Ethylenfreie Synthese von Polyethylen

Polyethylen (PE) ist eines der am häufigsten industriell hergestellten und eingesetzten Polymere weltweit. Es gibt unterschiedliche Arten von PE, die sich durch ihre Zusammensetzung von Monomereinheiten unterscheiden (Copolymere). Je nach molekularem Aufbau variiert das Werkstoffverhalten, wie etwa Stabilität und Festigkeit, und damit die Einsatzmöglichkeiten: von Folien und Verpackungen über Schäume, feste Kunststoff- oder Kompositteile.

Stand der Technik

Die Herstellung von PE erfolgt hauptsächlich über die direkte Polymerisation des Monomers Ethylen. Hierbei sind sehr hohe Drücke und Temperaturen nötig, um für die gasförmige Grundchemikalie die Polymerisation herbeizuführen. Diese Technik bietet nur sehr begrenzte Möglichkeiten für die direkte Polymerisation von weiteren Monomeren mit funktionellen Gruppen. Dadurch ist die Herstellung von neuen Copolymeren und anderen Polymerarchitekturen eingeschränkt.

Technologie

Ein alternatives, leicht durchführbares Syntheseverfahren haben Forschende vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) entwickelt. Bei dem Verfahren wird Ethylen nicht mehr direkt als Monomer eingesetzt, sondern ein Acrylsäureester. Dabei wird zunächst ein einstellbares Vorläuferpolymer (Precursor), ein Feststoff auf Acrylatbasis sowie gezielte Zusatzbaustein in Lösung synthetisiert. Mit der Ausgestaltung des Precursorsystems lässt sich bereits die spätere Struktur des Polymers festlegen. Der Precursor wird danach in einem katalytischen Prozess decarboxiliert. Durch diese Abspaltung von Kohlenstoffdioxid bleibt ein PE-Rückgrat übrig, das sich schließlich unter Zugabe eines Wasserstoffdonors zu funktionalisiertem Polyethylen umwandelt. Je nach Art des Zusatzbausteins ergeben sich verschiedene Blockcopolymere, wie z.B. Polystyrol-block-PE.

Vorteile

Mit geringem technischen Aufwand erlauben es diese Syntheseschritte erstmalig, PE in einer Vielzahl an Copolymeren und Blockcopolymeren herzustellen. Dabei können die Polymere mit diversen Kombinationen gezielt funktionalisiert werden. Mithilfe der Methode können so schnell und preisgünstig Screeningexperimente im Labormaßstab durchgeführt werden, ohne dabei mit Ethylengas hantieren zu müssen.

Optionen für Unternehmen

Das Syntheseverfahren wurde am Institut an mehreren Beispielen experimentell untersucht. Die Methode auf Basis von Decarboxilierung eignet sich besonders für die Produktentwicklung in der Polymerchemie. Das KIT sucht Industriepartner zur anwendungsspezifischen Nutzung und Weiterentwicklung.