Das Recycling von Verbundglasabfällen durch Zersetzungstechnologien

Datum: 19. Dezember 2022

Autoren: Ľubomír Šooš, Miloš Matúš, Marcela Pokusová, Viliam Čačko und Jozef Bábics

Quelle: Recycling 2021, 6(2), 26; https://doi.org/10.3390/recycling6020026

Verbundglas wird heutzutage immer häufiger eingesetzt. Dies gilt für die Automobilindustrie und die Bauindustrie. Bei Autos handelt es sich meist um die Front- und Heckscheiben, während im Bauwesen technisches Sicherheitsglas für Geländer und Fensterscheiben verwendet wird. Die Aufgabe dieser Art von Glas besteht darin, ausreichend Widerstand gegen mechanische Einwirkungen und unangenehme Witterungseinflüsse zu bieten. Gleichzeitig muss es im Schadensfall in möglichst kleine Stücke zerbrechen bzw. das Glas soll möglichst intakt auf der Zwischenfolie bleiben, um zu verhindern, dass Scherben Menschen und Tiere in der unmittelbaren Umgebung verletzen. Der Artikel befasst sich mit dem Recycling von Verbundglas, insbesondere mit der effektiven Trennung von Glas (in Form von Scherben) von der Polyvinylbutyral (PVB)-Zwischenschichtfolie.

Die experimentelle Forschung konzentriert sich auf die mechanische Trennung von Glas von der Zwischenschichtfolie durch Vibration sowie auf die chemische Reinigung von PVB-Folie, um ein anschließendes Recycling beider Materialien zu ermöglichen. Die Ergebnisse quantifizieren die Effizienz der mechanischen Trennung in Form des Gewichtsverlusts der Verbundglasprobe und definieren die Partikelgrößenverteilung von Glasscherben, die ein wichtiger Parameter für die Möglichkeit des Glasrecyclings ist. Die Forschung führt zu einem Methodenvorschlag für die Trennung von Glas und PVB-Folie und zum Design der Ausrüstung für diese Methode.

Die Bedeutung des Glasrecyclings ist aus ökologischer, energetischer und technischer Sicht sehr groß und dementsprechend ist Glas ein wichtiger Sekundärrohstoff in Form von Abfall. Nach Angaben der International Organization of Motor Vehicle Manufacturers (OICA) beträgt die weltweite Automobilproduktion etwa 90 Millionen Autos pro Jahr. Geht man davon aus, dass eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs etwa 13 kg Glas und 1 kg PVB-Folie enthält, beträgt die Gesamtmenge an Glas für die Windschutzscheibenproduktion etwa 1170 Millionen. kg und 90 Mio. kg PVB-Folie pro Jahr. Die weltweite Gesamtmenge an PVB-Folien, die für die Automobil- und Bauindustrie produziert werden, wird auf etwa 170 Mio. geschätzt. kg pro Jahr [1,2,3,4].

Produktionslinien weltbekannter Hersteller wie Solutia, DuPont, Sekisui und Kuraray produzieren jährlich Tausende Tonnen PVB-Folie für Automobil- und Bauzwecke, die weiter zu Verbundglas gepresst werden. Weltweit werden 65 % aller PVB-Folien in Automobilanwendungen eingesetzt [1,4]. Nebenprodukte aus verarbeiteten PVB-Folien (5 %) und beschnittenen Folien (weniger als 10 %) müssen ebenfalls in die Gesamtproduktionsmengen einbezogen werden. Dies entspricht einer Gesamtmenge von 105 Millionen kg PVB-Folienabfall pro Jahr. Nach Schätzungen des Verbands der Automobilindustrie der Slowakischen Republik [5] stehen in der Slowakei jedes Jahr etwa 13.200 t Flachglasabfälle aus dem Baugewerbe und aus Autoglas rund 3.600 t zur Verfügung.

Forscher und Recyclingunternehmen konzentrieren sich zunehmend auf das Recycling und die Verwertung von Altfahrzeugmaterialien (ELV). Dies ist auf verschiedene strenge staatliche Richtlinien und Umweltvorschriften zurückzuführen, wie beispielsweise den Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) der USA [6], K-REACH [7] und die EU-Richtlinie zu ELV [4]. Die europäische Richtlinie Nr. 2000/53/EG stellt eine Herausforderung für die Automobilindustrie dar, da sie eine Rückgewinnungsgrenze von 95 % des Gewichts von Altfahrzeugen festlegt, davon 85 % durch Recycling. Die Automobilindustrie unterstützt diese Bemühungen in allen EU-Ländern. Allerdings ist das stoffliche Recycling im Allgemeinen auf Materialien wie Stahl und Aluminium ausgerichtet und nicht auf weniger attraktive Abfälle wie Glasuren [8]. Natürlich ist es notwendig, auch das effiziente Recycling von Windschutzscheiben deutlich zu steigern. Dennoch wird die Entfernung von Verglasungen in den Mindestbetriebspflichten bei der Demontage von Altfahrzeugen ausdrücklich erwähnt [9].

Der Verwertungsschwerpunkt sollte auf der Wiederverwendung von Sekundärrohstoffen aus dem Altglas als Inputmaterial für die Herstellung von Neuglas liegen. Wenn der Sekundärrohstoff die erforderlichen technischen Parameter erfüllt, entspricht die Qualität des Produkts der eines aus dem Primärrohstoff hergestellten Produkts. Durch die Verwertung von Glasabfällen sparen wir vor allem Primärstoffressourcen, Energie und Wasser und vermeiden die Überlastung von Deponien. Der Energiebedarf bei der Herstellung von Behälterglas schwankt um 4,5–5 GJ pro Tonne geschmolzenem Glas [10]. Steigt der Scherbenanteil in einer Charge um 10 %, sinkt die Energieintensität der Glasherstellung um 2,5 % (Ausgangswert ist eine 35 % Scherben-Charge). Bei Behälterglas schwankt der Emissionsfaktor derzeit zwischen 350 und 400 kg CO2/t Glasschmelze. Bei einem Anteil von 35 % an Scherben in der Charge verringert sich die Menge der CO2-Emissionen um etwa 18,5 %, bei einem Anteil von 60 % an Scherben verringert sich die Menge der CO2-Emissionen um bis zu 32 % [10].

Die Technologie zur Herstellung von Verbundglas hängt von der Verwendung einer Art Zwischenschicht ab. Bei der technischen Schichtung wird elastisches Material mit guter Glashaftung zwischen die Glasscheiben eingebracht. Zu den üblicherweise verwendeten Materialien gehören Polyvinylbutyral (PVB), Ethylvinylacetat (EVA) oder der Ionoplast SentryGlassPlus (SGP). PVB ist das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Zwischenschichtfolien in Verbundglas. Verbundglas mit Folie wird üblicherweise unter hohem Druck und hoher Temperatur im Autoklaven hergestellt. Zwei Glasflächen werden meist durch eine Folie mit starker Klebeverbindung verbunden. Diese Haftung stellt jedoch ein Hindernis im Recyclingprozess dar, da die Trennung der Verbundfolie vom Glasscherben die größten Probleme bereitet.

Es ist möglich, durch Trennung sauberes Glas zu erhalten, allerdings ist das Polymer oft so stark mit Glas oder anderen Fremdstoffen verunreinigt, dass es für eine weitere Verwendung oder ein Recycling ungeeignet ist und meist auf Mülldeponien landet. Denn der große Glasanteil verhindert ein Verbrennen [2]. Für eine perfekte Trennung und die Erzielung sauberer Phasen des Laminats scheint laut Literatur [1,4,11,12,13,14] ein Nassverfahren zur Trennung der Glasschichten von der Folie die einzig brauchbare Methode zu sein. Dabei wird der umgekehrte Effekt der Verbindungstechnik genutzt: Mit abnehmender Durchmischung der Folie erhöht sich deren Haftung auf Glas. Grundlage der Zersetzungstechnologie ist daher die Abnahme der PVB-Haftfähigkeit durch einen zunehmenden Wassergehalt in der Folie. Das Problem dieser Methode ist die Wirtschaftlichkeit des gesamten technologischen Prozesses.

Basierend auf wissenschaftlichen Veröffentlichungen und Forschungsberichten in diesem Bereich [1,4,9,13,15,16,17,18,19] muss für die effektive Trennung der PVB-Folie vom Glas immer die Technologie der kombinierten Trennung eingesetzt werden. Dazu gehört die mechanische Behandlung durch Brechen des Glases oder Trennen des Glases (entweder mit oder ohne Brechen des Films), gefolgt von einer chemischen Trennung unter thermischem Einfluss und schließlich mechanischer, z. B. hydrodynamischer Reinigung, Waschen und Trocknen. Alle genannten technologischen Einflüsse wirken sich auf die Eigenschaften des recycelten PVB aus. Daher muss der Erforschung der Veränderungen der PVB-Eigenschaften während der Verarbeitung und deren Auswirkungen auf das Recycling besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

1.1. Verwendung und Eigenschaften von recycelten Materialien

Aufbereitetes Klarglas in Form von Scherben kann bei der Herstellung von Glasprodukten wiederverwendet werden und ersetzt herkömmliche Rohstoffe. Die Glasindustrie profitiert von zwei Vorteilen durch das Recycling von Glasscherben: Scherben sind relativ günstiger als das Primärmaterial (Siliciumdioxid) und es wird weniger Strom verbraucht, um sie im Ofen zu schmelzen [4]. Zusätzlich zu diesen wirtschaftlichen Vorteilen werden durch das Scherbenrecycling viele natürliche Ressourcen geschont.

Die Recyclingmethode und die Verwendbarkeit von Scherben hängen von deren Reinheit und Fraktionsgröße ab. Größere, saubere Scherben sind in der Glasindustrie sofort für die Herstellung von Glasprodukten geeignet. Die geringe Größe der Glasfraktionen in Form von Glaspulver kann erfolgreich zur Herstellung von Schaumglas als Wärmedämmung für Gebäude und Schalldämmung genutzt werden. Diese Anwendung wird in den Arbeiten [20,21,22] ausführlich analysiert. Die Eigenschaften dieses Materials werden auch in Arbeiten [23,24] ausführlich untersucht. Altglas unterschiedlicher Fraktionen und Reinheit wird in der Bauindustrie häufig verwendet. Viele wissenschaftliche Forschungen befassen sich mit neuen Perspektiven von recyceltem Glas in Beton, Mörtel und Baumaterialien [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36].

Experimentelle Untersuchungen [12] zur Untersuchung der Auswirkungen des Recyclings auf die Eigenschaften von PVB-Folien haben gezeigt, dass die Wiederverwendung von recycelten PVB-Folien in Verbundglas durch die Quantifizierung des Weichmacherverlusts, der während des Windschutzscheiben-Recyclings und des Herstellungsprozesses von PVB-Mischungen aufgetreten ist, bedingt ist. Die Menge an Weichmacher beeinflusst das Verhältnis der Viskosität der dispergierten Phase und der PVB-Matrix, was wiederum die Morphologie von PVB-Mischungen und ihre Eigenschaften steuert.

Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschung [4] zeigen, dass die Eigenschaften von recyceltem PVB im Vergleich zu neuem PVB vom Einfluss der Temperatur abhängen, um die Eignung für die Wiederverwendung zu bestimmen. Temperaturbedingte Veränderungen des recycelten PVB wurden mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) bewertet. Untersuchungen haben gezeigt, dass die stabile Zersetzung von neuem PVB bei 200 °C beginnt, ab 300 °C jedoch eine schnelle Zersetzung erfolgt. Im Gegensatz dazu weist recyceltes PVB zwei unterschiedliche Temperaturbereiche mit schneller Zersetzung auf, nämlich 180–350 °C und 350–550 °C °C. Die erste schnelle Zersetzung wird durch die Zersetzung von Weichmachern in recyceltem PVB im Temperaturbereich von 180–350 °C verursacht. Sehr ähnliche experimentelle Ergebnisse werden von der Studie berichtet [1]. Der durchschnittliche Gewichtsverlust von recyceltem PVB, der nur durch die Zersetzung von Weichmachern verursacht wurde, betrug im Temperaturbereich 250–350 °C 13,62 %. In dieser Studie wurde massenspektroskopisch festgestellt, dass der Gehalt an Weichmachern in PVB 20 und 25 Gew.-% beträgt.

Die in Arbeit [1] beschriebenen untersuchten Zugeigenschaften von Proben neuer und recycelter PVB-Folie wurden bei Raumtemperatur an Standard-Zugproben in Form einer „Hantel“ gemessen. Sie wurden direkt aus den Filmen herausgeschnitten. Recyceltes und neues PVB hatten sehr ähnliche Eigenschaften, recyceltes PVB erreichte jedoch eine höhere Zugfestigkeit. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das recycelte Material nicht wesentlich von den ursprünglichen PVB-Polymeren unterschied, da sie eine ähnliche chemische Zusammensetzung und einen ähnlichen Gewichtsanteil an Weichmachern aufwiesen. Original- und Recyclingmaterial können miteinander vermischt werden, wobei es keine Unverträglichkeiten zwischen verschiedenen Sorten gab. Abhängig von den gewählten Verarbeitungsbedingungen kann es zu Problemen durch den Verlust von Weichmachern aus recyceltem Material kommen. Allerdings kann der Zusatz von Dibutylsebacat diesen Mangel ausgleichen. Im Labor wurde außerdem festgestellt, dass recycelte PVB-Typen zum Laminieren von Gläsern verwendet werden können, ohne dass die optische Reinheit verloren geht.

1.2. Trenntechnologien

Literatur- und Patentstudien haben gezeigt [4,37,38], dass es im Allgemeinen vier gültige Methoden zur Trennung von Verbundglasabfällen gibt – mechanische, thermodynamische, chemische und kombinierte Methoden. Am häufigsten wird die mechanische Zerkleinerungsmethode verwendet, die auf dem Prinzip der mehrfachen Zerkleinerung von verklebten Abfällen und der daraus resultierenden Trennung der Glas- und Folienpartikel basiert. In Anlagen zum Recycling von Verbundglas kommt je nach gewünschtem Endprodukt und dessen Qualität meist eine rein mechanische oder kombinierte Trennung zum Einsatz. Unter dem Gesichtspunkt der im Trennprozess vorhandenen Arbeitsmedien lassen sich die Verfahren und die dazugehörigen Technologien in zwei Kategorien einteilen – die sogenannten Trockenverfahren (mechanische oder thermodynamische Trennung) und Nassverfahren (z. B. chemische Trennung).

Das Prinzip der mechanischen Trennung ist Gegenstand des Patents EP0249094 [11]. Der Kern des Patents sind mehrere Zyklen der kombinierten Desintegration und Trennung von Fragmenten des Verbundglases.

Eine weitere mechanische Trennvariante ist das amerikanische Patent US8220728 [39], das sich vor allem auf die effektive Trennung von recycelter PVB-Folie konzentriert. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass im ersten Schritt mehrschichtiges Glas in einer zylindrischen Kammer, die mit Brechhämmern einer bestimmten Form ausgestattet ist, zerkleinert und zersplittert wird, während die Splitter durch ein Sieb auf den Boden der Kammer fallen. Das Problem der mechanischen Trennung wird auch im Patent SK286370 behandelt, das das Prinzip doppelter, um eine Längsachse rotierender Walzen mit behandelter Oberfläche nutzt. Eines der Rollenpaare ist unbeweglich in einer Lagerkonstruktion gelagert, die zweite ist verschiebbar und verstellbar gelagert. Die rotierenden Rollenpaare sind vertikal und hintereinander in einem festgelegten Abstand in der Lagerstruktur angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Rollen des folgenden Paares geringer ist als der zwischen den Rollen des vorhergehenden Paares.

Ein Beispiel für eine kombinierte Nasstechnologie ist die kontinuierliche Anlage der Firma Xinology Co., Ltd., Hongkong, zum Recycling von Verbundglas und zur Trennung von PVB- oder EVA-Folie aus Glasresten. Neben der mechanischen Technologie nutzt die Linie auch Flotationstechnologie, eine Waschmaschine und einen Trockner [40].

Auch das dänische Unternehmen Shark Solution A/S betreibt erfolgreich mechanisches Recycling und produziert mit seiner patentierten Technologie gemahlenes Glas mit einer Partikelgröße von 0–5 mm, das weniger als 1 % verunreinigte Materialien und Folien enthält, was den Einsatz in Hochleistungsanwendungen ermöglicht [41].

Unser Institut hat in Zusammenarbeit mit der Firma MAVEBA sro [42] eine Anlage entwickelt, die als Prototyp für das Recycling von Autoglas dient. Im Gegensatz zur patentierten Lösung EP0567876 [37] erfolgt die Aufbereitung des Verbundglasabfalls in Anlagen nach dem Prinzip zweier rotierender Wellen mit Ketten, an deren Enden Schlaghämmer aus Stahl sitzen. Die gemahlene Mischung wird zu einem rotierenden Sortierer weitergeleitet, wo sie weiter in einzelne Chargen aus Glasscherben und Film sortiert wird. Die Leistung der Mühle für Seiten- und Heckscheiben beträgt 200 kg/h, die Gesamtjahreskapazität im Zweischichtbetrieb liegt bei 1600 t. Im Vergleich zum EP0567876-Patent sind bei der Maveba-Technologie Hämmer auf Ketten statt auf starren Stangen montiert.

1.3. Fazit der Analyse

Aus den Ergebnissen der Analyse ergibt sich eine wichtige Schlussfolgerung: Die Technologie der mechanischen Desintegration selbst und die anschließende Trennung der einzelnen Komponenten des Verbundglases sind zwar kostengünstig, gleichzeitig ist die derzeitige Technologie jedoch sehr laut und staubig. Darüber hinaus erleichtert es nicht die effiziente Verwertung von Abfällen. Auch wenn Interesse an Folie und Chips besteht, wollen Glasfabriken und Chemiebetriebe keine Sekundärrohstoffe kaufen, die die geforderten Sauberkeitskriterien nicht erfüllen. Die Wiederherstellbarkeit sauberer Glasfragmente und Folien, die mit den derzeit verfügbaren Technologien verfügbar sind, beträgt nur 50–60 %. Der Rest des ungetrennten Abfalls landet auf Deponien.

In Kombination mit anderen Technologien werden zwar die Effizienz und die Reinheit der einzelnen Komponenten steigen, allerdings wird auch der Preis für diese Technologie stark steigen und für kleine Verarbeitungsbetriebe wirtschaftlich unrentabel bleiben.

Dementsprechend besteht der Bedarf, ein Verfahren und eine Ausrüstung zu entwickeln, die für kleine und mittlere Unternehmen mit einer Jahreskapazität von 1000–2000 t technologisch akzeptabel und wirtschaftlich realisierbar sind. Ziel unserer experimentellen Aktivitäten war die Erforschung und Verifizierung verschiedener Trennprinzipien.

1.4. Wissenschaftliche Hypothese

Die grundlegende wissenschaftliche Hypothese, die wir bei der Forschung zur Lösung der gestellten Aufgabe angenommen haben, war, dass die vorgeschlagene Technologie die Anforderung erfüllen sollte, nach dem technologischen Zersetzungsprozess einen „kompakten Film“ beizubehalten. Unserer Meinung nach erreichen wir auf diese Weise den höchsten Reinheitsgrad in den einzelnen Chargen. Dies setzt voraus, dass eine Technologie erfolgreich so konzipiert wird, dass es beim Zersetzungsprozess nicht zu einer Zersetzung des Glasabfalls kommt. Dieser Prozess könnte so ablaufen, dass die Trennung des Glases durch Zerbrechen des Glases und anschließendes Abziehen und Abschaben der Scherben von der Folie erreicht werden könnte, sodass die Folie möglichst unversehrt bleibt.

2.1. Materialien

Für alle in dieser Studie beschriebenen Experimente wurde Verbundglas in Form von Windschutzscheiben derselben Autoherstellermarke verwendet. Die getesteten Windschutzscheiben bestehen aus zwei Glasschichten mit einer Dicke von 2,5 mm und der PVB-Zwischenschicht mit einer Dicke von 0,76 mm. Alle getesteten Windschutzscheibenmuster wurden aus zwei Floatglasschichten hergestellt, die zu wärmevorgespanntem Glas modifiziert waren, und mit einer PVB-Zwischenschicht aus Trosifol® Standard.

2.2. Bruchtests für Verbundglas

Es wurden Bruchversuche an laminierten Windschutzscheiben und Prüfungen der Bruchtauglichkeit der Werkzeugform durchgeführt. In dieser Phase wurden experimentelle Arbeiten zum Testen verschiedener Stempelprofile durchgeführt. Die Bruchtests der Windschutzscheibenproben (Abbildung 1) wurden durchgeführt, um zu bestimmen, bei welcher Kraft sich das Glas verformte und bei welchem ​​Kraftgrad es zum Bruch kam. Ein weiteres sehr wichtiges Ergebnis ist die Kenntnis darüber, welche Werkzeuggeometrie (scharf oder abgerundet) es dem Glas ermöglicht, in Fragmente gleicher Größe zu brechen.

Für die Tests wurden zwei Stempel verwendet – der erste hatte eine „V“-Form mit einem Spitzenwinkel von 90° (Abbildung 1a) und der zweite hatte eine „S“-Zylinderform (Abbildung 2a) mit einem Radius von 50 mm. Die Stichprobengröße betrug ca. 100 × 70 mm. Beim Einsatz des V-Stempels (Abbildung 1b) zeigte sich, dass die Glasschicht im Bereich der Stempelkante am stärksten gebrochen war, während die anderen Teile der Glasprobe nur leichte Risse aufwiesen (Abbildung 1c). Es blieb auch fest an der Folie haften. Um das Glas zu zerbrechen, war eine Kraft von 0,05 kN erforderlich, und um eine vollständige Rissbildung in der Pressform zu erreichen, war eine Kraft von mehr als 2 kN erforderlich.

Der „S“-Stempel (Abbildung 2b) wurde in Übereinstimmung mit dem vermuteten Zylinderprofil des zukünftigen Werkzeugs simuliert. Bereits beim ersten Presshub wies die Probe deutlichere Risse auf als beim V-Stempel. Diese Probe in der Presse wurde dann nach und nach fünfmal hintereinander zerbrochen, wobei das Glas nach jedem Zerkleinern um 180° gedreht wurde (Abbildung 2c). Die nach jeder Drehung auf das Glas ausgeübte Bruchkraft betrug immer etwa 2 kN, mit Ausnahme der letzten Drehung, bei der das Glas so stark zersplitterte, dass es sich unter seinem Eigengewicht verbogen hatte. Die Ergebnisse der Tests mit dem „S“-Stanzer zeigten, dass das Glas an der Folie haften blieb, obwohl zum Lösen nur sehr wenig Kraft erforderlich war. Das Ergebnis dieser Vortests ist der Wert der effektiven Bruchkraft, die erforderlich ist, um das Glas in Teilen ähnlicher Form und Größe zu zerbrechen, ohne dass die PVB-Zwischenschicht zerbricht. Daher konzentrierten wir unsere weitere Aufmerksamkeit darauf, begleitende Vorgänge oder Verfahren zu finden, um das Problem der Trennung des zerbrochenen Glases von der Folie zu lösen.

Der nächste Schritt war ein Experiment zur Trennung der Glasscherben durch Hitzeeinwirkung. Stücke mit Abmessungen von weniger als 5 × 5 mm konnten leicht mechanisch von der Folie der PVB-Zwischenschicht getrennt werden, größere Stücke waren jedoch schwerer oder überhaupt nicht von der Folie zu trennen.

Der nächste Schritt bestand darin, die Reaktion des zerbrochenen Windschutzscheibenglases auf das Erhitzen mit einer Heißluftpistole und das anschließende schnelle Abkühlen in einer Flüssigkeit mit Temperaturen bis zu −25 °C zu testen. Die Flüssigkeit wurde mit einer Spritze auf das zerbrochene Glas zwischen Glas und Filmschicht injiziert. Nach Erhitzen der Probe zerkleinerten Verbundglases und anschließender Injektion der gefrorenen Flüssigkeit (eine Lösung aus Methanol und destilliertem Wasser) an der Grenze zwischen Glas und Folie konnte das Glas leicht getrennt werden, da die Flüssigkeit unter die einzelnen Bruchstücke gelangte. Dadurch kam es zum endgültigen Abbau der Haftfestigkeit.

2.3. Vibrationstests

In der zweiten Phase der experimentellen Arbeiten wurde das zu diesem Zweck konstruierte Labormodell einer Vibrationsanlage fortgesetzt. Die Versuchsausrüstung mit mechanischer Vibration zum Schleifen der Verbundglasproben ist in Abbildung 3 dokumentiert. Der Funktionsteil der Maschine besteht aus zwei Eisenplatten von 400 × 400 mm. Die Platten sind unten durch ein Scharnier und oben durch Federn flexibel miteinander verbunden. Eine Platte ist an der Basis befestigt, während auf der zweiten Platte ein Vibrator (0,18 kW, 2880 U/min, Zentrifugalkraft 2,26 kN) platziert ist. Die Arbeitsflächen beider Platten sind als Profil aus gerasterten, horizontal angeordneten Zylinderstäben von 10 mm Durchmesser gefertigt.

Die eigentliche Messung erfolgte an drei intakten Testmustern der Windschutzscheibe (Abbildung 4) mit den Maßen jeweils 395 × 295 mm. Jede Probe wurde durch ihr Eigengewicht sechsmal (dreimal von jeder Seite) zerdrückt, während sie sich durch die Ausrüstung bewegte. Das Gewicht der Proben wurde vor den Tests und nach jedem einzelnen Zerkleinerungszyklus gemessen. Die gemessenen Werte des Probengewichts sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1. Entwicklung des Gewichtsverlusts der analysierten Proben über sechs Vibrationszyklen.

Das Glas, das sich während der Vibrationszyklen von der PVB-Folie ablöste, wurde in einem Auffangbehälter unterhalb der Laborvibrationsausrüstung aufgefangen. Das abgetrennte Glas wurde einer granulometrischen Analyse unterzogen, um das Gewicht und den Glasanteil in Scherbenproben der fünf Größen zu bestimmen. Zur Klassifizierung der Glaspartikel wurde ein Retsch AS 200 Siebgerät eingesetzt. Die Ergebnisse der granulometrischen Analyse sind in Tabelle 2 dargestellt. Aus der Tabelle lässt sich ableiten, dass der höchste Gewichtsanteil der Scherbenprobe II mit Partikeln der Größe 2–4 mm in allen Fällen 36 % beträgt. Die einzelnen Glasproben nach der Siebanalyse und die fertige PVB-Zwischenschichtfolie sind in Abbildung 5 dargestellt.

Tabelle 2. Partikelgrößenanalyse von Scherben nach Vibrationstests der Glasproben 1 bis 6.

3.1. Vibrations Test

Eine Zusammenfassung und Auswertung der Ergebnisse der experimentellen Messungen, des Mittelwerts des Originalgewichts, der Mittelwerte der Gewichte der Proben sowie der Entwicklung des durchschnittlichen Gewichtsverlusts nach jedem Vibrationszyklus sind in Tabelle 1 dargestellt.

Aus Tabelle 1 geht hervor, dass das durchschnittliche Originalgewicht der ausgewählten Autoglasprobe von 1288 g durch das mechanische Trennverfahren auf ein Gewicht von 101 g reduziert wurde, was einem Gewichtsverlust von 92,16 % entspricht und einem annähernd entsprechenden Wert entspricht Gewicht der PVB-Folie (Abbildung 6). Aus den berechneten durchschnittlichen Gewichtsverlusten geht hervor, dass der größte Verlust nach den ersten Vibrationen stattfand, als man beobachten konnte, wie größere Glassplitter von der PVB-Folie fielen, und das Gewicht um etwa 408 g, also 31,68 g, sank %, vom ursprünglichen Gewicht. Am anderen Ende der Skala war der Gewichtsverlust nach dem vierten Rüttelzyklus am geringsten, als das ursprüngliche Gewicht um durchschnittlich 98 g sank.

Anhand der bekannten Daten der PVB-Zwischenschicht, wie deren Dichte ρ, der in das Autoglas eingeklebten Foliendicke h und den Abmessungen, konnte das Gewicht m der ursprünglichen sauberen PVB-Zwischenschicht wie folgt berechnet werden:

Wo

Die Differenz zwischen dem berechneten Foliengewicht und dem gereinigten Foliengewicht beträgt 6,25 g.

Die gemessenen und berechneten Werte aus der Partikelgrößenanalyse für alle sechs dem mechanischen Recycling unterzogenen Proben sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass der höchste Durchschnittswert des abgetrennten Glasgewichts, etwa 36,2 %, im Größenabschnitt II- lag. Scherbenprobe II mit Anteilen von 2 mm bis 4 mm, der geringste Anteil, etwa 3,5 %, kam im Größenabschnitt I mit Glaspartikeln über 4 mm vor. Der prozentuale Anteil der einzelnen Abschnitte ist in Abbildung 6 dargestellt.

3.2. Waschen der Zwischenschichtfolie

Der nächste Test konzentrierte sich auf die Untersuchung der Möglichkeiten zur Entfernung verbleibender Glasfragmente aus der PVB-Folie nach Vibration (Abbildung 5) durch Einwirkung von Wärme und einer wässrigen CaCl₂-Lösung. Die vorbereitete Lösung aus Wasser und CaCl₂ (700 ml H₂O, 280 g CaCl₂) wurde in einem Behälter auf 60 °C erhitzt. Anschließend wurde die PVB-Folie für einen Zeitraum von 5 Minuten in der Lösung eingeweicht und von Hand gewaschen. Die Glaspulversplitter wurden durch die heiße Lösung von der Folie gelöst und rutschten ab. Die Qualität der Oberflächenreinheit und die Kontinuität der recycelten PVB-Folie ist in Abbildung 7 dokumentiert.

Das Wiegen der Zwischenschichtfolie nach dem Waschen ergab einen durchschnittlichen Gewichtswert von 96,72 g. Die Differenz zwischen dem Originalgewicht der Primärfolie (94,75 g) und der Folie nach dem Waschen beträgt somit +1,97 g. Bei einer Analyse der aufgezeichneten Werte können wir den Schluss ziehen, dass mit der vorgeschlagenen Technologie eine Effizienz von 99,85 % bei der Zersetzung von Verbundglas durch mechanische Behandlung und Waschen erreicht werden kann.

Das Wesentliche der Konstruktion bei der Gestaltung der technologischen Ausrüstung zur Verarbeitung von Altglas-Verbundglas liegt darin, dass sie aus einem mehrstufigen Satz variabler Module besteht. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaft ist es möglich, auf einer Anlage verklebtes Glas verschiedener Größen und Stärken, darunter auch Mehrschichtglas, zu verarbeiten. Auf diese Weise werden neue variable Konfigurationen für die spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Kunden möglich. Die beschriebenen Module können unabhängig voneinander oder zusammen mit begleitender Technologie arbeiten. Durch den frequenzgesteuerten Antrieb einzelner Walzen und die Frequenz des gewählten Industrierüttlers können gegenseitige Bewegungen und Interaktionen verknüpft werden. Einerseits kann der einzelne Kunde „maßgeschneiderte“ Maschinen erwerben, gleichzeitig ermöglicht die „modulare Konzeption“ einen breiten Einsatz solcher Maschinen in der Aufbereitung von Altglas, vor allem im Bau- und Anlagenbau Automobilindustrie.

In der Minimalkonfiguration (Abbildung 8) [43] besteht die Linie aus einem Brechmodul (Abbildung 9b), in dem das Glas zwischen zwei Brechprofilrollenpaaren sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung gebrochen wird. Das Modul der zweiten Linie ist ein Vibrationsmodul (Abbildung 9c), bei dem eine kaputte Windschutzscheibe eines Kleinwagens zwischen einem Vibrationswerkzeug mit Pyramidennadeln geschüttelt werden kann. Das letzte Modul dieser minimalen Zusammensetzung ist das Stripper-Modul (Abbildung 9d), in dem auf Basis der verschiedenen Frequenzen der Stripperwalzen eine mechanische Reinigung der PVB-Folie durchgeführt wird.

Bei dickem und mehrfach laminiertem Glas kann jedes Modul mehrmals durchlaufen werden (Abbildung 10). Um die Effizienz der Verarbeitung und die Sauberkeit des Endfolienprodukts zu steigern, wird die Linienkonfiguration durch Aufnahmetische mit Aufnahmemodulen (Abbildung 9a) und Waschmodule für die Reinigung der PVB-Folie in einer erhitzten Wasserlösung vervollständigt.

Das Hauptziel des hier vorgestellten Beitrags ist eine Beschreibung der Forschung, Entwicklung und des Designs, die zum Aufbau einer effektiven hocheffizienten Technologie zur Zersetzung von Abfällen aus mehrschichtig geklebten Gläsern führen. Auf dem Prinzip der vorgeschlagenen Technologie ist es möglich, die optimale Linienkonfiguration für eine wirtschaftlich effiziente Verarbeitung von Verbundglas mit einer Jahreskapazität von 500–2000 Tonnen zu modifizieren.

Die vorgeschlagene Technologie geht von der Hypothese aus, dass geklebtes Altglas bei der Verarbeitung nicht zerkleinert, sondern einem Zersetzungsprozess unterzogen wird, der auf dem Prinzip der Wahrung der Integrität der PVB-Folie basiert. Im Vergleich zu klassischen mechanischen Technologien ist die vorgeschlagene Technologie nicht so staubig oder laut und erfordert keinen solchen Maschinenaufwand. Das Prinzip der Folienintegrität gewährleistet die Erzielung von Reinheit bei einem anhaftenden Glasgehalt von bis zu 100 ppm. Diese Restglasmenge ist für das industrielle Recycling von PVB-Folien akzeptabel. Die so abgetrennte PVB-Folie wird für die erneute Extrusion und die Herstellung neuer PVB-Folie für Verbundglas vorbereitet. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Technologie besteht darin, dass sie höchste Sauberkeit der einzelnen Abfallarten gewährleistet. Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Technologie ist die Ausbeute an Glasscherben von bis zu 99,85 %.

Die mehrstufige Modultechnik zur Aufbereitung von Verbundglas lässt sich je nach Leistung, Art und Menge der zu verarbeitenden Abfälle einfach modifizieren. Schließlich ermöglicht die Gestaltung des Links auch eine mobile Anordnung.

Die in diesem Manuskript beschriebene Arbeit führt zu einem Gebrauchsmuster in SR (SK8786) [44] und einer Patentanmeldung (SK: PP 107-2019): Methode zur effektiven Rückgewinnung von Abfall-Verbundglas und modularer Aufbau des Geräts [43].

Konzeptualisierung, Ľ.Š. und MM; Methodik, Ľ.Š.; Validierung, Ľ.Š. und MM; formale Analyse, MM und MP; Untersuchung, JB und V.Č.; Ressourcen, MM; Datenkuration, Ľ.Š.; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MM und Ľ.Š.; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, MM; Aufsicht, Ľ.Š.; Projektverwaltung, Ľ.Š.; Finanzierungsbeschaffung, Ľ.Š. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Diese Forschung wurde von der Slowakischen Forschungs- und Entwicklungsagentur mit der Fördernummer APVV-18-0505 und vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Sport der Slowakischen Republik im Rahmen der Vertragsuniversitäts- und industriellen Forschungs- und Bildungsplattform von a finanziert Recyclingunternehmen (UNIVNET).

Die in dieser Studie präsentierten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Die Geldgeber spielten keine Rolle bei der Gestaltung der Studie; bei der Sammlung, Analyse oder Interpretation von Daten, beim Verfassen des Manuskripts oder bei der Entscheidung, die Ergebnisse zu veröffentlichen.