Silikon galt als kaum recycelbar – Forschern aus Berlin gelingt überraschender Durchbruch

Eine Silikonbackform übersteht problemlos Temperaturen von mehr als 200 Grad. Badezimmerfugen trotzen jahrelang Feuchtigkeit, Dichtungen im Auto halten Hitze und Kälte aus, medizinische Schläuche müssen unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Hinter all diesen Anwendungen steckt ein Material, dessen Moleküle außergewöhnlich fest miteinander verbunden sind.

Was Silikon so langlebig macht, verhindert allerdings auch seine Wiederverwertung. Wissenschaftlern der TU Berlin ist nun ein Durchbruch gelungen: Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Silikon recyclen und bis zu einem wichtigen Ausgangsstoff für neues Silikon zerlegen lässt. Dafür reichen schon 80 Grad Celsius. Bei einzelnen getesteten Produkten erreichten die Wissenschaftler eine Ausbeute von bis zu 99 Prozent.

Statt Müllverbrennung: Silikon lässt sich bis zum Ausgangsstoff recyclen

Damit könnte sich grundlegend ändern, wie sich Silikon recyclen lässt. Bisher endet der Weg vieler Silikonprodukte in der Müllverbrennung oder auf Deponien. Das neue Verfahren ermöglicht es erstmals, die Molekülketten bis zu einem industriell wichtigen Grundbaustein zurückzuführen. Aus alten Backformen oder Babyflaschensaugern könnten so eines Tages völlig andere Silikonprodukte entstehen.

Selbst bei einer Mischung verschiedener Silikonabfälle erreichten die Wissenschaftler eine Ausbeute von 86 Prozent. Das Team um den Chemiker Martin Oestreich von der TU Berlin berichtet über den Erfolg in der Fachzeitschrift Nature. Noch ist das Verfahren nicht industriell erprobt.

Warum sich Silikon bislang so schwer recyclen lässt

Herkömmliche Recyclingverfahren stoßen bei Silikon schnell an Grenzen. Häufig zerkleinern sie das Material lediglich oder zerlegen es chemisch in ringförmige Moleküle. Daraus entstehen zwar erneut Silikone, doch deren Qualität fällt laut TU Berlin oft geringer aus. Das neue Verfahren liefert dagegen Dimethyldichlorsilan, einen wichtigen Ausgangsstoff der Silikonherstellung.

Aus diesem Stoff lassen sich Molekülketten unterschiedlicher Länge aufbauen und gezielt verändern. So entstehen Silikone mit verschiedenen Eigenschaften. Dafür muss der Recyclingprozess die besonders stabilen Verbindungen zwischen Silizium und Sauerstoff vollständig aufbrechen. „Die Silizium-Sauerstoff-Bindungen zu knacken, ist extrem schwierig. Gerade deshalb ist Silikon ja so ein stabiles Material“, erklärt Oestreich.

Zwei chemische Stoffe brechen Silikonketten auf

Die Chemiker nutzen dafür ein Zusammenspiel verschiedener Reaktionen. Zwei Stoffe sind dabei besonders wichtig:

• Silyliumionen: Diese positiv geladenen Siliziumverbindungen dienen als Katalysatoren. Sie ermöglichen mehrere Schritte des chemischen Abbaus.
• Phosgen: Die Chlorverbindung liefert einen Bestandteil für ein hochreaktives Zwischenprodukt. Dieses kann die widerstandsfähigen Silizium-Sauerstoff-Bindungen aufbrechen.
• Kohlendioxid: Der aus den Silikonketten entfernte Sauerstoff verlässt den Prozess als Bestandteil von CO₂. Dadurch steht er für unerwünschte Folgereaktionen nicht mehr zur Verfügung.

Giftiges Phosgen bleibt ein großes Hindernis

Phosgen ist allerdings hochgiftig. Deshalb verwendeten die Wissenschaftler den leichter handhabbaren Feststoff Triphosgen, aus dem sich während der Reaktion Phosgen bildet. In der chemischen Industrie kommt das Gas bereits bei der Herstellung wichtiger Ausgangsstoffe für Schaumstoffe und Dämmmaterialien zum Einsatz.

Für das Silikon-Recycling suchen die Berliner Chemiker dennoch nach weniger gefährlichen Alternativen. Parallel entwickeln sie Verfahren, um den zurückgewonnenen Grundstoff von möglichen Phosgenresten zu befreien. Beides ist für eine spätere industrielle Nutzung wichtig.

Herstellung von Silikon benötigt Temperaturen von 2000 Grad

Auch der Energiebedarf macht die Wiederverwertung interessant. Die herkömmliche Silikonherstellung beginnt mit der Gewinnung von elementarem Silizium aus Quarzsand. Dafür sind Temperaturen von rund 2000 Grad Celsius nötig. Anschließend verarbeitet die Industrie das Silizium in mehreren chemischen Schritten zu Dimethyldichlorsilan.

Die neue Methode könnte einen Teil dieser aufwendigen Herstellung ersetzen, indem sie den Grundstoff direkt aus gebrauchten Silikonen zurückgewinnt. Ob dadurch insgesamt Energie und Kosten eingespart werden, hängt allerdings von der späteren industriellen Umsetzung ab. Eine vollständige Umweltbilanz liegt bislang nicht vor.

Berliner Chemiker melden Recyclingverfahren zum Patent an

Die Wissenschaftler haben das Verfahren bereits zur Patentierung eingereicht. Hinter der Entwicklung stehen rund 15 Jahre Grundlagenforschung an Silyliumionen. Erst vor etwa fünf Jahren begann die Arbeitsgruppe um Oestreich, deren Einsatz beim Silikon-Recycling zu untersuchen.

„Unser Erfolg ist ein Beweis dafür, dass sich Grundlagenforschung irgendwann in ganz konkreten Anwendungen auszahlen kann, an die vorher niemand gedacht hat“, sagt Oestreich. Für die industrielle Nutzung müssen die Wissenschaftler nun insbesondere den Umgang mit Phosgen und die Reinigung des zurückgewonnenen Grundstoffs weiterentwickeln.

Kurz zusammengefasst:

• Durchbruch beim Silikon-Recycling: Forscher der TU Berlin können gebrauchte Silikone in einen wichtigen Ausgangsstoff für neues Silikon zerlegen – bei nur 80 Grad Celsius und mit bis zu 99 Prozent Ausbeute bei einzelnen Produkten.
• Aus alten Produkten kann neues Silikon entstehen: Das Verfahren könnte künftig ermöglichen, aus gebrauchten Backformen, Dichtungen oder medizinischen Schläuchen hochwertige neue Silikonprodukte herzustellen, statt die Abfälle zu verbrennen oder zu deponieren.
• Industrieller Einsatz noch nicht möglich: Das Verfahren benötigt bislang hochgiftiges Phosgen, weshalb die Wissenschaftler nach sichereren Alternativen suchen und die Anwendung im großen Maßstab noch aussteht.

Übrigens: Selbst alte Plastikflaschen könnten künftig beim Hausbau helfen. Forscher des MIT haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus Kunststoffabfällen stabile Bauteile für Häuser und sogar Brücken herstellen lassen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Erik Gazi/Unsplash