Nachhaltigkeit in der Elektronik Recycelte Kunststoffe für Elektronikgeräte

Intensivierte Suche nach Alternativen

Dass die Themen Ressourcenschonung, Nachhaltigkeit, Effizienz auch in der Kunststoffforschung schon deutlich Fuß gefasst haben, war auf der weltweit führenden Branchenmesse »K« in Düsseldorf festzustellen. Es ist die weltgrößte Fachmesse der Kunststoff- und Kautschuk-Industrie und durchaus als Zustandsbarometer für die Branche anzusehen. Sie fand im letzten Jahr vom 16. bis 23. Oktober statt.

Beispielsweise präsentierten dort elf Fraunhofer-Institute unter dem Motto »Plastics for Future«, ihre neusten Entwicklungen, mit denen sie die nachhaltige, ressourcenschonende und effiziente Kunststoffverarbeitung technologisch vorantreiben. Dabei spielen neben neuen Eigenschaften der Kunststoffe auch Fragen ihrer Herstellung, Wieder- und Weiterverwendung sowie der Prozessoptimierung eine zentrale Rolle. Einen wichtigen Platz nahmen Methoden ein, die das Recycling von Kunststoffabfällen ökonomischer machen können, zum Beispiel durch Übergang vom Recycling zum Upcycling.

Die Forscher von Fraunhofer sehen eine zeitgemäße Produktion als generelle Herausforderung, um den Ressourcenverbrauch bei hohen Anforderungen an die Funktion des Kunststoffes zu senken. Das steigert nicht nur die Profitabilität beim Einsatz – es ist ein entscheidender Ansatz zur Nachhaltigkeit und damit zur Akzeptanz industrieller Produktion überhaupt.

Polylactid statt Polypropylen

Als ein Beispiel dafür können die biobasierten selbstverstärkten PLA-Verbundwerkstoffe (Polylactid) des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) gesehen werden (Bild 5) [5]. Sie wurden im Rahmen des von der europäischen Forschungsförderung unterstützten Projektes Bio4self entwickelt.

Dabei werden zwei verschiedene PLA-Typen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu einem selbstverstärkten PLA-Verbundwerkstoff (PLA SRPC) so kombiniert, dass das höher schmelzende PLA als verstärkende Faser in der niedriger schmelzenden Matrix eingebettet ist.

Die daraus resultierende Materialsteifigkeit kann mit kommerziell verfügbaren selbstverstärkten Polypropylen-Verbundmaterialien (PP) konkurrieren. Damit lassen sich mechanisch anspruchsvolle Bauteile u. a. für den Automobil- und den Elektro-Haushaltsgerätesektor produzieren.

Diese im industriellen Maßstab herstellbaren PLA-Verbundmaterialien stellen einen Meilenstein in der Entwicklung funktionalisierter, mechanisch hochfester, biobasierter Werkstoffsysteme dar. Zudem leistet die Entwicklung einen signifikanten Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und ist auf Europas größter Fachmesse für Verbundwerkstoffe, JEC 2019, mit dem ersten Preis in der Kategorie Nachhaltigkeit ausgezeichnet worden.

Bio-Polyamid aus Abfall

Ein weiteres Beispiel ist transparentes und hitzestabiles Polyamid – 100 % biobasiert – vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) (Bild 6) [6]. Der Naturstoff 3-Caren fällt als Bestandteil von Terpentinöl bei der Herstellung von Zellstoff aus Holz an. Bislang wird das Nebenprodukt vor allem verbrannt.

Mit neuen katalytischen Verfahren setzen Fraunhofer-Forscher 3-Caren zu Bausteinen für biobasierte Kunststoffe um. Die daraus hergestellten Polyamide sind nicht nur transparent, sondern die mit dem Verfahren hergestellten biobasierten und patentierten Polyamide Caramid-R (amorph) und Caramid-S (teilkristallin) stellen auch Vertreter einer neuen Polyamidklasse mit herausragenden thermischen Eigenschaften dar.

Bio-Carbonfasern

Biobasierte Hochleistungs-Carbonfasern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) sind für den Leichtbau geeignet [7]. Carbonfasern werden in der Regel bisher aus polymeren faserförmigen Vorläufermaterialien hergestellt, den Präkursoren.

Gegenwärtig basieren 95 % der Carbonfasern auf dem Weltmarkt aus erdölbasiertem Polyacrylnitril (PAN) als Präkursor. Am IAP werden Präkursoren aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Ein neuartiger Ofen, der Temperaturen von bis zu 2900 °C erzeugt, ermöglicht es nun, biobasierte Carbonfasern herzustellen, deren Eigenschaften teilweise die von herkömmlichen PAN-basierten Carbonfasern erreichen (Bild 7).

Aus PET-Flaschen werden glasfaserverstärkte Thermoplaste

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) befasst sich mit Upcycling statt Recyling [8]. Dabei sollen neue Verbundwerkstoffe für langlebige technische Anwendungen aus gebrauchten PET-Flaschen (Polyethylenterephthalat) entstehen (Bild 8).

Kurzlebige Kunststoffabfälle, z.B. Verpackungsfolien, verschmutzen die Umwelt. Eine Lösung wäre es, aus kurzlebigen Kunststoffabfällen hochwertige Werkstoffe zu gestalten, die in langlebigen technischen Anwendungen einen neuen Einsatz finden.

Im Forschungsvorhaben »UpcyclePET« entwickelt das Fraunhofer LBF zusammen mit der EASICOMP GmbH, einem Experten für langglasfaserverstärkte Thermoplaste, einen neuen Werkstoff auf Basis gebrauchter Getränkeflaschen aus PET. Potenzielle Zielanwendungen liegen im Bereich von Leichtbau-Teilen, zum Beispiel für den Automobil- und Gehäusebau.

Es ist durchaus denkbar, dass diese vorgestellten Forschungsbeispiele ihren erfolgreichen Weg in die Industrie der Zukunft finden und in wenigen Jahren aus dem betrieblichen Alltag nicht mehr wegzudenken sind.


Literatur

[1] Sliz, S.: Das Problem des WEEE Recyclings sind die schwarzen Kunststoffe. www.plasticker.de, New Media Publisher, 3.5.2019, https://plasticker.de/news/showartikel.php?id=254.

[2] Kinver, M.: Electronic devices 'need to use recycled plastic’. BBC news, 15.10.2019,
www.bbc.com/news/science-environment-50046859.

[3] Welcome to the PolyCE Project: Enabling recycling of plastics from electronic waste. Internetsite PolyCE Projekt, www.polyce-project.eu.

[4] Milner, L.; Brooks, B.: Europe’s plastic recycling drive pits consumer demand against economic realities. S&P Global Platts, 9.10.2019, https://blogs.platts.com/2019/10/09/europe-plastic-recycling-consumer-demand/.

[5] Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Internetsite, www.ict.fraunhofer.de.

[6] Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Internetsite, www.igb.fraunhofer.de.

[7] Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Internetsite, www.iap.fraunhofer.de.

[8] Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Internetsite, www.lbf.fraunhofer.de.

 

Der Autor

Dr.-Ing. Hartmut Poschmann

ist »Vollblutelektroniker«. Er begann sich bereits im Alter von zwölf Jahren aktiv mit Amateurfunk zu befassen, absolvierte 1963 die Berufsausbildung zum Funkmechaniker und studierte von 1963-69 in Sankt Petersburg Hochfrequenz- und Fertigungstechnik. 1986 promovierte er zum Dr.-Ing. über den Einsatz von Gelenkarmrobotern in der Elektronikmontage.

Ergänzend zu seinen verschiedenen Leitungsfunktionen in der Elektronikindustrie befasste er sich seit seinem Studium mit Untersuchungen zu verschiedenen Aspekten der internationalen Markt- und Technikentwicklung in der Elektronikbranche. Bis 2008 war er Technischer Leiter im Fachverband Elektronik-Design e.V. Seitdem ist er freiberuflich als Trendanalytiker und Publizist tätig.

h.poschmann@arcor.de