Effect van vaste-stoffenpolymerisatie op de ontwikkeling van vezelstructuur bij smeltspinnen van mechanisch gerecycled PET

Flessenafval omzetten in sterke nieuwe vezels

Plastic drinkflessen zijn overal en de meeste zijn gemaakt van PET, een veelzijdig maar hardnekkig materiaal dat niet in de natuur afbreekt. Veel van dit plastic belandt op stortplaatsen of in het milieu. Deze studie onderzoekt of oude PET-flessen, na eenvoudige mechanische recycling, kunnen worden opgewaardeerd tot sterke, betrouwbare industriële vezels — zoals die voor veiligheidsgordels, geotextielen en industriële weefsels — zodat de fles van gisteren veilig de zware draad van morgen kan worden.

Waarom gerecycled PET doorgaans tekortschiet

Bij mechanische recycling van PET-flessen worden ze ingezameld, gereinigd, tot vlokken vermalen en opnieuw gesmolten tot pellets. Dit proces is goedkoper en eenvoudiger dan chemische recycling, maar de hitte en vochtigheid beschadigen in stilte de lange PET-ketens, waardoor ze in kortere stukken worden geknipt. Die schade verlaagt een belangrijke maatstaf, de intrinsieke viscositeit, die wetenschappers gebruiken als indicatie voor molecuulgewicht en uiteindelijk voor sterkte. Daardoor is gewoon mechanisch gerecycled PET (mr-PET) meestal geschikt voor minder waardevolle toepassingen, maar heeft het moeite om te voldoen aan de hoge eisen aan sterkte en duurzaamheid die voor industriële vezels nodig zijn.

Polymeerketens herstellen met milde warmte

Om die verkorte ketens te herstellen gebruikten de onderzoekers een proces genaamd vaste-stoffenpolymerisatie (SSP). In plaats van het plastic te smelten, verhitten ze PET-pellets tot temperaturen boven hun glasovergangspunt maar onder hun smeltpunt, en hielden ze die temperatuur enkele uren aan in een roterende vacuümreactor. Onder deze omstandigheden kunnen de uiteinden van de polymeerketens langzaam weer aan elkaar verbinden, waardoor de ketenlengte toeneemt zonder de ernstige afbraak die bij volledig smeltverwerking kan optreden. Het team testte een reeks temperaturen (220, 230 en 240 °C) en tijden (6, 12 en 18 uur) voor zowel virgin PET (v-PET) als mr-PET. Vervolgens maten ze hoe gemakkelijk het materiaal stroomt bij smelten, hoe viskeus de oplossingen waren en hoe het molecuulgewicht veranderde, om bij te houden hoe goed de ketens werden herbouwd.

De juiste balans vinden voor recycling

De analyses toonden aan dat zowel de ketenlengte als de kristalliniteit — hoe ordelijk de polymeerstructuur wordt — toenamen bij hogere SSP-temperaturen en langere tijden. Echter, langere en warmere behandelingen betekenden ook meer energieverbruik en tragere productie. De onderzoekers identificeerden 230 °C gedurende 6 uur als een praktisch compromis: onder deze voorwaarde bereikte mr-PET een intrinsieke viscositeit van ongeveer 1,1 dL/g, het niveau dat vaak wordt nagestreefd voor hoogsterkte industriële vezels, terwijl de procestijd redelijk bleef. Bij deze instelling kwam het gemiddelde molecuulgewicht van het gerecyclede PET grotendeels overeen met dat van virgin PET dat op dezelfde manier was behandeld, ook al bevatte het gerecyclede materiaal nog sporen van onzuiverheden uit zijn vorige leven als fles.

Snel spinnen om structuur op te bouwen

Vervolgens smolten de onderzoekers zowel de behandelde als onbehandelde PET-pellets en extrudeerden ze door kleine gaatjes om filamenten te vormen, die met hoge snelheid werden weggetrokken — een methode die smeltspinnen wordt genoemd. Door de opvangsnelheid te variëren van 1000 tot 4000 meter per minuut konden ze regelen hoeveel de gesmolten draden werden uitgerekt tijdens het afkoelen. Met thermische analyse en röntgendiffractie vonden ze dat hogere spinsnelheden de PET-ketens aanmoedigden om uit te lijnen en langs de vezel-as te kristalliseren, wat op zijn beurt het smeltpunt en de interne ordening van de vezels verhoogde. Interessant genoeg begonnen vezels gemaakt van SSP-behandeld PET bij lagere snelheden duidelijke kristallijne structuren te tonen dan onbehandeld PET, wat betekent dat de gerepareerde, langere ketens eerder geneigd waren zich te organiseren tot sterke, geordende gebieden tijdens het spinnen.

Sterkte die kan wedijveren met nieuw plastic

Mechanische tests van de resulterende filamenten bevestigden wat de structurele metingen suggereerden. Naarmate de spinsnelheid toenam, werden alle vezels sterker (hogere tenaciteit) maar rekte ze minder uit voordat ze braken, een kenmerk van meer georiënteerd, kristallijn materiaal. Na SSP vertoonden zowel virgin als gerecycled PET over het algemeen betere prestaties. Opmerkelijk was dat mr-PET dat SSP onderging bij 230 °C gedurende 6 uur en vervolgens werd gesmeltspun bij 3000 m/min, een tenaciteit had die feitelijk gelijk was aan die van vergelijkbaar verwerkte virgin PET-vezels, ongeveer 4,4 gram per denier. Met andere woorden: ondanks zijn geschiedenis van gebruik, inzameling en herverwerking kon het gerecyclede materiaal zodanig worden ge-engineerd dat het de sterkte van "nieuw" PET in industriële garens evenaarde.

Wat dit betekent voor alledaagse producten

Voor niet‑specialisten is de conclusie eenvoudig: met zorgvuldig afgestemde warmtebehandeling en spincondities kunnen plastic flessen worden omgezet in hoogpresterende vezels die geschikt zijn voor veeleisende industriële toepassingen, niet alleen voor laagwaardige producten. Door SSP te gebruiken om polymeerketens te herbouwen en de spinsnelheid te optimaliseren om ze uit te lijnen, laat deze studie zien dat mechanisch gerecycled PET zijn gebruikelijke zwaktes kan overwinnen en de concurrentie met virgin materiaal aankan. Dat opent de deur naar een circulairder gebruik van PET, waarbij zware technische textielproducten — denk aan autocomponenten, constructiestoffen en zware touwen — gemaakt kunnen worden van dezelfde flessen die we ooit in de prullenbak of de recyclingbak gooiden.

Bronvermelding: Kim, H., Bae, J.H., Hahm, WG. et al. Effect of solid-state polymerization on fiber structure development in melt spinning of mechanical recycled PET. Sci Rep 16, 6752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36850-2

Trefwoorden: gerecyclede PET-vezels, vaste-stoffenpolymerisatie, smeltspinnen, recycling van plastic flessen, industriële polyestergaren