Seit Archimedes ist die Geschichte der Wissenschaft voll von Heureka-Momenten. So erging es auch einer Gruppe von dänischen Forschern. Sie fanden heraus, dass es eine sehr einfache Möglichkeit gibt, das nicht abbaubare Polyurethan (PU) dennoch zu recyceln. “Wir waren sehr überrascht, dass es so einfach war, ein so hoch entwickeltes Material zu zerlegen. Das hätten wir nie erwartet”, sagt Steffan Kvist Kristensen.
Er ist Assistenzprofessor an der Universität Aarhus und gehört zu der Gruppe, die einen Weg gefunden hat, PU chemisch zu recyceln. Polyurethan ist ein Kunststoff, der in vielen Gegenständen des täglichen Lebens verwendet wird. Zum Beispiel bei Matratzen, um ein Beispiel zu nennen. Oder man kann PU auch als Dämmstoff in Kühlschränken verwenden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. PU wird aus Erdöl hergestellt. Bisher gab es keine gute Möglichkeit, den Kunststoff in Grundstoffe für neue Produkte zu zerlegen.
Zu ihrer eigenen Überraschung fanden die dänischen Wissenschaftler eine einfache Lösung für dieses Problem. Das Erhitzen von tert-Amyl-Alkohol mit Kalilauge in einem Gefäß auf 225 °C führte zu einer Zersetzung der Polyurethanverbindung. Man kann also zum Ausgangspunkt der PU-Synthese zurückkehren. Nach dem Sieden des Materials erhält man die Grundverbindungen Polyole und ein Aminvorprodukt, die zusammen Polyurethan bilden. Den dänischen Wissenschaftlern, die für das RePURpose-Konsortium arbeiten, ist es gelungen, 20 verschiedene Arten von Polyurethan zu zerlegen. Das Verfahren ist inzwischen patentiert.
Die Stärke von Polyurethan
Die hohe Widerstandsfähigkeit von PU ist eines der Haupthindernisse bei der Suche nach Möglichkeiten für seine Wiederverwendung. Die chemische Struktur von Polyurethan beruht auf starken Bindungen zwischen den Molekülen.
“Ich nehme immer eine Wasserflasche als Beispiel, wenn ich erklären muss, wie schwierig PU-Recycling ist”, beginnt Kristensen. “Sie ist aus Thermoplast, das heißt, man kann sie schmelzen und formen, um neue Materialien zu erhalten. PU ist ein duroplastischer Kunststoff, der keinen Schmelzpunkt hat. Wenn man versucht, es zu verflüssigen, brennt es einfach.”
Aufgrund dieses Problems war das mechanische Recycling bisher eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Wiederverwendung von Polyurethan. Dabei wird das Material in Stücke gebrochen. Die entstehenden PU-Flocken können als Füllstoff in der Bauindustrie oder zur Herstellung von Teppichunterlagen verwendet werden. Wie andere weniger verbreitete Lösungen hat sich auch diese Methode noch nicht durchgesetzt – der Großteil des Polyurethans landet noch immer auf Deponien oder wird verbrannt.
Warum wir über dieses Thema schreiben:
Polyurethane machen etwa 8 Prozent der weltweit produzierten Kunststoffe aus. Bislang wurden keine wirksamen Recyclingverfahren entwickelt, weshalb dieser Erfolg zur Wiederverwendung des Materials beitragen könnte.
Eine Entdeckung führt zur nächsten
Das dänische Team probierte mehrere Verfahren aus, bevor es den Durchbruch erzielte. Im vergangenen Jahr haben die Forscher Polyurethan mit Iridium– und Mangankatalysatoren in Verbindung mit Wasserstoff abgebaut. Beide Optionen waren zwar wirksam, erwiesen sich aber nicht als die Methode der Wahl. “Iridium ist zu teuer. In industriellem Maßstab wäre das nicht machbar. Mangan ist zwar effizienter, hat aber auch viele Nachteile. Wir dachten, wir könnten PU auf eine einfachere Weise zerlegen”, erinnert sich Kristensen.
Diese Experimente ebneten den Weg für das Verfahren auf Kalibasis. Während das Metall als Katalysator fungierte, stellten die Forscher fest, dass im Hintergrund eine weitere Reaktion mit dem alkoholischen Lösungsmittel stattfand. Monatelange Bemühungen, den richtigen Temperaturbereich und die richtigen Zusatzstoffe zu finden und sicherzustellen, dass nicht irgendeine Verunreinigung des Materials das Phänomen verursacht, führten zu der Methode, die sie nun gefunden haben. Die alkoholbasierte Lösung erwies sich als ebenso wirksam wie die metallkatalysierte Lösung und war gleichzeitig billiger.
Die Welt kann nicht ohne
Die Weltwirtschaft kann noch nicht ohne PU auskommen. Der Weltmarkt für Polyurethane betrug im Jahr 2020 mehr als 24 Millionen Tonnen. Prognosen gehen von einem Anstieg auf 29 Millionen Tonnen bis 2029 aus. Die steigende Nachfrage in der Bauindustrie – aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften für die Energieeffizienz von Gebäuden – und im Automobilsektor treibt die Nachfrage an. PU scheint derzeit unersetzlich zu sein. Die Eigenschaften des Materials sind nach wie vor unübertroffen, zumal es billig in der Herstellung ist.
Bei der Herstellung von einem Kilogramm PU werden beispielsweise 3,5 kg CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. In 50 Jahren kann die 100-fache Menge an Kohlendioxid-Äquivalenten ausgeglichen werden. Eine 1,6 cm dicke PU-Platte ist so isolierend wie eine 1,34 m dicke Betonwand. Es ist vielleicht nicht möglich, die Verwendung von Polyurethan einzustellen, aber effiziente Recyclingmethoden könnten dazu beitragen, die Gewohnheiten zu ändern.
Gut definierte Abfallströme
Dies ist zwar einfach und für die Industrie potenziell geeignet, doch muss die gesamte Recyclingkette neu überdacht werden. “Was passiert, wenn PU durch andere Materialien kontaminiert wird? Reinere und gleichmäßigere Polyurethanströme helfen dabei, das Material zu zerlegen und weiter zu recyceln”, sagt Kristensen.
“Ein einheitlicher Abfallstrom von Matratzen zum Beispiel würde es einfacher machen, sie zu neuen Matratzen zu recyceln. Produkte aus recyceltem PU haben die gleichen Eigenschaften wie neue Materialien. Wenn es eine Mischung aus verschiedenen Materialien gibt, wird es komplizierter, einen einheitlichen Abfallstrom zu erhalten.
In dieser Hinsicht können Initiativen der Kommunen – wie die Sammlung alter Kühlschränke – die Schließung des Kreislaufs erleichtern. Es gibt viele Lösungen zur Verbesserung der Abfallströme. In einer Studie der Universität Wageningen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Verwendung desselben Kunststoffs sowohl für Flaschen als auch für Verschlüsse zu einem reineren und hochwertigeren Recyclat führen kann.
Plastikproblem noch lange nicht gelöst
In derselben Studie wird darauf hingewiesen, dass politische Entscheidungen aller an der Kette Beteiligten – Verpackungsunternehmen, Kommunen sowie Sortier- und Recyclingunternehmen – das Potenzial haben, die Kreislaufwirtschaft zu fördern.
Alles in allem kann ein gutes Management der Recyclingkette – mit einer besseren Zusammenarbeit zwischen allen Beteiligten – den entscheidenden Unterschied ausmachen. Dem stimmt Kristensen zu. “Das Kunststoffrecycling ist kein Problem, das nur durch einen einzigen technologischen Fortschritt gelöst werden kann, wie wir ihn erreicht haben. Alle Akteure müssen mitmachen, sonst wird es keine Lösung geben”, so sein Fazit.
