Neue Recyclingmethoden für Altreifen eröffnen Anwendungen von Gummimehl in Thermoplast-Elastomer-Compounds. (Bild: Freigeist67/Fotolia)
Neue Recyclingmethoden für Altreifen eröffnen Anwendungen von Gummimehl in Thermoplast-Elastomer-Compounds. Bild: Freigeist67/Fotolia
Reifen bestehen aus zirka neun Komponenten wie Lauffläche und Karkasse. Sie enthalten insgesamt 800 bis 900 verschiedene Substanzen (Tabelle 1).1) Der Hauptbestandteil ist Gummi, ein Elastomer. Es entsteht durch die Vulkanisation, die weitmaschige Vernetzung von Kautschuk. Jede Reifenkomponente hat abhängig von Reifenart und -modell ihre eigene, herstellerspezifische Gummirezeptur. Natur-, Isopren-, Styrol-Butadien- und Butadienkautschuk sind die am meisten verwendeten Sorten dafür. Ein Reifen verschleißt durch Nutzung, sodass er nach etwa 50.000 km (bei Lkw nach bis zu 500.000 km) ersetzt werden muss. Im Jahr 2013 gab es in der EU, in Norwegen, in der Schweiz und in der Türkei insgesamt 2,9 Mio. Tonnen Altreifen.2) Wie lassen sie sich sinnvoll verwerten? Sie zu deponieren, ist in den EU-Staaten seit 2006 verboten.3) Etwa die Hälfte wird daher verbrannt, meist in Zementwerken. Der Anteil stofflich verwerteter Reifen lag im Jahr 2013 bei 41 Prozent.2)
Stoffliche Verwertung von Altreifen
Elastomere lassen sich aufgrund ihrer thermisch irreversiblen Vernetzung nicht mehr schmelzen, um die Komponenten erneut zu nutzen. Darüber hinaus widerstehen sie vielen Lösungsmitteln, Laugen und Säuren, was das Recycling erschwert. Daher werden sie vor allem zerkleinert: zu Granulaten mit Partikelgrößen von 1 bis 10 mm und
zu Mehlen, deren Partikel kleiner als
1 mm sind.
Ein Reifen wird zunächst in mehreren Prozessstufen zerkleinert und von Fremdstoffen (etwa Cord) getrennt. Letzter Verarbeitungsschritt ist die Feinvermahlung zu Mehl, wofür sich zwei Verfahren etabliert haben: Warm- und Kryogenvermahlung. Bei der Kryogenvermahlung kühlt flüssiger Stickstoff den Gummi unter seine Glasübergangstemperatur; er wird versprödet und anschließend durch Prall oder Schlag zerkleinert. Dabei entstehen Partikel mit glatten Bruchflächen (Abbildung 1, links). Die spezifische Oberfläche ist relativ gering, was nach bisherigen Erkenntnissen die Rückführung in hochbeanspruchte Produkte einschränkt. Die Warmvermahlung geschieht bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen. Dabei wird das Material mit hohen Scherkräften zerkleinert. Die Partikel haben eine große, zerklüftete Oberfläche und eine zerrüttete Struktur (Abbildung 1, rechts). Dies erleichtert oft die Einbindung in neue Werkstoffsysteme.4)
Energetische Verwertung
Grundsätzlich hat in der EU die stoffliche Verwertung von Abfällen Vorrang vor der thermischen.5) Seit die Heizwertklausel des Kreislaufwirtschaftsgesetzes6) im Juni 2017 entfallen ist, ist Verbrennen auch in Deutschland nur noch unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Dazu zählt die wirtschaftliche Unzumutbarkeit einer stofflichen Verwertung.
Reifen herzustellen, benötigt viel Energie: 51 MJ/kg.7) Der Heizwert von Altreifen beträgt 29 MJ/kg, sodass sich damit etwa 0,7 kg Rohöl (41,9 MJ/kg) ersetzen lassen. Dies entspricht derzeit einem Wert von 0,20 US-Dollar (USD) pro Kilogramm bei einem Rohölpreis für die Sorte UK Brent von 51,22 USD pro Barrel, beziehungsweise etwa 57 Prozent der zur Herstellung aufgewendeten Energie. Für das Recycling der Altreifen zu Feinmehl mit Partikelgrößen kleiner als 400 μm sind 9 MJ/kg notwendig. Das Material lässt sich für bis zu 0,60 EUR pro Kilogramm verkaufen. Wie sinnvoll ist es also, Reifen zu verbrennen? Das Copenhagen Resource Institute jedenfalls kommt zu dem Schluss: Die stoffliche Verwertung ist in allen untersuchten Kategorien der thermischen Verwertung vorzuziehen.8)
Mikroskopische Aufnahmen repräsentativer Rezyklatpartikel aus dem Kryogen- (links) und Warmmahlverfahren (rechts). Bild: Hoyer, TU Chemnitz
Altreifengranulate werden in etlichen Sekundäranwendungen mit niedrigem Eigenschaftsniveau eingesetzt, etwa als Einstreu für Kunstrasen, Sport- und Spielplatzmatten sowie für einfache Formteile wie Wegeinfassungen. Dieser Absatzmarkt ist jedoch bereits stark erschlossen und mengenmäßig fast gesättigt. Zudem ist in weiten Teilen dieser Märkte der Gehalt an polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Erzeugnissen präventiv begrenzt (Tabelle 2).9,10) Zwar gelten seit 2010 in der Reifenindustrie PAK-Grenzwerte für Weichmacheröle11), jedoch enthält auch der Füll- und Verstärkungsstoff Ruß bis zu 1000 mg/kg PAK, deren Gehalt auf EU-Ebene nicht geregelt ist (Tabelle 2). Altreifen enthalten daher teilweise sehr viel PAK, sodass die Verwertung zu Sekundärprodukten durch die Gesetzesänderung problematisch wird. Genaue Angaben zum PAK-Gehalt von Altreifen sind in der Literatur jedoch kaum zu finden. Daher kooperiert das Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz mit dem Unternehmen Biochemisches Institut für Umweltcarcinogene, Großhansdorf, in den kommenden zwei Jahren, um die Höhe und Verteilungsbreite der Reifen-PAK-Gehalte zu bestimmen.
Es besteht die Gefahr, dass viele bisherige Verwertungsmöglichkeiten von Altreifen entfallen. Besonders problematisch ist dabei die Fokussierung auf den Stoffgehalt an PAK statt auf deren Bioverfügbarkeit. So bezweifelt der Wirtschaftsverband der deutschen Kautschukindustrie, dass derartige Reglementierungen relevant sind. Sie seien nicht risikoadäquat, denn wie Versuche zeigten, sind PAK im Gummi weitgehend unbeweglich gebunden und somit keine Gefahr.12)
Aus Gummimehl, hergestellt aus Altreifen, lassen sich beispielsweise Formteile herstellen. Auch in Thermoplast-Elastomer-Compound sind die Partikel einsetzbar. Bild: Hoyer, TU Chemnitz
Neue Verwertungskonzepte für Altgummi
Auch eine Rückführung der Rezyklate in neue Reifen ist nur eingeschränkt möglich, denn Elastomere sind ein empfindlich reagierendes Ergebnis der Zusammensetzung. Fremde Bestandteile führen leicht zu störenden Wechselwirkungen, weshalb die Reinheit der Rezyklate ausschlaggebend ist. Altreifenrezyklate sind jedoch ein Vielstoffgemisch, dessen Zusammensetzung nicht genau spezifizierbar ist. Die Vielfalt der Reifenkomponenten sowie deren hersteller- und modellspezifischen Rezepturen verwehren eine rezepturreine Trennung. Daher werden nur geringe Mengen Rezyklat zur Herstellung neuer Reifen verwendet und meist nur für weniger sicherheitsrelevante Komponenten wie Laufflächen.
Um neue, mengenmäßig relevante Absatzmärkte zu generieren, entwickeln Wissenschaftler an der TU Chemnitz neue Werkstoffsysteme sowie die zugehörigen Aufbereitungs- und Verarbeitungstechniken. Ziel sind leistungsfähige Werkstoffe mit Reifenrezyklat, welche die PAK-Grenzwerte einhalten. Im ersten Schritt soll daher eine umfangreiche statistische Analyse des PAK-Gehalts von Altreifen erfolgen. Ferner fokussiert das Projekt darauf, Feinmehle kleiner 400 μm einzusetzen, denn nur mit derart feinen Partikeln lassen sich Werkstoffeigenschaften erreichen, die denen von Primärrohstoffen ebenbürtig sind. Vor allem die Werkstoffgruppe der Thermoplast-Elastomer-Compounds – das sind Mischungen aus thermoplastischen Polymeren, etwa Polypropylen, und Reifenrezyklat – bietet einen aussichtsreichen Ansatz.13) Das Ergebnis sind hochelastische thermoplastische Werkstoffe, die thermoplastische Elastomere ersetzen. Eine besonders schonende und energiesparende Verarbeitungstechnik für diese Werkstoffe ist die an der TU Chemnitz entwickelte einstufige Direktverarbeitung. Mischung und Produktausformung werden in einem Prozess kombiniert, die sonst übliche Zwischenstufe Granulat entfällt. Das Material wird nur einmal geschmolzen, wodurch die thermische Degradation der Gummikomponente minimiert und Energie gespart wird.
Ausblick auf neue Rezyklatanwendungen
Um zusammen mit Industriepartnern Produkte aus diesen neuen Werkstoffen zu entwickeln, gründete das Unternehmen Innovation Netzwerk Textil das Unternehmensnetzwerk Elastotech. Zu ersten Anwendungen zählen Gummiseile beim Unternehmen Estoma, Bodenbeläge bei MRH Mülsen und Anwendungen im Tiefbau bei Schönborner Armaturen.
Quellenverzeichnis
1) http://www.kfztech.de/kfztechnik/fahrwerk/reifen/reifenaufbau.htm, Zugriff am 10.09.2017.
2) Ewan Scott, European Tyre and Rubber Manufacturers: Studie: End-of-life Tyre Report 2015, Brüssel, 2016.
3) EU-Richtlinie 1999/31/EG des Rates vom 26. April 1999 über Abfalldeponien (Deponierichtlinie).
4) Hoyer, S.: Neuartige Warmmahltechnologie zum Recycling von Elastomeren und Analyse prozessbedingter Eigenschaften. Technische Universität Chemnitz, 2014. Dr. Hut Verlag, München, 2015.
5) Abfallrahmenrichtlinie (AbfRRl): Richtlinie 2008/98/EG des europäischen Parlaments und des Rates über Abfälle und zur Aufhebung bestimmter Richtlinien, Artikel 4, Abs. 1.
6) Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG): Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen, § 8, Abs. 3 (Heizwertklausel).
7) Continental, Studie: Produkt-Ökobilanz eines PKW-Reifens, Hannover, 1999.
8) Copenhagen Resource Institute, FORCE Technology, Institut für Energie- und Umweltforschung (IFEU) Heidelberg, Studie: Ökobilanzieller Vergleich zweier Verwertungsalternativen für Altreifen, Viborg 2009.
9) Verordnung Nr. 1272/2013 der EU-Kommission vom 6. Dezember 2013, Anhang.
10) Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (E MVV TB – A), Stand: 20.07.2016, Kapitel 2.3.1, S. 234.
11) Verordnung Nr. 1907/2006 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 18. Dezember 2006, ANHANG XVII, Nummer 50 Spalte 2.
12) o. V.: Zu starke Reglementierung bedroht Recycling-Produkte. In: GAK Gummi Fasern Kunststoff, 69. Jahrgang (2016), Nr. 11, S. 726.
13) Hoyer S., Kroll L., Nendel W. et al.: Werkstoffliches Recycling von Elastomeren in Theorie und Praxis. In: GAK Gummi Fasern Kunststoff, 67. Jahrgang (2014), Nr. 12, S. 752.
Abdruck mit freundlicher Genehmigung der GDCh, Erstveröffentlichung in den Nachrichten aus der Chemie, Ausgabe 11/2017.
