Ausgangssituation
Die Anforderungen an einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen werden stetig anspruchsvoller. Im Bereich der Verpackung und der Textilien spielen dabei Recycling- und Wiederverwendungs- (Re-Use) Konzepte eine entscheidende Rolle. Für ein effizientes Recycling ist das Trennen unterschiedlicher Materialien eine entscheidende Voraussetzung, da sowohl moderne Verpackungen wie auch beschichtete Textilien fast immer einen Multilagenaufbau aufweisen. Diese meist unterschiedlichen Materialien sind i. d. R. durch einen Klebstoff verbunden, der für eine dauerhafte Verbindung sorgt. Ein sortenreines und zerstörungsfreies Trennen unterschiedlicher Materialien derartiger Textilien bzw. Verpackungen ist bis heute weitgehend ungelöst. Deshalb rücken Debond-on-Demand-Strategien zunehmend in den Fokus für Recyclingansätze. Unter Debond-on-Demand (DoD) versteht man das gewollte Lösen (Adhäsionsverringerung) einer Klebung/Laminierung bzw. das Ablösen einer Beschichtung. Das Lösen wird dabei durch einen sog. Trigger initiiert, der z. B. ein Licht- oder Wärmepuls sein kann. Idealerweise wird dieser Trigger während der regulären Nutzung des Produktes nicht unbeabsichtigt aktiviert. Bislang existieren jedoch kaum kommerziell verfügbare Lösungen für DoD.
Projektziel
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollte eine einfache, sichere und saubere Trennung zwischen verschiedenen Materialien eines Multilagenverbundes erreicht werden. Hierzu wurden intelligente (programmierbare) Materialien, wie dünne Beschichtungen, modifizierte Klebstoffe oder modifizierte Polymere eingesetzt, die sich bei Bedarf gezielt lösen sollten. Der Trennungsprozess sollte dabei durch die Entwicklung neuer Produktdesigns und innovativer Trennungsstrategien unter Erhalt der Funktionalität optimiert werden. Darüber hinaus wurden Maßnahmen zur Verbesserung der Wiederaufbereitung der getrennten Materialien untersucht, um mögliche Unzulänglichkeiten im Trennprozess auszugleichen.
Abb.1: Innovationsziel DEBOND
Lösungsweg
Zu Beginn des Projektes wurden in enger Abstimmung mit Industriepartnern repräsentative, industrieübliche Mehrlagenverbundstrukturen (Multi- und Monomaterialverbunde) sowie die zugehörigen Klebstoffsysteme im Verpackungsbereich definiert. Diese bildeten die Grundlage sowohl für die Herstellung von Referenzmaterialien als auch von modifizierten Materialien mit DoD-Funktionalität. Dabei wurden verschiedene Ansätze zur Realisierung des DoD-Konzeptes verfolgt. Im Verpackungsbereich erfolgte zum einen die Abscheidung dünner, mit DoD-Additiven ausgestatteter Funktionsschichten mittels Atmosphärendruckplasma und zum anderen die direkte Modifikation der eingesetzten Klebstoffe durch Zugabe verschiedener DoD-Additive. Im Bereich der Textilbeschichtung wurde als weitere Entwicklungsstrategie die chemische Modifizierung des Grundgerüsts eines Polyurethans untersucht, welches anschließend als Beschichtung eingesetzt wurde. Hierzu erfolgte die Integration verschiedener funktioneller Gruppen, darunter kurzkettige Diole, photolabile Gruppen und Siloxane. Die Trennung der verklebten Verbundmaterialien wurde durch Einlegen in verschiedene Lösungsmittel untersucht. Aus den getrennten Einzelmaterialien wurden in einem closed-loop-Prozess neue Polymerfolien hergestellt und deren mechanische Eigenschaften bewertet.
Abb.2: Closed-loop Recycling am Beispiel eines Verbundmaterials aus dem Bereich Verpackung
Ergebnisse | Nutzen
Die zur Verfügung stehenden Referenzmaterialien wurden ohne vorherige Trennung einem konventionellen Recyclingprozess (Zerkleinerung, Aufschmelzen, Regranulierung, Folienextrusion) zugeführt. Die daraus resultierenden Folien wiesen jedoch Verfärbungen und Fehlstellen wie Löcher und Stippen und damit einen signifikanten Qualitätsverlust auf, der auf das Recycling ohne vorherige Schichttrennung zurückzuführen ist. Dies verdeutlicht, dass eine gezielte Trennung der Verbunde essenziell ist, um ein Downcycling der Materialien zu vermeiden. Zur Realisierung dieser Trennung wurden verschiedene DoD-Konzepte untersucht, darunter Atmosphärendruckplasma, Klebstoffmodifikation sowie die Modifikation von Polyurethansystemen. Mittels Atmosphärendruckplasma wurden additivierte Sol-Gel-basierende Schichten abgeschieden, welche teilweise ausgeprägte und reproduzierbare DoD-Eigenschaften aufwiesen. Die Additivierung der Klebstoffe erfolgte u. a. mittels expandierender Partikel, löslichen Additiven oder internen Trennmitteln. Die besten Debonding-Ergebnisse wurden mit einem molekularen Additiv erzielt, welches anschließend für die Upscaling-Versuche eingesetzt wurde.
Im Bereich der Textilbeschichtung wurden PET-basierte Textilien mit den modifizierten PU-Systemen beschichtet. Durch Variation relevanter Prozessparameter (Konzentration, Temperatur, Einwirkzeit) konnten geeignete Lösungsmittelsysteme identifiziert werden, die eine effiziente Trennung der verschiedenen Verbunde ermöglichten.
Die getrennten Folien aus dem Verpackungsbereich wurden anschließend compoundiert und sowohl mittels Extrusion zu neuen Folien verarbeitet als auch im Spritzguss weiterverarbeitet. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Rezyklate entsprachen dabei denen der Ausgangsmaterialien. Die hergestellten Rezyklatfolien konnten erfolgreich als Siegelfolie in Lebensmittelverpackungen eingesetzt werden.
Dank
Das IGF-Vorhaben (01IF00349C / 349 EBG) der Forschungsvereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1-5, 09599 Freiberg“ wurde über die AiF/DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
Der ausführliche Abschlussbericht liegt im FILK Freiberg Institute, Meißner Ring 1 – 5, 09599 Freiberg vor.
