Kunststoffe: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 15. Januar 2025, 14:00 Uhr

Der nicht eindeutig bestimmte Begriff „Kunststoff“ bezeichnet synthetisch hergestellte, insbesondere polymere Werkstoffe, die nicht natürlich vorkommen ^[1]. Damit schafft der Begriff "Kunststoffe" eine klare Differenzierung von künstlichen Polymeren zu natürlich vorkommenden Stoffen, jedoch nicht zu den ebenfalls künstlichen Werkstoffen Glas, Metall und Papier. Da sich diese künstlichen Werkstoffe in ihren plastischen Eigenschaften von Polymeren unterscheiden, werden synthetische, polymere Werkstoffe umgangssprachlich auch als „Plastik“ bezeichnet. Der Begriff „plastics“ hat sich auch im englischen Sprachgebrauch durchgesetzt. ^[2]^[1]^[3]

Primärrohstoffe und Grundstoffe

Kunststoffe setzen sich aus Polymeren und Zusatzstoffen zusammen. Letztere verleihen dem Kunststoff seine anwendungsbezogenen Eigenschaften. Die Polymere können entweder aus der Natur gewonnen oder synthetisch hergestellt werden ^[4]. Dabei stellen Erdgas, Erdöl und Kohle sowie Cellulose und Naturkautschuk die primären Rohstoffe für die Kunststoffherstellung dar ^[2]. Erdöl kommt hierbei am häufigsten zum Einsatz ^[4]. Für die industrielle Verarbeitung zu polymeren Werkstoffen sind Monomer-Einheiten erforderlich. Dazu werden die Ausgangsstoffe Erdöl, Erdgas oder Kohle durch fraktionierte Destillation aufgetrennt, Abbildung 1 zeigt den Vorgang der Destillation am Beispiel Erdöl auf. Während der Destillation steigen Moleküle mit kürzeren Kohlenwasserstoffketten im Fraktionierturm auf und können nach Länge der Kohlenwasserstoffketten einzeln abgeleitet werden. Dazu wird der Ausgangsstoff auf 400 °C erhitzt. Im Fraktionierturm steigt der entstehende Dampf mehrere Etagen auf. Die Glockenform der Etagendurchlässe garantiert dabei ein langsames Aufsteigen des Dampfes. Das Absenken der Dampftemperatur induziert eine Kondensation von Kohlenwasserstoffen auf jeder Etage. Die Fraktionen unterscheiden sich demnach je nach Etage in ihren Siedepunkten und Molekülgrößen. Entscheidend für die Gewinnung von Monomeren für die Kunststoffproduktion sind insbesondere die Benzinfraktionen (Naphta). Im sogenannten Crackprozess werden langkettige Kohlenwasserstoffe wie Naphta durch hohe Temperaturen und den Einsatz von Katalysatoren zu ungesättigten Kohlenwasserstoffen gespalten. Daraus bilden sich diverse Gasmoleküle, wobei das Ziel eine Abtrennung reinen Ethylens ist. Dieses dient als Basisrohstoff für die Herstellung von Kunststoffen sowie von Zwischenprodukten.^[5]

Abbildung 1: Fraktionierte Destillation von Erdöl nach ^[5] ^{(S. 22-23)}

Rohstoffsituation in Deutschland

Innerhalb der letzten 25 Jahre sanken Deutschlands Erdölreserven um 28,8 Mt auf 23,8 Mt ^[6], während der deutsche Verbrauch im Jahr 2022 42,5 Mt betrug ^[7]. Von den im Jahr 2020 global vorhandenen Erdölreserven im Umfang von 244,4 Mrd. t ^[8] wurden 2020 insgesamt 1,89 Mrd. t Erdöl verbraucht ^[9]. In Westeuropa werden 4 bis 6% der Produkte aus Erdölraffinerien für die Kunststoffproduktion aufgewendet ^[4] ^[10]. Deutschlands Erdgasreserven sanken seit 1998 von 200 Mrd. m³ auf 50 Mrd. m³. Während hier im Jahr 2000 noch 18,7 Mrd. m³ Erdgas gefördert wurden, waren es 2022 noch 4,3 Mrd. m³ ^[11]. Der jährliche deutsche Verbrauch liegt seit circa zwanzig Jahren fast konstant bei ca. 80 m³ Erdgas ^[12]. Rund 55% des nach Deutschland importierten Erdgases stammt aus Russland und rund 30% aus Norwegen ^[13]. Durch die geringen eigenen Reserven ist Deutschland aufgrund seiner hohen Produktion von Kunststoffen und anderen fossilbasierten Produkten stark abhängig von Importen. Dies kann zu Versorgungsengpässen führen und die rohstoffliche sowie politische Unabhängigkeit einschränken. ^[14]

Produktion

Bei der Kunststoffherstellung wird unter anderem durch eine gezielte Auswahl von verschiedenen Polymeren gesteuert, welche Kunststoffe gebildet werden. Dabei wird bei der Polymersynthese zwischen drei Verfahren unterschieden: der Polymerisation, der Polykondensation und der Polyaddition.^[2]

Polymerisation

Die Polymerisation erfolgt in drei Stufen (Abbildung 2). Dazu werden gleich oder ähnlich aufgebaute Monomere miteinander verkettet, die sich aus Wasserstoffatomen und mindestens zwei Kohlenstoffatomen zusammensetzen. Die Monomere können mit anderen Molekülen gleicher Art kovalente Bindungen eingehen. Während der Startreaktion werden die Doppelbindungen der Monomere durch Initiatormoleküle, wie Ionen, Radikale oder Katalysatoren, aufgetrennt^[15]. Die freiwerdenden Bindungsstellen können zur Kettenbildung genutzt werden, was auch als Wachstumsreaktion bezeichnet wird. Als Medium für die Reaktion können Wasser, Lösungsmittel, Suspensionen oder Emulsionen dienen. Der gewünschte Polymerisationsgrad stellt hierbei die mittlere Kettenlänge dar. Bei einer Polymerisation können gleiche oder verschiedene Monomere aneinander gekettet werden (Homopolymerisation oder Co-Polymerisation). Das Kettenwachstum wird schließlich durch eine Abbruchreaktion beendet ^[15].^[2] Übliche Kunststoffe, die durch Polymerisation hergestellt werden, sind z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid^[4].

Polyaddition und Polykondensation

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Polykondensation und Polyaddition nach ^[5] ^{(S. 22-23)}

Polyaddition und Polykondensation unterscheiden sich signifikant von der Polymerisation, denn bei diesen finden separate chemische Reaktionen statt. Ausgewählte chemische Verbindungen mit zusammenpassenden funktionellen Gruppen reagieren zunächst zu kleineren Molekülverbänden. Diese werden in einem nächsten Reaktionsschritt zu dichten Verknüpfungen kombiniert (Abbildung 3).^[2] Bei der Polykondensation werden kurzkettige Nebenprodukte abgespalten, meist Wasser oder Alkohol. Sie wird insbesondere zur Herstellung von Polyamiden, Polyestern sowie Phenoplasten und Aminoplasten angewandt. Bei der Polyaddition entstehen hingegen keine Spaltprodukte und es werden Kunststoffe wie Polyurethane, Polyharnstoffe und Epoxidharze gebildet.^[2]

Bei der Polykondensation und der Polyaddition werden meist zwei verschiedene Molekülbausteine miteinander verknüpft, an deren Enden mindestens eine reaktionsfähige Atomgruppe sitzt. Die Anzahl dieser reaktionsfähigen Gruppen entscheidet über die Plastizität des Polymers. Bei zwei reaktionsfähigen Gruppen entstehen lineare Verknüpfungen, die als Thermoplaste bezeichnet werden. Liegen drei reaktionsfähige Gruppen vor, so entstehen maschenförmige Verknüpfungen, die als Duroplaste bezeichnet werden. Daraus ergibt sich auch die typische Einteilung polymerer Werkstoffe. ^[5]

Einteilung polymerer Werkstoffe

Polymere Werkstoffe werden anhand ihrer Makromolekülstruktur und damit Plastizität in Elastomere, Thermoplaste, Duroplaste sowie thermoplastische Elastomere eingeteilt (Tabelle 1). Durch ihre Struktur unterscheiden sich die Kunststoffarten in ihrer Reaktion auf mechanische Einwirkungen in Abhängigkeit von der Temperatur und hinsichtlich ihres Verhaltens bei Kontakt mit Lösungsmitteln.^[2] Thermoplaste bezeichnet die Gruppe der wärmeverformbaren Werkstoffe, die weiter in amorphe und teilkristalline Thermoplaste differenziert werden. Erstere besitzen keine geordnete Struktur, was bei Temperaturzunahme zu gesteigerter Verformbarkeit führt. Dagegen verfügen die teilkristallinen Thermoplaste über Eigenschaften, die ein Abgleiten der Makromoleküle voneinander erschweren und somit auch die Verformbarkeit unter Temperatureinfluss verringern.^[2] Duroplaste (oder Duromere) besitzen eine engmaschigere Struktur und sind daher nicht plastisch verformbar. Durch ihren hohen Vernetzungsgrad lassen sie sich weder zersetzen noch schmelzen.^[2] Elastomere bezeichnen gummielastische Werkstoffe und setzen sich aus weitmaschig verbundenen Kautschukmolekülen zusammen, deren geringer Vernetzungsgrad ihre Beweglichkeit sichert. Dennoch wird ein Abgleiten einzelner Moleküle verhindert, sodass Elastomere thermisch nicht formbar sind. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit, werden Elastomeren Füllstoffe zugeschlagen, was zu einer Gummielastizität führt.^[2] Die thermoplastischen Elastomere zeigen ebenfalls gummielastisches Verhalten, besitzen dabei aber sowohl engmaschig vernetzte als auch weniger stark vernetzte, thermoplastische Bereiche. Dadurch sind sie reversibel wärmeverformbar.^[2]

*Tabelle 1: Einordnung polymerer Werkstoffe ^[2]/>*
Werkstoffklasse	Thermoplaste	Duroplaste	Elastomere	Thermoplastische Elastomere
Verhalten	wärmeformbar	nicht wärmeformbar	gummielastisch	gummielastisch, wärmeformbar
Vernetzungsgrad	nicht vernetzt	hoch (chemische Vernetzungsreaktion)	chemisch vernetzt (weitmaschig)	chemisch vernetzt (engmaschig)
Löslichkeit und Quellbarkeit	gering bis stark in Lösungsmitteln	nicht löslich oder quellbar (auch in Lösungsmitteln)	in Lösungsmitteln gering bis stark quellbar, jedoch nicht löslich	in Lösungsmitteln gering bis stark quellbar oder löslich
Einsatzgebiete	Verpackungsfolien, Hochleistungs- und technische Kunststoffe	Epoxidharze: Rohrleitungen, Behälter, Lacke; Ungesättigte Polyesterharze: Einbettung elektronischer Bauteile, Spulen- und Relaiskörper, Automobilbau, Flugzeugbau, Schiffbau	Autoreifen und technische Gummiwaren, Spezialwerkstoffe für Luft- und Raumfahrt	Bedienelemente, Griffteile, verschleißfeste Oberflächen, Kabelummantelungen, Förderbänder, Stoßfänger, Profile, Folien

Neben der Einteilung von Kunststoffen in die oben genannten Werkstoffklassen findet eine Unterteilung anhand weiterer Eigenschaften statt (Abbildung 4). In Abhängigkeit der Wärmeformbeständigkeit und der Dauergebrauchstemperatur wird zwischen Standardkunststoffen, technischen Kunststoffen und den sehr formbeständigen Hochtemperaturkunststoffen unterschieden. Während Standardkunststoffe 80% bis 90% der weltweiten Kunststoffproduktion ausmachen ^[16], liegt der Anteil von Hochtemperaturkunststoffen nur bei ca. 1% der global verbrauchten Kunststoffe aus^[17]. Technische Kunststoffe machen damit einen Anteil von 9% bis 19% aus.

Abbildung 4: Einteilung von Kunststoffarten nach ^[17] ^{(S. 383)}

Historie

Die in Südamerika bereits früh genutzten Naturkautschuke dienten seit dem 18. Jahrhundert auch in Europa als Werkstoff für Elastomererzeugnisse. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden Naturkautschuk und Cellulose erstmalig umgewandelt, sodass 1869 der erste thermoplastische Kunststoff „Celluloid“ entstand. Die Nachfrage nach diesen natürlichen, organischen Stoffen stieg und steigt seither an ^[18]. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit in der Natur und um die Eigenschaften von Naturkautschuken an unsere Bedürfnisse anzupassen, wurden seit dem 20. Jahrhundert Synthesekautschuke industriell hergestellt. Der erste rein synthetische Kunststoff Bakelit wurde 1907 aus Phenol und Formaldehyd entwickelt und in Haushalts- und Küchengegenständen sowie Telefonen eingesetzt.^[2] Aktuell bestimmen die Thermoplaste Polyethylen (fast 30% der deutschen Produktionsmenge), Polypropylen (20% der deutschen Produktionsmenge) und Polyvinylchlorid (15% der deutschen Produktionsmenge) die deutsche Kunststoffproduktion ^[19]. Die Nachfrage nach diesen sowie generell Kunststoffen stieg und steigt weltweit an: Dabei ist die globale Entwicklung durch die in Asien steigende Kunststoffproduktion geprägt, während die europäische Produktion von Kunststoffen seit dem Jahr 2007 bei leichtem Rückgang relativ konstant ist ^[20]^[21].

Produktionszahlen

An der globalen Kunststoffproduktion von 400,3 Mio. Tonnen im Jahr 2022 hatte China mit 32% den größten Anteil, Nordamerika hatte 17% und Europa 14% Anteil an der globalen Kunststoffproduktion (Abbildung 5). Dabei ist die globale Kunststoffproduktion durch die Produktion von 26,3% Polyethylen und 18,9% Polypropylen sowie 12,7% Polyvinylchlorid geprägt. Der Anteil an aus Rezyklaten produzierten Kunststoffen belief sich im Jahr 2022 auf 9,6% der Gesamtproduktion. ^[22]

Im Jahr 2022 wurden europaweit 58,7 Mio. Tonnen Kunststoff produziert, von denen die deutsche Kunststoffproduktion über ein Drittel ausmachte. Die deutsche Kunststoffproduktion betrug in den letzten Jahrzehnten jährlich zwischen 17 und 21 Mio. Tonnen (Abbildung 6). Im Jahr 2021 wurden 21,3 Mio. Tonnen Kunststoff produziert. Das Absinken der Produktion auf 14,3 Mio. Tonnen Kunststoff im Jahr 2022 ist durch die Inflation und die wirtschaftliche Stagnation begründet, die sich u. a. infolge des Kriegs Russlands mit der Ukraine entwickelten. ^[23]

Auch in Deutschland setzen sich die produzierten Polymerarten überwiegend aus Polyethylen (27%), Polypropylen (20%) sowie Polyvinylchlorid (15%) zusammen (Abbildung 7)^[21]. Damit stimmt die Verteilung mit der globalen Nachfrage überein.

Umweltverträglichkeit

Unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren schneiden Kunststoffprodukte hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit häufig besser ab als Konkurrenzprodukte. Dies kann beispielsweise an der Gewichtsreduktion bei der Substitution eines Bauteils aus einem anderen Werkstoff durch eines aus Kunststoff liegen. Auch die Kombination mehrerer Funktionen, die Wiederverwertbarkeit und mögliche Wiederverwendung (z. B. Pfandsysteme) beeinflussen diese Bewertung. ^[15] Hinsichtlich der Umweltverträglichkeit ergeben sich jedoch Einschränkungen durch Vermüllung (auch Littering genannt), die u. a. Ladungsverluste beim Transport von Rohstoffen und Produkten, unsachgemäße Entsorgung sowie den Verlust von Arbeitsmaterialien aus der Fischerei einschließt. Weitere Faktoren sind insbesondere der Abrieb von Partikeln im Verkehr sowie in Industrieprozessen. Auch die in Haushalten generierten Einträge von Mikroplastik durch Faserverluste oder die Nutzung flüssiger Polymere beeinträchtigen die Umweltverträglichkeit von Kunststoffen. ^[3]

Exkurs: Kunststoff-Verbunde

Kunststoffe werden neben dem Einsatz als reiner Werkstoff in Verbundwerkstoffen eingesetzt, bei denen Eigenschaften verschiedener Materialien kombiniert werden. Auf Seite der Kunststoffe ist besonders die geringe Dichte ein werkstofflicher Vorteil, der in Verbunden genutzt wird. Ein Matrixwerkstoff bildet die Basis des Verbunds, hierfür werden meist Duroplaste oder Thermoplaste eingesetzt. Kombiniert werden diese mit anderen Materialien, sodass der Verbund die gewünschten Eigenschaften aufweist. Das können z. B. Verstärkungsmaterialien wie Glas- und Karbonfasern oder auch Holz sein.^[2]

Werkstoffe aus Verbundmaterialien

Um die technischen Eigenschaften eines Kunststoffes zu verbessern, werden die Matrixwerkstoffe insbesondere mit Langfasermaterialien verstärkt. Die so entstehenden Faser-Kunststoff-Verbunde kombinieren die geringe Dichte der Polymere mit hoher Festigkeit und Steifigkeit der Fasermaterialen, so dass sie bei stoß- und schlagbeanspruchten Bauteilen Metalle als Baumaterialien ersetzen können.^[2] Glasfasern werden in circa 85% der Faser-Kunststoff-Verbunde eingesetzt, da sie mechanische Belastbarkeit und Isoliereigenschaften bieten und zudem günstig produziert werden können. Daher werden sie insbesondere für Gebäudeelemente und Rohre im Bausektor sowie im Fahrzeugbau und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Für Hochleistungskunststoffverbunde eignet sich eine Verstärkung mit Kohlenstofffasern, da mit ihnen ein zu dem von Stahl vergleichbares Zugmodul bei stark verringertem Gewicht erreicht werden kann. So eignen sie sich insbesondere für den Einsatz im Windenergiesektor und im Flugzeugbau, kommen aber ebenfalls für Sportgeräte zum Einsatz. Darüber hinaus werden u. a. aromatische Polyamidfasern (Aramide) und Stahlfasern für stark beanspruchte Materialien wie Reifen und Transportbänder eingesetzt. Sie zeichnen sich durch besondere Energieabsorptionsfähigkeit aus und dienen daher auch als Material für ballistische Schutzausrüstung.^[2] Die stoffliche Verwertung von Faser-Kunststoffverbunden ist schwierig und wichtiger Bestandteil der aktuellen Forschung. Meist werden die Abfälle zerkleinert und als Füllstoffe neuen Verbundwerkstoffen beigemischt. Jedoch verkürzen sich die Fasern durch die mechanische Beanspruchung bei der Zerkleinerung, wodurch die Faserverstärkung abnimmt. Darüber hinaus können die Verbundwerkstoffe thermisch verwertet werden. Bei der energetischen Nutzung wird die Kunststoffmatrix verbrannt, die Fasern bleiben zurück und können anschließend in der Zementindustrie als Zuschlagstoff eingesetzt werden. Die energetische Verwertung beansprucht die Fasern jedoch stark. Eine schonendere thermische Verwertungsalternative stellt die Pyrolyse dar. Hier wird die Kunststoffmatrix thermisch zersetzt und die Fasern bleiben in ursprünglicher Länge erhalten und können wiederverwendet werden.^[2]

Verpackungen aus Verbundmaterialien

Als Reaktion auf Vermüllung und das negative Image von Kunststoffprodukten setzen viele Unternehmen vermehrt Faser-Kunststoff-Verbundverpackungen ein ^[24] ^[14]. Dadurch kann z. B. die Wandstärke von Kunststoff-Joghurtbechern reduziert werden, da eine Papierbanderole die nötige Stabilität liefert. Dies erschwert bei nicht korrekter Trennung und Entsorgung jedoch die Sortierung und das Recycling, da es zu Fehlerkennung und Fehlausträgen führt ^[2]. Auch Verbundverpackungen, in denen die Eigenschaften verschiedener Kunststoffe kombiniert werden, führen zu Herausforderungen bei der Sortierung und im Recycling ^[2]. Sie können nicht sortenrein erfasst werden und werden je nach Ausrichtung auf dem Förderband bei der Sortierung unterschiedlich erkannt^[2]. Außerdem ist die Trennung der einzelnen Komponenten sehr aufwendig ^[2]. So kommt es zu materialfremden Bestandteilen in den Recyclingrohstoffen. Diese können zu Einschlüssen in den Produkten aus Recyclingrohstoff führen, die später Materialversagen verursachen können^[2]. |}

Nutzung

Kunststoffe werden aufgrund ihrer Materialeigenschaften als Substitute sowohl für metallische und keramische als auch Holzwerkstoffe eingesetzt. Die bereits beschriebenen mechanischen Eigenschaften sind bestimmend für den Anwendungszweck. Die Gleit- und Haftungseigenschaften ermöglichen die Verwendung als mobile Bauteile, ohne dabei auf Schmiermittel zurückgreifen zu müssen. Thermoplaste besitzen weiterhin eine gute Fließfähigkeit, was eine kostengünstige Verarbeitung durch einfache Formung ermöglicht. Im Gegensatz zu Metallen weisen polymere Werkstoffe meist eine hohe Korrosionsbeständigkeit und je nach Sorte auch eine höhere Resistenz gegenüber Chemikalien als Edelstähle auf. Jedoch sind einige Kunststoffe anfällig gegenüber Lösungsmitteln. ^[15]. Die größten Nutzungsgebiete von Kunststoffen sind in Deutschland die Verpackungsindustrie und die Baubranche, die jeweils ein Drittel bzw. ein Drittel der Kunststoffanwendungen ausmachen (Abbildung 8). Weitere relevante Anwendungsfelder sind die Fahrzeugindustrie sowie Elektronik, Haushaltswaren und Möbel. Die Landwirtschaft und die Medizin stellen einen Anteil unter 5%. ^[17].

Für Verpackungsmaterialien werden überwiegend Kettenpolymerisate eingesetzt, die zu den Thermoplasten zählen. Dazu gehören insbesondere (Low Density (LD)-, Linear Low Density (LLD)- sowie High Density (HD)-Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), die zur Gruppe der Polyolefine gehören, und Polyethylenterephthalat (PET). Weitere verwendete Kettenpolymerisate sind Styrol-Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN) oder Polystyrol (PS). ^[17] In der Gebäudetechnik wird hauptsächlich das Kettenpolymerisat Polyvinylchlorid eingesetzt. Daneben werden häufig Polyolefine und Polystyrol (PS) verbaut. In der Baubranche finden zudem Polyaddukte, wie Polyurethan (PUR), Anwendung. Polyaddukte können zur Gruppe der Duroplaste oder der Elastomere zählen. Weiterhin werden einige Styrol-Kunststoffe wie expandiertes Polystyrol (EPS) in der Gebäudetechnik genutzt. ^[17] Der Automobilbau wird hinsichtlich des Kunststoffverbrauchs durch die Polyolefine PP, HDPE sowie durch Polyurethan (PUR) geprägt. Auch Polyamide kommen zum Einsatz. Auch in der Elektronikbranche werden überwiegend die thermoplastischen Polyolefine (wie PP), aber auch PUR verwendet. ^[17]

Recyclingrohstoff

Das Kunststoffrecycling hat in den vergangenen Jahren aufgrund der Vermüllungsproblematik und den Zielen der Kreislaufwirtschaft an Bedeutung in Gesellschaft, Industrie und Forschung gewonnen ^[3] ^[25]. Angetrieben wird die stoffliche Verwertung seit 2024 zusätzlich durch die CO2-Steuer für die energetische Verwertung von Kunststoffen ^[26]. Dabei ist im ersten Schritt eine möglichst sortenreine Erfassung von Kunststoffen entscheidend, um ein hochwertiges Recycling zu gewährleisten ^[27]. Anschließend gibt es, je nach Qualität der Sortierfraktionen verschiedene Aufbereitungs- und Verwertungsmöglichkeiten.

Erfassung

Von den 12,4 Mio. Tonnen Kunststoff, die in Deutschland im Jahr 2021 verbraucht wurden, wurden 5,7 Mio. t KS-Abfälle über die unterschiedlichen Sammelsysteme erfasst, was auf die Langlebigkeit einiger Produkte zurückzuführen ist ^[21]. Kurzlebige Produkte wie Verpackungen werden fast vollständig (> 99%) wieder erfasst ^[21]. Von langlebigen Produkten, z. B. aus dem Bausektor, wird ein Anteil von 16% erfasst. Exportprodukte wie Automobile werden zu 30% exportiert und somit aus dem System entnommen und zu 23% wieder als Abfall erfasst. Von den gesammelten Kunststoffabfällen entfallen 96% auf den Post-Consumer-Bereich und 4% auf die Verarbeitung und Herstellung von Kunststoff, also den Post-Production-Bereich ^[28]. Die Erfassung von Post-Consumer-Abfällen erfolgt dabei für Verpackungen vor allem über die Sammlung von Leichtverpackungen und das Pfandsystem, aber auch über Gewerbeabfall- und E-Schrottsammlungen und Recyclinghöfe.

Wiederverwendung (Re-Use) von Kunststoffen

Bei der Wiederverwendung wird ein Erzeugnis, das nicht Abfall ist, erneut für den ursprünglichen Zweck eingesetzt ^[25]. Ein Beispiel für die Wiederverwendung von Kunststoffen ist der Ausbau von Bauteilen aus Gebäuden vor deren Abbruch, die infolgedessen vermarktet und an anderer Stelle wieder eingebaut werden können ^[29]. Das Pfandrücknahmesystem für Getränkeflaschen ermöglicht eine besonders umfassende Wiederverwendung des Kunststoffes PET. So bildeten PET-Mehrwegpfandflaschen im Jahr 2010 in Deutschland den höchsten Marktanteil für die Verpackung von Wasser und Erfrischungsgetränken. Der Einsatz von standardisierten, dickwandigen PET-Mehrwegflaschen ermöglicht, dass diese etwa 15- bis 20-mal befüllt und wiederverwendet werden. ^[30] Ebenfalls zur unmittelbaren Wiederverwendung zählt die Weiterverwendung gebrauchter Elektro- und Elektronikgeräte, die ebenfalls über Sammelstellen oder privat vermittelt werden ^[31].

Vorbereitung zur Wiederverwendung

Zu dieser Kategorie gehören die Verwertungsmethoden Reinigung, Prüfung und Reparatur mit dem Ziel, zu Abfall gewordene Produkte ohne andere Vorbehandlungsarten für ihren ursprünglichen Zweck einzusetzen ^[25]. Damit Kunststoffe in die Wiederverwendung gegeben werden können, ist eine produktbezogene Sammlung erforderlich, da nicht allein der Werkstoff weiter genutzt werden soll, sondern weitere Produkteigenschaften erhalten bleiben sollen. Eine solche Sammlung ist beispielsweise für PET-Flaschen in Form des Mehrweg-Pfandsystems sowie die zugehörigen Getränkekästen aus HDPE vorhanden. ^[4] Die bei der Demontage von Altfahrzeugen erhaltenen Elektrogeräte, die nach dem Prinzip des Komponentenrecyclings in andere Fahrzeuge eingesetzt werden, werden ebenfalls gezielt produktbezogen gesammelt und zur Wiederverwendung vorbereitet.^[2]

Recyclingverfahren

Als Recyclingrohstoffe für die Substitution von primären Rohstoffen eignen sich sortenreine Kunststoffabfälle des Typs Thermoplast. Neben Alterungsprozessen und der Verkürzung von Polymerketten während des Recyclings ist hierbei jedoch von Belang, mit welchen Kettenlängen und Verzweigungen die Kunststoffe primär hergestellt wurden. Die Längen der Polymerketten werden durch thermische Belastungen verringert, sodass die mechanischen Eigenschaften nach den Verarbeitungszyklen an Qualität verlieren. Um den Auswirkungen dieser Qualitätsminderung entgegenzuwirken, werden Rezyklate mit Primärkunststoffen vermischt. Dabei ist üblich, 20% bis 25% des Primärrohstoffs durch Rezyklat zu ersetzen. Im Gegensatz zu Thermoplasten sorgt die irreversible Vernetzung von Elastomeren und Duroplasten dafür, dass diese Polymertypen sich ausschließlich für das Partikelrecycling eignen. Partikelrecycling bedeutet, ein Auflösen der Vernetzung ist nur durch Mahlen möglich, sodass die Partikel von Duroplasten und Elastomeren werkstofflich nur in Form von Füllstoffen erneut eingesetzt werden können.^[2] ^[32] Um eine möglichst hohe Qualität von Rezyklaten beim werkstofflichen Recycling zu erhalten, sind große Beanspruchung und Kontaminationen zu vermeiden. Außerdem kommen nur physikalische Verfahren, wie thermische Behandlung, Compoundierung, Granulierung und Filtrierung infrage. Die entstehenden Produkte sind Mahlgut mit einer Korngröße zwischen 2 mm und 5 mm, Regranulate sowie Regenerate. Regranulate werden in einem Schmelzprozess aus Mahlgut gewonnen und besitzen eine gleichmäßige Korngröße ohne Staubanteil. Diesem Schmelzprozess werden bei der Erzeugung von Regeneraten zusätzlich Additive hinzugegeben (Compoundierung), sodass sie speziellere Eigenschaften besitzen als Regranulate (Abbildung 9).^[32]

Chemisches Recycling bietet Potenzial, wenn ein werkstoffliches Recycling nicht zur gewünschten Qualität des sekundären Rohstoffs führt, die Polymere aber in Monomere oder in geeignete reaktionsfähige Gruppen wie Acryl, Ester oder Amide zerlegt werden können ^[33]^[32]. Es wird also nicht der Werkstoff wiederverwertet, sondern dessen Einzelteile zurückgewonnen und verwertet. Die Vorbereitung von Duroplasten und Elastomeren für eine erneute Polymerisation ist nur durch chemische Recyclingverfahren möglich. Aufgrund der steigenden Menge an Kunststoffabfällen und den Zielen der Circular Economy wird deren Potenzial zur Kreislaufschließung aktuell vielseitig erforscht ^[33]. Zu den untersuchten Verfahren zählen die Pyrolyse, die Solvolyse und das Hydrocracking ^[2]. Bei der Pyrolyse werden die Polymere unter Sauerstoff-Ausschluss erhitzt (auf bis zu 800 °C), sodass sie in kürzere Einheiten geteilt werden. Das hierbei entstehende aromatische Pyrolyseöl dient als Rohstoff für Polymere sowie für Öle und Kraftstoffe. Die Pyrolyse erfordert, dass der zu verarbeitende Stoffstrom frei von halogenhaltigen Polymeren wie PVC ist.^[2] Bei der Solvolyse werden Polymere durch Reaktion mit einem Solvens gespalten. Für einige Kunststoffe, wie PA, PET oder PUR, ist dies katalytisch oder durch die Lösemittel Wasser (Hydrolyse) oder Alkohol (Alkoholyse) möglich. Die Solvolyse ermöglicht auch das Auftrennen von Faser-Kunststoff-Verbunden. Eine Einschränkung des Verfahrens ist die erforderliche Sortenreinheit der aufzubereitenden Polymere.^[2] Das Hydrocracking bezeichnet katalytisches Spalten und anschließendes Destillieren von Polymeren. Mit diesem Verfahren können z. B. Polyolefine zu bis zu 95% zu Kraftstoffen verarbeitet werden. Zu große Anteile an halogenhaltigen Polymeren im Stoffstrom können die verfahrenstechnischen Aggregate beschädigen.^[2]

Qualitätsanforderungen und Stör-/Fremdstoffe

Kunststoffgemische können bisher nur schwierig rezykliert werden. Für das Trennen einzelner Kunststoffe aus Verbundfolien werden Verfahren des chemischen Recyclings entwickelt. Die Aufbereitung von faserverstärkten Kunststoffen schließt Verkürzungen der Fasern und damit einhergehende Qualitätsminderung ein. Sofern Duroplaste als Matrix verwendet wurden, besteht keine Möglichkeit, die Verbunde aufzuschmelzen. Thermoplaste sind aufschmelzbar, die eingesetzten Fasermaterialien sind jedoch auch in diesem Fall nur mit speziellen Verfahren aufschließbar. Um die Fasern bestmöglich zu erhalten, eignen sich die Pyrolyse, bei der die Kunststoffmatrix unter Sauerstoffabschluss thermisch zersetzt wird, und die Solvolyse, mit der die Kunststoffmatrizen aufgespalten und von der Faser gelöst werden sollen.^[2] Aber nicht nur beim Recycling führen Verbundmaterialien zu Problemen. Auch bei der Erkennung der Materialien im Sortierprozess führen Multilayer zu Fehlausträgen und Verunreinigungen. Außerdem fehlen den Sortieranlagen Abnehmer, die diese Verbundmaterialien verwerten können.^[2]^[34] Für manche Kunststoffverbunde, wie den Getränkekarton wurden aufgrund der Verbundeigenschaft extra eigene Verwertungswege entwickelt, da sie nicht für die bestehenden Routen geeignet sind. Darüber können die Bestandteile einzeln einer Verwertung zugeführt werden ^[35]^[24]^[36].

Verwertungsquoten

Von den im Jahr 2022 weltweit produzierten 400,3 Mio. t Kunststoffe entstammten 8,9% der werkstofflichen Verwertung und unter 0,1% dem rohstofflichen Recycling von Post-Consumer-Abfällen. Von den 58,7 Mio. t Kunststoff aus der europäischen Produktion stammten 18,7% aus dem Recycling. Damit betrug der Anteil der Recyclingrohstoffe aus Post-Consumer-Kunststoffabfällen in Europa 12,9%. Der Anteil an Recyclingrohstoff aus Produktionsabfällen betrug 5,6% und aus dem chemischen Recycling stammten europaweit 0,2% der produzierten Kunststoffe.^[22] Für die deutsche Kunststoffproduktion wurden 2021 2,29 Mio. t Rezyklate eingesetzt, was einer Circular Material Use (CMU)-Rate von etwa 16,3% an den 14,04 Mio. t verarbeiteten Kunststoffwerkstoffen entspricht.^[21] Im Jahr 2021 fielen in Deutschland 5,44 Mio. t Kunststoff als Abfall nach der Nutzungsphase an (Abbildung 10). Von diesen wurden 99,4% (5,41 Mio. t) in unterschiedlichen Verfahren verwertet und nur 0,6% deponiert. Für die Berechnung der stofflichen Verwertungsquote existieren zwei Ansätze (Abbildung 11). Für den ersten Ansatz wird der Eingang in eine Recyclinganlage als Berechnungspunkt angenommen. Diese Input-basierte Berechnung war bis zum Bezugsjahr 2019 vorgesehen. Der zweite Ansatz nimmt die Einbringung in ein Recyclingverfahren, d. h. erst in die letzte Prozessstufe nach Prozessen wie der Zerkleinerung, Nachsortierung und Waschung, als Kriterium für die Berechnung in die Recyclingquote. So wurden im Jahr 2021 33,2% der Kunststoffabfälle stofflich verwertet, indem sie einem Recyclingverfahren zugeführt wurden. Nach dem früheren Berechnungsansatz würden die 45,4% der Post-Consumer-Abfälle, die als Input in Recyclinganlagen geführt wurden, als stofflich verwertet gelten. Ausgehend vom zweiten Berechnungspunkt wurden 2021 rund 45% der Post-Consumer-Abfälle werkstofflich und 0,5% rohstofflich rezykliert. Durch die weitere Aufbereitung in der Recyclinganlage fallen weitere nicht stofflich verwertbare Fraktionen an, die anschließend energetisch verwertet werden. Dadurch steigt der Anteil der energetischen Verwertung von Berechnungsmethode 1 zu 2 von 54% auf 66%.^[21]

Abbildung 11: Verwertungsquoten nach alter (links) und neuer (rechts) Berechnungsmethode ^[21]

Proben im MassLab

Literaturverzeichnis

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