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Kunststoff-Variante Forscher verleihen dem „ewigen Abfall“ Polyethylen Abbaubarkeit

Redakteur: Christian Lüttmann

Kunststoffe sind in mancher Hinsicht ein kritischer Werkstoff, gelangen doch gewaltige Mengen davon in die Umwelt und reichern sich beispielsweise in den Ozeanen an. Doch statt sie zu verteufeln, versuchen Forscher, sie zu verbessern. So hat ein Team der Uni Konstanz den weltweit meistproduzierten Kunststoff Polyethylen mit neuen Eigenschaften ausgestattet, u. a. einer Abbaubarkeit durch Sonnenlicht.

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Materialproben aus neuartigem Polyethylen mit eingebauten Sollbruchstellen in den Molekülketten
Materialproben aus neuartigem Polyethylen mit eingebauten Sollbruchstellen in den Molekülketten
(Bild: Maximilian Baur, AG Mecking, Universität Konstanz)

Konstanz – Polyethylen ist der am häufigsten hergestellte Kunststoff der Welt. Er wird aufgrund seiner Eigenschaften wie Zähigkeit in vielen verschiedenen, auch langlebigen Anwendungen eingesetzt. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Mecking im Fachbereich Chemie der Universität Konstanz hat nun dazu beigetragen, die Eigenschaften des neuen Materials zu erweitern und gleichzeitig die problematische Umweltbeständigkeit des Kunststoffs zu verringern. Dies gelang den Forschern, indem sie polare Gruppen in die Molekülketten von Polyethylen einführten. Die erwünschten vorteilhaften Eigenschaften von Polyethylen bleiben dabei erhalten.

Bei Polyethylen (PE) handelt es sich um ein unpolares hydrophobes Material, das – ähnlich wie Wachs – sehr wasserabweisend ist. Um die Materialeigenschaften zu erweitern und beispielsweise die Haftung auf Metalloberflächen zu verbessern, experimentieren Materialforscher schon seit langem damit, bei der Herstellung von Polyethylen einen kleinen Anteil polarer Gruppen einzubauen. Das erwies sich bisher als schwierig, da polare Reagenzien die Katalysatoren zerstören, die bisher zur Herstellung von Polyethylen verwendet werden.

Im richtigen Maß die Molekülketten modifizieren

Dem Team um Mecking ist es nun gelungen, in die Molekülketten des Kunststoffes polare Ketogruppen einzubauen. Dies gelingt durch Verwendung eines Katalysators, welcher mit dem Kohlenmonoxid verträglich ist, das als Reagenz zur Erzeugung der Ketogruppen dient.

Entscheidend ist dabei auch, dass nur eine begrenzte Menge an Ketogruppen erzeugt wird, um die typischen und vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Polyethylen wie seine Zähigkeit zu bewahren. „Es ist ein lange verfolgtes Ziel der Wissenschaft und Technik, solche Gruppen in die Polyethylenkette einzubauen. Das dieses nun gelungen ist, eröffnet neue Perspektiven“, fasst Studienleiter Mecking zusammen.

Langsamer Kettenabbau durch Sonnenlicht

Eine weitere Besonderheit des neuen Kunststoffes ist, dass die kleinen Mengen an Ketogruppen die Abbaubarkeit verbessern können. Im Labormaßstab haben die Wissenschaftler gezeigt, dass unter simuliertem Sonnenlicht ein langsamer Abbau der Ketten einsetzt, was für Polyethylene nicht der Fall ist. „Das Material bietet Ansätze, nicht-persistentes Polyethylen zu entwickeln. Dazu sind aber sicherlich weitergehende Studien nötig, auch um das Langzeitverhalten zu verstehen“, führt Mecking aus.

Die Arbeitsgruppe konnte indes in ihren Laborversuchen zeigen, dass das neue Material bezüglich seiner Mechanik und Verarbeitbarkeit dieselben wünschenswerten Eigenschaften besitzt wie herkömmliches Polyethylen.

Originalpublikation: Maximilian Baur, Fei Lin, Tobias O. Morgen, Lukas Odenwald and Stefan Mecking: Polyethylene materials with in-chain ketones from nonalternating catalytic copolymerization, Science • 29 Oct 2021 • Vol 374, Issue 6567 • pp. 604-607; DOI: 10.1126/science.abi8183

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