Fördersysteme mit thermoplastischen Kunststoffketten gehören zu den wichtigsten intralogistischen Transportsystemen in Produktions- und Distributionseinrichtungen. Die spezifischen Materialeigenschaften ermöglichen dabei eine enorme Gestaltungsvielfalt sowie einen energieeffizienten und in der Regel schmierungsfreien Betrieb. Bei der Gestaltung der Ketten sowie der Förderanlagen erfährt die Verbesserung der Ressourcen- und Umwelteffizienz zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks zunehmende Bedeutung. Dabei werden mithilfe von Ökobilanzen alle relevanten Prozesse bei der Herstellung, dem Betrieb sowie der End-of-Life Phase der Anlagen bewertet. Ökologische Nachhaltigkeit beginnt demnach bereits in der Designphase der Ketten, in der u. a. wesentliche Voraussetzungen für die Verwendung von Rezyklaten oder ein späteres stoffliches Recycling gelegt werden. Nach einer möglichst langen, verschleißarmen Betriebsphase mit geringem Stromverbrauch wird die stoffliche Wiederaufbereitung der Förderketten angestrebt. Aktuelle Untersuchungen zeigen am Beispiel von POM-Ketten die damit verbundenen Herausforderungen hinsichtlich Degradation und Verunreinigung, aber auch die Möglichkeiten von Post-Consumer-Rezyklaten zur Herstellung neuer Förderketten im Sinne einer Kreislaufwirtschaft.

Der Werkstoff Polyoxymethylen (POM) wird vielfach für mechanisch und tribologisch beanspruchte Bauteile eingesetzt. Anders als bei Verpackungsmitteln findet eine Wiederaufbereitung dieses technischen Kunststoffs praktisch nur in Form von Verarbeitungsabfällen (Pre-Consumer-Abfälle) statt, verschlissene oder ausgesonderte POMBauteile werden in der Regel im Restmüll entsorgt. Im Beitrag wird gezeigt, dass trotz vielfach unbekannter Materialzusammensetzung und Belastungsvorgeschichte ein Recycling von gebrauchten POM-Bauteilen gut möglich ist. Experimentelle Untersuchungen von Mischungen aus Post-Consumer-Abfällen zeigten, dass das Mahlgut unterschiedlicher POM-Typen kompatibel verarbeitbar ist und dass daraus hergestellte Bauteile nur moderate Eigenschaftsverluste aufweisen.

Die Arbeit widmet sich der Problemstellung der Substitution des Primärrohstoffes Kautschuk durch Rezyklate in Form von Gummimehl. Die für das innerbetriebliche Recycling von Kleinchargen technischer Elastomere hier eigens konzipierte und umgesetzte Warmmahltechnologie dient zur Herstellung von Gummimehlrezyklat hoher Qualität aus Lkw-Altreifen. Hinsichtlich ausgewählter Verarbeitungs- und Materialkennwerte von Mischung und Vulkanisat werden die Auswirkungen der Zugabe von Rezyklaten und die wesentlichen Einflussgrößen des den Rezyklaten zugrunde liegenden Aufbereitungsprozesses – das Kryogenmahlverfahren bzw. die neu entwickelte Warmmahltechnologie – herausgearbeitet. Abschließend erfolgt die Formulierung materialspezifischer Versagensmechanismen, die das entsprechende Aufbereitungsverfahren der Rezyklate berücksichtigen. / The work is devoted to the problem of the substitution of the primary raw material rubber by recycled materials in the form of rubber powders. For the in-plant recycling of small batches of technical elastomers an ambient grind technology was specifically designed and implemented for making rubber powders of high quality out of used truck tires. In terms of selected processing and material characteristics of the mixture and the vulcanizate the influences of the addition of recycled material and the significant factors affecting the regeneration process underlying these recyclates – the cryogenic grinding versus the new developed ambient grinding technology – were worked out. Finally, the material-specific failure mechanisms were formulated, incorporating the regeneration process of such regenerated materials.

Die Arbeit widmet sich der Problemstellung der Substitution des Primärrohstoffes Kautschuk durch Rezyklate in Form von Gummimehl. Die für das innerbetriebliche Recycling von Kleinchargen technischer Elastomere hier eigens konzipierte und umgesetzte Warmmahltechnologie dient zur Herstellung von Gummimehlrezyklat hoher Qualität aus Lkw-Altreifen. Hinsichtlich ausgewählter Verarbeitungs- und Materialkennwerte von Mischung und Vulkanisat werden die Auswirkungen der Zugabe von Rezyklaten und die wesentlichen Einflussgrößen des den Rezyklaten zugrunde liegenden Aufbereitungsprozesses – das Kryogenmahlverfahren bzw. die neu entwickelte Warmmahltechnologie – herausgearbeitet. Abschließend erfolgt die Formulierung materialspezifischer Versagensmechanismen, die das entsprechende Aufbereitungsverfahren der Rezyklate berücksichtigen.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107 / The work is devoted to the problem of the substitution of the primary raw material rubber by recycled materials in the form of rubber powders. For the in-plant recycling of small batches of technical elastomers an ambient grind technology was specifically designed and implemented for making rubber powders of high quality out of used truck tires. In terms of selected processing and material characteristics of the mixture and the vulcanizate the influences of the addition of recycled material and the significant factors affecting the regeneration process underlying these recyclates – the cryogenic grinding versus the new developed ambient grinding technology – were worked out. Finally, the material-specific failure mechanisms were formulated, incorporating the regeneration process of such regenerated materials.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Elastomerrecycling 3 2.2 Warm- und Kaltmahlverfahren 5 2.3 Warmmahlextrusion 8 3 Zielstellung 13 4 Werkstoffmechanische Charakterisierung von Elastomeren 15 4.1 Eigenschaften von Kautschuk und Gummi 15 4.2 Mechanisches Ersatzmodell 16 4.3 Vulkanisation 20 4.3.1 Grundlagen 20 4.3.2 Vernetzungsreaktion 22 4.3.3 Konstitution der Vernetzungsstellen 23 4.3.4 Reversion und „marching modulus“ 25 4.4 Verformungsverhalten 26 4.4.1 Hyperelastizität 26 4.4.2 Hysterese 27 4.4.3 Mullins-Effekt 28 4.4.4 Payne-Effekt 29 4.4.5 Spannungsrelaxation und Spannungsretardation 30 4.5 Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.1 Temperaturabhängige Zustands- und Übergangsbereiche 31 4.5.2 Zeitabhängige Zustandsbereiche 32 4.5.3 Zeit-Temperatur-Superposition 33 4.6 Gummireibung 35 4.7 Bruchmechanische Ansätze 38 4.7.1 Begriffsdefinitionen 38 4.7.2 Rissinitiierung und Rissausbreitung 39 4.7.3 Rissabstumpfung (Blunting) 41 4.7.4 Einfluss der Verschlaufung der Makromoleküle und der Vernetzungsdichte 46 5 Eigenschaften und Versagensverhalten von Rezyklatcompounds 49 6 Warmmahltechnologie zur Verarbeitung sortenreiner Kleinchargen 53 6.1 Neuer Warmmahlprozess 53 6.2 Verfahrensoptimierung 55 6.3 Technische Elastomere 61 6.4 Ergebnisse der Verfahrensoptimierung 63 7 Untersuchung des Werkstoffverhaltens von Rezyklatcompounds 65 7.1 Charakterisierung der Ausgangsmaterialien 65 7.2 Mischungseigenschaften und Vulkanisationsverhalten 66 7.2.1 Mischungsrezeptur und Mischungsrheologie 66 7.2.2 Flüssig-Fest-Extraktion zur Ermittlung des Sol-Anteils 68 7.2.3 Vulkanisationsverhalten 71 7.3 Vulkanisateigenschaften 72 7.4 Spannungs-Dehnungs-Verhalten 75 7.4.1 Zugversuch nach DIN 53504 75 7.4.2 Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten 79 7.5 Bruchflächenmorphologie 87 8 Auswertung der Untersuchungen von Rezyklatcompounds 93 8.1 Auswirkungen der Zugabe von Gummimehlrezyklat in die Kautschukmischung 93 8.2 Versagensmechanismen von Rezyklatcompounds 94 8.3 Vergleich von Rezyklatcompounds mit warm oder kryogen vermahlenem Feinmehl 97 8.4 Rückschlüsse aus der Materialcharakterisierung 99 9 Zusammenfassung und Ausblick 101 10 Literaturverzeichnis 103 11 Anhang 107