Plastik Flashcards
Was ist Plastik?
- Breite Kategorie von Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften → auf Basis fossiler Brennstoffe oder biobasiert
- 2 Hauptgruppen von Kunststoffen (basierend auf dem thermischen Verarbeitungsverhalten)
o Thermoplaste - schmelzbar und umformbar
o Duroplaste - irreversibel nach Erhitzen, Mischen oder Bestrahlung
o Elastomere - viskoelastisch, weich, verformbar
Definitionen
Monomere= niedermolekulare reaktive Bausteine, die in der Lage sind, sich zu verbinden und Makromolekülen. Polymere= werden durch die Reaktivität von gleichen oder gleichartigen Monomeren durch Polyreaktionen. Kunststoffe= Werkstoffe, deren elementare Bestandteile synthetisch oder halb synthetisch hergestellte Polymere mit organischen Gruppen (C,H) sind.
Klassifizierung von Plastik
(1) Thermoplaste: (etwa 80% des Plastiks
- Vernetzte Polymere, die oft eine teilkristalline Struktur haben
- Energiezufuhr führt zu Verformbarkeit und Plastizität
- Verarbeitbar mit verschiedenen Methoden
- Bauteil behält seine Form nach dem Abkühlen
- Reversibler Prozess
(2) Duroplaste:
- Eng vernetzte Polymere
- Die Vernetzung ist chemisch, zwischen den Molekülen der den Grundstoffen, irreversibel
- Nur mechanische Verarbeitung ist möglich
- meist hart und spröde, nicht verformbar
(3) Elastomer:
- -Lose verknüpfte Polymere
- Großer Zwischenraum zwischen den Gliedern ermöglicht Dehnung unter Belastung
- Elastisch
Additive für Vielfalt
- Additive zur Einstellung der Eigenschaften (chemisch, mechanisch, elektrisch) je nach Einsatz und Anforderungen → 1 - 50 % der Kunststoffe
(Stabilisatoren, Weichmacher, Verstärkungsmaterialien, Flammschutzmittel, Pigmente, Füllstoffe)
Plastikproduktion
- 51% in Asien –> 30% in China
Raffination -> Cracking -> Polimerisation -> Mischen mit Additiven -> Formgebung (hier Plastikgranulate mit rein) -> Verwendung
Plastik und die Umwelt
- Energieintensive Produktion, Logistik und Verbrennung von fossil basierten Rohstoffen CO2 Emissionen
- Annahme: Kunststoffmanagement am Ende des Lebenszyklus ändert sich nicht (Business-as-usual-Szenario),
- Konsequenz: kumulierte Emissionen ca. 290 Mio. t von 2020 bis 2050
→ 3,7 % des deutschen Kohlenstoffbudgets, um das 1,75 °C-Ziel des Pariser Abkommens einzuhalten - Ca. 0,2 bis 2,5% der deutschen Kunststoffabfälle gelangen über die Vermüllung in die Umwelt (Mikro- und Makroplastik) Plastik in der Umwelt
- Zirkularität der Produkte bei Kaskadennutzung unklar Downcycling (z.B. Baustoff-Ersatzprodukte)
- Mangelnde Schadstoffausschleusung und Senkenfunktionvon Recyclingverfahren toxische Substanzen
Mechanisches Recycling
- Nur direkt aufbereitete Thermoplaste → allein oder als Zusatz zu neuem Polymer in verschiedenen Anteilen verwendet
- Duroplaste sind nicht umschmelzbar → Partikelrecycling (= geschreddert → Füllstoffe in neuen Duroplasten)
- Verarbeitung: Zerkleinerung/ Zerkleinerung (nahe der Partikelgröße des ursprünglichen Polymers) → Waschen → Trocknen → Metallabscheidung → Sortieren → (Compoundieren → Restabilisieren → Homogenisieren → Entgasen) → Regranulieren/Umschmelzen
- Verschieden Kunstoffe haben unterschiedliche Schmelzpunkte –> Hitze kann Kunststoffe zerstören
- bestes Ergebnis. wenn Abfall sortenrein
- Verunreinigung von Metallen, Pigmente, Füllstoffe
- Energie- und wasserintensiv,
- 4-5 mal Recycling ohne Zugabe von neuem Material möglich
Unvermischbarkeit von Kunststoffen
- Die meisten Polymere sind in hohem Maße nicht mischbar → Blends erfordern Kompatibilisatoren
- Verarbeitungstemperatur hängt ab von Kunststofftyp → großer Bereich
- Polymere altern durch Degradation und Autoxidation
o Rezyklierte Kunststoffe sind minderwertig
o Rezyklierte Kunststoffe = Blends mit Neuware Polymere im werkstofflichen Recycling
Chemisches Recycling
- Eingabe: Kunststoffabfälle verschiedenster Art, stark verschmutzt, veränderte Molekularstruktur durch Abbau von Verbundwerkstoffen, gefüllten Kunststoffen, Duroplasten, Elastomeren
- Verarbeitung: Zerkleinerung → hoher Druck + hohe Temperatur → Aufspaltung der Makromoleküle in kleinere Fragmente → Monomere mit Slvolyse oder Gas, Wachs, Öl mit Thermolyse
- Verwendung als Ausgangsmaterial für chemische Sekundärrohstoffe → neue Kunststoffe oder andere Produkte
Thermolyse - Thermische Depolymerisation
- Pyrolyse
o Thermische Zersetzung von Polymeren (reine oder gemischte Abfallströme), ohne O2, Temperatur > 300 °C (abhängig vom Kunststofftyp) → niedermolekulare Öle/Gase (breites Spektrum an Zersetzungsprodukten) → durch Weiterverarbeitung Rückgewinnung von Rohchemikalien,
o Geeignet für Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, Verbundwerkstoffe, stark verschmutzte/beschädigte Kunststoffe, z.B. PE, PP, PS
o Schadstoffe werden in einem kokelartigen Rückstand konzentriert (wirkt als Matrix)
o Energieintensiv - Hydrierung
o Chemische Verbindungen + H2, hydrierende Spaltung/ hohe Temperatur (bis zu 500°C)/ hoher Druck (bis zu 300 - 400 bar), unter Verwendung von Katalysatoren (Kobalt-Molybdän), organische Verbindungen Reduktion von Makromeren, resultierend in Alkanen, Ausbeute 60 - 90 % flüssige Hydrocarbonate
o Geeignet für Polystyrol, Polyolefine, die meisten auf diese Weise abbaubaren Kunststoffe - keine Sortierung erforderlich - Vergasung
o In Gemischen in Kombination mit Braunkohle → Energie durch teilweise Verbrennung des Einsatzmaterials (Temp.- 1600°C, Druck -150 bar) →Synthesegas (H2, CO2) → Verwendung für die Synthese von Methanol; thermische Energie
o Ofen: Reduktion von Eisenerz in einem Ofen, Substitution von Schweröl
Solvolyse
- Einsatz von Lösungsmittel zum Abbau der chem. Bindung, geeignet für Polykondensate, Gleichgewichts Reaktonen –> Änderung des Gleichgewichtszustands in Richtung Monomer
z. B. Alkoholyse, Methanolyse, Glykolyse, Hydrolyse
Energetisches Recycling
- Stark verschmutzte Kunststoffe → wenn die Aufbereitung (Reinigung, Sortierung, Trennung) zu teuer oder energieintensiv ist
- Nutzung des Energiegehaltes der Kunststoffe → hoher Heizwert (1 kg ≈ 1 kg Heizöl, höher als Kohle) Müllverbrennungsanlage → Strom, Wärme, Dampf
- Ersatzbrennstoff in z. B. Zementwerken als Substitution für fossile Brennstoffe
- Reduziert das Müllvolumen
- Freisetzung durch Verbrennung:
o Halogenhaltige Kunststoffe (z. B. Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen) setzen Chlorwasserstoff oder Fluoride frei
o Stickstoffhaltige Kunststoffe (z. B. Polyamide, Polynitrile, Polyurethane) erhöhen die NOx-Emissionen
o Metalle und andere organische Verbindungen aus Farbstoffen, Pigmenten, Stabilisatoren, Weichmacher
→ Erfordert Rauchgaswäsche - Schlämme können Schwermetalle enthalten
Alternatives Ausgangsmaterial – Biokunststoffe
- sind entweder biobasiert (gewonnen aus Biomasse wie Mais, Zuckerrohr oder Zellulose) oder biologisch abbaubar (Umwandlung in natürliche Stoffe wie Wasser, Kohlendioxid und Kompost durch Mikroorganismen) oder beides
Qualität der Rezyklate
- Getrennter Kunststoffstrom vs. gemischter Kunststoffstrom
Downcycling
Ökodesign
Anforderungen an die Materialeffizienz
- Verfügbarkeit von Ersatzteilen
o mindestens xx Jahre nach Kauf
o Lieferung innerhalb von 15 Arbeitstagen
- Austauschbarkeit durch handelsübliche Werkzeuge
- Bereitstellung von Informationen zur Reparatur
- Bewertung der Wiederverwertbarkeit
- Deklaration der zu erwartenden Gebrauchsdauer
- Anforderung an die Lebensdauer
Zusammenfassung
- Recycling erfordert die getrennte Sammlung von Wertstoffen Getrenntsammlung), um den Aufwand und die Materialverluste bei der Aufbereitung sauberer Rezyklate zu reduzieren
- Jede Materialverarbeitungskette hat individuelle Qualitätsanforderungen hinsichtlich kritischer Verunreinigungen
- Recycling erfordert die Abtrennung von Verunreinigungen und Fremdkörpern (Aufbereitung) in Abhängigkeit von der Eingangsqualität
- Die mechanische Aufbereitung passt die Qualität der Rezyklate an die geforderten Eigenschaften an
- Recycling reduziert die Umweltbelastung im Vergleich zur Primärproduktion von Werkstoffen
