DE19540366A1 - Verfahren zum Recycling von Kunststoffteppichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recycling von Kunststoffteppichen bzw. gleichartigem Abfall durch Umschmelzen. Durch das Verfahren wird aus dem Tep­ pichabfall ein Sekundärkunststoff erzeugt, der in seinen Eigenschaften deutlich verbessert ist gegenüber den Eigenschaften, die man bei Aufbereitung mit einem Verfahren erhält, das die besonderen Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht besitzt. Das erfundene Verfahren ist bevorzugt geeignet für thermoplastreiche Teppicharten, wie man sie häufig für die Automobilinnenausstattung, aber auch im Gebäudebereich, verwendet.

Kunststoffteppiche werden in Gebäuden als Bodenbeläge und in Automobilen als Verkleidungsteile, meist als Formteile, eingesetzt. Teppichabfälle fallen nicht nur nach dem Gebrauch als sog. Altteppiche, sondern aus verfahrenstechnischen Gründen auch bei der Produktion von Teppichen in Form von Randstreifen, Formteilrandabschnitten und Fehlproduktionen an. Die gesamte Abfallmenge ist erheblich - mehrere hunderttausend Tonnen pro Jahr in Deutschland.

Die Zusammensetzung der Teppichabfälle wird vorrangig durch die Konstruktion und die Werkstoffzusammensetzung der Teppichprodukte bestimmt. Bei Altteppi­ chen kommen weitere Stoffe durch die Verschmutzung hinzu. Die Konstruktion der Kunststoffteppiche geht mit dem Herstellungsverfahren einher. Die marktbe­ deutenden Teppiche werden heute industriell nach 2 Verfahren hergestellt: dem Tufting- und dem Nadelvliesverfahren.

Bei Tuftingteppichen wird die textile Oberschicht, die Nutzschicht, durch Polgarne gebildet, die in ein Trägergewebe bzw. -vlies schlingenförmig zu sog. Polnoppen eingearbeitet und auf der Unterseite des Trägers mit einer Binderschicht fixiert werden. Der vorwiegende Polwerkstoff ist Polyamid (PA). Seltener werden Poly­ propylen (PP), Polyester (PET), Polyacrylnitril (PAN) und Wolle eingesetzt. Das Trägermaterial besteht üblicherweise aus PP-Bändchengewebe oder aus einem Spinnvlies aus PET-Fasern. Für die Binderschicht wird meist ein carboxylgrup­ penhaltiger Styrol-Butadien-Kautschuk bzw. -Latex (XSBR), häufig gefüllt mit Kreide, verwendet. In manchen Fällen kommt ein Acrylat-Kautschuk/-Latex (ACM) oder ataktisches Polypropylen (aPP) zum Einsatz.

Die Nutzschicht der Nadelvliesteppiche besteht aus Fasern endlicher Länge (i.a. 40-90 mm lang) die zu einem Flor ausgebreitet, mechanisch verfilzt und in einer Binderschicht unterseitig eingebettet und fixiert sind. Es kommen PP- und PET- Fasern und seltener PA-Fasern zum Einsatz. Häufig werden auch Fasern unter­ schiedlicher Werkstoffe gemischt eingesetzt, so z. B. Mischungen aus PP- und PET- Fasern bei Automobil-Verkleidungsteilen. Die Binderschicht besteht i.d.R. aus XSBR, manchmal mit Kreide gefüllt. Seltener wird ACM als Binder verwendet.

In den meisten Fällen werden sowohl die Tufting- wie auch die Nadelvlies-Nutz­ schicht mit einer oder mehreren Unterschichten versehen. So werden Bodenbeläge überwiegend mit einem Schaum aus Styrol-Butadien-Kautschuk bzw. -Latex (SBR-Schaum) beschichtet. Seltener sind Rückenschäume aus Naturlatex, Polyure­ than (PUR) und Polyvinylchlorid (PVC). Tuftingbeläge können alternativ mit einem textilen Zweitrücken, ein Gewebe oder Vlies, meist aus PP, ausgestattet sein. Auto­ mobil-Verkleidungsteile, die besonders formstabil sein sollen, erhalten eine Ther­ moplastbeschichtung aus PP oder Polyethylen (PE), die häufig mit einem Vlies aus PET oder PP bedeckt ist. Zusätzliche schalldämmende Eigenschaften können durch sog. Masse/Feder-Konstruktionen erreicht werden. Als ruhende Masse dient eine Schwerschicht aus schwerspatgefülltem Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM) und/oder Ethylen-Vinylacetat-Copoylmer (EVA). Die Funktion der Feder kann ein voluminöses Baumwoll-Wirrfaservlies oder ein PUR-Schaum übernehmen.

Altteppiche können außer den genannten Konstruktions-Werkstoffen Schmutz­ stoffe, wie z. B. Sand, Erde, oder auch Klebstoff- und Estrichreste bei ehemals ver­ klebten Bodenbelägen, enthalten.

Das Recycling der Teppichabfälle ist aufgrund der beschriebenen, inhomogenen und vielfältigen Zusammensetzung schwierig. Bei vielen Verfahren werden nur Anteile der Teppichabfälle verwertet, so bei der energetischen Verwertung, d. h. Verbrennung, wo nur die Kunststoffasern und organischen Bestandteile des Tep­ pichbinders und der -beschichtung einen Heizwert liefern und die Füllstoffe als Schlackerückstand anfallen. Auch bei der Hydrolyse, ein von der BASF in den USA angewandtes rohstoffliches Verfahren für PA-6-Tuftingteppiche, werden nur die Fasern durch Rückumwandlung des PA 6 in seine Grundbausteine, das Caprolac­ tam, verwertet. Ebenso verhält es sich bei den in der Textilbranche bekannten Reißverfahren, da auch sie nur zur Rückgewinnung und zum Wiedereinsatz der Fasern dienen.

Neben dem Reißverfahren gibt es noch eine Reihe anderer Möglichkeiten der werkstofflichen Verwertung von Teppichabfällen, d. h. der Verwertung durch Um­ formen und/oder Umschmelzen, ohne dabei die jeweilige Werkstoffstruktur aufzu­ lösen. Das Umschmelzen eignet sich v.a. für thermoplastreiche Teppichabfälle. Bei anderen Teppichabfällen sollten zuvor die nichtthermoplastischen Bestandteile, wie z. B. der SBR- oder PUR-Schaum entfernt werden.

Beim Umschmelzen der betreffenden Kunststoffteppichabfälle besteht allerdings das Problem, daß die verschiedenen in den Teppichverbundsystemen enthaltenen Thermoplaste nicht miteinander verträglich sind. Es tritt dadurch ein Mehrphasen­ system auf, bei dem die einzelnen Komponenten das bestreben haben, möglichst große zusammenhängende Phasen (Bereiche gleicher Polymerart) zu bilden, so daß der Grad der Durchmischung bzw. Durchdringung der Komponenten nur gering ist. Materialien mit einer derartigen Morphologie (inneren Werkstoffstruktur) sind deshalb i.d.R. relativ spröde. Herrscht zwischen den Phasen zusätzlich noch un­ zureichende Haftung, was bei unverträglichen Mischungen meist der Fall ist, sind darüberhinaus auch die Festigkeit und Schlagzähigkeit nur gering.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe die beschriebenen Nachteile beim Umschmelzen der Teppich- Kunststoffmischungen kompensiert und die spezifischen Eigenschaften der ver­ schiedenen Mischungskomponenten synergetisch ausgenutzt werden können, so daß Sekundärkunststoffe mit deutlich verbesserten Werkstoffeigenschaften entstehen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren, das durch 2 Erfindungs­ merkmale gekennzeichnet ist. 1. Erfindungsmerkmal: Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß die verschiedenen Thermoplaste des Teppichverbund­ systems stark unterschiedliche Schmelz- bzw. Erweichungstemperaturen besitzen. PE schmilzt im Bereich von 140-150°C, PP bei etwa 165°C, PA im Bereich von 230-260°C, je nach spezieller PA-Sorte, und PET erst oberhalb von 250°C. Bei dem Verfahren ist nun erfindungsgemäß die Umschmelztemperatur nach oben begrenzt - die Grenze liegt bei etwa 200°C. Dadurch bleiben die PA - und PET-Fasern in ihrer Struktur, d. h. in Faserform, weitgehend erhalten, da sie nicht schmelzen. In der Folge lassen sich die günstigen mechanischen Eigenschaften der PA- und PET- Fasern, wie hohe Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit ausnutzen. Dazu muß allerdings die Voraussetzung erfüllt sein, daß zwischen der Matrix, also den aufgeschmolzenen Komponenten, wie PE und PP, und den eingebetteten Fasern eine gute Haftung besteht. Die durch Bauteilbelastungen hervorgerufenen Span­ nungen bzw. Kräfte können dann von der Matrix auf die Fasern übertragen und von diesen aufgenommen werden. Die Erfüllung dieser Voraussetzung ist das 2. Erfindungsmerkmal des Verfahrens, denn es ist bekannt, daß Polyolefine - dazu zählen PE und PP - unpolar sind und deshalb normalerweise schlecht an anderen Stoffen, so auch an PA und PET, haften. Bei dem Verfahren wird die gute Haftung durch eine chemische Modifizierung der polyolefinischen Matrix erreicht und zwar dadurch, daß mit Hilfe spezieller reaktiver Substanzen auf die polyolefinischen Makromoleküle der Matrix Carbonsäuren, wie Acrylsäure oder Maleinsäurean­ hydrid, gepfropft werden. Da die Carbonsäuren gleichzeitig in der Lage sind, auch mit bestimmten Gruppen der PA- bzw. PET-Moleküle chemische Reaktionen, also kovalente Bindungen, und/oder physikalische Wechselwirkungen, z. B. Wasserstoff­ brücken, einzugehen, kommen die gewünschten hohen Haftkräfte zwischen der Matrix und den Fasern zustande. Die reaktiven Substanzen wirken somit als Haft­ vermittler. Die nach oben begrenzte Umschmelztemperatur ( 200°C) ist auch für die chemische Modifizierung eine wichtige Voraussetzung, denn dadurch schmelzen, wie bereits erläutert, nur die polyolefinischen Mischungskomponenten (PE, PP), so daß die Pfropfungsreaktionen gezielt nur mit diesen stattfinden. Würden demgegen­ über bei hohen Verarbeitungstemperaturen auch die Faserkomponenten (PA, PET) aufschmelzen, könnte es zu nachteiligen Nebenreaktionen kommen.

Die Besonderheit des Verfahrens ist somit, daß mit dessen Hilfe aus den Kunst­ stoffteppichabfällen faserverstärkte Verbundkunststoffe erzeugt werden können. Die chemischen Modifizierungsreaktionen erhöhen dabei die Festigkeit der Sekun­ därkunststoffe deutlich. Allerdings kann damit eine Reduzierung der Dehnbarkeit verbunden sein. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken bzw. um die Dehnbarkeit und Zähigkeit allgemein zu steigern, ermöglicht das Verfahren weiterhin, daß Ela­ stomere, wie z. B. Styrol-Butadien-Styrol (SBS), beim Umschmelzen zugemischt werden können.

Die Ausführung des Umschmelzverfahrens erfordert mehrere Verfahrensschritte. Die Kunststoffteppichabfälle werden im ersten Schritt zu etwa Fünfmarkstück großen Schnitzeln zerkleinert. Dazu eignen sich spezielle Rotationsschneidmühlen, z. B. sog. Trogschneidmühlen. Bei Altteppichabfall sollte danach eine Reinigung stattfinden, um zumindest die festen Fremdstoffe, wie Sand, Erde etc. zu entfer­ nen. Aus energetischen und damit wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind trockene Reinigungsverfahren zu bevorzugen, die, ähnlich wie beim Teppichklopfen, die Fremdstoffpartikel aus dem Textilverbund herauslösen. Die mechanische Verfah­ renstechnik bietet dazu verschiedene Möglichkeiten, z. B. spezielle Hammermühlen.

Die 2. bzw. 3. Verfahrensstufe ist das Agglomerieren der Teppichschnitzel. Da­ durch wird ein granulatförmiges, gut riesel- und dosierfähiges Schüttgut erzeugt und die Schüttdichte des Teppichmaterials erhöht. Dieser Prozeß ist auch dadurch gekennzeichnet, daß er die Thermoplaste nur wenig belastet bzw. schädigt, sofern die Maschinenparameter richtig eingestellt sind. Die Kunststoffpartikel bzw. Fasern werden dann quasi nur angesintert - ein Vorteil, der es gleichzeitig ermöglicht, die PA- und PET-Fasern in ihrer Struktur, d. h. in Faserform, zu erhalten. Zum Agglo­ merieren existieren eine Reihe unterschiedlicher Maschinensysteme. Sehr gut geeignet sind solche, die nach dem Friktionsprinzip arbeiten.

Im nächsten Schritt folgt das Compoundieren. Die Teppichkunststoffmischungen werden hier mit Hilfe der zugegebenen reaktiven Substanzen (Haftvermittler) che­ misch modifiziert. Gleichzeitig können weitere eigenschaftsverbesserende Additive, wie die o.g. Elastomere, zugemischt und eingearbeitet werden. Für diese Verfahrens­ aufgaben verwendet man üblicherweise Zweischneckenextruder bzw-. -kneter. Das Agglomerat und die Additive werden diesem über spezielle Dosiergeräte zugegeben, wobei eine möglichst hohe Dosiergenauigkeit anzustreben ist. Diese Forderung begründet die Notwendigkeit des Agglomerierens als Vorstufe des Compoundierens. Um die Leistungsfähigkeit des Extruders voll auszunutzen, werden i.d.R. Granu­ late mit einer Schüttdichte zwischen 400 und 600 kg/m³ verwendet. Die Schütt­ dichte von Teppichschnitzeln (zerkleinerter, nicht agglomerierter Teppichabfall) liegt aber weiter unter diesen Werten. Die Alternative wäre das direkt Zuführen der Teppichschnitzel über Stopfvorrichtungen. Nachteil dieser Systeme ist jedoch der hohe tangentiale Druck auf die Extruderschnecken, der zu einer Verbiegung und im Extremfall zum Bruch der Wellen führen kann. Abgesehen davon sind die o.g. Dosieranforderungen mit diesem Konzept kaum einzuhalten.

Um die PA- bzw. PET-Fasern auch beim Compoundieren in ihrer Struktur, d. h. in Faserform zu erhalten, muß das Verfahrensteil und die Schneckengeometrie des Zweischneckenextruders entsprechend ausgelegt sein. Die Schneckengeometrie darf erfindungsgemäß keine Zonen mit großer Scherung enthalten, da sonst durch die hohe Friktion die PA- und PET-Fasern aufschmelzen würden. Knetelemente mit hoher Scherwirkung sind deshalb ungeeignet. Aus dem gleichen Grund darf auch die Temperatur des Schneckenzylinders 200°C nicht übersteigen. Gegen Ende des Verfahrensteils sollte eine Vakuumentgasung stattfinden, um die flüchtigen, nieder­ molekularen Substanzen, also auch die ungebundenen Reaktionsreste, zu entfernen. Das Verfahrensteil ist außerdem ausreichend lang zu dimensionieren, damit die Verweilzeiten für die Polymermassen im Verfahrensteil für die chemischen Reak­ tionen genügend lang sind.

Am Ende des Compoundierprozesses wird das abgekühlte Polymermaterial granu­ liert, so daß man ein in der Kornform und Schüttdichte gleichmäßiges Granulat bzw. Regranulat erhält. Dieses Regranulat stellt den verwertbaren Sekundär­ kunststoff dar. Zur Verwertung sind die üblichen Kunststoffverarbeitungsmethoden, wie Heißpressen, Extrusion, Kalandrieren, Spritzgießen etc., geeignet.

Das erfindungsgemäß gestaltete Verfahren besitzt gegenüber anderen Verfahren, die die Kunststoffmischungen vollständig aufschmelzen, den Unterschied, daß die Aufbereitung auf einem tieferen Temperaturniveau, d. h. bei rund 200°C, erfolgt. Wollte man demgegenüber die Teppichkunststoffmischung, wie allgemein üblich, vollständig aufschmelzen, müßte die Umschmelztemperatur mindestens 260°C be­ tragen. Aus diesem Unterschied resultieren mehrere Vorteile für das erfundene Verfahren. Diese sind:

• - Es entsteht ein Verbundwerkstoff, der die PA- bzw. PET-Komponente als Ver­ stärkungsfaser enthält.
• - Die Kunststoffe werden thermisch weniger stark geschädigt, was sich insbeson­ dere im Fall der Teppichbinder aus Styrol-Butadien-Kautschuk positiv auswirkt.
• - Die Gefahr des hydrolytischen Abbaus von PET ist auf ein Minimum reduziert. Die Teppichabfälle müssen somit auch nicht vorgetrocknet werden, was bei der Verarbeitung von PET (Verarbeitungstemperatur 260 - 280°C normalerweise erforderlich ist.
• - Die Avivagen auf den Teppichfasern führen bei einer Verarbeitungstemperatur kleiner gleich 200°C zu keiner nennenswerten Schädigung von PA bzw. PET. Bei einer Verarbeitungstemperatur im Bereich der Schmelztemperatur von PA bzw. PET ist das Gegenteil der Fall.
• - Die Kosten für die als Haftvermittler benötigten reaktiven Substanzen sind re­ lativ gering. Im Vergleich zu Verfahren, bei denen spezielle Copolymere als Verträglichmacher für vollständig aufgeschmolzene unverträgliche Kunststoff­ mischungen eingesetzt werden, können die Aufwendungen für die reaktiven Substanzen 10-mal geringer sein.

Anhand der folgenden beiden Ausführungs- bzw. Anwendungsbeispiele wird das erfundene Umschmelzverfahren weiter verdeutlicht.

Ausführungs- bzw. Anwendungsbeispiele

Im 1. Beispiel wurde das Verfahren auf Nadelvliesteppich-Produktionsabfall ange­ wendet. Gegenstand des 2. Beispiels sind Nadelvlies-Altteppiche aus Altautos. Mit beiden Abfallsorten wurden die erläuterten Verfahrensschritte durchgeführt.

Die Altteppiche bzw. die Schnitzel nach der Zerkleinerung wurden zur Trockenrei­ nigung mit einer speziellen Hammermühle behandelt. Dadurch konnte die partikel­ förmige Schmutzfracht (Sand, Erde etc.) von rund 33 Gew.-% auf 3 Gew.- % reduziert werden.

Die Agglomeration der beiden zerkleinerten und im Fall der Altteppiche vorgerei­ nigten Teppichabfallsorten erfolgte mit einer nach dem Friktionsprinzip arbeiten­ den Maschine. Die Betriebsparameter der Maschine wurden so eingestellt, daß die Agglomerate einerseits riesel- und dosierfähig waren und andererseits thermisch wenig belastet waren, damit die in den Mischungen enthaltenen PA- und/oder PET-Fasern in ihrer Struktur, d. h. als Fasern, erhalten blieben. So überstieg die Materialtemperatur in beiden Fällen den Wert von 200°C nicht.

Die durch eine chemische Analyse an den Agglomeraten ermittelte Zusammen­ setzung der beiden Abfallsorten ist:

Zum Compoundieren der beiden Abfall- bzw. Agglomeratsorten wurde ein Zwei­ schneckenextruder genutzt. Dieser Prozeßschritt erfolgte unter folgenden Einstellungen:

Schneckendurchmesser D: 25 mm
Schneckenlänge L/D: 38
Düse (Austrittsöffnung): 1 Rundloch, ⌀ 4 mm
Durchsatzleistung: 10 kg/h
Schneckendrehzahl: 400 min^-1
Temperatur Schneckenzylinder: 190°C

Die Schneckengeometrie und Verfahrensteilkonfiguration wurde speziell auf den Prozeß abgestimmt.

Zur chemischen Modifizierung der beiden Teppichkunststoffmischungen wurden reaktive Substanzen (Haftvermittler) mit einer Menge kleiner 5%, bezogen auf das Gewicht des Ausgangsmaterials, d. h. der Agglomerate, verwendet. Die Zugabe der reaktiven Substanzen erfolgte durch Trockenmischen mit dem Agglomerat vor der Eindosierung in den Einlauf des Zweischneckenextruders.

Zur Erhöhung der Dehnbarkeit der Recyclingmaterialien hat sich das Elastomer Styrol-Butadien-Styrol (SBS) bewährt. Das granulatförmige Copolymer wurde dem Compoundierprozeß separat über ein weiteres Dosiergerät zugeführt.

Die Regranulate wurden nach dem Stranggranulierverfahren erzeugt.

Zur Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Regranulate wurden spritzgegos­ sene Probekörper (Schulter- und Rechteckstäbe) sowie Formteile hergestellt. Auch bei diesem Prozeßschritt betrug die Verarbeitungstemperatur nicht mehr als 200°C.

Der Vergleich der Eigenschaften mit Regranulaten, die ohne die o.g. Additive er­ zeugt wurden, zeigte, daß durch den Einsatz der als Haftvermittler wirkenden reaktiven Substanzen die Festigkeit der Mischungen deutlich zunimmt und das verwendete Elastomer für eine gute Dehnbarkeit und Schlagzähigkeit sorgt. Die Festigkeit und Formgenauigkeit der mit Standardmaschinen spritzgegossenen, handelsüblichen Formteile erlaubten die direkte Herstellung von marktfähigen Produkten, ohne Modifikation der ursprünglich für PP- bzw. ABS-Neuware ausge­ legten Spritzgießformen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Recycling von Kunststoffteppichen bzw. gleichartigem Abfall, der bei der Teppichproduktion als sog. Produktionsabfall und nach dem Teppich­ gebrauch als sog. Altteppichabfall entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Teppichabfall durch Umschmelzen unter Zugabe von als Haftvermittler wirkenden, spezieller reaktiver Substanzen zu einem Sekundärkunststoff mit Faserverbundstruktur aufbereitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Umschmelz- bzw. Aufbereitungstemperatur während des gesamten Prozesses bzw. bei jedem Prozeßschritt einen bestimmten Grenzwert, der etwa 200°C beträgt, nicht übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zugabe der als Haftvermittler wirkenden reaktiven Substanzen die aufgeschmolzenen Komponenten chemisch modifiziert werden, wodurch die für die Festigkeit des Verbundwerkstoffes entscheidende Matrix/Faser- Haftung deutlich verbessert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß als Haftvermittler Carbonsäuren, wie Acrylsäure und Maleinsäureanhydrid, eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Dehnbarkeit und Zähigkeit Elastomere beim Umschmelzen zugemischt werden.