DE4112171A1 - Verfahren zur wiederaufbereitung eines faserverbundwerkstoffs aus thermoplastischem kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus thermoplastischem Kunststoff und mit Verstärkungseinlagen bestehend aus Synthesefasern eines thermoplastischen Kunststoffs mit gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Struktur.

Zur Herstellung insbesondere auch technischer Bauteile werden heute zunehmend faserverstärkte Thermoplaste eingesetzt, wobei durch Einlagerung von Fasern aus sortenfremden Werkstoffen in den Matrix-Werkstoff zum Teil wesentlich verbesserte Festigkeitseigenschaften erzielt werden können. Mit der US-PS 45 01 856 ist außerdem bereits die Möglichkeit angesprochen worden, thermoplastische Kunststoffe durch Einlagerung von Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff mit zumindest sehr ähnlicher Struktur zu verbessern. Synthesefasern sind durch ihren Herstellvorgang (beispielsweise Spinn- und Verstreckvorgang) hochorientiert und weisen dadurch gegenüber dem Matrix-Werkstoff deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften auf, mit denen sich aufgrund der Kompatibilität mit dem Matrix-Werkstoff die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs günstig beeinflussen lassen. Unter thermoplastischen Kunststoffen mit gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Struktur sind dabei Kunststoffe zu verstehen, welche der gleichen Kunststoff-Familie angehören; in dem hier interessierenden Zusammenhang sollten der Matrix-Werkstoff und der Synthesefaser-Kunststoff so beschaffen sein, daß nach der Wiederaufbereitung kein irgendwie gemischter Aufbereitungswerkstoff, sondern ein sortenreiner Kunststoff vorliegt, welcher erneut zumindest als Matrix-Werkstoff eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Wiederaufbereitungsverfahren anzugeben, mit dem sich Faserverbundwerkstoffe der eingangs erwähnten Art (eigenfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe) für den erneuten Einsatz - zumindest als Matrix-Werkstoff - zurückgewinnen lassen.

Die Erfindung baut dabei auf der bereits erwähnten Erkenntnis auf, daß die Moleküle in Synthesefasern aufgrund des Herstellungsverfahrens einen erhöhten Ordnungszustand aufweisen; diese Ausbildung hat zur Folge, daß der Temperaturbereich, in dem die Synthesefasern auf schmelzen, zumindest zum Teil höher liegt als der Schmelztemperaturbereich des Matrix-Werkstoffs. Abhängig von der Art des thermoplastischen Kunststoffs ergeben sich für den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern Schmelztemperaturbereiche, die voneinander getrennt liegen (vgl. die US-PS 45 01 856) oder sich nur teilweise überlappen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Ausgehend davon, daß die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche, wird der Faserverbundwerkstoff in zerkleinertem Zustand derart unter Wärmezufuhr behandelt, daß der entstehende Aufbereitungswerkstoff erneut einer Formgebung unterworfen werden kann und hinsichtlich seiner wesentlichen Festigkeitseigenschaften dem Matrix-Werkstoff vor der Wiederaufbereitung zumindest ähnlich ist: Der Elastizitätsmodul, die Schlagzähigkeit sowie die Zugfestigkeit des Aufbereitungswerkstoffs sollten größenmäßig jeweils zumindest 50% des betreffenden Wertes des Matrix-Werkstoffs vor der Wiederaufbereitung erreichen.

Bei den hier angesprochenen, den Faserverbundwerkstoff bildenden thermoplastischen Kunststoffen handelt es sich neben Polyolefinen (PE bzw. PP) insbesondere um Polyester (PET bzw. PBT bzw. Pc), Polyamide (Polyamid 6, Polyamid 6.6, Polyamid 6.10 bzw. Polyamid 12), Polyacryl und Polystyrol.

Grundsätzlich sollte die Verfahrensführung, insbesondere die Temperaturführung, über den in Frage kommenden Zeitraum so gewählt werden, daß der Matrix- Werkstoff möglichst wenig abbaut, d. h. im Hinblick auf seine Eigenschaften nach der Zerkleinerung möglichst wenig verändert wird. Dies läßt sich vor allem dadurch erreichen, daß die Aufbereitungstemperatur - unter Berücksichtigung sonstiger für die Verfahrensführung wesentlicher Gesichtspunkte - möglichst niedrig oder zumindest über die Zeitdauer des Schmelzvorgangs im Durchschnitt möglichst niedrig gewählt wird.

Bei der Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit Schmelzbereichen für den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern, deren Temperaturbereiche sich teilweise überlappen, sind grundsätzlich zwei Vorgehensweisen möglich: Zum einen kann die Aufbereitungstemperatur in der Weise eingestellt werden, daß allenfalls die obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs erreicht wird, jedoch zumindest die untere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern (Anspruch 2). Dies hat zur Folge, daß neben dem Matrix-Werkstoff auch die Synthesefasern aufgeschmolzen werden: Dabei kann ein Aufbereitungswerkstoff entstehen, welcher bessere mechanische Eigenschaften aufweist als der Matrix-Werkstoff vor der Aufbereitung oder als ein verhältnismäßig wenig verstärkter Faserverbundwerkstoff. Zum anderen kann das Verfahren bei einer Aufbereitungstemperatur ablaufen, die im Höchstfall knapp unterhalb der unteren Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern liegt (Anspruch 3). Auf diese Weise können die Synthesefasern zumindest annähernd in dem Zustand erhalten werden, der nach Beendigung lediglich des Zerkleinerungsvorgangs vorgelegen hat.

Bei der Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit Schmelzbereichen, deren Temperaturbereiche voneinander getrennt liegen, läuft das Verfahren unter Aufrechterhaltung einer Aufbereitungstemperatur ab, bei welcher allenfalls die obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs erreicht wird (Anspruch 4). Dies hat zur Folge, daß die nach der Zerkleinerung des Faserverbundwerkstoffs vorliegenden Faserfragmente - abhängig von den sonstigen Verfahrensbedingungen - im wesentlichen erhalten bleiben. Die Eigenschaften des Aufbereitungswerkstoffs lassen sich erforderlichenfalls dadurch günstig beeinflussen, daß spätestens während des Schmelzvorgangs des Matrix-Werkstoffs neuwertiges Zusatzmaterial bestehend aus dem Matrix-Werkstoff beigemischt wird (Anspruch 5). Statt dessen oder zusätzlich können auch - spätestens im noch geschmolzenen Zustand - neuwertige Synthesefasern beigemischt werden, deren Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich und deren Länge größer ist als diejenige der Verstärkungseinlagen des zerkleinerten Faserverbundwerkstoffs (Anspruch 6).

Das Aufbereitungsverfahren kann unter Verwendung einer Aufschmelz- und Homogenisiereinrichtung, insbesondere in Gestalt eines Zweischneckenkneters, ausgeführt werden. Die Beimischung neuwertiger Synthesefasern erfolgt mittels einer Zuführeinrichtung, insbesondere in Gestalt einer Beschickungsschnecke. Neuwertiger Matrix-Werkstoff wird zweckmäßig unmittelbar in den Eintrittsbereich der Aufschmelz- und Homogenisiereinrichtung eingeleitet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 als Schemabild über der Temperatur aufgetragen das Schmelzverhalten eines Faserverbundwerkstoffs für den Fall, daß der Schmelzbereich des Matrix-Werkstoffs vollständig unterhalb des Schmelzbereichs der Synthesefasern liegt,

Fig. 2 als Schemabild das Schmelzverhalten eines Faserverbundwerkstoffs für den Fall, daß die Schmelzbereiche des Matrix-Werkstoffs und der Synthesefasern sich teilweise überlappen,

Fig. 3 schematisch den Bereich der einzustellenden Aufbereitungstemperatur für den Fall, daß der Faserverbundwerkstoff gemäß Fig. 1 bei Erhaltung seiner Faserstruktur aufbereitet wird,

Fig. 4a schematisiert den Bereich der Aufbereitungstemperatur für den Fall, daß der Faserverbundwerkstoff gemäß Fig. 2 bei Erhaltung seiner Faserstruktur wiederaufbereitet wird,

Fig. 4b schematisiert den Bereich der Aufbereitungstemperatur für den Fall, daß der Faserverbundwerkstoff gemäß Fig. 2 unter Veränderung bzw. Verlust seiner Faserstruktur wiederaufbereitet wird, und

Fig. 5 in Form eines Fließschemas den Aufbau und Ablauf des Wiederaufbereitungsverfahrens.

Dem Grundgedanken der Erfindung folgend bezieht sich die Zeichnung auf Faserverbundwerkstoffe, deren Matrix und Verstärkungseinlagen in Form von Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff mit gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Struktur bestehen. Es handelt sich dabei um thermoplastische Kunststoffe derselben Familie bzw. um thermoplastische Kunststoffe, die einander derart ähnlich sind, daß sie nach der Wiederaufbereitung (RECYCLING) miteinander einen sortenreinen Aufbereitungswerkstoff bilden.

Die Fig. 1 und 3 beziehen sich auf einen Faserverbundwerkstoff, dessen Matrix-Werkstoff und Synthesefasern vollständig voneinander getrennte Schmelzbereiche SM (Schmelzbereich Matrix-Werkstoff) bzw. SF (Schmelzbereich Synthesefasern) aufweisen. Die untere und obere Temperaturgrenze der beiden Schmelzbereiche ist mit TMu, TFu bzw. TMo, TFo bezeichnet. Die untere Temperaturgrenze TFu des Schmelzbereichs SF der Synthesefasern liegt dabei mit Abstand oberhalb der oberen Temperaturgrenze TMo des Schmelzbereichs SM des Matrix-Werkstoffs. Mit Rücksicht auf das erwähnte Schmelzverhalten des Faserverbundwerkstoffs gemäß Fig. 1 (vgl. dazu die US-PS 45 01 856) kann dieser - bei Erhaltung der Faserstruktur - in einem als Recyclingfenster Rf 1 bezeichneten Temperaturbereich wiederaufbereitet werden. Dieser liegt (wie Fig. 3 erkennen läßt) zwischen der unteren und oberen Temperaturgrenze TMu bzw. TMo (vgl. dazu Fig. 1).

Bei dem mit Fig. 2 angesprochenen Faserverbundwerkstoff aus thermoplastischem Kunststoff sind der Matrix-Werkstoff und die eingelagerten Synthesefasern derart beschaffen, daß sich ihre Schmelzbereiche SM und SF teilweise überlappen: Die obere Temperaturgrenze TMo des Matrix-Werkstoffs liegt dabei oberhalb der unteren Temperaturgrenze TFu der Synthesefasern. Ein Faserverbundwerkstoff der hier angesprochenen Art kann beispielsweise aus einer Polyäthylenmatrix (FELD) mit Polyäthylenfasern (PE-UHMW) bestehen; während erstere bereits bei Temperaturen zwischen 100° C und 130° C aufschmilzt, liegt der Schmelzbereich der zugehörigen Synthesefasern zwischen etwa 120° C bis 150° C. Falls also der Bereich für die Aufbereitungstemperatur - Recyclingfenster Rf 2 in Fig. 4a - derart eingestellt wird, daß die untere Temperaturgrenze TFu des Schmelzbereichs SF der Synthesefasern gerade nicht erreicht, d. h. knapp unterschritten wird, kann dieser Faserverbundwerkstoff bei Erhaltung einer Faserstruktur wiederaufbereitet werden. Im Falle der zuvor erwähnten konkreten Temperaturbereiche (100 bis 130° C bzw. 120 bis 150° C) wäre die Aufbereitungstemperatur danach auf einen Wert unterhalb von 120° C einzustellen. Diese Vorgehensweise hätte zur Folge, daß der Matrix-Werkstoff zwar aufschmelzen, zumindest jedoch anschmelzen und die Synthesefasern benetzen kann, diese jedoch nicht zerstört werden.

Falls für die Wiederaufbereitung des mit Fig. 2 angesprochenen Faserverbundwerkstoffs die Aufbereitungstemperatur in dem in Fig. 4b mit Rf 3 gekennzeichneten Bereich liegt, tritt auch ein Verlust an Faserstruktur auf, da die Synthesefasern zumindest teilweise aufschmelzen. Der Temperaturbereich Rf 3 wird dabei begrenzt durch die untere Temperaturgrenze TFu des Schmelzbereichs SF und die obere Temperaturgrenze TMo des Schmelzbereichs SM (vgl. dazu Fig. 2). Bei den zuvor erwähnten konkreten Temperaturbereichen (SM = 100/130° C; SF = 120/150° C) liegt das Recyclingfenster Rf 3 zwischen 130° C und 150° C.

Wie in Fig. 5 stark schematisiert dargestellt ist, wird der zu recyclierende Faserverbundwerkstoff 1 (in Gestalt eines konkreten Gegenstandes) zunächst in einer Mühle 2 hinreichend zerkleinert; die nach der Zerkleinerung vorliegende Partikelgröße ist an den sich anschließenden Aufschmelz- und Homogenisiervorgang angepaßt. Dieser wird mittels eines Zweischneckenkneters 3 ausgeführt, und zwar unter Zufuhr der (durch Pfeile 4 angedeuteten) Wärmeenergie, die für die Einstellung der gewünschten Aufbereitungstemperatur (vgl. dazu Fig. 3 und Fig. 4a, b) benötigt wird. Die Aufbereitungstemperatur und die Arbeitsweise des Zweischneckenkneters 3 sollten grundsätzlich so beschaffen sein, daß der Matrix-Werkstoff möglichst wenig abbaut, d. h. hinsichtlich seiner nach der Zerkleinerung vorliegenden mechanischen Eigenschaften keine Veränderung erfährt; dies läßt sich insbesondere dadurch verwirklichen, daß die Aufbereitungstemperatur - unter Berücksichtigung sonstiger Gesichtspunkte - möglichst niedrig gehalten wird. Der Aufschmelz- und Homogenisiervorgang läuft im übrigen in der Weise ab, daß die Synthesefasern ihre nach der Zerkleinerung vorliegende Ausgangslänge zumindest annähernd beibehalten. Der nach Abschluß der Wärmebehandlung vorliegende Aufbereitungswerkstoff 5 ist mit Rücksicht auf die Gleichartigkeit des den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern bildenden thermoplastischen Kunststoffs sortenrein und hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften dem Matrix-Werkstoff des zu recyclierenden Faserverbundwerkstoffs zumindest ähnlich. Mit anderen Worten ausgedrückt soll der Aufbereitungswerkstoff (Recyclatwerkstoff) so beschaffen sein, daß er ggf. erneut wie ein Neuwerkstoff eingesetzt werden kann, ggf. also auch als Matrix-Werkstoff. Mit Rücksicht auf industrielle Einsatzmöglichkeiten sollte das Wiederaufbereitungsverfahren in der Weise ausgestaltet sein, daß der Elastizitätsmodul, die Schlagzähigkeit und die Zugfestigkeit des Aufbereitungswerkstoffs größenmäßig jeweils zumindest 50% der betreffenden Werte des den Faserverbundwerkstoff mitbildenden Matrix-Werkstoffs allein erreichen.

Die Eigenschaften des Aufbereitungswerkstoffs 5 lassen sich ggf. dadurch günstig beeinflussen, daß dem zerkleinerten Faserverbundwerkstoff spätestens während des Schmelzvorgangs neuwertiger Matrix-Werkstoff 6 beigemischt wird. Zusätzlich dazu oder statt dessen können in den Zweischneckenkneter 3 über eine Beschickungsschnecke 7 auch neuwertige Synthesefasern 8 aus einem zumindest sehr ähnlichen thermoplastischen Kunststoff eingebracht werden; falls deren Länge größer ist als diejenige der Synthesefasern des zu recyclierenden Faserverbundwerkstoffs nach der Zerkleinerung, läßt sich dadurch die im Aufbereitungswerkstoff vorhandene durchschnittliche oder mittlere Faserlänge in Richtung auf ein verbessertes Festigkeitsverhalten verändern. Das zuvor beschriebene Einbringen neuwertigen Matrix-Werkstoffes und/oder neuwertiger Synthesefasern in den noch geschmolzenen Faserverbundwerkstoff kann insbesondere in den Fällen in Frage kommen, in denen Faserverbundwerkstoffe mit voneinander getrennten Schmelzbereichen SM und SF wiederaufzubereiten sind (vgl. dazu Fig. 1).

Claims (6)

1. Verfahren zur Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus thermoplastischem Kunststoff und mit Verstärkungseinlagen bestehend aus Synthesefasern eines thermoplastischen Kunststoffs mit gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Struktur, wobei die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche und wobei der Faserverbundwerkstoff nach Zerkleinerung derart unter Wärmezufuhr behandelt wird, daß der entstehende Aufbereitungswerkstoff erneut einer Formgebung unterworfen werden kann und sein Elastizitätsmodul, seine Schlagzähigkeit sowie seine Zugfestigkeit größenmäßig jeweils zumindest 50% des betreffenden Wertes des Matrix-Werkstoffs vor der Wiederaufbereitung erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit Schmelzbereichen, deren Temperaturbereiche sich teilweise überlappen, gekennzeichnet durch eine Einstellung der Aufbereitungstemperatur, bei der allenfalls die obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs erreicht wird, jedoch zumindest die untere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit Schmelzbereichen, deren Temperaturbereiche sich teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungstemperatur auf einen Wert allenfalls knapp unterhalb der unteren Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Wiederaufbereitung eines Faserverbundwerkstoffs mit Schmelzbereichen, deren Temperaturbereiche voneinander getrennt liegen, gekennzeichnet durch eine Einstellung der Aufbereitungstemperatur, bei welcher allenfalls die obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Faserverbundwerkstoff spätestens während des Schmelzvorgangs neuwertiges Zusatzmaterial bestehend aus dem Matrix-Werkstoff beigemischt wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Faserverbundwerkstoff spätestens in noch geschmolzenem Zustand neuwertige Synthesefasern beigemischt werden, deren Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich und deren Länge größer ist als diejenigen der Verstärkungseinlagen des zerkleinerten Faserverbundwerkstoffs.