Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften

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1 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften M.Sc. Olaf Ludwig, M.Sc. Matthias Bruchmüller Technische Universität Ilmenau/Fachgebiet Kunststofftechnik Dipl.-Ing. Jasmin Bauer, M.Sc. Charlotte Mämpel Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2016 FE 9128 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.

2 Agenda Informationen zum Vorhaben NFK in der Entsorgung und Verwertung Sortierversuche auf einer Praxisanlage Untersuchung mechanischer Eigenschaften Ausblick Bild 2 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

3 Motivation und Zielsetzung Einsparung fossiler Rohstoffe Steigender Anteil an naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) Neues Verpackungsgesetz Recyclingquote Recycling von NFK Ziel: Verarbeitung zu gleichwertigen Produkten Bild 3 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

4 Kreislaufprozess gelber Sack/ gelbe Tonne konventionell: PE, PP, PS, PET Produkt verunreinigte NFK-Flakes x % y % Neuware NFK aufbereitete NFK Bild 4 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

5 Entsorgung von Kunststoffabfällen Welchen Entsorgungsweg gehen Produkte aus naturfaserverstärkten Kunststoffen? Nutzung / Verbraucher Entsorgung Erfassung und Sammlung u.a. Abfallbewirtschaftung Wohin damit???? Rücknahmesysteme für Verpackungen Duale Systeme z.b.: Tuben aus der Kosmetikindustrie Restabfall z.b.: Stapelbecher aus der Spielzeugindustrie Abfall NFK Sortierung trocken z.b. PE/PP, PET, Folien, MKS u. EBS thermische / mechanischbiologische Behandlung Aufbereitung trocken-nass z.b. PE, PP, PET energetische Verwertung / Beseitigung: keine wesentlichen Unterschiede zu konventionellen Kunststoffen Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 5

6 Kunststoffabfälle in der Verwertung Verpackungen Rücknahmesysteme für Verpackungsabfall Pfandsysteme PET-Flaschen Sortierung LVP über duale Systeme (gelbe(r) Tonne/Sack) z.b. Becher, Schalen, Flaschen, Folien etc. Sortier-/Vorbehandlungsanlagen (Entsorgungsfachbetrieb), Sortierung trocken Prozessschritte u.a. Zerkleinerung, Siebung, Metallabscheidung, sensorgestützte Sortierung (NIR), Windsichtung, manuelle Kontrolle Produktfächer: entsprechende angereicherte Wertstofffraktionen (inkl. Verunreinigungen durch Sortierleistung, Material-Compounds / -mischungen, Rest- und Störstoffe) PET PS PE / PP Folien MKS EBS* Rest- u. Störstoffe Letztempfängeranlagen, Aufbereitung trocken-nass Prozessschritte (je Wertstofffraktion): u.a. Metallabscheidung, sensorgestützte Sortierung (NIR), Zerkleinerung, Wäsche, Sink-Schwimm-Trennung (Dichtetrennung), Trocknung, ggf. Extrudieren Sinkfraktion (ρ > 1) Aufbereitung z.b. PET Schwimmfraktion Sinkfraktion z.b. PE / PP Schwimmfraktion (ρ < 1) Letztempfängeranlagen, Aufbereitung trocken Prozessschritte (je Wertstofffraktion): u.a. Metallabscheidung, Zerkleinerung, Siebung, Windsichtung, Sortierung, ggf. Agglomerieren z.b. MKS thermische Behandlung (MVA) PET u.a. Rest- u. Störstoffe u.a. Rest- u. Störstoffe PE / PP z.b. PO Rezyklate, z.b. PET, PO, PS (werkstoffliches Recycling) Reduktionsmittel, Gase u. Öle (rohstoffliches Recycling z.b. Stahlwerk) Brennstoff (energetische Verwertung z.b. Zement- u. Heizkraftwerk) Energie (Beseitigung, ggf. energetische Verwertung**) *Ersatzbrennstoff; **MVA *Spezifikationen ggf. als energetische an die Verwertung jeweilige Wertstofffraktion eingestuft vorh.; **Einstufung als Letztempfängeranlage für EBS-Herstellung Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 6

7 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Materialauswahl Material NFK 1 NFK 2 NFK 3 Naturfaseranteil PE + Holz PP + Holz PP + Flachs Becher: Tuben: 20 % 20 % Becher: Tuben: 20 % 5 % Becher: Tuben: 20 % 5 % Versuchsplanung INPUT (je Versuch): ca. 750 kg NFK + ca. 750 kg LVP 1. Versuch 2. Versuch Material: NFK 1, LVP Material: NFK 2, LVP Positivsortierung auf NFK 1 Positivsortierung auf NFK 2 3. Versuch Material: NFK 3, LVP Positivsortierung auf NFK 3 4. Versuch Material: NFK 1 / 2 / 3, LVP Positivsortierung NFK 1 / NFK 2 / NFK 3 Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 7

8 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Versuchsvorbereitung Einlesen NIR-Spektren Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 8

9 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Versuchsdurchführung Materialzusammenstellung Materialaufgabe Sensorgestützte Sortierung (NIR) LVP + NFK Sortierkabine Transport zur Sortierkabine Produktaustrag in Bunkern Fehlwürfe Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 9

10 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Versuchsdurchführung Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 10

11 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Versuch 1-3 Versuch 1 Bunker 1 Bunker 2 Bunker 4 Tubenrohlinge gut detektiert und aussortiert Becher nur mangelhaft erkannt und aussortiert Becheraustrag gilt es zu optimieren Versuch 2 Bunker 1 Bunker 2 Bunker 4 es wurden mehr Becher detektiert und aussortiert als in Versuch 1 Versuch 3 Bunker 1 Bunker 2 Bunker 4 Tubenrohlinge konnten gut detektiert u. ausgeworfen werden Becher konnten nicht detektiert werden und landeten in den Reststoffen Versuch Material NFK-Sortierquote NFK-Gehalt im Sortierprodukt Versuch 1 NFK 1 72,8 % 89,2 % Versuch 2 NFK 2 62,7 % 80,0 % Versuch 3 NFK 3 47,6 % 76,2 % Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 11

12 Sortierversuche auf einer Praxisanlage Versuch 4 Bunker 1: NFK 1 Bunker 2: NFK 2 Bunker 4: NFK 3 Bunker Material NFK-Sortierquote Bunker 1 NFK 1 58,3 % Bunker 2 NFK 2 42,6 % Bunker 3 NFK 3 16,7 % wenig Fehlwurfanteil der anderen NFK (PP-haltig) in NFK 1 (PE-haltig) viel NFK 2 in NFK 3 und umgekehrt (beide PP-haltig) Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 12

13 Zusammenfassung der Sortierversuche Sortierversuche auf Praxisanlagen zeigten, dass die eingesetzten NFK von NIR-Geräten detektiert und aussortiert werden können eine getrennte Erfassung von NFK mit PE und PP als Kunststoff möglich ist eine Unterscheidung verschiedener NFK mit PP als Grundkunststoff problematisch ist schwarze, lichtundurchlässige Objekte derzeit nicht von den auf der Praxisanlage installierten NIR-Geräten detektiert werden können. Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 13

14 Optische Unterschiede der Prüfkörper PP + Holzspäne PP + Flachs Vor Sortierung Nach Sortierung, mit Fehlwürfen Nach Sortierung, ohne Fehlwürfe Vor Sortierung Nach Sortierung, mit Fehlwürfen Nach Sortierung, ohne Fehlwürfe Bild 14 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

15 Prozessbedingte Auswirkungen auf den Elastizitätsmodul Zugmodul [N/mm²] ,6% -8,0% -6,6% -13,0% PP + Holzspäne PP + Flachs Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Bild 15 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

16 Prozessbedingte Auswirkungen auf die Zugfestigkeit Zugfestigkeit [N/mm²] ,2% -6,4% -16,6% -12,1% PP + Holzspäne PP + Flachs Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Bild 16 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

17 Prozessbedingte Auswirkungen auf die Charpy- Schlagzähigkeit Charpy-Schlagzähigkeit [kj/m²] ,5% -17,4% -26,8% -11,6% PP + Holzspäne PP + Flachs Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Vor Sortierung mit Fehlwürfen ohne Fehlwürfe Bild 17 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

18 Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften und Ausblick Ergebnisse: Elastizitätsmodul sinkt Zugfestigkeit sinkt Schlagzähigkeit nimmt zu Weitere Schritte: Aufbereitung der NFK Untersuchung des Einflusses der Sortier- und Aufbereitungsprozesse auf die Eigenschaften der NFK Erneuter Sortier- und Aufbereitungsprozess Bild 18 Untersuchungen zur Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Kunststoffe

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen und Anregungen? M.Sc. Olaf Ludwig Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Kunststofftechnik Tel.: Dipl.-Ing. J. Bauer International Transferstelle Tel.: Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2016 FE 9132 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert. Thüringer Werkstofftag 2018 / / Weimar 19