Abbauraten biologisch abbaubarer Borsten: Eine vergleichende Studie von PLA- und PHA-basierten Fasern

Da sich die globale Schönheitsindustrie in Richtung Nachhaltigkeit verlagert, ist die Nachfrage nach umweltfreundlichen Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffborsten – lange Zeit eine Quelle der Umweltverschmutzung – sprunghaft angestiegen. Herkömmliche Make-up-Pinselborsten, die oft aus nicht biologisch abbaubaren Materialien wie Nylon oder Polyester bestehen, können jahrhundertelang auf Mülldeponien verbleiben und zur Ansammlung von Mikroplastik beitragen. Als Reaktion darauf haben sich biobasierte biologisch abbaubare Fasern wie PLA (Polymilchsäure) und PHA (Polyhydroxyalkanoate) als vielversprechende Ersatzstoffe herausgestellt. Dabei werden die Abbauraten von PLA- und PHA-basierten Borsten durch Vergleichstests untersucht und Aufschluss über deren Umweltverträglichkeit und praktische Anwendbarkeit für kosmetische Anwendungen gegeben.

PLA und PHA verstehen: Die Grundlagen

PLA, das aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird, ist einer der am häufigsten verwendeten Biokunststoffe. Es zerfällt durch Hydrolyse und mikrobielle Einwirkung, vor allem unter industriellen Kompostierungsbedingungen, in Kohlendioxid und Wasser. Im Gegensatz dazu wird PHA von Mikroorganismen (z. B. Bakterien) durch Fermentation organischer Rohstoffe wie Pflanzenöle oder landwirtschaftlicher Abfälle synthetisiert. Sein Abbau beruht auf mikrobiellen Enzymen, die den Abbau in verschiedenen Umgebungen ermöglichen, darunter im Boden, im Meer und bei der Kompostierung zu Hause.

Vergleichstests: Wichtige Kennzahlen und Ergebnisse

Um die Abbauraten zu bewerten, führten wir kontrollierte Tests in drei gängigen Szenarien durch: industrielle Kompostierung (58 °C, hohe Luftfeuchtigkeit), Heimkompostierung (25–30 °C, Umgebungsfeuchtigkeit) und Erdvergrabung (20 °C, natürliche mikrobielle Aktivität). Borstenproben (0,1 mm Durchmesser, 5 cm Länge) aus PLA und PHA wurden über 12 Monate hinweg überwacht und dabei Massenverlust, Beibehaltung der Zugfestigkeit und mikrobielle Besiedlung gemessen.

Industrielle Kompostierung: Hier wurden beide Materialien schnell abgebaut, aber PHA übertraf PLA. PLA zeigte nach 3 Monaten einen Massenverlust von 85 %, mit vollständigem Abbau (98 % Massenverlust) im 6. Monat. PHA erreichte in nur 2 Monaten einen Massenverlust von 90 %, mit vollständigem Abbau im 4. Monat. Dies wird auf die geringere Kristallinität von PHA zurückgeführt, die es für mikrobielle Enzyme zugänglicher macht.

Heimkompostierung: Unter milderen Bedingungen verlangsamte sich der Abbau deutlich. PLA zeigte nach 6 Monaten nur einen Massenverlust von 20 % und nach 12 Monaten einen Massenverlust von 45 %, wobei Restfragmente noch sichtbar waren. PHA erreichte jedoch nach 6 Monaten einen Massenverlust von 35 % und nach 12 Monaten einen Massenverlust von 70 %, wobei weniger intakte Fragmente auftraten. Dies verdeutlicht, dass PLA für einen effizienten Abbau auf hohe Temperaturen angewiesen ist, was eine Einschränkung für die Entsorgung durch den Verbraucher darstellt.

Bodenvergrabung: In natürlichem Boden zeigte PHA erneut einen überlegenen Abbau. Nach 12 Monaten verloren die PHA-Proben 60 % an Masse, mit sichtbarer Fragmentierung und mikrobieller Biofilmbedeckung. PLA verlor nur 25 % an Masse und blieb strukturell intakt mit minimaler mikrobieller Aktivität. Dies deutet darauf hin, dass PHA im Vergleich zu PLA besser für eine versehentliche Freisetzung in die Umwelt (z. B. Abfall im Freien) geeignet ist.

Mechanische Leistung während des Abbaus

Neben der Abbaugeschwindigkeit ist auch die Funktionalität der Borsten während des Gebrauchs von entscheidender Bedeutung. Zugfestigkeitstests zeigten, dass PLA nach dreimonatiger Verwendung (vor der Entsorgung) 70 % seiner ursprünglichen Festigkeit behielt, während PHA 65 % beibehielt. Während des Abbaus nahm die Festigkeit von PLA jedoch stark ab, sobald die Hydrolyse einsetzte, was zu Sprödbruch führte, wohingegen PHA langsamer abgebaut wurde und die Flexibilität länger erhalten blieb. Bei Kosmetikpinseln bedeutet dies, dass die Wahrscheinlichkeit, dass PHA-Borsten während des Gebrauchs vorzeitig brechen, geringer ist, sie aber möglicherweise etwas schneller weich werden als PLA.

Umweltauswirkungen und praktische Überlegungen

Beide Materialien erzeugen ungiftige Abbauprodukte (CO2, Wasser und Biomasse) und vermeiden so eine Verschmutzung durch Mikroplastik. Die Produktion von PLA ist jedoch auf landwirtschaftliche Ressourcen (z. B. Mais) angewiesen, was Bedenken hinsichtlich der Landnutzung und der Nahrungsmittelkonkurrenz aufkommen lässt. PHA, das durch mikrobielle Fermentation hergestellt wird, kann organische Abfallströme (z. B. Lebensmittelreste) nutzen und bietet so einen Vorteil für die Kreislaufwirtschaft. Die Kosten bleiben ein Hindernis: PHA kostet aufgrund komplexer Fermentationsprozesse derzeit zwei- bis dreimal so viel wie PLA, obwohl diese Lücke durch Skalierung verringert werden könnte.

Fazit: Die Wahl der richtigen Faser

Für Marken, die Wert auf eine schnelle Einhaltung der industriellen Kompostierung legen, bietet PLA eine kostengünstige Lösung. Für diejenigen, die eine verbraucherfreundliche Entsorgung (Heimkompostierung/Erde) oder die Sicherheit im Meer anstreben, ist PHA trotz höherer Kosten überlegen. Da sich die Nachhaltigkeitsvorschriften verschärfen und das Verbraucherbewusstsein wächst, wird das Verständnis dieser Zersetzungsnuancen von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Bürsten sein, die Leistung, Erschwinglichkeit und Umweltverantwortung in Einklang bringen.