Durchbruch beim Kunststoff-Recycling
Kunststoff der nächsten Generation kann immer wieder zu neuen Materialien in jeder Farbe und Form recycelt werden
Leicht und doch robust, Kunststoff ist großartig - bis man ihn nicht mehr braucht. Da Kunststoffe verschiedene Additive wie Farbstoffe, Füllstoffe oder Flammschutzmittel enthalten, können nur sehr wenige Kunststoffe ohne Verlust an Leistung oder Ästhetik recycelt werden. Selbst der recycelbarste Kunststoff, PET - oder Poly(ethylenterephthalat) - wird nur zu 20-30% recycelt, der Rest geht in der Regel in Verbrennungsanlagen oder Deponien, wo das kohlenstoffreiche Material erst nach Jahrhunderten abgebaut wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen konnten die Monomere von PDK-Kunststoff zurückgewonnen und von jeglichen zusammengesetzten Additiven befreit werden, indem man das Material einfach in eine stark saure Lösung eintaucht.
Peter Christensen et al./Berkeley Lab
Jetzt hat ein Forscherteam des U.S. Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) einen recycelbaren Kunststoff entwickelt, der wie ein Lego-Spielzeug auf molekularer Ebene in seine Bestandteile zerlegt und dann ohne Leistungs- oder Qualitätsverlust immer wieder in eine andere Form, Textur und Farbe gebracht werden kann. Das neue Material, genannt Poly(diketoenamin), oder PDK, wurde in der Zeitschrift Nature Chemistry berichtet.
"Die meisten Kunststoffe wurden nie für das Recycling hergestellt", sagte Hauptautor Peter Christensen, Postdoc-Forscher bei der Molecular Foundry von Berkeley Lab. "Aber wir haben einen neuen Weg gefunden, Kunststoffe zusammenzustellen, die das Recycling aus molekularer Sicht berücksichtigen."
Christensen war Teil eines multidisziplinären Teams unter der Leitung von Brett Helms, einem Mitarbeiter in der Molecular Foundry von Berkeley Lab. Die anderen Co-Autoren sind die Studenten Angelique Scheuermann (damals UC Berkeley) und Kathryn Loeffler (damals University of Texas at Austin), die zum Zeitpunkt der Studie durch das Science Undergraduate Laboratory Internship (SULI) Programm des DOE finanziert wurden. Das Gesamtprojekt wurde durch das Laboratory Directed Research and Development Programm von Berkeley Lab finanziert.
Alle Kunststoffe, von der Wasserflasche bis zum Automobilteil, bestehen aus großen Molekülen, den sogenannten Polymeren, die aus wiederkehrenden Einheiten kürzerer kohlenstoffhaltiger Verbindungen, den sogenannten Monomeren, bestehen.
Das Problem bei vielen Kunststoffen besteht darin, dass die zugesetzten Chemikalien, die sie nützlich machen - wie z.B. Füllstoffe, die einen Kunststoff zäh machen, oder Weichmacher, die einen Kunststoff flexibel machen - fest mit den Monomeren verbunden sind und auch nach der Verarbeitung in einer Recyclinganlage im Kunststoff bleiben.
Bei der Verarbeitung in solchen Anlagen werden Kunststoffe mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen - harte Kunststoffe, dehnbare Kunststoffe, klare Kunststoffe, bonbonfarbene Kunststoffe - miteinander vermischt und zu Stückchen gemahlen. Wenn dieses Durcheinander von zerkleinerten Kunststoffen geschmolzen wird, um ein neues Material herzustellen, ist es schwer vorherzusagen, welche Eigenschaften es von den ursprünglichen Kunststoffen erben wird.
Dieses Erbe unbekannter und damit unvorhersehbarer Eigenschaften hat verhindert, dass Kunststoff zu dem wird, was viele als den Heiligen Gral des Recyclings bezeichnen: ein "kreisförmiges" Material, dessen ursprüngliche Monomere so lange wie möglich zur Wiederverwendung zurückgewonnen oder zu einem neuen, hochwertigeren Produkt "upcycelt" werden können.
Wenn also eine wiederverwendbare Einkaufstasche aus recyceltem Kunststoff bei Abnutzung fadenscheinig wird, kann sie nicht hochverwertet oder sogar recycelt werden, um ein neues Produkt herzustellen. Und sobald der Beutel sein Lebensende erreicht hat, wird er entweder verbrannt, um Wärme, Strom oder Brennstoff zu erzeugen, oder er landet auf einer Deponie, sagte Helms.
"Kunststoff-Kreisläufe und Kunststoff-Upcycling sind große Herausforderungen", sagte er. "Wir haben bereits gesehen, wie Kunststoffabfälle in unsere aquatischen Ökosysteme eindringen, und dieser Trend wird sich wahrscheinlich durch die steigenden Mengen an Kunststoffen und den damit verbundenen Druck auf unsere kommunale Recyclinginfrastruktur noch verstärken."
Recycling von Kunststoffen, ein Monomer nach dem anderen
Die Forscher wollen Kunststoffe von Deponien und Ozeanen fernhalten, indem sie Anreize für die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Kunststoffen schaffen, wie sie mit Polymeren aus PDKs möglich wären. "Mit PDKs werden die unveränderlichen Bindungen herkömmlicher Kunststoffe durch reversible Bindungen ersetzt, die eine effektivere Wiederverwertung des Kunststoffs ermöglichen", sagte Helms.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen konnten die Monomere von PDK-Kunststoff zurückgewonnen und von jeglichen zusammengesetzten Additiven befreit werden, indem man das Material einfach in eine stark saure Lösung eintaucht. Die Säure hilft, die Verbindungen zwischen den Monomeren zu lösen und sie von den chemischen Zusätzen zu trennen, die dem Kunststoff sein Aussehen und seine Haptik verleihen.
"Wir sind an der Chemie interessiert, die die plastischen Lebenszyklen von linear zu kreisförmig umlenkt", sagt Helms. "Wir sehen eine Möglichkeit, etwas zu bewirken, wenn es keine Recyclingmöglichkeiten gibt." Dazu gehören Klebstoffe, Telefongehäuse, Uhrenarmbänder, Schuhe, Computerkabel und harte Duroplaste, die durch das Formen von heißem Kunststoff hergestellt werden.
Die Forscher entdeckten zuerst die spannende kreisförmige Eigenschaft von Kunststoffen auf PDK-Basis, als Christensen verschiedene Säuren auf Glaswaren auftrug, die zur Herstellung von PDK-Klebstoffen verwendet wurden, und stellten fest, dass sich die Zusammensetzung des Klebstoffs verändert hatte. Neugierig darauf, wie der Klebstoff verändert worden sein könnte, analysierte Christensen die Molekularstruktur der Probe mit einem NMR-Spektroskopiegerät (Nuclear Magnetic Resonance). "Zu unserer Überraschung waren es die ursprünglichen Monomere", sagte Helms.
Nach dem Testen verschiedener Formulierungen in der Molecular Foundry konnten sie zeigen, dass PDK-Polymere nicht nur durch Säure in Monomere zerlegt werden, sondern dass das Verfahren auch die Trennung der Monomere von verschlungenen Additiven ermöglicht.
Als nächstes bewiesen sie, dass die zurückgewonnenen PDK-Monomere zu Polymeren umgebaut werden können, und diese recycelten Polymere können neue Kunststoffe bilden, ohne die Farbe oder andere Eigenschaften des Ausgangsmaterials zu übernehmen. Sie könnten auch den Kunststoff aufwerten, indem sie zusätzliche Funktionen wie Flexibilität hinzufügen.
Auf dem Weg in eine kreisförmige plastische Zukunft
Die Forscher glauben, dass ihr neuer recycelbarer Kunststoff eine gute Alternative zu vielen heute verwendeten nicht recycelbaren Kunststoffen sein könnte.
"Wir befinden uns an einem kritischen Punkt, an dem wir über die Infrastruktur nachdenken müssen, die zur Modernisierung von Recyclinganlagen für die zukünftige Abfallsortierung und -verarbeitung erforderlich ist", sagte Helms. "Wenn diese Anlagen so konzipiert wären, dass sie PDK und verwandte Kunststoffe recyceln oder aufbereiten, dann könnten wir Kunststoffe effektiver von Deponien und Ozeanen ablenken. Dies ist eine aufregende Zeit, um darüber nachzudenken, wie man sowohl Materialien als auch Recyclinganlagen so gestalten kann, dass runde Kunststoffe möglich sind", sagte Helms.
Als nächstes wollen die Forscher PDK-Kunststoffe mit einem breiten Spektrum an thermischen und mechanischen Eigenschaften für so unterschiedliche Anwendungen wie Textilien, 3D-Druck und Schaumstoffe entwickeln. Darüber hinaus wird angestrebt, die Formulierungen um pflanzliche Materialien und andere nachhaltige Quellen zu erweitern.
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