Engel konnte nachweisen, dass sich Regranulate aus Organoblechverschnitt unter Beibehaltung der Materialeigenschaften im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen. Composite-Rohstoffe könnten so vollständig im Kreislauf gehalten werden. Das macht die Materialien für den Leichtbau umso interessanter.

Regranulat aus Organoblech-Beschnitten beim Spritzgießen einsetzen

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen, allgemein

Spritzgießmaschinen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

100 Prozent Materialnutzung

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

Kunststoff Werkstoffe

Additive

Farbstoffe und Pigmente

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Farbkonzentrate (Batches)

Farbstoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Farben, flüssig

Farbige Stimmungsaufheller

 Der Kunststoffcampus in Weißenburg startet eine von der EU geförderte Initiative zum Thema Nachhaltigkeit, Recycling und Kreislaufwirtschaft. Ziel ist es, Lücken im Arbeitsprozess zwischen Design, Produktion, Nutzung und Recycling zu schließen.

Weiterbildungsinitiative für ressourcenschonende Kunststofftechnik

Schröder, Susanne

Weiterbildung, allgemeine

Dienstleistungen

Seminare, Schulungen, Kongresse

Kreislaufwirtschaft für KMU

Das Fraunhofer-Institut UMSICHT, Sabic und Procter & Gamble kooperieren im Rahmen eines Pilotprojekts zum Closed-Loop-Recycling von Einweg-Gesichtsmasken.

Einweg-Gesichtsmasken recyceln

Mit einem neuen Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik lassen sich das Carbon Black und die Mineralien aus Autoreifen erneut nutzen.

Pigmente

Technik Trend

kunststoffe.de

Kreislaufwirtschaft

Carbon Black aus Autoreifen recyceln

Kunststoffabfälle gelangen weit weniger oft ins offene Meer, als bisher angenommen. Die überwiegende Menge von ihnen verbleibt in Küstennähe oder strandet sogar dort. Das zeigt eine kürzlich veröffentlichte Studie.

Kunststoffabfälle im Meer vor allem in Küstennähe

Bei welchen Kunststoffprodukten ist der biologische Abbau eine sinnvolle End-of-Life-Option? Der finale Report des Projekts BioSinn hat umfassende Steckbriefen zu 25 Anwendungen erstellt.

Kunststoffe, bioabbaubar

Biokunststoffe

Wann ist biologischer Abbau von Kunststoffen sinnvoll?

Die diesjährige Fachtagung des Laborbereichs Kunststofftechnik der Hochschule Osnabrück findet am 16. und 17. Juni im Online-Format statt. Im Fokus stehen die Kreislaufwirtschaft und die Additive Fertigung. Neben Fachvorträgen gibt es eine begleitende Fachausstellung.

Kunststoffverarbeitung

Lohnfertigung

Additive Fertigung

22. Kunststofftagung der Hochschule Osnabrück

PlasticsEurope plant die Investitionen in das Chemische Recycling erheblich zu steigern: von 2,6 Milliarden Euro im Jahr 2025 auf 7,2 Milliarden Euro im Jahr 2030. Gleichzeitig fordert der Verband einen klaren politischen und gesetzlichen Rahmen, um den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft weiter zu beschleunigen.

Verbände, Institutionen, Messen

Verbände

Europas Kunststofferzeuger investitieren Milliarden beim Chemischen Recycling

Pöppelmann Kapsto darf seit Anfang 2021 auch seine Schutzelemente aus Polypropylen (PP) Post-Consumer-Rezyklaten mit dem mit dem Blauen Engel kennzeichnen.

Polyethylen

Thermoplaste

Polypropylen

Kunststoff-Rezyklat

Blauer Engel für Schutzelemente von Pöppelmann

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

Drei Termine, drei Schwerpunktthemen, drei Veranstaltungsorte, vor Ort und im Livestream – so ist der Cradle to Cradle Congress 2021 geplant. Am 7. September in Mainz zum Thema „Plastics & Packaging for Tomorrow“.

Internationaler Cradle to Cradle Congress 2021

Paccor arbeitet an geschlossenen Recyclingkreisläufen für Kunststoffe, die in Schnellrestaurant-Ketten anfallen.

Weniger Müll im Schnellrestaurant

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

Das Projekt bin-up.AT startete im Herbst 2019 mit dem Ziel, Mülltonnen zu 100 Prozent aus Post-Consumer-Kunststoffrezyklat herzustellen, das überdies regional gesammelt und rezykliert wird.

Compoundieren

Mülltonne aus 100 Prozent Recyclingkunststoff

Faserverstärkte Thermoplaste mechanisch rezyklieren und in die Produktion zurückführen

Organobleche haben sich in der Serienfertigung von hochbelastbaren Leichtbauteilen in unterschiedlichen Industriebereichen etabliert. Bei ihrer Produktion fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

 Bei der Produktion von Organoblechen fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste verfügen über sehr gute technische Eigenschaften, die den Einsatz in zahlreichen Anwendungsfeldern ermöglichen – vom Sportschuh über Gehäuse von Elektronikgeräten bis hin zu sicherheitsrelevanten Automobilbauteilen wie Bremspedalen oder A-Säulenverstärkungen. Die Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates GmbH produziert am Standort Brilon unter dem Markennamen Tepex seit mehr als 20 Jahren solche Faserverbundwerkstoffe. Diese Organobleche sind mittlerweile in vielen Großserienprodukten etabliert.

Die Tepex-Organobleche werden in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt und für den jeweiligen Verarbeiter konfektioniert. Insbesondere für die Automobilindustrie, wo die Weiterverarbeitung der Tepex-Halbzeuge in vollautomatisierten Fertigungszellen abläuft, werden die Einleger als zweidimensionale Zuschnitte bereitgestellt. Um den Verschnitt, der beim Zuschnitt dieser Einleger entsteht, zu minimieren, werden die entsprechenden Geometrien unter Berücksichtigung der notwendigen Faserorientierung so in dem Tepex-Halbzeug verschachtelt, dass eine optimale Materialausbeute möglich ist. Dieses Vorgehen ist auch als Nesting bekannt.

Allerdings ist bei stark gekrümmten Geometrien, die sich nur sehr ungünstig verschachteln lassen, ein systematischer Verschnitt nicht vermeidbar (Titelbild). Bereits bei einem Verschnitt von 5 – 10 % fällt unter Großserienbedingungen sehr schnell eine große Menge an Restwertstoff an, der dem Produktionsprozess nicht direkt zugeführt werden kann. Um sie erneut in der Herstellung verwenden zu können, müssen die Materialien zunächst recycelt werden.

Geeignetes Recyclingverfahren für Organoblech-Verschnitte

Da Tepex und vergleichbare Organobleche auf einer thermoplastischen Kunststoffmatrix basieren, ist das Recycling sowohl mithilfe von werkstofflicher Verwertung durch mechanische Aufarbeitung möglich als auch durch die rohstoffliche bzw. chemische Verwertung, also die Aufspaltung in Einzelkomponenten durch Hydrierung, Hydrolyse und Pyrolyse. Den größten wirtschaftlichen Nutzen bei der Verwertung der Reststoffe und Verschnitte bietet das werkstoffliche Recycling. Dabei muss der Tepex-Verschnitt zunächst zu einer definierten Partikelgröße vermahlen werden.

Handelsübliche Schneidmühlen sind zwar in der Lage, Organobleche aller Art zu zerkleinern. Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, die bei dieser Technik üblich sind, führen allerdings zu einem sehr hohen Verschleiß der Messer. Im Mahlgut wird außerdem ein hoher Staubanteil und eine relativ geringe mittlere Partikelgröße erzeugt. Die daraus resultierende geringe Schüttdichte des Mahlguts ist für übliche Verarbeitungsverfahren wie Regranulierung oder Direktspritzgießen meist ungeeignet.

Eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit bei gleichbleibender Zerkleinerungsleistung lässt sich mit klassischen Wellenzerkleinerern erreichen. Für die Messerwalzen sollte dabei eine niedrige Drehzahl gewählt werden. Insbesondere Einwellenzerkleinerer mit automatischem hydraulischen Vorschub sind dazu geeignet, ein homogenes Mahlgut zu erzeugen (Bild 1) [1]. Große, streifenförmige Partikel, wie sie bei anderen Verarbeitungsformen auftreten können, werden dabei vermieden. Das gilt auch für dickere Materialien oder besonders spröde, carbonfaserverstärkte Varianten.

Aufgrund der hohen Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit von Tepex-Materialien ist für die effiziente Zerkleinerung ein geeignetes Set-up notwendig. Neben einem möglichst kleinen positiven Schneidwinkel sollten weitere Parameter eingehalten werden (Tabelle) [2]. Auf eine geeignete Absaugung ist aufgrund der hohen Staubentwicklung in jedem Fall zu achten.

Das bei der Zerkleinerung entstehende Mahlgut kann einem kunststofftypischen Verarbeitungsprozess wie Spritzgießen oder Extrusion direkt zugeführt werden. Um eine Verarbeitung auf Standardmaschinen ohne modifizierte Einzugszone zu gewährleisten, ist eine mittlere Partikelgröße von 8 – 15 mm empfehlenswert. Derartiges Mahlgut verfügt über eine Schüttdichte von ca. 200 kg/m3 (±20 kg/m3). Wird das Mahlgut handelsüblichem Granulat (Regranulat oder Neuware) zu einem Anteil von ≤20 % beigemischt, ist die Brückenbildung soweit reduziert, dass übliche Dosiertrichter ohne Zwangsdosierung und somit in Standardausführung eingesetzt werden können. Das bestätigten Untersuchungen der Kunststofftechnik Paderborn, einer Forschungseinrichtung der Universität Paderborn.

Bild 2 zeigt einen automatischen Prozess, in dem eine Mischung aus 80 % Granulat und 20 % Organoblech-Mahlgut auf einer Standardschnecke mit 25 mm Durchmesser ohne zusätzliche Peripherie im Spritzgießverfahren verarbeitet wurde. Höhere Anteile an Mahlgut, zum Teil sogar bis zu 100 %, lassen sich ebenfalls auf Standardmaschinen verarbeiten, sofern bei der Dosierung eine für das Mahlgut geeignete Zwangsförderung, z. B. eine Stopfschnecke mit hoher Gangtiefe, verwendet wird. Der Einsatz von faserschonenden Schneckengeometrien mit hoher Gangtiefe in der Einzugszone kann für die Maximierung der mechanischen Eigenschaften im Bauteil herangezogen werden. Sie sind aber im Normalfall nicht zwingend erforderlich. Bereits mit üblichen, nicht modifizierten Dreizonenschnecken lässt sich Tepex-Mahlgut mit der empfohlenen mittleren Partikelgröße problemlos verarbeiten.

Für den Spritzgießprozess sind in Abhängigkeit vom herzustellenden Bauteil niedrige Dosiergeschwindigkeiten und Staudrücke empfehlenswert. Der optimale Betriebspunkt richtet sich üblicherweise nach der eingesetzten Maschinentechnik und dem Bauteildesign.

Durch Beimischen kurzfaserverstärkter oder unverstärkter Neuware lässt sich der Faseranteil im Bauteil gezielt einstellen. Bei auf Polypropylen (PP) basierendem Tepex ist eine Verdünnung des Mahlguts auf einen Fasermassengehalt von 30 % sinnvoll, da kurzfaserverstärkte PP-GF-Compounds mit höherem Fasergehalt auf dem Markt kaum verfügbar sind. Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine weitere Erhöhung des Fasermassenanteils ist bei PP aufgrund der Unpolarität des Polymers nicht trivial und kann in der Regel nur mit speziellen Langfasergranulaten erreicht werden. Andere Tepex-Typen können auch unverdünnt verarbeitet oder kurzfaserverstärkter Neuware mit vergleichbarem Fasermassenanteil beigemischt werden.

Mechanische Eigenschaften wie  kurzfaserverstärkte Kunststoffe

Die Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit des Rezyklats sind vergleichbar mit denen von handelsüblichen kurzfaserverstärkten Kunststoffen mit entsprechenden Fasergehalten. Zur Validierung dessen wurde Tepex-Mahlgut (Ausgangsmaterial: Tepex dynalite 102-RG600(x)/47%; Fasermassenanteil: 66 %) zu unterschiedlichen Anteilen einem kurzglasfaserverstärkten Durethan BKV30 (Polyamid 6 (PA 6), Fasermassengehalt: 30 %) beigemischt und direkt im Spritzgießverfahren verarbeitet. Die resultierenden mechanischen Kenngrößen Zug-E-Modul und Zugfestigkeit liegen dabei auf dem Niveau von Durethan-Typen mit vergleichbarem Fasermassenanteil (Bild 3) [3]. Die Ergebnisse konnten in verschiedenen Untersuchungen auch mit anderen Polymeren und Faserwerkstoffen bestätigt werden. [1, 4]

Zur Verifizierung wurde in Zusammenarbeit mit der Kunststofftechnik Paderborn ein Demonstratorbauteil hergestellt (Bild 4). Das Bauteil wird für Forschungszwecke eingesetzt und diente ursprünglich der Untersuchung unterschiedlicher Aspekte des Spritzgieß-Sonderverfahrens GITBlow [5]. Die Geometrie ähnelt Bauteilen, die bereits für die automobile Großserie produziert werden [6]. Die Umspritzung besteht vollständig aus einer Mischung aus 80 % Neuware und 20 % Mahlgut. Der Demonstrator zeigt, dass sich sowohl dickwandige Bereiche ohne nennenswerte Schwindung als auch dünnwandige Bereiche mit langen Fließwegen vollständig und ohne sichtbare Schwindungseffekte herstellen lassen, sofern übliche Spritzgießbedingungen beachtet werden.

Die recycelten Verschnittreste  können ohne zusätzliche Investitionen in geplanten und sogar laufenden Serienprodukten eingesetzt werden. Das  Recyclingverfahren stellt somit einen wichtigen Schritt hin zu einer umfassenden Kreislaufwirtschaft für endlosfaserverstärkte Thermoplaste dar.

[1] Schemme, M.; Karlinger, P.; Hummel, S.: “Closed-Loop-Recycling – Strategien für endlosfaserverstärkte thermoplastische Hybridstrukturen“, FOREL Kolloquium TU Dresden, 29.08.2019

[2] Mattus, V.; Hintersteiner, R.; Meier-Kortwig, J.; Buntenbach, S.: „Werkstoffliche Verwertung lang- und endlosfaserverstärkter Thermoplaste zu hochwertigen, langfaserverstärkten Fließpreß-Bauteilen“, Abschlussbericht Az: 09220 (Deutsche Bundesstiftung Umwelt), April 1999

[3] „Kombination von Thermoplast-Spritzguss und Thermoformen kontinuierlich faserverstärkter Thermoplaste für Crashelemente (SpriForm)“, Abschlussbericht zum BMBF-Verbundprojekt (02PU2350–02PU2355), 2011

[4] Moritzer, E.; Heiderich, G.: „Mechanical recycling of continuous fiber-reinforced thermoplastic sheets”, PROCEEDINGS OF PPS-31, DOI: 10.1063/1.4942328, March 2016

[5] Moritzer, E.; Landgräber, B.: “Investigations on the production of hybrid structures using the two-stage GITBlow process”, AIP Conference Proceedings 2139, DOI: 10.1063/1.5121664, 2019

[6] “Fast 50 Prozent weniger Gewicht”, Industrieanzeiger, 24.11.2014

LANXESS Deutschland GmbH  

Bond-Laminates GmbH  

https://www.bond-laminates.de

Ausgabenartikel

Bild 3. Vergleich der Steifigkeit und Festigkeit der PA 6 Durethan BKV30, BKV35 und BKV40 mit dem PA 6 Durethan BKV30, dem 10, 20 oder 30 % Tepex-102-Mahlgut zugegeben wurde: Trotz Zugabe des Mahlguts sind die Werte vergleichbar 

Bild 4. Der Demonstrator zeigt, dass das Mahlgut für das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen geeignet ist. Die Umspritzung des Demonstrators besteht aus einer Mischung aus 80 % Neuware und 20 % Tepex-Mahlgut  

Selbst bei einer möglichst optimierten Herstellung von Organoblechen fallen dennoch relativ große Mengen an Verschnittresten an 

16:9

20:7

Tabelle. Empfohlene Prozessparameter für die Zerkleinerung von Organoblech-Verschnittresten

Bild 1. Gemahlenes Tepex: Bei der Zerkleinerung kommt es auf die verwendeten Maschinen an. Insbesondere mit Einwellenzerkleinerern lässt sich ein homogenes Mahlgut erzeugen

Bild 2. Verarbeitung einer Mischung aus 80 % Granulat und 20 % Organoblech-Mahlgut auf einer Standard-Dreizonenschnecke: Ein reproduzierbares Dosieren in jedem Zyklus ist bei der Verarbeitung möglich 

Lanxess - Hauptartikel

Dr. Stefan Seidel ist Leiter der Forschung und Entwicklung für endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe bei Lanxess/Bond-Laminates; <a href="mailto:stefan-seidel@bond-laminates.de">stefan-seidel@bond-laminates.de</a>