Qualität industrieller Recyclingströme von PE und PP und Eignung auf closed loop Verfahren

Abstract

Angesichts wachsender Bedenken hinsichtlich der negativen Umweltauswirkungen von oft kurzlebigen Kunststoffverpackungen rückt die Wiederverwendung von Polymeren zunehmend in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von mechanischem Recycling auf die Materialeigenschaften von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) und Polypropylen (PP). Zusätzlich wurde eine PE-HD Recyclingmischung mit einer 70%igen Recyclingrate betrachtet. Die Regranulate stammen aus sortierten Abfallströmen des österreichischen Kunststoffsammelsystems. Um einen geschlossenen Kreislauf zu simulieren, wurden die Materialien fünfmal extrudiert und anschließend gemahlen. Dabei treten thermisch- mechanische Belastungen auf, welche einen Materialabbau verursachen. Ziel war es, diese Degradation mittels verschiedener Prüfmethoden zu quantifizieren. Hierfür wurden unterschiedliche Verarbeitungsparameter gewählt und untersucht, ob und wie sie sich auf die Materialeigenschaften auswirken. Diese lassen sich in Heiß- und Kaltwäsche, Maximaltemperatur im Extrusionsprozess (180 °C bzw. 240 °C) und Press- bzw. Spritzgussverfahren bei der Probenherstellung unterteilen. Das Spektrum der zur Materialprüfung angewandten Methoden besteht aus thermischen (dynamischen Differenzkalorimetrie, thermogravimetrischen Analyse), rheologischen (Frequency Sweep, isothermer Zeittest) und mechanischen Prüfverfahren (Zug-, Kerbschlagzugversuch), wobei letztere im Fokus dieser Arbeit stehen. Es konnten materialabhängige Auswir- kungen der Mehrfachverarbeitung auf beide Polymerarten beobachtet werden. Eine einheitlich gültige Aussage bezüglich der Einflüsse unterschiedlicher Verarbeitungsparameter auf die Materialeigenschaften kann daher nicht getroffen werden. Trotz der Anzeichen von Degradation sind PE-HD und PP recycelbar. Jedoch muss zwischen den einzelnen Verarbeitungsparametern und den individuellen Materialien differenziert werden. Da sich manche Eigenschaften stärker verändern als andere, ist auch das spätere Anforderungsprofil des Werkstoffs von zentraler Bedeutung. Die Verwendung einer Kombination aus recyceltem und neuem Material ist nicht nur sinnvoll, um die Auswirkungen der Degradation zu reduzieren, sondern auch aus ökologischer Sicht empfehlenswert.

Due to increasing environmental problems the reuse of polymers is becoming more and more important. Plastic packaging in particular poses a major problem as it is often used only for a short period of time. This thesis addresses the effects of mechanical recycling on high-density polyethylene (PE-HD) and polypropylene (PP). To explore the influence of a 70 % recycling rate on material properties of a single PE-HD regran- ulate, a representative model blend was prepared. The base material for used regranulates originated from sorted plastic waste streams of the Austrian collection system. To simulate a closed loop the materials underwent five extrusion cycles each followed by grinding which exposed the polymers to thermo-mechanical stress leading to degradation. The aim of the thesis was to quantify the effects of multiple extrusions on the material properties. Additionally, different processing parameters were selected. The sample materials were industrially washed either hot or cold. The maximal extrusion temperature in laboratory experiments was selected with 180 °C as well as 240 °C and the samples were prepared from regranulates by either compression molding or injection molding. Test specimens from compression molded sheets were subsequently obtained by punching. The samples underwent characterization by differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, frequency sweeps, isothermal time tests, tensile tests and impact strength tests. Most of the experimental work focused on the mechanical properties. The results suggest that several consecutive processing runs affected all tested polymers. However, universally valid statements regarding the influence of different processing parameters cannot be made. This is due to varying results for each material. Despite signs of degradation, PE-HD and PP can be recycled. Nonetheless individual processing parameters, materials and the future use of the polymers have to be considered throughout the whole recycling procedure. The mixing of recy- cled and virgin material not only poses a feasible strategy regarding the reduction of the negative impact of degradation but is also attractive from an ecological point of view.