Neues Verfahren PMMA kann mit weniger Energie recycelt werden 

ETH-Forschende haben eine neue Methode entwickelt, um PMMA energieeffizient und kostengünstig in seine Bausteine zu zerlegen. Das Rezyklat sein extrem rein, sodass sich aus ihm hochwertige Produkte herstellen lassen. Spannend für die Industrie: Sie könnte das Verfahren sofort übernehmen.

Polymethylmethacrylat (PMMA, auch bekannt als Acrylglas oder Plexiglas) wird weltweit in großen Mengen für verschiedenste Anwendungen verwendet – von „Glasscheiben“ über Autorücklichtern bis hin zu Möbeln. Noch allzu oft endet Acrylglas im Abfall. Dabei ließe es sich gut rezyklieren.

Die Materialwissenschaftlerin und ETH-Professorin Athina Anastasaki arbeitet schon seit Jahren daran, Acrylglas effizient in seine Grundbausteine zu zerlegen und diese wiederzuverwenden. In früheren Arbeiten zeigte ihr Team, dass die sogenannte Depolymerisation zwar prinzipiell möglich ist, dafür aber spezielle Voraussetzungen nötig waren: So mussten die ETH-Forschenden die Polymerketten bisher chemisch verändern, um „Sollbruchstellen“ einzubauen. Andere Ansätze benötigten große Mengen Lösungsmittel, Katalysatoren oder UV-Licht, um die Depolymerisationen zu starten oder am Laufen zu halten.

Neuer Ansatz spart Energie und Geld

Nun präsentiert die ETH-Professorin und ihr Team einen neuen, viel einfacheren Ansatz für das PMMA-Recycling. Sie veröffentlichten ihn in der Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Mit der neuen Methode schaffen es die Forschenden, das Polymer beinahe vollständig in seine Bausteine, die Monomere, zu zerlegen: die Monomer-Ausbeute liegt bei bis zu 98 Prozent. Das Rezyklat ist zudem selbst dann extrem rein, wenn das Ausgangsmaterial Farbstoffe oder Verunreinigungen enthält. Aus den zurückgewonnenen Monomeren können neue Polymere von gleicher Qualität wie bei der ersten Verarbeitung hergestellt werden.

Der Prozess benötige zudem deutlich weniger Energie als andere Verfahren. Die Depolymerisation startet bereits bei etwas mehr als 200 Grad Celsius. Bisher waren dafür mindestens 400 Grad nötig. Nicht zuletzt kommt das Verfahren gänzlich ohne Lösungsmittel aus. „Was unseren neuen Ansatz so spannend macht, ist seine Einfachheit“, sagt Richard Whitfield, Erstautor der Studie und ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter in Anastasakis Forschungsgruppe.

Eine Substanz reicht aus

Kern des neuen Verfahrens ist eine einzige chemische Verbindung aus der Stoffklasse der sogenannten N-Hydroxyimide, ein kommerziell erhältliches und kostengünstiges Reagenz. Es greift die Acrylglas-Polymer-Ketten an, zerschneidet die Ketten und setzt die Monomere frei. Ab Zugabe dieser Substanz läuft die Reaktion von selbst.

Die Wahl des Reagenzes sei kein Zufall. „Wir haben systematisch gesucht, bis wir auf diese Substanz gestoßen sind“, erklärt Anastasaki. Diese eine reiche nun aus, um die Depolymerisation zu starten. 

Patent eingereicht, Lizenznehmer gesucht

Andere Verfahren für das chemische Recycling basieren auf der sogenannten Pyrolyse. Dabei werden Kunststoff-Polymere bei hohen Temperaturen von meist mehr als 400 Grad in ihre Bausteine zerlegt. Zudem ist die Reinheit der zurückgewonnenen Monomere oft gering – sie enthalten bis zu drei Prozent Verunreinigungen. Das kann die Qualität des Plastiks beeinträchtigen, der daraus hergestellt wird.

Die ETH Zürich hat die neue Methode zum Patent angemeldet und sucht nun Lizenznehmer. „Die Konkurrenz beim chemischen Kunststoffrecycling ist groß, besonders in den USA, wo finanzstarke große Forschungsgruppen auf diesem Gebiet arbeiten“, sagt Anastasaki. Dank der soliden Grundfinanzierung durch die ETH Zürich kann die Materialwissenschaftlerin jedoch mithalten und ist den amerikanischen Mitbewerbenden dieses Mal sogar einen Schritt voraus.

Industrie könnte Ansatz sofort übernehmen

Die chemische Industrie zeigt an der neuen Methode Interesse. Denn ein entscheidender Vorteil ist, dass die Industrie diese Methode mit bestehender Infrastruktur und normalen Prozessen umsetzen könnte. „Unsere früheren Ansätze hatten den Nachteil, dass Firmen Abläufe und Anlagen hätten ändern müssen, um den Ansatz zu implementieren. Das ist den meisten zu teuer“, erklärt Anastasaki.

In den nächsten Schritten möchte sie die Methode hochskalieren und die Reaktionsmechanismen im Detail verstehen. Darauf basierend möchten die ETH-Forschenden Substanzen entwickeln, welche den Polymerabbau sogar noch beschleunigen und die Monomer-Ausbeute weiter optimieren.

Einen kleinen Haken hat die Sache jedoch: Das Verfahren funktioniert nur für Acrylglas. Um weitere Kunststoffe in ihre Grundbausteine zu zerlegen, sind andere Ansätze nötig. Dennoch ist die Materialforscherin optimistisch: „Wir werden versuchen, dieses Prinzip auch auf Polystyrol anzuwenden, einen der weltweit am häufigsten genutzten Kunststoffe“, sagt Anastasaki.