Post-consumer Poly(ethylene terephthalate) - properties, problems during reprocessing, and modification by reactive extrusion

• Post Consumer Polyethyleneterephthalat - Eigenschaften, Probleme während des Wiederaufbereiten und Modifizierung durch Reaktivextrusion

Berg, Dennis; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung neuer Methoden, die die Qualität von verfärbtem Post-Consumer-Polyethylenterephthalat (PET) während des Recyclingprozesses verbessern. Besonders in der Faserherstellung ist es schwer möglich, 100% Post-Consumer-PET einzusetzen, da Verfärbungen und viele weitere Probleme (z.B. niedrige inhärente Viskosität) während des Recyclings auftreten können. Gerade für die Herstellung von Fasern ist es unabdingbar, weiße bis farblose Polyester zu verwenden, so dass hauptsächlich virgin PET eingesetzt wird. Hier wurden Versuche zur Aufhellung von verfärbten Post-Consumer PET-Rezyklaten sowie eine anschließende Molekulargewichtserhöhung durchgeführt. Darüber hinaus handelt die vorliegende Dissertation von der Herstellung von neuen innovativen polyesterbasierten Masterbatches, welche aktive Kettenverlängerer enthalten. Schließlich wurden reaktive Extrusionsversuche sowohl an kleinen Laborspinnanlagen als auch in größeren Technikumsanlagen durchgeführt. Zuerst wurden die Ursachen der grauen Verfärbung von Post-Consumer PET während der Wiederaufbereitung untersucht. Die Analytik der Rezyklate zeigte auf, dass metallisches Antimon (Sb), welches aus der Katalyse der PET-Synthese stammt, einen großen Einfluss auf die Vergrauung von PET hat. Durch das thermische Wiederaufbereiten von PET (Schmelzen) wird der Katalysator (Sb3+-Verbindungen) zu schwarzgefärbtem Sb reduziert. Ziel des nächsten Arbeitsschrittes war, eine Farbverbesserung von verfärbtem PET durch Bleiche zu erzielen. Die Bleiche von vergrautem PET wurde in der Schmelze mittels Zinkperoxidmikropartikeln (ZnO2) durchgeführt. Durch Sauerstofffreisetzung aus den ZnO2-Partikeln bei höheren Temperaturen wurde das metallische Antimon in der PET-Schmelze oxidiert. Die Bleiche der verfärbten PET-Materialien wurde erfolgreich durch Zuführung von kleinen Mengen an ZnO2 (0,1 - 0,2 Gew.-%) während der Reaktivextrusion durchgeführt. Zur Kompensation eines oxidativen Abbaus, der durch den Bleichprozess mit ZnO2 entstanden ist, wurden Kettenverlängerer während der reaktiven Extrusion eingesetzt. Aus diesem Grunde wurde zuerst der Einfluss zweier Kettenverlängerer auf die Eigenschaften von PET untersucht. Als Kettenverlängerer wurden 1,3-Phenylenbisoxazolin (1,3-PBO) und N,N´-Carbonylbis-caprolactam (CBC) ausgewählt. Durch Zugabe von geringen Mengen der Additive konnte eine Verbesserung der Eigenschaften von PET erreicht werden, ohne signifikant negative Effekte bei der Kristallinität oder den rheologischen Eigenschaften des Polymers hervorzurufen. Da Additive in der Technik gewöhnlich in Form von Masterbatches der Polymerschmelze während der Verarbeitung zugeführt werden, wurden neuartige Masterbatches in einer nicht-reaktiven Polyestermatrix entwickelt, die 1,3-PBO und CBC enthalten. Zyklische Polybutylenterephthalat-Oligomere ohne reaktiven Endgruppen wurden als nicht-reaktive Masterbatchmatrix verwendet. Diese können wiederum in Anwesenheit von Katalysatoren zu hochmolekularen Polymeren während der Reaktivextrusion polymerisieren. Weiterhin wurde die Spinnbarkeit von Post-Consumer-PET durch Zugabe der neu entwickelten Masterbatches in einer Technikumsanlage untersucht. Nach Zugabe der Kettenverlängerer-Masterbatches wurde eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Post-Consumer-PETs festgestellt. Letztlich wurden Technikumsspinnversuche mit Post-Consumer-PET unter Zugabe von Zinkperoxid in Kombination mit den Kettenverlängerer-Masterbatches unternommen. Diese Versuche zeigten erfolgreich, dass Post-Consumer-PET-Fasern bei sehr hohen Geschwindigkeiten von 5000 m/min gesponnen und verstreckt werden konnten. Daraus folgt letztlich, dass verfärbtes Post-Consumer-PET auf diese Weise aufgehellt und repariert werden kann, welches somit ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit und zum Umweltschutz ist und sich Ressourcen und Energie einsparen lassen können.