Leistung trifft Zirkularität: faserverstärkte Kunststoffe werden recyclebar
27.01.2023
Rezyklate sind oft weniger leistungsfähig als neue Kunststoffe. Doch man kann sie aufwerten – und zwar durch Faserverbundmaterialien. Sie machen die Kunststoffe wiederum schwierig zu recyceln. Das Projekt All-Polymer zeigt, wie beides möglich ist: leistungsstarke Materialen und ein geschlossener Kreislauf.
Im Interview mit dem K-MAG spricht Prof. Dr. Silke Rathgeber über das Projekt All-Polymer, die Beteiligung von Röchling Automotive an diesem sowie darüber, inwiefern bei faserverstärkten Kunststoffen Material und Energie eingespart werden können.
Inwiefern gibt es aktuell noch Nachholbedarf, wenn es um das Recycling von faserverstärkten Kunststoffen geht?
Prof. Dr. Silke Rathgeber: Sekundärkunststoffe besitzen im Vergleich zu Primärmaterialien oft schlechtere mechanische Eigenschaften. Das heißt, die Wiederwertung von Kunststoffen ist in den meisten Fällen unweigerlich mit einem Downcycling verbunden. Kunststoffverbundwerkstoffe sind in der Regel nicht recyclingfähig. Dies entspricht nicht dem Ziel einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft, in der Rohstoffe ohne Wertigkeitsverlust möglichst lange im Kreislauf verbleiben sollen. Trotzdem bieten Kunststoffe aufgrund ihrer Eigenschaften (geringe Dichte, Designflexibilität, Medienstabilität, energieeffiziente Verarbeitung, Langlebigkeit) insbesondere im Leichtbau, in der Logistik, Bauindustrie et cetera viele Vorteile in Bezug auf Ressourceneffizienz gegenüber anderen Materialklassen, wie Metall oder auch Holz. Das Ziel muss also darin bestehen, recycelte Sekundärkunststoffe durch neue Designkonzepte aufzuwerten und zu neuen Produkten zu verarbeiten, die zu 100 Prozent recyclingfähig sind.
Im Projekt All-Polymer haben Sie genau das erforscht. Was waren die Ziele?
Rathgeber: Das Ziel von All-Polymer ist die Aufwertung von Sekundärkunststoffen mittels kosten- und energieeffizienter unidirektionaler (UD) faserverstärkter Bänder (UD-Tapes), die entweder mittels eines additiven Tape-Legeverfahrens zur lokalen Verstärkung auf einem Bauteil aufgebracht oder als Einleger in Spritzguss- oder Pressverfahren in einem Bauteil integriert werden. Anstelle energie- und kostenintensiv hergestellter Glas- und Carbonfasern besteht der innovative Ansatz vielmehr darin, Kunststofffasern, zu verwenden. Diese können außerordentlich energieeffizient hergestellt werden, sind sortenrein und komplett recyclebar.
Wie sind Sie bei Ihrer Forschung vorgegangen?
Rathgeber: Das Potenzial, Rezyklate einer Anwendung in einer anderen hochwertigen Anwendung einzusetzen, wurde anhand von Anwendungsfällen aus unterschiedlichen Branchen untersucht. Hierbei haben wir uns auf wichtige Schlüsselbranchen wie Automotive (Röchling Automotive), Logistik (Infinex Holding) sowie Land-, Forst- und Bauwirtschaft (Hahn Kunststoffe) fokussiert. Das Start-up A+ Composites stellt die laut Faser-Hersteller DSM weltweit einzigartigen UD-Tapes mit der Kunststofffaser Dyneema® her.
Durch die Untersuchung der Tape-Bauteil-Haftung sowie mittels mechanischer Charakterisierungen konnten die Anforderungen für die verschiedenen Anwendungsfälle identifiziert und die UD-Tapes und Bauteileigenschaften angepasst werden. Die Verbindung zwischen Bauteil und UD-Tape wurde je nach Anwendungsfall mittels eines Schweiß- oder Pressverfahren hergestellt. Beide Prozesse konnten durch die Kooperation wesentlich verbessert und an die Anforderungen der Bauteile angepasst werden. Stabile Prozesse, die zu gut haftenden Tapes führen, wurden realisiert.
Eine Betrachtung der ökologischen und ökonomischen Rahmenbedingungen durch die Technische Universität Kaiserlautern (Lehrstuhl für Sustainability Management) unterstützte die technische Entwicklung. Der Status quo der teilnehmenden Unternehmen bei der Kreislaufwirtschaft konnte durch eine begleitende Zirkularitätsbewertung erfasst werden. Darüber hinaus wurden Potenziale aufgezeigt, durch die die Projektteilnehmenden sich zukünftig noch nachhaltiger aufstellen können. Für einen der Anwendungsfälle wurde zudem eine Lebenszyklusanalyse inklusive CO2-Bilanz erstellt.
Sie haben auch einen Prototyp von Röchling Automotive zur Verfügung gestellt bekommen. Was war der Grundgedanke hier? Was waren die Ergebnisse der Untersuchungen?
Rathgeber: Röchling Automotive war als assoziierter Partner im Projekt beteiligt. Das Unternehmen hat sich das strategische Ziel gesetzt, nachhaltig und wertebewusst zu handeln. Dies schließt mit ein, dass es neue Entwicklungen in der kunststoffverarbeitenden Industrie, die auf eine erhöhte Ressourceneffizienz, Kreislaufführung von Kunststoffen und mehr Recycling abzielen, unterstützt. So wurden mehrere Versuchsreihen mit verschiedenen Automobilteilen gemacht. Dabei sollte mithilfe der faserverstärkten Tapes ein Leistungsabfall der Bauteile mit Rezyklat aufgefangen werden sowie der Anteil an Langfasern oder das Einbringen von Gelegen aus Glas oder Carbon durch die Verwendung von vollständig polymerbasierten unidirektionalen Faserverstärkungen reduziert beziehungsweise obsolet werden. Die Umsetzbarkeit konnte prototypisch gezeigt werden.
Inwiefern können die Ergebnisse des Projekts All-Polymer zu mehr Nachhaltigkeit in der Kunststoffindustrie beitragen?
Rathgeber: Die technischen, ökologischen und ökonomischen Ergebnisse haben gezeigt, dass mehrere Arten der Aufwertung realisiert werden können. Durch den Einsatz von faserverstärkten Tapes lassen sich der Rezyklatanteil erhöhen und ein Leistungsverlust durch den Einsatz von Rezyklat kompensieren. Dadurch können neue, anspruchsvolle Anwendungsgebiete für Bauteile erschlossen werden, die zu 100 Prozent recyclebar sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Bauteile zu verstärken, die dadurch in der Konstruktion leichter gestaltet werden können. Dadurch kann nicht nur Material, sondern auch im Lebenszyklus des Produkts bei jedem Transportvorgang Energie eingespart werden.