Neue chemische Methode wandelt gebrauchten Gummi in hochwertige Harze um

Gummi ist ein hochwertiges Material mit einem riesigen globalen Markt. Obwohl seine Verwendung Hunderte von Jahren zurückreicht, war es hauptsächlich auf Naturgummi von Bäumen beschränkt. Der moderne Prozess der Vulkanisation, der Gummi langlebig und vielseitig macht, wurde erst 1839 entwickelt. 

Der Chemiker Charles Goodyear erfand vulkanisierten Gummi, bei dem natürliches oder synthetisches Gummi durch Behandlung mit Schwefel, anderen Chemikalien und Hitze verbessert wird.

Einzigartige Eigenschaften wie Elastizität, Flexibilität, Zähigkeit, Zugfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, Undurchlässigkeit, Stoßdämpfung und Hitzebeständigkeit machen Gummi so wertvoll in der Automobilindustrie, im Bauwesen, in der Industrie, im Gesundheitswesen, bei Konsumgütern und in der Verpackung.

Allerdings ist Gummimüll ein großes Problem, das zur massiven Abfallkrise beiträgt und Herausforderungen für die Umwelt, die menschliche Gesundheit und die Wirtschaft darstellt. Das wachsende Abfallaufkommen ist ein Ergebnis von Urbanisierung, wirtschaftlicher Entwicklung und Bevölkerungswachstum.

Reifen sind dabei besonders der Hauptverursacher von Gummimüll. Die weltweite Gesamtproduktion von Altreifen macht 2 % des gesamten jährlichen Feststoffabfalls aus.

Das gravierende Gummimüll-Problem 

Weltweit werden jedes Jahr etwa eine Milliarde Reifen entsorgt, und Millionen landen auf Deponien. Allein im Vereinigten Königreich werden schätzungsweise 37 Millionen Auto- und Lkw-Reifen jährlich entsorgt. In den USA wurden 2021 mehr als 274 Millionen Reifen entsorgt, wobei etwa 20 % davon auf Entsorgungsflächen gelangten. 

Es geht jedoch nicht nur um Platzprobleme. Die Anhäufung dieser Abfallmaterialien führt zu Umweltgefahren. 

Gummiprodukte enthalten verschiedene Chemikalien, darunter Antioxidantien und Antioxidantien gegen Ozon, die in die Umwelt auslaugen und Gesundheitsrisiken darstellen können. Die unsachgemäße Entsorgung von Gummimüll, insbesondere Reifen, auf Deponien kann sogar zu Grundwasserkontamination durch Auslaugen schädlicher Substanzen und Schwermetalle führen. 

Da sie von Natur aus nicht biologisch abbaubar sind, verbleiben sie über lange Zeiträume in der Umwelt, tragen jahrhundertelang zur Verschmutzung und zum optischen Unrat bei. Zudem ist Gummi stark entflammbar, und Lagerbestände von Altreifen können ein erhebliches Brandrisiko darstellen und schädliche Schadstoffe in die Luft freisetzen. 

Eine im Jahr 2020 von der britischen Regierung finanzierte Forschungsstudie deutete darauf hin, dass Reifenpartikel eine bedeutende und zusätzliche Quelle von Mikroplastik sind und tatsächlich eine weitgehend undokumentierte Quelle von Mikroplastik in Gewässern darstellen könnten.

Die Studie war die erste, die dies identifizierte und zeigte, dass Reifenpartikel entweder direkt über die Atmosphäre in den Ozean transportiert werden können oder durch Regenwasser in Abwasserkanäle und Flüsse gelangen, wo sie den Wasseraufbereitungsprozess passieren können.

„Wissenschaftler vermuten seit langem, dass Reifenabrieb eine verborgene Gefahr für die Meeresumwelt darstellt“, sagte Professor Richard Thompson OBE, aber nur wenige Studien haben ihre Häufigkeit in aquatischen Umgebungen gemessen. Die Studie liefert „echte Einblicke in die Bedeutung von Reifenabrieb als Quelle von Mikroplastik“.

All diese Faktoren erfordern dringendes Handeln und einen Wandel hin zu nachhaltigen Abfallmanagementpraktiken.

Bedarf an effizienten Lösungen für das Gummimüll-Management

Gummimüll, insbesondere von Reifen, ist weltweit ein wachsendes Problem aufgrund steigender Produktion und begrenzter Lebensdauer, was einen Bedarf an effektiven Abfallmanagement- und Recyclinglösungen schafft. 

„Reifenpartikel gelten als eine der größten Quellen für Mikroplastikverschmutzung weltweit“, und wir benötigen „systemischere Lösungen, möglicherweise durch verbesserte Fahrzeugreifen‑Designs“, sagt Professor Richard Thompson OBE FRS, Direktor des Marine Institute.

Forschungen aus dem letzten Jahr, durchgeführt von der University of Plymouth und der Newcastle University und finanziert von UK National Highways, zeigen, dass Rückhaltebecken können helfen, zu bekämpfen Reifenverschmutzung. Die Studie stellte außerdem fest, dass Reifenabriebpartikel andere Formen von Mikroplastik überwiegen und in deutlich größeren Mengen entfernt wurden.

Jetzt wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von Rückhaltebecken und Feuchtgebieten die Menge der von Reifen freigesetzten Partikel, die ins Wasser gelangen, im Durchschnitt um 75 % reduziert und damit Flüsse und Ozeane schützt.

Daher empfahlen die Forscher, die Pflege von Feuchtgebieten und Rückhaltebecken zu einer Hauptpriorität zu machen, um den Fluss von Reifenpartikeln von Straßen zu Flüssen zu reduzieren.

„Rückhaltebecken und Feuchtgebiete werden im Rahmen von Autobahnprojekten hauptsächlich gebaut, um den Abfluss zu dämpfen und Überschwemmungen stromabwärts zu verhindern, aber auch um Schadstoffe zu entfernen. Diese bestehenden Entwässerungsmaßnahmen entlang Teilen des strategischen Straßennetzes des Vereinigten Königreichs haben das Potenzial, die Ausbreitung von Reifenverschmutzung zu stoppen.“

— Frau Florence Parker-Jurd, Associate Research Fellow

Um genaue Zahlen über die Gesamtmenge der in Ein- und Ausfluss sowie Sedimenten von Feuchtgebieten und Rückhaltebecken gesammelten Reifenabriebpartikel zu erhalten, nutzte die Studie die Pyrolyse‑Gaschromatographie‑Massenspektrometrie (Py‑GC‑MS)-Methode, die von Geoff Abbott von der Newcastle University entwickelt wurde. Die Methode wurde entwickelt, um Partikel, die von Reifen stammen, in der Umwelt zu identifizieren.

Eine weitere vielversprechende Lösung ist das Recycling, das die Umweltauswirkungen der Entsorgung von Gummimüll reduzieren und neue Produkte aus recycelten Materialien schaffen kann. 

Eine Anwendung von recyceltem Gummi ist das Bauwesen, wo er in Asphalt‑ und Betonmischungen, Pflastersteinen und Spielplatzoberflächen verwendet werden kann. Weitere Anwendungen umfassen das Befüllen von Kunstrasen, Sportflächen, Bodenfliesen und akustische Isolierung. Durch thermische Prozesse kann Gummimüll sogar in Kraftstoff oder andere Energiequellen umgewandelt werden.

Pyrolyse ist ein verbreitetes Verfahren, das Gummimüll in etwas Nützliches verwandelt. In diesem chemischen Prozess wird Gummi durch Hochtemperatur‑Zersetzung recycelt. Es trennt kovalente Bindungen in organischer Materie in Abwesenheit von Sauerstoff. 

Durch thermische Zersetzung von Gummimüll werden recycelte Kohlenstoff‑Nanopartikel (RCBN) und Öl/Gas erzeugt, die als alternativer Brennstoff in Zementöfen verwendet werden können.

Recycelter Gummimüll, der durch Pyrolyse aus Altreifen gewonnen wird, kann auch zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Beton verwendet werden. Leitfähiger Gummimüll wird in der Luft‑ und Raumfahrt, im Militär und in der Automobilindustrie eingesetzt.

Das Management von Gummimüll steht jedoch vor ernsthaften Herausforderungen. Zum einen macht das enorme Volumen an weltweit erzeugtem Gummimüll ein effizientes Management und Recycling äußerst schwierig.

Dann gibt es die Vielfalt der Gummiprodukte und deren komplexe chemische Zusammensetzung, die das Recycling und die Wiederverwendung erschweren. Selbst das weit verbreitete Verfahren (Pyrolyse) hat Nachteile – es erzeugt schädliche Nebenprodukte wie Dioxine und Benzol, die Gesundheits- und Umweltrisiken darstellen.

Zudem fehlt es an Infrastruktur und Technologie für eine effektive Sammlung, Sortierung und das Recycling von Gummimüll. Traditionelle Abfallmanagementmethoden konzentrieren sich auf das Sammeln, Verbrennen und die Entsorgung von Gummimüll auf Deponien.

Vor diesem Hintergrund ist es unerlässlich, effiziente Abfallmanagementtechniken zu entwickeln, um das wachsende Problem des Gummimülls wirksam anzugehen.

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Ein neuer chemischer Prozess zur Wiederverwertung von Gummimüll

Eine neue Studie, finanziert vom US-Energieministerium (DOE) und in Nature veröffentlicht¹, hat eine neue Technik zur Bewältigung von Gummimüll eingeführt.

Aufgrund des Mangels an Strategien für das chemische Recycling von handelsüblichen Dienenpolymeren, wie sie in Reifen vorkommen, wurde eine neuartige chemische Methode entwickelt, um Gummimüll abzubauen.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy, Assistenzprofessor in der Chemieabteilung der UNC‑Chapel Hill, wendete C‑H‑Aminierung zusammen mit einer Strategie zur Umlagerung des Polymer‑Rückgrats an, um den entsorgten Gummi in Vorläufer für Epoxidharze zu verwandeln.

Diese Zerstörung von Materialien bietet eine innovative, praktische und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Recyclingmethoden. Sie zielt zudem darauf ab, die Herausforderungen traditioneller Ansätze beim Abbau von Gummi zu überwinden.

Gummi besteht aus Polymeren, die zu einem dreidimensionalen Netzwerk vernetzt sind. Diese umfangreiche Vernetzung im Polymergerüst macht Gummi zu einem harten, flexiblen und langlebigen Material, macht es jedoch gleichzeitig widerstandsfähig gegen Abbau.

Es gibt zwei Hauptverfahren zum Abbau von Gummi: De‑Vulkanisation, ein Prozess, der Schwefel‑Kreuzverbindungen aufbricht, aber die mechanischen Eigenschaften des Polymers erodiert, und die Spaltung der Polymer‑Rückgrate mittels katalytischer oder oxidativer Methoden, die tendenziell zu Nebenprodukten von geringem Wert führen.

Keine der Methoden bietet eine effiziente und skalierbare Lösung zur Wiederverwertung von Gummimüll. Um diese Hindernisse zu überwinden, entwickelte die Forschung „eine Methode, die Gummi in funktionelle Materialien zerlegt, die selbst als Mischung Wert besitzen“, sagte der leitende Autor Dr. Zhukhovitskiy.

Dafür entwickelten die Forscher ein Schwefel‑Diimid‑Reagenz, ein Imin von Schwefeldioxid, das bis zu 35 % allylische Aminierung von Dienenpolymeren und Gummi ermöglicht. Anschließend wurde die kationische 2‑aza‑Cope‑Umlagerung angewendet, um Polymere zu dekonstruieren.

Die Einführung des Schwefel‑Diimid‑Reagenz ermöglicht die Platzierung von Amin‑Gruppen an bestimmten Stellen in den Polymerketten und bereitet den Weg für die anschließende Rückgrat‑Umlagerung. Die chemische Reaktion ist das, was das Polymer‑Rückgrat umstrukturiert. Diese Umorganisation beinhaltet die Zerstörung von Gummi zu löslichen, amin‑funktionalisierten Materialien. Dieser zweistufige Prozess funktioniert laut den Forschern hervorragend.

Als er an einem Modellpolymer getestet wurde, konnten die Forscher es erheblich abbauen. Das Molekulargewicht des Polymers wurde von 58.100 g/mol auf etwa 400 g/mol reduziert.

Als sie ihre Methode auf gebrauchten Gummi anwendeten, konnten sie ihn innerhalb von sechs Stunden vollständig abbauen. Der aminierte, nach dem Verbrauch behandelte Gummi verwandelte sich in ein lösliches Material mit Amin‑Gruppen, das zur Herstellung von Materialien wie Epoxidharzen verwendet werden kann.

Epoxidharze sind für ihre hervorragenden Bindungseigenschaften bekannt. Sie werden in Klebstoffen, Beschichtungen, Dichtstoffen, elektrischer Isolierung und im Bauwesen für Reparaturen eingesetzt. Epoxidharze werden typischerweise aus erdölbasierten Chemikalien wie Bisphenol A und Härtern hergestellt.

Laut der Forschung weisen die mit den resultierenden löslichen, amin‑funktionalisierten Polymeren hergestellten Epoxid‑Thermosets eine ähnliche Festigkeit wie kommerzielle, aus Bisphenol A gewonnene Harze auf.

Laut Mitautor Maxim Ratushnyy, ehemaliger Postdoc an der UNC‑Chapel Hill:

„In Momenten wie diesem erkenne ich die Kraft der organischen Synthese. Es ist faszinierend zu sehen, wie leicht die entwickelte Sequenz einfacher, aber kraftvoller organischer Transformationen eine hartnäckige C‑C‑Bindung angreifen und Polybutadien‑ und Polyisopren‑basierte Gummis in potenziell wertvolle Epoxidharze umwandeln kann.“

Darüber hinaus ist das neuartige chemische Recycling von nach dem Verbrauch anfallenden Materialien im Vergleich zu herkömmlichen Recyclingmethoden, die oft teure Katalysatoren oder extreme Temperaturen erfordern, hoch effizient.

In dieser Studie erzielten die Forscher ihre Ergebnisse bei milden Temperaturen von 35‑50 °C (95‑122 °F) in wässrigen Medien, wodurch der Prozess kostengünstig und umweltfreundlich ist.

Die Umweltauswirkungen des Prozesses wurden mithilfe des Environmental Impact Factor (E‑Factor), „einer einfachen, aber leistungsstarken Kennzahl“, bewertet, die die tatsächliche Abfallmenge berechnet, indem sie den erzeugten Abfall im Verhältnis zum Produktertrag misst.

Neben dem Vergleich der Auswirkungen eines neuen Prozesses mit bestehenden erklärte Dr. Geoff Lewis, Forschungsspezialist am Center for Sustainable Systems der University of Michigan, dass der E‑Factor auch „Prozessschritte hervorhebt, die verbessert werden können, während wir daran arbeiten, diesen Prozess aus dem Labor in die Praxis zu überführen.“

Der komplette E‑Factor des Prozesses, der den Lösungsmittelverbrauch einschließt, war hoch. Sein einfacher E‑Factor, der Lösungsmittel ausschließt, war jedoch deutlich niedriger. Dies verdeutlicht die Bereiche des Prozesses, die für mehr Nachhaltigkeit optimiert werden können.

Daher untersucht das Team nun umweltfreundlichere Lösungsmittelsysteme und alternative Reaktionsbedingungen, um die Abfallerzeugung zu reduzieren.

Er bezeichnet es als „einen Paradigmenwechsel in der Herangehensweise an das Problem des Gummimülls“, erklärte die Mitautorin der Studie Sydney Towell, Doktorand an der UNC‑Chapel Hill, dass:

„Durch die Nutzung der Kraft der C‑H‑Aminierung und der Rückgrat‑Umlagerung bietet diese Methode einen neuen Weg, nach dem Verbrauch anfallenden Gummi in hochwertige Materialien zu verwandeln, die Abhängigkeit von Deponien zu reduzieren und Umweltschäden zu minimieren.“

Innovatives Unternehmen

Goodyear Tire & Rubber Co  

Gegründet 1898, ist Goodyear ein großer Reifenhersteller, der in nachhaltige Gummi‑Alternativen und Recyclinginitiativen investiert.

Im Januar 2022 stellte das Unternehmen einen Demonstrationsreifen aus nachhaltigem Material vor. Der Reifen enthält 13 ausgewählte Inhaltsstoffe über neun verschiedene Reifenkomponenten und bietet eine starke Gesamtleistung. 

Dazu gehört Ruß, der zur Verlängerung der Reifenlebensdauer verwendet wird und durch Verbrennen verschiedener Erdölprodukte hergestellt wird. Um jedoch die Kreislaufwirtschaft und CO₂‑Emissionen zu reduzieren, werden nun vier Drift‑Typen eingesetzt, die aus pflanzlichem Öl, Kohlendioxid, Methan und Pyrolyse‑Öl aus ausgedienten Reifen (TPO) gewonnen werden.

Sojaöl im nachhaltigen Reifen hilft, die Flexibilität des Gummigemischs bei wechselnden Temperaturen zu erhalten, während hochwertiges Silizium, hergestellt aus Reishülsen‑Abfall, die Haftung verbessert und den Kraftstoffverbrauch reduziert.

Polyester, das in Reifen verwendet wird, wird aus nach dem Verbrauch gesammelten Flaschen recycelt, während Kiefernharz, das biobasiert erneuerbar ist, traditionelle, erdölbasierte Harze ersetzt hat.

Zu diesem Zeitpunkt lag der Anteil nachhaltiger Materialien an Goodyears Reifen bei 70 %, der laut Bericht bis 2023 auf 90 % erhöht werden soll, wodurch das Ziel, den ersten Reifen vollständig aus nachhaltigen Materialien zu produzieren, näher rückt.

Das Unternehmen berichtete, dass der Demonstrationsreifen alle geltenden regulatorischen und internen Tests bestanden hat. Im Vergleich zu Reifen aus herkömmlichen Materialien zeigte der Demonstrationsreifen zudem einen geringeren Rollwiderstand, was zu besseren Kraftstoffeinsparungen und einem reduzierten CO₂‑Fußabdruck führt.

Vor einigen Monaten stellte das Unternehmen einen ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS)‑Reifen vor, der einen entscheidenden Schritt in seinem Ziel markiert, bis 2030 den ersten 100 % nachhaltigen Reifen der Branche einzuführen.

Im Zuge des Booms von Elektrofahrzeugen (EVs) und des Fokus auf Nachhaltigkeit sind diese EDS‑Reifen speziell für EVs konzipiert und bieten lange Laufleistung, geringeren Rollwiderstand, reduzierten Geräuschpegel sowie überlegene Nassbrems- und Handling‑Eigenschaften.

Was die Unternehmensfinanzen betrifft, hat Goodyear, mit einer Marktkapitalisierung von 2,5 Milliarden $, dessen Aktien derzeit bei 8,85 $ gehandelt werden, ein Rückgang von 2,33 % im Jahresverlauf, kündigte einen Nettogewinn von 76 Millionen $ bzw. 26 Cent pro Aktie, verglichen mit einem Nettoverlust von 291 Millionen $ im Vorjahr, und 114 Millionen $ bereinigten Nettogewinn bzw. 39 Cent pro Aktie für das vierte Quartal 2024.

In diesem Zeitraum betrug der Umsatz des Unternehmens 4,9 Milliarden $, bei einer Reifenstückzahl von insgesamt 43,6 Millionen. Für das Gesamtjahr lag der Umsatz bei 18,9 Milliarden $, bei einer Reifenstückzahl von insgesamt 166,6 Millionen.

Im Jahr 2024 meldete Goodyear einen Nettogewinn von 70 Millionen $ bzw. 24 Cent pro Aktie, verglichen mit einem Nettoverlust von 689 Millionen $ im Vorjahr, und einen bereinigten Nettogewinn von 302 Millionen $ bzw. 1,05 $ pro Aktie.

Die Cashflows aus operativen Tätigkeiten betrugen in diesem Zeitraum 698 Millionen $, gegenüber 1,032 Milliarden $ im Vorjahr. Im letzten Monat schloss das Unternehmen erfolgreich den Verkauf seines Off‑Road‑Reifengeschäfts an The Yokohama Rubber Company ab, während der Verkauf der Marke Dunlop an Sumitomo Rubber Industries voraussichtlich bis Mitte des Jahres abgeschlossen sein wird.

Im Hinblick auf sein erstes Jahr bei Goodyear äußerte CEO Mark Stewart Zufriedenheit über die im Jahr 2024 erzielten Fortschritte, in denen das Unternehmen die Erwartungen übertraf, das Ergebnis steigerte und Vereinbarungen zum Verkauf nicht‑Kerngeschäfts getroffen hat.

„Für die Zukunft bleiben wir verpflichtet, unsere erweiterten Goodyear‑Forward‑Ziele zu erreichen, einschließlich einer weiteren Margenerweiterung und einer bedeutenden Schuldenreduktion.“ 

– CEO Stewart

Für 2025 erwartet das Unternehmen „signifikante Entschuldung“, Margenerweiterung und Optimierung seines Portfolios, um den Shareholder‑Value zu steigern. Goodyear soll bis Jahresende Bruttoerlöse von über 2 Milliarden $ und ein Netto‑Leverage‑Verhältnis von 2,0‑ bis 2,5‑fach erreichen.

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Fazit

Gummimüll, hauptsächlich von Reifen, stellt eine große Herausforderung dar, die unsere dringende Aufmerksamkeit und effiziente Lösungen erfordert. Bestehende Verfahren wie die Pyrolyse, obwohl weit verbreitet, erzeugen gefährliche Nebenprodukte. Gleichzeitig kämpfen traditionelle Recyclingmethoden mit Effizienz und Skalierbarkeit.

Da Gummimüll ein wachsendes und kritisches Problem darstellt, erforschen Wissenschaftler neue Ansätze, wie Rückhaltebecken zur Mikroplastikfiltration und chemische Prozesse, die C‑H‑Aminierung und Rückgrat‑Umlagerung für die Gummidekonstruierung einsetzen, und bieten vielversprechende und umweltfreundlichere Lösungen.

Mit fortgesetzter Forschung und industrieller Einführung können diese Fortschritte dazu beitragen, Gummipollution zu minimieren, Deponieabfälle zu reduzieren und Gummimüll in wertvolle Materialien zu verwandeln!