Wie aus Plastikabfällen höherwertige Produkte werden können

Global werden jährlich rund 450 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert, wovon Polyolefine wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) etwa die Hälfte des Verbrauchs ausmachen. Ihr mechanisches Recycling ist jedoch stark limitiert: Aufschmelzen führt durch thermische Degradation und Pigmentierung zu massiven Qualitätseinbussen, weshalb das Rezyklat meist nur für minderwertige Anwendungen taugt. Eine gezielte Depolymerisation in die Grundbausteine ist aufgrund fehlender Heteroatome (O, N, Cl) in den Olefinen nicht möglich. Alternative thermische Prozesse wie die Pyrolyse erfordern einen hohen Energieaufwand und liefern lediglich Rohölgemische.

Funktionalisierung durch gezieltes Polymer-Grafting

Ein Forschungsteam der ETH Zürich um Prof. Tae-Lim Choi hat nun ein patentiertes Verfahren entwickelt, das Polyolefine durch das Aufpfropfen (Grafting) neuer Polymerketten in höherwertige Wertstoffe upcycelt. Als erste Applikation wurden aus Haushalts-Plastikabfällen Klebstoffe synthetisiert, die industrielle Anforderungen an hochbelastbare Strukturverbindungen im Maschinen- oder Fahrzeugbau erfüllen. Über die eingeführten Polymerketten lässt sich die gesamte Bandbreite chemischer Funktionalitäten – von polaren Gruppen über Säuren und Basen bis hin zu reaktiven Zentren – maßschneidern.

Radikalinitiierung in chlorhaltigen Lösungsmitteln

Der chemische Mechanismus basiert auf chlorhaltigen Lösungsmitteln, in denen durch kurzwellige Bestrahlung hochreaktive Chlor-Radikale generiert werden. Diese übertragen ihre Reaktivität auf Kohlenstoffatome der Polyolefin-Hauptkette, wodurch makromolekulare Kohlenstoff-Radikale als Initiierungsstellen für die Polymerisation zusätzlicher Ketten entstehen. Der einstufige Syntheseprozess verläuft bei moderaten Bedingungen ohne teure Katalysatoren oder Spezialreagenzien.

Hongsik Kim erläutert die Prozesskontrolle. „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.“

Ausblick und industrielle Applikationen

Neben Hochleistungsklebstoffen eröffnet die Methode vielseitige Möglichkeiten zur Modifikation polymerer Werkstoffe. Prof. Tae-Lim Choi führt dazu aus: „Der Klebstoff ist ein Produkt der ersten Generation. In Zukunft werden Kunststoffe mit vollständig neuen Eigenschaften möglich. Prinzipiell lassen sich zusätzliche Polymere mit allen denkbaren chemischen Funktionalitäten auf Polyolefine aufpfropfen.“

Inzwischen laufen industrielle Kooperationen zur Entwicklung von Polyolefin-Verpackungen mit verbesserten Barriereeigenschaften gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit, um Oxidationsprozesse bei Lebensmitteln zu minimieren. Zudem können derartige Funktionalisierungen auch minderwertige Rezyklate mechanisch aufwerten.

Quelle

ETH Zürich (11/2025)