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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikrover1i1mung oder der Verviellaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzellall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber rechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils gOltigen Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergOtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestlmmungen des Urheberrechtsgesetzes. tel Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1996. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als Irei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOr1ten. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genom men oder aus Ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fOr die Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat Obernehmen. Es empliehlt sich, ge gebenenlalls fOr die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gOltigen Fassung hinzuzuziehen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim 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