Entwicklung innovativer Lösungen für die Verwertung faserhaltiger PVC-w- Reststoffe

Entwicklung innovativer Lösungen für die Verwertung faserhaltiger PVC-w- Reststoffe 25. IG KURIS-Seminar Kunststoffrecycling in Sachsen, Dresden, 10.05 2016 Matthias Langer

Ausgangssituation/Veranlassung Fußbodenbelagsindustrie: - 30.000 t/a Reststoffe, davon werden 20.000 t/a wiederverwertet, Enstorgung von 10.000 t/a - Tarkett 4m Kalander, ausschließlich Randbeschnittabfälle aus heterogenen Bodenbeläge als Grundierung auf Glasvlies appliziert Tapetenindustrie: - Abfälle, Fa Rasch: ca. 2.500 t/a - Gesamtmenge deutscher Tapetenhersteller auf ca. 7.500 t/a geschätzt => Entsorgung Reststoffe = Wertstoffe 2

Zielstellung Ziel des Vorhabens ist - die innovative Verwertung von faserhaltigen PVC-w Reststoffen aus dem betrieblichen Herstellungsprozess (Tapetenherstellung, Fußbodenbelagsherstellung). - Mit dem zu entwickelnden Verfahren sollen die Reststoffe unter Zusatz wirtschaftlicher Mengen Neumaterial auf dem Weg der thermoplastische Schmelzeverarbeitung zu bahnenförmigen Komponenten von Fußbodenbelägen bzw. Tapeten aufgearbeitet werden und somit einen Markt im Sektor der Originalprodukte finden. Grundschicht Fußbodenbeläge Grundschicht Tapete für Objektanwendungen Deckschicht - Zielverfahren ist die für die Aufarbeitung kleinerer Abfallmengen rentabel einsetzbare Extrusionsbeschichtung. Die Umsetzbarkeit ist kleintechnisch nachzuweisen. 3

Arbeitspakete des Projektes Beschaffung und Charakterisierung der Reststoffe aus der Fußbodenbelags- und Tapetenindustrie Zerkleinerung der Reststoffe, Charakterisierung der Fraktionen Herstellung von Dry Blend unter Zusatz Primärmaterial Herstellung von Dry Blend unter Zusatz von Restpasten und Primärmaterial Dry Blend Charakterisierung Untersuchungen zur thermischen Stabilität Untersuchungen zum rheologischen Verhalten Extrusionsverarbeitung der Misch-Dry Blends Walzverarbeitung der Misch-Dry Blends Erarbeitung Verfahrensvorschläge Weiterverarbeitung Charakterisierung der Produkteigenschaften 4

Arbeitspakete des Projektes Beschaffung und Charakterisierung der Reststoffe aus der Fußbodenbelags- und Tapetenindustrie Zerkleinerung der Reststoffe, Charakterisierung der Fraktionen Herstellung von Dry Blend unter Zusatz Primärmaterial Herstellung von Dry Blend unter Zusatz von Restpasten und Primärmaterial Dry Blend Charakterisierung Untersuchungen zur thermischen Stabilität Untersuchungen zum rheologischen Verhalten Extrusionsverarbeitung der Misch-Dry Blends Walzverarbeitung der Misch-Dry Blends Erarbeitung Verfahrensvorschläge Weiterverarbeitung Charakterisierung der Produkteigenschaften 5

Ausgangsmaterialien Fußbodenbelag-Reststoffe: - Randstreifenmaterial geschnitten, verdichtet Zerkleinerung in 3 Fraktionen mittels Retsch-Mühle Siebe Ø 10 mm; Ø 6 mm; Ø 4 mm => Einarbeitung je ca. 10 kg Schüttdichte: ca. 200 g/l Schüttdichten nach Zerkleinerung: ca. 280 g/l, unabhängig von der Siebgröße 6

Ausgangsmaterialien Tapeten-Reststoffe: - geschnittene Streifen, Länge mehrere cm, Breite 2 cm, in Ballen verdichtet Zerkleinerung in 3 Fraktionen mittels Retsch-Mühle Siebe Ø 10 mm; Ø 6 mm; Ø 4 mm => Einarbeitung je ca. 10 kg Schüttdichte: schwankend von ca. 110 g/l bis 50 g/l; abhängig von Anteil der PVC- Beschichtung Schüttdichten nach Zerkleinerung: - 10 mm Sieb: ca. 75 g/l - 6 mm Sieb: ca. 110 g/l - 4 mm Sieb: ca. 120 g/l 7

Ausgangsmaterialien PVC-Restpasten aus der Tapeten und Fußbodenbelagsindustrie Fußbodenbelag-Restpaste Tapeten-Restpaste 51 m % PVC 23 m % Weichmacher 20 m % Füllstoffe 6 m % Additive 30 50 m % E-PVC 25 32 m % Weichmacher 10 32 m % Kreide < 10 25 m % Isoparaffin < 5 m % Pigmente 1,7 5,0 m % Titandioxid 0 3,0 m % Treibmittel: 0-3,0 % 0,8 1,5 m% Kicker: 0,8-1,5 % 0 1,2 m % IPA 0 0,8 m % Stabilisator 0 1,0 m % Mattierungsmittel 0 1,2 m % Diverse 8

Charakterisierung Ausgangsmaterialien Charakterisierung Reststoffe - Bestimmung des Polymer- und Faseranteils durch Auftrennung/Auswiegen von Stichproben Fußbodenbelag-RS Fraktion loser Faseranteil [%] 4.0 10 6.0 4 10.0 1,5 Tapeten- RS Fraktion loser Faseranteil [%] 4.0 18 9

Charakterisierung Ausgangsmaterialien Charakterisierung Reststoffe - Bestimmung von PVC-, Weichmacher- und Füllstoffanteil durch analytische Methoden Fußbodenbelag-RS 34,8 m % PVC 23,7 m % Weichmacher 16,0 m % CaCO 3 2,0 m % SiO 2 1,0 m % TiO 2 0,5 m % MgO 22,0 m % PETP Tapeten-RS 3,0 m % PVC => 15-30m % PVC 9,4 m % etherlösl. Bestandteile 20,0 m % CaCO 3 1,0 m % TiO 2 0,6 m % MgO 67,0 m % Papier + Fasern (abhängig von Stichprobe) 10

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Mischprozess Heiz-Kühlmischer-Kombination (Henschel Fluidmischer) - Volumen: 5 l / 10 l - Drehzahl: 100 3000 min -1 Temperierung Heizmischer: 80 C Vorlage Feststoffe, Temperierung, hohe Drehzahl bei T M = 80 C - Zugabe Flüssigkomponenten ( 110 C) Fertigmischen bis 125 C (130 C) Übergabe an Kühlmischer Kühlmischer, wassergekühlt Mischungsabkühlung auf Raumtemperatur 2 kg RS-haltiges Dry Blend pro Mischung 11

Durchgeführte Arbeiten Mischungsrezepturen Dry Blend Rezeptur PVC-Primärmaterial 100 MT S-PVC, K 70 45 MT DINP 2,5 MT Ca-Zn-Stabilisator 3,0 MT Co-Stabilisator 3,0 MT Verarbeitungshilfsmittel, 3,0 MT Gleitmittel Rezeptur PVC-Primärmaterial (überstabilisiert) 100 MT S-PVC, K 70 45 MT DINP 5,0 MT Ca-Zn-Stabilisator 6,0 MT Co-Stabilisator 3,0 MT Verarbeitungshilfsmittel, 3,0 MT Gleitmittel Vers.-/Mat.-Nr. MT/Art FuBo-RS MT/Art T_RS MT Dry Blend FB4_0 2,0 kg/4,0 0 FB10_0 2,0 kg/10,0 0 T4_0 1,0 kg/4,0 0 T10_0 1,0 kg/10,0 0 FB4_25 / s 1,5 kg/4,0 0,5 kg FB4_40 1,2 kg/4,0 0,8 kg FB4_50 1,0 kg/4,0 1,0 kg FB4_60 0,8 kg/4,0 1,2 kg FB10_25 1,5 kg/10,0 0,5 kg FB10_40 1,2 kg/10,0 0,8 kg FB10_50 1,0 kg/10,0 1,0 kg FB10_60 0,8 kg/10,0 1,2 kg T4_40 / s 750 g/4,0 0,5 kg T4_50 750 g/4,0 0,75 kg T4_60 800 g/4,0 1,2 kg T4_70 0,6 kg/4,0 1,4 kg T10_40 750 g/10,0 0,5 kg T10_50 750 g/10,0 0,75 kg T10_60 800 g/10,0 1,2 kg T10_70 0,6 kg/10,0 1,4 kg 12

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung Einschätzung Homogenität - visuell Schüttdichtebestimmung - T4: 220 290 g/l abhängig vom Anteil Primärmaterial - FB4: 455 495 g/l abhängig vom Anteil Primärmaterial Kneterversuche-Drehmomentrheologie FBP4_25 FB10_60 T4_50 13

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung Kneterversuche-Drehmomentrheologie Parameter: Kneterdrehzahlen: 100 / min; 60 / min Knetertemperatur: 180 C Einwaage: 50 g (Füllgrad ca. 70 %) 14

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung 15

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung / FB Probe t F [min] t VE [min] t VE -t F [min] M DF [Nm] M DVE [Nm] M DF -M DVE [Nm] M dmin [Nm] T F [ C] T V [ C] Referenz_60U 0,05 12,20 12,15 21,09 3,01 18,08 2,94 149,80 201,40 Referenz_100U 0,08 10,95 10,87 25,23 3,00 22,23 2,92 131,80 210,40 M DF Einfülldrehmoment FB4_25_100 0,30 4,32 4,02 17,14 5,24 11,90 4,80 152,80 200,80 FB4_25_60 0,33 5,54 5,21 19,95 5,26 14,69 3,82 145,70 198,50 FB4_25s_100 0,34 6,00 5,66 14,27 4,21 10,06 4,15 163,70 210,70 FB4_40_100 0,30 4,63 4,33 14,70 4,29 10,41 4,14 165,00 208,90 FB4_40_60 0,43 4,82 4,39 17,83 4,96 12,87 3,68 179,00 195,90 FB4_50_100 0,20 3,62 3,42 17,53 4,95 12,58 4,42 153,70 199,00 FB4_50_60 0,17 5,60 5,43 19,45 3,99 15,46 3,56 144,10 201,20 FB4_60_100 0,17 6,00 5,83 23,71 3,85 19,86 3,70 142,50 205,80 FB4_60_60 0,15 5,45 5,30 16,64 3,73 12,91 3,66 148,10 201,80 FB10_25_100 0,55 3,16 2,61 17,52 6,93 10,59 5,63 163,90 201,70 FB10_25_60 0,43 4,32 3,89 17,56 4,98 12,58 4,70 153,40 202,70 FB10_40_100 0,37 3,37 3,00 16,38 5,64 10,74 4,75 160,30 203,70 FB10_40_60 0,48 6,18 5,70 19,44 4,45 14,99 4,16 147,10 202,10 FB10_50_100 0,30 3,20 2,90 18,51 5,72 12,79 4,81 153,60 196,70 FB10_50_60 0,28 5,10 4,82 20,02 4,47 15,55 4,07 151,20 195,90 FB10_60_100 0,14 4,78 4,64 21,99 4,11 17,88 3,99 148,20 208,70 FB10_60_60 0,25 8,36 8,11 21,54 3,58 17,96 3,50 143,70 204,30 FBP4_25_100 0,30 5,23 4,93 15,85 5,66 10,19 5,40 150,90 198,70 FBP4_25_60 0,35 6,93 6,58 15,37 4,99 10,38 4,78 153,80 198,50 M DVE Drehmoment am Ende der mögl. Verarbeitungszeit (vor Abbau) M Dmin minimales Drehmoment t F Füllzeit t v Verarbeitungszeit T F Temperatur nach Einfüllen T V Temperatur am Ende der mögl. Verarbeitungszeit 16

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung / T Probe t F [min] t VE [min] t VE -t F [min] M DF [Nm] M DVE [Nm] M DF -M DVE [Nm] M dmin [Nm] T F [ C] T V [ C] T4_40_100 1,63 5,24 3,61 18,55 11,18 7,37 7,78 184,50 223,60 T4_40_60 2,52 5,64 3,12 17,82 12,08 5,74 9,45 183,80 213,00 T4_40s_100 0,88 5,09 4,21 20,19 11,22 8,97 6,81 170,30 220,60 T4_50_100 1,01 4,82 3,81 16,17 9,38 6,79 5,81 187,70 223,90 T4_50_60 1,45 5,12 3,67 16,91 10,10 6,81 5,01 181,10 211,20 T4_60_100 1,10 6,40 5,30 19,53 7,02 12,51 4,35 177,70 216,60 T4_60_60 0,78 8,70 7,92 18,90 6,72 12,18 3,80 175,70 211,50 T4_70_100 0,71 8,20 7,49 22,88 5,45 17,43 3,32 159,70 215,90 T4_70_60 0,68 9,88 9,20 19,77 5,10 14,67 2,95 154,60 210,30 T10_40_100 2,60 6,38 3,78 20,11 12,90 7,21 8,35 185,30 224,90 T10_40_60 2,58 5,85 3,27 19,12 13,91 5,21 11,25 173,90 212,60 T10_50_100 1,20 4,15 2,95 19,12 11,58 7,54 5,74 184,90 221,60 T10_50_60 1,88 6,46 4,58 16,91 10,47 6,44 6,00 190,80 213,60 T10_60_100 1,33 6,50 5,17 18,83 7,36 11,47 3,88 195,60 220,30 T10_60_60 1,22 10,45 9,23 20,99 7,07 13,92 3,75 161,80 213,40 T10_70_100 0,83 5,90 5,07 23,54 5,82 17,72 3,69 167,90 216,10 T10_70_60 0,82 8,20 7,38 21,42 5,51 15,91 3,04 164,30 210,80 TP4_40_1_100U 1,23 6,13 4,90 21,35 12,55 8,80 8,78 166,50 220,30 TP4_40_1_60U 1,23 8,20 6,97 22,83 11,32 11,51 8,87 178,80 213,90 TP4_40_2_100U 1,05 6,02 4,97 19,92 13,94 5,98 8,93 186,10 211,30 TP4_40_2_60U 1,57 8,52 6,95 26,03 11,20 14,83 9,09 179,70 213,80 TP4_50_1_100U 1,08 6,58 5,50 26,14 10,53 15,61 7,00 168,80 215,70 TP4_50_1_60U 1,02 6,90 5,88 23,00 10,63 12,37 6,91 168,70 201,40 TP4_50_2_100U 0,82 6,18 5,36 24,96 10,36 14,60 7,77 180,50 211,70 TP4_50_2_60U 1,02 6,80 5,78 23,59 11,19 12,40 7,62 170,00 203,40 M DF Einfülldrehmoment M DVE Drehmoment am Ende der mögl. Verarbeitungszeit (vor Abbau) M Dmin minimales Drehmoment t F Füllzeit t v Verarbeitungszeit T F Temperatur nach Einfüllen T V Temperatur am Ende der mögl. Verarbeitungszeit 17

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung / FB Ableitung der Abbau-freien Verarbeitungszeit - Mischungen mit FBRS t VE -t F [min] t VE -t F [min] 15,00 10,00 5,00 0,00 14 12 10 8 6 4 2 0 Referenz_100U Referenz_60U FBP4_25_100 FBP4_25_60 Signifikante Einflüsse: - Anteil Primärmaterial - Stabilisatorsystem - Verfahrensparameter (Kneterdrehzahl) (Pastenhaltige Materialien nachstabilisieren) 18

Durchgeführte Arbeiten Dry Blend Charakterisierung / T Ableitung der Abbau-freien Verarbeitungszeit Mischungen mit TRS t VE -t F [min] t VE -t F [min] 14 12 10 8 6 4 2 0 14 12 10 8 6 4 2 0 Signifikante Einflüsse: - Anteil Primärmaterial - Stabilisatorsystem - Verfahrensparameter (Kneterdrehzahl) (Für pastenhaltige Materialien Primäranteil erhöhen) 19

Durchgeführte Arbeiten Bestimmung thermische Reststabilität Herstellung von Folienstreifen - mittels Walzwerk bei 170 C - Dicke 250 µm 20

Stabiltätszeit [min] Stabiltätszeit [min] Durchgeführte Arbeiten Thermische Reststabilität / FB Thermostabilität Fußbodenbelags- Reststoffmischungen Schnitt 4,0 mm Thermostabilität Fußbodenbelags- Reststoffmischungen Schnitt 10,0 mm 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 Referenz FB4_25 FB4_25s FB4_40 FB4_50 FB4_60 0 Referenz FB10_25 FB10_40 FB10_50 FB10_60 Mischungsrezepturen Mischungsrezepturen Reststabilität ausreichend 21

Stabiltätszeit [min] Stabiltätszeit [min] Durchgeführte Arbeiten Thermische Reststabilität / T Thermostabilität Tapeten-Reststoffmischungen Schnitt 4,0 mm Thermostabilität Tapeten-Reststoffmischungen Schnitt 10,0 mm 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 Referenz T4_40 T4_40s T4_50 T4_60 T4_70 0 Referenz T10_40 T10_50 T10_60 T10_70 Mischungsrezepturen Mischungsrezepturen (Reststabilität ausreichend) 22

Durchgeführte Arbeiten Extrusionsverarbeitung Extrusionsverarbeitung Technik: - Haake Polylab / Einschneckenextruder Rheomex 302 3-Zonen-Schnecke; Kompression 1:2 - Breitschlitzdüse 150 mm - Nachfolge: Collin Glätt-/Laminiereinrichtung Technische Parameter: - Zylindertemperaturen: 170 C 190 C - Düsentemperatur: 190 C - Schneckendrehzahl: 100 120 min -1 - Arbeitsgeschwindigkeit: 0,15 m/min 0,25 m/min 23

Durchgeführte Arbeiten Extrusionsverarbeitung bisherige Ergebnisse: Folien 0,5 mm 0,6 mm Dicke herstellbar für FB4_60; FB10_60; FBP4_25 (Flexibilität!) T4_70; T10_60W; TP4_60 Problem: Einzugsverhalten am Einschneckenextruder Durchsatz gering, Verweilzeit z. T. unkontrolliert 24

Zugfestigkeit [MPa] Zugdehnung [%] Charakterisierung Eigenschaften Zugversuch nach DIN EN ISO 527-3 Zugfestigkeit Fußbodenbelag-RS-Folien Zugdehnung Fußbodenbelag-RS-Folien 25 250 20 200 15 150 10 100 5 50 0 Referenz FB4_60 FB10_60 FBP4_25 0 Referenz FB4_60 FB10_60 FBP4_25 Folienmmuster Folienmmuster 25

Zugfestigkeit [MPa] Zugdehnung [%] Charakterisierung Eigenschaften Zugversuch nach DIN EN ISO 527-3 Zugfestigkeit Tapeten-RS-Folien Zugdehnung Tapeten-RS-Folien 25 250 20 200 15 150 10 100 5 50 0 Referenz T4_60 T4_70 T10_60 0 Referenz T4_60 T4_70 T10_60 Folienmuster Folienmuster 26

Zusammenfassung bisherige Arbeiten Dry Blend-Herstellung und Verarbeitung unter vollständiger Einarbeitung faserhaltiger Reststoffe ist möglich. Anteilige Einarbeitung von Pasten-Reststoffen ist ohne Probleme umsetzbar. Für FB-RS wird ein Anteil von 40 m % Primärmaterial als ausreichend eingeschätzt. Für T-PR sollte der Primäranteil 70 m% betragen. Zerkleinerung/Fraktionierung in kleinere Bestandteile bringt Vorteile in der Homogenitätund den Festigkeitseigenschaften der Schichten. Die Thermostabilität ist für FB-Misch-Dry Blends ausreichend. Die Thermostabilität für T-Misch-Dry Blends sollte erhöht werden. Für die Extrusion sind technische Anpassungen zur Verbesserung des Einzugsverhaltens der Misch-Dry-Blend erforderlich. 27

Arbeitspakete des Projektes Beschaffung und Charakterisierung der Reststoffe aus der Fußbodenbelags- und Tapetenindustrie Zerkleinerung der Reststoffe, Charakterisierung der Fraktionen Herstellung von Dry Blend unter Zusatz Primärmaterial Herstellung von Dry Blend unter Zusatz von Restpasten und Primärmaterial Dry Blend Charakterisierung Untersuchungen zur thermischen Stabilität Untersuchungen zum rheologischen Verhalten Extrusionsverarbeitung der Misch-Dry Blends Walzverarbeitung der Misch-Dry Blends Erarbeitung Verfahrensvorschläge Weiterverarbeitung Charakterisierung der Produkteigenschaften 28

Weiterführende Arbeiten Weitere Extrusionsmischungen (Mischungen mit Pastenanteilen) Rezepturanpassungen (Insbesondere Tapeten-RS-Mischungen) - Stabilisatorsystem - Weichmachergehalt Walzverarbeitung der Dry-Blends (Referenzmuster vs. günstigste Extrusionsschichten) Fußbodenbelags-Grundschichten: - Extrusionsbeschichtung von Glasvlies und Untersuchung Schichtaufbau Fußbodenbeläge (Plastisol Streichbeschichtung) Tapetenschichten - Extrusionsbeschichtung von textilen Schichtträgern Charakterisierung Verbundeigenschaften Erarbeitung von Rezeptur- und Verfahrensvorschlägen 29

Entwicklung innovativer Lösungen für die Verwertung faserhaltiger PVC-w- Reststoffe Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen ggmbh Meißner Ring 1 5 09599 Freiberg Telefon +49 (0)3731 366 169 Telefax +49 (0)3731 366 130 E-Mail: matthias.langer@filkfreiberg.de Internet: www.filkfreiberg.de 30