Polymer mit Trojanischem Pferd für die Kreislaufwirtschaft

Neue Strategie für rezyklierbare Polyolefine.

Kunststoffe aus Polyolefinen sind aus unserem täglichen Leben kaum mehr wegzudenken. Leider hapert es an praktikablen Recyclingwegen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt einen Ansatz für neuartige Polyolefine vor, die chemisch zerlegt und ohne Qualitätsverlust wieder polymerisiert werden können. Erfolgsgeheimnis sind maskierte Doppelbindungen, die mit speziellen funktionellen Gruppen wie mit einem „Trojanischen Pferd“ in die Polymerkette eingebracht werden.

Polyolefine sind stabile, leichte, vielseitige, kostengünstige Kunststoffe aus sehr langen Kohlenwasserstoffketten. Die hohe Stabilität und Festigkeit hat jedoch eine Kehrseite: So sind Polyolefine auch nach Gebrauch in der Umwelt ausgesprochen langlebig. Und beim mechanischen Recycling entstehen Produkte mit minderwertigen Eigenschaften. Die hohe chemische Stabilität der Polyolefine verhindert auch eine chemische Depolymerisierung zurück zum Monomer.

Nachhaltiger wäre eine Kreislaufwirtschaft auf der Basis alternativer, chemisch rezyklierbarer Polyolefine, die in kleinere Fragmente zerlegt, gereinigt und erneut polymerisiert werden könnten. Diese kleineren Fragmente sind zudem vermutlich leichter bioabbaubar, falls sie versehentlich in die Umwelt gelangen. Dazu müsste die Polymerkette aber anders als herkömmliche Polyolefine spaltbare funktionelle Gruppen enthalten. Das Team um Geoffrey W. Coates von der Cornell University (Ithaca, NY, USA) ist jetzt einen Schritt auf diesem Weg gegangen. Der neuartige Ansatz basiert auf einer kleinen Menge ungesättigter Bindungen, die mit einer als „Trojanisches Pferd“ wirkenden Schutzgruppe in die Polyolefinketten eingebaut werden.

Dazu polymerisiert das Team Ethylen zu Polyethylen in Gegenwart eines speziellen zyklischen Co-Monomers (Oxanorbornadien). Durch Erhitzen des Copolymers „öffnet sich“ das Trojanische Pferd: In einer sog. retro-Diels-Alder-Reaktion bricht der Ring auf und hinterlässt eine Doppelbindung in der Polymerkette. Über die Menge des Co-Monomers im Ansatz lässt sich der Abstand zwischen den Doppelbindungen im Polymerrückgrat gezielt einstellen.

In einer als Olefin-Kreuz-Metathese bezeichneten Reaktion werden die Ketten dann – formal gesehen – an den Doppelbindungen aufgespalten und mit einem anderen Molekül (2-Hydroxyethyl-acrylat) verknüpft, sodass kürzere Ketten mit reaktiven Gruppen an den Enden entstehen. Diese Makromonomere werden dann wieder miteinander verbunden zu einem Polyethylen mit einer geringen Menge an Esterbindungen.

Auf diese Weise gelang es dem Team, Polymere herzustellen, die in ihren thermischen und mechanischen Eigenschaften Hart-Polyethylen (High Density Polyethylen, HDPE), einem sehr wichtigen, weit verbreiteten Kunststoff entsprechen. Im Unterschied dazu weist das Material Ester-Verknüpfungen entlang des Polymer-Rückgrats auf. An diesen Stellen lassen sich die Polymerketten beim Recycling chemisch spalten und die ursprünglichen Makromonomere zurückerhalten. Nach einer Reinigung können sie erneut repolymerisiert werden – ohne Qualitätseinbußen.

Angewandte Chemie: Presseinfo 24/2023

Autor/-in: Geoffrey W. Coates, Cornell University (USA), https://coates.chem.cornell.edu/

Angewandte Chemie, Postfach 101161, 69451 Weinheim, Germany.
Die „Angewandte Chemie“ ist eine Publikation der GDCh.

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1002/ange.202301927

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