Additive sind Hauptmittel zur Geruchsminderung bei neuen Kunststoffteilen

In allen Stufen der Kunststoffherstellung und -verarbeitung können Maßnahmen zur Geruchsreduzierung hergestellter Formteile vorgenommen werden. Dennoch ist häufig der Zusatz von Additiven...

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In allen Stufen der Kunststoffherstellung und -verarbeitung können Maßnahmen zur Geruchsreduzierung hergestellter Formteile vorgenommen werden. Dennoch ist häufig der Zusatz von Additiven erforderlich, um eine deutliche Reduzierung zu erzielen. Diese Zusatzstoffe müssen jedoch für jeden Kunststoff entwickelt werden, wodurch deren Anzahl unüberschaubar und deren Beurteilung aufwendig ist. Gerüche sind Signale. Sie beeinflussen das menschliche Wohlbefinden in starkem Maße. Die kritische Einstellung der Öffentlichkeit zu Umwelteinflüssen hat auch die Welt der Gerüche erfasst. Die Frage nach der Herkunft von Gerüchen und nach deren Bedeutung für die Gesundheit wird gestellt und zwingt nicht nur die Kunststoffindustrie zur Reaktion.So sind die Kunststoff- und die AutomobiIindustrie bemüht, auf diese Tendenzen der Verbraucher zu reagieren. Die Autohersteller wollen möglichst geruchsneutrale Neuwagen ausliefern und haben die Zulieferindustrie unter Zugzwang gebracht. Das Institut für Werkstofftechnik, Kunststoff- und Recyclingtechnik der Universität-Gesamthochschule Kassel hat sich frühzeitig mit der Problematik der zahlenmäßigen Geruchserfassung und mit Versuchen zur Beseitigung von unerwünschten Gerüchen befasst [1].Olfaktometrische Messungen an Kunststoffrezyklaten waren auch die Grundlage von vergleichenden Untersuchungen, mittels Zusätzen, Additiven und anderen Möglichkeiten geruchsneutrale Kunststoffe herzustellen. Auch im Hinblick auf das im Institut behandelte Arbeitsgebiet der holz- und naturfaserverstärkten Kunststoffe sind Messungen der Geruchsintensität der neuen Compounds von Bedeutung.Firmen, die heute das Know-how und die Erfahrung beim Beseitigen von Gerüchen mitbringen, sind gefragt und werden täglich konsultiert. Aber der Weg zur Geruchsneutralität von Kunststoffen ist schwierig und geeignete Zusätze können immer nur maßgeschneidert in langen Versuchsketten ermittelt werden. Trotzdem wurden erstaunliche Ergebnisse erzielt, auch mit Kunststoffrezyklaten aus dem gelben Sack, die als besonders geruchsintensiv gelten und bisher nicht überall und schon gar nicht im Auto verwendet wurden. Dabei muss nochmals betont werden, dass jede Versuchsreihe mit aufwendigen Messungen der Geruchseigenschaften verbunden ist und dass natürlich die Eigenschaften der Kunststoffe am Ende ebenfalls den vorgegeben Spezifikationen entsprechen müssen.Größte Praxisrelevanz hat nach wie vor die menschliche Nase. Die Olfaktometrie, das zur Zeit wichtigste Messverfahren, arbeitet humansensorisch unter Einsatz von ausgewählten Prüfpersonen. In der Kunststoffindustrie wird auch zunehmend die Olfaktometrie angewandt. Dagegen ist sie in der Lebensmittel- und Agrarwirtschaft schon längere Zeit akzeptiert. Laut VDI-Richtlinie 3881 ist die Olfaktometrie die kontrollierte Darbietung von Geruchsträgern und die Erfassung der dadurch beim Menschen hervorgerufenen Sinnesempfindung [2].Bei der Bewertung von geruchsmindernden Maßnahmen bei Kunststoffrezyklaten, Neuware und gefüllten Kunststoffen sowie bei Compounds mit Naturfasern wird eine Bestimmung der Geruchsschwelle vorgenommen. Er ist bei dem Wert definiert, bei dem von 50% der Prüfer (Probanden) ein Geruch wahrgenommen wird. Der Wert wird in Geruchseinheiten (GE/m3) ausgedrückt.Bei feuchtwarmen Klima werden Automobilteile getestetDie Automobilindustrie entwickelte eigene Vorstellungen und Messmethoden, mit denen das Geruchsverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen (23 bis 80 °C) gemessen wird (VDA 270). Dabei wird durch Wasseranwesenheit während der Einwirkungs- oder Lagerzeit ein feuchtwarmes Klima erzeugt (Tabelle 1). Nach Beendigung der definierten Einwirkungszeit erfolgt die Bewertung des Geruchs durch mindestens drei Prüfer. Die Bewertungsskala umfasst sechs Stufen - von 1 nicht wahrnehmbar bis 6 unerträglich (Tabelle 2).Vergleichende Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung von VDA 270 und VDI 3881 [3]. Als Nachteil von VDA 270 wird ein gewisser Gewöhnungseffekt beschrieben, der bei VDI 3881 vermieden werden kann. Im Gegensatz zur menschlichen Nase können die elektronischen ,,Nasen" nicht selektiv auf geruchsaktive Substanzen reagieren, weil sie alle flüchtigen Substanzen erfassen, die mit dem Sensorsystem in Wechselwirkung treten. Deshalb sind elektronische Messsysteme zurzeit noch nicht in der Lage, humansensorischen Methoden zu ersetzen. Die im Einsatz befindlichen elektronischen Systeme zur Messung flüchtiger Substanzen lassen sich in vier Haupttypen eingliedern [3]: in Semiconductor-Metal-Oxide (MOS), Conducting-Polymere (CP), Quart-Crystal-Microbalance (QMB) und Massenspektroskopie (MS).Maßnahmen zur Geruchsminderung können in allen Verarbeitungsstufen - von der Synthese eines Kunststoffs bis zum hergestellten Fertigteil durchgeführt werden (Bild 1). Beginnend mit der Rohstoffauswahl und den Synthesebedingungen spielen die Verarbeitungsparameter sowie die Zusätze und Füllstoffe eine signifikante Rolle für die Geruchseigenschaften von Kunststoffprodukten [4]. Obwohl diese Kenntnis zur Produktverbesserung genutzt wird, muss häufig durch Zusatz von Additiven nachgeholfen werden.Es lässt sich leicht nachvollziehen, dass bei Kunststoffrezyklaten eine noch intensivere Geruchsbehandlung notwendig ist. Der Grund dafür liegt in der großen Anzahl flüchtiger Substanzen, die in den Kunststoff ,,eingewandert" sind. Hierzu ein Beispiel: Beim Recycling von PE-LD aus Verpackungsmaterial wurden flüchtige Substanzen in ihrer Gesamtheit als Geruchsträger ermittelt. Dabei hat man über 100 signifikante flüchtige Bestandteile gefunden. Dagegen waren es in Neuware bei gleicher Messmethode nur wenige.Gerüche können bereits durch Reste an Monomeren verursacht werden. Dazu kommen Oxidationsprodukte, Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren. Zersetzungsprodukte von Füllstoffen und Additiven bei der Verarbeitung können als Schwefeldioxid, Sulfite, Stearinsäureester oder als Amine/Diamine auftreten. Weiterhin bilden sich Hydrolyseprodukte wie Terephthalsäure oder Adipinsäure aus bestimmten Stoffen. Bei der Geruchsbekämpfung von Kunststoffen und Kunststoffrezyklaten muss also gegen eine enorme Vielfalt von potentiellen Geruchserzeugern vorgegangen werden.Zeolithe und Aktivkohle wirken geruchsminderndSubstanzen, die in der Lage sind, Werkstoffeigenschaften in die gewünschte Richtung hin zu beeinflussen, werden als Additive bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen Funktions-, Verstärkungs- und Füllstoffen. Die Typenvielfalt der Kunststoffe und deren vielseitige Verwendung führte zu einer nicht mehr überschaubaren Menge an Additiven, die häufig zum Know-how der Produzenten gerechnet und nicht veröffentlicht werden. Die gleiche Situation gilt für Additive, die Geruchseigenschaften beeinflussen.Die bereits 1993 in Kassel an Rezyklaten durchgeführten Arbeiten mit Füllstoffen, die gleichzeitig als Geruchsadsorbens eingestuft wurden, hatten das Ziel, den Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften in Relation zu den Ausgangswerkstoffen zu ermitteln. Hierbei zeigten Zeolithe, Aktivkohle und Anthrazit eine positive Wirkung, ohne jedoch den Geruch vollständig zu beseitigen. Anwendungen, bei denen ein Restgeruch nicht stört, konnten vorgeschlagen werden, wobei allerdings in der praktischen Anwendung auch der Preis für die entsprechenden Additive zu berücksichtigen ist. In Bild 2 ist der Einfluss von Zeolithzusatz bei ABS aufgezeigt, wobei eine signifikante Geruchsminderung deutlich wird [1 und 4].Spezifische Anpassung der Additive an den WerkstoffAlle am Markt erhältlichen Kunststoffadditive müssen heutzutage den jeweils vorliegenden Werkstoffen und deren spezifischem Geruchsstoffspektrum angepasst und optimiert werden. Es bietet sich an, mit Spezialisten und Firmen, die sich auf die Geruchsproblematik ,,eingeschossen" haben, zu kooperieren. In der Verarbeitungskette Rezyklierer-Compoundierer-Kunststoffverarbeiter-Markt ist der Geruchsspezialist in Zukunft in allen Verarbeitungsstufen beteiligt. So ist mit der wachsenden Anzahl an Aufträgen aus der Entsorgungswirtschaft, insbesondere im Bereich Kunststoffrecycling, das Problem der Schadstoff- und Geruchsemission zunehmend in den Vordergrund gerückt, so dass sich die H. G. Schrader GmbH, Darmstadt, auf die Lösung dieses Problemfelds spezialisierte. Schwerpunkt heutiger Tätigkeiten sind die Neutralisation und Minderung von Geruchs- und Schadstoffen. Er teilt sich in drei Geschäftsfelder auf: Entwicklung von Filtersystemen für die Prozesstechnik, Entwicklung und Lieferung von Neutralisationskomponenten für die Entsorgungswirtschaft sowie Entwicklung und Herstellung von Wirkstoffadditiven für die Kunststoffverarbeitung.Die Produkte, deren Wirkstoff-Findung über die kombinatorische Synthese erfolgt, werden in Zusammenarbeit mit Hochschulinstituten labortechnisch entwickelt, im Kundentechnikum getestet und nach der Freigabe von zertifizierten Vertragsunternehmen hergestellt. Aufgrund der Entwicklungsarbeiten ist man zur Erkenntnis gelangt, dass es für die große Vielfalt der verarbeiteten Kunststoffe kein universell funktionales Wirkstoffadditiv gibt. Daher ist es notwendig, in Zusammenarbeit mit den Kunden für jedes Anwenderproblem ein entsprechendes Additiv zur Geruchsminderung oder Geruchsneutralisation zu erarbeiten.Synthese-Verfahren erleichtert Wirkstoff-FindungTabelle 3 enthält Kunststoffe (Rohstoffe, Regranulate, Rezyklate und Compounds), für die bis zum heutigen Zeitpunkt geruchsmindernde Problemlösungen erarbeitet wurden. Weiterhin sind darin polymere Werkstoffe vermerkt, für die man zurzeit entsprechende Additive entwickelt.Zur Herstellung und Modifizierung geruchsmindernder Additive wurde unter anderem auch die Wirkstoff-Findung mit kombinatorischer Synthese angewandt. Die Verwendung von Wirkstoffadditven führt zu folgenden Ergebnissen: Qualitätsvorteil durch Geruchsminderung und Schadstoffbindung, Prozessvorteil infolge einfachen Zudosierens und Kostenvorteil durch geringen Additivverbrauch.Anhand eines Anwendungsfalls lässt sich am einfachsten die Geruchsminderung mit Hilfe von Wirkstoffadditiven beispielsweise bei einem EVA-Compound erläutern. So ist es innerhalb von 25 Entwicklungsschritten gelungen, den polymeren Werkstoff in der Bewertungsskala nach VDA 270 von der Note 5 (stark störend) auf die Note 2 (wahrnehmbar, nicht störend) zu verbessern.In Anbetracht der Tatsache, dass bisher nur ein Teilbereich der Geruchsminderung von Kunststoffen abgedeckt ist, wird ständig an weiteren Formulierungen und Verbesserungen bei den kombinatorischen Wirkstoffansätzen gearbeitet. So entwickelt die H. G. Schrader GmbH zurzeit einen Detektor, um die gesundheitliche Belastung der menschlichen Nase bei der Durchführung von Geruchsbeurteilungen so weit wie möglich zu verringern und die Beurteilungsqualität zu sichern. Hierbei werden zunächst in einer umfangreichen Vorbewertungsphase die Messungen und Beurteilungen mit einer elektronischen ,,Nase" im Handyformat vorgenommen. Nach dieser Vorbeurteilung und bei entsprechend positivem Ergebnis kann dann die Endbeurteilung mit der menschlichen Nase vorgenommen werden.Literatur[1]KessIer, A.: Geruchsminderung an Rezyklaten aus Polyolefinabfällen. Diplomarbeit Institut für Werkstofftechnik, Fachgebiet Kunststoff- und Recyclingtechnik, Universität-GH Kassel 1994.[2]Richtlinie VDI 3811, Blatt 1 bis 3: Olfaktometrie, Geruchsschwellenbestimmung - Grundlagen, Probenahme, Verdünnung nach dem Gasstrahlprinzip. Mai 1986.[3]Nitz, S.: Elektronische Nasen - eine neue Technik der Geruchserfassung. Workshop ,,Geruchsbewertung und -minderung von Kunststoffen" in Kassel, 27. März 2000. Institut für Werkstofftechnik, Kunststoff- und Recyclingtechnik der Universtität-Gesamthochschule Kassel.[4]Lieser, J.: Maßnahmen zur Geruchsbewertung und -minderung von Kunststoffen. Workshop ,,Geruchsbewertung und -minderung von Kunststoffen" in Kassel, 27 März. Institut für Werkstofftechnik, Kunststoff- und Recyclingtechnik der Universtiät-Gesamthochschule Kassel.