Ziel der Entwicklung
Bei der Wiederverwertung von Kunststoffabfällen tritt das Problem auf, dass bei jedem Verarbeitungsschritt, der eine thermische Belastung des Kunststoffes erfordert, ein thermooxidativer Abbau der Polymerketten erfolgt, sodass das Rezyklat kürzere Polymerketten als das Ausgangsmaterial aufweist, womit eine Verschlechterung des Eigenschaftsprofils einhergeht. Hinzu kommt der Polymerkettenabbau, der im Gebrauchszeitraum durch Licht, Wärme oder mechanische Beanspruchung entsteht. Das Problem summiert sich über jede weitere Recyclingstufe, sodass das Material nach einigen Zyklen als unbrauchbar zu klassifizieren ist und nur noch thermisch verwertet werden kann. Während das Problem für Polyester durch den Zusatz reaktiver Kettenverlängerer weitgehend gelöst werden konnte, sind Polyolefinketten aufgrund ihrer geringen Reaktivität deutlich schwieriger zu rekombinieren. Aktuell wird das Problem des Kettenabbaus bei Polyolefinen, wie Polypropylen durch den Zusatz von Neuware überspielt, was die Gebrauchsdauer der Rezyklate zwar verlängert, das Grundproblem aber unberührt lässt. Ziel des Projekts ist es, einen Kettenverlängerer für Polypropylen zu generieren. Aufgrund der niedrigen Reaktivität der PP-Bruchstücke wurde ein Kettenverlänger mit einer Multifunktionsgruppenstruktur konzipiert, die auch schwach reaktiven PP-Kettenbruchstücken die Möglichkeit zur Rekombination bietet.
Vorteile und Lösungen
Polyolefine weisen keine reaktiven Zentren auf, so dass sie im chemischen Sinne als weitgehend inert zu betrachten sind. Bei der Verarbeitung von Polyolefinen unter kunststofftypischen Bedingungen, d.h. hohem mechanischen und thermischen Energieeintrag, kommt es zur Kettenspaltung, die über einen radikalischen Mechanismus erfolgt. Die Kettenspaltung kann dabei an zentraler Stelle oder im Randbereich der Rückgratkette erfolgen, so dass Kettenbruchstücke mit unterschiedlichen Kettenlängen entstehen. Beim Kettenabbau spielt der Luftsauerstoff eine zentrale Rolle, wobei insbesondere Hydroperoxide gebildet werden, die den Kettenbruch propagieren, wenn die Hydroperoxidkonzentration zu sehr ansteigt. Um dem Effekt entgegenzuwirken, werden aktuell Antioxidantien eingesetzt, was das Problem im Projektsinne aber nur eingrenzt, da der Effekt des Kettenabbaus bei Polypropylen nochmals stärker ausgeprägt ist als bei Polyethylen.
Im Zuge der radikalischen Kettenspaltung werden die Polypropylenketten in geringem Umfang durch die entstehenden polaren Reste aus dem Polymerketten- sowie Hydroperoxidzerfall funktionalisiert. Weiterhin ist bekannt, das Polypropylenketten durch Zusatz von Styrol, Maleinsäureanhydrid sowie Glycidylmethacrylat aktiviert werden können, wobei jedoch jeweils nur geringe Funktionalisierungsgrade erzielt werden konnten. Ziel im Projektsinne war es, diese Erkenntnisse zu kombinieren und auszubauen.
Der im Projektsinne konzipierte Kettenverlängerer basiert auf einem polymeren Substrat, wodurch sich bei einer Kettenverknüpfung die Kettenlänge um den Beitrag des Kettenverlängerers erhöht. Um einer sehr schwach aktiven Polymerkette, wie beim Polypropylen, eine möglichst hohe Zahl reaktiver Anknüpfungspunkte anzubieten, wurde ein alternierendes Copolymer aus Glycidylmethacrylat sowie Maleinsäureanhydrid hergestellt, das zudem mit Divinylbenzol gepfropft wurde. Der konzipierte Kettenverlängerer enthält somit eine sehr hohe Zahl reaktiver Glycidyl-, Anhydrid- sowie Styrolstrukturen, die sich statistisch über die Polymerkette des Kettenverlängerers verteilen.
Die Konzeption des Kettenverlängerers zielt auf die nur sehr schwer vorauszusagende Aktivität der vorliegenden PP-Bruchstücke und bietet verschiedene Möglichkeiten für reaktive Verknüpfungen, die im Extrusionsprozess aktiviert werden können. Aufgrund der Verknüpfung der funktionellen Gruppen in einem Grundkörper kann die Verknüpfung über eine beliebige Funktionalität erfolgen, so dass PP-Bruchstücke über verschiedene Mechanismen neu verbunden werden können, selbst wenn sie sehr unterschiedliche chemische Anknüpfungspunkte aufweisen.
Der konzipierte Kettenverlängerer (KVL) wurde in Form eines weißen Pulvers mit einer Primärpartikelgröße < 250 µm hergestellt und in einen PP-KVL-Masterbatch überführt.
Der PP-KVL-Masterbatch wurde in diverse PP-Typen sowie PP-Rezyklatmischungen aus Post-Consumer-Abfall (PCA) mittels Extrusion eingebracht und regranuliert. Die erhaltenen r-Granulate wurden zu 1A-Vielzweckformkörper verarbeitet sowie mittels Fließspirale verspritzt. Die Charakterisierung der Wirksamkeit als Kettenverlängerers erfolgte im Kontext mit einem seit 2023 marktverfügbaren kommerziellen PP-Kettenverlängerer.
Der Zusatz von jeweils 5 Ma.-% des konzipierten PP-KVL bewirkte in den Abfallchargen (PCA-PP) die angestrebte Abnahme des MFR. Das kommerzielle Produkt zeigt dagegen bei MSA-modifizierten PP-Typen bzw. PP-Typen mit breiter Molmassenverteilung (MWD) lediglich eine erhaltende oder leicht abnehmende Fließfähigkeit. Umgekehrt zeigt der kommerzielle KVL (5 Ma.-%) bei allen Abfallchargen die angestrebte Abnahme des Fließweges (Fließspirale), während der Zusatz von 5 Ma.-% des selbst entwickelten PP-KVL keine oder bei niederviskosen PP-Typen eine Zunahme des Fließweges bewirkt.
Durch den Zusatz von 5 Ma.-% des selbst entwickelten PP-KVL wird in allen PCR-PP-Abfallchargen eine Zunahme der Zugfestigkeit bzw. Steifigkeit erzielt, während die Dehnbarkeit absinkt. Durch Zusatz von 5 Ma.-% des kommerziellen PP-KVL wird die Dehnbarkeit der Abfallchargen in vergleichbaren Maße wie beim konzipierten PP-KVL abgesenkt. Gleichzeitig nehmen jedoch Zugfestigkeit und E-Modul ab. Signifikante farbliche Änderungen durch den Zusatz von je 5 Ma.-% des selbst konzipierten PP-KVL sowie des kommerziellen PP-KVL konnten nicht festgestellt werden.
Insgesamt ist der neu konzipierte PP-Kettenverlängerer dem kommerziellen Produkt bei bestimmten Anwendungen vorzuziehen, da die rheologischen Defizite durch die Verbesserung der mechanischen Kennwerte kompensiert werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Primäre Zielgruppe für den im Projektsinne entwickelten Kettenverlängerer für Polypropylen sind Recycler von Kunststoffen, insbesondere Polypropylen. Sekundäre Zielgruppe sind Verarbeiter von Kunststoffen, insbesondere von Polypropylen, die vom Gesetzgeber angehalten werden, ab 2030 definierte Rezyklatgehalte in ihren Produkten zu verwenden, so dass die Verwendung von 100 % Neuware nicht mehr möglich ist. Da die direkte Verwendung aktuell verfügbarer rPP-Rezyklate mit Einschnitten in Qualität und Fertigung der Zwischen- oder Endprodukte der Hersteller haben wird, werden Optionen nachgesucht, um eigene Marktanteile gegenüber Wettbewerbern zu sichern und ggf. neue Marktnischen zu erschließen. Der im Projektsinne konzipierte Kettenverlängerer für PP kann hierzu einen spezifischen Beitrag liefern.
Der Ergebnistransfer an interessierte Unternehmen soll durch eine Bereitstellung der Ergebnisse erfolgen. Dazu wird eine Power-Point-Präsentation erstellt, die Interessenten auf Anfrage übersandt wird. Bei weiterführendem Interesse werden eine Beratung, eine spezifische Implementierung des Additivs auf die Verarbeitungseigenschaften des Anwenders sowie die Überlassung von Produktmustern für Eigenversuche angeboten. Weiterhin wird eine kundenspezifische Anpassung der Additiveigenschaften angeboten.
Um den potentiellen Interessentenkreis zu erweitern, sind eine Veröffentlichung der Produktdaten auf zielmarkorientierten Websites geplant, die den angestrebten Kundenkreis, d.h. Recycler bzw. Verarbeiter von recycelten Materialien, gezielt anspricht, wie z.B. den Plasticker, Fachzeitungen sowie Messen.
Ziel des Ergebnistransfers ist die Weitergabe des Erkenntnisgewinns an die produzierende Industrie in Form eines Verkaufs der Patentrechte sowie die Veräußerung von Lizenzen oder Sub-Lizenzen sowie Einnahmen durch eine Umsatzbeteiligung.
Für eine technische Überführung ist die Übertragung des Herstellungsverfahrens des PP-Kettenverlängerers auf einen Lizenznehmer geplant.