Kreislaufwirtschaft Dachbahnen aus Rezyklaten nachhaltig gestalten

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Ist es möglich, aus bisher ungenutzten Abfallströmen Kunststoffrezyklate zu gewinnen, um hochwertige Fasern und Folien herzustellen? Mit dieser Frage befassen sich Forschende des Fraunhofer CCPE. Im Projekt Zirk-Tex entwickeln sie ergänzend innovative Recyclingmethoden, um nachhaltige Dachbahnen und Geokunststoffe herzustellen. 

Der Markt für recycelte Kunststoffe, insbesondere Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET), hat noch viel Potenzial. Die Nachfrage nach nachhaltigen Lösungen wächst, doch die Qualität der verfügbaren Rezyklate muss steigen. Viele Recyclingprozesse scheitern an Störstoffen, die die Aufbereitung erschweren. In der Folge können Rezyklate bislang oftmals nicht mit Neuware konkurrieren. 

Dies wollen die sechs Institute des Cluster Fraunhofer CCPE gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME und für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB widerlegen und ändern. Im Projekt Zirk-Tex beantworten sie unter anderem die Frage, ob es möglich ist, aus bisher nicht verwendeten Kunststoffabfällen recycelte Kunststoffe für hochwertige Folien, Vliese und Fasern herzustellen, die sich zu Dachbahnen weiterverarbeiten lassen. 

Dachbahnen aus PP und PET wirtschaftlich herstellen 

„Es ist weniger problematisch, aus Kunststoffrezyklaten beispielsweise Spritzgussbauteile zu produzieren. Aber daraus textile Produkte wie Vliese für Dachbahnen zu fertigen, ist wesentlich schwieriger, da Fadenbildungsprozesse sehr hohe Anforderungen an die Rezyklate stellen“, erläutert Dr. Evgueni Tarkhanov, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP.

Der Grund: Das Ausgangsmaterial muss homogen und komplett frei von Verunreinigungen sein, um gleichmäßig durch feinste Kapillare extrudiert zu werden und nach der Extrusion teilweise sehr hohen Zugkräften standzuhalten. „Für die Produktion ist die Verarbeitungsstabilität das A und O“, so Tarkhanov weiter. 

Kleinste Schmutzpartikel oder geringfügige Anteile von Fremdpolymeren in extrudierten Filamenten stellen Fehlstellen der Spinnmasse dar und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Filamentabrissen im Herstellungsprozess. Das erneute Auflegen der Filamentbündel auf die Fadenleitorgane kostet Zeit und kann teilweise die Abschaltung der Produktionsmaschinen zur Folge haben, was mit immensen Kosten einhergeht.

Komplette Wertschöpfungskette neu denken

„Um die Dachbahnen aus Post-Consumer-Abfällen herzustellen, sind wir in der Lage, die gesamte Prozesskette für PP und PET im Pilotmaßstab abzubilden“, sagt Dr. Christian Schütz, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF. Das heißt, von der Betrachtung der Sortierung über innovative Recyclingmethoden bis hin zur Anwendung. Durch Recycling geeigneter Altkunststoffe entsteht ein Granulat bzw. Compound, das additiviert und dann per Formgebung durch Verspinnen zu Vliesen, Folien oder Membranen weiterverarbeitet wird.

Dabei hat das Forscherteam das Potenzial von zwei Recyclingverfahren bewertet: Die PET-Fraktion wurde einer Glykolyse, einem chemischen Recyclingverfahren mit anschließender Repolymerisation unterzogen, während sowohl PP- als auch PET-Fraktionen mittels eines lösungsmittelbasierten Recyclings zurückgewonnen wurden, bei dem eine Aufreinigung erfolgt. 

Die Rückstände beider Recyclingverfahren wurden durch Pyrolyse weiterverwertet (Fraunhofer UMSICHT). Begleitet wurden die praktischen Arbeiten durch ein Life Cycle Assessment (Fraunhofer UMSICHT) und eine Stoffstromanalyse verfügbarer Materialströme (Fraunhofer IML).

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Chemisches Recycling: Neue Wege für Kunststoffabfälle 

Innovative Recyclingverfahren für sortenreine Rezyklate

Mit dem lösungsmittelbasierten Recyclingverfahren des Fraunhofer IVV konnte das Forscherteam PP von unerwünschten Polymeren und Additiven trennen, wodurch ein nahezu sortenreines Material entstand. Der Abfallstrom enthielt 33 Prozent PP und 67 Prozent Fremdkunststoffe. Nach dem Prozess war Polyethylen (PE) mit einem Anteil von weniger als 2 Prozent das einzige signifikante unerwünschte Polymer. 

Die Stabilität des PP-Rezyklats (rPP) gewährleistete das Team auch bei hohen Temperaturen während der Verarbeitung. Das gewonnene Rezyklat wurde anschließend am Fraunhofer IAP zu einem Multifilamentgarn versponnen. „Durch die richtige Additivierungsstrategie ist es uns zudem gelungen, die Verarbeitungsstabilität sowohl von PP- als auch von PET-Rezyklaten deutlich zu verbessern“, so Schütz.

Für die Glykolyse von PET verwendeten die Forschenden PET-Schalen mit 13 Prozent unerwünschten Fremdstoffen. Die Glykolyse ist eine Form der Solvolyse, bei der Ethylenglykol zur Depolymerisation von PET zu Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat (BHET) verwendet wird. Das entstandene BHET wurde am Fraunhofer IAP zu rPET repolymerisiert und auf einer Pilot-Schmelzspinnanlage zu einem Multifilamentgarn mit 48 Filamenten verarbeitet. 

Eine reale Option

Darüber hinaus konnte die Forscherinnen und Forscher zeigen, dass sich dieselbe PET-Fraktion durch ein lösungsmittelbasiertes Recyclingverfahren recyceln lässt. „Sowohl aus PP als auch aus PET konnten wir Fasern für die Herstellung von Vliesstoffen gewinnen, PP zusätzlich auch für die Membranproduktion“, resümiert Tarkhanov.

In der Pyrolyse von Rückständen aus dem lösemittelbasierten Recyclingprozess der PP-Fraktionen wurden ein hoher Pyrolysegasanteil und geringer Koksanteil erhalten. Aus den Rückständen der Solvolyse von PET-Fraktionen konnte Pyrolyseölfraktionen mit hohen Ölanteilen sowie geringen Koksanteilen gewonnen werden. Die Produkte aus beiden Rohstoffströmen lassen sich vielversprechend weiterverwerten.

Zudem ergaben die begleitenden Arbeiten, dass geeignete und ausreichende Mengen an PP und PET vorhanden sind, aber die Logistik und Sortierung für den Zugriff darauf noch aufgebaut werden muss. „Wir konnten erfolgreich zeigen, dass auch bislang ungenutzte Stoffströme zur Herstellung hochqualitativer Werkstoffe auf Rezyklatbasis eine reale Option darstellen“ fasst Schütz zusammen.