Wissenschaftler entwickeln neuartige Methode zur Verstärkung von PVC-Produkten

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, eine Art von Kunststoffmaterial haltbarer zu machen und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass gefährliches Mikroplastik freigesetzt wird. Ihre Studie hat einen sicheren Weg identifiziert, chemische Zusätze an Polyvinylchlorid (PVC) anzubringen. Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Chem.

PVC-Kunststoffe kommen in Spielzeug, Baumaterialien und medizinischen Verpackungen vor und liegen derzeit an dritter Stelle der weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe. Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung ist reines PVC spröde und hitzeempfindlich, und Hersteller können es nur verwenden, nachdem seine Eigenschaften mit anderen Chemikalien stabilisiert wurden.

Allerdings sind diese Zusätze bzw. Weichmacher nur eine kurzfristige Lösung zur Stabilisierung von PVC. Im Laufe der Zeit lösen sich Weichmacher aus dem Kunststoff, wodurch das Material in potenziell gefährliche organische Stoffe und Mikroplastik zerfällt. Nun hat ein Team unter der Leitung von Christo Sevov, dem Hauptforscher der Studie und außerordentlichen Professor für Chemie und Biochemie an der Ohio State University, herausgefunden, dass die Verwendung von Elektrizität zur dauerhaften Befestigung dieser chemischen Zusätze solche unerwünschten Reaktionen verhindern kann.

„Anstatt diese Chemikalien einzumischen, besteht unsere Methode darin, die Weichmacherverbindung direkt chemisch an PVC zu binden, indem sie auf das Rückgrat des Polymers aufgepfropft werden“, sagte Sevov.

Durch eine solche Veränderung werden PVC-Moleküle haltbarer und widerstandsfähiger gegenüber chemischen Veränderungen, was schließlich zu Materialien mit robusteren Eigenschaften führt.

„Dies ist wirklich eines der wenigen Beispiele, die wir haben, bei denen es so viel Kontrolle über die Veränderung der Eigenschaften von PVC gibt“, sagte Sevov. „Dies ist also der erste Schritt zur kontrollierten Modifizierung von PVC, um ihm die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, egal ob es hart, dehnbar oder weich ist.“

Das Team stand vor einigen Herausforderungen; Synthetische Polymermodifikationen scheitern oft, weil die Reaktionen ursprünglich für niedermolekulare Analoga entwickelt wurden, nicht für großmolekulare Analoga wie reines PVC. Um dieses Problem zu lösen, optimierten die Forscher den Katalysator, den sie in ihrem Verfahren verwendeten, und konnten durch Versuch und Irrtum die Probleme überwinden, die bei der Bearbeitung großer Moleküle auftreten.

Abgesehen von den Fortschritten in der organischen Chemie hat die Arbeit des Teams auch Auswirkungen auf die Umwelt, da eine Obergrenze für die Geschwindigkeit des Kunststoffabbaus viel dazu beitragen kann, die Freisetzung von Mikroplastik – winzigen Plastikmüllstücken – in unsere Umgebung einzudämmen.

Heute wissen Wissenschaftler, dass diese Partikel, die nachweislich die Luft, das Wasser und unsere Nahrungsversorgung verschmutzen, sowohl für Menschen als auch für Wildtiere schädlich sind. Der durchschnittliche Mensch nimmt jedes Jahr wahrscheinlich zwischen 78.000 und 211.000 dieser Partikel auf.

Doch während Experten beginnen, die langfristigen Auswirkungen von Mikroplastik auf die Erde zu verstehen, bemühen sich organische Chemiker darum, Wege zu finden, sie aus dem Alltag zu verbannen, sagte Sevov.

„Viele Chemiker verlagern ihre Bemühungen auf die Untersuchung großer Moleküle und die Entwicklung neuer Chemikalien für das Upcycling, Recycling und die Modifizierung bekannter Polymere“, sagte er. Beispielsweise kann der Versuch, PVC-Produkte zu recyceln, aufgrund der hohen Temperaturen, die erforderlich sind, um Kunststoff in etwas anderes umzuwandeln, zu einer weiteren Verschlechterung des Materials führen, sodass der Prozess nicht sehr effizient ist.

Aber mit der Methode von Sevov „kann man das Material möglicherweise viele, viele Male wiederverwenden, bevor es wirklich zu zerfallen beginnt, was seine Lebensdauer und Wiederverwendbarkeit verbessert“, sagte er.

In Zukunft wird es mehr Kontrolle darüber geben, welche Materialien für Verbraucher sicher sind, sobald die Bemühungen zur Behebung von PVC-Leckagen zuverlässig ausgeweitet werden können. Die Studie betont, dass dies derzeit allein mit dieser Methode möglich ist.

„Es gibt keinen besseren Weg, dies in dem Ausmaß zu erreichen, wie es für die kommerzielle PVC-Modifizierung erforderlich wäre, da es sich um einen immensen Prozess handelt“, sagte Sevov. „Es gibt noch viel zu tun, bevor wir die Mikroplastik-Situation lösen, aber jetzt haben wir den Grundstein dafür gelegt, wie das geht.“

Weitere Co-Autoren der Ohio State sind Jordan LS Zackasee, Valmuri Srivardhan, Blaise L. Truesdell und Elizabeth J. Vrana.