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Ein Schritt in Richtung nachhaltig gewonnener Werkstoffe

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Fossile, erdölbasierte Ressourcen versiegen, die Bedenken hinsichtlich Umweltverschmutzung und globaler Erwärmung wachsen. Es ist deshalb von grösster Wichtigkeit, dass die Suche nach erneuerbaren, alternativen Rohstoff en vorangetrieben wird. Eine vielversprechende, erneuerbare Ressource ist das organische Molekül 5-hydroxymethylfurfural (HMF). HMF hat gewaltiges Potenzial, Grundlage für künftige Plastikmaterialien zu werden. Könnte es in Zukunft auch zu einem ungiftigen Ersatz für Formaldehyd werden, das bei der Herstellung von Spanplatten und Beschichtungssystemen eingesetzt wird?

Die Verwendung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl ist eine der Haupttriebkräfte der Wirtschaft seit Beginn der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert. So wird geschätzt, dass heute über 80 Prozent des primären Energieverbrauchs auf fossilen Brennstoffen basieren. Zudem sind die meisten Materialien, die wir täglich nutzen oder konsumieren, aus Chemikalien produziert, die aus fossilen Brennstoffen stammen. Ein gutes Beispiel aus dem Alltag ist der aus Polyethylen hergestellte Plastiksack. Die Basiskomponente für die Produktion von Polyethylen – Ethylen- Monomer – stammt wiederum aus Erdöl und Erdgas. Auch wenn fossile Produkte durch natürliche Prozesse kontinuierlich entstehen, gelten sie aufgrund ihres überproportionalen Verbrauchs als nicht erneuerbare Ressource. Aber: Welche Alternativen gibt es?

Kann Biomasse die Funktion fossiler Brennstoffe übernehmen?
Biomasse also organisches Material, das durch lebende oder unlängst lebende Organismen produziert wurde, repräsentiert eine vielversprechende erneuerbare Ressource, um die energetischen und chemischen Ansprüche der zukünftigen Wirtschaft zu befriedigen. Der Entwicklung von Wegen, um Biomasse effizient in Brennstoffe und Chemikalien umzuwandeln, wird deshalb grosse Aufmerksamkeit geschenkt. Eine besonders interessante Methode stellt die Umwandlung von Kohlehydraten, wie Fruktose oder Glukose, die aus Biomasse gewonnen wurden, in Plattform-Chemikalien dar.  Plattform-Chemikalien sind die Bausteine vieler Materialien, inklusive Klebstoffen, Kunststoffen, Kosmetikprodukten oder Arzneimittel. Darüber hinaus können sie genutzt werden, um Brennstoffe zu erzeugen. HMF stellt eine hochinteressante Plattform-Chemikalie dar. Die weltweit erste Anlage zur kommerziellen Produktion von HMF wurde 2014 durch die schweizerische AVA Biochem in Betrieb genommen.

Formaldehyd im Vergleich zu HMF

Ist HMF die ungiftige und erneuerbare Alternative zu Formaldehyd?
Formaldehyd wird hauptsächlich zur Produktion industrieller Harze genutzt, mit einem jährlichen Produktionsvolumen im Multi-Millionen-Tonnen-Bereich. Diese Harze werden überwiegend dazu verwendet, Spanplatten und Beschichtungssysteme herzustellen. Obwohl Formaldehyd auch hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird, ist das Hauptproblem dieses kleinen, flüchtigen Moleküls seine Giftigkeit. Das zeigt sich an der kürzlich durch die «International Agency for Research on Cancer» der Weltgesundheitsorganisation WHO vorgenommenen Neueinstufung von Formaldehyd als «krebserregend für Menschen».

HMF – eine ungift ige Alternative zu
Formaldehyd?

Folglich wurden in den USA bereits striktere Vorschriften hinsichtlich des Gebrauchs von Formaldehyd in Sperrholz, Spanplatten und mitteldichten Faserplatten eingeführt. Es herrscht ein allgemeiner Konsens hinsichtlich des Ziels, in naher Zukunft Formaldehyd aus allen Harzen und Beschichtungen zu beseitigen. Selbstverständlich müsste eine alternative Chemikalie ungiftig und vergleichbar in Preis und chemischer Reaktionsfähigkeit sein, um Formaldehyd ersetzen zu können. Und nicht zuletzt sollte eine solche chemische Substanz aus erneuerbaren Rohstoffen bestehen, um ihren Erfolg als langfristige Lösung sicherzustellen.

Vielversprechende Ergebnisse der BFH-Forschenden
In diesem Zusammenhang beschäftigt sich eine BFH-Forschungsgruppe damit, den Spielraum und die Beschränkungen von HMF als Ersatz für Formaldehyd hinsichtlich Klebstoffsystemen für Holzwerkstoffplatten vollständig zu evaluieren. Konkret arbeitet die BFH an zwei getrennten, von der Kommission für Technologie und Innovation KTI geförderten Projekten: Die Forschenden prüfen in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner AVA Biochem die Machbarkeit, Formaldehyd in Aminoharzen sowie in Phenolharzen vollständig durch HMF zu ersetzen. Zudem verfolgen sie das Ziel, einen möglichst hohen Anteil an Phenol durch Lignin zu ersetzen. Wie Formaldehyd wird auch Phenol überwiegend aus fossilen Brennstoffen hergestellt, in diesem Fall Rohöl. Lignin, ein holzeigenes Biopolymer, hingegen ist ein ergiebiger, derzeit unzureichend genutzter, erneuerbarer natürlicher Rohstoff. Die ersten Forschungsergebnisse sind vielversprechend. Das BFH-Forschungsteam hat zum Beispiel Amino-HMF-Harze konzipiert und synthetisiert, die in der Produktion von Spanplatten eingesetzt werden können. Erfreulicherweise erfüllen die Spanplatten bereits industrielle Standards in Hinblick auf die interne Bindungsfestigkeit von >0.35N/mm2. Es zeichnet sich also ein grosses Potenzial ab.

Muster von Spanplatten, behandelt mit Amino-Harz, das aus HMF hergestellt wurde.