Reducing diversity in lightweight packaging : implications for current recycling practice

Abstract

Polyolefins (POs) are widely used in packaging applications to protect, label, and advertise a diverse portfolio of goods, from perishable foods and personal care products to everyday household chemicals. Individual packaging items are therefore engineered to meet technical as well as legal requirements and, in some cases, are designed to exhibit a recognisable brand identity. Contrastingly, their average service life of approximately six months considerably contributes to the volume of correspondingly generated waste. Due to mismanagement and littering, environmentally persistent plastics are now polluting the environment and developed into a concern of global recognition, as their adverse effects on ecosystems are increasingly acknowledged. To counteract this development, recent amendments in the recycling policies of the European Union (EU) aim at establishing ambitious minimum recycling rates for single-use plastic packaging to reduce its environmental impacts and promote effective resource use. However, the proper management and effective recycling of plastic wastes continues to face considerable hurdles.As of now, the dominant re-utilisation route for post-consumer (PCR) packaging plastics like high-density polyethylene (PE-HD) and polypropylene (PP) is mechanical recycling (MR), as it provides not only economic competitiveness but also a relatively low environmental footprint compared to other recycling processes. However, heterogeneous waste streams, limited packaging separability (e.g., of screw caps and in-mould labels), macromolecular contamination, compromised aesthetics by commingled coloured resins and decoration elements like inks and glues that are challenging to remove by conventional washing treatments as well as malodour and reduced mechanical performance caused by polymer degradation during re-processing still restrict the scope of application of polyolefin (PO) recyclates; especially with regards to their re-utilisation in packaging applications. Consequently, manufacturers are reluctant to make use of these materials. Common concerns include poor product performance combined with the need for additional investments in machine upgrades and increases in set-up times. The identification of promising approaches to expand the utilisation of polyolefin (PO) recyclates hence poses a research direction of technical and societal relevance.The studies performed in the course of this thesis therefore sought to identify opportunities in the utilisation of rigid post-consumer high-density polyethylene (rPE-HD) and post-consumer polypropylene (rPP) packaging fractions with an issue-specific focus on producing extrusion blow-moulded (EBM) post-consumer high-density polyethylene (rPE-HD) bottles from recovered resins and removing undesirable volatiles from post-consumer polypropylene (rPP) (e.g., cups, trays, buckets) by washing and hot air devolatilization treatment, while also considering critical drawbacks for each of the presented cases. The used recyclates were predominantly sourced from the Austrian plastic waste collection system and comprised containers of ≤ 5 dm3 holding capacity. Cleaned flake and regranulate samples of both fraction categories were provided through industrial partners within the frame of the “Pack2TheLoop” project and investigated comprehensively, using optical, physical, thermal and mechanical methods.While the preparation of extrusion blow-moulded (EBM) bottles from polypropylene (PP) - contaminated post-consumer high-density polyethylene (rPE-HD) proved to be feasible, underlined by the containers’ high ductility and drop resistance from a height of 80 cm, constraints like reduced environmental stress cracking resistance (ESCR) and creep behaviour in comparison to factory-fresh materials remain and require compensation through the addition of virgin material – Reductions in overall container design variety may additionally contribute to improvements in melt processability (e.g., by sustaining melt strain hardening across a greater range of strain rates). Notably, rapid cooling was confirmed to play an essential role in preserving part ductility.Volatile substance profiles of post-consumer polypropylene (rPP) pellets showed little differences between cold and hot washed samples and indicate that effective formulas for washing still need to be developed and introduced on industrial scale. Apart from that, hot air devolatilization was effective in removing most substances, yet species of increased molecular mass (≥ 150 g⋅mol-1) hardly transitioned into the gas phase and therefore remained in the recyclate pellets.The obtained results showed that high fraction purity is an essential basis for effective recycling. However, to further advance the efficacy of MR and expand the scope of application of PO recyclates, cost-efficient sorting, effective washing media and reliably removable decoration elements (inks, labels, glues, etc.) as well as technologies to remove odours are much needed to advance this field.

Polyolefine (PO) werden häufig für die Herstellung von Verpackungen eingesetzt, um eine breite Palette an Produkten – angefangen bei verderblichen Lebensmitteln über Kosmetika bis hin zu Haushaltschemikalien – zu schützen, kennzuzeichnen und zu bewerben. Die individuellen Verpackungstypen sind daher so konstruiert, dass sie technischen und rechtlichen Anforderungen genügen und in vielen Fällen auch eine wiedererkennbare Markenidentität vermitteln. Die durchschnittliche Nutzungsdauer von Kunststoffverpackungen beträgt allerdings im Mittel nur sechs Monate wodurch diese wesentlich zum Aufkommen von Siedlungsabfällen beitragen. Unsachgemäße Entsorgungspraktiken und der achtlose Umgang mit Kunststoffabfällen (wie zum Beispiel “Littering”) haben zur Ansammlung dieser Abfälle (welche sich weitgehend gegen Umwelteinflüsse beständig zeigen) in der Natur geführt. Wegen ihrer oft beeinträchtigenden Auswirkungen auf die Funktion von Ökosystemen wird diese Problematik auch zunehmend auf globaler Ebene anerkannt. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken zielen neuerliche Anpassungen der Recyclingrichtlinien innerhalb der Europäischen Union (EU) deshalb darauf ab, durch ambitionierte Mindestrecyclingraten für Kunststoff-Einwegverpackungen die effektive Nutzung von Kunststoffen zu fördern und somit auch deren unerwünschte Freisetzung als auch die damit verbundenen negativen Umwelteinflüsse einzuschränken. Der ordnungsgemäßen Abfallbehandlung sowie dem effektivem Recycling stehen jedoch weiterhin beachtliche Hürden gegenüber.Das derzeit vorherrschende Verfahren für die Rückgewinnung und Nutzung von (‚gebrauchten‘) Post-Consumer (PCR) Kunststoffen wie high-density Polyethylen (PE-HD) und Polypropylen (PP) aus Verpackungen ist das mechanische Recycling (MR), welches durch seine Wirtschaftlichkeit und einen (im Vergleich zu anderen Recyclingverfahren) geringen ökologischen Fußabdruck eine hohe Konkurrenzfähigkeit aufweist.Allerdings beschränken heterogene Abfallströme, makromolekulare Kontaminationen aufgrund begrenzt abtrennbarer Verpackungsteile (wie Schraubkappen oder In-mould Etiketten), die bedingt beeinflussbare Farbe von Rezyklaten durch die Vermischung verschiedenfarbiger Behälter, gegen Waschbehandlungen beständige Dekorationselemente (wie Tinten und Klebstoffe) als auch unangenehme Gerüche und geminderte mechanische Eigenschaften die Wiederverwendbarkeit von rezyklierten PO im Verpackungsbereich. Aus diesem Grund zeigen sich verarbeitende Unternehmen oft zögerlich, sobald die Nutzung von PO-Rezyklaten diskutiert wird. Mindere Produktqualität sowie die Erfordernis von Investitionen aber auch Mehraufwände, welche in der Verarbeitung entstehen, zählen zu den häufig genannten Bedenken. Die Erschließung neuer Zugänge, welche das Anwendungsspektrum von PO-Rezyklaten erweitern stellt deshalb eine Forschungsrichtung von technischer als auch gesellschaftlicher Relevanz dar.Die im Zuge dieser Arbeit durchgeführten Studien hatten zum Ziel das Nutzungsspektrum von PE-HD und PP Rezyklaten aus biegesteifen (bzw. “rigid”) Behältnissen zu erweitern. Der thematische Schwerpunkt lag dabei auf der Herstellung von extrusions-blasgeformten Flaschen aus Post-Consumer PE-HD (rPE-HD) sowie der Entfernung unerwünschter flüchtiger Bestandteile aus Post-Consumer PP (rPP) – z.B. aus Bechern, Schalen und Kübeln – mithilfe von Wasch- und Heißluftbehandlungen. Mit den jeweiligen Szenarien verbundene Schwachstellen wurden ebenfalls diskutiert. Die verwendeten Rezyklate wurden fast ausschließlich aus der österreichischen Sammlung für Kunststoffabfälle bezogen und setzten sich aus Behältern mit Füllkapazitäten ≤ 5 dm3 zusammen. Proben gewaschener Flakes sowie der erzeugten Regranulate wurden über kooperierende Industrieunternehmen im Rahmen des Projekts “Pack2TheLoop” zur Verfügung gestellt und mittels optischer, physikalischer, thermischer und mechanischer Methoden umfassend untersucht. Die Herstellung extrusions-blasgeformter (EBM) Flaschen aus PP-kontaminiertem rPE-HD verlief mit gutem Erfolg, wie durch hohe Duktilitäten (im Zugversuch) als auch durch die Fallbeständigkeit befüllter Gebinde aus einer Höhe von 80 cm gezeigt werden konnte. Dennoch bestehen (im Vergleich zu neu fabrizierten Granulaten) Limitationen für die weitere Materialnutzung, bedingt durch geminderte Spannungsrissbeständigkeiten (ESCR) und eine gesteigerte Kriechneigung – Die Erfordernis der Zugabe fabrikneuer (“Virgin”) PE-HD Granulate bleibt somit bestehen. Allerdings könnten Reduktionen in der Vielfalt an Behälterdesigns (z.B. durch eine Eingrenzung der Anzahl an verwendeten Kunststofftypen, Dekorationsarten, etc.) dazu beitragen die Verarbeitungseigenschaften (insbesondere die Dehnviskosität bei erhöhten Dehnraten) zu verbessern. Abschließend sei noch erwähnt, dass die Erfordernis einer schnellen Abkühlung der rPE-HD-schmelze zur Erzeugung von Endprodukten hoher Duktilität bestätigt werden konnte.Die Substanzprofile der in rPP enthaltenen flüchtigen Verbindungen wiesen sowohl für kalte als auch warme Waschbehandlung starke Ähnlichkeit auf und zeigten, dass in Bezug auf Waschbehandlungen noch Optimierungsbedarf für die eingesetzten Lösungen besteht. Nichtsdestotrotz zeigte sich die Heißluftbehandlung als effektive Option zur Entfernung der meisten Substanzen; Verbindungen mit erhöhter molekularer Masse (≥ 150 g⋅mol-1) traten jedoch kaum in die Gasphase über und verblieben deshalb in den Regranulatpellets.Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Reinheit in rückgewonnenen Kunststofffraktionen eine essenzielle Grundlage für effektives Recycling darstellt. Dennoch hängt die Weiterentwicklung des MR und die damit verbundene Erweiterung des Nutzungsbereichs von PO-Rezyklaten davon ab, ob wirtschaftliche Sortierprozesse als auch effektive Waschbehandlungen für die Entfernung von Dekorationselementen wie Tinten(schichten), Etiketten, Klebstoffen, etc. aber auch Gerüchen implementiert werden können.