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Umwelt-Preis für Daimler-Benz

22.06.1995 - (idw) Technische Universität Clausthal

Umweltpreis der Stadt Ulm

1995: DAS DAIMLER-BENZ-VERFAHREN ZUM RECYCLING VON KUNSTSTOFF-VERBUNDWERKSTOFFEN

Ulm/Stuttgart, 22. Juni 1995 - In den alten Bundeslandern fallen jahrlich etwa 30 Mio. Tonnen Hausmull, Sperrmull und hausmullahn liche Gewerbeabfalle an. Zusatzlich entstehen ca. 200 Mio. Tonnen Produktionsabfalle. Etwa 170 Mio. Tonnen dieses Abfalls werden heute noch deponiert. In dieser Gesamtmenge sind ca. 2,5 Mio. Tonnen Kunststoffabfalle enthalten. Bei den Kunststoffabfallen ist dies etwa die Halfte. 0,7 Mio. Tonnen Kunststoffabfalle werden pro Jahr verbrannt und ca. 0,5 Mio. Tonnen pro Jahr einer stofflichen Verwertung zugefuhrt.

Das Problem

Auch wenn somit die Kunststoffabfalle nur rund ein Gewichtsprozent aller Abfalle ausmachen, stellt deren Recycling eines der grosten Probleme dar, wie es Meldungen uber illegale Mullexporte und uber die Probleme des "Dualen System Deutschland" bei der Wiederver wertung von Kunststoffabfallen dokumentieren.

Ganz generell lassen sich Abfallstoffe um so besser wieder aufarbei ten und einer Verwertung zufuhren, je weniger sie mit anderen Stof fen vermischt werden. Die dann namlich notwendige Trennung als ersten Schritt zur Wiederaufbereitung kann sehr komplex werden.

Absolut unmoglich erschien bisher die Trennung bei Teilen, die aus unterschiedlichen Kunststoffen zusammengesetzt sind. Solche Kunststoffgemische besitzen zum Teil faszinierende Produkteigen schaften. Aus diesem Grund bieten sie sich fur den industriellen Ansatz regelrecht an. Aus ihnen lassen sich z. B. Teile formen, die extrem leicht und gut bearbeitbar, aber auch stosbestandig und formstabil sind. Bisher bestand fur solche Kunststoffteile kaum die Moglichkeit einer Verwertung. Die Trennung in die einzelnen Ursprungsbestandteile war so gut wie ausgeschlossen, so das prak tisch nur die Wahl zwischen Deponierung und Verbrennung bestand.

Vor dem Hintergrund der knapper werdenden Ressourcen und des begrenzten Deponieraumes steigt ganz allgemein der Druck, Verfahren zu entwickeln, die eine hochwertige Wiederverwendung von Reststoffen ermoglichen. Dies gilt im besonderen Mase fur Kunststoffe, denn der Verbrauch an Kunststoffen wird auch in Zukunft weiter steigen. Als Beispiel kann hierfur der Einsatz von Kunststoffen in Kraftfahrzeugen gesehen werden. So betrug beispielsweise der Anteil an Kunststoffen in Fahrzeugen im Jahre 1965 2 %, 1985 10%, und Prognosen sagen, das 1995 etwa 14 Gewichtsprozent an Kunststoffen in Fahrzeugen enthalten sein werden. Ahnliche Entwicklungen zeichnen sich bei Hausgeraten sowie Konsumgutern ab.

Die Produktionsforschung von Daimler-Benz untersucht seit 1991 das Recycling von Verbundmaterialien, wie sie beispielsweise in der Herstellung von Armaturentafeln von Personenkraftwagen eingesetzt werden. Diese Armaturentafeln werden teilweise bei Zulieferfirmen, aber auch im Mercedes-Benz-Nutzfahrzeugwerk in Worth hergestellt.

Bei der Produktion der Armaturentafeln, die aus einem Verbund von drei unterschiedlichen Kunststoffarten bestehen, fallen sogenannte Stanzabfalle an, die in der Vergangenheit deponiert wurden. Allein im Werk Worth entstehen uber 1000 Tonnen dieser Abfalle pro Jahr.

Die Losung

Durch die bei Daimler-Benz entwickelte Verfahrenstechnik ist es nun moglich, hochwertige Materialien, wie z.B. das Tragermaterial aus glasfaserverstarkten Thermoplasten oder die Deckfolie, sortenrein wiederzugewinnen. Neben der Schonung von Deponieraum kann auf den Einsatz von Neumaterialien verzichtet werden.

Damit hat Daimler-Benz ein Problem gelost, das an vielen Stellen in der ganzen Welt Wissenschaftler bewegt. Viele der Zulieferer als auch andere Hersteller solcher Materialien sind an diesem patentierten Verfahren zur mechanischen Aufbereitung von ahnlichen Verbundwerkstoffen interessiert. Deshalb wurde im Marz 1995 ein Lizenzvertrag mit einem Unternehmen abgeschlossen, das dieses Verfahren in Deutschland und Europa vermarkten wird.

Eine Abschatzung uber den Anfall von Stanzabfallen, wie sie bei Mercedes-Benz entstehen, ergab, das in Westeuropa ca. 17.000 Tonnen pro Jahr, in USA und Kanada ca. 11.000 t/a und in Japan ca. 13.000 t/a anfallen. Wurden nur die Halfte in Zukunft nach dem neuen Daimler-Benz-Verfahren aufbereitet, so musten alleine in Westeuropa immerhin ca. 8.500 t/a und in allen oben betrachteten Landern ca. 20.000 t/a Kunststoff weniger deponiert oder verbrannt werden und konnten einem hochwertigen stofflichen Recycling zugefuhrt werden. Neben den Stanzabfallen konnen nahezu alle Produkte aus Verbundwerkstoffen mit dem Verfahren aufbereitet werden, die als eine Komponente Polyurethan-Schaum besitzen, d.h. das bei einer Berucksichtigung von nur 10 % dieser Abfalle jahrlich eine Menge von ca. 700.000 t/a aufbereitet werden kann.

Aufbereitung und Verwertung von PU-haltigen Stanzabfallen

Die Instrumententrager fur Mercedes-Benz PKW werden im Nfz- Werk Worth hergestellt. Bei der Fertigung fallen zur Zeit je nach Typ zwischen 1,2 kg und 2,2 kg Produktionsabfalle an. Dieser Stanzab fall ist ein dreilagiger Werkstoffverbund und besteht aus einem glasfaserverstarktem PP als Tragermaterial, einem PU-Schaum als Zwischenlage und einer ABS/PVC-Folie als Deckschicht (Bild 1). Aus zwei Grunden musten diese Produktionsabfalle bis vor kurzem deponiert werden: Ein Recycling als Werkstoffgemisch ist grund satzlich kaum moglich, da die drei Materialien des Werkstoffver bundes untereinander unvertraglich sind. Bisher war kein Verfahren verfugbar, mit dem die einzelnen Materialien ABS/PVC, PU und GM- PP sortenrein aus dem Werkstoffverbund zuruckgewonnen werden konnten.

Bild 1: Struktur eines Instrumententragers und des Aufbereitungsver fahrens

Die Daimler-Benz Forschung startete Anfang 1991 ein Projekt, um Recyclingverfahren fur diese Art Verbundabfalle zu untersuchen. Nachdem es gelungen war, eine entsprechende Verfahrenstechnik zu entwickeln, wurde 1993 im Forschungszentrum Ulm eine Pilotan lage aufgebaut. Zur Zeit wird eine Aufbereitungsanlage im Werk Worth errichtet, mit der ab Mitte 1995 samtliche Produktionsabfalle dieser Art behandelt werden konnen.

Aufbereitungsverfahren

Die Aufbereitung der Stanzabfalle erfolgt im wesentlichen in drei rein trockenmechanischen Schritten (Bild 2).

Bild 2: Schema des neuen Recyclingverfahrens

Im ersten Schritt wird der Stanzabfall in einem Doppelwellenschnei der in naherungsweise wurfelformige Partikel mit einer Kornung von 20 mm bis 40 mm vorzerkleinert. Der Werkstoffverbund wird durch diese Behandlung noch nicht aufgeschlossen, die Partikel bestehen also weiterhin aus allen drei Materialien.

Im nachsten Schritt werden die wurfelformigen dreilagigen Partikel in ihre Ausgangsmaterialien aufgeschlossen. Hierbei ist es wichtig zu wissen, das die mittlere Schicht, der PU-Schaum, weniger bruchfest ist als die Folie und das Tragermaterial. Die Partikel werden char genweise in eine Hammermuhle aufgegeben. Dort wird der weniger bruchbestandige Schaumstoff durch Prallbeanspruchung und Reibung selektiv zerkleinert. Die Dreischichtpartikel werden somit in kleinere, sortenreine Partikel aufgeschlossen. Dieser selektive Zerkleinerungsprozes ist von besonderer Bedeutung, da das glasfaserverstarkte Tragermaterial hierbei nicht beschadigt wird. Die PU-Partikel, die wesentlich kleiner als die Folienpartikel und die GM-PP-Chips sind, verlassen die Hammermuhle durch ein integriertes Sieb. Die PU-Partikel werden dann uber einen Zyklon abgeschieden und konnen einer Weiterverarbeitung zugefuhrt wer den. Die Folienpartikel und GM-PP-Chips verbleiben solange im Mahlraum, bis das PU vollstandig zerkleinert ist und die Hammermuhle verlassen hat. Anschliesend verlast das Par tikelgemisch aus ABS/PVC und GM-PP den Mahlraum uber eine Klappe. Rotordrehzahl, Verweilzeit und Fullmenge sind die ent scheidenden Parameter, um diesen selektiven Zerkleinerungsprozes zu steuern. Diese Parameter mussen in geeigneter Weise gewahlt werden, um die unerwunschte Zerkleinerung der Folie und des Tra germaterials zu minimieren. Zahlreiche Versuchsreihen waren erfor derlich, um die optimale Rotordrehzahl, Aufgabemenge und Verweil zeit zu bestimmen.

Im letzten Schritt wird das Gemisch aus ABS/PVC und GM-PP in sortenreine Fraktionen in einem Luftsetzherd getrennt (Bild 3). Die ursprungliche Materialstarke der Folie und des Tragermaterials bleibt durch die vorhergehende schonende Zerkleinerung erhalten. Somit sind die GM-PP-Chips im Durchschnitt mehr als doppelt so dick wie die ABS/PVC-Folienpartikel. Unter Ausnutzung dieses Dickenunterschiedes konnen die Partikel einfach in sortenreine Fraktionen getrennt werden. Eine Sortierung nach Dichte ware wegen Uberschneidungen in den Dichtebereichen nicht moglich. Die erzielte Reinheit der GM-PP-Fraktion ist groser als 99,9 %, die der ABS/PVC-Fraktion erreicht uber 98 %. Diese hohen Reinheiten sind Grundvoraussetzung, um ein hochwertiges stoffliches Recycling durchfuhren zu konnen.

Bild 3: Einsatz eines Luftsetzherdes zur Trennung von ABS/PVC- Folienpartikel und GM-PP-Chips. Als Trennkriterium wird der Dickenunterschied genutzt.

Aufwertung und Verarbeitung der thermoplastischen Anteile

Sortenreine ABS/PVC-Folienreste, die in anderen Produktionspro zessen anfallen, werden seit langem stofflich verwertet. Die ABS/PVC-Folie, die aus dem Stanzabfall zuruckgewonnen wird, kann auf die gleiche Art und Weise wie die sortenrein anfallenden Folien verwertet werden. Entsprechende Versuche haben dies bestatigt.

Als schwieriger erweist sich die Verwertung der GM-PP-Chips. Eine Voraussetzung fur den Erhalt guter mechanischer Eigenschaften ist, das die Lange der Glasfasern weitgehend erhalten bleibt. Aus die sem Grund ist eine Verarbeitung der Chips mittels Spritzgiesma schinen ungeeignet. Das Plastifikat wird durch die hohen SchneK kendrehzahlen, der schnellen Einspritzung in die Form und den engen Dusen so hohen Scherkraften ausgesetzt, das die Lange der Glasfasern entscheidend verkurzt wird. Dieses Problem konnte durch den Einsatz eines speziellen Plastifizierers gelost werden.

Eine weitere Bedingung, um gute mechanischen Eigenschaften des GM-PP-Rezyklats zu erhalten, ist, das dem Rezyklat geeignete Additive beigemischt werden. Fur die GM-PP-Chips wurde ein Addi tivgemisch eingesetzt, das folgende Anforderungen erfullt:

- Verbesserung der Vertraglichkeit zwischen Glasfaser und PP- Matrix

- Langzeit-Stabilisierung fur den Einsatz in einer neuen Anwendung

- Prozes-Stabilisierung, um den schadigenden Einflus der erneuten Verarbeitung zu reduzieren

Die wichtigsten Ergebnisse der verschiedenen Versuchsreihen sind in den Abb. 4 und 5 wiedergegeben. Samtliche Proben wurden aus PKW-Bauteilen entnommen. Es sind jeweils die Kennwerte der Materialien Neuware, Rezyklat und Rezyklat+Additive aufgefuhrt.

Die Biegefestigkeit des Rezyklates sinkt erwartungsgemas um ca. 25 %. Wie in Bild 4 zu sehen ist, wird dieser Ruckgang durch Ein satz des Additivgemisches ausgeglichen. Die fur Anwendungen geforderte Biegefestigkeit fur ein GM-PP mit 30 % Glasanteil betragt 50 MPa und wird deutlich ubertroffen.

Zur Bestimmung der Biegefestigkeit nach Alterung wurden die Pro ben aus den Bauteilen 42 Tage bei 140 C gelagert und anschlie send gepruft. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Bild 5 enthal ten. Der Kennwert fur das Rezyklat fallt erneut stark ab (ca. 40 %). In diesem Fall kann der Ruckgang nur teilweise durch den Einsatz des Additiv-Gemisches ausgeglichen werden. Da der Grenzwert fur eine erneute Anwendung dieses Materials als GM-PP jedoch bei 40 MPa liegt, bestehen gegen einen Wiedereinsatz keine technischen Bedenken.

Bild 4: Biegefestigkeit von Neuware, Rezyklat und aufgewertetem Rezyklat im Vergleich

Bild 5: Biegefestigkeit von Neuware, Rezyklat und aufgewertetem Rezyklat im Vergleich. Vor der Werkstoffprufung wurden die Proben 42 Tage bei 140 C gealtert.

Aufwertung und Verarbeitung der PU-Fraktion

Grundsatzlich konnen Polyurethane einem chemischen Recycling zugefuhrt werden. Eine vielversprechende Technologie fur diese Produkte ist die Glykolyse. Hierbei werden die Makromolekule an den chemisch leicht angreifbaren Stellen so gespalten, das nieder molekulare Bausteine entstehen (Oligomere). Diese Sekundarpro dukte konnen nach entsprechender Modifikation wieder als Rohstoff fur Polymere eingesetzt werden. Nach dem heutigen Stand der Technik ist bisher nur die Glykolyse von sortenreinen Polyuret hanabfallen, z.B. aus der Schaumstoffproduktion, moglich. Eine Gly kolyse von vermischten oder verunreinigten Stoffen ist dagegen noch nicht bekannt geworden . Haufig ist eine sortenreine Ruckge winnung der Polykondensate und Polyaddukte wirtschaftlich und/oder technisch nicht moglich. Die glykolytische Behandlung sol cher nicht sortenrein anfallender Produkte ist jedoch von groser Bedeutung, da sie sowohl in Strasenfahrzeugen, Schienenfahrzeu gen als auch Flugzeugen eingesetzt werden. Tabelle 1 gibt einige Beispiele fur Produktionsabfalle und Altprodukte wieder, die grund satzlich fur eine glykolytische Behandlung geeignet waren.

Strasenfahrzeuge Schienenfahrzeuge Flugzeuge Ausenverkleidungen

* Polyester-Overspray * PU-Lackreststoffe * * * Schaumstoffe aus Sitzen * * * Schaume aus Verbundbauteilen *

Tab.1: Glykolytisch behandelbare Produktionsabfalle und Altprodukte

Die PU-Fraktion, die durch den oben beschriebenen Prozes gewon nen wird, ist mit thermoplastischen und mineralischen Reststoffen vermischt. Untersuchungen im Labor- und im Technikumsmasstab haben gezeigt, das die Reststoffe im Polyurethankonzentrat (Bild 6) in konventionellen Ruhrreaktoren zu Agglomeraten fuhren, die ein Verkleben des Ruhrers und des Reaktors bewirken. Eine konventio nelle Glykolyse ist somit nicht moglich. Zur Durchfuhrung der Glykolyse mus das Polyurethankonzentrat deshalb vorbehandelt werden.

Bild 6: Zusammensetzung des PU-Konzentrates

Es ist notwendig, fur solche verunreinigten Polyurethane ein neues Verfahren zu entwickeln. Zur Losung der Probleme bei der Glykolyse wurde folgender Ansatz erarbeitet: - Behandlung des verunreinigten Polyurethankonzentrates durch Warmezufuhr und Einbringung von Scherenergie. Dies geschieht in einem speziell dafur modifizierten Scher- und Dispergierreaktors. Durch diesen Vorgang wird aus dem Polyurethankonzentrat ein stabiles disperses Vorprodukt gewonnen, das sich anschliesend in einem Ruhrreaktor homogenisieren last. - Homogenisierung des Vorglykolysats in einem Ruhrreaktor. Dieser Schritt ist notwendig, um eine stabile Dispersion aus dem Vorglykolysat sowie den thermoplastischen und ggfs. mineralischen Bestandteilen zu erhalten. Hierzu war es erforderlich, einen entsprechenden Reaktor zu entwickeln. In diesem Gerat wird das Vorprodukt derartig geruhrt, das die Fremdbestandteile nicht mehr agglomerieren. In dem Ruhrreaktor wird ein stabiles Vorglykolysat erzeugt, das sich in einer Nachglykolyse zu einem Sekundarpolyol verarbeiten last. - Glykolyse des Vorproduktes zu einem Sekundarpolyol in einem Glykolysereaktor. In diesem Reaktor werden die spater zur Verarbeitung notwendigen Parameter wie z.B. Viskositat und OH-Zahl des Sekundarpolyols eingestellt. - Formulierung des Sekundarpolyols. In diesem Verfahrens schritt wird das erhaltene Glykolyseprodukt zu einem stabilen Rohprodukt fur die Herstellung von Polyurethanen modifiziert. - Verarbeitung des formulierten Sekundarpolyols zu Probebau teilen aus Hartschaumen. - Prufung der Probebauteile.

An der Weiterentwicklung dieses Verfahrens wird zur Zeit noch intensiv gearbeitet, um moglichst noch 1995 eine industrielle Reali sierung zu ermoglichen.

Schlusbetrachtungen

Die Menge der Produktionsabfalle und Altprodukte, die zukunftig anfallen, wird noch weiter ansteigen. Haufig bestehen diese Abfalle aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen. Auf Grund abnehmender Depo nierungsmoglichkeiten und sich verscharfender gesetzlicher Aufla gen mussen verstarkt stoffliche, chemische und thermische Verwer tungsverfahren eingesetzt werden. Speziell fur die stoffliche Verwer tung, aber auch fur die chemische Verwertung, sind sortenreine Fraktionen erforderlich. Um sortenreine Fraktionen aus Kunststoff- Verbundwerkstoffen zu gewinnen, ist eine mehrstufige Aufbereitung durch Einsatz von Teil- und Trenntechniken notwendig.

Die wesentlichen Verfahren zur Zerkleinerung und Sortierung von Kunststoff-Verbundwerkstoffen als Vorbereitung fur eine nachfol gende Verwertung sind in diesem Beitrag dargestellt worden. Die Schwierigkeit bei der Aufbereitung dieser Stoffe liegt nicht nur in der Problematik der einzelnen Verfahren begrundet, sondern vor allem in der Zusammenstellung effektiver Verfahrenskombinationen. Durch geeignete Kombination verschiedener, grostenteils bereits verfugba rer Verfahren konnen schon heute Losungen fur viele Probleme der Aufbereitung entwickelt werden.

Mit dem hier vorgestellten Verfahren ist es jetzt moglich, dreischich tige Stanzabfalle aus der Produktion von Instrumententragern nahe zu vollstandig zu rezyklieren. Sowohl fur das GM-PP-Tragermaterial als auch fur die ABS/PVC-Folie bestehen technisch und wirtschaft lich sinnvolle Verwertungsmoglichkeiten.

Die Preistrager:

An der Entwicklung und Realisierung des Verfahrens zum Recycling von Kunststoff-Verbundwerkstoffen waren in erster Linie die Herren Melchiorre und Guldenpfennig beteiligt:

Dipl.-Ing. Michele Melchiorre, geb. am 9.11.1964 in Koln, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen. 1988 trat er in die Mercedes- Benz AG, Sindelfingen, ein und war dort in der Verfahrensentwick lung tatig. Seit 1990 ist er im Forschungszentrum Ulm der Daimler- Benz AG beschaftigt und dort verantwortlich fur Aufbereitungstech nik und Recycling.

Dipl.-Ing. Martin Guldenpfennig, geb. am 29.05.1964 in Siegen, stu dierte Maschinenbau an den Universitaten Siegen und Stuttgart. 1991 trat er in die Daimler-Benz AG ein und ist seitdem in der Pro duktionsforschung tatig. Sein Hauptaufgabengebiet ist die Aufberei tung von Produktionsabfallen sowie Altprodukten.


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