Wie ein neuer inländischer Endmarkt für HDPE entstand

Michael Pluimer von Crossroad Engineering Services sammelt Daten zur Leistung von recycelten HDPE-Wellrohren im Südosten von Pennsylvania. | Mit freundlicher Genehmigung von Advanced Drainage Systems (ADS).

Dieser Artikel wurde korrigiert.

Das grüne Licht einer Gruppe für die Verwendung von recyceltem HDPE in Straßenentwässerungsrohren eröffnet einen potenziell riesigen Markt für wiedergewonnenen Kunststoff. Beamte erläuterten kürzlich die Arbeit, die zu dieser Entscheidung geführt hat.

Die American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), eine Gruppe, zu deren Mitgliedern auch staatliche Verkehrsministerien (Departments of Transportation, DOTs) gehören, hat im vergangenen Jahr eine neue Spezifikation für HDPE-Wellrohre genehmigt, die unter Straßen und Eisenbahnstrecken verwendet werden. Die schwarzen Rohre mit einem Durchmesser von 4 bis 60 Zoll werden seit Jahrzehnten gemäß den Spezifikationen aus Neukunststoff hergestellt.

Recyceltes HDPE wurde bereits in Rohren für die Regenwasserentwässerung privater Grundstücke verwendet. Die neue M 294 R-Spezifikation beseitigt eine Hürde, die DOTs daran hindert, Post-Consumer- und Post-Industrial-HDPE-Rohre für den Einsatz in Autobahnprojekten und im Rahmen anderer öffentlicher Wegerechte zu kaufen.

„Wir glauben wirklich, dass es sowohl für die Industrie als auch für die Staaten eine Wende bedeuten wird, denn ehrlich gesagt ist es eine viel nachhaltigere Art, Rohre zu produzieren und herzustellen“, sagte Michael Pluimer, Inhaber von Crossroad Engineering Services und Assistenzprofessor an der University of Minnesota-Duluth. „Ich denke, dass die Staaten davon stark profitieren werden.“

Pluimer, der die Haltbarkeit und Lebensdauer von Rohren aus recyceltem Material getestet hat, sprach kürzlich in einem Webinar, das vom Northeast Recycling Council (NERC) in Zusammenarbeit mit der Association of Plastic Recyclers (APR) gemeinsam gesponsert wurde. (APR ist Eigentümer von Resource Recycling, Inc., Herausgeber von Plastics Recycling Update.)

Weitere Redner waren Liz Bedard von APR, Ryan Fragapane von AASHTO und Joe Babcanec vom Rohrhersteller Advanced Drainage Systems (ADS).

Pluimer war an der Erforschung der Haltbarkeit von recycelten HDPE-Rohren beteiligt, einschließlich Arbeiten, die im Rahmen seiner 2016 veröffentlichten Dissertation durchgeführt wurden. Das National Cooperative Highway Research Program stellte 950.000 US-Dollar zur Finanzierung von zwei Forschungsvorhaben bereit, und die Southeastern Pennsylvania Transit Authority sponserte Pluimers Dissertationsarbeit an der Villanova-Universität, sagte er.

Wenn es zu Ausfällen dieser Rohre kommt, die in Regenwasserkanälen und Durchlässen verwendet werden, sind Brüche die Hauptsorge, wenn das Rohr über einen längeren Zeitraum einer geringen oder mittleren Belastung ausgesetzt ist, sagte Pluimer. Um neue Kunststoffrohre zu testen, wird eine Kunststoffprobe gekerbt, bevor sie erhitzt und einer Belastung ausgesetzt wird. Dieses Verfahren wird offiziell als NCLS-Test (Notched, Constant Ligament Stress) bezeichnet.

Da dieser Test jedoch keine Erkenntnisse darüber liefert, wie sich Verunreinigungen auf die Spannungsrissbildung auswirken, haben sie ein Testverfahren für ungekerbte Kunststoffproben entwickelt, den so genannten ungekerbten, konstanten Ligament-Stresstest (UCLS). Mit diesem Verfahren testeten sie Kunststoffproben mit Recyclinganteil unter drei verschiedenen Bedingungen: 80 Grad (alle Temperaturen Celsius) bei 650 Pfund pro Quadratzoll (PSI), 80 Grad bei 450 PSI und 70 Grad bei 650 PSI.

Die Daten ermöglichten es Pluimer, ein Modell dafür zu entwickeln, wie lange verschiedene Rohre im Feld halten würden. Es stellte sich heraus, dass ein Rohr mit 98 % PCR unter 500 PSI und etwa 23 Grad über 100 Jahre halten würde, sagte Pluimer.

Als nächstes leitete er Experimente, um die Genauigkeit des mathematischen Modells zu testen, indem er recycelte HDPE-Rohre enormen Belastungen aussetzte. Diese Arbeit umfasste zwei unterschiedliche Testmethoden: die Verwendung speziell entwickelter Laborgeräte, um 1.637 PSI auf das Rohr auszuüben, und separat das Vergraben eines Rohrabschnitts und das Platzieren von Betonblöcken auf dem Boden darüber, wodurch 1.528 PSI erzeugt wurden. In allen Fällen war es so, wenn das Modell anzeigte, dass das Rohr versagen würde, und wenn das Modell anzeigte, dass es nicht versagen würde, tat es es auch nicht.

„Im Grunde genommen sind wir bei jedem einzelnen getesteten Rohr neun zu neun gegangen – es entsprach unseren vorhergesagten Ergebnissen im Modell“, sagte Pluimer.

Darüber hinaus wurde eine dreijährige Studie durchgeführt, in der die Leistung von Rohrleitungen mit recyceltem Inhalt bewertet wurde, die nur 60 cm unter Eisenbahnschienen vergraben waren, sagte er. Im Rahmen des Projekts wurden sowohl Bereiche mit Neuware als auch mit recyceltem Inhalt getestet und Messgeräte installiert, um die Auswirkungen von Stress auf die Produkte aufzuzeichnen.

„Sie zeigten während der gesamten Testdauer eine nahezu identische Leistung“, sagte er.

AASHTO genehmigte und veröffentlichte im Juni 2018 einen überarbeiteten M 294-Standard, der recyceltes HDPE in den Rohren zulässt. Für die Version aus recyceltem Kunststoff sind jedoch zusätzliche regelmäßige Tests erforderlich, darunter ein Oxidationsinduktionszeittest, ein Bruchdehnungstest und der von Pluimer entwickelte UCLS-Test.

Das National Transportation Product Evaluation Program (NTPEP) von AASHTO prüft Hersteller und stellt sicher, dass die erforderlichen Rohrprüfungen fortlaufend durchgeführt werden. Fragapane, stellvertretender Programmmanager von NTPEP, sagte, Programmprüfer inspizieren Rohrhersteller und prüfen den Papierkram, Produktionslinien und Lagerplätze. Die Hersteller müssen in der Lage sein, Kunststoff vom Rohstoff, der in die Anlage gelangt, bis zum fertigen Rohr zurückzuverfolgen.

Die Prüfer wählen außerdem Rohrproben aus, die von externen Labors getestet werden sollen, die Kohlenstoffgehalt, Innendurchmesser, Auskleidungsdicke, Steifheit/Abflachung, Sprödigkeit, Markierungen, Perforationen, Oxidationsinduktionszeit, Bruchdehnung und Dichteschmelzindex untersuchen. Diese Labore führen auch die NCLS- und UCLS-Tests durch, bei denen Hitze und Spannung angewendet werden, um festzustellen, wann der Kunststoff bricht. NTPEP stellt die Testergebnisse neben die Testergebnisse der Hersteller und teilt die Daten mit den staatlichen DOTs.

NTPEP stellt Einrichtungen, die konforme Rohre herstellen, ein Authentifizierungszertifikat aus, sagte Fragapane. Er zeigte ein Muster eines Zertifikats, das für Advanced Drainage Systems (ADS) ausgestellt wurde.

ADS ist Eigentümer von Green Line Polymers, das über acht Recyclinganlagen in den USA verfügt, die jedes Jahr insgesamt etwa 255 Millionen Pfund Post-Consumer-HDPE (einschließlich kommerzieller und industrieller Produkte, die verwendet und entsorgt wurden) und 170 Millionen Pfund Post-Industrie-HDPE verarbeiten Babcanec, nationaler Engineering-Programmmanager bei ADS.

ADS schätzt, dass etwa ein Viertel des gesamten pigmentierten HDPE, das in den USA am Straßenrand gesammelt wird, zu ADS-Entwässerungsprodukten recycelt wird, sagte Babcanec.

Als es um die Entwicklung eines M 294-Rohrs mit Recyclinganteil ging, stellte ADS fest, dass die Mischung verschiedener Rohstoffe der Schlüssel dazu ist, sicherzustellen, dass das Rohr die AASHTO-Spezifikationen erfüllt, da Post-Consumer-Material allein ziemlich schlecht funktioniert, sagte Babcanec. Andererseits weist das Post-Consumer-Material eine zumindest gleichbleibende Leistung auf, was es Green Line erleichtert, erfolgreich Mischungen zu formulieren.

Das Mischen erfolgt in zwei Stufen, die beide für die Verbesserung der Eigenschaften der fertigen Rohre wichtig sind. Green Line führt das „Salz- und Pfeffermischen“ durch, also das maschinelle Mischen von Flocken aus Post-Consumer- und Post-Industrial-Quellen. Um den Kunststoff dann weiter zu homogenisieren, schmilzt Green Line ihn und pelletiert ihn, sagte Babcanec. Da sich PP-Verschlüsse auf HDPE-Flaschen nur schwer aussortieren lassen, ist die PP-Kontamination ein erhebliches Problem. Da PP und HDPE jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzen, ist Green Line in der Lage, das PP zu entfernen, bevor das HDPE pelletiert wird.

Durch die Tests, die mit Battelle Laboratories durchgeführt wurden, entwickelte ADS ein M 294 R-Rohr, das zu 80,5 % aus recyceltem HDPE, 15 % hochmolekularem Frisch-HDPE und einem Additivpaket mit 4,5 % besteht, sagte Babcanec. Das hochmolekulare HDPE erhöhte die Spannungsrissbeständigkeit in den Rohren während der NCLS- und UCLS-Tests weiter, stellte er fest.

Einem NERC-APR-Dokument zufolge produzieren die folgenden Unternehmen derzeit M 294-Rohre aus Post-Consumer-HDPE: Advanced Drainage Systems (ADS), Crumpler Plastic Pipe, Fratco, Haviland Drainage Products, Lane Enterprises, Prinsco und Timewell.

Bedard, Direktor des Olefins/Rigids-Programms von APR, betonte die Bedeutung der neuen Spezifikation für die Ankurbelung der Inlandsnachfrage nach wiedergewonnenem HDPE. APR plant mit Unterstützung von NERC weitere Aktivitäten zur Unterstützung der Bemühungen, darunter die Erstellung eines Verzeichnisses von Rohrherstellern, die Veröffentlichung von Fallstudien, die Durchführung anderer Schulungen und Öffentlichkeitsarbeit sowie die Messung der Marktauswirkungen des Projekts.

Babcanec wies darauf hin, dass die Spezifikation es Herstellern ermöglicht, Einwegverpackungen zu einem langlebigen Produkt mit langer Lebensdauer zu recyceln. Und dieses Produkt eignet sich gut für Abfallmaterial, da die Farbe keine Rolle spielt (es wird sowieso alles schwarz eingefärbt, um die UV-Beständigkeit des Produkts zu verbessern) und Gerüche kein Problem darstellen.

„Wir nehmen ... Einwegkunststoffe, die vielleicht höchstens sechs Monate haltbar sind, und verwandeln diese buchstäblich in ein Produkt, das über 100 Jahre hält“, sagte Babcanec. „Ich denke, darauf kann jeder stolz sein.“

Auf die Frage nach den Preisunterschieden zwischen neuen und recycelten M 294-Rohren antwortete Babcanec, dass die Preise ähnlich, wenn nicht sogar gleich seien. Er wies darauf hin, dass ADS und andere Hersteller mehr Tests an Rohren mit recyceltem Inhalt durchführen müssen. Aber Babcanec sagte auch, dass recycelter Kunststoff die Möglichkeit bietet, eine konsistente Rohstoffversorgung sicherzustellen, was in Situationen wie dem Hurrikan Harvey wichtig ist, der die Verfügbarkeit von Neukunststoff in Fabriken an der Golfküste unterbrochen hat.

Pluimer sagte, er glaube, dass es bei der Preisgestaltung einige Höhen und Tiefen geben werde, aber einige Staaten seien bereit, mehr für Rohre aus recyceltem Kunststoff zu zahlen.

„Wir sehen, dass einige Staaten eine Prämie für Materialien zahlen wollen oder daran interessiert sind, die aus recycelten Materialien hergestellt werden, nur weil sie aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten Vorteile bieten“, sagte er.

Dieser Artikel wurde dahingehend korrigiert, dass ADS ein M 294 R-Rohr mit einem Additivpaket von 4,5 % entwickelt hat. Aufgrund eines Tippfehlers wurde im Artikel zuvor der falsche Prozentsatz an Zusatzstoffen im Produkt angegeben.

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