Mit hochfließfähigem TPE können Allwetterfußmatten hergestellt werden. (Bildquelle: Hexpol TPE)

Mit hochfließfähigem TPE können Allwetterfußmatten hergestellt werden. (Bildquelle: Hexpol TPE)

Nachhaltige Fahrzeugkonzepte in der Automobilindustrie sind in jüngster Zeit bedeutender geworden. Dieser Wandel ist sicherlich in der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Elektro- oder Brennstoffzellenmotoren am deutlichsten wahrnehmbar. Doch auch materialseitig vollzieht sich ein Wandel. War die Leichtbautechnologie bisher vorrangig, so rückt der Einsatz nachhaltiger Materialien selbst immer stärker in den Fokus. Diese Materialien müssen sowohl die Anforderungen an Spezifikationen als auch die gesetzlichen Vorgaben erfüllen. Zu den wichtigsten Herangehensweisen zählt zum einen das Verwenden von biobasierten Materialien und zum anderen das Einsetzen von recycelten Rohstoffen.

Vorteile biobasierter Kunststoffe

Biobasierte Rohstoffe sind für den Automobilbereich geeignet, wenn sie sich nicht über die Zeit biologisch abbauen und deshalb auch für Teile mit einer hohen Lebensdauer einsetzen lassen. Durch das Verwenden von nachhaltigen Rohstoffen kann die CO2-Bilanz verbessert und die Umwelt geschont werden. Dies ist der Fall, da die pflanzlichen Rohstoffe während ihres Wachstums CO2 aus der Atmosphäre entziehen und in Sauerstoff umwandeln.

TPE mit biobasierten Rohstoffen

Die von Hexpol TPE, Lichtenfels, entwickelten Dryflex Green TPE haben einen hohen Anteil an nachhaltigen, biobasierten Rohstoffen und werden bereits seit 2015 im Consumerbereich eingesetzt. Trotz ihrer biologischen Herkunft können biobasierte TPE auf konventionellen Werkzeugen verarbeitet, in beliebigen Farben hergestellt und am Ende ihrer Lebenszeit problemlos recycelt werden. Inzwischen wurde diese Serie für den Automobilbereich erweitert und ist für den Automobilinnenraum verfügbar. So ist es beispielsweise möglich, Allwetterfußmatten mit einem biobasierten Kohlenstoffanteil von über 20 Prozent herzustellen. Dieser Anteil lässt sich über die Prüfnorm ASTM D6866 auch bestimmen.

Prüfnorm Dryflex AM Dryflex Green Typische OEM-Anforderung
Biobasierter

Kohlenstoffanteil

ASTM D6866 0 % 20 %
Härte ISO 868 74 Shore A 75 Shore A 70 ± 5 Shore A
Zugfestigkeit DIN 53504 5,4 MPa 3.5 MPa ≥ 2.5 MPa
Reißdehnung DIN 53504 609 % 414 % > 400 %
Wärmealterung

(168 h/100 °C)

ISO 868 DIN 53504 i.O. i.O. i.O.
VOC VDA 278 44,8 μg/g 42,8 μg/g ≤ 500 μg/g
FOG VDA 278 315 μg/g 474 μg/g ≤ 2.000 μg/g
Geruch VDA 270 (C3) 3 3 ≤ 3.0

 

Tabelle 1: Vergleich von Dryflex Green mit TPE ohne Recycling-Anteil (Dryflex AM) und gängigen OEM-Vorgaben für Anwendungen der Luft- und Wassertrennung.

Trotz des biobasierten Anteils hat der Werkstoff auf SEBS-Basis einen sehr geringen Geruch (Note 3.0 nach VDA 270, C3) und der Anteil an flüchtigen und halbflüchtigen Stoffen (VOC und FOG über Thermodesorption nach VDA 278) liegt weit unter gängigen OEM-Emissionsvorgaben. Um eine hohe Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden die Messungen von einem externen, akkreditierten Prüfinstitut durchgeführt. Beim Einsatz für beispielsweise großflächige Allwetterfußmatten ist es außerdem sehr wichtig, dass das Material gut fließt und sich gut verarbeiten lässt, damit die Teile mit genauer Oberflächenabbildung gefüllt werden können. Auch für andere Bauteile im Automobilinnenraum lassen sich biobasierte TPE sehr gut einsetzen. Zu diesen Anwendungen gehören zum Beispiel Einlegematten, Dichtungen in der Klimaanlage (HVAC) und dämpfende Dichtungen, um Klappergeräusche zu vermeiden.

Schritt für Schritt zu mehr Nachhaltigkeit

Der biobasierte Anteil in Kunststoffbauteilen kann in den nächsten Jahren jedoch nur Schritt für Schritt erhöht werden, da derzeit noch nicht alle Rohstoffe aufgrund technischer Gründe und der Verfügbarkeit ersetzt werden können. Nachhaltigkeit ist aber grundsätzlich nicht von heute auf morgen lösbar, sondern ein Weg mit mehreren Schritten. Derzeit werden TPE-Compounds mit einem Anteil von über 50 Prozent für den Interieurbereich entwickelt und stehen kurz vor der Markteinführung. Abseits vom Automobilbereich lassen sich bereits jetzt je nach Härte noch höhere Anteile realisieren (bis über 90 Prozent).

Rezyklate als nachhaltige Materiallösung

Beispiel für den Recycling-Prozess vom Batteriegehäuse zum Schmutzfänger. (Bildquelle: jaksa95 - stock.adobe.com)

Beispiel für den Recyclingprozess vom Batteriegehäuse zum Schmutzfänger. (Bildquelle: jaksa95 – stock.adobe.com)

Ein weiterer Ansatz für nachhaltigere Materiallösungen ist der Einsatz von recycelten Rohstoffen in TPE-Compounds. Je nach Bauteileinsatz und den notwendigen Materialeigenschaften kommen dabei verschiedene Quellen recycelter Materialien infrage. Grundsätzlich wird dabei zwischen Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) und Post-Industrial-Rezyklaten (PIR) unterschieden.

Der Begriff Post-Consumer-Rezyklat (PCR) bezeichnet Materialien, die bereits einmal zu Produkten oder Bauteilen verarbeitet wurden und beim Endverbraucher in Benutzung waren. Nach Ende ihrer Lebensdauer werden die Kunststoffteile gesammelt und verwertet. Die bekannteste Wertstoffsammlung dieser Art ist der gelbe Sack/Tonne, in der diverse Kunststoffe, vor allem Verpackungsmaterial, gesammelt werden. Weitere Rohstoffquellen liegen beispielsweise im Verwerten von Sperrmüll oder Autoteilen. Die gesammelten Kunststoffteile werden geschreddert, gereinigt und anschließend, soweit möglich, getrennt und sortiert. Das Material wird anschließend zu neuem Kunststoffgranulat verarbeitet und kann zum Herstellen von neuen Compounds und Bauteilen genutzt werden.

Als Rohstoff für TPE-Compounds sind auch PIR-Kunststoffe geeignet, welche aus Abfällen, die bei der Kunststoffproduktion anfallen, gewonnen werden. In einem Extrusionsprozess kann beispielsweise der angefallene Randbeschnitt verwertet und in einem anderen Herstellungsprozess als PIR-Rohstoff eingesetzt werden. Der Hauptvorteil dieser Art des Recyclings ist es, dass der Abfall sortenrein ist und aufwendiges Sortieren und Reinigen größtenteils entfällt. Bei dieser Art des Recyclings ist auch eine direkte Zusammenarbeit zwischen Verarbeitern in der Automobilindustrie und Materialherstellern möglich.

TPE mit recycelten Rohstoffen

Die vom Compoundeur entwickelten Dryflex Circular TPE Compounds sind mit hohen Anteilen an PCR oder PIR verfügbar und gut verarbeitbar. Je nach Härte und Anforderungsprofil lassen sich für Automobilanwendungen Anteile von bis über 50 Prozent realisieren.

In der Automobilbranche können TPE mit recycelten Rohstoffen derzeit in erster Linie im Außenbereich und in der Luft- und Wassertrennung eingesetzt werden. Zu den typischen Anwendungen zählen Schmutzfänger, Luftleitbleche und Karosseriedichtungen. In Tabelle 2 wird exemplarisch ein Werkstoff auf Basis SEBS für den Einsatz in der Luft- und Wassertrennung mit 30 Prozent PCR im Vergleich zu einem Material ohne recycelten Anteil gezeigt. Es ist erkennbar, dass die mechanischen Werte, verglichen mit einem konventionellen TPE, zwar niedriger sind, aber die gängigen OEM-Anforderungen dennoch eingehalten werden können.

Prüfnorm Dryflex SE Dryflex Circular Typische OEM-Anforderung
Rezyklatanteil 0 % 30 % (PCR)
Hardness ISO 868 85 Shore A 85 Shore A 85 ±5 Shore A
Zugfestigkeit DIN 53504 12,6 MPa 7,4 MPa ≥ 3 MPa
Reißdehnung DIN 53504 770 % 624 % > 150 %
Wärmealterung
(1.000 h/105 °C)
ISO 868, DIN 53504 i.O. i.O. 1.000 h/100 °C
Druckverformungsrest ISO 815-1 Methode B 3×2 mm gestapelt 76 % 63 % ≤ 85 %

Tabelle 2: Vergleich von Dryflex Circular mit TPE ohne Recyclinganteil (Dryflex SE) und gängigen OEM-Vorgaben für Anwendungen der Luft- und Wassertrennung

Weitere Möglichkeiten

Durch den Einsatz von TPE im Automobilbereich gibt es weitere Ansätze für eine höhere Nachhaltigkeit. Es ist dabei wichtig zu beachten, dass die Nachhaltigkeit von mehreren Faktoren wie zum Beispiel dem Erzeugen der Rohstoffe, dem nötigen Energieaufwand bei der Produktion oder dem Verwerten des ausgedienten Teiles abhängt. Häufig wird der Einfluss von Rohstoffen und Produktion im Rahmen einer Ökobilanz (Lebenszyklusanalyse) betrachtet.

TPE kann vielfach Weich-PVC wie in Verkleidungsteilen oder vernetzte Elastomere wie in Dichtprofilen ersetzen. Dies geschieht vor allem deshalb, weil die Materialien mit einer niedrigeren Dichte verfügbar sind und so zu einer Gewichtseinsparung von durchschnittlich 25 Prozent führen, welche sich in einem niedrigeren Energieverbrauch des Fahrzeugs äußert. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem das Material geschäumt und seine Dichte somit weiter reduziert wird.

Weich-PVC hat aufgrund seines Chlorgehalts ein negatives Ansehen und wird deshalb oft prinzipiell gemieden (Stichwort PVC-frei). Beim Ersatz von Elastomeren ist der Hauptvorteil, dass sich TPE thermoplastisch verarbeiten lassen und keine Vulkanisierung nötig ist. Dies reduziert sowohl die Zykluszeit als auch den Energiebedarf der Produktion. Des Weiteren können diese Werkstoffe am Ende der Produktlebenszeit einfacher recycelt und für andere Produkte eingesetzt werden. Sie sind deshalb häufig der effizientere und auch nachhaltigere Rohstoff.

Durch den Einsatz von natürlichen Füllstoffen können Biokomposite mit einem natürlichen Aussehen realisiert werden. Als Füllstoff eignen sich beispielsweise Holzfasern oder Kork. Die resultierenden Compounds lassen sich, ähnlich wie konventionelle TPE, thermoplastisch verarbeiten, aber der Naturrohstoff bleibt sichtbar.

Neu definierte Ziele

Für die Zukunft ist zu erwarten, dass die Bedeutung von nachhaltigen Rohstoffen im Automobilbereich weiter zunehmen wird, da sich viele OEM selbst Vorgaben setzen, die weit über die gesetzlichen Anforderungen hinausgehen. So will beispielsweise Volvo in seinen Modellen bis 2025 mehr als 25 Prozent recycelten Kunststoff einsetzen. [1] Renault hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2022 den Einsatz von recycelten Kunststoffen im Vergleich zu 2013 um mehr als 50 Prozent zu erhöhen. [2] Auch von den Rohstofflieferanten werden neue Verfahren entwickelt, um mehr Recyclingmaterial einsetzen zu können und weitere nachhaltige Rohstoffquellen zu erschließen, beispielsweise wird das chemische Recycling von diversen Kunststoffen stark vorangetrieben, was insbesondere für sensible Anwendungen neue Möglichkeiten eröffnet. Insgesamt betrachtet können also bereits jetzt viele Bauteile mit nachhaltigen TPE umgesetzt werden und es ist zu erwarten, dass sich die Zahl der möglichen Anwendungsbereiche in den nächsten Jahren noch weiter vergrößern wird.

 

Quellen

[1] Volvo Cars recycled plastics strategy, Volvo Car Group, PIAE 2019, Mannheim, 03.04.2019

[2] Circular Economy & Recycled Plastics Integration, Renault Group, Automotive Materials Summit 2019, München, 17.06.2019

Über die Autoren

Florian Dresel

ist Central Research Engineer bei Hexpol TPE in Lichtenfels.

Dr.-Ing. Thomas Köppl

ist Group Product Manager bei Hexpol TPE in Lichtenfels.

Michael Ewald

ist tätig im Marketing & Communications bei Hexpol TPE in Lichtenfels.