Weltweit werden pro Jahr rund 450 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert. Der Grossteil davon wird nur einmal verwendet und landet danach in einer Verbrennungsanlage oder auf einer Abfalldeponie. Das gilt auch für die sogenannten Polyolefine, zu denen Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) gehören. Sie machen als Verpackungsmaterialien und Folien etwa die Hälfte unseres Plastikverbrauchs aus.
Polyolefine lassen sich zwar schmelzen und wieder in neue Formen gießen. Dies ist aber mit erheblichen Qualitätseinbußen verbunden. Die Farbstoffe in den Abfällen färben das Recyclingmaterial dunkel, und das Erhitzen schadet der Qualität: Das Material ist dadurch nur noch für minderwertige Anwendungen wie Pflanzenkübel oder Bodenplatten brauchbar.
Nicht möglich ist bei Polyolefinen bisher das gezielte Aufspalten in die Grundbausteine, die Monomere, aus denen wieder neue, hochwertige Polymere synthetisiert werden könnten. In den ausschliesslich aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebauten Olefinen fehlen die für gezielte Spaltungsreaktionen notwendigen Sauerstoff-, Stickstoff- oder Chloratome. Realisierbar ist bisher nur ein zufälliges Aufspalten durch einen energieintensiven Hitzeprozess, die sogenannte Pyrolyse. Dabei entstehen Erdölausgangsstoffe, aus denen die Monomere neu aufgebaut werden müssen.
Upcycling zum Hochleistungs-Klebstoff
Jetzt haben Forschende um den Polymerchemiker und ETH-Professor Tae-Lim Choi ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Polyolefine nicht mehr nur wertvermindernd rezyklieren, sondern in höherwertige Kunststoffe upcyclen lassen. Dafür pfropfen sie den Kunststoffen zusätzliche Polymerketten mit neuen Funktionalitäten auf. Die ETH Zürich hat das Verfahren patentieren lassen und es für den Spark Award nominiert. Mit diesem Preis zeichnet die Hochschule die vielversprechendste Patentanmeldung des Jahres aus (siehe Kasten).
Hongsik Kim, der als Senior Scientist in Chois Gruppe die Methode hauptsächlich entwickelt hat, stellte als erstes Produkt aus handelsüblichen Plastiksäcken und -flaschen Klebstoffe her. Deren Klebkraft mit verschiedenen Materialien wie Metall, Glas oder Holz erreicht die Anforderungen an einen industriellen Kleber für tragende und hochbelastete Verbindungen im Fahrzeug- oder Gerätebau. Die Palette der potenziellen Anwendungen ist aber viel grösser: Über die zusätzlichen Polymerketten lässt sich die ganze Bandbreite an chemischen Funktionalitäten auf Polyolefine aufbringen; von unterschiedlich stark mit Wasser interagierenden polaren Gruppen über Säuren und Basen bis hin zu chemischen Gruppen, die ganz spezifische Reaktionen machen können.
Reaktive Chloratome aktivieren Polymer-Ketten
Der chemische Schlüssel für das Verfahren sind chlorhaltige Lösungsmittel. In ihnen können durch Bestrahlung mit kurzwelligem Licht hochreaktive Chlor-Einzelatome, sogenannte Radikale, erzeugt werden. Diese geben ihre Reaktivität an Kohlenstoffatome in den Polyolefin-Ketten weiter. So entstehen Kohlenstoff-Radikale, die als Startpunkt für die Synthese der zusätzlichen Polymerketten genutzt werden können.
Die Idee, mit chlorhaltigen Lösungsmitteln reaktive Stellen in den Polyolefin-Ketten zu schaffen, stammt aus einer Zusammenarbeit von Choi mit der Gruppe von Athina Anastasaki, Professorin für Nachhaltige Polymere an der ETH Zürich. Sie hat das Prinzip für das Recycling von Acrylglas, das auch unter dem Markennamen Plexiglas bekannt ist, eingesetzt.
Einfach und genau kontrollierbar
Die großen Vorteile der neu patentierten Methode: Sie ist ausgesprochen einfach, benötigt keine teuren Spezialreagenzien oder Katalysatoren, und es sind auch keine hohen Prozesstemperaturen nötig. Der ganze Prozess läuft dabei in einem Schritt ab: Der Plastikabfall wird im chlorierten Lösungsmittel gelöst und dann werden die für die Synthese des gewünschten Pfropfungspolymers nötigen Monomere zugegeben. Dazu kommt, dass der Prozess präzise gesteuert werden kann: «Wie viele Radikale entstehen und damit auch wie viele Stellen in den Polyolefin-Ketten für eine Pfropfung aktiviert werden, können wir über den Chlorierungsgrad des Lösungsmittels und über die Wellenlänge des Lichts je nach Bedarf kontrollieren», erklärt Kim.
Kunststoffe mit neuen Eigenschaften werden möglich
Zusätzlich zum jetzt hergestellten Klebstoff sind viele andere Anwendungen der Technologie denkbar, führt Choi aus: «Der Klebstoff ist ein Produkt der ersten Generation. In Zukunft werden Kunststoffe mit vollständig neuen Eigenschaften möglich. Prinzipiell lassen sich zusätzliche Polymere mit allen denkbaren chemischen Funktionalitäten auf Polyolefine aufpfropfen.»
Seit der Veröffentlichung des Patents vor sechs Monaten konnten die Forschenden bereits viele Kontakte zur Industrie knüpfen. Eine konkrete Zusammenarbeit betrifft Lebensmittel-Verpackungen aus Polyolefin-Kunststoffen, die nicht nur wasserdicht sind, sondern auch verhindern, dass Sauerstoff eindringt. Die Nahrungsmittel oxidieren dadurch im Gefrierschrank weniger («laufen weniger an») als in heutigen Polyethylen- und Polypropylen-Verpackungen.
Klebstoff kann Recycling-Produkte verbessern
Und auch die Klebstoff-Funktionalität des ersten Produkts hat noch zusätzliches Potenzial, so Kim: «Als Bindemittel könnten derartige Stoffe unter anderem auch minderwertiges Plastik-Recyclingmaterial zu einem viel widerstandsfähigeren und damit auch höherwertigen Werkstoff