Projekt „flex4loop“ : Vielversprechende Forschung für höhere Recyclingquoten

Im Projekt „flex4loop“ erforschen 23 Partner das Potenzial der Kreislaufschließung bei kleinteiligen Polyolefinfolien für Lebensmittelverpackungen. Von wissenschaftlicher Seite unterstützen das OFI sowie der Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft und der Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung der Montanuniversität Leoben. Die Resultate sollen einen wesentlichen Beitrag zum Erreichen der höheren Recyclingquoten, die ab 2025 von der EU vorgeschrieben sind, leisten. Als Projektkoordinatoren fungieren der Kunststoff- und der Lebensmittel-Cluster.

Die Forscher stellten Rezyklate aus unterschiedlich zusammengesetzten Verpackungsfolien (Bedruckung, Kaschierklebstoff, Einsatz von EVOH als Barrierematerial) her und sammelten so Informationen zu den mechanischen Eigenschaften von primär PP-basierten Verpackungsfolien in der Spritzgießanwendung, bei der Extrusion von Monomaterial und Dreischichtfolien sowie bei einer Extrusionsblasformanwendung. „Polypropylen (PP) stand dabei im Fokus, weil die meisten recyclingfähigen Lösungen diese Kunststoffart bevorzugen und dazu noch wenige Daten zur Verfügung stehen“, erklärt OFI-Experte Michael Krainz.

Die Versuche zeigten, dass die verwendeten Klebstoffe und Farbsysteme wenig bis keinen Einfluss auf die mechanischen Festigkeiten oder den MFR von hundertprozentigen Rezyklaten haben. Der Einsatz einer EVOH-Schicht reduziert die mechanischen Festigkeiten (E-Modul, Zugfestigkeit) leicht und erhöht die Dehnung. Die Kerbschlagzähigkeit wird durch den EVOH-Einsatz kaum beeinflusst. Bei einem 30-prozentigen Rezyklateinsatz, wie es künftig anzunehmen ist, verschwinden Eigenschaftsveränderungen, die bei den hundertprozentigen Rezyklaten teilweise noch zu erkennen sind, fast komplett.

Extrusionsversuche an Dreischichtfolien aus Polypropylen und Polyethylen (PE) mit einem Rezyklatanteil von 25 bis 100 Prozent in der Mittelschicht zeigten, dass gute Folienqualitäten zu erzielen sind, die auch in den mechanischen Kennwerten nur kleine Abweichungen aufweisen. Kamen Druckfarben zum Einsatz, wurden bei der Geruchssensorik an PP- und PE-Folien mit Rezyklaten in der Mittelschicht sowie an den hundertprozentigen Rezyklaten nach reiner Extrusion (ohne Vakuumdekontamination) größere Abweichungen deutlich. Bei aus 100 Prozent Regranulaten gefertigten Zugprüfstäben waren diese nur mehr geringfügig vorhanden. Somit dürften Bauteile aus bedruckten Verpackungsfolien nach einer zusätzlichen Vakuumdekontamination auch bei einem Rezyklateinsatz von 100 Prozent keine relevanten geruchlichen Beeinträchtigungen aufweisen.

„Bei der Extrusion von hundertprozentigen Rezyklaten aus handelsüblichen, recyclingfähigen PP-Monomaterialfolien und PP-Verbundfolien haben wir ebenfalls wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich des Verarbeitungsverhaltens sowie der auftretenden Düsenablagerungen gewonnen. Eine genauere Analyse erfolgt im Laufe des Jahres“, beschreibt Krainz. Ohne weitere Additivierung wurden bereits Folien und Flaschen aus dem Großteil der Rezyklate hergestellt. Diese lieferten nach der mechanischen Bewertung ähnlich gute Ergebnisse wie jene aus dem Spritzguss. Auch die Sensorik an Blasformflaschen und Monofolien zeigte nur geringfügige bis schwache Geruchsabweichungen.

Der Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft an der Montanuniversität Leoben startete im ersten Projektjahr eine umfassende Analyse, die den aktuellen Stand der LVP-Sammlung in Bezug auf die PE- und PP-Monofolienfraktion darstellen soll. Die Kampagne untersucht das Trennverhalten und die anfallende Menge an Leichtverpackungen in der getrennten Sammlung in Österreich. Durch Probenahme in dichtbesiedelten, mittelbesiedelten und dünnbesiedelten Gebieten – sowohl im urbanen als auch im ländlichen Raum – werden regionale Unterschiede abgebildet.

Die Proben dienten als Inputmaterial für das bei „flex4loop“ verwendete Nahinfrarotaggregat. Die Analyse verdeutlichte die Probleme beim Sortieren von Folien. Allen voran findet eine mangelnde Interaktion zwischen den Proben und der Nahinfrarotstrahlung statt. Die zweite Herausforderung ist die Vielzahl an Multilayerfolien, die es zu erkennen und auszuschleusen gilt, um eine reine, mechanisch recyclebare Monolayerfolienfraktion zu generieren.

Für beide Probleme fanden die Forscher Lösungsansätze. Eine Hardware-Adaption am Sortierstand verbessert die Interaktion zwischen den Proben und der Nahinfrarotstrahlung. Die anstelle der Reflektion mögliche Messung in Transflektion erlaubt die Gewinnung von Fingerprints bzw. Spektren mit hohem Informationsgehalt. Dieser ermöglicht eine differenzierte Unterscheidung der Materialart.

Neue Klassifikationsmodelle adressieren die Vielzahl an Materialkompositionen. Diese Modelle treffen auf Basis der verbesserten Spektren eine Klassifikationsentscheidung, die nicht mehr ausschließlich auf Merkmalen wie dem Polymertyp beruht. Merkmale einer höheren Abstraktionsebene, die charakteristisch für Monolayer- bzw. Multilayerverpackungsfolien sind, werden ebenfalls in die Entscheidungsfindung miteinbezogen – ein Schritt in Richtung Monolayerfraktion, die anschließend stofflich verwertet werden kann. Gleichzeitig entsteht eine Multilayerfraktion, die als Feedstock für derzeit in der Entwicklung befindliche Methoden des chemischen Recyclings dienen kann.

Dieser Ansatz macht bisher thermisch genutzte Stoffströme verwertbar und verbessert die Sortiertiefe. Die Klassifikationsmodelle nutzen neuronale Netzwerke und erreichen Genauigkeiten von etwa 85 Prozent. Eine Selektion der relevantesten Spektralbereiche hat außerdem die Datenmenge reduziert, was wiederum die Vorhersagegeschwindigkeit erhöht. Diese minimierte Inferenzzeit ermöglicht das Verwenden der Klassifikationsmodelle inline im Betrieb.

Aktuell geht es darum, die bisherigen Erkenntnisse zu vertiefen bzw. zu bestätigen. Bereits erarbeitete, recyclingfähige Verpackungslösungen in verschiedenen Ausführungen (mit und ohne Bedruckung sowie mit und ohne materialidentem Label) sollen im semi-industriellen Maßstab untersucht werden. Dabei kommt die von der Montanuniversität Leoben entwickelte Sortiertechnik zum Einsatz. Die Ergebnisse sollen etwaige Schwachstellen des Verpackungsdesign aufzeigen. Diese gilt es im weiteren Projektverlauf zu optimieren.