Anforderungen an das Kunststoffrecycling – Perspektiven aus Forschung und Entwicklung Worauf es bei Rezyklaten ankommt

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Wittmann Battenfeld GmbH

Der Wiedereinsatz von Rezyklaten beim Herstellen neuer Produkte ist mit technischen Herausforderungen verbunden. Neben fehlenden finanziellen Anreizen ist dies eine der Hauptursachen für die – gemessen an der Recyclingquote – vergleichsweise geringe Rezyklateinsatzquote. Der Beitrag beleuchtet die Herausforderungen bei Einsatz und Verarbeitung von Post-Consumer-Rezyklaten aus einer Praxisperspektive, leitet verschiedene Anforderungen an Rezyklate ab und zeigt Lösungsansätze aus der aktuellen Forschung.

Bei der Produktion neuer Kunststoffprodukte wurden in Deutschland 2021 rund 2,3 Mio. t Rezyklat eingesetzt, damit hatten zirkuläre Kunststoffe an der Produktion einen Anteil von 16 %. Die größten Rezyklatabnehmer waren die Bauindustrie, die rund 40 % der produzierten Rezyklate verbraucht, gefolgt von der Verpackungsbranche mit einem Anteil von 29 % und der Landwirtschaft mit einem Anteil von 11 %. Allerdings lag der Rezyklatanteil in neuen Kunststoffprodukten insgesamt bei nur knapp 12 % [1, 2]. Gründe dafür sind unter anderem die begrenzte Verfügbarkeit von Qualitäten hoher Reinheit und eine eingeschränkte Akzeptanz für Kunststoffrezyklate, sowohl durch regulatorische Vorgaben als auch seitens der Verarbeiter und der Verbraucher. Schwankende Materialqualitäten und unklare Materialeigenschaften der verfügbaren Rezyklate setzen der Wiederverwendung in neuen Produkten Grenzen. Hinzu kommt, dass Rezyklate je nach Marktsituation teurer als fossil basierte Primärrohstoffe sind.

Einsatz und Verarbeitung von PCR

Nur wenige Werkstoffe werden wirklich im geschlossenen Kreislauf geführt und die Nutzung verschiebt sich sukzessive von kurzlebigen zu langlebigen Anwendungen. Jeder Recyclingzyklus ist darüber hinaus mit Eigenschaftsveränderungen verbunden, sodass wichtige charakteristische Eigenschaften, die genau auf eine Anwendung oder Art der Verarbeitung zugeschnitten sind, verloren gehen. Es leuchtet ein, dass beispielsweise ein Polypropylen (PP)-Werkstoff für eine Verpackungsfolie ganz andere Eigenschaften und eine ganz andere Zusammensetzung haben muss als ein PP, aus dem Rohre für die Bauindustrie gefertigt werden sollen. Auch die Verarbeitungsprozesse sind genau auf ein bestimmtes Eigenschaftsprofil getrimmt. Während sie mit Neuware einwandfrei funktionieren, kann der Einsatz von Rezyklaten durch unbekannte Zusammensetzung, schwankende physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen und Kontaminationen zu Problemen führen, die den Prozess und die Produktqualität negativ beeinflussen. Prozesse laufen nicht mehr stabil oder können im schlimmsten Fall gar nicht erst in Gang gebracht werden. Längere Prozesszeiten, Maschinenstillstandzeiten oder die vermehrte Produktion von Ausschussteilen drücken auf die Marge. Eigenschaften und Zusammensetzung eines Rezyklats sind durch den gesamten Werkstofflebenszyklus bestimmt. Bei der Produktion und in noch größerem Maße beim werkstofflichen Recycling sind thermoplastische Werkstoffe verschiedenen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, die zu Veränderungen der Polymerstruktur (Polymerabbau, Vernetzung) führen können. Im Rezyklat enthaltene Kontaminationen, Additive und Füllstoffe oder Fremdpolymere beeinflussen die Werkstoffeigenschaften zusätzlich und können Veränderungen der Polymerstruktur auch beschleunigen. Kontaminationen können beispielsweise Rückstände aus der Verwendung der Kunststoffprodukte sein, bei Verpackungen etwa Füllgutreste aus bestimmungsgemäßem, aber auch nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch (wenn beispielsweise eine Getränkeflasche dazu genutzt wird, Haushaltsreiniger zu transportieren). Hinzu kommt ein Anteil an Kontaminationen nicht polymeren Typs wie Papier, Druckfarben oder Aluminium, die beim Recycling nicht oder nicht vollständig abgetrennt werden können. Darüber hinaus sind erhebliche Mengen an artverwandten Polymeren, Fremdpolymeren und weiteren Zusatzstoffen unterschiedlicher Art und Zusammensetzung vorhanden, die aus der Konfektionierung des Werkstoffs resultieren. Untersuchungen am IKV haben gezeigt, dass Regranulate für Folien, PE-LLD, PE-LD, PE-HD und PP enthalten können, darüber hinaus Druckfarben, Klebstoffe, Barrierematerialien (PA, EVOH, PET-Aluminium, PVC, PVDC), weitere Füllstoffe – oft anorganische Substanzen – und Rückstände aus dem Gebrauch (Bild 1) [3]. Alle diese Substanzen können vorhanden sein, müssen aber nicht. Wie groß der jeweilige Anteil ist, ist außerdem ständigen Schwankungen unterworfen. Der Verarbeiter eines Rezyklats hat darüber in der Regel keine Informationen.

Warum die Rezyklatqualität entscheidend ist

Weil sie Gemische sind, verhalten sich Rezyklate in der Verarbeitung ganz anders als reine Virgin-Materialien. Das trifft insbesondere auf das für die Verarbeitung entscheidende Fließ- und Abbauverhalten zu. Die nicht abtrennbaren Verunreinigungen können bei der Herstellung neuer Produkte Defekte (Löcher), Vernetzungen durch Degradation (Gele), Stippen und schlechte Oberflächen verursachen, wie am Beispiel der Folienherstellung aus Rezyklat in Bild 2 gezeigt ist [3, 4]. Zum Einsatz kamen PE-LD-Rezyklate verschiedener Hersteller. Folie A wurde bei hohen Temperaturen aus einem Rezyklat ohne VOC hergestellt. Die Folie ist kompakt, enthält aber durch die hohen Verarbeitungstemperaturen Stippen und Gele. Arbeitet man bei niedrigeren Temperaturen, können eventuell vorhandene VOC nicht entfernt werden und erzeugen Fehlstellen in Form von Löchern (Folie B). Folie C sieht fast wie ein Schaum aus. Dieses Erscheinungsbild resultiert aus einem relativ hohen Anteil an Multilayer-Produkten im Rezyklat, der viele Fremdpolymere einbringt. Die abrasive und korrosive Wirkung vieler anorganischer und nicht-polymerer Komponenten sowie vernetzter Fremdpolymere fördert zudem den Verschleiß der Anlagentechnik. Bedingt durch beschleunigten polymeren Abbau und abgebaute Farben und Rückstände kann es in der Produktion zu weiteren Problemen, wie Ablagerungen an der Schnecke und an den Düsen, Stippenschauern und Belagsbildung auf den Walzen kommen und damit zum Maschinenstillstand und Produktionsausfall. Um bei der Rezyklatverarbeitung stabile und effiziente Prozesse realisieren zu können, müssen also Rezyklatqualitäten verbessert und Eigenschaftsschwankungen so weit wie möglich reduziert werden. Wünschenswert wären höhere Kunststofftypenreinheiten sowie eine Sortierung mit Anwendungsbezug, um zumindest in groben Zügen abschätzen zu können, mit welchen Additiven und Verunreinigungen in welchen Mengen zu rechnen ist. Ein großer Schritt auf dem Weg zur effizienten Rezyklatverarbeitung wäre die Weitergabe von Informationen über die Werkstoffhistorie von allen Playern innerhalb der Prozesskette. An Lösungen dazu arbeitet das IKV in verschiedenen Verbundprojekten.

Transparenz im Kunststoffverpackungskreislauf

Im Verbundprojekt R-Cycle ist das IKV in einem branchenübergreifenden Konsortium an der Entwicklung eines digitalen Produktpasses beteiligt, der alle für Recycling und Wiedereinsatz wichtigen Daten zu einem Produkt enthält und digital mit dem Produkt verknüpft wird. Damit soll ein weltweit anwendbarer Rückverfolgungsstandard geschaffen werden, der für einen Datenfluss zwischen der Produktionswertschöpfungskette und der Recyclingwertschöpfungskette sorgt und die Schließung des Stoffkreislaufs ermöglicht. Die Daten sollen auf einer gemeinsamen Datenplattform gespeichert werden, die mit jeder Produktionsanlage, von der Folienextrusion oder Spritzgießmaschine bis hin zu Verarbeitungs-, Druck- und Abfüllmaschinen vernetzt werden kann. Um die gespeicherten Informationen abzurufen, wird eine Markierung – zum Beispiel ein QR-Code oder ein digitaler Wasserzeichencode – auf die Verpackung aufgebracht [5]. Wichtig ist, dass durch den digitalen Produktpass keine Rezepturen offengelegt werden. Er gibt nur Auskunft über die Hauptbestandteile des Produktes und macht Angaben zu Grenzwerten für bestimmte Inhaltsstoffe. Darüber hinaus ist es den Teilnehmern freigestellt, ob sie den vor oder nachgelagerten Akteuren in der Wertschöpfungskette weitere Informationen zur Verfügung stellen wollen. Für die Daten sind verschiedene Nutzungen denkbar: zur Bemessung der Recyclingfähigkeit eines Produktes, zur Identifizierung bei der Abfallsortierung für ein effizientes Recycling (idealerweise Upcycling) oder zur Auswahl der Aufbereitungstechnologien für den jeweiligen Stoffstrom, zum Beispiel unter Berücksichtigung von Kontaminationsgrad oder Wirtschaftlichkeit.

Digitale Methoden und KI für den Kreislauf

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt Plasticbond kann solche in Produkt- oder Materialpässen hinterlegte Daten nutzen, um digitale Methoden zur ganzheitlichen Bewertung und Optimierung der Nachhaltigkeit von Kunststoff-Werkstoffkreisläufen zu entwickeln. Dazu werden Kooperationsmodelle auf Basis einer gemeinsamen Datenplattform entwickelt, die es ermöglicht, Wertstoffströme nachzuverfolgen, Nachhaltigkeitsdaten von Produkten und Rohstoffen zu hinterlegen und die Auswirkungen von Design- und Prozessentscheidungen abzubilden. Die Plattform stellt als wertschöpfungsübergreifende, digitale Struktur sicher, dass die recyclingrelevanten Informationen entlang der Wertschöpfungskette weitergegeben werden können und erschafft ein Wertschöpfungsnetzwerk aus Produzenten, Lieferanten und Kunden [6]. Um die Kreislaufführung von Verpackungskunststoffen zu optimieren, sollen künftig KI-getriebene digitale Methoden eingesetzt werden können. Dies untersucht das IKV mit einem Konsortium aus Industrie und Wissenschaft im BMBF-geförderten „KI-Anwendungshub Kunststoffverpackungen – nachhaltige Kreislaufwirtschaft durch künstliche Intelligenz“. Der KI-Hub setzt sich aus zwei Innovationslaboren zusammen: K3I-Cycling, in dem es um die Optimierung des Recyclings von Post-Consumer-Kunststoffabfällen geht, und KIOptiPack, das sich mit der ganzheitlichen KI-basierten Optimierung von Kunststoffverpackungen mit Rezyklatanteil im Rahmen des Produktdesigns sowie den Herstellungsverfahren befasst. Hier werden digitale Methoden entwickelt und untersucht, mit denen den beschriebenen Herausforderungen beim Rezyklateinsatz in neuen Produkten begegnet werden kann, die einer Steigerung der Recyclingquote im Wege stehen [7]. Mit KIOptiPack soll die Verpackungswertschöpfungskette digital vernetzt werden, um jeden einzelnen Schritt für die Kreislaufführung optimieren zu können. Das beginnt bei der Charakterisierung eingehender Materialströme und der Entwicklung von Modellen zur Vorhersage der Materialeigenschaften. Diese Informationen fließen dann in Verpackungsdesign, Prozessdesign und Prozessführung ein. Gleichzeitig werden bei diesen Schritten sowie während der Nutzung weitere Daten generiert, die in nachfolgende Verarbeitungsschritte oder den Recyclingprozess, die Materialcharakterisierung und die Vorhersage der Rezyklateigenschaften einfließen (Bild 3).

Entkopplung durch glasartige Beschichtungen

Von PCR mit unbekannter Vorgeschichte geht in Verpackungsanwendungen immer die Gefahr einer Migration von Fremd- beziehungsweise Gefahrstoffen in das Füllgut aus. Dünne glasartige Beschichtungen (SiOx), die durch Plasma-Enhanced Chemical Vapor Desposition (PECVD) aufgebracht werden, können als Migrationsbarriere mögliche Gefahrstoffe und Verunreinigungen im rezyklierten Verpackungsmaterial wirkungsvoll vom Füllgut trennen. Die aufgebrachten Schichten sind dabei so dünn, dass die Recyclingfähigkeit der Verpackungen dadurch nicht beeinträchtigt wird. Das IKV hat im eigenen Plasmalabor bereits viele Lösungen, insbesondere für Verpackungen erarbeitet und erfolgreich umgesetzt [8, 9]. Ein Beispiel dafür ist das Start-up Ionkraft, das seine Wurzeln am IKV hat und mit einer Anlagentechnik zur Beschichtung großvolumiger Hohlkörper gerade dabei ist, die Plasmatechnologie in die industrielle Produktionstechnik zu überführen [10]. Die aufgebrachte SiOx-Barrierebeschichtung eignet sich für Füllgüter wie Chemikalien, Pharmazeutika, Agrarchemikalien, Öle oder Lösemittel und ist in der Lage, die Migration von Substanzen aus der Verpackung in das Füllgut zu verhindern. Sie funktioniert auch auf der Außenseite eines Behälters als Geruchsbarriere und eröffnet neue Möglichkeiten für den Rezyklateinsatz.

Fazit

Betrachtet man die technischen Herausforderungen, die sich beim Wiedereinsatz von Rezyklaten zur Herstellung neuer Produkte stellen, wird klar, dass eine wirtschaftliche Realisierung höherwertiger Rezyklate nicht trivial ist. Vielfältige Einflüsse während des Werkstofflebenszyklus führen zur Veränderung der Polymerstruktur und zur Degradation von Kunststoffen mit nachteiligen Folgen für Verarbeitung und die späteren Produkteigenschaften. Viele wesentliche Kontaminationen können mit herkömmlichen Recyclingmethoden nicht entfernt werden. Auch sie beeinflussen die Verarbeitung negativ und verursachen lokale Fehlstellen im späteren Produkt. Außerdem fehlen detaillierte Informationen entlang der Wertschöpfungskette, um Rezyklateinsatzmöglichkeiten und Optimierungen nachhaltig garantieren zu können. Für ein effizientes Recycling, möglichst im Closed-Loop, sind besser definierte und sortenreinere Rezyklatqualitäten notwendig, als sie mit dem derzeitigen System aus Post-Consumer-Abfällen gewonnen werden können. Abhilfe können Design-for-Recycling-Ansätze schaffen, die der besseren Sortierbarkeit und somit der Sortenreinheit des Rezyklats dienen. Durch Plasmabeschichtung können Verpackungskunststoffe gut mit wirksamen Barriereschichten ausgestattet werden, die weder Sortierbarkeit noch Rezyklierbarkeit beeinträchtigen. Sie sorgen für die Entkopplung von Füllgut und Verpackung und erlauben es dadurch auch größere Rezyklatmengen in Kunststoffverpackungen zu verarbeiten. Wichtig ist aber auch, in jedem Verarbeitungsschritt Informationen über Zusammensetzung und Vorgeschichte des Werkstoffes zu haben, um besser sortieren, aufarbeiten und verarbeiten zu können. Dazu sollten alle Teilnehmer der Wertschöpfungskette Daten zur Verfügung stellen, weiterreichen und nutzen können. Geeignete Datenplattformen, digitale Methoden zur Bewertung und Steuerung von Verarbeitbarkeit und Produkteigenschaften und die Nutzung von KI sind daher unerlässlich, um Werkstoffkreisläufe zu schließen.

Quelle: IKV