Digitalisierung zur Optimierung der Nachhaltigkeit von Kunststoff-Werkstoffkreisläufen
Die im Rahmen von EU-Regularien geforderten Rezyklatanteile in Verpackungen stellen Kunststoffverarbeiter aktuell vor Herausforderungen, da sich die Werkstoffeigenschaften von Rezyklaten oftmals von Neuware unterscheiden. Um die Nachhaltigkeit von Kunststoffverpackungen zu verbessern, wurde im Projekt PlasticBOND ein interdisziplinärer Ansatz mit drei Schwerpunkten verfolgt: Die Untersuchung des erhöhten Rezyklateinsatzes in Verpackungen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Recyclingfähigkeit; die Entwicklung eines Bewertungsmodells zur Beurteilung der ökologischen Nachhaltigkeit und die Entwicklung eines plattformgestützten Informationssystems für den Austausch relevanter Nachhaltigkeitsdaten.
Dazu wurden die materialtechnischen Möglichkeiten und Herausforderungen in der Kunststoffverarbeitung mit der Ökologiebewertung der Kunststoffverpackungen kombiniert. Als Grundlage für den Austausch hierzu erforderlicher Nachhaltigkeitsdaten entlang der gesamten Wertschöpfungskette wurde ein digitales Kooperationsnetzwerk entwickelt. Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie (Manufacturing Technology Institute der RWTH Aachen (MTI), Arburg GmbH + Co KG, Brückner Maschinenbau GmbH, Carbon Minds GmbH, Henkel AG & Co. KGaA, Interzero Circular Solutions Germany GmbH, Pöppelmann GmbH & Co. KG Kunststoff-Werkzeugbau, Reifenhäuser GmbH & Co. KG Maschinenfabrik, Reifenhäuser Blown Film GmbH) wurde ein Demonstrator aus einem PE-Folienlaminat mit einem spritzgegossenen PE-Ausgießer entwickelt (Abb. 1) und hergestellt. Dabei konnte ein PCR-Anteil von mehr als 60 % erreicht werden. Um den Herausforderungen in der Rezyklatverarbeitung zu begegnen, wurden am IKV sowohl im Bereich Spritzgießen als auch Extrusion umfangreiche Prozess- und Materialanalysen durchgeführt.
© IKVIm Bereich Spritzgießen beschäftigte sich das IKV mit verfahrenstechnischen Fragestellungen zur Trocknung und Alterung von Rezyklaten, zum Mischverhalten mit Neuware sowie zu saisonalen Schwankungen. Dabei wurden sowohl die Prozessstabilität als auch Bauteilqualität bewertet. Besonders die Kombination von Rezyklaten mit Neuware bietet großes Potenzial zur kurzfristigen Steigerung der Rezyklateinsatzquoten. Das IKV analysierte deshalb für PE und PP die Eigenschaften solcher Mischungen aus Rezyklat und Neuware und untersuchte deren Verhalten im Spritzgießprozess. Die rheologischen, physikalischen, mechanischen und morphologischen Eigenschaften verschiedener PCR-Materialqualitäten wurden bewertet und mit konventionellen Kennwerten korreliert. Der Einfluss auf den Spritzgießprozess wurde analysiert, sodass Handlungsempfehlungen für die Verarbeitung von PCR-Materialien abgeleitet werden konnten.
Der Bereich Extrusion untersuchte verfahrenstechnische und analytische Fragestellungen zur Zusammensetzung und Alterung von Rezyklaten, zur Reduzierung von Stippen sowie zu saisonalen Schwankungen, die für die Folienextrusion relevant sind. Dabei wurden die Auswirkungen verschiedener Rezyklate auf die Prozessfähigkeit und die funktionalen Eigenschaften von Folien bewertet. Die Herausforderung in der Folienextrusion von kommerziell verfügbaren Rezyklaten ist insbesondere die Stippenbildung, die sich sowohl negativ auf den Extrusionsprozess (z. B. Aufreißen der Folienbahn) und die Möglichkeiten der Weiterverarbeitung (z. B. Bedrucken, Kaschieren), als auch auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt.
© IKVBeispiele für Stippen in einer Blasfolie sind in Bild 1 zu sehen. Untersuchungen ergaben, dass etwa 30 % der analysierten Gele scharfkantige, vernetzte Partikel auf Polyethylen-Basis sind. Besonders die Zusammensetzung der Rezyklate, die beispielsweise PP-Anteile in PE, Kompatibilisatoren oder Stabilisatoren enthalten können, hat einen großen Einfluss auf die Stippenbildung. Sie wurde deshalb als Ansatzpunkt für die Entwicklung recyclingfähiger Materialcompounds identifiziert.
Um die Alterungsmechanismen typischer Foliencompounds weiter zu untersuchen, wurden Rezyklate mittels Hochtemperatur-Gelpermeationschromatographie (HT-GPC) untersucht. Die Eigenschaften verschiedener PCR-Materialqualitäten wurden bewertet um die Recyclingfähigkeit von Foliencompounds einzuordnen. Zudem wurde der Einfluss auf den Blasfolienprozess analysiert und Handlungsempfehlungen für die Verarbeitung von PCR-Materialien abgeleitet.
© IKVProjektdaten und Förderung
Wir danken dem BMBF für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen 02J20E540) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 01.07.2021 – 30.09.2024
Förderung:
