Een team van ETH-onderzoekers onder leiding van Athina Anastasaki is erin geslaagd plastic af te breken tot zijn moleculaire bouwstenen en meer dan 90% ervan terug te winnen. Een eerste stap naar echte plastic recycling.
De chemische industrie heeft een lange traditie in het produceren van polymeren. Dit houdt in dat kleine moleculaire bouwstenen worden omgezet in lange ketens van moleculen die aan elkaar binden. Polymeren vormen de basis van allerlei alledaagse kunststoffen, zoals PET en polyurethaan.

Hoewel de vorming van polymeren goed ingeburgerd en goed onderzocht is, hebben wetenschappers weinig aandacht besteed aan hoe polymeerketens worden afgebroken (een proces dat depolymerisatie wordt genoemd) om hun individuele bouwstenen - monomeren - te herstellen. Een reden hiervoor is dat het afbreken van polymeren een complex proces is. Of een polymeer überhaupt kan worden afgebroken tot zijn samenstellende delen, hangt af van welke van de verschillende productieprocessen voor polymeren zijn gebruikt. Een andere reden is dat de tot nu toe gebruikte depolymerisatieprocessen veel energie vergen, waardoor ze economisch niet haalbaar zijn. Daarbij komt het feit dat gerecyclede polymeren meestal alleen worden gebruikt bij de vervaardiging van producten met een lage waarde.

Het afbreken van polymeren is het doel

Athina Anastasaki, hoogleraar Polymeric Materials aan de ETH Zürich, wil hier verandering in brengen. Ze heeft zichzelf tot doel gesteld polymeren te produceren die gemakkelijk kunnen worden afgebroken tot hun bouwstenen, zodat ze volledig kunnen worden gerecycled.

De materiaalwetenschapper heeft een eerste belangrijke stap in deze richting kunnen zetten:een studie van haar groep is zojuist gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society . Daarin laten Anastasaki en haar collega's zien dat ze bepaalde polymeren kunnen afbreken tot hun basisbouwstenen - monomeren - en deze kunnen recyclen voor gebruik in materialen voor verdere toepassingen.

De afgebroken polymeren zijn polymethacrylaten (bijv. Plexiglas) die werden geproduceerd met behulp van een specifieke polymerisatietechniek die omkeerbare additie-fragmentatie-ketenoverdrachtspolymerisatie wordt genoemd, ook wel bekend als RAFT. Deze relatief nieuwe methode, die nu ook de belangstelling van de industrie trekt, levert polymeerketens op van uniforme lengte.

Eerste succes

De onderzoekers van ETH Zürich zijn erin geslaagd tot 92% van de bouwstenen van polymethacrylaten terug te winnen zonder een katalysator toe te voegen die de reactie mogelijk zou maken of versnellen. "Het is denkbaar dat onze methode nog verder ontwikkeld kan worden door het gebruik van een katalysator. Dit zou de teruggewonnen hoeveelheid nog meer kunnen verhogen", zegt Anastasaki.

De chemische groep die aan het einde van een polymeerketen aanwezig is, is cruciaal voor de afbraak van het polymeer. Door het mengsel van polymeeroplosmiddel tot 120°C te verwarmen, creëerden de onderzoekers zogenaamde "radicalen" aan het einde van een polymethacrylaatketen, die de depolymerisatie veroorzaakten. Onderzoekers van de Australian National University in Canberra konden de resultaten wiskundig bevestigen.

Hetzelfde of een ander product produceren

Volgens Anastasaki kunnen de op deze manier gewonnen bouwstenen worden gebruikt om hetzelfde polymeer of een heel ander product te produceren:een onoplosbare hydrogel die ook kan worden afgebroken tot zijn monomeren. De nieuw gemaakte producten zijn van vergelijkbare kwaliteit als de originele. Dit in tegenstelling tot eerdere producten gemaakt van gerecyclede polymeren.

Maar er is een addertje onder het gras:"Producten gemaakt met RAFT-polymerisatie zijn duurder dan conventionele polymeren", zegt Anastasaki. Om dit nadeel aan te pakken, werken zij en haar groep al aan het uitbreiden van de methode voor grootschalige toepassingen, waardoor deze concurrerender wordt en de resulterende producten goedkoper. De onderzoekers streven er ook naar om de teruggewonnen hoeveelheid te vergroten en alle bouwstenen van een polymeer terug te winnen.

De materiaalwetenschapper onderzoekt ook of andere polymeren kunnen worden gedepolymeriseerd. Ze is vooral geïnteresseerd in polystyreen, een wijdverbreid, goedkoop plastic dat in veel gebieden van het dagelijks leven wordt gebruikt (piepschuim).

Methode lost het plasticprobleem niet op korte termijn op

Zelfs als deze nieuwe methode hoop wekt om het plastic afvalprobleem van de mensheid op te lossen, verwerpt Anastasaki het idee voorlopig. Er is geen snelle oplossing voor het probleem. Ze gaat verder met te zeggen. "Het zal veel tijd en onderzoek kosten voordat het proces in de chemische industrie is ingeburgerd." Het zal ook geen plastic afval wegwerken:de polymeren van vandaag kunnen niet op deze manier worden afgebroken. Sommige nieuwe, geschikte polymeren moeten in omloop komen voordat hun bouwstenen kunnen worden teruggewonnen. Maar de methode heeft één voordeel:er zijn geen nieuwe chemische fabrieken nodig voor de introductie en het gebruik ervan.

"We staan ​​nog maar aan het begin van ons onderzoek naar depolymerisatie. Er zijn meer dan 30.000 studies over het ontwikkelen van nieuwe polymerisatiestrategieën, waarvan slechts een handvol het onderwerp monomeerterugwinning behandelt", zegt Anastasaki. + Verder verkennen

Zelftemplerende, oplosmiddelvrije supramoleculaire polymeersynthese