Die ständig zunehmende Erzeugung von festen Kunststoffabfällen hat zu einer globalen Plastikverschmutzung sowohl an Land als auch in den Ozeanen geführt. Prognosen zeigen, dass sich der Plastikmüll in den nächsten 20 Jahren verdoppeln wird, was weitere Umweltprobleme verursachen wird. Große Mengen an Kunststoffabfällen werden derzeit verbrannt oder auf Deponien abgelagert. Das schadet nicht nur der Umwelt, sondern verbraucht auch wertvolle Ressourcen.
Vor diesem Hintergrund ist das Recycling von Kunststoffen wie Polymeren eine vielversprechende nachhaltige Alternative für die Abfallwirtschaft. Dies beinhaltet jedoch das Aufbrechen chemischer Bindungen zwischen Monomeren (Bausteinen von Polymeren), was ihre allgemeine Stabilität und Qualität verringert. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher Methoden entwickelt, um Polymere in einem „geschlossenen Kreislauf“ zu recyceln, d. h. ohne den Verlust dieser Eigenschaften. Diese Verfahren sind jedoch kompliziert und teuer und erfordern spezialisierte Monomere, was weitere Innovationen erforderlich macht.
In dieser Richtung hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Daisuke Suzuki, einem außerordentlichen Professor an der Shinshu-Universität, kürzlich einen Recyclingprozess mit geschlossenem Kreislauf auf der Grundlage von Polymermikropartikeln vorgeschlagen. Ihre Arbeit, die von Dr. Takumi Watanabe und Dr. Haruka Minato von der Shinshu University gemeinsam verfasst wurde, wurde in veröffentlicht Grüne Chemie.
Prof. Suzuki erläutert kurz die Begründung ihrer Strategie: „Das Recycling von Materialien ohne Verschlechterung (Closed-Loop-Recycling) ist attraktiv, um anthropogene Abfälle zu reduzieren. Dies ist jedoch derzeit noch sehr schwierig, da normalerweise ein Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität besteht und Abbaubarkeit von Polymermaterialien.“
„Unser Materialrecyclingkonzept mit Mikropartikeln ermöglicht das Recycling einer großen Menge funktioneller Polymermaterialien, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, und hat das Potenzial, die Probleme der Ressourcenverknappung und Umweltverschmutzung zu lösen.“
Kredit: Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC00090G
In ihrer Studie stellten die Autoren Polymermikropartikel über die wässrige Emulsionspolymerisation von Methylacrylat (MA)-Monomeren in Wasser her, die zu Polymerketten führte. Diese aggregierten, um eine Lösung zu bilden, die gleichförmige kugelförmige Poly-MA-Mikropartikel enthielt. Die Lösung wurde dann getrocknet, um einen dünnen Polymerfilm mit physikalischer (im Gegensatz zu chemischer) Vernetzung zwischen den Mikropartikeln zu erhalten, der durch Auflösen des Films in Ethanol wiedererlangt werden konnte. Diese recycelten Mikropartikel wiederum könnten wiederverwendet werden, um verschiedene recycelte Materialien zu bilden.
Die in dieser Arbeit synthetisierten Filme weisen mehrere wünschenswerte Eigenschaften auf, die sie beim Recycling beibehalten. Sie haben eine hohe mechanische Stabilität und Bruchenergie, was ein Indikator für ihre Zähigkeit ist. Die letztere Eigenschaft nimmt mit der Grenzflächendicke zwischen den Poly-MA-Mikropartikeln zu. Diese nimmt wiederum mit dem Grad der interpartikulären Vernetzung ab, nimmt aber beim Erhitzen des Films zu.
Die Forscher verbesserten die Bruchenergie der Polymerfilme weiter, indem sie die Mikropartikel mit Silica-Nanofüllstoffen mischten. Darüber hinaus verlieh die Zugabe von Farbpigmenten den resultierenden Verbundfolien einstellbare optische Eigenschaften, die sich beim Recycling nicht verschlechterten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Recycling in einem geschlossenen Kreislauf auf der Grundlage von Polymermikropartikeln eine Ressourcenzirkulation für Polymere sowie zahlreiche andere Verbundmaterialien ermöglichen wird, die Polymermikropartikel enthalten, um haftende Grenzflächen zwischen ihren verschiedenen Schichten zu schaffen.
Kredit: Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC00090G
Prof. Suzuki sagt: „Unser Konzept kann zur Herstellung von vollständig recycelbaren Folien mit hoher Bruchenergie führen. Daher wird es das Recycling großer Mengen verschiedener Polymermaterialien ermöglichen, wodurch Kunststoffabfälle reduziert und möglicherweise die Probleme der Umweltzerstörung gelöst werden Plastikverschmutzung.“
Die „Closed“-Kreislauf-Recycling-Strategie „öffnet“ sicherlich neue Türen für ein effizientes und nachhaltiges Recycling von Polymermaterialien!
Mehr Informationen:
Takumi Watanabe et al, Closed-Loop-Recycling von mikropartikelbasierten Polymeren, Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC00090G
Bereitgestellt von der Shinshu-Universität