Recycling van thermoharders

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Recycling van thermoharders
Thermoharders.png
Eigenschappen
Categorie: Technieken
Originele auteur: Roel ter Weeme en Bertus de Boer
Jaar: 2010
Wikipedia link: Thermoharder

Inhoud

Beschrijving

Kunststoffen zijn polymeren vermengd met toevoeging. Polymeren zijn macromoleculen die door middel van een polymerisatieproces uit monomeren worden verkregen.
Propeen en polypropeen.jpg

De dubbele binding van het monomeer propeen wordt onder invloed van temperatuur en druk tijdens het polymerisatieproces opengebroken, waarna door chemische binding het macromolecuul polypropeen (polypropyleen) ontstaat.

Toevoegingen worden gebruikt om de eigenschappen van een polymeer, zoals de stijfheid, sterkte, kleur, verwerkbaarheid, weersbestendigheid, brandeigenschappen, elektrische geleiding, etc. te verbeteren. Zo worden weekmakers gebruikt om een kunststof zachter en flexibeler te maken. Vulmiddelen, zoals houtmeel en kalk, verbeteren de sterkte en de hardheid, en zorgen bovendien voor een gunstigere kiloprijs. Roet kan worden toegevoegd om een betere weerbaarheid tegen ultraviolette straling te krijgen. Een groot voordeel van kunststoffen is dat het uitgangsmateriaal met kleurstoffen in iedere gewenste kleur kan worden samengesteld.

Structuur

Kunststoffen kunnen worden ingedeeld in thermoplasten, elastomeren en thermoharders. Deze indeling is gebasseerd op de structuur van de macromoleculen. Er zijn 4 verschillende structuren: lineaire structuur, vertakte structuur, vernette structuur, en netwerkstructuur. Structuren.jpg

Thermoplasten hebben een lineaire of vertakte structuur. Bij verhitting zullen deze moleculen verder uit elkaar komen te liggen waardoor ze vrij van elkaar kunnen bewegen. Ze worden dus vloeibaar. De vertakte structuur is iets beter bestand tegen deformeren en verweken dan de lineaire structuur.

Bij thermoharders ontstaat tijdens het polymerisatieproces een driedimensionale netwerk structuur. Het bestaat dus uit 1 groot molecuul Hierdoor zijn thermoharders in het algemeen sterker, stijver, harder en brosser dan thermoplasten, en hebben ze een betere vormstabiliteit. Bij temperatuursverhoging treedt er geen verweking op maar zal het uiteindelijk gaan ontleden. Het materiaal wordt dus niet vloeibaar maar zal gaan verbranden.

Dit is de belangrijkste reden waarom thermoharders op het moment nog niet of nauwelijks gerecycled worden. Ze kunnen niet worden omgesmolten en opnieuw in een mal worden gegoten, wat thermoplasten wel kunnen.

Proces

De processen die toegepast kunnen worden op thermoharders zijn:

Versnippering en vermaling

Meerdere composiet soorten kunnen worden vermalen en versnipperd. Vaak wordt dit toegepast op onvervuilde restmaterialen die zijn overgebleven of ontstaan bij fabricage. Het uitgangsmateriaal is hierdoor vaak nog erg zuiver waardoor een grotere kwaliteit kan worden bereikt voor de verdere verwerking. Als het materiaal heel klein is vermalen kan het worden gebruikt als vul materiaal voor nieuwe composieten. Des te kleiner het gemalen is des de fijner het eindresultaat. De nog grotere stukken kunnen rechtstreeks als vulmateriaal voor bijvoorbeeld autostoelen of dakbedekking worden gebruikt.

Pyrolyse

Na vermaling kunnen de composieten ook worden verhit. Door dit op hoge temperaturen te doen zonder de aanwezigheid van zuurstof kunnen er verschillende koolwaterstoffen vrij komen. Op deze manier kan tot 25-30% van de composiet worden hergebruikt. Deze koolwaterstoffen kunnen worden gebruikt voor nieuwe polymeren of kunnen worden verbrand. Het restmateriaal, de resterende 70 %, is echter onbruikbaar en zal moeten worden weggegooid.

Hydrolyse

Na vermaling kunnen composieten die polyesters en polyamiden bevatten een proces van Hydrolyse ondergaan. Hierbij wordt aan de vermalen resten water of een zure of basische oplossing toegevoegd om de polyamiden of polyesters er weer uit te filteren. Het restmateriaal moet weer worden weggegooid.

Verbranding voor energie opwekking

De koolwaterstoffen die zijn vrijgekomen bij de pyrolyse kunnen worden verbrand om energie op te wekken. Ook kunnen de harsen die ontstaan zijn bij het versnipperen en vermalen worden verbrand. Dit materiaal heeft vergelijkbare materiaaleigenschappen als goedkope kool. Als dit met pure zuurstof gebeurt, ontstaat er stoom. Deze stoom kan weer worden gebruikt in stoomturbines om stroom op te wekken. Verbranding kan zowel worden toegepast op gemengde plastics en gemixte materialen gebeuren. Soms moet bij dit proces ook weer restmateriaal worden weggegooid. Dit hangt samen met de soorten kunststoffen die wordt gebruikt.

Recycling van rubbers

Volgens een Amerikaans patent is het ook mogelijk om een aantal rubbers te recyclen (toepassingen hiervan zijn echter nog niet gevonden (okt. 2010)).

In dit patent wordt genoemd dat een aantal rubbers kunnen worden gerecycled. Rubbers die genoemd worden in het artikel zijn, natuurlijke rubbers, synthetische rubbers zoals SBR (Styreen-Butadieen Rubber), NBR (Nitreen Butadieen Rubber) siliconen rubbers, gecrosslinkte polymeren, elastomeren en anderen.

Rubbers die zijn fijngemalen kunnen samen met smeermiddelen bestaande uit aromatische oliën, vluchtige oplosmiddelen of rubber-verwerkingsolieën op basis van paraffine worden gemengd. Vervolgens worden ze op een matig hoge temperatuur (200 graden) en 15 Mpa aan druk verwerkt om materiaal te maken met dezelfde fysische eigenschappen als het bronmateriaal. Dit materiaal kan weer worden gebruikt bij bv: drukgeleren. Dit proces leent zich ook om de rubbers te vulkaniseren.

Een Gronings onderzoeksteam onder de leiding van Professor Francesco Picchioni is bezig met onderzoek op het gebied van het recyclen van thermoharders op basis van polyketonen en bis-maleimiden.(Meagan Elllis, Materials World Magazine, 01 juni 2009) (Ook hier zijn nog geen toepassingen van gevonden. (Okt 2010))

Hun onderzoeken zijn bezig met polyketonen en bis-maleimiden om deze meerder malen volledig te kunnen recyclen. Dit op basis van het Diels-Alder effect en het retro Diels-Alder effect. Hierbij worden een dieen en een alkeen samen gevoegd om cyclohexeen te krijgen. Deze kan worden verwarmd waardoor deze vormbaar wordt. Vervolgens kan het worden gemodelleerd en bij afkoeling wordt het weer sterk. De eigenschappen van dit materiaal komen overeen met die van bijvoorbeeld een epoxyhars.

Materialen / toepassingen

Over thermoharder kunnen de volgende toepassingen worden gemeld. Thermoharders zijn onder te verdelen in groepen, dit is gebasseerd op de polymeren waardoor ze gevormd zijn.

  • Epoxies. Vezel composieten, lijmen, elektrotechniek, isolatoren, ski’s, gietmatrijzen. 2,30 euro per kilo
  • Fenolen. Elektrische pluggen, stopcontact, kookgerei, handvaten, lijmen, elektrotechniek, gelamineerde plaat, knoppen, handgrepen. 1,10 per kilo
  • Polyester. Meubels, boten, sport artikelen, autocarrosserieen, koffers, impregneren kleding en papier. 1,50 euro per kilo

Een groot deel van de bovengenoemde recycling technieken kan worden toegepast op de meeste composieten. Bij Hydrolyse is het van belang dat er geen gemixte composieten worden gebruikt. Voor verbranding kunnen in principe ook gemengde composieten en andere gemixte materialen worden gebruikt.

De lopende onderzoeken hebben zich beperkt tot de recycling van o.a. natuurlijke rubbers, synthetische rubbers als SBR, NBR en siliconen rubbers.

Voordelen

Thermoharders t.o.v. thermoplasten

  • Minder temperatuurgevoelig
  • Resistent tegen oplosmiddelen
  • Harder minder elastisch
  • Smelten niet
  • Branden pas bij zeer hoge temperatuur
  • Brosser en stijver
  • Lagere uitzettingscoëfficiënt

Thermoharders t.o.v. metalen

  • Lage dichtheid
  • Geringe stijfheid en sterkte
  • Corrosie bestendig
  • Zwakke geleiding
  • Makkelijk te kleuren
  • Middelhoge temperaturen
  • Geluidsdempend

Thermoharders kunnen voornamelijk worden gedowncycled. Dat wil zeggen dat ze steeds verder aftakelen. Dit is echter nog steeds zinvol want anders gaan de materialen rechtstreeks op de storthoop. Door vermalen composieten te gebruiken in nieuwe composieten worden er weer andere grondstoffen bespaard. Het kan zijn dat er toch vaak wordt gekozen om niet te recyclen. Dit vanwege de kosten die het recyclen met zich mee brengen. Dan is het soms goedkoper om alles in een keer weg te gooien.

Nadelen

Het nadeel van Thermoharders is dat tot op dit moment de recycling vooral nog een proces van downcycling is. Uiteindelijk wordt het materiaal steeds minder waard en verliest het zijn waarde en eigenschappen. Soms is het de energie niet waard om te recyclen en het goedkoper om het in een keer weg te gooien.

Milieuaspecten

De belangrijkste grondstof voor de hars van kunststoffen is aardolie. 4 % van al de gewonnen aardolie wordt gebruikt voor de productie van kunststoffen. Het winnen van aardolie is een zware belasting op het milieu. Helemaal als het mis gaat, denk maar aan de ramp die zich een paar maanden geleden heeft voltrokken in de Golf van Mexico. Door recycling van thermoharders hoeft er in principe minder aardolie gewonnen te worden. Wat beter is voor het milieu. Dit is echter niet heel erg invloedrijk omdat slechts 4 % van alle aardolie wordt gebruikt voor kunststoffen, en kunststoffen weer zijn verdeeld in thermoharders en thermoplasten. Bij pyrolyse kan tot 30 % aan koolwaterstoffen worden vrijgemaakt die weer gebruikt worden voor nieuwe thermoharders. Bij hydrolyse worden er monomeren ontrokken aan de thermoharder die vervolgens weer gebruikt kunnen worden voor het polymerisatieproces. Door middel van deze twee recyclingtechnieken hoeft er minder aardolie worden gewonnen wat resulteerd in een minder grote belasting op het milieu. De rest van het materiaal wordt gemalen en versnipperd en kan gebruikt worden als vulmateriaal voor bepaalde composieten. Ook kan er energie worden teruggewonnen door de verbranding van het residu. Hierdoor kun je het materiaal voor 2 toepassingen gebruiken. Het verbranden van kunststoffen is echter niet goed voor het milieu.

Leveranciers en kenniscentra

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen