Wie schwarzes Plastik mit nachhaltigen Pigmenten NIR-sortierbar wird

Klimawandel, Rohstoffknappheit, gesetzliche Vorgaben und die Präferenz der Verbraucher für nachhaltige Produkte sind wichtige Triebkräfte, um fossile durch innovative und nachwachsende Materialien zu ersetzen. Die erneuerbaren funktionalen Füllstoffe (Renewable Functional Fillers, RFFs) von UPM Biomotion sind holzbasiert und CO2-neutral. Neben dem Ersatz von CO2-intensiven Industrierußen und Fällungskieselsäuren in Elastomermischungen können RFFs auch in Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren eingesetzt werden. UPM Biomotion RFFs bieten Herstellern von Kunststoffartikeln und -komponenten eine Lösung, um ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. In der in Leuna im Bau befindlichen Bioraffinerie wird ein Portfolio neuartiger Biochemikalien aus nachhaltig erwirtschaftetem Laubholz hergestellt werden. Die jährliche Produktionskapazität des Werkes über alle Produktströme wird bei rund 220.000 t liegen. Eines der Hauptprodukte, die erneuerbaren funktionalen Füllstoffe, sind, basierend auf einer durch Dritte verifizierten Lebenszyklusanalyse (LCA), CO2-neutral.

Der in den funktionalen Füllstoffen enthaltene biogene Kohlenstoff ist durch DIN Certco zertifiziert und ermöglicht es Anwendern, den erneuerbaren Anteil in ihren Produkten deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus haben RFFs eine niedrige Dichte von 1,3 g/cm³, welche die Herstellung leichter Komponenten erlaubt. Außerdem sind diese Füllstoffe 100 % elektrisch isolierend, frei von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und im Wesentlichen VOC-frei.[1, 2] Diese Kombination von Eigenschaften macht diese Generation von funktionalen Füllstoffen RFF interessant für verschiedene Anwendungen im Thermoplastenbereich. Sie können als Pigment verwendet werden, sind aber auch als Füllstoff in Compounds interessant.

In einer ersten Versuchsserie wurde ein RFF/PP-Masterbatch und als Vergleich ein Ruß/PP-Masterbatch mit je 40 Gew.-% RFF beziehungsweise Farbruß hergestellt. Diese Masterbatche wurden zum Einfärben von Polypropylen verwendet, wobei für den RFF Konzentrationen von 1,2 Gew.-%, 2,0 Gew.-% und 4,0 Gew.-% eingesetzt wurden. Die fossile Rußreferenz wurde in einer Dosierung von 1,2 Gew.-% Farbruß eingesetzt. In Bild 2 sind die Farbmessungen, welche nach Cielab an spritzgegossenen Plättchen durchgeführt wurden, dargestellt. Der Helligkeitswert L* nimmt mit zunehmender Dosierung von RFF ab und erreicht bei einer Dosierung von 4 Gew.-% das Niveau der Rußreferenz. Generell weisen die mit RFF gefärbten Prüfplatten einen etwas höheren Rot- und Gelbwert als von Rußpigmenten bekannt auf. Durch eine höhere Dosierung nimmt auch der Rot- und Gelbton ab, wobei eine für den RFF charakteristische schwarze Farbgebung erreicht wird. Im Sinne der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung ist es wünschenswert, thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweise Verpackungsmaterialien in einem geschlossenen Kreislauf zu recyceln. Wird jedoch Ruß als Pigment in schwarz gefärbten Kunststoffen verwendet, können diese Materialien in Recyclinganlagen nicht sortiert und damit nicht wiederverwertet werden. Das Polymer, aus welchem der Artikel besteht, kann vom Nahinfrarot (NIR)-Detektionssystem aufgrund der starken Absorption von Ruß nicht erkannt werden. Bild 1 zeigt die Reflektionsspektren im Nahinfrarotbereich der verschiedenen hergestellten Prüfplatten. Wie zu erwarten war, ist bei der mit Ruß eingefärbten PP-Platte keinerlei Reflektionssignal im NIR-Bereich zu erkennen, da alle Strahlung vom Ruß absorbiert wird. Im Gegensatz dazu werden alle mit RFF gefärbte Prüfplatten unabhängig von der Konzentration vom NIR-Sensor erkannt, als ob es sich um ein ungefülltes Polymer handeln würde.

Eine chemometrische Analyse der NIR-Reflektionsspektren erlaubt eine Bewertung der Prüfplatten hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung (siehe Tabelle 1). Die ungefärbte Prüfplatte und die drei mit RFF gefärbten Prüfplatten konnten mit hoher Sicherheit als Polypropylen identifiziert werden. Damit ist eine entsprechende Sortierung in einer Sortieranlage möglich, das Material kann dem richtigen Recyclingstrom zugeführt und somit wiederverwertet werden kann. Im Gegensatz dazu wurde der Kunststoff der mit Ruß gefärbten Prüfplatte aufgrund des geringen Kontrastes nicht identifiziert.

Wird ein thermoplastisches Material dem Recyclingkreislauf zugeführt, ist es wichtig, dass durch die thermische und oxidative Belastung des Polymers bei der Weiterverarbeitung das Polymer nicht zu stark beeinflusst wird, damit das Rezyklat wieder in hochwertigen Anwendungen eingesetzt werden kann. Der Einfluss von RFFs auf die Stabilität von PP während des Recyclings wurde in einem Laborexperiment untersucht. Hierzu wurde Granulat mit 1,2 Gew.-% RFF hergestellt (Lauf 1). Dieses Material wurde weitere neunmal extrudiert und granuliert (Lauf 2 bis Lauf 10), um so die thermische und oxidative Belastung während der stofflichen Wiederverwertung des Materials zu simulieren. Analog wurde ein Referenzgranulat mit 1,2 Gew.-% Farbruß verarbeitet.

In Bild 3 sind die Ergebnisse für den Schmelzflussindex (MFI) und die Oxidationsinduktionszeit (OIT) gezeigt. Das Polypropylen, welches mit 1,2 Gew.-% RFF gefärbt wurde, ist thermisch stabil. Der Schmelzflussindex bleibt über alle Extrusionszyklen konstant, wohingegen er bei der Referenz ansteigt. Dies deutet auf einen Abbau des Polymers hin. Dies geht im Falle der Rußreferenz mit einer Abnahme der Oxidationsinduktionszeit einher. Im Gegensatz dazu steigt die OIT für das mit RFF gefärbte Material über die Extrusionsläufe an. Dies zeigt einerseits eine Stabilisierung des PP durch den Füllstoff, welche durch eine Verbesserung der Dispergierung des RFF durch wiederholte Extrusion noch gesteigert werden kann. Damit ist auch ein teilweiser Ersatz von Additiven, die zur thermischen Stabilisierung vor allem von Polyolefinen eingesetzt werden, denkbar. Außerdem trat während der mehrfachen Extrusion des alternativ gefärbten PPs keine Farbveränderung des Materials auf.

[1] Diehl et. al, Mit Füllstoffen die CO2-Bilanz verbessern, KGK issue 1, 2022, p. 10-14
[2] UPM Biochemicals LCA

Quelle: UPM