DE102007054549A1

DE102007054549A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102007054549A1
Application number: DE200710054549
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr.-Ing. Kern
Original assignee: Kleine Wood & Fibre & Co GmbH; Kleine Wood & Fibre & Co KG GmbH
Current assignee: Kleine Wood & Fibre & Co GmbH; Kleine Wood & Fibre & Co KG GmbH
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, bei dem natürliche Werkstoffe in Form von Fasern, Spänen, Schnitzeln oder Mehl getrocknet, der Holzrohstoff zerkleinert und mit einer Kunststoffschmelze sowie nach Bedarf mit einem oder mehreren Additiven zu einem Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff zur Herstellung unterschiedlicher Produkte compoundiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, bei dem natürliche Werkstoffe wie Hanf, Heu, Flax, Stroh und Reisschalen sowie insbesondere Holz in Form von Fasern, Spänen, Schnitzeln oder Mehl getrocknet, der Holzrohstoff zerkleinert und mit einer Kunststoffschmelze sowie nach Bedarf mit einem oder mehreren Additiven zu einem Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoff zur Herstellung unterschiedlicher Produkte compoundiert wird.
Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC) sind thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe auf der Basis von Naturfasern, insbesondere Holzfasern, synthetischen Polymeren und Biopolymeren sowie Additiven. Zu den Polymeren gehören Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyvinylchloride (PVC) sowie Biokunststoffe auf der Basis von Stärke und Lignin mit einer Schmelz- beziehungsweise Verarbeitungstemperatur unter 200°C, da Temperaturen über 200°C zu Schädigungen der Holzbestandteile Lignin und Hemicellulosen führen können. Die genannten synthetischen Polymere gehören zur der Gruppe der preisgünstigen Standardkunststoffe; andere Kunststoffe wie zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS-Kunststoffe) werden derzeit vor allem aus Kostengründen nicht verwendet. Neben den genannten Polymeren werden noch thermoplastisch verarbeitbare Duroplaste in geringen Mengen für die Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen verwendet.
Zur Herstellung von WPC-Werkstoffen sind Additive unerlässlich, auch wenn sie in der Regel lediglich einen Anteil von 2 bis 4% der zur WPC-Produktion benötigten Komponenten ausmachen.
Die Hauptfunktionen von Additiven lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Haftvermittler wie Maleinsäureanhydrid zur besseren Bindung zwischen Holz und Kunststoffmatrix sowie Calciumcarbonat, Talkum und Glimmer für verbesserte Biegefestigkeit, Hitzestabilität und vermindertes Kriechen.
Verbesserung der Compoundierbarkeit und des Fließverhaltens der Rohmaterialien und Gleitmittel.
Erhaltung der chemischen Stabilität während der Herstellung und des Gebrauchs.
Pigmente und Licht- beziehungsweise UV-Stabilisatoren, um die optischen Eigenschaften zu beeinflussen beziehungsweise zu erhalten.
UV-Stabilisatoren und Fungizide, um – gerade bei hochholzgefüllten WPC-Werkstoffen – die Haltbarkeit des Materials zu gewährleisten.
Feuerhemmende Additive zum Brandschutz.
Ein typisches WPC-Produkt ist zum Beispiel ein extrudiertes Profil aus Holzmehl, Polyethylen oder Polypropylen und den vorgenannten Additiven, das zur Verlegung auf einer Terrasse oder für eine Außentreppe verwendet wird.
Gegenüber Vollholzprodukten und üblichen Holzwerkstoffen weisen WPC-Werkstoffe die Vorteile einer freien Formbarkeit und der größeren Feuchteresistenz sowie der damit verbundenen guten Witterungsbeständigkeit ohne Nachbehandlung auf. Diesen Vorteilen stehen höhere Herstellungskosten gegenüber.
Gegenüber synthetischen Kunststoffen haben WPC-Werkstoffe die Vorteile niedrigerer Herstellungskosten aufgrund des hohen Holzanteils von 60 bis 90% und der dadurch bedingten Unabhängigkeit von den steigenden Ölpreisen, einer haptischen Wahrnehmbarkeit, eines natürlichen Erscheinungsbildes sowie verbesserter technischer Eigenschaften wie eine höhere Steifigkeit und ein deutlich geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient.
Die wichtigste Maschine zur Produktion von WPC-Werkstoffen ist der Extruder, der in der Kunststoffindustrie weit verbreitet ist. Extruder werden sowohl für die Vermischung der Bestandteile Holz, Kunststoff und Additive verwendet als auch zur eigentlichen Produktion der WPC-Teile. Entsprechend kann man die WPC-Herstellungsverfahren in zwei Stufen unterteilen:
Stufe 1, Compoundierung: Herstellung des WPC-Materials aus den Bestandteilen Holz, Kunststoff und Additiven. Hier gibt es grob unterteilt drei Linien: konische, gegenläufige Doppelschneckenextruder und parallele, gleichlaufende Doppelschneckenextruder sowie Heiz-Kühl-Mischer.
Stufe 2, Produktion: Produktion der WPC-Teile aus dem WPC-Werkstoff. Häufigste Verfahren sind Extrusion und Spitzgießen, möglich sind aber auch thermische Pressverfahren, die derzeit praktisch keine Rolle spielen, jedoch in der Zukunft durchaus an Bedeutung gewinnen können.
Unter WPC-Compoundierung versteht man das Mischen von Kunststoff, Holz und Additiven zu einer homogenen Masse. Der Vorgang der Compoundierung bildet die erste Stufe eines WPC-Herstellungsprozesses.
Für die Herstellung von WPC-Werkstoffen wird heute an erster Stelle das Extrusionsverfahren verwendet, bei dem gegenläufige Doppelschneckenextruder mit einer konischen Form und parallele, gleichlaufende Doppelschneckenextruder zum Einsatz kommen.
Konisch geformte, gegenläufige Doppelschneckenextruder eignen sich insbesondere zur Direktextrusion von linearen Profilen als bislang wichtigste Produktgruppe für WPC-Werkstoffe. Diese Doppelschneckenextruder zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise, niedrige Drehzahlen und kurze Verweilzeiten des Materials im Extruder aus, wodurch die thermische Belastung und das Risiko einer Schädigung des Holzmaterials gering ausfallen. Allerdings haben diese Extruder eine schlechte Mischwirkung.
Der Doppelschneckenextruder mit zwei parallel gerichteten, gleichlaufenden Schnecken ist der klassische Extruder für die Verarbeitung von Massenkunststoffen wie Polypropylen, wenn diese Kunststoffe mit Füllstoffen wie Talkum und Additiven vermischt werden müssen. Bei der Herstellung von WPC-Werkstoffen werden derartige Extruder vor allem zur Compoundierung und anschließenden WPC-Granulat-Produktion eingesetzt. Soll eine Direktextrusion oder ein Direktspritzgießen erfolgen, muss auf den gleichlaufenden Doppelschneckenextruder zum Druckaufbau ein Einschneckenextruder, der bei der Kunststoffverarbeitung Standard ist, oder eine Pumpe folgen.
Vorteile der gleichlaufenden Doppelschneckenextruder sind die gute Mischwirkung und die Produktionsgeschwindigkeit. Nachteilig bei diesem Extruder ist die längere Verweilzeit des Materials im Extruder, durch die eine längere thermische Einwirkung auf die Holzmaterialien stattfindet.
Schließlich wird zur Compoundierung von Holzrohmaterial, Kunststoff und Additiven zu einem homogenen Werkstoff ein Heiz-Kühl-Mischverfahren eingesetzt. Aufgabe des nach diesem Verfahren arbeitenden Heiz-Kühl-Mischers, der vor allem für die Verarbeitung von PVC-Kunststoffen eingesetzt wird, ist es, Kunststoffe, Füllstoffe wie Holz, Stabilisatoren, Haftvermittler, Gleitmittel, Pigmente und weitere Modifizierungsmittel homogen zu verteilen und diese Mischung in einen möglichst staubfreien, trockenen und rieselfähigen Zustand zu überführen. Dabei werden im Heiz-Kühl-Mischer der Kunststoff und die Komponenten 5 bis 10 Minuten vermischt und gleichzeitig auf 110 bis 130°C erwärmt. Dadurch werden die Komponenten an die Kunststoffpartikel gebunden. Bei dieser Temperatur neigt das entstandene Compound zum Verpressen. Um dieses zu vermeiden, wird das Mischgut aus dem Heizmischer in einen Kühlmischer entleert und in diesem auf ungefähr 40°C abgekühlt.
Frisch geschlagenes Holz kann einen Feuchtigkeitsgehalt von über 100% haben. Um es zur Produktion von WPC-Werkstoffen einsetzen zu können, muss das Holz vorgetrocknet werden. Abhängig von der jeweiligen Extruderkonstruktion kann mit verschieden feuchtem Holz gearbeitet werden. In jedem Fall sollte der Feuchtigkeitsgehalt unter 12% liegen, einige Extruderkonstruktionen verlangen sogar Werte unter 0,5%.
Grundsätzlich wird ein möglichst geringer Feuchtigkeitsgehalt angestrebt, da Feuchtigkeit die Compoundierung mit Kunststoffen stört und im Prozess entfernt werden muss. Da das Vortrocknen aber mit erheblichen Kosten verbunden ist, gilt es einen Kompromiss zwischen Technik und Ökonomie zu finden.
Das vorbeschriebene Extrusionsverfahren zur Herstellung von Holz-Kunstoff-Verbundwerkstoffen nach dem Stand der Technik hat folgende Nachteile:
Die wichtigste Anforderung bei der Herstellung von WPC-Werkstoffen ist die Kombination von hydrophilen sowie hydrophoben Eigenschaften der beiden Werkstoffkomponenten Holzrohstoff und Kunststoff zu einem festen Verbund, damit die Wasseraufnahme – einer der wichtigsten Kennwerte – auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann.
Allen Extrudern ist gemeinsam, dass diese kontinuierlich arbeiten. Die Verweilzeit des Materials ist damit durch die Länge des Extruders begrenzt und bestimmt letztendlich neben der Energieeintragung die Qualität des hergestellten Werkstoffs, die durch den Einsatz von chemischen Hilfsstoffen beeinflusst werden kann.
Die Durchmischung der Werkstoffkomponenten entlang des Weges ist allerdings nicht immer in der notwendigen Qualität gegeben, so dass solche Phänomene wie Aglumorate, Entmischungen sowie unterschiedliche Ausrichtungen der Strukturen auftreten.
Weiterhin ist die Gesamthomogenität des Werkstoffs nicht immer konstant; in einem Extruder werden Materialien nur im Querschnitt gemischt, die Masse wird dann nach vorne gefördert. Wenn bei der Beschickung mit Werkstoffkomponenten nicht richtig dosiert wird und das Material befördert wird, ist ausgeschlossen, dass dieses nachträglich verbessert werden kann.
Die für den Verbund notwendigen Voraussetzungen werden also durch die chemischen Hilfsmittel wie Haftvermittler, verknüpft mit der thermischen sowie der mechanischen Energiezufuhr erzielt. Eine Energieaufbringung liegt bei solchen Prozessen bei ca. 200 W/kg, so dass die Herstellung des WPC-Werkstoffs entsprechend teuer ist.
Der Rohstoff Holz darf dabei einen Feuchtegehalt von 15% nicht übersteigen, denn dadurch wird die Wasserentweichung deutlich erschwert. Dies bedeutet, dass der Holzrohstoff vorgetrocknet werden muss, wodurch zusätzliche Herstellungskosten durch die erforderliche Wärmeenergie für den Trocknungsprozess entstehen.
Der zu verarbeitende Holzfaserrohstoff muss eine bestimmte Höchstlänge haben, denn es findet keine Faserzerkleinerung während des Compoundierprozesses statt, bedingt durch die Extruderkonstruktion.
Weiterhin sind bei solchen kontinuierlichen Prozessen die schlecht kontrollierbare Verweilzeit des Materials entlang des Transportweges sowie eine sehr schwierige Prozessführung stets gegeben. Dies führt dazu, dass solche Eigenschaften wie Wasseraufnahme, Festigkeit und Schlagzähigkeit nur bedingt den erforderlichen Ansprüchen genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere Holzfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen zu entwickeln, die sich gegenüber den bekannten Werkstoffen dieser Art durch eine verbesserte Qualität und niedrigere Herstellungskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung nach Patentanspruch 5.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung, die als Kneter ausgebildet ist, zeichnen sich durch die nachfolgend aufgeführten Vorteile aus: Durch die Nutzung der Reibungswärme, die durch den Knet- und Pressvorgang beim Compoundieren des natürlichen Werkstoffs, insbesondere des Holzrohstoffs, des Kunststoffs und der Additive zu einem homogenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff erzeugt wird, zum Verdampfen des Wassers aus dem Holzrohstoff, zur Aktivierung der Oberfläche des Holzrohstoffs und zur Steigerung des Reaktionsvermögens des Holzmaterials sowie zum Aufschmelzen der Kunststoffkomponente kann der Energieeintrag von 200 W/kg bei den herkömmlichen Compoundierverfahren auf bis zu 2 bis 10 kW/kg wesentlich gesteigert werden. Aufgrund des hohen Energieeintrags können die Verarbeitungszeiten verkürzt werden, so dass eine Verbilligung der Herstellungskosten erreicht wird. Ferner können durch die Nutzung der Reibungswärme Holzfaserstoffe mit einem Wassergehalt von über 15% verarbeitet werden, wodurch die Herstellungskosten für den WPC-Werkstoff aufgrund der entfallenden Kosten für die Vortrocknung des Holzmaterials weiter sinken. Der diskontinuierliche Ablauf der Compoundierung der WPC-Werkstoffe in einem Kneter ermöglicht eine exakte Einstellung der Bearbeitungszeiten des Materials je nach Materialqualität und eine exakte Temperaturführung, die eine Verarbeitung von Polymeren wie beispielsweise Polyamid und Polystyrol mit einem Schmelzpunkt über 200°C ermöglicht. Dadurch können völlig neue WPC-Werkstoffe hergestellt werden, die mit den bekannten Compoundierverfahren, vornehmlich dem Extrusionsverfahren und dem Spritzgießverfahren, nicht gefertigt werden können. Die Compoundierung von Holzrohstoff, Kunststoff und Additiven durch einen steuerbaren Knet- und Pressvorgang, der in einem geschlossenen System abläuft, zu einem homogenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff gewährleistet eine gleichbleibend gute Werkstoffqualität und ermöglicht eine reaktionsbezogene chemische Verarbeitung neben der reinen Compoundierung, indem einzelne Reagente entweder direkt oder zeitverzögert bei dem Compoundierprozess zugeführt werden, derart, dass beliebige chemische Reaktionen in einer vorgegebenen Reihenfolge ablaufen und gewünschte Werkstoffeigenschaften erreicht werden können. Der kombinierte Knet- und Pressvorgang in einem geschlossenen System unter Ausnutzung der Reibungswärme gewährleistet eine optimale Durchmischbarkeit der zu verarbeiteten Materialien und verhindert eine Agglomeratbildung der Materialen, die zu einer Schädigung des WPC-Werkstoffs führen kann, und sorgt ferner dafür, dass die Qualität des Holzrohstoffs, die durch die Faserlänge, den Feuchtigkeitsgehalt und die Zusammensetzung des Holzmaterials bestimmt wird, kaum Auswirkungen auf den Compoundierprozess und die Qualität des hergestellten Verbundwerkstoffs hat. Schließlich ermöglichen das neue Compoundierverfahren und der nach diesem Verfahren arbeitende Kneter die Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, nämlich der Biegefestigkeit und der Kerbschlagzähigkeit, einer erhöhten Wärmestabilität und einem verminderten Kriechverhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, bei dem Holzrohstoff in Form von Fasern, Spänen, Schnitzeln oder Mehl getrocknet, der Holzrohstoff zerkleinert und mit einer Kunststoffschmelze sowie nach Bedarf mit einem oder mehreren Additiven zu einem Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff zur Herstellung unterschiedlicher Produkte compoundiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem diskontinuierlichen Herstellungsverfahren der Holzrohstoff, insbesondere Holzfaser, fester oder flüssiger Kunststoff und gegebenenfalls ein oder mehrere Additive durch Kneten und gleichzeitiges Verpressen in einem geschlossenen System vermischt werden, wobei der Holzrohstoff beim Mischvorgang zerkleinert wird und durch die beim Knet- und Pressvorgang durch Reibung erzeugte Wärmeenergie das in dem Holzrohstoff enthaltene Wasser verdampft wird und danach durch eine weitere Einleitung von Reibungswärme die Oberfläche des Holzrohstoffs aktiviert sowie dessen Reaktionsvermögen gesteigert wird und wobei bei Verwendung von festem Kunststoff dieser durch die Reibungswärme aufgeschmolzen wird und der Holzrohstoff mit der durch die Reibungswärme erzeugten Kunststoffschmelze oder mit einer zugeführten Kunststoffschmelze sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren Additiven zu einem homogenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff compoundiert wird.
Die verarbeiteten Kunststoffe sind Polymere, insbesondere Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid, thermoplastisch verarbeitbare Duroplaste, Biokunststoffe auf der Basis von Stärke und Lignin sowie hochschmelzbare Kunststoffe wie Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere und Polycarbonat.
Der bei dem Compoundierverfahren in festem Zustand zugeführte Kunststoff, der bei dem Verfahren aufgeschmolzen wird, kann die Form von Granulat, Würfeln oder Pulver aufweisen.
Als Additive kommen bevorzugt Haftvermittler, UV-Schutzzusätze und Farbpigmente zum Einsatz.
Der nach dem vorbeschriebenen Verfahren zur Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen arbeitende Kneter ist nachfolgend anhand der schematischen 1a bis 1d erläutert, die den Kneter in vier aufeinanderfolgenden Betriebsstufen eines Arbeitszyklusses darstellen:
Der Kneter 1 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 2, das eine Mischkammer 3 aufweist, in deren oberem Bereich 3a ein in Richtung der Gehäuselängsachse 4-4 verschiebbarer zylindrischer Presskolben 5 zum Verdichten der zu verarbeitenden Werkstoffe und zum Fördern der Werkstoffe in den unteren Bereich 3b der Mischkammer 3 angeordnet ist, in den zwei gegenläufig angetriebene Rotoren 6, 7 eingebaut sind.
Die Rotoren 6, 7 bilden einen Komprimierspalt 8 zum Zerkleinern des in das Knetergehäuse 2 eingefüllten Holzrohstoffs, zum Vermischen des Holzrohstoffs, des in festem oder flüssigem Zustand in das Knetergehäuse 2 eingeleiteten Kunststoffs und eines oder mehrerer in das Knetergehäuse 2 eingegebenen Additive sowie zur Erzeugung von Reibungswärme durch einen Komprimier- und Mischprozess zum Verdampfen des in dem Holzrohstoff enthaltenen Wassers, zur Aktivierung der Oberfläche und Steigerung des Reaktionsvermögens des Holzrohstoffs und zum Aufschmelzen des in festem Zustand in das Knetergehäuse 2 eingeleiteten Kunststoffs. Das Gehäuse 2 des Kneters 1 weist eine verschließbare Einfüllöffnung 9 für die zu verarbeitenden Werkstoffe im oberen Bereich 3a der Mischkammer 3 und eine verschließbare Entleeröffnung 10 für den compoundierten Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff im Gehäuseboden 11 auf.
Zweckmäßigerweise dient die Einschiebeöffnung 12 des Knetergehäuses 2 für den Presskolben 5 in der aus dem Gehäuse 2 ausgefahrenen Kolbenposition 5a als Einfüllöffnung.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform des Kneters 1 sind eine oder mehrere Einfüllöffnungen 9 im oberen Bereich 3a der Mischkammer 3 des Knetergehäuses 2 in dessen Wand 13 angeordnet.
Die Rotoren 6, 7 des Kneters 1 sind als Flügelräder ausgebildet.
In Abänderung des vorbeschriebenen Kneters können das Knetergehäuse 2 und der Presskolben 5 eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen.
In der in 1a dargestellten ersten Betriebsstufe eines Arbeitszyklusses des Kneters 1 werden über die Einfüllöffnung 9 des Knetergehäuses 2, die durch die Einschiebeöffnung 12 des Knetergehäuses 2 für den Presskolben 5 in der aus dem Knetergehäuse 2 ausgefahrenen Position 5a des Presskolbens 5 gebildet wird, Holzrohstoffe, Kunststoff und ein oder mehrere Additive bei Raumtemperatur in das Knetergehäuse 2 eingefüllt.
Danach wird in der zweiten Betriebsstufe gemäß 1a durch Inbetriebnahme der Rotoren 6, 7 und Anpressen der Werkstoffkomponenten durch Vorfahren des Presskolbens 5 in Pfeilrichtung a in den unteren Bereich 3b der Mischkammer 3 des Kneters 1 der Knet- und Pressvorgang eingeleitet, bei dem die Fasern oder Schnitzel des Holzrohstoffs zerkleinert, das Holzmaterial durch die bei dem Knet- und Pressvorgang erzeugte Reibungswärme getrocknet, durch weitere Einleitung von Reibungswärme nach Beendigung des Trocknungsvorgangs die Oberfläche des Holzrohstoffs aktiviert sowie dessen Reaktionsvermögen gesteigert wird, das in Form von Kleinpartikeln zugeführte Kunststoffmaterial aufgeschmolzen und die verschiedenen Werkstoffkomponenten homogen vermischt werden.
Anschließend können in der dritten Betriebsstufe gemäß 1c nach dem Zurückfahren des Presskolbens 5 in Pfeilrichtung b in den oberen Bereich 3a der Mischkammer 3 chemische Additive über seitliche Einfüllöffnungen 9 oder Einspritzdüsen in der Gehäusewand 13 des Kneters 1 im oberen Bereich 3a der Mischkammer 3 in diese eingeleitet werden, die chemische Reaktionen der Werkstoffkomponenten zur Erzielung bestimmter Eigenschaften wie die Erhöhung der Biegefestigkeit und die Verminderung der Kriechneigung des herzustellenden Verbundwerkstoffs auslösen, und die Werkstoffkomponenten werden fertig gemischt.
Schließlich wird in der in 1d dargestellten vierten Betriebsstufe des Arbeitszyklusses des Kneters 1 der Presskolben 5 in Pfeilrichtung a in den unteren Bereich 3b der Mischkammer 3 vorgefahren, derart, dass das Gemisch durch den durch den Presskolben 5 und die Rotoren 6, 7 bewirkten Press- und Mischvorgang zu einem homogenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff compoundiert wird, der nach Beendigung eines Arbeitszyklusses des Kneters 1 über die geöffnete Entleeröffnung 10 im Boden 11 des Knetergehäuses 2 abgelassen und unmittelbar anschließend in warmem Zustand zum Beispiel einem Extruder zur Weiterverarbeitung zu einem Profil oder einer Schneid- und Kühlvorrichtung zur Herstellung eines Granulats für eine spätere Fertigung von unterschiedlichen Produkten zugeführt wird.

1: Kneter
2: Gehäuse von 1
3: Mischkammer von 2
3a: oberer Bereich von 3
3b: unterer Bereich von 3
4-4: Längsachse von 2
5: Presskolben
5a: ausgefahrene Position von 5
6: Rotor
7: Rotor
8: Komprimierspalt von 6, 7
9: Einfüllöffnung von 2 in 3a
10: Entleeröffnung von 2 in 11
11: Gehäuseboden von 2
12: Einschiebeöffnung von 2 für 5
13: Wand von 2
a, b: Hubbewegung von 5

Claims

Verfahren zur Herstellung von Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, bei dem natürliche Werkstoffe wie Hanf, Heu, Flax, Stroh und Reisschalen sowie insbesondere Holz in Form von Fasern, Spänen, Schnitzeln oder Mehl getrocknet, der Holzrohstoff zerkleinert und mit einer Kunststoffschmelze sowie nach Bedarf mit einem oder mehreren Additiven zu einem Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoff zur Herstellung unterschiedlicher Produkte compoundiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem diskontinuierlichen Herstellungsverfahren der natürliche Werkstoff, insbesondere der Holzrohstoff, fester oder flüssiger Kunststoff und gegebenenfalls ein oder mehrere Additive durch Kneten und gleichzeitiges Verpressen in einem geschlossenen System vermischt werden, wobei der Holzrohstoff beim Mischvorgang zerkleinert wird und durch die beim Knet- und Pressvorgang durch Reibung erzeugte Wärmeenergie zunächst das in dem Holzrohstoff enthaltene Wasser verdampft wird und danach durch eine weitere Einleitung von Reibungswärme die Oberfläche des Holzrohstoffs aktiviert sowie dessen Reaktionsvermögen gesteigert wird und wobei bei Verwendung von festem Kunststoff dieser durch die Reibungswärme aufgeschmolzen wird und der Holzrohstoff mit der durch die Reibungswärme erzeugten Kunststoffschmelze oder mit einer zugeführten Kunststoffschmelze sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren Additiven zu einem homogenen Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoff compoundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verarbeitung von Polymeren, insbesondere von Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid, thermoplastisch verarbeitbaren Duroplasten, Biokunststoffen auf der Basis von Stärke und Lignin sowie von hochschmelzbaren Kunststoffen wie Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere und Polycarbonat.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verarbeitung von Kunststoffen in Form von Granulat, Würfeln oder Pulver.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verarbeitung von Additiven wie Haftvermittler, UV-Schutzzusätze und Farbpigmente.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Kneter (1) umfasst mit einem Gehäuse (2), das eine Mischkammer (3) aufweist, in deren oberen Bereich (3a) ein in Richtung der Gehäuselängsachse (4-4) verschiebbarer Presskolben (5) zum Verdichten der zu verarbeitenden Werkstoffe und zum Fördern der Werkstoffe in den unteren Bereich (3b) der Mischkammer (3) angeordnet ist, in den mindestens zwei gegenläufig angetriebene Rotoren (6, 7) eingebaut sind, die einen Komprimierspalt (8) bilden zum Zerkleinern des in das Knetergehäuse (2) eingefüllten Holzrohstoffs, Vermischen des Holzrohstoffs, des in festem oder flüssigem Zustand in das Knetergehäuse (2) eingeleiteten Kunststoffs und eines oder mehrerer in das Knetergehäuse (2) eingegebenen Additive sowie zur Erzeugung von Reibungswärme durch einen Komprimier- und Mischprozess zum Verdampfen des in dem Holzrohstoff enthaltenen Wassers, zur Aktivierung der Oberfläche und Steigerung des Reaktionsvermögens des Holzrohstoffs und zum Aufschmelzen des in festem Zustand in das Knetergehäuse (2) eingeleiteten Kunststoffs, und dass das Gehäuse (2) des Kneters (1) mindestens eine verschließbare Einfüllöffnung (9) für die zu verarbeiteten Werkstoffe im oberen Bereich (3a) der Mischkammer (3) und eine verschließbare Entleeröffnung (10) für den compoundierten Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff im Gehäuseboden (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschiebeöffnung (12) des Knetergehäuses (2) für den Presskolben (5) in aus dem Gehäuse (2) ausgefahrener Kolbenposition (5a) als Einfüllöffnung dient.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens eine im oberen Bereich (3a) der Mischkammer (3) des Knetergehäuses (2) in dessen Wand (13) angeordnete Einfüllöffnung (9).
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens eine im oberen Bereich (3a) der Mischkammer (3) des Knetergehäuses (2) in dessen Wand (13) angeordnete Mischdüse.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Knetergehäuse (2) und Presskolben (5) eine zylindrische Form aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine rechteckige oder quadratische Form des Knetergehäuses (2) und des Presskolbens (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Rotoren (6, 7) als Flügelräder.