Flash-Joule-Erwärmung recycelt Kunststoff zu Nanomaterial für Implantate

17. Februar 2023 Von Sean Whooley

Durch Flash-Joule-Erwärmung können Kohlenstoffnanoröhren und Kohlenstoffnanofasern aus gemischten Kunststoffabfällen hergestellt werden. Diese Methode ist 90 % effizienter als bestehende Produktionsprozesse. Der Nanoröhrendurchmesser kann durch Änderung der Leistung oder des verwendeten Katalysators gesteuert werden. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Tour lab/Rice University)

Wissenschaftler der Rice University haben eine Möglichkeit entwickelt, recycelten Kunststoffabfall in ein hybrides Kohlenstoff-Nanomaterial für eine Vielzahl von Anwendungen umzuwandeln.

Forscher gehen davon aus, dass sich die Kunststoffproduktion bis 2050 verdreifachen wird, während sich der Kunststoffabfall weltweit in den letzten 20 Jahren verdoppelt hat. Die meisten Abfälle landen auf Mülldeponien, würden verbrannt oder auf andere Weise falsch entsorgt, sagten sie unter Berufung auf die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung.

Laut einer Pressemitteilung gehen einige Schätzungen davon aus, dass nur 5 % des Abfalls recycelt werden.

Der Rice-Doktorand und Hauptautor einer Studie, Kevin Wyss, und ein Team haben einen neuen Weg gefunden, diesen Abfall optimal zu nutzen. Die in Advanced Materials veröffentlichte Studie zeigte, wie Wyss und Kollegen im Labor des Chemikers James Tour mithilfe von Blitz-Joule-Erwärmung Kunststoff in wertvolle Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Hybrid-Nanomaterialien umwandelten.

„Wir konnten ein hybrides Kohlenstoff-Nanomaterial herstellen, das sowohl Graphen als auch kommerziell erhältliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen übertrifft“, sagte Wyss.

Solche Nanomaterialien bieten Festigkeit und chemische Robustheit bei geringer Dichte und großer Oberfläche. In Kombination mit Leitfähigkeit und breitbandigen elektromagnetischen Absorptionsfähigkeiten bieten sie Einsatzmöglichkeiten in medizinischen, industriellen und elektronischen Anwendungen.

„Was dieses Mal an unseren Ergebnissen wirklich interessant war, ist, dass wir diese Kohlenstoffnanoröhren mit an den Enden befestigten Graphenstücken herstellen konnten“, sagte Wyss. „Man kann sich die Struktur dieses neuen Hybrid-Nanomaterials ähnlich wie Sojasprossen oder Lutscher vorstellen. Diese sind normalerweise sehr schwer herzustellen, und die Tatsache, dass wir sie aus Plastikabfall herstellen konnten, ist wirklich etwas Besonderes.“

Den Forschern zufolge steigert die Struktur dieses Nanomaterials seine Leistung.

Wyss im Vergleich dazu, eine Garnschnur aus einem Pullover zu ziehen. Wenn Sie an einer „geraden und glatten“ Schnur ziehen, kann diese leicht herausfallen und das Gewebe zerstören. Bei diesen Kohlenstoffnanoröhren ist es schwieriger, sie zu entfernen, da an den Enden Massen von Graphen angebracht sind, wodurch der Verbundstoff gestärkt wird.

„Man kann es sich auch so vorstellen: Wenn man einen Splitter bekommt, kann man ihn leicht herausnehmen. Aber wenn man von etwas gestochen wird, das am Ende eine Krümmung hat, wie zum Beispiel einem Angelhaken, ist es viel schwieriger, es herauszunehmen“, erklärte Wyss.

Die Forscher „flashen“ den Kunststoff bei Temperaturen über 3.100 Kelvin (ca. 5.120 Grad Fahrenheit). Sie mahlen das Material in kleine Stücke, fügen Eisen hinzu und mischen einen anderen Kohlenstoff – zum Beispiel Holzkohle – für die Leitfähigkeit bei.

Laut den Forschern bietet die Flash-Joule-Erwärmung im Vergleich zu bestehenden Verfahren „erheblich“ energieeffizientere Vorteile. Sie sagen, dass es auch umweltfreundlichere Vorteile im Vergleich zu bestehenden Methoden zur Herstellung von Nanoröhren bietet.

„Das Recycling von Kunststoff kostet mehr als nur die Herstellung von neuem Kunststoff“, fügte er hinzu. „Es gibt nur sehr wenige wirtschaftliche Anreize, Kunststoff zu recyceln. Aus diesem Grund haben wir uns dem Upcycling zugewandt, also der Umwandlung minderwertiger Abfallmaterialien in etwas mit einem höheren Geld- oder Gebrauchswert. Wenn wir Kunststoffabfälle in etwas Wertvolleres verwandeln können, können die Menschen Geld verdienen, indem sie verantwortungsbewusst mit weggeworfenen Kunststoffen umgehen.“

„Im Vergleich zu kommerziellen Methoden zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren, die derzeit verwendet werden, verbraucht unsere Methode etwa 90 % weniger Energie und erzeugt 90 bis 94 % weniger Kohlendioxid“, sagte Wyss.