DE102011009433A1 - Method and device for introducing nanoparticles in plastic melts - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Einbringen von Nanopartikeln in eine in einem Extruder (1) befindliche Kunststoffschmelze, soll so weitergebildet werden, dass die Nanopartikel in ihrer ursprünglichen Größe in die Schmelze eingespeist werden können, ohne dass es aufwendiger Zerkleinerungsvorrichtungen und hoher Energie für den Transport und das Zerkleinern von Nanopartikelklumpen bedarf. Dazu wird vorgeschlagen, dass ein Reaktor (4) zum Erzeugen von Nanopartikeln dem Extruder (1) unmittelbar zugeordnet ist.A device for introducing nanoparticles into a plastic melt located in an extruder (1) is to be developed in such a way that the original size of the nanoparticles can be fed into the melt without the need for complex comminution devices and high energy for transport and comminution of lumps of nanoparticles. It is proposed that a reactor (4) for producing nanoparticles is directly assigned to the extruder (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Nanopartikeln in eine in einem Extruder befindliche Kunststoffschmelze sowie ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanopartikeln versehenen Kunststoffschmelzen.The invention relates to a device for introducing nanoparticles into a plastic melt located in an extruder and to a method for producing plastic melts provided with nanoparticles.

Es ist bekannt, durch Einbringen von Nanopartikeln in Kunststoffschmelzen die Eigenschaften des daraus entstehenden Kunststoffs wie z. B. dessen Leitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Festigkeit usw. zu beeinflussen. Daher werden bereits heute unterschiedliche, die jeweils gewünschten Eigenschaften fördernde Nanopartikel von Kunststoffherstellern in die Schmelze eingebracht.It is known by introducing nanoparticles in plastic melts, the properties of the resulting plastic such. B. its conductivity, temperature resistance, strength, etc. to influence. Therefore, different nanoparticles that promote the desired properties are already being introduced by plastic manufacturers into the melt.

Diese Nanopartikel werden in einem großen Reaktor erzeugt, verpackt, gelagert und zum Kunststoffhersteller transportiert, welcher die Nanopartikel bei Bedarf einer Schmelze zuführt.These nanoparticles are produced in a large reactor, packaged, stored and transported to the plastic manufacturer, which supplies the nanoparticles, if necessary, to a melt.

Dabei hat sich herausgestellt, dass die Nanopartikel beim Verpacken, Transportieren und Lagern verklumpen und in Ihrer Eigenschaft als Nanopartikel kaum noch bzw. nicht zu gebrauchen sind. Daher müssen die Nanopartikelklumpen, bevor diese in die Schmelze eingebracht werden können, wieder zerkleinert werden. Selbst bei noch so aufwendigen Zerkleinerungsverfahren werden die ursprünglichen Abmessungen der Nanopartikel, die zwischen 1 bis 10 000 Nanometern liegen, kaum wieder erreicht.It has been found that the nanoparticles clump together during packaging, transport and storage and, in their capacity as nanoparticles, are barely or unusable. Therefore, the nanoparticle lumps must be comminuted again before they can be introduced into the melt. Even with even the most complicated size reduction processes, the original dimensions of the nanoparticles, which are between 1 and 10,000 nanometers, are barely reached again.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einbringen von Nanopartikeln in eine in einem Extruder befindliche Kunststoffschmelze sowie ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanopartikeln versehenen Kunststoffschmelzen derart weiterzubilden, dass die Nanopartikel in ihrer ursprünglichen Größe in die Schmelze eingespeist werden können, ohne dass es aufwendiger Zerkleinerungsvorrichtungen sowie hoher Energie für den Transport und das Zerkleinern von Nanopartikelklumpen bedarf.The object of the invention is to develop a device for introducing nanoparticles into a plastic melt located in an extruder and a method for producing plastic melts provided with nanoparticles in such a way that the nanoparticles can be fed into the melt in their original size without it consuming shredding devices and high energy for the transport and crushing of nanoparticle lumps required.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass ein Reaktor zur Erzeugung von in einem Transportmedium befindlichen Nanopartikeln dem Extruder unmittelbar zugeordnet ist. Damit wird erreicht, dass die Nanopartikel direkt nach der Herstellung ohne Zwischenlagerung, Verpackung und längerem Transport in ihrer ursprünglich entstandenen Größe gleich der Schmelze zugeführt werden können.To solve the problem it is proposed that a reactor for the production of nanoparticles in a transport medium is directly associated with the extruder. This ensures that the nanoparticles can be fed directly to the melt immediately after production without intermediate storage, packaging and longer transport in their original size.

Dabei hat es sich bewährt, dass es sich bei dem Transportmedium um ein gasförmiges Medium handelt.It has been proven that the transport medium is a gaseous medium.

Von Vorteil ist, dass ein Ausgang des Reaktors durch eine feste Verbindung mit einer Einspeiseöffnung des Extruders verbunden ist. Dadurch lassen sie möglichst kurze Wege realisieren, die einem Verklumpen der Nanopartikel keinen Raum lassen.It is advantageous that an outlet of the reactor is connected by a fixed connection to an inlet opening of the extruder. As a result, they allow the shortest possible paths to be realized which leave no room for clumping of the nanoparticles.

Es hat sich bewährt, dass dem Extruder an einer Absaugöffnung über eine weitere feste Verbindung eine Vakuumpumpe zugeordnet ist und dass zwischen der Vakuumpumpe und dem Reaktor über Schmelze besetzte Schnecken ein Kontakt derart besteht, dass das Transportmedium mit den Nanopartikeln über die Schmelzeoberfläche geführt wird. Dadurch wird erreicht, dass durch das von der Vakuumpumpe aufgebaute Druckgefälle im Extruder die im Reaktor erzeugten Nanopartikel aus dessen Ausgang abgesogen werden, so dass den Nanopartikeln noch weniger Zeit bleibt, zu verklumpen.It has been proven that the extruder is associated with a vacuum pump via a further fixed connection, a vacuum pump and that between the vacuum pump and the reactor occupied by melt screws, a contact is such that the transport medium is guided with the nanoparticles on the melt surface. It is thereby achieved that the nanoparticles produced in the reactor are sucked out of its outlet by the pressure gradient built up by the vacuum pump in the extruder, so that the nanoparticles have even less time to agglomerate.

Es empfiehlt sich, den Ausgang des Reaktors und/oder die feste Verbindung und/oder die Einspeiseöffnung des Extruders und/oder die Absaugöffnung und/oder die weitere feste Verbindung mit einer austauschbaren Schutzschicht auszukleiden. Dadurch kann z. B. im Zuge eines Produktwechsels der Reinigungsaufwand durch Austausch der Schutzschicht erheblich minimiert werden.It is advisable to line the exit of the reactor and / or the solid connection and / or the feed opening of the extruder and / or the suction opening and / or the further solid connection with an exchangeable protective layer. As a result, z. B. in the course of a product change the cleaning effort by replacing the protective layer can be significantly minimized.

Um den Eintrag der Nanopartikel in die Schmelze günstig zu beeinflussen wird vorgeschlagen, dass der festen Verbindung und/oder der weiteren festen Verbindung in ihrer Temperatur einstellbare Temperiervorrichtungen zugeordnet sind.In order to favorably influence the entry of the nanoparticles into the melt, it is proposed that tempering devices adjustable in their temperature are assigned to the solid compound and / or the further solid compound.

Ein besonders kompakter und wirkungsvoller Aufbau wird erreicht, wenn die feste Verbindung und die weitere feste Verbindung eine Einheit bilden, wobei die Einspeiseöffnung des Extruders und die Vakuumpumpe beabstandet, vorzugsweise am Extruder gegenüberliegend ausgebildet sind.A particularly compact and effective construction is achieved when the fixed connection and the further fixed connection form a unit, wherein the feed opening of the extruder and the vacuum pump are spaced apart, preferably formed on the extruder opposite.

Es empfiehlt sich, dass zwischen dem Reaktor und dem Extruder ein erstes Ventil zur Dosierung der im Transportmedium befindlichen Nanopartikel und/oder dass zwischen Extruder und Vakuumpumpe ein zweites Ventil zum Einstellen des Unterdrucks vorgesehen ist. Durch die Ventile lässt sich das Mischungsverhältnis optimal beeinflussen.It is recommended that between the reactor and the extruder, a first valve for metering the nanoparticles in the transport medium and / or that between the extruder and the vacuum pump, a second valve for adjusting the negative pressure is provided. The valves can optimally influence the mixing ratio.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung zumindest auf eines der Ventile einwirkt und die Dosierung der Nanopartikel automatisch übernimmt.It is advantageous if a control or regulating device acts on at least one of the valves and takes over the metering of the nanoparticles automatically.

Verfahrensmäßig wird vorgeschlagen, dass das z. B. Kunststoffgranulat in einem Extruder plastifiziert wird, dass in einem Reaktor in einem Transportmedium befindliche Nanopartikel erzeugt werden, dass die Nanopartikel mittels des Transportmediums aus dem Reaktor über eine feste Verbindung, vorzugsweise dosiert, in den Extruder eingespeist werden, dass die Nanopartikel beim Auftreffen auf die Schmelze vom Transportmedium getrennt werden und sich mit der Schmelze verbinden, und dass die Schmelze mit den Nanopartikeln im Extruder gemischt wird, während das Transportmedium aus dem Extruder abgeleitet wird.It is proposed by the method that the z. B. plastic granules is plasticized in an extruder that in a reactor located in a transport medium nanoparticles are generated, that the nanoparticles are fed by means of the transport medium from the reactor via a solid compound, preferably metered, in the extruder, that the nanoparticles on impact the melt is separated from the transport medium and combines with the melt, and that the melt is mixed with the nanoparticles in the extruder, while the transport medium is discharged from the extruder.

Vorteilhaft ist dabei, dass am Extruder über eine weitere feste Verbindung ein Vakuum anliegt, von welchem zwischen der festen Verbindung und der zweiten festen Verbindung ein Druckgefälle aufgebaut ist, über welches das Transportmedium mit den Nanopartikeln aus dem Reaktor abgesaugt und die Nanopartikel der Schmelze zugeführt werden.It is advantageous that a vacuum is applied to the extruder via a further solid compound, from which a pressure gradient is built up between the solid compound and the second solid compound, via which the transport medium with the nanoparticles is sucked out of the reactor and the nanoparticles are fed to the melt ,

Vorzugsweise wird die Dosierung und/oder das Mischen der Nanopartikel mit der Schmelze und/oder die Einstellung des Unterdrucks gesteuert bzw. geregelt erfolgen.Preferably, the metering and / or the mixing of the nanoparticles with the melt and / or the adjustment of the negative pressure are controlled or regulated.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur einen Extruder 1, dessen nicht gezeigte Welle über einen Motor 2 angetrieben wird. Über eine Zuführvorrichtung 3 kann Granulat in den Extruder 1 eingebracht werden.The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. The figure shows an extruder 1 , the shaft, not shown, via a motor 2 is driven. About a feeder 3 can granules in the extruder 1 be introduced.

Ein Reaktor 4 ist direkt mit dem Extruder 1 über eine feste Verbindung 5 gekoppelt. Über die feste Verbindung 5, in der ein erstes Ventil 6 angeordnet ist, werden die im Reaktor erzeugten Nanopartikel direkt dem Extruder 1 und der im Extruder 1 befindlichen Schmelze zugeführt.A reactor 4 is directly with the extruder 1 over a fixed connection 5 coupled. About the firm connection 5 in which a first valve 6 is arranged, the nanoparticles produced in the reactor directly to the extruder 1 and in the extruder 1 supplied melt.

Eine Vakuumpumpe 7 ist über eine weitere feste Verbindung 8, die ein zweites Ventil 9 aufweist mit dem Extruder 1 verbunden. Die Vakuumpumpe 7 erzeugt einen Unterdruck, der ein Druckgefälle zwischen derweiteren festen Verbindung 8 und der festen Verbindung 5 erzeugt. Über dieses Druckgefälle werden die Nanopartikel aus dem Reaktor 4 abgesaugt.A vacuum pump 7 is about another solid connection 8th that is a second valve 9 having with the extruder 1 connected. The vacuum pump 7 creates a negative pressure, which is a pressure gradient between the other solid connection 8th and the solid connection 5 generated. About this pressure gradient, the nanoparticles from the reactor 4 aspirated.

Über eine Regelvorrichtung 10 kann auf das erste Ventil 6 eingewirkt werden, um die Nanopartikel zu dosieren. Die Regelvorrichtung 8 kann selbstverständlich bei Bedarf auch die übrigen Aggregate der Vorrichtung steuern bzw. regeln, um möglichst optimal einen Kunststoff mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.About a control device 10 can on the first valve 6 be acted to dose the nanoparticles. The control device 8th Of course, if required, it is also possible to control or regulate the other aggregates of the device in order to optimally obtain a plastic with the desired properties.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Extruderextruder
22
Motorengine
33
Zuführvorrichtungfeeder
44
Reaktorreactor
55
feste Verbindungstable connection
66
erstes Ventilfirst valve
77
Vakuumpumpevacuum pump
88th
weitere feste Verbindunganother firm connection
99
zweites Ventilsecond valve
1010
Steuer/RegelvorrichtungControl / regulating device

Claims (12)

Vorrichtung zum Einbringen von Nanopartikeln in eine in einem Extruder (1) befindliche Kunststoffschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktor (4) zum Erzeugen von in einem Transportmedium befindlichen Nanopartikeln dem Extruder (1) unmittelbar zugeordnet ist.Device for introducing nanoparticles into an extruder ( 1 ) located plastic melt, characterized in that a reactor ( 4 ) for producing nanoparticles located in a transport medium to the extruder ( 1 ) is assigned directly. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Transportmedium um ein gasförmiges Transportmedium handelt.Apparatus according to claim 1, characterized in that it is the transport medium to a gaseous transport medium. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des Reaktors (4) durch eine feste Verbindung (5) mit einer Einspeiseöffnung in den Extruders (1) verbunden ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that an output of the reactor ( 4 ) by a fixed connection ( 5 ) with a feed opening in the extruder ( 1 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Extruder (1) an einer Absaugöffnung über eine weitere feste Verbindung (8) eine Vakuumpumpe (7) zugeordnet ist und dass zwischen der Vakuumpumpe (7) und dem Reaktor (4) über die Schmelze besetzte/besetzten Schnecke/Schnecken ein Kontakt derart besteht, dass das Transportmedium mit den Nanopartikeln über die Schmelzeoberfläche geführt wird.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the extruder ( 1 ) at a suction opening via a further fixed connection ( 8th ) a vacuum pump ( 7 ) and that between the vacuum pump ( 7 ) and the reactor ( 4 ) via the melt occupied / occupied worm / screw contact such consists that the transport medium is guided with the nanoparticles on the melt surface. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reaktors (4) und/oder die feste Verbindung (5) und/oder die Einspeiseöffnung des Extruders (1) und/oder die weitere feste Verbindung (8) mit einer austauschbaren Schutzschicht ausgekleidet ist/sind.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the output of the reactor ( 4 ) and / or the solid compound ( 5 ) and / or the feed opening of the extruder ( 1 ) and / or the further solid compound ( 8th ) is / are lined with an exchangeable protective layer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der festen Verbindung (5) und/oder der weiteren festen Verbindung (8) in ihrer Temperatur einstellbare Temperiervorrichtungen zugeordnet sind.Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the solid compound ( 5 ) and / or the further fixed connection ( 8th ) are assigned in their temperature adjustable temperature control. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verbindung (5) und die weitere feste Verbindung (8) eine Einheit bilden, wobei die Einspeiseöffnung des Extruders (1) und die Absaugöffnung der Vakuumpumpe (7) beabstandet, vorzugsweise am Extruder (1) gegenüberliegend ausgebildet sind.Device according to claim 6, characterized in that the fixed connection ( 5 ) and the further solid compound ( 8th ) form a unit, wherein the feed opening of the extruder ( 1 ) and the suction opening of the vacuum pump ( 7 ), preferably at the extruder ( 1 ) are formed opposite one another. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Reaktor (4) und Extruder (1) ein erstes Ventil (6) zur Dosierung der im Transportmedium befindlichen Nanopartikel und/oder dass zwischen Extruder (1) und Vakuumpumpe (7) ein zweites Ventil (9) zum Einstellen eines Unterdrucks vorgesehen ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that between reactor ( 4 ) and extruders ( 1 ) a first valve ( 6 ) for metering the nanoparticles in the transport medium and / or that between extruder ( 1 ) and Vacuum pump ( 7 ) a second valve ( 9 ) is provided for adjusting a negative pressure. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung (10) vorgesehen ist, die zumindest auf eines der Ventile (6, 9) einwirkt und die Dosierung des Transportmittels mit den Nanopartikeln steuert bzw. regelt.Apparatus according to claim 8, characterized in that a control device ( 10 ) provided at least on one of the valves ( 6 . 9 ) and controls the dosage of the means of transport with the nanoparticles or regulates. Verfahren zur Herstellung von mit Nanopartikeln versehene Kunststoffschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Extruder (1) eine Schmelze gefördert wird, dass in einem Reaktor (4) in einem Transportmedium befindliche Nanopartikel erzeugt werden, dass die Nanopartikel mittels des Transportmediums aus dem Reaktor (4) über eine feste Verbindung (5), vorzugsweise dosiert in den Extruder (1) eingespeist werden, dass die Nanopartikel beim Auftreffen auf die Schmelze vom Transportmedium getrennt werden und sich mit der Schmelze verbinden, dass die Schmelze mit den Nanopartikeln im Extruder (1) gemischt wird, und dass das Transportmedium aus dem Extruder (1) abgeleitet wird.Process for the production of nanoparticulate plastic melts, characterized in that in an extruder ( 1 ) a melt is conveyed that in a reactor ( 4 ) nanoparticles present in a transport medium are produced such that the nanoparticles are removed from the reactor by means of the transport medium ( 4 ) via a fixed connection ( 5 ), preferably metered into the extruder ( 1 ) are introduced so that the nanoparticles are separated from the transport medium on impact with the melt and combine with the melt, that the melt with the nanoparticles in the extruder ( 1 ) and that the transport medium from the extruder ( 1 ) is derived. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Extruder (1) über eine weitere feste Verbindung (8) ein Vakuum anliegt, von welchem zwischen der weiteren festen Verbindung (8) und der festen Verbindung (5) ein Druckgefälle aufgebaut ist, über welches das Transportmedium mit den Nanopartikeln aus dem Reaktor (4) abgesaugt und die Nanopartikel der Schmelze zugeführt werden.Process according to claim 10, characterized in that at the extruder ( 1 ) via another fixed connection ( 8th ) a vacuum is applied, from which between the further solid compound ( 8th ) and the fixed connection ( 5 ) a pressure gradient is established, via which the transport medium with the nanoparticles from the reactor ( 4 ) are sucked off and the nanoparticles are fed to the melt. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung und/oder das Mischen der Nanopartikel mit der Schmelze und/oder die Einstellung des Unterdrucks gesteuert bzw. geregelt erfolgt.Method according to one of claims 10 to 11, characterized in that the metering and / or mixing of the nanoparticles is controlled or regulated with the melt and / or the adjustment of the negative pressure.
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