Polyester Recycling
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<strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong><br />
Neueste Trends bei Entwicklung und Technologie<br />
Dr. Ulrich K. Thiele, <strong>Polyester</strong> Technology, Bruchköbel<br />
18. Seminar “Kunststoffrecycling in Sachsen “<br />
04. Mai 2010, Leibnitz Institut für Polymerforschung Dresden e. V.<br />
COPY RIGHTS PROPRIATORY TO: Dr. Thiele <strong>Polyester</strong> Technology; FOR INTERNAL USE ONLY<br />
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Inhalt<br />
1. Einführung<br />
2. Marktentwicklung Welt, Europa, Deutschland<br />
3. PET‐Flaschenrecycling<br />
3.1 Sammlung<br />
3.2 Aufarbeitung zu PET‐Flakes und Re‐Granulat<br />
3.3 Verarbeitung<br />
3.4 Qualität und Qualitätskontrolle<br />
4. Entwicklung der Prozessstufen<br />
5. Entwicklung der Verarbeitungsverfahren<br />
6. Faser / Textilrecycling<br />
7. Ausblick<br />
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Dr. Thiele <strong>Polyester</strong> Technology – Consulting Service seit 1999<br />
E‐Mail Dr. Ulrich K. Thiele: drthiele@polyester‐technology.com Tel.:+496181‐73651<br />
Geschäftsfelder:<br />
Forschung & Entwicklung ‐ Unterstützung in <strong>Polyester</strong> Chemie und Technologie<br />
Management Consulting und Coaching, Seminare<br />
Technischer Experte in Patentstreitigkeiten, Reklamationen und Patentunterstützung<br />
Unterstützung in <strong>Polyester</strong> Chemie<br />
Vertriebsunterstützung<br />
Konferenzorganisation – <strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong> Forum ‐ PRF<br />
Veröffentlichungen und Patente:<br />
Über 55 Patente im Bereich <strong>Polyester</strong> und Polyamide, neue Anmeldungen laufen<br />
Zahlreiche Vorträge auf internationalen Konferenzen und Publikationen (s. www.ce‐pip.com)<br />
Buch: „<strong>Polyester</strong> Producing Plants“, Verlag Moderne Industrie, 1996,<br />
ISBN 3‐478‐93148‐7<br />
Buch ”<strong>Polyester</strong> Bottle Resins, Production, Processing, Properties and <strong>Recycling</strong>”<br />
PETplanet Publisher GmbH, 2007 Heidelberg, Germany, ISBN: 978‐3‐9807497‐4‐9<br />
Neue Internet Plattform in 01.01.2008 eröffnet:<br />
Chemical Engineering – <strong>Polyester</strong> Information Plattform; URL: www.ce‐pip.com<br />
Mehr Informationen und Kontakt unter www.polyester‐technology.com<br />
CONSULT<br />
<strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong> Forum<br />
Juli 2005 Bangkok<br />
Oktober 2006 Sao Paulo<br />
Oktober 2006 Washington<br />
September 2007 Hangzhou<br />
Februar 2008 Moskau<br />
September 2008 Shanghai<br />
Oktober 2008 Oeynhausen<br />
September 2009 Shanghai<br />
September 2010 Hangzhou<br />
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1. Einführung<br />
Um den derzeitigen Umfang des <strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong>s im Weltmaßstab zu verdeutlichen, stelle ich an den<br />
Anfang<br />
der Betrachtungen die Entwicklung des Weltmarktes.<br />
Heute in 2010 hat das Marktvolumen an <strong>Polyester</strong>‐Rezyklaten allein auf der Basis gesammelter PET‐Flaschen<br />
mittlerweile die 5 Millionen Tonnen/Jahr‐Grenze sicher überschritten. Um dieses Marktvolumen in Relation<br />
zu setzen, vergleicht man am besten mit den Marktvolumina von Neuware bei Kunststoffen wie<br />
Polyamid 6 ~ 5 Mio t/a<br />
Polyamid 66 ~ 2,5 Mio t/a<br />
Polycarbonat ~ 5 Mio t/a<br />
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Das bedeutet: das Marktvolumen von <strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong> erreicht heute bereits das Niveau der bekanntesten<br />
Technischen Kunststoffe. Dabei sprechen wir ausschließlich vom <strong>Recycling</strong> gebrauchter Getränkeflaschen.<br />
Das zum größten Teil interne <strong>Recycling</strong> bei der Herstellung von <strong>Polyester</strong>fasern ist dabei nicht berücksichtigt,<br />
zumal dazu auch nur sehr spärliches Zahlenmaterial vorliegt.<br />
Auch die in den letzten Jahren zunehmenden Aktivitäten im chemischen Faserrecycling (Teijin) sind darin nicht<br />
enthalten, wobei die Mengen im Vergleich zum Flaschenrecycling noch vernachlässigbar gering sind.<br />
Als Hinweis dazu: In 2008 wurden etwa 20 Mio t/a <strong>Polyester</strong>‐Flaschengranulate weltweit hergestellt, wovon<br />
etwa 5 Mio t/a in <strong>Recycling</strong>verfahren wiederverwendet werden. Das entspricht einer <strong>Recycling</strong>quote von etwa<br />
25%.<br />
Demgegenüber werden von den 30 Mio t/a <strong>Polyester</strong>textilien bisher nur etwa 30 000 t mittels chemischen<br />
Faserrecyclings aufgearbeitet, was einer % <strong>Recycling</strong>quote von gerade mal 0,1 entspricht.<br />
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2. Marktentwicklung Welt, Europa<br />
Globale Trends in PET Flaschen‐<strong>Recycling</strong> und Verarbeitung<br />
Die präsentierten Zahlen, die von verlässlichen Marktforschungsstudien stammen,<br />
beziehen sich auf das Jahr 2008.<br />
Weltmarkt: Flaschensammlung 2008 (Abb.1)<br />
(Quelle PCI)<br />
Von den 22,2% Europa = 1,08 Mio t/a<br />
entfallen auf Deutschland etwa 180 000 t/a<br />
bei einer derzeitigen Aufarbeitungs‐<br />
kapazität von etwa 240 000 t/a, d.h.<br />
z.Z. wird lediglich eine Auslastung von<br />
etwa 75% erreicht.<br />
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davon 1,1 Mio t/a Import<br />
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Weltmarkt: Sammelrate in 2008<br />
(Abb. 2)<br />
(Quelle PCI)<br />
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Weltmarkt: Trend der<br />
Sammelrate bis 2018<br />
(Abb. 3)<br />
(Quelle PCI)<br />
Sammelrate 2010 etwa 28%<br />
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3. PET‐Flaschenrecycling<br />
3.1 Sammlung<br />
~ Weltweit sehr unterschiedliche Sammelsysteme und Vorschriften<br />
~ Führende Sammelnationen sind China, Japan und die Schweiz (1,8 R/Flasche, PRS sammelt), sehr<br />
unterschiedliche Triebkräfte und Sammellogistik<br />
~ unübersichtliche Lage in Deutschland durch Pfandbestimmungen, Mehrwegflaschen und<br />
Importlizenzen auf Einwegflaschen ohne Pfand, Preis der Sammelware als Triebkraft der<br />
Marktentwicklung<br />
~ Viele Supermärkte nutzen mittlerweile hochmoderne Rücknahmeautomaten (z. B. von Tomra), die<br />
mittels Materialerkennung eine Trennung am Anfallort gewährleisten<br />
3.2 Aufarbeitung zu PET‐Flakes und Re‐Granulat<br />
~ Heute gibt es eine Vielzahl konkurrierender Aufarbeitungsverfahren und Verfahrensanbieter<br />
~ Prinzipiell zu unterscheiden Herstellung von<br />
Flakes amorph / feucht � diverse Anbieter<br />
Flakes kristallin / trocken � URRC<br />
Feingut kristallin / trocken � Phoenix<br />
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Zusammenstellung<br />
wichtiger Anlagen‐ und<br />
Technologielieferanten<br />
(Tabelle 1)<br />
Firma Land Internet<br />
Sorema ‐ Plastic <strong>Recycling</strong><br />
Systems<br />
Italy www.sorema.it<br />
Amut SpA Italy www.amut.it<br />
Herbold Meckesheim<br />
GmbH<br />
Germany www.herbold.com<br />
Sikoplast GmbH Germany www.sikoplast.de<br />
Krones AG Germany www.krones.de<br />
Hunkler Systeme Germany www.hunkeler‐systems.com<br />
Retech <strong>Recycling</strong> Sweden www.redoma.com<br />
OCI GmbH – Navarini Switzerland www.navarini.com<br />
Zhangjiagang Xinke<br />
Machinery Co., Ltd.<br />
China http://xinkeplas.fuzing.com<br />
RRT Design &<br />
Construction<br />
USA www.rrtenviro.com<br />
PPS Recovery Systems Ltd USA www.pps‐ltd.com<br />
Polymer Recovery<br />
Systems, Inc<br />
United Resource Recovery<br />
Corp.<br />
Phoenix Technologies<br />
International Ltd<br />
USA www.prsi.com<br />
USA www.urrc.net<br />
USA www.phoenixtechnologies.net<br />
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PET Ballen<br />
Ballenöffnung<br />
Tenside/Soda/Säure<br />
Waschen<br />
Schwimm-Sink-<br />
Trennung<br />
Beispiel einer PET Flaschen-Waschanlage<br />
(Quelle Coca Cola, Abb. 5)<br />
Heiße Vorwäsche<br />
Verschlüsse, PE, PP Etiketten<br />
Etiketten/Papier<br />
Dampf-Spülung Automatische oder<br />
manuelle Sortierung<br />
Staub, Feinanteile<br />
Andere Polymere<br />
Nassmühle<br />
Spül-Kessel<br />
(einer oder<br />
mehrere) Trocknung und Windsichtung Misch- Lagersilo<br />
silo<br />
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PET FLAKES<br />
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PET Ballen<br />
Ballenöffnung<br />
Trocknung und Windsichtung<br />
Automatische Sortierung<br />
Besonders wichtig für die Effizienz der Flake‐Herstellung und Flake‐Qualität sind die integrierten Sortieranlagen<br />
Flaschensortierung<br />
Flakesortierung<br />
Firma Land Internet<br />
S&S, Se-So-Tec GmbH Germany www.se-so-tec.com<br />
Satake USA Inc USA www.satake-usa.com<br />
NRT National Recovery<br />
Technologies<br />
USA www.nrtsorters.com<br />
MSS Inc USA www.magsep.com<br />
Hamos GmbH Germany http://hamos.com<br />
TiTech / Tomra Group Norway www.titech.com<br />
PST, Pellenc Selective<br />
Technologies<br />
USA www.pellencst.com<br />
Mogensen GmbH& Co.<br />
KG<br />
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Germany www.mogensen.de<br />
Sensorsystems GmbH Germany www.unisensor.de<br />
Shanghai Machine<br />
Sorting Technology<br />
(MST) Co., Ltd<br />
China www.shmst.com
Trocknung und Windsichtung<br />
Automatische Sortierung<br />
Beispiel einer Flake‐Sortieranlage von der Firma Unisort GmbH<br />
Flakesortierung<br />
POWERSORT 200<br />
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Mischsilo<br />
Lagersilo<br />
Nassmühle<br />
PET FLAKES<br />
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Automatische Sortierung<br />
Beispiel einer Flake‐Sortieranlage von der Firma Unisort GmbH<br />
POWERSORT 200, einige technische Details<br />
Wirkprinzip: Laserspektroskopie hoher Geschwindigkeit<br />
‐Aufteilung des Flake‐Stroms in Teilströme<br />
‐Laserlicht Scanning<br />
‐Analyse des emmitierten Laserlichtes<br />
‐Fremdstofferkennung über hinterlegten Spektren‐Atlas<br />
‐Trennung der als Fremdkörper erkannten Flakes mittels Pressluft<br />
‐Bis zu 1.000.000 Messungen pro Sekunde<br />
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3.3 Verarbeitung<br />
Verarbeitung und Endprodukte, im Durchschnitt des Weltmarktes in 2008 (Quelle PCI)<br />
(Abb. 6)<br />
Sammlung Sortierung<br />
Abfall<br />
4,9 Mio t/a<br />
PET Flaschen<br />
Prozessverluste<br />
0,9 Mio t/a<br />
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Im Markt verfügbare<br />
PET‐Flakes<br />
4,0 Mio t/a<br />
Produktsplit sehr unterschiedlich von Land zu Land,<br />
in China z.B. 80% Fasern und 20% andere Anwendungen<br />
Fasern<br />
2,8 Mio t/a<br />
Verpackungs‐<br />
bänder<br />
0,2 Mio t/a<br />
Folie/Film für<br />
Tiefziehen<br />
0,4 Mio t/a<br />
Flaschen durch<br />
Streckblasen<br />
0,5 Mio t/a<br />
B2B Prozess<br />
Andere<br />
Einsatzgebiete<br />
0,1 Mio t/a<br />
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Verarbeitung und Endprodukte, Triebkräfte<br />
Fasern<br />
2,8 Mio t/a<br />
Verpackungs‐<br />
bänder<br />
0,2 Mio t/a<br />
Folie/Film für<br />
Tiefziehen<br />
0,4 Mio t/a<br />
Flaschen durch<br />
Streckblasen<br />
0,5 Mio t/a<br />
B2B Prozess<br />
Andere<br />
Einsatzgebiete<br />
0,1 Mio t/a<br />
Hauptsächlich Senkung Rohstoffkosten, heute zunehmend Marketing‐<br />
vorteile durch Umweltfreundlichkeit der Textilien, Folge ist z. B.<br />
Änderung der Anwendungsstruktur von PET Flasche zum R‐PET Textil<br />
Senkung der Rohstoffkosten ohne Beeinträchtigung der Qualität der<br />
Endprodukte<br />
Senkung der Rohstoffkosten<br />
Getränkehersteller wie Coca Cola oder Pepsi Cola zwingen den PET‐<br />
oder Flaschenhersteller zu einer bestimmten <strong>Recycling</strong>rate, Triebkraft<br />
ist das Getränkemarketing, Coke USA 10% R‐PET, Coke EU 25% R‐PET in<br />
2010, Pepsi 10% USA, Wal‐Mart 5% Verpackung in 2013<br />
Senkung der Rohstoffkosten, in vielen Fällen versucht der PET‐<br />
Verarbeiter dem Markt nicht über Regenerat‐Anteil zu informieren, z. T.<br />
negativer Marketingeffekt erwartet<br />
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3.4 Qualität und Qualitätskontrolle<br />
Typische Qualitätskennwerte für transparente und farblose Flaschen-Flakes zur Verarbeitung<br />
zu Stapelfaser<br />
Schüttdichte > 350 kg/m³<br />
Feuchte < 1 %<br />
Flake-Größe < 10 mm<br />
Metalle < 5 ppm<br />
Papier, Holz, Glas < 20 ppm<br />
Polyolefine < 10 ppm<br />
Andere Verunreinigungen < 25 ppm<br />
Farbige Flakes < 500 ppm<br />
PVC < 5 ppm<br />
Weitere problematische Verunreinigungen: PLA oder PLA-Gemische wie z. B. Ecoflex, PA6,<br />
andere Polyamide wie MXD6<br />
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3.4 Qualität und Qualitätskontrolle (Tabelle 1)<br />
Methode Method / Standard<br />
Dichte DIN ISO 1183<br />
Feuchte (Karl Fischer) DIN 53715/ DIN EN ISO 15512<br />
Oberflächenfeuchte DIN 53723 / DIN EN ISO 585<br />
Aschegehalt<br />
Thermische Analyse mittels DSC<br />
DIN EN ISO 60 / DIN EN ISO 1172<br />
DSC-Tg<br />
DSC-Tc<br />
DIN 53765 / DIN EN ISO 11357 / IEC 006<br />
DSC-Tm<br />
Farbe / Farbort mittels<br />
DIN 5033<br />
Spektrophotometer<br />
einschließlich<br />
Probenvorbereitung<br />
Mikroskopische Inspektion MAKSC internal methods<br />
Probenvorbereitung<br />
einschließlich Bildbeurteilung<br />
Kofler Heizbankmikroskop<br />
Analyse der Flakegröße DIN 66165<br />
Qualitative/quantitative<br />
PA MAKSC M1-M3<br />
Verunreinigungen wie<br />
PVC<br />
Polyolefin<br />
Papier / Zellulose<br />
Flotierbare Feinanteile<br />
IR Spektroskopie DIN 53728 pat 3<br />
Schüttdichte DIN 53466<br />
Staubgehalt DIN 53477<br />
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4. Entwicklung der Prozessstufen<br />
Traditionell: Sammeln / Sortieren<br />
Waschen / Aufarbeiten / Entwässern � PET‐Flakes<br />
Kristallisieren der Flakes<br />
Trocknen der Flakes<br />
Extrudieren und Re‐Granulieren<br />
Kristallisieren Re‐Granulat<br />
Trocknen Re‐Granulat<br />
Extrudieren / Verarbeiten zu Endprodukten Faser, Film, Flasche, Formteil, sonstiges<br />
heute: Sammeln / Sortieren<br />
Waschen / Aufarbeiten / Entwässern<br />
Extrudieren unter Vakuum bei gleichzeitiger Entgasung / Entwässerung /<br />
Schmelzetrocknung<br />
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Zur Realisierung der Direktverarbeitung sind effiziente Vakuumentgasungs‐Extruder erforderlich<br />
Mögliche Maschinentypen:<br />
Einschneckenextruder mit einer<br />
oder mehreren Vakuumentgasungen –z. B. Erema – Effizienz mäßig<br />
Doppelschneckenextruder mit einer<br />
oder mehreren Vakuumentgasungen – z. B. Coperion, Berstorff, gute Effizienz<br />
Ringextruder mit Vakuumentgasung ‐ z. B. 3+ Extricom, gute Effizienz, analog<br />
Doppelschnecke<br />
Multirotationssystem ‐ z. B. Gneuß Kunststofftechnik, hohe<br />
Effizienz<br />
Bei allen Systemen ist das richtige Design der Vakuumanlagen ausschlaggebend für den Erfolg.<br />
Weiteres Problem ist die effiziente und leicht handhabbare Abscheidung der anfallenden Oligomeren<br />
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Die bisher neueste Entwicklung am Markt für Entgasungsextruder ist das Multirotationssystem (MRS) von<br />
der Firma Gneuß Kunststofftechnik GmbH, das bei geringer Scherung eine hohe<br />
Oberflächenerneuerungsrate und eine zum Schneckendurchmesser große Entgasungsöffnung aufweist.<br />
Diese Technik erlaubt bereits bei moderaten Vakuum im Bereich von 10 –20 mbar umgebungsfeuchte PET‐<br />
Flakes ohne wesentlichen hydrolytischen Abbau zu extrudieren.<br />
Eine kurze Animation gibt etwas Einblick in das Verfahrensprinzip des MRS:<br />
mrs.wmv<br />
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5. Entwicklung der Verarbeitungsverfahren<br />
~ Bis auf wenige Ausnahmen werden heute alle <strong>Polyester</strong>‐Produkte auch auf der Basis von Rezyklaten<br />
hergestellt<br />
~ Folgende Produkte sind derzeitig noch problematisch:<br />
‐ Reifencord, z. Z. nur von Teijin auf Basis von chemischem <strong>Recycling</strong> (hochreine Rezyklate)<br />
mechanische Rezyklate: zu hoher Schmutzanteil, Co‐Monomere<br />
‐ Optische und technische Filme, dünne Filme biaxial orientiert: zu hoher Schmutzanteil, Co‐<br />
Monomere<br />
‐ Verpackungsbänder höchster Festigkeit: Co‐Monomere<br />
‐ Monofilamente: hohe Festigkeit und Hydrolysestabilität<br />
‐ POY und DTY: nur in sehr begrenztem Umfang, problematisch sind Spinn‐ und Texturierfähigkeit<br />
‐ FDY: hohe Spinngeschwindigkeit, durch Verschmutzung zu viele Fadenbrüche<br />
‐ PET Flaschen mit 100% Rezyklat: nur für geringer wertige Anwendungen<br />
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6. Faser / Textil‐<strong>Recycling</strong><br />
~ Heute vor allem Inhaus‐<strong>Recycling</strong> bei den Faser‐ und Garnherstellern, realisiert über mechanische<br />
Aufarbeitung, nur Zwischenprodukt‐<strong>Recycling</strong> kein echtes Textil‐<strong>Recycling</strong><br />
~ Textil‐<strong>Recycling</strong> muss in der gesamten Wertschöpfungskette organisiert werden, vom Textildesign<br />
(monopolymere Textilien) bis zu Rücknahmesystemen<br />
~ Erste ernst zu nehmende Projekte von Teijjn in Kooperation mit großen Textilherstellern in China<br />
(Yizheng), Großbritannien (Marine‐Ausrüstungen) und Südamerika (Patagonie‐Projekt)<br />
~ Es müssen geschlossene Stoffkreisläufe etabliert werden (Credle to Credle oder C2C)<br />
~ Wegen feinster Verteilung der Fremdstoffe (Textilfaser, Schweißrückstände, Staub) nur chemisches<br />
<strong>Recycling</strong> über z. B. Druck‐Methanolyse � DMT und Hydrolyse des DMT � PTA<br />
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7. Ausblick<br />
~ Die <strong>Polyester</strong> <strong>Recycling</strong> Industrie (Basis PET‐Flasche) wird weltweit weiter kräftig wachsen. Im<br />
Vergleich zum Wachstum bei Neuware mit 4 –8 %/a sind Wachstumsraten von 5 –15 %/a realistisch.<br />
Die heute durchschnittliche Sammelrate von 25% bietet ein gutes Potential.<br />
~ Erfolgreiches PET‐<strong>Recycling</strong> wird zunehmend vertikal integriert sein.<br />
~ Der wirtschaftliche Erfolg neuer Anlagen zur Herstellung von Flaschen‐Flakes wird vor allem von der<br />
Flake‐Qualität und der Anlagengröße bestimmt.<br />
~ In Europa und USA wird vor allem die Wiederverwendung zur Herstellung von Flaschen und Folien im<br />
Vordergrund stehen (B2B), wogegen in Asien die Umwandlung zu Fasern und Filamenten weiter<br />
dominiert (B2F).<br />
~ Beim <strong>Polyester</strong>‐Textil‐<strong>Recycling</strong> wird eine wesentlich langsamere Entwicklung erwartet, da die<br />
Anpassung ganzer Produkt‐ und Industriestrukturen an einen <strong>Recycling</strong>prozess erforderlich ist.<br />
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