Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt

Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik

Röntgenring 8
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Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet „Recycling von Elastomeren“

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Bild 1: Zusammenhang der weltweiten Produktion von Automobilen und Naturkautschuk (aus: Türk, O., „Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe“, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014).
Bild 2: Jährliches Altreifenaufkommen und Wiederverwertung in Europa (aus: N.N., „European Tyre & Rubber Industry – Statistics – Edition 2013“, European Tyre and Rubber manufactor´s association ETRMA, 2013).

Vor dem Hintergrund endlicher Rohstoffreserven, zunehmender CO2-Belastung und steigender Müllberge ist das Thema Recycling so aktuell wie nie zuvor, insbesondere bei dem derzeitigen international steigenden Automobilaufkommen (Bild 1). Der Anteil an Altreifen, welcher keine Weiterverwendung durch Export, artfremde Verwendung oder Runderneuerung findet (sogenannte „End-of-life-tires“), liegt in Europa bei etwa 3 mio to pro Jahr, Tendenz auch hier steigend (Bild 2). Geschlossene Stoffkreisläufe aus Post-Consumer-Abfällen sind ein Idealziel, welches in einigen wenigen Bereichen der Kunststoffindustrie bereits Realität geworden ist (Duales System, Fensterprofile, Kunststoffrohre, Getränkeflaschen, Automobilstoßfänger etc…). Während stoffliches Wiederverwerten und erneute Formgebung bei thermoplastischen Kunststoffen durch die Möglichkeit des Aufschmelzens prinzipiell gegeben sind, lassen sich Elastomere aufgrund der chemischen Vernetzung der Molekülketten auf diese Weise nicht wieder formgeben. Die stoffliche Wiederverwertung von Elastomeren gestaltet sich demnach schwieriger, sie ist aber nicht unmöglich und wird bereits in weiten Teilen praktiziert. Im Vergleich zur Kunststoffbranche, bei der die thermische Verwertung (Verbrennen) momentan noch überwiegt (Bild 3), kann sich sogar bereits jetzt der prozentuale Anteil an Wiederverwertung inklusive Runderneuerung von Altreifen in Deutschland durchaus sehen lassen und ist auch weiterhin zunehmend. Bei der reinen stofflichen Verwertung werden Gummiprodukte zu Granulaten und Gummimehl zerkleinert und als Zuschlagstoffe in Kautschukmischungen eingearbeitet. Dieser Prozess wird häufig mit dem Begriff „Downcycling“ dargestellt und beschreibt die Tatsache, dass die entstandenen Produkte minderwertiger Art sind und nur für einen Einsatz in Frage kommen, bei dem keine kritischen Anforderungen gestellt werden (Fallschutzmatten, Böden für Sportplätze, Gummibodenbeläge, Antirutsch-Unterlagen, etc…).

Bild 3: Vergleich der Recyclingraten zwischen Kunststoffen allgemein und Altreifen in Deutschland (aus: N.N., „European Tyre & Rubber Industry – Statistics – Edition 2013“, European Tyre and Rubber manufactor´s association ETRMA, 2013 und N.N., „BVSE fordert Einleitung der „Rohstoffwende““, K-Zeitung, 15 (2.8.2013) S. 3.

Vorhaben

In eigenen Untersuchungen wird die Wirkung von Gummimehlpartikeln in Kautschukmischungen analysiert. Hierbei stehen die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften im Vordergrund. Es soll die Wechselwirkung der Gummimehlpartikel mit der Kautschukmatrix untersucht werden mit dem Ziel, Erkenntnisse die zur Verbesserung der Eigenschaften des Endproduktes führen können, zu gewinnen, um so einen ersten Schritt in die Richtung vom „Downcycling“ zum „Upcycling“ aufzuzeigen. Durch die pauschale Forschungsförderung und finanzielle Unterstützung der Deutschen Kautschuk-Gesellschaft (DKG) ist ein nachhaltiges und langfristiges Engagement auf diesem Gebiet, welches mit zunehmender Zeitdauer an Aktualität vermutlich zulegen wird, möglich. Mit Hilfe von Abschlussarbeiten (Diplom-/Bachelor und Masterarbeiten) unterstützen Studierende diese Tätigkeiten durch ihre Arbeiten in den Labors des Studiengangs und werden somit frühzeitig mit dieser wichtigen Thematik konfrontiert.

Durchgeführte Arbeiten

Erste Erkenntnisse wurden bereits durch folgende Arbeiten gewonnen:

  • Schulz, A., „Untersuchung zur Eignung von Gummimehl als Additiv in Kautschukmischungen“, Diplomarbeit, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik, 2014
  • Heinrich, A., „Untersuchungen zur Modifikation von Gummimehlen im Hinblick auf deren Kompatibilität mit einer Kautschukmischung zur Optimierung der daraus resultierenden Vulkanisate“, Diplomarbeit, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik, 2014

Begonnene Arbeiten:

  • Blank, A., „Untersuchung zum Dehnungsverhalten von Elastomeren mit Gummimehlpartikeln“, Diplomarbeit, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik, in Bearbeitung

  • Speyer, Y., „Untersuchung des Einflusses von Gummimehl in Elastomeren auf den Payne-Effekt“ , Diplomarbeit, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik, in Bearbeitung

Erste Ergebnisse

Die ersten Ergebnisse konnten bereits auf der International Rubber Conference irc2015 in Nürnberg vorgestellt werden. So wurden anhand von Gummimischungen, denen LKW-Gummireifenmehle aus Altreifen (Bild 4) zugesetzt wurden, deutliche Eigenschaftseinbußen (niedrigere Härte, niedrigere Zugfestigkeiten, höhere Abriebwerte) verifiziert. Der Grund für diese niedrigere Produktqualität scheint in der Wechselwirkung der Mehlpartikel zur umgebenden Kautschukmatrix zu liegen und ist im Fokus derzeitiger weiterer Untersuchungen. Wie mittels dynamischer Indentation und lokaler Röntgenfluoreszenz gezeigt werden konnte, verarmt bei der Zugabe von Gummimehl die Kautschukmatrix offenbar an Vernetzungsmittel Schwefel, wodurch niedrigere Härten der Rezyklatmischung entstehen (Bild 5). Durch diesen Befund lassen sich auch die oben genannten Eigenschaftseinbußen erklären.

Bild 4: REM-Aufnahmen von kalt und warm gemahlenem LKW-Reifenmehl (351-fache Vergrößerung); es handelt sich um eine 3D-Aufnahme die mit rot/grüner 3D-Brille eindrucksvoll dargestellt wird; Aufnahmen von Prof. Dr. J. Leiber, FHWS.
Bild 5: Dynamische Indentation (komplexe Steifigkeit und Verlustfaktor) und µ-RFA (jeweils rechts) an Elastomeren ohne (oben) und mit (unten) Gummimehlpartikeln. Bildausschnitt jeweils 4 x 4 mm.

Mehr zum experimentellen Vorgehen und den Ergebnissen unter:

  • Herrmann, V., Schulz, A., „The Effect of Recycled Rubber as an Additive for Vulcanisates”, International Rubber Conference IRC 2015, Nürnberg, 29.6.-2.7.2015
 

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