Energieeffizientes Altgummi-Recycling ohne Chemikalieneinsatz

Angesichts riesiger Mengen von Altgummi – allein in Deutschland fielen 2013 rund 582.000 Tonnen Altreifen mit einem Kautschukmischungsanteil von circa 70 Prozent an [1] – ist eine verstärkte werkstoffliche Verwertung nicht nur erstrebenswert, sondern aus Gründen der Ressourcenschonung geboten. Derzeit überwiegt allerdings das energetische Verwerten. Daneben wurden im Jahr 2013 rund 190.000 Tonnen Granulate und Gummimehl erzeugt. Um dieses Material erneut zum Herstellen von Gummiprodukten zu nutzen, muss es zuvor zumindest partiell devulkanisiert werden. Der Planetwalzen-Extruder (PWE) des Bochumer Maschinenherstellers Entex Rust & Mitschke, eignet sich dafür. „Eine im Vergleich zu anderen Technologien größere Abtauschfläche ermöglicht ein besseres Mischen und eine genaue Temperaturkontrolle. Dies sind unsere wichtigsten Errungenschaften“, erklärt Harald Rust, geschäftsführender Gesellschafter des Familienunternehmens. Schon früh entstand die Idee, nicht nur PVC, Holzverbundwerkstoffe oder Speiseeis im PWE zu verarbeiten, sondern auch das schonende, kontinuierliche Devulkanisieren von Elastomeren zu prüfen. Dabei ging es um Altgummi, aber auch um Elastomer-Produktionsabfälle. So waren beispielsweise Versuche erfolgreich, kieselsäuregefüllte Kautschukmischungen kontinuierlich zu erzeugen [2].

Prozessparameter für das Devulkanisieren ermitteln

Anfang 2012 begann das Unternehmen, die Devulkanisierung in einem durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück, geförderten Projekt [4] eingehender zu untersuchen. Ziel war es, Reifenmischungen für neue Lkw-Reifen mit Recyclingmaterial-Anteil zu entwickeln. Im Rahmen seiner Masterarbeit [3] am Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik der Hochschule Darmstadt untersuchte Michael Gerdon, welche Prozessparameter für ein erfolgreiches Devulkanisieren relevant sind und wie sie gewählt werden müssen, um optimale Ergebnisse zu erreichen. „Kooperationen wie hier mit der Hochschule Darmstadt sind unerlässlich, um derartige Projekte effizient durchzuführen“, meint Rust. Außerdem leistete unter anderem ein Recyclingunternehmen für Gummiabfälle wichtige Beiträge zu dem Projekt. Es stellte Gummimehl als Rohstoff zur Verfügung und half beim Analysieren der Rezyklate. Unterschiedliche Akteure für ein gemeinsames Ziel zu gewinnen, ist ein zentrales Anliegen für Rust. „Nur mit vereinten Kräften haben solche Vorhaben Aussicht nicht nur auf wissenschaftlichen, sondern auch auf wirtschaftlichen Erfolg“, sagt er.

Typischer Aufbau eines Planetwalzenextruder für das Gummi-Devulkanisieren(Bildquelle: Entex)

Sieben Maschinenparameter beeinflussen Rezyklat-Qualität

Gerdon ist bei Entex inzwischen verantwortlich für die Verfahrenstechnik. Mit seinen Untersuchungen legte er den Grundstein für den Projekterfolg. Den Ausgangspunkt dafür bildete ein mit 4 Mesh relativ grobkörniges, aus Reifenlaufflächen durch mechanisches Zerkleinern gewonnenes Material, das vorwiegend aus Naturkautschuk (NR), daneben Nitril- und Styrol-Butadien-Kautschuk (NBR und SBR) bestand. Dieses Substrat sollte ohne zugesetzte Chemikalien, also rein thermisch, so weit devulkanisiert werden, damit es sich erneut für Gummimischungen eignet.

Mithilfe einer teilfaktoriellen, statistischen Versuchsplanung forschte Gerdon nach dem Schlüssel zu einem technisch verwertbaren Verfahren. Dazu identifizierte und variierte er sieben Maschinenparameter: Neben dem Einfluss von Drehzahl und Durchsatz untersuchte er dabei unterschiedliche Temperaturprofile, Systemaufbauten sowie die Effekte einer zusätzlichen Kühlung vor der Austrittsöffnung, einer Stickstoff-Überlagerung sowie eines angelegten Vakuums. Alle Versuche führte Gerdon an einem Thermoplast-Walzenextruder 70/1600-M4 mit einem Nenndurchmesser von 70 mm durch. Dieser verfügt über vier unabhängig temperierbare, jeweils 400 mm lange Module, die sich zudem mit jeweils unterschiedlich vielen Planetspindeln unterschiedlichen Typs bestücken ließen. Die beiden eingesetzten Systemaufbauten unterschieden sich hinsichtlich der in den Modulen 1-3 verwendeten Planetspindeln. Bei Aufbau A waren dies Standardspindeln, bei Aufbau B Noppenspindeln. Im Aufbau A sollte dies ein stärkeres Zerreiben der Primärpartikel, ein besseres Transportverhalten und eine bessere Wärmeübertragung erlauben. Die Noppenspindeln in Aufbau B dagegen sorgen für ein stärkeres Quervermischen bei verringerter Förderleistung, insgesamt also eine längere Verweilzeit.

Michael Gerdon im Technikum bei einem Devulkanisierungsversuch mit dem Planetwalzen-Extruder.(Bildquelle: Entex)

Hochwertiges Recyclingmaterial aus dem Planetwalzenextruder

Ein weiterer Schwerpunkt im Rahmen des Projekts war es, analytische Methoden zu identifizieren, die zuverlässig und schnell nach dem Entnehmen der Probe auf die Qualität des gewonnenen Materials schließen lassen. Letztere Bedingung dreht sich vor allem um die Anforderung an ein technisches Verfahren, möglichst wenig Material zu produzieren, das außerhalb der Toleranzen liegt. In Zusammenarbeit mit Analytik-Experten befanden die Projektbeteiligten, dass sich die Mooney-Viskosität für ihre Zwecke eignet, weil sich damit schnell, einfach und recht zuverlässig auf die an Prüfkörpern ermittelte Zugfestigkeit schließen ließ. Ergänzend untersuchten die Ingenieure die aus dem Rezyklat gewonnenen Gummi-Prüfkörper rheologisch: Sie machten Zugversuche und bestimmten die Härte sowie das Verlustmodul. Außerdem ermittelten sie Vulkanisationskurven und untersuchten die Prüfkörper unter dem Mikroskop.

Insgesamt stellen die Ingenieure fest, dass das Recyclingmaterial aus dem PWE hochwertiger war als Material, das konventionell recycelt wurde – etwa durch Hochtemperatur-Pyrolyse oder mithilfe von Devulkanisierungs-Hilfsstoffen. So lag die Zugfestigkeit der aus einer Standardmischung erzeugten Probekörper zwischen 8,5 und 9,5 MPa (konventionell ca. 6 MPa), die Reißdehnung zwischen 280 und 300 Prozent (konventionell: ca. 220 Prozent). Mikroskopische Untersuchungen belegten, dass Risse vor allem an nicht aufgeschlossenen Partikeln entstehen, die vermutlich vorwiegend aus Styrol-Butadien-Kautschuk bestehen, der unter den gewählten Reaktionsbedingungen langsamer devulkanisiert und daher teilweise unumgesetzt eingeschlossen wird. Die Korngröße dieser Partikel ließ sich über keinen der betrachteten Verfahrensparameter steuern. Künftige Versuche sollen klären, ob sich beim Einsatz anderer Ausgangsmaterialien die Reißdehnung steigern lässt.

Die Temperatur ist beim Devulkanisieren entscheidend

Die Untersuchung der einzelnen Verfahrensparameter beim Devulkanisieren ergaben, dass das „Temperaturprofil im PWE entscheidenden Einfluss auf den Abbauprozess hat“, erläutert Gerdon. Die Versuche haben gezeigt, dass die Qualität des Recycling-Materials davon abhängt, ob ein etwa 20 Grad breiter Temperaturkorridor knapp unterhalb von 300 °C sicher eingehalten wird. Bei einem Durchsatz von 30 kg/h ist eine Drehzahl von 100 min^-1 optimal. Bezogen auf ein typisches Anforderungsprofil der Reifenindustrie ergab die Probe mit der Versuchsnummer 3 das beste Ergebnis. In allen durchgeführten Versuchen bleibt das Material nur wenige Minuten im Planetwalzenextruder [5]. Dabei entstehen nur geringe Mengen flüchtiger Abbauprodukte.

Unter den genannten Bedingungen wird das Material trotz relativ niedriger Temperatur ausreichend schnell devulkanisiert – ohne die Kohlenstoffketten der Elastomere, speziell des relativ empfindlichen Naturkautschuks, nennenswert abzubauen. Gerade dies ermöglicht der PWE mit seiner exakt einzustellenden Außentemperierung. Der Energieeintrag über Scherkräfte ist dem gegenüber relativ gering. Dennoch spielt er für das Regeln der Prozesstemperatur durchaus eine Rolle. Der vergleichsweise geringe Einfluss dieser Scherkräfte zeigt sich auch darin, dass die Drehzahl die Produktqualität, ausgedrückt durch die Mooney-Viskosität, kaum beeinflusst.

Das Untersuchen von Prüfkörpern ergab, dass Kautschukmischungen mit einem Rezyklatanteil von bis zu zehn Prozent nach dem Vulkanisieren eine vielversprechendes Eigenschaftsprofil hatten. Weitere Versuche in Zusammenarbeit mit Reifenherstellern müssen zeigen, inwieweit sich diese Ergebnisse auf die Serienproduktion von Reifen übertragen lassen. Indessen devulkanisieren derzeit internationale Unternehmen der Recyclingbranche Gummiabfälle im zweistelligen Kilotonnen-Maßstab mittels Planetwalzenextruder.

Bei einem – im Vergleich zur Hochtemperatur-Pyrolyse – geringeren Energieeinsatz führt das werkstoffliche Verwerten zu einer günstigen Ökobilanz des Verfahrens. „Verglichen mit der thermischen Verwertung von Altgummi schont unser Verfahren nicht nur fossile und nachwachsende Ressourcen, es trägt auch dazu bei, den CO₂-Ausstoß zu senken – ein wichtiger Aspekt des Klimaschutzes“, betont Rust.

Referenzen

[1] Altreifenmenge konstant. Pressemitteilung des Wirtschaftsverbands der Deutschen Kautschukindustrie e. V., Frankfurt, 31.07.2014;

[2] S. Luther, M. Bogun, H. Rust: Continuous Mixing of Silica Filled Rubber Mixtures with a Planetary Roller Extruder. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 58 (2005), S. 371-375;

[3] M. Gerdon: Recycling von schwefelvernetzten Elastomeren mit Hilfe eines Planetwalzenextruders ohne Zusatz von Additiven. Darmstädter Beiträge zur Forschung und Entwicklung in der Kunststofftechnik, Darmstadt 2012;

[4] T. Malzahn: Effizienzsteigerung der Devulkanisierung von Altgummi durch Aufbrechen der Vernetzungsbrücken von Gummielastomeren in einem kontinuierlichen Verarbeitungsprozess. Abschlussbericht zum Projekt 29564-21/0 der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), ENTEX Rust & Mitschke GmbH, Bochum, September 2013.

[5] H. Rust: Devulkanisieren von Altgummi. Patent, WO 2011/091966 A1, 2011.