Rezyklate bewähren sich in industriellen Spinn- und Faserprozessen

Forschende zeigen, wie sich PP- und PET-Abfälle sowie Biopolymere zu hochwertigen Fasern und Folien verarbeiten lassen – inklusive kontrollierter Abbaubarkeit und verbesserter Klimabilanz.

Aus bislang wenig genutzten Kunststoffabfällen hochwertige Werkstoffe für Bauanwendungen herstellen: Dieses Ziel verfolgt das Projekt Zirk-Tex im Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE. Die beteiligten Institute entwickeln Recycling- und Verarbeitungsstrategien, mit denen sich Dachbahnen und Geokunststoffe aus Rezyklaten sowie aus biobasierten Polymeren herstellen lassen. Untersucht wird die gesamte Wertschöpfungskette – von der Sortierung über das Recycling bis hin zur Faser- und Folienherstellung im Pilotmaßstab.

Im Fokus stehen vor allem Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET). Beide Kunststoffe sind in großen Mengen verfügbar, gelten aber als anspruchsvoll, wenn sie aus Post-Consumer-Abfällen zu textilen Flächengebilden verarbeitet werden sollen. Die Qualität der Rezyklate reiche dafür bislang oft nicht aus, so die Forschenden. Verunreinigungen, Fremdpolymere oder instabile Materialeigenschaften erschweren die Verarbeitung, insbesondere bei Fadenbildungsprozessen mit hohen mechanischen Belastungen.

Hohe Anforderungen an Rezyklate für Faserprozesse

"Es ist weniger problematisch, aus Kunststoffrezyklaten Spritzgussbauteile herzustellen. Textile Produkte wie Vliese für Dachbahnen stellen jedoch deutlich höhere Anforderungen", erläutert Evgueni Tarkhanov vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Die Spinnprozesse verlangten homogene, praktisch verunreinigungsfreie Materialien, um Filamentabrisse und Produktionsstillstände zu vermeiden.

Um diese Hürden zu überwinden, bildet das Projekt die komplette Prozesskette ab. Die Sortierung geeigneter Abfallströme erfolgt mithilfe KI-basierter Verfahren am Fraunhofer-Institut für Optronik Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Anschließend werden die Kunststoffe über verschiedene Recyclingpfade aufbereitet und schließlich zu Granulaten, Garnen oder Membranen weiterverarbeitet.

Chemisches und lösemittelbasiertes Recycling kombiniert

Für PET untersuchten die Forschenden unter anderem die Glykolyse, eine Form des chemischen Recyclings. Dabei wurde PET in seine Monomere gespalten und anschließend erneut polymerisiert. Das resultierende rPET habe sich auf einer Pilotanlage zu Multifilamentgarnen verspinnen lassen, so die Fraunhofer-Gesellschaft. 

Parallel dazu setzten die Projektpartner auf ein lösemittelbasiertes Recycling, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV. Damit hätten PP-Abfallströme weitgehend von Fremdpolymeren und Additiven getrennt werden können. Der verbleibende Anteil an unerwünschtem Polyethylen habe nach der Aufbereitung unter 2 % gelegen. "Durch die richtige Additivierungsstrategie ist es uns gelungen, die Verarbeitungsstabilität von PP- und PET-Rezyklaten deutlich zu verbessern", sagt Christian Schütz vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, der das Projekt leitet.

Reststoffe weiterverwerten und Klimabilanz bewerten

Auch die Nebenströme der Recyclingprozesse wurden berücksichtigt. Rückstände aus der Solvolyse und dem lösemittelbasierten Recycling verarbeitete das Fraunhofer-Institut für Umwelt Sicherheits und Energietechnik UMSICHT per Pyrolyse weiter. Dabei entstanden Pyrolysegase und -öle mit geringen Koksanteilen, die sich für weitere Nutzungen eignen sollen.

Begleitend analysierten die Forschenden Materialflüsse und Klimawirkungen. Die Stoffstromanalysen führte das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML durch. Lebenszyklusanalysen zeigten demnach, dass die entwickelten Wertschöpfungsketten sowohl für Rezyklate als auch für Biopolymere eine bessere Klimabilanz aufweisen als der Einsatz von Neuware.

Biopolymere mit einstellbarer Abbaubarkeit

Neben Rezyklaten widmet sich Zirk-Tex auch biobasierten Polymeren. Im zweiten Anwendungsfall stellten die Projektpartner Fasern aus Polylactid (PLA) und Polybutylensuccinat (PBS) her, die sich für temporäre Geotextilien eignen sollen. Ziel war es, Materialien zu entwickeln, die während der Nutzung stabil bleiben, sich danach jedoch kontrolliert abbauen.

Durch gezielte Additivierung sei es gelungen, heißt es, Zeitpunkt und Geschwindigkeit des Abbaus einzustellen, ohne die mechanischen Eigenschaften vorzeitig zu verlieren. Abbau- und Ökotoxizitätstests führte das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME durch. Hinweise auf problematische Umwelteffekte ergaben sich dabei nicht.

Perspektiven für Werkstoffe aus Abfallströmen

Die Ergebnisse zeigen nach Einschätzung der Projektpartner, dass sich auch bislang ungenutzte Abfallströme für die Herstellung hochwertiger polymerbasierter Werkstoffe erschließen lassen. Voraussetzung seien jedoch geeignete Sortier- und Logistikkonzepte sowie eine präzise Prozessführung. Für Dachbahnen und Geotextilien eröffnen sich damit neue Materialoptionen, die funktionale Anforderungen mit einer verbesserten Umweltbilanz verbinden.