Die Unternehmen der Otto Krahn Gruppe zeigen auf der Fakuma 2024, dass Nachhaltigkeit, Funktionalität und gutes Design vereinbar sind.

Die Rückseite des Fairphone 5 besteht aus 100 % PCR. Das entsprechende PC dafür stammt von Mocom. Es ermöglicht auch ein transparentes Design, ohne schwarze Stippen.

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Ansprechende Designs mit Recyclingmaterialien

Alpla plädiert mit der Kampagne #daskannkunststoff für eine faktenbasierte Betrachtung des Wertstoffs in der Öffentlichkeit. Am 9. Oktober lud das Unternehmen Vertreter aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zum Dialog nach Berlin ein.

Alpla lud am 9. Oktober rund 100 Gäste aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zum Dialog über die Kunststoff-Kreislaufwirtschaft nach Berlin.

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Alpla plädiert mit der Kampagne #daskannkunststoff für eine faktenbasierte Betrachtung des Wertstoffs in der Öffentlichkeit.

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#daskannkunststoff: Dialog zu den Vorteilen von Kunststoff

Audi setzt bei einigen A3-Modellen künftig Rezyklate in den Kühlschutzgittern ein. Die Rezyklate stammen selbst aus lackierten Kühlerschutzgittern.

Das Kühlerschutzgitter ist nicht nur in der Produktion sondern auch beim Recycling ein anspruchsvolles Bauteil.

Lackierte Sichtbauteile mit Rezyklaten serienmäßig im Audi A3

Blend

Polyethylenterephthalat

Kühlerschutzgitter zu Kühlerschutzgittern

Die neue Studie „Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 2023“ zeigt Rückgänge bei Produktion, Verbrauch und Verarbeitung von Kunststoffen.

Die Studie „Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 2023“ liefert Daten zu Produktion, Verarbeitung und Verbrauch in verschiedenen Einsatzgebieten, Abfallaufkommen und Wiederverwertung.

Kunststoffverarbeitung

Lohnfertigung

Weniger fossile Kunststoffe, mehr Rezyklateinsatz

Marker stellen eine Alternative zu klassischen Sortiertechniken für Kunststoffabfälle dar. Am Fraunhofer IMWS wurde dafür eine neue Technologie entwickelt.

Die Markertechnologie ermöglicht nicht nur die Bestimmung des Kunststoffs, sondern kann auch für den Kampf gegen Produktpiraterie genutzt werden.

Nachverfolgen und Authentifizieren von Kunststoffbatches

Additive

Markieren und identifizieren

Ohne Additive wären die meisten Kunststoffe ziemlich nutzlos. Lange dominierten fossile Verbindungen, nun gibt es immer mehr biobasierte Alternativen.

Biogene Additive könnten sich als Bausteine für eine grünere Zukunft von Kunststoffen erweisen. 

Biogene Additive als Alternativen zu fossilen Zusatzstoffen

Stabilisatoren

Biokunststoffe

Flammschutzmittel

Hilfsstoffe auf dem Weg in eine  grünere Zukunft

Die aktuell in Autos genutzten Materialverbunde lassen sich häufig nicht recyceln. Bei Mercedes setzt man deshalb seit Kurzem auf Monomaterialsandwiche.

Als Vergleichsbauteil für den in Serie genutzten naturfaserbasierten Multimaterialansatz und das kreislauffähige PET-Monomaterialsandwich wurde die biegebelastete Türtasche der Türverkleidung der Mercedes-Benz E-Klasse herangezogen.

Monomaterial ersetzt Multimaterialverbunde im Automobilinnenraum

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Leichtbau

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Nicht nur leicht, sondern auch recycelbar

PA werden im Automobil häufig mit kupfer- oder halogenhaltigen Additiven stabilisiert. Eine Alternative mit weniger Nachteilen können polymere Amine sein.

Im Motorraum von Elektrofahrzeugen herrschen andere Bedingungen als bei Verbrenner. Das bietet nicht nur Chancen für neue Materialien, sondern auch für andere Additive.

Polymere Aminstabilisatoren verbessern die thermische Beständigkeit von PA66

Polyamide

Stabil auch ohne Kupfer und Halogen

UniteChem erweitert sein Portfolio hochleistungsfähiger Lichtstabilsatoren.

Das neue UniteChem LS119 eignet sich speziell für den Einsatz in PE-Gewächshausfolien

Neue Lichtstabilisatoren aus China

Auf der Messe zeigt der chinesische Additivhersteller UniteChem sein erweitertes Sortiment an Lichtstabilisatoren.

Messe K-Kunststoffmesse

Polyethylen

Polypropylen

Polyolefine stabilisieren

Um den Rezyklatanteil in Produkten zu erhöhen, müssen deren Eigenschaften verbessert werden. SI hat dafür Additive zur Farbkontrolle bei PET vorgestellt.

Mit der Additive-Reihe ist eine verbesserte Farbkontrolle bei PET-Rezyklaten möglich.

Additive zur Stabilisierung und Farbkontrolle

Eigenschaften von PET- und PE-Rezyklaten verbessern

Die CO2-Bilanz von Kunststoffprodukten kann auch durch eine längere Lebensdauer verbessert werden. Dabei helfen auf der K 2022 vorgestellte Additive.

Durch den Lichtstabilisator können Mulchfolien länger im Einsatz bleiben.

Anti-Scratch-Additiv und Lichtstabilisator

Längere Lebensdauer für Mulchfolien

Die Qualität von Rezyklaten lässt sich sehr gut durch geeignete Additive verbessern. Ein Überblick über die Vielfalt der Produkte und deren Anbieter.

Vitamine für die Kreislaufwirtschaft

Recyclingmaschinenbauer Erema präsentiert auf der Fakuma unter anderem die Intarema TVEplus. Auch die Next Generation Recyclingmaschinen GmbH zeigt ihr breites Maschinenportfolio.

Die Intarema TVEplus-Technologie eignet sich kombiniert mit dem Anti-Geruch-System ReFresher für Regranulat u. a. für Lebensmittelverpackungen.

Auf der diesjährigen Fakuma präsentiert Hexpol TPE das erweiterte Portfolio an Dryflex Circular TPE-Materialien, welche Post-Consumer- und / oder Post-Industrial-Rezyklate enthalten.

Thermoplastische Elastomere

Neue TPE-Typen mit recycelten Materialien

Den Stabilisatorgehalt in Rezyklaten während der Compoundierung messen

Additivgehalt von Rezyklaten online bestimmen

Der Stabilisatorgehalt in Kunststoffabfällen unterscheidet sich stark. Das macht eine Nachstabilisierung von Rezyklaten aufwendig und zeitintensiv. Die Online-Messung der Dehn- und Scherviskosität ermöglicht eine Stabilisierung von recycelten Kunststoffen direkt in der Compoundierung.

Die Stabilisierung von Altkunststoffen ist aufwendig. Die Online-Messung in der Compoundierung ermöglicht nun eine Stabilisierung direkt in der Produktion.

Kunststoffe als organische Substanzen degradieren in Gegenwart von Sauerstoff aus der umgebenden Luft. Diese Autooxidationsprozesse finden bereits bei Umgebungstemperatur und erst recht unter den Bedingungen der Schmelzeverarbeitung statt. Durch das Einbringen von Antioxidantien in die Polymere lassen sich die Oxidationsvorgänge zielgerichtet verlangsamen. Das ermöglicht erst die Herstellung von Kunststoffprodukten etwa im Spritzgießverfahren. Bei einer Formulierungsentwicklung sind deshalb zunächst langwierige Versuchsreihen notwendig, um den optimalen Anteil an Antioxidantien zu ermitteln. Kombinierte rheologische Online-Untersuchungen der Dehn- und Scherviskosität bieten jedoch das Potenzial, die entsprechenden Entwicklungsschritte signifikant zu beschleunigen.

Bei der Autooxidation handelt es sich um eine radikalische Kettenreaktion mit dem Luftsauerstoff, die durch Wärme oder Licht initiiert wird. Eines der reaktivsten daran beteiligten Radikale ist das Hydroxylradikal. Dieses und ähnlich reaktive Radikale werden durch primäre Antioxidantien gebunden. Der Angriff des OH-Radikals auf organische Substanzen führt zusammen mit dem O2-Molekül zur Bildung von sogenannten Hydroperoxiden. Durch letztere werden während der radikalischen Kettenreaktion OH-Radikale neu gebildet. Sekundäre Antioxidantien deaktivieren Hydroperoxide, wodurch keine Neubildung von OH stattfindet. Zur bestmöglichen Stabilisierung sind somit zwei Typen von Antioxidantien erforderlich. Sie wirken synergistisch. Das primäre Antioxidans enthält häufig phenolische Strukturen, während es sich bei dem sekundären zum Beispiel um ein organisches Phosphit handelt (Bild 1).

Handelsübliche Kunststoffneuware ist in der Regel bereits ab Werk mit auf die jeweilige Anwendung hin abgestimmten Kombinationen von Stabilisatoren ausgerüstet. Bei der Entwicklung neuer Kunststoffcompounds muss jedoch vor dem Hintergrund von Ressourcenschonung und Wirtschaftlichkeit die optimale Menge an Verarbeitungsstabilisatoren gezielt ermittelt werden. Diese Herausforderung stellt sich in besonderem Maße beim Recycling von Kunststoffabfällen, in denen die Stabilisatoren in unterschiedlichem Maße verbraucht sind. Für die Compoundierung des Mahlguts zu Rezyklaten und deren Weiterverarbeitung etwa im Spritzgießen kommt es darauf an, die Stabilisatoren in Anteilen genau passend zu den Kunststofftypen und deren Alterungszustand zu dosieren.

Bei dem bisher üblichen Vorgehen werden Konzentrationsreihen, also Compounds mit unterschiedlichen Anteilen der Antioxidantien, hergestellt. Mittels verschiedener Tests wie der Messung der Schmelzevolumenfließrate (MVR, nach der Norm DIN 1133-1) werden die Compounds anschließend offline charakterisiert [1 - 3]. Belastbare Ergebnisse liegen somit erst nach dem eigentlichen Compoundierungsschritt vor. Dieses Vorgehen ist sowohl zeit-, energie- als auch ressourcenintensiv.

Messung des Prozessstabilisatorgehalts während der Compoundierung

Ein alternativer Ansatz wurde am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF untersucht. Bei diesem wird bereits während der Compoundierung die Schmelze charakterisiert, um dadurch zeitnah Aussagen über die Wirksamkeit der aktuellen Stabilisatorzugabe zu erhalten. Dazu werden mit einem Online-Rheometer (Typ: LDR 11, Hersteller: Leistritz Extrusionstechnik), das hinter den Schneckenspitzen an einen Doppelschneckenextruder (Typ: MIC-27, Hersteller: Leistritz Extrusionstechnik GmbH) angeflanscht ist, die Fließkurven sowohl der Scher- als auch der Dehnviskosität zeitgleich gemessen (Bild 2). Dabei wird eine konstante Dehnströmung genutzt, die durch die Düsengeometrie mit hyperbolischer Verengung erzeugt wird.

Im industriellen Maßstab kommt die Online-Rheologie bereits in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. In vielen, vor allem älteren, bestehenden Produktionsstandorten für Polypropylen (PP) entsteht in Batchprozessen ein Polymer mit hoher Molmasse [4]. Die Molmasse bzw. der MVR-Wert variiert dabei von Batch zu Batch erheblich. In einem nachgelagerten reaktiven Extrusionsprozess wird durch Peroxidzugabe gezielt ein Molmassenabbau durchgeführt (Visbreaking). Dabei wird der Anteil des zugefügten Peroxids durch Online-Rheologie so gesteuert, dass aus den unterschiedlichen Chargen Produkte mit einheitlicher MVR resultieren [4]. Analog wird bei der Herstellung von Textilfasern aus Polyethylenterephthalatmahlgut (PET) gezielt ein Molmassenabbau durchgeführt, indem bei dem Extrusionsprozess zur Rezyklatherstellung die Restfeuchte zur Hydrolyse und damit zum Molmassenabbau herangezogen wird. Der mittels Online-Rheologie ermittelte Fließindex dient als Rückkoppelungsparameter zur Regelung des Unterdrucks in der Entgasungszone und damit für die Intensität der Trocknung [5].

Je höher die Drehzahl, desto höher  der Abbau

Für die Versuche am Fraunhofer LBF wurde an einem wenig stabilisierten Neuware-PP verschiedene Alterungszustände durch die Extrusion mit unterschiedlichen Schneckendrehzahlen nachgestellt. Mit zunehmender Schneckendrehzahl steigt der Eintrag an Scherarbeit, der wiederum zu lokalen Temperaturüberhöhungen führt. Diese äußern sich in einem verarbeitungsbedingten Abbau, also einer Alterung des Kunststoffs. Diese Alterung ist mit einem Bruch der Polymerketten verbunden, was zu niedrigeren Molekulargewichten und Schmelzeviskositäten führt. Dementsprechend verschieben sich die Fließkurven der online gemessenen Scher- und Dehnviskositäten mit zunehmender Schneckendrehzahl monoton zu niedrigeren Werten hin (Bild 3). Das bedeutet: Je höher die Schneckendrehzahl desto höher ist der beobachtete Abbau.

Zur Überprüfung der mittels des Online-Rheometers erhaltenen Ergebnisse wurde die MVR mit einem Schmelzindexprüfgerät in Anlehnung an EN ISO 1133 und ASTM D1238 bestimmt. Das Ausgangsgranulat weist einen MVR von 10 cm3/10 min auf. Bei 250 °C und einer Drehzahl von 100 rpm tritt ein deutlicher Materialabbau auf, was sich in einer signifikanten Erhöhung des MVR-Werts auf 22 cm3/10 min äußert. Die Erhöhung der Drehzahl bei gleicher Temperatur auf 400 rpm führt zu einem noch stärkeren Molekülabbau (MVR-Wert von 38 cm3/10 min) (Bild 4). Es zeigt sich eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen den online gemessenen Fließkurven und den im Labor bestimmten MVR-Werten. Für weitere Betrachtungen wurde deshalb auf diese Überprüfungsmethode verzichtet.

Bild 5 zeigt die Fließkurven bei unterschiedlichen Anteilen eines gängigen kommerziellen Verarbeitungsstabilisators für die Verarbeitung bei unterschiedlichen Scherraten (Drehzahlen). Ohne Additivzusatz ergeben sich dieselben Kurven wie für die entsprechenden Drehzahlen in Bild 3.

Beispielsweise zeigt sich bei 100 rpm und der Zugabe von 0,1 % Stabilisator eine deutliche Verschiebung der Fließkurve hin zu höheren Viskositätswerten (Bild 5, links). Eine Verdopplung des Anteils auf 0,2 % führt zu einer weiteren leichten Erhöhung der Viskositätswerte, während eine Zugabe von 0,3 % praktisch keine weitere Verbesserung bringt. Somit wird sich bei 100 rpm mit einer Additivzugabe von 0,2 % ein verarbeitungsbedingter Abbau praktisch unterdrücken lassen. Ein noch höherer Anteil hat dann keinen weiteren Effekt mehr.

Bei 300 rpm verschieben sich die Fließkurven mit zunehmendem Additivanteil ebenfalls in Richtung höherer Viskositätswerte (Bild 5, rechts). Allerdings werden mit 0,3 % Stabilisator noch nicht die Viskositätswerte erreicht, die während der Verarbeitung bei 100 rpm bereits mit einem Gehalt von 0,2% erzielt wurden. Bei 300 rpm ist der verarbeitungsbedingte Abbau deutlich höher als bei 100 rpm. Er kann selbst mit einem Stabilisatoranteil von 0,3 % nicht vollständig unterbunden werden.

Die durchgeführten Experimente zeigen, dass sich mittels Online-Rheologie bereits während der Verarbeitung Informationen zur Auswirkung eines Verarbeitungsstabilisators erhalten lassen. Das wird künftig die Entwicklung von neuen Formulierungen beschleunigen. Außerdem unterscheiden sich die Fließkurven zwischen den einzelnen Kunststoffen und beinhalten somit einen wesentlich höheren Informationsgehalt als der einzelne numerische Wert einer MVR-Messung. Zusätzlich können die Fließkurven der Dehnviskosität mit in die Auswertung einbezogen werden. Mittels eines entsprechenden KI-gestützten Systems bietet die Online-Rheologie das Potenzial für eine in Echtzeit durchführbare, chargenangepasste Nachstabilisierung bei der Rezyklatgewinnung.

[1] Pearson L.T., Sousa M.: Optimization of stabilizer formulations for polyolefin processing. Polym. Eng. Sci. 32 (1992), S.475–80.

[2] Tsenoglou C.J., Kartalis C.N., Papaspyrides C.D., Pfaendner R.: Modeling the Role of Stabilizing Additives During Melt Recycling of High-Density Polyethylene. J. Appl. Polym. Sci. 80 (2001) S. 2207–17. <a href="https://doi.org/10.1002/app.1324" target="_blank">https://doi.org/10.1002/app.1324</a>

[3] Tsenoglou C.J., Kartalis C.N., Papaspyrides C.D., Pfaendner R.: Restabilization of Recycled, CaCO3-Filled Polypropylene: Assessment of Reprocessing Induced Modifications and Processing Stabilizer Effectiveness. Adv. Polym. Technol. 21 (2002) S. 260–67.

[4] Wolf S., Miethlinger J.: Control Strategies for Reactive Extrusion of Polypropylene by Peroxide Degradation. A Brief Review and an Experimental Study. Intern. Polymer Processing XXXVI (2021) 5 S.472–498

[5] <a href="https://www.textiletechnology.net/fibers/news/gneuss-extrusion-line-for-pet-recycling-for-ktdi-33575" target="_blank">https://www.textiletechnology.net/fibers/news/gneuss-extrusion-line-for-pet-recycling-for-ktdi-33575</a>.

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Bereich Kunststoffe

https://www.lbf.fraunhofer.de

Ausgabenartikel KU08-23

Kunststoffabfälle weisen häufig einen sehr unterschiedlichen Stabilisatorgehalt auf. Dieser muss im Aufbereitungsprozess genau bestimmt werden.

Bild 1. Schema des Radikalzyklus: Die beiden Typen von Antioxidantien wirken an unterschiedlichen Stellen, ergänzen sich aber in der Wirkung.

Bild 2. Schema des Versuchsaufbaus mit Doppelschneckenextruder und Online-Rheometer (links) und Foto des Aufbaus (rechts): Das Online-Rheometer ist direkt hinter den Schneckenspitzen platziert und misst sowohl die Scher- als auch der Dehnviskosität.

Bild 3. Fließkurven der Scherviskosität bei unterschiedlichen Schneckendrehzahlen und einer Verarbeitungstemperatur von 250 °C: Bei zunehmender Drehzahl sinkt die Scherviskosität.

Bild 4. Schmelzevolumenfließrate von PP-Proben: Bei höheren Drehzahlen steigt die MVR, was auf einen Abbau der Polymerketten schließen lässt.

Bild 5. Fließkurven der Scherviskosität bei unterschiedlichen Anteilen einer Stabilisatorkombination: Bei 100 rpm Schneckendrehzahl (links) erhöht sich die Scherviskosität ab 0,2 % Stabilisatorgehalt nicht mehr, bei 300 rpm steigt diese hingegen bei höherem Gehalt noch an. 

KU 8-23_Fraunhofer LBF - Hauptartikel

Den Stabilisatorgehalt in Rezyklaten online messen

Dr. Bernd Steinhoff ist Senior Scientist in der Abteilung Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung im Bereich Kunststoffe am Fraunhofer LBF; <a href="mailto:bernd.steinhoff@lbf.fraunhofer.de">bernd.steinhoff@lbf.fraunhofer.de</a>

Dr. Christian Beinert leitet die Abteilung Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung im Bereich Kunststoffe am Fraunhofer LBF; <a href="mailto:christian.beinert@lbf.fraunhofer.de">christian.beinert@lbf.fraunhofer.de</a>

Dr. Elke Metzsch-Zilligen ist Leiterin der Abteilung Additivierung und Dauerhaftigkeit im Bereich Kunststoffe am Fraunhofer LBF; <a href="mailto:elke.metzsch-zilligen@lbf.fraunhofer.de">elke.metzsch-zilligen@lbf.fraunhofer.de</a>

Dr. Robert Brüll leitet die Abteilung Materialanalytik und Charakterisierung im Bereich Kunststoffe am Fraunhofer LBF, <a href="mailto:robert.bruell@lbf.fraunhofer.de">robert.bruell@lbf.fraunhofer.de</a>

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts Waste4Future durchgeführt. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung.