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Recycelbarer Kunststoff

29.04.2018

Amerikanische Chemiker haben einen Polymerwerkstoff synthetisiert, der modernen Kunststoffen in seinen mechanischen Eigenschaften und seiner thermischen Stabilität in nichts nachsteht. Sein Vorteil ist, dass dieses Material kontrolliert wiederverwertet, in einzelne Monomere zerlegt werden kann. Die so erhaltenen Monomere eignen sich für eine erneute Polymerisation, wodurch ein solches Material mehrfach verwendet werden kann.

Einer der Hauptvorteile moderner Kunststoffe ist ihre Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber äußeren mechanischen Belastungen und kleinen Temperaturänderungen. Die Tatsache, dass sich die chemischen und mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen im Laufe der Zeit nicht wesentlich ändern, hat jedoch offensichtlich negative Folgen.

Gerade wegen der Nachhaltigkeit von Plastik ist es fast unmöglich, es zu recyceln, wodurch es nach und nach den Planeten verschmutzt, sich im Ozean ansammelt und in das Leben mariner Ökosysteme eingreift. Daher ist eine wichtige Aufgabe der modernen Chemie die Suche nach solchen polymeren Materialien, die einerseits die notwendigen physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits leicht recycelt werden können, wonach sie wiederverwendet werden können.

Amerikanische Chemiker der University of Colorado unter der Leitung von Eugene Y.-X. Chen haben einen neuartigen Polymerwerkstoff synthetisiert, der physikalische Eigenschaften – Dichte, Elastizität und thermische Stabilität – auf dem Niveau moderner Kunststoffe aufweist und aufgrund dessen wiederverwendet werden kann Zyklus von Polymerisations- und umgekehrten Depolymerisationsreaktionen. Das Monomer dieser Verbindung war ein Molekül auf Basis von Gamma-Butyrolacton, bei dem zwei der Kohlenstoffatome zusätzlich in der trans-Konformation zu einer zyklischen Struktur verknüpft sind. Ein solches Monomer kann recht einfach und in großen Mengen unter Verwendung einer zweistufigen Synthese aus kommerziell erhältlichen Reagenzien erhalten werden.

Auch die anschließende Polymerisation des Monomers ist denkbar einfach: bei Raumtemperatur mit sehr wenig Katalysator (maximal ein Molprozent) und in wenigen Minuten. Dabei können zwei unterschiedliche Katalysatortypen eingesetzt werden. Abhängig von der Wahl eines von ihnen wird einer von zwei Arten von Polymeren gebildet: mit linearer oder zyklischer Struktur. Das durchschnittliche Molekulargewicht von linearen Polymeren reichte von 0,5 bis 1 Megadalton und das von cyclischen Polymeren war etwa 80 Kilodalton.

In all ihren Eigenschaften - Molekulargewicht, thermische Stabilität und mechanische Eigenschaften - erwiesen sich beide Polymertypen als sehr nah an den heute verwendeten Kunststofftypen (außerdem kann jedes der Polymere in zwei chiralen Konformationen existieren, aber die racemische Mischung von zwei Enantiomeren hatte die besten Eigenschaften). So betrug die Schmelztemperatur der Racemate sowohl der zyklischen als auch der linearen Polymere etwa 190 Grad Celsius, die Glasübergangstemperatur etwa 50 Grad Celsius und der Elastizitätsmodul etwa 2,7 Gigapascal, was mit der Leistung von modernem Kunststoff vergleichbar ist Materialien, beispielsweise biologisch abbaubares Polylactid.

Wissenschaftler nennen den Hauptvorteil des synthetisierten Polymers die Möglichkeit seiner mehrfachen Verarbeitung durch Depolymerisation, die entweder durch Thermolyse bei Temperaturen über 300 Grad Celsius oder bei moderateren Temperaturen (etwa 120 Grad Celsius) in Gegenwart von Zinkchlorid durchgeführt werden kann ZnCl2. Die Ausbeute der Zersetzungsreaktionen betrug etwa 97 Prozent. Die bei der Depolymerisation entstehenden Monomere unterscheiden sich in ihren Eigenschaften nicht vom Ausgangszustand und können wiederverwendet werden, um das gewünschte polymere Material zu erhalten.

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