Zufallsfund im Labor: Neuer Kunststoff verdampft und baut sich selbst neu auf

Eigentlich wollten die Chemiker der University of Surrey nur einen weißen Feststoff verflüssigen. Sie erhitzten das Reagenzglas auf 80 °C und warteten auf die ersten Tropfen. Die blieben aus. Stattdessen verschwand die Substanz vom Boden des Gefäßes und tauchte an den kühleren Wänden als fester Belag wieder auf. Der Kunststoff war in seine gasförmigen Bausteine zerfallen und hatte sich beim Abkühlen von selbst wieder zu einem Polymer zusammengesetzt.

Über das Material mit dem Namen Poly(1,2-Dithiolan) berichtet das Team um Peter Roth jetzt im Fachjournal Macromolecules. Laut Studie ist der mehr oder minder zufällig entdeckte Kunststoff der weltweit erste, der dieses Verhalten zeigt. Wie funktioniert er, und wie lässt er sich nutzen?

Warum stabile Kunststoffe ein Recyclingproblem sind

Um zu verstehen, was das Surrey-Material besonders macht, hilft ein Blick darauf, woran das Kunststoffrecycling bisher krankt. Kunststoffe wie Polyethylen sind auf Beständigkeit ausgelegt. Die Tragetasche soll im Regen halten, die Shampooflasche jahrelang dicht bleiben. Diese Stabilität wird am Lebensende zur Hürde, denn die langen Molekülketten geben ihre Bausteine nur widerwillig her. Die gezielte Rückgewinnung der Monomere ist bei klassischen Massenkunststoffen laut der Universität von Surrey deshalb kaum möglich.

Und selbst für die Zerlegung entwickelte Kunststoffe machen Mühe. Nach Angaben der Universität benötigt man dafür meist 150 °C bis 200 °C, und die zurückgewonnenen Monomere müssen oft chemisch nachbehandelt werden, bevor daraus wieder Plastik entsteht. Zudem müssen die üblicherweise flüssigen Monomere gesammelt und in einem eigenen Prozess erneut polymerisiert werden.

Wie aufwendig das Recycling sein kann, zeigt ein aktuelles Beispiel aus Japan: Ein Team der Kyushu-Universität hat einen Katalysator entwickelt, der Polyurethan in gemischten Abfällen mithilfe von Wasserstoff aufspaltet. Das funktioniert, erfordert aber spezielle Rohstoffe und Anlagen.

Schwefelbrücken als Sollbruchstellen: So funktioniert der neue Kunststoff

Das Surrey-Team hat die Zerlegungsoption quasi direkt ins Molekül eingebaut.

Die Basis

• Ausgangsstoff ist 1,2-Dithiolan, ein ringförmiges Molekül aus drei Kohlenstoff- und zwei Schwefelatomen. Chemisch ist es der nächste Verwandte der Liponsäure, die als Nahrungsergänzungsmittel in jeder Drogerie steht. Der kleine Ring steht unter Spannung und springt deshalb leicht auf.
• Reiht er sich mit vielen anderen Ringen zur Kette, entsteht der Kunststoff Poly(1,2-Dithiolan): weich, wasserunlöslich und wasserabweisend, laut Studie vergleichbar mit Polyethylen. Zwischen den Gliedern sitzen hier aber Schwefel-Schwefel-Bindungen, die sich mit Wärme lösen lassen.

Die Aufspaltung

• Genau das passiert ab etwa 80 °C bis 90 °C. Die Ketten zerfallen zurück in ihre Ringbausteine, und die sind bei dieser Temperatur gasförmig. Das Monomer entweicht also laufend aus dem Gleichgewicht von Zerfall und Neuaufbau. Das treibt die Zerlegung immer weiter an.

Die Sublimation

• Trifft der Dampf auf eine kühlere Oberfläche, kondensiert er und die Ringe schließen sich von selbst wieder zu Ketten zusammen. Die Forschenden sprechen von Sublimation, dem direkten Übergang zwischen fest und gasförmig. Anders als bei Trockeneis, wo dieselbe Substanz nur den Zustand wechselt, steckt hier aber eine chemische Zerlegung und Neubildung (Depolymerisation und Repolymerisation) hinter.

Die Bilanz im Labor

Von 65 mg Polymer, die zwei Stunden auf 90 °C erhitzt wurden, schlugen sich laut den Forschenden 89 % als frischer Kunststoff an der Gefäßwand nieder, im offenen Reagenzglas und ohne aktive Kühlung. Der Vorgang ließ sich mit ähnlicher Ausbeute wiederholen.

„Die meisten Kunststoffe sind auf Stabilität ausgelegt, und genau das macht sie so schwer zu recyceln oder zu entfernen“, so Studienleiter Peter Roth in der Pressemitteilung. „Wir haben gezeigt, dass sich ein Material schaffen lässt, das sich völlig anders verhält: Es kann bei relativ niedrigen Temperaturen zu Dampf werden und sich anschließend auf natürliche Weise wieder zum selben Polymer aufbauen.“

Beschichten, ablösen, reinigen: drei Anwendungen im Test

Was mit einem sublimierbaren Kunststoff möglich ist, zeigte das Team an drei Demonstrationen.

1. Die Forschenden ließen den Polymerdampf auf einem aufgerollten Filterpapier kondensieren. Ergebnis war eine rund 5,5 µm dünne, wasserdichte Beschichtung, aufgetragen ohne Lösungsmittel. Das ist insofern bemerkenswert, als sich unlösliche Kunststoffe wie Polyethylen oder PTFE sonst nicht einfach aus Lösung auftragen lassen.
2. Eine solche Beschichtung konnte das Team durch erneutes Erhitzen ohne Rückstände wieder entfernen: Nach einer Nacht bei 100 °C war das Filterpapier wieder benetzbar. Beschichtungen ließen sich also aufbringen und für das Recycling des Trägermaterials wieder abnehmen.
3. Die dritte Demo zielte auf Additive wie

„Das Spannende ist, dass wir ein Prinzip demonstriert haben, das es vorher nicht gab“, resümiert Erstautor Touseef Kazmi. „Wenn wir lernen, diese Chemie gezielt anzupassen, könnte das zu neuen Materialien führen, die sich leichter auftragen, entfernen und recyceln lassen als viele heutige Kunststoffe.“

Der Beginn einer neuen Materialklasse?

Die Universität wertet die Arbeit als Machbarkeitsnachweis für eine neue Klasse zirkulärer Materialien. Denkbar seien etwa Beschichtungen für komplexe Oberflächen, an denen flüssige Lacke scheitern. Roth selbst bremst die Erwartungen:

„Das ist kein Ersatz für herkömmliche Kunststoffe und ganz sicher keine Lösung für das globale Plastikmüllproblem. Aber es führt ein neues Konzept ein, das eine ganz neue Generation zirkulärer Materialien inspirieren könnte.“ Ob daraus Produkte werden, müssen Folgearbeiten zeigen. Bislang existiert das Material nur im Milligramm-Maßstab.

Die Originalstudie ist im Fachjournal Macromolecules erschienen.