Recycling

Das Recycling stellt die Kunststoffindustrie vor besondere Herausforderungen, da sowohl die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen als auch die Farbschwankungen problematisch sein können.
Rezyklate müssen dieselben Qualitätsanforderungen erfüllen wie Neuware – trotz erheblicher Schwankungen in der Zusammensetzung des Eingangsmaterials, die zwischen Chargen, Regionen und sogar Jahreszeiten auftreten. Dennoch wird über eine gesamte Charge hinweg eine gleichbleibende Qualität erwartet. Deshalb wird bisher häufig ein Überschuss an Farbmittel zugegeben, um eingefärbte Compounds einheitlich zu halten. Diese Methode ist jedoch ineffizient und verschwenderisch.

Aus diesem Grund arbeitet ColVisTec gemeinsam mit dem SKZ (Süddeutsches Kunststoff-Zentrum) einerseits an einer automatisierten Farbregelung (RecyColor) und andererseits an der Erkennung und Regelung von Fremdpolymeren (RecyQuant).

Um die Eignung des Systems für die Kunststoffindustrie zu zeigen, wurde ein Recyclingprozess im verkleinerten Maßstab nachgebildet: eine Kaskade aus zwei Doppelschneckenextrudern, die über eine Schmelzeleitung miteinander verbunden sind.

• • Der erste Extruder schmilzt das Rezyklat auf.
• • Der zweite Extruder färbt die Polymerschmelze ein.
• • Untersuchung des Einflusses der Partikelgrößenverteilung
• • Am Düsenaustritt jedes Extruders überwacht eine Farbmesssonde die Polymerschmelze in Echtzeit.

Die Sonden sind mit dem InSpectro X2 von ColVisTec verbunden, einem hochauflösenden UV/Vis-Inline-Spektrometer für den 24/7-Betrieb in industrieller Umgebung. Das Spektrometer überwacht zwei Messkanäle gleichzeitig und hält rauen Bedingungen wie Temperaturschwankungen, Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit stand. Die Sonden selbst sind für Schmelzetemperaturen bis 400 °C und Drücke bis 250 bar ausgelegt.

Für die Entwicklung des Regelkreises wurden nicht vorsortierte PP-Mahlgüter verwendet und mit Masterbatch eingefärbt. Der InSpectro X2 hat die Verweilzeitverteilung im Extruder gemessen, indem zu einem genau festgelegten Zeitpunkt und in genau festgelegter Menge ein Tracer-Pigment zugegeben wurde. Die Farbschwankungen innerhalb einer Charge erwiesen sich als erheblich – häufig bis zu 2 Einheiten auf jeder Farbachse. Branchen mit strengeren Farbanforderungen verlangen dagegen unter Umständen Abweichungen von dE* < 1. Um die Farbkonstanz sicherzustellen, wird bei herkömmlichen Methoden übermäßig viel Farbmittel zugegeben, oft über die Sättigungsgrenze hinaus. Werden jedoch die Schwankungen des Grundmaterials gemessen und die Verweilzeit im Extruder bekannt, lässt sich die Farbmitteldosierung dynamisch anpassen: Der Überschuss sinkt, die Einheitlichkeit bleibt erhalten.

Mit einer eigens entwickelten Software legt der Bediener einen Farbzielwert fest; dabei werden Echtzeitdaten vom Düsenaustritt des ersten Extruders genutzt. Auf Basis dieser Messungen wird die Masterbatch-Dosierung dynamisch angepasst, sodass das fertige Rezyklat eine stabile Farbe aufweist.
In einem Versuch wurde PP-Mahlgut abwechselnd in hellen und dunklen Mischungen verarbeitet, die sich in der Helligkeit deutlich unterschieden (L*-Differenz von etwa 12 Einheiten). Das System sollte unabhängig vom Eingangsmaterial einen L*-Zielwert von 62 halten.

• • Zu Beginn wurde helles PP-Compound in Extruder 1 zugeführt.
• • Nach etwa 700 Sekunden wurde auf dunkles PP-Compound umgestellt.
• • Nach 1200 Sekunden wurde wieder auf helles PP-Compound umgestellt.

Ohne automatische Regelung traten sowohl innerhalb der Chargen als auch bei den Übergängen deutliche Helligkeitsschwankungen auf (Abbildung 2, links). Mit dem Regelsystem wurde die Masterbatch-Dosierung dagegen erfolgreich angepasst und über den gesamten Prozess ein stabiler Wert von L* = 62 gehalten (Abbildung 2, rechts). Ein vergleichbarer Versuch für den b*-Farbwert bestätigte die Wirksamkeit des Systems bei schwankendem Eingangsmaterial.

Die automatisierte Inline-Farbregelung wurde bereits erfolgreich für eine Farbachse umgesetzt und lässt sich auf eine Vielzahl von Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung übertragen. Künftig soll das System auf eine vollständige dreidimensionale Farbregelung erweitert werden; dafür sind mehrere Dosiereinheiten und erweiterte Softwarefunktionen erforderlich. Zudem deuten Versuchsdaten darauf hin, dass sich der Aufbau unter bestimmten Bedingungen auf nur einen Messpunkt reduzieren lässt, was Kosten und Effizienz optimiert.
Interessierte Unternehmen sind eingeladen, sich an kostenneutralen Versuchen am SKZ zu beteiligen und die Vorteile selbst zu erleben.

Das Forschungsprojekt RecyQuant hat gezeigt, dass sich der Fremdpolymeranteil in Kunststoffrezyklaten direkt im Produktionsprozess überwachen und regeln lässt. Gemeinsam mit dem Kunststoff-Zentrum SKZ hat die ColVisTec AG eine innovative Lösung entwickelt, die Fremdpolymere zuverlässig erkennt und die Dosierwaagen automatisch nachregelt. Der Ansatz basiert auf der Modellierung photometrischer Daten der Polymerschmelze.

Die Verarbeitung von Kunststoffrezyklaten in der Extrusion ist vor allem wegen der Qualitätsschwankungen anspruchsvoll. Post-Consumer-Rezyklate enthalten häufig Fremdpolymere, die in zu hohen Konzentrationen die Materialeigenschaften verschlechtern und die Produktqualität insgesamt mindern.

Seit 2022 arbeiten das SKZ und die ColVisTec AG an einer Lösung, mit der sich der Fremdpolymeranteil kontinuierlich in Echtzeit messen und regeln lässt. Werden festgelegte Toleranzgrenzen überschritten, passt das System die Dosierung automatisch an, damit die Materialqualität konstant bleibt. Ziel des zweijährigen Projekts war eine marktreife Technologie, die Hard- und Software zu einem umfassenden System für die Inline-Qualitätskontrolle verbindet.

Umfangreiche Versuche haben die Praxistauglichkeit dieses Ansatzes bestätigt. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist ein chemometrisches Modell zur genauen Vorhersage des Fremdpolymeranteils. Konkret wurde die Konzentration von Polyethylen (0–10 Gew.-%) in einer Polypropylen-Matrix sowohl bei Neuware als auch bei Rezyklat untersucht. Durch die Auswahl eines optimierten Wellenlängenbereichs im nahen Infrarot wird eine besonders hohe Vorhersagegenauigkeit erreicht.
Die Funktionsfähigkeit des Systems wurde an einem Demonstrator erfolgreich nachgewiesen. Der entwickelte photometrische Ansatz nutzt Spektroskopie und Modellierung, um Fremdpolymere präzise zu erkennen. Außerdem wurden eine kostengünstige Breitbandsonde für den UV-VIS-NIR-Spektralbereich und eine flexible Softwarelösung zur Prozessregelung entwickelt. Die Software passt die Dosierwaagen automatisch an, sobald festgelegte Grenzwerte überschritten werden.

„Ein wichtiger Meilenstein des Projekts war der erfolgreiche Nachweis der Messgenauigkeit des Systems an realitätsnah eingefärbten Rezyklaten. Das belegt die hohe Empfindlichkeit des Systems, auch bei schwach reflektierenden Materialien“, erklärt Cosima Güttler, Wissenschaftlerin Spektroskopie am SKZ.
Diese Lösung verbessert die Qualitätskontrolle bei der Verarbeitung von Kunststoffrezyklaten deutlich. Weil Qualitätsschwankungen sinken, werden nicht nur die Produktionsprozesse optimiert: Die Lösung trägt auch zu einer nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft und einem effizienteren Ressourceneinsatz bei.