Fraunhofer ICT: Entwicklung recyclingfähiger Verpackungsfolien und flammgeschützte Vitrimere für den Bahnverkehr

Zwei Verpackungsschalen aus dekontaminiertem Rezyklat: Die trübere Variante besteht aus einer Folie mit höherer Schichtanzahl. Beide wurden im Projekt "Surpass" aus gereinigtem Multinanolayer-Material hergestellt - (Bild: Fraunhofer ICT).

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT hat im europäischen Forschungsprojekt „Surpass“ Verfahren für besser recyclebare Polymerverpackungen und flammgeschützte Verbundwerkstoffe für den Bahn-Personenverkehr untersucht. Nach dreieinhalb Jahren wurde das Projekt abgeschlossen. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Recyclinganforderungen bereits bei der Entwicklung polymerer Materialien systematisch zu berücksichtigen.

„Surpass“ steht für „Safe-, sustainable- and recyclable-by-design polymeric systems – A guidance towards next generation of plastics“. Im Rahmen des Projekts wurde ein digitales Leitinstrument entwickelt, das Unternehmen bei der Auswahl und Entwicklung von Polymerwerkstoffen unterstützen soll. Dabei werden Kriterien wie Material- und Produktsicherheit, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit bereits in der Entwicklungsphase einbezogen.

Die Forschungsarbeiten wurden anhand von Fallstudien aus den Bereichen Bau, Mobilität und Verpackung durchgeführt. Das Fraunhofer ICT war an den Untersuchungen zu Lebensmittelverpackungen und Mobilitätsanwendungen beteiligt.

Geruchsentfernung bei recycelten Lebensmittelverpackungen
Im Verpackungsbereich stand eine mehrschichtige Folienstruktur für Lebensmittelverpackungen im Mittelpunkt. Solche Folien bestehen aus mehreren, teilweise sehr dünnen Polymerschichten, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. Sie können beispielsweise die mechanische Stabilität erhöhen oder den Inhalt vor Sauerstoff und Feuchtigkeit schützen. Die Kombination verschiedener Kunststoffe erschwert jedoch in vielen Fällen das werkstoffliche Recycling.

Der französische Projektpartner Centre Technique Industriel de la Plasturgie et des Composites entwickelte deshalb eine Folienstruktur, bei der weniger sogenannte Compatibilizer benötigt werden. Diese Zusatzstoffe verbessern die Verbindung zwischen Kunststoffarten, die sich normalerweise nicht oder nur eingeschränkt miteinander vermischen.

Das Fraunhofer ICT untersuchte parallel dazu, wie sich die neu entwickelte Mehrschichtfolie recyceln lässt. Ein Schwerpunkt lag auf der Entfernung von Gerüchen und anderen Verunreinigungen aus dem Rezyklat. Diese können entstehen, wenn Verpackungen zuvor mit geruchsintensiven Lebensmitteln in Kontakt gekommen sind. Ohne eine wirksame Dekontamination könnten solche Gerüche auf neu verpackte Produkte übertragen werden.

Für die Aufbereitung implementierte das Institut eine Pilotlinie, die auf einem Extraktionsverfahren basiert. Nach Angaben des Fraunhofer ICT erreicht das Verfahren bei der Geruchsentfernung eine Effektivität von 99 Prozent. Aus dem gereinigten Multinanolayer-Material wurden erneut Verpackungsschalen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass die optischen Eigenschaften der Schalen unter anderem von der Anzahl der Folienschichten abhängen: Material mit einer höheren Schichtanzahl führte zu einer stärkeren Trübung.

Die Untersuchungen belegen, dass sich auch komplex aufgebaute Mehrschichtfolien grundsätzlich für eine erneute Verwendung in Verpackungsanwendungen aufbereiten lassen. Voraussetzung ist eine geeignete Kombination aus recyclinggerechter Materialentwicklung, Trennung beziehungsweise Aufbereitung und wirksamer Dekontamination.

Recyclingfähige vernetzte Kunststoffe für den Bahnverkehr
In der Mobilitätsfallstudie beschäftigte sich das Fraunhofer ICT mit recyclingfähigen vernetzten Kunststoffen, sogenannten Vitrimeren. Grundlage war ein vom spanischen Projektpartner Cidetec entwickeltes 3R-System. Die Bezeichnung steht für Werkstoffe, die repariert, wiederverwendet und recycelt werden können.

Vernetzte Kunststoffe weisen in der Regel höhere mechanische Festigkeiten auf als unvernetzte Thermoplaste. Sie werden deshalb unter anderem als Matrixmaterialien für faserverstärkte Bauteile eingesetzt. Weitere mögliche Anwendungen sind Pressmassen, Gießharze, Klebstoffe und Lacke. Konventionelle vernetzte Kunststoffe lassen sich aufgrund ihrer dauerhaften molekularen Vernetzung jedoch nur schwer wieder aufschmelzen und werkstofflich recyceln.

Vitrimere verbinden die mechanischen Eigenschaften vernetzter Kunststoffe mit einer veränderbaren Netzwerkstruktur. Unter bestimmten Bedingungen können Bindungen innerhalb des Materials neu angeordnet werden. Dadurch lassen sich die Werkstoffe reparieren, umformen oder in Recyclingprozessen weiterverarbeiten.

Das Fraunhofer ICT untersuchte insbesondere, ob das Material die Brandschutzanforderungen für den Einsatz im Personen-Bahnverkehr erfüllen kann. Dabei sind neben der Entflammbarkeit vor allem die bei einem Brand freigesetzte Wärmemenge, die Rauchentwicklung und die Toxizität der entstehenden Rauchgase relevant.

Die Forschenden modifizierten das Vitrimer-System mit einer Kombination verschiedener Flammschutzmittel. Auf diese Weise konnten carbonfaserverstärkte Materialien hergestellt werden, die nach Angaben des Instituts die maßgeblichen Anforderungen für Anwendungen im Bahn-Personenverkehr erfüllen.

Neben dem Brandschutz wurde auch die Rückgewinnung der eingesetzten Carbonfasern berücksichtigt. Nach dem Ende der Nutzungsdauer können die Fasern aus dem Verbundwerkstoff zurückgewonnen und erneut als Verstärkungsmaterial verwendet werden. Damit soll sowohl der Materialverbrauch als auch die Menge schwer verwertbarer Verbundabfälle reduziert werden.

Entwicklungswerkzeug für unterschiedliche Branchen
Die Ergebnisse des Projekts richten sich nicht ausschließlich an Verpackungshersteller oder Unternehmen aus dem Mobilitätssektor. Das entwickelte digitale Leitinstrument soll grundsätzlich von Kunststoff verarbeitenden Betrieben unterschiedlicher Größe und aus verschiedenen Branchen eingesetzt werden können.

Ziel ist es, Zielkonflikte zwischen Funktionalität, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Recyclingfähigkeit frühzeitig sichtbar zu machen. Materialentscheidungen sollen damit nicht erst am Ende der Produktentwicklung hinsichtlich ihrer Umwelt- und Recyclingwirkungen überprüft werden. Stattdessen werden entsprechende Kriterien bereits bei der Konstruktion von Materialien und Produkten einbezogen.

Die Fallstudien zeigen, dass recyclinggerechte Polymerlösungen nicht allein durch nachgelagerte Aufbereitungsverfahren erreicht werden können. Erforderlich ist vielmehr ein integrierter Ansatz, der Materialzusammensetzung, Additive, Produktaufbau, Sicherheitsanforderungen und spätere Recyclingprozesse gemeinsam betrachtet.

Der Abschlussbericht des EU-Projekts „Surpass“ ist öffentlich zugänglich unter https://cordis.europa.eu/project/id/101057901.

Das Fraunhofer ICT berichtet über seine Rolle im Projekt unter https://www.ict.fraunhofer.de/de/projekte/“Surpass“.html.

Weitere Informationen: www.surpass-project.eu, www.ict.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal

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