Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSFür Altreifen sind effektive Recyclingmethoden gefragt. Im Rahmen des Projekts »DCIM4Recycling« arbeiten die Exipnos GmbH und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) an der Entwicklung nachhaltiger Verfahren zur Direktverarbeitung von Gummi- und Reifenrezyklaten. Ziel ist es, innovative Technologien zu schaffen, die nicht nur die Energieeffizienz steigern, sondern auch hochwertige Kunststoffe aus Altreifen ermöglichen. Dies könnte einen bedeutenden Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten.
Jährlich fallen weltweit Millionen Tonnen Altreifen an. Allein in Deutschland liegt das Altreifenaufkommen bei circa 500 kt pro Jahr. Das Recycling solcher Reifen, die aus einer komplexen Mischung von Materialien wie Natur- und Synthesekautschuk, Füllstoffen wie Ruß und Kieselsäure sowie Festigkeitsträgern wie Stahl, polyester- oder naturfaserbasiertem Reifencord bestehen, spielt eine immer wichtigere Rolle beim Streben der Hersteller nach Nachhaltigkeit und dem Erfüllen regulatorischer Vorgaben. Ein wichtiger Ansatz dabei ist mechanisches Recycling. Dabei entstehen durch Zerkleinern der Reifen zum Beispiel Gummirezyklate, die schon heute in verschiedensten Qualitäten kommerziell angeboten werden, oder auch Rezyklatfasern.
Diese Rezyklatpartikel und -fasern lassen sich aber nicht ohne Weiteres mit bestehenden Anlagen zur Herstellung hochwertiger Kunststoffe nutzen. Insbesondere zum Recycling von Reifencord aus regenerierter Zellulose, einem nachwachsenden Rohstoff, fehlen derzeit noch technisch, ökologisch und wirtschaftlich effiziente Verfahren – dabei wäre die Rückgewinnung besonders lohnend, weil sie beispielsweise als Verstärkungsfasern in thermoplastischen Leichtbau-Lösungen zum Einsatz kommen könnten.
Im bis September 2027 laufenden Projekt »Optimierung der DCIM-Technologie für die Direktverarbeitung von gummi- und reifenrezyklathaltigen Thermoplasten (DCIM4Recycling)« wollen die Exipnos GmbH, ein Dienstleister für Material- und Technologie-Entwicklung in der Kunststoffbranche aus Merseburg, und das Fraunhofer IMWS hierfür Lösungen entwickeln. Sie setzen auf die Direktcompoundier-Technologie DCIM (Direct Compounding Injection Molding), weil diese einen weiteren Nachhaltigkeitsvorteil bei der Herstellung thermoplastischer Kunststoffbauteile bietet. Dabei wird eine Compoundiereinheit mit einer klassischen Spritzgussmaschine verknüpft. Dies erspart einen separaten Compoundierschritt im Extruder zur Einarbeitung von Rezyklaten und damit eine große Menge Energie, die sonst zum erneuten Aufheizen der Kunststoff-Schmelze notwendig wäre. Der Energieeinsatz bei der Herstellung von Spritzgussteilen lässt sich damit um etwa die Hälfte senken. DCIM ist zudem besonders für die Direktverarbeitung von biobasierten Polymersystemen, Biofasern und Rezyklaten geeignet, weil auch diese von der insgesamt niedrigeren thermischen Belastung profitieren.
Ziele: DCIM-Zusatzmodul und Rezepturen für Haftvermittlung
Gemeinsam wollen die Projektpartner dieses Herstellungsverfahren fit machen für die Verarbeitung von Gummirezyklaten und Rezyklatfasern. Ziel ist es einerseits, ein DCIM-Beistellgerät zu entwickeln, das mit existierenden Standard-Spritzgießmaschinen kombiniert werden kann. Bestehende Anlagen können also mit einem Extruder als seitlich angeflanschtes DCIM-Zusatzmodul in ihrer Funktionalität und der nutzbaren Materialauswahl und -kombination deutlich erweitert werden, ohne dass eine komplette Neuanschaffung nötig wird. Andererseits sollen Rezepturen für Additivmischungen zur Haftvermittlung gefunden werden, die bei der Verarbeitung gummirezyklathaltiger Thermoplaste zum Einsatz kommen können.
Notwendig dafür ist die Optimierung von Maschinenkonfigurationen und Verarbeitungsbedingungen beim DCIM, damit sie gut für die Herstellung von Compounds mit Gummirezyklat-Pulvern und Reifencord-Kurzfasern aus Altreifen geeignet sind. Die Projektpartner haben dabei ebenso die Maschinenkonfiguration (konstruktive Auslegung) als auch die Verarbeitungsbedingungen (optimale Parameter für Schneckengeometrie, Dosierung, Zuführungen, Entgasung, Drehzahl, Temperatur, Schereintrag, Zusammensetzung der Compounds) und die Eigenschaften der entstehenden Kunststoffe im Blick.
»Durch die Nutzung von Gummi-Rezyklaten in der DCIM-Verarbeitung entsteht ein doppelter Nachhaltigkeitsvorteil: Material aus Altreifen kann sinnvoll weitergenutzt werden, und es lässt sich energiesparend und kostengünstig zu hochwertigen Kunststoffen mit verbesserten, maßgeschneiderten Eigenschaften verarbeiten«, sagt Prof. Dr. Mario Beiner, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet. »Die Erforschung fundamentaler Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei gummirezyklathaltigen Thermoplasten ist dabei zentral, um eine gezielte Optimierung von Rezepturen und Verarbeitungsverfahren möglich zu machen.«
Materialverfügbarkeit und -kosten werden berücksichtigt
Die Fraunhofer-Fachleute werden dazu verschiedene Modellsysteme mit geeigneten Kunststoffen (Biopolymere als Matrix) und Gummirezyklaten/Reifenrezyklaten untersuchen, wobei auch Kosten und Verfügbarkeit berücksichtigt werden. Im Fokus stehen beispielsweise Partikelgrößen und Oberflächeneigenschaften, ebenso wie ein besseres Verständnis der Kinetik zentraler Abbau-Mechanismen auf molekularer Ebene, um die thermische-chemische Zersetzung möglichst gering zu halten bzw. durch geeignete Additive gegensteuern zu können. Lösungen sollen auch für die Auswahl- und Optimierung von Haftvermittlern gefunden werden, die eine optimale Anbindung von Gummirezyklatpartikeln an die Kunststoffmatrix unterstützen.
Aufbauend auf diesem Wissen beginnen Verarbeitungsversuche. Die dabei entstehenden Bauteile werden am Fraunhofer IMWS detailliert hinsichtlich ihrer anwendungsrelevanten Eigenschaften analysiert und auch mit solchen aus einem klassischen zweistufigen Verfahren aus Extrusion und Spritzguss verglichen. Dabei erfolgt eine umfassende Quantifizierung von wichtigen mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Härte, der Dämpfungseigenschaften mittels dynamisch-mechanischer Analyse, der Mikrostruktur unter Einsatz (elektronen-)mikroskopischer Verfahren sowie der Kristallinität durch Röntgendiffraktometrie und kalorimetrische Methoden (DSC).
Daten zu speziellen Eigenschaften wie Kriechen oder Temperatur- und Medienbeständigkeit werden anwendungsbezogen erhoben. Ein weiterer wissenschaftlicher Schwerpunkt ist die Analyse eigenschaftsbestimmender mikromechanischer Mechanismen an den Grenzflächen zwischen Rezyklat und Thermoplast sowie der Rissbildung und -ausbreitung im Werkstoff mittels elektronenmikroskopischer Verfahren.
Große Expertise bei Reifenkautschuk
Das Institut kann dabei auf seine langjährige Expertise auf dem Gebiet der Reifenkautschuke ebenso zurückgreifen wie auf materialwissenschaftliche Modelle zur Beschreibung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für innovative, hochleistungsfähige Compounds aus Gummi-Rezyklaten und biobasierten Kunststoffen. »Durch die Möglichkeiten im Kautschuk-Mischsaal am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau verfügen wir nicht nur über fundierte Erfahrungen bezüglich der Compoundierung von silica- und rußhaltigen Natur- und Synthesekautschukcompounds, sondern können auch Lösungen im Pilotmaßstab für unsere Auftraggeber entwickeln«, sagt Beiner.
Die mit dem weiterentwickelten DCIM-Verfahren entstehenden Thermoplaste könnten Anwendung beispielsweise in der Verkehrsinfrastruktur und Fahrzeugtechnik finden, zum Beispiel als Dämpfungsmaterial. »Das würde völlig neue Möglichkeiten sowohl für die Verarbeitung gummirezyklathaltiger Thermoplaste als auch für das werkstoffliche Recycling von Altreifen eröffnen. Wir könnten reifenrezyklathaltige Kunststoffe mit hervorragenden, maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen und zugleich maßgebliche Beiträge für Energieeinsparung und eine verbesserte CO2-Bilanz liefern«, sagt Beiner.
(19. Dezember 2025)