Einleitung
Mit der steigenden Nachfrage nach nachhaltigen Materialien und zunehmendem gesetzlichem Druck wird die genaue Identifizierung und Quantifizierung des Rezyklatanteils zu einem entscheidenden Faktor für die verlässliche Wiederverwendung und Qualitätssicherung. Mehrschichtverpackungen wie handelsübliche Getränkekartons stellen aufgrund ihres komplexen Aufbaus eine besondere Herausforderung dar – typischerweise kombiniert aus Karton, Polymerfolien (z. B. Polyethylen) und dünnen Aluminiumschichten.
Diese Materialien sind auf Langlebigkeit, Feuchtigkeitsresistenz und Barrierewirkung ausgelegt. Genau diese Vielschichtigkeit erschwert jedoch das Recycling mit herkömmlichen Sortier- und Trenntechnologien erheblich.
In vielen Recyclingströmen ist die Trennung dieser Komponenten unvollständig, was zu Restgemischen aus organischen und anorganischen Phasen führt. Die genaue Kenntnis der Zusammensetzung solcher Rezyklate ist entscheidend, um ihre Wiederverwendbarkeit zu beurteilen, die richtigen Aufbereitungsschritte einzuleiten und regulatorischen Anforderungen an den Rezyklatanteil gerecht zu werden – insbesondere bei Anwendungen mit Lebensmittelkontakt oder zur Erfüllung von Zielen der Kreislaufwirtschaft.
Simultane Thermische Analyse
Thermoanalytische Methoden, insbesondere die Simultane Thermoanalyse (STA), liefern wertvolle Einblicke in diese heterogenen Materialien. Durch die Kombination von Thermogravimetrischer Analyse (TGA) und Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) in ein und derselben Messung ermöglicht die STA sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen zur Rezyklatzusammensetzung – einschließlich Wasser, Polymere, Papierfasern, Kohlenstoffrückstände, Füllstoffe und sogar Metalle wie Aluminium.
Auch wenn STA aufgrund kleiner Probenmengen und höherer Gerätekomplexität weniger für die Routineprüfung im Hochdurchsatz geeignet ist, leistet sie einen entscheidenden Beitrag in Forschung, Entwicklung und Schadensanalyse. Für komplexe Multilayer-Materialien wie Getränkekartons hilft sie, einzelne Materialkomponenten zu identifizieren, Herstellerangaben zu überprüfen und das thermische Verhalten von Rezyklaten unter realitätsnahen Bedingungen zu bewerten.
Somit ist STA besonders wertvoll für:
- Recycler, die neue Trenn- oder Reinigungsmethoden entwickeln,
- Compoundeure, die das Verhalten recycelter Mischungen untersuchen,
- Materialwissenschaftler, die sich mit Verunreinigungen oder Qualitätsstreuungen befassen.
Durch ihre Fähigkeit zur quantitativen Bestimmung der Materialzusammensetzung unterstützt die STA fundierte Entscheidungen bei Produktentwicklung, Lieferantenauswahl oder regulatorischer Dokumentation – insbesondere dann, wenn herkömmliche Verfahren bei komplexen oder stark gefüllten Systemen an ihre Grenzen stoßen.
Messbedingungen, Ergebnisse und Diskussion
Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Abbildung 1 zeigt die TG-DSC-Ergebnisse eines Getränkekartons aus laminiertem Verbundmaterial. Die Probe wurde bis 850 °C unter inerten Bedingungen und anschließend bis 1000 °C unter oxidierenden Bedingungen erhitzt. Unter Stickstoffatmosphäre traten vier Massenverluststufen auf: 4,2 %, 50,2 %, 23,1 % und 3,7 %, mit entsprechenden DTG-Peaks bei 86 °C, 365 °C, 479 °C und 691 °C. Die dem AschegehaltAsche ist ein Maß für den Mineraloxidgehalt basierend auf dem Gewicht. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) in oxidativer Atmosphäre ist eine bewährte Methode zur Bestimmung des anorganischen Rückstands, allgemein als Asche bezeichnet, in organischen Materialien wie Polymere, Kautschuke usw. Mittels TG-Messung lässt sich charakterisieren, ob ein Material gefüllt ist, und der gesamte Füllstoffgehalt kann berechnet werden.Aschegehalt entsprechende Restmasse betrug 7,95 %.
Tabelle 1: Messbedingungen
| Gerät | STA Jupiter® |
|---|---|
| Ofen | Rhodium |
| Probenträger | TG-DSC ,Typ S |
| Tiegel | Pt mit gelochtem Deckel |
| Temperaturprogramm | RT - 850 °C, 10 K/min, Stickstoff; anschließend 850 - 1000 °C, 10 K/min Luft |
| Probeneinwaage | 10,24 mg |
Die Massenverluste gingen mit endothermen Effekten einher. Die Details der DSC-Kurve sind in Abbildung 2 dargestellt.
Der erste Massenverlust (86 °C) ist wahrscheinlich auf die VerdampfungVerdampfung beschreibt die Phasenumwandlung eines Stoffes von der flüssigen in die gasförmige Phase. Beim Verdampfen eines Stoffes unterscheidet man grundsätzlich zwei Formen, Sieden und Verdunstung.Verdampfung von Feuchtigkeit zurückzuführen. Die zweite Stufe entspricht der thermischen Zersetzung des Papieranteils. Die dritte Stufe (400 bis 500 °C) resultiert aus der Zersetzung der Polymerkomponenten. Der Massenverlust bei 691 °C deutet auf die Zersetzung eines carbonathaltigen Füllstoffs hin. Unter oxidierender Atmosphäre wurde ein weiterer Massenverlust von 10,7 % beobachtet – verursacht durch die Verbrennung von Restkohlenstoff, der entweder durch Pyrolyse entstand oder als Füllstoff enthalten war.
Im Anschluss wurde eine Massenzunahme von 0,25 % beobachtet, die vermutlich auf die OxidationOxidation kann im Zusammenhang mit thermischer Analyse verschiedene Vorgänge bezeichnen.Oxidation der metallischen Bestandteile zurückgeht.
Für eine detaillierte Auswertung der DSC-Signale zeigt Abbildung 2 einen vergrößerten Ausschnitt. Die vier Massenverluste unter Stickstoffbedingungen gingen einher mit endothermen Effekten bei 82 °C, 365 °C, 480 °C und 696 °C. Zusätzlich traten Effekte bei 111 °C und 131 °C auf, die auf das Schmelzen der Polymerbestandteile hinweisen. Die kombinierte Enthalpie für Wasserverdampfung und Polymer-Schmelze betrug 164 J/g.
Ein weiterer endothermer Effekt wurde bei 656 °C mit extrapoliertem Onset bei 651 °C detektiert. Der Vergleich mit Literaturwerten zeigt eine hohe Übereinstimmung mit dem Schmelzverhalten von Reinaluminium (rosa Kurve in Abbildungen 1 und 2).
Die in Getränkekartons eingesetzten Aluminiumlegierungen (z. B. AA 1145 oder AA 1235) enthalten typischer- weise 99,35 % bis 99,45 % Aluminium und weisen einen Soliduspunkt bei ca. 643 °C (Onset) und einen Liquiduspunkt bei 657 °C auf.
Zusammenfassung
Diese Untersuchung zeigt, wie die Simultane Thermoanalyse (STA) effektiv zur Charakterisierung und Quantifizierung der einzelnen Komponenten komplexer Multilayer-Rezyklate – wie z. B. Getränkekartons – eingesetzt werden kann. Die Kombination von TGA und DSC ermöglicht die Identifizierung von:
- Wassergehalt (Feuchte in der Papierfraktion)
- Cellulose- bzw. Papieranteil (thermische Zersetzung)
- Polymeranteil (Schmelzen und Zersetzung)
- Anorganische Füllstoffe (Carbonatabbau)
- Aluminiumfolien (Schmelzpunktbestimmung)
Insbesondere die Detektion des Aluminiums über sein charakteristisches Schmelzverhalten verdeutlicht die analytische Stärke der STA im Recyclingkontext.
Für die Recyclingbranche ergeben sich daraus klare Vorteile:
- Genaue Bestimmung der Materialzusammensetzung
- Unterstützung bei Trenn-, Reinigungs- und Wiederverwendungsschritten
- Verbesserte Qualitätskontrolle von Rezyklatströmen
- Grundlage für Produktentwicklung mit recycelten Multilayer-Materialien
Die STA ist somit ein leistungsstarkes Werkzeug, um komplexe Abfallströme in wertvolle, charakterisierte Rohstoffe zu verwandeln und dabei die Ziele der Kreislaufwirtschaft mit wissenschaftlicher Präzision zu unterstützen.
Wenn keine Komponenten mit hohen Schmelzpunkten – wie Aluminium – enthalten sind, können solche Analysen alternativ auch mit einem TGA mit c-DTA®®-Signal oder bei reinen Polymerfraktionen nur mittels DSC durchgeführt werden.