Ziel der Entwicklung

Große Mengen an PP fallen als Verpackungsabfälle im Dualen System an und werden bisher nur unzureichend verwertet. Das Ziel bestand darin, eine verbesserte Verwertung dieser Materialfraktion zu ermöglichen, die es insbesondere erlaubt, hochwertige Rezyklate daraus herzustellen. Die Umsetzung des Projektzieles bietet neben der verbesserten Verwertung (ein höherer Anteil des PP-Abfallstromes wird durch mechanisches Recycling wieder in den Stoffkreislauf zurückgeführt) ebenfalls die Möglichkeit, diese Rezyklate aufgrund ihrer guten Material- und Gebrauchseigenschaften für Anwendungsgebiete einzusetzen, in denen bisher nur Neuware verarbeitet wird (Upcycling). Durch Elastomermodifizierung sollte dazu das Post-Consumer-PP (PC-PP) in hochwertige Materialien überführt werden. Angestrebt wurden dabei insbesondere Materialien mit einem Eigenschaftsprofil ähnlich dem von thermoplastischen Elastomeren (TPE). Dabei sollte auf den Zusatz von PP-Neuware ganz verzichtet bzw. dieser Anteil möglichts gering gehalten werden. Über Variation von Art und Anteil der Elastomerphase sollte eine Anpassung des Eigenschaftsprofils, insbesondere des Verhältnisses zwischen Zähigkeit und Steifigkeit, je nach Wunsch möglich sein. Die bekannten Erkenntnisse aus dem Blenden von PP mit Elastomeren sollten dabei auf die spezifischen Besonderheiten des PC-PP (Verunreinigungen durch Fremd- und Störstoffe, undefinierte Mischung verschiedener PP-Typen, Geruchsbelastung) adaptiert werden.

Vorteile und Lösungen

Zur Umsetzung des Entwicklungsziels wurden zwei Lösungsansätze untersucht: das konventionelle Blenden des PC-PP mit Elastomeren (Compoundierung) sowie die reaktive Modifizierung durch die gezielte Vernetzung des Elastomeranteils während der Verarbeitung (reaktive Extrusion). Die Verarbeitung erfolgte auf einem gleichlaufenden Doppelschneckenextruder.
Als PC-PP wurden Flake-Mischfraktionen und Regranulate aus Verpackungsabfällen verwendet. Es erwies sich bei dem Flake-Material, dass durch eine verbesserte Vorreinigung (Waschen, Windsichten) die Qualität des Ausgangsmaterials nicht signifikant verbessert werden konnte. Hingegen konnte bei der Verarbeitung der Anteil flüchtiger organischer Verbindungen (Geruchsemissionen) durch eine effiziente Vakuumentgasung deutlich gesenkt werden. Alle verwendeten Ausgangsmaterialien enthielten einen signifikanten Anteil an PE-HD. Störstoffe konnten bei der Verarbeitung durch Filtersiebe nicht vollständig entfernt werden; Analysen zeigten, dass es sich dabei hauptsächlich um Rückstände aus der Zersetzung von Etiketten handelte.
Zur reaktiven Modifizierung wurde die in der PP-Matrix verteilte Elastomerphase peroxidisch vernetzt. Diese in-situ-Vernetzung ergab jedoch Produkte mit unzureichenden Eigenschaften, da der Abbau der PP-Matrix trotz verschiedener Maßnahmen zur Stabilisierung nicht unterdrückt werden konnte. Durch Verarbeitungsversuche im Kneter konnten jedoch Formulierungen ermittelt werden, mit denen über peroxidische Vernetzung das Einbringen von Langkettenverzeigungen in die PP-Matrix bei gleichzeitiger Stabilisierung gegen Abbau möglich ist. Die Herstellung entsprechender Compounds war jedoch nicht realisierbar.
Durch konventionelles Blenden mit Elastomeren konnten die gewünschten Materialien mit einem deutlich geringeren Aufwand hergestellt werden. Als besonders geeignete Elastomere zur Modifizierung erwiesen sich Ethylen-Octen-Copolymere und SEBS. PP-Blends damit und ternäre Blends aus PP und den genannten beiden Elastomeren wurden umfassend untersucht. PP-SEBS-Blends waren in der Lage, Weißöl als Weichmacher aufzunehmen, wodurch zusätzlich Zähigkeit und Steifigkeit variiert werden konnten. Für eine möglichst homogene und feindisperse Verteilung der Elastomerphase wurden verschiedene reaktive Compatibilizer als Additiv auf ihre Eignung hin getestet, hier erwies sich SEBS-g-GMA (mit Glycidylmethacrylat gepfropftes SEBS) als am besten geeignet. Für die Einstellung ausreichender elastomerer Eigenschaften waren Anteile an Elastomer > 40 % notwendig.

Zielgruppe und Zielmarkt

Es ist beabsichtigt, die entwickelten Compounds für Anwendungen einzusetzen, in denen das spezifische Eigenschaftsprofil der Materialien und die durch die Verwendung von PC-PP resultierenden niedrigen Materialkosten von Vorteil sind. Ein solcher Anwendungsbereich ist die Nutzung als NVH-Materialien (NVH: Noise, Vibration, Harshness; Geräusch, Vibration, Rauhigkeit). NVH-Materialien werden in den Bereichen Automotive und Maschinenbau eingesetzt, um die unerwünschte Wahrnehmung von Schwingungen zu eliminieren / minimieren. Im Automobilbau werden diese Materialien im Motorraum verwendet, um den Fahrkomfort zu gewährleisten und den Verkehrslärm zu verringern.
Der globale Markt für NVH-Materialien erreichte in 2024 einen Wert von 13,34 Mrd. US-Dollar, bis 2032 wird ein Umfang von von 21,7 Mrd. US-Dollar abgeschätzt, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 6,4 % entspricht. Gegenwärtig sind insbesondere folgende Markttrends wirksam:
- Wachsende Automobilproduktion bei schweren Fahrzeugen (LKW, Spezialfahrzeuge)
- Wachsende Herstellungsrate von Luxus- und Sportwagen
- Zunehmende Produktion von Elektrofahrzeugen.
Durch Verbrennungsmotoren angetriebene schwere Fahrzeuge weisen ein hohes Leistungsgewicht auf und benötigen aufgrund ihrer Robustheit den Einbau großer Mengen an NVH-Materialien. Bei der Herstellung von Luxus- und Sportwagen werden im Vergleich zu einfachen PKW deutlich mehr NVH-Materialien verbaut, da hier eine maximale Schwingungsdämpfung priorisiert wird. Bei Elektrofahrzeugen ist das HVAC-System (HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning; Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem) die hauptsächliche Geräuschquelle. Hocheffiziente NVH-Materialien sind daher auch bei leichten PKW, wie Elektrofahrzeugen, wichtig, da für die Schalldämmung nur ein begrenztes Materialvolumen zur Verfügung steht, wodurch auch die Masseträgheit begrenzt ist.
Gegenwärtig dominieren im Bereich der NVH-Werkstoffe die Materialklassen Elastomere, Kunststoff (Thermoplaste), Schaumstoff und Fasern; daneben sind auch Kombinationen der genannten Stoffe in Verwendung. Über das Anwendungsgebiet aufgeschlüsselt, wird der Markt nach den Einsatzfeldern Absorption, Dämpfung und Isolierung unterteilt.
Die entwickelten Materialien weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sie sehr geeignet zur Verwendung als NVH-Materialien im Bereich Automotive machen:
- Einstellung der Dichte in einem breiten Bereich durch Einarbeitung von mineralischen Füllstoffen (Schwerschicht-Dämmmaterialien) oder Leichtfüllstoffen
- Einfach verarbeitbar: Thermoplastische Formgebung durch Spritzgießen
- Hohe Wärmeformbeständigkeit durch die Verwendung von PP
- Einsatz von PCR-PP ermöglicht Materialeffizienz und erfüllt ggf. administrative Vorgaben zu Treibhausgas- und Schadstoffemissionen (geringer ökologischer Fußabdruck); nach Ende des Produktlebenszyklus recyclingfähig, da thermoplastisch
- Verringerung der Materialkosten durch Verwendung von PCR-PP anstatt von Neuware
- Materialien sind prinzipiell verschäumbar (Anpassung der Materialeigenschaften der PP-Komponente durch weitere FuE-Arbeiten erforderlich), damit Variation der Schallabsorption über Verschäumung möglich
- Variation der Schallabsorption über die Einarbeitung von Flüssigphasen (Weichmacher, Extender) möglich
- Variation der Schallabsorption über die Auswahl verschiedenster Elastomerphasen in Art und Mengenanteil möglich
- Variation der Schallabsorption über Vernetzung von Elastomeren möglich.
Da die Schallabsorption eines Materials aus dessen viskoeleastischem Eigenschaftsprofil resultiert, bieten sich die genannten Möglichkeiten an, Art und Umfang der Schallabsorption je nach Wunsch anzupassen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind somit Ausgangspunkt für weiterführende FuE-Vorhaben.