Binnen het Elast2Sustain project onderzoekt het Sustainable Materials Lab (SusMat, Departement Chemische IngenieursTechnieken, campus Kulak Kortrijk) van KU Leuven, gerichte chemische depolymerisatie om thermoplastische elastomeren op basis van condensatiepolymeren, zoals bv. polyesters, polyamides, en polyurethanen, terug om te zetten naar monomeren waar opnieuw virgin polymeren van gemaakt kunnen worden.
Daarbij worden ook combinaties met andere polymeren bekeken, zoals polyolefines, PVC en cellulosevezels (bv. katoen), waarbij de depolymerisatiecondities zo worden geoptimaliseerd dat de andere polymeren niet aangetast worden en zo nog steeds fysisch of chemisch gerecycleerd kunnen worden met andere technieken in een verdere stap.
Optimalisatie van alle reacties werden uitgevoerd op laboschaal. Opschaling van de reacties zal later in het project bekeken worden met de installatie van een opschalingsreactor binnen SusMat op het einde van 2026.
Gerichte chemische depolymerisatie van polyesters, polyamides en polyurethanen
Polyesters
Voor de start van het Elast2Sustain project had SusMat reeds een methode ontwikkeld om polyesters op een efficiënte manier volledig te depolymeriseren tot monomeren op 120˚C in minder dan 1 minuut gebruik makende van kaliumhydroxide in methanol (
patentaanvraag PCT/EP2022/068334). Deze methode was ook toepasbaar op mengsels van polyesters met polycarbonaten waarbij beiden volledige afgebroken werden tot monomeren. Binnen Elast2Sustain werd deze methode verder geoptimaliseerd voor combinaties met andere polymeren (cellulosevezels, PVC, polyolefins) om ervoor te zorgen dat de andere polymeren niet werden aangetast of degradeerden. Na optimalisatie kon het polyester volledig van mengsel verwijderd worden binnen 1 minuut op een temperatuur < 90˚C waarbij polyolefines en katoen geen degradatie vertoonden. PVC moest de temperatuur verlaagd worden, met een iets hogere behandelingstijd, beiden afhankelijk van de manier waarop het PVC-polyester composiet samengesteld was.
Polyamides
Voor de behandeling van polyamides werden binnen SusMat 2 complementaire technieken ontwikkeld, elk met hun eigen voor- en nadelen. Enerzijds werd dezelfde behandelingsmethode als voor polyesters toegepast (kaliumhydroxide in methanol) wat wat een langere behandelingstijd (1 à 1,5 uur) vergt dan polyesters om volledige conversie naar monomeren te bekomen. Het voordeel van deze methode is wel dat in mengsels met polyesters, de polyesterfractie eerst kan gedepolymeriseerd worden met minimale degradatie van - en monomeercontaminatie door – polyamides waarna polyamide omgezet wordt. Daarnaast laat het ook toe om de polyamidefractie van block-co-polymeren, waarbij polyamides chemisch gelinkt zijn aan andere polymeren, selectief te verwijderen.
Een tweede methode werd daarnaast ontwikkeld waarbij polyamides eerst selectief worden opgelost in een waterig solvent (fysische scheiding) zonder depolymerisatie (ALCHYD+ genoemd), waarna ze ofwel kunnen worden neergeslagen en als polymeer gerecupereerd worden, ofwel in een half uur kunnen worden gedepolymeriseerd tot monomeren zonder van solvent te moeten wisselen. Dit laatste process hebben we WALCHYD+ genoemd en patentbescherming hiervoor werd aangevraagd (PCT/EP2025/068533).
Polyurethanen
Ook voor polyurethanen (en polyureas) werd succesvol een tweeledige methodiek ontwikkeld voor hun selectieve verwijdering en omzetting naar monomeren en chemicaliën voor hergebruik in de chemische industrie: Thermoplastische polyurethanen worden eerst opgelost in een solvent (fysische scheiding), waarna ze ofwel kunnen gerecupereerd worden als polymeer zonder degradatie, ofwel omgezet worden in basischemicaliën en monomeren na toevoeging van een depolymerisatiereagens. Volledige depolymerisatie kan bereikt worden binnen 10 minuten op 120˚C. Ook voor deze methodologie (ElasHyd genaaamd) werd bescherming aangevraagd (PCT/EP2025/068533).
Combinatie van depolymerisatietechnieken
Aangezien combinaties van verschillende polymeren meer en meer voorkomen om eindproducten beter af te toetsen op het eindgebruik, zullen polymeercombinaties die niet eenvoudig te scheiden zijn van elkaar ook meer en meer hun opwachting maken in het te verwerken afval. Denk hierbij bijvoorbeeld aan polycotton (combinatie van katoen en polyester voor non-iron kledij, katoen-polyurethaan voor stretch jeans, of polyamide-polyurethaan voor stretch sportkledij). Het is daarom belangrijk om een sequentiële methode te ontwikkelen die de verschillende fracties selectief en zonder degradatie van de overblijvende fracties kan uitvoeren, en daarnaast adaptief is zodat onnodige stappen niet uitgevoerd moeten worden. Als er zich geen polyamide in de afvalstroom bevindt, heeft het ook geen zin om het afval hiervoor te behandelen…
Gebaseerd op de ontwikkelde technieken binnen SusMat hebben we daarom een behandelingsdiagram ontwikkeld (Figuur 4) dat de verschillende stappen combineert op zo’n manier dat elke fractie afzonderlijk wordt verwijderd zonder contaminatie van andere fracties, en anderzijds onder conditie die overblijvende fracties niet degraderen. Voor de scheiding van de verschillende stromen en monomeren werden ook protocollen ontwikkeld binnen SusMat.
Figuur 4: Combinatie van de verschillende chemische depolymerisatietechnieken in een behandelingsdiagram voor een gemengde afvalstroom. Elk deel is omkaderd met een gekleurde stippellijn en kan verwijderd worden indien niet van toepassing. Scheidingstechnieken voor het scheiden van de verschillende stromen en monomeren werden ook ontwikkeld binnen Elast2Sustain. *andere polymeren die bestudeerd zijn zijn polyolefines, PVC en katoen (cellulose) en condities zijn ontwikkeld zodat zij niet degraderen tijdens verwijdering van de andere fracties, en via andere methodes kunnen gerecycleerd worden.
Vooruitzicht
Bovenstaande methodes zijn ontwikkeld op laboschaal (tot ~ 100 mL). Om een doorgedreven techno-economische analyse mogelijk te maken, zijn opschalingsstudies nodig. Hiervoor wordt tegen het einde van dit jaar (2026) bij SusMat een opschalingsreactor met scheidingstrein geïnstalleerd om de bekomen producten te kunnen scheiden. Opschalingsproeven van de verschillende methodieken zullen uitgevoerd worden om industrie-relevante data te vergaren.
Daarnaast zal het onderzoek uitgebreid worden naar meerdere industriële stalen om het effect van additieven, contaminaties, en andere morfologiën en composities verder in kaart te brengen.
Thumbnail werd gecreëerd met behulp van AI.
