Getränken demonstriert wurde.
C. Wasserrückhaltevermögen:
Vergleich der Wasserretention in Bechern über die Zeit zwischen tPB, Komposit-tPB (c-tPB), Papier und Polystyrol (PS).
Sowohl tPB als auch c-tPB behalten über längere Zeiträume nahezu 100% ihrer Wasserretention, während Papierbecher undicht werden.
D. Benetzbarkeit und Transparenz der Oberfläche:
Kontaktwinkelmessungen ergaben, dass tPBtex hydrophiler (~55.6°) und c-tPBtex hydrophober (~102.5°) ist.
Beide Filme weisen eine geringe Trübung (~22–23%) und eine hohe Lichtdurchlässigkeit (~84%) auf, was eine gute Transparenz bestätigt.
E. Wärmedämmung:
Die Wärmebildaufnahmen von mit heißem Wasser gefüllten Bechern zeigen eine niedrigere Außentemperatur für tPB (~61 °C) im Vergleich zu PB (~66 °C) und PS (~72 °C), was auf eine überlegene Wärmeisolierung und eine sicherere Handhabung hinweist.
Zusammenfassung
Zusammenfassung: Diese Ergebnisse zeigen, dass tPB zu praktischen Produkten wie Bechern und Strohhalmen verarbeitet werden kann, die im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen eine ausgezeichnete Wasserdichtigkeit, einstellbare Oberflächeneigenschaften, gute Transparenz und eine überlegene Wärmedämmung aufweisen.
4. Ultimative Nachhaltigkeit: Geschlossener Recyclingkreislauf und ozeanweite biologische Abbaubarkeit
Geschlossener Recyclingkreislauf. Im Produktionsprozess werden das LiBr-Lösungsmittel und das Wasser zurückgewonnen. Gebrauchte tPB-Produkte können zerkleinert, aufgelöst und zu neuen tPB-Produkten verarbeitet werden. Selbst nach mehreren Zyklen behält das regenerierte Material seine Transparenz und Festigkeit – ein echter Cradle-to-Cradle-Kreislauf.
Biologischer Abbau im gesamten Ozean. Proben wurden in vier Tiefen ausgebracht, von flachen Hafenbecken (~2 m) bis hinunter zum Pazifischen Tiefseegraben (~5,552 m). Bemerkenswerterweise wurde tPB selbst in der kalten, sauerstoffarmen Tiefsee unter hohem Druck von Mikroorganismen in nennenswertem Umfang abgebaut (~20–50 μg/cm²/Tag). Metagenomische und metatranskriptomische Analysen zeigten, dass sich auf tPB Biofilme bilden, die Cellulasen produzieren, welche es in CO₂ und Wasser spalten.
Mit anderen Worten: Sollte tPB jemals ins Meer gelangen, wird es nicht wie viele andere Kunststoffe zu einem „dauerhaften Tiefseerelikt“. Es kehrt unbemerkt in den natürlichen Kreislauf zurück.
Abbildung – Recyclingleistung von tPB (transparentes Poly-Biomaterial)
A. Optisches Erscheinungsbild und Trübung:
Fotografien von Originalfilmen, lösungsmittelrecycelten, materialrecycelten und lösungsmittel- und materialrecycelten Filmen.
Die Trübungswerte betragen 21 % (Original), 16 % (Lösungsmittel recycelt), 54 % (Material recycelt) und 60 % (Lösungsmittel + Material recycelt).
Die Wiederverwertung von Lösungsmitteln erhält die Transparenz, während die Wiederverwertung von Materialien die Trübung erhöht.
B. Transmissions- und Farbstoffprüfung:
Farbige Flüssigkeiten (Säfte und Tees) werden als Hintergrund zur Beurteilung der optischen Klarheit verwendet.
Die Lichtdurchlässigkeit bleibt bei Originalfilmen (86%) und lösungsmittelrecycelten Filmen (84%) hoch, während bei material- und lösungsmittel- und materialrecycelten Filmen leicht reduzierte Werte (~83–86%) auftreten.
C. Biegeeigenschaften:
Die Biegespannungs-Dehnungskurven zeigen einen vernachlässigbaren Unterschied zwischen Original- und Recyclingfolien.
Alle Proben weisen eine hohe Biegefestigkeit (~100 MPa) auf, was auf eine mechanische Robustheit nach dem Recycling hinweist.
D. Molekulargewichtsanalyse:
Das gewichtsmittlere Molekulargewicht (Mw) bleibt bei lösungsmittelrecycelten Filmen erhalten, nimmt jedoch bei material- und lösungsmittel+materialrecycelten Filmen ab, was auf einen teilweisen Abbau der Celluloseketten während des Recyclings hindeutet.
E–F. Aussehen der recycelten Folie:
Recycelte tPB-Folien weisen trotz erhöhter Trübung (60 %) und etwas geringerer Lichtdurchlässigkeit (89 % bzw. 76 %) immer noch eine beachtliche Transparenz auf.
Eine Sichtprüfung bestätigt die erhaltene Verwendbarkeit nach mehrmaligem Recycling.
Zusammenfassung
Zusammenfassung: Diese Ergebnisse zeigen, dass die Lösungsmittelrückgewinnung die optischen und mechanischen Eigenschaften von tPB erhält, während die Materialrückgewinnung zwar zu einer höheren Trübung und einer Verringerung des Molekulargewichts führt, aber dennoch gute mechanische Eigenschaften gewährleistet. Dies bestätigt die Machbarkeit eines geschlossenen Recyclingkreislaufs für tPB.
5. Blick in die Zukunft: Auf dem Weg zu einer echten Kreislaufwirtschaft
Abbildung – Marine biologische Abbaubarkeit von tPB (transparentes Poly-Biomaterial)
A. Abbaugeschwindigkeiten an verschiedenen Meeresstandorten:
Die Degradation wurde bei PJM (2 m), BMS (757 m), BHT (855 m) und AMN (5552 m) gemessen.
In flachen Gewässern (PJM) wurde die höchste Abbaurate (~250 μg/cm²/Tag) beobachtet, während in Tiefseegebieten ein langsamerer Abbau (~20–50 μg/cm²/Tag) stattfand.
Einsatz: tPB-Becher vor und nach 5 Monaten an der BHT-Stelle.
B. Biofilmbildung:
Mikroskopische Aufnahmen zeigen eine mikrobielle Besiedlung der tPB-Oberfläche, die zur Bildung von Biofilmen führt.
Die vergrößerte Ansicht zeigt anhaftende Bakterien und bestätigt damit die Beteiligung von Mikroorganismen am Abbauprozess.
C. Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft:
Die metagenomische Analyse identifiziert dominante Gruppen: Fibr1 (40%), Fibr2 (18.1%), Delt1 (8.6%), Delt2 (3.0%), Spir1 (2.8%), zusammen mit Alph1, Bact1 und Gamm1.
Zelluloseabbauende Bakterien und Anaerobier spielen dabei eine zentrale Rolle.
D. Funktionelle Genexpression:
Die Heatmap zeigt eine verstärkte Expression von Cellulasen, Endoglucanasen und β-Glucosidasen sowie von Genen, die mit Stickstoffaufnahme, Glykolyse und Fermentationsprozessen in Zusammenhang stehen.
Deutet auf einen kooperativen Stoffwechsel innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft während des tPB-Abbaus hin.
E. Vorgeschlagener Abbauweg:
Die Celluloseketten in tPB werden durch Fibr1/Fibr2-Cellulasen zu Cellobiose hydrolysiert.
Delt1 und Delt2 verarbeiten Metaboliten zu H₂, Laktat und Formiat, während Alph1, Bact1, Spir1 und Gamm1 zum Redoxgleichgewicht und zu Hilfsstoffwechselwegen beitragen.
Insgesamt beschleunigt die synergistische mikrobielle Aktivität den Abbau von tPB im Meer.
Zusammenfassung
Diese Ergebnisse bestätigen, dass tPB in marinen Umgebungen biologisch abbaubar ist, wobei Biofilmbildung und diverse mikrobielle Gemeinschaften enzymatische und metabolische Prozesse antreiben. Der Abbau verläuft in flachen Gewässern schneller, ist aber auch unter Tiefseebedingungen möglich.
Im Labormaßstab benötigt die Herstellung von tPB derzeit mehr Energie als herkömmlicher Karton. Die Forscher argumentieren jedoch, dass der Energieverbrauch bei einer großtechnischen, kontinuierlichen Fertigung – ähnlich wie in modernen Papierfabriken – auf ein Niveau sinken könnte, das mit dem von normalem Karton vergleichbar ist.
Aus der Natur geboren und zu ihr zurückkehrend, ist tPB ein idealer Basiswerkstoff der nächsten Generation und wird voraussichtlich weit verbreitet Plastikverpackungen ersetzen. Plastikfreie, umweltfreundliche Verpackungen , die die Umwelt schonen. Es könnte viele transparente Einwegplastikverpackungen ersetzen, die schwer zu recyceln sind und leicht ins Meer gelangen können – und so die Meeresverschmutzung durch Plastik an der Wurzel bekämpfen und eine echte Kreislaufwirtschaft fördern.
Eines Tages könnte der transparente Kaffeebecher in Ihrer Hand aus dieser Zelluloseplatte hergestellt sein, die in der Tiefsee „verschwinden“ kann.
