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.

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PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

BASF, Quantafuel und Remondis haben eine Absichtserklärung zur Prüfung einer Zusammenarbeit beim chemischen Recycling unterzeichnet. Darin geht es unter anderem um die Möglichkeit einer gemeinsamen Investition in eine Pyrolyseanlage für Kunststoffabfälle.

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Verfahrenstechnik

Kooperation beim chemischen Recycling von Kunststoffabfällen

Mit seiner Kunstaktion am Matterhorn hat der Künstler Branko Šmon bereits 2019 viel Aufmerksamkeit bekommen. Und das Thema ist auch heute noch aktuell.

Kunstprojekt am Matterhorn

Kreislaufwirtschaft

Der Gipfel der Kunststofferzeugung

Der Stuhl von Michiel van der Kley ist nicht nur ein schickes Designobjekt. Er wurde aus Kunststoffrezyklat gefertigt und trägt damit zur Verbesserung des schlechten Leumunds dieser Werkstoffe bei.

Polyethylenterephthalat

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Design gegen Schmuddelimage

Für das Exterieur von Fahrzeugen hat Kraiburg TPE eine Compoundreihe mit einem Post-Industrial-Recyclinganteil (PIR) von mindestens 20 % vorgestellt. Sie soll die Herstellung von Automobilbauteilen in hoher Qualität mit gleichzeitig reduziertem CO2 -Fußabdruck ermöglichen.

Thermoplastische Elastomere

Automotive

Elektronik

TPE mit Recyclinganteil für das Automobilexterieur

Die Kreislaufwirtschaft, die Elektromobilität und die noch immer präsente Corona-Pandemie beeinflussen die Farbauswahl für Kunststoffe. Welche Farbtrends sich daraus ergeben, hat Kunststoffe bei Farbmittelherstellern nachgefragt.

Trendbericht zum Einfärben von Kunststoffen

Masterbatches

Additive

Farbstoffe und Pigmente

Streifinger, Florian

Farbkonzentrate (Batches)

Farbstoffe

Farben, flüssig

Farbige Stimmungsaufheller

Um sein Angebot an Recyclingdienstleistungen zu verbessern, hat Wipag ein Technikum eröffnet. Dort sollen Kreislaufsysteme und Recyclingkonzepte auf Kundenwunsch entwickelt werden.

Compound

Technikum für Recycling als Dienstleistung eröffnet

Repsol soll europaweite Exklusivrechte für die Entwicklung und Errichtung flexibler Polyol-Recyclinganlagen mit Rampf-Technologie erhalten.

Polyurethan

Rampf Eco Solutions und Repsol kooperieren

Um recycelte Kunststoffe in der geforderten Qualität herzustellen, werden sie mithilfe von Readditivierung stabilisiert. Wie viele Additive zugesetzt werden müssen, hängt jedoch stark vom jeweiligen Eingangsstrom ab. Für die Bestimmung des Bedarfs haben sich zwei analytische Methoden und Testverfahren bewährt.

Methode zur Bestimmung des Readditivierungsbedarfs bei Rezyklaten

Stabilisatoren

Polypropylen

Kunststoff-Rezyklat

Stabil ins zweite Kunststoffleben

Automobilbauteile aus Kunststoff gelten als schwer recycelbar. Ein Video gibt nun Einblicke in ein aktuelles Recyclingprojekt.

Polyamide

Video zum Recycling von Automobilbauteilen

Das Recyclingunternehmen Wipag hat ein Technikum für individuelles Kunststoffrecycling eröffnet. Was sich dahinter verbirgt und wieso individuelle Konzepte für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft wichtig sind, verraten die beiden Geschäftsführer des Unternehmens, Thomas Marquardt und Frank Kriebisch, im Interview.

„Die Beratung fängt dort an, wo der Abfall entsteht“

Der Kunststoffindustrie stehen verschiedene Materialien und Technologien zur Verfügung, die den ökologischen Fußabdruck von Produkten deutlich reduzieren können. Um zu bestimmen, welche Einsparungen sich dadurch wirklich ergeben, stehen verschiedene Methoden, Normen und Software-Tools zur Verfügung.

CO2 -Einsparungen durch Rezyklate und Biokunststoffe bestimmen

Simulation

Software

Normen / Standards

Recht allgemein / sonst.

Reduzierter CO2-Fußabdruck

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.

Messe K-Kunststoffmesse

Zentrale Rolle für Megatrends

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.

Fluorkunststoffe verbessern die Langlebigkeit und Chemikalienbeständigkeit von Produkten

Bauchemie

Kommunikationsanlagen

Kunststoffe

Photonik

Optik

Kleiner Marktanteil, große Wirkung

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)

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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

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