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Neue chemische Recyclingmethode zerlegt kaum verwertbares Hartplastik
Hart im Einsatz, bislang problematisch am Lebensende: Der Hochleistungskunststoff Polydicyclopentadien (pDCPD) lässt sich mit einem Ruthenium-Katalysator und einem vergleichsweise umweltfreundlichen Lösungsmittel chemisch zerlegen. Dabei gewannen Forscher mehr als 90 Prozent der Polymerfragmente zurück und konnten Glas- sowie Kohlenstofffasern in unbeschädigter Form isolieren. Entscheidend für die Ökobilanz bleibt allerdings die Rückgewinnung des Katalysators.
Austin (U.S.A.). Duroplaste sind für viele technische Anwendungen attraktiv, weil ihre Polymerketten dauerhaft miteinander vernetzt sind. Genau diese festen Bindungen machen Bauteile stabil und hitzebeständig, verhindern aber zugleich ein einfaches Einschmelzen und Neuformen. Besonders schwierig ist das bei (pDCPD), das unter anderem in Fahrzeugteilen, Baumaschinen und Chemikalientanks eingesetzt wird.
Bislang enden solche pDCPD-Bauteile häufig in der Verbrennung. Das kostet viel Energie, erzeugt schädliche Nebenprodukte und kann Glas- oder Kohlenstofffasern zerstören, die die Verbundwerkstoffe verstärken. Ein Recyclingverfahren muss deshalb nicht nur das feste Kunststoffnetzwerk auflösen, sondern möglichst auch die wertvollen Einlagen erhalten.
Forscher mehrerer US-Institutionen um Zachariah Page von der Universität The University of Texas at Austin (UT) haben nun eine chemische Zerlegung entwickelt, die an den Doppelbindungen im pDCPD-Netzwerk ansetzt. Ein Ruthenium-Katalysator stößt sogenannte Metathesereaktionen an, bei denen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen neu verknüpft werden. Dadurch zerfällt das unlösliche Netzwerk in deutlich kleinere, lösliche Polymerfragmente.
Als Lösungsmittel identifizierte das Team Cyclopentylmethylether (CPME), das in der Studie als vergleichsweise umweltfreundliche Prozesschemikalie bewertet wird. Die Methode funktionierte bei pDCPD aus mehreren Herstellungsverfahren sowie bei kommerziellen Formulierungen und faserverstärkten Verbundstoffen. Je nach Größe wurden die Kunststoffobjekte dabei über Stunden bis Tage im Reaktionsgemisch gerührt. Einen 3D-gedruckten Kugelfisch zerlegten die Forscher bei 80 Grad Celsius.
„Bislang hat man diese Materialien trotz ihrer Festigkeit, Haltbarkeit und ihres geringen Gewichts möglicherweise gemieden, weil es keine gute Möglichkeit gab, sie zu recyceln. Der Umstieg auf pDCPD könnte bedeuten, dass dasselbe Produkt besser funktioniert und zugleich länger hält, bevor es recycelt werden muss. Ich hoffe, dass dies mehr Menschen dazu bringt, pDCPDs in Betracht zu ziehen“, erklärt Zachariah Page.
Die Idee entstand dabei nicht aus einem gezielten Recyclingversuch. Die Doktorandin Keldy Mason wollte pDCPD mit einer Katalysator-Lösungsmittel-Kombination ursprünglich widerstandsfähiger machen. Stattdessen begann der Kunststoff, sich zu zerlegen.
„Diese Art von Material gibt es schon lange, und man ging davon aus, dass es thermodynamisch einfach zu stabil ist, als dass diese Reaktion in die umgekehrte Richtung ablaufen könnte. Daher war das eine ziemliche Überraschung“, sagt Zachariah Page.
Entscheidend ist, was nach der Zerlegung übrig bleibt. In den Versuchen wurden mehr als 90 Prozent der Polymerfragmente zurückgewonnen. Die Forscher isolierten außerdem Glasfasern und Kohlenstofffasern in praktisch unbeschädigter Form. Selbst ein elektronisches Bauteil, das zuvor in pDCPD eingeschlossen worden war, blieb nach dem Herauslösen der Kunststoffmatrix funktionsfähig.
Die zurückgewonnenen Polymerfragmente sind nicht nur Abfall. Das Team stellte neue pDCPD-Proben her, die 20 Gewichtsprozent solcher Fragmente enthielten, und verglich ihre mechanischen Eigenschaften mit neuem Material. Damit demonstriert die Studie zumindest im Labormaßstab, dass sowohl die Kunststoffanteile als auch teure Verstärkungsfasern wieder in Materialkreisläufe zurückgeführt werden können.