Stabilność procesu przy wykorzystaniu materiałów pochodzących z recyklingu Jak inteligentne dodatki zmieniają proces przetwarzania

Dodatki o hiperrozgałęzionej strukturze optymalizują przetwarzanie materiałów pochodzących z recyklingu poprzez ograniczanie wahań lepkości i znaczne poszerzenie zakresu parametrów procesowych. Te inteligentne środki zmniejszają zapotrzebowanie na energię oraz wskaźniki braku, a nawet umożliwiają upcykling wysokiej jakości.

Wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu staje się coraz bardziej powszechną zasadą postępowania. O ile dotychczas przedsiębiorstwa opierały się na dobrowolnym stosowaniu materiałów pochodzących z recyklingu poużytkowego (PCR), o tyle obecnie ustawodawca aktywnie – choć stopniowo – dąży do zamknięcia obiegów materiałowych. W wymagających zastosowaniach może to prowadzić do niedoborów materiałów, jak pokazuje unijne rozporządzenie w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji. Materiały poddane recyklingowi mechanicznemu nadal stanowią wyzwanie technologiczne dla producentów wyrobów wytłaczanych i formowanych wtryskowo.

Do największych przeszkód należą wahania lepkości stopu, wynikające z niejednorodnych strumieni materiału, a także termiczna degradacja materiału podczas przetwarzania. Nie można zagwarantować stabilności procesu z powodu niestabilnych ciśnień i/lub ograniczonej płynności, co prowadzi do zwiększonego odsetka odpadów lub nieekonomicznej wydajności.

Rozwiązaniem są wysokowydajne dodatki, które w sposób ukierunkowany oddziałują na właściwości reologiczne stopu. Dotychczasowe klasyczne podejścia polegały przede wszystkim na rozbijaniu lub skracaniu łańcuchów polimerowych w celu zwiększenia ich ruchliwości, a tym samym płynności. Można również dodawać struktury niskocząsteczkowe, które poprawiają właściwości ślizgowe i działają albo wewnętrznie w stopionej masie, albo na powierzchniach i ściankach maszyn oraz narzędzi. Podejścia te zapewniają wprawdzie rozwiązania krótkoterminowe, ale utrudniają zrównoważoną eksploatację.

Dodatki o hiperrozgałęzionej strukturze jako nowe podejście

Cel, jakim jest zwiększenie ruchliwości łańcuchów, realizuje również podejście oparte na hiperrozgałęzionych dodatkach, które zachowują nienaruszoną strukturę materiału docelowego i działają wyłącznie w stopie. Ich struktura przypominająca korony drzew pozwala, jako quasi-sferyczne formacje, podobnie jak łożysko toczne, zmniejszać tarcie między łańcuchami polimerowymi w stopie.

W ten sposób zmniejsza się lepkość stopu przy zachowaniu pozostałych właściwości fizycznych. Ponieważ dodatki nie ulegają migracji, efekt ten będzie nadal występował w przyszłych procesach topienia. Nie konkurują one z innymi środkami pomocniczymi stosowanymi w procesie (np. modyfikatorami udarności) i nie osłabiają ich wpływu na produkt końcowy. Wręcz przeciwnie – sprzyjają one jednorodności stopu i zapewniają również całkowite wypełnienie formy w narzędziu.

Recykling zderzaków jako przykład 

Poniżej przedstawiono przykład ilustrujący tę kwestię:  W ramach rozporządzenia UE w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji możliwe jest recyklingowanie np. zderzaków wykonanych z polipropylenu (PP) i kauczuku etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM). Jeśli taki zderzak ma zostać przetworzony na produkt z recyklingu, najpierw jest on odlakierowywany, a następnie poddawany działaniu nadtlenków, które powodują degradację łańcuchów polimerowych. W ten sposób składnik PP staje się bardziej płynny, podczas gdy składnik EPDM ulega sieciowaniu i wzrasta jego lepkość. Te zróżnicowane właściwości płynięcia utrudniają sensowne połączenie tych materiałów w produkt z recyklingu. Hiperrozgałęziony dodatek – w gruncie rzeczy polimer – sprawia, że stosowanie nadtlenków staje się zbędne.

Niezależnie od rodzaju materiału, zastosowanie takich specjalnych dodatków w celu uzyskania precyzyjnie zdefiniowanych profili lepkości prowadzi do poszerzenia okna procesowego, ponieważ lepsza płynność pozwala na obniżenie ciśnień wtrysku. Również obniżenie temperatur przetwarzania jest stale obserwowane w najróżniejszych scenariuszach. W zależności od sposobu prowadzenia procesu i celu, oba te czynniki skutkują mniejszym zapotrzebowaniem na energię oraz skróceniem czasu cyklu. Dzięki poszerzeniu zakresu procesowego możliwe staje się wykorzystanie nowych materiałów w zastosowaniach, które dotychczas wykraczały poza rozważany zakres.

Ogólnie rzecz biorąc: dzięki swojemu integracyjnemu charakterowi zastosowanie nadmiernie rozgałęzionych dodatków stanowi wzrost wartości surowców pierwotnych, a także materiałów PCR i PIR. Jednak przede wszystkim w przypadku materiałów takich jak rPET lub rPMMA dobrze skonstruowany dodatek może wyrównać różnice w przetwarzaniu termicznym poprzez ujednolicenie właściwości materiału oraz obniżyć wysokie temperatury topnienia dzięki zwiększonej elastyczności łańcuchów polimerowych.

Firma Polytives stawia na dodatki polimerowe. Czym Państwa rozwiązania różnią się pod względem technologicznym i sposobu działania od klasycznych mieszanek barwiących (masterbatch) lub dodatków niskocząsteczkowych?

Wymierne efekty: wyższa jakość, mniej odpadów

Firma Polytives jest liderem w produkcji polimerów hiperrozgałęzionych i w kilku studiach przypadków wykazała optymalizację procesów i materiałów dzięki zastosowaniu swoich dodatków. Poniżej omówiono dwa z tych badań:

We współpracy z Pekutherm Kunststoffe, Sitraplas oraz firmą Polytives udało się znacznie zwiększyć wskaźnik objętości stopu (MVR) płyt PMMA przeznaczonych do zastosowań konsumenckich. Podczas gdy masa rPMMA bez dodatku bFI A 3745 nadawała się wyłącznie do wytłaczania, po dodaniu tego dodatku (w ilości 3–5%) udało się uzyskać jakość odpowiednią do formowania wtryskowego. Ściśle rzecz biorąc, osiągnięto nie tylko recykling, ale i upcykling – podejście, które jest szczególnie skuteczne, gdy należy zminimalizować ślad węglowy CO₂ produktu z tworzywa sztucznego poprzez zastosowanie udziału materiału pochodzącego z recyklingu.

W badaniu przeprowadzonym przez partnerów Brac-Werke, Nordmann, Rassmann oraz Polytives udało się dostosować istniejącą formę do przetwarzania rPET. W standardowych warunkach forma nie była całkowicie wypełniona. Zwiększenie ciśnienia nie wchodziło w grę, ponieważ w okolicy wlewka obserwowano miejscami znaczne przelewanie. Również w tym przypadku wystarczyło niewielkie, jednocyfrowe dozowanie polimeru hiperrozgałęzionego, aby nadać masie formierskiej taką płynność, że – przy zachowaniu wszystkich pozostałych parametrów – ciśnienie wtrysku można było zmniejszyć nawet o 25%.

W najbliższych latach znacznie wzrośnie zainteresowanie materiałami pochodzącymi z recyklingu. Polimery hiperrozgałęzione mogą zapewnić przetwórcom decydującą przewagę: poszerzone okno technologiczne dzięki niższym ciśnieniom i temperaturom – co pozwala na łagodniejsze, bardziej energooszczędne procesy z mniejszą ilością odpadów. Dzięki współdziałaniu tworzywa sztucznego, dodatku i procesu można w ten sposób opracowywać i wytwarzać produkty zrównoważone i opłacalne.

Nasze dodatki same w sobie są polimerami

Wywiad z Viktorią Rothleitner, założycielką i dyrektorką generalną firmy Polytives

Firma Polytives stawia na dodatki polimerowe. Czym Państwa rozwiązania różnią się pod względem technologicznym i sposobu działania od klasycznych mieszanek barwiących (masterbatch) lub dodatków niskocząsteczkowych?

Viktoria Rothleitner: Nasze dodatki polimerowe same w sobie są materiałami o dużej masie cząsteczkowej i oddziałują fizycznie poprzez celowe wpłynięcie na lepkość stopu – a nie poprzez reakcje chemiczne. W przeciwieństwie do klasycznych mieszanek barwiących nie wymagają one systemu nośnikowego, nie ulegają migracji i w pełni zachowują właściwości materiału.

Kiedy stosowanie Państwa dodatków opłaca się z ekonomicznego punktu widzenia dla średniej wielkości przedsiębiorstwa zajmującego się formowaniem wtryskowym lub wytłaczaniem?

Rothleitner: Na to pytanie można odpowiedzieć jedynie: „to zależy”, ponieważ kalkulacja każdego przetwórcy jest bardzo specyficzna. W praktyce jednak szybko widać korzyści w zakresie kosztów jednostkowych, na przykład dzięki skróceniu czasu cyklu o 20–30% lub gdy materiały po raz pierwszy stają się opłacalne do przetwarzania lub mogą być przetwarzane na istniejących maszynach i przy użyciu istniejących narzędzi.

Wyzwanie związane z rPMMA/rPET: Materiały te są uważane za „divy” w branży recyklingu. Jaki jest kluczowy czynnik pozwalający osiągnąć w tym przypadku stabilność procesu zbliżoną do tej uzyskiwanej w przypadku surowców pierwotnych?

Rothleitner: Kluczowym czynnikiem jest celowe obniżenie lepkości stopu podczas przetwarzania – bez pogorszenia właściwości samego materiału. Dzięki temu można stabilnie przetwarzać partie o zmiennej jakości, zmniejszyć ciśnienie i temperaturę, a także znacznie zwiększyć niezawodność procesu oraz umożliwić zastosowania, które wcześniej uważano za niemożliwe do przetworzenia.

Krytycy często zarzucają, że dodatki mogą zanieczyszczać strumień surowców wtórnych. W jaki sposób Państwo zapewniają, że produkty zoptymalizowane przy użyciu dodatków Polytives nie staną się same w sobie problemem w kolejnym cyklu recyklingu?

Rothleitner: Nasze dodatki same w sobie są polimerami, są odporne na migrację i kompatybilne z matrycą, dzięki czemu nie powodują żadnych problemów w istniejących strumieniach recyklingu. Dodatki te nie wprowadzają do mieszanki substancji niskocząsteczkowych i nie wchodzą w reakcje w systemie – na tym polega ich ogromna zaleta.

W kontekście PRSE: Jak obecnie rozwija się technologia przetwarzania materiałów pochodzących z recyklingu?

Rothleitner: Naszym zdaniem tendencja wyraźnie odchodzi od czystej optymalizacji materiałowej w kierunku opanowania recyklatów na poziomie procesu: wahania lepkości i jakości są w coraz większym stopniu kompensowane w ramach procesu, a nie eliminowane. W niektórych zastosowaniach materiały pochodzące z recyklingu stają się dzięki temu po raz pierwszy stabilne i opłacalne w użyciu.