Neue Strategie für recycelbare Polyolefine

Kunststoffe aus Polyolefinen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Leider fehlen praktische Methoden zum Recycling von Polyolefinen. Im Tagebuch Angewandte ChemieNun hat ein Forscherteam einen neuen Ansatz zur Herstellung neuartiger Polyolefine vorgestellt, die sich ohne Qualitätsverlust chemisch zerlegen und repolymerisieren lassen. Das Geheimnis der Methode sind maskierte Doppelbindungen, die über eine sogenannte „Trojanisches Pferd“-Funktionsgruppe in der Polymerkette in die Polymerkette eingeführt werden.

Polyolefine sind stabile, leichte, vielseitige und kostengünstige Kunststoffe aus sehr langen Kohlenwasserstoffketten. Ihre hohe Stabilität und Haltbarkeit haben jedoch einen Nachteil: Nach Gebrauch sind Polyolefine äußerst langlebig in der Umwelt. Beim mechanischen Recycling entstehen Produkte mit minderwertigen Eigenschaften. Die hohe chemische Stabilität von Polyolefinen hemmt auch die chemische Depolymerisation zur Rückgewinnung der Monomere.

Nachhaltiger wäre eine Kreislaufwirtschaft auf Basis alternativer, chemisch recycelbarer Polyolefine, die in kleinere Fragmente zerlegt, gereinigt und erneut polymerisiert werden könnten. Diese kleineren Fragmente sind auch eher biologisch abbaubar, wenn sie versehentlich in die Umwelt gelangen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Polyolefinen müssten solche Polymerketten spaltbare funktionelle Gruppen enthalten. Ein Team um Geoffrey W. Coates von der Cornell University ist nun einen Schritt weiter auf diesem Weg gegangen. Ihr neuartiger Ansatz basiert auf einer kleinen Anzahl ungesättigter Bindungen, die mit Hilfe einer „Trojanischen Pferd“-Schutzgruppe in die Polyolefinketten eingebaut werden.

Dazu polymerisiert das Team Ethylen in Gegenwart eines speziellen zyklischen Comonomers (Oxanorbornadien) zu Polyethylen. Das Erhitzen des Copolymers führt dazu, dass sich das Trojanische Pferd „öffnet“; Anschließend werden die Ringe durch eine Retro-Diels-Alder-Reaktion gespalten, wobei eine Doppelbindung in der Polymerkette zurückbleibt. Der Abstand zwischen den Doppelbindungen im Polymergerüst kann durch Variation der Comonomermenge im Einsatzmaterial gesteuert werden.

Bei einer als Olefin-Kreuzmetathese bekannten Reaktion werden die Ketten an den Doppelbindungen gespalten und an ein anderes Molekül (2-Hydroxyethylacrylat) gebunden, wodurch kleinere Ketten mit reaktiven Gruppen an den Enden entstehen. Diese Makromonomere werden dann wieder miteinander verknüpft, um PE mit geringen Mengen an Esterbindungen zu bilden.

Mit dieser Methode gelang es dem Team, Polymere mit thermischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen, die denen von hochdichtem Polyethylen (HDPE) entsprechen, einem sehr wichtigen und weit verbreiteten Kunststoff. Im Gegensatz zu HDPE verfügt das neue Material über Esterbindungen entlang des Polymerrückgrats. Beim Recycling können die Polymerketten an den Esterbindungen chemisch gespalten werden, um die ursprünglichen Makromonomere zu regenerieren. Nach der Reinigung können diese ohne Qualitätsverlust erneut polymerisiert werden.