Polymerwissenschaftsteam entwickelt Additiv, das eine breite Palette von Kunststoffen „upcyceln“ kann

Man muss nicht daran erinnert werden, dass die Plastikproduktion und die Plastikverschmutzung im Laufe der Jahre stetig zugenommen haben – die Beweise dafür sind überall um uns herum. Was wäre, wenn wir Plastik auf wirklich nachhaltige Weise recyceln könnten?

Genau diese Frage stellt Reika Katsumata, Assistenzprofessorin und Ph.D. Studentin Autumn Mineo vom Fachbereich Polymer Science and Engineering (PSE) des College of Natural Sciences, die mit Polymerrecycling experimentiert, um neue, umweltbewusste Chemie und Technologien für die Polymerwiederaufbereitung zu identifizieren.

Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Angewandte Chemie Internationale Ausgabe.

Die Realitäten des Recyclings

Wir würden uns alle gerne vorstellen, dass trotz unserer größten Bemühungen, nicht wiederverwertbare Gegenstände zu vermeiden, der gelegentliche Styroporbecher, den wir in den Müll werfen, irgendwann in einen brandneuen Becher umgewandelt werden könnte, ohne dass die Umwelt dadurch nur wenig oder gar nicht belastet wird, sondern nur durch den Recyclingprozess ist komplizierter als das.

Beim mechanischen Recycling sind raue Temperaturen und Verarbeitungsbedingungen erforderlich, um ausgewählte Post-Consumer-Abfallströme als neue Produkte neu zu erfinden. Die wiederholte Einwirkung dieser Bedingungen führt dazu, dass das Material mit der Zeit zerfällt und sich die Materialeigenschaften entsprechend verschlechtern – ein Ergebnis, das oft als „Downcycling“ bezeichnet wird.

Alternativ können bestimmte Polymere chemisch abgebaut und umgeformt werden, was zu einer verbesserten Zyklenlebensdauer und Materialrobustheit führt. Allerdings ist für viele der heute verwendeten Massenpolymere ein chemisches Recycling nicht möglich.

Upcycling durch Chemie

Katsumata und ihr Team wollten einen nachhaltigeren Prozess für das Recycling und die Wiederaufbereitung von Polymeren durch die sogenannte Additions-Fragmentierungs-Transfer-Chemie (AFT) entwickeln, ein Gebiet, das sich auf radikalbasierte Bindungsaustauschreaktionen konzentriert. „Alltägliche Kunststoffe sind große Moleküle, sogenannte Polymere, die aus Wiederholungseinheiten oder ‚Monomeren‘ bestehen“, erklärte Katsumata. „Viele Polymere können chemisch nicht abgebaut und umgeformt werden, weil die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen, die die Monomere zusammenhalten, relativ stabil sind.“

Um dieses Stabilitätsproblem anzugehen, entwickelten PSE-Forscher ein Additiv, das mit herkömmlichen Monomeren copolymerisiert und Hauptketteneinheiten erzeugt, die über die Fähigkeit zum Austausch durch AFT-Chemie verfügen.

„Diese dynamische Verknüpfung kann sowohl die Polymerspaltung (oder -trennung) als auch die Polymerverlängerung fördern, um das Recycling im geschlossenen Kreislauf zu vervollständigen“, sagte Katsumata. „Darüber hinaus ermöglicht die dynamische Natur unseres Additivs andere chemische Modifikationen mit dem Potenzial für ein ‚Upcycling‘ oder eine Steigerung des Produktwerts, indem es Kunststoffabfälle aus der Massenproduktion aufnimmt und neue Arten von Spezialpolymeren bildet, wie zum Beispiel Blockcopolymer-Klebstoffe.“

Diese Arbeit identifizierte ein neues Monomer, das mit bestehenden Methoden zur Synthese von Polymeren kompatibel ist und eine dynamische Bindung zwischen Monomereinheiten schafft, die genutzt werden kann, um den Kunststoff nach der Verwendung aufzubrechen. Diese kleineren Polymerfragmente, sogenannte Oligomere, bleiben reaktiv und können als Ausgangspunkt für das Wachstum neuer Polymere dienen.

Das Team fand heraus, dass der Zyklus des Abbaus (Kettenspaltung) und des Neuwachstums (Kettenverlängerung) von Polymeren wiederholt und modifiziert werden kann, um das Ausmaß der Spaltung und Verlängerung zu ändern.

Bewusstsein schaffen

Ein wesentlicher Treiber dieser Forschung war der Wunsch, Innovationen voranzutreiben. „Unsere Forschung hat das grundlegende Wissen der AFT-Chemie erweitert, indem sie latente Reaktivität nach der Polymerisation aufgedeckt hat“, erklärte Katsumata. „Darüber hinaus hoffen wir, dass unsere Arbeit die Polymerindustrie dazu inspiriert hat, in Copolymerisationsstrategien und andere Recyclingtechnologien zu investieren, insbesondere im Hinblick auf Polyolefinprodukte.“

Katsumata und das PSE-Team sind der Meinung, dass diese Forschung als Grundlage für neue Recyclingmethoden und die Identifizierung umweltfreundlicher Chemikalien und Techniken dienen kann – und einen Ausblick auf eine Zukunft bietet, in der Kunststoffe und andere anspruchsvolle Materialien nachhaltiger gehandhabt werden.