Projekt 37879/01

Nachhaltige Substitution erdölbasierter Polymere für Flächendrainagesysteme unter Einhaltung für die Außenanwendung erforderlicher Eigenschaften

Projektdurchführung

FILK Freiberg Institute gGmbH
Meißner Ring 1 - 5
09599 Freiberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens war die Evaluierung eines Alternativmaterials für Flächendrainagen mit reduziertem CO2-Fußabdruck, welches die notwendigen anwendungstechnischen Eigenschaften besitzt, über die industriell verwendeten Verfahren Extrusion/ Tiefziehen zum Produkt verarbeitet werden kann und die Option zum werkstofflichen Recycling bietet. Dadurch sollte ein Beitrag zum klimaneutralen Bauen im Bereich der Flächendrainagen geleistet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenÜber eine Marktrecherche wurden ein biobasiertes und biologisch abbaubares Polymer, zwei biobasierte Drop-in Kunststoffe und ein aus Verpackungsabfällen gewonnenes Rezyklat für die Materialevaluierung ausgewählt. Über die Extrusion konnten Folien aus den Materialien in drei verschiedenen Dicken hergestellt und diese über Tiefziehen zu Musterteilen ausgeformt werden. Mittels Zugversuches und Dynamisch- Mechanischer Analyse erfolgte die Charakterisierung des Deformationsverhaltens unter Zug sowie der viskoelastischen Eigenschaften an den Folien. Des Weiteren wurde deren Beständigkeit gegenüber Kälte und Wärme sowie Wasser untersucht. Die tiefgezogenen Teile wurden hinsichtlich der Abformgenauigkeit und Homogenität der Wanddicken bewertet. Zur Untersuchung der Recyclingfähigkeit der bei der Herstellung entstandenen Materialabfälle erfolgte eine siebenfache Verarbeitung des Granulates und die anschließende Charakterisierung der Eigenschaftsveränderungen über den Schmelzindex, die Glas-, Schmelz- und Rekristallisationstemperatur, die Dynamisch-Mechanische Analyse, den Zugversuch, das Flächengewicht und die Tiefziehfähigkeit. Zum Nachweis der Nachhaltigkeit wurde mittels Cradle–to– Gate-Ansatz der CO2-Fußabdruck der Alternativmaterialien ermittelt und verglichen.


Ergebnisse und Diskussion

Für die Einsatzbedingungen und Einsatzdauer der Flächendrainagen ist das biobasierte und biologisch abbaubare Polymer aufgrund der Gefahr des hydrolytischen Abbaus und der eingeschränkten Recyclingfähigkeit generell nicht geeignet. Das biobasierte Drop-in Material High Density Polyethylen (HDPE) konnte als das Material mit dem höchsten Potential für die Substitution ermittelt werden. Ausschlaggebend waren hier das Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten im Temperaturbereich von -20 °C bis +80 °C, die gute Detaillierung der Abformung und Homogenität der Wanddicken beim Tiefziehen sowie die Möglichkeit des werkstofflichen Recyclings mit dem höchsten Anteil an Rezyklat. Des Weiteren ist ein Feintuning der Eigenschaften über Füllstoffe und Additive möglich. Der CO2-Fußabdruck der heute eingesetzten Drainagen kann durch die Verwendung des HDPE von 1,65 kg/m² auf -0,49 kg/m² CO2–Äquivalente reduziert werden. Die Durchführung einer vollständigen Lebenszyklusanalyse mit einem Cradle–to–Grave-Ansatz und der Untersuchung weiterer Auswirkungen auf die Umwelt wie Wasserverbrauch, Landnutzung, Versauerung oder Eutrophierung ist empfehlenswert. Hinsichtlich der Durchsetzung einer biobasierten Drainage auf dem Markt ist der aktuelle Granulatpreis des HDPE eindeutig als Hindernis einzustufen. Kurzfristige ökonomisch sowie ökologisch sinnvoll Maßnahmen wie die Verbesserung der Energieeffizienz von Extrusion/ Tiefziehen, die Wiederverwendung der Materialabfälle aus der Herstellung und der Einsatz von käuflich erworbenem Rezyklat könnten aber ergriffen und so die Nachhaltigkeit auch der heutigen Flächendrainagen signifikant verbessert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zur Verbreitung der Projektergebnisse werden die Ergebnisse auf der Website und im Jahresbericht 2023 der Forschungseinrichtung veröffentlicht. Außerdem ist ein Vortrag auf einer Fachkonferenz (25. Fachtagung Fortschritte in der Kunststofftechnik, Juni 2024, Osnabrück), die Vorstellung auf einer Fachmesse (GaLaBau 2024) und die Präsentation im industriegetragenen Förderverein der Forschungseinrichtung (September 2024) vorgesehen.


Fazit

Die nachhaltige Substitution der bei den Flächendrainagen zurzeit eingesetzten erdölbasierten Polymere durch auf dem Markt vorhandene biobasierte Kunststoffe - bewertet am CO2-Fußabdruck - ist möglich. Bei den in diesem Projekt untersuchten Materialien zeigte ein biobasiertes High Density Polyethylen das größte Potential. Eine weitere Optimierung der anwendungstechnischen Eigenschaften über biobasierte Füllstoffe und Additive ist zu empfehlen. Allerdings ist der um Faktor vier höhere Granulatpreis das Haupthindernis bei der Marktakzeptanz einer biobasierten Drainage. Nichtsdestotrotz kann bereits jetzt unabhängig von einer Materialsubstitution der CO2-Fußabdruck der Flächendrainagen über die Verbesserung der Energie- und Materialeffizienz sowie den Einsatz von auf dem Markt erhältlichen, qualitativ hochwertigen Rezyklaten reduziert werden.