Ausreichende Mengen an Rezyklaten sind nicht bei allen Polymeren in der notwendigen Qualität erhältlich. Auf den 31. Dresdner Verpackungstagen gaben Experten Einblicke in die aktuelle Situation und erklärten, wieso sich die Lage in Zukunft noch verschärfen könnte.

Bei vielen Polymeren sind Rezyklate zurzeit schwer zu bekommen.

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Die geplante Neuregulierung für PFAS der EU könnte den Einsatz von Flurpolymeren deutlich erschweren oder ganz verhindern. Sie übernehmen jedoch in vielen Bereichen wichtige Aufgaben und sind nicht einfach zu ersetzen. Ein Überblick über den aktuellen Stand des Regulierungsprozesses und die möglichen Folgen.

Die Verwendung von Fluorpolymeren bei Leichtbaukonstruktionen im Architekturbereich hat neue Bauprinzipien ermöglicht. Die Kissenkonstruktion aus ETFE-Folien schützt etwa Besucher und Spieler der Allianz-Arena in München vor Wind und Wetter, während die Durchlässigkeit von ETFE im sichtbaren und UV-Spektralbereich gutes Rasenwachstum sicherstellt. 

Was die PFAS-Neuregulierung der EU für die Kunststoffindustrie bedeutet

Fluorkunststoffe

Thermoplaste

Hochleistungskunststoffe

Hohe Hürden für Fluorpolymere

Elektro- und Elektronikhersteller möchten die Treibhausgasemissionen ihrer Produkte senken und das Abfallmanagement und Recycling für diese optimieren. Erreichen lässt sich das unter anderem durch den Einsatz nachhaltigerer Thermoplaste und qualitätsgesicherter Rezyklate. Wichtig sind außerdem enge Kooperationen zwischen Unternehmen zum Aufbau von Stoffkreisläufen und ein recyclinggerechtes Design von Geräten.

Mit Polymeren Nachhaltigkeitstrends in der Elektro- und Elektronikindustrie gestalten

Elektronik

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Polycarbonat

Hilfe für eine grünere E&E-Welt

KITZMANN, die Experten für Schüttgut- und Flüssigkeitshandling

Magdalena KITZMANN GmbH  

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Wegen seiner hohen Schmelzeviskosität und einem Schmelzpunkt von über 327 °C ist Polytetrafluorethylen nicht nach den für Thermoplaste üblichen Verfahren verarbeitbar. Entsprechende Modifizierung macht den Hochleistungskunststoff jedoch aus der Schmelze formbar und ermöglicht damit wirtschaftliche Großserienfertigung. Dies wird anhand zweier Dichtungsanwendungen genauer vorgestellt. 

Hochleistungskunststoffe anwendungsspezifisch modifizieren und thermoplastisch verarbeiten 

Dichtungen

Champions League der Eigenschaften 

Weil diese Fluorkunststoffe auch für aktuelle und zukünftige Megatrends wie Digitalisierung, E-Mobility und erneuerbare Energien eine zentrale Rolle spielen, wird mit einer weiterhin positiven Entwicklung gerechnet.

Korrosionsbeständige Auskleidungen für Rohre und Behälter in der chemischen Prozesstechnik sind nach wie vor ein bedeutender Markt für PTFE in Westeuropa

16:9

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Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Zentrale Rolle für Megatrends

Fast 700 Unternehmen quer durch die Kunststoff-Wertschöpfungskette sind europaweit bereits Teil von Operation Clean Sweep (OCS) und tragen dazu bei, das Aufkommen von Kunststoffgranulaten in der Umwelt zu verringern. Dies geht aus dem nun veröffentlichten OCS-Fortschrittsbericht von Plastics Europe hervor.

Der jetzt erschienene Fortschrittsbericht informiert über das bisher Erreichte des OCS-Programms

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Verbände

PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

Obwohl Fluorkunststoffe nur einen sehr kleinen Teil am Gesamtmarkt der Kunststoffe ausmachen, sind sie aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Vor allem für die aktuellen Megatrends Digitalisierung, saubere Energieerzeugung und moderne Mobilitätskonzepte spielen diese Werkstoffe eine wichtige Rolle.

Das Dach des Vitam-Freizeitzentrums im französischen Neydens besteht aus ETFE-Folien. Eine Holzkonstruktion trägt die 53 ETFE-Kissen mit einer Gesamtfläche von insgesamt 4300 m2 

Fluorkunststoffe verbessern die Langlebigkeit und Chemikalienbeständigkeit von Produkten

Bauchemie

Bauwesen

Baustoffe

Kommunikationsanlagen

Kunststoffe

Photonik

Optik

Kleiner Marktanteil, große Wirkung

Die Pläne von SPD, Grünen und FDP stoßen bei den drei großen Kunststoffverbänden GKV, PlasticsEurope Deutschland und VDMA Fachverband Kunststoff- und Gummimaschinen auf überwiegend positive Resonanz. Besonders die starke Betonung der Kreislaufwirtschaft, der Bürokratieabbau und die Anerkennung der Rolle der Industrie beim Klimaschutz überzeugen die Industrievertreter. Es gibt jedoch auch Kritik.

Die Pläne der künftigen Ampel-Koalition werden von den drei großen Kunststoffverbänden weitestgehend begrüßt.

Wirtschaftspolitik in Deutschland

Wirtschaft

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Kunststoffverbände bewerten den Koalitionsvertrag

Kunststoffe sprach mit Ingemar Bühler, Hauptgeschäftsführer PlasticsEurope Deutschland, über die Kritik und die Konkurrenz zwischen mechanischem und chemischem Recycling. Im Interview erklärt er außerdem, was darüber hinaus für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft notwendig ist und wieso er Label für Kunststoffprodukte für sinnvoll erachtet.

„Über die richtige Recyclingmethode zu streiten, bringt uns nicht weiter“

Die Sortierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufbereitung von Kunststoffabfällen. Eine Möglichkeit, diese zu verbessern, stellen Systeme dar, die auf künstlicher Intelligenz beruhen. Der Sortieranlagenhersteller Tomra hat etwa in letzter Zeit entsprechende Technologien vorgestellt. Über diese sprach Kunststoffe mit Felix Flemming und Valerio Sama von Tomra.

Deep Learning im Einsatz: Für seine Autosort-Sortiermaschinen bietet Tomra das neuronale Netz Gain an. Mit diesem können etwa Silikonkartuschen aussortiert werden  

Interview zum Einsatz von künstlicher Intelligenz in der Abfallsortierung

Deep Learning

Datenanalyse

Machine Learning / Künstliche Intelligenz für die spanende Fertigung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

„KI besitzt großes Potenzial für die  Sortierung von Lebensmittelverpackungen“

Über die Kreislaufwirtschaft ist alles gesagt? Ganz trifft das nicht zu.

Gewinner und Verlierer der  Kreislaufwirtschaft

Das SKZ lädt Ende am 28. Juni 2022 zur Recyclingtagung nach Würzburg ein

Recycling und Kreislaufwirtschaft sind die Kernthemen der Tagung

Kunststoff-Erzeugung

Zukunftsfähige Kreislaufwirtschaft fördern

Start-up entwickelt KI-basierte Müllanalyse- und Sortiermaschine

Das Team mit Scanner (v.l.n.r.): Christian Schärf, Johannes Laier, Nathanael Laier, Martin Körner, Tobias Scheuer

Start up

Unternehmen und Unternehmer

Müllsortierung der nächsten Generation

SKZ bietet Prüfungen nach neuer Spezifikation für Kunststoff-Rezyklate

PP post-consumer Abfall & compoundiertes PP Rezyklat

Normen / Standards

Recht allgemein / sonst.

Akzeptanz von Rezyklaten steigern

Wie sich PTFE erfolgreich recyceln lässt

PTFE gilt als schwer zu recyceln. Für die speziellen Verarbeitungsverfahren des Polymers müssen die Rezyklate in aufwendigen Prozessen zerkleinert werden, damit sie annähernd die gleiche Korngröße besitzen wie Neuware. Werden diese Besonderheiten berücksichtigt, erreichen Rezyklate jedoch die Qualität von Neuware oder übertreffen diese sogar.

Ob in der Dichtungstechnik, der Elektrotechnik oder im Chemieanlagenbau – Polytetrafluorethylen (PTFE) ist aus vielen Industriebereichen nicht mehr wegzudenken. Für das Polymer sprechen seine hohe Temperatur- und Witterungsbeständigkeit, die sehr gute Chemikalienbeständigkeit sowie sein geringer Reibungskoeffizient. Diese Eigenschaftskombination prädestiniert das Material für Einsatzgebiete, in denen bei hohen Temperaturen ein reibungsarmer Werkstoff benötigt wird.

Zu den weniger positiven Eigenschaften von reinem PTFE gehören ein geringer E-Modul, ein hoher Kaltfluss sowie eine hohe Verschleißrate. Diese Eigenschaften sind auf die geringen intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Polymerketten zurückzuführen. Daher wird PTFE bei vielen Anwendungen ein maßgeschneiderter Füllstoffmix beigemischt. Diese Füllstoffe verbessern die mechanischen Eigenschaften erheblich. Außerdem werden Trockenschmierstoffe zugesetzt, welche die füllstoffbedingte Erhöhung des Reibungskoeffizienten kompensieren.

Das Unternehmen Stasskol bietet Hochleistungskunststoffe für verschiedene Anwendungsbereiche an. Dazu zählen etwa maßgeschneiderte Dichtwerkstoffe auf Basis von PTFE zum Einsatz in Kolbenkompressoren. Bei diesen Werkstoffen ist die Eigenschaftsoptimierung besonders wichtig, da die Materialien hoher thermischer Belastung sowie großer dynamischer Druckbelastung ausgesetzt sind. Sie müssen deshalb sowohl über sehr gute mechanische Eigenschaften als auch über eine hohe Verschleißfestigkeit verfügen. Stasskol produziert Dichtmaterialien für verschiedene Prozessgase, die allesamt individuelle Füllstoffkombinationen besitzen.

Die Herausforderung des Recyclings solcher Mischungen besteht in der speziellen Verarbeitung von PTFE. Dafür wird in der Regel das Press-Sinter-Verfahren verwendet, das als Cold Compression Molding (CCM) oder als Hot Compression Molding (HCM) ausgeführt werden kann (Bild 1). Beim CCM wird der gepresste Grünling drucklos im Ofen gesintert, während das Material beim HCM simultan mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird.

Normalerweise kann beim Recycling von thermoplastischen Kunststoffen das gemahlene Material einfach der Rohware zugesetzt werden. Das ist bei PTFE jedoch durch die besondere Verarbeitung nicht möglich. Das Press-Sinter-Verfahren von PTFE erfordert es, den Werkstoff bzw. die Mischung wieder nahezu auf die ursprüngliche Korngröße von etwa 20 bis 40 µm zu zerkleinern. Bei von Stasskol durchgeführten Versuchen wurden dafür die Späne zweier Werkstoffe sortenrein gesammelt. Diese stammen von Materialien, die bei trocken laufenden Kolbenkompressoren in Form von Kolben- und Führungsringen sowie als Packungsringe zum Einsatz kommen. Es handelte sich um die Materialien SK202, ein CCM-PTFE mit Glasfasern, Kohle und Grafit, und SK801, ein HCM-PTFE mit Carbonfasern und einem thermoplastischen Füllstoff.

Bei den gewählten Materialien war es wichtig, dass beide PTFE-Verarbeitungsverfahren repräsentiert wurden, da die Herausforderung an das Recycling beim Kaltpressen größer ist als beim Heißpressen. Durch die Komprimierung in der Kälte spielt die Größe der pulverförmigen Partikel eine besonders dominante Rolle. Es wurden außerdem explizit Materialien mit einem signifikanten Anteil an Carbon- und Glasfasern gewählt. Die Gefahr beim Recycling von faserverstärkten Kunststoffen besteht in einer Verkürzung der Faserlängenverhältnisse, die sich auf die Zieleigenschaften der Werkstoffe auswirken können. Diese Auswirkungen konnten somit beim Test des Recyclingprozesses mitberücksichtigt werden.

Um ein Recycling der Werkstoffe zu ermöglichen und die Auswirkung von recyceltem Material auf die Zieleigenschaften zu untersuchen, wurden folgende sechs Schritte unternommen:

<ul><li>Sortenreines Sammeln von Spänen und Reststücken des entsprechenden Werkstoffs</li><li>Grobes Zerkleinern der gesammelten PTFE-Abfälle mittels einer handelsüblichen Schneidmühle</li><li>Feines Mahlen der zerkleinerten Partikel mittels einer speziellen Prallsichtermühle</li><li>Einmischen des gemahlenen Materials in unterschiedlichen Anteilen in die Neuware mittels eines Pulvermischers</li><li>Herstellen von Halbzeugen unter Standard-Verarbeitungsbedingungen</li><li>Überprüfung der Eigenschaften der Materialien mittels Härte- und Dichtemessung, Zugversuchen und tribologischer Charakterisierung</li></ul>

Das sortenreine Sammeln der Abfälle und das grobe Zerkleinern mittels einer handelsüblichen Schneidmühle stellten keine technologischen Hürden dar. Das technische Know-how steckt im Mahlprozess der zerkleinerten Späne, da dabei sehr feine Korngrößen im Bereich um die 50 µm erreicht werden müssen. Dafür wurde eine Prallsichtermühle des Typ ICM 15 von Neuman & Esser Process Solutions verwendet (Bild 2).

Das Mahlgut wird durch einen konstanten Luftstrom in den Mahlraum eingetragen. Die Vermahlung erfolgt sowohl durch den direkten Aufprall der Partikel auf die Mahlwerkzeuge der Mahlscheibe, als auch durch den Aufprall auf das Prallfutter. Durch den konstant anliegenden Spülluftstrom wird das gemahlene Material aus dem Mahlraum ausgetragen. Dieser Materialaustrag wird durch ein sich schnell drehendes Sichterrad blockiert. Das Sichterrad können nur Partikel passieren, die klein genug sind, um bei hoher Geschwindigkeit einen Weg durch einen Spalt des Sichterrades zu finden. Durch die Variation der Parameter Mahlgeschwindigkeit (m/sec), Massestrom (kg/h) sowie Geschwindigkeit des Sichterrades (m/sec) kann der Prozess derart reguliert werden, dass die gewünschte Korngröße erreicht wird. Der Füllgrad der Mahlkammer besitzt ebenfalls einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Dieser wird durch die bereits erwähnten Faktoren beeinflusst.

Bei den durchgeführten Versuchen wurde bei konstant 128 m/s Umlaufgeschwindigkeit des Prallfutters und einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit des Sichterrades von 10 m/s der Massestrom variiert, um den Einfluss auf die Korngröße zu ermitteln. Die Korngröße (D50-Wert) des gemahlenen Gutes wurde nach dem Prozess mittels eines Laserbeugungsspektrometers (Typ: Mastersizer 2000, Hersteller: Malvern) bestimmt. Für das Material SK202 ergab sich bei einem Durchsatz von 6,9 kg/h eine Korngröße von 47,7 µm und bei einem Durchsatz von 2,5 kg/h eine Korngröße von 44,6 µm. Bei dem Werkstoff SK801 lag die Korngröße bei 56,7 µm bei einem Durchsatz von 9,7 kg/h und bei 47,5 µm bei 2,7 kg/h Durchsatz.

Wie die Ergebnisse zeigen, führte die Reduktion des Massestroms bei beiden Materialien nur zu einer geringen Verminderung der Korngröße. Es konnten bei allen Mahlversuchen Korngrößen im Bereich von ca. 50 µm erzielt werden. Zu Gunsten der Wirtschaftlichkeit wurde für die weiteren Versuche das Mahlgut bei hohem Durchsatz gewählt. Das gemahlene Rezyklat wurde dafür in unterschiedlichen Konzentrationen mittels Pulvermischer in die Neuware eingebracht.

Messung der mechanischen und  tribologischen Eigenschaften

Die so erhaltenen Mischungen wurden unter üblichen Verarbeitungsbedingungen (CCM bei SK202 und HCM bei SK801) zu Test-Halbzeugen, Vollstäbe im Durchmesser von 50 mm, verarbeitet. Aus diesen Halbzeugen wurden sowohl Zugproben als auch Prüfpins mit einem Durchmesser von 8 mm zur mechanischen sowie tribologischen Charakterisierung gefertigt. Ferner wurden die Härten (Shore D) und die Dichten der Proben bestimmt. Die mechanische Charakterisierung erfolgte mit einer Zugmaschine Z005 der Firma Zwick in Form von Mikrozugstäben des Typs „SPI-Standard FD-105“. Die Härteprüfung wurde mit einem Handmessgerät der Firma BAQ durchgeführt, die Bestimmung der Dichte fand gravimetrisch statt.

Die Ermittlung der Verschleißfestigkeit erfolgte mittels eines oszillierenden Tribometers (Bild 3); einem Eigenbau von Stasskol. In diesem können vier Proben simultan unter verschiedenen Prozessgasen auf unterschiedlichen Gegenlaufflächen hinsichtlich Reibung und Verschleiß quantifiziert werden. Die Charakterisierung fand unter oszillierender Bewegung bei einer Anpressung von 20 bar, einer Temperatur von 120 °C und einer mittleren Geschwindigkeit von 2,7 m/sec statt. Als Gasart wurde das jeweilige Prozessgas gewählt, bei welchem der entsprechende Dichtwerkstoff eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um Stickstoff bei SK202 und Wasserstoff bei SK801.

Große Partikel verringern Dichte  und Härte

Auffällig bei den Ergebnissen der Untersuchungen ist, dass beim kalt verarbeiteten SK202 das Halbzeug aus 100 % Rezyklat (Probe A2) deutlich reduzierte mechanische Eigenschaften sowie eine geringere Dichte und Härte im Vergleich zur Neuware (Probe A1) aufweist (Tabelle). Der Grund dafür besteht in der erhöhten Partikelgröße des Rezyklats von ca. 48 µm. Das PTFE sowie die Füllstoffe der Neuware, ausgenommen die Glasfasern, besitzen eine mittlere Partikelgröße von etwa 25 - 30 µm. Daher kann beim Kaltpressen des Rezyklats zur Herstellung des Grünlings das Pulver weniger dicht komprimiert werden. Die im Grünling enthaltene Luft bleibt im nachfolgenden Sinterprozess im Material, da dieser drucklos verläuft.

Wie hoch ist der maximale  Rezyklatanteil?

Um den maximal möglichen Anteil an Rezyklat in SK202 zu ermitteln, wurden Mischungen mit 10, 20, 30 und 40 Gew.-% an wiedergewonnenem Material erstellt (Proben A3 bis A6) und zu Test-Halbzeugen verarbeitet. Dabei zeigt sich, dass bei 10, 20 und 30 Gew.-% Rezyklat die Eigenschaften der reinen Neuware sogar übertroffen werden. Sowohl der E-Modul, als auch die Bruchdehnung liegen über den Werten der Neuware und der geringe k-Faktor sowie der geringere Reibungskoeffizient zeigen, dass sich die Verschleißeigenschaften durch das Einbringen des Rezyklats ebenfalls verbessert haben. Bei einem Anteil von 40 Gew.-% bleiben die Verschleißeigenschaften auf einem sehr hohen Niveau, allerdings beginnen sich wie erwähnt die Dichte sowie die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Bei dem im Heißpressen hergestellten SK801 ist nur eine geringe Abnahme der Härte, des E-Moduls und der Zugfestigkeit bei 100 % Rezyklatanteil (Probe B2) im Vergleich zur Neuware (Probe B1) festzustellen. Insbesondere die Verschleißeigenschaften unter Wasserstoffatmosphäre profitieren vom Prozess des Recyclings. Der Verschleißfaktor wird dadurch reduziert und der Reibungskoeffizient mehr als halbiert. Deshalb waren weitere Versuche mit abgestuften Konzentrationen an Rezyklat nicht notwendig.

Die Untersuchungen zeigen, dass PTFE durch einen effizienten Mahlprozess sortenrein wiederverwendet werden kann. Teilweise lassen sich dadurch sogar die Eigenschaften gegenüber reiner Neuware steigern. Bei Materialien, die durch Kaltpressen mit anschließendem drucklosen Sintern verarbeitet werden, liegt die Grenze des Beimischens von Rezyklat bei etwa 20 bis 30 Gew.-%. Das liegt am drucklosen Sinterprozess, bei dem während der Grünlingsherstellung eingeschlossene Luft während des Sinterns im Material verbleibt.

Bei heißgepressten PTFE-Werkstoffen verhält sich das anders. Bei diesen kann trotz erhöhter Partikelgröße aus reinem Rezyklat ein Halbzeug gewonnen werden, dessen Eigenschaften mit denen von Neuware konkurrieren können. Der Grund dafür besteht ebenfalls im Verarbeitungsprozess, bei dem das Material mit Druck beaufschlagt wird, während es sich oberhalb der Glasübergangstemperatur im thermoelastischen Zustand befindet. Dadurch kann im Grünling eingeschlossene Luft entweichen, was für ein deutlich dichteres Materialgefüge im Vergleich zu kaltgepressten Materialien sorgt.

Die Resultate zeigen, dass Abfälle von hochgefüllten Dichtwerkstoffen auf Basis von PTFE recycelt und damit wieder in den Produktionsprozess zurückgeführt werden können. Das ist nicht nur im Hinblick auf einen verstärkten Umweltschutz interessant, sondern kann auch einen finanziellen Vorteil für verarbeitende Unternehmen bieten. Zusätzlich werden Eigenschaften wie die Verschleißfestigkeit positiv vom Einsatz des wiedergewonnenen Materials beeinflusst.

STASSKOL GmbH  

https://www.stasskol.de

Ausgabenartikel KU10-21

Im Gegensatz zu den meisten anderen Thermoplasten können bei PTFE nicht einfach Flakes der Neuware zugemischt werden (v. l. n. r. Original-Pulvermischung, Späne, zerkleinerte Späne, Mahlgut)

Tabelle. Eigenschaften von SK202 und SK801 in Abhängigkeit des Rezyklatanteils 

Bild 1. PTFE lässt sich im Cold- und im Hot-Compression-Molding-Verfahren verarbeiten

Bild 2. Aufbau der Prallsichtermühle zum feinen Vermahlen von PTFE-Abfällen: Dieser Zerkleinerungsschritt ist notwendig, um die für das Recycling notwendigen geringen Korngrößen zu erreichen

Bild 3. Oszillierendes Tribometer zur Charakterisierung der Verschleißfestigkeit von Werkstoffen: In dem Eigenbau von Stasskol können vier Proben gleichzeitig unter verschiedenen Prozessgasen überprüft werden 

KU 10-21_Stasskol - Hauptartikel

<b>Dr. Marc Langela</b> ist Leiter Material- und Produktentwicklung bei Stasskol;  <a href="mailto:marc.langela@stasskol.de">marc.langela@stasskol.de</a>