Chemiker stellen sich der schwierigen Herausforderung, gemischte Kunststoffe zu recyceln

Kunststoffe sind allgegenwärtig in unserem täglichen Leben, aber nicht alle Kunststoffe sind gleich – weit gefehlt.

Nehmen Sie zum Beispiel Polyethylenterephthalat, einen Kunststoff, der zur Herstellung von Getränkeflaschen und Bekleidungsfasern verwendet wird. Dann gibt es hochdichtes Polyethylen, aus dem Shampooflaschen, Milchkännchen und Schneidebretter hergestellt werden. Vergessen Sie nicht Polystyrol für Verpackungen oder Polyethylen niedriger Dichte, das uns Frischhaltefolie und Einkaufstüten liefert.

All dies sind Kunststoffe, die am häufigsten verwendeten Arten von Polymeren – Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Einheiten kleiner Moleküle, den sogenannten Monomeren, bestehen. Post-Consumer-Kunststoffe werden fast immer als gemischter Abfallstrom gesammelt, und Produkte werden häufig aus zwei oder mehr Kunststoffarten hergestellt.

Die schlechte Nachricht ist, dass diese Gegenstände, obwohl sie alle „Kunststoffe“ sind, chemisch und physikalisch inkompatibel sind und es keine gute industrielle Methode gibt, sie wiederzuverwenden oder zu anderen nützlichen Produkten weiterzuverarbeiten. Aus diesem Grund landen die meisten dieser „Wertstoffe“, die Sie jede Woche in den Müll werfen, auf einer Mülldeponie. Auch nach sorgfältiger Sortierung und Trennung in einzelne Kunststoffe liefert das werkstoffliche Recycling meist minderwertige Produkte, das sogenannte Downcycling.

Polymerchemiker an der Colorado State University sind seit langem führend bei der Suche nach Wegen zur Bewältigung der Umweltprobleme, die Menschen mit Kunststoffabfällen verursacht haben. Jetzt haben sie eine grundlegende neue Chemie entwickelt, die eine kreative Lösung für die Herausforderung des Recyclings von Kunststoffen mit gemischter Verwendung darstellt.

Unter der Leitung von University Distinguished Professor Eugene Chen vom Department of Chemistry und Tomislav Rovis und Sanat Kumar, Professoren an der Columbia University (Rovis war früher Fakultätsmitglied an der CSU), hat das Team eine neue chemische Strategie entwickelt, die speziell entworfene kleine Moleküle liefert universelle dynamische Vernetzer in gemischte Kunststoffströme.

Diese Vernetzer verwandeln einen ehemaligen Haufen unvermischbarer Materialien in einen brauchbaren neuen Satz von Polymeren, die in neue, höherwertige, wiederverarbeitbare Materialien umgewandelt werden können, ein Prozess, der als Upcycling bekannt ist. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Dynamische Vernetzer

Beim Erhitzen und Verarbeiten zusammen mit den in geringen Mengen zugesetzten dynamischen Vernetzern werden die gemischten Kunststoffe miteinander verträglich gemacht, indem in situ ein neues Material entsteht, ein sogenanntes Multiblock-Copolymer.

Kumar verglich die Blockcopolymere mit Seifenmolekülen, die Wasser mit öligen Schmutzmolekülen verträglich machen. „In ähnlicher Weise machen diese neuartigen dynamisch geformten ‚Seifen‘, also die Blockcopolymere, Mischkunststoffe kompatibel und machen sie als neuartiges Material mit nützlichen Eigenschaften nutzbar.“

Diese neue Methode des Upcyclings, bei der keines der ursprünglichen Polymere dekonstruiert oder rekonstruiert wird, bietet eine potenzielle Lösung für die Rückgewinnung von Materialien und Energie, die in gemischten Kunststoffen nach dem Verbrauch enthalten sind, die normalerweise auf Mülldeponien landen.

Das Team entwarf seine Vernetzer und testete sie an einer Vielzahl von Kunststoffen, einschließlich Proben von gemischten Polyethylen-Ziploc-Beuteln und Polylactid-Bechern ohne vorherige Reinigung oder Entfernung von Zusatzstoffen oder Farbstoffen, die typischerweise in Post-Consumer-Kunststoffprodukten vorhanden sind. Sie kombinierten ihre Experimente mit Modellstudien, um zu verifizieren, dass die Vernetzer die Bildung neuer Multiblock-Copolymere induzieren.

„Das System ist so effizient, dass es drei verschiedene Polymere zu einem einzigen neuen Material kompatibel macht“, sagte Rovis.

Mehrere Nutzungszyklen

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre neue Strategie dazu beitragen könnte, das ultimative Ziel der Wiederverwendung gemischter Kunststoffabfälle über mehrere Nutzungszyklen hinweg zu erreichen, sagte Chen.

„Ein zentrales Hindernis sind die Kosten; wir sprechen von Millionen Tonnen Plastikabfall, und Sie müssen überlegen, wie viele dieser dynamischen Vernetzer Sie benötigen, obwohl wir derzeit nur weniger als 5 % des Gewichts der Kunststoffe in unserem Upcycling benötigen Prozess. Wie bei vielen grundlegenden Entdeckungen in der Geschichte gibt es ganz am Anfang praktische Hindernisse, aber wir sind sehr gespannt auf das zukünftige Potenzial.“