Lubomír Zeman: Thermoplast-Spritzgießtechnik und Gewichtsreduzierung bei Spritzgussteilen, Teil 2

Gewichtsreduzierung bei Automobilen - Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix, Polymerblends  

Nach der Frage zu den möglichen Vorteilen von Biokunststoffen bei deren Verwendung in Anwendungen zur Gewichtsreduzierung aktueller, insbesondere Maschinenkonstruktionen und Verpackungen, kann man sich eine weitere Frage stellen: Welche Lösungen sind oder werden verfügbar sein, damit der technische Fortschritt von Spritzgießwerkstoffen, die für die Konstruktion von Teilen für BEV-Fahrzeuge geeignet sind, das Fahrzeuggewicht nicht erhöht, was nicht im Einklang mit den immer strenger werdenden Normen für CO₂-Emissionen steht und nicht gegen die Anforderungen zur Reduzierung des Gewichts der Spritzgussteile arbeitet? Zu welchem Preis werden wir das Gewicht von Spritzgussteilen reduzieren?    

Die Anforderungen an die Gewichtsreduzierung von Spritzgussteilen und die damit verbundene Möglichkeit einer positiven Emissionssenkung, insbesondere von CO₂, können unter anderem durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen und Konstruktionen, die Nutzung von gemischten Spritzgießmaterialien oder strukturell geschäumten Werkstoffen gelöst werden. Über strukturell geschäumte Werkstoffe und hybrid aufgebaute Spritzgussteile behandeln die weiter unten aufgeführten Kapitel.

Allgemein umfasst der Begriff Verbundwerkstoffe zusammengesetzte heterogene Systeme (zusammengesetzt aus unterschiedlichen Teilen), die aus mindestens zwei Phasen (Stoffen einer Art mit bestimmten physikalischen Eigenschaften) bestehen. Mehrphasige Werkstoffe, die wir zu den Verbundwerkstoffen zählen, haben folgende Charakteristika:

- beide Phasen, oder auch mehrere Phasen, haben üblicherweise eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung

- die Phasen unterscheiden sich in ihren physikalischen und mechanischen Eigenschaften

- die Matrix ist die zusammenhängende, üblicherweise zähere Komponente, die im Verbundwerkstoff die Primärfunktion übernimmt; sie ist das Bindemittel, das die Verstärkung - den Füllstoff - verbindet; ihre Aufgabe ist die Sicherstellung der Form des Erzeugnisses und die Übertragung von Kräften auf den Füllstoff – die Verstärkung, einschließlich dessen Schutz

- Füllstoff – Verstärkung, die sekundäre Phase des Verbundwerkstoffs, ist die nicht zusammenhängende (aus Teilen zusammengesetzte) Komponente, im Vergleich zur Matrix üblicherweise mit höheren mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei Steifigkeit und Festigkeit

- der Verbundwerkstoff wird durch die Technologie des Mischens der jeweiligen Komponenten hergestellt

Aus den genannten Charakteristika geht hervor, dass Polymermaterialien, die zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften mit verschiedenen Additiven wie beispielsweise Wärmestabilisatoren, flammhemmenden Zusätzen, Farbkonzentraten usw. versetzt wurden, keine Verbundwerkstoffe sind. Solche Materialien werden als Standard-Spritzgießthermoplaste betrachtet. Die genannten Additive sind Bestandteil der Polymermatrix.

In der Aufzählung der Charakteristika von Verbundwerkstoffen mit Polymermatrix ist Füllstoff, die sekundäre Phase des Verbundwerkstoffs, aufgeführt. Zu den Füllstoffen zählen wir üblicherweise:

- Partikelfüllstoffe – nicht verstärkend; die Partikel können eine isometrische Form haben (sphärische Form – gleiche Abmessungen in alle Richtungen, gekennzeichnet durch die durchschnittliche Partikelgröße d, ein Beispiel ist CaCO₃) oder eine nicht-isometrische Form (nicht sphärisch, mit zufälliger oder bevorzugter Ausrichtung der Abmessungen), sie können schichtförmig sein – nicht verstärkend, zum Beispiel Talk, Glimmer, charakterisiert durch das Verhältnis von Abmessung zu Dicke d / h; zur Gruppe der Partikelfüllstoffe gehören – Talk (Magnesiumsilikathydrat), Dichte (spezifisches Gewicht) 2,58 g.cm-3 bis 2,83 g.cm-3, Calciumcarbonat CaCO₃, 2,54 g.cm^-3 bis 2,95 g.cm^-3, Siliciumdioxid SiO₂, 2,65 g.cm^-3, Glimmer, hohle Glaskugeln (Balotini), 2,46 g.cm^-3, Durchmesser 5 µm bis 600 µm usw.

- Faserfüllstoffe – verstärkend – sind durch das Verhältnis von Faserlänge zu ihrem Durchmesser l / d charakterisiert; je nach Faserlänge unterteilen wir Verbundwerkstoffe in Verbundwerkstoffe mit Kurzfasern, bei denen das Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser l / d kleiner als 100 ist, und mit Langfasern, die ein Verhältnis l / d größer als 100 haben; der Verstärkungseffekt des Faserfüllstoffs zeigt sich ab einem Verhältnis l / d größer als 10; verstärkende Fasern können sein – Glas (Dichte 2,5 g.cm^-3), Kohlenstoff (1,75 g.cm^-3), Aramid (1,4 g.cm^-3), Bor (2,61 g.cm^-3), Beryllium (1,85 g.cm^-3), Wolfram (19,25 g.cm^-3), Stahl (7,65 g.cm-³, aus Siliciumnitrid Si₃N₄ 3,25 g.cm^-3, Korund Al₂O₃, Basalt, Protein (Spinnenseide), Polymer (PES, PE, PP, PAN, PVAL), organisch (pflanzlich) usw.; die Dicken bzw. Durchmesser der Fasern bewegen sich im Bereich von ca. 2 µm bis ca. 200 µm (0,002 mm bis 0,200 mm), zum Vergleich: ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 42 µm bis ca. 95 µm

- Nanofüllstoffe - mindestens eine Dimension der Verstärkung bewegt sich im Nanometerbereich – Kohlenstoff-Fullerene (Nanoröhrchen), anorganische Zeolithe, Schichtsilikate – Montmorillonite MMT, Kaolinite, Metalloxide V₂MoO₃, Phosphate, Phosphite usw.

- Hybridfüllstoffe – Kombination von Füllstofftypen

Nanokomposite

Nanokomposite sind Materialien, die aus zwei oder mehr verschiedenen Komponenten bestehen, von denen mindestens eine im Material in Form von Partikeln mit einer Größe von Einheiten bis zu mehreren zehn Nanometern (Nano = 10-9 m - 0,000 000 001 m) vorliegt. Der Grund für die Verwendung eines Wirkstoffs in Form von Nanopartikeln sind seine qualitativ anderen physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Füllstoffen. Die Eigenschaften von Nanokompositen ergeben sich sowohl aus ihrer Zusammensetzung als auch aus der Partikelgröße, ihrer Morphologie (Form) und Anordnung. Bei ihrer Verwendung wird auch das Volumen des Nanofüllstoffs im Vergleich zu Standard-Verbundwerkstoffen mit Polymermatrix deutlich reduziert (Einheiten von %, zum Beispiel das Schichtsilikat Montmorillonit, Dichte 2 g.cm³ bis 3 g.cm³, im Vergleich zu beispielsweise Glasfasern mit einer Dichte von 2,5 g.cm³). Nanokomposite sind als Kunststoffkonstruktionswerkstoffe mit höherer Festigkeit, Härte, Formbeständigkeit, größerer thermischer Stabilität und verringerter Entflammbarkeit vielversprechend.

Die Größe der Füllstoff-Nanopartikel nähert sich der Größe des Matrixmoleküls an. Der geringe Unterschied in der Größe der Nanofüllstoffmoleküle und der Matrix ermöglicht eine sehr enge Verbindung von Matrix und Füllstoff, wobei die Interaktion (Wechselwirkung) zwischen dem Füllstoffpartikel und dem Molekül auf der Partikeloberfläche einen verbundenen Bereich erzeugt, der die Bewegung des entsprechenden Teils der Polymermatrix verhindert und dadurch eine Erhöhung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Komposits ermöglicht. Als Beispiel kann der Nanofüllstoff Montmorillonit MMT dienen, dessen 1 g mehr als 700 m² fiktive Oberfläche im Kontakt mit der Polymermatrix aufweist. Ein herkömmlich verwendeter Talk mit dem gleichen Gewicht hat nur eine Oberfläche von ca. 30 m². Der übliche Gehalt an Nanofüllstoff im Komposit liegt zwischen 3 % und 7 %.

Nanopartikel verbessern also die mechanischen Eigenschaften der Polymermatrix und können den Gehalt an Additiven reduzieren, die erforderlich sind, um die gewünschten Vorteile von Verbundwerkstoffen zu erreichen, wodurch ihr Einsatz auch zu einer Gewichtsreduzierung des jeweiligen Spritzgussteils im Vergleich zu herkömmlichen gefüllten Thermoplasten führt.

Sie können partikuläre mineralische sowie faserartige (Glasfasern) Füllstoffe und Flammschutzmittel vollständig ersetzen. Des Weiteren verbessern sie die Undurchlässigkeit, die chemische Beständigkeit und die Feuchtigkeitsaufnahme, einschließlich einer Erhöhung der Oberflächengüte der Spritzgussteile und einer Erhöhung des Glanzes. Der geringe Gehalt an Nanofüllstoff ermöglicht eine hervorragende Einfärbung des Materials bis hin zur Möglichkeit, ein zusätzliches Lackieren der Spritzgussteile zu vermeiden. Die technologischen Spritzgießbedingungen sind (ebenfalls aufgrund des geringen Füllstoffgehalts) nicht von dessen Gewichtsmenge abhängig. Bei der Herstellung von Nanokompositen werden die Partikel getrocknet, weshalb das Granulat vor dem Spritzgießen nicht getrocknet werden muss (bei Verwendung einer nicht hygroskopischen Matrix).

Der Vorteil von Nanofüllstoffen liegt also in der Erzielung besserer Materialeigenschaften als bei Standard-Mineralfüllstoffen. Dies betrifft beispielsweise eine Erhöhung der Dimensionsstabilität, des Elastizitätsmoduls, der thermischen Beständigkeit, der Barriereeigenschaften und der Kratzfestigkeit, und dies bei, wie bereits erwähnt, gleichzeitiger Reduzierung des Gewichts des Spritzgussteils.

Polymerblends

Polymerblends sind ein aktueller Trend und stellen auch einen vielversprechenden Weg dar, ein Material mit einzigartigen Eigenschaftskombinationen maßgeschneidert für eine konkrete Anwendung vorzubereiten. Es ist auch einer der Wege, ein optimales Verhältnis zwischen Preis und Materialeigenschaften zu erreichen, einschließlich seiner Dichte bzw. seines Gewichts. Angesichts der Entwicklung von Kompatibilisatoren (Stoffen, die eine gute Affinität zu den einzelnen Polymeren im Blend aufweisen und dadurch den Blend verbinden) ist es heute möglich, unter normalen Bedingungen auch Blends aus nicht mischbaren Polymeren vorzubereiten und polare sowie unpolare, kristallisierende sowie amorphe Polymere zu kombinieren.

Kompatibilisatoren („Haftvermittler“) sind oberflächenaktive Stoffe thermodynamischer Natur mit hohem Molekulargewicht, die die Grenzflächenspannung senken und die Dicke der Grenzflächenschicht erhöhen, was dem System nach dem Mischen (es handelt sich um physikalische Blends) eine thermodynamisch stabile Phase, einen Blend aus inkompatiblen Polymeren, verleiht. Es gibt eine ganze Reihe von Arten von Kompatibilisatoren, zum Beispiel zyklische Anhydride, Carbonsäuren, Epoxidtypen, Oxazolin-Typen, Isocyanat-Typen, niedermolekulare usw.

Kristallisierende Polymere sorgen beispielsweise für einen hohen Elastizitätsmodul oder eine gute chemische Beständigkeit, während ein amorphes Polymer durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit beitragen kann. Es gibt eine große Menge an Polymerblends bei der Entwicklung von Spritzgießgranulaten, zum Beispiel

ABS/PA, ABS/PBT, ABS/PC, ABS/PMMA, ABS/PSU

ASA/PC, ASA/PMMA

PA/ABS, PA/PET, PA/PDPE, PA/PPS,PA/PP, PP/PE, PA/TPE, PA/PPE, PA/PS

PBT/PC, PBT/PET,PBT/PA

PEEK/PES

PE/EPDM

PET/PMMA, PET/PSU, PET/PA

PC/PBT, PC/PET, PC/ABS, PC/ASA, PC/PEI, PC/LCP, PC/HDPE, PC/TPE-U

PP/EPDM, PP/PE, PP/PBT, PP/PC, PP/PA

PPO/PBT, PPO/PS, PPO/PA

PPS/PA, PPS/PEI, PPS/LCP, PPS/PES

PS/PE 

TPE/PU

Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix und natürlichen Verstärkungsfüllstoffen

Ein Weg zur Reduzierung des Gewichts von Spritzgussteilen besteht in der Verwendung von Verbundwerkstoffen mit natürlichen Faserfüllstoffen, die verstärkende Faserfüllstoffe wie Glasfasern, Kohlenstofffasern und andere anorganische Fasern ersetzen. Bei diesen Spritzgussmaterialien resultiert die Gewichtseinsparung aus der Dichte der Füllstoffe – anorganische Glasfasern haben eine Dichte von ca. 2,5 g.cm^-3, die durchschnittliche Dichte organischer (natürlicher) Fasern ist um ca. 1 g.cm^-3 niedriger (1,42 g.cm^-3) – siehe Tabelle 2 – ausgewählte physikalische Eigenschaften der am häufigsten verwendeten Faserarten.

Tabelle 2: Ausgewählte durchschnittliche physikalische Eigenschaften der am häufigsten verwendeten Arten biologischer Fasern

Verbundwerkstoffe mit organischen Verstärkungsfasern werden üblicherweise für die Herstellung von Spritzgussteilen verwendet, die außerhalb der Deformationszonen von Automobilen montiert werden. Sie bilden keine tragenden Teile, sondern werden beispielsweise für die Herstellung von Türverkleidungen, Armaturenbrettteilen, Gepäckraumteilen, Sitzen usw. eingesetzt. Der Grund dafür ist ihre im Vergleich zu den am häufigsten verwendeten Glasfasern geringe Festigkeit – Glasfasern haben eine Zugfestigkeit von ca. 1,8 GPa bis ca. 5,0 GPa (Giga = 109) bei ähnlicher Dehnung, Glasfasern unter 5 % – ein Vergleich mit Tabelle 2, in der die durchschnittlichen Zugfestigkeiten der Fasern angegeben sind (Durchschnittswert 594 MPa = 0,594 GPa, Mega = 106).    

Allgemein können wir Naturfasern – siehe Tabelle 3 – nach ihrem Ursprung in pflanzliche, tierische und mineralische einteilen, wobei sie sowohl aus organischen als auch aus anorganischen Verbindungen bestehen können.

Am häufigsten werden Fasern verwendet, die aus Pflanzen gewonnen werden. Diese enthalten Naturfasern in ihren Blättern, Stängeln oder Samen (Früchten). Die Fasern unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und ihrer Morphologie (äußerer Aufbau, Form), was sich aus ihren unterschiedlichen Funktionen in verschiedenen Pflanzenteilen ergibt. Die industriell wichtigste Pflanzenfaser ist Baumwolle; hinsichtlich der Nutzung als Verbundverstärkung sind sogenannte Bastfasern wie Flachs, Hanf, Jute oder Sisal von grundlegender Bedeutung. Es gibt jedoch immer noch eine ganze Reihe von Fasern, für die hinsichtlich des Einsatzes in der industriellen Herstellung von Verbundwerkstoffen nach einer konkreten Anwendung für die Konstruktion von Spritzgussteilen mit den gewünschten spezifischen Eigenschaften gesucht wird, einschließlich der Gewichtsreduzierung. 

Tabelle 3: Einteilung der Naturfasern nach ihrem Ursprung

Es liegt auf der Hand, dass die Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften von Fasern, die aus verschiedenen Pflanzen derselben Art gewonnen werden, unterschiedlich sein werden. Viel hängt auch von den Bedingungen ab, unter denen die jeweilige Pflanze angebaut wird, und damit direkt verbunden ist das Alter der Pflanze selbst zum Zeitpunkt der Ernte; die Zusammensetzung der Zellwände der Pflanze verändert sich nämlich mit der Zeit, was natürlich teilweise die endgültigen Eigenschaften der Fasern selbst beeinflusst. Ein weiterer Faktor ist das gewählte Verfahren zur Gewinnung der Naturfasern aus dem Pflanzenkörper. Diese Prozesse können mechanisch, chemisch oder enzymatisch sein.

Der wichtigste Baustein der Naturfaser ist Zellulose. Dieses Polysaccharid mit hoher Molekülmasse besteht nur aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, die sehr brennbar sind und eine hohe Entzündungsanfälligkeit aufweisen. Weitere Baubestandteile sind Hemizellulose (ein Polysaccharid), Lignin und eine Reihe weiterer Stoffe wie Wachse, aromatische Salze, Stickstoffverbindungen usw., wobei diese Verbindungen keine strukturelle Funktion haben.

Die mechanischen und anderen Eigenschaften von Naturfasern hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab – siehe oben, was eines der Hauptprobleme bei ihrem Einsatz als Verstärkung in Polymerverbundwerkstoffen darstellt. Aufgrund der Streuung dieser Faktoren ist es sehr schwierig, die Reproduzierbarkeit und Homogenität der Eigenschaften bei der Herstellung von Polymerverbundwerkstoffen auf Basis dieser Fasern zu gewährleisten, sowohl bei Lieferungen durch einen beständigen Lieferanten als auch bei Lieferungen aus unterschiedlichen Quellen.

Neben der sehr problematischen Reproduzierbarkeit weisen Verbundwerkstoffe mit Naturfasern weitere negative Eigenschaften auf. Zu den größten Minuspunkten zählt die geringe Beständigkeit gegenüber jeglicher Form von Feuchtigkeit. Diese ausgeprägt negative Eigenschaft der Naturfasern wird durch den Gehalt an Hydroxylgruppen innerhalb der Zellulosekette verursacht, welche bereitwillig umliegende Wassermoleküle in die Faser ziehen, wodurch es zu deren Quellung kommt. Der stärkste Wassereintritt erfolgt im Faserquerschnitt. Die Wechselwirkung zwischen der hydrophilen Faser (die Faser zieht Wasser an) und der hydrophoben Matrix (wasserabweisend) führt dazu, dass die Faser innerhalb der Matrix zu quellen beginnt. In der Folge schwächt sich die Bindung zwischen den einzelnen Phasen ab, was sogar zu Rissen in der Matrix führen kann, was in sehr schlechten mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs münden kann. Um diesen Umstand zu begrenzen, müssen die Fasern durch verschiedene Additive oder chemische Verfahren modifiziert werden. Naturfasern enthalten unter normalen Bedingungen etwa 8 % bis 14 % Wasser nach Gewicht. 

Der Beitrag der Fasern zu den Endeigenschaften des Verbundwerkstoffs, insbesondere zur Festigkeit, hängt von ihren mechanischen Eigenschaften, Typ, Orientierung, Volumenanteil der Fasern sowie von der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix und der Art der Herstellung des Verbundwerkstoffs ab. Die Hauptnachteile der Naturfasern müssen überwunden werden, bevor sie in einem Verbundwerkstoff eingesetzt werden können. Das größte, bereits oben erwähnte Problem verursacht ihre hydrophile Natur, die durch die Präsenz polarer Gruppen bedingt ist und zu einer schlechten Adhäsion (Oberflächenhaftung bzw. Materialhaftung) zwischen der Faser und der hydrophoben Polymermatrix führt. Naturfasern sind inkompatibel mit unpolaren – hydrophoben Thermoplasten, wie beispielsweise Polyolefinen (PP, PE).

Es stehen physikalische Faserbehandlungen zur Verfügung, beispielsweise mittels Plasma, am häufigsten kommen jedoch chemische Behandlungen zum Einsatz. Diese Behandlungen reinigen die Faseroberfläche und modifizieren sie, wodurch das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert wird und die Oberflächenrauheit erhöht wird, was zu einer verbesserten Adhäsion zwischen Fasern und Polymermatrix beiträgt. Naturfasern enthalten Hydroxylgruppen aus Zellulose und Lignin und lassen sich daher chemisch modifizieren – durch Merzerisierung (durch Einwirkung von konzentrierter Natronlauge quellen die Fasern auf, ändern ihren Querschnitt, verkürzen sich und weisen eine höhere Zugfestigkeit auf), Acrylierung, Acetylierung, Behandlung mit Isocyanat, Silan oder Peroxid und anderen Reagenzien erhalten Naturfasern eine höhere Festigkeit und Adhäsion zur Matrix.

Eine weitere negative Eigenschaft, insbesondere bei Bastfasern, ist ihre hohe Entflammbarkeit. Bei Temperaturen bis 100 °C treten bei diesen Fasern keine größeren Änderungen auf. Alle Naturfasern unterliegen bei Temperaturen über 100 °C irreversiblen Veränderungen, die einen wesentlichen Einfluss auf ihre Eigenschaften haben. Bei Einwirkung von trockener Luft mit einer Temperatur von 110 °C kommt es zur Depolymerisation der Fasern (ihre Vergilbung bis Bräunung), bei 150 °C bildet sich Pyro-Zellulose (eine chemische Verbindung, die bei der thermischen Degradation von Zellulose entsteht, ein in pflanzlichen Zellwänden enthaltenes Polysaccharid) und bei 240 °C vergasen und verkohlen die Fasern (Lignin degradiert bereits bei Temperaturen um 200 °C, Zellulose und Hemizellulose degradieren bei höheren Temperaturen). Die Folge ist ein Abfall der Festigkeit sowie aller anderen Qualitätsparameter. Die thermische Beständigkeit von Naturfasern schränkt ihren Einsatz als verstärkender Faserfüllstoff in Matrizen mit erhöhter Verarbeitungstemperatur erheblich ein.

Ein weiteres Problem bei Bastfasern ist die geringe Beständigkeit gegenüber mikrobiologischen Einflüssen – Resistenz gegen Schimmel und Mikroben, biologische Beständigkeit, Einfluss lebender Organismen. Wenn geeignete Bedingungen (erhöhte Feuchtigkeit, Anwesenheit von Sauerstoff und günstige pH-Werte) für die Vermehrung von Schimmel und Bakterien eintreten, beziehen diese Organismen ihre Nährstoffe durch enzymatische Spaltung aus dem Substrat – der Faser. Beim Stoffwechsel produzieren Schimmelpilze Oxalsäure, Milchsäure und Weinsäure, die das Substrat verfärben und Quelle weiterer Schäden sein können. In vielen Fällen lässt sich die Anwesenheit von Schimmel durch ultraviolettes Licht aufdecken, das an den befallenen Stellen eine intensiv gelbe Fluoreszenz hervorruft. Alle überwiegend zellulosehaltigen Fasern werden durch das Enzym Zellulase gespalten, das in der Lage ist, Zellulose bis hin zu einfachen Zuckern zu hydrolysieren. Der biologische Abbau der Fasern beginnt in ihrem amorphen Bereich und breitet sich auf den kristallinen Bereich aus. Ein höherer Ligningehalt in der Faser verlangsamt die mikrobiologische Schädigung.

Regranulate

Nachhaltige Entwicklung (englisch: Sustainable Development) ist eine Form der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft, die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Fortschritt mit der umfassenden Bewahrung der Umwelt in Einklang bringt.

Nach dem tschechischen Umweltgesetz ist dies: „eine Entwicklung, die heutigen und künftigen Generationen die Möglichkeit bewahrt, ihre grundlegenden Lebensbedürfnisse zu befriedigen, ohne dabei die Vielfalt der Natur zu verringern und die natürlichen Funktionen der Ökosysteme zu erhalten“.

Große Themen im Rahmen der Debatten über nachhaltige Entwicklung sind unter anderem die Verarbeitung von Recyclingmaterialien. Hier muss betont werden, dass nicht die Kunststoffe selbst oder die Produkte daraus das Problem darstellen, sondern Produkte, deren Lebensdauer aus welchen Gründen auch immer abgelaufen ist, d. h. Kunststoffabfälle.

Fachleute sind sich einig, dass eine der möglichen Lösungen der Übergang von einer linearen zu einer zirkulären Handhabung von Kunststoffprodukten ist. Während in der Kreislaufwirtschaft die Richtung von Ressourcen, seien sie fossiler oder natürlicher Herkunft, zu Produkten und anschließend zu Abfall verläuft, basiert die Kreislaufwirtschaft auf der Umwandlung von Abfällen zurück in Ressourcen. Dabei geht es nicht nur um das Schließen des Ressourcenkreislaufs, sondern auch um die Verlangsamung des Flusses, das heißt die Verlängerung der Produktlebensdauer (durch durchdachte Technologien, deren anspruchsvolle – ausgeklügelte, ausgereifte – Konstruktionen und Design). Weiterhin geht es um die Erhöhung der Austauschbarkeit von Teilen – die Konstruktion der Baugruppe muss so ausgelegt sein, dass sie weitgehend den Austausch einzelner Konstruktionsteile durch neue Ersatzteile ermöglicht und somit die Funktion der Baugruppe wiederherstellt, durch deren Reparaturen, Verbesserungen, Umbauten (beispielsweise die Einführung einer größeren Modularität der Produkte). Und nicht zuletzt durch die Umstellung der Ressourcenflüsse von Besitz auf Teilen, was einen Wandel im Verbraucherverhalten betrifft.

In gewissem Gegensatz zur Zirkularität stehen weitere Strategien zur Verringerung des Volumens von Kunststoffabfällen:

- allgemein die Einschränkung von Dingen, die aus Kunststoff hergestellt sind und nach einmaligem Gebrauch zu Abfall werden; typische Beispiele sind Einwegbecher für Getränke, Besteck, Wattestäbchen oder Strohhalme; hier erlaube ich mir eine Anmerkung – statistisch wurde berechnet, dass der Ersatz von Kunststoffen in Verpackungen durch alternative Materialien das Gewicht der Verpackungen um den Faktor 3,6 erhöhen würde, die Treibhausgasemissionen um den Faktor 2,7 steigen würden, der Stromverbrauch um den Faktor 2,2 höher wäre und das Abfallgewicht um den Faktor 1,6 höher wäre

- Verringerung der Menge verschiedener Kunststofftypen, sodass nur solche verwendet werden, die für die jeweilige Anwendung die besten Voraussetzungen bieten und leicht recycelbar sind; hier stoßen wir auf die Unvorbereitetheit des Bildungssystems, korrekt über deren spezifische Eigenschaften und Möglichkeiten ihrer Nutzung zu informieren

- das maximal mögliche Maß an Kunststoffabfallrecycling

In der Bedeutung des Begriffs Thermoplast ist Recycling bereits kodiert – es ist ein Kunststoff, der durch Wärme in eine Schmelze überführt, die Schmelze abgekühlt und damit wieder in einen festen Zustand überführt werden kann, und dies wiederholt. Zur Beseitigung von Kunststoffabfällen werden mehrere Recyclingtechnologien eingesetzt – mechanisches Recycling, chemisches Recycling – Hydrolyse, Alkoholyse, Methanolyse, Ethanolyse, Glykolyse, Aminolyse, Recycling basierend auf der thermischen Zersetzung von Kunststoffen – Pyrolyse, katalytische Depolymerisation, Verflüssigung von Thermoplasten – Solvolyse, Vergasung – Gasifizierung und weitere Ansätze.

Mechanisches Recycling, die beim Spritzgießen am häufigsten verwendete Recyclingtechnologie – hierbei handelt es sich um einen physikalischen Prozess, beim Recycling findet keine chemische Reaktion statt, aus dem Polymerabfall wird Material und anschließend ein Produkt mit Eigenschaften gewonnen, die vom ursprünglichen Material abweichen.

Aus dem oben Genannten ergibt sich, dass Abfall aus Thermoplasten wiederverarbeitbar ist, er kann als „Sekundärrohstoff“ betrachtet werden, wobei wir unter dem Begriff „Sekundärrohstoffe“ Thermoplaste für das Spritzgießen verstehen, die bereits mindestens einmal einen Verarbeitungsprozess durchlaufen haben, d. h. sie haben eine thermische Historie. Im Grunde handelt es sich um Material, das entweder nur zerkleinert ist, üblicherweise Produktionsabfälle und Ausschuss aus der eigenen oder fremden Spritzgussfertigung, oder um zerkleinertes und regranuliertes Material (der Ursprung kann derselbe sein wie bei Mahlgut). Regranulierung bedeutet, dass das zerkleinerte Material eine Regranulierungsanlage, bzw. eine Misch- und Extrusionsmaschine durchläuft (dem Material wird eine weitere thermische Historie zugefügt), wobei das Ergebnis der Extrusion ein neues Granulat ist – das Regranulat. Quellen für Regranulat können weiterhin sortierte Spritzgussteile aus der kommunalen Sammlung, Spritzgussteile und Produkte mit beendeter Lebensdauer usw. sein.

Bei wärmeempfindlichen Materialien und bei mit faserigen Füllstoffen gefüllten Materialien ist es vorteilhafter, für die weitere Verarbeitung Mahlgut zu verwenden – das Material wird bei der Regranulierung nicht erneut thermisch belastet, die Degradation (Kürzung) des faserigen Füllstoffs bei der Regranulierung wird verringert. Der Nachteil von Mahlgut ist die ungleichmäßige Größe der zerkleinerten (gemahlenen) Partikel und bei Verwendung einer ungeeigneten Mühle ein höherer Gehalt an Staubanteilen, was Probleme durch Verstopfung der Eingangsöffnung zur Schnecke der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine verursachen kann, bzw. Unregelmäßigkeiten bei der Materialaufnahme in die Schnecke während der Plastifizierung.

Der Vorteil von regranulierten Materialien ist (im Gegensatz zu Mahlgut), dass sie hinsichtlich der granulometrischen Eigenschaften praktisch identisch mit den Originalmaterialien sind. Zudem können bei der Regranulierung der Schmelze verschiedene Additive zugesetzt werden – Füllstoffe, Stabilisatoren, Farbpigmente, Gleitmittel, Kompatibilisatoren usw. –, die zur Verbesserung der Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften des Regranulats führen.

Das Spritzgießen, d. h. die Wiederverarbeitung von Abfall – Mahlgut oder Regranulat und die resultierende Qualität der Spritzgussteile, die entweder aus hundertprozentigem Abfall oder aus Originalmaterial mit Abfallbeimischung hergestellt werden, hängt stark vom Polymertyp und dessen Additivierung (insbesondere thermische Stabilisierung) sowie den bei der Verarbeitung des ursprünglichen Granulats eingestellten Bedingungen ab, wobei die wichtigsten technologischen Parameter die Temperaturen bzw. die thermische Historie sind – Schmelztemperatur, Dauer ihrer Einwirkung auf das zu spritzgießende Material, Gefahr der thermischen Degradation sowohl des Polymermaterials als auch seiner Additive.

Allgemein lässt sich feststellen, dass die Degradation von Spritzgießmaterialien von deren thermischer Belastung abhängt – Schmelztemperatur, Umfangsgeschwindigkeit an der Schnecke (Schneckendrehzahl), Rückdruck an der Schnecke, Temperatur des Heißkanals, Verweilzeit der Schmelze im Plastifizierzylinder und Heißkanal, Scherbelastung beim Füllen des Formnestes – sowie vom Feuchtigkeitsgehalt und dem Gehalt und den Typen der Stabilisatoren. Zu diesen Abhängigkeiten kommt noch die Anzahl der sich wiederholenden Verarbeitungszyklen oder Regranulierungen hinzu.

Mit steigender Anzahl der Recyclingzyklen nimmt zu:

• der Elastizitätsmodul des Materials,
• der Gehalt an kristallinem Anteil bei teilkristallinen Materialien,
• der Schmelzindex (MFI),
• die Zugfestigkeit (oder hat keinen Einfluss).

Mit steigender Anzahl der Recyclingzyklen nimmt ab:

• die Molmasse des Materials,
• seine Bruchdehnung,
• die Kerbschlagzähigkeit,
• die Schmelzeviskosität,
• Erhöhung der Fließfähigkeit.

Ende des zweiten Teils.

Den ersten Teil finden Sie hier.
Den dritten Teil finden Sie hier.
Den vierten Teil finden Sie hier.