Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung und Anwendung von expandiertem Polypropylen aus Sekundärrohstoffen (DualPart)

Problemstellung
Die Vielfahlt an Kunststofftypen sorgt bei der Sammlung und Wiederverwertung teilweise für Probleme. In den letzten Jahren wurden die Aufbereitungs- und Verarbeitungsprozesse im werkstofflichen und rohstofflichen Bereich jedoch verbessert. Allerdings werden heutzutage noch 52 % der Kunststoffe energetisch verwertet und nur 43 % werkstofflich. Daher gilt es, neue Anwendungsfelder für die recycelten Kunstoffe zu finden.
Der stetig wachsende Bereich der Partikelschäume bietet daher ein großes Potential zur Substitution bisher verwendeter Primärrohstoffe wie Polypropylen, das in expandierter Form (EPP) in vielen Anwendungen (Bauwesen, Verpackungsindustrie, Automobilindustrie) zum Einsatz kommt. EPP für Bau und Mehrwegverpackung sind Produkte, die einen Lebenszyklus von mehreren Jahren haben.
Das Schäumen von Kunststoffen ist ein komplexer Vorgang, bei dem die Eigenschaften der Kunststoffschmelzen eine große Rolle spielen. Polyolefin-Regranulate aus dem Postconsumer-Bereich werden in der heutigen Zeit nicht verschäumt, weil Regranulate aus einer Mischung aller im Verpackungsbereich eingesetzten Polypropylentypen bestehen, die jeweils unterschiedliche rheologische Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren ist die Zusammensetzung des Mülls aus dem Postconsumer-Bereich nicht immer identisch, wodurch es bei der Verarbeitung zu Prozessschwankungen kommt, die den Schaumprozess negativ beeinflussen. Bisher werden hauptsächlich Produktionsabfälle im Schaumbereich als Recyclingmaterial verwendet, bei dem die für das Verschäumen wichtigen Schmelzeeigenschaften bereits vorhanden sind. Das Verschäumen von Regranulaten aus dem Postconsumerbereich stellt jedoch aus oben genannten Gründen noch ein Problem dar.

Projektziel
Das Gesamtziel des Vorhabens besteht darin, die Prozesstechnik der Partikelschaumtechnologie zur Herstellung und Verarbeitung von reEPP auf Basis von Polypropylen (PP)-Regranulaten aus gebrauchten Lebensmittelverpackungen (LVP, gelber Sack) weiter zu entwickeln. Bisher zur Anwendung kommende Verfahren basieren auf dem Einsatz von Primärware und lassen keinen Spielraum für den Einsatz von Regranulaten (Sekundärrohstoffe). Die Funktionalität der geschäumten Formteile aus Sekundärrohstoffen soll anhand von Demonstratoren aus den Bereichen Isolation und Automotive dargestellt werden. Die entscheidenden Eigenschaften für die Demonstratoren sind die Wärmeleitfähigkeit sowie die Druckspannungen. Diese sollen die Werte des Standard EPP erreichen, das eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 35 – 40 W/mK und eine Druckspannung bei 10 % Stauchung zwischen 100 – 150 kPa aufweist.
Zur Erreichung des Gesamtziels ist es nötig, mehrere Teilziele zu erfüllen. Diese Teilziele lassen sich in drei Bereiche einordnen:
– Materialoptimierung: Reproduzierbar schäumbarer Compound
– Schaumpartikelherstellung: Geschäumte Partikel unterschiedlicher Dichten mit homogener Zellstruktur
– Schaumpartikelverarbeitung: Dichtereduktion der geschäumten Partikel durch Vorschäumen, optimal verschweißte Formteile unterschiedlicher Dichten

Vorgehensweise
Zu Beginn des Projektes werden die Regranulate hinsichtlich ihres rheologischen Verhaltens und ihrer Zusammensetzung charakterisiert. Weiterhin wird das Granulierverhalten des Materials analysiert. Auf Basis dieser Untersuchungen und des bereits vorhandenen Know-hows auf dem Gebiet des Schäumens werden die Basis-Compoundrezepturen entwickelt. Die Konfiguration des Extruders und der Unterwassergranulierung schließt sich an. Die Schneckenkonfiguration sowie das Design der Verfahrensstrecke werden ausgelegt, so dass die Zugabe des Treibmittels und dessen Lösen im Polymer optimal erfolgen können und keine Entmischung im Extruder stattfindet. Des Weiteren muss das Druckprofil in der Unterwassergranulierung an der Anfahrweiche und im Rohrsystem angepasst werden. Weitere Schwerpunkte im Prozess der Partikelschaumherstellung liegen im Design der Lochplatte sowie des Messerkopfs. Sobald erste Partikel hergestellt wurden, wird die Verarbeitung analysiert und optimiert. Darunter fallen die Prozesse Druckbeladung, Vorschäumen und Verarbeiten. Begleitend werden die Materialien und Schäume charakterisiert, um Material und Prozess flexibel aufeinander abstimmen zu können. Anhand von Demonstratoren sollen die Eigenschaften des neuen Materials reEPP gezeigt werden. Diese werden in der letzten Phase des Projektes designt und charakterisiert. Die Demonstratoren und auch schon erste Muster werden auf Messen ausgestellt, wodurch eine schnelle Verwertung nach Abschluss des Projektes sichergestellt werden kann.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Anhand der Demonstratoren werden die Möglichkeiten und der Nutzen des reEPP gezeigt. Des Weiteren dient das im Konsortium erworbene Know-how als Grundlage für anwendungsspezifische Weiterentwicklungen, zu denen u.a. Optimierungen hinsichtlich des Emissionsverhaltens, der mechanischen Eigenschaften, der Einfärbbarkeit, der Oberflächengüte und der Dichte zählen. Dementsprechend ist es dann möglich, die Anwendung des reEPP in den Automobilsektor sowie den Sport-, Möbel- und Freizeitbereich zu übertragen.
– Verständnis des Einflusses der Schmelzeeigenschaften auf die Verschäumbarkeit
– Reproduzierbare Herstellung verschäumbarer Compounds
– Laboranlage zur Herstellung der geschäumten Partikel mit definiertem Durchsatzbereich von 10 – 20 kg/h
– Geschäumte Partikel mit definierten Schüttdichten und Geometrie, Schüttdichten im Bereich von 40 – 150 kg/m³, Durchmesser von 4-7 mm
– Optimierter Vorschäumprozess zur Dichtereduzierung der geschäumten Partikel aus Regranulaten, stufenweise Reduktion von Schüttdichten von ca. 150 kg/m³ auf 80 kg/m³ und 40 kg/m³
– Verständnis des Verarbeitungsverhaltens der geschäumten Partikel aus Regranulaten

Laufzeit des Verbundprojekts: 24 Monate
Partner: BKG, Erlenbach, Fraunhofer ICT
Fördersumme (in Euro): 498.000
Eigenanteil der Partner (in Euro): 309.000

• Erlenbach GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Nordson BKG GmbH