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03.02.2023

02.01.2023

Polymerkette abfädeln - Recycling von Nylon-6 zu ε-Caprolactam

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Nylon-6 ist ein widerstandsfähiger, nicht bioabbaubarer Kunststoff, der sich mit konventionellen Ansätzen nicht recyceln lässt. Einen neuen Recyclingweg für Nylon-6 stellt ein US-amerikanisches Team jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie vor: Mittels eines leicht zugänglichen Lanthan-Trisamido-Katalysators wird Nylon-6 hochselektiv, fast quantitativ, lösungsmittelfrei und bei relativ moderaten Temperaturen zum Ausgangsmonomer ε-Caprolactam depolymerisiert. Wie beim Abfädeln einer Perlenkette werden die Monomere dabei nach und nach vom Kettenende ausgehend freigesetzt.

Nylon ist der Stoff, aus dem Strümpfe gemacht werden. Es ist aber auch das Material der Wahl für viele Anwendungen in Bereichen, wie Automobil, Verpackung, Infrastruktur, Textil und Fischerei. Die vorteilhaften Eigenschaften wie Elastizität, chemische Beständigkeit, hohe Reiß- und Abriebfestigkeit stehen seiner Bioabbaubarkeit jedoch im Wege. So sind aufgegebene Nylon-Fischernetze für ca. 10% des Plastikabfalls in den Meeren verantwortlich.

Industriell wird die Variante Nylon-6 durch eine ringöffnende Polymerisation von ε-Caprolactam in einem Maßstab von 5 Millionen Tonnen pro Jahr hergestellt. Das Marktvolumen wird bis 2026 voraussichtlich 21,5 Millarden US-Dollar erreichen. Parallel wachsen die Müllberge und die damit verbundenen Gefahren für Umwelt und Gesundheit. Zudem hat die Produktion von Nylon-6 einen hohen CO2-Fußabdruck. Das Monomer ε-Caprolactam wird aus fossilen Rohstoffen in einem kostenintensiven mehrstufigen Verfahren hergestellt. Seine Rückgewinnung würde Ressourcen schonen sowie Produktionskosten und Energie einsparen. Entsprechend groß ist der Wunsch nach einer Kreislaufwirtschaft für Nylon.

Während das Recycling für einige andere Kunststoffarten langsam anläuft, ist Nylon-6 nur sehr schlecht zu recyceln. Aufschmelzen und wieder neu in Form bringen ist nicht möglich, da sich Nylon-6 bei den benötigten hohen Temperaturen teilweise zersetzt. Auch Verbrennen für die Energierückgewinnung kommt nicht in Frage, da toxische Verbindungen entstehen, z.B. Blausäure. Bisherige Ansätze zum chemischen Recycling erwiesen sich als zu aufwendig, ineffektiv und/oder benötigen problematische Chemikalien.

Das Team um Yosi Kratish und Tobin J. Marks von der Northwestern University (Evanston, USA) und dem National Renewable Energy Laboratory (Golden, USA) hat jetzt einen neuen effizienten katalytischen Prozess zum Recycling von Nylon-6 entwickelt. Nylon-6 wird mit mehr als 95% Selektivität und mehr als 90% Ausbeute zu ε-Caprolactam depolymerisiert - ohne Lösungsmittel oder toxische Chemikalien und bei vergleichsweise milden Temperaturen von 240 °C. Beimischungen von Polyethylen, Polypropylen oder Polyethylenterephthalat stören nicht.

Erfolgsgeheimnis ist ein Katalysator auf der Basis kommerziell erhältlicher Trisamido-Komplexe der Seltenen Erden. Die höchste katalytische Aktivität zeigte der Komplex des Metalls Lanthan. Experimentelle Daten und Computerberechnungen deuten auf einen neuartigen Mechanismus. Im ersten Schritt wird ein Wasserstoffion einer terminalen Amid-N-H-Bindung entfernt und der Katalysator kovalent an das Polymer gebunden. Anschließend werden die ε-Caprolactam-Einheiten Stück für Stück vom Kettenende her abgespalten (Backbiting-Prozess).

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Quelle: Angewandte Chemie