Kunststoffe der neuen Generation ermöglichen die Rückgewinnung von Monomeren aus üblichen Additiven, auch in gemischten Abfallströmen, wobei nur Wasser als Nebenprodukt anfällt.
#Recycling, #Biotechnologie, #PDK, #Kunststoffe
Ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums (Berkeley Laboratory) hat einen recycelbaren Kunststoff entwickelt, der auf molekularer Ebene in Bestandteile zerlegt und anschließend in verschiedenen Formen, Texturen und Farben wieder zusammengesetzt werden kann immer wieder, ohne Leistung oder Qualität zu verlieren. Ein neues Material namens Poly (Dicentenoamin) oder PDK wurde in Nature Chemistry veröffentlicht.
Alle Kunststoffe, von Wasserflaschen bis hin zu Autoteilen, bestehen aus großen Molekülen, so genannten Polymeren, die aus sich wiederholenden Bindungen kürzerer Kohlenstoffverbindungen, so genannten Monomeren, bestehen.
Rezirkulierte Kunststoffe sind aufgrund von Restverunreinigungen und Abbau des Polymers in jedem Zyklus der Wiederverwendung kostengünstige Produkte. Kunststoffe, die eine reversible Polymerisation eingehen, können wertvolle Monomere zurückgewinnen und in unbeschädigte Materialien umwandeln. Die Rückgewinnung von Monomeren ist jedoch häufig teuer, aufwendig und energieaufwendig. Kunststoffe der neuen Generation, die unter Verwendung dynamischer kovalenter Diketoenamin-Bindungen polymerisiert wurden, ermöglichen die Rückgewinnung von Monomeren aus üblichen Additiven, auch in gemischten Abfallströmen, wobei nur Wasser als Nebenprodukt anfällt. Die extrahierten Monomere können in derselben Polymerformulierung ohne Produktivitätsverlust sowie in anderen Polymerformulierungen mit differenzierten Eigenschaften gewonnen werden. Die Leichtigkeit, mit der Polyethylen (Diketenoamin) ohne Wertverlust hergestellt, verwendet, recycelt und wiederverwendet werden kann, zeigt neue Wege bei der Entwicklung nachhaltiger Polymere mit minimaler Umweltbelastung auf.
Nach Ansicht der Forscher besteht das Problem bei vielen Kunststoffen darin, dass zu ihrer Nützlichkeit hinzugefügte Chemikalien, wie Füllstoffe, die Kunststoffe steif machen, oder Weichmacher, die Kunststoffe flexibel machen, eng mit Monomeren verwandt sind und darin verbleiben der Kunststoff Auch nach der Verarbeitung in einer Recyclinganlage.
Bei der Verarbeitung in diesen Anlagen werden Kunststoffe unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (feste Kunststoffe, elastische Kunststoffe, transparente Kunststoffe, farbige Kunststoffe) gemischt und in Stücke zerkleinert. Wenn diese Mischung aus geschnittenem Kunststoff schmilzt, um ein neues Material zu erzeugen, ist es schwierig vorherzusagen, welche Eigenschaften der ursprüngliche Kunststoff haben wird.
Dieses Erbe unbekannter Eigenschaften und daher unvorhersehbar, hat verhindert, dass Kunststoffe zu dem werden, was viele für die Grundlage der Verarbeitung halten: ein "rundes" Material, dessen ursprüngliche Monomere für eine möglichst lange Wiederverwendung extrahiert werden können oder "Recycelt" in einem neuen. Ein Produkt von höchster Qualität.
Wenn eine wiederverwendbare Einkaufstasche abgenutzt ist, kann sie nicht zu einem neuen Produkt recycelt werden. Laut Helms wird der Sack nach Ablauf seiner Nutzungsdauer zur Erzeugung von Wärme, Strom oder Kraftstoff verbrannt oder auf eine Mülldeponie verbracht.
Eine neue Generation von Kunststoffen.
Die Forscher wollen Kunststoffe von Mülldeponien und Ozeanen entfernen, um ihre Rückgewinnung und Wiederverwendung zu fördern, was mit Polymeren aus MPCs möglich ist. "Bei PDK werden die unveränderlichen Verbindungen in herkömmlichen Kunststoffen durch reversible Verbindungen ersetzt, die eine effizientere Verarbeitung von Kunststoffen ermöglichen", so Helms.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen können PDK-Kunststoffmonomere einfach durch Eintauchen des Materials in eine stark saure Lösung von jedem komplexen Additiv entfernt und freigesetzt werden. Die Säure hilft, die Bindungen zwischen den Monomeren zu lösen und sie von den chemischen Zusätzen zu trennen, die dem Kunststoff ein Aussehen und ein Gefühl verleihen.
"Wir sind an einer Chemie interessiert, die die Lebenszyklen von Kunststoffen von linear zu kreisförmig umleitet", sagte Helms. "Wir sehen eine Chance, die Situation zu ändern, wenn es keine Recycling-Optionen gibt, wie Cola, Handyhüllen, Uhrenarmbänder, Schuhe, Computerkabel und heißes, duroplastisches Hartkunststoffmaterial.
Die Forscher entdeckten die überraschenden Eigenschaften des Recyclings von Kunststoffen auf MPC-Basis, als Christensen verschiedene Säuren auf die zur Herstellung der MPC-Klebstoffe verwendeten Glaswaren auftrug und feststellte, dass sich die Zusammensetzung des Klebstoffs geändert hatte. Christensen war neugierig, wie der Klebstoff transformiert werden könnte, und analysierte die Molekülstruktur der Probe mithilfe eines NMR-Spektroskopiegeräts. "Zu unserer Überraschung waren dies originale Monomere", sagt Helms.
Nach dem Testen verschiedener molekularer Gießereizusammensetzungen haben sie gezeigt, dass sie nicht nur die polymeren PDK-Säuren in Monomere aufteilen, sondern auch ermöglichen, dass sich die Monomere von den blockierenden Additiven trennen.
Sie zeigten dann, dass die zurückgewonnenen PDK-Monomere in Polymere umgewandelt werden können und dass die recycelten Polymere neue Kunststoffmaterialien bilden können, ohne die Farbe oder andere Eigenschaften des ursprünglichen Materials zu übernehmen, so dass der weggeworfene Kunststoff eine neue Verwendung finden kann. Beispielsweise kann eine Computertastatur, wenn sie aus Kunststoff-PDK besteht, auch recycelt werden, indem zusätzliche Funktionen wie Flexibilität hinzugefügt werden.
Auf dem Weg in die Zukunft von recycelbaren Kunststoffen.
Forscher glauben, dass ihr neuer recycelbarer Kunststoff eine gute Alternative zu den vielen nicht recycelbaren Kunststoffen sein kann, die heute verwendet werden.
"Wir befinden uns an einem kritischen Punkt, an dem wir über die Infrastruktur nachdenken müssen, die für die zukünftige Modernisierung unserer Recyclinganlagen erforderlich ist", sagte Helms. "Wenn diese Anlagen für das Recycling von KDP und verwandten Kunststoffen ausgelegt wären, könnten wir Kunststoffe aus Mülldeponien und Ozeanen besser nutzen. Es ist eine aufregende Zeit, sich Gedanken darüber zu machen, wie Materialien und Recyclinganlagen für den Einsatz ausgelegt werden sollen." aus recycelbaren Kunststoffen ", sagte Helms.
Die Forscher planen dann, PDK-Kunststoffe mit einem breiten Spektrum an thermischen und mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen wie Textilien, 3D-Druck und Schäume zu entwickeln. Darüber hinaus möchten sie ihre Formulierungen auf pflanzliche Materialien und andere nachhaltige Quellen ausweiten.
Obwohl diese "umweltfreundlicheren" Kunststoffe dazu beitragen werden, die Kontamination von Kunststoffen in Zukunft zu verringern, muss die Menschheit immer noch mit 18 Milliarden Pfund gewöhnlichen Kunststoffs fertig werden, der jedes Jahr in unsere Ozeane gelangt, und 6.3 eine Milliarde Tonnen. Kunststoffe entstehen seit 1950. Laut einer im vergangenen Jahr durchgeführten Studie befinden sich 79% der Abfälle noch hier, im Meer, auf Deponien oder auf dem Land verteilt.
Referenzen:
Helms, B. A. & Russell, T. P. Polymer chemistries enabling cradle-to-cradle life cycles for plastics. Chem. 1, 813–819 (2016).
Rahimi, A. R. & García, J. M. Chemical recycling of waste plastics for new materials production. Nat. Rev. Chem. 1, 0046 (2017).
García, J. M. & Robertson, M. L. The future of plastics recycling. Science 358, 870–872 (2017).
Hong, M. & Chen, E. Y.-X. Chemically recyclable polymers: a circular economy approach to sustainability. Green Chem. 19, 3692–3706 (2017).
MacArthur, E. Beyond plastic waste. Science 358, 843 (2017).
Schneiderman, D. K. & Hillmyer, M. A. 50th anniversary perspective: There is a great future in sustainable polymers. Macromolecules 50, 3733–3749 (2017).
Sardon, H. & Dove, A. P. Plastics recycling with a difference. Science 360, 380–381 (2018).
#Recycling, #Biotechnologie, #PDK, #Kunststoffe
Alle Kunststoffe, von Wasserflaschen bis hin zu Autoteilen, bestehen aus großen Molekülen, so genannten Polymeren, die aus sich wiederholenden Bindungen kürzerer Kohlenstoffverbindungen, so genannten Monomeren, bestehen.
Rezirkulierte Kunststoffe sind aufgrund von Restverunreinigungen und Abbau des Polymers in jedem Zyklus der Wiederverwendung kostengünstige Produkte. Kunststoffe, die eine reversible Polymerisation eingehen, können wertvolle Monomere zurückgewinnen und in unbeschädigte Materialien umwandeln. Die Rückgewinnung von Monomeren ist jedoch häufig teuer, aufwendig und energieaufwendig. Kunststoffe der neuen Generation, die unter Verwendung dynamischer kovalenter Diketoenamin-Bindungen polymerisiert wurden, ermöglichen die Rückgewinnung von Monomeren aus üblichen Additiven, auch in gemischten Abfallströmen, wobei nur Wasser als Nebenprodukt anfällt. Die extrahierten Monomere können in derselben Polymerformulierung ohne Produktivitätsverlust sowie in anderen Polymerformulierungen mit differenzierten Eigenschaften gewonnen werden. Die Leichtigkeit, mit der Polyethylen (Diketenoamin) ohne Wertverlust hergestellt, verwendet, recycelt und wiederverwendet werden kann, zeigt neue Wege bei der Entwicklung nachhaltiger Polymere mit minimaler Umweltbelastung auf.
Nach Ansicht der Forscher besteht das Problem bei vielen Kunststoffen darin, dass zu ihrer Nützlichkeit hinzugefügte Chemikalien, wie Füllstoffe, die Kunststoffe steif machen, oder Weichmacher, die Kunststoffe flexibel machen, eng mit Monomeren verwandt sind und darin verbleiben der Kunststoff Auch nach der Verarbeitung in einer Recyclinganlage.
Bei der Verarbeitung in diesen Anlagen werden Kunststoffe unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (feste Kunststoffe, elastische Kunststoffe, transparente Kunststoffe, farbige Kunststoffe) gemischt und in Stücke zerkleinert. Wenn diese Mischung aus geschnittenem Kunststoff schmilzt, um ein neues Material zu erzeugen, ist es schwierig vorherzusagen, welche Eigenschaften der ursprüngliche Kunststoff haben wird.
Dieses Erbe unbekannter Eigenschaften und daher unvorhersehbar, hat verhindert, dass Kunststoffe zu dem werden, was viele für die Grundlage der Verarbeitung halten: ein "rundes" Material, dessen ursprüngliche Monomere für eine möglichst lange Wiederverwendung extrahiert werden können oder "Recycelt" in einem neuen. Ein Produkt von höchster Qualität.
Wenn eine wiederverwendbare Einkaufstasche abgenutzt ist, kann sie nicht zu einem neuen Produkt recycelt werden. Laut Helms wird der Sack nach Ablauf seiner Nutzungsdauer zur Erzeugung von Wärme, Strom oder Kraftstoff verbrannt oder auf eine Mülldeponie verbracht.
Eine neue Generation von Kunststoffen.
Die Forscher wollen Kunststoffe von Mülldeponien und Ozeanen entfernen, um ihre Rückgewinnung und Wiederverwendung zu fördern, was mit Polymeren aus MPCs möglich ist. "Bei PDK werden die unveränderlichen Verbindungen in herkömmlichen Kunststoffen durch reversible Verbindungen ersetzt, die eine effizientere Verarbeitung von Kunststoffen ermöglichen", so Helms.
"Wir sind an einer Chemie interessiert, die die Lebenszyklen von Kunststoffen von linear zu kreisförmig umleitet", sagte Helms. "Wir sehen eine Chance, die Situation zu ändern, wenn es keine Recycling-Optionen gibt, wie Cola, Handyhüllen, Uhrenarmbänder, Schuhe, Computerkabel und heißes, duroplastisches Hartkunststoffmaterial.
Die Forscher entdeckten die überraschenden Eigenschaften des Recyclings von Kunststoffen auf MPC-Basis, als Christensen verschiedene Säuren auf die zur Herstellung der MPC-Klebstoffe verwendeten Glaswaren auftrug und feststellte, dass sich die Zusammensetzung des Klebstoffs geändert hatte. Christensen war neugierig, wie der Klebstoff transformiert werden könnte, und analysierte die Molekülstruktur der Probe mithilfe eines NMR-Spektroskopiegeräts. "Zu unserer Überraschung waren dies originale Monomere", sagt Helms.
Nach dem Testen verschiedener molekularer Gießereizusammensetzungen haben sie gezeigt, dass sie nicht nur die polymeren PDK-Säuren in Monomere aufteilen, sondern auch ermöglichen, dass sich die Monomere von den blockierenden Additiven trennen.
Sie zeigten dann, dass die zurückgewonnenen PDK-Monomere in Polymere umgewandelt werden können und dass die recycelten Polymere neue Kunststoffmaterialien bilden können, ohne die Farbe oder andere Eigenschaften des ursprünglichen Materials zu übernehmen, so dass der weggeworfene Kunststoff eine neue Verwendung finden kann. Beispielsweise kann eine Computertastatur, wenn sie aus Kunststoff-PDK besteht, auch recycelt werden, indem zusätzliche Funktionen wie Flexibilität hinzugefügt werden.
Auf dem Weg in die Zukunft von recycelbaren Kunststoffen.
Forscher glauben, dass ihr neuer recycelbarer Kunststoff eine gute Alternative zu den vielen nicht recycelbaren Kunststoffen sein kann, die heute verwendet werden.
Die Forscher planen dann, PDK-Kunststoffe mit einem breiten Spektrum an thermischen und mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen wie Textilien, 3D-Druck und Schäume zu entwickeln. Darüber hinaus möchten sie ihre Formulierungen auf pflanzliche Materialien und andere nachhaltige Quellen ausweiten.
Obwohl diese "umweltfreundlicheren" Kunststoffe dazu beitragen werden, die Kontamination von Kunststoffen in Zukunft zu verringern, muss die Menschheit immer noch mit 18 Milliarden Pfund gewöhnlichen Kunststoffs fertig werden, der jedes Jahr in unsere Ozeane gelangt, und 6.3 eine Milliarde Tonnen. Kunststoffe entstehen seit 1950. Laut einer im vergangenen Jahr durchgeführten Studie befinden sich 79% der Abfälle noch hier, im Meer, auf Deponien oder auf dem Land verteilt.
Referenzen:
Helms, B. A. & Russell, T. P. Polymer chemistries enabling cradle-to-cradle life cycles for plastics. Chem. 1, 813–819 (2016).
Rahimi, A. R. & García, J. M. Chemical recycling of waste plastics for new materials production. Nat. Rev. Chem. 1, 0046 (2017).
García, J. M. & Robertson, M. L. The future of plastics recycling. Science 358, 870–872 (2017).
Hong, M. & Chen, E. Y.-X. Chemically recyclable polymers: a circular economy approach to sustainability. Green Chem. 19, 3692–3706 (2017).
MacArthur, E. Beyond plastic waste. Science 358, 843 (2017).
Schneiderman, D. K. & Hillmyer, M. A. 50th anniversary perspective: There is a great future in sustainable polymers. Macromolecules 50, 3733–3749 (2017).
Sardon, H. & Dove, A. P. Plastics recycling with a difference. Science 360, 380–381 (2018).
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