Projekt 05164/01

Stoffliche Wiederverwertung von unterschiedlich vernetzten Polyurethanschäumen

Projektdurchführung

Universität Gesamthochschule Kassel Institut für Werkstofftechnik Kunststoff- und Recyclingtechnik
34109 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wegen ihres duromeren Charakters gelten Polyurethane als schwer oder nicht wiederverwertbar. Besonders betrifft das stark vernetzte PUR-Hartschäume. Trotz intensiver Entwicklungsarbeiten gibt es derzeit kein Verfahren, das in industriellem Maßstab realisiert wird.
Der Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens umfaßte das werkstoffliche Recycling. Dazu wurden unterschiedlich vernetzte Schäume, die überwiegend von Partnerfirmen eingesetzt werden, nach dem Fließpreßverfahren zu neuen Produkten verarbeitet. Dieser Prozeß wurde optimiert und die Produkte werkstofflichen Prüfungen unterzogen. In Kooperation mit Partnerfirmen wurde auch der Einsatz von PUR-Recyclaten in neuen PUR-Hartschäumen weiterentwickelt (RemoTec-Verfahren). Die bei der Verarbeitung entstehenden Emissionen wurden analytisch untersucht, unter besonderer Betrachtung der FCKW-Problematik.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Jahr der Projektbearbeitung wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:
- Zerkleinerungsversuche verschiedener Polyurethansysteme (Anschaffung einer Labormühle)
- Ausbau und Erprobung der Verarbeitungsanlagen (Entwicklung und Bau eines geeigneten
Preßwerkzeuges unter Berücksichtigung künftiger Emmissionsmessungen, Kapselung der Anlage)
- Entwicklung des Fließpreßverfahrens für PUR-Hartschäume
- Entwicklung einer analytischen Methode zur Erfassung der Emissionen von Polyurethanschäumen

Im zweiten Bearbeitungsjahr wurden folgende Schwerpunkte berarbeitet:
- Optimierung der Verarbeitungsparameter für stark vernetzte PUR-Hartschäume mit dem neuen
Preßwerkzeug und Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Produkte
- Untersuchungen der Formteile mit PUR-Schaum-Recyclaten (hergestellt nach RemoTec-Verfahren)
- Entwicklung und Optimierung der analytischen Methoden und Probennahme der Emissionen mit dem
neuen Preßwerkzeug
- Systematische, analytische Untersuchungen zur FCKW-Problematik von PUR-Hartschäumen (mit Kooperationspartnern)


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte anhand von mehreren, unterschiedlichen PUR-Materialien erstmalig nachgewiesen werden, daß das Fließpreßverfahren auch für die Wiederverwertung von Hartschäumen anwendbar ist. Die Verarbeitungsparameter müssen jedoch jedesmal, abhängig vom PUR-System, optimiert werden.
Die besten mechanischen Eigenschaften und die beste Qualität der Oberfläche wurden bei höheren Werkzeugtemperaturen (210°C bis 250°C), längeren Preßzeiten (3 bis 6 min.) und kleineren Partikelgrößen (unterhalb der Porengröße, 0,2 mm) erzielt. Eine Steigerung der Kennwerte ist bis zur Zersetzungsgrenze des Materials möglich. Der Preßdruck beeinflußt die mechanischen Eigenschaften nicht so stark wie Preßtemperatur und -zeit, wobei diejenigen Proben die höchsten Festigkeitswerte aufweisen, die mit einem maximalen Preßdruck von ca. 480 bar gepreßt wurden. Mit kleinerer Korngröße wurden die Recyclat-Proben homogener. Die Korngröße 0,125 mm ergab die beste Oberflächenqualität. Mehrmalige Verarbeitung von PUR-Hartschaum-Recyclaten (bis 5 mal) mittels des Fließpreßverfahrens ist möglich und hat keinen negativen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften.
Eine Modifikation des Fließpreßens durch die Zugabe von PUR-Weichschaum-Recyclaten führt zu einer Änderung des mechanischen Verhaltens: Elastizität, Reißdehnung und Schlagzähigkeit steigen mit zunehmendem PUR-Weischaum-Anteil.
Zielsetzung der Bestimmung des Restgehaltes an F11 war es, zu zeigen, durch welche Maßnahmen der Restgehalt im PUR-Schaum reduziert werden kann. Einflußgrößen waren verschiedene Korngrößen, Temperaturen und techn. Vakuum. Zur Bestimmung des Restgehaltes konnten zwei verschiedene analytische Methoden entwickelt werden. Die Analysenergebnisse erlauben folgende Schlußfolgerungen: Durch mechanische Zerkleinerung kann der F11-Gehalt auf einen bestimmten Grenzwert reduziert werden. Im Falle eines systematisch untersuchten PUR-Schaumes lag dieser Wert bei ca. 3 Gew.%. Selbst eine Zerkleinerung des Materials unter die Zellgröße bewirkt keine weitere Freisetzung von FCKW. Durch thermische Behandlung kann der Restgehalt F11 erwartungsgemäß weiter reduziert werden. Je nach Zerkleinerungsgrad des Materials verläuft die Freisetzung des F11 unterschiedlich schnell. Unter dem Einfluß eines techn. Vakuums (300 mbar) kann der F11-Gehalt nur unwesentlich verringert werden.
Für die Probennahme und analytische Erfassung der Emissionen während des Fließpreßverfahrens konnte eine zuverlässige Methode entwickelt werden. Erst die Kombination verschiedener Adsorbentien in sog. Sandwitch-Einheiten führte zur gleichzeitigen Erfassung sowohl der leicht- als auch schwerflüchtigen Substanzen. Durch Optimierung des analytischen Systems konnten zumindest die Hauptkomponenten der Emissionen erfaßt werden. Insgesamt erhält man komplexe Chromatogramme (bis zu 170 Einzelkomponenten).
Die nach dem RemoTec-Verfahren hergestellten Formteile weisen gute physikalisch-mechanische Eigenschaften auf, was die Anwendung von solchen Produkten für technische Isolierungen ermöglicht. Nach diesem Prinzip hergestellte Teile können z.B. als innere Schicht zur Isolierung von Heißwasserspeichern eingesetzt werden. Dadurch wird ein echter Material-Kreislauf gesichert. Die werkstoffliche Wiederverwertung von PUR-Schäumen mittels des RemoTec-Verfahrens ist auch aus ökonomischen Gründen vorteilhaft (Kostensenkung um ca.10 - 15% beim Einsatz von Recyclaten).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· D. Kardasz, J. Zicans, A.K. Bledzki, M. Kalnins -Recycling of foamed polyurethane, Seminar
Advances in new polymer materials, 3. - 4. Juli 1995, Riga/Lettland
· D. Kardasz, J. Zicans, A.K. Bledzki - Recycling von Polyurethanen, Konferenz Polymere-Umwelt-
Recycling, 27. - 29. September 1995, Stettin/Polen
· A.K. Bledzki - Möglichkeiten und Praxis des Recyclings von PUR-Produkten, Konferenz
INTERPUR´95, 22. - 24. Oktober 1995, Bydgoszcz/Polen
· D. Kardasz, M. Klein, A.K. Bledzki, H. Parlar - Poster Recycling of rigid polyurethane-foams -
compression moulding. Determination of trichlorofluoromethane R 11, Kongreß R´97 Recycling,
Recovery, Re-integratin, 4. - 7.02.1997, Genf/Schweiz
· Presseberichte über dieses Projekt und Kooperation mit mittelständigen Unternehmen (insgesamt 10,
u.a. FAZ, HNA Hessische Allgemeine, Publik - Hochschulzeitung, Euwid, Firmen-Zeitschriften).


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigten, daß sowohl mit dem Fließpreß- als auch mit dem RemoTec-Verfahren PUR-Hartschäume erfolgreich recycliert werden können.
Die hergestellten Materialien weisen gute mechanische Eigenschaften auf und können in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt werden.
Es konnte nachgewiesen werden, daß trotz Feinzerkleinerung und Entgasung ein Restgehalt an F11 im Material verbleibt. Dennoch werden vom Gesetzgeber keine unteren Konzentrationsgrenzen angegeben, unterhalb der das in Verkehr bringen eines solchen Materials erlaubt wäre. Hauptemissionsprodukte sind die dem PUR-Schaum zugesetzten Treibmittel, Katalysatoren und Flammschutzmittel.