Die Qualität von Chemiefasern wurde in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert, und neue Methoden zu ihrer Verarbeitung wurden entwickelt, wie z. B. die Herstellung von Mikrofasern. Polyesterfasern finden heute vielseitige Verwendung, oft in Mischung mit anderen Fasern. Da sie wenig Wasser aufnehmen und schnell trocknen, werden sie häufig in Sportbekleidung verwendet, z. B. in Sportunterwäsche oder zur Herstellung hochwertiger Funktionsjacken (Bild 1).
Zunehmend werden hochspezialisierte Kleidungsstücke aus Chemiefasern hergestellt. Aber nicht nur im textilen Bereich, sondern auch auf allen anderen Gebieten verdrängen synthetische Werkstoffe die traditionellen wie Metalle, Holz und Glas in zunehmendem Maße.
Grundlagen
Der Polyester Polyethylenterephthalat
(PET) ist ein glasklarer thermoplastischer Kunststoff mit einer Schmelztemperatur
von 265 °C. Er wurde in den Jahren 1939 bis 1946 von Whinfield
und Dickson in England entwickelt. Hauptverwendungszweck ist die Erzeugung
von Fasern, wofür weltweit rund 32 Mio. t produziert werden. Textilien
auf der Basis dieses Polyesters sind knitterfrei, scheuerfest, form- und
chemikalienbeständig sowie lichtecht. Daneben werden weltweit knapp
1 Mio. t für die Herstellung von Folien und Filmen produziert und
seit einigen Jahren in zunehmendem Maße auch Getränkeflaschen.
Diese sind zwar weniger kratzfest als Glasflaschen und gegenüber
Chemikalien anfälliger, sodass sie schneller verschleißen,
haben aber ein wesentlich geringeres Gewicht, wodurch der Energieaufwand
für Transport und Verteilung günstiger ist. Zur Beseitigung
der Kratzer werden allerdings zurzeit in der Praxis bei großen Getränkeherstellern
Poliermaschinen erfolgreich erprobt.
Vorteilhaft aufgrund ihres geringen Gewichtes sind auch Flaschen aus den
konkurrierenden Kunststoffen Polyvinylchlorid (PVC) oder Polycarbonat.
Bis heute konnte noch nicht geklärt werden, welcher Werkstoff für
Getränkeflaschen am besten geeignet ist. PET als Verpackungsmaterial
zeichnet sich gegenüber seinen Konkurrenzprodukten wie Polycarbonaten
oder Polyvinylchlorid (PVC) durch die außergewöhnliche Kombination
folgender Eigenschaften aus:
- hohe chemische und mechanische Beständigkeit (bruchfest)
- geringes spezifisches Gewicht
- transparent (durchsichtig), geschmacksneutral
- gibt keine gesundheitlich bedenklichen Stoffe in die eingefüllten
Getränke ab
- hygienisch einwandfrei
- umweltfreundlich zu produzieren (1 l Rohöl reicht aus für
12 PET-Flaschen)
- ökologisch unbedenklich zu deponieren
- sinnvoll zu recyceln
Synthese
Die traditionelle Polykondensation
des Polyethylenterephthalats aus dem Dimethylester der Therephthalsäure
und Ethandiol läuft in zwei Schritten ab (Bild 3).
Im ersten Schritt findet bei 150 °C unter Verwendung von Calcium-,
Magnesium- oder Zinkacetat als Katalysator eine Umesterung statt, d. h.
die Methanolatgruppe wird durch eine Ethandiolatgruppe ersetzt. Das entstehende
Methanol wird abdestilliert. Daran schließt sich im zweiten Schritt
bei bis zu 280 °C und sehr niedrigem Druck (< 1 mbar) die
eigentliche Polykondensation an. Das freiwerdende Ethandiol wird hier
ebenfalls abdestilliert.
Wegen der vergleichsweise niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit der traditionellen
Kondensation wird Polyethylenterephthalat großtechnisch zunehmend
durch Schmelzkondensation
von sehr reiner Terephthalsäure
mit Ethandiol (1,2-Dihydroxyethan)
in einer Stickstoffatmosphäre unter erhöhtem Druck (2,7-5,5
bar) dargestellt (Bild 4). Das entstehende Wasser wird bei einer Temperatur
zwischen 220 und 260 °C aus dem Reaktionsgemisch abdestilliert, wodurch
die Ausbeute nach dem Prinzip von LE CHATELIER auf die Seite des Polyesters
verschoben wird. Aus der bei diesen Temperaturen vorliegenden Schmelze des Polyesters werden nach dem Schmelzspinn-Verfahren dann die PET-Fasern gewonnen. Mit einem Anteil von etwa 75 % sind Polyesterfasern die mit Abstand wichtigsten Synthesefasern. Die Weltproduktion an Polyesterfasern von 32 Mio. t (2009) ist weitaus höher als die produzierte Baumwollmenge mit 24 Mio. t.
Recycling
Voraussetzung für das Recycling
ist in jedem Fall das Vorliegen von sortenreinen Abfällen, was bei
gebrauchten Getränkemehrwegflaschen ohnehin und bei Einwegflaschen
über das seit Januar 2003 auch in Deutschland eingeführte Pfandsystem
relativ leicht zu bewerkstelligen ist. Es sind prinzipiell zwei Wege des
Recyclings denkbar:
- Umschmelzen des Thermoplasten PET zu neuen Gebrauchsgegenständen
- Chemischer Abbau des Polyesters durch Spaltung der Esterbindung und Verwendung der gereinigten Komponenten zur Synthese von neuem PET
Da beim ersten Weg Verunreinigungen des Altmaterials unvermeidbar sind,
kann man so nur Textilfasern oder Bauteile für einfache technische
Produkte gewinnen, allerdings spart man ca. 65 % des Energieaufwands im
Vergleich zur Neuproduktion (Bild 5).
Über den zweiten Weg erhält man einen Polyester, der dem Neumaterial
absolut entspricht, sodass das Material unbegrenzt einsetzbar ist.
Die Esterspaltung ist prinzipiell folgendermaßen möglich:
- Alkalische Hydrolyse (Bild 6): Hierbei wird der Polyester durch starke Basen gespalten und anschließend die reine Terephthalsäure durch Ansäuern gewonnen. Ethandiol wird durch Destillation abgetrennt.
- Methanolyse (Bild 7): Diese stellt eine Umkehrung der oben beschriebenen traditionellen Synthesereaktion dar, indem man bei höherem Druck Methanol auf den Polyester einwirken lässt und so in der Esterbindung das Ethandiol durch Methanol ersetzt. Auch bei Normaldruck ist diese Umesterung möglich, verläuft aber langsamer.
- Katalytische Esterspaltung (Bild 8): Alternativ kann man den Polyester auch mit Ethandiol in Gegenwart von Zinkacetat als Katalysator erhitzen, wobei ebenfalls die Esterbindung gespalten wird und das Monomer Bishydroxyethylterephthalat entsteht.
In allen drei Fällen gelangt man zu einem völlig geschlossenen
Stoffkreislauf.