Innowacyjne technologie a upowszechnianie zastosowania recyklatów

Skuteczne działania z punktu widzenia gospodarki obiegu zamkniętego

Aby budowanie motywacji powszechnego wykorzystania recyklatów było skuteczne, musi stać się działaniem wielokierunkowym: ze strony przemysłu, konsumentów oraz ze strony ustawodawczej. Celem nadrzędnym i głównym motywatorem jest minimalizacja emisji dwutlenku węgla. Ale nie bez znaczenia w tym procesie jest kwestia zużycia energii oraz wynikające z tego koszty. Jeżeli chcemy skutecznie budować gospodarkę obiegu zamkniętego, należy tworzyć odpowiednie warunki i środowisko: energooszczędne i przystępne cenowo. W naszych realiach najpowszechniejsze jest nadal przetwarzanie recyklatu metodą downcyklingu, co oznacza, że przetwarzane odpady mają niższą wartość niż wartość wyjściowa oryginalnych produktów. Tym bardziej konieczne staje się skoncentrowanie na działaniach, które będą skutkowały upcyklingiem, bo tylko one będą skutkowały zamknięciem obiegu surowców. I taka ścieżka działania jest możliwa dzięki nowatorskim rozwiązaniom ENGEL i ich innowacyjnym technologiom przetwarzania.

Proces typu sandwich: recyklat ukryty w materiale pierwotnym

Proces formowania wtryskowego typu sandwich daje możliwość opracowywania komponentów z dużym udziałem materiałów pochodzących z recyklingu, gdzie recyklat nie jest widoczny ani wyczuwalny na powierzchni detalu. Takim innowacyjnym procesem przetwórczym jest technologia ENGEL skinmelt, gdzie recyklat i materiał pierwotny są plastyfikowane w 2 oddzielnych jednostkach wtryskowych, a następnie razem wtryskiwane do gniazda formy wtryskowej. Proces jest kontrolowany jak standardowy proces jednokomponentowy i w żaden sposób nie determinuje to obsługi wtryskarki. W omawianej technologii skinmelt (w przeciwieństwie do klasycznego procesu co-injection) oba stopione materiały są buforowane bezpośrednio w głównym cylindrze wtryskowym przed wtryśnięciem. Skórka, czyli materiał pierwotny, trafia do gniazda formy pierwsza. Jest następnie popychana i dociskana do ścianek gniazda przez surowiec recyklingowy, a rdzeń wypełnia się samym recyklatem. Osiągalna proporcja materiału z recyklingu jest w dużej mierze określona przez geometrię formowanego detalu i kształt samego gniazda. Główną rolę odgrywa tutaj pozycja konfiguracji wtrysku oraz stosunek lepkości materiału skórki i rdzenia. Druga jednostka plastyfikująca dedykowana dla skórki, jest umieszczona pod kątem nad poziomą jednostką wtryskową, w której topiony jest recyklat, pozwala to zaoszczędzić powierzchnię. Całą wizualizację i animację procesu można precyzyjnie śledzić na monitorze jednostki sterującej CC300 wtryskarki. Pomaga to w precyzyjnym doborze proporcji obu materiałów i finalnie w optymalizacji proporcji materiału pochodzącego z recyklingu.

Nawet do 50% recyklatów pochodzenia pokonsumenckiego

ENGEL wspólnie z instytutami technologicznymi w Niemczech przeanalizował w ramach badań potencjał technologii skinmelt. Analizy wykazały, że nawet do 50% pokonsumenckiego rABS może być przetwarzane jako materiał rdzenia, bez pogorszenia właściwości mechanicznych i widocznego wpływu na powierzchnię. W ramach analizy badawczej wtryskiwano najpierw płaskie detale, a w kolejnym etapie skrzynki, stosując kolejno technologię co-injection, a następnie skinmelt. Jako skórki detalu użyto różnych typów komponentów pierwotnych, o różnych właściwościach materiałowych - w tym o wysokiej udarności. Do produkcji skrzynek wykorzystano wtryskarkę ENGEL duo 450. Główna jednostka wtryskowa dysponowała ślimakiem barierowym o średnicy 80 milimetrów. Druga jednostka składała się ze standardowego ślimaka o średnicy 70 milimetrów. Produkty formowane wtryskowo zostały przetestowane pod kątem wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i udarność Charpy’ego. Stwierdzono, że detale warstwowe typu sandwich mają lepszą wytrzymałość, tj. mogą osiągnąć wyższe wartości niż komponenty wykonane z czystego rABS i w porównaniu do detali wykonanych wyłącznie z materiału pierwotnego, zachowano właściwości mechaniczne materiału.

Wykazano przy tym, że w procesie ENGEL skinmelt możliwe jest wytwarzanie komponentów zarówno przy użyciu klasycznego, jak i sekwencyjnego wtrysku, a wymagające geometrycznie detale o wysokim udziale regranulatu ABS (do 50% zawartości) w rdzeniu są porównywalne jakościowo do produktów wtryskiwanych z materiału pierwotnego. Otwiera to nowe możliwości zastosowań i obszary wykorzystania recyklingu materiałowego ABS.

Dla rozwoju gospodarki o obiegu zamkniętym ważne jest, aby w danym momencie przetwarzać tylko jeden rodzaj materiału. Podejście monomateriałowe daje możliwość recyklingu detali warstwowych po zakończeniu ich okresu użytkowania i poddaniu ich ponownemu procesowi przetwarzania.

Dwustopniowy proces = oszczędność kosztów regranulacji i dużej ilości energii

ENGEL idzie w swoich działaniach ekologicznych o krok dalej: opracowaliśmy dwustopniowy proces, w którym przetwarzany jest wyłącznie materiał pochodzący z recyklingu. Różnica w stosunku do innych metod przetwarzania materiałów pochodzących z recyklingu polega na tym, że materiał nie musi być ponownie granulowany, ale można go przetwarzać bezpośrednio w postaci płatków. Eliminuje to 1 etap przetwórczy, co znacznie oszczędza energię i emisję CO2, a także znacznie obniża koszty samego recyklingu. W tym przypadku ważne funkcje systemu peletyzacji (regranulacji) przejmuje wtryskarka. Szczególnie istotne są tutaj filtracja i proces odgazowania. ENGEL zaprezentował nowy dwustopniowy proces na targach K 2022, co spotkało się z dużym zainteresowaniem klientów. Wydajność innowacyjnej technologii została wcześniej potwierdzona w testach laboratoryjnych. Wyniki są szczególnie obiecujące pod względem wydajności odgazowywania. W omawianym projekcie, przeprowadzonym w centrum technologicznym ENGEL w St. Valentin wspólnie z Pöppelmann Kunststoff-Technik, zastosowano dwustopniową wtryskarkę ENGEL. Materiałem bazowym był PP, z niewielką ilością PE i zanieczyszczeniami, takimi jak aluminium i EVA. Na dwustopniowej maszynie, bazującej konstrukcyjnie na wtryskarce ENGEL duo, wyprodukowano płyty bazowe do obudów akumulatorów o masie wtrysku około 500 gramów. Do ekstrakcji gazów użyto pompy próżniowej firmy Busch (Maulburg, Niemcy), zaś filtrację przeprowadzono z zastosowaniem siatek filtracyjnych o różnej gęstości. Wykorzystując opcję automatycznego dozowania na wtryskarce i funkcję zarządzania czasem dozowania osiągnięto zależność, że jeśli ulega on skróceniu, zmniejsza się wolna przestrzeń w strefie odgazowywania.

Zintegrowane z procesem przetwarzania odgazowywanie i filtracja stopu

Wyniki tych testów zostały ocenione empirycznie. Wtryskarka każdorazowo pracowała ze stałą prędkością podawania materiału. Weryfikacji poddano zarówno proces odgazowywania próżniowego jak i zastosowane filtry, mające wpływać na emisje lotnych (VOC) i półlotnych (mgła) związków organicznych. Wyniki były analizowane według, podobnych jak dla samochodów, testów VDA-278. Ta metoda określa poziom emisji materiałów niemetalicznych, które są stosowane do formowania części w pojazdach silnikowych. Definiowane są dwie, częściowo ilościowe, wartości sumaryczne, które szacują emisję LZO i mgły olejowej. Próbki zostały termicznie wyekstrahowane, emisje rozdzielono za pomocą chromatografii gazowej i zidentyfikowano za pomocą spektrometrii mas. Zastosowanie pompy próżniowej i wytworzone z tego podciśnienie w układzie, redukuje substancje lotne o 13% w porównaniu do odgazowania atmosferycznego. Odsetek substancji lotnych można było ograniczyć o 16%. Innym czynnikiem wpływającym na wartości emisyjne jest stopień rozdrobnienia siatek filtracyjnych. W serii testów wybrano 2 różne zestawy filtrów. Siatka filtra dla pierwszego testu wynosiła 200 μm, a dla drugiego 125 μm. Zarówno materiał filtracyjny jak i parametry ustawienia maszyny pozostały niezmienione. Odgazowanie odbyło się próżniowo. Testy wykazały, że drobniejsze siatki filtracyjne są skuteczniejsze w procesie filtracji, a udział wysoce lotnych związków alifatycznych i aromatycznych w emisjach został zmniejszony o 35%, w związkach o niskiej lotności dodatkowo o 18%.

Wykorzystanie recyklatów w nowych zastosowaniach

Dzięki odgazowaniu próżniowemu i zastosowaniu drobnej siatki filtracyjnej można zmniejszyć zarówno emisję zawartości LZO, jak i mgły olejowej. Aby jednak uzyskać optymalne wyniki, ważne jest precyzyjne dopasowanie poszczególnych komponentów. Prędkość podawania zależy od czasu dozowania i musi być określona empirycznie dla różnych testów. Bardziej dokładna siatka filtracyjna zwiększa skuteczność odfiltrowanych emisji, jednakże wzrasta również ryzyko zatkania filtra. Wybór filtra odwadniającego może mieć znacząco pozytywny wpływ na redukcję emisji, co również należy weryfikować empirycznie. Tematyka odgazowywania czy nieprzyjemnego zapachu powinny być poddane dalszym badaniom i testom. Słabo odgazowane komponenty mogą prowadzić do powstawania pęcherzyków podczas lakierowania, smug na powierzchni detalu i powstawania osadów w formie. Nie do pominięcia są kwestie zdrowotne dotyczące personelu.

W oparciu o badania i testy zaprezentowane w tym artykule można wyciągnąć jeden fundamentalny wniosek: recyklaty - zarówno w postaci regranulatu, jak i płatków - będą w przyszłości powszechnie stosowane z uwzględnieniem znacznie niższej szkodliwości, a tym samym staną się powszechnie dostępnym elementem produktów wysokiej jakości.