Duroplaste, zu denen Epoxidharze, Polyurethane und Gummi für Reifen gehören, finden sich in vielen Produkten, die langlebig und hitzebeständig sein müssen, wie beispielsweise in Autos oder Elektrogeräten. Ein Nachteil dieser Materialien ist, dass sie in der Regel nicht einfach recycelt oder nach Gebrauch abgebaut werden können, da chemische Bindungen, die sie zusammenhalten, stärker sind als bei anderen Materialien wie Thermoplasten.
Chemiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston haben eine Möglichkeit entwickelt, wie sich duroplastische Kunststoffe wiederverwerten lassen. Sie arbeiten mit einem chemischen Linker, der Materialien viel leichter abbaubar macht, ihnen aber dennoch die mechanische Festigkeit verleiht, die sie so nützlich macht.
Weniger Kunststoffmüll durch höhere Recyclingquoten
Thermoplastische Kunststoffe, die etwa 75 Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion ausmachen, können bekanntlich recycelt werden, indem man sie erwärmt, bis sie flüssig werden, sodass sie wieder in eine neue Form gebracht werden können.
Duroplastische Kunststoffe werden zwar durch thermische Verfahren hergestellt, aber sobald sie abgekühlt und ausgehärtet sind, ist es sehr schwierig, sie wieder in einen flüssigen Zustand zu bringen. Das liegt daran, dass chemische Bindungen, die sich zwischen einzelnen Polymermolekülen bilden, vergleichsweise stark sind. Erhitzt man Duroplaste, verbrennen sie normalerweise, bevor sie neu geformt werden können. Damit bleibt nur, solche Materialien zu verbrennen oder – außerhalb Deutschlands – auf Deponien zu lagern. Ziel der Forscher ist, die Menge an Kunststoffmüll zu verringern, indem sie auch bei Duroplasten Wege zum Recycling eröffnen.
Vorarbeit aus der Pharmazie
Bereits im letzten Jahr zeigte Johnsons Arbeitsgruppe, wie sich abbaubare Polymere für die langsame Freisetzung von Medikamenten synthetisieren lassen. Die Forscher arbeiteten mit Monomeren, also Bausteinen, mit Silylethern. Darunter versteht man Teile im Molekül mit chemischen Bindungen zwischen Silicium, Sauerstoff und Kohlenstoff. Dieses Monomer wird dann zufällig im Material verteilt. Wenn man Säuren, Basen oder Fluorid zur Probe gibt, brechen die Silylether-Bindungen auf, und der Kunststoff zerfällt. Diese Strategie lässt sich auf Duroplaste übertragen. Im Experiment arbeiteten die Forscher mit speziellen Duroplasten, sogenannten Polydicyclopentadienen (PDCPD). Sie werden für Karosserieteile in Lastwagen und Bussen verwendet. Bei der Herstellung von PDCPD setzte Johnsons Team dem Reaktionsgemisch Silylether-Monomere zu. Ein Anteil zwischen 7,5 und 10 % erwies sich als ideal, damit PDCPD seine mechanische Festigkeit behält, aber bei Einwirkung von Fluorid-Ionen in ein lösliches Pulver zerfällt.
Recycling-Tests im Labor
In der zweiten Phase ihrer Studie versuchten Forscher, ihren Duroplast wiederzuverwenden, um neues PDCPD herzustellen. Eine Probe zerfiel unter dem Einfluss von Fluorid-Ionen, wurde getrocknet und dann der Reaktionsmischung bei PDCPD-Synthesen zugesetzt. Tatsächlich entstand ein hochwertiger Kunststoff.
«Dieses neue Material hat nahezu gleiche, in gewisser Weise sogar bessere mechanische Eigenschaften im Vergleich zum ursprünglichen Material“, sagt Johnson. „Es ist aufregend, zu zeigen, dass man die Abbauprodukte nehmen und den gleichen Duroplast mit dem gleichen Verfahren wieder herstellen kann.»
Das chemische Prinzip auf andere Duroplaste übertragen
Die MIT-Wissenschaftler vermuten, dass ihr Ansatz, mit speziellen Linkern zu arbeiten, generell funktioniert. Wenn geeignete abbaubare Monomere für Polymerisationsreaktionen gefunden werden, könnte man die Strategie nutzen, um abbaubare Versionen von Kunststoffen wie Epoxiden, Silikonen oder vulkanisiertem Gummi zu nutzen.
Im nächsten Schritt wollen die MIT-Chemiker ein Unternehmen gründen, um die Technologie zu lizenzieren und zu kommerzialisieren. Das Interesse ist laut Patrick Casey vom MIT Deshpande Center for Technological Innovation jedenfalls vorhanden: «Teilehersteller erhalten kostengünstige Recyclingmaterialien, Automobilunternehmen können ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen, und Recycler erhalten eine neue Einnahmequelle aus Duroplasten.»