HFFR-Up2Cycle: Geschlossene Kreislösungen für flammgeschützte Kunststoffe in E/E-, Automobil- und Kabelanwendungen

Das Projekt hffr-Up2Cycle zielt darauf ab, die Nachhaltigkeit von Kunststoffen zu erhöhen, deren Formulierungen auf Flammschutzmitteln basieren. Durch die Untersuchung und Optimierung von recycelten und aufbereiteten PCR-Materialien (Post-Consumer-Recycling) wie Polyolefinen (PP, PE), PET, PC/ABS, PA und flexiblem PU-Schaum soll sowohl der Flammschutz verbessert, die langfristigen mechanischen und thermischen Eigenschaften dieser Materialien gesteigert, wie auch die Kreislauffähigkeit simuliert werden.

Das Recycling von polymeren Materialien ist entscheidend für die ökologische, ökonomische und soziale Entwicklung. Mit den kommenden Vorschriften des Europäischen Green Deals, die spezifische Recyclingquoten festlegen, steht die Kunststoffindustrie vor großen Herausforderungen. Insbesondere flammgeschützte Kunststoffe benötigen innovative Ansätze, da es an bestehenden flammgeschützten PCR-Abfallströmen mangelt.

Herausforderungen:

• Nachhaltige Materialien: Die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Materialien erfordert neue Recyclingmethoden.
• Recyclingfähigkeit: Halogenfreie flammgeschützte (hffr-) Kunststoffe sind eine umweltfreundliche Alternative, wobei die Daten über deren Recyclingfähigkeit immer noch gering sind.
• Sicherheitsstandards: Hochwertige Anwendungen benötigen Flammschutzmittel, was zusätzliche Herausforderungen bei der Verwendung von Rezyklaten mit sich bringt.

Projektziele von hffr-Up2Cycle:

• Verbesserung der Recyclingfähigkeit von halogenfreien flammgeschützten Kunststoffen.
• Entwicklung innovativer Recyclingmethoden und neuer Additive zur Steigerung der Qualität und Nachhaltigkeit der Materialien.
• Erschließung neuer Perspektiven durch Upcycling von Verpackungsabfällen und Recycling aus geschlossenen Kreislaufsystemen.

Ziele und Zielsetzungen

Die Hauptziele des Projekts hffr-Up2Cycle sind:

• Kartierung und Charakterisierung von marktverfügbaren PCR-Materialien aus verschiedenen Quellen, wie Verpackungen und hochwertigen Anwendungen.
• Identifikation von Strategien zur Erhöhung der Nachhaltigkeit in ausgewählten Anwendungen durch die Verwendung von PCR, einschließlich maßgeschneiderter Formulierungen für den Spritzguss in den Bereichen Elektronik/Elektrotechnik, Automobil, Kabel und Bauanwendungen.
• Entwicklung flammgeschützter Formulierungen, die auf ausgewählten marktverfügbaren PCRs basieren und für die jeweiligen Anwendungen geeignet sind.
• Analytische Bewertung der Wechselwirkungen zwischen Flammschutzmitteln und anderen Additiven in den PCR-Kunststoffen.
• Etablierung einer Strategie für die Restabilsierung und Polymerzugaben über mehrere Recyclingzyklen, um den Flammschutz und mechanische Eigenschaften auf einem anwendbaren Niveau zu halten.

Methoden und Vorgehensweise

Die Methodik des Projekts umfasst mehrere Schritte:

• Materialauswahl: Auswahl von PCR-Materialien basierend auf Verfügbarkeit und kommenden Vorschriften.
• Analytik und Charakterisierung: Detaillierte Untersuchung und Charakterisierung jedes Abfallstroms.
• Festlegung der Formulierungen und Compoundieren: Auswahl und Testen von flammgeschützten Systemen in enger Absprache mit den teilnehmenden Unternehmen.
• Haltbarkeit bei Alterung und Recycling: Untersuchung der Prozess- und Langzeiteigenschaften der flammgeschützten Rezyklate.

1. Materialauswahl

In diesem Schritt werden Wege zur Erhöhung der Nachhaltigkeit flammgeschützter Kunststoffverbindungen identifiziert. Dies kann durch das Upcycling von Verpackungs-PCRs, das Upcycling von PCRs aus hochwertigen Anwendungen oder die Wiederverwendung von geschlossenen Kreislauf-Rezyklaten erfolgen. Die Materialauswahl basiert auf der Verfügbarkeit der Materialien und zukünftigen Vorschriften (z. B. Anforderungen an geschlossene Kreisläufe). Es werden marktverfügbare PCRs ausgewählt, die aus Abfallströmen stammen, die aus End-of-Life-Materialien gespeist werden, wie z. B. durch Pfandsysteme, Straßensammlungen (z. B. Gelber Sack in Deutschland) oder Restmüll. Für Anwendungen mit geschlossenen Kreislaufanforderungen werden exemplarische Abfallstrommaterialien, insbesondere Rezyklate aus flammgeschützten Anwendungen, ausgewählt. Ziel ist die Auswahl von 5-7 repräsentativen, marktverfügbaren PCRs.

2. Analytik und Charakterisierung

Nach der Materialauswahl erfolgt eine detaillierte analytische Untersuchung und Charakterisierung jedes Abfallstroms, einschließlich PP, PE (HDPE, LLDPE), PET (PET/GF), PC/ABS, PA6 und PA66 sowie Mischungen (z. B. PP/PE). Die Charakterisierung basiert auf standardisierten Methoden (OIT, TGA, DSC, IR, NMR) und mechanischen Tests (Bruchdehnung, Zugfestigkeit). Die Flammschutzmittel in den geschlossenen Kreislauf-Rezyklaten werden mithilfe spektroskopischer Methoden bestimmt, und auch der Bromgehalt wird analysiert. Ziel ist eine vollständige Charakterisierung jedes ausgewählten Abfallstroms.

3. Festlegung der Formulierungen und Compoundieren

Die Auswahl der flammgeschützten Systeme erfolgt in enger Absprache mit den teilnehmenden Unternehmen. Das Compoundieren und Testen des Flammschutzes (z. B. UL-94, LOI, Kegelkalorimetrie, CTI) ist ein zentraler Punkt für die Bewertung der flammgeschützter Rezyklate. Der Einfluss der Abweichung der PCR-Qualität auf den Flammschutz wird ebenfalls berücksichtigt. Die Zugabe von Neuware wird bewertet, um einen stabilen Flammschutz zu erreichen. Ziel ist eine Aussage zum Flammschutz der Rezyklate, basierend auf den analytischen Ergebnissen in Abhängigkeit von ausgewählten PCRs und deren Qualität. Für jede Anwendung/Polymerabfallstrom werden 2 bis 3 Compoundiersessions mit mehreren Formulierungen pro Sitzung durchgeführt.

4. Haltbarkeit bei Alterung und Recycling

Für die Formulierungen wird die Untersuchung der Prozess- und Langzeiteigenschaften der flammgeschützter Rezyklate durchgeführt. Die Bewertung der Materialoptimierung während der Kunststoffverarbeitung und der beschleunigten Alterung (Ofenalterung bis zu 2000 Stunden) erfolgt durch analytische Charakterisierung und Zugtests. Die effektive Wechselwirkung aller Additive im Compound wird analysiert, um die Eigenschaften der Rezyklate je nach Abfallstrom und dessen Qualität zu optimieren. Um die Wirksamkeit während geschlossener Kreislaufprozesse zu simulieren, wird die Recyclinghaltbarkeit durch mehrfache Extrusion bewertet. Nach den Extrusionen werden Readditivierungskonzepte getestet. Die Evaluation der Materialeigenschaften umfasst Flammschutztests und mechanische Eigenschaften sowie analytische Methoden zur Darstellung des Polymerabbaus. Ziel ist die Auswahl von Wertstoffströmen, die zu hochwertigen flammgeschützten Kunststoffen führen, die mit Neuware vergleichbar sind. Für die geschlossenen Kreislaufmaterialien sollte ein stabiler Flammschutz über mehrere Extrusionen erreicht werden, einschließlich eines Konzepts für die Readditivierung.

Erwartete Ergebnisse

Das Projekt strebt an, dass die entwickelten flammgeschützten Rezyklate ähnliche Eigenschaften wie Neuware aufweisen und in geschlossenen Kreislaufprozessen stabil bleiben. Dies wird durch die gezielte Optimierung der Additive sowie die umfassende Bewertung während des Recyclings erreicht.

Beteiligte und Partner

Die Projektleitung liegt beim Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF. Zu den Hauptakteuren zählen Unternehmen aus der Kunststoffverarbeitungsindustrie und der Kunststoffproduktion, die gemeinsam an der Entwicklung und Optimierung der Materialien arbeiten.

Relevanz und Nutzen

Die Ergebnisse des Projekts tragen dazu bei, die Nachhaltigkeit von Kunststoffmaterialien zu erhöhen und die Anforderungen an die Recyclingquoten zu erfüllen. Dies eröffnet der Industrie die Möglichkeit, innovative und umweltfreundliche Lösungen zu entwickeln, während gleichzeitig die Sicherheit und Qualität der Materialien gewährleistet bleibt.