Prozessstabilität beim Rezyklateinsatz Wie smarte Additive die Verarbeitung neu justieren

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Hyperverzweigte Additive optimieren die Rezyklatverarbeitung, indem sie Viskositätsschwankungen bändigen und Prozessfenster massiv erweitern. Diese smarten Helfer senken den Energiebedarf sowie die Ausschussraten und ermöglichen sogar hochwertiges Upcycling.

Der Einsatz von Rezyklatmaterial wird zunehmend als feste Handlungsmaxime etabliert. Setzten Unternehmen bisher noch auf die freiwillige Verwendung von Post-Consumer-Rezyklat (PCR), so drängt der Gesetzgeber mittlerweile aktiv – wenn auch schrittweise – dazu, Kreisläufe zu schließen. In anspruchsvollen Anwendungen kann dies zu Materialengpässen führen, wie die EU-Altfahrzeugverordnung zeigt. Mechanisch recyceltes Material stellt Extrudeure und Spritzgießer weiterhin vor prozesstechnische Herausforderungen.

Zu den größten Hürden zählen schwankende Schmelzeviskositäten, die aus inhomogenen Materialströmen resultieren, sowie der thermische Materialabbau während der Prozessierung. Die Prozessstabilität kann aufgrund instabiler Drücke und/oder eingeschränkter Fließfähigkeit nicht gewährleistet werden, was zu erhöhten Ausschussraten oder einem unwirtschaftlichen Durchsatz führt.

Abhilfe schaffen leistungsstarke Additive, die gezielt auf das rheologische Verhalten der Schmelze wirken. Klassische Lösungsansätze sind bisher vor allem das Aufbrechen oder Kürzen der Polymerketten, um deren Beweglichkeit und damit ihre Fließfähigkeit zu erhöhen. Auch können niedermolekulare Strukturen beigemischt werden, die das Gleitverhalten verbessern und entweder intrinsisch in der Schmelze oder an Oberflächen und Wandungen von Maschinen und Werkzeugen wirken. Diese Ansätze liefern zwar kurzfristig Lösungen, erschweren aber ein nachhaltiges Handling.

Hyperverzweigte Additive als neuer Lösungsansatz

Das Ziel der erhöhten Kettenbeweglichkeit verfolgt auch der Ansatz von hyperverzweigten Additiven, welche die Struktur des Zielmaterials intakt halten und lediglich in der Schmelze wirken. Ihre baumkronenartige Struktur ermöglicht es, als quasi-sphärisches Gebilde ähnlich wie ein Rollenlager in der Schmelze die Reibung der Polymerketten untereinander zu verringern.

Damit sinkt die Schmelzeviskosität unter Beibehaltung der sonstigen physikalischen Eigenschaften. Da die Additive nicht migrieren, ist dieser Effekt bei zukünftigen Schmelzprozessen intrinsisch weiterhin vorhanden. Sie stehen nicht in Konkurrenz zu anderen Prozesshilfsmitteln (z. B. Schlagzähmodifikatoren) und mindern deren Effekte auf das Endprodukt nicht. Vielmehr fördern sie die Homogenität der Schmelze und gewährleisten ebenso eine vollständige Formfüllung im Werkzeug.

Recycling von Stoßstangen als Fallbeispiel 

Nachfolgend ein Fallbeispiel zur Illustration:  Im Rahmen der EU-Altfahrzeugverordnung ist das Recycling von z. B. Stoßstangen aus Polypropylen (PP) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) denkbar. Soll eine solche Stoßstange als Rezyklatware aufbereitet werden, wird sie zunächst entlackt und anschließend mit Peroxiden behandelt, welche die Polymerketten degradieren. Die PP-Komponente wird dadurch fließfähiger, während die EPDM-Komponente vernetzt und in ihrer Viskosität ansteigt. Die heterogenen Fließprofile erschweren eine sinnvolle Zusammenführung als Rezyklatware. Ein hyperverzweigtes Additiv – letztlich ein Polymer – macht den Einsatz von Peroxiden redundant.

Materialunabhängig führt eine Einstellung wohldefinierter Viskositätsprofile durch die Nutzung solcher speziellen Additive zu einem erweiterten Prozessfenster, da Einspritzdrücke durch die bessere Fließfähigkeit reduziert werden können. Auch die Absenkung von Verarbeitungstemperaturen wird in unterschiedlichsten Szenarien stets beobachtet. Beides resultiert, je nach Prozessführung und Zielstellung, in einem geringeren Energiebedarf und einer verkürzten Zykluszeit. Durch die Aufweitung des Prozessfensters können neue Materialien für Anwendungen verfügbar werden, die bisher außerhalb des infrage kommenden Spektrums lagen.

Generell gilt: Dank seines integrativen Charakters stellt der Einsatz hyperverzweigter Additive eine Wertsteigerung von Neuware sowie PCR- und PIR-Materialien dar. Vor allem aber bei Materialien wie rPET oder rPMMA kann ein gut strukturiertes Additiv thermische Verarbeitungsunterschiede durch Materialhomogenisierung ausgleichen und hohe Schmelzpunkte durch gesteigerte Flexibilität der Polymerketten senken.

Polytives setzt auf polymere Additive. Wie grenzen sich Ihre Lösungen technologisch und in der Wirkweise von klassischen Masterbatches oder niedermolekularen Additiven ab?

Messbare Effekte: Höhere Qualität, weniger Ausschuss

Die Firma Polytives ist führend in der Herstellung hyperverzweigter Polymere und hat in mehreren Fallstudien eine Prozess- und Materialoptimierung mit ihren Additiven nachgewiesen. Zwei dieser Studien sollen im Folgenden betrachtet werden:

In Zusammenarbeit mit Pekutherm Kunststoffe, Sitraplas und Polytives wurde die Melt-Volume-Rate (MVR) von PMMA-Platten aus einer Consumer-Anwendung signifikant erhöht. Eignete sich die rPMMA-Masse ohne Beimengung des Additivs bFI A 3745 nur für Extrusionsarbeiten, konnte nach dem Hinzugeben des Additivs (Dosierung: 3 - 5 %) Spritzgussqualität erreicht werden. Strenggenommen wurde nicht nur ein Recycling, sondern ein Upcycling erzielt – ein Vorgehen, das besonders effizient ist, wenn der CO₂-Fußabdruck eines Kunststoffproduktes durch einen Rezyklatanteil minimiert werden soll.

In einer Studie der Partner Brac-Werke, Nordmann, Rassmann und Polytives konnte ein bestehendes Werkzeug auf eine rPET-Verwendung adaptiert werden. Unter Standardbedingungen war die Form nicht vollständig ausgefüllt. Eine Erhöhung des Drucks war keine Option, da teils deutliche Überspritzungen am Anguss zu beobachten waren. Auch hier reichte eine niedrige einstellige Dosierung des hyperverzweigten Polymers, um die Formmasse so fließfähig zu machen, dass – unter Beibehaltung aller restlichen Parameter – der Spritzdruck um bis zu 25 % verringert werden konnte.

Die Hinwendung zu Rezyklaten als Materialquelle wird sich in den nächsten Jahren deutlich verstärken. Hyperverzweigte Polymere können Verarbeitern dabei einen entscheidenden Vorteil verschaffen: erweiterte Prozessfenster durch niedrigere Drücke und Temperaturen – für sanftere, energieeffizientere Prozesse mit weniger Ausschuss. Im Zusammenspiel von Kunststoff, Additiv und Prozess lassen sich so nachhaltige und wirtschaftlich ertragreiche Produkte entwickeln und herstellen.

Unsere Additive sind selbst Polymere

Interview mit Viktoria Rothleitner, Gründerin und Geschäftsführerin Polytives

Polytives setzt auf polymere Additive. Wie grenzen sich Ihre Lösungen technologisch und in der Wirkweise von klassischen Masterbatches oder niedermolekularen Additiven ab?

Viktoria Rothleitner: Unsere polymeren Additive sind selbst hochmolekulare Materialien und wirken physikalisch über die gezielte Beeinflussung der Schmelzeviskosität – nicht über chemische Reaktionen. Im Gegensatz zu klassischen Masterbatches benötigen sie kein Trägersystem, migrieren nicht und erhalten die Materialeigenschaften vollständig.

Wann rechnet sich der Einsatz Ihrer Additive für einen mittelständischen Spritzgießer oder Extrudeur kalkulatorisch?

Rothleitner: Das lässt sich nur mit einem „es kommt darauf an“ beantworten, da die Kalkulation jedes Verarbeiters sehr spezifisch ist. In der Praxis zeigt sich jedoch schnell ein Vorteil bei den Stückkosten, etwa durch Zykluszeitverkürzungen von 20–30 %, oder wenn Materialien erstmals wirtschaftlich prozessierbar werden bzw. auf bestehenden Maschinen und Werkzeugen verarbeitet werden können.

Herausforderung rPMMA/rPET: Diese Materialien gelten als „Diva“ im Recycling. Was ist der entscheidende Hebel, um hier eine Prozessstabilität zu erreichen, die der von Neuware nahekommt?

Rothleitner: Der entscheidende Hebel ist die gezielte Absenkung der Schmelzeviskosität während der Verarbeitung – ohne das Material selbst zu degradieren. Dadurch lassen sich schwankende Chargen stabil verarbeiten, Drücke und Temperaturen reduzieren und sowohl die Prozessrobustheit deutlich erhöhen als auch Anwendungen ermöglichen, die zuvor als nicht prozessierbar galten.

Kritiker bemängeln oft, dass Additive den Rezyklatstrom verunreinigen könnten. Wie stellen Sie sicher, dass die mit Polytives-Additiven optimierten Produkte im nächsten Recyclingzyklus nicht selbst zum Problem werden?

Rothleitner: Unsere Additive sind selbst Polymere, migrationsstabil und kompatibel mit der Matrix, sodass sie sich in bestehenden Recyclingströmen unkritisch verhalten. Die Additive bringen keine niedermolekularen Substanzen in die Mischung und reagieren nicht im System, darin liegt der große Vorteil.

Mit Blick auf die PRSE: Wie ist die aktuelle Entwicklung der technologischen Möglichkeiten bei der Verarbeitung von Rezyklaten?

Rothleitner: Die Entwicklung geht aus unserer Sicht klar weg von der reinen Materialoptimierung hin zur prozessseitigen Beherrschung von Rezyklaten: Schwankungen in Viskosität und Qualität werden zunehmend über den Prozess kompensiert statt eliminiert. In bestimmten Anwendungen werden Rezyklate so erstmals stabil und wirtschaftlich darstellbar in ihrem Einsatz.