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Thermisches Recycling von Polymethylmethacrylat (PMMA) im Extruder

Von gemischtem Abfall zu recycelter Qualitätsware
Thermisches Recycling von Polymethylmethacrylat (PMMA) im Extruder

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Die Depolymerisation von PMMA-Abfällen ist nicht nur aus Sicht der Umwelt interessant, sondern vor allem eine enorme Ressource, die bis heute im industriellen Maßstab kaum professionell genutzt wird. Das Projekt MMAtwo geht im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 die wirtschaftliche Lösung dieses Umweltproblems methodisch an. Zu diesem Zweck haben sich 13 europäische Unternehmen zusammengeschlossen. Den technischen Schwerpunkt bildet das JSW Europe Extrusion Technical Center mit einem modifizierten Doppelschneckenextruder TEX44αIII.

Die Erkenntnis: „Verschiedene Arten und Mischungen von Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Abfällen zu recyceln, ist gar nicht so einfach. Wir testen aber gerade ein Verfahren, das sowohl ökologisch als auch ökonomisch neue Akzente bei diesem Thema setzt“, sagt Makoto Tojo, Technical Manager der Japan Steel Works Europe GmbH (JSW-EU), Düsseldorf. Sein Kollege, Hayato Hobo, JSW-EU Sales Representative, erläutert die Rahmenbedingungen: „Der größte Teil des Kunststoffrecyclings erfolgt derzeit mechanisch. Bei diesem Verfahren wird allerdings die Qualität des Kunststoffs mit jedem Recycling-Durchlauf schwächer. Durch die Regenerierung in Verbindung mit dem Depolymerisationsprozess kann jedoch eine Umwandlung des Polymers in Monomer erreicht werden.“

PMMA ist ein Polymer, das durch thermische Depolymerisation in seinen monomeren Zustand regeneriert werden kann. Dies gilt nicht ür alle Kunststoffe: Zum Beispiel kann Polycarbonat, einer der Konkurrenten von PMMA was die optischen Eigenschaften betrifft, nicht zum Monomer depolymerisiert werden. Polystyrol kann zwar auf die gleiche Weise recycelt werden, die Ausbeute ist jedoch geringer.

Depolymerisation von PMMA

Für die Depolymerisation von PMMA wird vor allem in Asien häufig das Verfahren der Trockendestillation eingesetzt. Die Technologie ist kapitalschonend, aber die Reinheit des zurückgewonnenen Monomers ist in der Regel gering und liegt unter den Erwartungen des EU-Marktes. Außerdem ist es nicht sehr energieeffizient. Zudem ist die Palette der PMMA-Sorten, die behandelt werden können, begrenzt. Das herkömmliche Verfahren zur PMMA-Depolymerisation in Europa ist das Bleischmelzbadverfahren. Nur hochwertige PMMA-Abfälle, wie z.B. post-industrieller Rückstand, können mit diesem Verfahren recycelt werden. „Das Depolymerisationsverfahren mit unserem TEX-Doppelschneckenextruder verarbeitet jedoch eine breite Palette von PMMA-Abfällen – einschließlich Altware, die anorganische Verunreinigungen enthält – und erzielt eine hohe Ausbeute“, sagt Hobo. „Durch den Erfolg des MMAtwo-Projekts kann eine große Menge an Abfällen, die normalerweise deponiert, verbrannt oder exportiert werden, mehrfach recycelt und immer wieder verwendet werden.“

Zahlen, Daten, Fakten zu PMMA

PMMA (Acrylglas) hat hervorragende optische und physikalische Eigenschaften. Es wird zur Verglasung von Wohnwagen, Fassaden, Möbel und Fahrzeugrückleuchten verwendet. Auch Flachbildschirme, Leuchtreklamen, Werbe-, Dekorations- und Schmuckartikel werden aus Acrylglas hergestellt. Die IT-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Pharmaindustrien verwenden PMMA. Für einen Marktwert von rund einer Milliarde Euro werden derzeit allein in Europa jährlich etwa 300 000 t dieses Materials produziert. Nur 10 % davon werden am Ende des Produktzyklus gesammelt und recycelt. Der weitaus größere Anteil wird exportiert, deponiert oder verbrannt.

Das MMAtwo-Projekt

Hayato Hobo erklärt den Startschuss und den Verlauf des MMAtwo-Projekts: „Arkema hat uns zum ersten Mal im Juni 2017 kontaktiert. Wir fuhren nach Paris und erklärten das Patent von JSW aus dem Jahre 1997, bei dem es um das chemische Recycling von PMMA geht. Zu diesem Zeitpunkt kannten wir den Plan für das Projekt noch nicht. Im November 2017 hatten wir ein Treffen mit Arkema und Heathland, und sie luden uns ein, im Konsortium als Schlüsseltechnologieanbieter für die Depolymerisation mitzuarbeiten. Das dann gegründete MMAtwo-Konsortium bereitete den Antrag vor und reichte ihn bei der zuständigen EU-Kommission ein, die daraufhin das Projekt genehmigte und das Budget freigab. So startete das MMAtwo-Projekt im Oktober 2018. Die Laufzeit des Projekts beträgt vier Jahre und endet somit im September 2022.“

Die Projekt-Partner

Die Aufgabe des Projekts besteht also darin, ein innovatives Verfahren für das Recycling von postindustriellen und unbrauchbaren PMMA-Abfällen zu Methylmethacrylat (MMA)-Rohstoff der zweiten Generation – also rMMA – zu entwickeln und eine zweite Wertschöpfungskette für diesen Kunststoff aufzubauen. Dazu wurde am 1. Oktober 2018 MMAtwo gegründet. Dreizehn Unternehmen aus sechs EU-Ländern engagieren sich in dem Projekt unter der Koordination von Arkema/Frankreich und Heathland/Niederlande: Quantis ist ein Partner, der die Ökobilanz für die verschiedenen Design-Optionen für die MMAtwo-Wertschöpfungskette erstellt. PDC entwickelt das Prozessdesign und führt die techno-ökonomischen Bewertungen durch. Certech ist der Chemie-Partner, der die Emissions- und Geruchsanalysen sowie die Standardisierung der PMMA-Abfallanalyse durchführt. Die Universität Gent ist der akademische Partner für das Verständnis der Depolymerisationskinetik, einschließlich der Validierung der Testwerte. Ecologic, Arkema, Delta Glass und Heathland beschaffen die Abfälle. Heathland und Comet Traitements sind für die Materialtrennung/Vorbehandlung verantwortlich. JSW-EU ist für die gesamte Extrusionstechnik verantwortlich. Speichim übernimmt die Endreinigung des rohen MMA, und Delta Glass, Arkema und Plados Telma sind die Endverbraucher des vom Konsortium zurückgewonnenen Materials. Last but not least hilft Ayming beim Projektmanagement. Immerhin fließen Fördermittel in das Projekt – 6,6 Millionen Euro aus dem EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020.

Start der Versuche in Düsseldorf

Der erste Versuchsaufbau stand im Juni 2020 im Technikum von JSW in Düsseldorf bereit. „Die Basis war unser gleichlaufender TEX44αIII-Doppelschneckenextruder. Diesen mussten wir zuvor für die Hochtemperatur-Depolymerisation von postindustriellen und Alt-PMMA-Abfällen umrüsten. Unser Werk in Japan hat die notwendigen Komponenten nach unseren konzeptionellen Vorgaben konstruiert und gebaut sowie die entsprechenden Computerprogramme implementiert“, erklärt Makoto Tojo. In einem ersten Schritt wurden zunächst relativ reine PMMA-Abfälle verarbeitet. In den beiden folgenden Versuchen im Jahr 2020 lag der Fokus auf verunreinigtem PMMA-Abfallmaterial. „Das sind eindeutig schwer zu regenerierende Abfälle in unterschiedlichen Verschmutzungsgraden, Farben et cetera“, räumt der technische Leiter ein, „und diese konnten wir schließlich in den hochwertigen Sekundärrohstoff rMMA umwandeln.“ Der Depolymerisationsprozess erfolgt durch Aufschmelzen des Materials in der vorgelagerten Zone des speziellen TEX44αIII-Doppelschneckenextruders, mit anschließendem Erhitzen der Schmelze auf Depolymerisationstemperatur und Umwandlung in gasförmige Materie in der nachgelagerten Zone des Extruders, wobei das verflüssigte Produkt im anschließenden Kondensationstank aufgenommen wird. JSW erreichte die angestrebte rMMA-Reinheit, und das rMMA wurde an Speichim und Arkema zur weiteren Verarbeitung und Anwendung geliefert.

Die nächsten Etappen

Im Frühjahr 2021 soll die vierte Versuchsreihe in Angriff genommen werden. „Wir kommen der industriellen, wirtschaftlich hochinteressanten Umsetzung unseres PMMA-Depolymerisationsprojekts immer näher. Der Personalbedarf ist im Vergleich zum konkurrierenden konventionellen Verfahren deutlich geringer. Der ökologische Vorteil, die Nachhaltigkeit und die Bedienersicherheit stehen außer Frage“, resümiert Makoto Tojo.

Für 2021 stehen noch zwei bis drei weitere experimentelle Testreihen auf dem Plan. Der Beitrag von JSW Europe – die Entwicklung einer technischen Lösung für die Monomerisierung von verschiedenen PMMA-Abfällen – steht bald vor seinem Abschluss. Kurz nach dem Ende des Projekts soll die erste kommerzielle Anlage in Betrieb genommen werden.


Autor: Thomas Behne

Freier Journalist


Der gleichlaufende Doppelschneckenextruder TEX44αIII wurde speziell für das Recycling von PMMA angepasst
Bild: JSW

Technik im Detail: Doppelschneckenextruder

Der gleichlaufende Doppelschneckenextruder TEX44αIII verarbeitet in seiner standardisierten Ausführung alle gängigen Kunststoffe, technische Kunststoffrezepturen bis hin zu Super-Engineering-Plastics wie PEEK, PPA, PPS, LCP, PEI und PI, außerdem Gummi-/Elastomer-Compounds wie TVP. Die Grundkonstruktion des TEX44αIII ist so ausgelegt, dass Kunststoffmaterial in allen physikalischen Formen verarbeitet werden kann – als Flüssigkeit, Pulver, Granulat, Flocken, Späne und Mahlgut usw. – was den Extruder zu einem idealen Verarbeitungssystem macht. Er ist insbesondere geeignet für den Einsatz in F&E mit häufigen Material- und Prozesswechseln. Einzelne, elektrisch versorgte Zylinderheizmäntel und eine eigens konstruierte Zylinderspannvorrichtung vereinfachen den sicheren Wechsel der Zylinderblöcke. Die Schnecken und Zylinder aus langlebigen, hochtemperaturbeständigen Legierungen, die im JSW-Stahlwerk selbst hergestellt werden, sorgen für optimale Leistung und eine lange Lebensdauer der Zylinder und Schnecken.

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