Februar 2014

Kaufentscheidungen von Kunden fallen zumeist unbewusst. Viele subtile Botschaften spielen dabei eine Rolle und beeinflussen das Verhalten des Konsumenten. Erfolgreiche Unternehmen nehmen darauf gezielt Einfluss und erzielen damit einen Vorsprung vor der Konkurrenz. Dazu gehören auch Gerüche. Forscher am Fraunhofer ICT, Pfinztal widmen sich seit einiger Zeit der Geruchs- und Emissionsreduzierung von Kunststoffen für unterschiedliche Produkte. Mit dem von den Wissenschaftlern entwickelten kontinuierlichen Compoundierverfahren lassen sich Emissionen und Gerüche reduzieren.

Aus dem „gereinigten“ Granulat werden anschließend beispielsweise hochwertige Kunststoffbauteile für den Innenraum von PKWs hergestellt, die dann strengen Emissionsanforderungen genügen. Kunststoffabfälle, welche stark riechen, können durch eine Geruchsneutralisierung beispielsweise nicht mehr nur wie bisher zu billigen Mülltüten, sondern auch zu hochwertigeren Folien weiterverarbeitet werden. Generell gilt, Geruchsneutralität, auch bei Produkten des täglichen Bedarfs, eröffnet das Potenzial für neue Käuferschichten. Um die Emsissionen und den Geruch von Compounds zu reduzieren, hat das Fraunhofer ICT ein Verfahren entwickelt, in dem in nur einem Verarbeitungsschritt, nämlich während des laufenden Compoundierprozesses, mit schleppmittelunterstützter Entgasung oder extraktiver Extrusion die Emission oder der Geruch verringert wird. Das Verfahren lässt sich, abhängig von der zu entfernenden Kontamination, sehr einfach in eine bestehende Compoundieranlage integrieren.

Prozess der Emissions- und Geruchsreduzierung

Sowohl im Schleppmittelprozess, wie auch im Extraktionsprozess hat sich CO2 als effektives als Schleppmittel erwiesen. CO2 löst sich im Polymer – im Gegensatz zu vielen anderen konventionell eingesetzten Schleppmitteln – und verbessert so den Abtransport der flüchtigen Stoffe im Entgasungsschritt des Compoundierens. Beim Extraktionsprozess wird das Gas im überkritischen Zustand verwendet. Überkritischer Zustand bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften zwischen den Eigenschaften eines flüssigen Lösungsmittels und denen eines Gases liegen und durch Parametervariation in einem weiten Feld beeinflusst werden können.

Die Lösungseigenschaften von überkritischem CO2 lassen sich mit den Lösungseigenschaften von organischen Lösungsmitteln vergleichen. Dieser überkritische Zustand wird für CO2 bei relativ moderaten und im Compoundierprozess realisierbaren Bedingungen erreicht (Druck größer als 73,8 bar, Temperaturen über 31,1 °C). [1], [2] Auch andere Schleppmittel, wie Wasser oder Alkohole sind darüber hinaus einsetzbar.

Beim Schleppmittelprozess wird das Polymer über den Haupttrichter in den Extruder eindosiert. Nach der Aufschmelzzone ist eine Schmelzedichtung vorzusehen (im Allgemeinen durch rückfördernde Elemente), um einen ungewollten Rückfluss des Schleppmittels zu verhindern. Das Schleppmittel wird in das Polymer eingemischt. In der Entgasungszone wird das Schleppmittel mit den gelösten Bestandteilen vakuumentgast und das gereinigte Polymer schließlich an der Düse ausgetragen (orange). Bei entsprechender Auslegung der Anlagenkonfiguration wird bei diesem Prozess nur wenig zusätzliche Scherenergie in das Material eingebracht. Es ist auch möglich, dieses Verfahren nach einer Seitenbeschickung einzusetzen, beispielsweise für Naturfaser-Compounds.

Der Extraktionsprozess ist bis einschließlich der ersten Dichtzone analog dem Schleppmittelprozess aufgebaut (grün). Das überkritische CO2 wird nach der Dichtzone in den Ex-truder eingespritzt und läuft in der Extraktionszone parallel zur Schmelze im Freiraum zwischen Schnecke, Zylinder und Schmelze. Ein Teil des CO2 geht dabei auch in der Schmelze in Lösung (gelb). Am Ende der Extraktionszone wird die im CO2 gelöste Kontamination aus dem Extruder herausgeführt.

Darauf folgt eine zweite Schmelzedichtung (rot), welche sicherstellt, dass der nötige Prozessdruck konstant auf über 80 bar gehalten werden kann. Nach der Dichtzone folgt eine Vakuumentgasung der Schmelze, um das restliche und noch gelöste CO2 aus der Schmelze zu entfernen und einen schaumfreien Produktaustrag zu gewährleisten (orange). Beim Extraktionsprozess ist zu beachten, dass im Gegensatz zum Schleppmittelprozess der Eintrag an Scherenergie ins Material durch die Dichtzonen deutlich höher ausfällt. Daher müssen insbesondere die Schmelzedichtungen auf die Erfordernisse des individuellen Materialsystems abgestimmt werden.

Prinzipiell zeigt die Schleppmittelmethode eine hohe Aufreinigungsleistung bei gleichzeitig geringem technischem Aufwand. Ist eine höhere Reinigungsleitung erforderlich, kann der Extraktionsprozess hier die Effektivität noch steigern, allerdings bei wesentlich erhöhtem technischem Aufwand. Ein optimierter Aufreinigungsprozess führt zum Entgasen von niedermolekularen organischen Bestandteilen, senkt deutlich die Kohlenwasserstoff-Emissionen der Produkte und reduziert den Geruch erheblich.

Aufwand für Umrüstung

Der technologische Aufwand für die Umrüstung eines vorhandenen Doppelschneckenextruders in einer Produktion unterscheidet sich deutlich je nach gewähltem Aufreinigungsprozess. Der Schleppmittelprozess ist wesentlich einfacher zu integrieren, verglichen mit dem überkritischen Prozess. Für den Aufbau wird eine Eindosierstelle im Extruder benötigt (z.B. Flüssigdosierblock). Weiterhin ist ein Injektor für das gewählte Medium und den notwendigen Druck erforderlich.

Darüber hinaus muss ein Dosiergerät für das einzuspritzende Medium bereitgestellt werden und eventuell ist die vorhandene Vakuumtechnik an die höheren Gasströme an der Entgasung anzupassen. Der Extraktionsprozess ist technologisch wesentlich aufwendiger zu integrieren. Hier ist neben der Eindosierstelle ein Injektor und Dosiergerät für Hochdruckanwendungen (Drücke > 100 bar) vorzusehen. Zudem wird an der Ausleitung des Gasstromes aus dem Extruder ebenfalls ein Hochdrucksystem benötigt, um das CO2 im überkritischen Zustand zu halten (> 80 bar). In einer Entspannungseinrichtung wird das CO2 entspannt, sodass die gelösten Kontaminationen ausfallen können. Je nach Rentabilität und eingestelltem CO2-Durchsatz kann auch eine Wiedergewinnungsanlage für Schleppmittel eingesetzt werden.

Verarbeitbare Materialienund Anwendungen

Zur Aufreinigung mit den oben genannten Prozessen eignen sich prinzipiell alle thermoplastischen Polymere, die durch Compoundieren verarbeitet werden können. Die Aufreinigung wird am Fraunhofer ICT sowohl für Neuware als auch Recyclingprozesse erfolgreich eingesetzt. Für Rezepturen gilt es zu beachten, keine notwendigen Bestandteile aus dem Compound zu entfernen, wie zum Beispiel Öle oder niedermolekulare Wachse.

Die Haupteinsatzgebiete der Technologie sind beispielsweise die Entfernung von Monomeranteilen aus Neuware, Abbauprodukten aus der Verarbeitung oder auch Eigengerüchen von Rezepturbestandteilen (Naturfasern, Wachse,…). Gute Erfolge wurden auch bei Recyclingmaterialien erzielt, wo beispielsweise Abbauprodukte aus der (Mehrfach-) Verarbeitung, oder auch Zersetzungsprodukte von Hilfsstoffen (z.B. Druckfarben, Haftvermittler etc.) sowie sonstige Verunreinigungen wie beispielsweise Treibstoffe oder Öle erfolgreich entfernt wurden.

Messung von Emissionen und Gerüchen

Die Reinigungsleistung kann mit dem eingesetzten Anteil an Schleppmittel gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil ist die gute Skalierbarkeit des Prozesses. Die Analyse der Emissionen erfolgt meist nach der VDA 277 (Headspace GC) oder der VDA 278 (Thermodesorptionsanalyse). Beide Normen erfassen die Konzentration an flüchtigen organischen Verbindungen (sog. VOC) und bewerten diese anhand von geeigneten Prüfparametern.

Im Gegensatz zu Emissionen ist die Geruchsreduzierung hingegen lediglich subjektiv erfassbar, da jedes Individuum den Geruch anders wahrnimmt. Der olfaktorische Eindruck eines Produktes korreliert auch nur selten mit den Daten aus der Emissionsanalyse und ist somit nur bedingt messtechnisch erfassbar. Der Erfolg einer Geruchsreduzierung wird daher über ein Prüfpanel evaluiert (Geruchstest nach VDA 270). Alternativ zeigen erste Versuche am Fraunhofer ICT, gemäß der neuen Norm ISO 16000-28, eine Anwendbarkeit auch auf Kunststoff-Proben (Granulate). Bei dieser Methode führen ein speziell trainiertes Geruchspanel und der Einsatz von Vergleichsmaßstäben zu reproduzierbaren Ergebnissen.

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