Herstellung

Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus Polymeren. Polymere sind chemisch gesehen große Moleküle die meist aus sehr vielen gleichartigen Einheiten, den Monomeren, bestehen. Natürliche Polymere werden seit Jahrhunderten technisch genutzt, wie z.B. Baumharze oder Bienenwachs. Solche natürlichen Polymere haben vielfach eine uneinheitliche Zusammensetzung und eignen sich für den Einsatz in automatisierten, technischen Prozessen nur bedingt.

Das Umweltbundesamt versteht unter Kunststoffen feste Werkstoffe, die hauptsächlich aus synthetisch hergestellten oder chemisch bzw. biologisch modifi­zierten natürlichen Makromolekülen bzw. Polymeren bestehen. Sie enthalten weitere Stoffe wie Additive (z. B. Antioxidantien, Verarbeitungshilfsstoffe) oder Füllstoffe (z. B. Kalk, Glasfasern), die zugegeben werden, um die funktionalen Eigenschaften der verschiedenen Polymere zu optimieren. Flüssige Polymere fallen nicht unter diese Definition.

Etwa seit dem Beginn des 19. Jahrhunderts haben Chemiker neue Polymere im Labor geschaffen, bei denen die Monomere großtechnisch aus Naturprodukten oder Syntheseprodukten der Erdöl-, Gas- oder Kohlechemie stammten. Diese so künstlich hergestellten Materialien wurden daher auch Kunststoffe genannt. Der Vorteil bei den Kunststoffen lag darin, dass sie bei gleichbleibender Qualität in großer Menge industriell verfügbar gemacht werden konnten.

Bei den meisten Kunststoffen werden die Einheiten der Polymere aus Erdöl oder Erdgas gewonnen (z.B. Ethen und Propen, Buten und Hexen, Aldehyde, Butylacrylate oder Vinylacetate).

Das Herstellungsverfahren, Polymerisation genannt unterscheidet sich für die verschiedenen Polymere. Zunächst einmal werden verschiedene Arten von Monomeren und Co-Monomeren eingesetzt. Durch die zusätzliche Variation des Drucks bei der Polymerisation, z.B. durch die Art des verwendeten Reaktors und unter Einsatz verschiedener Katalysatoren entstehen die Kunststoffe mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften.

Der Energiebedarf für die Polymerisation unterscheidet sich für verschiedene Kunststoffarten je nach den spezifisch notwendigen Temperatur- und Druckbedingungen.

Neben der Auswahl der Monomere und deren Art der Vernetzung werden grundlegende Eigenschaften von Kunststoffen auch durch später hinzugefügte Additive festgelegt. In der praktischen Anwendung werden fast alle Kunststoffe mit Additiven modifiziert oder auch „funktionalisiert“, um die jeweils an sie gestellten Anforderungen zu erfüllen. Nach grundlegenden Funktionen lassen sich u.a. die folgenden Arten von Additiven unterscheiden:

  • Füllstoffe: Als Füllstoffe werden klassischerweise Ruß, gemahlenes Kalziumkarbonat (Kreide, Kalkstein, etc.), Kaolin, Talkum, Glasfaser, Kohlefaser, Aluminiumhydroxit, Grafit oder Moybdänsulfid sowie Wollastonit eingesetzt. Die Farbwirkung z.B. von Rußen kann aber bestimmte Techniken der Kunststoffsortierung beeinträchtigen.
  • Flammschutzmittel: Als Flammschutzmittel können Verbindungen wie Aluminium- oder Magnesiumhydroxid eingesetzt werden, die neben einer flammhemmenden Wirkung zur Freisetzung von Wasser führen, das gleichzeitig durch seine Verdunstung abkühlend wirkt. Als Flammschutz kommen außerdem Verbindungen mit Halogenen wie Chlor und Brom, oft unterstützt durch Antimon-Verbindungen zu Anwendung. Durch die Halogene werden die bei der Verbrennung freigesetzten Radikale eingefangen und so die Verbrennungsreaktion unterbunden. Gerade bei den sehr wirksamen Halogen-Verbindungen handelt es sich aufgrund der gefährlichen Eigenschaften aber vielfach um besonders problematische Stoffe. Einige halogenierte Flammschutzmittel können bei starken Bränden hochgiftige Verbindungen wie etwa Dioxine und Furane bilden. Aufgrund dieser und weiterer gefährlicher Eigenschaften sind einige Einzelsubstanzen oder Stoffgruppen  bereits im Chemikalienrecht reguliert und ihre Verwendung und Vermarktung ist EU-weit stark beschränkt. Einige halogenierte Flammschutzmittel sind in die Stockholmer Konvention (POP-Konvention) als persistente organische Schadstoffe (peristent organic pollutant, POP) aufgenommen worden.
  • Stabilisatoren: Um Kunststoffe weniger empfindlich gegenüber Wärme, Sauerstoff, Ozon, Witterungseinflüsse oder UV-Licht zu gestalten, werden Stabilisatoren beigemischt. Früher wurden z.B. für PVC Stabilisatoren auf Basis von Schwermetallen wie Blei und Kadmium verwendet. Aktuelle Stabilisatoren basieren dagegen meist auf weniger problematischen Verbindungen von Kalzium, Zinn, Zink, Phenolen, Aminen und Paraphenylendiaminen.
  • Weichmacher: Weichmacher dienen zur Herabsetzung von Härte und Sprödigkeit für PVC, Celluloseester und Kautschuke. Weichmachermoleküle sind sehr klein und relativ flüchtig, wodurch die Wärmeformbeständigkeit der Kunststoffe herabgesetzt wird. Als Weichmacher dienen vor allem Phthalate, von denen viele in Hinblick auf Gesundheits- und Umweltschutz problematisch einzustufen sind. Auch hier gibt es bereits einige Beschränkungen und Verbote im Chemikalienrecht.
  • Farbstoffe

Additive werden in der Regel bereits bei der Herstellung untrennbar mit dem Kunststoff vermengt, dadurch kann das Recycling erschwert werden, z.B. können schwarzgefärbte Kunststoffe mit der etablierten Nahinfrarot-Technik nicht sortiert werden; bestimmte Weichmacher oder Flammschutzmittel müssen aufgrund ihrer gesundheitsschädigenden Wirkung aus dem Wertstoffkreislauf ausgeschleust werden.

Recycling

Kunststoffe lassen sich werkstofflich, rohstofflich und energetisch verwerten.

Die werkstoffliche Verwertung gilt als besonders hochwertig, wenn aus den Kunststoffabfällen ein zu Regranulat oder Mahlgut aufbereitetes, sortenreines Sekundärmaterial erzeugt wird, das Primärkunststoffe ersetzt. Ebenfalls als werkstoffliches Recycling gilt das Einschmelzen von Abfällen aus Mischkunststoffen. Diese ersetzen je nach Anwendung nicht immer Primärkunststoffe, sondern auch Werkstoffe wie Holz oder Beton. Wesentliche Voraussetzung für eine werkstoffliche Verwertung ist eine möglichst hohe Sortenreinheit der Grundpolymere. Aufgrund der chemischen Unverträglichkeit vieler Kunststoffe untereinander sowie unterschiedlicher Schmelztemperaturen, bildet ein Gemisch von Kunststoffen keine homogene Schmelze. Inhomogene Schmelzen erschweren die Herstellung eines Granulates oder machen sie im Extremfall unmöglich. Zudem kommen grundsätzlich einige Kunststoffe für die werkstoffliche Rezyklierung nicht oder nur sehr eingeschränkt infrage, z.B. Duromere.

Damit Kunststoffabfälle tatsächlich werkstofflich verwertet werden können, müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Die Grundpolymere müssen kreislauffähig (d.h. in der Regel regranulierbar) sein.
  • Es dürfen keine störenden Additivierungen enthalten sein.
  • Die Kunststoffe müssen getrennt oder in einer (leicht) abtrennbaren Form erfasst und möglichst sortenrein sortiert werden.

Unter rohstofflicher Verwertung ist die chemische oder thermische Zerlegung der Polymere zu Monomeren und sonstigen Molekülen für neue Synthesen zu verstehen, nicht jedoch deren Aufbereitung zu Produkten, die für die Verwendung als Brennstoff vorgesehen sind. Auch der Kunststoffeinsatz als Reduktionsmittel in Hochöfen der Stahlindustrie zählt zur rohstofflichen Verwertung.

Die energetische Verwertung setzt hingegen auf die Erzeugung von Strom und Wärme aus Kunststoffen in Müllverbrennungsanlagen oder auf den Einsatz als Ersatzbrennstoff in Ersatzbrennstoffwerken und Zementwerken, um fossile Primärbrennstoffe zu ersetzen.

Weiterführende Hinweise zum Recycling finden sich auf der UBA Seite.

Biokunststoffe

Biokunststoffe werden immer intensiver als alternative, ökologische Materialien ins Gespräch gebracht. Dabei ist es wichtig zu unterscheiden, welche Materialeigenschaft mit der Bezeichnung „Bio“ überhaupt gemeint ist.

Als Biokunststoffe werden aktuell zwei Arten von Kunststoffen bezeichnet: solche, die biobasiert sind, also teilweise oder vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen stammen und auf Basis von z. B. Stärke, Cellulose oder Milchsäure gewonnen werden und solche, die biologisch abbaubar sind.

Biokunststoffe der ersten Kategorie, also Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, sind jedoch nicht zwingend auch biologisch abbaubar und umgekehrt sind biologisch abbaubare Kunststoffe nicht notwendigerweise aus nachwachsenden Rohstoffen.

Der Unterschied der beiden Materialien wird in den UBA FAQs ausführlich erläutert.

Auch wenn es sehr verlockend erscheint, direkt auf sogenannte Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zurückzugreifen, ist eine solche Option sorgfältig zu prüfen. Aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Monomere mögen auf den ersten Blick geringere Umweltbelastung aufweisen. Allerdings können sie in anderen Umweltbereichen (z.B. Landnutzung, Verlust von Biodiversität, Versauerung der Böden und nicht zuletzt Nahrungsmittelkonkurrenz) sehr erhebliche Umweltwirkungen entfalten.

Im Artikel Nachwachsende Rohstoffe wird darauf genauer eingegangen.

Design for Recycling – Kunststoffprodukte, speziell Kunststoffverpackungen

Worauf sollte beim Design von Kunststoffverpackungen geachtet werden?

An Verpackungen werden viele Anforderungen gestellt – in erster Linie ist das der Produktschutz, sie sind aber auch Träger von Produktinformationen und Werbebotschaften, sie müssen gut handhabbar sein, sowohl bei Transport oder Lagerung als auch unter Convenience-Aspekten wie Wiederverschließbarkeit oder vollständiger Entleerbarkeit.

Oberstes Gebot beim Design sollte immer die Vermeidung von Abfällen sein. Eigenschaften wie Langlebigkeit und Wiederverwendbarkeit – bei Verpackungen z. B. in Form von Mehrwegverpackungen – leisten hier einen wichtigen Beitrag. Ebenso wichtig ist es, aufwendige und übermäßige Verpackungen zu vermeiden (Stichwort „Mogelverpackungen“). Auch besonders leichte und materialeffiziente Verpackungen dienen der Abfallvermeidung. Um dennoch die Schutzfunktionen zu gewährleisten (oder sogar zu verbessern), bestehen solche Kunststoffverpackungen meist aus mehrschichtigen Verbunden unterschiedlicher Kunststoffe oder einem Mix aus Kunststoffen und anderen Materialien. Der Vorteil der Abfallvermeidung geht meist mit dem Verlust der Recyclingfähigkeit einher. Dies ist ein klassischer Zielkonflikt, der im Prozess des Produktdesigns entschieden werden muss.

Neben dem Aspekt Recyclingfähigkeit spielt auch der Einsatz von Rezyklaten in Neuprodukten eine wichtige Rolle. Recycling macht eben nur richtig Sinn, wenn die gewonnenen Sekundärrohstoffe letztlich als Ersatz für Primärrohstoffe dienen.

Gibt es wesentliche Kriterien zum Design recyclingfähiger Kunststoffverpackungen?

  • Monomaterialien sind besser recyclingfähig als Multilayer-Materialien – Verbundverpackungen können im Sortier- und Recyclingprozess nicht oder nur schwer voneinander getrennt werden. Die Eigenschaften der verschiedenen Verbundmaterialien sind unterschiedlich (z.B. unterschiedliches Schmelzverhalten), weshalb dies zu Problemen im gemeinsamen Recyclingprozess führen kann. Qualitätseinbußen bei den Rezyklaten wären die Folge.
  • Weniger Farbe ist mehr – Rezyklate aus durchgefärbten und bunten Kunststoffen ergeben beim Recycling immer ein Grau. Die Farbvielfalt wird dadurch erheblich eingeschränkt, denn grau kann maximal mit einer dunklen Farbe überfärbt werden. Rezyklate aus hellen Kunststoffen können für ein breiteres Anwendungsspektrum eingesetzt werden.
  • Rußgefärbtes Schwarz ist nicht schick – Rußbasierte schwarze/dunkle Kunststoffe können von der üblichen Sortiertechnik nicht erkannt werden und gehen damit für ein Recycling verloren. Mittlerweile gibt es jedoch alternative schwarze Farbstoffe, bei denen dieses Problem nicht mehr besteht.
  • Die Dichte entscheidet über den Sortiererfolg – Im Anschluss an die Sortierung in den Sortieranlagen erfolgen weitere Aufbereitungsschritte beim Recycler. Hierzu zählt unter anderem die Ausschleusung von Fremdmaterialien unter Nutzung der unterschiedlichen Dichten, meist in Form der Schwimm-Sink-Trennung, z.B. in Wasser oder einer Lauge. Kunststoffe, die in der Regel leichter als < 1 cm² sind, schwimmen auf, während schwerere Kunststoffe absinken. Wird die Dichte von normalerweise aufschwimmenden Kunststoffen erhöht (z.B. durch die Verwendung von Talkum), sinken diese ab und werden mit den Fremdmaterialien ausgetragen. Damit gehen diese Kunststoffe dem Recycling verloren.
  • Kleine Etiketten, große Wirkung – Etiketten sind eine gute Möglichkeit, auf direkte Bedruckung und Einfärbung des Verpackungsmaterials zu verzichten. Full-Sleeves, also quasi „Ganzkörper-Etiketten“ oder großflächige Etiketten können die Erkennbarkeit des eigentlichen Gutmaterials, also der Flasche unter dem Etikett, negativ beeinträchtigen und damit zu einem Fehlaustrag führen. Das heißt, dass die Flasche für das Recycling verloren ist. Wichtig ist also, dass die Flasche trotz Etikett von der Sortiertechnik erkannt und der richtigen Kunststofffraktion zugeordnet wird.