Schäumen recycelter Kunststoffe - eine Möglichkeit, Gewicht und CO2-Fußabdruck von Kunststoffteilen zu reduzieren



Schäumen recycelter Kunststoffe - eine Möglichkeit, Gewicht und CO2-Fußabdruck von Kunststoffteilen zu reduzieren

2021-11-10

 

Wir sind als Unternehmen dafür verantwortlich, einen positiven Beitrag zur Schonung der Umwelt zu leisten. Deshalb haben wir uns verpflichtet, größere Mengen an recycelten Materialien zu verwenden und das Gewicht unserer Produkte so weit wie möglich zu reduzieren.

Chemisches Schäumen ist eine der Technologien, die wir einführen, um nachhaltige Bauteile mit einer klaren Reduzierung der CO2-Bilanz zu produzieren.

In den letzten Jahren hat Grupo Antolin die Technologie des chemischen Schäumens für Innenverkleidungen mit Sichtoberfläche entwickelt. Als Ergebnis unserer F&E-Bemühungen in diesem Bereich wurde im Jahr 2014 in Zusammenarbeit mit Ford zum ersten Mal ein Sichtbauteil in Form einer Heckklappenverkleidung für den Ford Focus auf dem europäischen Markt eingeführt. Dieses Bauteil ist 20% leichter als das Vergleichsbauteil aus dem herkömmlichen Spritzgussprozess.

Abbildung 1. Ford Focus Heckklappe (untere A-Klasse) mit chemischen Schäumen + Core-Back-Prozess

 

Chemisches Schäumen ist eine Schäumspritzgießtechnologie, bei der ein mit einem endothermen, chemischen Treibmittel versetztes Batchgranulat dem Kunststoffgranulat beigefügt wird. Durch die Plastifizierung in der Spritzgussmaschine startet der chemische Prozess der Gasbläschenbildung (meist CO2). Die Expansion erfolgt in der Kavität, wobei wird eine zelluläre Struktur im Bauteil erzeugt wird. 

Um eine weitere Gewichtsreduktion zu erreichen, wird ein Core-Back Prozess mit dem chemischen Schäumen kombiniert. Der Ablauf ist dabei wie folgt:       

  • Konstruktion eines Bauteils mit niedrigerer allgemeiner Wandstärke.
  • Spritzgießen der Kunststoffgranulat/- Treibmittelbatchmischung.
  • kontrollierte Werkzeugöffnung nach erfolgter, volumetrischer Füllung.
  • expandierendes CO2 führt zu einer Erhöhung der Bauteilwandstärke.
  • Auswerfen eines Bauteils mit höherer Wandstärke bei gleichzeitig niedrigerem Gewicht.

Gewichtsreduktion von recycelten Kunststoffen

In den letzten Jahren gewann die Verwendung recycelter Kunststoffe in der Automobilindustrie zunehmend an Priorität. Als führender Lieferant für Innenverkleidungen arbeitet Grupo Antolin mit den wichtigsten Lieferanten der Industrie für Recyclingmaterialien zusammen, um Materialqualitäten zu entwickeln, welche die von den OEMs geforderten Spezifikationen erfüllen.

Recyclingkunststoffe werden nach ihrer Herkunft in 3 Hauptkategorien klassifiziert:

Post- Industrial Recycled (PIR), Post-Consumer Recycling (PCR) und Chemical Recycled (CR). Beim ersten Typ (PIR), handelt es sich um recycelte Kunststoffe, die aus Resten der Produktion hergestellt werden (petrochemische Industrie, Compounder und Spritzgießer); PCR sind recycelte Kunststoffe, die aus der Sammlung von Endabfällen (Deponie, Hausmüll usw.) gewonnen werden. Ein neuer Trend ist das chemische Recycling (CR). Bei diesem Verfahren wird durch Pyrolyse ein  Öl-Vorläuferöl aus dem Verbraucherabfall (Mülldeponie) erzeugt. Dann wird dieses spezielle Öl im Cracker verwendet, um Monomere/Vorläufer für die Polymerisation zu generieren.

Im Versuch wurde ein PIR-Polypropylen mit 15 % Talkum und mehr als 30 % Recyclinggehalt zusammen mit einem chemischen Schaummittel auf Basis von Zitronensäure und Natriumbikarbonat verwendet, um flache Musterplatten abzumustern. Die ursprüngliche Bauteildicke im Werkzeug war 1,8mm. Beim nachgeschalteten Core-Back Prozess wurde die Kernseite des Werkzeugs in der Spritzgießmaschine um 1mm zurückgezogen, um daraus eine Musterplatte mit der endgültigen Dicke von 2,8mm zu erhalten.

                                                 

Abbildung 2a (links) Zellstruktur von PP (recycelt, chem. geschäumt mit Core-Back Technologie)

Abbildung 2b (rechts) Ergebnisse der multiaxialen Prüfung von PP (recycelt, chem. geschäumt mit Core-Back Technologie)

Abbildung 2 zeigt die zelluläre Struktur und Dichteverteilung in der Musterplatte. Gut zu erkennen ist die feine Porengröße und deren sehr gute, gleichmäßige Verteilung. Im Labor zeigt das geschäumte, recycelte PP ein semi-duktiles Materialverhalten im multiaxialen Aufpralltest bei 23 °C (Abb. 2b).

Lebenszyklusbilanz: CO2-Fußabdruck von geschäumten, recycelten Bauteilen

Die Verwendung von recycelten und leichteren Materialien ist ein klares Ziel in der Automobilindustrie, um in den kommenden Jahren die Entwicklung hin zu einer nachhaltigeren Wirtschaft voranzutreiben, insbesondere durch die die Herstellung von Produkten mit geringerem CO2-Fußabdruck speziell während der Nutzungsphase.

Die Darstellungsmethode, die einen Überblick über die Umweltauswirkungen von Produkten und Materialien aufzeigt, ist die Lebenszyklusbilanz.

Die Lebenszyklusbilanz als Analysewerkzeug ermöglicht es, nicht nur den CO2-Fußabdruck eines Produkts zu berechnen, sondern auch seine vollständigen Auswirkungen auf die Umwelt (Ozonabbau, Versauerung, Eutrophierung usw.).

„Cradle to Gate“ und „Cradle to Grave“ sind die beiden wichtigsten Varianten bei der Lebenszyklusanalyse. Erstere berücksichtigt den Lebenszyklus vom Ressourcenabbau (Rohstoffe, Strom, etc..) bis zum Fabriktor, während die Zweite („bis zum Grab“) auch die Nutzungsphase und das Ende der Lebensdauer (EOL) mit betrachtet.

Die im Anschluss gezeigte, abgeschätzte Lebenszyklusbilanz basiert zum einen auf aus der Literatur entnommenen Werten (Quellen sind verfügbar) und zum anderen aus allgemeinen Datenbänken wie z.B. Ecoinvent entnommenen Werten. Zu diesem Zweck ist im Folgenden ein spritzgegossenes Innenausstattungsteil aus 1kg PP-TD15 (Originalmaterial) vs. 1kg PP-TD15 (Recycling) vs. 0,8kg (20% gewichtsreduziertes PP, recycelt + chem. geschäumt) gegenübergestellt:

Abbildung 3. Anteil von Materialproduktion, Nutzungsphase und „Ende der Lebensdauer“-Nutzung am Treibhauspotential von Bauteilen aus: PPTD15 (Original), PPTD15 (recycelt), PPTD15 (recycelt, chem. geschäumt), relative Einheiten, dargestellt in [%]

Das Treibhauspotential (GWP) ist die Menge der Treibhausgase, die ein Produkt/ein Prozess während der Herstellung („bis zum Werkstor“) oder während des gesamten Zyklus („zur Wiege“) verursacht. Das Treibhauspotential jedes emittierten Gases wird als CO2-Fußabdruck, bezogen auf die Maßeinheit „Kohlendioxidäquivalente“ (CO2e), ausgewiesen.

Abbildung 3 zeigt das Ergebnis der Lebenszyklusbilanz eines Fahrzeugs mit Dieselmotor. Hierbei stellt das PP-TD15 Originalbauteil die Basis dar. Die „cradle to grave“-Lebenszyklusanalyse (Summe aus blauem, orangefarbenem und grauem Balken) zeigt, dass der Hauptanteil des CO2-Fußabdrucks auf die Nutzungsphase des Fahrzeugs entfällt. Im Vergleich mit dem Originalmaterial zeigt das recycelte PP-TD15 eine deutliche Reduktion während der Materialproduktion (blauer Balken), allerdings hat die Verwendung von recyceltem PP-TD15 keine Auswirkung auf das Treibhauspotential während der Verwendungsphase (oranger Balken) und der „End of life“-Phase (grauer Balken) aufgrund der gleichen Dichte, verglichen mit dem Originalmaterial.

Recyceltes, chemisch geschäumtes PP-TD15 hingegen besitzt im Vergleich das geringste Treibhauspotential aufgrund des geringeren Anteils während der Nutzungsphase. Dies liegt in dessen geringerer Dichte begründet. Der CO2-Fußabdruck des chemisch geschäumten Recyklatbauteils weist 20% weniger kg CO2-Äquivalente (kgCO2e) als das Originalbauteil auf.

Die EOL-Betrachtung („End of Life“) der Bauteile, welche auf dem europäischen Durchschnittsabfallkatalog basiert (Verbrennung + Deponie), hat keine weitreichende Auswirkung auf das Treibhauspotential.

 

 

 

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