Besseres Recycling durch neuartige thermoplastische Polymere

3D-Drucktechnologie erweitert die Möglichkeiten des Materialdesigns und der Herstellung von Kunststoff-Bauteilen. Beim 3D-Druck im Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF) presst eine heiße Düse einen faserförmigen thermoplastischen Kunststoff, schmilzt ihn und trägt ihn schichtweise auf, bis das gewünschte dreidimensionale Bauteil entsteht. Ein Problem bleibt der Mangel an geeigneten Polymeren, die sich recyceln lassen.

Chemisch recycelbare Polymere, die nach Gebrauch wieder in ihre Bausteine (Monomere) gespalten und erneut polymerisiert werden können, würden helfen, die Umweltprobleme durch Plastikmüll zu verringern und fossile Rohstoffe einzusparen. Ein Forschungsteam präsentiert nun in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" eine neue Polymerklasse: die Polythioenone. Diese Polymere lassen sich mechanisch und chemisch recyceln und eignen sich für 3D-Druckverfahren. Zudem übertreffen sie herkömmliche Polyolefine in ihren mechanischen Eigenschaften. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in einem speziellen, ringförmigen Baustein.

Neue Polymerfamilie der zyklischen Thioenone

Die Synthese neuartiger thermoplastischer Polymere mit verbesserter Recyclebarkeit hängt entscheidend vom Design geeigneter Monomere ab. Monomere sind kleine, reaktionsfähige Moleküle, die als Bausteine für die Bildung von Polymeren dienen. Sie bestehen typischerweise aus wenigen Atomen und verfügen über funktionelle Gruppen, die es ihnen ermöglichen, sich chemisch miteinander zu verbinden. Das Team um Will R. Gutekunst und H. Jerry Qi vom Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) hat eine neuartige Monomer- beziehungsweise daraus gebildete Polymer-Familie: zyklische Thioenone (CTE) entwickelt.

Deren Ringe bestehen aus sieben Kohlenstoffatomen und einem Schwefelatom, enthalten eine C=C-Doppelbindung sowie eine Carbonylgruppe (C=O) und lassen sich einfach mit verschiedenen zusätzlichen Seitengruppen bestücken und variieren. Durch Öffnung des Rings polymerisieren sie, indem sie Monomer für Monomer über eine sogenannte Thia-Michael-Addition an die wachsende Polymerkette knüpfen. Diese Reaktion verläuft reversibel, sodass die entstehenden Polythioenone (PCTE) sich wieder depolymerisieren lassen. Ein weiteres Ergebnis dieser Forschung ist PCTE-Ph. Dieses Polymer synthetisierte das Forschungsteam aus einer Monomer-Variante mit einem aromatischen Sechsring (Phenylring) als Seitengruppe.

Wie der Informationsdienst Wissenschaft berichtet, erweist sich PCTE-Ph als besonders vielversprechend. PCTE-Ph ist ein thermisch stabiler Thermoplast mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. Es lässt sich mit Füllstoffen und Farbstoffen versehen und mit üblichen Verfahren und handelsüblichen 3D-Druckern verarbeiten. Mit dem neuen Material gedruckte Bauteile lassen sich mechanisch recyceln, indem das Material einfach wieder aufgeschmolzen und erneut verarbeitet wird – unter Beibehaltung seiner günstigen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und thermischer Stabilität. Alternativ spaltet ein katalytischer Prozess das Material mit einer Ausbeute von 90 Prozent wieder in die Ausgangsmonomere. Die wiedergewonnenen Monomere stehen anschließend für weitere Polymerisationsrunden zur Verfügung. Weitere Details zum Verfahren zeigt der wissenschaftliche Artikel des Forschungsteams in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

(usz)