Geokunststoffe und Dachbahnen aus Rezyklaten nachhaltig gestalten

Der Markt für recycelte Kunststoffe, insbesondere Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET), hat noch viel Potenzial. Die Nachfrage nach nachhaltigen Lösungen wächst, doch die Qualität der verfügbaren Rezyklate muss steigen. Viele Recyclingprozesse scheitern an Störstoffen, die die Aufbereitung erschweren. In der Folge können Rezyklate bislang oftmals nicht mit Neuware konkurrieren. Dies wollen die sechs Institute des Cluster Fraunhofer CCPE (siehe unten) gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME und für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB widerlegen und ändern. Im Projekt Zirk-Tex (kurz für zirkuläre textile Flächengebilde) beantworten sie die Frage, ob es möglich ist, aus bisher nicht verwendeten Kunststoffabfällen recycelte Kunststoffe für hochwertige Folien, Vliese und Fasern herzustellen, die sich zu Dachbahnen weiterverarbeiten lassen. In Europa werden jährlich mehrere hundert Millionen Quadratmeter Dachunterdeckungen verlegt.

Gleichzeitig haftet Biopolymeren oft noch der Makel an, dass sie für anspruchsvolle technische Anwendungen nicht die notwendigen Eigenschaften besitzen. Im zweiten Use Case des Vorhabens ist es den Projektpartnern gelungen, aus Biopolymeren – konkret aus Polylactid (PLA) und Polybutylensuccinat (PBS) – schadstofffreie Fasern zur Herstellung bioabbaubarer Geotextilien herzustellen, deren Abbau in der Umwelt einstellbar ist. Solche bioabbaubaren Textilstoffe werden beispielsweise zur temporären Stabilisierung von Hängen und Uferböschungen oder für das Anlegen von Baustraßen benötigt.

Dachbahnen aus PP und PET wirtschaftlich herstellen

»Es ist weniger problematisch, aus Kunststoffrezyklaten beispielsweise Spritzgussbauteile zu produzieren. Aber daraus textile Produkte wie Vliese für Dachbahnen zu fertigen, ist wesentlich schwieriger, da Fadenbildungsprozesse sehr hohe Anforderungen an die Rezyklate stellen. Das Ausgangsmaterial muss homogen und komplett frei von Verunreinigungen sein, um gleichmäßig durch feinste Kapillare extrudiert zu werden und nach der Extrusion teilweise sehr hohen Zugkräften standzuhalten«, erläutert Dr. Evgueni Tarkhanov, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP, die Herausforderung. »Für die Produktion ist die Verarbeitungsstabilität das A und O.« Kleinste Schmutzpartikel oder geringfügige Anteile von Fremdpolymeren in extrudierten Filamenten stellen Fehlstellen der Spinnmasse dar und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Filamentabrissen im Herstellungsprozess. Das erneute Auflegen der Filamentbündel auf die Fadenleitorgane kostet Zeit und kann teilweise die Abschaltung der Produktionsmaschinen zur Folge haben, was mit immensen Kosten einhergeht.

Komplette Wertschöpfungskette neu denken

»Um die Dachbahnen aus Post-Consumer-Abfällen herzustellen, sind wir in der Lage, die gesamte Prozesskette für PP und PET im Pilotmaßstab abzubilden: von der Betrachtung der Sortierung (Fraunhofer IOSB) über innovative Recyclingmethoden (Fraunhofer ICT und Fraunhofer IVV) bis hin zur Anwendung. Durch Recycling geeigneter Altkunststoffe entsteht ein Granulat bzw. Compound, das additiviert (Fraunhofer LBF) und dann per Formgebung durch Verspinnen zu Vliesen, Folien oder Membranen weiterverarbeitet wird«, fasst Dr. Christian Schütz, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF, den Ablauf zusammen. Dabei hat das Forscherteam das Potenzial von zwei Recyclingverfahren bewertet: Die PET-Fraktion wurde einer Glykolyse, einem chemischen Recyclingverfahren mit anschließender Repolymerisation unterzogen, während sowohl PP- als auch PET-Fraktionen mittels eines lösungsmittelbasierten Recyclings zurückgewonnen wurden, bei dem eine Aufreinigung erfolgt. Die Rückstände beider Recyclingverfahren wurden durch Pyrolyse weiterverwertet (Fraunhofer UMSICHT). Begleitet wurden die praktischen Arbeiten durch ein Life Cycle Assessment (Fraunhofer UMSICHT) und eine Stoffstromanalyse verfügbarer Materialströme (Fraunhofer IML).

Innovative Recyclingverfahren für sortenreine Rezyklate

Mit dem lösungsmittelbasierten Recyclingverfahren des Fraunhofer IVV konnte das Forscherteam PP von unerwünschten Polymeren und Additiven trennen, wodurch ein nahezu sortenreines Material entstand. Der Abfallstrom enthielt 33 Prozent PP und 67 Prozent Fremdkunststoffe. Nach dem Prozess war Polyethylen (PE) mit einem Anteil von weniger als 2 Prozent das einzige signifikante unerwünschte Polymer. Die Stabilität des PP-Rezyklats (rPP) gewährleistete das Team auch bei hohen Temperaturen während der Verarbeitung. Das gewonnene rPP wurde anschließend am Fraunhofer IAP zu einem Multifilament-Garn versponnen. »Durch die richtige Additivierungsstrategie ist es uns zudem gelungen, die Verarbeitungsstabilität sowohl von PP- als auch von PET-Rezyklaten deutlich zu verbessern«, so Schütz.

Für die Glykolyse von PET, ausgeführt am Fraunhofer ICT, verwendeten die Forschenden PET-Schalen mit 13 Prozent unerwünschten Fremdstoffen. Die Glykolyse ist eine Form der Solvolyse, bei der Ethylenglykol zur Depolymerisation von PET zu Bis(2‑hydroxyethyl)terephthalat (BHET) verwendet wird. »Bei der Solvolyse werden die Kunststoffe durch den Einsatz eines Depolymerisations-Reagenzes gezielt in ihre jeweiligen Monomere gespalten«, sagt Schütz. Das entstandene BHET wurde am Fraunhofer IAP zu rPET repolymerisiert und auf einer Pilot-Schmelzspinnanlage zu einem Multifilamentgarn mit 48 Filamenten verarbeitet. Darüber hinaus konnte die Forscherinnen und Forscher zeigen, dass sich dieselbe PET-Fraktion durch ein lösungsmittelbasiertes Recyclingverfahren recyceln lässt. »Sowohl aus PP als auch aus PET konnten wir Fasern für die Herstellung von Vliesstoffen gewinnen, PP zusätzlich auch für die Membranproduktion«, resümiert Tarkhanov.

In der Pyrolyse von Rückständen aus dem lösemittelbasierten Recyclingprozess der PP-Fraktionen wurden ein hoher Pyrolysegasanteil und geringer Koksanteil erhalten. Aus den Rückständen der Solvolyse von PET-Fraktionen konnte Pyrolyseölfraktionen mit hohen Ölanteilen sowie geringen Koksanteilen gewonnen werden. Die Produkte aus beiden Rohstoffströmen lassen sich vielversprechend weiterverwerten.

Zudem ergaben die begleitenden Arbeiten, dass geeignete und ausreichende Mengen an PP und PET vorhanden sind, aber die Logistik und Sortierung für den Zugriff darauf noch aufgebaut werden muss. Die aggregierten Ergebnisse der LCA zeigten, dass die Wertschöpfungskette des Fraunhofer-CCPE-Verfahrens sowohl für Biopolymere als auch für Rezyklate eine bessere Klimabilanz aufweist als die Verwendung von Neukunststoffen. »Wir konnten erfolgreich zeigen, dass auch bislang ungenutzte Stoffströme zur Herstellung hochqualitativer Werkstoffe auf Rezyklatbasis eine reale Option darstellen«, fasst Schütz diesen Teil des Projekts zusammen.

Bioabbaubare Geotextilien aus PLA und PBS

Ist es möglich, Kunststoffe für den Landschaftsbau aus biobasierten Polymeren (PLA und PBS) herzustellen? Können Produkte ohne Umweltprobleme und mit kontrolliertem Abbau hergestellt werden? Wie kann man sicherstellen, dass PLA und PBS während der Nutzung stabil bleiben und sich danach schnell und vollständig abbauen? Diesen Fragen widmet sich das Fraunhofer CCPE im zweiten Use Case des Projekts, das sich auf Geotextilien konzentriert, die für eine kurzfristige Anwendung von weniger als zehn Jahre konzipiert sind und sich daher schnell abbauen müssen. Im Fokus stand die Abbaubarkeit und Ökotoxizität der Biokunststoffe, wobei die Tests mit PLA- und PBS-Neuware durchgeführt wurden. Um die Abbaubarkeit zu prüfen, lagerten die Projektpartner Fasern zweier PBS- und dreier PLA-Typen 25 Wochen lang am Fraunhofer UMSICHT bei 40 Grad Celsius und 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit in feuchter Erde. Durch maßgeschneiderte Additive des Fraunhofer LBF gelang es den Forschenden, Zeitpunkt und Verlauf des Abbaus der PLA- und PBS-Fasern einzustellen, signifikant zu beschleunigen und in Zerfallstests nachzuweisen, andererseits aber die Materialeigenschaften bis zum Einsetzen des Abbaus weitgehend zu erhalten. Schütz: »Sowohl für PLA als auch für PBS konnten wir Fasern mit kontrolliertem und einstellbarem Abbauverhalten herstellen. Die Ökotoxizitätstests durch das Fraunhofer IME haben keine Hinweise auf besorgniserregende Effekte gezeigt. Es ergibt sich durch unsere Ergebnisse eine konkrete Entwicklungsperspektive für Geotextilien für lebensnahe Anwendungen, die wir nun gemeinsam mit Industriepartnern weiterverfolgen möchten.«

Aufgaben der Partner im Projekt:
• Fraunhofer-Institut für Umwelt‑, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT: Untersuchung der Abbauprozesse für die Biopoylmere, Pyrolyse der Restfraktionen aus den eingesetzten Recyclingprozessen

• Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP: Polymerisation von rPET aus BHET, Durchführung von Spinnprozessen

• Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT: Chemisches Recycling – Depoly-merisation von PET zu BHET aus recycelten Stoffströmen

• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF: Projektleitung, Entwicklung von Additivpaketen für Rezyklate und Biopolymere, Compoundierung

• Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML: Auswahl geeigneter Rohstoffquellen

• Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV: Entwicklung und Durchführung des lösemittelbasierten Recyclings

• Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME: Ökotoxikologische Bewertung

• Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB: auf
Maschinellem Lernen basierende Sortierung für PET aus Textilien

Fraunhofer CCPE – auf dem Weg zur zirkulären Kunststoffwirtschaft

Der Umgang mit Kunststoff muss sich grundlegend ändern. Der Weg zu einer zirkulären Kunststoffwirtschaft, in der weniger fossile Ressourcen entnommen und Produkte länger genutzt werden, ist alternativlos. An dieser Stelle setzt das Cluster Fraunhofer CCPE an. Sechs Fraunhofer-Institute erforschen, wie sich Produkte zirkulär gestalten lassen und wie Plastikmüll in wertvolle Ressourcen verwandelt werden kann. Zum Cluster gehören die Fraunhofer-Institute für Umwelt‑, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, für Angewandte Polymerforschung IAP, für Chemische Technologie ICT, für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, für Materialfluss und Logistik IML, für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV.