Recycling of Ground Tyre Rubber and Polyolefin Wastes by Producing Thermoplastic Elastomers

Entwicklung von thermoplastischen Polyolefin-Elastomeren, die rezyklierbare Polyolefine und Gummipulver aus Altreifen (ground tyre rubber, GTR) beinhalten

  • This thesis deals with the development of thermoplastic polyolefin elastomers using recycled polyolefins and ground tyre rubber (GTR). The disposal of worn tyres and their economic recycling mean a great challenge nowadays. Material recycling is a preferred way in Europa owing to legislative actions and ecological arguments. This first step with worn tyres is already done in this direc-tion as GTR is available in different fractions in guaranteed quality. As the traditional applications of GTR are saturated, there is a great demand for new, value-added products containing GTR. So, the objective of this work was to convert GTR by reac-tive blending with polyolefins into thermoplastic elastomers (TPE) of suitable me-chanical and rheological properties. It has been established that bituminous reclamation of GTR prior to extrusion melt compounding with polyolefins is a promising way of TPE production. By this way the sol-content (acetone soluble fraction) of the GTR increases and the GTR particles can be better incorporated in the corresponding polyolefin matrix. The adhesion be-tween GTR and matrix is given by molecular intermingling in the resulting interphase. GTR particles of various production and mean particle size were involved in this study. As polyolefins recycled low-density polyethylene (LDPE), recycled high-density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP) were selected. First, the opti-mum conditions for the GTR reclamation in bitumen were established (160 °C < T < 180 °C; time ca. 4 hours). Polyolefin based TPEs were produced after GTR reclamation in extrusion compounding. Their mechanical (tensile behaviour, set properties), thermal (dynamic-mechanical thermal analysis, differential scanning calorimetry) and rheological properties (both in low- and high-shear rates ) were determined. The PE-based blends contained an ethylene/propylene/diene (EPDM) rubber as compatibilizer and their composition was as follows: PE/EPDM/GTR:bitumen = 50/25/25:25. The selected TPEs met the most important criterion, i.e. elongation at break > 100 %; compression set < 50%. The LDPE-based TPE (TPE(LDPE)) showed better me-chanical performance compared to the TPE(HDPE). This was assigned to the higher crystallinity of the HDPE. The PP-based blends of the compositions PP/(GTR-bitumen) 50/50 and 25/75, whereby the ratio of GTR/bitumen was 60/40, outperformed those containing non-reclaimed GTR. The related blends showed also a better compatibility with a PP-based commercial thermoplastic dynamic vulcanizate (TDV). Surprisingly, the mean particle size of the GTR, varied between < 0.2 and 0.4-0.7 mm, had a small effect on the mechanical properties, however somewhat larger for the rheological behaviour of the TPEs produced.
  • Die vorliegende Dissertation ist der Entwicklung von thermoplastischen Polyolefin-Elastomeren gewidmet, die rezyklierbare Polyolefine und Gummipulver aus Altreifen (ground tyre rubber, GTR) beinhalten. Es ist eine große Herausforderung die Probleme bei der ökonomischen Verwertung von Altreifen zu lösen. Eine werkstoffliche Wiederverwertung wird heutzutage in Europa politisch präferiert und wird auch mit ökologischen Argumenten unterstützt. Der erste Schritt in die Richtung des werkstofflichen Recylings ist zweifelsohne die Zerkleinerung von Altreifen. Die Technologien sind entwickelt und haben dazu geführt, dass Altgummipulver (GTR) in verschiedenen Fraktionen und in garantierter Qualität auf dem Markt verfügbar ist. Die traditionellen Anwendungsbereiche von Altgummipulver sind gesättigt. Daher ist es von großer technisch/wissenschaftlicher Relevanz GTR-haltige Werkstoffe zu entwickeln mit denen neue Anwendungen realisiert werden können. Das Hauptziel dieser Arbeit war GTR-haltige thermoplastische Elastomere (TPE) zu entwickeln und sie bezüglich ihrer Eigenschaften (und damit ihrer potenziellen Marktfähigkeit) zu charakterisieren. Es wurde festgestellt, dass sich GTR in Bitumen regenerieren lässt. Regenerierung bedeutet einen partiellen Abbau der vernetzten Struktur der Altgummipartikel. Dadurch ist die wichtigste Voraussetzung für ein gutes „Einbinden“ dieser Partikel in verschiedene Polyolefine erfüllt da dieser Abbau die molekulare Interdiffusion und Verhakung fördert. Altgummipartikel aus verschiedenen Herstellungverfahren und mit unterschiedlicher Partikelgröße dienten als Ausgangsmaterial. Als Matrix wurden Polyolefine wie Polyethylen niedriger und hoher Dichte (LDPE bzw. HDPE) und Polypropylen (Neuware oder Rezyklate) untersucht. Zunächst wurden die optimalen Regenerierbedingungen für die jeweilige GTR-Fraktionen geklärt (T=160-180 °C, 4 Stunden). Danach wurden TPE-Verschnitte durch Extrusionskompoundierung hergestellt. Die TPE-Variationen wurden mechanisch (Zugeigenschaften, Verformungsrest), thermisch (mittels dynamisch-mechanische Thermoanalyse und Differenzial Enthalpiekalorimetrie) und rheologisch (sowohl bei niedrigen als auch bei hoher Scherraten) charakterisiert. In den PE-basierten TPE kam ein ein Ethylen/Propylen/Dien Elastomer (EPDM) als Verträglichkeitsmacher zum Einsatz, welches sowohl mit PE als auch mit dem regenerierten GTR kompatibel war. Die Zusammensetzung der jeweiligen TPE/PE Mischungen besteht aus jeweils 25 Gewichtsteilen EPDM/GTR/Bitumen mit 50 Gewichtsteilen PE. Diese Blends erfüllten de wichtigsten Kriterien eines TPE, d.h. Zugdehnung >100 % und Druckverformungsrest < 50 %. TPE(LDPE) hat aufgrund seiner Eigenschaften besser abgeschnitten als TPE(HDPE). Dies wurde dem großen Unterschied in der Kristallinität des LDPE ugegenüber dem HDPE zugeschrieben. Die PP-basierten TPEs wurden ohne EPDM und mit deutlich höherem GTR-Gehalt als im Falle des TPE(PE) hergestellt. Die Zusammensetzung der jeweiligen PP-Blends besteht aus PP/(GTR+Bitumen)= 50/50 bzw. 25/75 Gewichtsteile, wobei das GTR/Bitumen Verhältnis bei 60/40 lag. Diese PP basierten TPE´s zeigten deutlich bessere mechanische Eigenschaften wenn das GTR in Bitumen regeneriert wurde. Desweiteren wurde eine deutlich verbesserte Verträglichkeit von TPE(PP) gegenüber TPE(PE) mit einem thermoplastischen dynamischen Vulkanisat (TDV) auf PP-Basis festgestellt. Der Einfluss der GTR Partikelgröße (0,4-0,7 mm bzw. < 0,2 mm) in diesen Blends blieb unerwartet klein bezüglich der mechanischen und nur wenig ausgeprägter in Anbetracht der rheologischen Eigenschaften.

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Emiliano Julian Lievana
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18867
Advisor:József Karger-Kocsis
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/03/22
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:670 Industrielle Fertigung

$Rev: 12793 $