Untersuchung der zeitabhängigen strukturellen Veränderungen von rPET und rPET/PBT-Blends während der reaktiven Extrusion : Einfluss von Prozessparametern und Materialzusammensetzung

Titelangaben

Himmelsbach, Andreas:
Untersuchung der zeitabhängigen strukturellen Veränderungen von rPET und rPET/PBT-Blends während der reaktiven Extrusion : Einfluss von Prozessparametern und Materialzusammensetzung.
Bayreuth , 2026 . - XVI, 173 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Polyethylenterephthalat (PET) ist einer der weltweit am häufigsten, verwendeten Kunststoff und findet breiten Einsatz in der Verpackungsindustrie, im Bauwesen und in technischen Anwendungen, wie z.B. Schaumstoffen. Aufgrund des hohen Mengenverbrauchs an PET rückt das Recycling in eine zentrale Rolle, damit Ressourcen geschont und Kosten gesenkt werden können. Besonders das mechanische Recycling stellt wirtschaftlich eine attraktive und vergleichsweise einfache Methode dar. Jedoch verschlechtern sich die Materialeigenschaften beim Recyling durch thermischen und scherrinduzierten Abbau, was den Einsatz von recyceltem Polyethylenterephthalat (rPET) begrenzt. Durch reaktive Extrusion und den Zusatz geeigneter Additive kann rPET chemisch aufgewertet werden. Die vorliegende Arbeit untersucht diese chemische Aufbereitung sowie Strategien zur Steigerung der Effizienz der Reaktion mit dem Kettenverlängerer (KV), um die Materialeigenschaften von rPET zu verbessern und den Ressourceneinsatz nachhaltiger zu gestalten. Bei konstanter Formulierung (rPET + 0,5 % KV) wurden der Einfluss der Drehzahl und des Massestroms auf die resultierende Viskosität des modifizierten rPET in der Extrusionslinie untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss von PBT auf das Fließverhalten und die KV-Reaktion genauer betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die Viskosität von rPET durch die Verarbeitung mit 0,5 % KV bei einem Durchsatz von 6 kg*h-1, einer Temperatur von 265 °C und einer Schneckendrehzahl von 120 rpm im Doppelschneckenextruder von 678 Pa·s auf 1741 Pa·s gesteigert werden kann. Sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Extruderdrehzahl bei konstantem Durchsatz führten hingegen zu einer teils signifikant geringeren Viskosität. Ein vergleichbares Verhalten wurde auch für den Einfluss des Durchsatzes bei konstanter Drehzahl des Doppelschneckenextruders beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verweilzeit der Schmelze und die eingebrachte Scherung in einem empfindlichen Gleichgewicht stehen, das einen entscheidenden Einfluss auf die ablaufende KV-Reaktion ausübt. Eine zu geringe Scherung verhindert die Aufrechterhaltung der KV-Reaktion, wodurch sich eine weniger verzweigte Polymerarchitektur ausbildet. Ebenso führt eine zu kurze Verweilzeit zu einer ineffizienten Nutzung des KV, da dem System nicht genügend Reaktionszeit zur Verfügung steht. Aus der kinetischen Betrachtung der Reaktion konnte abgeleitet werden, dass die KV-Modifikation ausschließlich im Doppelschneckenextruder stattfindet. Durch die Zugabe von PBT verbessert sich das Fließverhalten von rPET deutlich, was die Verarbeitung insgesamt erleichtert. Zudem zeigte sich, dass die Fließaktivierungsenergie mit steigendem PBT-Anteil zunimmt, was auf eine stärker verzweigte Polymerarchitektur hindeuten könnte. Die KV-Reaktion läuft somit bevorzugt mit PBT ab. Diese Annahme konnte jedoch durch ergänzende rheologische Untersuchungen nicht eindeutig bestätigt werden. Insgesamt zeigte sich, dass die scherinduzierten Prozessparameter einen maßgeblichen Einfluss auf die Viskosität von modifiziertem rPET sowie den rPET/PBT-Blends hatten. Durch eine gezielte Optimierung dieser Parameter konnten die rheologischen Eigenschaften deutlich verbessert werden, da der KV effektiver genutzt und unerwünschte Nebenreaktionen minimiert wurden.

Abstract in weiterer Sprache

PET is one of the most widely used plastics worldwide, with applications in packaging, construction, and advanced technologies, like foams. Therefore, recycling plays a crucial role in conserving resources and reducing costs. In particular, mechanical recycling is an attractive and comparatively inexpensive method. However, thermal and shear-induced degradation can cause the material properties to deteriorate, which limits the use of rPET. Reactive extrusion with the addition of suitable additives can chemically upgrade rPET via a CE reaction. The thesis investigates this chemical treatment, as well as strategies to increase the efficiency of the CE reaction, with the aim of improving material properties and making more sustainable use of resources. With a constant formulation, this study investigated the influence of screw speed and throughput in the extrusion line on resulting viscosity. Additionally, the impact of PBT on extrusion behaviour and viscosity was examined in detail. It was demonstrated that the viscosity of rPET can be increased from 678 Pa·s to 1,741 Pa·s by processing it in a twin-screw extruder at 0.5 wt.-% KV, with a throughput of 6 kg/h, a barrel temperature of 265 °C, and a screw speed of 120 rpm. However, increasing or decreasing the screw speed at a constant throughput led to significantly lower viscosity. Similar behaviour was also observed in relation to throughput at a constant speed in the twin-screw extruder. The results show that the residence time of the melt and the applied shear are in a delicate balance that decisively influences the CE reaction. Insufficient shear prevents the CE reaction from being maintained, resulting in a less branched polymer architecture. Similarly, insufficient residence time leads to inefficient CE utilisation, as the system does not have sufficient reaction time. A kinetic analysis of the reaction reveals that CE modification exclusively occurs in the twin-screw extruder. Adding PBT significantly improves the flow behaviour of rPET, facilitating overall processing. Additionally, it was found that the flow activation energy increases with rising PBT content. This suggests that the existing polymer architecture may be more branched. Thus, the CE reaction preferably proceeds with PBT. However, supplementary rheological investigations could not conclusively confirm this assumption. Overall, the shear-induced process parameters were found to have a significant influence on the viscosity of modified rPET. Specifically optimising these parameters significantly improved the rheological properties, as the CE was used more effectively and undesirable side reactions were minimised.