Warum nimmt die Oberflächenfestigkeit von Kunststoffprodukten bei Verwendung von Recyclingharz ab?

Die Verwendung von Recyclingharz in Kunststoffteilen stellt Ingenieure vor Herausforderungen. Die Zugabe von mehr Sekundärmaterial kann zu einer stärkeren Zersetzung des Kunststoffs führen, seine ursprüngliche strukturelle Festigkeit verringern und das Rissrisiko erhöhen, insbesondere in stark beanspruchten Bereichen wie Haken und Schraubenlöchern. Trotz dieser Probleme ist die Verwendung von Recyclingmaterialien in Kunststoffen für die ökologische Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung.

Doch warum verringert der Einsatz von recycelten Sekundärmaterialien die Festigkeit von Kunststoffen? Diese Frage lässt sich auf zwei Ebenen untersuchen.

1. Herkunft des recycelten Sekundärmaterials

Sollten Kunststoffspritzgießer Sekundärmaterialien verwenden? Umweltschutz ist zwar ein wichtiges Anliegen, Kosteneinsparungen sind jedoch oft ein Hauptgrund, da Sekundärmaterialien günstiger sind. Verwenden diese Fabriken jedoch die gleichen Recyclingmaterialien wie die ursprünglichen Kunststoffpellets? Wenn es sich bei den ursprünglichen Pellets beispielsweise um PC-Materialien von Sabic (ehemals GE) handelt, verwenden die Hersteller dann tatsächlich recycelte PC-Materialien von Sabic oder verwenden sie beliebige verfügbare PC-Recyclingmaterialien oder mischen sie sogar ABS bei? Je hochwertiger die Kunststoffpellets, desto weniger sinnvoll ist die Verwendung von Recyclingmaterialien, da dies zu einer minderwertigen Produktqualität führen kann.

Eine weitere Unsicherheit bei Recyclingmaterialien ist die Lagerung. Diese Materialien werden oft unsachgemäß gelagert und sind Witterungseinflüssen wie Wind, Sonne und Regen ausgesetzt. Sie haben vielleicht schon bemerkt, dass ein Plastikstuhl, der in der Sonne liegt, mit der Zeit ausbleicht und spröde wird. Ebenso verschlechtern sich die physikalischen Eigenschaften von Recyclingmaterialien, die rauen Bedingungen ausgesetzt sind, was zu einer unvorhersehbaren Qualität führt.

2. Der Unterschied in den MFI-Werten (Melt Flow Index) vor und nach der Kunststoffeinspritzung

Zweitens: Selbst wenn Sie im Kunststoffspritzgussverfahren Materialien verwenden, die exakt den Original-Kunststoffpellets entsprechen, oder recycelbare Materialien mit denselben Spezifikationen derselben Marke verwenden, zeigt die Erfahrung, dass der MFI-Wert (Melt Flow Index) der meisten Kunststoffe nach dem Spritzguss um etwa 20–30 % ansteigt. Dieser Anstieg des MFI führt typischerweise zu einer verringerten strukturellen Festigkeit des Kunststoffs, was sich negativ auf die Gesamtleistung und Haltbarkeit des Produkts auswirken kann.

Thermoplastische Kunststoffe zeichnen sich durch die Bildung von ineinander verschlungenen Polymerkristallen aus, was zu einer hohen strukturellen Festigkeit führt. Beim Spritzgießen zerschneidet die Leitspindel diese langen Molekülketten und zerlegt sie in kürzere Segmente, wodurch deren Molekulargewicht reduziert wird. Dieser Prozess, die sogenannte Kettenspaltung, führt zu einer Schwächung der Molekülverflechtung und damit zu einem Festigkeitsverlust. Ausführlichere Informationen finden Sie im Artikel über die rheologischen Eigenschaften von Kunststoffen.

Angesichts der schwankenden Preise und Verfügbarkeit thermoplastischer Harze ist es ratsam, die Nutzung Ihres Harzes zu optimieren. Eine gängige Methode ist die Verwendung von Regenerat. Nach Abschluss eines Projekts können überschüssiges Material und Ausschussteile zurückgewonnen und als Regenerat wiederverwendet werden. Dieses kann dann mit neuem Harz gemischt oder eigenständig verwendet werden.

Wenn Thermoplaste thermischer und mechanischer Belastung ausgesetzt sind, können sie schwach und spröde werden. Dieser Zersetzungsprozess wird als „Wärmeverlauf“ bezeichnet. Sowohl die bei der Verarbeitung als auch beim Mahlvorgang entstehende Wärme kann die physikalischen, chemischen und Fließeigenschaften des thermoplastischen Harzes sowie aller aus Regenerat hergestellten Produkte beeinträchtigen. Obwohl die Temperatur bzw. der Wärmeverlauf oft als Hauptursache für den Polymerabbau angesehen wird, können viele Harze ihre physikalischen Eigenschaften bei richtiger Handhabung während der Verarbeitung über eine begrenzte Anzahl von Regeneratzyklen hinweg behalten.

Was ist das ideale Verhältnis von Regenerat zu Neuharz?

Typischerweise strebt die Formindustrie eine Mischung aus 20 bis 25 Prozent oder weniger Regenerat und Neuharz an. Je nach Herstellungsverfahren kann das Verhältnis jedoch zwischen 100 Prozent Neuharz und 100 Prozent Regenerat variieren.

Zu den Faktoren, die diese Variation beeinflussen, gehören

• Unzureichende Ausbildung der Harzverarbeiter

• Falsche Kalibrierung von Neuware- und/oder Mahlgutzuführungen

• Ungleichmäßige Mischung der Materialien

• Unzureichende Disziplin in der Werkstatt oder Einhaltung etablierter Verfahren

• Um potenziell katastrophale Ergebnisse zu verhindern, sind ordnungsgemäße Verfahren und Disziplin in der Werkstatt unerlässlich.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass selbst wenn die erste Mischung 20 Prozent Regenerat enthält, nachfolgende Durchgänge immer etwas von der vorherigen Mischung enthalten. Das Harz aus dem ersten Durchgang verbleibt im Vorrat. Erkundigen Sie sich bei Ihrem Harzlieferanten, wie oft Ihr Kunststoff den Formprozess durchlaufen kann, bevor sich seine Eigenschaften um mehr als 10 Prozent verschlechtern, und um festzustellen, welche Eigenschaften zuerst beeinträchtigt werden.

Welche potenziellen Probleme sollten Sie kennen?

Stellen Sie sicher, dass Harze wie Nylon, Polycarbonat, Polybutadienterephthalat (PBT) und Polyethylenterephthalat (PET) vor der ersten Verarbeitung gründlich getrocknet sind. Andernfalls können sie im Zylinder der Formmaschine hydrolysieren, wodurch die Polymerketten verkürzt und deren Zersetzung verursacht wird. Die Einarbeitung von 25 % minderwertigem Regenerat in Neuharz kann die Leistung und Funktion der fertigen Teile erheblich beeinträchtigen. Die Überwachung der Temperatur ist äußerst wichtig. Die Verarbeitung von Neuharz bei Temperaturen über den empfohlenen Werten kann den Polymerabbau beschleunigen.

Eine gleichbleibende Pelletgröße ist ebenfalls entscheidend. Ohne regelmäßige Wartung der Mühle können Sie eine große Bandbreite an Granulatgrößen erhalten, von feinem Staub bis hin zu ¼-Zoll-Stücken oder größeren. Beim Plastifizieren oder bei der Schneckenrotation schmilzt die Schnecke diese unterschiedlich großen Granulate möglicherweise nicht gleichmäßig, was die Eigenschaften der fertigen Teile beeinträchtigen kann. Regranulierung ist eine effektive Lösung für dieses Problem. Durch Schmelzfilterung des Mahlguts können nicht-plastische Verunreinigungen entfernt werden. Für eine optimale Prozessstabilität ist eine regelmäßige Wartung der Mühle unerlässlich. Dazu gehört das Schärfen der Klingen, die Reinigung der Maschine und die Sicherstellung der einwandfreien Funktion des Siebes.

Was ist Ihrer Meinung nach die größte Herausforderung beim Nachschleifen? Meiner Erfahrung nach stellen Verunreinigungen durch Fremdkunststoffe und -materialien eine erhebliche Hürde dar. Häufig kommt es aufgrund verstopfter Heißkanaldüsen zu Produktionsunterbrechungen. Um Kosten zu sparen, empfiehlt es sich, in Heißkanalwerkzeugen ausschließlich Neumaterial zu verwenden und das Nachschleifen für Kaltkanalwerkzeuge aufzubewahren. Dies ist zwar nicht für alle eine praktikable Option, aber wenn möglich eine effektive Strategie.

Welche Lösungen gibt es, um diese Probleme zu beheben?

Anstatt Mahlgut mit Neuharz zu mischen, sollten Sie 100 % Mahlgut verwenden. Dieser Ansatz vermeidet die oben genannten Probleme. Bei dieser Methode verwenden Sie zunächst das gesamte Neuharz und lassen das Mahlgut dann mit voller Kapazität in die Maschinen laufen.