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Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung
Leitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll
Dr.-Ing. Stefan Hoyer
Forschungsbereich Extrusionstechnologien
und Recycling
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Zahlen und Fakten zu Elastomeren 1
Ausblick 6
Werkstoffliche Recyclingkonzepte 2
Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 3
Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 4
Sekundäranwendungen für Altreifen 5
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Zahlen und Fakten zu Elastomeren 1
Ausblick 6
Werkstoffliche Recyclingkonzepte 2
Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 3
Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 4
Sekundäranwendungen für Altreifen 5
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Kautschuk 58,9 %
Füllstoffe29,5 %
Weichmacher 4,7 %Andere 2,1 %
Vernetzungssystem
Schwefel 0,7 %
Aktivator 3,2 %
Beschleuniger 0,9 %
0
10
20
30
0 100 200 300 400
Span
nung
in M
Pa
Dehnung in %
… entsteht durch Vernetzung von Kautschuk
(Vulkanisation)
• Thermisch irreversible Vernetzung
• Vielzahl produktspezifischer Rezepturen
• Systemische Wechselwirkungen der
Mischungsbestandteile
E-Modul:
2,6 MPa
4,4 MPa
6,2 MPa
Hyperelastizität
Gummi (Elastomer)
Exemplarische Lkw-Laufflächenmischung
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30 Mio.t
0
10
20
30
1995 2000 2005 2010 2015
Glob
ale K
auts
chuk
prod
uktio
n in
Mill
lione
n To
nnen
-1,6%
4,8%6,5%6,7%
1,2%
7,7%
3,9%
-2,5%-3,1%
10,8%
7,3%
1,5%3,8%3,7%4,3%
Globale Kautschukproduktion 2000–2015
Verteilung nach Branchen
Weltweit; Naturkautschuk und synthetischer Kautschuk
Quelle: International Rubber Study Group; ID 317771
300 Mio. t Kunststoff (2013) 30 Mio. t
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Werkstoffliche Verwertung
sortenrein gemischt
Primär-anwendung
Sekundär-anwendung
Werkstoff bleibt erhalten
Thermische Verwertung
Energie
Zement
Werkstoff wird verbrannt
Rohstoffliche Verwertung
Pyrolyse Hydrierung
Gas Öl
Ruß
Gas
Öl
Werkstoff wird abgebaut
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Unzählige hersteller- und produktspezifische Rezepturen
→ Mischungsreinheit ist oberste Priorität für Recycling
Degradation während des Produktlebenszyklus
→ Rückführbarkeit gebrauchter Produkte ist eingeschränkt
Reifen
Vielstoffgemisch aus NR, SBR, IR, BR End-of-life Produkte (> 5 Jahre) Mengenmäßig stark relevant
Technische Elastomere
Produkte sind meist sortenrein Sammeln End-of-life Produkte kaum möglich Degradation des Werkstoffes problematisch
Sekundärprodukte Produktionsreststoffe
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3,4 Mio. t gebrauchte Reifen (~ 500 Mio. Stück)
Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt,
infoBlatt Abfallwirtschaft: Gebraucht- und Altreifen, 2013
7 %
43 %
46 %
4 %
Ingenieurbauten
Rezyklierung
Energetische Verwertung
Unbekannter Verbleib
Wiederverwendung
Export
Runderneuerung 2,8 Mio. t Altreifen (~ 414 Mio. Stück)
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Spritzguss
Ausschuss:
3–4 %
0
5
10
15
20
SBR
NR
EPD
M
NB
R
CR
ECO
VM
Q
AC
M IIR
AEM
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/EU
HN
BR
FKM
Kau
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01
3 in
€ (g
esch
ätzt
)
Sortenreine Rückführung in die Ausgangsmischung
Extrusion
Ausschuss:
8–10 %
Transferpressen
Ausschuss:
bis 80 %
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Kryogenvermahlung
Zerkleinerung durch
Prall und Schlag unterhalb der Glas-
übergangstemperatur (~ -70 °C)
Feinvermahlung
bis ~500 kg/hz. B. sortenreiner, innerbetrieblicher
Recyclingkreislauf
ab ~1.000 kg/hz. B. Altreifen oder Misch-
verarbeitung verschiedener Sorten
Vorzerkleinerung und ggf.
Stofftrennung(z. B. Abtrennung von
Stahl-/Textilcord)
Altgummi
z. B. Austrieb, Ausschuss,
Altreifen etc.
Warmvermahlung
Zerkleinerung durch
Schub bei Raumtemperatur oder
darüber
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Partikel aus der Warmvermahlung
• Kleine spezifische Oberfläche • Glatte Bruchkanten • Große, zerklüftete Oberfläche
Warm-Vermahlung Kryogen-Vermahlung
Partikel aus der Kryogenvermahlung
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Warmmahlvorrichtung zur Feinvermahlung von Elastomeren
Konzipiert für Kleinchargen sortenreiner Produktionsreststoffe
Zielgruppe: kleine und mittelständige Elastomerverarbeiter
Am Institut für Strukturleichtbau entwickelt
Produktionsreste
Granulat < 8 mm
Feinmehl < 0,8 mm
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100 kg/h 200 kg/h 500 kg/h
Baugröße 150 Baugröße 300 Baugröße 440
Sortenreine
Kleinchargen
(innerbetrieblich)
Mischverarbeitung
(z. B. Altreifen)
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0
2
4
6
8
10
12Basis 600 µm 800 µm
Jew. 10 % Rezyklatanteil
Durchsatz: 80 kg/h Gutanteil (< 0,8): 35 kg/h Energiebedarf: ~ 0,3 kWh/kg
95%
76%
53%
44%
30%23%
16%6%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
010002000
Du
rch
gan
gssu
mm
e
Maschenweite Sieb [µm]
Kosten: ~ 1,10 €/kg
Mischungskosten: ~ 6 €/kg
Amortisation: 1.500 h Lineare Abschreibung über 6 Jahre, Personalkosten 2.000,- €/Monat,
Energiekosten10 ct/kWh
Korngrößenverteilung:
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Durchsatz: 90 kg/h Gutanteil (< 0,8): 60 kg/h Energiebedarf: ~ 0,1 kWh/kg
10 % Rezyklat in der Ausgangsmischung:
• Keine relevante Veränderung der
mechanischen Kennwerte
• Halbierung des Reinigungsaufwandes
der Werkzeugkavitäten
100% 93%
76%
67%
52%
42%
29%
5%0%
20%
40%
60%
80%
100%
010002000
Du
rch
ga
ng
ss
um
me
Maschenweite Sieb [µm]
Kosten: ~ 0,60 €/kg
Mischungskosten: ~ 4 €/kg
Amortisation: < 1.300 h Lineare Abschreibung über 6 Jahre, Personalkosten 2.000,- €/Monat,
Energiekosten10 ct/kWh
Korngrößenverteilung:
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Granulometrische
Charakterisierung
Wechselwirkungen bei der
Verarbeitung und Vulkanisation
Ermittlung ausgewählter Kennwerte
Ableitung materialspezifischer
Versagensmechanismen, die das
Aufbereitungsverfahren
berücksichtigen
Kryogen Warm SBR
Matrixmaterial: SBR
Styrol-Butadien-Kautschuk
Rezyklatanteil: 40 %
Basis: Lkw-Reifen
Korngröße: 200–400 µm
Granulometrische
Charakterisierung
Versagen
Wechselwirkungen bei der
Verarbeitung und Vulkansiation
Ermittlung ausgewählter Kennwerte
Ableitung materialspezifischer
Versagensmechanismen, die das
Aufbereitungsverfahren
berücksichtigen
Aufbereitung
Verarbeitung &
Vulkanisation
Materialverhalten
Kryogen Warm SBR
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Matrix
(Kautschuk)
Rezyklatpartikel
Schwefel Schwefelbrücke
EM < EP
www.tu-chemnitz.de 20 Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer
0
10
20
30
0 1 2 3 4
Se
ka
nte
nm
od
ul in
MP
a
Dehnung ε
Rezyklatcompound
SBR
SBR x 1/3
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1000 mm/min 1 mm
Warm vermahlen
1000 mm/min 1000 mm/min1 mm
Kryogen vermahlen
Beeinflussung der Rissfortpflanzung durch die Struktur
der Rezyklatpartikel bei schnellem Risswachstum
Kry
og
en
ve
rma
hle
n
Wa
rm
ve
rma
hle
n
Sanfterer Steifigkeitsübergang durch Warmmahl-Partikel
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Zahlen und Fakten zu Elastomeren 1
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Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 3
Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 4
Sekundäranwendungen für Altreifen 5
www.tu-chemnitz.de 23 Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer Einstreugranulat für Kunstrasenplätze
Spielplätze und Freizeitanlagen, Laufbahnenunterbau
Elastische Bodenbeläge und Fallschutzplatten
Straßenbau - Gummiasphalt
www.tu-chemnitz.de 24 Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer
Gummifeinmehl Thermoplastgranulat Endprodukt
Thermoplast-Elastomer-Compounds / Elastomeric alloys
Thermoplastische Werkstoffe als Substitut für TPE
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Zahlen und Fakten zu Elastomeren 1
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Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 3
Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 4
Sekundäranwendungen für Altreifen 5
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4,47 $ (3,21 €)
1,14 $(1,00 €)
0,172 $(0,15 €)
0
1
2
3
4
5
2000 2004 2008 2012 2016
Prei
s in U
S-$/
kg
Naturkautschuk SMR20
Rohöl - Brent
Die Preisentwicklung im Kautschukbereich - setzt Recyclingunternehmen stark unter Druck - Lässt im Naturkautschukbereich eine Roh-
stoffverknappung erwarten, da z. B. auf Palmöl umgestellt wird
Feinmahltechnologie derzeit
beste Verwertungsstrategie,
da auch beim aktuellen
Preisniveau wettbewerbsfähig
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Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen zum Recycling auf Basis Feinmehl:
→ Forschungsbedarf:
• Werkstoffmechanik und Versagensmechanismen
• Optimierung der Werkstoffrezeptur
• Prüfverfahren zur Ermittlung praktischer Einsatzgrenzen
• Qualitätssicherung
Altreifenverwertung:
Neue hochwertige Sekundäranwendungen müssen entwickelt werden
→ Generierung mengenmäßig relevanter, ökonomischer Absatzmärkte für Feinmehl
Thermoplast-Compounds sind aussichtsreicher Ansatz, aber:
• Geruchsproblem muss gelöst werden
• Zunehmende rechtliche Verschärfung (z.B. REACH, PAK) erschweren den Marktzugang
→ Abbau von Vorurteilen durch wissenschaftlich fundierte Referenzprojekte
www.tu-chemnitz.de 29 Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer
Elasto-Tech: Nachhaltige Technologien für hochelastische Polymerkomposite
Prozess-entwicklung
Pro
du
ktio
n
Produktent-wicklung
Ko
nst
rukt
ion
Nachhaltige Elastomer-
technologien
Projektträgerschaft
Netzwerkmanagement
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