DE10328520A1 - Inlinetrocknung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere zur Vortrocknung von Naturfasern, einer Mischung aus Naturfasern, einer Mischung von Naturfasern und anorganischen Füllstoffen sowie Vorgenanntes in Verbindung mit Kunststoffen, die aus einer Kaskadenanordnung aufgebaut ist. Die Schnecken sind als gegenläufig kämmende, mindestens in Bereichen dichtkämmende, Doppelschnecken ausgeführt. Der Geometrieaufbau der Schnecken gewährleistet durch eine Kombination von Kompressions- und Entspannungszonen, die mehrfach hintereinander geschaltet sind, daß im oberen Kaskadenbereich ein sehr großer Anteil von Feuchtigkeit über mehrere in Reihe geschaltete Entgasungen an verscheidene Öffnungen am Zylinder herausgezogen werden kann. Hierdurch entfällt eine bisher aufwendige separate Vortrocknung der Naturfasern.

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 kurz.
• 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 selbst bzw. in dem hydrofilen Charakter dieser Fasern. Zwar kann durch den Einsatz teurer Zuschlagstoffe Wasser für chemische Reaktionen wie Ver netzungen etc. genutzt werden, jedoch ist dieses wirtschaftlich bzw. unter dem Recycling-Gedanken ein mit Fragezeichen behafteter Weg. Das Einmischen von Naturfaser in Kunststoffe mit möglichst wenig Zuschlagstoffen ist die Zielsetzung. Heute werden in der Regel Naturfasermaterialien vorgetrocknet auf einen Feuchtigkeitsgehalt von deutlich kleiner 1 %, die dann in der Regel direkt einem Extrusionsprozeß zugeführt werden. Hierbei kann der Kunststoff in einem Trichter mit der vorgetrockneten Naturfaser vermischt werden und direkt in den Extruder eingezogen werden oder die Naturfaser wird separat zum Kunststoff vorgewärmt, der Kunststoff wird vorher plastifiziert und dann zusammengemischt. Jegliche Form der Zwischenlagerung von vorgetrockneten Naturfasern ist mit der Problematik verbunden, daß die Fasern Feuchtigkeit aufnehmen, sobald sie mit der Feuchtigkeit, wie sie z. B. in der Luft vorhanden ist, in Berührung kommen. Die Feuchtigkeitsmenge, die aufgenommen wird, ist z. B. wesentlich von der Höhe der Luftfeuchtigkeit abhängig.
• Der Nachteil der Vortrocknung liegt auch in einem sehr hohen hierfür benötigten Energieeintrag und einer schwierig zu regelnden Restfeuchte. Zudem wird in der Regel das Material nach dem Vortrocknen abgekühlt und muß danach wieder aufgeheizt werden, eine zusätzliche Energievernichtung.
• 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 Doppelschnecken unterschieden. Doppelschnecken gewährleisten einen sehr hohen Druckaufbau 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.
• Zur Durchsatzsteigerung werden sogenannte Vorwärmungen als Kaskaden eingesetzt.
• Hauptanforderung einer jeden Anlagenauslegung für den Einsatz einer Mischung von Kunststoff und Naturfasern ist es, die Schneckengeometrien bzw. die Maschinenanordnung so zu gestalten, daß zum einen ein großer Durchsatz gefahren und zum anderen eine möglichst weite Mischungsbandbreite verarbeitet werden kann. Da 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. Einer der wesentlichen Punkte des Extruders sollte es sein, Feuchtigkeit während der Verarbeitung durch Entgasungsöffnungen im Zylinder aus der Mischung herauszuziehen.
• Die erfinderische Aufgabe ist es, Kunststoffverarbeitungsmaschinen so zu gestalten, daß ohne separat vorzutrocknen, Naturfaserprodukte in Kunststoffe eingemischt werden können. Während dieses Verarbeitungsprozesses soll die Feuchtigkeit entzogen werden und der Kunststoff mit den Naturfasern vermischt, plastifiziert und homogen bei niedrigen Temperaturen ausgetragen werden.
• Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Material in einer Kaskadenanordnung in einem ersten Extrusionsschritt vorgetrocknet wird und in einem zweiten Schritt Material plastifiziert und als Schmelze ausgetragen wird. Entlang der Schneckenlänge der ersten, in der Regel oberen Schnecke finden mindesten drei Kompressions- und Dekompressionsvorgänge statt. In dem Dekompressionsbereich wird an mindestens zwei Stellen Vakuum angelegt und damit Feuchtigkeit aus den Naturfasern bzw. der Mischung entzogen.
• Im folgenden sei an einem Beispiel die konkrete Vorrichtung bzw. das Verfahren beschrieben.
• 1) Der Rohstoff aus Naturfasern, gegebenenfalls in Verbindung mit Kunststoffen, wird in einem Trichter zusammengeführt.
• 2) In dem Trichter ist in der Regel ein Rührwerk/Stopfwerk vorhanden, daß zur Vermischung/Homogenisierung und zum Befüllen des oberen Kaskadenextruders dient
• 3) Darunter ist eine gegenläufig kämmende Doppelschnecke angeordnet, in der mindesten an drei Stellen entlang der Schnecken Kompression und Dekompression gegeben sind. In den Dekompressionsbereichen sind Öffnungen im Zylinder, die mit Vakuum belegt sind. Der Zylinder und die Schnecken sind beheizt.
• 4) Im Auslaufbereich des ersten bzw. oberen Kaskadenextruders ist ein Trichter mit einer Stopfschnecke montiert, die das Kunststoff Naturfaser-Gemisch oder nur die Naturfasern in den folgenden kämmenden gegenläufigen Doppelschneckenextruder hineinpreßt bzw. transportiert.
• 5) Danach wird in der Doppelschnecke Druck aufgebaut, um ein Werkzeug zu überwinden.
• Im oberen Kaskadenextruder kann nur Naturfasern vorgetrocknet werden oder eine Mischung mit anderen Stoffen wie z. B. Kunststoffe. Werden im oberen nur Naturfasern getrocknet, so wird der Kunststoff im Übergangsbereich zwischen der Kaskadenanordnung zugegeben.
• Der Ablauf in der oberen Kaskade kann wie folgt beschrieben werden:
• 1. 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.
• 2. Dieses aufgeheizte Material wird komprimiert. Dadurch wird Wasser aus den Fasern selber bzw. aus den Zwischenräumen herausgepreßt. Die Kompression ist gleichzeitig mit einer zusätzlichen Aufwärmung des Materials verbunden.
• 3. Nach der Kompression erfolgt eine Dekompression, wobei die Volumenänderung durch Änderungen der Geometrien der Schnecken erzeugt werden. In dieser Dekompressionszone wird Wasserdampf frei und kann in einer sphärischen Entgasung oder dem hier angelegten Vakuum abtransportiert werden.
• 4. Dieser Vorgang der Kompression und Dekompression erfolgt mehrfach, mindestens dreimal entlang der Schneckenlänge, wobei mindestens zweimal ein Vakuum angelegt wird. In Einzelfällen können auch mehr als acht Entgasungen aufgebaut werden.
• Der verfahrens- bzw. vorrichtungsspezifische Aufbau garantiert durch seine Anordnung, daß im Übergangsbereich der Kaskadenanordnung in der Regel kein oder nur ein geringer Anteil an Wasserdampf vorliegt. Der evtl. noch vorliegende Wasseranteil wird in der Entgasung der unten liegenden Doppelschnecke entfernt.
• Erfahrungen haben gezeigt, daß mit diesem Prinzip in den einzelnen Entgasungszonen 0,4 – 0,9 % der Feuchtigkeit aus einzelnen Naturfasersystemen herausgezogen werden kann. In der praktischen Anordnung ergibt sich hiermit ein sehr großes Dampfvolumen in den einzelnen Entgasungszonen. Daher werden, sehr groß dimensionierte, in der Kunststoffverarbeitung nicht übliche, Entgasungsdome benötigt. Die Form der Dome ähnelt Luftfeststoffabscheidern, wobei diese Funktion auch übernommen werden muß. Die Höhe des Vakuums kann sehr gering gehalten werden, wobei die abzuführende Luftmenge sehr groß ist.
• Der Trichter ist in der Regel mit einem Stopfwerk versehen. Dies Stopfwerk regelt den Füllgrad bzw. die Füllmenge in dem Einzugsvolumen der Doppelschnecke. Entsprechend der Füllmenge im Einzugsvolumen der Doppelschnecke erfolgt eine Materialkompression in den einzelnen Kompressionszonen. Diese Materialkompression in ihrer Höhe ist verantwortlich für das Abdichten der einzelnen „Vakuumzonen" untereinander, ebenso wie für den Grad des Auspressens des Wassers bzw. des Aufheizens in den Kompressionszonen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine Regelung zur Konstanthaltung des Drehmoments der Hauptschnecke unter Einbeziehung der Stellgröße Drehzahl oder Drehmoment der Stopfschnecke einen konstanten Betrieb erlaubt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn durch den Einsatz der teilweise unterschiedlich vorliegenden Naturfasern bzw. unterschiedlichen Feuchtigkeitsgrade, Materialschwankungen den Prozeß instabil beeinträchtigen.
• Eine vorgestellte Kaskadenanordnung kann nicht nur vertikal, sondern auch horizontal ausgeführt werden. Dabei könnte ein oder könnten mehrere Kaskadenschritte möglich sein.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Verarbeitung von Naturfasern, Mischungen hieraus und Mischungen mit Kunststoffen mit einer integrierten Vortrocknung der Naturfasern in einer beheizten Kaskadenanordnung, in der Regel übereinander angeordnet, wobei in dem oberen Kaskadenschritt die Naturfasern bzw. Mischung mit anderen Stoffen in einem kämmenden gegenläufigen Mehrschneckenextruder getrocknet werden und in der unteren Kaskadenanordnung mit einer gegenläufigen Doppelschnecke das oben getrocknete Material in der Regel in Verbindung mit mindestens einem Kunststoff verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Schneckenlänge der oberen Kaskadenschnecken die Schneckengeometrie bzw. Transportgeometrie so gestaltet ist, daß mindestens dreimal diese Mischung komprimiert und dekomprimiert wird, wobei jeweils die Volumenkompression in diesen Schnecken mindestens 1,5 betragen soll und die Dekompression einen kleineren Wert als 0,8 einnehmen soll und bei mindestens drei der Dekompressionszonen durch jeweils mindestens eine Öffnung im Zylinder Unterdruck angelegt wird, mit dessen Hilfe flüchtige Komponenten und Wasserdampf aus dem Zylinderraum transportiert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, im Übergabebereich zwischen dem oberen und unteren Extruder mindestens ein Kunststoff in Schmelzeform, in vorgeheizter Form oder in sonstiger Form zugegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren oder im oberen oder in beiden Extrudern eine Seiteneinspeisung einer Schmelze erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich zwischen dem oberen und unteren Extruder mit einem Stopfwerk, einem Rührwerk oder sonstiger Misch- oder Fördervorrichtung versehen ist, in dem mindestens eine nicht schmelzeförmige Komponente zusätzlich zugegeben und in der Regel eingemischt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich Unterdruck angelegt wird.
6. Verfahren zur Verarbeitung von einer Mischung aus Kunststoffen und Naturfasern in einem übereinander oder nebeneinander angeordneten Kaskadenextrudersystem, mit mindestens einem Kaskadenschritt, mit einem in der Regel oben liegenden gegenläufig kämmenden Mehrschneckenextruder, in der Regel einer Doppelschnecke mit mindestens drei Entgasungen nacheinander in Längsrichtung angeordnet und einem darunter angeordneten Doppelschneckenextruder mit mindestens einer Entgasung im vorderen Drittel des unteren Exrtruders angeordnet, beide Einheiten sind verbunden durch eine in der Regel Einschneckentransport- bzw Stopfvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in den kämmenden Schnecken im oberen Kaskadenbereich das Material mindesten dreimal komprimiert und dekomprimiert wird und durch die Kompression die bisher nur teilgefüllten Schneckengänge in der Form gefüllt werden, daß zum einen von außen über die Zylinderheizung ein großer Wärmestrom eingebracht werden kann und zum anderen durch Friktion eine Einbringung von Energie möglich ist und das jeweils nach der Kompression eine Dekompression erfolgt, wobei in diesem Dekompressionsbereich an mindestens zwei Stellen entlang mindestens einer oberen Kaskadenanordnung Unterdruck angelegt wird und in der Verbindung von Beheizung über die Zylinderwand und Energieeinbringung über die Antriebsenergie das Produkt in der Form aufgeheizt wird, daß eine Verdampfung von Wasser und/oder sonstigen flüchtigen Bestandteilen in den Entspannungbereichen stattfindet und über den Unterdruck Wasserdampf und sonstige Bestandteile abgesogen werden bzw. atmosphärisch entweichen können, wobei aus dem Material mit Naturfaserprodukten eine Feuchtigkeit von mindestens 4 % Wasseranteil im oberen Kaskadenbereich entzogen wird, und daß nach dieser Vortrocknung im oberen Kaskadenbereich das Material in eine darunterliegende gegenläufig kämmende Doppelschnecke weitergeleitet wird und in dieser Doppelschnecke in Verbindung mit sonstigen Stoffen wie Kunststoffen, organischen oder anorganischen Additiven etc. verarbeitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl einer Stopfschnecke zwischen den Kaskadenschritten so geregelt wird, daß der darunter/dahinter angeordnete Extruder mit einem konstanten Drehmoment gefahren werden kann.
8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, das im oberen Kaskadenbereich ausschließlich Naturfasern getrocknet werden und im Übergangsbereich zwischen dem Kaskadenschritt ein Kunststoff oder sonstiger Stoff zugegeben wird und diese Mischung in dem dahinter angeordneten Kaskadenschritt als Mischung verarbeitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das im oberen Kaskadenbereich ausschließlich Naturfasern getrocknet werden und im Übergangsbereich zwischen dem Kaskadenschritt mindestens ein Kunststoff oder sonstiger Stoff mit einem Gewichtsanteil von mindestens 5 % zugegeben wird und diese Mischung in dem dahinter angeordneten Kaskadenschritt als Mischung verarbeitet wird.