Polyethylen- und Polypropylen-Abfälle lassen sich mit einem an der ETH Zürich entwickelten Verfahren durch Upcycling zu Hochleistungskleber verarbeiten. Die ersten Klebstoffe entstanden aus handelsüblichen Plastiksäcken und -flaschen, auf die in einem einzigen Schritt zusätzliche Polymerketten aufgepfropft wurden. Diese verändern die Funktionalität des Kunststoffs gezielt, teure Spezialchemikalien sind dafür nicht nötig.
Polyolefine wie Polyethylen und Polypropylen machen als Verpackungsmaterial und Folien rund die Hälfte des Plastikverbrauchs aus, ließen sich bisher aber nur mit Qualitätseinbußen wiederverwerten. Die Hochschule hat das neue Verfahren patentieren lassen, und eine erste Zusammenarbeit mit der Industrie betrifft bereits Lebensmittelverpackungen, die neben Wasser auch Sauerstoff abhalten.
Polyolefine lassen sich bisher nur mit Qualitätsverlust rezyklieren
Polyolefine landen nach einmaligem Gebrauch bislang überwiegend in der Verbrennung oder auf der Deponie. Weltweit werden pro Jahr rund 450 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert, der Großteil davon wird nur einmal verwendet. Polyethylen und Polypropylen lassen sich zwar schmelzen und neu formen, doch die Farbstoffe aus den Abfällen färben das Rezyklat dunkel, und das Erhitzen mindert die Materialqualität. Das Ergebnis eignet sich dann nur noch für minderwertige Anwendungen wie Pflanzenkübel oder Bodenplatten.
Ein gezieltes Aufspalten in Monomere, aus denen sich wieder hochwertige Polymere synthetisieren ließen, ist bei Polyolefinen bisher nicht möglich. Da sie ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, fehlen ihnen die Sauerstoff-, Stickstoff- oder Chloratome, an denen gezielte Spaltungsreaktionen ansetzen könnten. Machbar ist nur die Pyrolyse, ein energieintensiver Hitzeprozess, der die Ketten zufällig aufbricht und Erdölausgangsstoffe liefert, aus denen die Monomere erst wieder aufgebaut werden müssen.
Die Gruppe um den Polymerchemiker Tae-Lim Choi, Professor an der ETH Zürich, hat nun einen Weg gefunden, Polyolefine nicht mehr wertmindernd zu rezyklieren, sondern durch Upcycling in höherwertige Kunststoffe zu überführen. Dafür erhalten die Polyolefine zusätzliche Polymerketten mit neuen Funktionalitäten. Die ETH Zürich hat das Verfahren für den Spark Award nominiert, mit dem die Hochschule die vielversprechendste Patentanmeldung des Jahres auszeichnet.
Licht und chlorhaltige Lösungsmittel ermöglichen das Upcycling in einem Schritt
Den chemischen Schlüssel des Verfahrens bilden chlorhaltige Lösungsmittel. Werden sie mit kurzwelligem Licht bestrahlt, entstehen hochreaktive einzelne Chloratome, sogenannte Radikale. Diese übertragen ihre Reaktivität auf Kohlenstoffatome in den Polyolefin-Ketten. Die so gebildeten Kohlenstoff-Radikale dienen als Startpunkte für die Synthese der zusätzlichen Polymerketten.
Die Idee, auf diese Weise reaktive Stellen in Polyolefinen zu schaffen, geht auf eine Zusammenarbeit von Choi mit der Gruppe von Athina Anastasaki zurück, Professorin für Nachhaltige Polymere an der ETH Zürich. Sie hat das Prinzip für das Recycling von Acrylglas eingesetzt, das auch unter dem Markennamen Plexiglas bekannt ist.
Für das Upcycling braucht es weder teure Spezialreagenzien noch Katalysatoren oder hohe Prozesstemperaturen. Der Plastikabfall wird im chlorierten Lösungsmittel gelöst, anschließend kommen die Monomere hinzu, die für die Synthese des gewünschten Pfropfungspolymers erforderlich sind. Zugleich lässt sich der Prozess präzise steuern: „Wie viele Radikale entstehen und damit auch wie viele Stellen in den Polyolefin-Ketten für eine Pfropfung aktiviert werden, können wir über den Chlorierungsgrad des Lösungsmittels und über die Wellenlänge des Lichts je nach Bedarf kontrollieren“, erklärt Hongsik Kim, Senior Scientist in Chois Gruppe an der ETH Zürich.
Vom Hochleistungskleber bis zur sauerstoffdichten Lebensmittelverpackung
Kim, der die Methode hauptsächlich entwickelt hat, stellte als erstes Produkt Klebstoffe aus handelsüblichen Plastiksäcken und -flaschen her. Ihre Klebkraft auf Metall, Glas oder Holz erfüllt die Anforderungen an industrielle Kleber für tragende und hochbelastete Verbindungen im Fahrzeug- und Gerätebau.
Über die aufgepfropften Ketten lässt sich darüber hinaus die gesamte Bandbreite chemischer Funktionalitäten auf Polyolefine aufbringen, von polaren Gruppen, die unterschiedlich stark mit Wasser interagieren, über Säuren und Basen bis zu Gruppen, die ganz spezifische Reaktionen eingehen. Choi ordnet den Klebstoff entsprechend ein: „Der Klebstoff ist ein Produkt der ersten Generation. In Zukunft werden Kunststoffe mit vollständig neuen Eigenschaften möglich.“
Seit der Veröffentlichung des Patents vor sechs Monaten haben die Forscher bereits zahlreiche Kontakte zur Industrie geknüpft. Eine konkrete Zusammenarbeit betrifft Lebensmittelverpackungen aus Polyolefinen, die nicht nur wasserdicht sind, sondern auch das Eindringen von Sauerstoff verhindern. Im Gefrierschrank oxidieren die Lebensmittel darin weniger stark als in heutigen Verpackungen aus Polyethylen und Polypropylen.
Auch die Klebefunktion selbst bietet laut Kim weiteres Potenzial. Als Bindemittel könnten die beim Upcycling gewonnenen Stoffe unter anderem minderwertiges Recyclingmaterial aus Kunststoff zu einem deutlich widerstandsfähigeren und damit höherwertigen Werkstoff aufwerten.
Originalpublikation: Kim H, Wang HS, Yun N, Anastasaki A, Choi T-L. Direct Polymer-on-Polymer Grafting of Polyolefins under Visible Light. Journal American Chemical Society 2026; 148: 14924. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c21265
