Wissenschaftler haben ein einmaliges Verfahren entwickelt, um handelsübliche polymere Kunststoffe wie Polyester in hochfunktionelle Materialien, so genannte "Vitrimere", umzuwandeln, die leicht zu nützlichen Produkten recycelt werden können und gleichzeitig die verbesserten thermomechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Polymers beibehalten.

Neues Upcycling-System für kommerzielle Polyester

Publiziert

Mit allgemein verfügbaren Materialien und einem einfachen Misch- und Erhitzungsverfahren können Polyester in hochgradig recycelbare, hochwertige Materialien umgewandelt werden.

Kunststoffe oder synthetische Polymere haben zwar viele nützliche Eigenschaften, aber ihre falsche Verwendung hat zu einer weit verbreiteten Verschmutzung geführt, die unsere Ökosysteme erstickt. Als Lösung für dieses Problem werden viele synthetische Polymere der Wiederaufbereitung und dem Recycling zugeführt; Polyethylenterephthalat (PET) ist eines der gängigsten Produkte, das in vielen Ländern häufig dem Recyclingkreislauf zugeführt wird. Das Recycling bringt jedoch eine Reihe von Problemen mit sich. Beim Kunststoffrecycling werden Teile der Polymerketten abgebaut, was zu strukturell schwachen, minderwertigen Polymeren führt. Diese minderwertigen recycelten Kunststoffe haben deutlich schlechtere Eigenschaften und eignen sich nur als feste Brennstoffe. Damit bleibt den Herstellern kaum eine andere Wahl, als neue Kunststoffprodukte aus schnell erschöpfenden Erdölrohstoffen herzustellen.

Neues Recyclingverfahren entwickelt

Daher arbeiten Forscher auf der ganzen Welt an der Entwicklung nachhaltiger vernetzter Polymermaterialien, die effizient und kostengünstig recycelt werden können. Dr. Mikihiro Hayashi, Assistenzprofessor am Nagoya Institute of Technology in Japan, und sein Kollege Takahiro Kimura haben ein einfaches Verfahren entwickelt, um Polyester, einen weit verbreiteten Kunststoff, zu einem vernetzten Polymer zu recyceln, das seine Festigkeit und Eigenschaften beim Recycling beibehält. Bei ihrer Methode geht es darum, Polyester in Vitrimere umzuwandeln - eine neue Klasse von Polymeren mit dynamischen kovalenten Bindungen, die reversibel brechen und sich neu bilden können, um neue Vernetzungen zu schaffen. Die dynamischen kovalenten Bindungen verleihen den Vitrimeren wünschenswerte Eigenschaften wie Recyclingfähigkeit, Wiederverarbeitbarkeit und Heilungsfähigkeit, die Merkmale hochwertiger Funktionsmaterialien sind. Die Studie wurde am 1. August 2022 im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht .

Upcycling zu Vitrimeren

Dr. Hayashi sagt über ihre Studie: "Unsere Forschung zeigt einen einmaligen Upcycling-Prozess von handelsüblichen Polyestern zu vernetzten Vitrimern mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften und nachhaltigen Funktionen." Er und sein Kollege stellten die Vitrimere her, indem sie einfach Polyester mit einem Vernetzungsmolekül - Tetra-Epoxy - und der chemischen Verbindung 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU) als Katalysator in Gegenwart von Tetrahydrofuran als Lösungsmittel mischten. Das Lösungsmittel wurde später verdampft, und das verbleibende Gemisch wurde 24 Stunden lang bei 200 °C erhitzt, wobei ein Vitrimerfilm entstand.

Bei dieser Methode erfolgt die Vernetzung zur Herstellung von Vitrimer in drei schnell aufeinander folgenden Schritten: Hydrolyse (Aufbrechen der Polyesterbindungen), Epoxid-Öffnungsreaktion und intermolekulare Umesterung. Zu den überlegenen mechano-elastischen Eigenschaften der hergestellten Vitrimere sagt Dr. Hayashi: "Das hochvernetzte und recycelbare Vitrimer weist im Vergleich zum ursprünglichen Polyester einen 60-fachen Anstieg des Zugmoduls bzw. des Elastizitätsmoduls und einen 10-fachen Anstieg der maximal ertragbaren Spannung auf. Ausserdem weist es einen Gelanteil von nahezu 100 % auf. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Vitrimer seine Eigenschaften auch dann beibehält, wenn er zerkleinert und zu einer flachen Platte gepresst wird, was seine Wiederverwertbarkeit unterstreicht.

Verbesserung der Recyclingfähigkeit zur Begrenzung von Umwelschäden

Kunststoffe sind wichtige Materialien mit vielen Vorteilen und nützlichen Eigenschaften, da sie leicht, billig, ungiftig und einfach herzustellen sind. Gleichzeitig ist es jedoch notwendig, die Umweltschäden, die sie verursachen, anzuerkennen und zu begrenzen. Die Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Kunststoffpolymeren wird Recyclingprogramme fördern und den Einsatz von Erdöl, einer nicht erneuerbaren Ressource, verringern. Wie Dr. Hayashi richtig bemerkt, "braucht die Welt vielseitige Möglichkeiten für das Recycling synthetischer Polymere. Die von uns vorgeschlagene Methode wird nicht nur die Verwendung von aus Erdöl gewonnenen Chemikalien überflüssig machen, sondern könnte auch der erste Schritt zu einem praktischen und nachhaltigen Upcycling-System für die Zukunft sein, das den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft entspricht und zur Verwirklichung der SDGs beiträgt."

Als weiteren Schritt planen die Forscher nun, eine direktere Umwandlung von Polyestern in Vitrimer ohne Verwendung von Lösungsmitteln zu entwickeln, und prüfen auch, ob ihre Methode zur Umwandlung von handelsüblichem PET in andere hochgradig recycelbare Materialien eingesetzt werden kann. Im Erfolgsfall könnte die entwickelte Methode zu einem geschlossenen Kreislauf der Kunststoffproduktion führen und weitere Umweltkrisen, die durch die übermässige Kunststoffproduktion verursacht werden, abwenden.

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