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Neue Upcycling-Methode macht Plastikabfall zu hochfesten Klebstoffen
Viele Einwegverpackungen aus Polyethylen und Polypropylen lassen sich nur mit Qualitätsverlusten wiederverwerten. Ein neues Verfahren kann solche Kunststoffabfälle stattdessen in hochfeste Klebstoffe verwandeln, indem es unter Lichteinwirkung zusätzliche Polymerketten wachsen lässt. Laborproben erreichten eine Scherfestigkeit von bis zu 13,4 Megapascal und übertrafen damit untersuchte handelsübliche Schmelzklebstoffe.
Zürich (Schweiz). Aus Einkaufstüten, Folien und zahlreichen Kunststoffflaschen entstehen jährlich große Mengen von Abfall. Besonders verbreitet sind Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), deren stabile Molekülketten sie zwar haltbar, für eine chemische Weiterverarbeitung aber schwer zugänglich machen.
Beim erneuten Einschmelzen können Farbstoffe und andere Verunreinigungen die Qualität von Recyclingkunststoffen mindern. Die Zerlegung der langen Polymerketten in kleinere Bausteine ist ebenfalls aufwendig, sodass eine direkte chemische Aufwertung des vorhandenen Kunststoffs besonders interessant ist.
Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) um Prof. Dr. Tae-Lim Choi haben dafür ein Verfahren entwickelt, das vorhandene Polyolefinketten chemisch verändert, statt sie vollständig aufzuspalten. Die Wissenschaftler erprobten es an frischem Kunststoff und an gebrauchten Tüten, Flaschen sowie Laborgefäßen.
Zunächst lösten sie den Kunststoff in einem chlorierten organischen Lösungsmittel und mischten neue Kunststoffbausteine hinzu. Violettes Licht erzeugte in der Flüssigkeit reaktive Chlor-Radikale, die Wasserstoffatome von den bestehenden Ketten abspalten und damit Ansatzstellen für das Wachstum zusätzlicher Polymerseitenketten schaffen.
Die Reaktion benötigt weder zugesetzte Katalysatoren noch spezielle Starterchemikalien, läuft aber nicht bei Raumtemperatur ab. Bei den untersuchten Ansätzen wurden je nach Ausgangsstoff Temperaturen von etwa 90 bis 120 Grad Celsius eingesetzt, außerdem werden chlorierte Lösungsmittel benötigt.
Für einen besonders festen Klebstoff versah das Team Polyethylen mit Seitenketten aus einer Acrylamid-Polymergruppe. Im Scherversuch erreichte die beste untersuchte Rezeptur auf Metall eine Klebfestigkeit von bis zu 13,4 Megapascal, deutlich mehr als die getesteten kommerziellen Schmelzklebstoffe.
Wie belastbar die Verbindung sein kann, zeigen Versuche mit sehr kleinen Materialmengen. Schon 13 Milligramm Klebstoff hielten zwei Aluminiumplatten so fest zusammen, dass sich damit ein 20 Kilogramm schweres Gewicht anheben ließ. Eine vergleichbare Probe trug beim Hängen und bei Klimmzügen das Körpergewicht eines Erwachsenen von rund 80 Kilogramm.
Auch auf Stahl, Kupfer und Holz zeigten Proben hohe Haftwerte, während im Glastest das Material des Objektträgers vor der Verklebung brach. Die Untersuchungen belegen außerdem, dass wichtige Eigenschaften der ursprünglichen Kunststoffe weitgehend erhalten bleiben können, obwohl sie durch die neuen Seitenketten stärker mit anderen Stoffen wechselwirken.
Allerdings verbesserte die Umwandlung nicht jede mechanische Eigenschaft bei jeder Rezeptur. Abhängig von der angepfropften Polymerart wurden einzelne Proben auch weicher, weshalb die Zusammensetzung auf den gewünschten Einsatz abgestimmt werden muss.