Wissenschaftsbasis

Innovationen beim Recycling von Gummiabfällen

15.03.2017

Jedes Jahr fallen ca. 7 Mio Tonnen für die Umwelt schädliche Altreifen an, deren Wiederverwertung eine der aktuellen Herausforderungen beim Recycling darstellt. Eine innovative und zukunftsorientierte Methode der Verarbeitung von Gummiabfällen ist die thermisch-mechanische Gummiwiederaufbereitung, die in Zweischneckenextrudern durchgeführt wird. 

Die Entwicklung des Gummirecycling wird sowohl durch rechtliche Verordnungen angetrieben (seit 2003 gilt ein Reifenablagerungsverbot und die aktuellen Richtlinien der EU zwingen durch das „Abfallbeseitigungsgesetz“ vom 7. Februar 2003 zu einer Recyclingquote), ist aber auch ökonomisch und ökologisch begründet. Die Devulkanisation ermöglicht die Gewinnung von Gummimaterialien in guter Qualität und mit breitem Verwendungsspektrum. 

Wiederverwertung von Gummi - Devulkanisation

Die Wiederverwertung von Gummiabfällen beruht auf der Umwandlung von Gummi mit Hilfe von thermischer, mechanischer oder chemischer Energie. Während dieses Prozesses wird die dreidimensionale Struktur von vernetztem Gummi zerstört, was die Verarbeitung, Formung und Vulkanisation des gewonnenen Materials, des wiederverwertbaren Gummis, ermöglicht. Man verwendet unterschiedliche Methoden der Gummiwiederverwertung, die sich nach der verwendeten Energie unterscheiden.

Die Erwärmung des vulkanisierten Gummis führt zur Auflösung der Verbindungen zwischen den Atomen des vernetzten Polymers. Es kommt zur Auflösung sowohl der Vernetzungsverbindungen zwischen Schwefel- und Kohlenstoffatomen (Verbindungen S-S i C-S), als auch der Verbindungen in der Hauptkette zwischen den Kohlenstoffatomen. Die Auflösung der Verbindungen C-C in der Hauptkette ist eine ungünstige Erscheinung, weil sie zur Verschlechterung des Materials führt.  Ziel der durchgeführten Devulkanisation ist die Auflösung der Verbindungen mit Schwefel, weil sie zur Trennung der vernetzten Ketten und Wiederherstellung von plastischen Eigenschaften führt.

Zeichnung 1 Schema der im vernetzten Gummi auftretenden Verbindungen, rot markierte Vernetzungsbrücken werden während des Devulkanisationprozesses aufgelöst.

 

Die klassische thermische Wiederverwertung führt also zum Gewinn des wiederverwertbaren Materials von bedeutend schlechteren Eigenschaften als Rohkautschuk, weil man kürzere Polymerketten erhält. Als Antwort auf dieses Problem ist eine thermisch-mechanische Wiederverwertungstechnologie in Zweischneckenextrudern entwickelt worden.

Innovative Lösungen

Die Verwendung des Zweischneckenextruders für die thermisch-mechanische Wiederverwertung von Gummimaterialien ist eine relativ neue Methode des Gummirecycling. Diese Methode wurde von der  Forschungsabteilung  Toyota R&D Division entwickelt.

Bei der thermisch-mechanischen Methode können die chemischen Reaktionen, die zur Auflösung der Verbindungen in der Polymerkette führen, durch Auswahl der Parameter im Extruder d.h. Schneidkräfte und Innendruck kontrolliert werden, was zur Gewinnung des Regenerats von zufriedenstellender Qualität führt.

In dem technologischen Prozess, in dem wir aus Gummireifen den wiederverwendbaren Gummi erhalten, kann man folgende Etappen unterscheiden:

  • Trennung des Drahts vom Reifen und Zerschneidung des Gummis in der Messermühle, Trennung des Stahl- und Textilkords durch Abreiben auf geriffelten Walzen,
  • Gewinnung des Gummigranulates mit einem Durchmesser von  1-2 mm im Granulator
  • thermisch-mechanische Wiederherstellung im Zweischneckenextruder (in Laborqualität z.B.  EHP 2x 20 ZAMAK MERCATOR)

Zweischneckenextruder

Bei dem Prozess nutzt man  Zweischneckenextruder mit robuster Konstruktion und spezieller Modulkonstruktion mit gemeinsam arbeitenden Schnecken, was optimale Schneidkräfte im Plastifizierungssystem erwirkt. Die Schnecke besteht aus Transport- und Knetsegmenten.  Knetsegmente, die aus Nockenscheiben bestehen,  modifizieren die Intensität des verteilenden und zerreibenden Mischens. Zahlreiche Forschungen, dokumentiert durch wissenschaftliche Publikationen zeigen, dass sich der Extruder EHP 2x20 der Firma ZAMAK MERCATOR mit spezieller Schneckenkonstruktion im mechanisch-thermischen Recyclingprozess von Gummiabfällen in Laborqualität hervorragend bewährt. 

Der Wiederherstellungsprozess läuft kontinuierlich ab. Den Extruder kann man in eine Pulverisierungszone und auf die darauf folgende Devulkanisationszone einteilen. In der Pulverisierungszone wird das zugeführte Material in Form eines Granulates mit dem Durchmesser von ca. 2 mm unter dem Einfluss von Schneidkräften zerkleinert und bis zur Vulkanisationstemperatur erwärmt. Das Material passiert im weiteren den Extruder in einer Zeit, die durch eine entsprechend lange Wärmewirkung die Durchführung der Devulkanisation sichert. In der Devulkanisationszone  werden die Ketten auf den Knetelementen so stark gedehnt, dass dadurch die Plastifizierung erfolgt.

Zeichnung 1 Zonenschema im thermisch-mechanischen Wiederherstellungsprozess.

 

Verwendung des recycelten Gummis

Dank der hervorragenden Qualität des mit der thermisch-mechanischer Methode recycelten Gummis kann es als Füllmittel in neuen Reifen verwendet werden, wodurch ihre Produktionskosten gesenkt werden können (auch bei einer Menge von 10% behalten die Reifen ihre Standardfestigkeit). Die hier beschriebene Recyclingmethode kann man kontinuierlich im gleichen Extruder durch Einfügen einer Zufuhrzone für thermoplastische Matrizen nach der Devulkanisationszone auch für die Produktion von thermoplastischen Elastomeren (TPE) einsetzen.

Recyceltes Gummi hat ähnliche Eigenschaften wie Rohkautschuk, deshalb kann man es oft als Ersatz für teurere Rohstoffe verwenden.

 

Literatur

[1] Krzysztof Formela, Investigating the combined impact of plasticizer and shear force on the efficiency of low temperature reclaiming of ground tire rubber(GTR), Polymer Degradation and Stability, 125 (2016), 1-11

[2] Michał Gągol, Investigation of volatile low molecular weight compounds formed during continuous reclaiming of ground tire rubber, Polymer Degradation and Stability, 119 (2015), 113-120

[3] KenzoFukumori, Material recycling technology of crosslinked rubber waste, R&D Review of Toyota CRDL, Vol.38 No.1

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