Neue Wege in der Verwertung von Altreifen

Jedes Jahr fallen weltweit über 1,5 Milliarden Altautoreifen an. Würde man sie aufeinanderstapeln, ließe sich mit dem Reifenturm die Entfernung von der Erde bis zum Mond überbrücken, rund 380.000 Kilometer. Bislang wird in Deutschland ein Drittel der Altreifen thermisch verwertet, sprich: sie werden verbrannt. Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz haben sie auf die Suche nach einer ökologisch wertvolleren Verwertung von Elastomeren aus Altreifen gemacht.

Wohin nur mit all den vielen Altreifen? Runderneuern lässt sich ein Pneu nicht unbegrenzt, irgendwann ist die Verschleißgrenze erreicht und dann heißt es bislang oft: rein in den Ofen. Zumindest gestaltet sich so das Schicksal der meisten Altreifen. Dabei wäre den einstigen Hochleistungsträgern eine höherwertige Verwendung zu wünschen.

Apropos Leistungsträger: Ein konventioneller Autoreifen hat unterschiedlichsten Belastungen standzuhalten. Es soll auf lockerem Schotter wie auch auf heißem oder regennassen Asphalt sicher und zuverlässig greifen; er soll unter größter Hitze und eisigster Kälte sein Rolle sicher ausführen, ohne zu viel Substanz zu verlieren oder Lärm zu produzieren, und nicht zuletzt hat er die Schockbehandlung beim Auffahren auf harte Bordsteinkanten oder auch waghalsige Bremsmanöver möglichst unbeschadet zu überstehen.

Ein moderner Autoreifen ist – mag man es ihm auch nicht auf Anhieb ansehen – fürwahr ein Hightech-Produkt, das sich, der Vollständigkeit halber, in keiner Weise mit den ersten seiner Art vergleichen lässt. Ein Autoreifen ist eine Komposition aus Gummi – sprich vulkanisiertem Kautschuk –, Textilien und Stahl. Zur Herstellung des Gummi werden heute vorwiegend Naturkautschuk (NR) sowie Synthasekautschuke wie Styrol-Butadien (SBR) und Polybutadien (PB) verwendet, die durch den Zusatz von bis zu 200 unterschiedlichen Füllstoffen und Additiven hochveredelt und straßentauglich gemacht werden (LINK). Während die Hauptbestandteile eines Reifengummis allgemein wohlbekannt sind, hüllen sich die Reifenhersteller über die Reifenrezeptur und das Herstellungsverfahren in tiefes Schweigen. Schließlich will man dem Mitbewerber nicht das Geheimnis seines Erfolges verraten.

Da der praktische Einsatz eines Reifens auf der Straße den Einsatz einer Komposition aus so vielen verschiedenen Materialien und Stoffen verlang, existiert eine Vielfallt hersteller- und modellspezifischer Rezepturen. Dies führt zu großen Problemen für das werkstoffliche Recycling, da eine sortenreine Auftrennung nicht möglich ist. Elastomere sind ein sensibel reagierendes Ergebnis der Mischungszusammensetzung. Artfremde Mischungsbestandteile können leicht zu ungewollten Wechselwirkungen führen. Daher werden, wenn überhaupt, meist nur sehr geringe Mengen Rezyklat zur Herstellung neuer Reifen verwendet und auch nur für unkritische Komponenten wie etwa die Lauffläche.

Altreifen zu deponieren ist jedoch wenig sinnstiftend und in der EU zudem seit 2006 verboten – wie hoch soll der Reifenberg denn werden? Bleibt also die thermische Verwertung, die sinnvoll ist, nicht aber der Weisheit letzter Schluss. Hinzu kommt, dass durch den Entfall der sogenannten „Heizwertklausel“ des Kreislaufwirtschaftsgesetztes (§ 8, Abs. 3) zum 01.06.2017 auch eine Verbrennung nicht mehr ohne weiteres möglich ist. Denken wir daher noch einmal intensiv über die Möglichkeiten einer werkstofflichen Verwertung nach. Genau das haben Wissenschaftler vom Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität in Chemnitz getan und sind dabei auf ganz interessante Lösungsansätze gestoßen. Die Experten aus dem Bereich Extrusionstechnologien und Recycling sprechen bei ihrem Ansatz von einer gleichsam intelligenten wie effizienten Lösung:

Bisher wurden Altreifen – so sie denn in die werkstoffliche Verwertung gehen, was mit etwa jedem dritten Altreifen passiert – meist zu relativ groben Granulaten zerkleinert und mit Bindemitteln zu Boden- und Fallschutzmatten oder Gummischichtungen für den Automobilbau gepresst. Ebenso gut können diese Granulate zur Herstellung von Kunstrasen für Sport- und Spielplätze verwendet werden. Das war es dann auch schon. Den Wissenschaftlern an der der TU Chemnitz reichte das nicht, sie haben neue Werkstoffe mit hoher Qualität und Leistungsfähigkeit im Fokus. Sozusagen eher feinere Sachen, und die erfordern eine andere Behandlung.

Der Schlüssel ist die Größe und Feinheit des Granulats. Ziel der Wissenschaftler um Dr. Stefan Hoyer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau der TU Chemnitz, war es daher, das Altreifengummi zu feinstem Gummi-Mehl zu zermahlen und es dann, mit thermoplastischen Kunststoffen gemischt, weiterzuverarbeiten. Wie sich zeigt, lassen sich die in diesem Prozess erzeugten Thermoplast-Elastomer-Compounds einschmelzen und im Spritzgießverfahren zu komplexen Bauteilen verarbeiten. Den Produkten, die dabei entstehen, sei nicht anzusehen, dass sie früher einmal Reifen waren, schreibt die TU Chemnitz in einer Presseerklärung.

Für ihre Art der Wiederverwertung entwickelten Stefan Hoyer und Kollegen eine ganz neue Verarbeitungstechnologie: die einstufige Direkt-Extrusion. Der Clou dabei ist, die Compoundierung und die Profilextrusion, also das Mischen der Ausgangsstoffe und das Formgeben, zu kombinieren. „Wir sparen einen Prozessschritt, reduzieren den Energieverbrauch und schützen das Material vor thermischen Schäden“, sagt Stefan Hoyer. Auf diese Weise ließen sich endloslange hochwertige Matten für Verschleiß- und Schallschutz hergestellt. Hoyer und seine Kollegen sind derart guter Dinge, was die Qualität und Zukunftsfähigkeit ihrer Forschung anbelangt, dass sie bereits darüber nachdenken, in die Serienfertigung zu gehen: „Aktuell sind wir noch in der Phase der Markteinführung, kooperieren aber bereits mit einer Firma aus der Region.“

Nach dem Motto, eine Lösung ist keine Lösung, haben sich die Chemnitzer Wissenschaftler an einen zweiten Ansatz herangewagt. Dabei hatten Stefan Hoyer und Kollegen die Verbesserung einer Technologie im Blick, die sich nun bereits international im Einsatz befindet: Es ginge darum, die Wiederverwertung technischer Elastomeren zu optimieren, sagt Stefan Hoyer. Werfen wir einen Blick auf die Details:

Technische Elastomere sind Gummimaterialien, die vielfach zum Einsatz kommen, etwa in Form von Dichtungsringen. Bei deren Herstellung fällt meist viel Ausschuss an, der kostspiel zu entsorgen sei. Ihre Methode zielt darauf an, diese Reststoffe so aufzubereiten, dass sie sehr leicht in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden können, schildert Hoyer. Das in der Regel sortenreine Rezyklat wird einfach wieder unter die Ausgangsstoffe gemischt und in den Prozess gegeben.

Als Rezyklat wird das Feinmehl bezeichnet, das aus den Produktionsresten erzeugt wird und in der Regel zwischen 600 und 200 µm groß ist. Es wird im sogenannten „Reaktruder“ unter hoher mechanischer Belastung vermahlen. Dabei wird ein Effekt genutzt, der in der Formel 1 als „Graining“ bekannt ist:

Graining oder Körnen ist eine Folge der Überlastung von Rennreifen. Der Reifengummi, insbesondere bei Slick, kann durch Antriebs- und/oder Seitenführungskräfte seine Struktur nicht mehr aufrechterhalten und „schält“ sich. Die dabei entstehenden Gummischnipsel verklumpen sich und kleben an der Lauffläche des Reifens. Das Graining reduziert die Reifenauflagefläche und verändert damit die Oberflächentemperatur des Reifens. Die Temperatur des Reifens ist entscheidend für das Grip-Niveau.

Zwar ist die Warmmahlextrusions-Technologie nicht neu, Hoyer und Kollegen haben sie aber weiterentwickelt und optimiert. Ziel sei es unter anderem gewesen, die Prozessstabilität zu verbessern, die Reinigung zu vereinfachen, die Baugröße kompakter zu gestalten und der Verschleiß zu reduzieren. Und ihr Verfahren ermöglicht es erstmals auch kleinste Chargen wirtschaftlich sortenrein zu recycelen, ist Stefan Hoyer überzeugt. Und ganz nebenbei habe man den Energieverbrauch des Prozesses um etwa 60 Prozent vermindern können.

Hoyer und Kollegen hatten bei ihrer Arbeit potenzielle Interessenten im Blick: Ihre Technologie biete insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen (KMUs) die Chance, im eigenen Betrieb anfallende Reststoffe eigenständig zu verwerten. Ihre Methode stelle ein effizientes Werkzeug zum Recycling von Elastomeren dar, sagt Stefan Hoyer, mit dem sich Ausgangsrohstoffe nachhaltig nutzen und wiederverwertet lassen. Einsparungen in Sachen Energiebedarf, Entsorgungskosten, Ressourcen und CO2-Ausstoß sind weitere positive Effekte.

Damit ist das Ende der Fahnenstange jedoch noch nicht erreicht, sagt Stefan Hoyer: „Wir haben noch viel vor.“ Unter anderem hoffen die Wissenschaftler der TU Chemnitz auf Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), um im Rahmen des Bundesexzellenzclusters MERGE unter anderem die Rezepturen von Thermoplast-Elastomer-Compounds weiter zu verbessern. Darüber hinaus richtet sich der Blick der Wissenschaftler auch auf die die Arbeit an Duroplasten und anderen Elastomer-Kompositionen. Um das Thema Nachhaltigkeit im Bereich der Kautschukverarbeitung auch in die Praxis zu bringen, wurde auf Initiative der Chemnitzer Forscher außerdem das Unternehmensnetzwerk „ElastoTech“, nachhaltige Technologien für hochelastische Polymerkomposite, gegründet. Damit untermauert Stefan Hoyer das Ziel der der Wissenschaftler des Instituts für Strukturleichtbau der TU Chemnitz: „Neue Werkstoffe zu entwickeln, zu charakterisieren und effiziente Verarbeitungstechnologien für die Praxis zu entwickeln.“ K-Online wünscht viel Erfolg. 

[1] Hoyer S., Kroll L., Nendel, W. et al.: Werkstoffliches Recycling von Elastomeren in Theorie und Praxis. In: GAK Gummi Fasern Kunststoff, 67. Jahrgang (2014), Nr. 12, S. 752–761

[2] Hoyer, S.: Neuartige Warmmahltechnologie zum Recycling von Elastomeren und Analyse prozessbedingter Eigenschaften. Chemnitz, Technische Universität Chemnitz, Institut für Strukturleichtbau, Dissertation, 2014. Dr. Hut Verlag, München, 2015; ISBN 9783843921275