Bio-Kunststoffe und Rezyklate – Chancen und Hemmnisse Nachhaltige Kunststoffe im Spritzguss-Praxistest

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RKT Rodinger Kunststoff- Technik GmbH

Wilhelm Büchner Hochschule - Träger: Hochschule für Berufstätige Darmstadt GmbH

Wittmann Battenfeld GmbH

Der Umstieg auf biobasierte Kunststoffe und Rezyklate stellt Spritzgießer vor verarbeitungstechnische Aufgaben. Eine Testreihe der Rodinger Kunststoff-Technik zeigt, wie sich veränderte Viskositäten, Molekülketten und Schmelztemperaturen auf Werkzeug und Prozess auswirken.

Die Relevanz nachhaltiger Werkstoffe wächst. Für Spritzgussverarbeiter bedeutet die Substitution fossiler Neuware jedoch oft ein verändertes Prozessverhalten in der Maschine. Die Rodinger Kunststoff-Technik GmbH (RKT) hat in systematischen Testreihen die Verarbeitungseigenschaften von biobasierten Kunststoffen sowie physikalischen und chemischen Rezyklaten untersucht. RKT zeigt in diesem Beitrag auf, welche nachhaltigen Kunststoffmaterialien es gibt – von Bio-Kunststoffen bis zu Rezyklaten – und welche Chancen und Hemmnisse bei ihrer Verwendung bestehen.

„Nachhaltige Kunststoffe“ sind ein sehr breites Themenfeld. Es gibt verschiedene Kategorien von Werkstoffen, die darunter gefasst werden, wie z. B. die große Gruppe der recycelbaren fossilen (erdölbasiert) Kunststoffe. Unterschieden wird dabei, ob sie physikalisch (Mahlgut oder Regranulat) oder chemisch recycelt werden, da dies Auswirkungen auf die späteren Eigenschaften des recycelten Produkts hat. Ebenfalls fossilen Ursprungs, aber dennoch als nachhaltig bewertet werden Kunststoffe, die mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt werden. 

Die umweltverträglichste Kategorie aller nachhaltigen Kunststoffe sind die Bio-Kunststoffe, die (überwiegend) aus nachwachsenden Rohstoffen neu produziert werden. Diese werden diese erneut in Gruppen unterteilt (siehe Grafik). Pflanzenbasierte Kunststoffe werden aus Stärke bzw. Zellulose von Pflanzen wie Mais oder Zuckerrohr gewonnen. Ebenfalls biologisch abbaubar und aus nachwachsenden Rohstoffen sind Bio-Kunststoffe, die durch Zersetzungen von Mikroorganismen entstehen, wie z. B. Polymilchsäure (PLA) oder bestimmte Polyfettsäuren (PHA). 

Abweichende Eigenschaften von Bio-Kunststoffen

RKT hat im Rahmen einer Testreihe einige Biopolymere getestet und bewertet. Darunter fielen die biologisch abbaubaren Kunststoffe PHB, PLA oder Mischungen daraus.

Die Eigenschaften von biologisch abbaubaren Kunststoffen weichen größtenteils von fossil-basierten Kunststoffen ab, insbesondere in mechanischer Hinsicht, wenn es um Festigkeit und Stabilität geht. Beide genannten Kunststoffgruppen sind nicht annähernd so fest wie übliche Kunststoffe, sondern wesentlich dehnbarer bzw. elastischer. Sie sind daher für Anwendungen wie Einmalprodukte (Besteck, Teller, etc.) oder kurzlebige Produkte wie Verpackungen gut geeignet. Einfache Gehäuse sind von der Festigkeit her ebenfalls möglich. 

Abweichend sind darüber hinaus die thermischen Eigenschaften der Bio-Varianten, die deutlich geringere Schmelztemperaturen haben und sich daher nicht für Anwendungen eignen, in denen Wärmestabilität gefragt ist. Polymilchsäure beginnt bereits bei ca. 55°- 65° Celsius weicher zu werden. Ferner decken petrochemische Kunststoffe eine deutlich größere Bandbreite ab und auch bei Anforderungen wie Transparenz und Leitfähigkeit haben diese die Nase vorn.

Es ist möglich, die genannten Bio-Kunststoffe untereinander zu mischen, um leicht veränderte Eigenschaften zu erzielen. Grundsätzlich sind sie sich in ihrer Charakteristik recht ähnlich. Denkbar sind auch Beimischungen, wie sie bei fossilen Kunststoffen eingesetzt werden, um so die Bio-Kunststoffe härter und stabiler zu gestalten, z. B. mit Glasfasern, Carbonfasern oder Glaskugeln. Dies beeinflusst jedoch die Fließeigenschaften, sodass geprüft werden muss, wie gut sich dadurch die Biokunststoffe weiterhin verarbeiten lassen.

Besonders umweltverträglich sind diese beiden Bio-Kunststoff-Gruppen durch ihre biologische Abbaubarkeit, die jedoch an bestimmte Bedingungen geknüpft ist. Diese Kunststoffprodukte auf den heimischen Komposthaufen zu geben und auf schnelle Zersetzung zu hoffen, ist zu kurz gedacht. Der Abbau wäre trotz der pflanzlichen Basis sehr langsam. Ideale Bedingungen für den Abbau dieser Kunststoffe herrschen in industriellen Kompostieranlagen vor, wo Wärme und Mikroorganismen den Zersetzungsprozess deutlich beschleunigen. 

Bio-Kunststoffe, die nicht biologisch abbaubar sind

Ein recht überschaubarer Zweig im Bio-Kunststoff-Bereich sind Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Rizinusöl, die nicht biologisch abbaubar sind. Aus Rizinusöl lässt sich ein Polyamid herstellen, das fast über die identischen mechanischen Eigenschaften wie petrochemisches Polyamid verfügt. 

RKT hat ein Polyamid, das aus nachwachsendem Rizinusöl gewonnen wird, im Rahmen einer Testreihe bemustert (Einkaufschips). Diese Kunststoffvariante ist jedoch heute deutlich teurer, da es aufwendig ist, diese Öle zu gewinnen, zu raffinieren und aufzubereiten.

Nachhaltige Kunststoffe aus Recycling

Von nachhaltigen Kunststoffen spricht man in erster Linie bei recycelten fossilen Kunststoffen, die einer Wiederverwertung zugeführt werden. Hier wird wiederum zwischen physikalischem und chemischem Recycling unterschieden. Für den physikalischen Recyclingprozess müssen die Kunststoffe zunächst sortenrein sortiert werden (PET-Flaschen beispielsweise), um im Anschluss eingemahlen, ggf. erneut aufgeschmolzen und regranuliert zu werden. 

Je öfter Kunststoffe gemahlen und wieder aufgeschmolzen werden, desto mehr bauen sie sich ab, da die Kettenlängen der Molekülketten mit jedem Vorgang kürzer werden. So büßen die Rezyklate nach und nach an ihren mechanischen Eigenschaften ein. Möglich ist hier, Neumaterial hinzuzumischen, um die Eigenschaften zu erhalten. Bei bestimmten Produkten, wie Gehäusen oder Radkästen bei Fahrzeugen, bei denen viel Material benötigt wird und es weniger auf hohe mechanische Stabilität ankommt, sind recycelte Kunststoffe, wie Polypropylen-Rezyklat, eine gute Alternative.

Chemisch recycelte fossile Kunststoffe behalten weitestgehend ihre mechanischen Eigenschaften. Kunststoffabfälle – auch gemischte Kunststoffsorten sowie verunreinigte Abfälle – werden über chemische Prozesse in ihre Ausgangsstoffe, die Monomere, zerlegt. Mögliche Verfahren sind hier z. B. Depolymerisation oder Pyrolyse. Dadurch entstehen wieder fossile Ausgangsstoffe, die annähernd die hohe Qualität von Neumaterial aufweisen und so auch für kritischere Artikel, wie z. B. in der Medizintechnik oder der Lebensmittelindustrie, geeignet sind.

Damit bietet chemisches Recycling großes Potenzial, auch solche Kunststoffe wiederzuverwerten, die für das physikalische Recycling nicht infrage kommen. Kritikpunkte am chemischen Recycling waren stets der hohe Energieaufwand für die chemischen Prozesse, zu viele giftige Nebenprodukte sowie ein mangelnder Output an Neumaterial. In den vergangenen Jahren wurden jedoch die Prozesse so optimiert, dass der Energieaufwand deutlich gesunken ist und nicht wesentlich über dem für physikalisches Recycling (Regranulat) liegt, sodass deutlich größere Mengen an aufbereitetem Kunststoffmaterial entstehen. So wird das Recyclingverfahren auch wirtschaftlich interessanter und kann als Ergänzung zum gängigen physikalischen Recycling angesehen werden.

Einfluss von recycelten Kunststoffen auf Werkzeuge und Prozesse

Während der Einfluss auf die Werkzeugformen gering ist und sich nicht von fossilen Kunststoffen unterscheidet, muss der Spritzgussprozess an recycelte Kunststoffe angepasst werden. Am besten für einen stabilen Prozess ist es, wenn die aus dem physikalischen Recycling eingemahlenen Kunststoffe regranuliert werden. Es ist zwar möglich, auch das Mahlgut in der Spritzgussmaschine zu verwenden, jedoch variiert hier die Korngröße – sehr fein bis grob. Dies führt unweigerlich zu Schwankungen im Prozess, was gerade bei Medizinprodukten gänzlich unerwünscht ist, da diese einen absolut stabilen Prozess erfordern.

Wenn das recycelte Material nach dem Regranulieren wieder in Granulatform vorliegt, ist ein stabilerer Prozess möglich. Zu beachten ist auch, dass sich das Fließverhalten der geschmolzenen Regranulate aufgrund der kürzeren Molekülketten leicht ändert; das Material wird etwas leichtfließender. Somit ändern sich Fließfähigkeit und Einspritzdrücke.

Bei chemisch recycelten Kunststoffen gibt es kaum Auswirkungen auf Werkzeuge und Prozesse, da Kunststoffabfälle komplett in ihre Einzelteile zerlegt und wieder aufbereitet werden, sodass sie weitgehend Neumaterial entsprechen. 

Einfluss von biobasierten Kunststoffen auf Werkzeuge und Prozesse

Die oben genannten Bio-Kunststoffe aus nachwachsenden Ressourcen, wie Zellulose, Fettsäuren oder Polymilchsäure, ermöglichen grundsätzlich einen stabilen Spritzgussprozess. Die Parameter werden jedoch gegenüber fossil-basierten Kunststoffen differieren: Die Schmelztemperaturen sind niedriger – PLA schmilzt beispielsweise bereits bei ca. 150 ° Celsius und die Schmelze wird zähflüssiger sein. Dies wirkt sich u. a. auf die Anbindung bei der Befüllung des Kunststoffteils aus. Hier müsste evtl. die Querschnittsfläche der Anbindungen zum Kunststoffartikel aufgrund der Zähflüssigkeit vergrößert werden.

Dies ist jedoch keine Besonderheit eines Bio-Kunststoffs. Grundsätzlich wird bei jedem Kunststoffgranulat laut Werkstoffdatenblatt geprüft, wie die Form- und Prozessauslegung erfolgen muss, wie z. B. die Bewertung der notwendigen Entformungsschrägen oder die Berechnung der Schwindung.  

Fazit und Ausblick

Die Nachhaltigkeitsentwicklung im Kunststoffsektor schreitet voran – RKT gestaltet diesen Wandel für die Kunden aktiv mit. Während der Kreislaufgedanke durch die Wiederverwertung von Kunststoffen und die Optimierung von Recyclingprozessen forciert wird, etablieren sich auch Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen als zukunftsweisende Alternative für spezifische Anwendungen.

Unternehmen, die ihre Ökobilanz verbessern wollen, stehen oft vor der Frage: Rezyklat oder Biokunststoff? Die Antwort hängt von der individuellen Anwendung ab. RKT analysiert das spezifische Anforderungsprofil und empfiehlt die passende Materiallösung. So konnte das Unternehmen beispielsweise für ein technisch anspruchsvolles Gehäuseteil durch den gezielten Einsatz eines bio-basierten Polyamids (PA) die CO₂-Bilanz des Bauteils signifikant senken, ohne Kompromisse bei der mechanischen Stabilität einzugehen. Gleichzeitig verfügt RKT über umfassende Erfahrung in der Verarbeitung von hochwertigen Regranulaten, die sich ideal für Bauteile eignen, bei denen der Kreislaufgedanke im Vordergrund steht.

Der Einsatz von Biokunststoffen sowie qualitätsgesicherten Regranulaten ist aufgrund der komplexeren Herstellungs- und Aufbereitungsprozesse oft mit höheren initialen Kosten verbunden als bei etablierten Kunststoffen auf fossiler Basis. Dies ist jedoch eine Investition in die Zukunft, die sich langfristig auszahlt – nicht nur für die Umwelt, sondern auch für Unternehmen, die sich als innovative Vorreiter am Markt positionieren.