Neuer Katalysator löst Kernproblem beim Kunststoffrecycling
Ein Katalysator dreht die Chemie scheinbar um: Polyurethan zerfällt zuerst, während Polyester und Nylon erhalten bleiben.
Japanische Forscher haben einen Katalysator entwickelt, der Polyurethan in gemischten Kunststoffabfällen selektiv abbaut und damit einen praktischen Weg zum Recycling von Materialien eröffnet, deren Trennung lange Zeit als zu komplex galt.
Foto: Takanori Iwasaki / Kyushu University
Eigentlich müsste der Katalysator zuerst Polyester und Nylon angreifen. Doch im Experiment geschieht das Gegenteil: Das schwerer zu spaltende Polyurethan zerfällt, während die beiden anderen Kunststoffe erhalten bleiben. Ein japanisches Forschungsteam hat damit einen Weg gefunden, bestimmte Kunststoffgemische gezielt aufzutrennen.
Das könnte bei Produkten helfen, die heute nur mit großem Aufwand recycelt werden können. Dazu gehören Matratzen, Mischtextilien und Autositze. In ihnen ist Polyurethan, kurz PU, häufig fest mit weiteren Kunststoffen verbunden.
Die Forschenden der Kyushu-Universität, der Universität Tokio und des japanischen Forschungsinstituts AIST berichten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“.
Inhaltsverzeichnis
Warum Kunststoffgemische das Recycling erschweren
Eine sortenreine PET-Flasche lässt sich vergleichsweise gut verwerten. Recyclingbetriebe können sie sortieren, reinigen, zerkleinern und erneut einschmelzen. Bei vielen Alltagsprodukten funktioniert das nicht.
Ein Autositz besteht beispielsweise nicht nur aus einem Schaumstoffblock. Er enthält Bezugsstoffe, Kunstfasern, Metalle, Klebstoffe und weitere Materialien. Auch Matratzen und Kleidungsstücke kombinieren häufig mehrere Kunststoffarten.
Werden unverträgliche Kunststoffe gemeinsam eingeschmolzen, vermischen sie sich nicht gleichmäßig. Das Material verliert an Qualität oder lässt sich gar nicht mehr sinnvoll einsetzen. Eine sortenreine Trennung wäre deshalb nötig, ist technisch aber aufwendig und teuer.
Polyurethan stellt Recyclingbetriebe vor ein zusätzliches Problem. Die Polymerfamilie umfasst sehr unterschiedliche Materialien, darunter weiche und harte Schäume, Beschichtungen, Klebstoffe und thermoplastische Kunststoffe.
Viele mengenmäßig relevante PU-Produkte, etwa Matratzen- und Sitzschäume, sind chemisch vernetzt. Sie lassen sich nicht wie PET erneut aufschmelzen. Thermoplastisches Polyurethan, kurz TPU, bildet eine Ausnahme.
„PU ist das sechsthäufigste Polymer und kommt in Textilien, Schwämmen und Autositzen vor, bleibt jedoch weitgehend außerhalb der Reichweite von Recyclingsystemen“, erklärt Professor Takanori Iwasaki von der Kyushu-Universität. „Im Gegensatz zu PET schmilzt es beim Erhitzen nicht, daher müssen wir die chemischen Bindungen direkt aufbrechen.“
Iridiumkatalysator greift gezielt Polyurethan an
Das Team nutzt dazu eine Hydrogenolyse. Bei dieser chemischen Reaktion spaltet Wasserstoff bestimmte Bindungen innerhalb des Kunststoffs. Ein Katalysator sorgt dafür, dass die Reaktion schneller und möglichst gezielt abläuft.
Die Forschenden kombinierten einen Katalysator auf Iridiumbasis mit einem Phenolatsalz, das den Katalysator aktiviert. Bei Temperaturen zwischen 130 und 170 °C und unter Wasserstoff spaltete das System die Urethanbindungen im PU.
Dabei entstanden kleinere Moleküle, darunter Alkohole und stickstoffhaltige Verbindungen. Sie könnten grundsätzlich als chemische Rohstoffe weiterverwendet werden. Einen geschlossenen Kreislauf, bei dem daraus erneut gleichwertiges Polyurethan entsteht, hat die Studie allerdings noch nicht nachgewiesen.
Entscheidend ist ein anderer Punkt: Gleichzeitig vorhandene Polyester und Polyamide wurden unter den untersuchten Bedingungen chemisch nicht abgebaut. Die festen Kunststoffanteile ließen sich anschließend vom Reaktionsgemisch abtrennen.
Der Prozess verbindet damit zwei Recyclingwege:
- Das Polyurethan wird chemisch in kleinere Moleküle zerlegt.
- Polyester und Polyamid bleiben als Polymere erhalten und können mechanisch weiterverarbeitet werden.
Ob die zurückgewonnenen Kunststoffe danach noch ihre ursprüngliche Festigkeit, Farbe und Alterungsbeständigkeit besitzen, muss gesondert untersucht werden. Chemisch intakt bedeutet nicht automatisch, dass ein Material ohne Qualitätsverlust wieder eingesetzt werden kann.
Der Katalysator kehrt die erwartete Reaktion um
Die Selektivität des Katalysators ist aus chemischer Sicht ungewöhnlich. Unter vergleichbaren Bedingungen gelten Esterbindungen in Polyestern meist als leichter spaltbar als Amidbindungen in Polyamiden. Urethanbindungen reagieren normalerweise noch schwerer.
Das neue System kehrt diese erwartete Reihenfolge für die untersuchte Reaktion um. Es spaltet die widerstandsfähigeren Urethanbindungen, während die eigentlich leichter angreifbaren Ester- und Amidbindungen erhalten bleiben.
„Was ich am bemerkenswertesten finde, ist, dass dies das widerlegt, was jeder Student in der organischen Chemie lernt“, sagt Iwasaki. „Durch die Kombination von Iridiumkatalysator und dem richtigen Additiv haben wir diese Reihenfolge komplett umgekehrt. Die am wenigsten reaktive Bindung wird zuerst gespalten, während die reaktiveren unberührt bleiben.“
Versuche mit realen Kunststoffprodukten
Die Forschenden prüften ihr Verfahren nicht nur an reinen Modellsubstanzen. Sie behandelten auch kommerzielle Produkte und Materialgemische, darunter Mischtextilien und Teile eines ausgedienten Autositzes.
Das PU ließ sich dabei abbauen, während Polyester- und Polyamidbestandteile erhalten blieben. Damit zeigt die Studie, dass das Prinzip nicht auf sorgfältig hergestellte Laborproben beschränkt ist.
Ein kompletter Autositz lässt sich deshalb aber noch lange nicht ohne Vorbereitung in einen chemischen Reaktor geben. Metalle, Klebstoffe, Farbstoffe, Flammschutzmittel, Füllstoffe und Verschmutzungen können den Prozess beeinflussen. Solche Bestandteile müssten weiterhin entfernt oder bei der Aufbereitung berücksichtigt werden.
Das Verfahren könnte deshalb bestimmte Trennschritte erleichtern. Es ersetzt aber nicht automatisch die Demontage und Sortierung komplexer Produkte.
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