Selbstheilende Kunststoffe: "Wir wollen die Lebensdauer von Kunststoffen erhöhen"

Je länger ein Gegenstand in Gebrauch ist, desto besser ist es für die Umwelt. Um die Lebensdauer eines Produktes zu erhöhen, ist es deshalb wichtig, Reparaturen zu ermöglichen. Das aber geht zum Beispiel bei vielen Plastikprodukten nicht. Einmal gerissen oder gebrochen werden sie im Müll entsorgt. Das möchte Prof. Ulrich S. Schubert von der Uni Jena jedoch ändern. Gelingt sein Ansatz, wäre er auch für die Medizintechnikhersteller interessant, da eine Vielzahl an Produkten aus Kunststoff hergestellt werden oder ihn erhalten.

Herr Prof. Schubert, Sie forschen an Vitrimeren. Was für ein Kunststoff ist das?

Ulrich S. Schubert: Vitrimer ist ein recht neues Polymer, mit dem man nicht nur irreversible kovalente Bindungen einsetzt, als Bindung zwischen Atomen, die nicht spaltbar sind, sondern Bindungen, die man öffnen und schließen kann. Damit hat man die Möglichkeit, Materialien zu entwickeln, die man später leichter recyceln kann. Außerdem hat es die Eigenschaft, sich in der Form ändern zu können.

Können Sie ein Beispiel für eine mögliche Verwendung geben?

Schubert: Ein Beispiel sind die Rotorblätter von Windkraftanlagen. Dort werden Glasfaser und Kohlenstoffmaterial zusammen mit Kunststoff verwendet, wobei die Kunststoffe häufig als Kleber fungieren. Auch in Flugzeugen werden vielfach Kompositmaterialien verbaut. Der Nachteil: Sie lassen sich alle nicht recyceln, weil sie verklebt werden. Da ist zum Teil Metall enthalten, Kunststoff oder Keramik. Wenn man diesen Kleber, also den Kunststoff, jedoch durch ein reversibles Polymer ersetzen könnte, um die Masse wieder zu trennen, ergäben sich ganz neue Möglichkeiten für das Recycling.

Was werden Ihre nächsten Forschungsschwerpunkte sein?

Schubert: Unser Ausgangspunkt ist das Thema "Selbstheilende Kunststoffe". Wir wollen die Lebensdauer von Kunststoffen erhöhen und den Einsatz von Kunststoff umweltfreundlicher machen. Normalerweise wird Plastik, das zerbricht oder nicht mehr schön aussieht, entsorgt. Möbel mit Kunststoffoberflächen werden neu gekauft, wenn sie zu viele Kratzer haben. Das wollen wir ändern. Wir forschen an der Möglichkeit, Kunststoff nur mit Wärme wieder zu "heilen". Darüber hinaus untersuchen wir auch sogenannte Shape-Memory-Polymere, also Polymere, die man zwischen verschiedenen Formen hin und her schalten kann.

Gerade in der Medizintechnik werden für viele unterschiedliche Anwendungen Kunststoffe verwendet. Ist auch hier der Einsatz von Vitrimeren denkbar?

Schubert: Ja, natürlich. Das ist einer der Punkte, den wir auch mit betrachten. Wenn man zum Beispiel an Implantatmaterialien denkt, die an der Oberfläche bestimmte Schutzfilme haben, damit sich etwa Gewebe nicht entzündet: Man könnte einen Kunststoff verwenden, den man wieder recyceln kann und den man wieder heilen kann. Zum Beispiel damit ein Implantat länger verwendet werden kann. Oder man verwendet Nanopartikel, die ganz gezielt Wirkstoffe abgeben können, wenn sie stimuliert werden, sodass man sie langfristig einsetzen kann. All das sind intelligente Eigenschaften von Polymeren und Kunststoffen. Man benötigt dafür chemische Bindungen, die man auf- und zu machen kann oder die reversible hin- und herschalten. Das kann man zum Beispiel mit Vitrimeren erreichen.

Gibt es solche Anwendungen bereits?

Schubert: Es gibt verschiedene Entwicklungen, die kurz vor einer Markteinführung stehen oder Hersteller, die Muster erkunden und schauen, ob das Benutzung findet. Allerdings, im Medizintechnikbereich sind die Zulassungsverfahren eine Hürde. Und im normalen Alltagsgeschäft ist es so, dass keiner Einschränkungen von Eigenschaften akzeptiert, nur damit ein Produkt "heilbar" ist. Sondern es soll diese Eigenschaft „On-Top“ haben und am besten trotzdem nicht mehr kosten. Das schränkt die Sache ein. Aber vonseiten des Gesetzgebers gibt es Druck, der sagt, die Komposite sollen für das Recycling wieder aufgetrennt werden können. Deshalb ist die Motivation, Forschungs- und Fördergelder zu investieren, gerade höher.

Wie funktioniert das Recycling dieser Kunststoffe?

Schubert: Das erwähnte Rotorblatt besteht aus Kunststoff und Glasfaser. Wenn man dieses über die Schalltemperatur erhitzt, bei der diese Bindungen aufgehen, dann kann man es einfach über ein Sieb laufen lassen. Die Verbundsachen, die drin sind, Glasfaser usw. würden hängen bleiben und das nun flüssige Polymer würde durchfließen und aufgefangen werden und beim Erkalten wieder fest wird. Im Anschluss könnte man es dann erneut verwenden.

Käme es dabei zu einem Qualitätsverlust?

Schubert: Man müsste nachweisen können, dass dies nicht so ist. Es ist momentan eine große Hürde, dass es technische Rahmenbedingungen gibt bezüglich der Festigkeit oder Biegesteifigkeit, die es zu erfüllen gilt. Wir müssen nachweisen, dass wir ein vorgegebenes Pflichtenheft führen, indem alle Normen vermerkt sind und wir diese auch erfüllen. All dies ist derzeit ein Schwerpunkt unserer Forschung.