Einfluss der Mehrfachverarbeitung auf die Eigenschaften von Polyolefinen und Polystyrol sowie Untersuchung der Eignung von inline Raman-Spektroskopie während des Verarbeitungsprozesses für die Feststellung von Materialkontaminationen

Die zunehmende Transformation zu einer zirkulären Wirtschaftsweise in der Europäischen Union erfordert auch von der Verpackungsindustrie erhebliche Anpassungen. Auf dem Weg zu geschlossenen Materialkreisläufen („Closed Loop“) stehen jedoch zahlreiche, vor allem technische Hürden. Im FFG-geförderten Projekt „Pack2theLoop“ wurden einige dieser Herausforderungen untersucht, darunter die Herstellung optimierter Post-Consumer-Rezyklate, die Entwicklung geeigneter Anwendungen sowie die Analyse der toxikologischen Unbedenklichkeit. Diese Arbeit ergänzt diese Aspekte durch die Untersuchung des Materialverhaltens bei mehrfacher zyklischer Verarbeitung sowie die Evaluierung von Raman-Messungen als spektroskopische Inline-Qualitätskontrolle während des Recyclingprozesses.
Simuliert wurden mehrfache Lebenszyklen durch die zehnfache Verarbeitung von Polypropylen- und Polystyrol-Post-Consumer-Rezyklaten (rPP- und rPS-PCR). Diese wurden sowohl unstabilisiert als auch in Verbindung mit antioxidativ, bzw. schlagzähigkeitsmodifizierend, wirksamen Masterbatchrezepturen verarbeitet. Alle fünf Materialvarianten (2× rPP, 3× rPS) wurden zehnmal compoundiert; die rPP-Mischungen (nicht stabilisiert/stabilisiert mit 3 Gew.-% Antioxidationsmasterbatch) zusätzlich zehn kompletten Verarbeitungszyklen (Compoundierung, Spritzgießen, Zerkleinern) unterzogen. Die Entwicklung der Materialeigenschaften wurde mittels rheologischer Analysen, Oxidationsversuchen, Zugversuchen und Gel-Permeationschromatographie zur Bestimmung der Molmassenverteilungen untersucht.
Die Analysen zeigten deutliche Eigenschaftsveränderungen über zehn Verarbeitungszyklen, insbesondere bei nicht stabilisierten Rezyklaten. Beispielsweise reduzierte sich das Gewichtsmittel der Molmasse bei unstabilisiertem rPP um fast 60 % zwischen dem ersten und zehnten Verarbeitungszyklus (vollständig zyklische Verarbeitung). Insgesamt konnte gezeigt werden, dass eine zielgerichtete Stabilisierung der Rezyklate den Materialabbau, auch über mehrere Verarbeitungszyklen, deutlich verlangsamen kann und damit potentiell die wiederholte zyklische Nutzung der Materialien erlaubt.
Die Etablierung der Raman-Messungen als Inline-Qualitätskontrolle war von einer Vielzahl an praktischen Herausforderungen begleitet und kann zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht als ausgereift beschrieben werden. Grundsätzlich funktionieren die Erkennung polymerspezifischer Spektren und die Identifikation von Mischungen (Gehalt an Fremdpolymer 1–50 Gew.-%) der untersuchten Reinpolymere PP, HDPE und PS zuverlässig, bei sehr niedrigen Fremdpolymergehalten (1–2 Gew.-%) bestehen jedoch noch Probleme. Die gewählte Methode, Intensitäten einzelner Peaks mit theoretischen Sollspektren zu vergleichen, liefert keine hinreichend genauen Ergebnisse zur Materialgehaltsbestimmung. Daher wird der Einsatz eines chemometrischen Modells empfohlen. Zusätzlich wurden Regressionsmodelle für spezifische Raman-Peaks der Reinmaterialien erstellt, die für Zweistoffsysteme, etwa zur Bestimmung des Polystyrolgehalts, eine gute Prognose ermöglichen.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die Raman-Spektroskopie nach Optimierung der Prozesse eine sinnvolle Ergänzung für die Inline-Qualitätssicherung im Kunststoffrecycling darstellen kann.