DE102014213006B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff sowie mit diesem Verfahren hergestelltes Profil - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Profilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff mit folgenden Verfahrensschritten: a) ein Gemisch aus Naturfaserpartikeln und Kunststoffgranulat ist in einen Extruder (1) zur Mischung zu einer Masse eingebracht, b) vor dem Extrusionsvorgang im Mundstück (11) des Extruders (1) wird die zu extrudierende Schmelzmasse (4) in einem Entgasungsschritt entgast, wobei das Gas durch eine Entgasungsöffnung (10) als Dampf entweicht und wobei Farbpartikel durch eine die Entgasungsöffnung (10) durchsetzende Farbzuleitung (6) auf die Schmelzmasse (4) aufgebracht werden und c) im Mundstück (11) werden die Profile aus naturfaserverstärktem Kunststoff geformt und als Profilstrang (4) abgefördert dadurch gekennzeichnet, dass Farbpartikel in die Farbzuleitung (6) gelangen, ein Einlassventil (8) geöffnet wird, um die Farbpartikel in eine Vakuumkammer (7) einzuspeisen und durch Öffnen eines Auslassventils (9) an der Vakuumkammer (7) die Farbpartikel durch den aus der Entgasungsöffnung (10) austretenden Sattdampf hindurch geschossen und auf die Oberfläche der Schmelzmasse (4) appli- ziert werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes Profil. Profile aus naturfaserverstärktem Kunststoff werden auch als WPC-Profile bezeichnet. WPC steht für „Wood-Plastic-Composites”, also die englischsprachige Bezeichnung für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe. Da diesen Verbundwerkstoffen nicht zwingend Holz beigemischt sein muss, sondern auch Fasern anderer Pflanzen, beispielsweise Reishülsen, Jute oder Flachs, als nachwachsende Rohstoffe zur Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe geeignet sind, wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Begriff naturfaserverstärkter Kunststoff verwendet. Sofern diese Beschreibung auf WPC-Werkstoffe Bezug nimmt, sind also stets sämtliche naturfaserverstärkte Kunststoffe umfasst, ohne Einschränkung auf Holz als nachwachsenden Rohstoff.
• Aus dem naturfaserverstärkten Kunststoff werden Profile, Dielen und Platten gefertigt. Diese werden vor allem im Außenbereich eingesetzt, beispielsweise um Zäune, Böden, insbesondere Terrassenböden, oder aus Brettern bzw. Dielen aufgebaute Gartenhäuschen, Teehäuschen oder Schuppen zu fertigen. Dies schließt eine Anwendung in Innenbereichen keineswegs aus. Auch im Innenbereich können derartige Profile, Dielen und Platten verarbeitet werden.
• Die Herstellung erfolgt insbesondere in einem Strangpressverfahren bzw. Extrusionsverfahren. Die Werkstoffmatrix umfasst dabei zunächst einen nachwachsenden Rohstoff. In der Regel handelt es sich hierbei um Holz, welches als Holzmehl oder als Holzfasern verarbeitet wird. Es können auch Abfälle aus der Papierindustrie, Gras, Reis oder ähnliche nachwachsende Rohstoffe verwendet werden. Als weiterer Bestandteil wird der Werkstoffmatrix ein Kunststoff, insbesondere Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylen (PE) beigemischt. Schließlich sind noch Farbpigmente und ein UV-Stabilisatior, welcher auch als Antioxidationszugabe bezeichnet wird, vorhanden. Schließlich wird die Werkstoffmatrix durch ein Bindemittel, auch Haftvermittler genannt, zusammengehalten.
• Bei der Extrusion wird die vorerwähnte Werkstoffmatrix in einen Extruder gegeben. Hierbei gibt es ein einstufiges und ein zweistufiges Verfahren. Beim einstufigen Verfahren wird die Matrix dem Extruder direkt zugeführt. Im Extruder wird der Kunststoff durch Wärme, insbesondere Reibungswärme geschmolzen. Die vorerwähnten Stoffe werden gut durchgemischt und aus dem Extruder wird ein Profil als Strang herausgepresst.
• Beim zweistufigen Fertigungsverfahren werden die vorerwähnten Werkstoffe in einen ersten Fertigungsgang zu sogenannten Compounds vorverdichtet. Die zu den Compounds vorverdichtete Matrix wird sodann wie beim einstufigen Verfahren im Extruder zum Profilstrang extrudiert.
• Bei beiden Verfahren ist es nötig, die Matrix während des Extrusionsvorgangs zu entgasen. Die Entgasung dient der Komprimierung der nach dem Mischen und Aufschmelzen gebildeten Schmelzmasse. Beim zweistufigen Verfahren ist den Compounds die Feuchte nahezu vollständig zu entziehen. Beim einstufigen Verfahren liegt hingegen ein hoher Grad an Feuchte vor. Zum Entziehen der Feuchte im Extrusionsverfahren dient ebenfalls ein Entgasungsschritt. Beim einstufigen Ver fahren wird die Restfeuchte in Form von Sattdampf abgeleitet.
• Aus der JP 2001-009 895 A ist ein Verfahren zur Herstellung von naturfaserverstärkten Kunststoffen bekannt. Dort wird ein Gemisch aus Naturfasern und Kunststoffgranulat in einen Extruder zur Mischung einer Masse eingebracht. Vor dem Extrusionsvorgang im Mundstück des Extruders wird die zu extrudierende Schmelzmasse in einem Entgasungsschritt entgast, wobei das Gas durch eine Entgasungsöffnung als Dampf entweicht. Auf gleicher Höhe wie die Entgasungsöffnung ist eine Zuführstelle für Farbstoffe vorgesehen, um die zu extrudierende Schmelzmasse vor dem Formen im Mundstück zum Profilstrang einzufärben. Aus der US 5 232 751 A ist weiterhin ein Extruder mit einer Entgasungsöffnung bekannt, welche von einer Farbzuleitung durchsetzt ist.
• Da die mit dem Verfahren hergestellten Profile, Dielen oder Platten häufig einen Naturstoff ersetzen, ist es erwünscht, ihnen eine der Optik des Naturstoffs entsprechende Optik zu geben. Denkt man in diesem Zusammenhang an eine Holzoptik oder Marmoroptik, beispielsweise zur Fertigung eines Bodens aus Dielen oder Platten aus naturfaserverstärktem Kunststoff, fällt auf, dass die Naturstoffe Holz und Marmor ein unregelmäßiges, nahezu amorphes Farbmuster an ihren Oberflächen aufweisen. Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren für naturfaserverstärkte Kunststoffe anzugeben, mit welchem unregelmäßige oder amorphe Farbmuster auf der Oberfläche des naturfaserverstärkten Kunststoffteils appliziert werden können.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst das Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen, welches in einer erfinderischen Vorrichtung nach Anspruch 3 durchgeführt wird, um ein erfindungsgemäßes naturfaserverstärktes Profil bzw. eine naturfaserverstärkte Platte nach Anspruch 5 zu fertigen. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Grunderfindungen.
• Das erfindungsmäßige Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während des oben erwähnten Entgasungsschritts zur Ausleitung der Restfeuchte Farbpartikel auf die Schmelzmasse, welche aus dem Mundstück des Extruders als Profilstrang ausgepresst wird, aufgebracht werden. Die Farbe wird dabei durch die Entgasungsöffnung auf den Profilstrang geleitet und auf die Oberfläche der Schmelzmasse aufgetragen. Es ist möglich, die Farbe als Granulat beizugeben.
• Um die Farbe sicher auf der Schmelzmasse aufbringen zu können, ist eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher eine die Entgasungsöffnung durchsetzende Farbzuleitung vorgesehen ist. Die Farbe wird durch diese Farbzuleitung gezielt auf die Oberfläche der Schmelzmasse appliziert.
• Dabei ist in der Farbzuleitung eine Vakuumkammer vorgesehen ist. Mit Hilfe von zwei Magnetventilen in der Farbzuleitung wird die Vakuumkammer begrenzt. Durch das Öffnen des oberen, dem Zugabetrichter für die Farbe zugewandten Magnetventils wird die zur Färbung der Schmelzmasse erforderliche Granulatmenge in die Vakuumkammer zunächst eingebracht. Durch das Öffnen des dem Werksstück zugewandten unteren Magnetventils der Vakuumkammer wird die Farbe durch den Sattdampf hindurch gleichsam auf das zu fertigende Werksstück abgeschossen. Es können anstelle der als vorteilhaft angesehenen Magnetventile auch andere geeignete Ventilbauarten verwendet werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird am Werksstück neben der unregelmäßig gefärbten Oberfläche mit Hilfe einer Prägewalze noch eine dem Naturwerkstoff nachempfundene Oberflächenstruktur in das Werksstück eingewalzt. Dies ist möglich, weil das Werksstück den Extruder mit einer hohen Eigentemperatur verlässt und so zumindest an seiner Oberfläche noch plastisch verformbar ist. Die vollständige Festigkeit des Werksstücks tritt im Bereich des Endes des Profilstrangs auf, wenn das Werksstück ausgekühlt ist.
• Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Erfindung weiter beschrieben:
  Die Zeichnungsfigur zeigt eine Extrusionsanlage 1 mit einem konischen Doppelschnecken-Extruder. Die in der Figur dargestellte Extrusionsanlage 1 arbeitet in einem einstufigen Verfahren. Über den als Trichterstopfwerk wirksamen Zuführtrichter 2 wird eine Werkstoffmatrix aus Holzmehl und Holzfasern oder Reishülsen, Polyethylen, Farbpigmenten, Bindemittel und UV-Stabilisator in die Extrusionsanlage 1 eingespeist. In Extrusionsrichtung 3 wird der Polyethylen-Kunststoff in der Matrix aufgeschmolzen und die so entstehende Schmelzmasse wird zu einem Profilstrang 4 verpresst. In Extrusionsrichtung 3 ist mit Abstand neben dem Zuführtrichter 2 ein Zugabetrichter 5 angeordnet. In den Zugabetrichter 5 wird die auf die Oberfläche aufzubringende Verlaufsfarbe als Granulat eingebracht. An den Zugabetrichter 5 schließt sich die Farbzuleitung 6 an. In der Farbzuleitung 6 ist die Vakuumkammer 7 angeordnet. Die Vakuumkammer 7 weist ein als Magnetventil ausgestaltetes Einlassventil 8 und ein ebenfalls als Magnetventil ausgestaltetes Auslassventil 9 auf. Die Farbzuleitung 6 mündet in die Entgasungsöffnung 10, welche zur Ausleitung der Feuchte in Form von Sattdampf auf die Extrusionsanlage 1 aufgesattelt ist.
• In Extrusionsrichtung 3 schließt sich an die Entgasungsöffnung 10 mit Abstand das Mundstück 11 an. Das Mundstück 11 ist das eigentliche Formgebungswerkzeug, durch welches die vermischte, erhitzte und entfeuchtete und mit der Verlaufsfarbe benetzte Schmelzmasse aus naturfaserverstärktem Kunststoff hindurch gepresst wird, um ihr die Form des fertigen Profilstrangs 4 zu geben.
• Im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt, ist die Prägewalze zum Einwalzen der Oberflächenstruktur in den Profilstrang 4. Die Prägewalze würde sich in einem Abstand in Extrusionsrichtung 3 neben der Extrusionsanlage 1 befinden. Mit Hilfe einer oder zweier gegenläufiger Profilwalzen ist es möglich, in die Oberflächen und auch die Unterfläche des Profilstrangs 4 eine dreidimensionale Profilstruktur hineinzuprägen.
• Zur Herstellung des Profilstrangs 4 werden das Holzmehl oder die Holzfasern, das Polyethylen, die Farbpigmente, das Bindemittel und der UV-Stabilisator in den Zuführtrichter 2 eingegeben. Die Werksstoffe werden in die Extrusionsanlage 1 hineingefördert und dort gut durchgemischt. Nach dem Aufschmelzen des Kunststoffs wird mit Hilfe einer Entgasungsanlage die Restfeuchte aus der Matrix herausgedampft. Der dadurch entstehende Sattdampf entweicht durch die Entgasungsöffnung 10 aus der Extrusionsanlage 1.
• In die Entgasungsöffnung 10 ragt die Farbzuleitung 6 hinein. Die Farbzuleitung 6 dient zur Zugabe der Verlaufsfarbe. Die Verlaufsfarbe wird in Granulatform in den Zugabetrichter 5 eingebracht. Durch den Zugabetrichter gelangt das Granulat in die Farbzuleitung 6. Das Einlassventil 8 wird geöffnet, um das Granulat in die Vakuumkammer 7 einzuspeisen. Ist die erforderliche Granulatmenge in die Vakuumkammer 7 eingebracht, wird das Einlassventil 8 wiederum verschlossen. Durch das Öffnen des Auslassventils 9 wird das Farbgranulat gleichsam durch den aus der Entgasungsöffnung 10 austretenden Sattdampf hindurch geschossen und auf die Oberfläche der Schmelzmasse 4 appliziert und verläuft dort zur Erzeugung des erwünschten unregelmäßigen Farbmusters.
• Nachdem die so eingefärbte Schmelzmasse im Mundstück 11 in ihre Endform, nämlich den an seiner Oberfläche eingefärbten Profilstrang 4 gepresst worden ist, läuft der Profilstrang 4 aus der Extrusionsanlage 1 in Extrusionsrichtung 3 hinaus und erkaltet vorzugsweise auf einem Kühlband mit zunehmenden Abstand in Extrusionsrichtung 3 zur Extrusionsanlage 1. Bei vollständig erkaltetem Profilstrang 4 ist dessen Verformbarkeit gänzlich aufgehoben und beseitigt. Der Profilstrang 4 kann dann zu Profildielen oder Profilplatten zersägt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Extrusionsanlage

2

Zuführtrichter

3

Extrusionsrichtung

4

Profilstrang

5

Zugabetrichter

6

Farbzuleitung

7

Vakuumkammer

8

Einlassventil

9

Auslassventil

10

Entgasungsöffnung

11

Mundstück

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Profilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff mit folgenden Verfahrensschritten: a) ein Gemisch aus Naturfaserpartikeln und Kunststoffgranulat ist in einen Extruder (1) zur Mischung zu einer Masse eingebracht, b) vor dem Extrusionsvorgang im Mundstück (11) des Extruders (1) wird die zu extrudierende Schmelzmasse (4) in einem Entgasungsschritt entgast, wobei das Gas durch eine Entgasungsöffnung (10) als Dampf entweicht und wobei Farbpartikel durch eine die Entgasungsöffnung (10) durchsetzende Farbzuleitung (6) auf die Schmelzmasse (4) aufgebracht werden und c) im Mundstück (11) werden die Profile aus naturfaserverstärktem Kunststoff geformt und als Profilstrang (4) abgefördert dadurch gekennzeichnet, dass Farbpartikel in die Farbzuleitung (6) gelangen, ein Einlassventil (8) geöffnet wird, um die Farbpartikel in eine Vakuumkammer (7) einzuspeisen und durch Öffnen eines Auslassventils (9) an der Vakuumkammer (7) die Farbpartikel durch den aus der Entgasungsöffnung (10) austretenden Sattdampf hindurch geschossen und auf die Oberfläche der Schmelzmasse (4) appli- ziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch ein einstufiges Verfahren, bei welchem im Entgasungsschritt Restfeuchte als Sattdampf durch die Entgasungsöffnung (10) entweicht.
3. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 umfassend einen Extruder (1) mit einer Entgasungsöffnung (10) gekennzeichnet durch eine die Entgasungsöffnung (10) durchsetzende, aus einem die Farbe aufnehmenden Zuführtrichter (5) gespeiste Farbzuleitung (6), in welcher eine Vakuumkammer (7) angeordnet ist mit einem dem Zuführtrichter (5) zugewandten Einlassventil (8) zur Einspeisung des Farbgranulats in die Vakuumkammer (7) und mit einem Auslassventil (9) zum Ausschießen des Farbgranulats durch den Sattdampf hindurch auf die Schmelzmasse (4).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch eine sich an den Extruder (1) anschließende Prägewalze zum Einwalzen eines Musters in die Profiloberfläche.
5. Profil aus naturfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4.
6. Profil nach Anspruch 5 gekennzeichnet durch einen unregelmäßigen und zufälligen Farbverlauf auf der Profiloberfläche.
7. Profil nach Anspruch 5 oder 6 gekennzeichnet durch eine unregelmäßige Oberflächenstruktur der Profiloberfläche.

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