Polycarbonat ist vor allem wegen seiner Widerstandsfähigkeit ein vielfältig genutzter Kunststoff in der Industrie, aber auch im Bauwesen. Da das Material transparent ist, wird es auch gerne als bruchsicherer Glasersatz eingesetzt. Das Recycling der Kunststoffabfälle stößt bislang aber noch an Grenzen. Fraunhofer-Forschende und das Chemieunternehmen Covestro entwickeln daher aktuell eine neue Methode, die künftig höhere Recyclat-Qualitäten ermöglichen soll.
Im industriellen Maßstab wurde der Kunststoff Polycarbonat Ende der 1950er-Jahre von der Bayer AG in den Markt eingeführt (Markenname: „Makrolon“). Das heutige Einsatzspektrum ist äußerst vielseitig und reicht von Motorradhelmen und Flugzeugfenstern über CDs, Koffer und Smartphone-Rückseiten bis hin zu Brillengläsern und Solarmodulen. Im Gebäudebereich wird das Polymer zum Beispiel für transparente und zugleich bruch- und hagelsichere Fassaden-, Wand-und Dachelemente verwendet.
Chemisches Recycling per Pyrolyse
Bei Polycarbonat (PC) verbinden sich ein geringes Gewicht mit hoher Schlagfestigkeit, Steifigkeit, Säure- und Temperaturbeständigkeit. Der in reiner Form transparente und farblose Qualitätskunststoff lässt sich natürlich auch einfärben. Das langlebige Material ist zwar entflammbar, die Flamme erlischt allerdings nach Entfernen der Zündquelle. Pures PC ist im Übrigen nicht besonders UV-beständig und abriebfest. Allerdings werden diese Nachteile in der Praxis – wo nötig – durch entsprechende Schutzbeschichtungen ausgeglichen.
Wie die Anwendungsbeispiele zeigen, wird das Polymer häufig für Bereiche eingesetzt, in denen Transparenz und hohe Widerstandsfähigkeit zugleich gefragt sind. Natürlich kann man Polycarbonat auch recyceln. Das Recyclat ist dann aber nicht mehr für alle vorherigen Qualitätsanwendungen wiederverwendbar, da beim bisherigen mechanischen Recyclingverfahren ein „Downcycling“ stattfindet.
Im Forschungsprojekt „PC2Chem“ arbeitet das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (Fraunhofer IKTS) derzeit allerdings gemeinsam mit dem Chemieunternehmen Covestro Deutschland an einem neuartigen „chemischen Recycling“, das zu hochwertigeren Recycling-Kunststoffen führen soll. Dieses Verfahren beruht auf der so genannten katalytischen Pyrolyse, bei der ein kontrolliertes Erhitzen unter Sauerstoffausschluss stattfindet. Derart behandelt, zerfallen PC-Abfälle in ihre Bestandteile. Den Forschenden ist es dabei gelungen, die Ausgangstoffe der Polycarbonate in hoher Qualität zurückzugewinnen.
„Mit dem katalytischen Pyrolyse-Verfahren gewinnen wir aus unterschiedlichen PC-haltigen Abfällen wieder Rohstoffe für die Polycarbonat-Produktion“, freut sich Dr. Stefanie Eiden vom Projektpartner Covestro. Durch das chemische Recycling lassen sich bis zu 60 % der ursprünglichen Bestandteile wiedergewinnen. Die im Rahmen des PC2Chem-Projekts entwickelte Methode hat bereits die Phase der ersten Laborversuche verlassen und wird derzeit im Technikum-Maßstab erprobt.
Industrietauglicher Drehrohrofen
„Ziel war, Polycarbonat-haltige Kunststoffe so zu recyceln, dass hochwertige Moleküle wiedergewonnen und als Rohstoffe in den Produktionskreislauf der Industrie zurückgeführt werden können“, sagt Dr. Jörg Kleeberg, Wissenschaftler am Standort Freiberg des Fraunhofer IKTS. Zum Hintergrund: Polycarbonate bestehen aus Polymeren, einer Kombination miteinander verbundener Molekülgruppen – den Monomeren. Werden die Polymere in der Pyrolyse thermischer Belastung ausgesetzt, brechen die Bindungen der Monomere wieder auf.
Für die Pyrolyse nutzt das Fraunhofer-Team einen Drehrohrofen, der aufgrund seines robusten Aufbaus und seiner Größe auch größere Mengen verarbeiten kann. In der aktuellen Testphase liefert Covestro PC-Abfälle in Granulat-Form, die im Ofen erhitzt werden. Dabei entsteht zunächst ein Pyrolysegas, aus dem in einer Kondensationsanlage eine ölige Flüssigkeit abgeschieden wird. Aus diesem Pyrolyse-Öl gewinnt Covestro dann in einem zusätzlichen Aufarbeitungsprozess wichtige Grundchemikalien wie zum Beispiel Styrol oder Phenol, die ansonsten in Raffinerien aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden müssen.
Die Aufspaltung der Kunststoffe im Drehrohrofen ist in der Praxis ein hochkomplexer Prozess, der eine exakte Einstellung von Faktoren wie Temperatur, Druckverhältnisse sowie Aufheiz- und Abkühlzeit voraussetzt und die Beigabe von Hilfs- und Zusatzstoffen erfordert. „Wenn die Reaktionsprodukte aus der Pyrolyse im Drehrohrofen zu langsam abkühlen, werden die chemischen Prozesse nicht gestoppt, und die aufgespaltenen Moleküle bilden wieder neue Verbindungen“, erläutert Jörg Kleeberg. „Erst wenn alle Parameter korrekt eingestellt und aufeinander abgestimmt sind, entsteht die gewünschte hohe Ausbeute an Zielprodukten. Wir haben deshalb zahlreiche Testreihen durchgeführt.“
Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft
„Die Pyrolyse soll die herkömmlichen Verfahren nicht ersetzen, sie ist vielmehr eine ideale Ergänzung, wenn es darum geht, aus Plastikresten neue Kunststoffe in hoher Qualität zurückzugewinnen“, betont Prof. Martin Gräbner. Für den Abteilungsleiter Energie- und Verfahrenstechnik am Freiberger Fraunhofer IKTS ist das Verfahren ein großer Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft in den kunststoffverarbeitenden Industriebranchen.
Ein großer Schritt auch deshalb, weil die Pyrolyse nicht auf den Kunststoff Polycarbonat beschränkt bleiben soll. „Wir sind in der Lage, das Pyrolyse-Verfahren auch auf andere Kunststoffe und Stoffgemische anzupassen“, fasst Jörg Kleeberg schon mal den nächsten Schritt ins Auge. „Industriekunden können mit ihrem Recycling-Problem zu uns kommen, wir entwickeln dann eine maßgeschneiderte Lösung.“
