Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen.

Technischer Hintergrund

Faserverstärkte Kunststoffe gehören zur Klasse der faserverstärkten Werkstoffe (Faserverbundwerkstoffe), die wiederum der Klasse der Verbundwerkstoffe angehören. Ein faserverstärkter Kunststoff (auch: Faser-Kunststoff- Verbund (FKV) oder Faserverbundkunststoff, FVK) ist ein Werkstoff, bestehend aus

Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix (Polymermatrix). Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen haben Faser- Kunststoff- Verbünde ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten.

Faserverstärkte Kunststoffe weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in

Leichtbauanwendungen. Aus faserverstärkten Kunstoffen werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser- Kunststoff- Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Faser- Matrix-Kombination können beispielsweise der Faserwinkel, der

Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge und vieles mehr variiert werden.

Faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise mit Kohlenstofffaserverstärkung, weisen ein sehr hohes Potential als Leichtbauwerkstoff auf. Notwendige Bedingungen für den Einsatz als Hochleistungswerkstoff sind unter anderem folgende drei Kriterien: • Realisierung einer Faserorientierung (bspw. in Kraftfluss-Richtung),

• Realisierung eines hohen Faservolumengehaltes, und · Einhaltung einer gewissen Mindestfaserlänge zur Kraftübertragung von der Matrix in die Fasern, zur Kraftumleitung und zur Vermeidung von lokalen Spannungsüberhöhungen.

Die derzeitigen Recyclingverfahren von Faserverbundkunststoffen haben ein Kurzfaser-„Gewölle" oder Fasermehl als Ausgangsprodukt. Dieses lässt sich nicht in der Form weiterverarbeiten, dass es möglich wäre, die drei vorstehend genannten Kriterien zu erfüllen. Damit können recycelte Kohlenstofffasern derzeit nicht als Rohstoff für Hochleistungswerkstoffe (Strukturbauteile oder ähnliches) verwendet werden. In Realität liegt also eher ein sogenanntes Downcycling anstelle eines tatsächlichen Recycling vor.

Abfälle aus faserverstärktem Kunststoff, wie mit Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff (CFK), werden derzeit entweder deponiert, thermisch entsorgt (verbrannt, z.B. unter Ausnutzung der Energie zur Stromerzeugung) oder aufbereitet.

Die ersten beiden Alternativen stellen keine ökologische sinnvolle Alternative dar, weshalb ein deutlicher Trend hin zu letzterer Alternative, d.h. der Aufbereitung, erkennbar ist. Dies wird auch durch gesellschaftliche und gesetzliche Zwänge verstärkt, beispielsweise ist in der EU durch die„Verordnung über die Überlassung, Rücknahme und umweltverträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen" §5 ab 2015 die Verwertung von mindestens 95 Gew% und die stoffliche Verwertung von 85 Gew% Pflicht. Die Aufbereitung geschieht entweder thermisch (Pyrolyse) oder chemisch

(Solvolyse, Hydrolyse, überkritische Fluide), wobei insbesondere die thermischen Verfahren derzeit einen industriell ausgereiften Stand erreicht haben. Allen Verfahren ist allerdings gemeinsam, dass sie einen Schritt vorsehen, bei dem die Fasern gekürzt werden. Dies erfolgt beispielsweise in Form von Shreddern der Bauteile vor dem Auslösen der Fasern, oder aber auch nach dem Separationsschritt an den bloßen Fasern in Form von Zuschnitt oder Häckseln. Gegebenenfalls kann auch eine noch weitere Verkürzung zu Fasermehl erfolgen.

Darüber hinaus wird im Gesamtprozess beispielsweise durch den Transport des Recyclats auf Förderstrecken eine Vereinzelung der Fasern erzielt, sodass schließlich eine Wollartiges Faserhalbzeug vorliegt. Ein derartiges Verfahren wird

beispielsweise in der JP 2003-033915 beschrieben.

Ferner gibt es Prozess- Variationen, bei denen ein gezielter Aufschluss der Fasern (siehe beispielsweise DE 10 2009 023 529) vorgesehen wird. Diese vereinzelten Filamente werden anschließend wieder in einem Spinnprozess zu einem Halbzeug (Garn/Vlies) zusammengefasst.

Es besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, wobei die Funktion der Verstärkungsfasern weitgehend erhalten bleiben soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein solches Verfahren bereitzustellen. Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffen, umfassend die Schritte:

(a) Auflösen der Polymermatrix eines faserverstärkten Kunststoffteils,

(b) Zerkleinern der Faserstruktur des Kunststoffteils zu Teilstücken einer

Kantenlänge in einer Größenordnung von 1 cm bis 20 cm,

(c) Einscannen eines jeden Teilstücks und Auswerten hinsichtlich gewählter Kennwerte,

(d) Ablegen der einzelnen Teilstücke nach einer geeigneten Ablagestrategie, zum Formen eines neuen Kunststoffteils, und

(e) Infiltrieren des neuen Kunststoffteils.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend und in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Polymermatrix des Kunststoffteils entfernt wird; Figur 1 zeigt insbesondere schematisch die Entfernung (1) einer Polymermatrix eines Kunststoffteils (7). Dabei wird die Faserstruktur (8) des Kunststoffteils erhalten.

Figur 2 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem Teilsücke erzeugt und aufgenommen werden; Figur 2 zeigt insbesondere schematisch die Faserstruktur des Kunststoffteils (9) nach dem Zerkleinern (2). Dabei werden Teilstücke einer bestimmten Abmessung (14) erhalten. Die Figur zeigt ferner schematisch das Aufnehmen (3) eines Teilstücks, beispielsweise mittels eines FPP- Kopfes (Fiber-Patch-Preforming) (10).

Figur 3 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Teilstücke eingescannt, ausgewertet und zu einem neuen Bauteil abgelegt werden. Figur 3 zeigt insbesondere schematisch das Einscannen (15) eines Teilstücks mittels eines optischen Messgeräts (11), etwa einem Laser. Das Teilstück wird hinsichtlich gewählter Kennwerte ausgewertet und gemäß einer Ablagestrategie (4) zu einem neuen Bauteil (12) abgelegt (5). Die Ablagestrategie kann dabei verschiedene Aspekte berücksichtigen, etwa eine geometrische Optimierung (16) oder die

Anforderungen an das neue Bauteil (18). Die Kennwerte der einzelnen Teilstücke können ferner in einer Materialdatenbank (17) abgelegt werden, zur späteren Verwendung der erhaltenen Teilstücke. Figur 4 zeigt einen Teilschritt des beanspruchten Verfahrens, in welchem die Faserstruktur des neuen Bauteils infiziert wird. Figur 4 zeigt insbesondere schematisch die Infiltration bzw. Injektion (6) der neu abgelegten Faserstruktur zur Bildung eines neuen Bauteils (13). Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunstoffen umfasst in einem ersten Schritt das Auflösen der Polymermatrix. Hierzu sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann das Auflösen der Polymermatrix thermisch mittels Pyrolyse erfolgen, d.h. durch eine thermo- chemische Spaltung organischer Verbindungen bei hohen Temperaturen von beispielsweise 400-900 °C unter Ausschluss von Sauerstoff. In einer anderen Ausführungsform, kann die Auflösung der Polymermatrix chemisch mittels Solvolyse, Hydrolyse oder mit Hilfe von überkritischen Fluiden erfolgen. Dabei wird die Polymermatrix mittels eines organischen oder wässrigen Lösungsmittels oder mit Hilfe überkritischer Fluide entfernt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Entfernen der Polymermatrix Pyrolyse verwendet.

Wie in Figur 1 gezeigt (7) wird gemäß der vorliegenden Erfindung das zu recycelnde faserverstärkte Kunststoffteil, beispielsweise ein gebrauchtes Bauteile oder

Ausschussbauteil, derart prozessiert, dass es nicht zu einer Vereinzelung und/oder Verkürzung der Fasern kommt. Im Gegensatz dazu werden im Stand der Technik Recyclingverfahren angewandt, in welchen die Kunststoffteile so zerkleinert (geschreddert) werden, dass die ursprüngliche Faserlänge signifikant verkürzt und/oder die jeweiligen Fasern aus ihrer ursprünglichen Umgebung heraus vereinzelt werden. Gegebenenfalls kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine

Vorzerkleinerung großer Strukturen erfolgen, um etwa bei einer Pyrolyse eine moderate Ofengröße beibehalten zu können. Beispielsweise muss gemäß der

Erfindung zu einer Pyrolyse kein Drehrohr-Ofen oder ähnliches eingesetzt werden, sondern die Prozessierung kann etwa im Batch-Betrieb mittels Chargier-Gestellen oder in einem kontinuierlichen Prozess mittels Förder-Einrichtung (Fließband etc.) erfolgen (1).

Nach dem Auflösen der Polymermatrix der faserverstärkten Kunststoffteils liegen erfindungsgemäß die Faserlagen annähernd in gleicher Form vor, wie sie bei der ursprünglichen Bauteilherstellung verwendet wurden (8). Die vorliegende Erfindung ist bezüglich der Verstärkungsfasern, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, nicht besonders beschränkt.

Beispielsweise können erfindungsgemäß faserverstärkte Kunststoffteile mit

Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen- Fasern, oder Plexiglas-Fasern, recycelt werden. Gegebenenfalls muss beim Entfernen der Polymermatrix darauf geachtet werden, dass ein Verfahren gewählt wird, bei dem die jeweiligen Fasern nicht mit entfernt werden. So ist beispielsweise Pyrolyse in der Regel nicht für organische Fasern, wie etwa Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, oder Plexiglas-Fasern, geeignet. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß Kunststoffteile, die mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt sind, stärker bevorzugt mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, verwendet. Die vorliegende Erfindung ist bezüglich der Polymermatrices, die für das

erfindungsgemäße Verfahren geeignete sind, nicht besonders beschränkt.

Beispielsweise können faserverstärkte Kunststoffteile mit einer Polymermatrix aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU),

Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethen (PTFE), Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF),

Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR),

Melaminharz (MF/MP), Harnstoffharz (UF), oder Gummi verwendet werden. In einer bevorzugten ausführungsform wird Epoxidharz (EP), Phenol-Formaldehydharz (PF), oder Polyurethan (PUR) verwendet.

Wie in Figur 2 gezeigt, werden die erhaltenen Faserlagen weiterhin in geeignete Teilstücke zerkleinert (2). Das Zerkleinern erfolgt vorzugsweise durch zerschneiden mittels einer im Prinzip im Stand der Technik bekannten Schneidevorrichtung.

Erfindungsgemäß beträgt dabei die Kantenlänge der Teilstücke von etwa 1 cm bis etwa 20 cm, vorzugsweise etwa 2 cm bis etwa 10 cm. In einer bevorzugten

Ausführungsform beträgt die Größen der Teilstücke ca. 2x2 cm ² bis ca. 10x10 cm ² (14). Diese können nach dem Zerkleinern einzeln aus dem ursprünglichen Faseraufbau aufgenommen werden (3), beispielsweise mittels eines herkömmlichen FPP-Kopfes (10) (Fiber Patch Preforming).

Wie in Figur 3 gezeigt wird dann jedes Teilstück mit geeigneten Methoden eingescannt (11). Dabei ist im Prinzip jedes bildgebende Verfahren geeignet.

Beispielsweise kann ein Laser oder dergleichen zum Einscannen der Teilstücke verwendet werden. Beim Einscannen werden Kennwerte erfasst, wie z.B.

Faserorientierung, Faserondulationen, Faserlänge, Flächengewicht oder geometrische Struktur (15). Anschließend erfolgt entweder eine Zwischenablagerung der einzelnen Teilstücke oder eine direkte Verarbeitung. Diese Verarbeitung erfolgt dann unter

Zuhilfenahme einer geeigneten Ablagestrategie (4), wie nachstehend näher erläutert.

Die Ablagestrategie dient dazu, aus den gewonnenen Teilstücken aus Faserlagen ein neues Bauteil zu fertigen, das den Anforderungen an faserverstärkte Kunststoffteile genügt. Die Wahl einer geeigneten Ablagestrategie dient zunächst dazu, die geometrischen Konturen der Teilstücke mit dem neuem, gewünschtem Bauteil abzugleichen, um beispielsweise Verschnitt zu reduzieren (16). Darüber hinaus können, etwa unter Heranziehen einer Materialdatenbank, günstige

Faserorientierungen, Lagenaufbau, Laminatstärke und weitere Anforderungen des Bauteils berücksichtigt werden (17). In faserverstärkten Kunststoffteilen ist beispielsweise eine Orientierung der Fasern entlang der zu erwartenden Kraftflüsse von erheblicher Bedeutung für die spezifische Festigkeit und Steifigkeit der durch das Recycling gewonnenen Bauteile. Die Ablagestrategie wird daher so entwickelt, dass die einzelnen Teilstücke im neu zu bildenden Bauteil so abgelegt werden, dass die Faserorientierung mit den zu erwartenden Kraftflüssen übereinstimmt. Weitere vertiefende Teilaspekte der Ablagestrategie sind denkbar, zum Beispiel die

Berücksichtigung von Korrekturfaktoren für Faserondulationen, oder ähnliches (18). In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Ablagestrategie unter Verwendung Rechner gestützter Methoden entwickelt werden.

In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Ablagestrategie:

(a) Auswählen von Teilstücken, die geeignet sind die gewünschte Struktur eines neu zu bildenden Bauteils auszufüllen, wobei vorzugsweise möglichst wenig Verschnitt anfallen soll; und/oder

(b) Auswählen von Teilstücken hinsichtlich ihrer Faserorientierung, wobei die Teilstücke gemäß ihrer Faserorientierung entlang der Kraftlinien des neu zu bildenden Bauteils anzuordnen sind;

(c) Auswählen von bestimmten Teilstücken, um Faserondulationen anderer Teilstücke auszugleichen; und/oder

(d) Auswählen von Teilstücken hinsichtlich ihres Flächengewichts, wobei die Teilstücke hinsichtlich des gewünschten Flächengewichts des neu zu bildenden Bauteils anzuordnen sind.

Eine zusätzliche Variante, die erfindungsgemäß möglich ist, besteht in der

Herstellung von Hybrid-Materialien: Hierbei können die Teilstücke der Faserlagen, die nach dem Entfernen der Polymermatrix und dem Zerschneiden erhalten werden, mit Teilstücken anderen Typs kombiniert werden, um die Materialkennwerte entsprechend einer Zielapplikation zu beeinflussen. Bei den zusätzlichen Teilstücken kann es sich beispielsweise um Neu-Material handeln, um die spezifische Steifigkeit bzw. Festigkeit zu verbessern; ferner ist das Beifügen von Verschnitt-Resten denkbar, um auch eine wertschöpfende und Ressourcen-schonende Verwertung für diese vorsehen zu können. Darüber hinaus kann auch andersartiges Material eingebracht werden. Beispielsweise sind Aramid-Kohlenstofffaser-Hybride im Stand der Technik bekannt und mit dem vorliegenden Verfahren realisierbar. Ebenso ist das Einlegen von Aufdickungen (z.B. Metalle oder Kunststoffe) erfindungsgemäß möglich und liefert ausreichend Material für Gewinde zur Befestigung an übergeordneten Trägerstrukturen. Die Integration anderer, zusätzlicher

Funktionalitäten ist ebenso möglich.

Alle vorstehend geschilderten Variationen des Verfahrens lassen sich leicht beliebig miteinander kombinieren.

Die Ablage der einzelnen Teilstücke zur Bildung eines neuen Bauteils (5) erfolgt beispielsweise mittels des vorstehend geschilderten FPP-Kopfes oder mit Hilfe vergleichbarer Methoden bis ein endkonturnaher Faservorformling entsprechender Laminatstärke erzeugt ist (12).

Nachdem die Ablage der notwendigen Patches erfolgt ist, findet eine Infiltration des Bauteils statt. Dieser Schritt ist in Figur 4 gezeigt (6). Verfahren zur Infiltration bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile sind einen Fachmann gut bekannt. Ein Beispiel eines geeigneten Infiltrationsverfahrens ist Liquid Composite Molding (LCM). Bei diesem Verfahren wird die Faserstruktur in ein Werkzeug (z.B. ein oberes und ein unteres Werkzeug) eingelegt, und ein Harz wird in die Faserstruktur injiziert, gegebenenfalls unter Verwendung von erhöhtem oder erniedrigtem Druck. Anschließend wird das Harz gehärtet, beispielsweise thermisch. Varianten dieses Verfahrens sind beispielsweise Resin Transfer Molding (RTM), Vakuum

unterstütztes RTM (VARTM) oder Vakuum unterstützte Harzinfusion (VARI). Beim RTM- Verfahren wird Harz in die faserverstärkungen injiziert, um die Preform zu benetzen, und anschließen wird das Bauteil ausgehärtet, beispielsweise durch thermische Aushärtung oder ein anderes geeignetes Aushärtungsverfahren. Beim Injizieren des Harzes kann zusätzlich Vakuum angelegt werden, um die Füllung der Form zu optimieren (VARTM). Das VARI-Verfahren ist eine Abwandlung des VARTM- Verfahrens, in welchen ein flexibler Vakuumsack als oberes Werkzeug verwendet wird. Die Verstärkungsfasern werden dabei auf das untere Werkzeug gelegt. Der Aufbau wird mit einer flexiblen Vakuumfolie abgedichtet und Vakuum angelegt. Dabei fließt Harz über die Fasern und infiltriert diese. Eine anschließende Aushärtung kann wie im Stand der Technik üblich durchgeführt werden, beispielsweise thermisch bei etwa 180 °C, abhängig vom Aufbau und vom verwendeten Harzsystem.

Anschließen wird das gebildete Kunststoffteil (13) aus dem Werkzeug entnommen (Entformen). Die weitere Nachbearbeitung und Systemintegration des fertigen Bauteils erfolgen wie im Stand der Technik üblich.

Auf die vorstehend beschriebene Weise kann ein Kunststoffteil hergestellt werden, welches einerseits auf recyceltem Fasermaterial basiert und andererseits die Vorteile von faserverstärktem Kunststoff nach wie vor realisieren kann. Es findet also ein echtes Recycling statt im Gegensatz zum Downcycling, welches bislang im Stand der Technik üblich ist.

Insbesondere bewirkt das dargestellte Verfahren, dass im Recyclingprozess von faserverstärkten Strukturen, wie etwa mit Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff, keine Verkürzung der Filamente unter die beschriebe Mindestgröße der Teilstücke und keine Faservereinzelung erfolgt. Auf diese Weise bleibt der der eigentliche und ursprüngliche Zweck der Verstärkungsfasern erhalten. Die Fasern, z.B.

Kohlenstofffasern, werden üblicherweise unter hohem technischem Aufwand und unter hohem Energieverbrauch hergestellt, und können gemäß der vorliegenden Erfindung beim Recyceln erhalten bleiben.

Die spezifische Festigkeit und Steifigkeit des gemäß der Erfindung gewonnenen Fasermaterials qualifiziert dieses als potentialträchtige Verstärkungsstruktur von Kunststoffen. Die so herstellbaren Verbundwerkstoffe sind folglich gut für

Werkstoffleichtbau- Anwendungen geeignet. Der Zugewinn in der Zielapplikation (Treibstoffeinsparung durch geringeres Strukturgewicht im Flugzeug- oder

Automobilbau, schnellere Beschleunigung durch geringeres Trägheitsmoment etc.) rechtfertigt in vielen unterschiedlichen Bereichen den Einsatz dieser aufwändigen Rohstoffe und kann auch eine positive ökologische Bilanz gegenüber anderen Werkstoffen erzielen. Dieser Einsatz in hochwertigen Anwendungen, also in solchen, die in hohem Maße die Eigenschaften der Kohlenstofffasern ausnutzen, setzt voraus, dass eine Fasermindestlänge gegeben ist und eine Faserorientierung einstellbar ist. Mit dem neuen, dargestellten Verfahren besitzen auch Recycling-Fasern im

Gegensatz zum Stand der Technik das Potential, in solchen hochwertigen

Anwendungen zum Einsatz zu kommen. Die Recyclingfasern gemäß dem Stand der Technik sind hingegen auf neue Anwendungen angewiesen, die Großteils noch gar nicht identifiziert werden konnten und auch keine nennenswerten Absatzmärkte zu sehen sind und das Faserpotential nur sehr begrenzt ausnutzen.