Chemici uit Konstanz hebben een nieuwe klasse katalysatoren ontwikkeld waarmee polyethyleendispersies direct in water kunnen worden gemaakt. Dit opent perspectieven voor de milieuvriendelijke, oplosmiddelvrije productie van kunststofcoatings.

Polyethyleen (PE) is een van de belangrijkste soorten kunststof van dit moment. Het wordt gebruikt in een breed scala aan alledaagse voorwerpen, van plastic flessen tot pijpen, skicoatings en speelgoed. In de vorm van PE-dispersies vormt het ook de basis voor verschillende coatings en lijmen.

Professor Stefan Mecking en Dr. Fei Lin van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Konstanz hebben nu een grote stap dichterbij de milieuvriendelijke, oplosmiddelvrije productie van PE-coatings gezet. In hun recente artikel in de internationale editie van het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition , beschrijven de chemici een nieuwe klasse van in water oplosbare katalysatoren die het mogelijk maken om PE-dispersies direct in water te vervaardigen. Dit elimineert energie-intensieve tussenstappen bij de productie van oplosmiddelvrije, emissievrije coatings.

Organische oplosmiddelen als de bestaande industriestandaard

Vanwege hun technische kenmerken en hun relatief lage productiekosten zijn kunststoffen een essentieel industrieel materiaal geworden. Ze bestaan ​​uit grote moleculen met een lange keten die, afhankelijk van het type, ook vertakte polymeren kunnen zijn en zijn samengesteld uit vele herhalende eenheden die zijn gevormd uit basisbouwstenen. In het geval van polyethyleen is de basisbouwsteen ethyleen, een gasvormige koolwaterstofverbinding.

Geschikte chemische katalysatoren worden gebruikt om het polymerisatieproces te bevorderen en te versnellen, waarbij de afzonderlijke bouwstenen zich verbinden om grote polymeermoleculen te vormen. Bij de productie van PE-dispersies voor coatings wordt polymerisatie meestal uitgevoerd in organische oplosmiddelen die geleidelijk worden vervangen door water, waardoor extra stappen nodig zijn die zowel technisch complex als energie-intensief zijn.

Een nieuwe klasse katalysatoren

Onderzoek en ontwikkeling zoeken dus naar mogelijkheden om PE direct tijdens de polymerisatie te produceren in de vorm van een waterige dispersie. Dit zou dan als basis kunnen dienen voor oplosmiddelvrije en emissievrije coatings waarin tijdens de filmvorming alleen water verdampt. Het is echter een uitdaging om PE direct in water te polymeriseren. "Hiervoor zijn katalysatoren nodig die actief zijn in water, maar die tegelijkertijd niet door water worden vernietigd. De meeste traditionele katalysatoren vallen uiteen zodra ze in contact komen met water", legt Stefan Mecking, hoogleraar Chemical Materials Science aan de Universiteit van Konstanz.

Dr. Fei Lin, een postdoctoraal onderzoeker in het onderzoeksteam van Mecking en een Humboldt Fellowship Awardee, ontdekte een nieuw type van een dergelijke katalysator. De studies werden uitgevoerd in het kader van het DEEPCAT-project van Stefan Mecking dat sinds 2019 wordt ondersteund door een Advanced Grant van de European Research Council (ERC) voor de ontwikkeling van kunststoffen die op een milieuvriendelijke manier kunnen worden afgebroken. "We ontwikkelden in water oplosbare katalysatoren voor de polymerisatie van ethyleen die niet alleen stabiel bleven, maar ook zeer actief, hoewel ze tijdens de hele chemische reactie in direct contact stonden met water", zegt Fei Lin.

Bouwstenen voor een milieuvriendelijker polymerisatieproces

In studies op laboratoriumschaal konden de chemici aantonen dat hun nieuwe katalysatoren in water ethyleen polymeriseren om een ​​groot aantal kleine PE-deeltjes te vormen met een hoog molecuulgewicht en lineariteit - het zogenaamde hogedichtheidspolyethyleen (HDPE). "Dit is bepalend voor de uiteindelijke eigenschappen van coatings geproduceerd op basis van PE-dispersies, en dus voor de toepasbaarheid van onze methode", zegt Stefan Mecking. De bevindingen met betrekking tot de nieuwe katalysatoren openen dus interessante perspectieven voor milieuvriendelijke polymerisatieprocessen in het algemeen en voor de efficiënte productie van oplosmiddelvrije en emissievrije PE-coatings in het bijzonder. + Verder verkennen

Onderzoekers creëren polymeer nanokristallen in uniforme vorm