Einflüsse von Waschparametern und makromolekularen Kontaminationen auf die Materialeigenschaften von "post-consumer" Verpackungskunststoffen

Abstract

Kunststoffrecycling ist bereits seit den 1970er-Jahren ein relevantes Thema, bedingt durch die hohe Umweltbeständigkeit dieser Materialien und den bereits damals prognostiziert steigenden Produktionszahlen. [1] Die heutige Produktionsmenge übersteigt diese Werte signifikant, wobei Verpackungskunststoffe einen Großteil des Kunststoffverbrauchs ausmachen. Diese spielen somit eine zentrale Rolle in der Kreislaufwirtschaft. Für die Verarbeitung von Rezyklaten sind definierte und konsistente Materialeigenschaften entscheidend, um produktspezifische Anforderungen zu erfüllen und eine in etwa äquivalente Qualität wie mit Primärrohstoffen zu erreichen. Ein entscheidender Schritt ist dabei das mechanische Recycling, bei dem Kunststoffe gewaschen, zerkleinert und eingeschmolzen werden. Die Herausforderungen in diesem Prozess umfassen Verunreinigungen, Degradation durch vorherige Nutzung und Verarbeitung, sowie unsortierte Materialmischungen, welche die Qualität der Rezyklate beeinträchtigten.In dieser Arbeit wurden zwei der dominierenden Verpackungskunststoffe, Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), sowie das ebenfalls weit verbreitete Polystyrol (PS) untersucht, um ihr Materialverhalten im Recyclingprozess zu charakterisieren. Der Fokus lag auf der Analyse des Einflusses von Waschtemperatur und Waschmedium auf die rheologischen und mechanischen Eigenschaften von PP- und PS-Rezyklaten aus Post-Consumer-Bechern. Variiert wurden die Parameter Temperatur (60 °C/80 °C) und Waschmedium (Wasser/Natronlauge). Für die Untersuchungen wurden im Vorfeld zu dieser Arbeit händisch sortierte und mit den verschiedenen Waschparametern gereinigte und geschredderte Becher herangezogen. Zur Simulation des Recyclingprozesses und Analyse der Auswirkungen einer Mehrfachverarbeitung wurden die Materialien bis zu fünfmal extrudiert. Zur quantitativen Analyse der Eigenschaften der Proben kamen Zugversuche, Schlagzugversuche, MFR-Messungen sowie Viskositätsmessungen am Rheometer zur Anwendung. Zusätzlich wurde die Relevanz sortenreiner Trennung anhand einer Materialmischung aus PP und High-Density-Polyethylen (HDPE) evaluiert, wobei eine Duschgelflasche als Modell diente.Die Untersuchungen zeigten, dass Waschbehandlungen mit Natronlauge und höheren Temperaturen die Reinigungswirkung gegenüber Wasser verbessern, insbesondere durch die effektivere Entfernung von Etiketten, Druckfarben und Aluminium, jedoch teilweise eine Verschlechterung der rheologischen und mechanischen Eigenschaften verursachen. PS erwies sich aufgrund seiner Materialeigenschaften besser für den Recyclingprozess geeignet, da die Mehrfachverarbeitung hier geringere Auswirkungen zeigte. Anhand der Materialien der Duschgelflasche konnte zudem die Relevanz einer sortenreinen Trennung verdeutlicht werden, da die Mischung der Materialien zu erheblichen Qualitätseinbußen führte.Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung angepasster Sortier- und Aufbereitungsverfahren, um die Materialqualität recycelter Kunststoffe langfristig zu erhalten.

Since the 1970s, plastic recycling has been a pertinent topic due to the high environmental resistance of these materials and the already then predicted increase in production figures. [1] Today's production volumes significantly exceed these figures, whereas packaging plastics accounts for a large proportion of plastic consumption. Hence, they play a key role in the circular economy. Defined and consistent material properties are crucial for the processing of recyclates to meet product-specific requirements and achieve a quality approximately equivalent to the one of primary raw materials. An essential step in this process is mechanical recycling, in which plastics are washed, shredded and melted. The challenges in this process comprise impurities, degradation from previous use and processing, as well as unsorted material mixtures impairing the quality of the recyclates.In this thesis, two of the dominant packaging plastics, polyethylene (PE) and polypropylene (PP), as well as polystyrene (PS), which is also widely used, were examined aiming to characterise their material behaviour in the recycling process. The focus was put on analysing the influence of washing temperature and washing medium on the rheological and mechanical properties of PP and PS recyclates from post-consumer cups. The parameters temperature (60 °C/80 °C) and washing medium (water/caustic soda solution) were altered. For examination, cups that had been manually sorted, cleaned with the various washing parameters, and shredded beforehand, were used. The materials were extruded up to five times to simulate the recycling process and analyse the impact of multiple processing. For the purpose of quantitative analysis of the samples, tensile tests, tensile impact tests, MFR measurements and viscosity measurements on the rheometer were performed. In addition, the relevance of unmixed separation was assessed using a material mixture of PP and high-density polyethylene (HDPE), whereas a shower gel bottle served as model.The tests showed that washing treatments with caustic soda and higher temperatures improve the cleaning effect by more effectively removing labels, printing inks and aluminium from PP and PS flakes compared to pure water. However, in some cases deterioration in the rheological and mechanical properties occurred. PS proved to be more suitable for the recycling process due to its material properties, considering that multiple processing had less impact. The materials in the shower gel bottle were also used to illustrate the importance of sorting by type, since mixing the materials led to significant quality losses.Overall, the results emphasise the importance of adapted sorting and processing methods in order to maintain the material quality of recycled plastics in the long term.