DE102015221262A1

DE102015221262A1 - Verfahren zum Recyceln eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102015221262A1
Application number: DE102015221262.9A
Authority: DE
Inventors: Josef Bichlmeier; Cornelia Finckh; Franz Maidl; Hanno Pfitzer; Florian Arnold
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Recyceln eines Faserverbundbauteils mit mindestens den folgenden Schritten vorgestellt: Bereitstellen des zu recycelnden Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil mindestens ein mit einer Matrix beaufschlagtes Fasergelege mit einer Anzahl von unidirektionalen Faserrovings umfasst; und Zerkleinern des Faserverbundbauteils zum Erzeugen eines Fasergranulates, wobei das erzeugte Fasergranulat streifenförmige Granulat-Elemente umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln eines Faserverbundbauteils.
Für die Rückgewinnung von Fasermaterialien aus imprägnierten und ausgehärteten Faserverbundwerkstoffen werden große Anstrengungen unternommen, um den in der Regel teuren Faser-Werkstoff, wie beispielsweise Kohlenfasern, einer erneuten Verwendung zuzuführen.
Hierbei muss das Fasermaterial von einer umgebenden Kunststoffmatrix getrennt werden. Dies geschieht beispielsweise durch thermische Recyclingverfahren, wie der Pyrolyse. Hierbei wird die Matrix unter sehr hoher thermischer Hitzeeinwirkung von ca. 500 bis 800°C und unter sauerstoffreduzierter Atmosphäre von 2–3 vol.-% Sauerstoff von den Fasern entfernt, indem die Matrix zersetzt wird und in die Gasphase übergeht. Die Fasern bleiben hierbei im Wesentlichen unbeschädigt, jedoch ist die erforderliche Temperatur mit entsprechend erheblichem Energieaufwand verbunden. Auch wird eine Schlichte der Fasern entfernt, wodurch eine Anhaftung von neuer Matrix an den recycelten Fasern deutlich herabgesetzt wird. Eine wirtschaftliche Weiterverarbeitung zu einem neuen Faserverbundbauteil ist bereits aus diesem Grunde deutlich erschwert oder sogar ausgeschlossen. Zudem ist eine Recyclingquote gering, da die Matrix bereits thermisch verwertet ist.
Alternativ ist das chemische Recyclingverfahren der sogenannten „Solvolyse” bekannt, bei dem unter Verwendung von Säure oder hochtemperiertem Wasser die Matrix von den Fasern abgelöst wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und ein möglichst einfaches, zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren zur Rückgewinnung beziehungsweise zum Recycling von Fasermaterial bereitzustellen, das sich zudem zur möglichst guten Weiterverarbeitung eignet.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den hiervon abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Demnach wird ein Verfahren zum Recyceln eines Faserverbundbauteils mit mindestens den folgenden Schritten bereitgestellt:

– Bereitstellen des zu recycelnden Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil mindestens ein mit einer Matrix beaufschlagtes Fasergelege mit einer Anzahl von unidirektionalen Faserrovings umfasst,
– Zerkleinern des Faserverbundbauteils zum Erzeugen eines Fasergranulates, wobei das erzeugte Fasergranulat streifenförmige Granulat-Elemente umfasst.

Das Verfahren geht also von einem Faserverbundbauteil aus, welches ein oder mehrere Fasergelege umfasst. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass jedes Fasergelege eine Anzahl von Faserrovings aufweist, die jeweils bandförmig ausgebildet und nebeneinander abgelegt sind. Das Fasergelege ist mit einer ausgehärteten Matrix imprägniert und in dieser zumindest teilweise eingebettet. Jeweils benachbarte Faserbündel sind über die Matrix miteinander verbunden. Als Fasermaterial sind insbesondere Kohlefasern, aber auch Glas-, Aramid-, Metall-, Kunststoff- und/oder Naturfasern, oder alle Mischungen der genannten Fasermaterialien einsetzbar.
Im Rahmen des Zerkleinerns wird das Faserverbundbauteil mechanisch in das Fasergranulat zerlegt. Der Zerkleinerungsschritt ist derart ausgelegt, dass das erzeugte Fasergranulat teilweise oder vollständig die streifenförmigen Granulat-Elemente aufweist. Im Unterschied zur Pyrolyse oder Solvolyse wird somit auf eine energieintensive Zersetzung verzichtet und eventuell entstehende Gase und chemische Lösungen vermieden. Je nach eingesetzter mechanischer Zerkleinerungsvorrichtung, kann ein Fasergranulat entstehen, welches ein Gemisch aus den streifenförmigen Granulat-Elementen und weiteren grob- und/oder fein-gemahlenen Komponenten umfasst.
Die streifenförmigen Granulat-Elemente werden beispielsweise durch Teilrovings gebildet, die beim Zerkleinern als Bruchstücke aus dem Fasergelege gebrochen werden. Diese Teilrovings weisen eine im Wesentlichen flache und zugleich längliche Form auf, die anschaulich als brettförmig oder balkenförmig beschrieben werden kann. Mit anderen Worten dargestellt, wird das Fasergelege in Bruchstücke seiner Faserrovings zerlegt, wobei die Bruchstücke im Wesentlichen ebene, längliche Späne, also die streifenförmigen Granulat-Elemente, darstellen, jedoch in ihrer Breite und Länge aufgrund des Ausbrechens variieren können.
Vorzugsweise kann der Schritt des Zerkleinerns ein zumindest abschnittsweises Trennen von benachbarten Faserrovings des Fasergeleges entlang gemeinsamer Verbindungsstellen umfassen, welche durch die Matrix gebildet sind. Es werden also beim Zerkleinern die über die Matrix erzeugten Verbindungen zwischen benachbarten Faserrovings aufgebrochen, so dass die hierdurch generierten bruchstückhaften Teilrovings die streifenförmigen Granulat-Elemente bilden.
Die Trennung der benachbarten Faserrovings ist derart zu verstehen, dass entweder die jeweilige Matrixverbindung, vergleichbar zu einer Sollbruchstelle, aufgebrochen wird oder die Faserrovings zumindest in deren Randbereichen und somit nahe der Matrixverbindung auseinandergebrochen werden. In jedem Fall werden die länglich erstreckten Teilrovings als Bruchstücke der Faserrovings erzeugt und definieren die streifenförmigen Granulat-Elemente.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schritt des Zerkleinerns derart ausgelegt, dass die streifenförmigen Granulat-Elemente eine Länge zwischen 10 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 20 und 30 mm, aufweisen. Diese Längen eignen sich auf besondere Weise für eine spätere Weiterverarbeitung der Granulat-Elemente als sogenannter Füllstoff in einem Faser-Matrix-Halbzeug (im Folgenden auch als „Pressmasse” bezeichnet) zum Pressformen eines faserverstärkten Kunststoffpressbauteils. Die Granulat-Elemente sind somit einerseits ausreichend klein, um in der zu erzeugenden Pressmasse verarbeitet zu werden. Andererseits ist die Länge besonders vorteilhaft gewählt, um eine bestmögliche Steifigkeit und Festigkeit der Faser in das zu erzeugte faserverstärkte Kunststoffpressbauteil zu übertragen. Gegenüber bekannten Pressmassen wird auf diese Art und Weise eine besonders leichte Verarbeitbarkeit mit einer deutlich erhöhten Festigkeit kombiniert.
Optional oder zusätzlich können die streifenförmigen Granulat-Elemente eine Breite zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 6 mm, besonders bevorzugt eine Breite von 5 mm, aufweisen. Auch diese ausgewählten Breitenwerte eignen sich in besonderer Weise für die Ausrichtung der Granulat-Elemente in den Nachfolgeprozessen.
Ebenfalls vorzugsweise können die streifenförmigen Granulat-Elemente eine Höhe zwischen 0,1 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,7 mm, besonders bevorzugt eine Höhe zwischen 0,3 und 0,4 mm, aufweisen.
Das Verfahren kann des Weiteren einen Schritt des Vermischens zumindest der streifenförmigen Granulat-Elemente mit einer Matrix zum Erzeugen eines Faser-Matrix-Halbzeuges, insbesondere eines Bulk Moulding Compound (BMC), zum Pressen und Erzeugen eines faserverstärkten Kunststoffpressbauteils umfassen. Als Matrix kann beispielsweise eine duroplastische Matrix, insbesondere eine Venylester-Matrix, Anwendung finden.
Zusätzlich kann das Verfahren einen Schritt des Siebens des erzeugten Fasergranulates zum Aussortieren der spanförmigen Granulat-Elemente vorsehen. Mit Hilfe des Siebens werden die Granulat-Elemente von weiteren Komponenten des Fasergranulates, wie kleineren Faserstücken und Partikeln sowie eventuell gemahlenem Pulver, getrennt.
Beispielsweise kann der Schritt des Siebens zudem ein Sichtern umfassen. Es lassen sich auf diese Weise Fremdstoffe, wie Nähfäden oder sonstige faserfremde Partikel, besonders wirkungsvoll von den erzeugten streifenförmigen Granulat-Elementen trennen. Insbesondere können faserreiche, und damit für eine Rückgewinnung bedeutende Partikel, von harzreichen Partikeln aus dem Fasergranulat getrennt werden. Die faserreichen Partikel lassen sich zum Beispiel als Füllstoffe dem als Pressmasse ausgebildeten Faser-Matrix-Halbzeug für die Herstellung der faserverstärkten Kunststoffpressbauteile zusetzen. Dagegen können die harzreichen Partikel aussortiert werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das gesamte aus dem Zerkleinerungsschritt gewonnene Fasergranulat, also sowohl die streifenförmigen Granulat-Elemente als auch eventuell vorhandene restliche Komponenten, einschließlich eines restlichen Mahlgutes, in die Pressmasse integriert und für die Herstellung der faserverstärkten Kunststoffpressbauteilen verwendet werden. Auf diese Weise kann eine weiter erhöhte Recyclingquote erzielt werden.
Besonders wirksame Ergebnisse lassen sich für das Zerkleinern in jedem Fall in einer als Shredder-Anlage ausgeführten Zerkleinerungsvorrichtung erzielen, insbesondere wenn das Zerkleinern in einer einwelligen, zweiwelligen oder dreiwelligen Schredder-Anlage erfolgt. Diese ermöglichen aufgrund ihrer Anordnungen der entsprechenden Anzahl an Shredder-Wellen ein Zerkleinern des Fasergeleges bei gleichzeitigem Erhalt der streifenförmigen Granulat-Elemente.
Des Weiteren wird ein faserverstärktes Kunststoffpressbauteil mit einem verpressten Faser-Matrix-Halbzeug bereitgestellt, welches streifenförmige Granulat-Elemente umfasst. Insbesondere können die Granulat-Elemente mit dem beschriebenen Verfahren hergestellte, streifenförmige Granulat-Elemente sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt ein zu recycelndes Faserverbundbauteil 10, wobei das Faserverbundbauteil 10 mindestens ein in einer Matrix eingebettetes Fasergelege 11 mit einer Anzahl von unidirektionalen Faserrovings 12 (markiert sind beispielhaft lediglich zwei Faserrovings 12) umfasst. Das Faserverbundbauteil 10 wurde zum Teil bereits einem Zerkleinerungsschritt zugeführt, so dass dessen Ränder entsprechend ausgebrochen sind. Beim Schritt des Zerkleinerns des Faserverbundbauteils 10 wird aufgrund der Gelege-Struktur ein Fasergranulat erzeugt, welches streifenförmige Granulat-Elemente 13 umfasst.
Zumindest die streifenförmigen Granulat-Elemente 13 können zur Weiterverarbeitung vorgesehen werden und hierzu mit einer Matrix vermischt werden, um ein Faser-Matrix-Halbzeug (nicht dargestellt) zu erzeugen, insbesondere ein Bulk Moulding Compound (BMC), welches im Rahmen des sogenannten BMC-Verfahrens zum Pressen und Erzeugen eines faserverstärkten Kunststoffpressbauteils (ebenfalls nicht dargestellt) verwendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Recyceln eines Faserverbundbauteils (10) mit mindestens den folgenden Schritten: – Bereitstellen des zu recycelnden Faserverbundbauteils (10), wobei das Faserverbundbauteil (10) mindestens ein mit einer Matrix beaufschlagtes Fasergelege (11) mit einer Anzahl von unidirektionalen Faserrovings (12) umfasst, – Zerkleinern des Faserverbundbauteils (10) zum Erzeugen eines Fasergranulates, wobei das erzeugte Fasergranulat streifenförmige Granulat-Elemente (13) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Zerkleinerns ein zumindest abschnittsweises Trennen von benachbarten Faserrovings (12) entlang gemeinsamer Verbindungsstellen umfasst, welche durch die Matrix gebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die streifenförmigen Granulat-Elemente (13) eine Länge zwischen 10 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 20 und 30 mm, aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die streifenförmigen Granulat-Elemente (13) eine Breite zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 6 mm, besonders bevorzugt eine Breite von 5 mm, aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die streifenförmigen Granulat-Elemente (13) eine Höhe zwischen 0,1 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,7 mm, besonders bevorzugt eine Höhe zwischen 0,3 und 0,4 mm, aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren einen Schritt des Vermischens zumindest der streifenförmigen Granulat-Elemente (13) mit einer Matrix zum Erzeugen eines Faser-Matrix-Halbzeuges, insbesondere eines Bulk Moulding Compound (BMC), zum Pressen und Erzeugen eines faserverstärkten Kunststoffpressbauteils umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren einen Schritt des Siebens des erzeugten Fasergranulates zum Aussortieren der spanförmigen Granulat-Elemente (13) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Siebens ein Sichtern umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zerkleinern in einer Shredder-Anlage, insbesondere einer einwelligen, zweiwelligen oder dreiwelligen Schredder-Anlage, erfolgt.
Faserverstärktes Kunststoffpressbauteil mit einem verpressten Faser-Matrix-Halbzeug, welches streifenförmige Granulat-Elemente (13) umfasst, insbesondere mit einem Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 9 hergestellte, streifenförmige Granulat-Elemente (13).