Abbauprozesse und Charakterisierung biologisch abbaubarer Polymermaterialien
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Alle Materialien, die keine Schäden an der ökologischen Umwelt der Erde verursachen, können als recycelbare Materialien bezeichnet werden. Es gibt viele Arten von recycelbaren Materialien. Derzeit werden vor allem biologisch abbaubare Polymermaterialien intensiv weiterentwickelt. Die biologische Abbaubarkeit von Polymermaterialien bezeichnet den Prozess, bei dem Polymere unter dem Einfluss von Lebewesen (hauptsächlich Pilze, Bakterien usw.) abgebaut und assimiliert werden. Der Abbaumechanismus von Polymeren ist äußerst komplex. Es wird allgemein angenommen, dass die biologische Zersetzung kein einzelner Mechanismus ist, sondern das Ergebnis komplexer biophysikalischer und biochemischer Prozesse. Gleichzeitig spielen auch andere physikalisch-chemische Prozesse eine Rolle, wie beispielsweise Hydrolyse oder Oxidation. Die biologischen und physikalischen Prozesse verstärken sich gegenseitig – es entsteht somit ein synergetischer Effekt. Bei der biologischen Abbaubarkeit von aus natürlichen Polymeren hergestellten Polyurethanmaterialien lässt sich dieser Prozess in zwei Phasen einteilen: (1) Die Zersetzung der natürlichen Polymere, wodurch auf der Oberfläche des Polyurethans viele Mikroporen entstehen. Mit zunehmender Größe der Löcher werden zunächst die Urethangruppen von Mikroorganismen abgebaut; (2) Durch das Entstehen von Mikroporen können Mikroorganismen leicht in die inneren natürlichen Polymerverbindungen eindringen. Dadurch entstehen weitere Mikroporen, was den Zerfall des Polyurethans beschleunigt, bis es schließlich vollständig abgebaut ist. Die derzeit gebräuchlichen Methoden zur Charakterisierung der Biologisch Abbaubarkeit umfassen im Großen und Ganzen: die Bestimmung des Restgehalts sowie der relativen Molekülmasse, Methoden zur Erfassung struktureller Veränderungen, die Analyse der Zersetzungsprodukte, Methoden zur Messung der mechanischen Festigkeit, visuelle Prüfmethoden sowie Methoden zur Untersuchung von Schimmelpilzen. Es gibt noch einige Mängel bei den verschiedenen Analyse- und Charakterisierungsmethoden zur Biologischen Abbaubarkeit. Deshalb muss im Forschungsprozess in der Regel eine Kombination mehrerer Methoden angewandt werden, je nach konkreten Umständen.
Polymermaterialien weisen zahlreiche hervorragende Eigenschaften auf, die andere Materialien nicht haben. Sie werden in den Bereichen der Spitzentechnologie, der Verteidigung sowie in verschiedenen Branchen der Volkswirtschaft weit verbreitet eingesetzt. Es handelt sich dabei um unverzichtbare und unersetzliche Materialien für die moderne Wissenschaft und Technologie sowie für das tägliche Leben. Ihre Produktion und Nutzung bleiben weiterhin auf hohem Niveau. Das 21. Jahrhundert ist ein neues Jahrhundert des schnellen Fortschritts und der vollständigen Nutzung von Polymermaterialien. Doch die meisten Polymermaterialien können in der natürlichen Umwelt nicht schnell abgebaut werden. Die zunehmende Menge an weggeworfenen Polymermaterialien stellt eine erhebliche Belastung für die städtischen Abfälle dar. Der dadurch entstehende „weiße Schmutz“ beeinträchtigt ernsthaft die Lebensbedingungen der Menschen – es handelt sich dabei um ein globales Problem. Daher ist die Forschung und Entwicklung abbaubarer Polymermaterialien äußerst sinnvoll. Die Polymerabbauung bezeichnet die Reaktion, bei der die großen Molekülketten, aus denen Polymere bestehen, zerbrechen. Der Zerfallsprozess von Polymeren unter Einfluss von Umweltbedingungen wie Sauerstoff, Wasser, Strahlung, Wärme, Licht, chemischen Reagenzien, Schadstoffen, mechanischer Belastung sowie biologischen Faktoren – insbesondere Mikroorganismen – wird als Umwelteinflussbedingter Zerfall bezeichnet. Mechanistisch lassen sich die Zerstörungsfaktoren in biologische, photische und chemische Zerstörung einteilen. Am vielversprechendsten sind dabei die photische und biologische Zerstörung. Nach dem Zerstörungsmechanismus können polymerische Materialien grob in photolytisch abbaubare Polymermaterialien, biologisch abbaubare Polymermaterialien sowie in solche, die sowohl photolytisch als auch biologisch abgebaut werden können, eingeteilt werden. Die derzeit wichtigsten Forschungsbereiche sind Polymermaterialien mit photobiotischer Zerlegbarkeit sowie vollständig biologisch abbaubare Polymere mit vollständiger Zerlegbarkeit – dies ist auch die Richtung für die zukünftige industrielle Entwicklung.