Auswirkung der Festkörperpolymerisation auf die Faserstrukturentwicklung beim Schmelzspinnen von mechanisch recyceltem PET

Aus Flaschenabfall werden zähe neue Fasern

Kunststoffgetränkeflaschen sind allgegenwärtig und bestehen meist aus PET, einem vielseitigen, aber hartnäckigen Material, das in der Natur nicht zerfällt. Ein Großteil dieses Kunststoffs landet auf Deponien oder in der Umwelt. Diese Studie untersucht, ob alte PET‑Flaschen nach einfacher mechanischer Aufbereitung zu starken, zuverlässigen Industriefasern aufgewertet werden können – wie sie in Sicherheitsgurten, Geotextilien und technischen Geweben verwendet werden – sodass aus gestern noch einer Flasche morgen ein belastbares Garn werden kann.

Warum recyceltes PET meist nicht ausreicht

Bei der mechanischen Aufbereitung von PET‑Flaschen werden sie gesammelt, gereinigt, zu Flocken zerkleinert und wieder eingeschmolzen zu neuen Pellets. Dieses Verfahren ist günstiger und einfacher als chemisches Recycling, aber die Hitze und Feuchtigkeit schädigen die langen PET‑Ketten und schneiden sie in kürzere Stücke. Diese Schädigung senkt eine wichtige Messgröße, die intrinsische Viskosität, die als Indikator für die Molekularmasse und damit letztlich für die Festigkeit dient. Folglich ist gewöhnliches mechanisch recyceltes PET (mr‑PET) meist gut für niederwertige Anwendungen geeignet, hat jedoch Probleme, die strengen Anforderungen an Festigkeit und Dauerhaftigkeit für Industriefasern zu erfüllen.

Polymerkettenerweiterung durch behutsame Wärme

Um die verkürzten Ketten zu reparieren, verwendeten die Forschenden ein Verfahren namens Festkörperpolymerisation (SSP). Statt den Kunststoff zu schmelzen, erhitzten sie PET‑Pellets auf Temperaturen oberhalb des Glasübergangs, aber unterhalb des Schmelzpunkts, und hielten sie mehrere Stunden in einem rotierenden Vakuumreaktor. Unter diesen Bedingungen verbinden sich die Enden der Polymerketten langsam wieder und die Kettenlänge steigt, ohne die starken Zerstörungen, die bei vollständigem Schmelzprozess auftreten können. Das Team testete verschiedene Temperaturen (220, 230 und 240 °C) und Zeiten (6, 12 und 18 Stunden) für sowohl Jungmaterial (v‑PET) als auch mr‑PET. Anschließend bestimmten sie das Schmelzflussverhalten, die Viskosität von Lösungen und die Änderung der Molekularmasse, um nachzuvollziehen, wie gut die Ketten wieder aufgebaut wurden.

Den Sweet Spot fürs Recycling finden

Die Analysen zeigten, dass sowohl die Kettenlänge als auch die Kristallinität – also wie ordentlich sich die Polymerstruktur ausbildet – mit steigender SSP‑Temperatur und längerer Behandlungszeit zunahmen. Längere und heißere Behandlungen bedeuten jedoch auch höheren Energieverbrauch und langsamere Produktion. Die Forschenden identifizierten 230 °C für 6 Stunden als praktischen Kompromiss: Bei dieser Bedingung erreichte mr‑PET eine intrinsische Viskosität von etwa 1,1 dL/g, ein Niveau, das häufig für hochfeste Industriefasern angestrebt wird, und hielt die Prozesszeit im Rahmen. Unter diesen Einstellungen entsprach die durchschnittliche Molekularmasse des recycelten PET weitgehend der des gleichbehandelten Jungmaterials, obwohl das recycelte Material noch Spuren von Verunreinigungen aus seinem früheren Flaschenleben enthielt.

Schnelles Spinnen zum Aufbau der Struktur

Im nächsten Schritt schmolz das Team sowohl die behandelten als auch unbehandelten PET‑Pellets und presste sie durch feine Düsen zu Filamenten, die mit hoher Geschwindigkeit abgezogen wurden – ein Verfahren, das als Schmelzspinnen bekannt ist. Durch Variation der Abzugsgeschwindigkeit von 1000 bis 4000 Metern pro Minute konnten sie steuern, wie stark die geschmolzenen Fäden beim Abkühlen gedehnt wurden. Mithilfe thermischer Analysen und Röntgenbeugung fanden sie heraus, dass höhere Spinngeschwindigkeiten die Ausrichtung der PET‑Ketten und deren Kristallisation entlang der Faserachse förderten, was wiederum Schmelzpunkt und innere Ordnung der Fasern erhöhte. Interessanterweise zeigten Fasern aus SSP‑behandeltem PET bereits bei geringeren Geschwindigkeiten deutlich ausgeprägte Kristallstrukturen als unbehandeltes PET, was bedeutet, dass die reparierten, längeren Ketten leichter bereit waren, sich beim Spinnen zu geordneten, starken Bereichen zusammenzufinden.

Festigkeit, die mit Neuware konkurriert

Mechanische Tests der resultierenden Filamente bestätigten die strukturellen Befunde. Mit steigender Spinngeschwindigkeit wurden alle Fasern stärker (höhere Tenazität), dehnten sich jedoch weniger vor dem Bruch – ein Kennzeichen stärker orientierten, kristallinen Materials. Nach SSP zeigten sowohl Jung‑ als auch recyceltes PET insgesamt bessere Leistungen. Auffällig war, dass mr‑PET, das bei 230 °C für 6 Stunden SSP unterzogen wurde und anschließend bei 3000 m/min geschmolzen gesponnen wurde, eine Tenazität erreichte, die praktisch mit der von gleich behandeltem v‑PET übereinstimmte, bei etwa 4,4 Gramm pro Denier. Anders gesagt: Trotz Vorgeschichte aus Gebrauch, Sammlung und Nachverarbeitung ließ sich das recycelte Material so entwickeln, dass es in puncto Festigkeit mit „neuem“ PET für industrielle Garne mithalten konnte.

Was das für Alltagsprodukte bedeutet

Für Nicht‑Fachleute ist die Botschaft klar: Mit sorgfältig abgestimmter Wärmbehandlung und Spinnbedingungen können Kunststoffflaschen in leistungsfähige Fasern für anspruchsvolle industrielle Einsätze verwandelt werden, nicht nur in minderwertige Produkte. Durch SSP, das die Polymerketten wieder aufbaut, und die Optimierung der Spinngeschwindigkeit, die deren Ausrichtung fördert, zeigt diese Studie, dass mechanisch recyceltes PET seine üblichen Schwächen überwinden und Seite an Seite mit Neuware bestehen kann. Das eröffnet Möglichkeiten für eine kreislauforientiertere Nutzung von PET, bei der strapazierfähige technische Textilien – etwa für Fahrzeugteile, Baugewebe und starke Seile – aus denselben Flaschen hergestellt werden können, die wir zuvor in die Recyclingtonne geworfen haben.

Zitation: Kim, H., Bae, J.H., Hahm, WG. et al. Effect of solid-state polymerization on fiber structure development in melt spinning of mechanical recycled PET. Sci Rep 16, 6752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36850-2

Schlüsselwörter: recycelte PET-Fasern, Festkörperpolymerisation, Schmelzspinnen, Recycling von Plastikflaschen, industrielles Polyestergarn