Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Konzepts zur robusten und kontinuierlichen Emissionsmessung bei Compoundierung und Recycling von Kunststoffen - "KORE"

Die kontinuierliche Überprüfung der entstehenden Emissionen bei der Verarbeitung und Aufbereitung von Kunststoffen, insbesondere bei Recyclingmaterialien, ist aufwändig und bislang nicht vorgeschrieben. Insbesondere im Bereich der Forschung (z. B. Materialentwicklung, Optimierung von Verarbeitungsprozessen) und bei der Verarbeitung von Recyclingmaterial sind die auftretenden Emissionen vielfältig und nicht vorhersehbar. Eine kontinuierliche Überwachung der TVOC-Konzentration (engl. total volatile organic compounds) sowie einzelner, definierter Substanzen würde den Gesundheitsschutz der Mitarbeiter in vielen kunststoffverarbeitenden Unternehmen verbessern.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird zunächst ein Konzept mit Testaufbau und anschließend ein Demonstrator entwickelt. Dieser basiert auf einem Metalloxid-Halbleitersensor und dient der Bestimmung der TVOC- sowie z. B. der Benzolkonzentration im ppb-Bereich. Als Referenzmessungen an verschiedenen Materialsystemen auf unterschiedlichen Verarbeitungsmaschinen werden mittels GC-MS die emittierten Substanzen ermittelt. Anschließend werden kontinuierliche Messungen mit dem entwickelten Demonstrator Einblick in die Emissionen bei Prozess- und Materialschwankungen geben. Durch die kontinuierliche Überwachung der TVOC- und Benzolkonzentration wird die Gesundheit der Mitarbeiter geschützt und eine Sensibilisierung gegenüber der Wirkung dieser Emissionen gewährleistet. Dadurch können Ausfallzeiten der Mitarbeiter reduziert werden, wodurch insbesondere KMU profitieren.

Die Forschungsergebnisse können von beliebigen Sensorherstellern im Anschluss an das Projekt in kommerzielle Systeme umgesetzt werden, sodass sie ihr Portfolio erweitern können. Das stärkt insbesondere die Marktposition der KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der Einsatz temperaturzyklisch betriebener MOS-Gassensoren als wirtschaftliche Alternative zu den bisherigen Emissionsmessverfahren für den Einsatz in der Kunststoffverarbeitung erfolgreich demonstriert. Mit unterschiedlichen Materialien als Neuware, Mahlgut und Rezyklat und verschiedenen Verarbeitungsparametern wurde eine ausreichende Datenbasis geschaffen. Die entstehenden Gasemissionen wurden an verschiedenen Messpositionen (Entgasung, Düse, Granulatsack) erfasst und mittels GC/MS und Dräger X-pid als Referenz für den entwickelten Halbleiter-Gassensor erfasst.

Dieser wurde parallel zu den Messreihen erfolgreich konzeptioniert und mit einer im Projekt angepassten Gasmischanlage kalibriert. Die Validierung erfolgte am Extruder.

Im Projekt wurden die drei Zielgase Styrol, Chlorbenzol und Caprolactam gezielt untersucht. Die mittels PLS-Regression erstellten Modelle für Styrol und Chlorbenzol ermöglichen eine gute Quantifizierung der Konzentrationen der beiden Substanzen bei akzeptablen Vorhersageungenauigkeiten. Für Caprolactam konnte kein ansprechendes Modell erzeugt werden, da das Gas im Labormaßstab nicht in ausreichenden Konzentrationen bereitgestellt werden kann. Obwohl im Demonstrator weder ein Präkonzentrator noch selektive Filter eingesetzt wurden, wurde deren späterer Einsatz als zusätzliche Option untersucht.

Zudem erfolgte eine toxikologische Bewertung der bei der Verarbeitung entstehenden Emissionen sowie Überlegungen zu deren Minimierung. Alle relevanten Emissionen lagen weit über den jeweiligen MAK-Werten und verdeutlichen den Bedarf für mehr Kontrolle. Eine der auffälligsten mittels X-pid gemessenen Emissionen bei allen Materialien war Acrolein, ein Abbauprodukt von Antioxidantien. Die Acrolein-Emission eignet sich als guter Indikator für den Stabilisator- bzw. Material-Abbau im Prozess.

Der im Projekt entwickelte Demonstrator kann mit wenigen Anpassungen in industriellen Praxistests eingesetzt werden.