Neue Perspektive für echtes Recycling

In die Umwelt entsorgt, werden Kunststoffe zum Problem. Dorthin gehören sie auch gar nicht. Schließlich sind Kunststoffe Wertstoffe, zu kostbar, um sie einfach wegzuwerfen. Kunststoff gehört zurück in den Werkstoffkreislauf, und zwar idealerweise als Rezyklat, das sich von einem neuen Rohstoff nicht unterscheidet. Das ist zugegebenermaßen eine Herausforderung, sind doch so viele verschiedene Kunststoffarten und -gemische im Umlauf, dass es gar nicht leichtfällt, aus deren Rückständen neue, werkstofflich gleichwertige Kunststoffprodukte herzustellen. Wissenschaftler vom Lawrence Berkeley National Laboratory der Universität von Kalifornien haben eine pfiffige Idee entwickelt, die perspektivisch einen Weg aus dem Dilemma zeigt: Sie arbeiten an einem Kunststoff, der sich wie ein Spieleset von Lego auf molekularer Ebene in seine Bestandteile zerlegen und ohne Leistungseinbuße und Qualitätsverlust in neue Formen, Texturen und Farben zusammensetzen lässt.

Kunststoffe schützen den Menschen vor Schadstoffen und Krankheitserregern, ermöglichen die Herstellung extrem leichter und höchstbelastbarer Karosserien und leisten einen essenziellen Beitrag zur Gewinnung regenerativer Energie aus Wind- und Sonnenkraft. Nur ein kleiner Ausschnitt aus riesigen Anwendungsspektrum und -potenzial, das Kunststoffe zu bieten haben. Kurzum: Polymermaterialien gehören zu den leistungsstärksten, vielseitigsten, wandlungsfähigsten und ressourcenschonendsten Materialien überhaupt. Ihr Erfolgsgeheimnis ist: Man kann ihre Komposition auf die intendierte Anwendung feinabstimmen.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt teils in der großen Bandbreite verfügbarer Polymerarten. Doch es sind vor allem auch spezielle Ingredienzien und Zusätze, mit denen Materialhersteller und Compoundeure den eigentlichen Werkstoffcharakter ausformen. Additive verhelfen Kunststoffen zu jenen Eigenschaften, auf die es in der Anwendung ankommt; Additive machen Kunststoffe geschmeidig und elastisch, biege- und feuerfest, extrem robust und tragfähig, farbig oder bakterienabweisend. Kein Kunststoffhersteller, der seine Rezeptur nicht wie einen Schatz hütet. Die Unterschiede zwischen Polymer A und Polymer B mögen auf den ersten Blick marginal sein, doch für die Anwendung und, nicht zuletzt, den Unternehmenserfolg steckt eben hierin der Clou.

Was dem einen Freud, ist dem anderen Leid: Recycler stellt die Vielfalt der am Markt verfügbaren Kunststoffe vor eine große Herausforderung, insbesondere wenn es darum geht, aus Altkunststoffen Rezyklate herzustellen, die sich für qualitativ hochwertige Anwendungen nutzen lassen. Das gelingt in gewissem Umfang, und zwar wenn ausschließlich sortenreine Kunststoffe wie thermoplastische PET-Flaschen (Polyethylenterephthalat) verarbeitet werden. Handelt es sich um eine Mischung einander ähnelnder, sich bloß geringfügig unterscheidender Kunststoffe, gestaltet sich das „Upcycling“, also die Herstellung gleich- oder höherwertiger Produkte aus dem resultierenden Rezyklat, schon schwieriger. In solchen Fällen kommt nur ein „Downcycling“, also die Herstellung geringerwertiger Kunststoffe infrage. Alternativ lassen sich Altkunststoffe thermisch verwerten, etwa zur Energie- und Wärmegewinnung. Das ist eine bewährte Lösung, aber aufgrund der Treibhausgasemissionen nicht ideal. Darüber hinaus einigen sich einige Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC) nicht dazu, verbrannt werden, da hierbei giftige Chemikalien entstehen können.

Werkstoffwissenschaftler arbeiten mit Nachdruck daran, sowohl die Recyclingquoten zu erhöhen als auch die Möglichkeiten des „Upcyclings“ weiterzuentwickeln. Hierbei sind sie nicht zuletzt auf die Erfahrung und das Know-how der Anwender aus der Praxis angewiesen. Nur durch eine gut verzahnte Kooperation von Kunststoffherstellern, Compoundeuren, Verarbeitern und Recyclern kann eine deutlich höhere Upcycling-Quote erreicht werden. Das Vorhaben wird begleitet von vielen Fragen: Würde es zum Beispiel Sinn ergeben, Kunststoffe mit Tracern zu versehen, mit deren Hilfe sich Kunststoffe analytisch genauer erfassen und sortieren ließen? Oder sollte man sich auf eine Reduktion des Quantums der eingesetzten Kunststofftypen verständigen? Die Antworten liegen nicht per se auf der Hand, lassen sich aber mithilfe von Experten besser einschätzen. Am Rande bemerkt: Welches Forum böte eine bessere Gelegenheit für den interdisziplinären Austausch als die K 2019 in Düsseldorf im kommenden Oktober?

Einen interessanten Lösungsansatz bei der Herstellung langlebiger und in jeder Hinsicht nachhaltiger Kunststoffe verfolgen Wissenschaftler wie Brett Helms und Peter Christensen vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) der University of California/USA. Helms, Christensen und Kollegen arbeiten an einem Polymermaterial, das sich, vereinfacht gesagt, wie ein Lego-Spieleset in kleinste Bestandteile zerlegen und wieder zusammensetzen lässt, und zwar in immer wieder andere und neue Formen, Texturen und Farben – ohne Leistungs- oder Qualitätseinbußen.

„Bei den meisten Kunststoffen wird selten bei der Herstellung über ihre Recyclingfähigkeit nachgedacht“, sagt Peter Christensen. In der Regel sind auch der energetische und finanzielle Aufwand zu groß, um Materialien, neuwertigen Rohstoffen gleich, in den Werkstoffkreislauf zurückzuführen. Das Berkely-Lap-Team will nun einen Weg gefunden haben, der es möglich mache, Kunststoffe sozusagen fundamental, also auf molekularer Ebene zu recyceln, sprich vollständig in ihre einzelnen Bestandteile zu zerlegen und dann auf intelligente Art zu etwas ganz Neuem zusammenzufügen.

Alle Kunststoffe sind Polymere, d. h. bestehen aus großen Makromolekülen, die aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen, den Monomeren, hervorgegangen sind, welche sich kettenartig zusammengelagert haben (Polymerisation). Der aus Makromolekülen aufgebaute Kunststoff Polyethylen (PE) etwa ist aus vielen einzelnen Ethen-Molekülen (Ethylen) zusammengesetzt; das Monomer von Polypropylen (PP) ist Propen (Propylen). In beiden Fällen, bei Ethen und Propen, handelt es sich um gasförmige, brennbare Kohlenwasserstoffverbindungen, die in der Petrochemie durch sogenanntes Streamcracken (Dampfspaltung) aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Polymerisiert werden sie im Zuge katalysierter chemischer Reaktionen.

Recyclinganlagen sind meist mit Kunststoffprodukten konfrontiert, die sich aus unterschiedlichen Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen zusammensetzen. Werden zum Beispiel Hartkunststoffe, Stretchkunststoffe, klare Kunststoffe und bonbonfarbene Kunststoffe miteinander vermischt und zermahlen, resultiert aus dem Recyclingprozess ein Rohstoff, von dem man nur schwer sagen kann, welche Eigenschaften er von den ursprünglichen Kunststoffen übernehmen wird. Die Erblast unbekannter, folglich unvorhersehbarer Eigenschaften eines Mischrezyklats macht die Herstellung hoch- beziehungsweise höherwertiger Produkte mit einem eindeutigen respektive gewünschten Eigenschaftsprofil zu einer Art Glückspiel. Und ist dann eine wiederverwendbare Einkaufstasche aus recyceltem Kunststoff endgültig abgenutzt, ist an ein erneutes werkstoffliches Recycling meist nicht zu denken. Am Ende ihres Gebrauchszyklus wird sie entweder verbrannt und dient im besten Fall zur Gewinnung von Wärme, Elektrizität oder auch Treibstoff oder landet, wie es in manchen Teilen der Welt noch üblich ist, auf einer Mülldeponie, wo sie unter chemischen und physikalischen äußeren Einflüssen über die Zeit abgebaut wird. Im ungünstigsten Fall landet die Plastiktüte im Meer und belastet die Umwelt.

Um die Deponierung von Kunststoffen zu stoppen und deren Eintrag in die Umwelt zu unterbinden, braucht es Anreize, und zwar jene, die sinnstiftend sind und sich obendrein positiv auf die Wertschöpfung auswirken. Wenn doch das Rezyklat von gleichbleibender Qualität ist, vergleichbar einem neuen Rohstoff, und sich folglich auch Produktqualität erzeugen lässt wie bei Neuware, was spricht dann dagegen, ein Rezyklat einsetzen?

Konkretes Beispiel: Der Volksmund meint, das Geld liege auf der Straße. Recht hat er! Jede unachtsam weggeworfene PET-Flasche kommt dem Verlust eines kostbaren Rohstoffs gleich. Umgekehrt lohnt es sich, PET-Flaschen zu sammeln und dem Werkstoffkreislauf zuzuführen. Aus reinem Polyethylenterephthalat (PET) lassen sich nämlich erneut qualitativ hochwertige Produkte wie Flaschen, Folien oder Fasern herstellen.

Führen wir den Gedanken weiter: Obgleich zunehmend auch regenerative Ressourcen zum Einsatz kommen, wird Kunststoff überwiegend aus Erdöl hergestellt. Das bedeutet: Benutzte PET-Flaschen nach ihrer Gebrauchszeit zwecks Energiegewinnung thermisch zu verwerten, führt zur Freisetzung klimaschädlicher Emissionen, wie sie auch bei herkömmlichen Verbrennungsprozessen entstehen. Im Gegensatz zu anderen Kunststoffen handelt es sich bei PET, es sei wiederholt, um einen Reinstoff, nicht um eine Kunststoffmischung, der sich wie kaum ein anderes Polymermaterial recyceln und zu qualitativ hochwertigen Produkten verarbeiten lässt.

In Deutschland wurde die Leidenschaft der Bevölkerung zum Sammeln von PET-Flaschen durch die Einführung eines Pfandsystems getriggert, mit dem Erfolg einer Rückgabequote von bis zu 98 Prozent, wie sich beim Forum PET nachlesen lässt. Etwa ein Drittel der Rückläufer wird zur Herstellung neuer PET-Flaschen verwendet, ein weiteres Drittel wird zu Industriefolien verarbeitet, rund ein Fünftel zu Textilfasern. Die Verwendung und der Einsatz von PET-Rezyklaten bringt offenkundig Unternehmen auf neue Ideen, nämlich aus der einstigen Trinkflasche Schultornister, Pullover, Turnschuhe, Folienoberflächen für Möbel oder Autoteile zu fertigen.

Erleichtert wird das Geschäft mit gebrauchten PET-Flaschen durch den Einsatz zentraler Sammelstellen, bei denen bepfandetes Sammelgut mittels eines Kompaktors nach manueller Zufuhr zerdrückt und komprimiert wird. Der Recycler sortiert und reinigt das Material und erzeugt daraus fingernagelgroße Stücke, die sich einschmelzen und zu Granulat verarbeiten lassen – Basis für die Herstellung neuer hochwertiger Kunststoffprodukte. Weitere von der Industrie vorangetriebene Sammelsysteme finden sich unter anderem beim Recycling von Kunststoff-Fensterprofilen oder der Verwertung gebrauchter Agrarfolien. Inzwischen arbeiten Wissenschaftler daran, den Prozess des Kunststoffrecyclings auf biotechnologische Weise zu optimieren. Sie testen Bakterien und Enzyme, die Polymere verdauen und in ihre Grundbestandteile zerlegen. Zu erwarten ist, dass durch dieses interdisziplinäre Zusammenwirken zukünftig auch neue Arbeitsplätze entstehen werden. Kunststoffe sind eben Werkstoffe mit Mehrwert, die sich, in sortenreiner Form gesammelt, erfolgreich in den Wertstoffkreislauf rückführen lassen. Effizientes Recycling wird in Zukunft immer bedeutender – auch das ist, am Rande bemerkt, ein Thema der K 2019 im kommenden Oktober – und die Weichen werden bereits jetzt gestellt. Was uns zur Entwicklung von Brett Helms und Peter Christensen vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in Kalifornien/USA zurückbringt.

Bei dem Kunststoff, den Brett Helms, Peter Christensen und Kollegen entdeckt haben und der ohne Leistungseinbußen immer wieder recycelt werden kann, handelt es sich um ein sogenanntes Polydiketoenamin, kurz: PDK. Gebildet wird PDK aus einer Vielzahl von Triketonen sowie aromatischen oder aliphatischen Aminen, wobei nur Wasser als Nebenprodukt anfällt. In den Blick der Forscher geriet PDK als nachhaltiger Kunststoff bei genauer Betrachtung mehr durch Zufall, nämlich als die Berkeley-Wissenschaftler verschiedene Säuren in Gefäße gaben, die zur Herstellung PDK-basierter Adhäsivklebemittel verwendet wurden.

Mit der Säure in Verbindung gebracht, veränderte PDK seine Struktur. Die Wissenschaftler waren neugierig und wollten wissen, was genau dort im Glas vor sich gegangen war und wie diese Art der Transformationen zu bewerten ist. Also analysierten sie die Molekülstruktur der Probe mittels NMR-Spektroskopie. Hierbei stellten sie fest, dass sich die Polymerstruktur des Polydiketoenamins vollständig in die ursprünglichen Monomere aufgelöst hatte. Nach weiteren Versuchen zeigte sich, dass sich das PDK unter Einfluss von Säure nicht nur in seine Monomere aufgelöst hatte, sondern auch alle Additive von den Monomeren abgetrennt waren. Schließlich und endlich setzten die Forscher ihre rezyklierten PDK-Monomere ein, um daraus wieder ein neues Polymer herzustellen, was gelang, und zwar ohne die Farbe oder sonstige Merkmale des ursprünglichen PDK zu zeigen.

Die Wissenschaftler des Belekeley-Labors sind überzeugt, dass ihr neuer recycelbarer Kunststoff eine gute Alternative zu vielen heute verwendeten nicht recycelbaren Kunststoffen sein könnte. „Wir befinden uns an einem kritischen Punkt, an dem wir über die Infrastruktur nachdenken müssen, die zur Modernisierung von Recyclinganlagen für die künftige Abfallsortierung und -verarbeitung erforderlich ist“, sagt Brett Helms. Wenn diese Anlagen so konzipiert seien, dass sie PDK und ähnliche Kunststoffe ebenso vollständig recyceln und aufbereiten, wie das Laborexperiment es gezeigt habe, könne die Zeit, in der Kunststoffe noch auf Deponien oder unkontrolliert in der Umwelt landen, absehbar vorbei sein. Ihre Entwicklung zeige, dass Kunststoffe, die von ihrem Ende her gedacht entwickelt und produziert werden, vollständig und lückenlos im Werkstoffkreislauf geführt werden können. Als Nächstes wollen die Forscher PDK-Kunststoffe mit einem breiten Spektrum thermischer und mechanischer Eigenschaften für so unterschiedliche Anwendungen wie Textilien, 3-D-Druck und Schaumstoffe entwickeln. Darüber hinaus wird angestrebt, die Formulierungen um pflanzliche Materialien und andere nachhaltige Quellen zu erweitern.

Peter R. Christensen et al., Closed-loop recycling of plastics enabled by dynamic covalent diketoenamine bonds, Nature Chemistry 11 (2019) 442–448, http://dx.doi.org/10.1038/s41557-019-0249-2