Recycling von Wasserlackoverspray durch Elektrophorese

186 Pages·1996·5.619 MB·German

by  Dipl.-Ing. Klaus Berewinkel (auth.)

Forschung und Praxis
Band 224
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fUr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fUr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fUr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H. J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Klaus Berewinkel
Recycling von Wasser
lackoverspray durch
Elektrophorese
Mit 75 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
Barcelona Budapest Hong Kong
London Mailand Paris
Santa Clare Singapur Tokio 1996
Dipl.-Ing. Klaus Berewinkel
Ver1ahrensentwicklung Ober1111chentechnik (VOT)
Mercedes-Benz AG, Sindelfingen
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universit1lt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universit1lt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
D 93
ISBN 978-3-540-60519-5 ISBN 978-3-642-47877-2 (eBook)
00110.1007/978-3-642-47877-2
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tel Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1996.
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SPIN 10521977 6213020-6543210
Geleitwort der Herausgeber
Uber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, moglichst fruhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er
offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
ubergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Fuh
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die uber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemuhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stutzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Losungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)
- Fraunhofer-lnstitut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(lPA),
- Fraunhofer-lnstitut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "lPA-lAO - Forschung und Praxis" herausgegeben.
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Mage
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit ais Mitarbeiter in
der Verfahrensentwicklung Oberflachentechnik (VOT), Mercedes-Benz AG,
Sindelfingen.
Herrn Dipl.-Ing. R. Kraus, Leiter der Abteilung VOT, danke ich fur die
wohlwollende Unterstiitzung und Farderung. Ebenso bedanke ich mich bei
Vorgesetzten und Mitarbeitern, die durch Geduld und kritische Diskussion zum
Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn
Dipl.-Ing. K. Rapp.
Herrn Prof. Dr.-Ing. H.1. Warnecke, Prasident der Fraunhofer-Gesellschaft und
Prasident des Vereins der Ingenieure (VOl), danke ich fur die wertvolle
Unterstiitzung bei der Durchfuhrung der Arbeit und deren Annahme als
Dissertation.
Herrn Prof. Dr. rer. nat. L. Dulog, Direktor des II. Instituts fur Technische
Chemie der Universitat Stuttgart und Leiter des Foschungsinstitutes fur Pigmente
llI1d Lacke (FPL), Stuttgart, danke ich fur die freundliche Bereitschaft zur
Durchsicht des Manuskripts'und die Ubernahme des Mitberichts.
Dariiberhinaus bedanke ich mich herzlich bei Herrn Prof. Dr.-rer.nat. H. RoBwag,
Rektor der Fachhochschule Aalen, der die Arbeit mit groBem Interesse begleitet
und mit intensiven Diskussionen wesentlich zum Gelingen der Dissertation
beigetragen hat.
Den Mitarbeitern der Firmen AKZO Coatings GmbH, Stuttgart, PPG Industries
GmbH, GroBingersheim und Eisenmann KG, Holzgeriingen, danke ich fur die
hervorragende Zusammenarbeit bei zahlreiehen Versuchen.
Mein weiterer Dank gilt den Studenten - namentlich machte ieh Herrn Dipl.-Ing.
A. SiiB nennen - und Herrn E. Fischer, ohne die ich die Arbeit nicht hatte
fertigstellen kal1l1en.
Meiner Frau danke ich fur die Geduld und das Verstandnis, mit der sie die Arbeit
begleitet hat.
Stuttgart, 1995 Klaus Berewinkel
Seite
Inhalt 9
1 Einleitung 12
1.1 Ausgangslage 12
1.2 Aufgabenstellung 16
2 Definition der Zielgro6en 18
2.1 Spezifischer Massenstrom 18
2.2 Spezifischer Energiebedarf 19
2.3 F ilmfestkorper 19
3 Theoretische Grundlagen 21
3.1 Erzielung der Wasserloslichkeit von Lackbindemitteln 21
3.2 Prinzip des Recyclingverfahrens 22
3.2.1 Anodische Abscheidung 22
3.2.2 Riicklosen des abgeschiedenen Lackes 27
3.3 Bestehende Modelle zur Berechnung der abzuscheidenden
Lackmasse 28
4 Diskussion der Modelle zur Berechnung der Abscheidung
unter den Bedingungen des Lackrecyclings 35
4.1 Spezifischer Massenstrom und spezifischer Energiebedarf 35
4.2 Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem
spezifischen Massenstrom und dem spezifischen Energiebedarf 41
4.3 Notwendigkeit experimenteller Untersuchungen 45
5 Methode zur Beschreibung der kontinuierlichen Abschei-
dung auf einer rotierenden Walze mit Hilfe eines einfachen
diskontinuierlichen Experimentes 47
6 Experimentelle Untersuchungen zur diskontinuierlichen
Abscheidung von Lacken 53
6.1 Beschreibung der verwendeten Lacksysteme 53
6.1.1 Modellack auf Acrylat-Melaminharzbasis 53
6.1.2 Wasserfuller auf olmodifizierter Polyester-Epoxidharzbasis 55
6.2 Beschreibung der Versuchsanlage 56
6.3 Versuchsdurchfuhrung 61
- 10 -
Seite
6.4 Diskussion der Ergebnisse fur die Abscheidung des Modellackes 65
6.4.1 Spezifischer Massenstrom Lackfestkorper 67
6.4.1.1 Spezifischer Massenstrom als Funktion der mittleren Stromdichte 67
6.4.1.2 Stromausbeute 72
6.4.2 Spezifischer Energiebedarf 75
6.4.3 Zusammenhang zwischen dem spezifischen Energiebedarfund
dem spezifischen Massenstrom 78
6.4.4 Filmfestkorper 90
6.4.5 Fraktionierungen bei der Abscheidung 92
6.4.5.1 Abscheidung verschiedener Melaminarten 93
6.4.5.2 Abscheidung organischer Losemittel 96
6.5 Diskussion der Ergebnisse zur diskontinuierlichen Abscheidung
des Wasserfullers 99
7 Experimentelle Untersuchungen zur kontinuierlichen
Abscheidung des Wasserfiillers auf einer rotierenden Walze
und Vergleich mit der diskontinuierlichen Abscheidung 113
7.1 Beschreibung der Versuchsanlage 114
7.2 Versuchsdurchfuhrung 119
7.3 Diskussion der Ergebnisse 122
7.3.1 Vergleich der diskontinuierlichen mit der kontinuierlichen
Abscheidung 122
7.3.2 Abscheideverhalten fur lange Abscheidezeiten 131
8 Recycling des Wasserfiillers auf OImodiflZierten Polyester-
Epoxidharzbasis und eines Wassermotorenlackes auf
Alkydharz-Kunstharzdispersionsbasis 136
8.1 Beschreibung der Lacksysteme 136
8.2 Recycling des Wasserfullers 137
8.3 Recycling des Wassermotorenlackes 148
9 Zusammenfassung 154
10 Verzeichnis der verwendeten Symbole 160
11 Literaturverzeichnis 163
- II -
Anhang Seite
I. Abschatzung des hydraulischen Energieanteils 169
II. Abschatzung des Suspensionsfestk6rpers am Spaltende 171
III. Analysenmethoden 173
IV. Autbau der Bleche fur die lacktechnische Abpriifung 176
1 Einleitung
1.1 Ausgangslage
Nach einer Studie der Deutschen Forschungsgesellschaft fur Oberflachentechnik
(DFO) in den Jahren 1989 und 1990 wurden in der Bundesrepublik Deutschland
jahrlich 540.000 Tonnen Lacke verarbeitet, davon 1 10.000 T onnen in der Auto
mobilindustrie /541.
Bei dem am haufigsten angewendeten Lackierverfahren - der Spritzapplikation -
wird ein Teil der verarbeiteten Lacke als sogenannter "Overspray" am
Lackierobjekt vorbeigespritzt und bei Fhissiglacken im allgemeinen durch eine
NaBauswaschnng aus der Spritzkabinenluft abgeschieden. Mit dem Ziel der
Entklebung und der Trennung des Lackoversprays aus dem Auswaschwasser
werden Koaguliermittel zugegeben und das entstehende Lackkoagulat wird aus
getragen. Nach emeuter Zugabe von Flockungschemikalien entwassert man das
Lackkoagulat mechanisch, und in einigen Fallen wird es anschlieBend thermisch
getrocknet. In der Regel entsorgt man es dann auf Sondennulldeponien oder fuhrt
es einer Verbrennung zu.
Nach /54/ fielen in der BRD 1989 und 1990 jahrlich 158.000 Tonnen I solcher
Lackkoagu1ate an, davon 34.000 Tonnen in der Automobilindustrie. Die Entsor
gung der Lackschlamme wird zunehmend problematischer, da weder Deponie
noch Verbrennungskapazitaten in ausreichendem MaBe zur Verfugung stehen.
Daruber hinaus verlangt die zunehmende Umwe1tbelastung durch Abfalle
mog1ichst gesch10ssene Stoftkreis1aufe, die eine Entsorgung vermeiden. Auf den
LackierprozeB bezogen heiBt das, zunachst die anfallende Overspraymenge durch
verbesserte Auftragstechnik oder durch eine Reduzierung des Lackierumfangs zu
minimieren. Der dann noch entstehende Overspray soil einer stofflichen Verwer
tung zugefuhrt werden.
Die Verminderung der Overspraymenge ist in ell1lgen Lackierbranchen weit
entwicke1t. Durch den Einsatz von e1ektrostatischen Applikationsverfahren, wie
sie zum Beispiel seit einigen Jahren zur Beschichtung der Karosserieflachen in
der Automobilindustrie verwendet werden, konnte der Oversprayanteil deutlich
I Die in den unterschiedlichsten Konsistenzen anfallenden Koagulate sind auf 50 % Wasser
anteil normiert