DE102005051341B4 - Verfahren zur PET-Aufbereitung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Aufbereiten von PET, das die Schritte umfasst: a) Beschicken einer Einschnecke (5) eines Extruders über ein Dosierwerk (7) oder aus vollem Trichter, b) Aufschmelzen des PET's und Druckaufbau in der Einschnecke (5), c) Füllen eines der Einschnecke (5) direkt nachgeordneten Planetwalzenteils (3), wobei das Planetwalzenteil (3) unter Vakuum steht und im Planetwalzenteil (3) Wasser aus dem Prozess entfernt wird und eine Repolymerisation des aufgeschmolzenen PET's erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von PET.
  • Der Planetwalzenextruder (PWE) ist bekannt als Extrusionssystem zur Verarbeitung von verschiedenen Materialien. Besondere Bedeutung hat er dabei bei der Verarbeitung von PVC-Massen erlangt. Hierbei kommt es insbesondere auf die gute Temperaturhomogenität an.
  • Der PWE ist besonders bekannt für:
    Temperaturhomogenität
    Enges Verweilzeitspektrum
    Hohe Oberflächenerneuerung
    Exzellente Mischwirkung
  • PET ist ein Werkstoff, der besonders in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat und sich allmählich als Massenkunststoff etabliert. Besonders starke Wachstumsraten liegen dabei in der Herstellung von PET-Flaschen vor, wobei typischerweise zurückgesammelte Flaschenware in Garne, Granulate und Folien verarbeitet wird.
  • Bekannt sind im Wesentlichen für die Herstellung von Kunststoffen die Polymerisation, die Polyaddition und die Polykondensation als Reaktionsmechanismen zum Molekülkettenaufbau.
  • Aus dem Stand der Technik ist die DE 103 34 363 A1 bekannt, in der die Verarbeitung von PET-Granulat beschrieben wird, wobei zunächst das Granulat auf eine Temperatur dicht unterhalb des Glaspunktes erwärmt und bei der Temperatur geknetet wird und anschließend erfolgt die Verarbeitung.
  • PET ist im Gegensatz zu anderen Kunststoffen (PE, PP, PS, etc.) ein Kunststoff, der durch Polykondensation hergestellt wird.
  • Die Polykondensation ist eine Gleichgewichtsreaktion, bei der dem Prozessraum unter Vakuum als treibendes Gefälle Wasser entzogen wird und Polymerketten entstehen.
  • PET ist bei Gebrauchstemperatur hygroskopisch und zieht Wasser aus der Luft an. Bei der Weiterverarbeitung von PET wird dieses aufgeschmolzen. In Anwesenheit von Wasser und entsprechender Wärme greift das Wasser die Polymerketten an, die dadurch zersetzt werden. Diesen Prozess nennt man Hydrolyse.
  • Das Produkt PET Granulat/Schnitzel/Flakes muss deshalb oft zur Umarbeitung in ein Halbfertig- (z. B. Folie, Granulat) oder Fertigprodukt (z. B. Flasche) vor der jeweiligen Verarbeitung vorgetrocknet werden, so dass der Restwassergehalt unter 50 ppm, typisch 20 ppm, liegt.
  • Neben dem Molekülkettenabbau in Anwesenheit von Wasser besteht, wie bei anderen Kunststoffen, der Molekülkettenabbau durch thermische Zersetzung.
  • Bekannt sind im Wesentlichen folgende PET-Typen: APET, CPET und PETG.
  • Der angedeutete Trocknungsprozess ist sehr aufwendig und bedeutet mitunter, dass das PET vor der Verarbeitung zum Beispiel bei 160–180°C für ca. 6 h getrocknet werden muss, um obige Werte zu erreichen.
  • Besonders problematisch ist dabei, das PET als amorphes Material (typischerweise Folienrückware, Flaschen, etc.) bereits bei etwa 70°C eine ausgesprochene Klebeneigung besitzt und somit vor der Trocknung erst in einem vorgeschalteten Prozessschritt kristallisiert werden muss („vorbereitet” werden muss), bevor es getrocknet werden kann.
  • Trocknungsprozesse sind in der Regel sehr energie-, zeit- und handhabungsaufwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Prozess zu entwickeln, der die typischen Schritte sowohl „Vorbereitung” (Kristallisieren) als auch „Trocknen” entbehrt und trotzdem ein PET-Produkt (Folie, Granulat, etc.) in mitunter bester Qualität herstellen kann.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gelöst: a) Beschicken einer Einschnecke (5) eines Extruders über ein Dosierwerk (7) oder aus vollem Trichter, b) Aufschmelzen des PET's und Druckaufbau in der Einschnecke, c) Füllen eines der Einschnecke direkt nachgeordneten Planetwalzenteils (3), wobei das Planetwalzenteil (3) unter Vakuum steht und im Planetwalzenteil (3) Wasser aus dem Prozess entfernt wird und eine Repolymerisation des aufgeschmolzenen PET's erfolgt.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.
  • Eine Gleichgewichtsreaktion kann zu jedem Zeitpunkt durch entsprechende Maßnahmen in die eine oder andere Richtung erfolgen. (A + B ↔ C + D) Am Beispiel: Es wird bei einer chemischen Reaktion A + B zu C + D umgesetzt, wenn gleichzeitig C oder D aus dem Prozess entfernt werden. Bei der Polykondensation von PET entsteht sinngemäß aus den Vorprodukten A + B das Produkt PET (=C), wenn gleichzeitig Wasser (=D) aus dem Prozess entfernt wird.
  • Eine der oben genannten geeigneten Maßnahmen ist dabei die Nutzung der hohen Oberflächenerneuerung in einem Planetwalzenextruder. Dies bewirkt, dass unter Hochvakuum ständig Wasser aus „C + D” verdampft wird und aus dem Reaktionsraum „Planetwalzenextruder” abgeführt wird. Besonders dazu geeignet ist dabei der unter DE 103 51 973 A1 aufgezeigte Aufbau eines PWE mit großer freier Oberfläche und auch nachfolgend großen Querschnitten im System (Vakuumkammer/Entgasungsdom, Rohrleitungen, etc.).
  • Durch diese Maßnahmen kann sowohl auf die Trocknung als auch auf die „Vorbereitung” verzichtet werden.
  • Aufbau:
  • Der Planetwalzenextruder wird mit langer vorgeschalteter Einschnecke versehen. Der Extruder wird in der Fahrweise „voller Trichter” (mit bedeckter Schnecke) oder unterfüttert befüllt.
  • Die Einschnecke verfolgt die Aufgaben:
    • – Einziehen
    • – Aufschmelzen
    • – Druckaufbau zur Füllung des angeflanschten Walzenteils
  • An die Einschnecke direkt angeflanscht ist ein Planetwalzenteil in einer Ausführung, wie unter DE 103 51 973 A1 beschrieben. Das Walzenteil wird dabei als Reaktionsraum betrieben, in dem die Re-polymerisation stattfindet. Über das angeschlossene Vakuum wird gleichzeitig Wasser aus dem Prozess entfernt und die Gleichgewichtsreaktion findet in Richtung „C + D” statt.
  • Dabei kann der Aufbau des PET mit seinem charakteristischen IV-Wert direkt gesteuert werden, indem eine Viskositätsmessung dem Walzenteil unmittelbar oder mittelbar angeschlossen ist und über den Verfahrensparameter die Polykondensation durch Regeln des Verfahrensparameters gesteuert werden kann.
  • Über die Aufgabe Re-polymerisation hinaus kann das Planetwalzenteil aber (gleichzeitig) auch als Compoundieraggregat genutzt werden, indem über die bekannten Wirkmechanismen Additive und Rezepturbestandteile intensiv in die PET-Matrix eingearbeitet werden. So ist es zum Beispiel möglich, bestimmte PE-Typen einzuarbeiten, so dass das PET sowohl schlagzäher wird als auch als CPET zu verwenden ist. Mitunter kann es sinnvoll sein, diese Rezepturbestandteile über zum Beispiel Kombinationsringe (siehe DE 103 55 748 A1 ) zuzugeben.
  • Der weitere Aufbau der Anlage ist abhängig vom benötigten Druckaufbau. Planetwalzenteile sind axial offene Systeme und deshalb im Druckaufbauvermögen begrenzt. PET andererseits ist mitunter temperaturempfindlich und der Druckaufbau durch das Walzenteil schlägt sich unmittelbar durch Temperaturerhöhung und damit thermischen Polymerabbau nieder.
  • Ist der geforderte Druckaufbau niedrig, so kann dieser durch ein entsprechend langes Walzenteil aufgebaut werden. Ist der benötigte Druckaufbau höher, so empfiehlt es sich, eine Einschnecke zum Druckaufbau direkt an das Walzenteil anzuflanschen.
  • Beide Optionen sind ggf. durch das Austragselement Schmelzepumnpe zu ergänzen.
  • Hierbei sind als Regelstrategien folgende Systeme möglich: Wird ein möglichst gleichmäßiger Austrag aus dem Gesamtsystem benötigt, so wird die Drehzahl der S-Pumpe konstant gehalten und der Vordruck zur S-Pumpe wie folgt geregelt.
  • Diese Strategie findet zum Beispiel ihre Anwendung bei der PET-Extrusion zu Folien.
  • 1a.) Steuerung über Extruderdrehzahl
  • Diese Regelstrategie kann vornehmlich bei Extruderfahrweise „voller Trichter” verwendet werden. Der Extruder wird dazu in seiner Drehzahl beeinflusst (reduziert oder erhöht), so dass nach Bedarf mehr oder weniger Material in den S-Pumpenvorraum gefördert wird und der Druck in diesem Bereich entsprechend steigt oder sinkt. Ziel ist es, den Pumpenvordruck mittels Extruderdrehzahl-Variation möglichst konstant zu halten, um das gleichmäßige Befüllen und somit Austragen der S-Pumpe zu gewährleisten.
  • 1b.) Steuerung über gravimetrische Dosierung
  • Findet weitestgehend Anwendung bei unterfütterter Fahrweise.
  • Hierbei wird die Extruderdrehzahl weitestgehend konstant gehalten und der konstante S-Pumpenvordruck über die möglichst gleichmäßige Befüllung des Systems erreicht, indem die gravimetrische Dosierung abhängig vom Druck im S-Pumpenvorraum mehr oder weniger Material in das System füllt.
  • Ist der konstante Volumen-Austrag aus dem System zweitrangig, so kann die S-Pumpendrehzahl als Regelgröße benutzt werden. Diese Strategie kann zum Beispiel ihre Anwendung bei der Granulierung oder Regranulierung von PET finden.
  • 2.) Steuerung der S-Pumpendrehzahl
  • Hierbei wird die Befüllung und die Extruderdrehzahl konstant gehalten und die Drehzahl der Pumpe variiert, so dass der S-Pumpenvorraum einen möglichst gleichen Druck aufweist.
  • Nutzung eines Walzenteils zur „Auf”-Polykondensation von Polykondensaten, speziell PET, durch Nutzung eines Vakuums im Prozessraum
    • – Verarbeitung ohne Vortrocknung
    • – Erhöhung des IV-Wertes über den Ausgangswert hinaus zur Erzielung höherwertiger Ware
    • – Regelung der Höhe der „Auf”-Polykondensation von PET durch Steuerung des Vakuumdrucks (der Verfahrensparameter)
    • – Planetwalzenteil als Compoundieraggregat zur Einarbeitung von Rezepturbestandteilen in die PET-Matrix, dabei ggf. Nutzung von geeigneten Methoden zur Einspeisung dieser Bestandteile in den Extruder, nachgeschaltet nach der PET-Material-Aufgabe
    • – Gleichzeitige Entfernung von Schadstoffen zur Erreichung von FDA bei Recycling in Verbindung mit Siebwechsler
  • Die Figur zeigt einen entsprechenden Extruder mit einem Untergestell 8 mit Motor und Getriebe, über den eine Einschnecke 5 angetrieben wird. Die Einschnecke 5 wird über ein Dosierwerk 7 bestückt, wobei das Dosierwerk 7 so ausgeführt ist, dass es als „Voller Trichter” oder im Zustand „Unterfüttert” betrieben werden kann. In diesem Beispiel ist zusätzlich noch ein Metallausscheider 6 dazwischengeschaltet.
  • Direkt an der Einschnecke 5 sind zwei Walzenteile 3 eines Planetwalzenextruders als Reaktorraum angeordnet, über das der Druckaufbau zur Beschickung der Schmelzepumpe 2 realisiert wird. Eines der Walzenteile ist mit einem Entgasungsdom 4 ausgestattet, an dem ein nicht gezeigtes Vakuum anliegt.
  • An das Walzenteil 3 schließt sich eine Schmelzepumpe 2 zum Druckaufbau an, gefolgt von einem Adapter 1 zum Werkzeug bzw. zur Nachfolge wie Granuliereinrichtung Foliendüse etc.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Adapter zum Werkzeug
    2
    Schmelzepumpe
    3
    Walzenteil als Reaktorraum
    4
    Entgasungsdom
    5
    Einschnecke
    6
    Metallausscheider
    7
    Dosierwerk
    8
    Motor, Getriebe, Untergestell

Claims (5)

  1. Verfahren zum Aufbereiten von PET, das die Schritte umfasst: a) Beschicken einer Einschnecke (5) eines Extruders über ein Dosierwerk (7) oder aus vollem Trichter, b) Aufschmelzen des PET's und Druckaufbau in der Einschnecke (5), c) Füllen eines der Einschnecke (5) direkt nachgeordneten Planetwalzenteils (3), wobei das Planetwalzenteil (3) unter Vakuum steht und im Planetwalzenteil (3) Wasser aus dem Prozess entfernt wird und eine Repolymerisation des aufgeschmolzenen PET's erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetwalzenteil (3) als Compoundieraggregat genutzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Planetwalzenteil (3) Additive und Rezepturbestandteile in die PET-Matrix eingearbeitet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierwerk (7) weitgehend vollständig gefüllt ist oder das System unterfüttert ist, also die Einschnecke (5) nicht vollständig mit Material befüllt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Materialaustrags über die Extruderdrehzahl oder über eine gravimetrische Dosierung erfolgt.
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