Designermaterialien, um Plastik von Mülldeponien fernzuhalten

Wissenschaftler haben ein neues Materialsystem entwickelt, um eine der größten Herausforderungen beim Recycling von Konsumgütern zu bewältigen: das Recycling gemischter Kunststoffe. Ihre Leistung wird dazu beitragen, eine viel breitere Palette vollständig recycelbarer Kunststoffprodukte zu ermöglichen und eine effiziente Kreislaufwirtschaft für langlebige Güter wie Autos in Reichweite zu bringen.

Wir erzeugen jedes Jahr erstaunliche Mengen an Kunststoff und kunststoffhaltigen Produkten, aber nur ein winziger Bruchteil dieses Kunststoffs kann zurückgewonnen und zur Herstellung von Produkten ähnlicher Qualität verwendet werden. Das liegt daran, dass die meisten Produkte, von Lebensmittelverpackungsfolien und Einwegtaschen bis hin zu Turnschuhen und Elektronik, aus Mischungen verschiedener Kunststoffe hergestellt werden, und sobald sie gemischt sind, können diese Kunststoffe nicht wiedergewonnen und zur Herstellung neuer Taschen oder Turnschuhe verwendet werden. Stattdessen landet das meiste davon auf Deponien, Verbrennungsanlagen oder Ozeanen.

Ein Team von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) stellt sich der Herausforderung des gemischten Kunststoffs mit einem maßgeschneiderten Material namens Polydiketoenamin (PDK), einer neuen Art von Kunststoff, die sie entwickelt haben, um effizient und unbegrenzt recycelt zu werden und eine niedrige Kohlenstoffherstellungslösung für Kunststoffprodukte, die niemals auf einer Mülldeponie landen müssen.

In einer neuen Studie, die in erscheint Wissenschaftliche Fortschrittezeigte das Team, dass es kundenspezifische PDKs herstellen kann, die speziell auf das Recycling gemischter Kunststoffe zugeschnitten sind, und dass es die Kunststoffbestandteile aus einem gemischten Produkt, das aus mehreren PDKs und anderen gängigen Herstellungsmaterialien besteht, vollständig zurückgewinnen kann. Brett Helms von der Molecular Foundry von Berkeley Lab leitete das multidisziplinäre Team, dem unter anderem auch Forscher des Joint BioEnergy Institute (JBEI) und der Advanced Light Source von Berkeley Lab angehörten. Die Arbeit ist eine wichtige Validierung eines vielversprechenden Materials und vertieft unsere Kenntnisse der Polymerchemie.

„Wir wissen jetzt, wie man PDK-Kunststoffe maßschneidern kann, um komplexe Produkte aus mehreren Arten von Materialien zu recyceln“, sagte Helms. „Ein Beispiel könnte ein Schuh sein, bei dem ein Textil durch einen Klebstoff mit einem Gummi verbunden ist. Herkömmliche Materialien, die in solchen Produkten verwendet werden, können nicht zur Wiederverwendung recycelt werden, da sie nicht unabhängig voneinander dekonstruiert werden können verschiedene, speziell entwickelte PDK-Polymere, dann könnten sie das zum ersten Mal sein.“

Erstellen eines Designermaterials

PDKs und andere Kunststoffe sind als Polymere bekannt, Materialien, in denen die konstituierenden Moleküle lange Ketten kleiner sich wiederholender Einheiten sind, die als Monomere bekannt sind. Für diese Arbeit begannen die Forscher mit der Herstellung einer Vielzahl von PDKs mit leicht unterschiedlichen chemischen Strukturen und zeigten, dass jedes mit hoher Rückgewinnungsausbeute „depolymerisiert“ oder in seine jeweiligen Monomere zerlegt werden konnte. Dies ist im Wesentlichen der Prozess des Kunststoffrecyclings, da diese zurückgewonnenen Monomere dann zur Herstellung einer neuen Charge von PDK verwendet werden können.

Das Team fand heraus, dass jedes PDK bei einer anderen Temperatur und Geschwindigkeit depolymerisiert wurde. Um diese Eigenschaften besser zu verstehen, verwendeten sie theoretische Berechnungen und Computermodelle (Dichtefunktionstheorie), um die verschiedenen Polymere zu simulieren und zu untersuchen, wie sie sich bilden und depolymerisieren. Anhand dieser theoretischen Erkenntnisse identifizierte das Team die besten PDK-Moleküle für die Aufgabe und optimierte ihr Design weiter.

„Ein besonders schöner Aspekt dieser Arbeit war die enge Integration zwischen den Experimenten und Berechnungen“, sagte Kristin Persson, Direktorin der Molecular Foundry, die die theoretische Arbeit leitete. „Durch die Aufdeckung des Mechanismus, der der Zirkularität zugrunde liegt, konnten wir neue Polymere entwerfen, die ihre Recyclingfähigkeit beibehalten. Wir freuen uns, dass diese Designeinblicke in die zukünftige Arbeit einfließen werden.“

„Durch diese Wechselwirkungen zwischen Theorie und Experiment bauen wir das Wissen und den Rahmen auf, um die Designregeln für die Polymerreaktivität festzulegen“, sagte Helms. „Wir hätten sonst nur Beobachtungen, keine Erklärung.“

Mischkunststoffe? Kein Problem

Unter Verwendung dieser optimierten Moleküle demonstrierten die Forscher den Erfolg ihres Materialsystems, indem sie gemischte Kunststoffe herstellten, die jeweils aus zwei verschiedenen PDKs hergestellt wurden, und dann die Bestandteile vollständig depolymerisierten und zurückgewinnten. Sie wiederholten die Demonstration mit PDKs in verschiedenen Farben, adressierten eine besondere Herausforderung der Branche und zeigten, dass sie mit einem etwas komplexeren Verfahren die PDK-Monomere erneut mit hohen Ausbeuten zurückgewinnen konnten.

Das Team zeigte auch, wie mit PDK aus herkömmlichen Kunststoffen recycelbare, flexible Kunststoffverpackungen hergestellt werden können. Sie bildeten eine mehrschichtige Folie aus gängigen Kunststoffen – Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) – und verwendeten eine „Verbindungsschicht“ aus PDK, um sie miteinander zu verbinden. Normalerweise konnten PP und PET nicht aus einem mehrschichtigen Material extrahiert werden, aber hier nutzten die Forscher ihre Kontrolle über die PDK-Schicht, um auch die PP- und PET-Folien zu trennen und zurückzugewinnen.

In einer abschließenden Demonstration ihres leistungsstarken Ansatzes bauten die Forscher ein Objekt aus einer Mischung verschiedener PDKs zusammen mit Glas und Edelstahl, um die Herausforderungen des Autorecyclings zu simulieren, und durchliefen den Recyclingprozess erneut, um die ertragreiche Rückgewinnung des zu demonstrieren PDK-Monomere sowie Glas und Metall. Diese Ergebnisse könnten zu einer bedeutenden Veränderung unserer Herangehensweise an die Herstellung langlebiger Güter führen und eine Kreislaufwirtschaft ermöglichen, in der Produkte so konzipiert sind, dass sie vollständig zurückgewonnen und wiederverwendet werden können.

„Komplexe Verbraucherprodukte werden heute einfach nicht recycelt; sie werden entweder verbrannt, deponiert oder heruntergefahren“, sagte Helms. „Hier haben wir den Grundstein dafür gelegt, wie solche Produkte zu ihren ursprünglichen Monomerbausteinen zurückgeführt werden können, um die Rückgewinnung von an sie gebundenen Materialien zur Wiederverwendung zu erleichtern, einschließlich wertvoller Metalle oder Glas. Auf diese Weise bringen PDK-Materialien mehr Kreislaufwirtschaft zur Herstellung mit an sich niedriger CO2-Intensität.“