Neues Polymerdesign durchbricht den Kompromiss zwischen Festigkeit und Recyclingfähigkeit

Kunststoffe sind die Grundlage eines Großteils des modernen Lebens: Bereiche wie Medizin, Technologie und Lebensmittelsicherheit wären ohne Kunststoffe und ihre nützlichen Eigenschaften nicht wiederzuerkennen. Die oft wünschenswerte Festigkeit von Kunststoffen macht sie jedoch auch zu einem gefährlichen Schadstoff und schwierig zu recyceln. Die Lösung für dieses ernste und wachsende Problem besteht darin, das Recycling von Kunststoffen zu erleichtern.

In einer Studie veröffentlicht in Chemische WissenschaftForscher der Universität Osaka haben einen Weg gefunden, starke Hochleistungspolymere, den Hauptbestandteil von Kunststoffen, herzustellen, die einfach und präzise in ihre Bestandteile zerlegt und zu neuwertigen Materialien recycelt werden können.

Die Hauptbestandteile von Kunststoffen sind Moleküle, sogenannte Polymere, bei denen es sich um lange Ketten kleiner, sich wiederholender Einheiten handelt, die Monomere genannt werden. Beim derzeitigen physischen Recycling werden Polymere einfach wiederverwendet, ohne sie zu zersetzen, und recycelter Kunststoff ist in der Regel schlechter als das Original.

Chemisches Recycling ist eine neuere Methode, bei der Polymerketten in Monomereinheiten zerlegt und die Einheiten dann zusammengefügt werden. Recycelter Kunststoff ist wie neu. Polymere, die für das chemische Recycling bestimmt sind, sind jedoch im Allgemeinen schwach, da ihre Bindungen zwischen den Monomereinheiten schwach sind, was das Aufbrechen der Ketten erleichtert.

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, starke, chemisch recycelbare Polymere herzustellen, ohne die thermische und chemische Beständigkeit zu beeinträchtigen. Dieser Fortschritt könnte den Einsatz chemisch recycelbarer Polymere erheblich erweitern.

„Wir wussten, dass wir die Bindungen zwischen den Monomeren in rauen Umgebungen sehr stark machen mussten, sie aber unter bestimmten Bedingungen für das Recycling leicht aufbrechen mussten“, sagt Hauptautor Satoshi Ogawa. „Wir waren überrascht, dass niemand versucht hatte, eine Lenkungsgruppe einzubauen, die starke Bindungen nur in Gegenwart eines Metallkatalysators aufbrechen würde.“

Die Lenkgruppe ist wie ein Schloss an der Verbindung und öffnet die Verbindung nur, wenn der richtige Schlüssel vorhanden ist. Die Polymere hielten hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien stand, aber beim Recycling fungierte ein Nickelkatalysator als Schlüssel und die Steuerungsgruppe öffnete die Bindungen leicht und setzte die Monomere frei. Aus den Monomeren konnte dann das ursprüngliche Polymer wieder zusammengesetzt werden.

„Es ist ein großer Fortschritt, ein so starkes Polymer herzustellen, das einfach und präzise zerlegt und in so wenigen Schritten zu Neumaterial recycelt werden kann“, sagt Hauptautor Mamoru Tobisu. „Mit diesem revolutionären Design könnten Hochleistungspolymere hergestellt werden, die ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelt werden können.“

Die Arbeit des Teams zeigt, dass zwischen Leistung und Recyclingfähigkeit keine Kompromisse eingegangen werden müssen. Ihr Design könnte in vielen anderen Polymeren verwendet werden, um viele Arten von Kunststoffen chemisch recycelbar zu machen und möglicherweise dazu beizutragen, die Plastikverschmutzung in den Mülleimer der Geschichte zu verbannen.