DE10325543A1

DE10325543A1 - Naturfaserhochdruckextrusion

Info

Publication number: DE10325543A1
Application number: DE10325543A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Janssen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere zur Extrusion von einer Mischung aus Naturfasern und Kunststoffen, die aus einem Zylindergehäuse und sich darin drehenden Schnecken aufgebaut ist. Die Schnecken sind als gegenläufige dichtkämmende Doppelschnecken ausgeführt. Die Verbindung der Naturfasern mit dem Kunststoff erfolgt unter einem sehr hohen Druck.

Description

Die ökologische Diskussion der letzten 1,5 Jahrzehnte hat ganz wesentliche Einflüsse auch auf die Kunststoffverarbeitung ausgeübt. Der Recycling-Gedanke steht bei jeder Neuentwicklung vornan. Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ist ein ganz wesentliches Thema einer jeden Produktentwicklung. Dabei sind zwei wesentliche Grundgedanken zu beachten:

a) Thermoplastische Kunststoffe werden im wesentlichen aus Erdöl oder Salzressourcen gewonnen. Sie können grundsätzlich beliebig häufig recycelt werden und stehen somit als „unendliche Werkstoffe" zur Verfügung.
b) Naturfasern, wie z. B. Holzmehl, Hanf oder Stroh, Kokosmehl oder Reisschalen sind nachwachsende Rohstoffe, die ihren normalen Lebenszyklus durch Zersetzung in der Natur beenden. Der Lebenszyklus von Holz kann durchaus ein Jahrhundert sein, liegt in der Regel jedoch deutlich darunter. Der Lebenszyklus der sonstigen Naturfasern ist häufig nur sehr kurzzeitig.

Die Entwicklung hat gezeigt, daß Kunststoffe mit Naturfasern gemischt werden können. Hierdurch wird es möglich, wesentliche Eigenschaften der Kunststoffe, wie z. B. Polyolefine, so zu modifizieren, daß diese z. B. in der Steifigkeit nahe dem Hartholz liegen können. Wesentlich hierbei ist, daß durch die Verbindung von Kunststoff und Naturfasern ein Produkt mit einer annähernd gleichen Recyclingfähigkeit wie beim Kunststoff selber entsteht. Durch die Vermischung von Kunststoff und Naturfasern wird somit die Naturfaser als Ressource für nachfolgende Generationen „konserviert".
Eine Problematik der Einarbeitung von Naturfasern liegt in der undefinierten Feuchtigkeit der Naturfasern selber bzw. in dem hydrofilen Charakter dieser Fasern. Zwar kann durch den Einsatz teurer Zuschlagstoffe Wasser für chemische Reaktionen wie Vernetzungen etc. genutzt werden, jedoch ist dieses wirtschaftlich bzw. unter dem Recylcling-Gedanken ein mit Fragezeichen behafteter Weg. Das Einmischen von Naturfaser in Kunststoffe mit möglichst wenig Zuschlagstoffen ist die Zielsetzung. Heute wird in der Regel Naturfasermaterial vorgetrocknet auf einen Feuchtigkeitsgehalt von deutlich kleiner 1%, die dann in der Regel direkt einem Extrusionsprozeß zugeführt werden.
Neben der Feuchtigkeit ist insbesondere bei Holzmehl der Anteil von Harz bzw. Lignin ein wichtiger Faktor für das Gemisch Kunststoff Naturfaser. Ligninanteile sind sehr unterschiedlich bei Nadel- und Harthölzern. Der Harzanteil sorgt in der Regel für eine Verringerung der Haftung zwischen den Fasern und dem eigentlichen Kunststoff und reduziert somit insbesondere bei dem Einsatz von PVC Gebrauchseigenschaften wie Schlagzähigkeit etc.
Stand der Technik
Es ist Stand der Technik, daß zur Verarbeitung von Mischungen aus Kunststoff und Naturfasern als Verarbeitungsmaschinen in der Regel typische Kunststoffverarbeitungsmaschinen mit Schnecken und Zylindern eingesetzt werden. Schnecken zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen sind so aufgebaut, daß entlang der Schneckenlänge unterschiedliche Geometriezonen vorliegen. Es wird zwischen Ein- und Doppelschnekken unterschieden. Doppelschnecken gewährleisten einen sehr hohen Druckausbau und sind im Gegensatz zu Einschnecken extrem fördersteif. Dichtkämmende, gegenläufige Doppelschnecken arbeiten entsprechend einer Pumpe. Die Doppelschnecken werden in einem Doppelschneckenzylinder geführt. Verfahrenstechnisch werden sie durch den Achsabstand der Doppelschnecken sowie den Durchmesser und die verfahrenstechnische Länge charakterisiert. Der Antrieb erfolgt über ein Reduzier- und ein Verteilgetriebe. In der Regel sind in dem Doppelschneckenzylinder an einer oder an zwei Positionen Öffnungen zur Entgasung vorgesehen.
Hauptanforderung einer jeden Anlagenauslegung für den Einsatz einer Mischung von Kunststoff und Naturfasern ist es, die Schneckengeometrien so zu gestalten, daß zum einen ein großer Durchsatz gefahren und zum anderen eine möglichst weite Mischungsbandbreite verarbeitet werden kann. Da z. B. Holz sehr temperaturempfindlich ist, sollte die Temperatur der Masse am Austritt des Extruders möglichst gering sein. Dabei spielt die Homogenität der Temperatur ebenfalls eine wichtige Rolle. Nach dem Stand der Technik werden in der Extrusion Drücke zwischen 200 bis max. 500 bar zur Extrusion von holzmehlgefüllten bzw. naturfasergefüllten Kunststofffasermischungen gefahren. Üblich ist es, getrocknete Naturfasern mit einem Prozentsatz von vierzig bis sechzig Prozent, in wenigen Fällen, 80 – 90 % einzusetzen.
Die erfinderische Aufgabe ist es, Kunststoffverarbeitungsmaschinen, insbesondere gegenläufige Doppelschnecken so zu gestalten, daß Naturfaserprodukte mit einem geringen Anteil an Kunststoffen gemischt werden können. Während dieses Verarbeitungsprozesses wird im wesentlichen der Ligninanteil bzw. Harzanteil aus den Fasern gepreßt und unter sehr hohem Druck wird eine Mischung aus Kunststoff mit Naturfasern erzeugt.
Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dichtkämmende gegenläufige Doppelschnecken einen Druck von mindestens 1000 bar erzeugen. Dieser Druck wird in einem sehr kurzen Zeitfenster erzeugt und dient dazu, in den Naturfasern vorhandene harzähnliche bzw. schmelzfähige Komponenten in den Außenbereich der Fasern zu pressen und als verbindende Komponente zwischen den Fasern einzusetzen. Gleichzeitig dient der hohe Druck dazu, die aufgeschmolzene Kunststoffkomponente in die Oberfläche der Fasern einzupressen und verbindend eine Gesamtmatrix aufzubauen.
Im folgenden sei an einem Beispiel die konkrete Vorrichtung bzw. das Verfahren beschrieben.

1) Der Rohstoff aus Naturfasern, insbesondere Holzmehl oder holzmehlähnliche Naturfasern und Kunststoffe, wird in einem Vormischer gemischt bzw. separat in einem Trichter zusammengeführt.
2) In dem Trichter ist ein Rührwerk vorhanden, daß zur Vermischung/Homogenisierung dient und Probleme mit der Materialrieselfähigkeit kompensiert.
3) Im Auslaufbereich des Trichters ist vertikal eine Stopfschnecke montiert, die das Kunststoff Naturfaser-Gemisch in den Doppelschneckeneinzug hineinpreßt. Entsprechend der Stopfschneckendrehzahl wird der Einlaufbereich der Doppelschnecke mehr oder weniger gefüllt.
4) Das Volumen aus dem Einzugsbereich der Doppelschnecke wird in einen Vorwärmbereich transportiert. Dieser ist ebenso wie der gesamte Zylinderbereich mit entsprechenden Heizungen versehen. Durch entsprechende Temperatureinstellung und durch einen geringen Anteil an Friktion wird das Material aufgeheizt und somit auf eine richtige Verarbeitungstemperatur gebracht.
5) Durch entsprechende Schneckengeometrien können im folgenden den Naturfasern in unterschiedlichster Form mit z. B. Entgasungszonen etc. Feuchtigkeiten entzogen werden. Es können jedoch auch Kunststoffe oder sonstige Komponenten seitlich in den Prozeß eingefügt werden.
6) Der verfahrens- bzw. vorrichtungsspezifische Aufbau garantiert durch seine Anordnung, daß vor dem Druckaufbau im letzten Bereich der Doppelschnecken eine homogene Mischung des Produktes vorliegt.
7) Durch die geometrische Anordnung der dichtkämmenden Doppelschnecke ist es möglich, einen sehr hohen Druck in einem kurzen Zeitfenster aufzubauen. Bei konstanter Schneckendrehzahl kann der Druck geregelt werden, indem querschnittsverändernde oder temperaturverändernde Komponenten im Werkzeug als Stellgröße eingesetzt werden.

Erfahrungen haben gezeigt, daß es notwendig ist, mindestens 1000 bar zu erzeugen, um mit einer Mischung von 80 – 95 % Holzmehl in Verbindung mit verschiedenen Kunststoffen ein Produkt mit akzeptierbaren Eigenschaften ohne den Einsatz von teuren Zuschlagsstoffen zu erzeugen.

Claims

Extrusionsvorrichtung zur Verarbeitung von Mischungen aus Kunststoffen und Naturfasern, aufgebaut aus gegenläufig dichtkämmenden Doppelschnecken mit entsprechendem Doppelschneckenzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Schneckenlänge die Schneckengeometrie so gestaltet ist, daß mit einer Mischung von 5 – 15 % Kunststoffen im Austrittssegment der Schnecke ein Druck von mindestens 1000 bar aufgebaut wird.
Verfahren zur Verarbeitung von einer Mischung aus Kunststoffen und Naturfasern in einem System, bestehend aus einem Trichter mit einem Doppelschneckenzylinder mit Entgasungsöffnungen und einem Satz Doppelschnecken mit Kompression- und Dekompressionszonen entlang der Schnecke sowie einem vor den Zylinder montierten Extrusionswerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Verfahren eine Mischung aus in der Regel Naturfasern, wie z. B. Holzmehl und Kunststoffen in einem Verhältnis von 85 – 95 % Naturfasern in einen Trichter transportiert werden, in diesem Trichter vermischt werden und in der Regel durch eine Stopfvorrichtung in die eigentliche Plastifizierdoppelschnecke eingeleitet werden, wobei dort aufgeheizt, plastifiziert und ggf. entgast wird und danach das Kunststoff Naturfaser-Gemisch weitergehend aufgeschmolzen wird und durch ein Werkzeug gepreßt wird, wobei dieses Werkzeug einen Druck von mindestens 1000 bar vor der Schneckenspitze ausbaut.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Werkzeug Verstellelemente enthalten sind, mit denen der Druckverbrauch wesentlich zu beeinflussen ist.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Werkzeug Verstellelemente enthalten sind, mit denen der Druckverbrauch geregelt werden kann.