Enhancing sustainability of plastics through tribological performance : a study of recycled polyolefins and engineering thermoplastics

Abstract

Der Einsatzbereich von rezyklierten Kunststoffen wird häufig durch einzelne mechanische Eigenschaften wie Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit bestimmt. Verunreinigungen und Abbauprozesse in bestehenden Recyclingsystemen beschränken die Verwendung recycelter Kunststoffe in neuen Produkten derzeit auf lediglich 9 %, wenn diese Kriterien zugrunde gelegt werden. Um den Einsatzbereich von Rezyklaten zu erweitern und die Material- und Energieflüsse in industriellen Systemen zu optimieren, ist ein grundlegendes Umdenken bei der Auswahl und Gestaltung von Materialien und Systemen erforderlich. Die Tribologie—die Wissenschaft von interagierenden Oberflächen—ist ein Modellsystem, mit dem man über die Grenzen des derzeitigen Anwendungsspektrum hinausblicken kann. Sie ermöglicht intelligente Entscheidungen hinsichtlich des Materialflusses im Recyclingprozess und erlaubt die Anpassung von Betriebsbedingungen zur Verbesserung der Leistung. In dieser Studie wurden der Einfluss des Recyclings auf die Eigenschaften von Gleitverschleiß und Kratzverhalten zweier weltweit am häufigsten produzierten Kunststoffe untersucht: Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) und Polypropylen (PP). Ergänzend wurde die Sichtbarkeit von Kratzern auf recycelten Polyolefinen analysiert. Darüber hinaus befasste sich diese Dissertation mit dem Verschleiß- und Kratzverhalten von technischen Thermoplasten, aliphatischen Polyketonen (APK), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polycarbonat (PC) bei Umgebungstemperaturen von 0°C, 23°C und 80°C.Es zeigte sich, dass rezykliertes PE-HD im Vergleich zu neuem PE-HD Unterschiede im Schmelzfluss und in den mechanische Eigenschaften von bis zu 20% aufwies.. Berücksichtigt man jedoch die spezifischen Anforderungen tribologischer Systeme, so zeigte PE-HD eine vergleichbare Leistung wie ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW), insbesondere beim Erreichen eines Reibungskoeffizienten von unter 0,1. Während das Recycling von PP zu einer Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften und einem deutlichen Anstieg der Schmelzflussrate führte, was die Verwendung von Regranulaten auf das Spritzgießen beschränkte, verbesserte sich überraschenderweise die tribologische Leistung. Die durch die Wiederaufbereitung verursachten Veränderungen in der supramolekularen Struktur von recyceltem PP führten zu einer erheblichen Reduktion des Verschleißes um bis zu einer Größenordnung. Bei APK, PBT und PC korrelierten die Zug-, Druck-, Scher- und Härteeigenschaften mit der dynamisch-mechanischen Steifigkeit bei allen untersuchten Temperaturen. Während die Kratzfestigkeit von APK und PBT mit steigender Temperatur abnahm, zeigte PC eine Verbesserung. Trotz reduzierter Zug-, Druck- und Scherfestigkeit bei höheren Temperaturen blieben Verschleißrate und Morphologie der Verschleißspuren von APK unbeeinflusst.Recycelte Kunststoffe könnten somit in höherwertigen tribologischen Anwendungen eingesetzt werden und damit ein Upcycling erfahren. Gleichzeitig könnten tribologische Systeme von der Verfügbarkeit nachhaltiger Tribomaterialien profitieren. Aus einer erweiterten Perspektive könnten die derzeit als „nicht recycelbar“ geltenden Kunststoffe in unkonventionellen Anwendungsbereichen neues Potenzial entfalten und somit umweltverträglichere Materialien etablierte Werkstoffe ersetzen.

Degradation and contamination issues in recycling systems currently limit the use of recycled plastics in new products to just 9%. Scope of application for recycled plastics is often dictated by standalone mechanical properties such as tensile, compressive and impact strengths. A fundamental rethinking in the selection and design of materials and systems is therefore necessary to broaden the scope of application of recyclates, and to optimise material and energy flows within industrial systems. Tribology—the science of interacting surfaces, and a system parameter—is a model system that can be used to look beyond the limitations of current application portfolios, making smart decisions on material flow during recycling, and changing the operating conditions to improve performance. This study investigates the influence of recycling on the sliding wear and scratch properties of two of the most produced plastics worldwide: high-density polyethylene (PE-HD) and polypropylene (PP). A complementary analysis explores the visibility of scratches on recycled polyolefins. Additionally, this dissertation examines the wear and scratch behaviour of technical thermoplastics, aliphatic polyketone (APK), polybutylene terephthalate (PBT), and polycarbonate (PC) at ambient temperatures of 0°C, 23°C and 80°C. It was found that recycled PE-HD exhibited melt flow and mechanical properties that differed from virgin PE-HD by as much as 20%. And yet, when considering the specific needs of tribological systems, PE-HD performed similarly to ultra-high molecular weight polyethylene (PE-UHMW), particularly in achieving a coefficient of friction below 0.1. While recycling of PP led to deterioration in the tensile properties and a significant rise in melt flow rate, thus effectively limiting use of regranulates to injection moulding, it surprisingly improved tribological performance. Reprocessing-induced changes in the supramolecular structure of recycled PP resulted in a substantial reduction in wear by up to an order of magnitude. For APK, PBT and PC, the tensile, compressive, shear, and hardness properties of the three materials correlated with their dynamic mechanical stiffness at all tested temperatures. While the scratch resistance of APK and PBT decreased with increasing temperature, PC showed an improvement. Despite reductions in tensile, compressive, and shear strength at elevated temperatures, APK's wear rate and wear track morphology remained unaffected by changes in ambient temperature. While recycled plastics could find their way into higher-value applications within tribology, thus constituting upcycling, tribological applications could benefit from the availability of sustainable tribo-materials. From a broader perspective, the plastic materials currently considered ‘unrecyclable’ could get a new lease of life in a completely unexpected field of application, and materials with a lesser environmental impact could substitute the established ones.