Dr.-Ing. Stefan Hoyer Forschungsbereich Extrusionstechnologien und Recycling

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1 Dr.-Ing. Stefan Hoyer Forschungsbereich Extrusionstechnologien und Recycling Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung Leitung: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll

2 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 1

3 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 2

4 Spannung in MPa Gummi (Elastomer) entsteht durch Vernetzung von Kautschuk (Vulkanisation) Thermisch irreversible Vernetzung Vielzahl produktspezifischer Rezepturen Systemische Wechselwirkungen der Mischungsbestandteile Füllstoffe 29,5 % Weichmacher 4,7 % Andere 2,1 % Hyperelastizität 6,2 MPa E-Modul: Kautschuk 58,9 % Aktivator 3,2 % Beschleuniger 0,9 % Schwefel 0,7 % Vernetzungssystem Exemplarische Lkw-Laufflächenmischung ,4 MPa 2,6 MPa Dehnung in % 3

5 Globale Kautschukproduktion in Milllionen Tonnen Globale Kautschukproduktion Mio. t Kunststoff (2013) 30 Mio. t 30 Mio.t ,8% 6,5% 6,7% 7,7% 3,9% 1,2% 10,8% 7,3% 3,8%3,7% 4,3% 1,5% Verteilung nach Branchen 0-1,6% -2,5%-3,1% Weltweit; Naturkautschuk und synthetischer Kautschuk Quelle: International Rubber Study Group; ID

6 Thermische Verwertung Rohstoffliche Verwertung Werkstoffliche Verwertung Werkstoff wird verbrannt Werkstoff wird abgebaut Werkstoff bleibt erhalten Pyrolyse Hydrierung sortenrein gemischt Energie Zement Gas Öl Ruß Gas Öl Primäranwendung Sekundäranwendung 5

7 Unzählige hersteller- und produktspezifische Rezepturen Mischungsreinheit ist oberste Priorität für Recycling Degradation während des Produktlebenszyklus Rückführbarkeit gebrauchter Produkte ist eingeschränkt Reifen Technische Elastomere Sekundärprodukte Produktionsreststoffe Vielstoffgemisch aus NR, SBR, IR, BR End-of-life Produkte (> 5 Jahre) Mengenmäßig stark relevant Produkte sind meist sortenrein Sammeln End-of-life Produkte kaum möglich Degradation des Werkstoffes problematisch 6

8 3,4 Mio. t gebrauchte Reifen (~ 500 Mio. Stück) 2,8 Mio. t Altreifen (~ 414 Mio. Stück) Wiederverwendung Export Runderneuerung 43 % 46 % Ingenieurbauten Rezyklierung 4 % 7 % Energetische Verwertung Unbekannter Verbleib Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt, infoblatt Abfallwirtschaft: Gebraucht- und Altreifen,

9 SBR NR EPDM NBR CR ECO VMQ ACM IIR AEM AU/EU HNBR FKM Spritzguss Extrusion Transferpressen Kautschukpreise 2013 in (geschätzt) Ausschuss: 3 4 % Ausschuss: 8 10 % Sortenreine Rückführung in die Ausgangsmischung Ausschuss: bis 80 % 8

10 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 9

11 Altgummi z. B. Austrieb, Ausschuss, Altreifen etc. Vorzerkleinerung und ggf. Stofftrennung (z. B. Abtrennung von Stahl-/Textilcord) Feinvermahlung Warmvermahlung Zerkleinerung durch Schub bei Raumtemperatur oder darüber bis ~500 kg/h z. B. sortenreiner, innerbetrieblicher Recyclingkreislauf Kryogenvermahlung Zerkleinerung durch Prall und Schlag unterhalb der Glasübergangstemperatur (~ -70 C) ab ~1.000 kg/h z. B. Altreifen oder Mischverarbeitung verschiedener Sorten 10

12 Warm-Vermahlung Große, zerklüftete Oberfläche Kryogen-Vermahlung Kleine spezifische Oberfläche Glatte Bruchkanten Partikel aus der Warmvermahlung Partikel aus der Kryogenvermahlung 11

13 Produktionsreste Granulat < 8 mm Feinmehl < 0,8 mm Warmmahlvorrichtung zur Feinvermahlung von Elastomeren Konzipiert für Kleinchargen sortenreiner Produktionsreststoffe Zielgruppe: kleine und mittelständige Elastomerverarbeiter Am Institut für Strukturleichtbau entwickelt 12

14 Sortenreine Kleinchargen (innerbetrieblich) Mischverarbeitung (z. B. Altreifen) 100 kg/h 200 kg/h 500 kg/h Baugröße 150 Baugröße 300 Baugröße

15 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 14

16 Durchgangssumme Durchsatz: Gutanteil (< 0,8): Energiebedarf: Kosten: Basis 600 µm 800 µm Jew. 10 % Rezyklatanteil 80 kg/h 35 kg/h ~ 0,3 kwh/kg ~ 1,10 /kg Mischungskosten: ~ 6 /kg Amortisation: h Lineare Abschreibung über 6 Jahre, Personalkosten 2.000,- /Monat, Energiekosten10 ct/kwh 100% 80% 60% 40% 20% 0% 95% Korngrößenverteilung: 76% 53% 44% 30% 23% 16% 6% Maschenweite Sieb [µm] 0 15

17 Durchgangssumme Durchsatz: Gutanteil (< 0,8): Energiebedarf: Kosten: 10 % Rezyklat in der Ausgangsmischung: Keine relevante Veränderung der mechanischen Kennwerte Halbierung des Reinigungsaufwandes der Werkzeugkavitäten 90 kg/h 60 kg/h ~ 0,1 kwh/kg ~ 0,60 /kg Mischungskosten: ~ 4 /kg Amortisation: < h Lineare Abschreibung über 6 Jahre, Personalkosten 2.000,- /Monat, Energiekosten10 ct/kwh 100% 80% 60% 40% 20% 16 0% Korngrößenverteilung: 100% 93% 76% 67% 52% 42% Maschenweite Sieb [µm] 29% 5% 0

18 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 17

19 Kryogen Warm SBR Kryogen Warm SBR Granulometrische Charakterisierung Granulometrische Charakterisierung Wechselwirkungen bei der Verarbeitung und Vulkanisation Wechselwirkungen bei der Verarbeitung und Vulkansiation Ermittlung ausgewählter Kennwerte Ermittlung ausgewählter Kennwerte Ableitung materialspezifischer Versagensmechanismen, Ableitung materialspezifischer die das Aufbereitungsverfahren Versagensmechanismen, die das berücksichtigen Aufbereitungsverfahren berücksichtigen 18 Matrixmaterial: SBR Styrol-Butadien-Kautschuk Rezyklatanteil: 40 % Basis: Lkw-Reifen Korngröße: µm Aufbereitung Verarbeitung & Vulkanisation Materialverhalten Versagen

20 Rezyklatpartikel Schwefel Schwefelbrücke E M < E P Matrix (Kautschuk) 19

21 Sekantenmodul in MPa Rezyklatcompound SBR SBR x 1/ Dehnung ε 20

22 1 mm 1000 mm/min 1000 mm/min Kryogen vermahlen Sanfterer Steifigkeitsübergang durch Warmmahl-Partikel Kryogen vermahlen Warm vermahlen 1000 mm/min 1 mm Warm vermahlen Beeinflussung der Rissfortpflanzung durch die Struktur der Rezyklatpartikel bei schnellem Risswachstum 21

23 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 22

24 Spielplätze und Freizeitanlagen, Laufbahnenunterbau Elastische Bodenbeläge und Fallschutzplatten Einstreugranulat für Kunstrasenplätze 23 Straßenbau - Gummiasphalt

25 Thermoplast-Elastomer-Compounds / Elastomeric alloys Thermoplastische Werkstoffe als Substitut für TPE Gummifeinmehl Thermoplastgranulat Endprodukt 24

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27 1 Zahlen und Fakten zu Elastomeren 2 Werkstoffliche Recyclingkonzepte 3 Praxisbeispiele innerbetriebliches Recycling 4 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen 5 Sekundäranwendungen für Altreifen 6 Ausblick 26

28 Preis in US-$/kg Naturkautschuk SMR20 4,47 $ Rohöl - Brent (3,21 ) Die Preisentwicklung im Kautschukbereich - setzt Recyclingunternehmen stark unter Druck - Lässt im Naturkautschukbereich eine Rohstoffverknappung erwarten, da z. B. auf Palmöl umgestellt wird 2 1 1,14 $ (1,00 ) 0,172 $ (0,15 ) Feinmahltechnologie derzeit beste Verwertungsstrategie, da auch beim aktuellen Preisniveau wettbewerbsfähig 27

29 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen zum Recycling auf Basis Feinmehl: Forschungsbedarf: Werkstoffmechanik und Versagensmechanismen Optimierung der Werkstoffrezeptur Prüfverfahren zur Ermittlung praktischer Einsatzgrenzen Qualitätssicherung Abbau von Vorurteilen durch wissenschaftlich fundierte Referenzprojekte 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 28

30 Produktion Konstruktion Elasto-Tech: Nachhaltige Technologien für hochelastische Polymerkomposite Nachhaltige Elastomertechnologien Prozessentwicklung Produktentwicklung 29 Netzwerkmanagement Projektträgerschaft

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