Schwarze Kunststoffe: Wie weit ist das Recycling?

Um das Thema „Separationstechniken für schwarze Kunststoffe“ schien es merklich still geworden zu sein in Wissenschaft und Forschung. Dabei zeichneten sich schon Fortschritte zur Lösung dieser Herausforderung ab. Zeit für eine Momentaufnahme.

Schwarze Kunststoffe, wie sie vor allem im Elektro(nik)-schrott bei den Verwertungsbetrieben anfallen, konnten bis vor einigen Jahren nicht zufriedenstellend, das heißt sortenrein von anderen Kunststoffen getrennt werden. Mit konventioneller Sensorik ließen sie sich im Aufbereitungsverfahren nicht eindeutig unterscheiden. Bei der NIR-Technik zum Beispiel, bei der das von den Kunststoffen reflektierte Nah-Infrarot-Spektrum ausgewertet wird, hat jede Kunststoffsorte ein charakteristisches Spektrum zur Identifikation. Der zum Schwärzen eingesetzte Ruß im Kunststoff absorbiert hier sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Wellenlängenbereich einen Großteil der elektromagnetischen Strahlung. Die Strahlung wird folglich nicht reflektiert, es kann kein Spektrum erkannt werden. Ein weiteres Problem ist die Korngröße des Materials von zumeist unter 50 Millimetern aus dem vorgeschalteten mechanischen Zerkleinerungsprozess. Und die oft gegebene starke Oberflächenverschmutzung durch Lackierung, anhaftende organische und anorganische Störstoffe, die erst entfernt werden muss. Doch gibt es mittlerweile NIR-Spektrometer zum Beispiel aus dem Hause LLA Instruments GmbH, die in der Lage sind, schwarze Kunststoffe zu erkennen. In einer zurückliegenden Machbarkeitsstudie konnte das Unternehmen hier bereits gute Ergebnisse ermitteln. So wiesen im untersuchten Probensatz Altelektronik 60 Prozent der Proben ein detektiertes NIR-Signal aus. Die Multispektralkameras des Herstellers für die bildgebende Analytik identifizieren heute selbst sehr kleinkörnige Materialien ab einem Millimeter Durchmesser auf schnell bewegten Transportbändern.
Mittels Terahertz-Spektroskopie

Als innovatives Separationsverfahren bietet sich auch die Terahertz-Spektroskopie (siehe unten) an. Bereits 2013 startete dazu das Projekt „blackValue“ der Fraunhofer-Institute für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe, für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg und für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS in Sankt Augustin. Die Entwicklung sieht bis voraussichtlich zum Jahresende 2015 ein echtzeitfähiges Sensor- und Auswertesystems zur Materialbestimmung von insbesondere schwarzen Kunststoffen unter Einsatz der Terahertz-Spektroskopie (THz) vor.

Das Absorptionsverhalten im THz-Bereich erlaubt hier mit den Worten der Fraunhofer Forscher eine sortenreine Trennung des Rezyklats. Problematisch sei dabei allerdings der hohe Aufwand einer abbildenden, vollspektroskopischen THz-Sensorik, was eine industrielle Anwendung noch verhindere. Mittels Kombination einer THz-Kamera mit aktueller Sensorik (RGB- und/oder 3D-Kameras) sei es aber möglich, die Materialcharakterisierung (via ausgewählter Frequenzbänder) im niedrigen THz-Bereich durchzuführen. Das Projekt hat sich die Entwicklung einer THz-Zeilenkamera für ausgewählte Frequenzbänder zum Ziel gesetzt. Außerdem neue Analyse-Algorithmen zur echtzeitfähigen Datenfusion (THz-Zeilenkamera, RGB- und 3D-Sensorik) sowie den Aufbau eines Demonstrators zur sortenreinen Trennung von schwarzen Kunststoffen, der die hierzu neu zu gestaltende Sensorik und Algorithmik integriert. Im Ergebnis soll eine prototypische Sortieranlage entstehen. Vor kurzem informierten Dirk Nüßler, Paul Warok, Nils Pohl von Fraunhofer FHR, dass der Zielpreis der geplanten Apparatur, die die Anwendbarkeit der Terahertz-Spektroskopie auf schwarze Kunststoffe demonstrieren soll, bei 80.000 Euro für die Aufrüstung der vorhandenen Instrumente liegt. Hinzu kommen 250.000 Euro für den Sortierer mit einem 700 bis 1.400 Millimeter breiten Fließband für eine Partikelgröße zwischen 10 x10 Millimeter und 150 x 150 Millimeter. Bei einer Geschwindigkeit von drei Metern pro Sekunde liegt die angestrebte Kapazität bei fünf Tonnen pro Stunde.

Die elektrostatische Separation

Schon länger beschäftigt die hamos GmbH das Thema „Schwarze Kunststoffe“. Der Anlagenhersteller ist auf elektrostatische Separationstechnologien spezialisiert: Die Separatoren machen sich den Effekt zunutze, dass sich Kunststoffgemische in einer Aufladeeinheit in Abhängigkeit von der Kunststoffart, aber unabhängig von der Farbe des Inputs unterschiedlich positiv oder negativ aufladen. Bei einem Gemisch aus PS und ABS lädt sich beispielsweise das PS negativ, das ABS positiv auf. Die derart unterschiedlich geladenen Partikel werden unter Spannungen von 35.000 Volt anschließend durch ein Elektrodensystem separiert. Positiv-geladenes ABS wird hier durch eine negative Elektrode angezogen, negativ-geladenes PS durch eine positive Elektrode. Die Reinheit der einzelnen Kunststofffraktionen lässt sich zudem durch Trennbleche optimieren. Der Separationsprozess erfolgt dabei je nach Zusammensetzung der Kunststoffe ein- oder zweistufig. Laut hamos sind aus zwei Kunststoffen bestehende Gemische dafür ideal: Denn die Separatoren könnten nur positiv oder negativ geladene Kunststoffpartikel voneinander trennen. Solche Gemische seien durch vorinstallierte Trennverfahren wie der Dichtetrennung zu erhalten. Das Dichtetrennverfahren mittels Trennflüssigkeiten ermögliche außer der Trennung nach spezifischem Gewicht üblicherweise auch eine Oberflächenreinigung selbst stark verschmutzter Kunststoffe. Da sich aber nur trockene Kunststoffe elektrostatisch aufladen ließen, müsse der elektrostatischen Separation eine Trocknungsstufe vorgeschaltet werden. Nach den Erfahrungen des Unternehmens reicht dazu aber schon die mechanische Zerkleinerung in Schneidmühlen oder Ähnlichem aus.

Zur Aufbereitung gemischter Kunststoffe aus Elektronikschrott – sozusagen als die Hauptquelle für schwarze Kunststoffe – wird zum Beispiel eine Kombination aus trockenen und nassen Separationsverfahren eingesetzt. Unerwünschte Folien, Fasern, Stäube und Ähnliches werden zuerst durch Siebung und Windsichtung abgetrennt. Durch die Schwimm-Sink-Trennung mittels Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte werden anschließend ein PS/ABS-Konzentrat sowie eine Polyolefin-Fraktion gewonnen. Das Gemisch aus PS und ABS wird bei der anschließenden Zerkleinerung von 30 oder 40 Millimeter auf eine Korngröße von unter zehn Millimeter „selektiv getrocknet“, was bedeutet, dass Störfraktionen wie Holz oder leitfähige Anteile feucht bleiben, während der Kunststoff an der Oberfläche bereits trocken ist. Die elektrostatischen Separatoren können diese abtrennen. Unabhängig von der Farbe lassen sich in der darauf folgenden elektrostatischen Kunststoff-Kunststoff-Separation hochkonzentrierte PS- und ABS-Fraktionen mit Reinheiten von über 98,5 Prozent erzeugen, wie die Messungen zeigen würden. Schwarz eingefärbte Bestandteile seien dabei nicht von Bedeutung. Gefülltes Polypropylen, welches das gleiche spezifische Gewicht von etwa 1,05 Kilogramm pro Kubikdezimeter wie PS und ABS habe, ließe sich als separate Fraktion abtrennen.

Weitere Anwendungsbeispiele

Die elektrostatische Separationstechnik eignet sich den weiteren Angaben zufolge auch für das Recycling von Armaturentafeln: Bei der Produktion von Cockpits und Instrumententafeln für Autos entsteht produktionsbedingt eine Abfallmenge von etwa 20 Prozent. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um hochfeste, mit PU-Schaum beschichtete und mit einer Deckschicht aus PVC oder PU versehene Trägerwerkstoffe wie SMA mit Glasfaser-Verstärkung. Zumeist sind SMA, PU-Schaum und die Deckschicht schwarz eingefärbt. Die Produktionsabfälle werden hier zerkleinert und in einer Schneidmühle gemahlen. Durch die Reibung in der Mühle, so hamos, wird das PU praktisch vollständig vom SMA und vom PVC abgetrennt. Mittels Windsichtung lässt es sich dann trennen. Das Gemisch aus schwarzem SMA mit schwarzem PVC wird daraufhin ektrostatisch separiert. Es lassen sich Reinheiten von 99,5 Prozent erzielen.

Auch Teile von Lüftungs- und Klimaanlagen im Pkw werden zu hundert Prozent aus schwarzen Kunststoffen gefertigt. Funktionsbedingt kommen dazu verschiedene technische Kunststoffe zum Einsatz. Häufig werden dabei Verbundmaterialien eingesetzt, bei denen beispielsweise an eine Lüftungsklappe aus Glasfaser-verstärktem PP eine elastische Dichtlippe aus TPU oder EPDM angespritzt wird. Beim Recycling von Produktionsabfällen bereiten diese von den Gummilippen herrührenden Verunreinigungen große Probleme: Sie verhindern, dass das Rezyklat wieder verwendet werden kann. Bei der Zerkleinerung der Materialien in einer Schneidmühle wird die Gummilippe fast vollständig durch die Reibung innerhalb der Schneidmühle abgelöst. Das Mahlgut wird entstaubt und anschließend elektrostatisch separiert: Eine hochkonzentrierte PP-Fraktion ist das Ergebnis. Die schwarze Farbe sowohl der Funktionsteile als der EPDM-Dichtungen spielt dabei keine Rolle.

Ein weiteres Beispiel, das zeigt, was möglich ist, sind Tonerkartuschen, die aus verschiedenen schwarzen Kunststoffen mit oder ohne Flammhemmer, Schaumstoffen zur Abdichtung, Silikon-Abstreifern und vielem mehr bestehen. Das schwarze Mahlgut enthält einen hohen Anteil an Verunreinigungen durch Fremdkunststoffe und Gummi. Die überwiegend schwarze Gummifraktion ist leitfähig und lässt sich mithilfe von elektrostatischen Leiter-Nichtleiter-Separatoren abtrennen. In einem zusätzlichen elektrostatischen Separationsschritt werden dann noch eventuell vorhandene andere Fremdkunststoffe durch tribo-elektrische Separation abgetrennt.


 

Terahertz-Spektroskopie

Infrarotlicht wird im Allgemeinen in ein nahes, ein mittleres und ein fernes Spektrum eingeteilt. Die Terahertz-Strahlung liegt mit einer Wellenlänge zwischen 100 und 1000 µm und einem  Frequenzbereich zwischen 300 GHz und 3 THz und fällt so – die Grenzen sind fließend – in den Bereich des fernen Infrarots. Damit eignet sich diese Strahlung, die noch von optischen Sensoren  erfasst werden kann, für spektroskopische Untersuchungen. Da laut Wikipedia viele Materialien – unpolare Werkstoffe wie Papier, Kunststoffe, Faserverbundstoffe, Textilien oder Keramiken – für Strahlung mit dieser Wellenlänge durchlässig sind, andere wie Metalle oder Wasser aber nicht, ergänzen Terahertz-Abbildungen optische oder Röntgenbilder; sogar räumlich aufgelöste spektrosko­pische Informationen sind dadurch möglich. Ein weiterer Vorteil: THz-Wellen sind nicht ionisierend, weshalb bei ihrem Einsatz keine aufwändigen Maßnahmen zum Strahlenschutz erforderlich sind.

Die beiden wichtigsten Vorteile der THz-Strahlung – hohe Durchdringung dielektrischer Materialien und spektrale Selektivität – garantieren eine zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle gerade auch für industrielle Anwendungen. So können beispielsweise Keramiken auf Risse und Einschlüsse untersucht werden. Darauf lassen sich auch beschichtete Flugzeugteile überprüfen – sowohl während der Betriebsdauer als auch später zur Vorbereitung eines Recyclings. Des Weiteren ermöglicht die THz-Messtechnik die genaue Restfeuchte-Bestimmung in hydrophilen Proben.

In den Bereich der THz-Technik gehört die Vermessung von Kunststoffkomponenten, die anstelle von Metallteilen eingesetzt wurden, ebenso wie die spektroskopische Erfassung der Verteilung von Inhaltsstoffen. Forscher der Fraunhofer Institute schätzen das Verfahren als wichtig für ein modernes Kunststoffrecycling ein: „Die Kombination von hochauflösenden optischen Sensoren und Feldern mit Terahertz-Frequenzen sind ein vielversprechender Ansatz zur Sortierung von schwarzem Kunststoff.“


 

Foto: hamos GmbH

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