Kunststoffe in Kreisläufe bringen

Angetrieben von umwelt- und gesellschaftspolitischen Entwicklungen wird dem Thema Recycling von Kunststoffen eine hohe Aufmerksamkeit zuteil. Die Problematik: Die großenteils linearen Wertschöpfungsketten – insbesondere bei kurzlebigen Produkten aus Kunststoffen, wie Verpackungen – stellen an ihrem Ende nicht sicher, dass der Kunststoff stetig einer angemessenen Wiederverwendung zugeführt wird. Infolgedessen werden beträchtliche Mengen an Kunststoffabfällen (lediglich) einer energetischen Verwertung zugeführt bzw. nach Südostasien exportiert. 

Lösungen für die Wiederverwendung

Zur Rückführung von Kunststoffen in einen Kreislauf unterscheidet man das werkstoffliche Recycling und das chemische Recycling. Das werkstoffliche Recycling ist ein mehrstufiger Prozess (Sortierung, Zerkleinerung, Reinigung, Trocknung, Regranulierung), bei dem die polymere Struktur des Kunststoffs gar nicht bzw. nur geringfügig beeinflusst wird. Das chemische Recycling zerlegt hingegen die polymere Struktur in monomere Grundbausteine. Diese werden anschließend durch einen Synthesevorgang wieder zu einem Polymer aufgebaut. In aller Regel kommt das chemische Recycling in Betracht, wenn das werkstoffliche Recycling nicht möglich ist. Erscheint auch das chemische Recycling nicht sinnvoll, bleibt die energetische Verwertung, die unter diesen Umständen die sinnvollste Variante darstellt.

Technologische Innovationen für das Erreichen politischer Zielsetzungen

Das Ziel der EU und des noch jungen bundesdeutschen Verpackungsgesetzes ist es, den Recyclinganteil von Kunststoffen drastisch zu erhöhen. Dazu ist einerseits ein enormer Zuwachs an Recyclingkapazitäten notwendig. Darüber hinaus werden aber für das Erreichen der Ziele auch technologische Innovationen unabdingbar sein:

- im Bereich des Designs von Verpackungen,
- bei der Werkstoffauswahl,
- bei der Nutzung neuer nachwachsender Ressourcen,
- bei der Vermeidung von Werkstoffverbunden bzw.
- bei der Entwicklung lösbarer Werkstoffverbunde,
- bei der Weiterentwicklung der Sortiertechnik,
- bei der Aufbereitungstechnik usw.

Fragestellungen dieser Art widmet sich das IKV schon seit den 1980er Jahren. In den Jahrzehnten haben sich die Forschungsschwerpunkte im Bereich des Kunststoffrecyclings vermehrt und weiterentwickelt, häufig in direkter Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie.

Das IKV kann Unternehmen in vielen Fragestellungen zum Thema Kunststoffkreislauf und Recycling unterstützen. Dies umfasst beispielsweise Studien, Schulungen und Beratungen, aber auch konkrete Versuche und Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit und Erprobung neuer Werkstoffe und Compounds.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich Kreislaufwirtschaft und Recycling

Projektziel ist die wirtschaftliche Nutzung von Polystyrol-Abfällen als Rohstoff für hochwertige neue Kunststoffprodukte im Rahmen eines rohstofflichen Recyclings. Hierzu wird ein neues mehrstufiges Verfahren entwickelt: Zunächst muss aus dem zu verarbeitenden Abfall ein sortenreines Konzentrat hergestellt werden, das dann dem eigentlichen Verwertungsprozess zugeführt werden kann. Dies schließt neben einer Reinigung und Sortierung auch einen eventuellen Zerkleinerungsprozess ein, damit das Material überhaupt in den Extruder gefördert werden kann. Im zweiten Schritt werden die zerkleinerten Polystyrol-Abfälle in einem Doppelschneckenextruder oder einem anderen geeigneten Reaktor einer thermischen Aufspaltung in Monomere und Oligomere unterzogen. Monomere, Oligomere und weitere flüchtige Spaltprodukte werden kondensiert. Mittels fraktionierender Destillation sollen die Styrolmonomere aus dem Kondensat abgetrennt werden. Sie können anschließend direkt im Produktionsprozess eingesetzt und zu neuem Polystyrol verarbeitet werden. Im dritten Schritt sollen die Oligomere und die anderen Spaltprodukte in einem Steamcracker weiter aufgespalten werden, so dass auch aus diesem Material noch weitere Ausgangsstoffe für Kunststoffe gewonnen werden können, wie etwa Ethen, Propen oder Benzol.

Celluloseacetat (CA) ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen produzierter, schäumfähiger Biokunststoff mit guten mechanischen Eigenschaften, der zudem nicht toxisch sowie antiallergen ist. Durch die Verwendung von Baumwoll-Linters oder Holzspäne als Rohstoffquelle steht die Produktion von CA dabei nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.

Für den Einsatz in Dämmanwendungen oder Verkleidungselemente mit integral geschäumten Kern weist CA als biobasiertes Leichtbaumaterial hohes Potenzial auf, jedoch ist in technischen Anwendungen ein hervorragender Flammschutz des Materials unbedingt erforderlich.

Die Zielsetzung des Projekts ist die Bereitstellung eines hochwirksamen Flammschutzsystems für den nachhaltigen Biokunststoff Celluloseacetat zum Einsatz in ressourcenschonenden Schaumwaren. Zur Erhaltung der Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit werden nur halogenfreie, nicht toxische Flammschutzmittel in die Entwicklung einbezogen.

Der Klimaschutz durch Carbon Capture and Utilization (CCU) setzt auf die CO2-Nutzung, Energieeinsparung und Low Carbon Footprint Chemie, die das Potenzial hat, etablierte Massenprodukte durch CO2-haltige Verbindungen zu ersetzen. Polyetherpolyole (PETs) sind ein solches Massenzwischenprodukt (globale Produktion: 6.600.000 Tonnen pro Jahr; Schlüsselkomponente für Polyurethane (PUR)). Erste CO2-haltige PETs stehen kurz vor dem Markteintritt. Vernetzbare CO2-PETs haben das Potenzial, das Produktportfolio erheblich zu erweitern. Das Climate-KIC-Innovationsprojekt "Dream Products" hat erfolgreich erste entscheidende Schritte zur Herstellung von vernetzbaren PETs im 50 kg-Maßstab unternommen. Um diese Verbindungen zu echten "Drop-in-Lösungen" zu machen, muss noch eine Matrix von Materialeigenschaften und Spezifikationen bestehender Produkte erfüllt werden. Fünf Produktgruppen stehen im Fokus: Kautschuk, Verbundwerkstoffe, Fasern, anorganische Katalysatoren und spezielle Polyurethane, die z.B. als Material für Schuhe verwendet werden. Die häufig verfeinerte Bewertung von technischen Möglichkeiten, Lebenszyklen, wirtschaftlichen Potenzialen und unternehmerischen Potenzialen erleichtert die Entscheidungsfindung bei der Umsetzung von Ergebnissen und Markteinführungen. Der Schwerpunkt des IKV liegt auf der Untersuchung der Verarbeitbarkeit dieser Kautschuke in Innenmischern, Extrudern und Spritzgießmaschinen.

PET-Einwegflaschen konnten sich dank der PECVD-Barriereausrüstung auch für bestimmte Bereiche sensibler Getränke durchsetzen. Für PET-Mehrwegflaschen ist dies allerdings noch nicht der Fall, was in einigen noch nicht gelösten technischen Herausforderungen begründet liegt. Die für PET-Einwegflaschen entwickelten und gebräuchlichen Barrierebeschichtungen aus Siliziumoxid (SiOx-Schichten) können dem Reinigungsvorgang mit Natronlauge (NaOH) im Mehrweg-Prozess nicht standhalten und werden ganz oder teilweise abgetragen. Prinzipiell bestünde ein Lösungsansatz hierfür darin, die gereinigten Flaschen erneut zu beschichten, allerdings wird auch das PET durch NaOH angegriffen und die Oberfläche deutlich aufgeraut, so dass darauf abgeschiedene Schichten keine geschlossene Oberfläche mehr bilden können und die erreichbare Barriere nach mehreren Waschvorgängen marginal bleibt.

Im Vergleich mit PET-Einwegflaschen und auch Glas-Mehrwegflaschen schneiden PET-Mehrwegflaschen in der Ökobilanz deutlich besser ab. Die Umstellung vom Einsatz von PET-Einwegflaschen und Glas-Mehrwegflaschen für sensible Getränke auf PET-Mehrweg würde zu einer deutlichen Reduktion der klimaschädlichen CO2-Emission in der Ökobilanz dieser Branche führen. Das Einsammeln und Waschen der PET-Mehrwegflaschen benötigt weniger Energie als die Neu-Herstellung und Entsorgung, bzw. der Rezyklingprozess von PET-Einwegflaschen. Das geringe Gewicht im Verhältnis zu Glasflaschen führt zu weniger Energieverbrauch beim Transport. Das geringe Gewicht bietet dem Verbraucher zudem gemeinsam mit der geringen Bruchempfindlichkeit von Kunststoffflaschen ein vereinfachtes Handling der Flaschen im Verhältnis zum Glas.

Ein Ziel dieses Projektes ist es somit, diese Vorteile der PET-Mehrwegflaschen durch den Einsatz der Expertise aus dem SFB-TR 87 auch für den Bereich sensibler Getränke nutzbar zu machen. 

PLA ist ein biobasierter Kunststoff, der größtenteils aus Maisstärke gewonnen wird. Aktuell reichen die mechanischen Eigenschaften nicht aus, um technische Bauteile herzustellen. Außerdem ist reines PLA nicht ausreichend flammgeschützt, sodass ein Einsatz in elektrischen Bauteilen, wie z. B. Schaltergehäuse nicht infrage kommt. Ziel dieses Projektes ist es, das Material zum einen mit Flammschutz auszurüsten und zum anderen durch die gezielte Nutzung von Nukleierungsmitteln, die Kristallisation so zu steuern, dass die mechanischen Eigenschaften verbessert werden können. Somit soll ein nachhaltiger Rohstoff für industrielle Anwendungen „fit gemacht“ werden.

Im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ forscht das IKV gemeinsam mit anderen RWTH Instituten an der Entwicklung selbstoptimierenden Produktionsprozesse. Für den Spritzgießprozess heißt das, dass die Maschine autonom auf äußere Störgrößen reagieren kann und trotzdem qualitativ hochwertige Bauteile herstellen kann. Da recycelter Kunststoff durch den vorausgegangenen Verarbeitungsprozess, die Nutzungsphase sowie die geringere Reinheit stärkere Schwankungen in den Materialeigenschaften aufweist, stellt dieser Kunststoff eine Störgröße für den Verarbeitungsprozess dar und es können oft kein oder nur ein geringer Anteil an Recyclingmaterial für hochwertige Kunststoffprodukte eingesetzt werden. Die höhere Prozessrobustheit des selbstoptimierenden Spritzgießprozesses ermöglicht die Verarbeitung von größeren Anteilen an recycliertem Mahlgut oder Regranulat und trägt somit zur Kreislaufwirtschaft bei.