Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFEinfluss von Rezyklatqualitäten und Formulierung auf die Werkstoffeigenschaften
PET-Sekundärmaterialien aus unterschiedlichen post-consumer Quellen
Im Vorhaben »UpcyclePETPlus« hat das Fraunhofer LBF zusammen mit der EASICOMP GmbH die Grundlagen geschaffen, um auch aus post-consumer-Rezyklaten jenseits des bekannten Flaschenkreislauf auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) langglasfaserverstärkte Thermoplasten herstellen zu können. Die wesentlichen Herausforderungen dabei waren die Identifikation geeigneter und die Beherrschung der im Vergleich zu Neuware oder Flaschen-PET stärker fluktuierenden Stoffströme hinsichtlich Materialzusammensetzung, Alterungszustand und Darreichungsform.
Herausforderung: Neue Rohstoffquellen für langglasfaserverstärkte Thermoplasten
Vor einigen Jahren haben die Projektpartner EASICOMP und Fraunhofer LBF im Vorgängerprojekt »UpcyclePET« bereits einen neuen LFT-Werkstoff auf Basis gebrauchter PET-Getränkeflaschen entwickelt. Dieser wies mechanische Eigenschaften auf, die denen von Neuware-Kunststoffen wie kurzglasfaserverstärkter Polyester oder Polyamide (PA-SGF), ähneln. Ein daraus hergestelltes Demonstrator-Bauteil zeichnete sich darüber hinaus durch eine geringe Schwindung und besonders hohe Maßhaltigkeit aus. Im Vergleich zu PA66-SGF25 weist das rPET-LGF25 zudem einen deutlich verbesserten CO2-Fußabdruck auf.[1] Ermutigt durch diese Ergebnisse war es das Ziel des nun abgeschlossenen Projektes »UpcyclePETPlus«, Sekundär-Rohstoffquellen zu erschließen, für die heute noch keine hochwertige Wiederverwertung möglich ist.
Als neue post-consumer-Rohstoffquellen für die LFT-Werkstoffe sollten vor allem die PET-Schalenfraktion aus dem Gelben Sack und Ströme aus Gewerbe- und gewerbemüllähnlichen Abfallströme erschlossen werden. Die in »UpcyclePETPlus« untersuchten Ströme sind deutlich heterogener als die PET-Ströme aus dem Flaschenkreislauf. Dies betrifft die Vielfalt möglicher Zusammensetzungen (z. B. Fremdpolymere, Nicht-Kunststoffanteile, Additive, Klebstoffe, etc.) und Alterungszustände sowie deren Schwankungsbreite (z. B. Charge-zu-Charge).
Analyse der Stoffströme und frühzeitige Bewertung neuer Stoffströme
Um für den jeweiligen Stoffstrom die passende Additivierungsstrategie zu identifizieren, ist zunächst eine möglichst genaue Kenntnis über die Zusammensetzung des Eingangs-Stoffstroms erforderlich. Beispielhaft sind im Folgenden ausgewählte und im Projekt angewandte Methoden beschrieben. Als kritische Verunreinigungen wurden zunächst Nicht-Kunststoffanteile wie Aluminiumreste und Titandioxid identifiziert, da sie sowohl die Imprägnierung der Langfaser, das Verarbeitungsverhalten als auch die resultierenden mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen würden. Polymere Verunreinigungen wie Polyvinylchlorid, dessen Zersetzungsprodukt Chlorwasserstoff den hydrolytischen Abbau des PET während der Verarbeitung induziert, und Polyolefine (hauptsächlich LDPE und LLDPE), die mit PET unverträglich sind, wurden ebenfalls mit Methoden wie Elementaranalyse, DSC und Hochtemperatur 1H-NMR-Spektroskopie ermittelt. Darüber hinaus konnten Aussagen zu Comonomeren in den PET-Stoffströmen quantifiziert werden, die zusammen mit einer – im Vergleich zu Flaschen-PET geringeren Molmassenverteilung – Einfluss auf das Kristallisationsverhalten haben. Neben der Imprägniergüte der Glasfaser durch die Polymerschmelze ist besonders eine möglich schnelle Kristallisation während des Spritzgussprozesses wichtig. Beide Eigenschaften werden ganz entscheidend durch Änderungen in der Zusammensetzung des jeweils eingesetzten Stoffstroms beeinflusst.
Optimierung und Anpassung der Rezeptur durch stoffstromangepasste Additivierung
Zur besseren Beurteilung der Wechselwirkung von Eingangs-Stoffströmen aus den fluktuierenden Quellen, der gewählten Additivierung und den resultierenden Werkstoffeigenschaften wurden Modell-Compounds erstellt. Diese unterschieden sich in Art und Menge des eingesetzten PET, des Anteils an Flaschen- bzw. Neuware-PET. Sie wurden gezielt mit unterschiedlichen, aber bekannten Fremdpolymeren wie LDPE, LLDPE oder PP gemischt und mit Blick auf die neue Zielanwendung entsprechend additiviert. So konnten für unterschiedliche Stoffströme wertvolle Rückschlüsse auf Art und Gehalt geeigneter Additive (wie Kompatibilisatoren, Schlagzähmodifikatoren, Prozess- und Wärmestabilisatoren, Nukleierungsmittel) abgeleitet und die Rezeptur optimiert werden.
Letztlich konnten LFT auf Basis unterschiedlicher Sekundär-Stoffströme entwickelt werden, die sich durch vergleichbare Eigenschaften auszeichnen wie das im Vorgänger-Projekt entwickelte LFT auf Basis von Flaschen-PET. Im Vergleich zu LFT auf Basis von Flaschen-PET, die nach einer orientierenden Ökolbilanzierung des Öko-Instituts mit 5,1 CO2-Äquivalenten/kg einhergehen, konnte außerdem der CO2-Fußabdruck mit 3,8 – 4,4 CO2-Äquivalenten/kg nochmals deutlich reduziert werden.
[1] F. Schönberger, S. Khare, T. Harmia, Sustainable Components from PET Flakes, Kunststoffe international 7/2021, 57 – 60.
»Trotz der schwierigen Rahmenbedingungen durch etwa eine weltweite Pandemiesituation war die Zusammenarbeit sehr gut. Die Bemühungen unter den Einschränkungen gute und praktikable Lösungen im Sinne des Projektzieles zu finden waren durchaus erfolgreich.«
Dr. Tapio Harmia, Geschäftsführer EASICOMP GmbH
Förderer und Partner
KMU-innovativ: Ressourceneffizienz und Klimaschutz
Förderkennzeichen: 033RK081C
Projektpartner: EASICOMP GmbH