Im Projekt Zirk-Tex des Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE entwickeln Forschende neue Ansätze zur Herstellung von Geokunststoffen und Dachbahnen aus bislang ungenutzten Kunststoffabfällen. Im Fokus stehen Geokunststoffe aus Polypropylen und Polyethylenterephthalat sowie biobasierte Polymerfasern mit einstellbarer Bioabbaubarkeit, die für anspruchsvolle technische Anwendungen ausgelegt sind.
Die beteiligten Institute untersuchen dabei die gesamte Wertschöpfungskette im Pilotmaßstab. Diese reicht von der Sortierung geeigneter Abfallströme über mechanische, chemische und lösungsmittelbasierte Recyclingverfahren bis hin zur Verarbeitung der gewonnenen Materialien zu Fasern, Folien und Vliesen. Ziel ist es, Geokunststoffe zu entwickeln, die industriell einsetzbar sind und zugleich eine verbesserte Klimabilanz gegenüber Neukunststoffen aufweisen.
Geokunststoffe aus Rezyklaten für Dachbahnen
Der Markt für recycelte Kunststoffe wie Polypropylen und Polyethylenterephthalat bietet großes Potenzial für den Einsatz in Geokunststoffen und Dachbahnen. In Europa werden jährlich mehrere hundert Millionen Quadratmeter Dachunterdeckungen verlegt, gleichzeitig steigt der Bedarf an nachhaltigen Materialien. Bislang scheitert der Einsatz von Rezyklaten jedoch häufig an unzureichender Materialqualität, die durch Störstoffe, Fremdpolymere und inhomogene Zusammensetzungen verursacht wird.
Im Projekt Zirk-Tex untersuchten die beteiligten Institute daher systematisch, ob sich aus bislang nicht genutzten Post-Consumer-Abfällen Rezyklate gewinnen lassen, die den hohen Anforderungen dieser Anwendungen genügen. Ausgangspunkt waren reale Abfallströme, deren Zusammensetzung analysiert und deren Eignung für verschiedene Recyclingpfade bewertet wurde. Ziel war es, Rezyklate zu erzeugen, die sich zu Vliesen, Folien und Membranen weiterverarbeiten lassen und damit als Geokunststoffe und Dachbahnen eingesetzt werden können.
Hohe Anforderungen an textile Geokunststoffe
Die Herstellung textiler Geokunststoffe stellt besonders hohe Anforderungen an das eingesetzte Ausgangsmaterial. Während Kunststoffrezyklate vergleichsweise problemlos für Spritzgussbauteile genutzt werden können, reagieren Fadenbildungsprozesse äußerst sensibel auf Verunreinigungen und Materialschwankungen. Für die Extrusion müssen die Rezyklate homogen sein und gleichmäßig durch feinste Kapillaren fließen, bevor die Filamente im weiteren Prozess hohen Zugkräften ausgesetzt werden.
„Das kritische Moment liegt nicht in der Extrusion selbst, sondern in der Prozessstabilität über lange Laufzeiten. Kleinste Fremdpartikel oder Polymeranteile erzeugen lokale Schwachstellen, an denen Filamente bevorzugt reißen“, erläutert Dr. Evgueni Tarkhanov vom Fraunhofer IAP. Solche Filamentabrisse führen dazu, dass Produktionslinien unterbrochen, Filamentbündel neu aufgelegt oder Maschinen abgeschaltet werden müssen. Die Verbesserung der Verarbeitungsstabilität war daher ein zentrales Ziel bei der Entwicklung der Geokunststoffe aus Rezyklaten.
Ganzheitliche Wertschöpfungskette im Pilotmaßstab
Um diese Anforderungen gezielt adressieren zu können, bildete das Projekt Zirk-Tex die komplette Prozesskette für PP und PET im Pilotmaßstab ab. Beginnend mit der Sortierung geeigneter Abfallströme untersuchten die Projektpartner verschiedene Recyclingverfahren und deren Einfluss auf die spätere Verarbeitbarkeit. Die gewonnenen Rezyklate wurden anschließend additiviert, compoundiert und in Formgebungsprozessen zu Vliesen, Folien und Membranen weiterverarbeitet.
„Entscheidend ist, dass wir die einzelnen Prozessschritte nicht isoliert betrachten, sondern ihre Wechselwirkungen kennen. Nur so lässt sich beurteilen, ob ein Rezyklat am Ende tatsächlich spinnfähig und industriell einsetzbar ist“, erklärt Projektleiter Dr. Christian Schütz vom Fraunhofer LBF. Begleitend analysierten die Forschenden Materialverfügbarkeit, Logistik und ökologische Auswirkungen der gesamten Wertschöpfungskette mithilfe von Stoffstromanalysen und Lebenszyklusanalysen.
Innovative Recyclingverfahren für sortenreine Geokunststoffe
Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag auf der Bewertung innovativer Recyclingverfahren. Beim lösungsmittelbasierten Recycling des Fraunhofer IVV wurde Polypropylen aus stark verunreinigten Abfallströmen zurückgewonnen. Der Ausgangsstrom enthielt lediglich 33 Prozent PP, nach der Aufbereitung war Polyethylen mit weniger als zwei Prozent das einzige relevante Fremdpolymer. Die Stabilität des gewonnenen rPP wurde auch bei hohen Verarbeitungstemperaturen nachgewiesen.
Für PET kam ergänzend eine Glykolyse zum Einsatz, bei der das Polymer mithilfe von Ethylenglykol gezielt zu Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat depolymerisiert wurde. Das Zwischenprodukt wurde anschließend repolymerisiert und am Fraunhofer IAP auf einer Pilot-Schmelzspinnanlage zu Multifilamentgarnen verarbeitet. Parallel zeigte sich, dass dieselben PET-Fraktionen auch durch ein lösungsmittelbasiertes Recycling aufbereitet werden können. Rückstände aus beiden Recyclingpfaden wurden durch Pyrolyse weiterverwertet, wobei Pyrolysegase und -öle mit geringen Koksanteilen entstanden.
Bioabbaubare Geokunststoffe aus PLA und PBS
Im zweiten Use Case des Projekts Zirk-Tex untersuchten die Forschenden die Herstellung bioabbaubarer Geokunststoffe aus biobasierten Polymeren. Im Fokus standen Polylactid und Polybutylensuccinat, die für Anwendungen im Landschaftsbau vorgesehen sind, bei denen eine zeitlich begrenzte Nutzung erforderlich ist, etwa zur temporären Stabilisierung von Hängen und Uferböschungen oder beim Anlegen von Baustraßen.
Ausgangspunkt waren PLA- und PBS-Neuware, aus denen Fasern für Geotextilien hergestellt wurden. Um das Abbauverhalten zu untersuchen, lagerten die Projektpartner Fasern aus zwei PBS- und drei PLA-Typen über einen Zeitraum von 25 Wochen in feuchter Erde bei 40 Grad Celsius und 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. Parallel wurden die mechanischen Eigenschaften der Materialien überwacht, um sicherzustellen, dass sie während der Nutzungsphase stabil bleiben.
Durch maßgeschneiderte Additivpakete des Fraunhofer LBF gelang es, Beginn und Verlauf des biologischen Abbaus gezielt zu steuern. Die Additive beschleunigten den Zerfall nach der Nutzungsphase signifikant, ohne die Gebrauchseigenschaften zuvor wesentlich zu beeinträchtigen. Ökotoxikologische Untersuchungen des Fraunhofer IME zeigten keine Hinweise auf besorgniserregende Effekte. „Die Herausforderung bestand darin, den Abbau nicht nur zu ermöglichen, sondern zeitlich steuerbar zu machen. Die Fasern müssen während der Nutzung stabil bleiben und dürfen erst danach gezielt zerfallen“, fasst Schütz die Ergebnisse zusammen.