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Entsorgungswege und Verwertungsoptionen von Produkten aus biobasierten Polymeren des post-consumer Bereichs

Aufbereitung

In Aufbereitungsanlagen (Letztempfängeranlagen) werden zu entsorgende Pfandflaschen in einem Trocken-Nass-Prozess aufgearbeitet, siehe nachfolgende Abbildung. Bei der Aufbereitung wird ggf. sensorgestützte Sortiertechnik eingesetzt, das Ausgangsmaterial gewaschen, eine Sink-Schwimm-Trennung durchgeführt, das Material getrocknet und ggf. extrudiert. Der Dichteunterschied der einzelnen Kunststoffarten untereinander, als auch zum Trennmedium Wasser, wird zur Separierung unterschiedlicher Kunststoffe bei der Sink-Schwimm-Trennung genutzt.

Biobasierte Polymere im PET-Recycling - Überblick der nachfolgenden Themen:

PET-Recycling

PET-Abfälle gelangen aus dem Pfandsystem oder aber über den LVP-Strom in die Nass-Trocken-Aufbereitung. Derzeit konzentriert sich die Aufbereitung von PET hauptsächlich auf zu entsorgende PET-Flaschen aus dem Pfandsystem oder der Haushaltssammlung. Formstabile Kunststoffe aus PET, wie Schalen oder Trays, werden aktuell nicht werkstofflich recycelt1.

Graphik: G. Hädrich

Eine PET-Recyclinganlage (Letztempfängeranlage zur Aufbereitung) umfasst u.a. folgende Prozessschritte:

  • Materialaufgabe und Sortierung:
    FE- und NE-Abscheidung, NIR-Kontrolle - automatische Sortierung von Fremdpolymeren wie PVC und PLA
  • Zerkleinerung und Grobreinigung (nass):
    Ablösung von Papieretiketten, Befreiung von Feinteilen wie Etiketten, Restpapier, Staub und sonstigen Schwebstoffen
  • Trennstufe 1:
    Sink-Schwimm-Trennung (Grundlage: Dichtedifferenz zwischen Kunststoffen und Trennmedium Wasser) – Absinken der PET-Teilchen (PET besitzt eine höhere Dichte als Wasser), Aufsteigen/-schwimmen der Polyolefine (PE, PP besitzen eine geringere Dichte als Wasser) und anderer Materialien (geringerer Dichte als Wasser)
  • Heiß-Schneckenwaschstufe und Heißwaschstufe:
    Auf- und Ablösen von Kleber und Schmutzpartikeln im Medium aus 2-5 %-iger Natronlauge mit Temperaturen von 50°C-80°C
  • Nachwaschstufe:
    Intensivwäsche zur Entfernung von Resten der Natronlauge
  • ggf. Trennstufe 2:
    nochmalige Sink-Schwimm-Trennung als Sicherheitstrennung abgelöster restlicher Etiketten aus der Heißwaschstufe
  • Nachbehandlung Schwerfraktion (PET):
    Entfernung von Leichtfraktionen (überwiegend Feinstaub/PET-Staub), FE- und NE-Fremdstoffabscheidung und Fehlfarbseparation
  • Abfüllstation

Am Ende der Trocken-Nass-Aufbereitung steht die Herstellung von Rezyklaten, die wieder zur Herstellung diverser Kunststoffprodukte unterschiedlicher Qualität genutzt werden.

Bio-PET, Bio-PE und Bio-PP im PET-Recycling

PET besteht zu 30% aus Monoethylenglykol und 70% aus Terephtalsäure. Hauptanwendungsgebiet für PET sind Getränkeflaschen. Bei Bio-PET ist das Monoethylenglykol pflanzlichen Ursprungs. Die chemische Struktur der Drop-In-Lösung Bio-PET ist identisch mit der von konventionellem PET. Daher sind Flaschen aus Bio-PET, wie konventionelle PET-Flaschen recycelbar und negative Einflüsse auf das werkstoffliche Recycling sind derzeit nicht bekannt und genannt. Auf dem Markt befindliche Bio-PET-Flaschen integrieren sich somit in die bestehenden Entsorgungsstrukturen.2,3

Transparentes amorphes PET-A, was zur Herstellung von Getränkeflaschen eingesetzt wird, hat eine Dichte von 1,33-1,35 g/cm³ 4. Davon ausgehend, dass Bio-PE und Bio-PP die gleichen Eigenschaften wie konventionelles PE bzw. PP aufweisen (die Dichte von Braskem’s Bio-PE (HD) liegt bspw. bei 0,944-0,961 g/cm³ und die von konventionellem PE (HD) bei 0,940-0,970 g/cm³ 5), werden diese Polyolefine in der Sink-Schwimm-Trennung ausgetragen. Somit stellen diese biobasierten Polymere keine Störstoffe im PET-Recycling dar.

PLA-Blends im PET Recycling

PLA-Blends werden derzeit in der Produktion von Folien und formstabilen Kunststoffanwendungen, wie bspw. Bechern eingesetzt. Getränkeflaschen aus PLA-Blends sind momentan (in Deutschland) nicht in der Anwendung. Daher ergeben sich mit dem aktuellen PET-Recycling kaum Berührungspunkte. Vorhandene Studien zum Verhalten von PLA-Blends im PET-Recycling resultieren auf der Tatsache, dass 2004 eine Markteinführung von Getränkeflaschen aus PLA anvisiert war inkl. der damit verbundenen Aussage, dass weniger als 1‰ PLA-Flaschen-Flakes in PET-Recycling-Flakes keine Trübungen/Schleier verursachen6, wodurch ein konkreter Berührungspunkt bestand.

Nachfolgend sind Untersuchungsergebnisse zur Thematik untergliedert in den Aufbereitungsprozess und die Verarbeitung der Rezyklate beschrieben.

> Im Aufbereitungsprozess (Nass-Trocken-Aufbereitung)

In der Sink-Schwimm-Trennung werden Materialien unterschiedlicher Dichte separiert. PLA besitzt neben PVC, PS und PET eine Dichte > 1 g/cm³ (PLA: 1,25-1,29, PVC: 1,24-1,40, PS: 1,03-1,05, PET: 1,33-1,40 - jeweils in g/cm³ 7,8). Im Rahmen der Verarbeitung kann die Dichte allerdings abnehmen, z.B. bei geschäumtem Material. Ist die Dichte > 1 g/cm³ sinken PLA-Blends während der Sink-Schwimm-Trennung mit PET in die Sinkfraktion ab.

Die Sinkfraktion – Hauptbestandteil ist PET, die Zielfraktion beim PET-Recycling – gelangt anschließend in die Heißwaschstufe. Am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV wurde im Labormaßstab ein erster gemeinsamer Waschversuch von PLA-Blend- und PET-Flakes im Becherglas mit Temperaturen von 50 – 80°C, ohne und mit Natronlauge (NaOH) simuliert. Als Ergebnis wird zunächst festgehalten, dass die PLA-Proben während des simulierten Waschprozesses nicht zerfallen sind, sich keine klebrigen Rückstände oder Filme bildeten sowie keine Verschmutzungen im Waschwasser erkennbar waren.9
Zum Verhalten von PET- und PLA-Blend-Flakes in der Heißwaschstufe im Industriemaßstab sind keine wissenschaftlichen Untersuchungen bekannt.

Sofern sich die Beobachtungen aus den Versuchen des Fraunhofer-Instituts IVV bestätigen, ordnen sich PLA-Blends im PET-Recycling auf der Ebene der Störstoffe PVC und PS ein. Beide Stoffe sinken in der Sink-Schwimm-Trennung zusammen mit PET ab und sind schwer auszusortieren. Die NIR-Sortierung ist laut van Dongen et al (2011) derzeit die einzig nutzbare Methode, um PLA von PET zu separieren.10

> In der Verarbeitung der Rezyklate

Eine gemeinsame Verarbeitung von PET-Rezylaten (Flakes) und PLA-Blend-Bestandteilen ist aufgrund unter-schiedlicher Glasübergangs - und Schmelztemperaturen von PLA und PET mit Schwierigkeiten behaftet2. Die Glasübergangstemperatur von PLA liegt zwischen 50°C und 65°C und die Schmelztemperatur bei 170°C bis 190°C7. Bei PET liegen die Glasübergangstemperatur bei 60-90°C12 und die Schmelztemperatur bei 250-260°C8.

PET wird bei Temperaturen von ca. 160°C und über einen Zeitraum von 4 – 6 Stunden getrocknet. Laut van Dongen et al. (2011) wird PLA während des Trocknungsprozesses schmelzen oder mit PLA verunreinigte PET-Flakes bilden Verbünde oder kleben zusammen und behindern somit die Weiterverarbeitung.10
Endres et Kitzler (2013) berichten ebenfalls, dass aufgrund der Vortrocknung des PET bei 140°C über 4 h, um den für die Weiterverarbeitung des PETs benötigten geringen Feuchtigkeitsgehalt zu erzielen, das eingeblendete PLA bereits zu erweichen beginnt. Dies führte zu einem Verklumpen der kontaminierten Granulate und somit zu Schwierigkeiten in der weiteren Verarbeitung.12

Laut Cornell (2007) treten erkennbare Probleme ab einem Biopolymeranteil von 0,1% im PET auf (gemeint sind Biopolymere aus nicht-fossilen Ressourcen, bspw. PLA und PHA), wobei die 0,1% eine allgemeine Grenze für inkompatible Materialien im PET darstellt13.
In einer Untersuchung, die von Petcore beauftragt wurde, machen ebenfalls bereits weniger als 0,1% PLA in recyceltem PET das Recycling-PET-Granulat ungeeignet für die meisten Anwendungen und reduzieren somit den Recyclingwert von PET drastisch14.
Laut La Mantia et al. (2013) reduzieren 1% PLA in PET die Transparenz deutlich15.
Endres et Kitzler (2013) konstatieren anhand eigener Untersuchungsergebnisse von PLA-PET-Kombination eine generelle schlechte Mischbarkeit beider Polymertypen, die für den weiteren Einsatz von kontaminierten PET-Rezyklate unakzeptabel ist12.

Stärkeblends, Celluloseregenerate und -derivate im PET-Recycling

Stärkeblends werden überwiegend in Anwendungen genutzt, die nicht den PET-Anwendungen entsprechen, weshalb eine Vermischung momentan ausgeschlossen wird12. Dennoch sollen sie betrachtet werden, ebenso wie Celluloseregenerate und -derivate.

Stärkeblends können sowohl im Folien- als auch Spritzgussbereich zum Einsatz kommen. Stärke oder thermoplastische Stärke (TPS) nehmen dabei im Blend einen Anteil von max. 70 Gew.-% ein. Häufig liegt der Anteil allerdings darunter16.
Die Dichte von Stärkeblends bzw. einem auf Stärke basierendem Compound liegt zwischen 1,10-1,40 g/cm³ 16, als Spritzgießartikel zwischen 1,17-1,25 g/cm³ 4. Somit würden Teile aus Stärkeblends im Sink-Schwimm-Verfahren der PET-Aufbereitung mit den PET-Flakes absinken.
In Bezug auf die Heißwäsche ist zu erwähnen, dass reine thermoplastische Stärke eine Glasübergangstemperatur von 80°C besitzt. Durch Zugabe von Weichmachern kann diese verringert werden. Für Stärkeblends werden Glasübergangstemperaturen im Bereich von 40-100°C genannt.16

Cellulose-Regeneratfolien werden u.a. zu Cellophanfolie veredelt und im Verpackungsbereich eingesetzt. Cellulosederivate kommen bspw. als Folien, Bedarfsgegenstände und Kosmetikverpackungen zum Einsatz.16
Formmassen aus Cellulosederivaten haben eine Dichte zwischen 1,16-1,29 g/cm³ 7. Somit würden diese ebenso in die Sinkfraktion in der Sink-Schwimm-Trennung der PET-Aufbereitung gelangen.
Die Glasübergangstemperatur wird für Cellulose-Derivate zwischen 60-80°C angegeben16.

Über beide Kunststoffarten (Stärkeblends sowie Cellulose-Regenerate und -Derivate) lässt sich diskutieren, ob diese sich im Aufbereitungsprozess lösen und zerfallen und konventionelle Kunststoffe mit einem Film überziehen, wodurch der Aufbereitungsprozess bzw. die Rezyklatverarbeitung beeinträchtig würden.


1Scriba, M. (2014): Falscher PET-Einsatz: „Das kann so nicht bleiben!“. bvse-Fachverband Kunststoffrecycling. News vom 14.07.2014, (17.07.2014)
2Bühler, R., Herzog, R. (2011): Geschäftsbericht 2011. Verein PRS | PET-Recycling Schweiz, Zürich
3Wuermli, J.-C. (2012): Biokunststoff gibt es nicht. PET-Recycling Schweiz (26.03.2014)
4Baur, E., Brinkmann, S., Osswald, T. A., Rudolph, N., Schmachtenberg, E. (2013): Seachtling Kunststoff Taschenbuch. © Carl Hanser Verlag, München
5Kaiser, W. (2011): Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung. 3. Aufl. © Carl Hanser Verlag, München
6NatureWorks (2005): NatureWorks® PLA in the Recycling Stream in the United States. NatureWorks LLC
7Kabasci, S. eds (2014): Bio-Based Plastics: Materials and Applications. John Wiley & Sons, Ltd.
8Moeller, E. (2014): Handbuch Konstruktionswerkstoffe: Auswahl, Eigenschaften, Anwendungen. Carl Hanser Verlag, München
9Siebert, T. (2013): Lösungsmittelbasiertes Recycling von PLA-haltigen post-consumer Abfällen. Vortrag auf der „6. Biokunststoffe“, Duisburg, 6. März 2013
10van Dongen, C., Dvorak, R., Kosior, E. (2011): Design Guide for PET Bottle Recyclability. European Federation of Bottled Waters (EFBW) and Union of European Beverages Associations (UNESDA)
11Hellerich, W., Günther, H., Baur, E. (2010): Werkstoff-Führer Kunststoffe Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. © Carl Hanser Verlag, München
12Endres, H.-J., Kitzler A.-S. (2013) Mehrfachnutzung von Biopolymerwerkstoffen FKZ: 22029208. Schlussbericht. Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, Hannover
13Cornell, D.D. (2007): Biopolymers in the Exiting Postconsumer Plastic Recycling. In Journal of Polymers and the Environment 15, pp. 295 - 299, Springer Science+Business Media, LLC
14Plasticker (2008): Petcore Evaluation of Polylactid acid (PLA). Plastiker-News vom 19.02.2008 (26.03.2014)
15La Mantina, F. P., Botta, L., Scaffaro, R., Morreale, M. (2013): The effects of PLA in PET recycling systems. In MACPLAS INTERNATIONAL, Promaplast Srl - Centro Direzionale Milanofiori
16Endres, H.-J., Siebert-Raths, A. (2009): Technische Biopolymere – Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. © Carl Hanser Verlag, München