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Nanotröpfchen eröffnen neuen Weg zu abbaubaren Kunststoffen
Plastik mit Sollbruchstellen: Damit sich die langen Molekülketten eines Kunststoffs gezielt zerlegen lassen, braucht es spaltbare Bindungen im Material. Jetzt ist es gelungen, einen bislang kaum nutzbaren Baustein mithilfe des Drucks in winzigen Flüssigkeitströpfchen in solche Ketten einzubauen. Die entstandenen Kunststoffpartikel ließen sich im Labor unter chemischer Behandlung teilweise aufspalten.
Sakai (Japan). Viele Kunststoffe bestehen aus langen Ketten, deren Rückgrat überwiegend aus stabilen Kohlenstoffbindungen aufgebaut ist. Diese Struktur macht die Materialien beständig, erschwert aber auch ihren gezielten Abbau nach Gebrauch. Zerfallen Gegenstände nur in kleinere Stücke, können Mikroplastikpartikel zurückbleiben.
Ein Ansatz besteht darin, von vornherein leicht spaltbare Verbindungen in die Ketten einzubauen. Dafür müssen spezielle ringförmige Molekülbausteine bei der Kunststoffherstellung geöffnet und mit anderen Bausteinen verknüpft werden. Doch manche dieser Ausgangsstoffe sind unter üblichen Reaktionsbedingungen kaum reaktionsfähig und bleiben deshalb bislang weitgehend ungenutzt.
Forscher der Osaka Metropolitan University (OMU) um Yukiya Kitayama haben nun gezeigt, dass sich dieses Problem durch den Druck in Nanotröpfchen umgehen lässt. Als Testfall nutzten sie das ringförmige Molekül 3-Phenylthionophthalid (PTP), das bei gewöhnlicher Polymerisation kaum in die gewünschte Kette eingebaut wird. Zusammen mit n-Butylacrylat setzten sie es in einer wässrigen Miniemulsion um, also einer Flüssigkeit mit besonders feinen, voneinander getrennten Tröpfchen.
Der Trick: Durch die Oberflächenspannung steigt der Druck im Inneren eines Tröpfchens, je kleiner dessen Radius ist. Dieser sogenannte Laplace-Druck begünstigte die Öffnung des PTP-Rings und damit den Einbau spaltbarer Thioester-Verbindungen in die entstehenden Kunststoffketten. So entstanden Partikel aus einem Vinyl-Copolymer, dessen Rückgrat sich chemisch auftrennen ließ.
Unter vergleichbaren Bedingungen wurden in den Nanotröpfchen 92 Prozent des eingesetzten PTP umgesetzt, in einer gewöhnlichen Lösung dagegen nur 37 Prozent. Damit ließ sich der bislang wenig reaktionsfreudige Baustein wesentlich effizienter in die Kunststoffherstellung einbeziehen.
„Unsere Ergebnisse erweitern die Auswahl an Materialien für die Herstellung abbaubarer Kunststoffe erheblich“, erklärt Yukiya Kitayama.
Die Tröpfchen des erfolgreichen Versuchs hatten einen Durchmesser von rund 130 Nanometern. Der zusätzliche Druck durch ihre gekrümmte Oberfläche lag nach Berechnungen bei etwa 77 Kilopascal. In wesentlich größeren Tröpfchen mit ungefähr fünf Mikrometern Durchmesser betrug er dagegen nur rund 7,3 Kilopascal.
Wie wichtig tatsächlich der Druck ist, zeigte ein Kontrollversuch mit einem Druckreaktor: Bei einem zusätzlich angelegten Druck von mehr als 40 Kilopascal stieg der PTP-Umsatz auf über 60 Prozent. Gleichzeitig reagierte jedoch der zweite Baustein schlechter, sodass hoher Druck allein noch keine ebenso effiziente Kunststoffsynthese ermöglichte. In den Nanotröpfchen kommt ein zweiter Effekt hinzu, denn reaktive Teilchen werden räumlich voneinander getrennt und beenden die Kettenbildung dadurch seltener gegenseitig.
Diese Kombination aus Druck und räumlicher Trennung erklärt, warum sich in der Miniemulsion beide Ausgangsstoffe gut umsetzen ließen. Sie zeigt zugleich, dass die beiden physikalischen Effekte gemeinsam zur besonderen Reaktionsführung beitragen.