Checkered Sheet

1. EINLEITUNG

Wir hatten die Aufgabe eine Alternative zu petrolium-basierten Kunststoffen herzustellen, die man leicht zu Hause nachmachen kann. Unser Ziel war es ein Material zu produzieren, welches flexibel, aber dennoch strapazierfähig ist und lichtdurchlässt. Als Grundlage haben wir ein Rezept auf Gelatine Basis ausgewählt.

2. DAS PROJEKT

2.1 RECHERCHE

Biokunststoffe, auch als Biopolymere bekannt, sind eine innovative Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen, da sie zu mindestens 20 Prozent aus erneuerbaren Biomassequellen wie Stärke, Zellulose oder Zucker bestehen. Durch ihre biologische Herkunft sind sie biologisch abbaubar und tragen dazu bei, den Einsatz von Mineralöl und fossilen Rohstoffen zu reduzieren. Es gibt zwei Hauptkategorien von Kunststoffen: Thermoplasten, die wiederholt erhitzt und abgekühlt werden können und somit recyclebar sind, und Duroplasten, die nach der Aushärtung fest und nicht wiederverwertbar sind.

Thermoplastische Stärke

- aus Mais , Weizen, Kartoffeln, Tapioka

- wasserlöslich > in Pharmazie genutzt

- mehr Anwendung durch chemische Modifizierung in anderes Polymer

Polylactide

- aus Fermentation von Stärke in Milchsäure

- transparent, farblos, glänzend, ähnlich wie herkömmliches Plastik

- wasserabweisend, druckbar, atmungsaktiv

Polyhydroxyalkanoat

- ähnlich wie Polypropylen

- wasserfest, flexibel, stabil

- 100% abbaubar

Polyhydroxyalkanoate

- aus Fermentation von Zucker oder Lipiden

- viele Möglichkeiten durch Verbindungen

pflanzliche Öle

- Rohmaterial für Polyamide, Harze, Schäume

Lignin

- in allen Pflanzenzellen, 1/3 Baum

- mit Methanol und Salzsäure wie Harz

Biokunststoffe finden Anwendung in Verpackungen und Einwegprodukten, die schnell abgebaut werden sollen, sowie in dauerhaften Produkten, die recycelbar sind. Trotz ihrer ökologischen Vorteile stehen Biokunststoffe vor Herausforderungen wie höheren Produktionskosten und Bedenken hinsichtlich des Flächenverbrauchs. Dennoch deuten steigende Wachstumsraten und Forschungsaktivitäten darauf hin, dass Biokunststoffe eine vielversprechende Zukunft haben könnten, insbesondere in Branchen wie Bauwesen und Architektur.

2.2 Einkausliste

Geräte: Töpfe, Herdplatte, Thermometer, Waage, Messer, Löffel, Rührer, Petrischale (andere Form), Messbecher, Desinfektion

Aspikgelatine - Supermarkt (Kaufland…)

destilliertes Wasser - Supermarkt (Edeka…)

Glycerol - Apotheke, Viterra Magdeburg GmbH, Thermo Fisher Scientific

Baumwollstoff - Altkleidung, Stoffe.de, Buttinette

Butterfly Pea Puder - Matexcel, Amazon

Gummi Arabicum - Apotheke, medpex

2.3 Ablauf

25.11.2023

Bei unserem ersten Treffen, kamen wir auf die Idee ein Material herzustellen, das eine Ähnlichkeit zu Buntglass besitzt und demnach lichtdurchlässig, stabil, aber dennoch leicht flexibel sein soll. Deshalb entschieden wir uns bei den ersten Experimenten ein auf Gelatine basierendes Rezept zu verwenden. Gleichzeitig haben wir auch eine Mischung aus Agar und Stärke, sowie Agar und Gelatine ausprobiert, wobei die Ergebnisse leider nicht zufriedenstellend waren, da sie keinerlei Strapazierfähigkeit aufwiesen und sehr geleeartig waren. Nach der Analyse unserer Ergebnisse kamen wir zu der Erkenntnis, dass ein Rezept mit verändertem Mischungsverhältnis (Gelatine Sheet Recipe) die besten Erfolge verspricht. Trotz dieses erfolgreichen Tages, konnten wir keines unserer hergestellten Materialien weiterverwenden, da alles schimmelte. Jedoch konnten wir nun aus diesem Fehler lernen.

01.11.2023

Am 2. Labortag lag unser Fokus hauptsächlich auf den Rezepten auf Gelatinebasis.
Angefangen haben wir mit dem Gelatine Sheet Rezept. Nach dem Verrühren und Erhitzen ( 1:55min ), haben wir unsere Masse dünn in 3 Petrischalen gegossen. Dabei haben wir ein Sieb genommen, um möglichst viel Schaum rauszufiltern. In eine Schale [1] haben wir Sandelholz als Pigment hinzugefügt und verrührt . Um etwas gegen die Schimmelbildung zu unternehmen, haben wir alle Arbeitsutensilien vor der Nutzung desinfiziert. Das Material [1] haben wir im Trockenschrank bei 41°C für 3:18h trocknen lassen. Das Material in Schale [2] haben wir mit einer Schicht Rapsöl bedeckt. Material [3] wurde mit Desinfektionsspray besprüht. Durch diese Vorgehensweise konnten wir die Schimmelbildung bei [1] und [3] verhindern. Bei [2] kam es zu einer starken Schimmelbildung, außerdem war das Material nach einer Woche Lufttrocknen noch nicht getrocknet. Insgesamt ist das Rezept gut, um klare, flexible Folien herzustellen, die recht stabil sind.

Bei unserem nächsten Versuch wollten wir ein Rezept auf Cellulosebasis ausprobieren. Da wir keine mikrofibrillierte Cellulose zur Verfügung hatten, haben wir nanokristalline Cellulose verwendet. Aus vermutlich diesem Grund mussten wir 25ml mehr Wasser als im Rezept stand dazugeben, da die Konsistenz sonst zu fest geworden wäre. Danach haben wir die nun vorhandene weiße, breiige Paste für 38min ruhen lassen, um sie danach mit dem Magnetmixer für 30min bei 1000 Umdrehungen zu mixen. Als nächstes haben wir 25ml Glycerol hinzugegeben und die Paste bei 1150 Umdrehungen für 15min stehen gelassen. Die Paste mit nun sehr fester Konsistenz haben wir in eine Petrischale gegeben und bei 51°C für 3:18h im Trockenschrank trocknen lassen. Das Ergebnis war eine sehr unflexible, gipsartige, weiße Scheibe, welche in der Mitte mehrere Brüche hatte. Dieses Rezept haben wir schlussendlich für unser Vorhaben verworfen.

Zeitgleich mit dem Cellulose Rezept haben wir ein weiteres Material mit dem Gelatine Grundrezept hergestellt. Nach regelmäßigem Rühren(50s) haben wir die Masse aufgeteilt. In 39,1g Gelatine-Gemisch haben wir 1,5g Butterfly Pea Pulver als Pigment hinzugegeben[4]. Die restlichen 58g haben wir mit 1,5g Rote Beete Pulver versetzt[5]. Beides haben wir durch ein Sieb in Petrischalen gegossen und bei 41°C für 3:18h in den Trockenschrank gestellt. Dadurch kam es bei Material [4] zu keiner Schimmelbildung. Es ähnelt einer stabilen Folie, ist relativ flexibel und für einen dickeren Auftrag geeignet. Durch die zu hohe Pigmentzugabe ist die Lichtdurchlässigkeit recht schwach. Bei Material [5] hat sich leichter Schimmel am Rand gebildet, was vermutlich an eingeschlossener Flüssigkeit lag. Es ist wie [4] folienartig, aber etwas weniger flexibel. Das Pigment hat eine unebene Oberfläche verursacht.

08.11.2023

Bei unserem 3. Treffen haben wir weiter mit dem Gelatine Sheet Rezept gearbeitet. Zunächst haben wir Material [1] von der vorherigen Woche in 1cm breite Streifen geschnitten. Das selbe haben wir mit Material [3] getan. Als nächstes haben wir sie ineinander verwoben, wodurch ein Gitter entstanden ist. Dieses Gitter haben wir in eine Petrischale gegeben. Damit alles stabil zusammen hält, haben wir die doppelte Menge vom Gelatine Sheet Rezept hergestellt und nach dem erhitzen, durch ein Sieb in die Petrischale gegossen bis das Gitter komplett bedeckt ist. Leider war die Masse zu heiß, wodurch besonders Material [1] geschmolzen ist. Augenscheinlich ist Material [3] weniger geschmolzen. Dennoch hat es sehr gut geklappt und es ist eine sehr flexible, stabile Folie mit interessanter Optik entstanden. Getrocknet haben wir es wieder im Trockenschrank.

Zeitgleich haben wir ein Stück Baumwollstoff auf die Größe einer Petrischale zugeschnitten, in die Schale gelegt und mit der Gelatine Masse bedeckt. Der Stoff hat die Masse dabei aufgesaugt. Nach dem Trocknen im Trockenschrank haben sich die Eigenschaften des Stoffes leider kaum verändert. Die Oberfläche ist etwas glatter geworden.

Als Vorbereitung für das nächste Mal haben wir 3 Gelatine Sheets mit Butterfly Pea Pigment angefertigt, dünn in die Form gegossen und im Trockenschrank trocknen lassen.

Zum Schluss haben wir in 100g des Gelatine Sheet Rezeptes 20g Gummi Arabicum hinzugefügt. Diese Mischung haben wir 1:31min erhitzt bis sie 95°C erreicht hat. Dann haben wir sie durch ein Sieb auf drei Petrischalen aufgeteilt und sie in den Trockenschrank gegeben. Wir wollten, dass der Gummi das Material stabiler macht, aber gleichzeitig die Flexibilität erhält. Leider war das Ergebnis extrem porös, besonders bei den dickeren Proben. Vermutlich war der Gummi Anteil zu niedrig. Aus Zeitgründen konnten wir diesen Weg nicht weiter verfolgen.

Bei dem Versuch mit Gummi haben wir in das Sieb ein Stück Baumwollstoff gelegt, um so viel Schaum wie möglich abzufangen. Aus Interesse haben wir dieses Stück Stoff in eine Petrischale gelegt und mit in den Trockenschrank getan. Hier gab es nun eine Veränderung. Der Stoff hat eine glatte Seite bekommen und ist etwas steifer geworden. Dennoch kann man ihn z.b. noch zerknäulen, jedoch ist er nun resistenter gegenüber Falten und stabiler.

01.12.2023

Am Open-Lab-Day haben wir uns auf eine Variante von unserem verflochtenen Material fokussiert. Dieses Mal haben wir ein Stück Baumwollstoff, sowie zwei blaue Gelatine Sheets in 1cm breite Streifen geschnitten. Diese haben wir wieder ineinander verwoben und das nun entstandene Netz in eine Petrischale gegeben. Als nächstes haben wir das Gelatine Sheet Rezept genutzt und die daraus entstandene Masse auf 95°C erhitzt. Dann haben wir es auf 36°C abkühlen lassen und währenddessen den Schaum abgeschöpft. Durch das Abkühlen ist das Gelatine Sheet im Netz beim eingießen(7mm) kaum geschmolzen. Getrocknet haben wir das Material wieder im Trockenschrank. Das Ergebnis ist ein sehr stabiles, leicht folienartiges, flexibles Material mit interessanter Optik.

Gleichzeitig haben wir aus den Resten unserer blauen Gelatine Sheets, sowie den zerbrochenen Gelatine-Gummi Sheets ein neues Material hergestellt. Zuerst haben wir die Gummi Sheets zerkleinert und die Gelatine Sheets klein geschnitten. Dann haben wir beides in zwei Petrischalen gemischt und den Rest unserer hergestellten Gelatine Sheet Masse hinzugegeben. Nach der Trocknung im Trockenschrank hatten wir ein flexibles Material mit schönem Muster. Eines der beiden Materialien ist leicht geschimmelt.

Aus Interesse haben wir den abgeschöpften Schaum in einer Petrischale verteilt und im Trockenschrank trocknen lassen. Entstanden ist ein sehr flexibles, leichtes Material, welches an Schaumfolie erinnert.

2.4 Ergebnis

Unsere finale Versuchsreihe besteht aus unseren beiden geflochtenen Materialien, sowie dem durch das Gelatine-Gummi Gemisch verändertem Baumwollstoff.

Aus dieser Reihe haben wir uns für das aus Baumwollstoff und Gelatine Sheet geflochtene Material entschieden. Es ist stabil und gleichzeitig flexibel. Außerdem hat es ein interessantes Aussehen.

Man könnte es als Verpackungsmaterial verwenden, sowie als Dekoelement bei Mode oder Möbeln. Die Wasserlöslichkeit schränkt die Verwendungen ein, jedoch haben wir uns überlegt, dass man es mit Wachs behandeln könnte, damit es wasserabweisend wäre.

3. FAZIT

Abschließend hat sich gezeigt, dass es unzählige Alternativen zu petroleum- basierten Kunststoffen geben könnte, aber einfach nur die Forschung fehlt. Bioplastiken haben immenses Potenzial und die meisten kann man in der eigenen Küche herstellen und erforschen. Die aufgeführten Versuche sind nur ein kleiner Teil, von dem was man ausprobieren könnte, deshalb lohnt es sich immer weiter in die Richtung zu forschen.