DE102016208602B4

DE102016208602B4 - Thermoplastischer Kunststoff mit Pyrolysekohle als Füllstoff, Kunststoffteil für die Innenausstattung eines Fahrzeuges sowie Verwendung von Pyrolysekohle in Schmelzen von thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE102016208602B4
Application number: DE102016208602.2A
Authority: DE
Inventors: Constanze Uthoff; Tobias Kahmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: DE102016208602A1

Abstract

Thermoplastischer Kunststoff, umfassend eine Matrix eines thermoplastischen Kunststoffs sowie Pyrolysekohle als Füllstoff, wobei die Pyrolysekohle hergestellt ist durch thermische Behandlung (Pyrolyse) eines naturfaserverstärkten Kunststoffs unter Ausschluss von Sauerstoff und einen anschließenden Mahlvorgang und/oder Trennungsvorgang nach Korngröße.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoplastischen Kunststoff, der Pyrolysekohle als Füllstoff enthält, ein Kunststoffteil, insbesondere für die Innenausstattung eines Fahrzeuges sowie die Verwendung von Pyrolysekohle zur Verbesserung der Fließfähigkeit thermoplastischer Kunststoffschmelzen.
Zur Ausgestaltung von Fahrgasträumen von Fahrzeugen werden inzwischen aus ästhetischen Gründen und auch unter Sicherheitsaspekten die meisten sichtbaren Flächen wie Armaturentafel, Türinnenseiten, zum Fahrgastraum weisende Oberflächen der A-, Bund C-Säulen usw. mit Verkleidungen versehen. Diese sind üblicherweise aus Kunststoffmaterialien gefertigt, wobei in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Bauteils eine Vielzahl von verschiedensten Materialien und Verbundmaterialien zum Einsatz kommen.
So werden im Automobilbereich auch häufig naturfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, von denen während der Verarbeitung ständig Abfälle, insbesondere Stanzabfälle entstehen. Nach Ablauf der Fahrzeuglebensdauer fallen wiederum die entsprechende Bauteile für ein Recycling an.
Recycling von faserverstärkten Kunststoffen ist Gegenstand diverser Verfahren. So ist aus der WO 2011/101093 A2 ein Verfahren zur Herstellung von Pellets aus Faserverbundwerkstoffen bekannt, die Carbonfasern in einem thermoplastischen Matrixmaterial enthalten. Die Carbonfasern stammen aus textilen Produktionsabfällen, verklebten oder ausgehärteten Produktionsabfällen aus Alt-CFK-Bauteilen oder dergleichen, die mittels Pyrolyse aufbereitet werden. Die endlichen Carbonfasern werden dabei in eine rieselfähige Form gebracht und können als Ausgangsmaterialien für Extrusion oder Spritzguss eingesetzt werden.
Auch in der DE 10 2013 216 647 A1 wird vorgeschlagen, recycelte Carbonfasern für ein Innenausstattungsteil für ein Fahrzeug einzusetzen, wobei in dem Innenausstattungsteil auch Naturfasern enthalten sein können. Die recycelten Carbonfasern werden aus faserverstärkten Kunststoffbauteilen gewonnen, bei denen durch ein Pyrolyseverfahren das Matrixmaterial von der Faser getrennt wurde.
DE 43 04 982 A1 beschreibt ein Verfahren zur Wertstoffgewinnung, bei dem Duroplasten und deren Verbundwerkstoffe Aktivkohle durch Pyrolyse gewonnen wird.
DE 10 2014 007 595 A1 beschreibt ein Verfahren, zur Aufbereitung von Gummiabfällen unter Erhalt von Aktivkohle.
Aus DE 10 2008 010 758 A1 ist ein Pyrolyseverfahren von organischen Abfallstoffen und Biomaterialien bekannt, bei dem Ruß entsteht.
DE 10 2009 046 540 A1 beschreibt thermoplastische Elastomere TPE, die einen Füllstoff aus gefällter Kieselsäure, gefälltem Silikat oder Ruß enthalten.
Aus DE 30 35 313 A1 ist eine Sperrmembran für eine Strömungsleitung bekannt, die aus einem kristallinen thermoplastischen Material und einem Füllstoff, wie pulverisierte Holzkohle, Aktivkohle oder Ruß, besteht.
Aus DE 103 43 438 A1 ist ein Herstellungsverfahren zu keramischen Partikelfiltern bekannt, bei dem ein poröses SiC-Material mit einer Schicht aus pyrolisierbaren Polymer- und/oder Naturkurzfasern beschichtet wird und anschließend die Beschichtung unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre pyrolisiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoplastischen Kunststoff geringer Dichte und mit höherem Recyclinganteil unter Verwertung von naturfaserverstärkten Kunststoffen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen thermoplastischen Kunststoff gelöst, der eine Matrix eines thermoplastischen Kunststoffs sowie der Pyrolysekohle als Füllstoff umfasst, wobei die Pyrolysekohle hergestellt ist durch thermische Behandlung (Pyrolyse) eines naturfaserverstärkten Kunststoffs unter Ausschluss von Sauerstoff und einen anschließenden Mahlvorgang und/oder Trennungsvorgang nach Korngröße.
Die während der Pyrolyse des naturfaserverstärkten Kunststoffs durch Zersetzung des Kunststoffs und auch der Naturfasern anfallenden Gase und Kondensate werden vorzugsweise der weiteren thermischen Behandlung entzogen und thermisch verwertet (Verbrennung), sodass vorzugsweise durch eine Wärmerückkopplung die durch die thermische Verwertung gewonnene Energie eingesetzt werden kann, um die für Pyrolyse notwendige Energie zumindest teilweise aufzubringen.
Nach der Pyrolyse liegt als Endprodukt Pyrolysekohle vor, die im Wesentlichen aus den Naturfasern stammt. Die Pyrolysekohle weist einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 80 Gew.% auf.
Die erhaltene Pyrolysekohle wird anschließend einem Mahlvorgang und/oder einem Trennungsvorgang nach Korngröße unterzogen.
Vorzugsweise weist die durch Pyrolyse hergestellte Pyrolysekohle eine Teilchengröße von 10 - 2000 µm , besonders bevorzugt 100 - 1500 µm und am meisten bevorzugt 200 - 1000 µm auf, da sich diese Teilchengröße bei den nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verwendungen als besonders geeignet erweist.
Im Rahmen der Pyrolyse werden vorzugsweise sowohl naturfaserverstärkte Reinkunststoffe, wie Polyolefine, vorzugsweise Polypropylen als auch entsprechende Kunststoffgemische eingesetzt, wobei naturfaserverstärkte Reinkunststoffe, wie Polypropylen bevorzugt sind, da diese unproblematisch erfindungsgemäß umgesetzt werden können.
Ansonsten ist zu beachten, dass die Abbauprodukte der Kunststoffe, die bei der Pyrolyse freigesetzt werden, thermisch verwertet werden können, ohne dass beispielsweise Halogenide oder dergleichen freigesetzt werden.
Grundsätzlich können alle in Kunststoffen eingebetteten Naturfasern in Pyrolysekohle umgesetzt werden. Bevorzugte Naturfasern sind Hanf und Flachs. Naturfaserverstärktes Polypropylen, insbesondere mit Hanf oder Flachs, wird im Automobilbereich bei der Herstellung von Innenausstattungselementen für Fahrzeuge umfangreich eingesetzt, sodass dieses als Abfallprodukt in Form von Stanzabfällen anfällt. Durch die Verwendung dieser Abfälle im Rahmen dieser Erfindung kann vorteilhafterweise ein relativ hoher Anteil stofflich wiederverwertet werden.
Verschiedene Arten der Pyrolyse, wie beispielsweise Wirbelschichtpyrolyse oder Festbettpyrolyse sind dem Fachmann bekannt und sind erfindungsgemäß einsetzbar.
Die Pyrolyse kann als kontinuierliches oder als Batch-Verfahren ausgelegt sein.
Wesentlich dabei ist, dass die Führung des Verfahrens derart erfolgt, dass die Pyrolysekohle als Produkt möglichst rein erhalten wird, wobei die sonstigen Bestandteile des Ausgangstoffes nahezu vollständig zu Gasen und Kondensaten zersetzt werden.
Die Pyrolyse erfolgt bei Verwendung eines Behälters zur Pyrolyse vorzugsweise bei 400 - 800°C (Mitteltemperaturpyrolyse), vorzugsweise bei 450 - 600°C und besonders bevorzugt bei 480 - 500 °C, wobei die Verweildauer in dem zur Pyrolyse verwendeten Behälter vorzugsweise 5 - 40 min und besonders bevorzugt 10 - 20 min beträgt.
Vorzugsweise erfolgt der Eintrag in den Behälter mittels einer ersten Fördereinrichtung, vorzugsweise einer Förderschnecke, während eine zweite Fördereinrichtung, vorzugsweise eine zweite Förderschnecke das Material durch den Behälter transportiert und am Ende der Förderstrecke im Behälter das Produkt, nämlich die Pyrolysekohle austrägt. Die während des Transports durch den Behälter anfallenden Gase und Kondensate werden mittels geeigneter Mittel aus dem Behälter abgeführt.
Bei anderen Pyrolyseverfahren sind naturgemäß andere Temperaturen und Verweildauern vorzusehen.
Die hergestellte Pyrolysekohle wird als nachhaltiger Füllstoff in dem thermoplastischen Kunststoff eingesetzt, sodass vorteilhafterweise eine stoffliche Verwertung der Abfälle ermöglicht wird.
Als Matrix werden vorzugsweise Polyolefine und besonders bevorzugt Polypropylen oder Polypropylen/Polyethylens-Blends eingesetzt.
Nach bevorzugten Ausführungsformen weist der Kunststoff neben der Pyrolysekohle auch andere Füllstoffe auf, um den für den jeweiligen Anwendungszweck spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
Im thermoplastischen Kunststoff wird für die Pyrolysekohle ein Füllstoffgehalt von 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-% und besonders bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% angestrebt.
Der erfindungsgemäße thermoplastische Kunststoff wird vorzugsweise im automobilen Interieur für entsprechende Kunststoffteile angewendet. Durch die geringe Dichte der Pyrolysekohle, verfügt der Werkstoff über ein großes Leichtbaupotential bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften, was mit oben abgegebenen Füllstoffgehalten für die Pyrolysekohle vorteilhafterweise in einem Gleichgewicht gehalten wird.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kunststoffteile im Automobilbau ergibt sich somit bei gleichbleibender Stabilität im Vergleich zu anderen Kunststoffteilen eine Gewichts- und Kostenersparnis.
Erfindungsgemäß wird zudem die Verwendung der durch das beschriebene Pyrolyseverfahren erhaltenen Pyrolysekohle zur Verbesserung der Fließfähigkeit von Schmelzen thermoplastischer Kunststoffe beansprucht, insbesondere bei Kunststoffen, deren Schmelze eine hohe Viskosität aufweisen.
Vorzugsweise erfolgt die erfindungsgemäße Verwendung bei der Verarbeitung von PC/ABS (Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol), bei der aufgrund der hohen Viskosität mit hohen Spritzdrücken gearbeitet werden muss. Dies führt zu einem hohen Energieaufwand. Durch die hohe Viskosität resultiert zudem eine relativ geringe realisierbare Wandstärke von > 2 mm des durch Spritzguss hergestellten Bauteils, die nach aktuellem Stand der Technik nicht weiter verringert werden kann. Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße Verwendung der Pyrolysekohle die Wandstärke von 2 mm der durch Spritzguss hergestellten Kunststoffteile unterschritten werden, wodurch sich weiteres Leichtbaupotential ergibt. Die zuvor genannten, bevorzugten Teilchengrößen der Pyrolysekohle tragen dazu bei, geringere Wandstärken zu realisieren.
Als Maß für die Viskosität wird Bezug genommen auf die Schmelze-Massefließrate (Schmelzflussindex), die für das System PC/ABS wie folgt ist, und die durch die erfindungsgemäße Verwendung reduziert wird:

Nach ISO 1133
17g/10min bei 260 °C und 5 kg.
Nach ASTM D 1238
3g/10min bei 230 °C und 3,8 kg.

Die erfindungsgemäße Verwendung der Pyrolysekohle ist nicht auf die Verbesserung der Fließfähigkeit bei PC/ABS beschränkt, sondern kann bei allen thermoplastischen Kunststoffen zum Einsatz kommen, insbesondere bei denen, die eine Schmelze mit einer hohen Viskosität ausbilden.
Nach dem Stand der Technik können derartige Schmelzen mit Stickstoff beladen werden, um die Fließfähigkeit zu verbessern, wobei entsprechend hergestellte Bauteile in optischer Hinsicht nicht allen Qualitätsanforderungen entsprechen. Die erfindungsgemäße Verwendung überwindet diesen Nachteil.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung sind, wie bereits zum Teil ausgeführt, eine optimierte Verarbeitung durch einen geringeren Spritzdruck und die Möglichkeit, die Wandstärke der Bauteile zu verringern, sodass sich ein Leichtbaupotential hinsichtlich der Pyrolysekohle als Füllstoff statt herkömmlicher Füllstoffe mit höherer Dichte wie beispielsweise Talkum und hinsichtlich des geringeren Materialbedarfs ergibt. Zudem kann durch die Pyrolysekohle als Füllstoff ein Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden, da es sich um ein Recyclingprodukt handelt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
Beispiel
Zerkleinerte Stanzabfälle von naturfaserverstärktem Polypropylen werden mittels einer Förderschnecke einem Behälter zur Pyrolyse zugeführt, in dem eine Temperatur von 480 - 500 °C herrscht. Die Stanzabfälle werden im Behälter mittels einer zweiten Förderschnecke durch den Behälter mit einer derartigen Geschwindigkeit transportiert, dass eine Verweildauer der Stanzabfälle von 10 min gegeben ist, bevor die hergestellte Pyrolysekohle aus dem Behälter ausgetragen wird.
Die während des Transports der Stanzabfälle durch den Behälter anfallenden Gase und Kondensate gelangen in einen nachgeschalteten Brenner zur thermischen Verwertung.
Die Ausbeute an Pyrolysekohle beträgt dabei ca. 25 Gew.-% bezogen auf den eingesetzten naturfaserverstärkten Kunststoff.

Claims

Thermoplastischer Kunststoff, umfassend eine Matrix eines thermoplastischen Kunststoffs sowie Pyrolysekohle als Füllstoff, wobei die Pyrolysekohle hergestellt ist durch thermische Behandlung (Pyrolyse) eines naturfaserverstärkten Kunststoffs unter Ausschluss von Sauerstoff und einen anschließenden Mahlvorgang und/oder Trennungsvorgang nach Korngröße.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff einen Füllstoffgehalt an Pyrolysekohle von 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-% und besonders bevorzugt von 15 bis 20 Gew.-% aufweist.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix Polyolefine umfasst, bevorzugt Polypropylen oder Polypropylen/Polyethylen-Blends.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekohle eine Teilchengröße von 10 bis 2000 µm aufweist.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekohle einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 80 Gew.% aufweist.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Pyrolyse eingesetzte naturfaserverstärkte Kunststoff ein Polyolefin aufweist, insbesondere Polypropylen.
Thermoplastischer Kunststoff nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Pyrolyse eingesetzte Naturfaser Hanf oder Flachs ist.
Kunststoffteil, insbesondere für die Innenausstattung eines Fahrzeuges, aufweisend einen thermoplastischen Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung von Pyrolysekohle zur Verbesserung der Fließfähigkeit thermoplastischer Kunststoffschmelzen, wobei die Pyrolysekohle hergestellt ist durch thermische Behandlung (Pyrolyse) eines naturfaserverstärkten Kunststoffs unter Ausschluss von Sauerstoff und einen anschließenden Mahlvorgang und/oder einen Trennungsvorgang nach Korngröße.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff PC/ABS ist.