Kunststoffe und andere Polymermaterialien spielen in der modernen Gesellschaft eine wichtige Rolle. Ihre weit verbreitete Verwendung verbraucht jedoch große Mengen begrenzter und nicht erneuerbarer fossiler Ressourcen und erzeugt große Mengen an Abfall an Land und im Meer. Daher bietet das Recycling und die Wiederverwendung von Polymerabfällen wie Kunststoffen enorme ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Geschlossene, recycelbare Polymere sind inhärent recycelbar und lassen sich leicht und selektiv in hochreine Monomere depolymerisieren, die wiederum zu Polymeren mit denselben Eigenschaften repolymerisiert werden können. Sie gelten als die nächste Generation der Polymerrecyclingtechnologie und finden zunehmend Beachtung in Wissenschaft und Industrie.

Kürzlich veröffentlichte das Team von Professor Ma Songqi von der Fakultät für Chemie und Werkstofftechnik der Jiangnan-Universität eine wissenschaftliche Übersichtsarbeit mit dem Titel „Closed-loop recyclable polymers from monomer and polymer design to polymerization-depolymerization cycle“ (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/D4CS00663A) in Chemical Society Reviews (Impact Factor IF 2023 = 46,2), einem international renommierten Chemiejournal der Royal Society of Chemistry. Diese Übersichtsarbeit untersucht den Einfluss der Monomerstruktur auf das Polymer-Recycling im geschlossenen Kreislauf und erklärt systematisch den Mechanismus der Monomerpolymerisation und -depolymerisation des hergestellten Polymers. Darüber hinaus geht der Artikel auf die Auswirkungen der Entwicklung von Polymeren im geschlossenen Kreislauf auf Umwelt, Wirtschaft und Ressourcen ein, betont die Bedeutung der Weiterentwicklung der Materialwissenschaft im geschlossenen Kreislauf und skizziert Perspektiven für die zukünftige Entwicklung von Polymeren im geschlossenen Kreislauf. Unter ihnen ist Yang Shuaiqi, ein Doktorand des Jahres 2023 an der Fakultät für Chemie und Werkstofftechnik der Jiangnan-Universität, der Erstautor dieses Artikels, und Professor Ma Songqi ist der korrespondierende Autor.

Abbildung 1: Grafische Zusammenfassung (Die Entwicklung von Polymeren mit geschlossenem Recyclingkreislauf trägt zur umweltfreundlichen und nachhaltigen Entwicklung von Polymermaterialien wie Kunststoffen bei.)

Zunächst werden die im geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymere in zwei Kategorien unterteilt, je nachdem, ob andere kleine Moleküle am Depolymerisationsprozess teilnehmen müssen (wie in Abbildung 2 dargestellt).

Anders als bei in einem geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymeren auf Basis von Hydrolyse und dynamischer Austauschdepolymerisation, welche die Beteiligung kleiner Moleküle erfordern, fasst dieser Bericht hauptsächlich den Forschungsfortschritt bei in einem geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymeren auf Basis von reversibler Ringöffnungspolymerisation und reversibler Additionspolymerisation zusammen, welche keine Beteiligung anderer kleiner Moleküle erfordern. Zur Vereinfachung der Zusammenfassung und Diskussion werden sie nach verschiedenen Monomeren wie Lactonen, Thiolactonen, zyklischen Carbonaten, gehinderten Olefinen, Cycloolefinen, thermisch instabilen Olefincomonomeren, zyklischen Disulfiden, zyklischen (Thio-)Acetalen, Lactamen, Diels-Alder-Additionsmonomeren, Michael-Additionsmonomeren, Anhydrid-sekundären Amidmonomeren, zyklischen Anhydrid-Aldehydmonomeren und endgruppenaktivierten Polymeren in zahlreiche Unterkategorien unterteilt.

Abbildung 2: Recycelbare Polymere auf Basis reversibler kovalenter Bindungen oder chemischer Prozesse: (A) Die Depolymerisation erfordert die Beteiligung anderer kleiner Moleküle (z. B. Hydrolyse, Alkoholyse, Aminolyse usw.); (B) Die Depolymerisation erfordert keine Beteiligung anderer kleiner Moleküle (diese Übersicht)

Zweitens wurden der Polymerisations-/Depolymerisationsmechanismus, die Monomerstruktur (zyklische Lactonstruktur wie in Abbildung 3 gezeigt), die Entwicklung der Polymerisations-/Depolymerisationsbedingungen (Katalysatorstruktur wie in Abbildung 3 gezeigt) und die entsprechende Polymerisationsumwandlungsrate, das Polymermolekulargewicht, die Polymereigenschaften und die Monomerrückgewinnungsrate jedes Typs von im geschlossenen Kreislauf recycelbarem Polymer zusammengefasst und diskutiert, und die Fortschritte und Mängel jedes Typs von im geschlossenen Kreislauf recycelbarem Polymer wurden zusammengefasst.

Abbildung 3: Lacton-Monomerstruktur (links) und Polymerisations- und Depolymerisationskatalysatoren (rechts)

Angesichts der Bedeutung von Depolymerisationsgeräten werden diese in dieser Übersicht zusammengefasst und separat diskutiert (Abb. 4). Während des Depolymerisationsprozesses laufen Depolymerisation und Polymerisation in einem Gleichgewichtszustand ab. Werden Monomere kontinuierlich aus dem System extrahiert, verläuft die Reaktion weiterhin in Richtung Depolymerisation, sodass eine hohe Depolymerisationsrate erreicht werden kann, sogar eine 100%ige Depolymerisation des Polymers. Daher kann ein geeignetes Depolymerisationsgerät nicht nur hochreine Monomere gewinnen, sondern auch die Monomerrückgewinnungsrate deutlich steigern.

Abbildung 4: Bekannte Laborgeräte, die hohe Depolymerisationsraten erreichen können: (A) Kurzweg-Vakuumdestillationsgerät; (B) Rotationsverdampfer; (C) Sublimationsgerät

In der abschließenden Zusammenfassung fassten die Autoren die Polymerisation verschiedener Monomere und die Depolymerisation der entsprechenden im geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymere zusammen, wobei die Polymerisation und Depolymerisation zyklischer Monomere mit der Größe der Monomerringspannung zusammenhängen (Abbildung 5). Alle in dieser Überprüfung behandelten Arten von im geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymeren wurden verglichen. Abschließend wurden auch die Herausforderungen und zukünftigen Entwicklungsrichtungen im Bereich der im geschlossenen Kreislauf recycelbaren Polymere aufgezeigt: 1) Gleichgewicht zwischen Polymerisation und Depolymerisation; 2) Gleichgewicht zwischen Depolymerisation und Leistung; 3) Keine (oder geringe) Nebenprodukte im Recyclingprozess; 4) Akzeptable Recyclingkosten; 5. Im geschlossenen Kreislauf recycelbare Polymere auf Basis nachwachsender Rohstoffe; 6. Wiederverwendbare Depolymerisationskatalysatoren; 7) Industrielle Forschung.

Abbildung 5: Zusammenhang zwischen verschiedenen Monomerstrukturen und Polymerisation/Depolymerisation. (A) Ringöffnungspolymerisation und Depolymerisation zyklischer Monomere und ihrer Polymere sowie der Zusammenhang zwischen Ringspannung und Polymerisation und Depolymerisation; (B) Faktoren, die die Ringspannung von Lacton-, Thiolacton-, zyklischen Carbonat-, Lactam-, zyklischen Acetal- und zyklischen Olefinmonomeren beeinflussen