Upcycling of Polypropylene Glass Fibre Composite Regenerates Through a New Technological Approach

Der Übergang zu einer leichten und nachhaltigen Mobilität erfordert nicht nur fortschrittliche Werkstoffe, sondern auch vollständig recycelbare Produkte und zirkuläre Fertigungstechnologien. Faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe, insbesondere glasfaserverstärktes Polypropylen (GF-PP), ermöglichen erhebliche Gewichtsreduzierungen und Einsparungen von CO¿-Emissionen. Ihre Wiederverwertbarkeit und die Rückführung in geschlossene Materialkreisläufe stellen jedoch weiterhin große Herausforderungen dar. Die herkömmliche Herstellung von Polypropylen (PP) Organoblechen und unidirektionalen (UD) Tapes erzeugt bis zu 40 % Produktionsabfall, der derzeit größtenteils downgecycelt oder thermisch verwertet wird und somit die ökologischen Vorteile der Leichtbauweise erheblich mindert. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Einstufen Prozess auf Basis des Spritzgusscompounder (SGC) entwickelt und optimiert, der eine innovative und energieeffiziente Methode zur Wiederverwertung und Aufwertung glasfaserverstärkter Thermoplaste darstellt. Diese Arbeit leistet damit einen Beitrag zur LightCycle-Initiative, welche die Etablierung eines geschlossenen Kreislaufs für die Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe anstrebt. Im ersten Arbeitsschritt wurden die Homogenität und das Verstärkungsverhalten postindustrieller GF-PP Compounds, die mit recyceltem Polypropylen (rPP) vermischt wurden, durch umfassende thermische, rheologische und mechanische Analysen untersucht. Die Zugabe von GF-PP-Compounds veränderte die Verarbeitbarkeit des rPP nicht wesentlich, was einen Vorteil für die industrielle Umsetzung darstellt. Abhängig vom Verbundtyp zeigten sich jedoch unterschiedliche Verhaltensweisen: Aus Organoblechen gewonnenes GF-PP erhöhte die Viskosität und steigerte die Zugfestigkeit um bis zu 30 %, während UD Tape-basiertes GF-PP hauptsächlich als Füllstoff fungierte. Das Compoundieren und Granulieren führte zu einer Verkürzung der Fasern, wodurch die Bedeutung der Kontrolle von Faser¿Faser-Wechselwirkungen und Scherbedingungen während der Verarbeitung hervorgehoben wurde. Die anschließende Optimierung mittels Design of Experiments (DOE) und Response Surface Methodologie (RSM) ergab eine optimale Formulierung aus 50 Gew. % GF-PP-Flakes, 5 Gew. % Additiv und einer Schneckendrehzahl von 150 U/min, was zu einem Elastizitätsmodul von 4,1 GPa und einer Zugfestigkeit von 48,6 MPa bei zufriedenstellender Fließfähigkeit führte. Rheologische Modellierungen bestätigten, dass GF-PP und Additivgehalt maßgeblich die Viskosität und das Scherverhalten beeinflussen, was auf eine verbesserte Faser-Matrix-Interaktion hinweist. Darüber hinaus erreichten Maschine-Learning (ML) Modelle, die auf den experimentellen Datensätzen trainiert wurden, eine hohe Vorhersagegenauigkeit (R² > 0,85) für Steifigkeit und Festigkeit und bestätigten damit das Potenzial datenbasierter Ansätze zur Leistungsprognose und Optimierung recycelter Verbundwerkstoffe. In der abschließenden Phase wurde der SGC-Prozess experimentell als nachhaltige, einstufige Fertigungstechnologie für GF-rPP-Compounds validiert. Numerische Simulationen mit Ansys POLYFLOW® lieferten detaillierte Erkenntnisse über den Einfluss der Schmelzeströmungs gestaltung auf den Druckaufbau und die Verweilzeit, die experimentell bestätigt wurden. Im Vergleich zum herkömmlichen zweistufigen Compoundieren und Spritzgießverfahren erzielte der IMC-Prozess 10¿12 % höhere Zugfestigkeiten, eine verbesserte Fasererhaltung und eine effizientere Spannungsübertragung. Die Integration eines FIFO-Schmelze Reservoirs erhöhte zudem die Prozessstabilität, reduzierte die Verweilzeit und minimierte thermische Schädigung sowie den Energieverbrauch. Obwohl der SGC-Prozess ein hohes Potenzial zeigte, ist eine weitere Optimierung erforderlich, um die derzeit drei unabhängigen Steuerungseinheiten