Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Schmelzefunktionalisierung von thermoplastischen Blends im Doppelschneckenextruder mittels Atmosphärendruckplasmen

Abstract

Vor dem Hintergrund neuer Regularien im Umgang mit Kunststoffabfällen gewinnt das Kunststoffrecycling weltweit immer mehr an Bedeutung. Im werkstofflichen Recycling spielen vor allem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) eine wichtige Rolle. Die sortenreine Trennung dieser beiden Kunststoffe ist aufgrund der ähnlichen Dichten jedoch schwierig, weshalb fast alle Rezyklate aus Mischungen der beiden Kunststoffe bestehen. Um dennoch gute Eigenschaften zu erreichen, müssten bei der Aufbereitung des PP/PE-Rezyklats kostenintensive Kompatibilisierer eingesetzt werden. Im Forschungsvorhaben wurde daher ein neuartiges Verfahren weiterentwickelt, um die Verträglichkeit von PP- und PE-Rezyklat-Blends ohne den Einsatz von Kompatibilisierern im kontinuierlichen Aufbereitungsprozess zu verbessern. Um die Verträglichkeit der Blendpartner zu steigern, wurde eine Plasmadüse zur Funktionalisierung der Schmelze in den Aufbereitungsprozess integriert. Die Plasmabehandlung der Kunststoffschmelze bietet die Möglichkeit, funktionelle Gruppen in die Polymerkette einzubauen und die Haftfestigkeit an den Grenzflächen der Phasen innerhalb des Polymerblends zu steigern. Daher wurden die Interaktionen und Wechselwirkungen zwischen Atmosphärendruckplasmen und Kunststoffschmelzen systematisch analysiert. So konnte die Materialverträglichkeit beeinflusst und die Kerbschlagzähigkeit durch die Funktionalisierung verbessert werden. Zur Bewertung der bisher kaum erforschten Funktionalisierung im Schmelzezustand wurden Versuche mittels Atmosphärendruckplasma an Polyolefinschmelzen im Labormaßstab durchgeführt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass nach einer Plasmabehandlung der unbewegten, schmelzeflüssigen Oberfläche ebenfalls unterschiedliche funktionelle Gruppen mittels Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie (FTIR) nachweisbar sind. Die Anzahl funktioneller Gruppen, die anhand des Carbonylindexes (CI) bewertet wurde, konnte gegenüber einer Funktionalisierung der festen Kunststoffe gesteigert werden. Die Übertragung auf einen Aufbereitungsprozess und die damit einhergehende Durchmischung erfolgte durch Behandlung von Polymerblends mit Atmosphärendruckplasma im Innenmischer. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die ständige Erneuerung der Oberfläche und die damit einhergehende Verlagerung der funktionellen Gruppen in das Kernmaterial. Ein Fokus lag deshalb auf der Bestimmung einer ausreichenden Behandlungszeit der Schmelze zur Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit der daraus produzierten Probekörper. Bei einer Behandlungszeit von einer Minute konnte bereits eine Steigerung der Kerbschlagzähigkeit eines Blends aus 93 % PE und 7 % PP von ca. 14 % erreicht werden. Die Funktionalisierung von Polyolefinblends im Doppelschneckenextruder ist ebenfalls möglich, jedoch werden aufgrund der kurzen Verweilzeit im Bereich der Plasmadüse von unter 1 s nur geringfügig höhere, nicht statistisch relevante Kerbschlagzähigkeiten gegenüber unbehandelten Proben erreicht. Zusätzlich wurden die Plasmaparameter variiert, um geeignete Prozesspunkte zu definieren. Neben den erwähnten Behandlungszeiten wurden auch der Abstand der Plasmaflamme zur Schmelzeoberfläche sowie das Prozessgas variiert. Im Vergleich zu reinem Stickstoff kann beim Einsatz von Druckluft die Kerbschlagzähigkeiten nicht so stark erhöht werden, jedoch verursacht Druckluft deutlich geringere Kosten. Eine Übertragung auf Post-Consumer-Rezyklate (PCR) ist bisher nicht ohne weiteres möglich, da diese trotz einer ähnlichen Polymerzusammensetzung zahlreiche Fremdstoffe in geringen Mengen enthalten [KRK+21], die den Behandlungsprozess stark beeinflussen können. Das Ziel des Vorhabens wurde zum Teil erreicht. Datei-Upload durch TIB