gesponsertSCHWARZ UND SORTIERBAR? UNBEDINGT Wie fortschrittliche Sortiertechnologie die Kreislaufwirtschaft fördert

In der kunststoffverarbeitenden Industrie ist die Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungskette entscheidend, um den steigenden Anforderungen an Nachhaltigkeit, Qualität und Kreislauffähigkeit gerecht zu werden. Ein aktuelles Beispiel liefert eine Kooperation von drei Unternehmen zum Erfüllen der PPWR.

Mit Inkrafttreten der neuen EU-Verpackungsverordnung (Packaging and Packaging Waste Regulation, PPWR) zu Beginn dieses Jahres verfolgt die Europäische Union (EU) das Ziel, das Aufkommen von Verpackungsabfällen zu reduzieren und Verpackungen nachhaltiger, kreislauffähiger und ressourcenschonender zu gestalten. Die PPWR ist die erste europaweite Regulierung und wird alle individuellen Verpackungsverordnungen der EU-Länder ablösen.

Ein zentrales Element der PPWR ist der verpflichtende Einsatz von Post-Consumer-Rezyklat (PCR) in neuen Einwegverpackungen und die damit verbundene Recyclingfähigkeit. Zum Sicherstellen der Recyclingfähigkeit gehört insbesondere, dass Verpackungen so gestaltet sind, dass sie in bestehenden Sortier- und Recyclingströmen eindeutig identifizierbar und trennbar sind („Design for Recycling“).

Die PPWR sieht vor, dass Verpackungen, die als „nicht recyclingfähig“ eingestuft werden, ab 2030 nicht mehr in den Verkehr gebracht werden dürfen. Weiterhin ist mit finanziellen Nachteilen im Rahmen der erweiterten Herstellerverantwortung (Extended Producer Responsibility – EPR) bei eingeschränkt recyclingfähigen Verpackungen zu rechnen.

Von den Regelungen sind PPWR sind nicht nur Konsumgüterverpackungen wie Flaschen, Schalen oder Beutel, sondern auch Umreifungsbänder betroffen. Diese werden täglich zum Verschließen von Kartons und Boxen, zum Bündeln von Holz, Steinen oder Dachziegeln sowie zur Ladungssicherung von Paletten eingesetzt. Sie gelten im Rahmen der Verordnung als flexible Verpackung und werden zusammen mit Schrumpfhauben und Stretchwickelfolien den Transportverpackungen zugeordnet. Als größter Hersteller von Umreifungsbändern und Maschinen zur Sicherung von Transportgütern hat sich Mosca frühzeitig mit den neuen Anforderungen auseinandergesetzt.

Warum die PPWR für Umreifungsbänder herausfordernd ist

Umreifungsbänder werden in der Regel aus Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt. PET-Bänder besitzen eine extrem hohe Reißfestigkeit und können höheren Kräften widerstehen als PP-Bänder. Sie eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen wie das Sichern schwerer Küchenschränke oder gestapelter Produkte auf Paletten. Im Handel sind PET-Bänder üblicherweise grün.
Im Gegensatz dazu sind PP-Bänder meist in Weiß oder Schwarz erhältlich. Diese Bänder sind ebenfalls vielseitig einsetzbar und bieten eine gute Flexibilität. Beispielsweise wird in der Holzverarbeitung oft ein schwarzes PP-Band verwendet, da es sich optisch gut von der Holzoberfläche abhebt und somit eine klare Sichtbarkeit bietet. Aber auch für Versandverpackungen ist schwarz eine beliebte Bandfarbe.

So werden Umreifungsbänder reißfest

Zum Herstellen von Umreifungsbändern wird ein Extrusionsprozess genutzt, gefolgt von diversen Stufen der Verstrekung und Temperung. Der daraus resultierende hohe Grad an Verstrekung führt zu der starken Molekülorientierung, die die Reißfestigkeit der Bänder sicherstellt.
Um die steigende Nachfrage nach Lösungen, die den Forderungen der PPWR nachkommen, versuchte Mosca ein Band mit ganz besonderen Eigenschaften zu entwickeln: Ein tiefschwarzes PP-Band, das recyclingfähig ist, aus mindestens 35 % Post-Consumer-Rezyklat (PCR) besteht und den gleichen hohen Qualitätsstandards genügt wie die etablierten Bänder. Damit dieses Band im Recyclingprozess eindeutig erkannt und sortiert werden kann, spielt die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) eine zentrale Rolle.

NIR-Spektroskopie als Schlüssel zur Sortierfähigkeit

Die Nahinfrarotspektroskopie ist heute die am weitesten verbreitete Detektionstechnologie beim automatisierten Sortieren von Kunststoffverpackungen. Diese Technologie ermöglicht eine effiziente und materialspezifische Trennung der verschiedenen Kunststofftypen in den Sortieranlagen.

Um ein automatisiertes Sortieren zu ermöglichen, bedeutet dies für Kunststoffverpackungen unter anderem, dass diese möglichst nur aus einem Polymer bestehen (Monomaterial) und auf den Einsatz von großflächigen Etiketten oder Metallisierung verzichtet werden sollte, da diese die Detektion deutlich erschweren. Weiterhin stellen schwarz eingefärbte Kunststoffartikel mit einem hohen Rußanteil die Technologie vor eine Herausforderung.

Deshalb ist NIR-Detektion von schwarzem Kunststoff schwierig

Schwarz eingefärbte Kunststoffe stellen eine besondere Herausforderung dar, insbesondere wenn sie mit Ruß pigmentiert sind. Sie sind aufgrund des hohen Absorptionsvermögens von Ruß oft nicht NIR-detektierbar und damit nicht recyclebar. Zur NIR-Detektion emittiert eine Lichtquelle Strahlung im Wellenlängenbereich von circa 780 bis 2.500 nm. Trifft diese Strahlung auf einen polymeren Werkstoff so wird ein Teil des Lichts absorbiert. Der reflektierte Teil wird vom Spektrometer erfasst. Das daraus resultierende NIR-Spektrum ist charakteristisch für die jeweilige Kunststoffart und erlaubt somit im nächsten Schritt eine gezielte Sortierung in den Anlagen. Rußhaltige Kunststoffe absorbieren allerdings nahezu das gesamte NIR-Spektrum, was diese materialspezifische Identifikation verhindert.

Diese Probleme können vermieden werden, wenn schwarze Verpackungen bereits in der Entwurfsphase so gestaltet werden, dass sie NIR-detektierbar sind. Hierbei helfen mobile NIR-Spektrometer: „Wir nutzen die mobile Spektroskopie-Lösung von Trinamix. Damit haben wir in der Phase der Entwicklung und auch in der Produktion die Möglichkeit, schnell zu erkennen, ob das eingesetzte Material sich als fertige Umreifungsband durch NIR-Technologie erkennen lässt“, erklärt Dr. Martin Bussmann, Abteilungsleiter Global Innovation Plastics bei Mosca.

Von der Idee zum sortierfähigen Band

Das F&E Team der Abteilung Plastics bei Mosca machte sich an die Aufgabe, Ruß durch ein anderes Farbpigment zu ersetzen, um die Rezyklierbarkeit der schwarz eingefärbten Umreifungsbänder zu erreichen, und wandte sich an den Masterbatchhersteller Avient.„Der Ersatz von Ruß hat uns zu Beginn vor einige Herausforderungen gestellt. Ruß ist ein sehr farbstarkes Pigment, welches bereits bei geringen Einsatzmengen eine tiefschwarze Einfärbung ermöglicht. Sowohl beim Einsatz als reines Schwarzpigment, als auch in Abmischungen mit anderen Pigmenten, um dunkle Farben in Kunststoffen zu erzielen“, erläutert Marco Schäfer, Senior Marketing Manager bei Avient.

Das macht sich insbesondere bei dünnwandigen Kunststoffartikeln und bei Anwendungen bemerkbar, die ein Verstrecken erfordern; wie beispielsweise beim Thermoformen oder Extrusionsspritzstreckblasen.„Während einige Rußalternativen im Dickwandartikel noch ein sattes Schwarz zeigen, verschiebt sich der Farbton nach dem Verstrecken in Richtung grün beziehungsweise blau. Das macht sich dann bei der Durchsicht aufgrund der geringeren Opazität im dünneren Artikel bemerkbar“, so Schäfer weiter.
Der Ersatz von Ruß und die damit verbundene Auswahl von Farbmitteln ist daher immer projekt- und anwendungsspezifisch. Insbesondere auch, da neben dem Farbton weitere Kriterien wie der Verarbeitungsprozess, die mechanischen Eigenschaften des Endartikels und Anforderungen an die Produktsicherheit eine wichtige Rolle spielen.

MOBILE NIR-SPEKTROSKOPIE IM DETAIL

- Identifikation von über 30 Kunststoffen
- Kunststoffe werden innerhalb weniger Sekunden identifiziert
- Akkuleistung: bis zu 5.000 Messungen pro Ladung
- Ladezeit von 0 auf 95 % in rund 3 Stunden
- Kabellose Verbindung zu mobilen Geräten via Bluetooth
- Direkte Ergebnisse auf dem Display und dem Smartphone

Nach einem ersten Screening der am Markt erhältlichen NIR-Farbbatches wurde klar, dass eine Standard-Lösung aus dem Sortiment der Farbmasterbatchhersteller den gewünschten Effekt nicht ohne Modifikationen erzielen würde“, erklärt Dr. Martin Bussmann. „Der Farbton der Umreifungsbänder mit diesen Rußalternativen war nach dem Verstrecken nicht mehr tiefschwarz. Das ist ein K.O.-Kriterium für einige unserer Kunden, die nach wie vor ein tiefes Schwarz wünschen.“

Zudem war während des Entwicklungsprozesses unklar, bei welchem Farbmittel in welcher Dosierung eine Nahinfrarot-Detektion überhaupt möglich ist. Hier kam die mobile NIR-Spektroskopie Lösung von Trinamix zum Einsatz. „Nach einer Einweisung in das mobile Gerät konnte dieses direkt in der Produktion zur schnellen Qualitätskontrolle verwendet werden. So ließ sich die NIR-Detektierbarkeit unmittelbar prüfen – ein entscheidender Vorteil im iterativen Entwicklungsprozess“, erläutert Adrian Vogel, Segmentleiter Circular Economy bei Trinamix.
In den weiteren Bemusterungsrunden wurde die geeignete Farbrezeptur von Avient gewählt und Mosca erhielt die benötigten Mengen für die Versuche.Das Ergebnis: Ein optisch tiefschwarzes 5 mm PP-Band, das sich von bisherigen Produkten nicht unterscheidet, jedoch NIR-detektierbar und damit recyclingfähig ist. Das Band wurde inzwischen zum Patent angemeldet. Die gemeinsam entwickelte Lösung erfüllt die gestiegenen Anforderungen an Kreislauffähigkeit, ohne Kompromisse bei Design oder Performance.

So erfolgt die Qualitätskontrolle

Um eine gleichbleibend hohe Qualität sicherzustellen, überprüft Umreifungsbandhersteller mithilfe der mobilen NIR-Spektroskopie-Lösung sowohl die Produktion als auch den Wareneingang kontinuierlich. Besonders die Kontrolle der eingehenden PCR-Materialien ist für eine problemlose Produktion und die hohe Qualität der Bänder entscheidend, da nur ein begrenzter Anteil an Störstoffen zulässig ist.Die Prüfprotokolle, wie zum Beispiel für das Bestimmen der Reflektivität des Kunststoffes, ermöglichen eine klare Bewertung, ob eine Verpackung die erforderlichen Standards erfüllt (Pass/No Pass). Dieser Ansatz fördert nicht nur die Qualitätssicherung, sondern unterstützt auch nachhaltige Designprozesse in der Verpackungsindustrie.

Diese Recyclingquoten sind außerdem zu erfüllen

Der Einsatz mobiler NIR-Spektroskopie lässt sich erfolgreich auf verschiedene Produktgruppen übertragen, insbesondere bei der Prüfung von Verpackungen im Rahmen von Designprozessen, Zertifizierungen und zur Qualitätssicherung für Markeninhaber und Verarbeiter. Auch außerhalb der EU sind gesetzliche Vorgaben in Planung. Internationale Referenzen wie die APR-Guideline (Association of Plastic Recyclers, USA) bieten schon heute wertvolle Orientierung für das Bewerten der Sortierfähigkeit von Verpackungen mit beispielsweise schwarzer Einfärbung.Werkstoffliches Recycling ist nicht nur für die Verpackungsindustrie relevant, sondern zunehmend auch für andere Branchen. So sieht beispielsweise die Altfahrzeugverordnung eine Einsatzquote von 20 % PCR in Neufahrzeugen ab 2035 vor. 15 % dieser Menge sollen aus Altfahrzeugen mittels Recyclings gewonnen werden. Das Schließen der zukünftigen Recyclinglücke erfordert ebenfalls die Sortierbarkeit dieser Kunststoffe.