Zur Nutzung von $\textit{N,O-}$Hybridguanidin-Zink-Komplexen als multifunktionale Katalysatoren zur Implementierung einer biobasierten Kunststoffkreislaufwirtschaft

Fuchs, Martin; Herres-Pawlis, Sonja; Okuda, Jun

doi:10.18154/RWTH-2024-07170

Zur Nutzung von $\textit{N,O-}$Hybridguanidin-Zink-Komplexen als multifunktionale Katalysatoren zur Implementierung einer biobasierten Kunststoffkreislaufwirtschaft

Fuchs, Martin^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Fuchs, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor)^RWTH* ; Okuda, Jun (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07170
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/990149/files/990149.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Der Gebrauch synthetischer Kunststoffe ist ein unverzichtbarer Teil unseres modernen alltäglichen Lebens. Durch anhaltende Misswirtschaft am Ende des linearen Wirtschaftssystems sind diese erdölbasierten Materialien aber zu einer massiven Umweltbelastung geworden. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die Nutzung von biobasierten und/oder bioabbaubaren Materialien, den Biokunststoffen. Geeignete Kandidaten, wie der auf stärkehaltigen Pflanzen und gleichzeitig vollständig bioabbaubare Polyester Polylactid (PLA), sind durch ihre kostenintensive Herstellung nicht zu erdölbasierten, nicht-abbaubaren Massenkunststoffen konkurrenzfähig. Zudem ist die derzeitige industrielle Produktion von PLA durch den Einsatz des toxischen Katalysators Zinnoctanoat nicht nachhaltig gestaltet, da auf diese Weise beim Bioabbau des Materials giftige Schwermetallverbindungen in die Umwelt eingetragen werden können. Um den Wert von Biokunststoffen an deren Lebensende zu erhalten und Müll zu vermeiden, bedarf es der Transformierung der linearen zu einer idealerweise biobasierten Kreislaufwirtschaft, in welcher Kunststoffe durch effizientes Recycling nach ihrem Gebrauch valorisiert werden. Insbesondere das chemische Recycling bieten hier ein großes Potenzial. Gegenüber mechanischen Prozessen werden Kunststoffe hierbei zu kleineren Molekülen depolymerisiert, welche als Plattform zur Herstellung neuer wertvoller chemischer Produkte oder, ohne Qualitätsverlust, zur Repolymerisation der Kunststoffe eingesetzt werden können. Um das volle Potenzial von PLA in einer nachhaltig gestalteten, biobasierten Kunststoffkreislaufwirtschaft nutzen zu können, bedarf es effizienter, nicht-toxischer Katalysatoren, welche als multifunktionale Werkzeuge sowohl in der Herstellung als auch dem chemischen Recycling des Biokunststoffs hochaktiv sind. In dieser Dissertation wurde daher das Polymerisationsverhalten bereits literaturbekannter, nicht-toxischer und unter industrierelevanten Bedingungen robuster, N,O-Hybridguanidin-Zink-Katalysatoren tiefergehend erforscht. In kinetischen Studien wurde dazu die Auswirkung eines Co-Initiators auf die Aktivität der Katalysatoren in der Ringöffnungspolymerisation von Lactid untersucht, wobei der Fokus auf dem Erkenntnisgewinn über die Initiierung der Polymerisation lag. Weiterführend wurden die Katalysatoren erstmalig für das chemische Recycling verschiedener Polyester durch Alkoholyse untersucht. Im Fokus stand hierbei die Valorisierung von PLA mit Methanol zum Milchsäureester Methyllactat. In kinetischen Studien wurde anhand von Geschwindigkeitskonstanten eine Struktur-Reaktivitäts-Beziehung abgeleitet. Zusätzlich wurde der Einfluss von Struktur und Konzentration des Alkohols sowie das Recycling erdölbasierter Kunststoffe getestet. Da die aktivsten Katalysatoren ebenfalls Kriterien für das industrielle Recycling erfüllen, können diese zur Schaffung einer zukünftigen biobasierten Kunststoffkreislaufwirtschaft beitragen.

The use of synthetic plastics has become an indispensable part of our modern everyday lives. However, due to continued mismanagement at the end of the current linear plastics economy, these petroleum-based materials have become a massive threat to the environment. A promising solution is the use of bio-based and/or biodegradable materials, so-called bioplastics. Suitable candidates, such as the polyester polylactide (PLA), which is based on starch-rich plants and at the same time completely biodegradable, are not yet competitive with traditional petroleum-based, non-biodegradable mass plastics due to a cost-intensive production. Furthermore, the industrial production of PLA is not sustainable due to the use of the toxic catalyst tin octanoate, as toxic compounds can be released into the environment during biodegradation. To preserve the value of bioplastics at their end of life and to avoid plastic waste, the current linear plastics economy needs to be changed to a circular economy, idealy based on renewable resources. Herein, plastics are valorized after use in efficient recycling processes. Chemical recycling processes in particular offer a large potential here. In contrast to mechanical processes, plastics are depolymerized into smaller molecules, which can be used as a platform to produce new valuable chemical products or for the repolymerization of plastics without any loss of quality. To exploit the full potential of PLA in a sustainable, bio-based circular plastics economy, efficient, non-toxic catalysts are needed that are highly active in both the production and recycling of the bioplastics, becoming multifunctional tools to enable a biobased circular plastics economy. Therefore, in this dissertation, the polymerization behavior of N,O-hybridguanidine zinc catalysts, which are already known in the literature as non-toxic and robust catalysts for the ring-opening polymerization of lactide under industrially relevant conditions, was investigated in more detail. In kinetic studies, the effect of a co-initiator on the activity of these promising catalysts was investigated, with a focus on gaining knowledge about the initiation of polymerization. In addition, the catalytic activity of these catalysts was tested for the first time towards the chemical recycling of various polyesters via alcoholysis. The focus here was on the valorization of PLA with methanol to afford the lactic acid ester methyl lactate. In kinetic studies, the rate constant was determined which was used to gain knowledge about a structure-reactivity relationship. In addition, the influence of the molecular structure and concentration of the used alcohol on the reaction was tested as well as the suitability of the most active catalysts for industrial applications, including the recycling of petroleum-based polyesters. Therefore, these catalysts are well-suited tools to implement a biobased circular plastics economy.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)