Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Schmelzefunktionalisierung von thermoplastischen Blends im Doppelschneckenextruder mittels Atmosphärendruckplasmen

Vor dem Hintergrund neuer Regulationen im Umgang mit Kunststoffabfällen gewinnt das Kunststoffrecycling weltweit immer mehr an Bedeutung. Im werkstofflichen Recycling spielen vor allem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) eine wichtige Rolle. Die sortenreine Trennung dieser beiden Kunststoffe ist aufgrund der ähnlichen Dichten jedoch schwierig, sodass bei der Aufbereitung des PP-PE-Rezyklats kostenintensive Kompatibilisatoren eingesetzt werden müssen.

In diesem Forschungsvorhaben soll ein neuartiges Verfahren entwickelt werden, um die Verträglichkeit von nicht sortenrein vorliegenden PP- und PE-Rezyklat-Blends ohne den Einsatz von Kompatibilisatoren im kontinuierlichen Aufbereitungsprozess zu verbessern. Mit dem Ziel die Verträglichkeit dieser Blendpartner zu steigern, wird eine Plasmadüse zur Funktionalisierung der Schmelze in den kontinuierlichen Aufbereitungsprozess integriert. Die Plasmabehandlung der Kunststoffschmelze bietet die Möglichkeit, funktionelle Gruppen in die Polymerkette einzubauen und die Haftfestigkeit an den Grenzflächen der Phasen innerhalb des Polymerblends zu steigern. Weiterhin sollen die Interaktionen und Wechselwirkungen zwischen Atmosphärendruckplasmen und Kunststoffschmelzen systematisch analysiert werden. Dadurch soll die Materialverträglichkeit verbessert und die Materialeigenschaften (z. B. E-Modul, Zugfestigkeit) durch die Funktionalisierung optimiert werden. Das erweiterte Prozess- und Werkstoffverständnis zum Einfluss der Funktionalisierung kann auch auf weitere Blends übertragen werden.

Die Funktionalisierung mittels Atmosphärendruckplasmen erfolgt mit kommerziell verbreiteter Maschinen- u. Anlagentechnik. Durch vielfältige Transfermaßnahmen wird eine industrielle Umsetzung im Anschluss an das Forschungsvorh. ermöglicht. Hiervon profitieren sowohl Compoundierbetriebe als auch Verarbeiter, die überw. aus kmU bestehen, indem kostengünstige, hochwertige Rezyklate für die Prod. hochwertiger Kunststoffprodukte bereitgestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Polyolefinblends mittels Kompatibilisatoren ist im Vergleich zum Grundmaterial mit hohen Kosten verbunden. Aus diesem Grund wurde als wirtschaftlichere Variante die Steigerung der Kompatibilität mittels Atmosphärendruckplasma untersucht.

Die Behandlung mit Atmosphärendruckplasma von Polyolefinen im Schmelzezustand ermöglicht höhere Funktionalisierungsgrade (gemessen am mittels FTIR bestimmten Carbonyl-Index) als die Behandlung im festen Zustand. Diese Erkenntnis birgt viel Potenzial für die Verbesserung der Schlagzähigkeit von PE/PP-Blends. Anhand von Versuchen im Laborkneter konnte gezeigt werden, dass durch eine einminütige Plasmabehandlung eine Steigerung der mittleren Kerbschlagzähigkeit von ca. 14 % erreicht werden kann. Die Plasmabehandlung von Blends aus polaren und unpolaren Kunststoffen zeigte anhand von PE/PETG keine Steigerung der Kerbschlagzähigkeit. Auch ein PE-Rezyklat konnte - vermutlich aufgrund der zahlreichen Fremdstoffe - nicht ausreichend funktionalisiert werden. Aufschluss über die Funktionalisierung von Blends unterschiedlicher Polarität oder Rezyklaten kann nur eine selektive Messmethode geben, die es erlaubt zu bestimmen, auf welchen Phasen funktionelle Gruppen gebildet werden.

Aufgrund der geringen Verweilzeit war eine Übertragung auf den Doppelschneckenextruder bisher nicht erfolgreich. Die Funktionalisierung bei geringen Durchsätzen von 1,5 kg/h ermöglichen lediglich einen geringen Anstieg der mittleren Kerbschlagzähigkeit von 2 %. Verfahrenstechnische und konstruktive Anpassungen der Aufbereitung im Doppelschneckenextruder sind notwendig, um eine wirtschaftliche Funktionalisierung von Polyolefinblends zu realisieren. Hierzu zählen beispielsweise die Verwendung weiterer Prozessgase wie reiner Sauerstoff. Die Untersuchung der Phasenmorphologie mittels Lichtmikroskopie und anderer Eigenschaften kann ebenfalls Aufschluss über die Wirksamkeit unterschiedlicher Parameter geben.