DE102010052286A1 - Process for the preparation of short-chain plastics and waxy products of higher molecular weight polymers - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von kürzerkettigen Kunststoffen und wachsartigen Produkten aus höhenmolekularen Polymeren, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymeren durch Energieeintrag mittels Friktion in einem parallelen, gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder bei Drehzahlen von 400 bis 1.600, vorzugsweise 800 bis 1200 Umdrehungen pro Minute und unter Verweilzeiten in der Friktionszone von 1 bis 5, vorzugsweise 2 bis 3 Minuten bei Temperaturen im Bereich der Zersetzungstemperatur des zu modifizierenden Polymeren behandelt werden.Process for the production of shorter-chain plastics and wax-like products from high molecular weight polymers, characterized in that the polymers by energy input by means of friction in a parallel, co-rotating twin-screw extruder at speeds of 400 to 1,600, preferably 800 to 1200, revolutions per minute and with residence times in the friction zone from 1 to 5, preferably 2 to 3 minutes at temperatures in the range of the decomposition temperature of the polymer to be modified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation von Kunststoffen in einem Extruder durch Veränderung der Molekülkettenverteilung des Kunststoffes und Erniedrigung der Viskosität.The invention relates to a method for modifying plastics in an extruder by changing the molecular chain distribution of the plastic and lowering the viscosity.
Die Anwendung von Extrudern – und insbesondere von gleichläufigen Doppelschneckenextrudern – für das Compoundieren von Kunststoffen ist in der Kunststofftechnik allgemein bekannt. Dabei sind der Beanspruchung der Kunststoffe durch Beheizung des Extruders und Zuführung von Friktionsenergie Grenzen gesetzt, da eine zu starke thermische Beanspruchung zu unerwünschten Zersetzungserscheinungen im Kunststoff führt. So wird beispielsweise PVC ab etwa 200°C unter Abspaltung von Salzsäure zerstört oder Polystyrol oberhalb 250°C zersetzt Fluorpolymere dagegen zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus.The use of extruders - and particularly co-rotating twin screw extruders - for compounding plastics is well known in the plastics arts. In this case, the stress of the plastics by heating the extruder and supply of friction energy limits, as too high a thermal stress leads to undesirable decomposition phenomena in the plastic. For example, PVC is destroyed at about 200 ° C with elimination of hydrochloric acid or polystyrene above 250 ° C decomposes fluoropolymers are characterized by a high temperature resistance.
Besonders intensiv wurde das Verhalten von Polyolefinen gegenüber thermischen Beanspruchungen untersucht. Diese Arbeiten dienten in erster Linie dazu, Polyolefinabfälle einer stofflichen Nutzung zuzuführen.The behavior of polyolefins against thermal stress was studied particularly intensively. This work was mainly used to make polyolefin waste a material use.
So ist bekannt, dass sich Polyolefinkunststoffe durch thermische Behandlung abbauen lassen. Dafür gibt es die unterschiedlichsten Verfahren, die eine Umwandlung in gasförmige, flüssige und feste Kohlenwasserstoffe wie Paraffine und Wachse betreffen. Dafür wurden sowohl Umsetzungen in Rührreaktoren bei Temperaturen über 420°C als auch der Einsatz von Extrudern bei über 400°C mit einer anschließenden Weiterbehandlung in Spaltreaktoren bzw. Rührreaktoren vorgeschlagen. So werden beispielsweise gem.
Die Zuführung der benötigten Energie für das Aufspalten der Kunststoffmoleküle erfolgt dabei sowohl durch Zuführung von Wärmeenergie durch die Beheizung der Reaktor- oder Extruderwandung als auch durch die Nutzung der in Extrudern auftretenden Friktionswärme. In
Bei den beschriebenen Verfahren sind sowohl die Ausgangskunststoffe als auch die im Prozess entstehenden Wachse, Paraffine und Öle während der gesamten Behandlungsdauer den hohen Spalttemperaturen ausgesetzt, was zur Folge hat, dass auch die zunächst entstehenden Zwischenprodukte ihrerseits zu noch kürzeren Spaltprodukten bis hin zu Gasen weiter zerlegt werden. Die nach bekannten Verfahren durch Abbau von Polyolefinen herstellbaren Wachse weisen eine breite Molmassenverteilung auf. In
Ein derartig breit gefächertes Molmassenspektrum und der damit verbundene breite Schmelzbereich des Wachses führen dazu, dass das Material sich für bestimmte Anwendungsbereiche nicht oder nur bedingt eignet, insbesondere wenn ein enger Molmassenbereich dafür Voraussetzung ist. Hierfür sind aufwendige Reinigungsschritte erforderlich, wie z. B. in
Für verschiedene Anwendungen sind dem Einsatz von Kunststoffen durch die hohe Viskosität ihrer Schmelzen Grenzen gesetzt. So erfordert beispielsweise die Einarbeitung von benötigten Füll- und/oder Zusatzstoffen in die hochviskosen Kunststoffschmelzen einen hohen apparativen und energetischen Aufwand. Dabei muss auch gewährleistet werden, dass die Aufheizung der Schmelzen insbesondere bei temperaturempfindlichen Füll- und/oder Zusatzstoffen nicht zu deren thermischer Schädigung führt.For various applications, the use of plastics is limited by the high viscosity of their melts. Thus, for example, the incorporation of required fillers and / or additives in the highly viscous plastic melts requires a high expenditure on equipment and energy. It must also be ensured that the heating of the melts does not lead to their thermal damage, especially with temperature-sensitive fillers and / or additives.
Die nach bekannten Verfahren erreichbare Viskositätsverringerung durch thermische Spaltung beispielsweise von Polyolefinen hat die beschriebene unerwünschte Verbreiterung des Molmassenspektrums zur Folge. Der hier entstandene hohe Anteil an relativ niedrigschmelzenden Verbindungen mit Molmassen unter 1.000 g/mol (Kettenlängen unterhalb etwa C70) beeinträchtigt die Qualität der hergestellten Compounds in unzulässigem Maße.The achievable by known methods viscosity reduction by thermal cracking, for example, polyolefins has the unwanted broadening of the molecular weight spectrum described result. The resulting high proportion of relatively low-melting compounds with molecular weights below 1,000 g / mol (chain lengths below about C 70 ) impairs the quality of the compounds produced to an impermissible extent.
Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, in einem einfachen Verfahren modifizierte Kunststoffe, z. B. modifizierte Polyolefine, Polyamide oder Fluorpolymere mit einem engen Schmelzbereich bei möglichst geringer Absenkung der Schmelztemperatur, einer engen Molmassenverteilung und einer im Vergleich zum Ausgangskunststoff deutlich reduzierten Viskosität herzustellen, die sich ausgezeichnet für die Einarbeitung von Füll- oder Zusatzstoffen eignen und sowohl für herkömmliche als auch für neue Anwendungen einsetzbar sind.The indicated in the claims invention is based on the problem, in a simple process modified plastics, eg. B. modified polyolefins, polyamides or fluoropolymers with a narrow melting range with minimal lowering of the melting temperature, a narrow molecular weight distribution and compared to the starting plastic significantly reduced viscosity, which are excellent for the incorporation of fillers or additives and both conventional can also be used for new applications.
Das Problem wird gemäß der Patentansprüche dadurch gelöst, dass durch Behandlung der Kunststoffe mittels Energieeintrag durch Friktion bei Produkttemperaturen im Bereich der Zersetzungstemperatur des eingesetzten Kunststoffes in einem parallelen, gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder bei Drehzahlen von 400 bis 1.600, vorzugsweise 800 bis 1200 Umdrehungen pro Minute und Verweilzeiten in der Friktionszone von 1 bis 5, vorzugsweise 2 bis 3 Minuten zu kürzerkettigen Kunststoffen und wachsartigen Produkten abgebaut werden.The problem is solved according to the claims that by treatment the plastics by means of energy input by friction at product temperatures in the range of decomposition temperature of the plastic used in a parallel, co-rotating twin-screw extruder at speeds of 400 to 1,600, preferably 800 to 1200 revolutions per minute and residence times in the friction zone of 1 to 5, preferably 2 to 3 Mined to shorter chain plastics and waxy products.
Aus den
Für das Verfahren eignen sich Extruder mit einer Schneckenkonfiguration aus 4 bis 20, vorzugsweise 8 bis 12 dispergierenden Elementen. Die dispergierenden Elemente sind Elemente bzw. Anordnungen von Elementen, die hohe Friktionswärme erzeugen. Elemente bzw. Anordnungen von Elementen, die dies leisten und bekannt sind, sind z. B. ein- und mehrreihige Zahnmischelemente oder fördernde, neutrale oder rückfördernde Knetblöcke, die in verschiedenen Hintereinanderschaltungen, teilweise in Kombination mit rückfördernden Förderelementen oder die Schmelze absperrenden Blistern angewendet werden. Die dispergierenden Elemente bringen starke Scherung in die Schmelze und ermöglichen zusätzlich eine Variierung der Verweilzeit.For the process are extruders with a screw configuration of 4 to 20, preferably 8 to 12 dispersing elements. The dispersing elements are elements of elements that generate high heat of friction. Elements or arrangements of elements that do and are known, z. B. single and multi-row tooth mixing elements or promotional, neutral or rückfördernde kneading blocks, which are used in different series connections, partly in combination with back-conveying conveyor elements or the melt shut-off blisters. The dispersing elements bring high shear into the melt and additionally allow a variation in the residence time.
Da beim Doppelschneckenextruder die Drehzahl und der Massendurchsatz nicht miteinander gekoppelt sind, ist auch bei hohen Drehzahlen durch einen niedrigen Massendurchsatz eine Erhöhung der Verweilzeit erzielbar. Bei konstanter Verweilzeit ist ein höherer Massendurchsatz durch eine größere Verfahrenslänge des Extruders erreichbar. Bei den Compoundierextrudern sind die Verfahrenslängen durch das übertragbare Drehmoment limitiert. Da die Viskosität des Materials durch den Abbau des Kunststoffs drastisch abnimmt, wird insbesondere stromab Richtung Extruderausgang durch das Material nur wenig Drehmoment aufgebaut, so dass Verfahrenslängen von L = 40 D bis L = 100 D angewendet werden können.Since the twin-screw extruder, the speed and the mass flow rate are not coupled together, an increase in the residence time can be achieved even at high speeds by a low mass flow rate. With a constant residence time, a higher mass throughput can be achieved by a larger process length of the extruder. In compounding extruders, the process lengths are limited by the transmittable torque. Since the viscosity of the material decreases drastically as a result of the degradation of the plastic, only little torque is built up downstream of the extruder outlet through the material, so that process lengths of L = 40 D to L = 100 D can be used.
Die Temperaturen, bei denen diese Modifizierung durchgeführt wird, werden in erster Linie von den eingesetzten Kunststoffen bestimmt. So werden modifizierte Polyethylen mit überwiegend geradkettiger Molekülstruktur durch die Behandlung von Polyethylenkunststoffen einschließlich Polyethylenaltkunststoffen bei Produkttemperaturen von 380 bis 395°C hergestellt, während modifizierte Polypropylene mit überwiegend verzweigtkettiger Molekülstruktur durch die Behandlung von Polypropylenkunststoffen einschließlich Polypropylenaltkunststoffen bei Produkttemperaturen von 350 bis 380°C erzeugt werden.The temperatures at which this modification is carried out are determined primarily by the plastics used. Thus, modified polyethylene having a predominantly straight-chain molecular structure is produced by treating polyethylene plastics including polyethylene-alt plastics at product temperatures of 380 to 395 ° C, while modified polypropylenes having a predominantly branched-chain molecular structure are produced by treating polypropylene plastics including polypropylene alt plastics at product temperatures of 350 to 380 ° C.
Durch die Anwendung extrem schnell drehender Doppelschneckenextruder mit sehr hoher Friktion und bei sehr kurzen Verweilzeiten von wenigen Minuten wird erreicht, dass insbesondere die Kunststoffanteile mit der höchsten Viskosität und damit mit den größten Kettenlängen in kürzerkettige Moleküle zerlegt werden. Die Verweilzeit und die sich einstellende Schmelzetemperatur im Extruder, die sich aus einem äußeren und einem inneren Wärmeanteil zusammensetzt, von denen der äußere Wärmeanteil von der Extruderheizung stammt und der innere Wärmeanteil durch die Scherung und Friktion des Materials entsteht, lässt sich in den einzelnen Segmenten entlang des Extruders lokal einstellen. Der Polymerabbau hängt maßgeblich von der Temperatur und der Verweilzeit ab. Der Polymerabbau wird im Wesentlichen durch den durch Scherung erzeugten inneren Wärmeanteil erreicht. Da sich mit dem Polymerabbau die Viskosität und damit zugleich der durch Scherung erzeugte innere Wärmeanteil verringert, wird der Abbau gestoppt, wenn keine Moleküle oberhalb einer für eine ausreichende Scherung erforderlichen Kettenlänge mehr vorhanden sind. Auf diese Weise lassen sich die Lage des Peaks und die Breite der Verteilung bis zu einer definierten unteren Kettenlänge, z. B. von etwa 70 C-Atomen bei Polyolefinen, durch den überlagerten inneren und äußeren Wärmeanteil, der zusätzlich entlang des Extruders variiert werden kann, sehr gezielt einstellen. Dabei kann die Beheizung der Extruderwandung gleichzeitig für den Ausgleich von Wärmeverlusten über die Außenwand genutzt werden.By using extremely fast rotating twin-screw extruder with very high friction and with very short residence times of a few minutes, it is achieved that in particular the plastic components with the highest viscosity and thus with the largest chain lengths are broken down into shorter-chain molecules. The residence time and the resulting melt temperature in the extruder, which is composed of an outer and an inner portion of heat, of which the external heat content comes from the extruder heater and the internal heat content caused by the shearing and friction of the material, can be in the individual segments along Set the extruder locally. The polymer degradation depends largely on the temperature and the residence time. The polymer degradation is essentially achieved by the internal heat generated by shear. Since the polymer degradation reduces the viscosity and, at the same time, the internal heat content generated by shearing, the degradation is stopped if no molecules are present above a chain length which is necessary for sufficient shear. In this way, the position of the peak and the width of the distribution up to a defined lower chain length, z. B. of about 70 carbon atoms in polyolefins, set by the superimposed internal and external heat content, which can be varied along the extruder, very targeted. The heating of the extruder wall can be used at the same time for the compensation of heat losses through the outer wall.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren sind bei dieser Verfahrensweise praktisch Moleküle mit Kettenlängen unterhalb einer definierten unteren Kettenlänge, z. B. von etwa 70 C-Atomen respektive Molmassen unter etwa 1000 g/mol bei Polyolefinen, maximal in Spuren nachweisbar. Eine zusätzliche Abtrennung kürzerkettiger Anteile, wie in
Der Abbau der Moleküle am langkettigen Ende des C-Kettenlängenbereiches kann durch die Verweildauer im Friktionsbereich des Extruders, das heißt durch die Durchsatzgeschwindigkeit gesteuert werden (
Der Abbau der Kunststoffe im Extruder kann durch Zugabe von die Viskosität verändernden Substanzen, z. B. Nanopartikel wie Aerosile, CarbonNanotubes, Schichtsilikate u. a., beeinflusst werden. Die Substanzen werden dem Stand der Compoundiertechnik entsprechend dem Extruder zugegeben, z. B. zusammen mit dem noch nicht aufgeschmolzenen Kunststoff, oder sie werden separat nach der Plastifizierzone an einer stromab liegenden Stelle über ein offenes Verfahrensteil des Extruderzylinders, z. B. mit einem Speiseextruder, einer Seitenfüttereinrichtung oder einer Pumpe, in die Polymerschmelze eingebracht. Durch den Abbauprozess und die damit verbundene erhebliche Viskositätsabsenkung sowie die hohe Scherung lassen sich hohe Anteile von Nanofüllstoffen in einem einzigen Prozessschritt in die abgebauten Kunststoffe einbringen, die später z. B. als Masterbatches für die Kunststoffindustrie eingesetzt werden können. Dem Extruder können auf die oben beschriebene Weise auch größere Teilchen als Nanopartikel wie Fasern, z. B. Glasfasern, Stahlfasern oder Carbonfasern, zugegeben und auf diese Weise in einem einzigen Prozessschritt in die abgebauten Kunststoffe eingebracht werden.The degradation of the plastics in the extruder can be achieved by the addition of viscosity-modifying substances, eg. As nanoparticles such as aerosils, carbon nanotubes, phyllosilicates u. a., be influenced. The substances are added to the state of the compounding technique according to the extruder, z. B. together with the not yet melted plastic, or they are separately after the plasticizing at a downstream point over an open process part of the extruder cylinder, z. B. with a feed extruder, a side feeder or a pump, introduced into the polymer melt. Due to the degradation process and the associated significant reduction in viscosity and the high shear high proportions of nanofillers can bring in a single process step in the degraded plastics, which later z. B. can be used as masterbatches for the plastics industry. The extruder can in the manner described above, larger particles than nanoparticles such as fibers, for. As glass fibers, steel fibers or carbon fibers, added and introduced in this way in a single process step in the degraded plastics.
In analoger Weise können dem Polymer Substanzen zugegeben werden, die spezifische funktionelle Gruppen in dem abgebauten Polymer bewirken, wie z. B. Maleinsäureanhydrit oder Fumarsäure.In an analogous manner, substances which bring about specific functional groups in the degraded polymer, such as, for example, can be added to the polymer. As maleic anhydrite or fumaric acid.
Dem abgebauten Kunststoff können nach dem Abbauprozess in einem weiteren Compoundierschritt die vorgenannten und andere Füllstoffe, wie sie z. B. in den kommerziellen Kunststoffen bereits im Einsatz sind, nachträglich eincompoundiert werden. Da die Schmelzen der modifizierten Kunststoffe bereits bei relativ niedrigen Temperaturen eine niedrige Viskosität aufweisen, kann hier die Compoundierung sehr schonend erfolgen. So ist beispielsweise bei modifiziertem Polyethylen eine Erwärmung auf 140°C ausreichend, wodurch die Einarbeitung relativ temperaturempfindlicher Füll- und/oder Zusatzstoffe möglich wird.The degraded plastic can after the degradation process in a further compounding step, the above and other fillers, such as those. B. are already in use in commercial plastics, be subsequently compounded. Since the melts of the modified plastics already have a low viscosity at relatively low temperatures, the compounding can be carried out very gently here. For example, with modified polyethylene heating to 140 ° C is sufficient, whereby the incorporation of relatively temperature-sensitive fillers and / or additives is possible.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung wird an folgenden Beispielen näher beschrieben, es zeigen:The invention is described in more detail by the following examples, which show:
Beispiel 1:Example 1:
Eingesetzt wurde handelsübliches granuliertes PE-HD-Primärmaterial (Neuware). Dieses wurde in einem parallelen, gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder (Verfahrenslänge L = 48 D, Schneckendurchmesser 25 mm) mit einer Drehzahl von 1.200 Umdrehungen pro Minute etwa 3 Minuten einer Reaktionsphase bei etwa 395°C (Produkttemperatur) unterzogen. Der Durchsatz betrug 2,5 kg/h. Zur Kompensation von Wärmeverlusten durch Abstrahlung wurden die 5 mittleren der insgesamt verwendeten 10 Zylinder auf eine Wandtemperatur von 415°C aufgeheizt.Commercially available granulated PE-HD primary material (virgin material) was used. This was subjected to a reaction phase at about 395 ° C. (product temperature) in a parallel, co-rotating twin-screw extruder (process length L = 48 D, screw diameter 25 mm) at a speed of 1200 revolutions per minute for about 3 minutes. The throughput was 2.5 kg / h. To compensate for heat losses by radiation, the 5 average of the 10 cylinders used in total were heated to a wall temperature of 415 ° C.
Nachdem das Material die Reaktionsphase durchlaufen hatte, wurde es in den letzten 2 Zylindern rasch bis auf 150°C abgekühlt und dann flüssig ausgetragen.After the material had passed through the reaction phase, it was rapidly cooled in the last 2 cylinders to 150 ° C and then discharged liquid.
Das so gewonnene modifizierte FE-HD hatte nach der DSC-Methode einen Schmelzbereich von 125 bis 140°C, mit einem Peak bei 135°C. Sein Viskositätsverhalten ist in
Die Nadelpenetration (100 g, 5 s, 25°C) lag bei 1,5 × 10–1 mm. Die Schmelzwärme nach der DSC-Methode betrug 270 kJ/kg.Needle penetration (100 g, 5 s, 25 ° C) was 1.5 x 10 -1 mm. The heat of fusion by the DSC method was 270 kJ / kg.
Beispiel 2:Example 2:
Eingesetzt wurde granuliertes Polyethylen hoher Dichte aus Kunststoffabfällen. Die Behandlung erfolgte analog Beispiel 1. Die Produkttemperatur in der Friktions- und Heizzone lag bei 390°C, der Durchsatz lag bei 10 kg/h. Die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 1.200 Umdrehungen pro Minute, die Verweilzeit in dieser Zone etwa 1 Minute. Die auf 160°C abgekühlte Schmelze wurde über eine angeschlossene Unterwasser-Granulierung in ein gut rieselfähiges Granulat umgewandelt. Das so gewonnene modifizierte PE-HD hatte nach der DSC-Methode einen Schmelzbereich von 125 bis 140°C, mit einem Peak bei 135°C. Sein Viskositätsverhalten ist in
Die Nadelpenetration (100 g, 5 s, 25°C) lag bei 1,8 × 10–1 mm.The needle penetration (100 g, 5 s, 25 ° C) was 1.8 × 10 -1 mm.
Die Schmelzwärme nach der DSC-Methode betrug 210 bis 220 kJ/kg.The heat of fusion by the DSC method was 210 to 220 kJ / kg.
Beispiel 3:Example 3:
Eingesetzt wurde granuliertes Polypropylen aus der Aufarbeitung von Polypropylenabfällen. Die Behandlung erfolgte analog Beispiel 1. Die Produkttemperatur in der Friktions- und Heizzone lag bei 370°C. Die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 1.200 Umdrehungen pro Minute, der Durchsatz 10 kg/h und die Verweilzeit in dieser Zone etwa 1 Minute.Granulated polypropylene from the reprocessing of polypropylene waste was used. The treatment was carried out analogously to Example 1. The product temperature in the friction and heating zone was 370 ° C. The rotational speed was 1,200 rpm, the
Das so gewonnene modifizierte Polypropylen hatte nach der DSC-Methode einen Schmelzbereich von 125 bis 160°C, mit einem Peak bei 159°C. Das mittlere Molgewicht des Ausgangsmaterials von 3,9 × 105 g/mol verringerte sich durch die Behandlung auf 4,2 × 104 g/mol. Die Molmassenverteilung ist aus
Die Nadelpenetration (100 g, 5 s, 25°C) lag bei < 1 × 10–1 mm.The needle penetration (100 g, 5 s, 25 ° C) was <1 × 10 -1 mm.
Die Schmelzwärme nach der DSC-Methode betrug 80 kJ/kg.The heat of fusion by the DSC method was 80 kJ / kg.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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