Projekt 22610/01

Entwicklung umweltverträglicher, flüssiger Farbkonzentrate zwecks effizienter Druckeinspeisung in moderne Extrusionsprozesse zur Herstellung eingefärbter BCF-PP-Teppichgarne mit neuer Abfallvermeidungsstrategie

Projektdurchführung

ROWA Rohstoff Wasch- und Aufbereitungswerk GmbH
Siemensstr. 1 - 3
25421 Pinneberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

- Abfallvermeidung und Abfallreduktion von Kunststoffen (Polyolefinen) bei Garnextrusionsprozessen durch künftig schnellstmögliche Farbwechsel bzw. extrem kurze Rüstzeiten aufgrund gezielter Flüssigfarbzuspeisung unter Druck.
- Entwicklung von polymerverträglichen, umweltverträglichen Flüssigfarben, möglichst basierend auf nachwachsenden Rohstoffen als Träger, mit leichter biologischer Abbaubarkeit.
- Das neuartige Flüssigfarbkonzept soll die vorgeschaltete Farbmasterbatch-Herstellung und Veredlung bei Temperaturen von 190-220°C künftig überflüssig machen, da energieschonend (bei Raumtemperatur) geeignete Flüssigkeiten mit geringem Energieeintrag entwickelt und hergestellt werden sollen (deutliche Senkung des Energiebedarfs bei der Farbherstellung und Garnextrusion).
- Ressourcen bei den Garnherstellern sollen damit nachhaltig geschont werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben wurde systematisch in 11 verschiedene Arbeitspakete (AP) gegliedert . Hierzu ging es ei-nerseits um die Entwicklung einer neuartigen Verfahrenstechnik, welche es fortan ermöglicht, flüssige Farb- und Additivkonzentrate gegen den Schmelzedruck (abhängig von der Einspeisestelle zwischen 50 - 160 bar) dosiergenau und dosierkonstant in Garnextrusionsprozesse im Bereich von BCF-Garnen zu injizieren.
Zum Anderen ging es um die Entwicklung von polymerverträglichen flüssigen Farb- und Additivkonzentraten, die in ihrer Beschaffenheit so zu konzipieren waren, dass der Carrier (Trägerstoffsystem für Pig-mente) hochverträglich zum Polymer (PP), 100 %ig biologisch abbaubar sowie auch von der Rheologie und Temperaturbeständigkeit her optimal ist. Die neuen Farben sollten analog zu Masterbatches migrati-onsfrei Teppichgarne aus Polypropylen einfärben können.
Zu Punkt 1 wurde eine prozessgestützte und computergesteuerte Flüssigdosierung zunächst durch Dosierungsuntersuchungen an Doppelschneckenextrudern (ROWA GmbH) und dann schrittweise durch Implementierung unter aufwendiger Optimierung an einen Spinnfaser-Extruder (erfolgte durch die Neu-mag GmbH, Neumünster) erreicht.
Zum Thema Farbkonzentrate wurde zunächst eine Vorauswahl an potenziell geeigneten Farbträgerkomponenten im Team von Chemikern und Technikern der ROWA GmbH ermittelt. Dabei wurden etwa 30 verschiedene Substanzen in aufwendigen Screening-Tests auf Polymerverträglichkeit unter Verwendung von Extrusion und Spritzguss untersucht. TGA-Untersuchungen, Migrationstests, Untersuchung des mfi bei unterschiedlichen Dosiermengen u.v.m. schlossen sich an. Letztlich wurden auch Wet-and-dry-rubbing-fastness-Tests mittels neu entwickelter Farben eingefärbter PP-Garne zwecks Ermittlung der Abriebbeständigkeit am Institut Centexbel, Belgien durchgeführt, welche zu guten Resultaten führten.


Ergebnisse und Diskussion

Es gelang die Entwicklung einer neuen Hochdruck-Dosiertechnik für Flüssigkonzentrate in Spinn-Extrusionsprozesse. Dazu wurde ein computerunterstütztes System entwickelt, welches im Wesentlichen auf folgendem Know-how basiert: Der Schmelzedruck wird über den Extruder selbst permanent ange-zeigt. Dazu wird ein Druckwächter an die erste von zwei parallel geschalteten, totraumoptimierten Zahnradpumpen zugeschaltet, welcher permanent der ersten Pumpe ein Signal vermittelt, welche Drehzahl erforderlich ist, um gegen den Schmelzedruck die durchströmende Flüssigkeit derart zu leiten, dass die zweite Zahnradpumpe dann mit einem Differenzdruck von Null diese in den Extruder einspeisen kann. Weiterhin wurde ein Touch Screen entwickelt, so dass die Kunden fortan nur noch die gewünschte Prozentzugabe an Farbkonzentrat (und die Dichte) eingeben müssen. Das Dosiersystem regelt Druckschwankungen innerhalb von Millisekunden aus, so dass konstant und homogen das jeweilige Farb- und Additivkonzentrat die Schmelze erreicht.
Weiterhin wurde ein Farbwechsler vor die Pumpen eingebaut, so dass auf Knopfdruck auf ein anderes Farbkonzentrat umgeschaltet werden kann. Damit die Farbwechselzeiten auf ein Minimum reduziert bleiben, wurde ein Reinigungskonzentrat unter dem Namen ROWACLEAN entwickelt und auch ein Bypass innerhalb des Systems integriert, sodass wiederum auf Knopfdruck unmittelbar vor einem geplanten Farbwechsel das Reinigungskonzentrat zwar die Pumpen durchströmt und abreinigt, jedoch dieses seit-lich abgeleitet wird und nicht in den Spinn-Extrusionsprozess gelangt. Das Reinigungskonzentrat selbst ist umweltverträglich und voll biologisch abbaubar. Diese Spülphase erfolgt über eine Dauer von etwa 10 - 30 sec. vor dem eigentlichen Farbwechsel.
Parallel dazu wurden umweltverträgliche Farb- und Additivkonzentrate von der ROWA GmbH entwickelt, welche im Wesentlichen aus nachwachsenden Rohstoffen und Emulgatoren für Pigmente bestehen, die auch in zahlreichen Lebensmitteln zum Einsatz kommen. Mit dem letztlich bestpolymerverträglichem Farbkonzentrat wurden wiederholt Tests von 8 h Dauer durchgeführt und dazu Garn produziert, welches zu Teppichabschnitten getuftet wurde. Das Ergebnis war äußerst zufriedenstellend; es konnten daraus streifenfreie Teppichabschnitte hergestellt werden. Die Zugabekonzentrationen der verwendeten Farben beliefen sich zwischen 1 - 6 %.
Abrasionstests an den so eingefärbten Garnspulen zeigten vergleichbare Werte wie Garne, die konventionell mit festem Masterbatch eingefärbt wurden.
Überzeugend in einem weiteren Großversuch war auch die Generation von überaus raschen Farbwechseln. Mit einer breiten Umsetzung des Verfahrens ist eine deutliche Reduktion von Garnabfällen von derzeit 6000 Jahrestonnen (Europa) nunmehr in greifbare Nähe gerückt. Außerdem ist die Herstellung flüs-siger Farbkonzentrate deutlich energiesparender als bei festem Masterbatch.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während des Word-Carpet-Kongresses in Gent Ende Mai 2005 wurden die im Rahmen des Projektfortschrittes erarbeiteten Zwischenergebnisse anwesenden Garnproduzenten erstmalig präsentiert. Dabei wurde ein deutliches Interesse des Marktes sichtbar. Weitere Fachartikel sind in Planung.


Fazit

Das Projekt darf in Summe als sehr erfolgreich bewertet werden. Es wird mit dem Ziel einer Praxiseinführung fortgesetzt. Dazu sind weitere Optimierungsschritte im Bereich der Einspeisestelle selbst und das beseitigen auftretender (leichter) Ablagerungen an den Spinndüsen im Langzeitlauf vorgesehen. Die mit der Hochdruck-Injektion flüssiger Farbkonzentrate in den Extruder direkt vor die Spinnpumpe erzielbaren Abfallreduktionen und die drastische Zeiteinsparungen bei Farbwechseln lassen eine gute Marktakzeptanz für das umweltentlastende neue Verfahren erwarten.