Kunststoffe

Begriffsbestimmung "Kunststoff"

Der Begriff Kunststoff ist nicht eindeutig bestimmt. Während der Begriff „Kunststoffe“ in der jüngeren Zeit oft mit den polymeren Werkstoffen verbunden wird, kann er auch der Beschreibung bestimmter synthetischer und halbsynthetischer Materialien dienen [PlasticsEurope]. Im Englischen wird er mit dem Wort „plastics“ übersetzt [PONS]. Auch im Deutschen werden die Begriffe „Kunststoff“ und „Plastik“ häufig synonym verwendet. Beide Begriffe sind jedoch unvollständig. Während das Wort „Kunststoffe“ eine klare Differenzierung zu natürlich vorkommenden Stoffen schafft, wird keine klare Unterscheidung zu den ebenfalls künstlichen Werkstoffen Glas, Metall und Papier hergestellt. Der Begriff „Plastik“ trennt diese Werkstoffe zwar aufgrund ihrer plastischen Eigenschaften vom Plastik, doch werden beispielsweise keine Kunststoffharze eingeschlossen. Die fortan betrachteten Kunststoffe lassen sich jedoch durch jeweils einen der beiden Begriffe treffend beschreiben. Die Bezeichnungen werden dabei synonym zueinander verwendet und können entsprechend ersetzt werden. Kunststoffe setzen sich zusammen aus einem Polymer und Zusatzstoffen. Letztere verleihen dem Kunststoff seine anwendungsbezogenen Eigenschaften. Die Polymere können entweder aus der Natur gewonnen werden oder durch Polymersynthese synthetisch hergestellt werden. [Menges et al. 2014, S. 8]

Kunststoffherkunft und -herstellung

In ihrer Grundform sind Kunststoffe Polymere, das heißt sie bestehen aus Verkettungen mehrerer Monomere. Monomere sind Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen. Sie zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus mit anderen Molekülen gleicher Art kovalente Bindungen einzugehen und bestimmen die Eigenschaften der gebildeten Polymere. [Abts 2016, S. 72–73]

Für die industrielle Herstellung der Polymere und dann der polymeren Werkstoffe sind jedoch zunächst Monomereinheiten notwendig. Dafür werden die natürlich vorkommenden organischen Stoffe Erdöl, Kohle, und Erdgas als Basis verwendet. Mithilfe von fraktioneller Destillation werden diese Ausgangsstoffe aufgetrennt. Dazu wird beispielsweise das Erdöl auf etwa 400 °C erhitzt. Im Fraktionierturm steigt der entstehende Dampf mehrere Etagen auf. Die Glockenform der Etagendurchlässe garantiert dabei ein langsames Aufsteigen des Dampfes. Durch Absenken der Temperatur des Dampfes kommt es zur Kondensation von Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Erdölanteilen auf jeder Etage. Die Fraktionen unterscheiden sich je nach Etage in ihren Siedepunkten, also in ihren Molekülgrößen. Produkte dieser fraktionellen Destillation sind beispielsweise Gasöl mit einer Kettenlänge mit bis zu 19 Kohlenstoffatomen und 20 % Erdölanteil oder Gase mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen oder 3 % Erdölanteil. Entscheidend für die Gewinnung von Monomeren sind nun vor allem die Benzinfraktionen (Naphtha). Diese werden für den Crackprozess verwendet. Beim Cracken werden die Kohlenwasserstoffe durch hohe Temperaturen und den Einsatz von Katalysatoren gespalten. [Schwarz et al. 2016, S. 22–23]

Abbildung 1 zeigt die Destillation von Erdöl. Je höher eine Etage angeordnet ist, desto geringer ist der Erdölanteil und desto kleiner sind die Kohlenwasserstoffketten. Die Abbildung veranschaulicht auch, wie der Glockendurchlass das Aufsteigen des Dampfes drosselt.

Abbildung 1: Fraktionelle Destillation von Erdöl [Schwarz et al. 2016, S. 22]

In der Industrie der Kunststoffherstellung wird nun eine gezielte Wahl der Polymere und eine Steuerung der Polymerisation zur Herstellung von polymeren Werkstoffen mit bestimmten Eigenschaften genutzt [Abts 2016, S. 73]. Bei der Polymerisation handelt es sich um eine Form der Polymersynthese. In der Polymersynthese werden so auf künstliche Weise aus den Monomeren Polymere hergestellt. Dabei ist zwischen drei Arten der Polymersynthese zu unterscheiden:

1. Die Polymerisation (radikalisch, ionisch oder katalytisch),
2. die Polykondensation und
3. die Polyaddition. [Abts 2016, 77 ff.]

Die Polymerisation erfolgt in drei Stufen. Zunächst wird eine Startreaktion durch ein Initiatormolekül (Ion, Radikal oder Katalysator) eingeleitet. Danach erfolgt das Kettenwachstum. Schließlich sorgt die Abbruchreaktion für eine Ende des Kettenwachstums. Bei einer Polymerisation werden gleiche Monomere (Homopolymerisation) oder verschiedene Monomere (Co-Polymerisation) aneinander gekettet [Kalweit et al. 2012, S. 78]. In Abbildung 2 sind die Vorgänge einer Polymerisation schematisch abgebildet. [Schwarz et al. 2016, S. 26]

Die Doppelbindungen der Monomere werden durch die Initiatormoleküle aufgetrennt [Abts 2016, S. 73]. Die freiwerdenden Bindungsstellen können zur Kettenbildung genutzt werden. Als Medium für die Reaktion können Wasser, Lösungsmittel oder Suspensionen/Emulsionen genutzt werden [Abts 2016, S. 75]. Der Polymerisationsgrad stellt hierbei die mittlere Kettenlänge dar [Abts 2016, S. 75].

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Phasen der Polymerisation [Schwarz et al. 2016, S. 26]

Für die Synthese von Polymeren können auch Monomere verschiedener Art miteinander verknüpft werden. Die so entstehenden Monomerketten werden als Copolymere bezeichnet. Werden drei Monomere verschiedener Art kombiniert, so wird die Verkettung Terpolymer genannt. [Abts 2016, S. 75]

Die Polykondensation unterscheidet sich von der Polymerisation und der Polyaddition durch die Abspaltung von Nebenprodukten wie (zumeist) Wasser oder Alkohol [Abts 2016, S. 77]. Bei der Polykondensation werden meist zwei verschiedene Molekülbausteine/Monomere miteinander verknüpft. An deren Enden sitzt mindestens eine reaktionsfähige Atomgruppe. Die Anzahl dieser reaktionsfähigen Gruppen entscheidet über die die Plastizität des Polymers. Bei zwei reaktionsfähigen Gruppen entstehen Thermoplaste (lineare Verknüpfungen der Molekülbausteine). Abbildung 3 zeigt auf der linken Seite die linearen Verknüpfungen bei der Polykondensation mit zwei reaktionsfähigen Atomgruppen je Molekülbaustein. Liegen dagegen drei reaktionsfähige Gruppen vor, so entstehen Duroplasten (maschenförmige Verknüpfungen). Solche gitterartigen Verkettungen sind in Abbildung 3 auf der rechten Seite dargestellt. [Schwarz et al. 2016, S. 28–29]

Abbildung 3: Polykondensation zu Thermoplasten (links) und Duroplasten (rechts) [Schwarz et al. 2016, S. 28–29]

Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Polyaddition keine Nebenprodukte abgespalten. Die Reaktion verkettet Monomere mit zwei oder mehr reaktionsfähigen Atomgruppen. [Schwarz et al. 2016, S. 31]

Einteilung von Kunststoffen/polymeren Werkstoffen

Polymere Werkstoffe lassen sich nach ihrem Verhalten einteilen. Die so erhaltenen Materialgruppen Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere und thermoplastische Elastomere sind in Abbildung 4 dargestellt. Während sich Elastomere durch ihre Gummielastizität auszeichnen, kombinieren die thermoplastischen Elastomere Verarbeitbarkeit und Gummielastizität. Die grundsätzliche Einordnung der Werkstoffe erfolgt über das Verhalten bei mechanischer Belastung unter verschiedenen Temperaturen. [Abts 2016, S. 79]

Abbildung 4: Einordnung polymerer Werkstoffe [Abts 2016, S. 80]

Die Unterschiede im Verhalten zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten lassen sich auf die Ordnung ihrer Makromoleküle zurückführen.

Thermoplasten teilen sich in die amorphen und die teilkristallinen Thermoplasten auf. Erstere besitzen keine geordnete Struktur, was bei Temperaturerhöhung zu einer gesteigerten Verformbarkeit führt. Dagegen verfügen die teilkristallinen Thermoplasten über Bereiche in denen die Makromoleküle parallel verlaufen und in denen starke physikalische Wechselwirkungen auftreten. Dadurch wird ein Abgleiten der Makromoleküle voneinander erschwert. Die nachfolgende Abbildung 5 zeigt die Unterschiede in den Vernetzungsgraden zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten. [Abts 2016, S. 85–88]

Abbildung 5: Vernetzungen der Makromoleküle von Thermoplasten [Abts 2016, S. 86]

Thermoplasten können bei hoher Temperatur zur Schmelze gebracht werden. Dieser Schmelzvorgang ist zwar reversibel, doch nicht unbegrenzt wiederholbar. Durch zunehmende thermische Zersetzung wird die Rezyklierbarkeit der Thermoplasten mit jedem Schmelzvorgang begrenzt. [Abts 2016, S. 87]

Elastomere setzen sich aus weitmaschig verbundenen Kautschukmolekülen zusammen. Wie die Abbildung 6 zeigt, ist ihr Vernetzungsgrad jedoch gering. Dadurch wird eine Beweglichkeit der Kautschukmoleküle sichergestellt. Da ein Abgleiten einzelner Makromoleküle trotz des geringen Vernetzungsgrades nicht möglich ist, sind Elastomere nicht schmelzbar. [Abts 2016, S. 88–89]

Abbildung 6: Vernetzungen der Makromoleküle von Elastomeren [Abts 2016, S. 89]

Durch aktive Füllstoffe werden Elastomere meist verstärkt. Dies führt zu einer Erhöhung der Rückstellkräfte, sodass die Elastomere nicht dauerhaft verformbar sind. Aus diesem Grund besitzt ein Gummiball selbst nach dem Wurf gegen eine Wand keine dauerhaften Eindellungen. Da für die Füllstoffe oftmals Ruße eingesetzt werden, sind diese Elastomere schwarz. [Abts 2016, S. 89–91]

Die thermoplastischen Elastomere zeigen ebenfalls ein gummielastisches Verhalten. Jedoch besitzen sie thermoplastische Bereiche. Die Abbildung 7 zeigt die unterschiedlichen Bereiche der Makromoleküle bei thermoplastischen Elastomeren. [Abts 2016, S. 95]

Abbildung 7: Vernetzungen der Makromoleküle bei thermoplastischen Elastomeren [Abts 2016, S. 95]

Im Vergleich zu den Thermoplasten, Elastomeren und thermoplastischen Elastomeren sind Duroplasten engmaschiger vernetzte Makromoleküle. Sie sind nicht mehr plastisch verformbar. Aufgrund der hohen Anzahl an Vernetzungen lassen sie sich nicht zersetzen oder schmelzen. Duroplasten werden durch Polyaddition oder Polykondensation gebildet. [Abts 2016, S. 96]

Abbildung 8: Vernetzungen der Makromoleküle bei Duroplasten [Abts 2016, S. 96]

In Tabelle 1 sind verschiedene Anwendungsbereiche für die unterschiedlichen Werkstoffklassen dargestellt.

Tabelle 1: Einsatzgebiete polymerer Werkstoffe sortiert nach Werkstoffverhalten angelehnt an [Abts 2016, S. 85–96]

Werkstoffklasse	Einsatzgebiet
Thermoplaste	Verpackungsfolien, Bauelemente (Scheiben, Profile, Rohre, Kabel, Gehäuse von Elektronikgeräten, Innen- und Außenteile von KfZ, medizinische Funktionsteile, Behälter, Bestecke, Hochleistungsfunktionsteile in allen technischen Bereichen
Elastomere	Autoreifen, technische Gummiwaren (Dichtungen, Bälge, Schläuche, Zahn- und Keilriemen, Kabel, Förderbänder, Walzenbeläge), Spezialwerkstoffe für Luft- und Raumfahrt
Duroplasten	Epoxidharze: Rohrleitungen, Behälter, Flüssig- oder Pulverlacke Ungesättigte Polyesterharze: Einbettung elektronischer Bauteile, Herstellung von Spulen- und Relaiskörpern, großflächige Formteile in KfZ-Industrie, Flugzeug- und Schiffbau, Karosserien für Automobile, Verkleidungen für Segelflugzeuge oder Bootsrümpfe PUR: Polster, Matratzen, Fahrzeugausstattung, Hartschaum für Dämmmaterial, Lacke, Kleb- und Dichtstoffe

Kunststoffe lassen sich auch nach ihrer Anwendung einordnen. So wird zwischen Standardkunststoffen, technischen Kunststoffen und Hochtemperaturkunststoffen unterschieden. Mit der Formbeständigkeit bei hohen Temperaturen steigt auch der Preis. Die Abbildung 9 zeigt eine Übersicht einiger gängiger Kunststoffe in den Temperaturbereichen für Standardkunststoffe, technische Kunststoffe und Hochtemperaturkunststoffe. [Weißbach et al. 2018, S. 384]

Die Standardkunststoffe stellen zwischen 80 – 90 % der weltweiten Kunststoffproduktion dar [Engelsmann et al. 2010, S. 32].

Abbildung 9: Übersicht von Kunststoffen nach Temperatureinsatz [Weißbach et al. 2018, S. 384]

Rechtlicher Rahmen, duale Systeme, Sammlung und Erfassung (Arbeitstitel!)

Ein bedeutender Kunststoffstrom in Deutschland sind die kunststoffhaltigen Verpackungen. Während der Kunststoffanteil am Verpackungsaufkommen in Deutschland von 2017 bis 2018 nur um 1,6 % stieg, betrug das Wachstum zwischen 2010 und 2018 etwa 20,3 % [Schüler 2020, S. 43]. Der Stoffstrom an Kunststoffen in Verpackungen ist also stetig steigend.

Die Europäische Verpackungsrichtline 94/62/EG verpflichtete die Mitgliedsstaaten zur Erfassung und Verwertung von Verpackungen [RL 94/62/EG, vom 20.12.1994]. Die Umsetzung dieser Richtline gipfelt in Deutschland seit 2019 im Verpackungsgesetz (VerpackG), dessen Ziel die vorrangige Vermeidung von Verpackungsabfällen und die Vorbereitung zur Wiederverwendung oder dem Recycling ist [§1 Abs. (1) VerpackG, vom 09.06.2021]. Mittel für die Erreichung dieses Zieles ist die Verpflichtung der Erzeuger zur Rücknahme von abfallbürtigen Stoffen [§15 Abs. (1) VerpackG, vom 09.06.2021]. Diese Verpflichtung entfällt jedoch, wenn ein Rücknahme-, Sortier- und Verwertungssystem geschaffen wird, dessen Kosten die Wirtschaft selbst trägt [§8 Abs. (1) VerpackG, vom 09.06.2021].

Diese Systeme werden duale Systeme genannt. Sie stellen neben der kommunalen Abfallentsorgung noch ein weiteres Gleis der Abfallentsorgung dar. Das Prinzip der Dualen Systeme kann am Beispiel des größten Dualen Systems, des „Grünen Punktes, Duales System Deutschland (DSD)“, gezeigt werden. Verpackungen des Grünen Punktes werden lizensiert, bevor sie in den Handel gegeben werden dürfen. Hersteller und Abfüller zahlen also Lizenzierungsgebühren das DSD [Kranert 2017, S. 36]. Das DSD ist damit nun für die Sammlung und Sortierung dieser Verpackungen verantwortlich. Der „Grüne Punkt“ ist also ein Kennzeichen für verwertbare Verpackungen. Verpackungen mit einer Lizenz vom „Grünen Punkt“ können im „Gelben Sack“ oder der „Gelben Tonne“ entsorgt werden [Kranert 2017, S. 36].

Zur Gewährleistung der umweltpolitischen Ziele schreibt das VerpackG die in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellten Wiederverwendungs- und Recyclingquoten vor.

Tabelle 2: Verwertungsquoten für Verpackungen in M.-% [§16 Abs. (2) VerpackG, vom 09.06.2021]

Deutsches Verpackungsgesetz
	Ab 2019	Ab 2022
Kunststoffe	90 und davon 60 in werkstofflicher Verwertung	0 und davon 70 in werkstofflicher Verwertung
Holz	/	/
Aluminium	80	90
Glas	80	90
Papier, Pappe, Karton	85	90
Getränkeverpackungen	75	80
Sonstige Verpackungen	55	70

Aus der Tabelle lassen sich hohe Verwertungsquoten für Kunststoffe in Verpackungen ablesen. Die zunehmende Quote für das werkstoffliche Recycling lässt sich auf die Abfallhierarchie des Kreislaufwirtschaftsgesetzes zurückführen, die stoffliches Recycling über energetische Verwertung stellt.

Kunststoffe unterliegen auch dem Stoffrecht. So können ihnen durch die REACH-Verordnung Beschränkungen auferlegt werden. Dies bedeutet dann für einen Stoff, dass er nicht mehr in Erzeugnissen oder Gemischen zugelassen wird. Diese Beschränkungen sind in Anhang XVII der Verordnung dargestellt. Die Verordnung unterscheidet zwischen zwei Bewertungsverfahren. Bei der Dossierbewertung wird der Inhalt des vorgelegten Registrierungsdossiers bewertet. Die Stoffbewertung berücksichtigt dagegen alle bekannten Informationen zu einem Stoff. [REACH-V]

Die CLP-Verordnung (Classification, Labeling, Packaging) ermöglicht die systematische und europaweite Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen. Ihr Zweck ist die Bestimmung der zu einer Einstufung als „gefährlich“ führenden Eigenschaften von Stoffen und Gemischen. Dabei gibt es zwei Arten von Einstufungen. Die Selbsteinstufung ist die selbstständige Einstufung durch den Hersteller oder Importeur. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Legaleinstellung (auch: harmonierte Einstufung) um eine amtlich vorgeschriebene und damit bindend anzuwendende Einstufung. [CLP-V, vom 16.12.2008]

Nutzung von Kunststoffen, Lebensdauer, Reuse (Mehrwert:Kreislaufwirtschaft) (Arbeitstitel)

Kunststoffe werden aufgrund ihrer zahlreichen Eigenschaften als Werkstoffe geschätzt. Obwohl es ihr Ruf gegenteilig vermuten lässt, schneiden sie unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren oft sogar besser ab als Konkurrenzprodukte. Die Gründe dafür liegen beispielsweise in der Gewichtsreduktion bei der Substitution durch eines Bauteils durch ein Kunststoffbauteil, dem Vereinen mehrerer Funktionen, der vielfältigen Wiederverwertbarkeit und der Wiederverwendung (z.B. Pfandsysteme). [Kalweit et al. 2012, S. 87]

In der heutigen Industrie sind Kunststoffe nicht mehr zu ersetzen. Stattdessen ersetzen sie zumeist andere Konkurrenzmaterialien. Kunststoffe befinden sich beispielsweise in der Medizintechnik bereits in einer Vormachtstellung, begünstigt durch die Notwendigkeit von sterilen Werkzeugen. Die nachfolgende Tabelle 2 listet einige Kunststoffsorten und deren Einsatzgebiete auf.

Tabelle 3: Auswahl einiger nach ihrer Art sortierten Kunststoffsorten [Schwarz et al. 2016; Abts 2016; Weißbach et al. 2018]

Kunststoffart	Kunststoffsorte	Anwendungsbeispiel
Thermoplasten	PE	Folien (PE-LD), Hohlkörper (PE-HD)
	PP	Spritzgussanwendungen
	PS	Wärmedämmung, maßhaltige Bauteile
	PET	Getränkeflaschen, Ketten, Federn, Schrauben, Nockenscheiben, Gleitlager
	PMMA	Brillengläser, Lupen, Linsen
	PC
	PA	Hohlkörper, Flach- und Schlauchfolien
	PVC	Rohre, Dachrinnen, Becher
Elastomere	SBR	Reifenmischungen
	CR	Kühlwasserschläuche
	NBR	Dichtungswerkstoff
	HR, CHR	Regenschläuche
Thermoplastische Elastomere	TPE-U	Kabelmäntel
	TPE-(SB)	Schläuche
	TPE-O	Stoßdämpfer, Armaturenbretter
Duroplasten	PF	Formmassen (Steckdosen, Pfannenstiele, Griffe, Autoteile) Schichtpressstoffe (Zahnräder, Laufrollen)
	UF	Stecker, Lichtschalter, Leim, Klebstoffe
	MF	Schraubverschlüsse, Griffe, Gehäuse

Eigenschaften von Kunststoffen

Kunststoffe werden aufgrund ihrer Materialeigenschaften als Substitute für andere Materialien eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen unterscheiden sich je nach Sorte und Anwendungszweck. Die Gleit- und Haftungseigenschaften ermöglichen die Nutzung als mobile Bauteile ohne dabei auf der Verwendung von Schmiermittel zurückzugreifen. Thermoplasten sind außerdem nicht vernetzte polymere Werkstoffe und besitzen daher eine gute Fließfähigkeit. Dies führt zu einer kostengünstigen Verarbeitung der Stoffe durch einfache Formung. Anders als Metalle weisen Kunststoffe meist eine gute Korrosionsbeständigkeit und bei manchen Sorten sogar eine bessere Chemikalienresistenz als Edelstähle auf. Allerdings sind Kunststoffe oft anfällig gegen Lösungsmittel. [Kalweit et al. 2012, S. 80]

Bei der Compoundierung werden den Polymeren in der Kunststofftechnik Zuschlagstoffe und Additive beigemischt. Stabilisatoren erhöhen beispielsweise die Beständigkeit gegen Witterungsverhältnisse. Dem Abbau von Kunststoffen durch UV-Strahlen kann durch Lichtschutzmittel zum Teil entgegengewirkt werden. Treibmittel werden für die Herstellung von synthetischen Schaumstoffen genutzt und Füllstoffe erlauben die Streckung der Kunststoffmengen bei gleichzeitiger Veränderung der Materialeigenschaften. [Kalweit et al. 2012, S. 80–81]

Durch Faserverstärkung können die positiven Eigenschaften zweier Materialgruppen vereint werden. Abbildung 10 zeigt die Faserverstärkung bei der Herstellung von Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). GFK vereint dabei die positiven Eigenschaften „hochfest“ der Glasfaser und „zäh“ des Kunststoffes. Gleichzeig werden die negativen Eigenschaften „spröde“ und „nicht fest“ aufgehoben. Dadurch ergibt sich ein aus werkstofflicher Sicht überlegenes Material. Eine Auflistung der Veränderungen der Materialeigenschaften durch verschiedene Füllstoffe ist ebenfalls in Abbildung 10 (rechts) zu finden.

Abbildung 10: Faserverstärkung von Kunststoffen (links) und Einflüsse auf die Kunststoffeigenschaften (rechts) [Kalweit et al. 2012, S. 81]

Reuse von Kunststoffen

Die Wiederverwendung eines Produktes ist definiert als „die wiederholte Verwendung eines Produktes für denselben Verwendungszweck“ [Baur et al. 2019, S. 58]. Beispiele für die Wiederverwendung von Kunststoffprodukten sind das Pfandsystem für PET-Flaschen oder das mehrmalige Verwenden einer Einkaufstüte aus Kunststoff einschließlich der letztendlichen Verwendung als Mülltüte. Außerdem können Kunststoffbauteile von Elektronikgeräten wie Autoradios als Reparaturteile aufbewahrt und wiederverwendet werden. Alte Pflanztöpfe lassen sich problemlos auswaschen und erneut zum gleichen Zweck nutzen.

Aufbereitung und Recycling von Kunststoffen

Kunststoffabfälle stammen aus Industrie und Handel, Landwirtschaft und aus Haushalten. Die Abfälle aus Industrie und Handel bestehen oft aus den gleichen Kunststoffarten. Sie weisen eine für das Recycling wichtige Eigenschaft auf, die Sortenreinheit. Deshalb sind Abfälle aus diesen Bereichen leicht wieder zu verwerten. Gängige Abfälle sind Kanister, Fässer, Schrumpfhauben, Schaumpolystyrol und Verpackungsfolien. Die aus der Landwirtschaft stammenden Kunststoffabfälle sind ebenfalls sortenrein. Sie bestehen aus Mulchfolien und Silofolien. Mulchfolien werden verwendet um Felder abzudecken und mit Silofolien werden temporäre Silos zur Grünfutter-Konservierung hergestellt. Problematisch sind die Abfälle, die aus den Haushalten stammen. Sie werden nicht getrennt gesammelt und sind daher nicht sortenrein und stark verschmutzt. Sie zu trennen und zu reinigen erfordert viel Aufwand und bringt hohe Kosten mit sich. [Brandrup 1995, 213 f.] löhr 2012; 1:1

Der ursprüngliche Kunststoffrohstoff liegt in der Regel in Granulat- oder Pulverform vor. Ein Korngrößenintervall von 0,05 mm bis 0,8 mm definiert die Größe der Pulverform. Das Bestreben einer geeigneten Wiederverwertung zielt darauf, eine Teilchenform und -größe zu erzeugen, die dem gebräuchlichen Kunststoffrohstoff entspricht, weshalb im Normalfall eines Recyclingprozesses immer eine Zerkleinerung der Kunststoffreststoffe stattfindet [Brandrup 1995, S. 204–210]. Für die Zerkleinerung von Kunststoffen, speziell der Verbundwerkstoffe, gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Bewältigung dieser Aufgabe. Thermoplasten lassen sich aufgrund ihres plastischen Verhaltens wieder aufschmelzen. Daher eignen sie sich für die werkstoffliche Wiederverwertung und können so direkt einen zweiten Formgebungsprozess durchlaufen. Duroplasten und Elastomere werden dagegen aufgrund ihrer eng vernetzten Struktur in der Regel durch maschinelle Zerkleinerung beansprucht und später als Füllstoffe Neuwaren zugemischt. [Baur et al. 2019, S. 55–70] wagner 2012; 1:1

Bei der „werkstofflichen Wiederverwendung“ handelt es sich um die Verwendung von Kunststoff-Abfällen nach der Aufbereitung zu neuen Formmassen. Allerdings dürfen manche Kunststoffe aufgrund von Behandlungen mit Flammschutzmitteln nicht wiederverwendet werden (siehe z.B. EPS). Das werkstoffliche Recycling lässt nun die Makromoleküle der polymeren Werkstoffe weitestgehend unberührt und zielt auf deren Erhaltung ab. Es stützt sich auf die Verwendung von ausschließlich physikalischen Behandlungen wie Compoundieren, Granulieren, Filtern oder Aufschmelzen. Der so gewonnene Sekundär-Kunststoff wird auch als Rezyklat bezeichnet. Für das werkstoffliche Recycling eignen sich nur Thermoplasten, da diese als einzige Kunststoffart nicht vernetzt sind und sich daher unter Temperaturerhöhung neu formen lassen. Bei Duroplasten und Elastomeren ist dagegen keine Umformung möglich. Stattdessen können sie nur nach der Verarbeitung zu Mahlgut als Füllstoff genutzt werden. Dies wird dann als „Partikelrecycling“ bezeichnet. [Baur et al. 2019, S. 58–62]

Das rohstoffliche Recycling setzt auf molekularer Ebene an, aber bemüht sich um eine größtmögliche Erhaltung und Wiederverwendung der chemischen Struktur der Polymere. Dagegen wird bei der energetischen Verwertung ausschließlich der Energiegehalt der Kunststoffabfälle genutzt. Oft fehlt es bei rohstofflichen Recycling noch am Rücklaufmaterial. Diese Form des Recyclings lässt sich auf zwei Arten vollbringen:

1. Über Zerlegung der Polymere in ihre Monomerbausteine oder
2. Die Einbringung der Polymere in petrochemische Prozesse als Mineralölersatz. [Baur et al. 2019, S. 59]

Dazu stehen fünf Verfahren zur Verfügung. Bei den thermischen Verfahren kommt es zur thermischen Depolymerisation von z.B. Acrylharzen wie PMMA. Solvolytische Verfahren attackieren dagegen die Verbindungsstellen von Polymeren auf hydrolytische, saure, basische, alkoholische oder aminische Art. In der Pyrolyse erfolgt die Zersetzung der Kohlenwasserstoffketten unter Abwesenheit von Sauerstoff im Temperaturbereich von 500 - 850°C. Bei der Hydrierung werden die Kohlenwasserstoffe durch Sättigung und Cracken der Makromoleküle in einen gasförmigen Aggregatzustand gebracht. Während die Hydrierung mit hohem technischem und wirtschaftlichem Aufwand verbunden ist, bietet sie auch die Möglichkeit auf die Vorbehandlung zur Entfernung von Chlor und Stickstoff zu verzichten. Das letzte Verfahren ist die Vergasung. Hier werden die Kohlenwasserstoffe unter Luftzutritt bei 1000 – 1200°C behandelt, was zu deren Aufspaltung in die kleinstmöglichen Einheiten führt. [Baur et al. 2019, S. 67–68]

Für Aufbereitung und Verwertung ist zunächst eine Rückführung des Materials sicherzustellen. Diese ist bei Kunststoffabfällen Stand der Technik, entweder als Angussrückführung oder als Zuführung von Mahlgut zum Neugranulat. Die Schwierigkeit liegt in der Sortenreinheit. Gemischte und verunreinigte Kunststoffe lassen sich nur eingeschränkt für die Herstellung von Formteilen ohne große Qualitätsanforderungen verwenden. Allerdings gehört die sortenreine Sammlung von PVC-Profilen und PET-Flaschen bereits zum Standard. [Baur et al. 2019, S. 59–60]

Als letztes Mittel der Verwertung von Kunststoffabfällen sieht das Kreislaufwirtschaftsgesetz die energetische Verwertung vor. Kunststoffabfälle besitzen viel chemisch gebundene Energie, die bis zu 60 % der Produktionsenergie zurückliefern kann. Die Probleme der energetischen Verwertung sind mit den Halogenen und der de-novo-Synthese jedoch kritisch für die Umweltverträglichkeit der energetischen Nutzung von Kunststoffabfällen. Es ergibt sich unter anderem ein Bedarf an technisch aufwändiger Abgasreinigung und spezieller Temperaturregulierung im Kessel. Daher werden Abfälle bei der energetischen Verwertung zunächst zu spezifischen Sekundärbrennstoffen aufbereitet. Speziell für Kunststoffe bedeutet dies die Reduzierung von PVC, bis der Chlor-Anteil am Brennstoff unter 0,5 Gew.-% liegt. Dazu legt die Gütegemeinschaft RAL-GZ 754 Spezifikationen und Verfahren für Sekundärbrennstoffe fest. [Baur et al. 2019, S. 69–70]

In Bezug auf den Stoffstrom LVP gliedert sich der Recyclingkreislauf in die Schritte Erfassung, Sortierung und Aufbereitung. Die LVP-Sammlung ist ein Beispiel für ein sogenanntes comingled-System. Daher ist hier keine gute Sortenreinheit zu erwarten und eine strukturierte Aufbereitungskette notwendig. Nach der Sammlung im Gelben Sack, der Gelben Tonne und Sammelcontainern folgt eine Vorzerkleinerung und Vorkonditionierung für die Siebung. Die Siebung führt die Kornklassen > 220 mm und 20-220 mm einer Windsichtung zu. Das Feingut wird unmittelbar als Sortierrest klassiert. Im Anschluss an die Windsichtung folgt eine Magnetscheidung. Die Sortierung wird entweder durch manuelle Sortierung oder sensorgestützte Sortierung abgeschlossen. Die Prozesskette ist in Abbildung 11 dargestellt.