Upcycling für 3D-Druck: Was ausrangierten Kunststoffen einen Mehrwert verleiht

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Mit einem neuartigen Upcycling-Verfahren lassen sich Kunststoffabfälle reduzieren und die CO2-Emissionen verringern.

• Forschende des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein Verfahren für das Upcycling entwickelt, das ausrangierten Kunststoffen einen Mehrwert für die Wiederverwendung in der additiven Fertigung verleiht.

• Die leicht adaptierbare, skalierbare Methode stellt eine Strategie für einen geschlossenen Kreislauf dar.

• Somit lassen sich Kunststoffabfälle reduzieren und die mit der Kunststoffproduktion verbundenen Kohlenstoffemissionen verringern.

Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnisse beschreiben das einfache Verfahren zum Upcycling eines handelsüblichen Kunststoffs in ein robusteres Material, das mit industriellen 3D-Druckverfahren kompatibel ist.

Das Team am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) veredelte Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Dieser beliebte thermoplastische Kunststoff ist in Alltagsgegenständen von Autoteilen über Tennisbälle bis hin zu Lego-Steinen zu finden. ABS ist ein beliebtes Ausgangsmaterial für die Fused Filament Fabrication (FFF), eines der am weitesten verbreiteten Verfahren für den 3D-Druck. Die im Upcycling gewonnene Version zeichnet sich durch höhere Festigkeit, Zähigkeit sowie chemische Beständigkeit aus. Das macht sie für FFF attraktiv. Somit ergeben sich neue und leistungsfähigere Anwendungen, die mit Standard-ABS nicht realisierbar sind.

Upcycling von Kunststoffen

Das Upcycling von Kunststoffen spielt eine wichtige Rolle bei der Bewältigung der wachsenden Herausforderung einer weltweiten Anhäufung von Kunststoffabfällen. Denn jedes Jahr fallen etwa 400 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle an, die größtenteils als Einwegartikel auf Mülldeponien oder in der Umwelt landen. Weltweit werden weniger als 10 Prozent der Kunststoffabfälle recycelt.

"Wir brauchen grundlegende Entdeckungen, um die Herausforderungen der steigenden Kosten und der sich verschlechternden Materialeigenschaften im Zusammenhang mit dem Recycling zu bewältigen", sagte der Hauptautor Tomonori Saito von der ORNL-Abteilung für chemische Wissenschaften. "Unser Ziel war es, eine leicht umsetzbare Strategie zu entwickeln, bei der Kunststoffabfälle wiederverwendet werden, um ein wertvolleres Material zu schaffen, anstatt neues Plastik zu erzeugen."

Das Team entschied sich für die additive Fertigung, die ressourceneffizienter ist als die konventionelle Fertigung. Mit ihr lassen sich nützliche und komplexe 3D-Strukturen herstellen, die andererseits durch Formen oder Gießen nur schwer zu realisieren wären. Mit einem Anteil von fast 70 Prozent am Weltmarkt macht die FFF den größten Teil dieser Branche aus.

Möglichkeiten der additiven Fertigung erweitern

"Die Entwicklung neuer, recycelbarer Materialien mit überlegenen Eigenschaften für den FFF-Druck bietet die Möglichkeit, die Kunststoffproduktion maßgeblich zu beeinflussen und die Möglichkeiten der additiven Fertigung zu erweitern, die das Potenzial haben, unseren ökologischen Fußabdruck zu verringern", so Sungjin Kim vom ORNL.

Für den FFF-Druck werden Materialien benötigt, die durch eine erhitzte Düse extrudiert oder gedrückt werden können. Somit entstehen Schicht für Schicht die 3D-Strukturen, ähnlich wie beim Aufwickeln eines Seils. Als thermoplastisches Material, das auf Wärme reagiert, eignet sich ABS gut für dieses Verfahren. Denn es kann leicht fließen und schnell zu starken, starren Strukturen aushärten. Die Art und Weise, wie sich die Fäden stapeln und miteinander verbinden, weist jedoch inhärente Schwächen auf. Die Entwicklung neuer Ausgangsmaterialien mit besseren Eigenschaften könnte Hochleistungsanwendungen für die FFF vorantreiben, aber diese waren bisher schwer zu entwickeln.

Umwandlung von ABS zum Vitrimer

Das Team wandte die "Klick"-Chemie an, um die chemische Zusammensetzung von ABS in ein Vitrimer umzuwandeln, eine Art von Polymer, das die Verarbeitbarkeit und Wiederverwertbarkeit von Thermoplasten mit den überlegenen mechanisch-chemischen Eigenschaften von Duroplasten wie Epoxid kombiniert, die normalerweise nicht mit FFF kompatibel sind. Bei der Synthese kommen weithin verfügbare Verbindungen zum Einsatz, die in einem einzigen Schritt schonend gemischt und anschließend durch Wärme gehärtet werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass upgecyceltes ABS eine etwa doppelt so hohe Zähigkeit und Festigkeit wie Standard-ABS erreicht und zudem eine verbesserte Lösungsmittelbeständigkeit aufweist.

Druckfest und lösungsmittelbeständig

Die Forscher demonstrierten die ausgezeichnete Druckfestigkeit des Materials mit komplizierten 3D-gedruckten geometrischen Strukturen, die Käferflügeln nachempfunden sind. "Die Lösungsmittelbeständigkeit hat einen zusätzlichen Nutzen, denn sie ermöglicht es uns, das modifizierte ABS leicht von gemischten, unsortierten Kunststoffabfällen zu trennen, die in Recyclingszenarien häufig vorkommen", so Saito.

Das Team löste gemischte Kunststoffabfälle in verschiedenen Lösungsmitteln auf, und in jedem Experiment behielt das upgecycelte ABS seine Struktur bei, während sich alle anderen Kunststoffe einschließlich ABS vollständig auflösten.

Mit minimalem Eigenschaftsverlust immer wieder für FFF verwendbar

"Der Ansatz ist extrem vielseitig", so Kim. "Wiedergewonnenes upgecyceltes ABS lässt sich immer wieder für FFF mit minimalem Eigenschaftsverlust verwenden. Man kann es auch mit gemischtem und Standard-ABS kombinieren und direkt als Blend drucken."

Das Mehrwegekonzept ermöglicht sowohl das Recycling als auch das Upcycling von gemischten ABS-Abfällen, die eine beliebige Kombination von Standard-, Upcycling- oder Misch-ABS enthalten. Alle sind mit FFF kompatibel und müssen vor dem erneuten Bedrucken nicht getrennt werden. Aber die Trennung lässt sich leicht vornehmen, um eine Auswahl an nützlichen Materialien für eine breite Palette von Fertigungsanwendungen anzubieten.

Herstellung von Kunststoffartikeln: Geschlossener Kreislauf mittels Upcycling

"Dieser Versuch zeigt einen geschlossenen Kreislauf für die Herstellung von Kunststoffartikeln mit potenziell höherem Wert und höherer Leistung, wobei nur vorhandene Kunststoffabfälle in einem der zugänglichsten Bereiche der additiven Fertigung verwendet werden", so Saito.

Der Zeitschriftenartikel ist unter dem Titel "Closed-loop Additive Manufacturing of Upcycled Commodity Plastic through Dynamic Crosslinking" veröffentlicht.

Die Arbeit wurde vom Laboratory Directed Research and Development Program des ORNL und dem Office of Science unterstützt.

Bild: Eine Strategie des Oak Ridge National Laboratory für upgecycelte Kunststoffabfälle bietet bedruckbare, leistungsstarke Materialien, die die additive Fertigung voranbringen. Kredit: Genevieve Martin/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Weitere Informationen: https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abn6006

Oak Ridge National Laboratory: https://www.ornl.gov/

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