Projekt 16286/01

Entwicklung einer Produktionsanlage zur Herstellung eines Compounds aus Gummimehl und Kunststoffrecyclat und dessen Verarbeitung im Extrusionsverfahren oder durch Spritzgießen zu neuen innovativen Produkten

Projektträger

ProCon GmbH
Annaberger Str. 240
09125 Chemnitz
Telefon: 0371/6512-344

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens war die Verfahrensentwicklung und anlagentechnische Untersetzung der kontinuierlichen Herstellung eines thermoplastischen Elastomeren (TPE) ähnlichen Compounds aus Altgummimehl und Kunststoffrecyclat. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Gummimehl mit Kunststoff und weiteren Additiven in einem Doppelschneckenextruder unter definierten Umgebungsbedingungen miteinander compoundiert werden. Der Compound muss so stabil sein, dass es im folgenden Verarbeitungsprozess, z. B. beim Spritzgießen, nicht zu Entmischungen kommen kann. Die Anlagen-auslegung wird eine kontinuierliche Teileproduktion im Extruderverfahren und Spritzgießen zulassen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenÜber ein Versuchsprogramm werden zur Entwicklung eines geeigneten Gleichlauf-Doppelschneckenextruders die optimale Dosierreihenfolge für die Rezepturkomponenten ermittelt und die Dosiermodule bestimmt. Danach erfolgt die optimale Festlegung der einzelnen Verfahrensschritte des Prozessablaufs. Wichtiger Bestandteil ist die Testung und Auslegung der Schneckengeometrie. Die Optimierung der Rezepturkomponenten mit der Bestimmung ihrer Stoffkennwerte und Vorgabe der Rezepturen für eine Produktanwendung sowie die Ermittlung der mechanischen und physikalischen Kennwerte sind eine wichtige Grundlage für die Sicherung einer stabilen Produktion. Auf dieser Basis erfolgt in einem weiteren Arbeitsschritt die maschinentechnische Auslegung der Anlage für einen Produktionseinsatz. Ebenso wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das entwickelte Verfahren, die Anlagentechnik und die Produktkosten durchgeführt. Im Extrusions- und Spritzgießverfahren wurden Prüfkörper und erste Musterprodukte für nachfolgende Anwendungsfälle hergestellt, um den Nachweis der Einsatzfähigkeit zu erbringen.


Ergebnisse und Diskussion

Stand der Technik zu Projektbeginn war die Herstellung von Elastomeric Alloys im diskontinuierlichen Verfahren (Innenmischer). Technologische Schwierigkeiten treten in Innenmischern durch die hohen Dispersionstemperaturen gegenüber den maximal tolerierbaren Temperaturen der Vernetzungsmittel (110-120°C) auf. Deshalb bietet sich die Extrusion an, deren Vorteil die Absenkung der Massetemperatur während des Mischvorganges ist. Das kontinuierliche Einmischen flüssiger Mischungsbestandteile im Extruder ergibt, dass die Bedingungen (z.B. Ort der Zumischung, Gleichmäßigkeit der Verteilung, erforderlicher Einspritzdruck, Rückströmsicherheit) für das Einspritzen von Vernetzern entscheidend sind.
Für die Realisierung des Extrusionsprozesses war die Ermittlung und Klassifizierung aller den Prozess der reaktiven Compoundierung beeinflussenden Prozessvariablen, deren Verknüpfungen und Korrelationen und die Bestimmung von Kriterien für die Optimierung des Prozesses selbst von entscheidender Bedeutung. Ausgehend von den die Prozesszielrichtung beeinflussenden Maschinenparametern und den technologischen Stellgrößen des Doppelschneckenextruders wurden die durch Variation dieser Prozessvariablen beeinflussbaren qualitativen und quantitativen Prozesszustände und Parameter betrachtet. Für die Herstellung von Elastomeric Alloys im Extrusionsverfahren sind die folgenden Verfahrensstufen erforderlich:
· Plastifizieren des Polyolefins
· Vorentgasen des Polyolefins (nur bei der Verwendung von Recyclaten)
· Dispergieren des Gummimehls in die Polyolefinschmelze
· Homogenisierung des Polyolefin/Gummimehl-Blends
· Dispergieren der Reaktionskomponenten im Blend
· Reaktionsprozess Polyolefin/Gummimehl.
· Entgasen flüchtiger Reaktionsprodukte.
Je nach Prozesserfordernis können die Verfahrensstufen parallel oder nacheinander im Doppelschneckenprozessraum erfolgen. Dafür wurden fünf Prozessmodelle definiert.
Es konnte der Nachweis erbracht werden, dass im kontinuierlichen Verfahren mindestens die gleichen Eigenschaften bei gleichem Mischungsverhältnis der Ausgangsstoffe (Altgummimehl, PP-Granulat, Peroxid/flüssig) zu erzielen sind. Eine Wirtschaftlichkeitsabschätzung ergibt, dass eine großtechnische Umsetzung möglich ist. Als Vergleichsprodukt wurden die Thermoplastischen Elastomere gewählt, da deren Eigenschaften und Einsatzgebiete ähnlich sind. Die größten wirtschaftlichen Effekte sind bei den Produktanwendungen zu erzielen, wo ein hoher Altgummimehlanteil entsprechend den geforderten Produkteigenschaften Verwendung finden kann.
Das erreichbare Kennwerteniveau der Elastomeric Alloys hängt stark vom eingesetzten Gummimehltyp ab. Bei Verwendung von Ganzreifenmehl ist ein deutlicher Abfall der mechanisch-physikalischen Kennwerte zu verzeichnen. Dies kann im wesentlichen auf den naturgemäß hohen Fremdstoffanteil (Stahlcord, textile Bestandteile) des Ganzreifenmehls zurückgeführt werden. Dieser Kennwerteabfall ist sowohl bei Elastomeric Alloys aus dem Innenmischer als auch bei extrudierten Compounds festzustellen und somit von der Mischtechnologie unabhängig. Somit ist die Qualität und Art des Matrix-Polypropylen für die Verwirklichung eines hohen Kennwerteniveaus der Elastomeric Alloys von ausschlaggebender Bedeutung.
Allerdings ist es ebenfalls ein Ergebnis des Projektes, dass der Einsatz von Kunststoffrecyclaten in keinster Weise vergleichbare Eigenschaften zur Verwendung von Primärware ergibt. Auch bleibt als Kunststoffanteil Polypropylen die einzige Alternative. Der Einsatz von Polypropylen-Recyclat ist prinzipiell möglich, aber nur in den Produktanwendungen, wo keine hohen Werkstoffanforderungen (z.B. Zugfestigkeit) gestellt werden. Nur in diesen Fällen ist dann das verwendete Elastomeric Alloy eine kostengünstige Alternative zum Kunststoff.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Workshop zur Präsentation wesentlicher Ergebnisse am 24.07.01 in Chemnitz.
Fachvorträge auf der Technomer 2001, Chemnitz; auf einem Fortbildungsseminar zu thermoplastischen Elastomeren des DKG (Deutsche Kautschuk Gesellschaft), Hannover und auf der Jahrestagung der Bezirksgruppe Ost der Deutschen Kautschuk Gesellschaft in Magdeburg.


Fazit

· Eine Herstellung von Elastomeric Alloys mit Hilfe der Extrusionstechnologie ist großtechnisch unter wirt-schaftlichen Gesichtpunkten möglich.
· Durch das kontinuierliche Verfahrens sind mindestens die gleichen Werkstoffkennwerte wie in diskonti-nuierlicher Herstellung zu erzielen.
· PP-Recyclate sind aufgrund unzureichender Produktqualität nur begrenzt einsetzbar.