Bauplan für nachhaltige Polymere nutzt Schwefel für neue Recyclingwege Kunststoffmoleküle mit Selbstzersetzungs-Knopf

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Typischerweise verwehren sich Kunststoffe vehement der Zersetzung. Das wird dann zum Problem, wenn Plastikbestandteile als Abfall in die Umwelt geraten. Forscher der Universität Bayreuth haben nun Kunststoffe so mit Schwefelatomen modifiziert, dass sie leichter zersetzt werden können.

Plastik ist allgegenwärtig, es findet sich in Verpackungen, Elektronikteilen oder Medizinprodukten. Doch es hinterlässt ein riesiges Müllproblem: Viele herkömmliche Kunststoffe zerfallen nicht oder nur sehr schwer. Deshalb ist Forschung nötig, um neue Kunststoffe zu entwickeln, die nützliche Eigenschaften haben, aber zugleich gezielt abgebaut oder recycelt werden können. Dadurch können nachhaltigere Materialien designt werden, um den Einsatz von Kunststoffen langfristig ressourcenschonender zu ermöglichen. Der Einbau von Schwefelatomen in die Kunststoffketten (Polymere) soll hierfür ein Schlüsselschritt sein und die Moleküle leichter abbaubar machen.

Die Integration von Schwefelatomen macht Polymere deshalb nachhaltiger, weil sich die Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Schwefelatomen einfacher öffnen lassen als Bindungen zwischen Kohlenstoff- und anderen Kohlenstoff- oder Sauerstoffatomen. Das ermöglicht den Abbau der schwefelhaltigen Kunststoffe unter vergleichsweise milden Bedingungen. Allerdings sind Strategien zur Synthese dieser Kunststoffe bislang wenig entwickelt, was eine breite Herstellung erschwert.

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Vorhersage-Regel für nachhaltige Kunststoffe mit Schwefel

Ein erster Schritt zur Massenproduktion ist nun gemacht: Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, der Texas A&M University und der Universität Bayreuth hat erstmals ein Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem sich verschiedene schwefelhaltige Bausteine bezüglich ihrer Eignung für die Kunststoffherstellung testen und vergleichen lassen.

„Mit unserer Studie konnten wir eine Vorhersage-Regel aufstellen, die voraussagt, welche Schwefel-Bausteine perfekt aufgebaute und saubere Polymere ergeben und welche nicht“, sagt Prof. Dr. Alex J. Plajer, Juniorprofessor für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth. Bisher mussten die eingesetzten Bausteine und Reaktionsbedingungen zur Herstellung dieser schwefelhaltigen Kunststoffe speziell auf die spezifische Bestandteilkombination abgestimmt und optimiert werden. „Einen Bauplan, wie man unter einheitlichen Bedingungen nachhaltige Kunststoffe mit Schwefel herstellen kann, gab es bisher nicht“, sagt Plajer.

Neue Materialien für kontrollierte Zersetzung entwickeln

Mithilfe ihres neuen Verfahrens haben die Forschenden Carbonylsulfid als besonders geeigneten Schwefel-Baustein zur Kunststoffherstellung identifiziert. Carbonylsulfid reagiert sehr zuverlässig und bildet lange, gleichmäßig aufgebaute Kunststoffketten – und das unter Einsatz von wenig Katalysator, der die chemische Reaktion ermöglicht. Zusätzlich entstehen bei der Reaktion kaum unerwünschte Nebenprodukte.

„Mit unseren Ergebnissen legen wir den Grundstein für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien, die sich auf kontrollierte Weise abbauen lassen“, fasst Plajer zusammen.

Die Studie wurde vom Verband der Chemischen Industrie, der Daimler und Benz Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Projektnr. 542928411) und der Robert A. Welch Foundation gefördert.

Originalpublikation: Bhargav R. Manjunatha, Mani Sengoden, Merlin R. Stühler, Robert Langer, Donald J. Darensbourg, Alex J. Plajer. Monomer-Dependent Selectivity in Sulfur-Containing Ring-Opening Copolymerisation: Bimetallic Catalysis for Predictive Design of Degradable Polymers. Angewandte Chemie International Edition (2025); DOI: 10.1002/anie.202508985

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