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DE102011081575B4 - Process for recycling fiber-reinforced plastics - Google Patents

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DE102011081575B4
DE102011081575B4 DE201110081575 DE102011081575A DE102011081575B4 DE 102011081575 B4 DE102011081575 B4 DE 102011081575B4 DE 201110081575 DE201110081575 DE 201110081575 DE 102011081575 A DE102011081575 A DE 102011081575A DE 102011081575 B4 DE102011081575 B4 DE 102011081575B4
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Achim Danko
Jakob Wölling
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Abstract

Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, umfassend die Schritte:
(a) Auflösen der Polymermatrix eines faserverstärkten Kunststoffteils,
(b) Zerkleinern der Faserstruktur des Kunststoffteils zu Teilstücken einer Kantenlänge in einer Größenordnung von 1 cm bis 20 cm,
(c) Einscannen eines jeden Teilstücks und Auswerten hinsichtlich gewählter Kennwerte,
(d) Ablegen der einzelnen Teilstücke nach einer geeigneten Ablagestrategie, zum Formen eines neuen Kunststoffteils, und
(e) Infiltrieren des neuen Kunststoffteils.
A process for recycling fiber reinforced plastics, comprising the steps of:
(a) dissolving the polymer matrix of a fiber-reinforced plastic part,
(b) comminuting the fiber structure of the plastic part into sections of an edge length of the order of 1 cm to 20 cm,
(c) scanning each section and evaluating for selected characteristics,
(d) depositing the individual parts according to a suitable storage strategy, for molding a new plastic part, and
(e) infiltrating the new plastic part.

Figure DE102011081575B4_0001
Figure DE102011081575B4_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen.The present invention relates to a process for recycling fiber-reinforced plastics.

Technischer HintergrundTechnical background

Faserverstärkte Kunststoffe gehören zur Klasse der faserverstärkten Werkstoffe (Faserverbundwerkstoffe), die wiederum der Klasse der Verbundwerkstoffe angehören. Ein faserverstärkter Kunststoff (auch: Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) oder Faserverbundkunststoff, FVK) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix (Polymermatrix). Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten.Fiber-reinforced plastics belong to the class of fiber-reinforced materials (fiber composites), which in turn belong to the class of composite materials. A fiber-reinforced plastic (also: fiber-plastic composite (FKV) or fiber composite plastic, FRP) is a material consisting of reinforcing fibers and a plastic matrix (polymer matrix). The matrix surrounds the fibers which are bonded to the matrix by adhesive or cohesive forces. By using fiber materials, fiber-plastic composites have a direction-dependent elasticity behavior.

Faserverstärkte Kunststoffe weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus faserverstärkten Kunstoffen werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.Fiber-reinforced plastics generally have high specific stiffnesses and strengths. This makes them suitable materials in lightweight applications. From fiber-reinforced plastics predominantly flat structures are produced.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parameter eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können beispielsweise der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge und vieles mehr variiert werden.The mechanical and thermal properties of fiber-plastic composites can be adjusted via a variety of parameters. In addition to the fiber-matrix combination, for example, the fiber angle, the fiber volume fraction, the layer order and much more can be varied.

Faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise mit Kohlenstofffaserverstärkung, weisen ein sehr hohes Potential als Leichtbauwerkstoff auf. Notwendige Bedingungen für den Einsatz als Hochleistungswerkstoff sind unter anderem folgende drei Kriterien:

  • • Realisierung einer Faserorientierung (bspw. in Kraftfluss-Richtung),
  • • Realisierung eines hohen Faservolumengehaltes, und
  • • Einhaltung einer gewissen Mindestfaserlänge zur Kraftübertragung von der Matrix in die Fasern, zur Kraftumleitung und zur Vermeidung von lokalen Spannungsüberhöhungen.
Fiber-reinforced plastics, for example with carbon fiber reinforcement, have a very high potential as a lightweight material. Necessary conditions for use as a high-performance material include the following three criteria:
  • Realization of a fiber orientation (eg in force flow direction),
  • • realization of a high fiber volume content, and
  • • Maintaining a minimum fiber length to transfer force from the matrix to the fibers, to redirect power and to avoid localized voltage buildup.

Die derzeitigen Recyclingverfahren von Faserverbundkunststoffen haben ein Kurzfaser-„Gewölle” oder Fasermehl als Ausgangsprodukt. Dieses lässt sich nicht in der Form weiterverarbeiten, dass es möglich wäre, die drei vorstehend genannten Kriterien zu erfüllen. Damit können recycelte Kohlenstofffasern derzeit nicht als Rohstoff für Hochleistungswerkstoffe (Strukturbauteile oder ähnliches) verwendet werden. In Realität liegt also eher ein sogenanntes Downcycling anstelle eines tatsächlichen Recycling vor.The current recycling processes of fiber reinforced plastics have a short fiber "casts" or fiber flour as a starting material. This can not be further processed in the form that it would be possible to meet the three criteria mentioned above. Thus, recycled carbon fibers can not currently be used as a raw material for high performance materials (structural components or the like). In reality, so-called downcycling rather than actual recycling is more likely.

Abfälle aus faserverstärktem Kunststoff, wie mit Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff (CFK), werden derzeit entweder deponiert, thermisch entsorgt (verbrannt, z. B. unter Ausnutzung der Energie zur Stromerzeugung) oder aufbereitet.Waste fiber reinforced plastic waste, such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP), is currently either dumped, thermally disposed of (incinerated, eg using power to generate electricity) or recycled.

Die ersten beiden Alternativen stellen keine ökologische sinnvolle Alternative dar, weshalb ein deutlicher Trend hin zu letzterer Alternative, d. h. der Aufbereitung, erkennbar ist. Dies wird auch durch gesellschaftliche und gesetzliche Zwänge verstärkt, beispielsweise ist in der EU durch die „Verordnung über die Überlassung, Rücknahme und umweltverträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen” §5 ab 2015 die Verwertung von mindestens 95 Gew% und die stoffliche Verwertung von 85 Gew% Pflicht.The first two alternatives are not an ecologically sound alternative, which is why there is a clear trend towards the latter alternative, ie. H. the preparation, is recognizable. This is also reinforced by social and legal constraints, for example, in the EU through the "Regulation on the disposal, return and environmentally sound disposal of end-of-life vehicles" §5 from 2015, the recovery of at least 95% by weight and the recycling of 85% by weight is required ,

Die Aufbereitung geschieht entweder thermisch (Pyrolyse) oder chemisch (Solvolyse, Hydrolyse, überkritische Fluide), wobei insbesondere die thermischen Verfahren derzeit einen industriell ausgereiften Stand erreicht haben.The treatment is done either thermally (pyrolysis) or chemically (solvolysis, hydrolysis, supercritical fluids), in particular, the thermal processes have currently reached an industrially mature state.

Allen Verfahren ist allerdings gemeinsam, dass sie einen Schritt vorsehen, bei dem die Fasern gekürzt werden. Dies erfolgt beispielsweise in Form von Shreddern der Bauteile vor dem Auslösen der Fasern, oder aber auch nach dem Separationsschritt an den bloßen Fasern in Form von Zuschnitt oder Häckseln. Gegebenenfalls kann auch eine noch weitere Verkürzung zu Fasermehl erfolgen.However, all methods have in common that they provide a step in which the fibers are shortened. This takes place, for example, in the form of shredding the components before the fibers are released, or else after the separation step on the bare fibers in the form of cutting or shredding. Optionally, an even further shortening to fiber meal can take place.

Darüber hinaus wird im Gesamtprozess beispielsweise durch den Transport des Recyclats auf Förderstrecken eine Vereinzelung der Fasern erzielt, sodass schließlich eine Wollartiges Faserhalbzeug vorliegt. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der JP 2003-033915 beschrieben.In addition, in the overall process, for example, by transporting the recyclate on conveyor lines, a separation of the fibers is achieved, so finally there is a wool-like semi-finished fiber. Such a method is used, for example, in JP 2003-033915 described.

Ferner gibt es Prozess-Variationen, bei denen ein gezielter Aufschluss der Fasern (siehe beispielsweise DE 10 2009 023 529 ) vorgesehen wird. Diese vereinzelten Filamente werden anschließend wieder in einem Spinnprozess zu einem Halbzeug (Garn/Vlies) zusammengefasst.Furthermore, there are process variations in which a specific disruption of the fibers (see, for example, US Pat DE 10 2009 023 529 ) is provided. These separated filaments are then combined again in a spinning process to a semi-finished product (yarn / nonwoven).

In der DE 10 2007 058 893 A1 wird ein Verfahren zum Aufschluss von Faser-Verbund-Werkstoffen beschrieben.In the DE 10 2007 058 893 A1 describes a process for the digestion of fiber composite materials.

Die DE 10 2008 002 846 B4 betrifft ein, Abfallaufbereitungsverfahren sowie eine Anordnung dazu.The DE 10 2008 002 846 B4 relates to a waste treatment process and an arrangement therefor.

In der DE 195 14 543 C1 ist ein Verfahren zum Rückgewinnen und Verwerten von Verschnittabfällen von faserverstärkten Prepregbahnen offenbart.In the DE 195 14 543 C1 there is disclosed a method of recovering and recycling waste wastes from fiber reinforced prepreg webs.

Es besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, wobei die Funktion der Verstärkungsfasern weitgehend erhalten bleiben soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein solches Verfahren bereitzustellen.There is a need in the art for a process for recycling fiber reinforced plastics where the function of the Reinforcement fibers should be largely retained. The object of the present invention is to provide such a method.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method according to claim 1. Further developments of the method are the subject of the dependent claims.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, umfassend die Schritte:

  • (a) Auflösen der Polymermatrix eines faserverstärkten Kunststoffteils,
  • (b) Zerkleinern der Faserstruktur des Kunststoffteils zu Teilstücken einer Kantenlänge in einer Größenordnung von 1 cm bis 20 cm,
  • (c) Einscannen eines jeden Teilstücks und Auswerten hinsichtlich gewählter Kennwerte,
  • (d) Ablegen der einzelnen Teilstücke nach einer geeigneten Ablagestrategie, zum Formen eines neuen Kunststoffteils, und
  • (e) Infiltrieren des neuen Kunststoffteils.
The present invention relates to a process for recycling fiber-reinforced plastics, comprising the steps:
  • (a) dissolving the polymer matrix of a fiber-reinforced plastic part,
  • (b) comminuting the fiber structure of the plastic part into sections of an edge length of the order of 1 cm to 20 cm,
  • (c) scanning each section and evaluating for selected characteristics,
  • (d) depositing the individual parts according to a suitable storage strategy, for molding a new plastic part, and
  • (e) infiltrating the new plastic part.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend und in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.Preferred embodiments of the present invention are described below and in the appended claims.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Polymermatrix des Kunststoffteils entfernt wird. 1 shows a partial step of the claimed method, in which the polymer matrix of the plastic part is removed.

2 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem Teilsücke erzeugt und aufgenommen werden. 2 shows a partial step of the claimed method, in which partial gap are generated and recorded.

3 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Teilstücke eingescannt, ausgewertet und zu einem neuen Bauteil abgelegt werden. 3 shows a partial step of the claimed method in which the sections are scanned, evaluated and stored to a new component.

4 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Faserstruktur des neuen Bauteils infiziert wird. 4 shows a partial step of the claimed method in which the fiber structure of the new component is infected.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunstoffen umfasst in einem ersten Schritt das Auflösen der Polymermatrix. Hierzu sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann das Auflösen der Polymermatrix thermisch mittels Pyrolyse erfolgen, d. h. durch eine thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen bei hohen Temperaturen von beispielsweise 400–900°C unter Ausschluss von Sauerstoff. In einer anderen Ausführungsform, kann die Auflösung der Polymermatrix chemisch mittels Solvolyse, Hydrolyse oder mit Hilfe von überkritischen Fluiden erfolgen. Dabei wird die Polymermatrix mittels eines organischen oder wässrigen Lösungsmittels oder mit Hilfe überkritischer Fluide entfernt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Entfernen der Polymermatrix Pyrolyse verwendet.In a first step, the process according to the invention for recycling fiber-reinforced plastics comprises dissolving the polymer matrix. For this purpose, the person skilled in various ways known. For example, the dissolution of the polymer matrix can be carried out thermally by means of pyrolysis, i. H. by a thermo-chemical cleavage of organic compounds at high temperatures of for example 400-900 ° C with the exclusion of oxygen. In another embodiment, the dissolution of the polymer matrix can be carried out chemically by solvolysis, hydrolysis or by means of supercritical fluids. The polymer matrix is removed by means of an organic or aqueous solvent or by means of supercritical fluids. In a preferred embodiment, pyrolysis is used to remove the polymer matrix.

Wie in 1 gezeigt (7) wird gemäß der vorliegenden Erfindung das zu recycelnde faserverstärkte Kunststoffteil, beispielsweise ein gebrauchtes Bauteile oder Ausschussbauteil, derart prozessiert, dass es nicht zu einer Vereinzelung und/oder Verkürzung der Fasern kommt. Im Gegensatz dazu werden im Stand der Technik Recyclingverfahren angewandt, in welchen die Kunststoffteile so zerkleinert (geschreddert) werden, dass die ursprüngliche Faserlänge signifikant verkürzt und/oder die jeweiligen Fasern aus ihrer ursprünglichen Umgebung heraus vereinzelt werden. Gegebenenfalls kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorzerkleinerung großer Strukturen erfolgen, um etwa bei einer Pyrolyse eine moderate Ofengröße beibehalten zu können. Beispielsweise muss gemäß der Erfindung zu einer Pyrolyse kein Drehrohr-Ofen oder ähnliches eingesetzt werden, sondern die Prozessierung kann etwa im Batch-Betrieb mittels Chargier-Gestellen oder in einem kontinuierlichen Prozess mittels Förder-Einrichtung (Fließband etc.) erfolgen (1).As in 1 shown ( 7 ), according to the present invention, the fiber-reinforced plastic part to be recycled, for example a used component or reject component, is processed in such a way that there is no singling and / or shortening of the fibers. In contrast, in the prior art, recycling processes are used in which the plastic parts are shredded so that the original fiber length is significantly shortened and / or the respective fibers are singulated out of their original environment. Optionally, according to the present invention, a pre-crushing of large structures can be carried out in order to maintain a moderate furnace size, for example during pyrolysis. For example, according to the invention, a rotary kiln or the like need not be used for pyrolysis, but the processing may take place, for example, in batch mode by means of charging racks or in a continuous process by means of conveying equipment (assembly line, etc.) ( 1 ).

Nach dem Auflösen der Polymermatrix der faserverstärkten Kunststoffteils liegen erfindungsgemäß die Faserlagen annähernd in gleicher Form vor, wie sie bei der ursprünglichen Bauteilherstellung verwendet wurden (8).After dissolving the polymer matrix of the fiber-reinforced plastic part according to the invention, the fiber layers are present in approximately the same shape as they were used in the original component production ( 8th ).

Die vorliegende Erfindung ist bezüglich der Verstärkungsfasern, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, nicht besonders beschränkt. Beispielsweise können erfindungsgemäß faserverstärkte Kunststoffteile mit Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, oder Plexiglas-Fasern, recycelt werden. Gegebenenfalls muss beim Entfernen der Polymermatrix darauf geachtet werden, dass ein Verfahren gewählt wird, bei dem die jeweiligen Fasern nicht mit entfernt werden. So ist beispielsweise Pyrolyse in der Regel nicht für organische Fasern, wie etwa Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, oder Plexiglas-Fasern, geeignet. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß Kunststoffteile, die mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt sind, stärker bevorzugt mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, verwendet.The present invention is not particularly limited in the reinforcing fibers suitable for the method of the present invention. For example, according to the present invention, fiber-reinforced plastic parts may be recycled with basalt fibers, boron fibers, glass fibers, ceramic fibers, silica fibers, steel fibers, aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, or Plexiglas fibers. If necessary, care must be taken when removing the polymer matrix that a method is selected in which the respective fibers are not removed. For example, pyrolysis is typically not suitable for organic fibers such as polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, or Plexiglas fibers. Preferably, according to the invention, plastic parts reinforced with glass fibers or carbon fibers, more preferably reinforced with carbon fibers, are used.

Die vorliegende Erfindung ist bezüglich der Polymermatrices, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete sind, nicht besonders beschränkt. Beispielsweise können faserverstärkte Kunststoffteile mit einer Polymermatrix aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethen (PTFE), Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF/MP), Harnstoffharz (UF), oder Gummi verwendet werden. In einer bevorzugten ausführungsform wird Epoxidharz (EP), Phenol-Formaldehydharz (PF), oder Polyurethan (PUR) verwendet.The present invention is not particularly limited with respect to the polymer matrices which are suitable for the process of the present invention. For example, fiber reinforced Plastic parts with a polymer matrix of polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI), polytetrafluoroethene (PTFE), epoxy resin (EP), unsaturated polyester resin (UP), vinyl ester resin (VE), phenol-formaldehyde resin ( PF), diallyl phthalate resin (DAP), methacrylate resin (MMA), polyurethane (PUR), melamine resin (MF / MP), urea resin (UF), or rubber. In a preferred embodiment, epoxy resin (EP), phenol-formaldehyde resin (PF), or polyurethane (PUR) is used.

Wie in 2 gezeigt, werden die erhaltenen Faserlagen weiterhin in geeignete Teilstücke zerkleinert (2). Das Zerkleinern erfolgt vorzugsweise durch zerschneiden mittels einer im Prinzip im Stand der Technik bekannten Schneidevorrichtung. Erfindungsgemäß beträgt dabei die Kantenlänge der Teilstücke von etwa 1 cm bis etwa 20 cm, vorzugsweise etwa 2 cm bis etwa 10 cm. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Größen der Teilstücke ca. 2 × 2 cm2 bis ca. 10 × 10 cm2 (14). Diese können nach dem Zerkleinern einzeln aus dem ursprünglichen Faseraufbau aufgenommen werden (3), beispielsweise mittels eines herkömmlichen FPP-Kopfes (10) (Fiber Patch Preforming).As in 2 shown, the obtained fiber layers are further comminuted into suitable sections ( 2 ). The crushing is preferably carried out by cutting by means known in the prior art cutting device. According to the invention, the edge length of the sections is from about 1 cm to about 20 cm, preferably about 2 cm to about 10 cm. In a preferred embodiment, the sizes of the sections is about 2 × 2 cm 2 to about 10 × 10 cm 2 ( 14 ). These can be picked up individually from the original fiber structure after comminution ( 3 ), for example by means of a conventional FPP head ( 10 ) (Fiber Patch Preforming).

Wie in 3 gezeigt wird dann jedes Teilstück mit geeigneten Methoden eingescannt (11). Dabei ist im Prinzip jedes bildgebende Verfahren geeignet. Beispielsweise kann ein Laser oder dergleichen zum Einscannen der Teilstücke verwendet werden. Beim Einscannen werden Kennwerte erfasst, wie z. B. Faserorientierung, Faserondulationen, Faserlänge, Flächengewicht oder geometrische Struktur (15). Anschließend erfolgt entweder eine Zwischenablagerung der einzelnen Teilstücke oder eine direkte Verarbeitung. Diese Verarbeitung erfolgt dann unter Zuhilfenahme einer geeigneten Ablagestrategie (4), wie nachstehend näher erläutert.As in 3 each section is then scanned in with suitable methods ( 11 ). In principle, any imaging process is suitable. For example, a laser or the like may be used to scan the sections. When scanning, characteristic values are recorded, such as: As fiber orientation, Faserondulationen, fiber length, basis weight or geometric structure ( 15 ). Subsequently, either a Zwischenablagerung the individual cuts or a direct processing. This processing then takes place with the aid of a suitable filing strategy ( 4 ), as explained in more detail below.

Die Ablagestrategie dient dazu, aus den gewonnenen Teilstücken aus Faserlagen ein neues Bauteil zu fertigen, das den Anforderungen an faserverstärkte Kunststoffteile genügt. Die Wahl einer geeigneten Ablagestrategie dient zunächst dazu, die geometrischen Konturen der Teilstücke mit dem neuem, gewünschtem Bauteil abzugleichen, um beispielsweise Verschnitt zu reduzieren (16). Darüber hinaus können, etwa unter Heranziehen einer Materialdatenbank, günstige Faserorientierungen, Lagenaufbau, Laminatstärke und weitere Anforderungen des Bauteils berücksichtigt werden (17). In faserverstärkten Kunststoffteilen ist beispielsweise eine Orientierung der Fasern entlang der zu erwartenden Kraftflüsse von erheblicher Bedeutung für die spezifische Festigkeit und Steifigkeit der durch das Recycling gewonnenen Bauteile. Die Ablagestrategie wird daher so entwickelt, dass die einzelnen Teilstücke im neu zu bildenden Bauteil so abgelegt werden, dass die Faserorientierung mit den zu erwartenden Kraftflüssen übereinstimmt. Weitere vertiefende Teilaspekte der Ablagestrategie sind denkbar, zum Beispiel die Berücksichtigung von Korrekturfaktoren für Faserondulationen, oder ähnliches (18). In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Ablagestrategie unter Verwendung Rechner gestützter Methoden entwickelt werden.The filing strategy is used to produce a new component out of the obtained sections of fiber layers that meets the requirements of fiber-reinforced plastic parts. The choice of a suitable storage strategy initially serves to match the geometric contours of the sections with the new, desired component, for example to reduce waste ( 16 ). In addition, taking into account a material database, favorable fiber orientations, layer structure, laminate thickness and other requirements of the component can be taken into account ( 17 ). In fiber-reinforced plastic parts, for example, an orientation of the fibers along the expected force flows is of considerable importance for the specific strength and rigidity of the components obtained by the recycling. The filing strategy is therefore developed in such a way that the individual sections are deposited in the new component to be formed in such a way that the fiber orientation coincides with the expected fluxes. Further in-depth partial aspects of the filing strategy are conceivable, for example the consideration of correction factors for fiber discharges, or the like ( 18 ). In a preferred embodiment, the filing strategy can be developed using computerized methods.

In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Ablagestrategie:

  • (a) Auswählen von Teilstücken, die geeignet sind die gewünschte Struktur eines neu zu bildenden Bauteils auszufüllen, wobei vorzugsweise möglichst wenig Verschnitt anfallen soll; und/oder
  • (b) Auswählen von Teilstücken hinsichtlich ihrer Faserorientierung, wobei die Teilstücke gemäß ihrer Faserorientierung entlang der Kraftlinien des neu zu bildenden Bauteils anzuordnen sind;
  • (c) Auswählen von bestimmten Teilstücken, um Faserondulationen anderer Teilstücke auszugleichen; und/oder
  • (d) Auswählen von Teilstücken hinsichtlich ihres Flächengewichts, wobei die Teilstücke hinsichtlich des gewünschten Flächengewichts des neu zu bildenden Bauteils anzuordnen sind.
In a specific embodiment, the filing strategy comprises:
  • (A) selecting portions that are suitable to fill the desired structure of a newly formed component, preferably as little waste as possible should occur; and or
  • (b) selecting sections in terms of their fiber orientation, wherein the sections are to be arranged along the lines of force of the newly formed component according to their fiber orientation;
  • (c) selecting particular sections to compensate for fiber soundings of other sections; and or
  • (d) selecting sections in terms of their basis weight, the sections being arranged with respect to the desired basis weight of the component to be formed.

Eine zusätzliche Variante, die erfindungsgemäß möglich ist, besteht in der Herstellung von Hybrid-Materialien: Hierbei können die Teilstücke der Faserlagen, die nach dem Entfernen der Polymermatrix und dem Zerschneiden erhalten werden, mit Teilstücken anderen Typs kombiniert werden, um die Materialkennwerte entsprechend einer Zielapplikation zu beeinflussen. Bei den zusätzlichen Teilstücken kann es sich beispielsweise um Neu-Material handeln, um die spezifische Steifigkeit bzw. Festigkeit zu verbessern; ferner ist das Beifügen von Verschnitt-Resten denkbar, um auch eine wertschöpfende und Ressourcen-schonende Verwertung für diese vorsehen zu können. Darüber hinaus kann auch andersartiges Material eingebracht werden. Beispielsweise sind Aramid-Kohlenstofffaser-Hybride im Stand der Technik bekannt und mit dem vorliegenden Verfahren realisierbar. Ebenso ist das Einlegen von Aufdickungen (z. B. Metalle oder Kunststoffe) erfindungsgemäß möglich und liefert ausreichend Material für Gewinde zur Befestigung an übergeordneten Trägerstrukturen. Die Integration anderer, zusätzlicher Funktionalitäten ist ebenso möglich.An additional variant, which is possible according to the invention, consists in the production of hybrid materials: In this case, the portions of the fiber layers obtained after removal of the polymer matrix and the cutting can be combined with parts of another type to obtain the material characteristics corresponding to a target application to influence. For example, the additional sections may be virgin material to improve specific rigidity; Furthermore, the addition of waste residues is conceivable to provide a value-added and resource-saving recovery for this. In addition, other types of material can be introduced. For example, aramid carbon fiber hybrids are well known in the art and are feasible with the present method. Likewise, the insertion of thickenings (eg metals or plastics) is possible according to the invention and provides sufficient material for threads for attachment to superordinate support structures. The integration of other, additional functionalities is also possible.

Alle vorstehend geschilderten Variationen des Verfahrens lassen sich leicht beliebig miteinander kombinieren.All the above-described variations of the method can be easily combined with each other.

Die Ablage der einzelnen Teilstücke zur Bildung eines neuen Bauteils (5) erfolgt beispielsweise mittels des vorstehend geschilderten FPP-Kopfes oder mit Hilfe vergleichbarer Methoden bis ein endkonturnaher Faservorformling entsprechender Laminatstärke erzeugt ist (12).The storage of the individual parts to form a new component ( 5 ) is effected, for example, by means of the above-described FPP head or with the aid of comparable methods until a near-net shape fiber preform of corresponding laminate thickness is produced ( 12 ).

Nachdem die Ablage der notwendigen Patches erfolgt ist, findet eine Infiltration des Bauteils statt. Dieser Schritt ist in 4 gezeigt (6). Verfahren zur Infiltration bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile sind einen Fachmann gut bekannt. Ein Beispiel eines geeigneten Infiltrationsverfahrens ist Liquid Composite Molding (LCM). Bei diesem Verfahren wird die Faserstruktur in ein Werkzeug (z. B. ein oberes und ein unteres Werkzeug) eingelegt, und ein Harz wird in die Faserstruktur injiziert, gegebenenfalls unter Verwendung von erhöhtem oder erniedrigtem Druck. Anschließend wird das Harz gehärtet, beispielsweise thermisch. Varianten dieses Verfahrens sind beispielsweise Resin Transfer Molding (RTM), Vakuum unterstütztes RTM (VARTM) oder Vakuum unterstützte Harzinfusion (VARI). Beim RTM-Verfahren wird Harz in die faserverstärkungen injiziert, um die Preform zu benetzen, und anschließen wird das Bauteil ausgehärtet, beispielsweise durch thermische Aushärtung oder ein anderes geeignetes Aushärtungsverfahren. Beim Injizieren des Harzes kann zusätzlich Vakuum angelegt werden, um die Füllung der Form zu optimieren (VARTM). Das VARI-Verfahren ist eine Abwandlung des VARTM-Verfahrens, in welchen ein flexibler Vakuumsack als oberes Werkzeug verwendet wird. Die Verstärkungsfasern werden dabei auf das untere Werkzeug gelegt. Der Aufbau wird mit einer flexiblen Vakuumfolie abgedichtet und Vakuum angelegt. Dabei fließt Harz über die Fasern und infiltriert diese. Eine anschließende Aushärtung kann wie im Stand der Technik üblich durchgeführt werden, beispielsweise thermisch bei etwa 180°C, abhängig vom Aufbau und vom verwendeten Harzsystem.After the filing of the necessary patches has taken place, an infiltration of the component takes place. This step is in 4 shown ( 6 ). Methods of infiltration in the manufacture of fiber reinforced plastic parts are well known to a person skilled in the art. An example of a suitable infiltration process is Liquid Composite Molding (LCM). In this method, the fibrous structure is placed in a tool (e.g., upper and lower dies) and a resin is injected into the fibrous structure, optionally using elevated or reduced pressure. Subsequently, the resin is cured, for example thermally. Variants of this method are for example Resin Transfer Molding (RTM), Vacuum Assisted RTM (VARTM) or Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI). In the RTM process, resin is injected into the fiber reinforcements to wet the preform, and then the part is cured, for example by thermal curing or another suitable curing process. When injecting the resin, additional vacuum can be applied to optimize the filling of the mold (VARTM). The VARI method is a modification of the VARTM method in which a flexible vacuum bag is used as the upper tool. The reinforcing fibers are placed on the lower tool. The assembly is sealed with a flexible vacuum film and vacuum applied. The resin flows over the fibers and infiltrates them. A subsequent curing can be carried out as usual in the prior art, for example thermally at about 180 ° C, depending on the structure and the resin system used.

Anschließen wird das gebildete Kunststoffteil (13) aus dem Werkzeug entnommen (Entformen). Die weitere Nachbearbeitung und Systemintegration des fertigen Bauteils erfolgen wie im Stand der Technik üblich.The plastic part formed ( 13 ) removed from the tool (demolding). The further post-processing and system integration of the finished component take place as usual in the prior art.

Auf die vorstehend beschriebene Weise kann ein Kunststoffteil hergestellt werden, welches einerseits auf recyceltem Fasermaterial basiert und andererseits die Vorteile von faserverstärktem Kunststoff nach wie vor realisieren kann. Es findet also ein echtes Recycling statt im Gegensatz zum Downcycling, welches bislang im Stand der Technik üblich ist.In the manner described above, a plastic part can be produced, which on the one hand based on recycled fiber material and on the other hand can still realize the advantages of fiber-reinforced plastic as before. So there is a real recycling instead of in contrast to downcycling, which is customary in the prior art.

Insbesondere bewirkt das dargestellte Verfahren, dass im Recyclingprozess von faserverstärkten Strukturen, wie etwa mit Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff, keine Verkürzung der Filamente unter die beschriebe Mindestgröße der Teilstücke und keine Faservereinzelung erfolgt. Auf diese Weise bleibt der der eigentliche und ursprüngliche Zweck der Verstärkungsfasern erhalten. Die Fasern, z. B. Kohlenstofffasern, werden üblicherweise unter hohem technischem Aufwand und unter hohem Energieverbrauch hergestellt, und können gemäß der vorliegenden Erfindung beim Recyceln erhalten bleiben.In particular, the illustrated method causes in the recycling process of fiber reinforced structures, such as with carbon fiber reinforced plastic, no shortening of the filaments below the described minimum size of the cuts and no fiber separation takes place. In this way, the actual and original purpose of the reinforcing fibers remains intact. The fibers, z. As carbon fibers, are usually produced with high technical complexity and high energy consumption, and can be obtained according to the present invention during recycling.

Die spezifische Festigkeit und Steifigkeit des gemäß der Erfindung gewonnenen Fasermaterials qualifiziert dieses als potentialträchtige Verstärkungsstruktur von Kunststoffen. Die so herstellbaren Verbundwerkstoffe sind folglich gut für Werkstoffleichtbau-Anwendungen geeignet. Der Zugewinn in der Zielapplikation (Treibstoffeinsparung durch geringeres Strukturgewicht im Flugzeug- oder Automobilbau, schnellere Beschleunigung durch geringeres Trägheitsmoment etc.) rechtfertigt in vielen unterschiedlichen Bereichen den Einsatz dieser aufwändigen Rohstoffe und kann auch eine positive ökologische Bilanz gegenüber anderen Werkstoffen erzielen. Dieser Einsatz in hochwertigen Anwendungen, also in solchen, die in hohem Maße die Eigenschaften der Kohlenstofffasern ausnutzen, setzt voraus, dass eine Fasermindestlänge gegeben ist und eine Faserorientierung einstellbar ist. Mit dem neuen, dargestellten Verfahren besitzen auch Recycling-Fasern im Gegensatz zum Stand der Technik das Potential, in solchen hochwertigen Anwendungen zum Einsatz zu kommen. Die Recyclingfasern gemäß dem Stand der Technik sind hingegen auf neue Anwendungen angewiesen, die Großteils noch gar nicht identifiziert werden konnten und auch keine nennenswerten Absatzmärkte zu sehen sind und das Faserpotential nur sehr begrenzt ausnutzen.The specific strength and rigidity of the fiber material obtained according to the invention qualifies this as a potential-intensive reinforcing structure of plastics. The resulting composites are thus well suited for lightweight material applications. The gain in the target application (fuel savings through lower structural weight in aircraft or automotive, faster acceleration through lower moment of inertia, etc.) justifies the use of these complex raw materials in many different areas and can also achieve a positive ecological balance compared to other materials. This use in high-quality applications, ie in those which exploit the properties of the carbon fibers to a great extent, requires that a minimum fiber length is given and a fiber orientation is adjustable. In contrast to the prior art, recycled fibers also have the potential to be used in such high-quality applications with the new process shown. The recycled fibers according to the prior art, however, rely on new applications, the majority could not even be identified and no significant sales markets are seen and exploit the fiber potential only very limited.

Claims (9)

Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, umfassend die Schritte: (a) Auflösen der Polymermatrix eines faserverstärkten Kunststoffteils, (b) Zerkleinern der Faserstruktur des Kunststoffteils zu Teilstücken einer Kantenlänge in einer Größenordnung von 1 cm bis 20 cm, (c) Einscannen eines jeden Teilstücks und Auswerten hinsichtlich gewählter Kennwerte, (d) Ablegen der einzelnen Teilstücke nach einer geeigneten Ablagestrategie, zum Formen eines neuen Kunststoffteils, und (e) Infiltrieren des neuen Kunststoffteils.A process for recycling fiber reinforced plastics, comprising the steps of: (a) dissolving the polymer matrix of a fiber-reinforced plastic part, (b) comminuting the fiber structure of the plastic part into sections of an edge length of the order of 1 cm to 20 cm, (c) scanning each section and evaluating for selected characteristics, (d) depositing the individual parts according to a suitable storage strategy, for molding a new plastic part, and (e) infiltrating the new plastic part. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Auflösen der Polymermatrix thermisch mittels Pyrolyse oder chemisch mittels Solvolyse, Hydrolyse oder mit Hilfe von überkritischen Fluiden erfolgt, vorzugsweise mittels Pyrolyse erfolgt.A method according to claim 1, wherein the dissolution of the polymer matrix takes place thermally by means of pyrolysis or chemically by solvolysis, hydrolysis or by means of supercritical fluids, preferably by means of pyrolysis. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das faserverstärkte Kunststoffteil mit Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, oder Plexiglas-Fasern verstärkt ist, vorzugsweise mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt ist, stärker bevorzugt mit Kohlenstofffasern verstärkt ist.A method according to claim 1 or 2, wherein the fiber-reinforced plastic part is reinforced with basalt fibers, boron fibers, glass fibers, ceramic fibers, silica fibers, steel fibers, aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, or Plexiglas fibers, preferably reinforced with glass fibers or carbon fibers, more preferably reinforced with carbon fibers. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei die Polymermatrix des faserverstärkten Kunststoffteils ausgewählt ist aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethen (PTFE), Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Melaminharz (MF/MP), Harnstoffharz (UF), Gummi und Polyurethan (PUR).A method according to any one of claims 1-3, wherein the polymer matrix of the fiber reinforced plastic part is selected from polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulphide (PPS), polysulphone (PSU), polyetherimide (PEI), polytetrafluoroethene (PTFE), epoxy resin (EP), unsaturated polyester resin (UP), vinyl ester resin (VE), phenol-formaldehyde resin (PF), diallyl phthalate resin (DAP), methacrylate resin (MMA), polyurethane (PUR), melamine resin (MF / MP), urea resin (UF), rubber and polyurethane (PUR). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–4, wobei in Schritt (b) die Faserstruktur des Kunststoffteils zu Teilstücken einer Kantenlänge von 2 cm bis 10 cm, vorzugsweise zu Teilstücken einer Fläche von 2 × 2 cm2 bis 10 × 10 cm2 zerkleinert wird.Method according to one of claims 1-4, wherein in step (b) the fiber structure of the plastic part is comminuted into sections of an edge length of 2 cm to 10 cm, preferably into sections of an area of 2 × 2 cm 2 to 10 × 10 cm 2 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–5, wobei in Schritt (c) die gewählten Kennwerte ausgewählt werden aus Faserorientierung, Faserondulationen, Faserlänge, Flächengewicht und geometrischer Struktur.A method according to any one of claims 1-5, wherein in step (c) said selected characteristics are selected from fiber orientation, fiber dulness, fiber length, basis weight and geometric structure. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ablegen unter Berücksichtigung der Kennwerte erfolgt.A method according to claim 6, wherein the deposition takes place taking into account the characteristic values. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei das Einscannen mittels eines Lasers erfolgt.Method according to one of claims 1-7, wherein the scanning takes place by means of a laser. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–8, wobei Schritt (d) weiterhin umfasst Erstellen einer geeigneten Ablagestrategie, vorzugsweise mittels Rechner gestützter Methoden.A method according to any one of claims 1-8, wherein step (d) further comprises establishing a suitable filing strategy, preferably by computer-aided methods.
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