Als je een plastic saladebakje weggooit, associeer je dat waarschijnlijk niet direct met kogelvrije vesten of sterke lichtgewicht kabels. En toch is dat de inzet van kunstvezelproducent Teijin Aramid en de Groningse hogeschool Hanze: de transformatie van PET-afvalbakjes in de supersterke aramidevezel Twaron®. Binnen het project InReP, an Integrated approach towards Recycling of Plastics, werkten ze samen om uit laagwaardig PET-afval hoogwaardige aramide-vezels te maken.  

PET is goedkoop en wordt in grote volumes gebruikt. Voor ‘schoon’ PET-afval, zoals apart ingezamelde PET-flessen, bestaat al sinds jaar en dag een recycling-keten. Er worden nieuwe flessen van gemaakt, maar ook fleece-kleding en bouwmaterialen. Maar voor verontreinigde afvalstromen waarin bijvoorbeeld nog metalen, organische stoffen zoals voedingsresten en/of andere plastics zitten, is mechanische recycling geen optie. Deze vragen om chemische recycling en dat is (te) duur. Maar door in te zetten op een hoogwaardig eindproduct, kan een business case dichterbij komen.  

Ammonolyse 

Normaal gesproken wordt het sterke aramide-polymeer Twaron® gemaakt uit paraxyleen, aniline en tereftaalzuur. En tereftaalzuur is nou net één van de bouwblokken van PET. Met enige creativiteit kunnen PET-monomeren worden omgezet in een grondstof voor Twaron®.  

Kijkend naar de molecuulstructuur van Twaron® en PET is er één groot verschil: Twaron® bevat stikstof.  ‘Om dit stikstofatoom in het molecuul te brengen, laten we PET reageren met ammonia’, zegt André Heeres, lector Biobased Chemistry & Refinery aan de Hanze. De ammonolyse wordt gevolgd door een tweestaps Hoffman-reactie met chloor en natronloog als reactanten en dat levert het monomeer p-fenyleendiamine (PPD). Dat deze methode zo geschikt is voor de depolymerisatie van gemengde PET-stromen komt doordat de ammonolyse alleen werkt bij polymeren die door middel van polycondensatie zijn gemaakt, legt Heeres uit. ‘Andere polymeren zoals polyetheen blijven tijdens de reactie inert en vallen niet uiteen in monomeren. De vaste reststoffen, plastics en metalen deeltjes kunnen worden afgezeefd of gefiltreerd. Het gevormde PPD kristalliseert in kleine kristallen uit en kan in zeer hoge zuiverheid worden teruggewonnen.’ 

‘Andere polymeren zoals polyetheen vallen tijdens de reactie niet uiteen in monomeren’

André Heeres, hogeschool Hanze

Het andere Twaron®-monomeer, tereftaloyl-dichloride (TDC) wordt verkregen door eerst PET in water met natronloog te hydrolyseren tot tereftaalzuur. Vervolgens reageert dat met thionylchloride tot TDC. Ook hier zijn metalen en plastic restdeeltjes door filtratie gemakkelijk te verwijderen. Tot slot kunnen beide monomeren, PPD en TDC, samen polymeriseren tot Twaron®.  

Kleinste spinmachine 

In het proces kan een gemengde PET-afvalstroom worden verwerkt, maar voorbehandeling is gewenst, aldus Bert Gebben, onderzoeksleider bij Teijin Aramid. ‘Als je aan de voorkant van het proces goed sorteert, en bijvoorbeeld organische stoffen kunt verwijderen, is de zuivering aan het einde van het proces gemakkelijker. Bij afvalbedrijven is daar de afgelopen jaren veel vooruitgang geboekt.’  

Het lukte Gebben en Heeres tijdens het InReP-project om het proces op laboratoriumschaal te laten werken. ‘Het doel was om grondstoffen te maken, die “on spec” zijn voor Teijin Aramid; dat zijn hele strikte specificaties’, benadrukt Heeres. Daar zijn ze volgens Gebben in geslaagd: ‘Voor het spinnen van Twaron® hebben we onze kleinste spinmachine gebruikt in het laboratorium. We hebben 1500 meter aan Twaron®draad gemaakt, dat dezelfde mechanische eigenschappen heeft als de aramidevezels die direct uit fossiele grondstoffen zijn geproduceerd.’ 

’De geproduceerde grondstoffen kunnen dienen als drop-in chemicaliën’

Bert Gebben, Teijin Aramid 

Voor de eerste batches gebruikten de onderzoekers ‘virgin’-PET, maar het proces bleek ook goed te werken met vervuilde PET-stromen. In het InReP-project zijn reguliere PET-afvalbakjes met daarin onder andere PE en vetresten, als sterk vervuilde grondstof gebruikt. ‘De geproduceerde grondstoffen kunnen dienen als drop-in chemicaliën’, vervolgt Gebben. Met andere woorden, de grondstoffen uit gerecycled plastic waren qua eigenschappen identiek aan de grondstoffen uit een fossiele bron. En om dit aan te tonen, gebruikten de onderzoekers een met dit proces geproduceerde Twaron®draad om als showcase een meubelstuk te maken, een zogenaamde tensegrity table.   

Serieus alternatief 

Hoewel dit nieuwe proces duurder is dan de huidige industriële productie van het aramide, ziet Gebben zeker aanknopingspunten voor een economisch haalbare opschaling. ‘We hebben een procesdesign gemaakt voor een grotere schaal. Als we uitgaan van een grondstofprijs van 0 – de gemengde PET-afvalstroom heeft geen waarde – en een hogere olieprijs, dan kan dit een serieus alternatief zijn. Bovendien kan de reststroom, waarin onder andere polyetheen zit, worden gebruikt als grondstof voor het proces van een bedrijf als BioBTX, dat er aromaten van kan maken.’ 

Voor Teijin Aramid en de Hanze was dit project hét voorbeeld van een succesvolle samenwerking. De laboratoria en kennis van de Hanze en Teijin Aramid vullen elkaar aan. ‘Dit project diende vooral ter inspiratie. We hebben kunnen laten zien dat Twaron® uit afvalplastics geproduceerd kan worden.’ Een volgende stap zou een opschaling van het proces tot 100 kg kunnen zijn, zegt Heeres: ‘Daarvoor zou een pilotplant nodig zijn. Dan kunnen we ook beter onderzoeken of dit een efficiënte manier is om PPD te maken. PPD is ook een interessante grondstof voor veel andere producten, zoals haarverf en het is een intermediaire tussenstof voor onder andere polyurethanen, antioxidanten en harders voor rubber.’