Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET®

Forschungsschwerpunkt

Recycling von (Bio-)Kunststoffen und Verbundwerkstoffen

Um möglichst hochwertige Wiederverwertungsoptionen für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe zu eröffnen, betrachten wir am HOFZET die Eigenschaften von Rest- und Abfallstoffen zur Nutzung und Strategieentwicklung für Bauteilrecycling, werkstoffliches und rohstoffliches Recycling. Beim Recycling von (teil-)biobasierten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen stellen wir uns der besonderen Herausforderung, die heterogenen Stoffströme und Materialkombinationen aufzutrennen und die Recyclingprozesse auf die sich sehr unterschiedlich verhaltenden Komponenten auszulegen und zu adaptieren. Somit lassen sich durch den Wiedereinsatz von Materialien ökologische mit ökonomischen Vorteilen kombinieren.

 

Bauteilrecycling

Beim Bauteilrecycling werden Bauteile nach ihrer ersten Nutzungsphase demontiert, aufbereitet und wieder eingesetzt. Auch die Nutzung in anderen Anwendungen als der ursprünglichen ist eine Option. Vor allem bei lastpfadgerecht konstruierten Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) ist diese Form des Recycling jedoch mit sehr großen Herausforderungen verbunden. Die Bauteile müssen in einem einwandfreien Zustand sein, um wieder eingesetzt werden zu können, was hohe Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile sowie mögliche Reparaturmechanismen stellt. Auch die möglichen Einsatzbereiche sind sehr begrenzt, da die Bauteile nur in nahezu derselben Anwendung erneut eingesetzt werden können. Andernfalls wäre die Ausrichtung der Lastpfade problematisch bzw. nicht möglich und bei Nichtnutzung der entsprechenden Verstärkungsstrukturen in vollem Umfang würde ein Downcycling-Effekt eintreten.

© Foto Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau

Von hinten nach vorne: Stanzabfälle von Joghurtbechern, Mahlgut und Zugstab mit Papierresten

© Foto Fraunhofer WKI | Kathrin Morawietz

Mechanisch recyceltes PLA; links: Mahlgut (Flakes), rechts: Regranulat

Werkstoffliches Recycling

Eine sehr gute Möglichkeit, um sortenreine, im Prozess anfallende Reststoffe, aber auch Post-Consumer-Abfälle wieder in den ursprünglichen oder einen neuen Prozess einzubringen, ist das werkstoffliche Recycling. Hierbei wird der gesamte Verbundwerkstoff in seiner ursprünglichen Zusammensetzung wieder eingesetzt. Am HOFZET verwerten wir sowohl unverstärkte als auch kurz-, lang- oder endlosfaserverstärkte Kunststoffe werkstofflich, indem sie zerkleinert und unter anderem in den nachfolgend aufgeführten Prozessen wieder eingesetzt werden.

Bei Materialien mit thermoplastischer Matrix kann das Mahlgut per Extrusion verarbeitet und ggf. speziell für eine bestimmte Anwendung additiviert werden. So kann das Regranulat, beispielsweise per Spritzguss, zu neuen Bauteilen verarbeitet werden. In Abhängigkeit von der Prozessführung werden die im Rezyklat enthaltenen Fasern unter anderem durch den Mahlschritt mehr oder weniger stark gekürzt und geschädigt, können je nach resultierenden Eigenschaften jedoch weiterhin als Verstärkungskomponente oder Füllstoff eingesetzt werden. Vorbereitung, Prozess- und Materialoptimierung bieten wir Ihnen aus einer Hand an und ermöglichen so ökologisch, wie ökonomisch attraktive Einsatzmöglichkeiten von Rezyklaten. Mahlgut mit duroplastischer Matrix kann nicht wieder aufgeschmolzen werden, kommt jedoch als Füllstoff für verschiedene thermoplastische und duroplastische Matrices zum Einsatz.

Einen besonderen Fokus legen wir auf die Untersuchung und Optimierung des Mahlprozesses sowie sich daran anschließende Aufbereitungsoptionen. Hierbei sind vor allem Aspekte wie die Sprödheit der Materialien – die durch Herabsetzen der Temperatur während des Mahlprozesses gesteigert werden kann – und die Größe und Qualität des Mahlguts von Interesse. Die sich anschließende Fraktionierung des Mahlguts ermöglicht eine hochwertige Weiterverarbeitung in der Extrusion. Je nach Mahlguteigenschaften und Anwendungsfall setzen wir den Extrusionsprozess sowie ggf. eine geeignete Additivierung maßgeschneidert um. Nach Optimierung der Prozessparameter können die Rezyklate in hochwertigen Einsatzbereichen zur Anwendung kommen.

Durch eine ganzheitliche Betrachtung und die Optimierung aller Einzelschritte und Parameter ermöglichen wir auf diese Weise einen geschlossenen Stoffkreislauf.

 

Rohstoffliches Recycling

Eine Alternative zum werkstofflichen Recycling ist das rohstoffliche Recycling. Hier werden die Werkstoffe in einzelne Komponenten zerlegt, bevor sie weiterverarbeitet werden. So können auch nicht sortenreine Werkstoffe wiederverwertet werden. Am HOFZET untersuchen wir in diesem Bereich das chemische Recycling und die Pyrolyse.

Beim chemischen Recycling wird die Matrix in einem Lösungsmittel gelöst. Es können auf diese Weise sowohl thermoplastische als auch duroplastische Matrices verwertet werden. Thermoplastische Materialien werden anschließend weiterverarbeitet, indem das eingesetzte Lösungsmittel wieder entfernt und das verbleibende Material in der Extrusion zu Regranulat verarbeitet wird. Bei der Lösung von duroplastischen Matrixmaterialien wird zum Beispiel die erhaltene Lösung in den Herstellungsprozess von Werkstoffen wieder eingespeist, um damit trockene Halbzeuge zu imprägnieren und auf diese Weise erneut flächige Bauteile herzustellen.

Eine weitere Form des rohstofflichen Recyclings ist die Pyrolyse. Hier werden die zu verwertenden Materialien unter Sauerstoffausschluss hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch organische Verbindungen aufgebrochen werden und ein Großteil der Inhaltsstoffe in die gasförmige oder flüssige Phase übergeht und nur Kohlenstoff sowie mineralische Bestandteile als Feststoffe zurückbleiben. Werden auf diese Weise carbonfaserverstärkte Materialien behandelt, können zum Teil sehr hochwertige Rezyklatcarbonfasern gewonnen werden. Beim Einsatz von naturfaserverstärkten Kunststoffen erhält man als Rezyklat eine Pyrolyse-Kohle, die unter anderem als Füllstoff wiedereingesetzt wird. Die verschiedenen Pyrolyse-Produkte (Feststoff, Pyrolysewasser und Pyrolysegase) prüfen wir für Sie auf möglichst hochwertige und nachhaltige Einsatzmöglichkeiten.