Mechanische Aufbereitung von Post Consumer Poly(lactic acid) am Beispiel von Einweggetränkebechern

Die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zur Herstellung von Polymeren und die immer weiter steigenden Abfallmengen sind drängende Probleme, die die verstärkte Nutzung von Kunststoffen mit sich gebracht hat. Das Biopolymer Poly(lactic acid) (PLA) galt lange Zeit als ein Lösungsansatz für beide Problematiken. Der Rohstoff Milchsäure, aus dem PLA synthetisiert wird, ist vollständig biobasiert und dadurch unabhängig von Erdöl, bei gleichzeitiger Kompostierbarkeit des Polymers. Diese Kompostierbarkeit ist jedoch nur unter speziellen Umgebungsbedingungen möglich und weder ökologisch noch ökonomisch sinnvoll (Piemonte, 2011). Eine Kreislaufführung des Materials vermag es sowohl Rohstoffe zu schonen als auch Abfallmengen zu verringern. Die bisherige Forschung dazu beschränkt sich auf die Betrachtung des Prozesses der mechanischen Aufbereitung als Ganzes oder auf Parameteränderungen während der Compoundierung. Für Aussagen über den Einfluss der Nutzungsphasen, werden solche in Laborversuchen an Primärmaterial simuliert. In dieser Arbeit werden diese Lücken geschlossen, indem die Auswirkungen der verbleibenden Prozessschritte Reinigung und Zerkleinerung auf die Aufbereitung und das Material untersucht werden. Zusätzlich wurden die Versuche an Post Consumer Getränkebechern im Technikumsmaßstab durchgeführt. Bei der Reinigung wurden Temperatur, Additiv und Lösungskonzentration auf den Anwendungsfall optimiert und durch optische und thermogravimetrische Analysen sowie mittels Pyrolyse-GC-MS verifiziert. Weiterhin kamen unterschiedliche Methoden der Zerkleinerung und der thermischen Vorbehandlung des Materials zum Einsatz, welches mittels optischer und rheologischer Untersuchungen sowie Probedurchläufen am Extruder untersucht wurde. Aus den Ergebnissen konnte ein auf den Anwendungsfall der Getränkebecher optimierter Prozess abgeleitet werden. Durch die Ergänzung eines Temperschritts konnte die Prozessstabilität erheblich gesteigert und der Energiebedarf des Gesamtprozesses gesenkt werden. Durch eine vereinfachte Ökobilanzierung wird das erzeugte Rezyklat ökologisch bewertet und unter Bestimmung der Life Cycle Gaps der Vorteil dieses Verfahrens zur Schließung von Stoffkreisläufen verdeutlicht.

Dependence on fossil raw materials for production and the ever-increasing quantities of waste are major problems caused by the massive use of plastics. The biopolymer poly(lactic acid) (PLA) was considered as a solution to both of these problems. The raw material lactic acid, from which PLA is synthesized, is completely rapidly renewable and thus independent of crude oil, while at the same time being a compostable polymer. However, this compostability is only possible under special environmental conditions and is neither ecological nor economic sensible. Recycling of the material can both conserve raw materials and reduce waste quantities. Previous research on mechanical recycling has been limited to the consideration of the process as a whole or to parameter changes during compounding. For statements on the influence of the utilization phases, such are simulated in laboratory tests on primary material. This thesis closes these gaps by investigating the effects of the remaining process steps of cleaning and comminution on the preparation and the material. In addition, the trials were carried out on post-consumer beverage cups on a pilot plant scale. During cleaning, temperature, additive and solution concentration were optimized for the application and verified by optical and thermogravimetric analyses as well as pyrolysis GC-MS. Furthermore, different methods of comminution and thermal pre-treatment of the feedstock were used, which were analyzed by optical and rheological investigations as well as pilot runs on the extruder. From the results, a process optimized for the application of the beverage cups could be derived. By adding a tempering step, the process stability could be considerably increased and at the same time the energy consumption of the overall process could be reduced without any negative effects on the recycled material. Finally, a Screening Life Cycle Assessment permits a positive ecological assessment of this process, by reducing greenhouse gas emissions by 75 %.