Polyester sind vielseitige Kunststoffe, die in Alltagsgegenständen wie PET-Flaschen, Verpackungen, Rucksäcken oder Kleidung verwendet werden. In der Anwendung sind Polyester beliebt, weil sie potenziell leichter abbaubar und damit nachhaltiger sind als andere Kunststoffe.
Allerdings ist die Recyclingfähigkeit von Polyestern noch ausbaufähig: Durch thermische und mechanische Belastung beim Recycling kommt es zu Qualitätsverlusten, wodurch recycelte Polyester oft schlechtere Eigenschaften haben als neue. Daher können sie nicht unendlich oft recycelt werden.
Der Einbau neuer chemischer Bindungen, die sich einfach öffnen und schließen lassen, könnte hier helfen. Durch solche dynamischen Verknüpfungen kann das Material repariert oder umgestaltet werden, ohne es in Einzelteile zu spalten. Oft wird das Lösen und die Neubildung dieser Bindungen mit einem Katalysator gesteuert.
Elementarer Schwefel, ein Abfallprodukt aus der Erdölfraffination, enthält solche dynamischen Bindungen. Jedoch ist es schwierig, dynamische Schwefelbindungen in Polyester einzubauen. Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Alex Plajer, Juniorprofessor für Makromolekulare Chemie der Universität Bayreuth, ist es jetzt allerdings gelungen, eine Methode hierfür zu entwickeln.
Einfache Katalyse
Neben dem elementaren Schwefel sind für das neue Verfahren Epoxide, eine verbreitete Klasse chemischer Ausgangsmaterialien, nötig. Die Forscher haben herausgefunden, dass viele verschiedene Epoxid-Arten verwendet werden können, beispielsweise auch solche, die in der Industrie üblich sind oder teilweise aus Naturstoffen gewonnen werden. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der resultierenden Polymere gezielt beeinflussen – etwa ob sie hart oder weich sind oder bei welcher Temperatur sie sich wie Glas verhalten.
Zudem ist mit Lithiumalkoholat ein einfacher Katalysator für die Herstellung der Polyester ausreichend. Lithiumalkoholat ist leicht produzierbar und in der Laborpraxis gut handhabbar, außerdem läuft die Katalyse mit ihm unter vergleichsweise milden Bedingungen ab, was Energie spart und Kosten senkt.
„Spannenderweise haben wir entdeckt, dass die Beteiligung von Schwefel – insbesondere des sogenannten S8-Rings – die Reaktion des Einbaus der dynamischen Bindung beschleunigt“, sagt Plajer. „Bestimmte Teile des entstehenden Polymers unterstützen den Katalyseprozess. Das ist ein eher ungewöhnlicher Mechanismus.“
Weiterverwendung als Kleber
Die gebildeten Polyester mit dynamischen Schwefelbindungen sind stabil genug, um nachträglich modifiziert zu werden. Mittels weiterer chemischer Reaktionen kann das Material beispielsweise vernetzt werden, wodurch es als wiederverwendbarer Klebstoff einsetzbar wird. Dieser lässt sich dann durch Hitze verarbeiten oder durch Säure abbauen.
Die Studie wurde vom Verband der chemischen Industrie, der Daimler-und-Benz-Stiftung sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
