Kunststoffe sind die Grundlage eines Großteils des modernen Lebens – Bereiche wie Medizin, Technologie und Lebensmittelsicherheit wären ohne Kunststoffe und ihre nützlichen Eigenschaften nicht wiederzuerkennen. Die oft erwünschte Zähigkeit von Kunststoffen macht sie jedoch auch zu einem gefährlichen Schadstoff und schwierig zu recyceln. Die Lösung für dieses ernste und wachsende Problem besteht darin, das Recycling von Kunststoffen zu erleichtern.
In einer Studie veröffentlicht in Chemische WissenschaftForscher der Universität Osaka haben einen Weg gefunden, robuste Hochleistungspolymere, den Hauptbestandteil von Kunststoffen, herzustellen, die einfach und präzise in ihre Bestandteile zerlegt und zu neuwertigen Materialien recycelt werden können.
Der Hauptbestandteil von Kunststoffen sind Moleküle, sogenannte Polymere, bei denen es sich um lange Ketten kleiner, sich wiederholender Einheiten handelt, die Monomere genannt werden. Beim derzeitigen physischen Recycling werden die Polymere einfach wiederverwendet, ohne sie zu zersetzen, und der recycelte Kunststoff ist in der Regel schlechter als das Original.
Chemisches Recycling ist eine neuere Methode, bei der die Polymerketten wieder in ihre Monomereinheiten zerlegt und die Einheiten dann wieder aneinandergereiht werden. Der recycelte Kunststoff ist so gut wie neu. Allerdings sind die für das chemische Recycling konzipierten Polymere in der Regel schwach, da sie schwache Verbindungen zwischen den Monomereinheiten aufweisen, sodass die Ketten leicht aufgebrochen werden können.
Die Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, robuste, chemisch recycelbare Polymere herzustellen, ohne Kompromisse bei der Hitze- und Chemikalienbeständigkeit einzugehen. Dieser Durchbruch könnte den Einsatz chemisch recycelbarer Polymere enorm erweitern.
„Wir wussten, dass wir die Verbindungen zwischen den Monomeren in rauen Umgebungen wirklich stark machen mussten, sie aber unter bestimmten Bedingungen für das Recycling leicht aufbrechen mussten“, sagt Hauptautor Satoshi Ogawa. „Wir waren überrascht, dass niemand versucht hatte, eine dirigierende Gruppe einzubauen, die die starken Bindungen nur in Gegenwart eines Metallkatalysators aufbrechen würde.“
Die leitende Gruppe ist wie ein Schloss für den Link und öffnet den Link nur, wenn der richtige Schlüssel vorhanden ist. Die Polymere hielten hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien stand, aber beim Recycling fungierte ein Nickelkatalysator als Schlüssel, und die dirigierende Gruppe öffnete die Bindungen leicht und setzte die Monomere frei. Aus den Monomeren konnte dann das ursprüngliche Polymer wieder zusammengesetzt werden.
„Es ist ein großer Fortschritt, ein so robustes Polymer herzustellen, das einfach und präzise zerlegt und in so wenigen Schritten zu einem makellosen Material recycelt werden kann“, erklärt der leitende Autor Mamoru Tobisu. „Dieses revolutionäre Design könnte zur Herstellung von Hochleistungspolymeren verwendet werden, die unbegrenzt ohne Qualitätsverlust recycelt werden können.“
Die Arbeit des Teams zeigt, dass es keinen Kompromiss zwischen Leistung und Recyclingfähigkeit geben muss. Ihr Design könnte in vielen anderen Polymeren verwendet werden, um viele Arten von Kunststoffen chemisch recycelbar zu machen und möglicherweise dazu beizutragen, die Plastikverschmutzung in den Mülleimer der Geschichte zu verbannen.
Weitere Informationen:
Kontrollierter Abbau chemisch stabiler Poly(arylether) durch dirigierende gruppenunterstützte Katalyse, Chemische Wissenschaft (2024). DOI: 10.1039/d4sc04147j