Dr.-Ing. Stefan Hoyer ... - leibniz- · PDF fileLichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing....

www.tu-chemnitz.de Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer

Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

Leitung:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll

Dr.-Ing. Stefan Hoyer

Forschungsbereich Extrusionstechnologien

und Recycling

www.tu-chemnitz.de 1 Lichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing. Stefan Hoyer

Zahlen und Fakten zu Elastomeren 1

Ausblick 6

Werkstoffliche Recyclingkonzepte 2

Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 3

Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 4

Sekundäranwendungen für Altreifen 5



Ausblick 6






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


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

http://de.statista.com/statistik/daten/studie/317771/umfrage/produktionsmenge-von-kautschuk-weltweit/


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


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


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)


Spritzguss

Ausschuss:

3–4 %

0

5

10

15

20

SBR

NR

EPD

M

NB

R

CR

ECO

VM

Q

AC

M IIR

AEM

AU

/EU

HN

BR

FKM

Kau

tsch

ukp

reis

e 2

01

3 in

€ (g

esch

ätzt

)

Sortenreine Rückführung in die Ausgangsmischung

Extrusion

Ausschuss:

8–10 %

Transferpressen

Ausschuss:

bis 80 %



Ausblick 6






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


Partikel aus der Warmvermahlung

• Kleine spezifische Oberfläche • Glatte Bruchkanten • Große, zerklüftete Oberfläche

Warm-Vermahlung Kryogen-Vermahlung

Partikel aus der Kryogenvermahlung


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


100 kg/h 200 kg/h 500 kg/h

Baugröße 150 Baugröße 300 Baugröße 440

Sortenreine

Kleinchargen

(innerbetrieblich)

Mischverarbeitung

(z. B. Altreifen)



Ausblick 6






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:


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:



Ausblick 6






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


Matrix

(Kautschuk)

Rezyklatpartikel

Schwefel Schwefelbrücke

EM < EP


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


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



Ausblick 6





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


Gummifeinmehl Thermoplastgranulat Endprodukt

Thermoplast-Elastomer-Compounds / Elastomeric alloys

Thermoplastische Werkstoffe als Substitut für TPE



Ausblick 6






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


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


Elasto-Tech: Nachhaltige Technologien für hochelastische Polymerkomposite

Prozess-entwicklung

Pro

du

ktio

n

Produktent-wicklung

Ko

nst

rukt

ion

Nachhaltige Elastomer-

technologien

Projektträgerschaft

Netzwerkmanagement

Dr.-Ing. Stefan Hoyer ... - leibniz- · PDF fileLichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing....

Documents

Transcript of Dr.-Ing. Stefan Hoyer ... - leibniz- · PDF fileLichtenwalde ∙ 20. Mai 2016 ∙ Dr.-Ing....