Quantensprung für die Nylonchemie
Die Chemie ist immer wieder für Überraschungen gut. Die molekulare Grundlage etwa für Nylonstrümpfe – die so genannten Adipate – lassen sich jetzt dank der Zusammenarbeit des Essener Chemiespezialisten Evonik und der Rostocker Universität einfacher herstellen.
Evonik Butadien-Anlage, den Ausgangsstoff für Adipate, aus denen unter anderem auch Nylon hergestellt werden kann. Bild: Evonik
Die Geschichte begann 1935. In den USA wurde Nylon entwickelt – die erste Faser, die vollständig synthetisch hergestellt wurde. Sie wurde erst zu Zahnbürsten verarbeitet, dann zu Nylonstrümpfen, später zu Fallschirmen, Ballons, Angelschnüren oder zur Bespannung von Tennisschlägern. Auch in technischen Textilien werden sie vielfach eingesetzt.
Nylon gehört heute zu den am häufigsten verwendeten synthetischen Fasern in Textilien. Hinter dem Begriff verbirgt sich eine Familie synthetischer Polymere. Diese bestehen aus einer langen Kette sich wiederholender molekularen Einheiten, wobei jede sich wiederholende Einheit eine bestimmte Anordnung von Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) sowie Kohlenstoffatomen (C) enthält.
Ein- statt mehrstufig
Künftig lassen sich diese Fasern wohl einfacher und damit auch mit weniger Energieaufwand herstellen. Senn Einem Essen-Rostocker Forscherteam gelangt ein Durchbruch: Sie vereinfachen eine wichtige Reaktion für die Chemieindustrie: die „Carbonylierung“, Hierbei wird eine „Carbonyl-Gruppe“ – eine Verbindung aus Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) – in eine organische Verbindungen eingefügt. Wissenschaftler hatten schon seit mehr als 60 Jahren nach einem Weg gesucht, den nun gelungenen Reaktionsschritt zu verwirklichen.
Das Team konnte eine Grundchemikalie – 1,3-Butadien – direkt mit zwei Carbonyl-Gruppen versehen, um daraus Adipate herzustellen. Aus diesen Salzen der Adipinsäure wiederum stellen Chemiefirmen weltweit Weichmacher, Parfüms, Schmierstoffe, Lösemittel, pharmazeutische Wirkstoffe her – und eben auch den Kunststoff Nylon. Stand der Technik für die Herstellung von Adipaten ist bislang eine mehrstufige, energie- und kostenaufwendige Synthese.
Ein Edelmetall hilft
Der Schlüssel zum Durchbruch war, einen Palladium-Katalysator mit einem spezifischen Phosphin-Liganden zu kombinieren. Dieser Ligand, eine Verbindung aus Phosphor, Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, bindet an das Edelmetall Palladium und ergibt so einen hochselektiven, effizienten und langlebigen Katalysator. Mit ihm lassen sich unter industriell realisierbaren Bedingungen Ausbeuten der Adipaten von 95 Prozent erreichen. Das Essener Chemieunternehmen Evonik spricht von einer „Traumreaktion“.
Das Essen-Rostocker-Team agiert unter Leitung von Matthias Beller, Direktor des Rostocker Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT), und Robert Franke, Chemiker von Evonik Performance Materials in Essen. Die beteiligten Projektpartner legen mit ihrem neuen Verfahren den Grundstein für eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Syntheseroute in großem Maßstab.
Nylon mit Zukunft
Die Firma und das Institut halten das ökonomische Potential dieser Innovation für sehr hoch: Jährlich werden weltweit mehrere Millionen Tonnen Adipate hergestellt. Und geschätzt wird, dass allein der Nylon-Markt weltweit von 2018 bis 2023 jährlich um vier Prozent wächst – dies vor allem in China. Und es wird auch neue Anwendungsgebiete für Nylon geben: So haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz dünne Nylonschichten hergestellt, die etwa in elektronischen Speicherkomponenten eingesetzt werden können. Die dünnen Schichten sind mehrere 100-mal dünner als ein menschliches Haar und könnten für Anwendungen in biegsamen elektronischen Geräten oder für Elektronik in Kleidungsstücken attraktiv sein.
Die großtechnische Evaluierung der neuen Reaktion hinsichtlich ökonomischer und technischer Gesichtspunkte startet daher ab sofort.
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