Neue Verbundwerkstoffe aus gebrauchten PET-Flaschen

Im Forschungsvorhaben «UpcyclePET» entwickelt das Fraunhofer LBF zusammen mit der Easicomp GmbH – einem Experten für langglasfaserverstärkte Thermoplasten – einen neuen und zugleich kostengünstigen Werkstoff auf Basis gebrauchter Getränkeflaschen aus PET (Polyethylenterephthalat). Potenzielle Zielanwendungen liegen im Bereich automobiler Leichtbau-Teile, wie Motorlager oder Montageträger.

Das Besondere dieses Ansatzes besteht darin, dass direkt sogenannte PET-Flakes aus gebrauchten Getränkeflaschen in einem hochintegrierten Fertigungsverfahren aus Compoundierung und Pultrusion eingesetzt werden. Dabei werden die mechanischen Vorteile der besonders stabilen Langglasfasern mit den vorteilhaften Eigenschaften von PET wie der geringen Quellfähigkeit und hohen Dimensionsstabilität kombiniert.

PET-Flakes aus gebrauchten Getränkeflaschen sinnvoll verwerten
Durch eine massgeschneiderte Kunststoffadditivierung, zusammen mit einer optimierten Prozessführung, werden die Eigenschaften der Schmelze und des Verbundwerkstoffes gezielt den Anforderungen angepasst. Hauptaugenmerk liegt dabei auf den mechanischen Eigenschaften. Die Projektpartner haben sich für das langglasfaserverstärkte PET aus Flaschen-Flakes zum Ziel gesetzt, mechanische Eigenschaften zu erreichen wie sie heute aus kurzglasfaserverstärktem Polyamid 6 (PA 6 SGF30) und Polybutylenterephthalat (PBT SGF30) auf Basis von Neuware erreicht werden. Im Gegensatz zu der sehr gut definierten Neuware stellen Rezyklate hinsichtlich ihrer Qualität (beispielsweise Fremdstoffe wie Pigmente) und insbesondere ihrer für andere Anwendungen (hier Flaschen) vorgesehenen Additivierung besondere Herausforderungen an Prozessführung und die zu entwickelnde Formulierung. Das Fraunhofer LBF bringt hierzu seine umfangreiche Expertise in der Additivierung, der Charakterisierung und Bewertung von Materialien und Werkstoffen sowie der Verarbeitung technischer Kunststoffe ein.

▶ Grafik (Vergleichende REM-Aufnahmen nach Kaltbrüchen)

Im ersten Teil des Projektes wurden neben der Konzeption, Gestaltung und Optimierung des Compoundier- und Pultrusionsverfahrens bereits vielversprechende Formulierungen und Werkstoffeigenschaften erzielt. So liegen die gemessenen Zugfestigkeiten ausgewählter Formulierungen im Zielkorridor von 135 – 170 MPa (siehe Abb. unten). Darüber hinaus werden Schlagzähigkeiten erreicht, die vergleichbar mit dem Neuware-Verbundwerkstoff PBT SGF30 sind.

Nachhaltige neue Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften
Zahlreiche Eigenschaften des PET wie die Feuchtigkeitsempfindlichkeit, das Abbauverhalten während der Verarbeitung oder die langsame Kristallisation stellen besondere Herausforderungen bei der Materialentwicklung und Prozessgestaltung dar. Zusätzlich müssen die spezifischen Anforderungen des Pultrusionsprozesses und des Glasfaser-Verbundes (beispielsweise hinsichtlich Viskositätsgrenzen und Benetzbarkeit der Glasfilamente) berücksichtigt werden. Dieses Zusammenspiel und eine zielgerichtete Optimierung erfordern ein umfassendes Struktur-Eigenschafts-Verständnis der Formulierungen in den Compounds und Verbundwerkstoffen. Im Projekt «UpcyclePET» wurden daher ausgewählte Formulierungen mit unterschiedlichen Methoden systematisch untersucht.

Beispielhaft ist dieses Vorgehen im Folgenden anhand der Faser-Matrix-Haftung dargestellt. Diese wurde vergleichend mittels Rasterelektronenmikroskopie nach Kaltbruch untersucht (siehe Abb. oben). Durch den Einsatz eines Haftvermittlers und eine geänderte Prozessführung lässt sich der für eine schlechte Faser-Matrix-Haftung typische Pull-out von Fasern und eine geringere Benetzung mit der polymeren Phase signifikant steigern. Dies schlägt sich direkt in einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften nieder.

Mit weiteren Untersuchungen, beispielsweise zum Kristallisationsverhalten und der Morphologie der schlagzähmodifizierenden Phasen, wurde ein umfassendes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für die Aufwertung solcher Rezyklate am Fraunhofer LBF erarbeitet.

Auf Basis des vorhandenen Knowhows entwickelt Fraunhofer LBF für beziehungsweise gemeinsam mit Easicomp aktuell die finale Formulierung und begleitet die Herstellung und Charakterisierung eines realen Demonstrator-Bauteils für den Einsatz im Automobil. Dieses wird heute aus anderen, Neuware-Kunststoffen (wie Polyamid und Polybutylenterephthalat) hergestellt. Im Gegensatz dazu, hat der im Rahmen des Projekts entwickelte Werkstoff das Potenzial, zugleich nachhaltig und kosteneffizient zu sein. Insbesondere, da die Kosten für die üblicherweise verwendeten Neuwaren-Kunststoffe deutlich über denen des verwendeten PET liegen.

Zur Erschliessung zukünftiger und ganzheitlicher Upcycling-Lösungen für verwandte Kunststoffe aus unterschiedlichen Stoffströmen greift Fraunhofer LBF auf seine Expertise im Bereich der anwendungsspezifischen Charakterisierung und Bewertung, Formulierungsentwicklung sowie Prozessgestaltung zurück.

Dr. Frank Schönberger ist Gruppenleiter Funktionspolymere, Bereich Kunststoffe, Fraunhofer LBF
Dipl.-Ing. Shilpa Khare ist Gruppenleiterin Technikum, Bereich Kunststoffe, Fraunhofer LBF