(Bildquelle: alle Clariant)

(Bildquelle: alle Clariant)

Abfälle zu reduzieren oder Produktionsreste in den Fertigungsprozess zurückzuführen, gilt seit jeher als ein bedeutender Faktor zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung in der Kunststoffverarbeitung. Die effektive Wiederverwertung von Produktionsabfällen ist angesichts wachsender Sorgen über die Umweltauswirkungen durch Kunststoffe nicht nur ökonomisch sinnvoll, sondern ökologisch auch unerlässlich.

Bei einem Projekt zur Verbesserung der Eigenschaften von flexiblen Verpackungsfolien zusammen mit einem globalen Partner fiel den Experten von Clariant, Muttenz, Schweiz, auf, dass bei der Produktion große Mengen an nicht verwertbarem Ausschuss anfielen. Mit dem Ziel, sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit des Prozesses zu verbessern, wurden Lösungen gesucht, um den vor Ort anfallenden Produktionsabfall direkt wieder bei der Folienherstellung verwenden zu können. Damit eröffnete sich die Möglichkeit, Abfälle zu vermeiden und Kosten einzusparen.

Höhere Recyclingquote in der Produktion von PP- und PE-Folien

Clariants neu entwickelter Polymerstabilisator, Addworks PKG 906 Circle, ermöglicht eine erhebliche Steigerung des Rezyklatanteils bei der Herstellung von PP- und PE-Folien. Bis über 20 Prozent Rohstoff lassen sich durch aufbereitete Produktionsabfälle ersetzen, ohne die Qualität der Verpackungsfolie oder den Durchsatz bei der Folienherstellung zu beeinträchtigen. Die innovative Lösung des Schweizer Spezialchemieunternehmens eignet sich insbesondere zur Herstellung von BOPP-Folien (biaxial orientierte PP Folien), ist aber auch im Gieß- und Blasfolienverfahren einsetzbar. Randbeschnitt und Ausstanzungen sind typische Produktionsabfälle, die in den Kreislauf zurückgeführt werden können, aber auch An- und Abfahrware oder Übergangsqualitäten bei Rezepturwechseln können so sinnvoll wiederverwendet werden. Der neue Polymerstabilisator ist für Kunststoffanwendungen mit Lebensmittelkontakt zugelassen und als gut rieselfähiges Granulat verfügbar. Daher kann er bei jedem Verarbeitungsprozess einfach dosiert werden.

Verfärbung und Verminderung der Transparenz sind wesentliche Qualitätsrisiken für Verpackungsfolien, da sie den ersten Eindruck der verpackten Ware verschlechtern. Addworks PKG 906 Circle sorgt für einen optimalen Schutz von Farbe und Transparenz bei der Verwendung von Produktionsabfällen, so dass die Qualität unverändert gut bleibt. Ebenso wird die Bildung von schwarzen Verunreinigungen und eine gelbliche Verfärbung vermieden. Dies erlaubt es, mit großer Geschwindigkeit zu produzieren. Folienschäden werden vermieden und eine gleichbleibende, ununterbrochene Folienproduktion wird gewährleistet. So zeigten Versuche mit 30 Prozent Rezyklatanteil und Verwendung des Polymerstabilisators eine Verringerung der Folienstippen um bis zu 25 Prozent. Ebenso konnte der Schmelzindex (MFI) trotz Mehrfachverarbeitung auf gutem Niveau gehalten werden.

Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit

Die Wirksamkeit des Polymerstabilisators konnte in Laborversuchen mit bis zu 30 Prozent Rezyklatanteil gezeigt werden. Kommerziell werden von Folienherstellern heute schon bis zu 20 Prozent neues Polymergranulat durch Produktionsabfälle ersetzt. Damit hat Addworks PKG 906 Circle unter Beweis gestellt, dass es sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit bei der Herstellung von Verpackungsfolien deutlich verbessern kann. Die Wiederverwendung von Produktionsabfällen bei PE- als auch bei PP-Folien kann die Nachhaltigkeit in diesem Industriezweig auf ideale Weise unterstützen. Dabei müssen weniger Abfälle entsorgt werden, und es wird weniger neues Polymer verbraucht.

Nicht nur für Verarbeiter von Verpackungsfolien, sondern auch für Hersteller von Kunststoffbauteilen für die Transport- oder Elektronikindustrie sind nachhaltige Lösungen gefragt. Dabei steht nicht nur die Wiederwertung von Bauteilen im Fokus, sondern auch der Einsatz von Materialien, die zu einer verbesserten Nachhaltigkeit beitragen. Dementsprechend werden bei Transportanwendungen zunehmend Kunststoffe verwendet, um so das Gewicht der Transportmittel sowie deren Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Für anspruchsvollere Bauteile werden vermehrt Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Um ihre ausgereiften Materialeigenschaften weiter an die geforderten Zielwerte hinzuführen, kommen unterschiedliche Additive, wie beispielsweise Flammschutzmittel (FSM), zum Einsatz. Dies ist aufgrund des hohen Kohlenstoff- und Wasserstoffgehalts der zugrundeliegenden Kunststoffe – und der damit verbundenen leichten Entflammbarkeit – von wesentlicher Bedeutung.

Flammgeschützte Faserverbundwerkstoffe im Transportbereich

Vor allem für Transportanwendungen ist das Thema Flammschutz entscheidend. Durch die Verwendung von flammgeschützten Faserverbundwerkstoffen, auch für Strukturbauteile, kann das Gewicht der Fahrzeuge reduziert werden. Bei besonders hohen Ansprüchen kommen kohlenstofffaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz, wobei neben Thermoplasten vor allem Duroplaste, wie etwa Epoxidharzsysteme, als Matrixharz eingesetzt werden. Hier rückt neben dem Luft- und Raumfahrtsektor zunehmend der Bahnsektor und die Automobilindustrie in den Mittelpunkt. Besonders für die stetig wachsende Elektromobilität sind diese Gewichtsersparnisse und die damit erhöhte Reichweite ein entscheidender Vorteil.

Dabei muss berücksichtigt werden, dass jeder Anwendungsbereich andere Brandschutznormen hat, die sich zudem von Land zu Land unterscheiden können. In der Abbildung sind ausgewählte Flammschutzprüfungen für unterschiedliche Anwendungen gezeigt. Für Elektrik & Elektronik (E&E) ist beispielsweise eine verminderte Brennbarkeit gefragt. Dabei wird häufig eine Klassifizierung von V-0 nach UL-94 gefordert (kein brennendes Abtropfen, gewisse Brandzeiten dürfen nicht überschritten werden). Hingegen werden in Transportanwendungen im Bahnsektor, neben Anforderungen an das Maximum der mittleren Wärmefreisetzungsrate (MARHE-Wert), beispielsweise auch strenge Anforderungen an die Rauchentwicklung gestellt.

Flammschutzmittel müssen daher sorgsam ausgewählt und auf das verwendete Harzsystem abgestimmt werden, unter Beachtung der zu bestehenden Tests. Hierbei beeinflussen die chemische Natur des FSM und dessen Zersetzungsprodukte im Brandfall sowie deren Interaktion mit dem Kunststoff und dessen Zersetzungsprodukten die Wirkungsweise und Effektivität. Somit ist die Auswahl der passenden FSM nicht trivial und benötigt mitunter viele Tests, Erfahrung und chemisches Fachwissen.

Halogenfreie Flammschutzlösungen sind gefragt

Bei der Flammwidrigkeit sind halogenfreie Lösungen heute der Benchmark, um in einer umweltverträglichen Weise das Ausbreiten eines Feuers oder die Entflammung von Kunststoff-Bauteilen bei elektrischen Kurzschlüssen, bei Annäherung an externe Zündquellen oder bei Überhitzung zu verhindern. Typisch für halogenfreie Systeme sind eine deutlich schwächere Rauchentwicklung und geringere Schadstoffanteile im Rauch. Sie können als additive FSM eingesetzt werden. Ein Beispiel ist das weniger effektive Aluminiumtrihydroxid (ATH), das vorzugsweise als kostengünstige Lösung für weniger anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt wird. Bei höheren Ansprüchen werden weitere komplexer wirkende FSM, wie etwa Ammoniumpolyphosphat (APP), Metallphosphinate oder synergistische Mischungen, mitunter auch in Verbindung mit ATH zur Kostenreduktion, eingesetzt. Diese müssen in ihrer Wirkungsweise auf die Harzmatrix abgestimmt werden.

Reaktive und flüssige FSM sind im Fokus

Neben den existierenden additiven FSM lässt sich im Markt eine steigende Nachfrage nach im Harz löslichen und reaktiven Flammschutzmitteln erkennen. Diese ermöglichen es, die zum Bestehen der Flammschutzprüfungen notwendigen Mengen von unlöslichen Flammschutzmitteln wie ATH oder APP zu senken oder diese komplett zu ersetzen. Ein großer Vorteil besteht in der geringeren Erhöhung der Viskosität von Epoxidharzsystemen im Vergleich zu pulverförmigen FSM. Außerdem werden die mechanischen Parameter weniger beeinträchtigt. Hier kann beispielsweise ATH bei der oft hohen benötigten Beladung einen starken negativen Einfluss auf die mechanischen Parameter ausüben, was den Einsatz für Strukturbauteile erschweren oder gänzlich verhindern kann. Hingegen ist bei Verwendung von flüssigen FSM ein pulverfreies Verarbeiten möglich. Dies ist insbesondere wegen der steigenden Nachfrage nach flüssigen Verarbeitungsprozessen von Harzsystemen interessant. Dadurch können die Prozesszeiten verkürzt und die Stückzahlen erhöht werden.

Für die genannten Anwendungen bietet Clariant Lösungen für duromere Harzsysteme, wie beispielsweise Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze oder auch Polyurethane an. Das Schweizer Spezialchemieunternehmen hat kürzlich Exolit EP 360 und Exolit EP 390 vorgestellt. Die beiden halogenfreien FSM weisen eine breite Epoxidharz-Kompatibilität auf, wobei Exolit EP 360 aufgrund seiner reaktiven Natur – im Gegensatz zu additiven Phosphazenen – in das Matrixharz mit einreagiert. Das pulverfreie Verarbeiten der Produkte ermöglicht niedrigere Viskositäten im Vergleich zu alternativen Lösungen, wie beispielsweise spezielle DOPO-basierte FSM, bei gutem Härtungsverhalten. Aufgrund des partikelfreien Systems können sie auch für dünne E&E-Anwendungen und bei modernen Verarbeitungsprozessen für Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Produktneuheiten aufgrund der geringeren Toxizität bei Rauchentwicklung im Vergleich zu halogenierten Produkten auch bei Kompositen im Transportwesen verwendet werden.

Über die Autoren

Dr. Diederik Goyvaerts

ist Global Segment Manager Processors, BL Performance Additives bei Clariant in Muttenz, Schweiz.

Dr. Christian Battenberg

ist Global Segment Manager Thermosets, BL Flame Retardants bei Clariant in Sulzbach.