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Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten Foto: Challa Kumar, emeritierter Professor für Chemie, in seinem Labor. (zur Verfügung gestelltes Foto)
21.12.2023

Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

„Jeder sollte darüber nachdenken, wo immer er kann, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche zu ersetzen, um unserer Zivilisation zu helfen zu überleben", sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können nicht warten. Wenn das Haus brennt und man beginnt, einen Brunnen zu graben, dann wird das nicht funktionieren. Es ist an der Zeit, das Haus zu löschen.“

Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Textilien verwenden, um neue Materialien zu schaffen. Die Technology Commercialization Services (TCS) der UConn haben für beide Technologien vorläufige Patente angemeldet.

Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktioneller Materialien zu konstruieren, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung stufenlos steuerbarer, ungiftiger Materialien.

„Die Chemie ist das Einzige, was uns in die Quere kommt“, so Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien herstellen, die so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder sind.“

Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.

Proteine haben „reaktive Gruppen“ auf ihrer Oberfläche, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Berührung kommen. Kumar und sein Team nutzten sein Wissen über die Funktionsweise dieser Gruppen, um Proteinmoleküle durch eine chemische Verbindung miteinander zu verknüpfen.

Bei diesem Prozess entsteht ein sogenannter Dimer - ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Anschließend wird das Dimer mit einem anderen Dimer zu einem Tetramer verbunden, und so weiter, bis ein großes 3D-Molekül entsteht. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten aufweisen.

Dank dieser innovativen 3D-Struktur kann sich das neue Polymer wie ein Kunststoff verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form verändern und falten. So kann das Material mit Hilfe der Chemie für eine Vielzahl von spezifischen Anwendungen maßgeschneidert werden.

Da Kumars Material aus Proteinen und einer biologisch verbindenden Chemikalie besteht, kann es im Gegensatz zu synthetischen Polymeren biologisch abgebaut werden, so wie es pflanzliche und tierische Proteine natürlich tun.

„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die Amidbindungen in ihnen aufspaltet“, sagt Kumar. „Sie verfügt über Enzyme, die diese Art von Chemie beherrschen. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Die gleichen Enzyme, die in der Biologie arbeiten, sollten also auch bei diesem Material funktionieren und es auf natürliche Weise abbauen.“

Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material innerhalb weniger Tage in saurer Lösung zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material im Boden vergraben, was das Los vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.

Sie haben gezeigt, dass das Material auf Proteinbasis eine Vielzahl von kunststoffähnlichen Produkten bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung von feuerfesten Dachziegeln oder höherwertigen Materialien wie Autotüren, Raketenspitzen oder Herzklappen verwendet werden.

Die nächsten Schritte für diese Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Flexibilität, sowie ihre Toxizität weiter zu testen.

„Ich denke, wir brauchen ein soziales Bewusstsein dafür, dass wir keine toxischen Substanzen in die Umwelt bringen dürfen“, sagt Kumar. „Das geht einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“

Kumars zweite Technologie beruht auf einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber nicht nur Proteine, sondern solche, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.

„Durch die sich schnell verändernde Modeindustrie entsteht jedes Jahr eine Menge Textilabfall“, sagt Kumar. „Warum sollten wir diese Abfälle nicht nutzen, um nützliche Materialien herzustellen - Abfall in Wohlstand umzuwandeln.“

Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien (Proteios, abgeleitet von den griechischen Originalwörtern) erwartet Kumar, dass die aus Proteinen und Naturfasern hergestellten Verbundmaterialien biologisch abbaubar sind, ohne toxische Abfälle zu produzieren.

Im Labor hat Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Gewebe-Verbundstoffen hergestellt, darunter kleine Schuhe, Tische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Bindemittel für die Proteine dienen, und nicht die Vernetzungschemikalien, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.

Die Querverbindung verleiht dem neuartigen Material die Festigkeit, die es braucht, um dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft sorgt für starke Materialien aus Proteinfasern.

Kumars Team hat zwar bisher nur mit Baumwolle gearbeitet, geht aber davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, jedoch ähnlichen chemischen Eigenschaften wie Baumwolle auch so verhalten würden.

„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Oberfläche des Materials“, sagt Kumar. „Wir nutzten diese Erkenntnis, um zu sagen: 'Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus? Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich."

Mit der Unterstützung von TCS sucht Professor Kumar derzeit nach Industriepartnern, um diese Technologien auf den Markt zu bringen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Michael Invernale unter michael.invernale@uconn.edu.

Weitere Informationen:
Polymere Kunststoffe Naturfasern Baumwolle
Quelle:

Anna Zarra Aldrich '20 (CLAS), Büro des Vizepräsidenten für Forschung

Foto: pixabay
18.05.2021

ECO PERFORMANCE AWARD und PERFORMANCE AWARD für innovative Sommerstoffe 2023

Vom 17. bis 21. Mai 2021 findet die digitale Messewoche der Performance Days statt und sorgt Online für ein Mehr an Informationen, aktuellen Trends und Materialinnovationen. So hat die Branche die Möglichkeit, mit Ausstellern in Kontakt zu treten.

Im Fokus des zukunftsweisenden PERFORMANCE FORUMS stehen im Sommer die Gewinner der beiden Awards. Auch in diesem Jahr vergibt die Jury neben einem PERFORMANCE AWARD einen ECO PERFORMANCE AWARD.

Funktion neu gedacht: Herausragende Stoffinnovationen für die Saison Sommer 2023
Pflanzenfasern wie Hanf, Biobaumwolle, Bambus, Wolle, Kapok oder Coconutshell bleiben gefragt, zudem verzichten Hersteller vermehrt auf umweltschädliche Chemikalien, vermeiden Mikroplastik, befürworten natürliches Färben und versuchen Stoffe entweder wieder in den Kreislauf zurückzuführen, Plastik und anderen Abfall zu recyceln oder Fasern so herzustellen, dass sie biologisch abbaubar sind.

Vom 17. bis 21. Mai 2021 findet die digitale Messewoche der Performance Days statt und sorgt Online für ein Mehr an Informationen, aktuellen Trends und Materialinnovationen. So hat die Branche die Möglichkeit, mit Ausstellern in Kontakt zu treten.

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Im Marketplace haben Besucher die Möglichkeit, über 9.000 Produkte der Aussteller zu sichten, darunter auch die Stoff-Highlights der einzelnen Kategorien des PERFORMANCE FORUMS. Um dem Besucher die Stoffe in Haptik, Design und Struktur so realitätsgetreu wie möglich digital präsentieren zu können, wurde das PERFORMANCE FORUM mit neuartiger 3D-Technik ausgestattet, darunter innovative Tools wie 3D Bilder, Videoanimationen und U3M Dateien zum Download.

Einzigartig: PERFORMANCE AWARD & ECO PERFORMANCE AWARD Winner
Auch für die Frühjahr/Sommersaison 2023 hat die Jury zwei Awards für herausragende Neuentwicklungen vergeben – so präsentiert sich neben dem PERFORMANCE AWARD Winner, der an Trenchant Textiles geht, auch ein ECO PERFORMANCE AWARD Winner, verliehen an Utenos Trikotazas.

Nachhaltigkeit auf höchster Ebene, Wellbeing für Körper & Seele:
Mit einem vollständig biologisch abbaubaren, gebürsteten Fleece-Material aus 11% Hanf, 63% Organic Cotton und 26 % Tencel überzeugte Utenos Trikotazas die Jury und holte sich für nachhaltigen Komfort den ECO PERFORMANCE AWARD. Das extrem flauschige Material liegt angenehm auf der Haut und besticht mit einer unfassbar weichen Haptik. Hanf ist bekannt für seine natürliche antibakterielle Wirkung und natürlichen UV-Schutz. In Kombination mit Bio-Baumwolle und Tencel garantiert dieser Stoff eine perfekte Wärme- und Geruchsregulierung.

Funktion neue gedacht, Grenzen aufbrechen und Raum für Neues schaffen: Passend zum Focus Topic der digitalen Messewoche „Still Physical – Your Success Story of 2020“ wurden in der neuen Stoffkonstruktion von Trenchant Textiles funktionelle Features mit modischem Design verbunden, die den PERFORMANCE AWARD verdient. Die Membran auf der Außenseite, SlickrB, besteht aus ungiftigem, nachhaltigen Polypropylen-Membran. Durch das Drucken von Punktmustern auf die Oberfläche der Membran, erhält der Stoff eine bessere Abriebfestigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Atmungsaktivität. Revolutionär: Muster und Farben können je nach Belieben individuell geändert werden. Der Innenliner aus N15DW (15D gewebtes Polyamid) sorgt ebenfalls für Reißfestigkeit sowie für ausreichend, aber nicht zu viel Dehnung.