Neuartiges Recyclingverfahren gibt alten Kunststoffen neues Leben: Forscher bauen Polyurethan ab und bauen es wieder auf, um neuen Schaumstoff herzustellen

29. August 2023

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von der Northwestern University

Polyurethan-Kunststoffe sind allgegenwärtig und werden überall verwendet, von Matratzen bis hin zu Schuhen. Sobald diese Produkte jedoch nicht mehr benötigt werden, verunreinigen diese Materialien Mülldeponien und Ozeane auf der ganzen Welt.

Jetzt hat eine Gruppe von Forschern der Northwestern University eine neue Recyclingmethode für Polyurethanschäume, eine der häufigsten Kunststoffarten, entwickelt, die ungiftige, umweltfreundlichere Katalysatoren verwendet, wie in einem am 27. August in der Zeitschrift Macromolecules veröffentlichten Artikel beschrieben.

Der Prozess umfasst chemische Reaktionen, bei denen Polyurethan gleichzeitig wiederaufbereitet und „aufgeschäumt“ wird, nachdem es in Gegenwart eines Katalysators auf Zirkoniumbasis erhitzt und Schaummittel eingeführt wurde. Der recycelte Schaumstoff behielt seine Haltbarkeit sowie seine strukturelle und chemische Integrität. Der Prozess wird in einem verwandten Artikel beschrieben, der Anfang dieses Monats in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde.

William Dichtel, Robert L. Letsinger-Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University, leitete das Forschungsteam und bezeichnete die bahnbrechende Entdeckung als „großen Schritt nach vorne“. Wenn Kunststoffe mit einem zirkulären Lebenszyklus hergestellt werden, werden sie zu einem wichtigen Teil der Wirtschaft der Zukunft.

„Die Arten von Polymeren, die diesen Katalysatoransatz erfordern, werden Duroplaste oder vernetzte Polymere genannt“, sagte Dichtel, Fakultätsmitglied am Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy der Northwestern University. „Duroplaste sind wegen ihrer überlegenen Haltbarkeit und Stabilität wichtig, aber diese Eigenschaften gehen zu Lasten der Recyclingfähigkeit. Neue Methoden zum Recycling von Duroplasten werden Treibhausgasemissionen reduzieren, Energie sparen und den Mülldeponieverbrauch verringern.“

Dieser „zirkuläre Lebenszyklus“ bezieht sich auf Materialien, die mit minimalem Qualitäts- und Wertverlust wiederaufbereitet oder wiederaufbereitet werden, anstatt nur einmal verwendet und dann entsorgt oder zerstört zu werden.

Beim traditionellen Recycling von Polymerkunststoffen wird der Kunststoff eingeschmolzen und anschließend für eine neue Verwendung gegossen. Aber haltbarere Kunststoffe – wie Polyurethane aus Sprühschaumisolierungen, Autoinnenräumen und anderen Bekleidungsstücken – schmelzen aufgrund ihrer vernetzten Struktur nicht.

Dichtel und sein Team entwickelten eine Methode zum Recycling und Umformen vorhandener Polyurethanschaumprodukte, indem sie einen Katalysator auf Zirkoniumbasis in das Material einarbeiten, nachdem es mit einem Küchenmixer in kleinere Stücke gemischt wurde. Zuvor hatten sie sich für diesen Prozess auf Katalysatoren auf Zinnbasis verlassen, doch diese Katalysatoren sind zu giftig, als dass sie weiter erforscht werden könnten.

Beim Erhitzen des Polyurethans ordnet der Zirkoniumkatalysator seine Bindungen neu und ermöglicht die Umformung des Materials. Gleichzeitig erzeugt ein sogenannter Schaumbildner neue Gasblasen, die im Kunststoff eingeschlossen werden. Auf diese Weise wird der alte Polyurethanschaum, der normalerweise nur einmal verwendet wird, in einen neuen, umgeformten Schaum umgewandelt.

Die Entdeckung baut auf Dichtels früheren Forschungen auf, die eine Möglichkeit zur Wiederverwertung von Polyurethanschaum in feste Kunststoffe etablierten. Diese Ergebnisse waren ein wichtiger Schritt in Richtung Polyurethan-Zirkularität; Allerdings werden in der Studie hergestellte Vollkunststoffprodukte nicht kommerziell genutzt. Die Fähigkeit, einen Schaum zu einem anderen Schaumprodukt zu recyceln, scheint weitaus wichtiger zu sein und wurde durch eine wichtige Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von BASF, einem großen Polyurethanhersteller, ermöglicht.

Die Auswirkungen der neuen Technik seien global, heißt es in der Studie. Die Entdeckung könnte auf Post-Consumer-Polyurethanschaumprodukte oder ungenutzte Industriekunststoffabfälle angewendet werden.

„Wir freuen uns, mit unseren Partnern bei BASF, einem der wichtigsten und innovativsten Polyurethan-Hersteller der Welt, zusammenzuarbeiten, um unser Bestreben fortzusetzen, Polyurethan kreislauffähiger und nachhaltiger zu machen“, sagte Dichtel über die nächsten Schritte.

Mehr Informationen: Molly Sun et al., Grüne Katalysatoren für die Wiederaufbereitung duroplastischer Polyurethane, Makromoleküle (2023). DOI: 10.1021/acs.macromol.3c01116

Subeen Kim et al., Circular Reprocessing of Duroplast Polyurethane Foams, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202305387

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

Zur Verfügung gestellt von der Northwestern University