Ziel der Entwicklung
Die Herstellung von Weich-PVC basiert auf dem Prinzip der äußeren Weichmachung, welche technologisch zuverlässig und kostengünstig ist und auf einfache Weise die Erzeugung einer maximalen Bandbreite verschiedenster Produkte gestattet. Gegenüber den Polyolefinen bietet PVC zwei Vorteile: seine gute Bedruck- und Lackierbarkeit und seine inerten Flammschutzeigenschaften.
Die Verarbeitung von Weich-PVC zu flexiblen Bahnen wird wesentlich von thermischen Prozessen des Plastifizierens, Gelierens, Fügens und Fixierens bestimmt. Das übliche Beschichten von flexiblen Trägern (Papier, Textil) wird verfahrenstechnisch durch das sogenannte Streichverfahren dominiert, wobei kontinuierlich von Rolle zu Rolle gearbeitet wird. Das Grundprinzip beruht hier auf dem Auftrag ein oder mehrerer viskoser PVC-Pasten, bestehend aus PVC-Pulver, Weichmacher, Stabilisatoren u. a. Additiven, welche in dispergierter Form etappenweise mit Hilfe einer Streichbeschichtungsanlage auf einen flexiblen Träger appliziert und thermisch ausgeliert werden. Durch das Ausgelieren tritt eine vollständige Homogenisierung von Weichmacher und PVC-Korn ein (äußere Weichmachung).
Der Prozess des Gelierens ist durch den höchsten Energieverbrauch im Gesamtverfahren gekennzeichnet. Stand der Technik bilden hier kontinuierlich beschickte Tunneltrockner, welche nach dem Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs arbeiten und sich auf die Primärenergieträger Öl oder Gas stützen. Aufgrund des langsamen Wärmeübergangs sind die Prozesse energieintensiv und benötigen große Volumenströme an Heißluft, die wiederum eine hohe organische Fracht in der Abluft (Weichmachernebel) verursachen. Um eine vorzeitige Werkstoffalterung durch den thermischen Stress zu dämpfen, enthalten die Pastenrezepturen spezielle Stabilisatoren. Die eingesetzte Anlagentechnik weist einen hohen Platz- und Raumbedarf auf. Dadurch ergeben sich insgesamt Verbesserungspotenziale hinsichtlich Energieeffizienz, Emissionsschutz und Produktqualität.
Ziel des Vorhabens war es, besondere Nachteile der konvektiven Technik zur Herstellung von PVC-Bahnenware zu überwinden. Dabei sollten gegenüber dem fortgeschrittenen Stand der Technik die Energieeffizienz und der Emissionsschutz entscheidend verbessert werden. Rezepturen sollten entwickelt werden, die den Energieeintrag mittels Radiowellen (HF-Technik – Hochfrequenztechnik) ermöglichen. Auf der Basis moderner HF-Trockner sollten die Feldenergie über dielektrische Verluste in-situ im Substrat in thermische Energie umgewandelt und zugleich konvektive Prozesseinheiten vollständig ersetzt werden. Die Forschungsergebnisse sollten die Produkteigenschaften und das Verfahren technologisch und ökologisch optimieren.
Vorteile und Lösungen
Das Projekt widmete sich der Entwicklung und Erprobung von Rezepturen zur Herstellung von PVC-Planen und PVC-Kunstleder unter Anwendung eines HF-Feldes. Dazu wurden Technologien entwickelt, die den Energieeintrag mittels Radiowellen (HF-Technik – Hochfrequenztechnik) ermöglichen. Die Verfahren und Versuchsmuster wurden mit dem Stand der Technik, sprich der Anwendung des konvektiven Wärmeübergangs, verglichen.
Die Herstellung von PVC-beschichteten Planen gelang in guter Qualität. Die Herstellung von PVC-Schaumkunstleder wurde sowohl mit textilen Trägern aus Kunstfasern als auch aus Naturfasern ausgeführt. Ebenso wurden konventionelle und biobasierte Weichmacher erprobt.
Zum Vergleich der Energieeffizienz und der VOC-Emissionsrate wurden vergleichende Versuche durchgeführt. Dazu wurden Testläufe im HF-Verfahren und in konvektiver Arbeitsweise durchgeführt und die Energieverbräuche zur Herstellung einer doppelseitig beschichteten PVC-Plane aufgezeichnet. Dabei wurde ein Verhältnis der flächenspezifischen Energieverbräuche konvektiv : HF von rund 5 : 1 ermittelt. Ebenso wurden die VOC-Emissionen experimentell erfasst und ein flächenspezifisches Verhältnis der Emissionsraten von 11:1 festgestellt.
Die Weiterentwicklung des HF-Verfahrens für Beschichtungen mit PVC-Pasten bedarf jedoch einiger konstruktiver und verfahrenstechnischer Verbesserungen des für das Vorhaben
verwendeten Anlagenprototypen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit der erfolgreichen Anwendung der Forschungsergebnisse auf die Herstellung von PVC-Planen eröffnet sich die Perspektive, die Forschung auf weitere Flächen- und Verbundwerkstoffe (PUR, Silikone) auszudehnen. Besondere Chancen werden der HF-Technik bei der zunehmenden Einbindung von biobasierten Hilfsmitteln und nachwachsenden Rohstoffen in die PVC-Technologie eingeräumt.
Transfereffekte wirken sich auf den Maschinenbau (Beschichtungsanlagen, Trockner) und die Kunststoffbahnenindustrie aus.
Einen der stärksten europäischen Marktsektoren mit ca. 80 Mio. m² p. a. bilden bspw. PVC-Dachbahnen, von denen mehr als 10 Mio. m² in Deutschland produziert werden.
Neben neuen Marktfeldern im Anlagen- bzw. Komponentenbau werden bei der PVC-Verarbeitung durch das neue Verfahren auch Kosten gesenkt, die Produktivität erhöht, Prozessenergie eingespart, Emissionen vermieden und der Carbon-Footprint der Produkte gesenkt. Besondere Kostenvorteile werden außerdem bei Umweltsteuern (Emissionshandel, CO₂-Steuer) erwartet.
