Increasing Recycling Quality by Sensor-based Sorting of Plastic Waste according to Property Profiles

Damit ¿ im Sinne einer Kreislaufwirtschaft ¿ Sekundärmaterialien vermehrt zur Substitution von Primärmaterialien eingesetzt werden, müssen Funktionalitäten während des Recyclings aufrechterhalten werden. In dieser Dissertation wurde untersucht, wie dies für Kunststoffverpa-ckungsabfälle umgesetzt werden kann: Zuerst wurde ermittelt, ob örtlich und zeitlich ausrei-chende Mengen für anwendungsspezifisches Recycling (bspw. Lebensmittelkontakt) zur Verfü-gung stehen und somit eine ökonomische Grundvoraussetzung hierfür besteht. Dazu wurde eine Probenahme-Kampagne in Österreich durchgeführt, in deren Verlauf ~1.100 kg Leichtver-packungsabfall auf Partikelebene (55.197 Partikel) hinsichtlich recyclingrelevanter Eigenschaf-ten charakterisiert wurden. Der daraus resultierende Datensatz wurde anschließend ausgewer-tet. Kernergebnis ist, dass die gesammelten Mengen in Österreich für anwendungsspezifisches Recycling zeitlich konstant verfügbar sind. Die nachfolgende Untersuchungen befassten sich mit Polypropylen, welches u. a. wegen seiner leichten Modifizierbarkeit häufig für Verpackun-gen eingesetzt wird. Zunächst wurde die Variabilität von Polypropylen in formstabilen Verpa-ckungen untersucht, indem technische Datenblätter von 113 Neuware-Grades analysiert sowie 20 ausgewählte Post-Consumer-Verpackungen charakterisiert wurden. Die Ergebnisse zeigten große Schwankungen der technischen Eigenschaften, bspw. bei den Post-Consumer-Verpackungen hinsichtlich Schlagzähigkeit (4¿10 kJ m-2), Zugmodul (800¿1.990 MPa), Schmelzflussrate (2¿90 g 10 min-1), 143 chemische Substanzen sowie Mehrschicht-Designs. Verbindet man diese Ergebnisse mit den visuellen Merkmalen der Post-Consumer-Verpackungen (Verarbeitungsart, Füllgut), können Zusammenhänge zwischen technischen Eigenschaften und äußeren Merkmalen gefolgert werden (bspw. chemische Belastung von Lebensmittel-Verpackungen). Anschließend wurden sensorbasierte Sortierstrategien unter-sucht: Durch die Sortierung von 2.240 kg Polypropylen-Post-Consumer-Verpackungen nach Opazität/Transluzenz konnten Rezyklate mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen gewonnen werden: Da der Anteil statistischer Copolymere bei klaren Verpackungen höher ist, wies das klare Rezyklat eine geringere Steifigkeit (1.154 MPa vs. 1.424 MPa) auf. Zusätzlich reduzierte der höhere Anteil blasgeformter und thermogeformter Artikel im klaren Rezyklat dessen Schmelzflussrate (9.1 g 10 min-1 vs. 17.2 g 10 min-1). Zusätzlich wurde im Labormaßstab ein direkter Zusammenhang zwischen einer technischen Eigenschaft (Schmelzflussrate) und Che-mismus von Post-Consumer-Verpackungen aus Polypropylen untersucht: Mittels hyperspektra-ler Bildgebung erhobene Nahinfrarotspektren wurden für Regressionsmodelle verwendet. Beste Ergebnisse wurden für weißes Polypropylen mit R2=0,85 und RMSE von 12,4 g 10 min-1 erzielt. Die anschließende binäre Klassifizierung bei verschiedenen Schwellenwerten (6, 12, 30, 60 g 10 min-1) erreicht balancierte Genauigkeiten von 0,82¿0,92. Die Ergebnisse zeigen die Nützlichkeit von Eigenschaftsprofilen zur Steigerung der Qualität im Kunststoffrecycling: Eine detaillierte Material-Charakterisierung auf Abfall- und Rezyklatebene ermöglicht die Weiterent-wicklung der sensorbasierten Sortierung und die Abschätzung von Mengenpotenzialen. Für die Erreichung einer Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen sind interdisziplinäres Fachwissen aus den Bereichen Materialwissenschaft und Recyclingtechnologie sowie die Kommunikation zwi-schen den Akteuren entlang der gesamten Wertschöpfungskette unerlässlich.