Upcycling: Neues katalytisches Verfahren verwandelt Plastiktüten in Klebstoff
Umwandlung von Polyethylen-Verpackungen in hochwertige Produkte schafft Anreize für das Kunststoff-Recycling
Obwohl viele Städte und acht Bundesstaaten Einwegplastik verboten haben, verstopfen Tüten und andere Polyethylenverpackungen immer noch die Mülldeponien und verschmutzen Flüsse und Meere.
Mit Hilfe eines Katalysators auf Ruthenium-Basis (Goldkugel, Mitte) konnten Chemiker der UC Berkeley spezifische chemische Gruppen - in diesem Fall OH (rot) - an Polyethylen-Polymerketten anfügen. So entstand ein oxidiertes Polyethylen (Vordergrund), das stark an Metall haftet, aber die einzigartigen plastischen Eigenschaften des Polymers beibehält.
UC Berkeley image by Liye Chen
Ein großes Problem beim Recycling von Polyethylen, das ein Drittel der gesamten Kunststoffproduktion weltweit ausmacht, ist wirtschaftlicher Natur: Recycelte Tüten landen in minderwertigen Produkten wie Terrassendielen und Baumaterialien, was wenig Anreiz für die Wiederverwendung des Abfalls bietet.
Ein neues chemisches Verfahren, das an der University of California, Berkeley, entwickelt wurde, wandelt Polyethylen-Kunststoff in einen starken und wertvolleren Klebstoff um und könnte dieses Kalkül ändern.
"Die Vision ist, dass man eine Plastiktüte nimmt, die keinen Wert hat, und anstatt sie wegzuwerfen, wo sie auf einer Mülldeponie landet, würde man sie in etwas Hochwertiges umwandeln", sagt John Hartwig, der Henry Rapoport-Lehrstuhl für organische Chemie an der UC Berkeley und Leiter des Forschungsteams. "Man kann nicht den gesamten recycelten Kunststoff nehmen - jedes Jahr werden Hunderte von Milliarden Pfund Polyethylen produziert - und daraus ein Material mit Klebeeigenschaften machen, aber wenn man einen Bruchteil davon nimmt und daraus etwas Hochwertiges macht, kann das die Wirtschaftlichkeit der Umwandlung des restlichen Kunststoffs in etwas weniger Wertvolles verändern."
Für die meisten Kunststoffe bedeutet Recycling, dass sie zerkleinert und zu generischen Produkten geformt werden, wobei viele der Eigenschaften, die mühsam in den ursprünglichen Kunststoff eingearbeitet wurden, wie Biegsamkeit und einfache Verarbeitung, verloren gehen. Und während neue Methoden des Recyclings Kunststoffe in ihre chemischen Bestandteile zerlegen können, um sie als Kraft- oder Schmierstoffe zu verwenden, sind auch diese Produkte von geringem Wert und können ökologisch fragwürdig sein - ein weiterer fossiler Brennstoff, der verbrannt werden muss - oder haben eine kurze Lebensdauer.
Um das Recycling attraktiver zu machen, haben Forscher und die Kunststoffindustrie nach Möglichkeiten gesucht, recyceltes Plastik in etwas Wertvolleres und Langlebigeres umzuwandeln.
Der chemische Prozess, den Hartwig und seine Kollegen entwickelt haben, behält viele der ursprünglichen Eigenschaften von Polyethylen bei, fügt dem Polymer aber eine chemische Gruppe hinzu, die es an Metall haften lässt: etwas, was Polyethylen normalerweise schlecht kann. Sein Team zeigte, dass sich das modifizierte Polyethylen sogar mit Latex auf Wasserbasis lackieren lässt. Latex schält sich leicht von Standard-Polyethylen niedriger Dichte ab, dem so genannten LDPE.
"Wir sind in der Lage, die Haftung zu verbessern und gleichzeitig alle anderen Eigenschaften von Polyethylen zu erhalten, die die Industrie so nützlich findet", sagt Co-Autor Phillip Messersmith, Professor der Klasse 1941 in den Abteilungen Bioengineering und Materialwissenschaft und Technik der UC Berkeley. "Die Verarbeitbarkeit, die thermische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften scheinen unangetastet zu bleiben, während die Adhäsion verbessert wird. Das ist schwierig zu erreichen. Das ist wirklich der Punkt, an dem wir einige spannende Dinge zu zeigen haben."
Obwohl das Verfahren noch nicht wirtschaftlich für den industriellen Einsatz ist, glaubt Hartwig, dass es verbessert werden kann und der Ausgangspunkt für das Hinzufügen anderer Eigenschaften neben der Klebrigkeit sein könnte. Der Erfolg deutet auch darauf hin, dass andere Katalysatoren mit anderen Arten von Kunststoffen arbeiten könnten, wie z. B. dem Polypropylen, das in recycelten Plastikflaschen zu finden ist, um höherwertige Produkte herzustellen, die wirtschaftlich attraktiv sind.
Kohlenwasserstoffketten optimieren
Hartwig ist darauf spezialisiert, neue katalytische Prozesse zu entwickeln - in diesem Fall das Hinzufügen kleiner chemischer Einheiten zu großen Kohlenwasserstoffketten oder Polymeren an ganz bestimmten Stellen - um "funktionalisierte Polymere" mit neuen und nützlichen Eigenschaften zu erzeugen. Solche Reaktionen sind schwierig, denn ein wichtiges Verkaufsargument von Kunststoffen ist, dass sie resistent gegen chemische Reaktionen sind.
Für dieses Projekt wollte er sehen, ob er eine Hydroxylgruppe - an Wasserstoff gebundenen Sauerstoff oder OH - an einem kleinen Teil der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen entlang der Polyethylenkette hinzufügen kann.
"Polyethylen hat normalerweise zwischen 2.000 und 10.000 Kohlenstoffe in einer Kette, mit zwei Wasserstoffen an jedem Kohlenstoff - eigentlich ist es ein Meer von CH2-Gruppen, genannt Methylene", sagte er. "Wir haben in der Literatur nach dem aktivsten Katalysator gesucht, den wir für die Funktionalisierung einer Methylenposition finden konnten."
Der Katalysator müsste bei hohen Temperaturen arbeiten, da der feste recycelte Kunststoff geschmolzen werden muss. Außerdem müsste er in einem Lösungsmittel funktionieren, das unpolar ist und sich daher mit dem unpolaren Polyethylen vermischen kann. Dies ist ein Grund, warum es nicht an Metallen haftet, die polar oder geladen sind.
Hartwig und seine Postdoc-Mitarbeiterin Liye Chen fanden einen Katalysator auf Ruthenium-Basis (polyfluoriertes Ruthenium-Porphyrin), der diese Anforderungen erfüllte und außerdem OH-Gruppen an die Polymerkette anlagern konnte, ohne dass das hochreaktive Hydroxyl die Polymerkette auseinanderriss.
Die Reaktion führte überraschenderweise zu einer Polyethylenverbindung, die fest an Aluminiummetall haftet, vermutlich mit Hilfe der OH-Moleküle, die entlang der Kohlenwasserstoffkette des Polyethylens befestigt sind. Um die Adhäsion besser zu verstehen, tat sich Chen mit Katerina Malollari zusammen, einer Doktorandin in Messersmiths Labor, das sich mit biologischem Gewebe mit adhäsiven Eigenschaften beschäftigt - insbesondere mit einem von Muscheln produzierten Klebstoff.
Chen und Malollari entdeckten, dass die Zugabe eines relativ kleinen Prozentsatzes von Alkohol zum Polymer die Adhäsion um das 20-fache erhöhte.
"Durch die Katalyse wurden chemische Veränderungen an weniger als 10 % des Polymers vorgenommen, die jedoch seine Fähigkeit, an anderen Oberflächen zu haften, dramatisch verbesserten", so Messersmith.
Polyethylen dazu zu bringen, an Dingen zu haften - einschließlich Latexfarbe - eröffnet viele Möglichkeiten, fügt er hinzu. Künstliche Hüftschäfte und Knieimplantate enthalten oft Polyethylen mit Metallkomponenten und könnten so gestaltet werden, dass sie besser an Metall haften. Funktionalisiertes Polyethylen könnte verwendet werden, um elektrische Drähte zu ummanteln, den Klebstoff zu liefern, der andere Polymere zusammenklebt - zum Beispiel in Milchtüten - oder haltbarere Verbundstoffe aus Kunststoff und Metall herzustellen, wie zum Beispiel in Spielzeug.
"Der Nutzen besteht darin, diese funktionellen Gruppen einführen zu können, die helfen, viele seit langem bestehende Probleme bei der Polyethylenhaftung zu lösen: die Haftung von Polyethylen an anderem Polyethylen oder an anderen Polymeren sowie an Metall", so Messersmith.
Hartwig sieht weitere Möglichkeiten für die Funktionalisierung komplexer Polymere voraus, einschließlich des am häufigsten verwendeten Kunststoffs, Polypropylen.
"Wir sind eine der wenigen Gruppen, die selektiv eine funktionelle Gruppe in langkettige Kohlenwasserstoff-Polymere einführen können", sagte er. "Andere Leute können die Ketten brechen, und andere können die Ketten zyklisieren, aber tatsächlich eine polare funktionelle Gruppe in die Ketten einzuführen, ist etwas, das niemand sonst in der Lage war zu tun."
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