Nachhaltige Umwandlung von flexiblem PU-Weichschaumabfall in Polyol im industriellen Maßstab durch H&S Anlagentechnik GmbH

Von Dr. Stanislav Fulev und Lyudmila Skokova, H&S Anlagentechnik

H&S Anlagentechnik hat eine innovative Technologie und Reaktorinstallationen für die chemische Umwandlung der Schaumstoffreste aus flexiblem Polyurethan in Polyol entwickelt. Die Technologie basiert auf einem optimierten Acidolyseverfahren und stellt hochwertige wiederaufbereitete Polyole in geeignetem Produktionsumfang her. Im Vergleich zu früheren Wiederaufbereitungsmethoden haben Polyole, die mit dieser H&S-Technologie erzeugt wurden, eine gute Reaktionsfähigkeit und enthalten keine primären aromatischen Amine (Methylen und Toluoldiamin), die toxisch und in Bett- und Polsterschaumstoffen nicht akzeptabel sind. Weichschaum- sowie Hartschaumhersteller zeigen großes Interesse an der Wiederaufbereitungstechnologie.

Bei flexiblen Schaumstoffen ist dies deshalb so, weil die zuvor genutzten Methoden, wie Verbundschaum für Teppichunterlagen und Sportmatten, wirtschaftlich nicht mehr attraktiv sind. Die Preise für Abfälle flexibler Schaumstoffe haben abgenommen, z. B. von 1,10 Euro/kg vor einigen Jahren auf 0,30 Euro/kg heute.

Chemische Wiederaufbereitung ist eine effizientere Art, Rückstände umzuwandeln. Ein weiterer Faktor ist, dass die Polyolpreise dauerhaft steigen.
Außerdem wird der „grüne“ Aspekt der Wiederaufbereitung immer wichtiger, da jeder dazu gedrängt wird, die CO2-Emissionen zu senken. Wiederaufbereitung ist auch eine der Arten, Treibhaus­gasemissionen zu reduzieren; eine geschlossene Produktionsschleife ist ebenfalls ein sehr nachhaltiger Weg. Bei Hartschaum-Abfälle steigen die Preise für die Entsorgung ebenfalls enorm an. In Europa können diese Abfälle nicht mehr erlaubt in Deponien entsorgt werden; daher müssen sie verbrannt werden, und das ist ziemlich teuer. Anwendungen für mechanisch als Pulver wiederaufbereitete Hartschäume sind begrenzt. Außerdem kann durch die Wiederaufbereitung kleiner Mengen, die als Pulverfüllstoff zermahlen werden, nicht alles aufgebraucht werden, da die Abfallmenge, die durch Verbraucher wie die großen Isolierpaneelenhersteller erzeugt wird, überschüssig ist. Natürlich spielt auch der steigende Polyolpreis hier eine Rolle.

H&S Anlagentechnik bietet bereits Reaktoren und die Technologie zur Wiederaufbereitung von Hartschaum-Abfällen in Polyol auf Glykolyse-Basis an. Diese Abfälle sollten auch nach Typ getrennt werden, und alle mechanischen Verschmutzungen sollten herausgefiltert werden. Die Qualität des entstehenden Polyols ermöglicht den Ersatz des fabrikneuen um bis zu 20 Prozent ohne Qualitätsverlust und verbessert sogar den Lambda-Koeffizienten des entstehenden PU-Schaumstoffs. Das Rezept lautet: Hartschaum-Abfälle 45 %; DEG – 50 %; Zusatzstoffe (Katalysatoren) – 5 %.

Neues Acidolyseverfahren
Schaumstoffabfälle, die für diese Art der Wiederaufbereitung geeignet sind, sind u. a. verschiedene Standard- und HR-Schäume ohne und mit Füllstoffen wie Calciumcarbonat.

Der Prozess ist geeignet für Produktionsabfälle, da er reine, getrennte Stoffe benötigt; er ist daher nicht für gebrauchte Schaumstoffe (Post-consumer) gedacht. Dies ist eine Lösung für Schaumstoffhersteller, um ihre eigenen Produktionsabfälle wiederaufzubereiten und das Material in einem geschlossenen Schleifenschema wieder in den Produktionszyklus zurückzuführen.

Diese Technologie zur Wiederaufbereitung flexibler Schaumstoffe mit hoher Belastbarkeit wird nun am Standort Sulingen, Deutschland, der H&S Anlagentechnik weiterentwickelt. Eingangsstoffe sind zerkleinerte PU-Rückstände, die in Polyetherpolyolen mit einer Molmasse von 1.500–6.000 g/Mol und einer Hydroxylfunktionalität bei vorhandenen Karbonsäuren und entsprechenden Katalysatoren gelöst wurden. Die Prozesstemperatur beträgt 230 °C und der Chargenzyklus dauert im industriellen Rahmen 10-11 Std. (Abb. 1).

Fig_1-b Abb. 1. Ablauf des ­Recyclingverfahrens.

Das Verhältnis der verwendeten Stoffe lautet: PU-Schaumstoffabfälle - 42 %; Basis-Polyetherpolyol -44 %; Säuren - 12 %; Katalysator - 2 %.

Die Qualität des wiederaufbereiteten Polyols wurde in mehreren Versuchen in einem Reaktor industrieller Größe von 700L auf Reproduzierbarkeit überprüft.

Die hohe Qualität und gute Reaktionsfähigkeit des wiederaufbereiteten Polyols bedeutet, dass es ohne Auswirkung auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des PU-Schaumstoffs als Ersatz für bis zu 20-25 Prozent eines konventionellen Polyols verwendet werden kann. Dies wurde durch eine geeignete Anzahl Durchgänge in Produktionsumfang auf einer kontinuierlichen Blockweichschaumstoffanlage nachgewiesen. Die produzierten PU-Schaumstoffe waren Standardschäume mit einer Dichte von 22 bis zu 40 kg/m3 (Tabelle 1). Alle Parameter — Druckverformungsrest, Härte, Belastbarkeit, Stützfaktor, Bruchfestigkeit und Bruchdehnung — liegen im Bereich der Kontrollproben (Tabelle 2).

 

 

Viskosität: 4,5 - 10,0 mPas

OH-Zahl: 43 - 48 mg KOH/g

Säurezahl: < 1,2 mg KOH/g

Aminzahl: < 6 mg KOH/g

Aussehen: hell- bis dunkelbraune viskose Flüssigkeit (Schattierung hängt von der Farbe des Eingangsschaumstoffes ab).

Tabelle 1: Eigenschaften des Recycling-Polyols

 

Dichte, kg/m3

23

40

Belastbarkeit, %

43,3

51,8

Härte, N

138,68

179,35

Stützfaktor

2,3

2,2

Eingest. Kompression

2,65

1,72

Bruchfestigkeit, kPa

152

139

Bruchdehnung, %

234

199

Tabelle 2: Physikalische Eigenschaften von Schaumstoffen, die aus rezykliertem Polyol hergestellt wurden

 

Die Schäume enthalten keine toxischen Konzentrationen von flüchtigen organischen Verbindungen. Alle Tests werden von einem unabhängigen Institut durchgeführt.

Der Anwendungsbereich der aufgearbeiteten Polyole ist sehr breit, von Komfort- bis technischen Schaumstoffen, wobei der Prozentanteil der wiederaufbereiteten Komponente höher als 25 Prozent sein kann (Abb. 2).

Während der Wiederaufbereitung von Blockweichschaumstoff ist es wichtig, nicht nur den ersten Wiederaufbereitungszyklus durchzuführen, sondern auch den entstehenden Schaumstoff mehrmals erneut umzuwandeln. Dies wurde in Labor- und Produktions-Neuwiederaufbereitungstests durchgeführt. Diese zeigten auf, dass die chemischen und physikalischen Parameter wiederaufbereiteten Polyols, wie die OH-Zahl und Viskosität, sich in einem tolerierbaren Bereich befinden.

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der entstehenden PU-Schaumstoffe zeigen keine größere Abweichung von den ursprünglichen Eigenschaften (Abb. 3). Das wiederaufbereitete Polyol kann über mindestens 20 Wiederaufbereitungen produziert werden ohne das Prozessrezept zu ändern.

Für Zwecke im industriellen Umfang entwickelte H&S eine spezielle Reaktoreinheit, die aus dem Reaktor selbst, notwendigem Zubehör wie Heiz- und Kühleinheiten sowie Aktivierungs- und Kühltanks besteht. Das Chargenvolumen des mittelgroßen Reaktors beträgt 2-5 Tonnen (Abb. 4). Die erste industrielle Anlage mit einer Jahreskapazität von 2.500 t wurde an einen bedeutenden polnischen Blockschaumhersteller geliefert und wird im April 2013 in Betrieb genommen.

Fig_2Abbildung 2: Aus PU-Schaumstoff mit 20 % recyceltem Polyol hergestellte Matratze.

 

fig-3-b Abbildung 3: Physikalische und mechanische Eigenschaften von 20-fach recyceltem PU-Weichschaumstoff.

 

fig-4-bAbbildung 4: H&S-Recyclingreaktor.

 

Als Fazit zeigt diese Arbeit, dass flexible Schaumstoffe, die aus wiederaufbereitetem Polyol produziert wurden, das mit der Acidolyse-Technologie von H&S hergestellt wurde, mit originalen Schaumstoffen vergleichbar sind und ohne Qualitätsverlust in den Markt eingeführt werden könnten. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie Schaumstoffherstellern, ihre Produktionsrückstände in sehr effizienter Weise zu nutzen, indem Material zur Wiederverwendung in der Produktion aufgearbeitet wird. Dies hat einen zusätzlichen wirtschaftlichen Nutzen aufgrund angemessener Einsparungen bei Rohstoffkosten.

Einsparungen bei den Rohstoffkosten entstehen, weil die Kosten zur Herstellung des wiederaufbereiteten Polyols 28-30 Prozent niedriger sind als der Marktpreis des ursprünglichen Basis-Polyetherpolyols.