Durchbruch beim Recycling von Silikonen

Silikone sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen thermischen, chemischen und mechanischen Stabilität sowie ihrer Selektivpermeabilität für Sauerstoff bei zeitgleicher Hydrophobie in Industrie, Medizin und Analytik weit verbreitet. Das wirtschaftliche Potenzial ist immens: Der globale Markt betrug im Jahr 2025 über 21 Milliarden Euro und wird für 2033 auf mehr als 33 Milliarden Euro geschätzt. Doch genau diese Eigenschaftsprofile erschwerten das Recycling bisher erheblich.

„Aufgrund seiner robusten Eigenschaften ist die Wiederverwertung von gebrauchtem Silikon sehr schwierig“, sagt Prof. Dr. Martin Oestreich. „Bisher wurde Altsilikon meist verbrannt oder deponiert. Beim Recycling wird das Material häufig mechanisch aufbereitet oder chemisch zu kleineren, ringförmigen Siloxanen abgebaut, aus denen sich erneut Silikone herstellen lassen. Diese neuen Silikone sind aber zumeist von geringerer Qualität als die ursprünglichen.“

Energetische Relevanz des vollständigen Abbauprozesses

Ein vollständiges Recycling ist sowohl unter Umweltaspekten als auch aus thermodynamischer Sicht hochgradig sinnvoll. Die primäre Synthese des Grundbausteins Dimethyldichlorsilan erfordert die Reduktion von Quarzsand zu elementarem Silizium bei ca. 2000 °C. „Dieses Molekül kann man zu langen Ketten hintereinander aufreihen, wobei das enthaltene Chlor durch Sauerstoff ersetzt wird“, erklärt Oestreich.

Die resultierende Polysiloxan-Hauptkette (Si–O–Si) wird durch die Varianz der Kettenlängen sowie funktionelle Seitengruppen gezielt an spezifische Eigenschaftsprofile angepasst. Um am Ende des Recyclingprozesses wieder höherwertige Polymere mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu synthetisieren, ist der gezielte Abbau bis zum Monomer essenziell. „Um das zu erreichen, muss am Ende des Recyclingprozesses zwingend das Basismolekül Dimethyldichlorsilan herauskommen“, sagt Martin Oestreich.

Katalytischer Spaltungsmechanismus via Silyliumionen und Phosgen

Forschenden des Instituts für Chemie der TU Berlin um Prof. Dr. Martin Oestreich ist die vollständige Depolymerisation nun über ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Reaktionszyklen gelungen. Die Spaltung der thermodynamisch außerordentlich stabilen Si–O-Bindungen erfolgt dabei durch den Einsatz von Silyliumionen als Katalysatoren in Kombination mit Phosgen. „Die Silizium-Sauerstoff-Bindungen zu knacken, ist extrem schwierig. Gerade deshalb ist Silikon ja so ein stabiles Material.“

Im Reaktionsverlauf abstrahiert das kationische Silyliumion ein Chloridion (Cl^–) aus Phosgen (COCl₂), wodurch das reaktive Intermediat COCl⁺ generiert wird. „Dieses Molekül hat dann die chemische Kraft, eine Silizium-Sauerstoff-Bindung aufzubrechen“, sagt Oestreich. Der im Siloxanrückgrat gebundene Sauerstoff wird dabei irreversibel als Kohlendioxid (CO₂) gebunden und gasförmig aus dem Gleichgewicht entfernt. „Der Sauerstoff wird also in einer stabilen Verbindung gebunden und gleich als Gas abgeführt. Damit steht er nicht mehr für andere Reaktionen zur Verfügung.“

Prozesssicherheit und Reinigungsprotokolle

Aus Sicherheitsgründen wird Phosgen nicht direkt eingesetzt. Stattdessen dient Triphosgen als fester, handhabbarer Precursor, der in situ durch das bifunktionelle Silyliumion gespalten wird. „Die Verwendung von Phosgen ist in der chemischen Industrie aber keineswegs unüblich. So werden etwa wichtige Ausgangsverbindungen für Polyurethane, aus denen Schaumstoffe und Dämmstoffe bestehen, mithilfe von Phosgen hergestellt“, erklärt Martin Oestreich. Aktuelle Arbeiten der Forschungsgruppe konzentrieren sich auf alternative Reagenzien sowie auf die thermische und Chromatographie-gestützte Feinreinigung des erhaltenen Dimethyldichlorsilans von Phosgenspuren.

Ausbeute und Anwendungsbreite

Das Verfahren läuft unter moderaten Reaktionsbedingungen bei 80 °C ab. Bei Versuchen mit realen Gebrauchsstoffen (wie Silikonbackformen oder medizinischen Schläuchen) wurden nach 24 Stunden Ausbeuten an reinem Dimethyldichlorsilan von bis zu 99 % erzielt. Selbst komplexe Gemische verschiedener Altsilikone erreichten eine Ausbeute von 86 %. „Unser Erfolg ist ein Beweis dafür, dass sich Grundlagenforschung irgendwann in ganz konkreten Anwendungen auszahlen kann, an die vorher niemand gedacht hat“, sagt Martin Oestreich. „Wir forschen bereits seit 15 Jahren an Silyliumionen, und erst seit etwa fünf Jahren haben wir mit dem Recycling von Silikonen plötzlich ein wichtiges Anwendungsziel dieser Forschungen vor Augen.“ Das Verfahren wurde bereits zur Patentierung eingereicht.

Quelle

TU Berlin (10/2026)