Chemiker entwickeln neuartige Methode zum Recycling gemischter Kunststoffe

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Das Recycling von Kunststoff ist ein ineffizientes Geschäft. Laut einem Bericht des Energieministeriums vom August 2022 wurden nur 5 Prozent der geschätzten 44 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle, die im Jahr 2019 zum Recycling verarbeitet wurden, tatsächlich recycelt. Der Rest landete auf einer Mülldeponie oder wurde verbrannt.

Kunststoff ist schwer zu recyceln, da nicht alle verschiedenen Arten chemisch miteinander kompatibel sind. Manche Kunststoffe entstehen durch kovalente Bindungen, bei denen sich die einzelnen Atome gleichmäßig Elektronen teilen. Andere Kunststoffe entstehen durch nichtkovalente Bindungen, bei denen die einzelnen Atome ihre Elektronen nicht gleichmäßig teilen. Beispielsweise führt die Kombination eines Sandwichbeutels aus kovalent gebundenem Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) mit einer Salatdressingflasche aus nichtkovalent gebundenem Polyethylenterephthalat (PET) zu einem schwachen Mischkunststoff mit begrenzten Einsatzmöglichkeiten.

Ein neuartiger chemischer Prozess, der von Forschern der Universitäten Colorado State und Columbia entwickelt wurde, könnte das Recycling gemischter Kunststoffabfälle einfacher machen. Mithilfe von Vernetzern, kleinen Molekülen, die Brücken zwischen Chemikalien bilden, konnten die Wissenschaftler chemisch unterschiedliche Kunststoffe kompatibel machen. Ihre Arbeit wurde am 26. April in Nature veröffentlicht.

Während Labortests die bemerkenswerte Wirksamkeit der Crosslinker-Technologie bewiesen, liegt die praktische Anwendung noch in weiter Ferne. Die größte Frage ist, ob die Technologie im Vergleich zur Produktion von neuem Kunststoff kosteneffizient ist.

Die Forscher erhitzten und verarbeiteten gemischte Kunststoffe mit dem Vernetzer Bis-Diazirin. Rasterelektronenmikroskopische Bilder zeigten die überlegene Struktur des resultierenden Materials. Im Vergleich zur klecksartigen, unregelmäßigen Oberfläche frischer Mischkunststoffe hatten die vernetzten Kunststoffe eine glatte, homogene Oberfläche. Der Hauptautor Tomislav Rovis, Professor für Chemie an der Columbia University, verglich die Vernetzer mit Klettverschluss. Sie wirken wie Klettverschlüsse beim Zusammennähen von Kunststoffen unterschiedlicher Polymerzusammensetzung.

„Das [vernetzte] Material verhält sich genauso wie die einzigartigen einzelnen Neupolymere, d. h. es zersetzt sich im Laufe der Zeit und all dieser anderen physikalischen Tests nicht“, sagte Rovis. Er betonte, dass Stresstests, bei denen die Widerstandsfähigkeit eines Polymers gegen Verformung gemessen wird, ähnliche Festigkeitsprofile für die vernetzten Mischkunststoffe und einzelne Polymere zeigten.

Den Wissenschaftlern gelang es, Mischungen der inkompatiblen Kunststoffe LDPE und Poly-L-Milchsäure (PLLA) herzustellen und diese beiden Kunststoffe anschließend mit isotaktischem Polypropylen (iPP) zu vermischen. Der Hauptautor Sanat Kumar, Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University, sagte, man habe sich entschieden, sich auf diese drei Kunststoffe zu konzentrieren, weil sie sowohl traditionelle Kunststoffpolymere (LDPE und iPP) als auch eine neue Klasse biobasierter Polymere (PLLA) darstellten.

Kumar und Rovis erklärten, wie ihre Chemie das Kunststoffrecycling verändern könnte. Die 5 Prozent des Plastikmülls, die mit traditionellen Methoden erfolgreich recycelt werden, werden zu Produkten geringerer Qualität herabgestuft. Produkte aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) wie Milchbehälter werden zu Gegenständen wie Picknicktischen und Kunststoffholz verarbeitet. PET-Produkte, darunter Limonadenflaschen, werden zu Artikeln wie Fleecejacken oder Teppichen verarbeitet. Aber das neue Material, das mithilfe der Vernetzer entsteht, kann verwendet werden, um abgebaute Produkte in höherwertige Materialien umzuwandeln.

„Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass man die beschädigte Wasserflasche oder den beschädigten Reifen zurück in die Schmelze geben und etwas ohne diese Mängel neu herstellen kann, da diese Vernetzer darin enthalten sind“, sagte Rovis.

Gregory Rummo, Dozent für Chemie an der Palm Beach Atlantic University und außerordentlicher Wissenschaftler bei der Cornwall Alliance for the Stewardship of Creation, glaubt, dass die Polymervernetzer Potenzial haben. Rummo warnte jedoch davor, dass ihr Einsatz wirtschaftlich machbar sein müsse. Er wies darauf hin, dass die neue Technik wahrscheinlich Recyclinganlagen erfordern würde, um Platz für die Durchführung des Vernetzungsprozesses zu schaffen. Er stellte die Frage, ob dieser Prozess, wenn er einmal ausgeweitet würde, mehr kosten würde als die Herstellung von neuem Kunststoff.

Rovis sagte, das einzige Nebenprodukt des Vernetzungsprozesses sei Stickstoffgas, das in der Erdatmosphäre bereits reichlich vorhanden sei. Und obwohl sein Team keine Umweltverträglichkeitsprüfung durchgeführt hat, glaubt Rovis nicht, dass die Vernetzer giftig sind.

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Heather ist Wissenschaftskorrespondentin für WORLD. Sie ist Absolventin des World Journalism Institute, der University of Maryland und der Carnegie Mellon University. Sie war sowohl in der Lebensmittel- als auch in der chemischen Produktentwicklung tätig und arbeitet derzeit als Forschungschemikerin. Heather lebt mit ihrer Familie in Pittsburgh, Pennsylvania.

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