Polyethylen ist der am häufigsten hergestellte Kunststoff der Welt. Er wird aufgrund seiner Eigenschaften wie Zähigkeit in sehr vielen verschiedenen, auch langlebigen Anwendungen eingesetzt. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Mecking im Fachbereich Chemie der Universität Konstanz kann nun durch die Einführung polarer Gruppen in die Molekülketten von Polyethylen dazu beitragen, die Eigenschaften des neuen Materials zu erweitern und gleichzeitig die problematische Umweltbeständigkeit des Kunststoffs zu verringern. Die erwünschten vorteilhaften Eigenschaften von Polyethylen bleiben dabei erhalten.
Bei Polyethylen handelt es sich um ein unpolares hydrophobes Material, das – ähnlich wie Wachs – sehr wasserabweisend ist. Um die Materialeigenschaften zu erweitern und beispielsweise die Haftung auf Metalloberflächen zu verbessern, besteht seit langem das Anliegen, bei der Herstellung von Polyethylen einen kleinen Anteil polarer Gruppen einzubauen. Das erwies sich in der Vergangenheit als schwierig, da die herkömmlichen Katalysatoren, die bei der Herstellung von Polyethylen bislang verwendet werden, durch polare Reagenzien zerstört werden.
Kleine Mengen Kohlenmonoxid und ein geeigneter Katalysator
Den Doktoranden Maximilian Baur, Tobias O. Morgen und Lukas Odenwald sowie dem Postdoktoranden und Humboldt-Stipendiaten Fei Lin ist es am Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft gelungen, in die Molekülketten, aus denen die Kunststoffe bestehen, Ketogruppen einzubauen. Dies gelingt durch Verwendung eines Katalysators, welcher aufgrund seiner Position im Periodensystem der Elemente mit dem Kohlenmonoxid, das als Reagenz zur Erzeugung der Ketogruppen dient, verträglich ist.
Entscheidend ist dabei auch, dass nur eine begrenzte Menge an Ketogruppen erzeugt wird, um die typischen und vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Polyethylen wie seine Zähigkeit zu bewahren. „Es ist ein lange verfolgtes Ziel der Wissenschaft und Technik, solche Gruppen in die Polyethylenkette einzubauen. Das dieses nun gelungen ist, eröffnet neue Perspektiven“, fasst Stefan Mecking zusammen.
Der neue Kunststoff ist besser abbaubar
Eine weitere Besonderheit des neuen Kunststoffes ist, dass die kleinen Mengen an Ketogruppen die Abbaubarkeit verbessern können. Im Labormaßstab konnte gezeigt werden, dass unter simuliertem Sonnenlicht ein langsamer Abbau der Ketten einsetzt, was für Polyethylene nicht der Fall ist. „Das Material bietet Ansätze, nicht-persistentes Polyethylen zu entwickeln. Dazu sind aber sicherlich weitergehende Studien nötig, auch um das Langzeitverhalten zu verstehen“, äußert sich Stefan Mecking vorsichtig.
Die Arbeitsgruppe konnte indes in ihren Laborversuchen zeigen, dass das neue Material bezüglich seiner Mechanik und Verarbeitbarkeit dieselben wünschenswerten Eigenschaften besitzt wie herkömmliches Polyethylen.
Originalveröffentlichung
Maximilian Baur, Fei Lin, Tobias O. Morgen, Lukas Odenwald & Stefan Mecking; "Polyethylene materials with in-chain ketones from non-alternating catalytic copolymerization"; Science; 29. Oktober 2021
