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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats aus holzfaserverstärktem Kunststoff
mit einem Compounder sowie einem Unterwassergranulator umfassend
eine Lochplatte mit Austrittsöffnungen
für diese
durchsetzende Stränge
aus plastifiziertem holzfaserverstärktem Kunststoff, ein angetriebenes
Messerwerkzeug zum Zerteilen der Stränge, eine mit Wasser durchströmbare von
der Lochplatte begrenzte Kammer sowie einen Abscheider für das Granulat.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen
eines Granulats aus holzfaserverstärktem Kunststoff wie Polypropylen
oder Polyethylen mittels eines Compounders.
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Mit Compoundern können plastifizierbare Massen
geknetet und gemischt und homogenisiert werden, um eine Weiterverarbeitung
zu ermöglichen. Hierzu
werden an axial zueinander beabstandeten Materialaufgabestellen
gewünschte
Materialien eingebracht.
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In den letzten Jahren haben Werkstoffe
auf der Basis nachwachsender Rohstoffe an Bedeutung gewonnen. Dabei
zeigen insbesondere holzfaserverstärkte Kunststoffe wie holzfaserverstärktes Polypropylen
oder Polyethylen den Vorteil, dass neben einer optisch ansprechenden
eine Holzwirkung hervorrufenden Oberfläche ein gutes Crash-Verhalten
und Recyclebarkeit gegeben sind. Zudem sind Holzfasern gesundheitlich
unbedenklich und kön nen
problemlos entsorgt werden. Ferner sind Holzfasern unbegrenzt verfügbar und
führen
zu positiven Effekten in der Holzindustrie.
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Es ist bereits bekannt, aus holzfaserverstärktem Kunststoff
Profile zu extrudieren. Probleme erwachsen jedoch in Bezug auf eine
exakte Dosierbarkeit, die einen konstanten Massedruck am Werkzeug sicherstellt,
wodurch Qualitätsschwankungen
bei den Profilen weitgehend ausgeschlossen werden.
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Aus der
DE 199 14 116 C2 ist ein
Unterwasser-Granulator bekannt. Dieser umfasst einen Extruder, eine
an den Extruder angeschlossene Lochplatte mit Düsenbohrungen, ein um eine horizontale
Achse rotierendes Messerwerkzeug, mit dem Stränge des extrudierten Kunststoffs
in kurze Abschnitte als Granulat zerteilbar sind und eine mit Kühlwasser
gefüllte und
von Kühlwasser
durchströmte
Kühlkammer,
wobei der Wasserzulauf oberhalb der Drehachse des Messerwerkzeuges
und der Ablauf unterhalb der Drehachse angeordnet sind. Dabei ist
der Ablauf als freier Austritt ausgebildet, um mittels eines Förderbandes
das von dem Wasser mitgenommene Granulat auszutragen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
das Problem zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines aus holzfaserverstärktem Kunststoff
bestehenden Granulates derart weiterzubilden, dass das Granulat
staubfrei, rieselfähig
und exakt dosierbar ist. Auch sollen Form- bzw. Bauteile, die durch
Extrudieren oder Spritzgießen
auf der Basis eines entsprechenden Granulats hergestellt werden,
hohen Qualitätsanforderungen
genügen.
Insbesondere soll ein Einsatz in der Automobilindustrie ermöglicht werden.
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Vorrichtungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen
dadurch gelöst,
dass der Compounder ein Doppelwellenextruder mit gleichsinnig drehenden Wellen
ist, dass jeweilige Länge
der Welle 44D – 48D mit
D = Durchmesser der Welle beträgt,
dass die Vorrichtung eine Heizung umfasst, mit der das der Kammer
zuströmende
Wasser auf eine Temperatur T mit T ≥ 80° erwärmbar ist und dass der Abscheider
ein Zentrifugalabscheider ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Doppelwellenextruder
als Compounder verwendet, der eine unübliche Länge aufweist. Hierdurch wird
sichergestellt, dass die Holzfasern mit gegebe nenfalls erforderlichen
Additiven und der Kunststoff in einem Umfang miteinander verarbeitet
werden, dass der Lochplatte plastifizierte Kunststoffstränge entnommen
werden, die gleichmäßige Materialeigenschaften
aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
der Abstand der Materialaufgabestellen drei bis vier Zylinderschüsse beträgt, wobei
ein Zylinderschuss gleich dem vierfachen Durchmesser der Welle des
Doppelwellenextruders ist. Insbesondere beläuft sich der Abstand auf in
etwa 80 – l20
cm, vorzugsweise in etwa 100 cm.
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Der Kunststoff wird über die
erste in Förderrichtung
hintere Materiaiaufgabestelle eingebracht, und zwar vorzugsweise über einen
auf der Oberseite des Gehäuses
des Doppelwellenextruders vorhandenen Trichter. Weiter vorne und
erwähntermaßen in einem
Abstand von vorzugsweise 3 bis 4 Zylinderschüssen werden die Holzfasern
sowie die Additive im gewünschten
Umfang zugegeben. Die Zugabe erfolgt seitlich über eine Doppelschnecke. Oberhalb der
zweiten Materialaufgabestelle, also der Doppelschnecke, ist des
Weiteren eine Entlüftung
vorgesehen, wodurch der Innenraum mit der Atmosphäre verbunden
ist.
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Die jeweilige Welle des Doppelwellenextruders
weist bevorzugterweise einen Durchmesser von in etwa 60 mm auf.
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Ferner ist in hervorzuhebender Ausgestaltung
in Förderrichtung
hinter der zweiten Aufgabestelle (Seitendosierung über Doppelschnecke)
eine Entgasungsstelle vorgesehen, um im Holz vorhandene Feuchte
zu entfernen. Der Abstand zwischen der Doppelschnecke und der Entgasungsstelle
beträgt vorzugsweise
zwei Zylinderschüsse.
Die Entgasungsstelle wird mit einem Unterdruck von << 0,1 bar beaufschlagt, so dass eine
intensive Entgasung bzw. Entfeuchtung erfolgt.
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Dadurch, dass die mittels des Messerwerkzeuges
zu Partikeln verkleinerten Kunststoffstränge mittels Wasser einer Temperaturgröße T > 80 °C, vorzugsweise > 90 °C dem Zentrifugalabscheider
zugeführt
werden, wird überraschenderweise
ein Eindringen von Feuchtigkeit in die einzelnen Partikel in einem
Umfang vermieden, so dass nach dem Abscheiden des Wassers von dem
Granulat die vorhandene Restfeuchte durch Abdampfen schnell entfernt
werden kann. Man erhält überraschenderweise
ein homogenes Granulat mit glatter Oberfläche, wobei die Granulatpartikel
nahezu kugelige Gestalt aufweisen. Etwaige vorhandene Feinstteile
werden in dem Zentrifugalabscheider bzw. nach diesem über ein
Sieb ausgefiltert.
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Vorteilhaft ist dabei auch, dass
das das Granulat fördernde
Wasser abweichend vom vorbekannten Stand der Technik nicht über einen
als freier Austritt ausgebildeten Ablauf abfließt, sondern entgegen der Schwerkraft
dem Zentrifugalabscheider zugeführt
wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
Granulats aus holzfaserverstärktem
Kunststoff wie Polypropylen oder Polyethylen mittels eines Compounders mit
zumindest zwei in axialer Richtung zueinander beabstandeten Materialaufgabenstellen
zeichnet sich dadurch aus:
- – Aufgabe des Kunststoffes
in einer ersten Materialaufgabestelle des als Doppelwellenextruder ausgebildeten
Compounders.
- – in
Förderrichtung
beabstandet zu der ersten Materialaufgabestelle Aufgabe von Holzfasern
mit einem Längen-
zu Durchmesserverhältnis > 5 in einer zweiten
Materialaufgabestelle,
- – Zuführen des
compoundierten holzfaserverstärkten
Kunststoffes zu einer Lochplatte und Zerkleinern von durch die Lochplatte
gedrückten Kunststoffsträngen zu
kurzen Abschnitten als Granulat,
- – Fördern des
Granulats mit Wasser einer Temperatur T mit T ≥ 80 °C bei Erfassen des Granulats zu
einem Zentrifugalabscheider und
- – Trennen
des Granulats und des Wassers in dem Zentrifugalabscheider.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass
das Wasser auf eine Temperatur eingestellt wird, die beim Erfassen
des Granulats > 90 °C, insbesondere > 95 °C beträgt.
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Des Weiteren sollte das Wasser durch
die das Messerwerkzeug enthaltende Kammer mit einer Fördergeschwindigkeit
V mit 1 m/sek. ≤ V ≤ 5 m/sek., insbesondere
1 m/sek. ≤ V ≤ 2 m/sek.
strömen,
um das Granulat zu erfassen. Hierzu weist ein das Wasser führende Rohr
einen möglichst
kleinen Querschnitt auf. Ferner ist der Abscheider oberhalb der Lochplatte
angeordnet, so dass das Granulat entgegen der Schwerkraft gefördert wird.
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Vorteilhafterweise werden dem Doppelwellenextruder
die Holzfasern mit gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven
in einem Abstand von 4 bis 5 Zylinderschüssen im axialen Abstand zu
der ersten Materialaufgabestelle zugeführt.
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Bevorzugterweise werden bei Verwendung von
Polypropylen als Kunststoff etwa 30 – 60 Gew.-% Holzfasern, in
etwa 1 Gew.-% bis in etwa 10 Gew.-% ein oder mehrere Additive und
auf 100 Gew.-% aufgefüllt
das Polypropylen dem Compounder zugeführt. Insbesondere enthält die dem
Compounder zugeführte
Mischung in etwa 0,3 Gew.-% bis in etwa 0,5 Gew.-% Metallstearat
und/oder in etwa 0.3 Gew.-% bis in etwa 0,5 Gew.-% Wachs bei einem
Holzfaseranteil bis zu 60 Gew.-%, wohingegen der Wachsanteil in
etwa 0,5 Gew.-% bis in etwa 3 Gew.-% bei einem Holzfaseranteil zwischen
60 Gew.-% und 80 Gew.-% beträgt.
Bei dem Stearat kann es sich um ein Kalziumstearat und/oder ein
Zinkstearat handeln. Als Wachs wird vorzugsweise ein Ester der Montansäure verwendet.
Die Additive werden über
die zweite Materialaufgabestelle zugegeben, also über die
Seitendosierung mittels Doppelschnecke.
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In weiterer hervorzuhebender Ausführungsform
der Erfindung wird der Mischung ein Holzgeruch neutralisierendes
bzw. zumindest teilweise maskierendes Additiv zugegeben, dessen
Gewichtsanteil an der Gesamtmischung in etwa 0,005 Gew.-% und 0,01 Gew.-%
beträgt.
Das entsprechende Additiv kann enthalten Terpineol, Phenylethylalkohol,
Hexylzimtaldehyd und als weitere Bestandteile Paraffinöl. Eine Zusammensetzung
aus Marlophen, Allylheptanat, Naphtalene und Iridonbeta sowie Allylcapronat
mit Paraffinöl
als weiteren Bestandteil ist gleichfalls möglich. Eine weitere Zusammensetzung
eines neutralisierenden bzw. maskierenden Additivs (Neutralisieradditiv)
kann bestehen aus Terpineol, Amylsalicylat, Amylzimtaldehyd Alpha
sowie Lemongrasöl.
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Insbesondere kann das Neutralisieradditiv aus
in etwa 12,5 % bis l5 % Terpineol, 7 % bis 10 % Benzeneethanol,
3 bis 5 % Alpha-Hexylcinnamaldehyde und Rest Öl wie Paraffinöl oder aus
1-Nonylphenolpolyethylenglykolether (etwa l5 % bis 20 %), Heptanoic
Acid, 2-Propenyl
Ester (ca. 1 % bis 3 %), 2-Methoxy-Naphthalene (1 bis 3 %). 3-Buten-2-One, 4-(2,6,6-Trimethyl-l-Cyclohexen-l-YL)-.
(E)- (in etwa 0,25 % bis 0,5 %), Hexanoid Acid (in etwa 0,25 % bis 0,5
%) und Rest Öl
wie Paraffinöl
oder aus Terpineol (ca. 30 % bis 40 %), Amylsalicylat (in etwa 7
% bis 10 %). Amylzimtaldehyd Alpha (ca. 1 % bis 3 %) sowie Lemongrasöl (ca. 1
% bis 3 %) sowie Paraffinöl
bestehen. Ein weiteres Neutralisier- oder Maskieradditiv kann aus Benzylsalicylat
(ca. 3 % bis 5 %), Hexylzimtaldehyd (ca. 1 % bis 3 %), Ysamber K
(ca. 0,1 % bis 0,2 %), Ketamber (ca. 0,1 % bis 0,25 %) sowie Rest Öl bestehen.
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Allgemein gesagt kann durch das Neutralisieradditiv
der Geruch oder dessen Intensität
geregelt werden.
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Entsprechend hergestellte Granulate
können einem
Extruder oder einem Spritzgießwerkzeug
zugeführt
werden, um Profile bzw. Formen herzustellen, wobei Letztere auch
Hinterschneidungen aufweisen können,
da beim Entformen das holzfaserverstärkte Kunststoffmaterial hinreichend
elastisch ist, ohne dass bleibende Verformungen zu befiürchten sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den
diesen zu entnehmenden Merkmalen für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats
aus holzfaserverstärktem
Kunststoff und
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2 ein
Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens.
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Um ein Granulat aus Holzfasern und
Kunststoff wie insbesondere Polypropylen oder Polyethylen herzustellen,
wird als Compounder ein Doppelwellenschneckenextruder 10 mit
gleichsinnig drehenden Wellen gleichen Durchmessers D verwendet.
In axialer Richtung des Doppelwellenexiruders zueinander beabstandet
sind eine erste und eine zweite Materialaufgabestelle 12, 14 vorhanden, über die
einerseits Kunststoff und andererseits Holzfasern mit gegebenenfalls
einem oder mehreren Additiven zugegeben werden. Dabei werden in
der ersten Materialaufgabestelle der Kunststoff und in der zweiten
Aufgabestelle 14 die Holzfasern mit dem bzw. den Additiven
aufgegeben. Der Abstand zwischen den Aufgabestellen 12, 14 beläuft sich
insbesondere auf drei bis vier Zylinderschüsse, wobei ein Zylinderschuss gleich
4D mit D = Durchmesser einer Welle ist. Bevorzugterweise weist jede
Welle des Doppelwellenextruders 10 einen Durchmesser von
60 mm auf. Die Länge
des Doppelwellenextruders 10 beträgt insbesondere 44 D – 48 D.
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Ist die erste Materialaufgabestelle 12 vorzugsweise
als Trichter ausgeführt. über den
der Kunststoff von der Oberseite des Doppelwellenschneckenextruders 10 zugeführt wird,
so handelt es sich bei der zweiten Materialaufgabestelle 14 um eine
Seitendosierung über
eine Doppelschnecke, wie dies prinzipiell aus der 1 ersichtlich ist. Im Bereich der Seitendosierung,
also der zweiten Materialaufgabestelle 14 und von der Oberseite
des Doppelwellenschneckenextruders 10 ausgehend ist eine
atmosphärische
Entlüftung 17 vorgesehen.
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Ferner ist in hervorzuhebender Ausgestaltung
in Förderrichtung
hinter der zweiten Aufgabestelle 14 (Seitendosierung) eine
Entgasungsstelle 15 vorgesehen, um im Holz vorhandene Feuchte
zu entfernen. Der Abstand zwischen dem Trichter 14 und der
Entgasungsstelle 15 beträgt vorzugsweise zwei bis drei
Zylinderschüsse
(8D – 12D).
Die Entgasungsstelle wird mit einem Unterdruck von << 0,1 bar beaufschlagt, so dass eine
intensive Entgasung bzw. Entfeuchtung erfolgt.
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Der Doppelwellenextruder 10 ist über eine Loch-
oder Düsenplatte 16 abgeschlossen,
durch die das plastifizierte Kunststoffmaterial hindurchgedrückt wird.
Hierdurch bilden sich Stränge,
die mit einem mittels eines Motors angetriebenen Schneidmesser 18 in
kurze Abschnitte als das Granulat verkleinert werden. Die Lochplatte 16 begrenzt
dabei eine Kammer 20, in der das Messerwerkzeug 18 um
eine horizontale Achse drehbar angeordnet ist. Durch die Kammer 20,
die auch als Schneidkammer zu bezeichnen ist, strömt Wasser,
wobei die Schneidkammer 20 derart temperierbar ist, dass
das Wasser eine Temperatur T > 80°, vorzugsweise > 90° aufweist. Mittels des durch
die Kammer 20 strömenden
Wassers wird das Granulat einem Zentrifugalabscheider 22 zugeführt, in
dem das Granulat von dem Wasser getrennt wird, das seinerseits über eine
Leitung 24 der Schneidkammer 20 wieder zugeführt wird.
Wie die Prinzipdarstellung verdeutlicht, fließt das Wasser von der Messerkammer
zu dem Abscheider entgegen der Schwerkraft.
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Der Zentrifugalabscheider 22 weist
einen Auslass 26 auf, über
den das Granulat abgeführt
und abgepackt wird.
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Durch die Schneidkammer 20 strömt das Wasser
mit einer Geschwindigkeit mit relativ hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise
im Bereich zwischen 1 m/sek. und 5 m/sek., insbesondere l m/sek.
bis 2 m/sek.. Hierdurch bedingt wird das Granulat sehr schnell dem
Zentrifugalabscheider 22 zugeführt, um das Granulat von dem
Wasser zu trennen. Gleichzeitig kann sich etwaige Restfeuchte aufgrund
der Temperatur des Granulats relativ schnell verflüchtigen.
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Durch die hohe Fördergeschwindigkeit ist die Kontaktdauer
zwischen Wasser und Granulat relativ gering. Gleichzeitig ist aufgrund
der geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und des die Lochplatte 16 verlassenden
Stranges, der eine Temperatur zwischen 180 °C und 195 °C aufweist, sichergestellt,
dass nur geringe Wassermengen in das Granulat eindringen können und
sodann vorhandene Restfeuchte problemlos ausgetrieben werden kann.
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Die Durchmesser der Löcher der
Lochplatte 16 und die Geschwindigkeit des entlang dieser
drehenden Messerwerkzeugs sind dabei derart aufeinander abgestimmt,
dass sich ein Granulat ergibt, das eine Kugelform aufweist mit einem
Durchmesser zwischen 2 und 4 mm, wobei das Gewicht pro Hundert Granulatpartikel
zwischen 1,5 und 2 g, insbesondere zwischen 1,7 und 1,8 g liegt.
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Ein entsprechendes Granulat ist staubfrei, rieselfähig und
beim Extrudieren exakt dosierbar. Hierdurch ist sichergestellt,
dass am Extrudierwerkzeug ein konstanter Massedruck aufbaubar ist,
der zu einer hohen Qualität
des extrudierten Profils führt.
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Das Granulat kann aber auch zum Spritzgießen verwendet
werden.
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Dadurch, dass das Granulat aus dem
holzfaserverstärkten
Kunststoff Holzfasern enthält,
die ein Längen-
zu Durchmesserverhältnis > 5 aufweisen, ergibt
sich eine hohe mechanische Stabilität. Dabei weisen die Holzfasern
vorzugsweise eine Länge
im Bereich zwischen 150 μm
und 500 μm
auf. Wird zusätzlich
als Additiv ein Maleinsäure-Anhydridgepfropfter
Kunststoff mit einem Gewichtsanteil zwischen 1,5 und 5 Gew.-% bezogen
auf die Gesamtmischung hinzugefügt,
so ergeben sich Verbesserungen in Bezug auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit
und Schlagfähigkeit
im Vergleich zu holzfaserverstärktem Kunststoff
ohne entsprechendes Additiv. Dieses wirkt quasi als Haftvermittler.
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Um ein Entformen aus einem Werkzeug
zu erleichtern, können
als Additiv Stearat mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,3 und 0,5
Gew.-% zugegeben werden. Ferner kann Wachs als Additiv mit einem
Anteil zwischen ca. 0,3 und ca. 0,5 Gew.-% zugegeben werden. Der
Anteil der Holzfasern selbst sollte dann zwischen 30 und 60 Gew.-%
betragen. Bei einem Anteil der Holzfasern zwischen 60 Gew.-% und
80 Gew.-% sollte der Gewichtsanteil an Wachs zwischen 0,5 Gew.-%
und 3 Gew.-% betragen.
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Aus entsprechenden erfindungsgemäß hergestellten
und zusammengesetzten Granulaten lassen sich sowohl durch Extrusion
als auch durch Spritzgießen
Form- bzw. Bauteile herstellen, die hohen mechanischen Belastungen
standhalten und ein gutes Crash-Verhalten zeigen, so dass auch ein
Einsatz in der Automobilindustrie möglich ist. Ferner zeichnen
sich die Form- bzw. Bauteile durch eine geringe Dichte aus. Als
weiterhin als positive Eigenschaften sind Recyclebarkeit und thermische
Isolierung und hervorragende akustische Eigenschaften zu nennen.
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Bei einem Einsatz in der Automobilindustrie besteht
ferner die Möglichkeit,
als Additiv einen Geruchsneutralisierer zuzugeben, so dass der Holzgeruch
beseitigt oder reduziert wird.
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Anhand der 2 wird noch einmal das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert.
So wird in einem ersten Verfahrensschritt 28 Kunststoff
wie Polypropylen oder Polyethylen in den Compounder in Form eines
Doppelwellenextruders aufgegeben. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 30 werden Holzfasern
und ein oder mehrere Additive zugegeben. In einem nachfolgenden
Verfahrensschritt 32 wird der in dem Doppelschneckenextruder
plastifizierte Kunststoff in der Schneidkammer 20 mittels des
Schneidwerkzeuges 18 in Partikel zerkleinert, um mittels
Wasser dem Zentrifugalabscheider zugeführt zu werden (Verfahrensschritt 34).
In dem Zentrifugalabscheider 34 wird das Wasser entfernt
und über
die Leitung 24 erneut der Schneidkammer zugeführt. Das
Granulat wird sodann abgezogen und trocken verpackt (Verfahrensschritt 36),
um anschließend
weiterverarbeitet zu werden.