Mechanical recycling and design of multi-layer packaging: constraints, opportunities and challenges

Abstract

Der Einsatz von Polymeren in Lebensmittelverpackungen ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung und den Transport leichter, kostengünstiger und vielseitiger Produkte, die empfindliche Lebensmittel schützen und gleichzeitig den Anforderungen der Kunden gerecht werden. Ein einzelnes Polymer kann oft nicht alle Anwendungsanforderungen erfüllen, wie z. B. gute Siegelfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Barriere gegen Gas und Feuchtigkeit sowie hohe mechanische Stabilität. Da verschiedene Polymere in der Regel nicht miteinander kompatibel sind, hat sich das mechanische Rezyklieren solcher Einwegprodukte als herausfordernd erwiesen, und bis heute wurde keine industrielle Lösung für dieses Problem entwickelt.In den letzten Jahren lag der Schwerpunkt des mechanischen Rezyklierens vor allem auf dem "Design from Recycling"-Ansatz, der mitunter dazu führte, dass Produkte von geringerer Qualität hergestellt wurden, weil das Material im Vergleich zur Leistung von Neuware schlechter abschneidet. Um die Rezyklierfähigkeit zu verbessern, ist es wichtig, bei der Produktentwicklung auch Aspekte des "Design for Recycling" zu berücksichtigen. Dazu gehören eine sorgfältige Materialauswahl und -zusammensetzung sowie die Optimierung der Wiederaufbereitungsparameter und die Miteinbeziehung des Potenzials kosteneffizienter Kompatibilisierungsmöglichkeiten. Die Arbeit bietet einen umfassenden Überblick zur Bewertung von Hindernissen und Möglichkeiten für das Rezyklieren von Mehrschichtverpackungen, einschließlich der Analyse von Verpackungsstrukturen, Durchführung mechanischer Rezyklierversuche und Testung der entstandenen Rezyklate. Die Studie umfasste etwa 240 verschiedene Verpackungen von Lebensmitteln und Kosmetika (Abbildung des österreichischen Marktes). Die aktuellen Mehrschichtverpackungen sind ohne effektivere Trenn- und Sortiertechniken nicht rezyklierbar, da selbst sortenreine Fraktionen erhebliche Unterschiede zu den Eigenschaften von Neuware aufwiesen. Der Einsatz unterschiedlicher Verpackungsmaterialien, bedingt durch funktionale und marketingbezogene Anforderungen, führte zu unterschiedlichen Verpackungen für dasselbe Produkt, was die Heterogenität der Rezyklatströme begünstigte. Verunreinigungen mit geringen Mengen von Fremdpolymeren oder anderen Materialien (Aluminium, Papier) erschwerten den Rezyklierprozess zusätzlich und beeinflussten die physikalischen Eigenschaften und das Aussehen der resultierenden Rezyklate. Daher erfordert die Bewältigung der Herausforderungen von Mehrschichtverpackungen innovative Lösungen, um die Rezyklierfähigkeit zu verbessern und Verunreinigungen zu reduzieren, um nachhaltigere Verpackungssysteme zu generieren.Die mögliche Sorge, dass die Verbesserung der Rezyklierfähigkeit von Mehrschichtfolien zu einer Verringerung der Verpackungseffizienz führt, ist überwiegend unbegründet. Verpackungsanalysen haben gezeigt, dass bereits kommerziell verfügbare Strukturen ohne Kombination von PET mit Polyolefinen in verschiedenen Produktbereichen existieren. Beispiele wie PP-basierte Verpackungen für Aufschnitt haben gezeigt, dass rezyklierbare Mehrschichtstrukturen dem Eigenschaftsprofil von neuwertigen Polymeren nahekommen können und sogar die technische Umsetzbarkeit eines geschlossenen Kreislaufs konnte demonstriert werden. Die Kompatibilisierung von gemischten Polymerabfällen bleibt jedoch aufgrund unterschiedlicher Polymerverhältnisse und unvorhersehbarer Materialeigenschaften eine Herausforderung. Die Verbindung zwischen "Design for Recycling" und "Design from Recycling" kann durch ganzheitliche Gestaltung, sorgfältige Materialauswahl sowie die Anpassung der Erwartungen an Gewinnpannen, Produktionsprozesse und Produktoptik geschaffen werden. Die Harmonisierung von Produkten und Prozessen wird entscheidend sein, um die Kreislauffähigkeit von Mehrschichtverpackungen zu erreichen und sie zu einer wertvollen Materialquelle für die Zukunft zu machen.

The use of polymers in food packaging allows economically efficient manufacturing and transport of lightweight low-cost versatile products able to protect sensitive food content while meeting the demands of the customers. A single polymer can often not meet all the application requirements such as good sealability, low-temperature resistance, barrier against gas and moisture as well as high mechanical stability. As different polymers are usually not compatible with each other, the mechanical recycling of such single-use systems has proven to be rather challenging and no industrial solution has been developed to date to address this issue.In recent years, the emphasis in mechanical recycling has primarily been on "design from recycling" approaches, which have sometimes led to the production of lower-quality products due to material down-cycling compared to the performance of virgin polymers. To improve recyclability, it is essential to also consider "design for recycling" aspects during the product development process. This includes careful material selection and combination, as well as optimizing reprocessing parameters and exploring the potential for system compatibilization in a cost-effective manner. The thesis proposes a comprehensive approach to assess the primary constraints and opportunities for the recycling of multi-layer packaging, involving analysis of package structure, mechanical recycling methods, and secondary material tests on a diverse range of post-consumer multi-layer packaging. This study included approximately 240 different packaging products from food and cosmetic packaging to cover the Austrian market for short-shelf-life consumer goods. Current multi-layer packaging is not recyclable without the development of effective separation and sorting techniques. Even separated waste fractions or individual layers of multi-layer packaging demonstrated significant variation in physical properties compared to virgin materials. The use of different packaging materials, driven by functional and marketing requirements, resulted in structurally different types of packaging for the same product, leading to heterogeneity in the recycling stream. Contamination with minor material components, such as different polymers or other materials like aluminum or paper, further complicated the recycling process and affected the physical properties and aesthetics of the resulting recyclates. Thus, addressing the challenges posed by multi-layer packaging will require innovative solutions to enhance recyclability and reduce contamination in order to achieve more sustainable packaging systems.The possible concern that improving the recyclability of multi-layer films leads to a decrease in packaging efficiency is likely baseless. Packaging analysis has shown that commercially available structures without PET and polyolefins already exist in various product areas. Examples such as PP-based packaging for sliced ham demonstrated that recyclable multi-layer structures can closely resemble the property profile of virgin polymers, and could even undergo successful functional closed-loop recycling. However, compatibilization of mixed polymer waste remains a challenge due to varying polymer ratios and unpredictable material properties. Bridging the gap between design for recycling and design from recycling may be achieved through holistic design choices, careful material selection, and managing profit margins, process adaptations, and product appearance. Harmonization of products and processes will be essential for achieving circularity in multi-layer packaging and making them a valuable source of material in the future.