Bei der Herstellung von Polyester mit verbesserten Recyclingeigenschaften setzen Forschende der Universität Bayreuth auf Schwefelabfälle aus der Erdölraffinerie. Mithilfe einer neuen Methode lassen sich dynamische Schwefelbindungen gezielt in Polyester einbauen. Diese chemischen Verbindungen ermöglichen es, Materialien ohne vollständige Zersetzung zu reparieren oder wiederzuverwenden.
Die Synthese erfolgt unter milden Bedingungen mit gängigen Epoxiden und einem einfach handhabbaren Katalysator. Das Verfahren ist energieeffizient und bietet vielfältige Möglichkeiten zur Modifikation der Materialeigenschaften – von Härte über Temperaturverhalten bis hin zur Vernetzbarkeit, etwa für die Nutzung als wiederverwendbare Klebstoffe.
Vorteile und Herausforderungen beim Recycling von Polyester
Polyester sind vielseitige Kunststoffe, die in vielen 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 auch bei Polyestern die Recyclingfähigkeit noch ausbaufähig: Durch thermische und mechanische Belastung beim Recycling kommt es zu Qualitätsverlusten, wodurch recycelte Polyester oft schlechtere Eigenschaften haben als neue. Daher können Polyester nicht unendlich oft recycelt werden. Hierbei könnte der Einbau neuer chemischer Bindungen helfen, die sich einfach öffnen und schließen lassen, um damit die Nachhaltigkeit dieser Kunststoffe deutlich zu verbessern.
Chemische Grundlagen und Rolle von Schwefelbindungen
Bei sogenannten dynamischen Bindungen handelt es sich um chemische Verknüpfungen, die sich einfach öffnen und schließen lassen, was für nachhaltige Materialien wichtig ist. Hierdurch kann das Material repariert oder umgestaltet werden, ohne dass man es in Einzelteile spalten muss. Oft wird das Lösen und die Neubildung dieser Bindungen mit einem sogenannten Katalysator gesteuert: einer Hilfssubstanz, die eine chemische Reaktion schneller oder einfacher macht. 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 nun gelungen, mit einer neu entwickelten Methode dynamische Schwefelbindungen in Polyester einzuführen.
Neben dem elementaren Schwefel sind für die Methode Epoxide, eine verbreitete Klasse chemischer Ausgangsmaterialien, nötig. Die Forschenden 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 können. Dadurch können die Eigenschaften der resultierenden Polymere gezielt beeinflusst werden – 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 herstellbar, in der Laborpraxis gut handhabbar und die Katalyse läuft unter vergleichsweise milden Bedingungen ab, was Energie spart und Kosten senkt.
Anwendungsmöglichkeiten für modifizierte Polyester
„Spannenderweise haben wir entdeckt, dass die Beteiligung von Schwefel – insbesondere des sogenannten S8-Rings – die Reaktion des Einbaus der dynamischen Bindung beschleunigt. Bestimmte Teile des entstehenden Polymers unterstützen den Katalyseprozess. Das ist ein eher ungewöhnlicher Mechanismus“, sagt Plajer.
Die gebildeten Polyester mit dynamischen Schwefelbindungen sind stabil genug, um nachträglich modifiziert zu werden. Durch weitere chemische Reaktionen kann das Material beispielsweise vernetzt werden, wodurch es als wiederverwendbarer Klebstoff eingesetzt werden kann, der sich durch Hitze verarbeiten oder durch Säure abbauen lässt.
Die Studie wurde vom Verband der chemischen Industrie, der Daimler und Benz Stiftung sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
Originalpublikation: Kinetically Enhanced Access to a Dynamic Polyester Platform via Sequence Selective Terpolymerisation of Elemental Sulfur. Cesare Gallizioli, Peter Deglmann, Alex J. Plajer. Angewandte Chemie (2025). DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202501337