„Aufbereitung komplexer Baugrup- pen aus Alt-Kfz´s durch … · 2015. 11. 13. · Sink-Scheider, durch Hydrozyklone und seit neuerem über Horizontal-Zentrifugen. Um eine Trennung

Polymer-Chemie GmbH Förderkennzeichen: 01RK9904/5 Seite 1

Abschlußbericht des Projektpartners

Polymer-Chemie GmbH

zum Verbundprojekt

„Aufbereitung komplexer Baugrup-pen aus Alt-Kfz´s durch identifizie-

rende Verfahren“

Polymer-Chemie GmbHRalph DreyerHaystraße 7-13D-55566 Bad SobernheimTel.: 06751-840Fax.: 06751-8442


Einleitung

Aufgabenstellung

Basierend auf der von der Europäischen Union verabschiedeten „End-of-Life Ve-hicles (ELV) Directive“ umgesetzt durch Altautoverordnung / Altfahrzeuggesetz mussdie zu entsorgende Abfallmenge ab dem Jahr 2015 auf einen Massenanteil von 5Prozent reduziert werden, während weitere 10 Prozent einer thermischen Verwertungzugeführt werden können. Die verbleibende Hauptmenge von 85 Prozent muss stoff-lich verwertet werden. /10/Im Sinne der ständigen Optimierung der Produkte, sei es als Ganzes oder im Ein-zelteil, in bezug auf Produktgestalt und Umweltfreundlichkeit, werden immer mehrKunststoffe in Fahrzeugen eingesetzt. Um die gesetzlichen Zielvorgaben hinsichtlichder o.g. Verwertungsquoten zu erreichen, ist es erforderlich, Methoden zu finden, diees erlauben, diese Kunststoffe weitgehend sortenrein zurückzugewinnen, um darausRezyklate auf hochwertigem Niveau erzeugen zu können.Da die vollständige manuelle Demontage und sichere Sortierung von Bauteilen nichtwirtschaftlich ist, wurde im Rahmen dieses BMBF-Projektes nach einer automati-sierten Lösung zur Ergänzung technisch verfügbarer Sortiertechnologien gesucht.Die separierten Fraktionen sollten aufbereitet, erforderlichenfalls modifiziert und füreinen hochwertigen Wiedereinsatz im Automobilbereich geprüft werden.

Voraussetzungen und Anknüpfungsstand

Aufbauend auf bestehenden Identifizierungsverfahren des Recyclings mittels Nahin-frarot (NIR) von DSD-Abfällen und Elektronikschrott sollte eine Fraktionierungsmög-lichkeit entwickelt werden, die den Besonderheiten der im Automobilbereich einge-setzten Kunststoffe in ihren Blends und Einfärbungen (insbesondere mittels markan-tem Rußanteil) bei hohen Erkennungsraten gerecht wird.

Planung und Ablauf des Vorhabens

Unter der Koordination von Daimler-Chrysler (DC) wurde ein Gesamtverfahrenskon-zept zur automatischen Sortierung von Kunststoffen aus der Automobilindustrie erar-beitet und durch Recherchen, Untersuchungen und Versuchsläufe optimiert und veri-fiziert. Im Laufe des Projektes zeigte sich, dass nach der selektiven Vorzerkleinerungeine Vorsortierung und eine Entlackung mit Aufrauhung durchgeführt werden muss-ten, um bei der nachfolgenden Identifikation befriedigende Ergebnisse zu erzielen.

Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Neben den Projektpartnern wurden seitens Polymer-Chemie Entsorgungspartner derAutomobilindustrie, Spritzgusshersteller / Systemlieferanten der Automobilindustriesowie Automobilhersteller für Recherchen, Mustermaterialien, Ausprüfungen, Muste-rerstellungen und Freigabeprüfungen kontaktiert. Über die Firmen Adam Opel AG,Valeo, Hella und Magneti Marelli wurde Scheinwerfer-Ausschuss bezogen, um Ver-suche im Produktionsmaßstab durchzuführen, da die Mengen von DC und BMW nurfür Technikumsversuche reichten.


Darstellung der Aufgaben und Ergebnisse

TrennverfahrenIm Rahmen des Projektes wurden zunächst die Trennverfahren betrachtet, die schonin der Praxis der Kunststofftrennung oder in anderen Bereichen eingesetzt werden,wenn sie auf die Kunststofftrennung eventuell übertragen werden können. Es kom-men hierfür folgende Verfahren in Betracht:

• Dichtetrennung über Schwimm- Sinkverfahren• Dichtetrennung über Hydrozyklone• Dichtetrennung durch Sortierzentrifuge CENSOR®

• Elektrostatische Trennung durch Koronawalzenscheider• Elektrostatische Trennung durch Hamos-Walzenscheider• Elektrostatische Trennung über Freifallscheider• Opto-elektronische Detektion• NIR-Spektroskopie• MIR-Spektroskopie• Röntgenkleinwinkelstreuung

Allen Trennverfahren geht zunächst eine Zerkleinerung der Fraktionen über einenShredder und ggf. danach in einer Schneidmühle voraus. Hintergrund war die Ab-stimmung der Anforderungen und Integrationsmöglichkeiten für die im Projekt ent-wickelte Anlagentechnologie.

Dichtetrennung

Bei der Trennung der Kunststoffe über die Dichte ist wie der Name schon sagt einDichteunterschied eine zwingende Voraussetzung, um die Kunststoffe in einer mög-lichst hohen Reinheit zurückzugewinnen.

Bei den nassen Dichtetrennmethoden exi-stieren zur Zeit drei Verfahren, die sich beider Kunststofftrennung etabliert haben.Dies sind die Trennung über Schwimm-Sink-Scheider, durch Hydrozyklone und seitneuerem über Horizontal-Zentrifugen. Umeine Trennung über die Dichte zu erzielenmuss die Trennflüssigkeit mit ihrer Dichtezwischen den Kunststoffdichten liegen. Umdiese Dichteneinstellung zu bekommenwerden z.B. bei geringerer Dichte als Was-ser Alkohole eingesetzt und bei höherenDichten werden Salze gelöst oder Suspensionen von feinkörnigen Feststoffen z.B.Schwerspat benutzt.


Dichtetrennung über Schwimm-/SinkverfahrenDiese Form der Dichtesortierung wird auch Schwimm-Sink-Scheidung unterSchwerkrafteinfluß genannt. Im Einsatz sind vor allem kontinuierliche Scheider miteinem oder mehreren offenen Behältern, welche mit Trennflüssigkeit gefüllt sind. DieBeschickungs- und Austragseinrichtungen sind mit Paddeln bestückt, um das aus derSchneidmühle kommende Mahlgut unter die Flüssigkeitsoberfläche zur besserenBenetzung zu fördern. Um die Hydrophobie der Kunststoffpartikel zu senken werdenoft auch Benetzungsmittel zugesetzt.

Die aufgegebenen Kunststoffpartikel treiben durch die kontinuierliche Aufgabe miteiner Horizontalgeschwindigkeit von 0,1 bis 0,4 m/s durch den Behälter. Währendihrer Verweilzeit sinken die Partikel ab oder treiben entsprechend ihrer Dichte auf.

Um eine möglichst hohe Trennschärfe zu erzielen muss die Strömung im Behälterwirbelfrei gehalten werden, was die geringe Durchsatzleistung begründet.Der Behälterboden ist meist in mehrere Kammern aufgeteilt, was den Vorteil hat,dass drei Sinkfraktionen entstehen. Die erste Fraktion besteht aus mineralischen undmetallischen Anteilen, welche eine hohe Dichte und Sinkgeschwindigkeit hat, wäh-rend die letzte Fraktion Anteile enthält, welche niedrigere Sinkgeschwindigkeiten undgeringere Dichten, wie z.B. Papier und Kunststoffmahlgut, besitzt./1/Die im Einsatz befindlichen Schwimm-Sink-Scheider sind fast ausschließlich für dieTrennung ungefüllter Polyolefine ausgelegt und somit für die Aufgabenstellung unge-eignet.

Dichtetrennung über HydrozykloneDiese Trennmethode wird auch Schwimm-Sink-Scheidung im Zentrifugalfeld ge-

nannt.Die unter Druck in den tangentialen Einlauf des Hydrozy-klons strömende, mit Kunststoffpartikeln beladene Trenn-flüssigkeit wird durch die Geometrie in eine Kreisbewegungumgelenkt. Durch die Kreisbewegung werden Zentrifugalbe-schleunigungen erzeugt, die um ein Vielfaches größer alsdie Erdbeschleunigung sind. Diese Beschleunigung treibtnun die Partikel, die schwerer als das Fluid sind, im Wirbelweiter nach außen, während sich die Partikel, die leichter alsdas Fluid sind, zur Wirbelmitte hin bewegen. Durch die ve r-jüngende Form nach unten bildet sich ein Primärwirbel mit

der Fraktion der höheren Dichte und ein Sekundärwirbel mit derFraktion mit der niedrigeren Dichte aus. Der Primärwirbel wan-dert nach unten und der Sekundärwirbel wandert nach oben ausdem Zyklon./1/Der Hydrozyklon ist aber kein reines Sortieraggregat, sondern inihm überlagern sich Dichtesortier- und Klassiereffekte 1. Um dieTendenz der Klassierung und damit zum Fehlaustrag von Parti-keln zu verringern, sollte die Korngrößenverteilung nur geringvariieren.

1 Klassierung: Abtrennung des Über- und Unterkorns


Dichtetrennung über Sortierzentrifuge CENSORDie von KHD Humboldt Wedag entwickelte Sortierzentrifuge trennt zwei feste undeine flüssige Phase voneinander. Sie ist eine horizontal gelagerte Doppelkonus-Vollmantel-Schneckenzentrifuge (Bild unten). Die Zentrifuge ist teilweise mit derTrennflüssigkeit gefüllt, die sich wegen der schnellen Rotation zu einem Flüssigkeits-ring ausbildet. Die vermischten Kunststoffe werden als Suspension durch ein stehen-des Rohr axial in die Zentrifuge eingegeben und treffen auf die Oberfläche des mithoher Drehzahl umlaufenden Flüssigkeitsringes. Hier werden die Teilchen beim Ein-tritt in die Oberfläche sehr starken Scherkräften ausgesetzt, und es findet eine Ver-wirbelung statt, die eine Vereinzelung der Kunststoffteilchen und zugleich derenweitgehende Befreiung von anhaftendem Schmutz bewirkt. Teilchen, deren Dichtegrößer als die der Flüssigkeit ist, werden radial nach außen zum Zentrifugenmantelgeschleudert, während die leichteren Komponenten nach innen aufschwimmen. Diesgeschieht im Zentrifugalfeld in sehr kurzer Zeit und mit hoher Selektivität. Kornformund Korngröße spielen hierbei eine untergeordnete Rolle. Die so getrennten Teilfrak-tionen werden von den Schnecken zu je einem konischen Ende der Zentrifuge trans-portiert. Hier werden sie aus dem Flüssigkeitsring gehoben und verlassen entwässertdie Zentrifuge. Die mit dem Kunststoff eingebrachte Flüssigkeit verlässt die Zentrifu-ge im Mittelteil durch Düsen, die den Flüssigkeitsstand konstant halten. Da sie, umzum Düsenaustritt zu gelangen, innerhalb der Zentrifuge entgegen der Zentrifugal-kraft radial nach innen strömen muss, wird sie mechanisch von Verunreinigungenbefreit, so dass die Belastung der Flüssigkeit vergleichsweise gering ist./1/

Sortierzentrifuge CENSOR®

Elektrostatische TrennungDie automatische Sortierung fester Stoffe nach dem Prinzip der elektrostatischenTrennung wurde in den USA Ende des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Als trocke-nes Trennverfahren ohne den Anfall von Abwässern erlangte es besondere Bedeu-tung bei der Anreicherung mineralischer Rohstoffe.Über den Einsatz des elektrostatischen Trennverfahrens zur Sortierung von Kunst-stoffen wurde erstmals im Jahre 1965 von Laboruntersuchungen berichtet. Die erstePatentanmeldung erfolgte 1980. Eine kontinuierlich arbeitende, mehrstufige Ver-suchsanlage mit 100kg/h Durchsatz wurde 1992 im Kaliforschungs-Institut der Kaliund Salz AG in Betrieb genommen.Durch die elektrostatische Sortierung soll eine Trennung in stofflich verschiedene Be-standteile erreicht werden. Hierfür müssen die voneinander zu trennenden Bestand-teile zwei Vorraussetzungen erfüllen:


• Sie müssen als diskrete Partikel freinebeneinander vorliegen.

• Sie müssen sich in der elektrischenLeitfähigkeit oder ihrem triboelektri-schen Aufladungsverhalten deutlichvoneinander unterscheiden.

WalzenscheiderNutzt man die unterschiedlichen Leitfähigkeiten als Sortierkriterium, so kommen so-genannte Walzenscheider zum Einsatz. Bei diesen ist jedoch zu beachten, dassKunststoffe an sich eine schlechte Leitfähigkeit besitzen. Daher nutzt man dieseBauart nur um metallische von nichtmetallischen Fraktionen zu trennen.Walzenscheider bestehen im wesentlichen aus einer metallischen, rotierendenTransportwalze von 300-500 mm Durchmesser, die gleichzeitig als geerdeter Ge-genpol zur Hochspannungs- bzw. Sprü-helektrode dient. Die angelegte Gleich-spannung beträgt ca. 20-40 kV. Mit Hilfeder Hochspannungselektrode wird eininhomogenes statisches Feld erzeugt,durch das die auf der Walze befindlichen,zu trennenden Partikel polarisiert werden.Die Sprühelektrode hingegen erzeugt eindynamisches Feld (Korona-Effekt), beidem die Partikel durch emittierte Ionenaufgeladen werden./1/Am gebräuchlichsten sind Walzenschei-der mit kombiniertem statischen und dy-namischen Feld (Bild nebenstehend).Hierbei werden zunächst die zu trennen-den Partikel auf eine geerdete, rotierendeWalze aufgegeben und durch die Sprü-helektrode gleichsinnig aufgeladen. An-schließend bewegt sich die Walze aus dem Koronafeld heraus, wobei die gut leiten-den Partikel ihre Ladung verlieren. Durch Zentrifugal- und elektrostatische Absto-ßungskräfte werden die entladenen Komponenten nun zur Hochspannungselektrodehin abgeworfen und die geladenen Partikel verharren auf der Walze, bis diese durchBürsten entfernt werden.

Hamos-WalzenscheiderDer Hamos-Walzenscheider ist eine Sonderform des Walzenscheiders, da das Auf-gabegut nicht auf die Walze aufgegeben wird, sondern die Walze einzig als Hoch-spannungselektrode fungiert. Bei diesem Scheider wird das Kunststoffmahlgut übereine vibrierende Rutsche elektrostatisch aufgeladen. Bei dieser Form der Aufladungwerden die Partikel nicht gleichgesinnt aufgeladen, sondern ihrer triboelektrischenEigenschaften gemäß gegensinnig aufgeladen.Solchermaßen positiv oder negativ aufgeladen lassen sich die Flugbahnen der Parti-kel durch ein Hochspannungsfeld so stark beeinflussen, das eine Trennung in ein-zelne Fraktionen möglich ist.

Triboelektrische Reihe


Hamos-Walzenscheider

FreifallscheiderBei der Sortierung im Freifallscheider wird nicht die unterschiedliche Leitfähigkeit derPartikel, sondern deren unterschiedliche triboelektrische Aufladbarkeit genutzt. (sieheHamos-Walzenscheider)Auch hier werden die Partikel durch Reibung aneinander elektrostatisch gegensinnigaufgeladen. Die Aufladung kann z.B. in Mischern, Fließbetttrocknern oder auchpneumatischen Förderanlagen erfolgen. Anders als beim Hamos-System erfolgt dieAblenkung der Partikel im freien Fall im Hochspannungsfeld (zwei gegensinnig auf-geladene Platten, oder auch Bänder). Bei diesem System werden die Partikel alsonicht nur Abstoßung oder Anziehung auf ihrer Flugbahn beeinflusst, sondern durchAbstoßung und Anziehung, wodurch eine größere Ablenkung erfolgt. Der hierfür vomKali und Salz-Institut entwickelte Freifallscheider wird mit Spannungen bis zu 120 kVbetrieben.Da die triboelektrische Aufladung neben der chemischen Konstitution stark vomOberflächenzustand der zu trennenden Partikel abhängt, müssen diese sauber undtrocken sein. Auch unterschiedliche Additive, wie Antistatika, Farbstoffe, Weichma-cher usw. beeinflussen das Aufladungsverhalten./1/Der eigentliche Vorgang der elektrostatischen Aufladung wird zur Zeit noch diskutiert.Man nimmt an, dass sowohl Elektronenübergänge als auch Ionenwechsel zur Kon-taktaufladung führen.

DetektionsverfahrenDie folgenden Verfahren besitzen alle die gleiche Anlagentechnik zur Trennung derPartikel, jedoch unterscheiden sie sich in der Erkennung (Detektion) der Kunststoffe.Der eigentliche Trennprozess beruht darauf, dass die Partikel vereinzelt dem Detek-tionskopf zugeführt werden, dieser die Partikel erkennt und ein Signal zum Rechnerweiterleitet, welches zur Ansteuerung von Luftdüsen verwendet wird. Durch gezieltesAnblasen der Partikel werden diese dann in die entsprechenden Stoffströme geleitet.Bei diesen Anlagen ist im allgemeinen der Durchsatz nicht sehr hoch, da immer eineVereinzelung der Partikel notwendig ist. Durch Parallelschaltung mehrerer Detekti-onsköpfe kann eine Erhöhung der Stoffströme erfolgen. Dieses ist sinnvoll, da derDetektionsmechanismus im Vergleich zur Anlagentechnik recht günstig ist.


Opto-elektronische DetektionBei der opto-elektronischen Detektion werden die Kompo-nenten anhand ihrer Form, Farbe oder Größe erkannt. DasSystem arbeitet im Wellenlängenbereich des sichtbarenLichts.Das Verfahren arbeitet mit unterschiedlichen Kamerasy-stemen, wie z.B. CCD-Kameras, welche durch die Auflö-sung des Bildes in einzelne Zeilen oder Pixel Farb-, Form-und Größenunterschiede erkennen kann.Die Auswertung erfolgt über einen Rechner, welcher nachden vorher festgelegten Sortierkriterien die Luftdüsen an-steuert. (Bild rechts: Optische Trennung)

NIR-SpektroskopieDie Spektroskopie im Nahen Infrarot (80-2500 nm) hat sich in den letzten Jahren zueinem der modernsten Analyseverfahren entwickelt. Sie bietet entscheidende Vor-teile gegenüber der klassischen Absorptions-Spektroskopie im Mittleren Infrarot:

• Viele Materialien lassen sich oh-ne aufwendige Probenvorberei-tung direkt vermessen.

• Im NIR-Bereich verwendbareQuarzmaterialien erlauben denEinsatz lichtleitergekoppelterSonden. (Auswertungsrechnerkann bis zu 100 Meter entferntstehen)

• Die Pfadlänge kann mehrere Mil-limeter betragen.

Die Auswertung erfolgt über die cha-rakteristischen Spektren der Kunststof-fe, die im Rechner vorher konfiguriert werden. Die Messung im NIR und Auswertungerfolgt innerhalb von 10 ms.Der Nachteil dieses Systems ist, dass man keine schwarzen Kunststoffe erkennenkann.

Das zu identifizierende Kunststoffteil wird mit Licht bestrahlt. Von der Oberfläche desKunststoffes wird ein Teil des Lichtes reflektiert und in das Spektrometer geleitet.Kunststoffe haben die Eigenschaft, dass sie bestimmte Anteile des Lichtes im NahenInfrarot besser oder schlechter reflektieren. Jeder Kunststoff unterscheidet sich durchdie Eigenschaft der Reflexion des Lichtes im Nahen Infrarot.


Das reflektierte Licht wird in einem Spektrometer in die einzelnen Wellenlängen desLichtes zerlegt und deren Intensität gemessen. Dadurch entsteht für jeden Kunststoffein charakteristisches Reflexionsverhalten (Bild nebenstehend). Diese Kurve wird ineinem Computer mittels eines Auswertealgorithmus analysiert und dem entspre-chenden Kunststoff zugeordnet.

MIR-SpektroskopieDie Messanordnung und Auswertungen sind dem der NIR-Spektroskopie sehr ähn-lich. Die Messungen im Mittleren Infrarot sind ideal um alle Kunststoffe zu erkennen,da hierbei auch schwarze Kunststoffe detektiert werden. Dieses Verfahren ist sehrlangsam und erfordert lange Messzeiten.

RöntgenkleinwinkelstreuungDieses System wird vornehmlich bei Identifikationen von bestimmten Additiven oderMolekülgruppen in Kunststoffen verwendet, da die Strahlung eine sehr hohe Intensi-tät besitzt.Die ersten Sortiersysteme wurden in den USA verwendet um bei der Flaschensortie-rung das Chlor im PVC zu erkennen und somit ein Sortierkriterium zu erhalten.Diese Anlagen haben aber sehr hohe Sicherheitsstandards zu erfüllen und benötigenhohe Wartungskosten.Dieses Verfahren wird heutzutage nicht in neuen Anlagen eingesetzt und ist dahernicht weiter zu betrachten.

1,30E+08

2,30E+08

3,30E+08

4,30E+08

5,30E+08

6,30E+08

7,30E+08

8,30E+08

9,444E+09 1,068E+10 1,191E+10 1,312E+10 1,432E+10 1,549E+10 1,666E+10


Gegenüberstellung der untersuchten Trennverfahren

Verfahren Durch-satz

Vorteile Nachteile

Schwimm-/Sink-Verfahren ? Günstige AnlagentechnikBei unterschiedlichen Dichtensehr gutes Trennverfahren

Sehr langsamDichteunterschied not-wendigTrennung in nur zweiFraktionen

Hydrozyklon-Verfahren ? Hohe DurchsatzleistungenRelativ gute TrennschärfeBei unterschiedlichen Dichtensehr gutes Trennverfahren

Hohe Anschaffungs- undBetriebskostenDichteunterschied not-wendigTrennung in nur zweiFraktionen möglich

Sortierzentrifuge CE NSOR ? Hohe DurchsatzleistungenBei unterschiedlichen Dichtensehr gutes TrennverfahrenHohe Trennschärfe

Hohe Anschaffungs- undBetriebskostenDichteunterschied not-wendigTrennung in nur zweiFraktionen

Koronawalzenschei

der

? Kein Dichteunterschied notwen-dig

Nur zur Trennung Kunst-stoff-Nichtkunststoffe

Hamos-Walzenscheider ? Kein Dichteunterschied notwen-digFunktioniert theoretisch bei allenKunststoffen

Mahlgut darf nur sehrgeringe Restfeuchte auf-weisenTrennung in nur zweiFraktionen

Freifallscheider ? Kein Dichteunterschied notwen-digFunktioniert theoretisch bei allenKunststoffen

Mahlgut darf nur sehrgeringe Restfeuchte auf-weisenHohe AnschaffungskostenKeine Industrielle Anlagefür KunststofftrennungvorhandenTrennung in nur zweiFraktionen

Opto-elektronisch ? Material kann feucht seinLernbares System

Aufwendige Anlagentech-nikHohe BetriebskostenNur bei Farbunterschie-den einsetzbar

NIR-Spektroskopie ? Material kann feucht seinLernbares System

Aufwendige Anlagentech-nikHohe BetriebskostenNicht bei schwarzenKunststoffen einsetzbar

MIR-Spektroskopie ? Alle Kunststoffe detektierbar Sehr langsames System(Weiterentwicklung imBMBF-Projekt)

Röntgenkleinwinkelstreuung ? Für PVC ideal Sehr hohe Anschaffungs-und BetriebskostenSicherheitsstandard sehrhoch

Veraltet


Tabelle: Vergleich Trennverfahren

Es wurden die zur Zeit anfallenden Kunststofffraktionen aus den Bereichen Werk-stattentsorgung und Fahrzeugrückbau abgefragt und stichprobenartig qualitativ un-tersucht. Ziel war die Feststellung der alterungsbedingten Eigenschaftseinbußenzur Abschätzung von Einsatzmöglichkeiten und erforderlicher Nachstabilisierung.Der festgestellte Abbau liegt in der Größenordnung von bis zu 20 Prozent im Ver-gleich zu den Ausgangsmaterialien. Untersucht wurden Teile aus PC+PBT, PC, PE-HD, PE-LD, PP, PP-TV, PP-GF, PP+EPDM, SMA/GF, GMT. Ein deutlicher Abfall imE-Modul war vornehmlich bei PC+PBT sowie bei den Glasfaser verstärkten Mate-rialien zu beobachten.

GMT-Regranulate zeigen durch die fehlende Kopplung der Glasfasern dasschlechteste Eigenschaftsbild. Hier wurden Versuche zur direkten Verarbeitung vonGMT-Shredderteilen im Pressverfahren durchgeführt, die in Abmischung mit Lang-glasfaser-Neuware zu wiedereinsetzbaren Teilen führten.

Im Rahmen des Projektes „Aufbereitung komplexer Baugruppen aus Alt-Kfz’s durchidentifizierende Verfahren“ wurden Versuche zur Verträglichkeit von verschiedenenKunststoffen durchgeführt. Die Tests wurden erforderlich, da die Trennverfahren nurin Ausnahmefällen eine hundertprozentige Sortenreinheit der einzelnen Kunststoffeergeben. Verunreinigungen in Form von Lackierungen und anhaftenden Resten beiVerbundstoffen sowie Klebe- oder Dichtungsmassen sind bei Teilen aus der Alt-Kfz-Aufarbeitung regelmäßig anzutreffen.

Die Untersuchungen wurden zunächst auf die Kunststoffe / Kunststoff-Blends ABS,PC+PBT, PC, PE-HD, PMMA, POM, PP, PP-TV, PP-GF, PP-EPDM, PVC, SMA-GFbeschränkt, da diese vorrangig im Automobilbau verwendet werden.

Zur Durchführung der Tests wurden die Kunststoffe jeweils mit einem Prozent einesKunststoffes einer anderen Kunststoffgruppe gemischt und compoundiert, um diegenerelle Machbarkeit als auch den Einfluss auf Schmelzindex sowie E-Modul,Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit zu ermitteln.

Für die Compoundierung wurde ein Leistritz Doppelschneckenextruder ZSE 34 ein-gesetzt. Die Schmelzindex-Werte wurden auf einem Göttfert Volumen-Fließindex-Prüfgerät MP-D ermittelt. Zum Abspritzen der Prüfkörper wurde eine Spritzgießma-schine Arburg Allrounder 309-210-700 verwendet. Zur Ermittlung der mechanischenEigenschaften wurde eine Universalprüfmaschine 81801/D der Firma Frank einge-setzt.

Die Versuche mit der Zugabe von PVC-Verunreinigungen wurden wegen dem ab-gespaltenen HCL und seiner korrosiven Wirkungen auf die Anlagenteile eingestellt.Eine Verunreinigung mit PVC ist bei SMA, PC und den Polyolefinen bis zu 0,1 Pro-zent möglich, führt aber zu einem Abfall der mechanischen Werte. Bei anderenKunststoffen wie POM führt es zur sofortigen Zersetzung.

Bei POM ist eine Verunreinigung mit anderen Stoffen – mit Ausnahme die Polyole-fine – generell ein Problem. Hier findet bereits ein Mischen von POM-Homopolymerisat mit POM-Copolymerisat zu einem deutlichen Abfall der gesamtenermittelten Werte.


ABS reagierte sehr empfindlich auf Verunreinigungen durch PC+PBT, POM undPA. Verunreinigungen mit PC, PP und PMMA führten zu einem Abfallen des E-Moduls und der Kerbschlagzähigkeit.

PC reagierte auf die Verunreinigungen mit PP und ABS mit einem leichten Anstei-gen der Kerbschlagzähigkeit, sowie bei PP-Verunreinigung mit einem Ansteigendes Schmelzindexes. Die Verunreinigungen mit den anderen Kunststoffen führtenzu einem Abfall der Werte./7/ Die Zugabe von POM führte bei den hohen Verarbei-tungstemperaturen von PC zur Zersetzung des POM-Anteils.

PC+PBT ließ sich mit Verunreinigungen von ABS, PC und den Polyolefinen verar-beiten. Der Anstieg des Schmelzindexes war hier am signifikantesten. Verunreini-gungen mit den anderen getesteten Kunststoffen sollten vermieden werden.

PMMA zeigte ein sehr empfindliches Verhalten auf den Druckanstieg vor demSchmelzesieb. Verunreinigungen von ABS und den Polyolefinen waren problemlos.Die Verunreinigung mit anderen Kunststoffen zeigte durch den Druckanstieg vordem Schmelzesieb Zersetzungserscheinungen.

Innerhalb der Polyolefine ließen sich alle PP-Typen und PP-Blends problemlos mi-schen. Auch die Zugabe von 1 Prozent PE-HD führte zu keiner signifikanten Ände-rung der ermittelten Eigenschaften. Die Zugabe von Verunreinigungen durch ande-re Kunststoffe war generell möglich. Die Verunreinigungen waren durch Schlieren-bildung auf der Oberfläche der Prüfstäbe zu sehen. Bei der Zugabe von POM kames zur Abspaltung von Formaldehyd.

SMA-GF zeigte bei Verunreinigungen von ABS, PC und den Polyolefinen ein gut-mütiges Verhalten. Das Werteprofil veränderte sich im Vergleich zur Compoundie-rung des reinen Materials nur unmerklich.

Der Einfluss von Lackierung und Metallisierung auf die untersuchten Kunststoffewar generell mit einem Abfall der Kerbschlagzähigkeitswerte zu registrieren. Je fei-ner die Maschenweite der eingesetzten Schmelzesiebe gewählt wurde, um so ge-ringer war diese Abnahme. Durch die höhere Scherung im Extruder bei feinen Sie-ben war im Gegenzug ein Ansteigen des Schmelzindexes und eine Abnahme derZugfestigkeitswerte zu sehen. Hier muss ein akzeptabler Mittelweg gefunden wer-den, oder die zu regranulierende Fraktion im Vorfeld entlackiert werden.

Abschließend wurden die Versuche auf die mögliche Kombination unterschiedlicherFraktionen ausgedehnt. Ziel war es, Kunststoffe zu Gruppen zusammenzufassen,um so die Zahl der zu trennenden Kunststoffe und damit auch der Trennschritte zureduzieren. Als Ergebnis dieser Versuche wurden mit den Projektpartnern u.a. fo l-gende Gruppen festgelegt:

• PP (Homo- u. Copolymere), PP/EPDM, PP/EPDM-TV, PP-TV, PE• ABS, PC, PC/ABS-Blends• PC/PBT + PBT/PC• PMMA-Typen• PA 6• PA 6.6


Bei den Polyamiden muss eine Trennung der Typen (auch PA 6 und PA 6.6) erfo l-gen, um einen Wiedereinsatz auf qualitativ hohem Niveau zu ermöglichen.

Es wurden Untersuchungen zu den zur Zeit im Einsatz befindlichen Vorzerkleine-rungssystemen (Ein- und Zweiwellenzerkleinerer) durchgeführt, um die verfügbarenKorngrößen einzugrenzen. Diese Untersuchungen dienten der technischen Realisie-rung des Verfahrensmoduls „Selektive Vorzerkleinerung bzw. Aufschlusszerkleine-rung“. Die zur Zeit aktiven vornehmlich im Bereich der Werkstattentsorgung tätigenSysteme setzen Vorzerkleinerungen zur Transportoptimierung ein. Verwendung fin-den hier vornehmlich Zweiwellenzerkleinerer, die streifenförmige Teile erzeugen, so-wie Einwellenzerkleinerer als Mittelläufer, wie sie auch im Bereich der Holzzerkleine-rung zum Einsatz kommen. Diese Maschinen erzeugen bis zu handtellergroße Teile(abhängig vom eingesetzten Sieb) und zeigen sich weniger empfindlich gegen Me-tallanteile. Da sich diese wenn überhaupt geshredderten Teile wegen ihrer Teilegrö-ße und Reinheit nicht direkt in einer Compoundieranlage weiterverarbeiten lassen,wurde die nachfolgend beschriebene Aufbereitungsanlage zwischengeschaltet.

Die PC-Kunststoffaufbereitungsanlage besteht aus:• vorgeschalteten, separat angesteuerten Aggregaten zur Aufnahme und Zwi-

schenförderung (Förderbänder), mehrstufiger Metallabtrennung und Vorzer-kleinerung (Shredder, Guillotine-Mühle).

• der Trockenaufbereitung (Trockenvermahlung, Windsichtung),• der Nassaufbereitung (Nachvermahlung und Hydrozyklontrennung),• dem Luft-Trenntisch zur Nachtrennung mit ggf. vorgeschalteter Klassierung

1. Vorzerkleinerung und Grobmetallabtrennung

Je nach Größe und Beschaffenheit wird das Anlieferungsmaterial zunächst geshred-dert und / oder über eine Guillotine Mühle vorzerkleinert. Freigelegte Metallanteilewerden – wenn vorhanden - über eine mehrstufige Metallabtrennung entfernt, ver-wogen und der externen Schrottverwertung zugeführt.

2. Trockenaufbereitung

Die Baugruppe Zuführen und Trockenmahlen setzt sich aus drei Komponenten zu-sammen:

• Aufgabe mit dem Unterflurband und Grehlwerk,• Steigband mit Metalldetektor,• Schneidmühle (Biber).

Diese Baugruppe (BG) dient der Zerkleinerung des geshredderten Materials: An derAufgabe wird das aufzubereitende Material auf das Unterflurband geschüttet, mitdem es zum Steigband transportiert wird. Auf dem Steigband läuft das zu recycelndeMaterial durch einen Metalldetektor, um das Band bei erkannten Metallen anzuhal-ten. In der folgenden Trockenmühle wird das Material zu Mahlgut (8 - 12 mm) verar-beitet. Die Körnung des Mahlgutes kann über die Auswahl der eingebauten Siebeselektiert werden. Dann folgt die Entstaubung und Leichtanteilabtrennung über eineWindsichtung:Über ein Fördergebläse wird das zuvor zerkleinerte Material dem Zyklon zugeführt.Im Zyklon werden Staubpartikel abgesondert, die von einem Fördergebläse über ei-nen Staubfilter zurückgehalten werden. Das schwerere Material wird über eine weite-


re Zellradschleuse in eine Verteilerschnecke abgegeben. Diese verteilt das Materialin die Windsichterkammern. Im Windsichter wird ein Luftstrom über ein Gebläse er-zeugt, der den Sichter von unten nach oben durchströmt. Dabei wird die Leichtfrakti-on nach oben geblasen und die Schwerfraktion fällt nach unten. Die Trennergebnissekönnen über die Stellung der Luftklappe, je nach Material, beeinflusst werden. EinZyklon trennt die Leichtfraktion ein zweites Mal, um Schwerfraktionsanteile, die nochvorhanden sind, über ein Fördergebläse dem Windsichter erneut zurückzuführen.

3. Die Nassaufbereitung

In dieser Baugruppe ausgestattetmit einer Nassmühle wird dasMahlgut durch Vermengung mitWasser angelöst und weiter zer-kleinert, um dann über eine För-derschnecke an die Hydrozyklon-Trennung weitergegeben zu wer-den. Die Körnung des Mahlguteskann über die Auswahl der einge-bauten Siebe selektiert werden.Die Hydrozyklon-Trennung bestehtaus vier Sortierstufen, in denen das Sortiergut in bis zu drei Fraktionen getrennt wer-den kann.In Sortierstufe 1 wird das Mahlgut von einem Behälter, in dem es mit Wasser ver-mischt wird, durch eine Pumpe in den Hydrozyklon 1 gepumpt. Hier werden Leicht-fraktionsanteile von der Schwerfraktion, die über ein Sieb in die Sortierstufe 3 (Be-hälter B04) weitergeleitet wird, getrennt und in Sortierstufe 2 geleitet. In Sortierstufe 2werden etwaige Schwerfraktionsreste von der Leichtfraktion in Hydrozyklon 2 ge-trennt. In der Sortierstufe 3 wird das Mahlgut in den Hydrozyklon 3 gepumpt, wo ggf.unter Zusatz von TiO2 oder BaSO4 nach einer zweiten Dichte getrennt wird. DieSchwerfraktion kann über mehrere auszuwählende Siebe ausgeschleust werden. DieLeichtfraktion gelangt in den Behälter B05. Von hier wird das Mahlgut durch eineweitere Pumpe in den Hydrozyklon 4 gepumpt, wo möglicherweise vorhandeneSchwerfraktionsanteile abgetrennt und in B04 zurückgeführt werden. Die Hydrozy-klone können alternativ auf Flachbodenzyklone umgebaut werden, um den Dichte-schnitt ohne Zusatz von Schwertrübe auf 1,05 bis 1,15 anzuheben. Hierzu werdendie Hydrozyklon-Umbausätze verwendet.

4. Der Luft-Trenntisch

Der Luft-Trenntisch (Setztisch, Luftherd) dient der Ab-trennung von Feinanteilen oder der Trennung vonMaterialien mit gleicher Dichte aber unterschiedlichenWurfverhalten:Das Mahlgut wird auf dem um circa 5% schrägenTisch durch einen Excenter-Antrieb zum Schwergut-austrag hin geworfen. Die Anblasluft stört diese Wur f-bewegung und bewirkt, dass leichteres Mahlgut nachunten wandert. Die Trennqualität ist hierbei abhängigvon der Einstellung der Anblasluft. Der Feinabrieb wirdnach oben abgesaugt und über Filteranlagen abge-schieden.


Die Kunststoff Trenn- und Sortieranlage wird über den in der Steuerwarte aufgestell-ten Rechner bedient und überwacht. Alle prozessrelevanten Daten werden aufge-zeichnet und abgespeichert. Die Prozessvisualisierung läuft unter WISCON.

Das aus der zuvor beschriebenen Kunststoffaufbereitungsanlage erhaltene weitege-hend sortenreine Mahlgut wurde dann rezepturgemäß abgemischt, homogenisiertund als Einsatzstoff der Extrusion zugeführt. Hieraus wurden dann Mustermaterialiencompoundiert, schmelzefiltriert und abgespritzt, sowie Shredderfraktionen der nach-folgenden Kunststoffe erstellt und an den Projektpartner LLA zu weiteren Untersu-chungen insbesondere der Justierung der Datenbank weitergeleitet: ABS, PA,PC+PBT, PC, PE-HD, PE-LD, PMMA, PP, PP-TV, PP-GF, PP+EPDM, PUR, PVC,SMA, GMT.

Es folgten Untersuchungen zum Einfluss von Lackanhaftungen auf die Recyclierbar-keit der Kunststoffe. Schwerpunkt war die Auswertung der erhaltenen mechanischenEigenschaften (Beschreibung der Meßmethoden im Anhang 2). Diese Arbeitendienten der Erstellung eines ersten Anforderungsprofils an das Modul „Selektive Vor-zerkleinerung bzw. Aufschlusszerkleinerung“. Eine zuvor durchgeführte Entfernungdes Lackes führte zu einem leichten Ansteigen der mechanischen Eigenschaftenspeziell bei PC+PBT sowie PC. Bei den Polyolefinen konnte im mechanischen Ei-genschaftsbild nach der Entlackung keine so markante Verbesserung festgestelltwerden. Trotz durchgeführter Schmelzefiltration waren im Pancake-Test deutlicheLackreste zu sehen, die einen Einsatz in Sichtbereichen ausschließt.

Komplexe BaugruppenAm Beispiel von Scheinwerfern als komplexen Baugruppen mit bis zu 16 Kompo-nenten wurden die Versuche einer optimalen Zerkleinerung (möglichst große Teileeiner sortenreinen Fraktion) und Trennung fortgesetzt. Scheinwerfer heutiger Fahr-zeuge enthalten als Wertkomponenten PP-Componds (Gehäuse) und Polycarbonat

(Streuscheibe). Die imnebenstehenden Dia-gramm gezeigte Frak-tion PP-T40 ist wieauch bei vielen Mo-dellen mit PP-T XXoder PP/GF-Gehäusen zur Zeit inschwarzer Farbe aus-geführt. Die Dichteliegt im ähnlichen Be-reich wie die des Po-lycarbonates, so dassein Separieren übereine Dichtetrennunghier zu unbefriedigen-den Ergebnissenführt.

Die IR-Erkennung ist nur eingeschränkt für schwarze Kunststoffe geeignet, da diesekein ausreichendes Reflexionsspektrum liefern. Dennoch kann dieses Verfahren mit

M a t e r i a l m i x e i n e s S c h e i n w e r f e r s

P P - T 4 0

P C t r a n s p a r e n tU P - G F

P A 6

P B T P O M

P A 6 6 - G F 5 0

P A 6 6P A 6 6 - G F 3 0

D i c h t u n g s m a s s e

E l a s t o m e r ePBTP

o p t i s c h e s G l a sA B S + P C

P P

P C w e i ß

P C TMeta l le


der richtigen Anlagentechnik als Vorstufe aus dem Schreddergut bis zu ca. 70 Pro-zent des PC separieren, denn dieses liegt zu 70 Prozent aufgespalten und ohneVerbindung zu anderen Bauteilen vor. Die PC-Restfraktion ist durch Dichtungsma-ssen oder untrennbare Verbunde nicht hochwertig nutzbar./9/ Ein Verzicht auf Ver-schweißung oder Verklebung wie z.B. bei der 3er Reihe von BMW könnten den ver-wertbaren Anteil auf über 95 Prozent erhöhen.

Die IR-Messungen wurden mit einem Diodenarray-Spektrometersystem von ZEISSdurchgeführt.

Technische Daten:Meßgeometrie: 0o/45o zirkularMeßfleckgröße: ca. 20 mmBeleuchtung: integrierte Halogenlampe 5 V / 8 WWellenlängenbereich: 400 – 2400 nmLichtleiteranschluß: ZEISS-LL-AnschlußLichtleiterlängen des Messkopfsystems: bis 100 m

Die Messungen der Kunststoffkomponenten aus den Scheinwerfern haben bei nichtschwarzen Komponenten eine einwandfreie Erkennung ergeben. Auch wurden diebeschichteten Polycarbonatkomponenten trotz der Beschichtung als PC identifiziert.

NIR-Messung für Polycarbonat der Streuscheibe

130

230

330

430

530

630

730

830

Wellenlängenbereich

Inte

nsitä

t

NIR-Messung für PP-schwarz

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30


Inte

nsitä

t


NIR-Messung für Metalle

240

245250

255260

265270

275280

285290

295


Inte

nsitä

t

alle Spektren

0100200300400500600700800900

1000


Inte

nsitä

t

MetalleUP-GFPP-schwarz

POMPC

Wird die Polycarbonat-Fraktion zunächst über die IR-Erkennung separiert, so ist imFolgeschritt eine Abtrennung der schwarzen PP-Fraktion aus der Restmenge übereine Hydrozyklon-Trennung möglich. Dann können die Hauptfraktionen PC und PP inhoher Sortenreinheit in Rezyklate für hochwertige Applikationen einfließen. Insbe-sondere durch das im Verbundprojekt durch DC integrierte Entlackungsverfahrenwerden die Einsatzmöglichkeiten verbunden mit einer höheren Wertschöpfung fürdas gewonnene Polycarbonat deutlich erhöht.

Nach Vorstellung der Ergebnisse der Aufbereitung von Scheinwerfern bei den füh-renden Herstellern dieser Systeme konnten im Bereich des Einsatzes von Dich-tungsmaßen, Verklebungen und Verschweißungen erste Ansätze zur recyclingge-rechten Konstruktion dieser Bauteile umgesetzt werden: Durch zwei Systemlieferan-ten wurden erste optimierte Teil-Systeme zu Zerkleinerungs- und Trennversuchenzur Verfügung gestellt, die ein besseres Aufschluss- und Trennverhalten zeigen. Sowurden Hotmelt gegen Silikonkleber ersetzt und der hohe Rußgehalt bei Gehäuse-teilen deutlich reduziert. In einem Fall konnte sogar ganz auf die Rußpigmentierungverzichtet werden, um eine IR-Erkennung zu vereinfachen.

Im Projektverlauf wurden weitere Mustermaterialien in unterschiedlichen Farben undmit definierten Rußgehalten compoundiert und schmelzefiltriert. Aus den Compoundswurden dann großflächige Teile sowie Prüfstäbe und Plättchen abgespritzt und an


die Projektpartner zu Tests zwecks Zerkleinerung, IR-Erkennung, Erweiterung derStoff-Datenbank und Trennversuchen weitergeleitet: u.a. ABS, PC, ABS/PC,PC/ABS, PE-HD, PP, PP-TV, PP+EPDM. Der steigende Rußgehalt zeigte negativeAuswirkung auf die Erkennbarkeit der jeweiligen Kunststoffe im IR.

Compoundierung der Versuchsmaterialien / MusterDie zuvor homogenisierten Mahlgut-Chargen wurden zusammen mit Additiven (ggf.als Premix) und Rußbatches / Farbpigmenten über kontinuierliche Dosierwaagendem Haupteinzug des Doppelschneckenextruders zugeführt. Eine zwischenge-schaltete Induktionsschleuse schied eventuell noch vorhandene Metallpartikel aus,um die Extruder-Schnecken zu schützen.In den ersten Zonen des Extruders wurde das Polymer-Gemisch aufgeschmolzen.Über eine Seitendosierung bestand die Möglichkeit, erforderlichenfalls Füll- oder Ver-stärkungsstoffe (Talkum, Kreide, Kaolin, Glasfaser etc.) in die Schmelze zu dosieren.Über eine atmosphärische Entgasung konnte die dabei zwangsläufig mit eindosierteLuft entweichen.In den weiteren Zonen wurde die Kunststoffschmelze gemischt und über eine Vaku-umentgasung mit zuschaltbarem Hochvakuum über ein Rootsgebläse entgast. Sowurden flüchtige Bestandteile abgesaugt.Die nachgeschaltete Schmelzefiltration über einen kontinuierlich rückspülbarenSiebwechsler ermöglichte, in der Schmelze vorhandene Verunreinigungen (größereLackpartikel, Holz, Schmutzpartikel etc.) Heraus-zufiltern.Das schmelzefiltrierte plastifizierte Compound wurde über eine Unterwassergranu-lierung granuliert in einem nachfolgenden Zentrifugaltrockner vorgetrocknet, klassiertund in einem Fuidatbett-Trockner auf die erforderliche Restfeuchte getrocknet. Daserhaltene Granulat wurde auf die Einhaltung der Spezifikationswerte überprüft undbei Freigabe abgefüllt oder nochmalig als Fertigprodukt homogenisiert, um ein mög-lichst einheitliches Verarbeitungsverhalten bei der Weiterverarbeitung / Abmusterungzu erreichen. Um die Akzeptanz der Rezyklate zu erhöhen, müssen diese sich wieNeuware ohne ein ständiges Nachstellen von Parametern verarbeiten lassen.

Die jeweiligen Rezeptur-Einstellungen wurden nachfolgend auf relevante rheologi-sche, mechanische und thermische Eigenschaften untersucht (Beschreibung sieheAnhang). Hier wurde auch speziell der Einfluss der Lackanhaftungen sowie von Me-tallpartikeln (aus der trocken-mechanischen Entlackung) an den verfügbaren Mahl-gutqualitäten der unterschiedlichen Kunststoffe und die Möglichkeiten der Schmelze-filtration noch einmal getestet:

Bei den PP-Componds zeigte sich nur eine geringfügige Verschlechterung der me-chanischen Eigenschaften, während bei den Technischen Kunstoffen und derenBlends eine Entlackierung (> 95 Prozent) zum Erhalt des hohen Anforderungsprofilserforderlich werden kann. Diese vollständige Entlackung sollte daher dann selektivam jeweiligen Mahlgut nach der Identifikation unmittelbar vor dem Compoundier-schritt erfolgen und ist somit nicht Anforderungsprofil für die Identifizierung zur Tren-nung. Da die Kunststoffe vor der Compoundierung üblicherweise einem Waschpro-zess zugeführt werden, ist von den minimal vorhandenen Metallpartikeln aus dertrocken-mechanischen Entlackierung keine Verschlechterung der mechanischen Ei-genschaften zu erwarten. Die Schmelzefiltration allein kann diese Partikel nur imRahmen der üblicherweise eingesetzten Siebgrößen herausfiltern. Hierbei gilt, je fei-


ner das Siebgewebe, je geringer der Durchsatz und desto höher die Friktionsenergie,die auf den compoundierten Kuns tstoff einwirkt.

Im Bereich einiger Technischer Blends (PC/ABS, PC/PBT) sowie bei Polyolefin-Compounds wurden Kompatibilisatoren in Compoundierversuchen getestet. Es han-delte sich in erster Linie um Kompatibilisatoren auf Basis Maleinsäureanhydrit. Eskonnten Steigerungen im Bereich der Schlagzähigkeit sowie der Streckspannungerreicht werden.

Optimierungen für PC/PBT wurden nur in Richtung einer Applikation für DC (SMART)vorangetrieben, da von anderer Seite kein Interesse am Einsatz in neuen Kraftfahr-zeugen bekundet wurde. Dieses Blend, dass ursprünglich bei vielen Fahrzeugen fürdie Stoßfängerschalen zum Einsatz kam, wurde mittlerweile durch PP-EPDM-Rezeptierungen substituiert.

Die Aufarbeitung von SMA/GF-Compounds, die in immer stärkerem Maße im Bereichder Armaturentafeln als Trägermaterial eingesetzt werden, wurde durchgeführt undfindet trotz geringfügiger Änderungen der PUR-Schaum- und Deckhautsysteme inder Serienproduktion an Produktionsausschuss Anwendung.

ABS-Teile werden ebenfalls als Produktionsabfälle bereits aufgearbeitet. ABS ausAltfahrzeugen kann zum Teil noch Cadmium enthalten (insbesondere aus der Pig-mentierung). Daher wurde hier keine weitere Rezepturoptimierung betrieben.

In der nachfolgenden Zeit konzentrierte sich Polymer-Chemie daher insbesondereauf die Optimierung der PE+PP- sowie der PP-EPDM-Rezepturen, die in Summeihrer Modifikationen mehr als 50 Prozent der thermoplastischen Kunststofffraktion imFahrzeug bilden. Darüber hinaus besteht bei diesen polyolefinischen Kunststoff-Compounds ein breiteres Einsatzspektrum in laufenden Automobiltypen gekoppeltmit einer höheren Bereitschaft der zuständigen Projektingenieure der Automobilher-steller Applikationen für Rezyklate freizugeben.

Entwicklungsschritte

Außen nichtsichtbar

Außensichtbar

Unter derMotorhaube

Innensichtbar

Innen nichtsichtbar

Anforderungen

Anwendungs-beispiele

• Ausgewogene mechnanische Eigenschaften

•Radlaufschalen

• Gute Oberflächen

• sehr gute UV-Stabilität

•Wasserabweiser

• Wärmeform-beständigkeit

• Gute mechanische Eigenschaften

• Oxidationssta-bilität

• Luftfilter• Kabelkanäle

• Geringe Geruchs-emissionen

• Gute mechanische Eigenschaften

• Wärmeform-beständigkeit

• Düsen• Luftkanäle

• Geringe Geruchs-emissionen

• Sehr gute Kratzbeständig-keit

• Eingefärbte Produkte

• Handschuhkästen• Türverkleidungen• Abdeckungen • Mittelkonsolen


Rezyklate sind hier insbesondere dann wirtschaftlich attraktiv, wenn die Anwendungeine Compoundierung des Materials zum Einstellen von spezifischen Eigenschaftenerfordert, die von der Standard-Neuware (als Reaktorprodukt ohne Compoundier-schritt) nicht erfüllt wird. Das Eigenschaftsprofil der Rezyklate kann dabei durch dieCompoundierung - ebenso wie bei Neuware - in einem breiten Spektrum eingestelltwerden. Auf mittlerweile etablierte Einsatzbereiche für Rezyklate im nicht sichtbarenFahrzeugaußenbereich wie Fenderliner / Radhausauskleidungen folgten sichtbareAußenteile wie Wasserabweiser mit einer hohen Oberflächengüte und hoher UV-Beständigkeit. Mittlerweile werden Rezyklate auch für viele Applikationen unter derMotorhaube eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind Kabelkanäle sowie Luftfilterge-häuse. Die erhöhten Anforderungen an Wärmeformbeständigkeit, Oxidationsstabilitätsowie gute mechanische Eigenschaften werden erfüllt.

Basierend auf den Ergebnissen wurden bei verschiedenen Automobilherstellern Mu-stermaterialien vorgestellt, um geeignete Einsatzmöglichkeiten in Automobilapplika-tionen finden zu können. Um die hohen Anforderungsprofile zu erfüllen, waren meh-rere Modifikationen der Rezepturen erforderlich. Für PP-Langglasfasercompoundswurde an einen Neuware-Hersteller ein PP-Rezyklat als Polymer-Matrix geliefert. MitAusnahme der Schlagzähigkeit lagen die Werte des erzeugten Produktes auf Neu-ware-Niveau.

Bisher war der Einsatz von Rezyklaten weitgehend auf Außenanwendungen be-schränkt; bei Innenraumanwendungen scheiterte der Einsatz von Rezyklaten in derVergangenheit zumeist aufgrund der Anforderungen an das Geruchsbild.

Der Geruchsverhalten von Rezyklaten kann über 4 Faktoren beeinflusst werden:• Auswahl Materialquelle• Additivierung• Verarbeitungsparameter• Nachbehandlung

In Untersuchungen wurden die Möglichkeiten zur Optimierung der Emissionen insbe-sondere des Geruchsverhaltens von Rezyklaten als Teil der sogenannten „Non-Fuel-Emissionen“ systematisch untersucht.

Bei optimaler Ausnutzung der Einflussmöglichkeiten können Rezyklate mit einem derNeuware vergleichbaren Geruchsverhalten hergestellt werden, und somit die Anfor-derungen für Innenraumanwendungen erfüllen. Gleichzeitig bieten diese Rezyklatty-pen die beschriebenen wirtschaftlichen Vorteile gegenüber einer zur Einstellung ei-nes speziellen Eigenschaftsbildes compoundierten Neuware.

Neben der Qualität der Automobile und aller Merkmale der dazu angebotenen Ser-viceleistungen im Kundendienst, führt das subjektive Geruchsempfinden des Kundenzu höheren Anforderungen bei der Bewertung von einzusetzenden Kunststoff-Compounds – auch Rezyklaten – innerhalb des Automobils.Hier sei in diesem Zusammenhang nur kurz auf die olfaktometrischen Prüfungen(Geruchsprüfungen) hingewiesen, welche von einigen Automobilherstellern schonseit mehreren Jahren genau aus diesem Grund an eingesetzten Kunststoffbauteilendurchführt werden.


Gleichzeitig können Geruchsemissionen, neben dem rein subjektiven Empfinden, füreine Emission an Stoffen im allgemeinen und Schadstoffen im besonderen stehen.Sobald Stoffe emittieren, die olfaktometrisch auffällig sind, könnten theoretisch natür-lich auch andere, giftige Stoffe emittiert und vom Menschen aufgenommen werden.Vom Geruch dieser Emissionen lässt sich aber nicht zwangsläufig auf deren Auswir-kungen und Zusammensetzung schließen. Andererseits wird die mögliche Entste-hung toxischer Stoffe dadurch minimiert, dass sowohl Rohstoff, als auch Additive fürdie jeweilige Anwendung zugelassen sein müssen (siehe z.B. Ford WSS-M99P9999-A1).

Trotzdem kann sich auch ein an sich ungiftiger Geruchsstoff - in höherer Dosis undbei längerer Einwirkungszeit - negativ auf das Befinden von Pkw-Insassen auswir-ken. Folgeerscheinungen im subjektiven Empfinden der einzelnen Personen wie z.B.Übelkeit, Kopfschmerzen, oder Abnahme der Konzentrationsfähigkeit sprechen fürdie große Bedeutung dieses Themas.

Ziel der Untersuchung war es vorrangig, für einen oder mehrere Rohstoffe die geeig-neten Additivierungsformulierungen und Extruderparameter im Technikum zu finden,um dies im Produktionsmaßstab zu verifizieren und Spritzgussunternehmen / Auto-mobilherstellern mit dem Ziel einer Produktionsfreigabe vorzustellen.

Vorgehensweise:• Literaturrecherche mit Auswertung• Erstellen und Homogenisieren der Versuchs-Vormischungen (Additive und

Polymere in unterschiedlichen Zusammensetzungen)• Compoundieren der Premixes auf Extrusionsanlagen (Labor- und Produkti-

onsextruder)• Erstellen von Probeplatten und Prüfstäben im Spritzgussverfahren• Oxidationstests im Umluftofen / Wärmeumluftschrank• Prüfung der rheologischen und mechanischen Eigenschaften• Geruchstests• Auswertung der jeweiligen Ergebnisse• Vorstellung von Bemusterungsmaterialien

Die Einhaltung der Grundanforderungen, wie zum Beispiel die mechanische Festig-keit und die Oxidationsstabilität, ist die Voraussetzung für den Einsatz der Com-pounds in der Automobilindustrie. Bei der heutigen durchschnittlichen Lebensdauereines KFZ muss eine Mindesthaltbarkeit der Fahrzeugteile von 10-15 Jahren erreichtwerden. Dies wird über einen Oxidationsstabilitäts-Test simuliert: Bei 150°C werdendefinierte Spritzgussteile in einen Wärmeumluftschrank gegeben. Durch den hohenEnergieeintrag wird eine adäquate zeitverkürzte Methode zur Verfügung gestellt, umeine die Nutzungsdauer von bis zu 15 Jahren zu simulieren. Im Wärmeumluftschrank/ Umluftofen treten schließlich zwei verschiedene Veränderungen auf:Zum einen kann sich eine Versprödung der Oberfläche mit Schuppenbildung ein-stellen. Zum anderen tritt eine Änderung der Festigkeit auf. Diese wird durch leichtesBiegen der Prüflinge überprüft. Bricht dabei der Probestab, ist die Gebrauchseigen-schaft der Festigkeit nicht mehr gegeben. Sowohl Oberflächenveränderung, als auchBruch können unabhängig voneinander in Erscheinung treten, aber jeder der Fakto-ren gilt als Ausfallkriterium. Die geforderten Oxidations-Stabilitäten (Zeitpunkt derbeginnenden Veränderung der Probekörper) liegen je nach Applikation und Automo-bilhersteller zwischen 168 Stunden und 1000 Stunden.


Additivierung

Zur positiven Beeinflussung der Verarbeitungseigenschaften, der Struktur und derEigenschaften des Endprodukts werden daher bei der Compoundierung Additive(Hilfsstoffe) hinzu gegeben./12/ Zu diesen Additiven gehören u.a.: verschiedenartigeStabilisatoren, Gleitmittel, Füllstoffe, Antiblockmittel, Trennmittel, Haftvermittler, Ver-stärkungsmittel sowie Antistatika. Untersucht wurde der Einfluss der Stabilisatoren:

Thermo-StabilisatorenSie werden zum einen eingesetzt, um eine ausreichende Wärmestabilität der Form-masse bei der Verarbeitung (Verhinderung des thermischen Abbaus) zu erreichen.Hier sind die hohen Verarbeitungstemperaturen ausschlaggebend für die Reaktio-nen, die den Kunststoff verändern können. Zum anderen bewirken sie eine thermi-sche Oxidationsbeständigkeit (Wärmealterungsbeständigkeit). Diese beschreibt dieStabilität von Formmassen oder Formstoffen bei Lagerung in der Wärme unter Luft-zutritt. Die thermische Oxidation erzeugt im Kunststoff sauerstoffha ltige Gruppen.

Co-StabilisatorenSie zersetzen Hydroperoxide, die bei der Autooxidation von Polymeren entstehen.Daher werden sie oft in Kombination mit phenolischen Antioxidantien (Oxidations-Stabilisatoren) eingesetzt. Grundsätzlich können die Co-Stabilisatoren in zwei Grup-pen unterteilt werden.Schwefelhaltige Co-Stabilisatoren zeigen eine leistungsmindernde Wechselwirkungmit UV-Stabilisatoren der HALS-Gruppe. Mit phenolischen Antioxidantien wirken siejedoch synergetisch zusammen.Phosphitische Co-Stabilisatoren zeigen keine, oder nur sehr geringe Wechselwirkungmit den UV-Stabilisatoren der HALS-Gruppe.

AntioxidantienDurch ihren Einsatz werden Polymere, insbesondere Polyolefine, vor oxidativerSchädigung geschützt. Sie verhindern Verfärbung, Abbau und /oder Vernetzung derKunststoffe während der Verarbeitung und sichern den Fertigartikeln ein hohes Ni-veau an Gebrauchseigenschaften. Antioxidantien verhindern die ästhetische Verän-derung der Kunststoffoberfläche wie durch Vergilbung, Entfärbung, Anlaufen odermikrofeine Risse. Nach den Oberflächenveränderungen treten mechanische Verän-derungen auf, wie z.B.: Nachlassen der Festigkeit, Dehnbarkeit, Biegsamkeit undanderen Eigenschaften.

Licht- und UV-StabilisatorenSie verhindern den Abbau durch Oxidation, Licht- und UV- Strahlung. Die Abbaume-chanismen kommen dadurch zustande, das die Energie des eintreffenden Lichtsgrößer ist, als die chemische Bindungsenergie des Polymers. UV-Absorber wandelndabei die schädliche UV-Strahlung in weniger schädigende langwellige Wär-mestrahlung um. Weiterhin ist die Stoffklasse der sterisch gehinderten Amine (HALS)in synergetischer Wechselwirkung mit anderen Komponenten von hervorragenderBedeutung. Die HALS reagieren dabei mit den freien Radikalen der Polymer-Degradation. Ihr Einsatz ist besonders angezeigt bei hellen Produkten, bei denenkein Ruß eingesetzt werden kann.


GleitmittelThermoplastische Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen mit hohem Molekular-gewicht, daher sind ihre Schmelzen sehr zähflüssig. Während der Verarbeitung (z.B.Spritzguss, Extrusion) bereitet die hohe Schmelzviskosität durch auftretende Kle-beeffekte und Scherungen des Materials häufig erhebliche Probleme. So könnenSchmelzbrucherscheinungen die physikalischen und technischen Eigenschaften ver-ändern, was sich insbesondere bei den technischen Kunststoffen nachteilig auswirkt.Gleitmittel haben aber nicht nur die Aufgabe die Rheologie der Kunststoffschmelzezu justieren, sondern daneben auch die Schädigung des Polymeren herabzusetzen.Indirekt tragen die Gleitmittel deshalb auch zur Stabilisierung des Kunststoffes bei,da sie die Materialbelastung herabsetzen und einem Molekulargewichtsabbau ent-gegenwirken.Die wichtigsten Eigenschaften der Gleitmittel hängen von der Struktur (Molekülauf-bau, Molekulargewicht) und von der Polarität im Verhältnis zum Kunststoff ab.

Vergleich der AdditiveDie Angaben der Hersteller über die Wirkweise und Zusammensetzung über ihre Ad-ditive sind recht verwirrend und nicht ausreichend konkret. Daher musste zunächstein Vergleich durchgeführt werden, der die einzelnen Additive direkt und eindeutigvergleichbar macht. Dabei fiel auf, das trotz der ungenauen und oft widersprüchli-chen Eigenschaftsbeschreibungen der einzelnen Hersteller einige Stabilisatoren di-rekt vergleichbar sind. Das Ergebnis der Recherche ist in Tabellenform in der Abbil-dung im Anhang 1 dargestellt.

Die auf dem Laborextruder (15-25 kg/h) erzielten Ergebnisse wurden auf einem Pro-duktionsextruder (750-1250 kg/h) nachgestellt, da beim Produktionsextruder Unter-schiede bestehen in:

• Höherer thermischer- und mechanischer Belastung durch längeren Verfah-rensweg (Labor 24D, Neuware 34D, Rezyklat 39/42D + Schmelzefilter)

• Bessere Dispergierung des Produktes• Veränderte Reaktionszeiten der Stabilisatoren• Erweiterte Möglichkeiten, flüchtige Komponenten (Gleitmittel, kurzkettige -

meist geruchsintensive - Kohlenwasserstoffe) über atmosphärische Entgasungund Vakuum (Hochvakuum durch Roots-Gebläse) abzuziehen

• höhere thermische Belastung durch größere Friktion und geringere spezifischeKühlleistung

Um eine Aussage über die realen Verhältnisse in der Praxis des Produktionsextru-ders treffen zu können, wurden Mengen in der Größenordnung von mehreren 100 kgje vorselektierter Rezeptur gefahren. Um einen Überblick über die Quantitäten derverwendeten Rohstoffe und Additive und deren Preisanteil an einem Compound(Bsp. PP/EPDM-Talkum) zu geben, sind beide Faktoren in untenstehender Abbildungaufgeführt. Es sind gravierende Unterschiede im Kostenaufwand erkennbar. Aus die-sem Grund gilt es, nur die wirklich benötigte Menge an Additiven einzusetzen. Au-ßerdem kann es passieren, das durch eine Überdosierung der Additive die Eigen-schaften des Compounds negativ beeinflusst werden.


Wert / Gewicht-Relation der Bestandteile eines Compounds

Einflussfaktor Verarbeitungsparameter

Der Einfluss der Verarbeitungsparameter wurde im Rahmen des Projektes nicht sy-stematisch untersucht. Generell ist jedoch festzuhalten, dass bei hohen Materialbela-stungen in der Verarbeitung Abbauprodukte entstehen, die das Geruchsbild negativbeeinflussen.

Insofern ist bei der Herstellung und Verarbeitung von geruchsoptimierten Com-pounds auf Rezyklat-Basis auf schonende Prozessparameter zu achten, insbesonde-re auf:

• Lange Verweilzeiten im Compoundierextruder bei niedrigen Massetemperatu-ren

• Niedrige Schneckendrehzahl (auch bei tendenziell höherem Drehmoment)• Möglichst zweifache Entgasung (atmosphärische Entgasung und Vakuument-

gasung)

Insbesondere die intensive Vakuumentgasung bietet die Möglichkeit, einen Großteilder flüchtigen Komponenten (u.a. kurzkettige, meist geruchsintensive Kohlenwasser-stoffe) abzuziehen. Zusätzlich ist bei besonders sensiblen Produkten eine Stickstoff-beaufschlagung des Compoundierextruders möglich.

7 0 , 0 %

3 3 , 0 %

1 5 , 0 %

1 0 , 0 %

2 1 , 0 %

2 9 %

4 ,0%

4 , 0 %

1 , 8 % 1 , 2 % 6 , 0 % 1 , 2 %

2 , 0 % 0 , 5 %

1 , 0 % 0 , 3 %

G e w i c h t W e r t

U V -S t a b i l i s a to r

G l e i t m i t t e l

T r e n n m i t t e l

F a r b p i g m e n t e

E P ( D ) M

T a l k u m

P o l y p r o p y l e n

W ä r m e s t a b i l i s a t o r

W e r t / G e w i c h t- R e l a t i o n e i n e s C o m p o u n d s


Einflussfaktor Nachbehandlung

Die Nachbehandlung - in erster Linie durch Tempern - ist aufgrund wirtschaftlicherBetrachtungen für eine Serienfertigung ungeeignet. Im Rahmen des Projektes wur-den zur Untersuchung der grundsätzlichen Einflussmöglichkeiten eine Versuchsreihemit ungetemperten und getemperten Materialien verglichen. Es ist zu erkennen, dassmittels Nachbehandlung durch Tempern das Geruchsbild um ca. 1 Note verbessertwerden kann.

Die in dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse bilden eine der Grundlagen zum Ein-satz von Rezyklaten im Fahrzeuginnenraum. Hiermit können die wirtschaftlichenVorteile, die Compounds auf Rezyklat-Basis bieten, auch für Innenraumanwendun-gen genutzt werden. Bei der Adam Opel AG konnte eine Freigabe für zwei Pilotan-wendungen Düse Defroster (PP T 20) und Gehäuse Handschuhkasten (PP/EPDM T20) erreicht werden. Parallel dazu wird zur Zeit versucht, bei weiteren Automobilher-stellern entsprechende Freigaben zu erreichen.Bei den Projektpartnern DC und BMW konnten ebenfalls einige Freigaben für Rezy-klate erreicht werden, die in weiteren Schritten in Applikationen umgesetzt werdenkönnen.

Der Einsatz von Rezyklaten wird trotz erreichter Freigaben bei einzelnen Automobil-herstellern insbesondere dadurch erschwert, dass die Systemlieferanten (hier:Spritzgussverarbeiter) in der Regel für verschiedene Automobilhersteller tätig sindund bedingt durch Lagerkapazität und Kapitalbindung bei ihrer Rohstoffauswahl dar-auf achten, die Rohstoffvielfalt zu reduzieren. Das bedeutet für den Einsatz von Re-zyklaten, dass diese nur zum Einsatz kommen, wenn hierdurch ein vorhandenerRohstoff komplett substituiert werden kann, was entweder eine Massenapplikation(z.B. Radhausschalen) mit niedriger Wertschöpfung oder eine Freigabe mehrererAutomobilhersteller für das gleiche Rezyklat bedeutet.Darüber hinaus besteht bei vielen Spritzgießern die Angst, durch Rezyklateinsatzerreichte Kosteneinsparungen direkt an den Automobilhersteller weitergeben zumüssen. Was sich dann durch geringere Abnahmemengen bei den Neuwareherste l-lern negativ in gegebenenfalls vereinbarten Jahresboni für den Spritzgussbetriebauswirkt.


Beschreibung der durchgeführten Prüfungen

Um Kunststoffe verarbeiten zu können, benötigt der Verarbeiter Auskunft über dieQualität der Formmassen. Das Eigenschaftsbild wird über die entsprechenden Vor-gabewerte spezifiziert.

Zugversuch (ISO 527)Bestimmung der Zugeigenschaften nach EN ISO 527-1

Dieses Verfahren wird verwendet, um das Zugverformungsverhalten von Probekör-pern zu untersuchen und die Zugfestigkeit, den Zugmodul und andere Gesichts-punkte der Zugspannungs-/Dehnungs-Beziehungen unter festgelegten Bedingungenzu ermitteln./2/Bis zum Erreichen der Messpunkte zur Berechnung des E-Moduls wird mit einerPrüfgeschwindigkeit von 1 mm/min und danach mit 50 mm/min geprüft. (aus CAM-PUS-Datenbank)

Die Prüfungen wurden an Probekörpern des Typs 1A durchgeführt.

Bild: Probekörper nach EN ISO 527-1Der Zugversuch dient zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei einachsiger,gleichmäßig über den Querschnitt verteilter Zugbeanspruchung. Dazu wird eine Zug-probe gleichmäßig und stoßfrei gereckt, bis der Bruch eintritt, und dabei Belastung


und Verlängerung der Probe laufend gemessen. Charakteristische Größen beimZugversuch sind:• Dehnung ε ist die auf die ursprüngliche Messlänge l0 bezogene Längenänderung

in Prozent (%) zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Versuchs.• Zugfestigkeit σB ist die Zugspannung bei Höchstkraft.• Reißfestigkeit σR ist die Zugspannung im Augenblick des Reißens.• Streckspannung σS ist die Spannung, bei der die Steigung der Kraft-

Längenänderungs-Kurve zum erstenmal gleich Null wird.Um Werkstoffkennwerte zu erhalten, d. h. Werte, die nur vom Werkstoff abhängenund nicht von den Abmessungen der Probe, bezieht man die Kraft auf den Proben-querschnitt und die Verlängerung auf die Probenlänge und gelangt so zum Span-nungs-Dehnungs-Diagramm (σ−ε-Diagramm):

Auf der Abszisse (X-Achse) ist die Dehnung ε = =

−∆L L

LL

L0

0

0 aufgetragen; darinsind ∆L die Verlängerung, L0 die Ausgangsmesslänge und L die jeweilige Messlän-ge.Auf der Ordinate (Y-Achse) ist die auf den Ausgangsquerschnitt A0 bezogene Prüf-

kraft F, die sogenannte Nennspannung σ =

F

A0 aufgetragen.Im ersten, steilen Teil des Diagramms steigt die Spannung proportional zur Dehnung:

Hookesches Gesetz: σ = Ε ∗ ε oder Ε =

σε

N

mm2

.

Diese Gleichungen gelten nur im Bereich rein elastischer Verlängerung. Der in Ihnenauftretende Proportionalitätsfaktor E wird Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul ge-nannt. Der E-Modul (ISO 527) hat die Einheit einer Spannung. Er ist ein Maß für denWiderstand, den ein Werkstoff seiner elastischen Verlängerung entgegensetzt.

FestigkeitskennwerteAls Festigkeitskennwerte kennt man u. a. die Proportionalitätsgrenze, Elastizitäts-grenze, Streckgrenze und die Zugfestigkeit:• Die Proportionalitätsgrenze σP ist die Spannung, bis zu welcher die Spannung

proportional zur Dehnung ansteigt. Da sie nur sehr schwer genau zu ermitteln ist,wird auf ihre Bestimmung verzichtet.

• Als Elastizitätsgrenze σE wird diejenige Spannung bezeichnet, bei der erstmaligeine bleibende Dehnung auftritt.

• Dicht oberhalb σE zeigt das Diagramm eine Unstetigkeit: Bei gleichbleibenderSpannung tritt eine merklich bleibende Dehnung ein. Man nennt diese Spannungdie Streckgrenze σS. Zur Ermittlung der Streckgrenze wird bei Stillstand oderRückgang der Lastanzeige der vom Schleppzeiger festgehaltene Wert abgelesen.

Nach Überschreiten der Streckgrenze dehnt sich die Zugprobe gleichmäßig auf ihrerganzen Länge. Dabei strebt das σ−ε-Diagramm einem Spannungshöchstwert zu.

Diese höchste bis zum Bruch auftretende Nennspannung ist die Zugfestigkeit σB:


BFA mm

Nσ =

max

02

Fmax = Maximalkraft; A0 = ursprüngliche Querschnittsfläche

Beziehung zwischen Kraft-Längenänderungs-Diagramm und Spannungs-Dehnungs-Diagramm:

Kraft-Längenänderungs-Diagramm

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Berechnung

∆l in Millimeter [mm] ε in %(Dehnung) ε = •

∆l

l0

100%

Fmax in Newton [N] σB in N/mm2(Zugfestigkeit) B

FA

σ = max

0

FR in Newton [N] σR in N/mm2(Reißfestigkeit) R

RFA

σ =0

FS in Newton [N] σS in N/mm2(Streckspannung) S

SFA

σ =0

A0 = ursprüngliche Querschnittsfläche Fmax = Maximalkraft∆l = Längenänderung FR = Reißkraftl0 = Ursprungslänge FS = Kraft an der Streckgrenze

Als Maß dafür, wie weit ein Werkstoff ohne nennenswerte bleibende Verformungausgenutzt werden kann, wird häufig das Streckgrenzenverhältnis σS/σB angege-ben.Nach Erreichen des Höchstwertes der Prüfkraft beginnt die Probe, sich an irgendei-ner (vielleicht zufällig schwächeren) Stelle einzuschnüren. Die weitere Dehnung voll-zieht sich dann nur noch in der Einschnürstelle und ihrer Umgebung: Einschnürdeh-nung. Nach dem Bruch werden beide Teile der Probe zusammengelegt und die

Bruchdehnung δ δ δ= + =g e

BLL

∆0 ermittelt. Darin sind δg die Gleichmaß-

dehnung, δe die Einschnürdehnung und ∆LB die bleibende Verformung nach demBruch.

Biegeversuch (DIN 53452)Der Biegeversuch dient der Erfassung der Festigkeits- und Formveränderungseigen-schaften von Kunststoffen:

• Dreipunktbiegung• Vierpunktbiegung

Die Prüfungen erfolgten an einer Universal-Prüfmaschine Typ 81801 der FirmaFRANK: Die Prüfungen werden durch integrierte Software aufgezeichnet und könnenüber einen angeschlossenen Bildschirm und Drucker ausgegeben werden.


Es werden von jedem Material jeweils 5 Probekörper geprüft. Die Probekörper wur-den 96 Stunden zwischen dem Abspritzen und der Prüfung gelagert.

Prüfung nach EN ISO 527-1Prüfgerät: Frank Universalprüfmaschine Typ 81801

mit AuswertesoftwareProbekörper: Zugprüfstäbe 1AHerstellverfahren der Probekörper: SpritzgussAnzahl der Proben: 5 Proben je MaterialPrüfparameter: Prüfgeschwindigkeit: 1 bzw. 50 mm/min

Messlänge: 50 mmWerkstoffe: - Mahlgut nach Dichtetrennung

- RegranulatKlima: RT: 23°C

r.F.: 54 %

Schlagbiegeversuch (DIN 53453, ISO 179)Zur Ermittlung der Schlagbiegezähigkeit und Kerbschlagzähigkeit wird ein Pendel-schlagwerk verwendet. Gemessen wird die zum Bruch führende Schlagarbeit, bezo-gen auf den Probenquerschnitt. Das Prüfverfahren wird benutzt, um die Sprödigkeitoder Zähigkeit von festgelegten Probekörpern innerhalb der Grenzen der Prüfbedin-gungen zu untersuchen./3/

• Schlagzähigkeit (Charpy)n

nAm mmb hJ

odermJ

α =•

2 2

• Kerbschlagzähigkeit (Charpy)k

kAm mmb hJ

odermJ

α =•

2 2

Zur Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit werden drei Kerbarten verwendet:1. U-Kerbe2. Doppel-V-Kerbe3. Loch-Kerbe

Charpy-Schlagzähigkeit acU:Die beim Bruch eines ungekerbten Probekörpers aufgenommene Schlagarbeit, be-zogen auf die Anfangsquerschnittsfläche des Probekörpers. Sie wird in Kilojoule jeQuadratmeter (kJ/m2) angegeben.

Charpy-Kerbschlagzähigkeit acA:Die beim Bruch eines gekerbten Probekörpers aufgenommene Schlagarbeit, bezo-gen auf die Anfangsquerschnittsfläche des Probekörpers an der Kerbe, mit derKerbform A. Sie wird in Kilojoule je Quadratmeter (kJ/m2) angegeben.

Die Messung erfolgte an jeweils 10 Probekörpern. Diese sind den Norm-Zugprüfstäben entnommen und weisen die Maße der Probekörper-Typ 1 auf. DiePendel wurden für jeden Werkstoff so ausgewählt, dass die aufgenommene Arbeitzwischen 10 % und 80 % des Arbeitsvermögens des Pendels liegt.


Es wurde zuerst ein Leerversuch für jedes Pendel durchgeführt, um den Reibungs-verlust zu ermitteln und die aufgenommene Arbeit korrigieren zu können.

Prüfung nach EN ISO 179Prüfgerät: Frank Pendelschlagwerk Typ 53302Probekörper: Probekörper Typ 1

aus ZugprobekörpernMaße: Länge: 80 mm

Breite: 10 mmDicke: 4,0 mm

Herstellverfahren der Probekörper: SpritzgussAnzahl der Proben: 10 Proben je WerkstoffWerkstoffe: - Mahlgut nach Dichtetrennung


r.F.: 54 %

Vicat-Erweichungstemperatur (VST) nach EN ISO 306

Für den technischen Einsatz von Kunststoffen ist die Wärmeformbeständigkeit sehrwichtig. Hier: Bestimmung nach Vicat. Die Vicat-Temperatur ist die Temperatur, beider ein belasteter Stab mit einer Stirnfläche von 1mm, bei einer Kraft von 10N oder50N und einer Heizrate von 50°C/h, 1mm tief in eine Kunststoffprobe eingedrungenist. /4/

Es werden Probekörper mit 10 mm Seitenlänge und einer Dicke von 4mm aus denNormprüfstäben herausgeschnitten. Diese werden unter die Eindringkörper desMessgerätes gelegt. Das Messgerät der Karl Schröder KG besteht im wesentlichenaus einem Stab mit Gewichtsauflager, einem Wärmeofen, welcher die vorgeschrie-benen Heizraten erfüllt, einer am Stab angebrachten Eindringspitze und der kali-brierten Messuhr, die die Eindringtiefe misst. Die Messungen beginnen immer bei23°C (RT).

Prüfung nach EN ISO 306Prüfungen nach Vicat A50 bzw. Vicat B50Prüfgerät: Vicat-Erweichungstemperatur-Messgerätder Karl Schröder KGProbekörper: Probekörper aus Normprüfstäben ausge-schnittenMaße: 10 x 10 x 4 mmHerstellverfahren der Probekörper: SpritzgussAnzahl der Proben: 2 je Material Werkstoffe: - Mahlgut nach Dichtetrennung


r.F.: 54 %


Schmelzvolumenrate (ISO 1133)Die Schmelzvolumenrate gibt das Volumen einer Thermoplastschmelze in cm³ an,die innerhalb von 10 Minuten bei festgelegter Kolbenkraft und Massetemperaturdurch eine genormte Düse gedrückt wird.Die Bestimmung des Schmelzindex MFR bzw. MVR nach ISO 1133 dient der Beur-teilung des Fließverhaltens von Thermoplasten unter bestimmten Druck- und Tempe-raturbedingungen. /5/Es wird eine bestimmte Probenmenge in dem auf Prüftemperatur aufgeheizten Prüf-zylinder aufgeschmolzen und nach einer gewissen Verweilzeit im Zylinder durch dieDüse gedrückt. Die Prüftemperatur und das Prüfgewicht sind abhängig von dem ver-wendeten Werkstoff.

Prüfung nach DIN ISO 1133Prüfgerät: Göttfert MFI-Prüfgerät Typ 011.5Proben: - Regranulat

- MahlgutPrüfparameter: - Polyolefine

Prüftemperatur: 230°CBelastung: 2,16 kpVerweilzeit: 4 minAnzahl der Messwerte: 40- PolycarbonatPrüftemperatur: 300°CBelastung: 1,2 kpVerweilzeit: 4 minAnzahl der Messwerte: 40

Klima: RT: 23°Cr.F.: 54 %


Messergebnisse der Materialprüfung am Beispiel PC aus Streuscheiben

Polycarbonat 1: Makrolon 2805 bzw.Makrolon 2647 von Bayer /8/

Beschichtung: UVT 200 Q1 (Redspot)

Prüfung Ist-Wert Soll-Wert Einheit Bedingungen

Dichte 23°C 1,20 1,2 g/ml

MVR 24,9 10 cm3/10min 300°C / 1,20 kp

MFR 29,8 12 g/10min 300°C / 1,20 kp

Trockenverlust 0,34 % 105°C / 15min

Schlagfestigkeit AU NB NB kJ/m² 23°C

Schlagfestigkeit AK 8,1 - kJ/m² 23°C

Schlagfestigkeit AK 5,7 - kJ/m² -30°C

E-Modul Zug 2381 2400 Mpa 1 mm/min

Streckspannung 65,8 63 Mpa 50 mm/min

Streckdehnung 6,6 6 % 50 mm/min

Reißfestigkeit 50,5 Mpa 50 mm/min

Reißdehnung 56,0 >50 % 50 mm/min

Vicat B50 143 144 °C 50°C/50 N

Polycarbonat 2: Makrolon 2805 von BayerLexan von GE (keine weiteren Angaben bekannt)

Beschichtung: PHC 587 (GE) auf Silikonbasis

Prüfung Ist-Wert Soll-Wert Einheit Bedingungen

Dichte 23°C 1,19 1,2 g/ml

MVR 24,36 10 cm3/10min 300°C / 1,20 kp

MFR 28,9 12 g/10min 300°C / 1,20 kp

Trockenverlust 0,32 % 105°C / 15min

Schlagfestigkeit AK 6,9 - kJ/m² 23°C

Schlagfestigkeit AK 5,0 - kJ/m² -30°C

E-Modul Zug 2570 2400 Mpa 1 mm/min

Streckspannung 65,6 63 Mpa 50 mm/min

Streckdehnung 6,3 6 % 50 mm/min

Reißfestigkeit 52,9 Mpa 50 mm/min

Reißdehnung 83,0 >50 % 50 mm/min

Vicat B50 143 144 °C 50°C/50 N


Zusammenfassung

Das Ziel des Projektes war es ein geeignetes Trennverfahren zu finden, um komple-xe Baugruppen zu erkennen und zu trennen.Die zunächst betrachteten bestehenden Trennverfahren, Dichtetrennung, elektrosta-tische Trennung, NIR-Spektroskopie und opto-elektronische Detektion sind alleinenicht in der Lage ein Vielstoffgemisch, wie es z.B. in Scheinwerfern anzutreffen ist, inhoher Sortenreinheit und Ausbeute zu trennen.

Eine Kombination aus mindestens zwei dieser Verfahren ist notwendig, um eine aus-reichende Anreicherung der gewünschten Fraktionen zu erzielen. Am Beispiel derScheinwerfer-Aufarbeitung wurde aufgezeigt, dass es sinnvoll ist, nach dem Schred-dern eine Trennung mittels IR-Spektroskopie vorzuschalten, um die Komponente PCschon zu großen Teilen zurückzugewinnen. Die integrierte Entlackung unterstützthierbei einen hochwertigen Wiedereinsatz der getrennten Kunststoffe, da Verunrei-nigungen durch Lackreste oder Dichtungsmassen entfernt werden. Die schlechteErkennung der geschwärzten PP-Fraktionen mittels IR-Spektroskopie kann z.B.durch eine nachfolgende Abtrennung im Hydrozyklon-Verfahren kompensiert werden.

Die im Rahmen des Projektes „Aufbereitung komplexer Baugruppen aus Alt-Kfz’sdurch identifizierende Verfahren“ konzipierte Aufbereitungsanlage ermöglicht durchihren Aufbau

• Vorzerkleinerung• Vorsortierung• Entlackung und Aufrauhung• Erkennung NIR kurzwellig• Erkennung NIR langwellig

somit die bislang nicht mögliche Aufbereitung vieler komplexer Kunststoffbaugruppenund bietet somit neue Rohstoffquellen für das Recycling. Weiterer Verbesserungsbe-darf besteht in der Erkennung tief geschwärzter Kunststoffe sowie in der Ausdüsungder erkannten Kunststoffe.

Die erhaltenen Kunststofffraktionen liegen danach vorzerkleinert und in Reinheitenvon mehr als 90 Prozent vor. Diese Shredderqualitäten können auf bestehendenAufbereitungsanlagen danach auf Mahlgutgröße zerkleinert und erforderlichenfallsnachgetrennt werden, um dann in Extrusionsanlagen zu Rezyklaten / Regranulatencompoundiert zu werden.Durch die Sortenreinheit der Shredderqualität werden unnötige Transporte von nichtcompoundierbaren Bestandteilen reduziert (PUR, Duromere, Metalle).


ANHANG 1

Vergleichsliste der eingesetzten Stabilisatoren

Hersteller Ciba Geigy Great Lakes Clariant 3 VThermo-Stabilisator

Produkt Irganox 1010 [1] Anox 20 [1] Hostanox O 10 [1]Chem. Bez. Pentaerythyl-tetrakis[3-(3,5-di-tert.-

butyl-4-hydroxyphenyl)proprionatTetrakismethylene(3,5-di-t-butyl-4-hydroxy hydrocinnamate)methane

Pentaerythyl-tetrakis[3-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)proprionat

Summenformel C73H108O12 C73H108O12 C73H108O12Bemerkung Sterisch gehindertes phenolisches

AntioxidansPhenol Phenol

Co-StabilisatorProdukt Irganox PS 802 [2] Lowinox DSTDP [2] Hostanox SE 4 [2]Chem. Bez. Dioctadecyl 3,3`-thiodiproprionate Di-stearyl-3,3`-thio-

diproprionateß,ß`-Thio-di(propion säurestearylester)

Summenformel C42H82O4S C42H82O4S C42H82O4SBemerkung Thiosynergetischer

Hitzestabilisator, Synergie mit phenolischen Antioxidantien

Thioester antioxidans, Synergie mit phenolischen Antioxidantien

Schwefelhaltig, synergetische Wirkung mit phenolischen Antioxidantien

Produkt Irgafos 168 [3] Alkanox 240 [3] Hostanox Par 24 [3] Alvinox P [3]Chem. Bez. Tris(2,4-di-tert-

butylphenyl)phosphitTris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphit

Tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphit

Tris(2,4-di-tert-butylphenyl) phosphit

Summenformel C42H63O3P C42H63O3P C42H63O3P C42H63O3PBemerkung Hydrolyse-stabiler Phosphit-

Prozess-StabilisatorAryl phosphite (für Lebens- mittel geeignet (FDA))

festes aromatisches Phosphit Sterisch gehindertes Phosphit (Organophosphit)

Oxidations-Stabilisator-BlendsProdukt Irganox 3114 [4] Alvinox FB [4]Chem. Bez. 1,3,5-tris(3,5-di-tert-butyl-4-

hydroxybenzyl)-1,3,5-triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-trione

1,3,5-Triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-tri one,1,3,5-tris[[3,5-bis-(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxyphenyl]methyl]

Summenformel C48H69N3O6 C48H69N3O6Bemerkung Sterisch gehindertes Phenol Sterisch gehindertes Phenol

UV - StabilisatorProdukt Tinuvin 327 [a] Lowilite 27 [a] Uvasorb S 27 [a]Chem. Bez. 2,4-di-tert-butyl-6-(5-chlorobenzo

triazol-2-yl) phenol2-(2`-hydroxy-3`,5`-ditertbutyl phenyl)-5-chlorobenzotriazole

Keine Angaben

Bemerkung Hydroxyphenylbenzotriazol, Synergie mit HALS-UV-Stabis.

Benztriazol Keine Angaben

Produkt Tinuvin 326 [5][b] Lowilite 26 [5] Uvasorb S 26 [5]Chem. Bez. Phenol,2-(5-chloro-2H-

benzotriazole-2-yl)-6-(1,1dimethylethyl)-4-methyl

2-(2`-hydroxy-3`-tert.-butyl-5`-methylphenyl)-5-chloro-benzotriazole

2-(3`-tert-butyl-2`-hydroxy_5`- methyl phenyl)-5-chlorobenzotriazole

Summenformel C17H18N3OCL C17H18N3OCL C17H18N3OCLBemerkung Synergie m. HALS-UV-Stabis. Benztriazol BenztriazolProdukt Tinuvin 770 FD [6] Lowilite 77 [6] Uvasorb HA77 DF [6]Chem. Bez. Bis(2,2,6,6,-tetramethyl-4-

piperidinyl)-sebazatBis(2,2,6,6,-tetramethyl-4-piperidinyl)-sebazat

Bis(2,2,6,6,-tetramethyl-4- piperi dinyl)-sebazat

Summenformel C26H52N2O4 C26H52N2O4 C26H52N2O4Bemerkung HALS m. niedrigem Molekulargew. Sterisch gehindertes Amin Sterisch gehindertes AminProdukt Chimassorb 944[7] Uvasorb HA 88 [7]Chem. Bez. Poly[[6-[(1,1,3,3,-tetramethylbutyl)

amino]-1,3,5-triazine-2,4-diyl][(2,2, 6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]-1,6hexanediyl[(2,2,6,6,-tetramethyl-4-piperidyl)imino]]

1,3-Propanediamine,N,N-1,2-ethanediylbis-,polymer with 2,4,6-triochloro-1,3,5-triazine, reaktion produkts with N-butyl-2,2,6,6-tetramethyl-4-piperdinamine

Bemerkung Hochmolekulares HALS mit geringer Flüchtigkeit

Oligomeres sterisch gehindertes Amin (mit polymerer Struktur)

Produkt Recyclossorb 550 Hostavin N20Chem. Bez. keine Angaben 2,2,4,4 Tertamethyl-7-oxa-3,

20diaza-dispiro[5.1.11.2]-heneicosan-21-onNiedermolekularer HALSsterisch gehindertes

Produkt Recyclostab 451 Hostavin N30Chem. Bez. keine Angaben Keine AngabenBemerkung Blend: Phenolische Antioxidantien

+ Co-Stabilisatorenhochmolek. sterisch gehindert. Aminderivat, oligomerer HALS

Legende:[1], [2], [3], [4], [5], [6] Physikalisch und chemisch 100% identisch (Strukturformelvergleich, CAS-Nr., Molekulargewicht)[7] Identische Anwendung, physikalisch 100% identisch, chemisch verwandt[a] Für Anwendung nicht bei Lebensmitteln [b] Für Anwendung bei Lebensmitteln

Bemerkung Blend: Licht-Stabilisatoren + Antioxidantien + Co-Stabilisatoren


Literaturverzeichnis

/1/ Dr. Johannes Brandrup / Dr.-Ing. Muna Bittner / Prof. Dr.-Ing. Walter Michaeli /Prof. Dr.-Ing. Georg Menges (Hrsg.) : Die Wiederverwertung von Kunststoffen, Mün-chen, Wien, Hanser, 1995, S. 140-180

/2/ NN: Bestimmung der Zugeigenschaften, EN ISO 527-1, Brüssel, CEN-Europäisches Komitee für Normung, 1996

/3/ NN: Bestimmung der Charpy-Schlagzähigkeit, EN ISO 179, Brüssel, CEN-Europäisches Komitee für Normung, 1996

/4/ NN: Bestimmung der Vicat-Erweichungstemperatur (VST), EN ISO 306, Brüs-sel, CEN-Europäisches Komitee für Normung, 1996

/5/ NN: Bestimmung des Schmelzindex, EN ISO 1133, Brüssel, CEN-Europäisches Komitee für Normung, 1996

/6/ Joachim Harder / Hans-Dieter Reifenrath: Polycarbonat (PC), in: KU Kuns t-stoffe, Jahrg. 89 (1999) 10, S. 80-86

/7/ A.K. Bledzki / C. Barth / H. Hähnsen / P. Orth: Kontaminanten in Polycarbonat,in: KU Kunststoffe, Jahrg. 87 (1997) 9, S. 1124-1130

/8/ NN: Makrolon 28xx-Typenreihe, Bayer, Geschäftsbereich Kunststoffe, ATI8004 d/e

/9/ NN: Dichtungsmaterialien für den Einsatz mit Makrolon, Bayer, Geschäftsbe-reich Kunststoffe, ATI 245 d/e

/10/ NN: Verordnung über die Entsorgung von Altautos und die Anpassung stra-ßenverkehrsrechtlicher Vorschriften, 04.07.1997

/11/ Campus-Datenbank 4.0

/12/ Gächter/Müller: Kunststoffadditive, Hanser Verlag (1979), ISBN: 3-446-12914-6


Deckblatt Abschlußbericht.........................................................1

Einleitung ..................................................................................2

Darstellung der Aufgaben und Ergebnisse................................3

Trennverfahren.......................................................................3Dichtetrennung ....................................................................................................................... 3Dichtetrennung über Schwimm-/Sinkverfahren ..................................................................... 4Dichtetrennung über Hydrozyklone ........................................................................................ 4Dichtetrennung über Sortierzentrifuge CENSOR ............................................................... 5Elektrostatische Trennung...................................................................................................... 5Walzenscheider ...................................................................................................................... 6Hamos-Walzenscheider ......................................................................................................... 6Freifallscheider ....................................................................................................................... 7Detektionsverfahren................................................................................................................ 7Opto-elektronische Detektion ................................................................................................. 8NIR-Spektroskopie.................................................................................................................. 8MIR-Spektroskopie ................................................................................................................. 9Röntgenkleinwinkelstreuung .................................................................................................. 9Gegenüberstellung der untersuchten Trennverfahren......................................................... 10Die PC-Kunststoffaufbereitungsanlage besteht aus: ........................................................... 131. Vorzerkleinerung und Grobmetallabtrennung .................................................................. 132. Trockenaufbereitung......................................................................................................... 133. Die Nassaufbereitung ....................................................................................................... 144. Der Luft-Trenntisch........................................................................................................... 14

Komplexe Baugruppen.........................................................15Compoundierung der Versuchsmaterialien / Muster.............18Entwicklungsschritte ............................................................................................................. 19Additivierung ......................................................................................................................... 22Einflussfaktor Verarbeitungsparameter................................................................................ 24Einflussfaktor Nachbehandlung............................................................................................ 25

Beschreibung der durchgeführten Prüfungen..........................26

Zugversuch (ISO 527) .....................................................................26Festigkeitskennwerte........................................................................................................27

Biegeversuch (DIN 53452).................................................................28Schlagbiegeversuch (DIN 53453, ISO 179) ...............................................29Vicat-Erweichungstemperatur (VST) nach EN ISO 306...................................30Schmelzvolumenrate (ISO 1133) ..........................................................31Messergebnisse der Materialprüfung am Beispiel PC aus Streuscheiben ...............32

Zusammenfassung..................................................................33

ANHANG 1..............................................................................34

Literaturverzeichnis .................................................................35

Documents

„Aufbereitung komplexer Baugrup- pen aus Alt-Kfz´s durch … · 2015. 11. 13. · Sink-Scheider, durch Hydrozyklone und seit neuerem über Horizontal-Zentrifugen. Um eine Trennung