Industrie + Technik

Kunststoffkreislaufwirtschaft | Ein Whitepaper des Chemical Sciences and Society Symposium (CS3) fordert neue Methoden, Kunststoffe zu untersuchen. Demnach helfen etwa Verfahren, die simulieren, wie sich Mikrokunststoffe in der Umwelt verteilen, den Verbleib und die Persistenz von Kunststoffabfällen zu verstehen.Neue Kunststoffe sollen dem CS3 zufolge für die Kreislaufwirtschaft ausgelegt sein. Dafür sind Prozesse zu entwickeln, die diese Kunststoffe herstellen, verarbeiten und recyceln. Für Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung, Dresden, sind „das Verständnis der Chemie der Kunststoffe und die Ausnutzung der Synthesemöglichkeiten der Chemie wesentlich, um eine funktionsfähige Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu gestalten.“Chemische Techniken sollen helfen, Kunststoffabfälle besser zu kennzeichnen, zu identifizieren und sortenrein zu trennen. In einer Kreislaufwirtschaft ließen sich zudem CO2-Emissionen als Ausgangsstoff wiederverwenden.Langfristige Umweltauswirkungen von Kunststoffen will das CS3 reduzieren. Um Materialien zu entwickeln, die wiederverwertbar und umweltverträglich abbaubar sind, sei weitere Forschung notwendig. Ökologisch abbaubare Kunststoffe müssten zudem in Leistung und Kosten wettbewerbsfähig sein.Um all das umzusetzen, braucht es für Andreas Greiner, Universität Bayreuth, „parallele Fortschritte in vielen Bereichen. Es sind Abfallwirtschaft, Regulierung, Wirtschaft und unser Verhalten gefragt, um die Infrastruktur und die Ökosysteme für ein nachhaltiges Kunststoffsystem zu schaffen.“Whitepaper über <a href="https://t1p.de/h84b" target="_blank">t1p.de/h84b</a>Kunststoffe und deren Verwertung | Im Jahr 2017 wurden weltweit etwa 350 Mio. Tonnen Polymere produziert, in die Märkte gegeben und eingesetzt. Der Report „Kunststoffe und deren Verwertung“ vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) liefert Zahlen zu Produktionsmengen und Verwertung, zur Kreislaufwirtschaft sowie zur Verbreitung von Kunststoffabfällen und Mikroplastik. Der Begriff Polymere steht hier für die Gesamtheit aller synthetischen makromolekularen Substanzen wie Kunststoffe, Kautschuke, Lacke, Fasern und Kleber, welche die Industrie als Werkstoffe, Beschichtungen oder Gewebe einsetzt. Der Report verbindet Informationen aus Industrie, Wissenschaft, Politik und Gesellschaft mit Zahlen zur weltweiten Kunststoffproduktion.VDI-Report über <a href="https://t1p.de/caj6" target="_blank">t1p.de/caj6</a>Sensorsystem für Arbeitsschutz in der Kunststoffindustrie | Werden Kunststoffe recycelt, können gesundheitsschädliche Dämpfe oder Gase entstehen. Um die Luftqualität während des Verarbeitungsprozesses zu überwachen, kombinieren Andreas Schütze und sein Team von der Universität des Saarlands zusammen mit dem Zuse-Institut SKZ in Würzburg Halbleitergassensoren mit einer elektrochemischen Zelle und einem Photoionisationsdetektor. Das Sensorsystem soll den Arbeitsschutz und die Verarbeitungsprozesse verbessern. Diese lassen sich damit so fahren, dass weniger Emissionen auftreten. Am Projekt „Kore“ können sich noch Firmen beteiligen. MBProjekt Kore: <a href="https://t1p.de/5mji" target="_blank">t1p.de/5mji</a>

Meldung

Polymere: Ökosysteme, Produktion und Abfälle

Kunststoffkreislaufwirtschaft | Ein Whitepaper des Chemical Sciences and Society Symposium (CS3) fordert neue Methoden, Kunststoffe zu untersuchen. Demnach helfen etwa Verfahren, die simulieren, wie sich Mikrokunststoffe in der Umwelt verteilen, den Verbleib und die Persistenz von Kunststoffabfäl...

Kunststoffe und Elastomere finden sich überall in Fahrzeugen. Versteckt oder sichtbar sorgen sie für Komfort und sichern den reibungslosen Betrieb – nicht nur bei Verbrennungsmotoren, sondern auch bei neuen Antriebskonzepten wie Brennstoffzellen.
Über 38 Millionen Treffer findet Google zum Wort Mobilität, bei „Mobilität der Zukunft“ sind es immer noch mehr als 33 Millionen. Seit der Erfindung des Verbrennungsmotors hat das Auto einen festen Platz in der Mobilität. Dafür waren und sind – häufig unsichtbar – Polymere in unterschiedlichen Erscheinungsformen verantwortlich.<h2>Die Welt der Dichtungen</h2>Dichtungen dichten rotierende Wellen in einem Gehäuse sowie nicht zueinander bewegte Teile ab: beispielsweise in Motoren, Antrieben und Klimaanlagen. Radialwellendichtungen etwa – besser bekannt als Simmerring – aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) gibt es seit dem Jahr 1936 in Automobilen, und sie dichten noch heute Kurbel- und Nockenwellen ab.Mit schnelleren Fahrzeugen, höheren Sicherheitsanforderungen und mehr Fahrkomfort kamen neue Dichtungswerkstoffe dazu. Sie verkraften Temperaturen bis zu 225 °C sowie synthetische Motoröle und Kraftstoffe auf Rapsölbasis. Zu diesen Werkstoffen gehören Acrylat- (ACM) und Fluorkautschuke (FKM) mit höherer Hitze- sowie Chemikalienbeständigkeit und Polytetrafluorethylen (PTFE).Anwendungen in modernen Automatikgetrieben sowie in hochbelasteten Lagern und Kolbenzylindern erfordern hochkriechfeste Werkstoffe, die bei Temperaturen bis 275 °C noch ausreichend fest sind. Materialien für derartige Beanspruchungen sind Hochleistungskunststoffe und Compounds auf Basis von Polyetheretherketonen (PEEK), Polyamidimiden (PAI) oder Polyimiden (PI).Die Entwicklung neuer Dichtungswerkstoffe für Autos bleibt schwierig. Das zeigt sich etwa bei der Fahrdynamikregelung, dem elektronischen Stabilitätsprogramm ESP. In kritischen Situationen verhindert das Fahrassistenzsystem, dass der Wagen ausbricht, indem es einzelne Räder bremst. Den Bremsdruck baut in diesen Situationen nicht der Fahrer auf, sondern eine Bremshydraulik mit eigener Pumpe. Je häufiger das ESP-Bremsregelsystem eingreifen muss, desto höher ist die Belastung der O-Ringe auf der Kolbenstange. Die Anforderungen an diese O-Ringe werden beim autonomen Fahren weiter steigen. Mit maßgeschneiderten Prüfständen entstand eine neue Type Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) für die O-Ringe. Dichtungen daraus dichten bis –40 °C. Darüber hinaus reibt sich das Material in der dynamischen Anwendung nicht ab (Abbildung links).<figure><img src="https://media.graphcms.com/B94hhyIShft5vWxueUZw"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Mikro-O-Ringe aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk sorgen dafür, dass Fahrassistenzsysteme sicher funktionieren. Bild: Freudenberg Sealing Technologies</figcaption></figure>
<h2>Dichte Brennstoffzellen</h2>Alle Dichtungen müssen ein optimiertes Relaxationsverhalten zeigen – also die Rückstellkraft lange aufrecht erhalten. Ebenfalls unverzichtbar: Sie müssen chemisch und thermisch beständig sowie gut in Großserien zu verarbeiten sein. Dichtungen für Brennstoffzellen dürfen zudem keine Substanzen enthalten, welche die Elektrochemie der Brennstoffzelle stören. Inhaltsstoffe, die migrieren und die Katalysatorschicht deaktivieren, sind genauso tabu wie solche, die sich auswaschen lassen. Denn sie könnten die Poren der Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle verstopfen und die aktiven Oberflächen belegen.Der Dichtungswerkstoff muss selbstverständlich dicht gegen Wasserstoff sein. Die häufig verwendeten Silikonelastomere sind wegen ihrer hohen Gasdurchlässigkeit nur zweite Wahl. Den Silikonen hier überlegene Dichtungen basieren auf permeationsdichten Kautschuken und einer auf die Anwendung zugeschnittenen Rezeptur. Silikonelastomere sind etwa hundertmal gasdurchlässiger als die entsprechend optimierten Werkstoffe.<h2>Saubere Luft ist gefragt</h2>Gleichgültig ob Pkw, Lkw, Flugzeug oder Bahn – ohne Filter aus Polymerfasern geht es nicht. Sie reinigen Öl, Kraftstoff und die Motorzuluft. Seit Ende der 1980er Jahre gibt es zudem Kfz-Innenraumfilter. Diese hielten vor allem Pollen und Staub mit Partikeln größer als 3 μm aus der Fahrzeugkabine fern.Im Lauf der Jahre stiegen die Ansprüche. Ruß, Reifen- und Straßenabrieb, Schwebstaub, Feinststaub und Gerüche, lungengängige Partikel – manche 0,2 µm klein – dürfen nicht in den Fahrzeuginnenraum gelangen. Zu einem Vlies gearbeitete Fasern aus Polyester und Polypropylen verhindern dies. Kombiniert mit einer Vliesstoffschicht, die Aktivkohle enthält, entfernen diese Vliese sogar Gase und Gerüche.Die wie willkürlich neben-, über- und untereinander liegenden Fasern sollen einerseits alle Partikel im Filtervlies fangen. Andererseits muss der Luftstrom durch das Vlies ohne großen Druckabfall hindurchströmen. Je höher der Druckverlust, desto mehr Energie ist nötig, um den Luftstrom durch den Filter zu pressen. Ebenfalls notwendig: Eine große Oberfläche, in die sich die Partikel einlagern, ohne den Filter zu verstopfen. Überdies ist der Bauraum begrenzt.Um diese Probleme zu lösen, gibt es in kleine Falten gelegte, etwa ein bis zwei Millimeter dicke Vliese. Die Plissiertechnik vergrößert die Oberfläche bei gleichen Außenabmessungen um ein Vielfaches. Damit dies gelingt, werden aus der Schmelze gesponnene Endlosfasern verschiedener Durchmesser zum Vlies gelegt. Dabei lassen sich im Herstellungsprozess elektrostatische Aufladungen erzeugen, wodurch selbst feinste Partikel an der Faseroberfläche des fertigen Vlieses haften.Moderne Filter sind progressiv aufgebaut: von dickeren und damit steiferen Fasern – meist aus Polyester – am Lufteintritt bis hin zu feinsten Fasern mit Durchmessern von 0,5 bis 1,0 µm aus Polypropylen am Filterausgang. Dieser Faseraufbau und die Werkstoffkombination ergeben einen eigenstabilen plissierbaren Vliesstoff.Die Vliese enthalten weder Additive noch Bindemittel. Denn sie könnten ausgasen und die Fahrzeuginsassen gefährden. Stattdessen sind die Vliese thermisch verfestigt. Dazu werden die zu einem lockeren Vlies gelegten Fasern bis zum Schmelzpunkt erwärmt, und sie verbinden sich an den Berührungspunkten.Noch bessere Abscheidung und Adsorption von Gasen stehen neben der steigenden Anforderung an Zusatzfunktionen wie antiallergene und antivirale Eigenschaften heute im Fokus der Entwickler (Abbildung oben). Größere Bauräume für Kfz-Innenraumfilter, wie es sie bei einigen Elektrofahrzeugen gibt, werden es künftig beispielsweise erlauben, die Leistung der Filter weiter zu steigern und damit die Luftqualität im Fahrzeuginnenraum zu verbessern.<figure><img src="https://media.graphcms.com/7lAQKHHQW6FzsUFMLDrQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Autoinnenraumfilter. 1 und 2: Mehrlagiges Design stoppt Feinstaub und Schimmelsporen; 3: Aktivkohle schützt vor Emissionen des Fahrzeuginnenraums; 4: Funktionslage wirkt gegen luftgetragene Allergene.</figcaption></figure>
<h2>Vliesstoffe von oben bis unten</h2>Vliese sind in Autoteppichen, im Dachhimmel, dämmen Schall und sorgen dafür, dass neue Antriebskonzepte wie Brennstoffzelle und E-Mobilität mit Lithiumionenbatterien funktionieren.Ein Autodachhimmel soll gut aussehen und sich leicht reinigen lassen. Nicht selten besteht er aus Vlies, für das Nadeln mit Widerhaken gesponnene Polyethylen-Stapelfasern auf Rezyklatbasis mechanisch verarbeiten.Etwa vier Quadratmeter Teppich liegen in einem Auto – und die Rückseite, der Teppichträger oder auch Tuffträger ist meist ein Vlies. Statt um winzige Faserdurchmesser wie beim Filter geht es hier um dickere Fasern. Hergestellt aus Polyestern und Copolyestern im Spinnvliesverfahren sorgen sie für Stabilität und Festigkeit. Die kontinuierliche Faserproduktion aus der Schmelze gestattet einen hohen Durchsatz.Dicke Fasern gleichmäßig zu spinnen und zu einem Tuffträger abzulegen erfordert maßgeschneiderte Verfahrenstechnik. Teppichträger aus Polymervlies lassen sich damit im Thermoformverfahren an die individuellen Formen des Autoinnenraums anpassen.Der Trend geht zu immer leichteren Tuffträgern, die mit weniger Material auskommen und dennoch fest, stabil und funktional sind. Das klappt, wenn die Fasern gleichmäßig und kontrolliert abgelegt sind. Dadurch sinkt die Faserlagenzahl, und die Oberfläche hat kaum Berge und Täler.Bis vor 15 Jahren bestanden Tuffträger ausschließlich aus Polymerneuware. Inzwischen kommen Polymer-Industrieabfälle und Abfälle wie PET-Flaschen von Endverbrauchern dazu. Teppichrücken aus 40 bis 70 Prozent Rezyklat sind heute Standard, und solche aus 100 Prozent Rezyklat sind machbar.<h2>Dämmen und trennen</h2>Vlies dämmt hohe fiepende Geräusche, die sich über die Luft übertragen. Frequenzen von 6000 Hertz und mehr entstehen in jedem Fahrzeug, vor allem bei denen mit Elektroantrieb. Die Vliese gegen Schallübertragung sollen möglichst wenig wiegen und keine flüchtigen organischen Stoffe (volatile organic compounds, VOC) ausdampfen. Dazu dienen Träger aus Polyester-Stapelfasern in verschiedenen Feinheiten kombiniert mit feinsten heißluftgezogenen, nahezu VOC-freien Filamenten aus Polypropylen. Deren Durchmesser beträgt einen Mikrometer oder weniger. Thermisch verfestigt sind diese Akustikvliese in Türen, zwischen Motor und Innenraum, in der Bodengruppe und im Dach (Abbildung links).<figure><img src="https://media.graphcms.com/yC7YM9yQ02QtONqaVYJ2"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Akustikvlies in einer Autotür. Solche Vliese dämmen den Schall, etwa fiepende Geräusche vom Elektroantrieb. Bild: Freudenberg Performance Materials</figcaption></figure>
In Lithiumionenbatterien trennen Vliese Kathode und Anode. Ein solches Separatorvlies besteht aus Polyethylenterephthalat-Nassvlies, das vollflächig mit Keramik beschichtet ist. Nach dem Beschichten ist der Separator 23 µm dick und hat ein Flächengewicht von etwa 32 g·m–². Die mittlere Porengröße liegt bei 0,33 µm. Zwei Drittel des Flächengewichts beruhen auf der Keramikbeschichtung.Mit Keramik trennt der Separator auch bei Temperaturen von über 200 °C. Dies ist wichtig, weil Überladung, mechanische Belastungen, Defekte in den Elektroden oder ähnliches die Batterien erhitzen. Würde der Separator seine Trennwirkung dann verlieren, kämen die Elektroden in Kontakt zueinander, und die Batterie könnte explodieren.Auch die Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle besteht aus Vliesen (Abbildung rechts). Sie managt in der Zelle sämtliche Transportprozesse auf atomarer Ebene. Vliese dafür beruhen auf oxidierten Stapelfasern aus Polyacrylnitril, die karbonisiert und mit einer mikroporösen Schicht umhüllt sind.<figure><img src="https://media.graphcms.com/b7d8dxA7S3KvrLKyZoxj"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Die Gasdiffusionsschicht mit integrierter Dichtung ist eine Baugruppe einer Brennstoffzelle. Quelle: Freudenberg Sealing Technologies und Freudenberg Performance Materials</figcaption></figure>
Die Gasdiffusionsschicht ist leitfähig und entsteht durch mechanische Verfestigung aus den vorab hergestellten Stapelfasern. Die gesamte Dicke der Gasdiffusionsschicht beträgt zwischen 90 und 150 µm, die einzelne Faser ist nicht dicker als 10 bis 12 µm. Das Vlies muss eine gleichmäßige, homogene ebene Oberfläche haben.<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Dichtungen, Filter und andere Polymerprodukte für Automobile werden wie diese weiterentwickelt.Vliese eignen sich je nach Aufbau etwa um Schadstoffe herauszufiltern, Schall zu dämmen oder Transportprozesse in Brennstoffzellen zu managen.Bei Polymeranwendungen für die Automobilindustrie steigt der Rezyklatanteil.<h2>Die Autoren</h2>Den Beitrag verfassten Ruth Bieringer, Volker Braeunling und Gerhard Schoepping. Die promovierte Chemikerin Bieringer ist Vice President Material Technology bei Freudenberg Sealing Technologies in Frankfurt am Main. Braeunling ist Global Technical Director Automotive Filter bei Freudenberg Filtration Technologies in Weinheim. Schoepping ist Direktor für Innovation und Technologie bei Freudenberg Performance Materials in Weinheim.

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Polymere: Ökosysteme, Produktion und Abfälle

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