DE10330223A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Plastifizieren thermoplastischer Kunststoffe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Plastifizieren thermoplastischer Kunststoffe Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Plastifizieren von thermoplastischem Kunststoff wird auf einer Vorrichtung durchgeführt, die einen drehantreibbaren äußeren Zylinder (8) und einen hierin drehantreibbar angeordneten inneren Zylinder (5) aufweist. Zwischen den Zylindern (5, 8) ist ein Plastifizier-Spalt (14) ausgebildet. Es ist eine von oben in den Plastifizier-Spalt mündende Zuführung (30) für aufzuschmelzenden Kunststoff und ein der Zuführung (30) in Drehrichtung nachgeordneter Auslass (17) für aufgeschmolzenen Kunststoff vorgesehen. Des Weiteren ist mindestens eine Heizung (22, 26) zum Heizen des Kunststoffs im Plastifizier-Spalt (14) vorgesehen. Der Plastifizier-Spalt (14) verengt sich in Drehrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plastifizieren thermoplastischer Kunststoffe, insbesondere von Fasern enthaltendem Recyclat.
  • Die Wieder-Aufarbeitung von Kunststoff-Recyclat nimmt eine immer größere Bedeutung an. Die Wieder-Aufarbeitung in Extrudern ist ohne weiteres möglich; insbesondere bei langfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen taucht das Problem auf, dass bei der Wieder-Aufarbeitung im Extruder ein zu großer Teil der Fasern durch die intensive mechanische Bearbeitung, nämlich durch Dissipation, zerstört wird. Bei derartigen als Verstärkungsmaterial eingesetzten Fasern handelt es sich regelmäßig um Glasfasern.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer in einfacher Weise Fasern enthaltendes Recyclat aufgeschmolzen werden kann, wobei die Fasern möglichst unzerstört bleiben sollen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Recyclat im Plastifizier-Spalt zwischen den Spaltwänden unter Fremdwärmezufuhr aufgeschmolzen wird. Der Plastifizier-Spalt verengt sich auf dem Wege von der Zuführung des aufzuschmelzenden Kunststoffes bis zun Auslass des aufgeschmolzenen Kunststoffes.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet den Plastifizier-Spalt zwischen zwei drehantreibbaren Zylindern, nämlich einem inneren Zylinder und einem äußeren Zylinder, wobei das Aufschmelzen auf einem Weg von weniger als einer Umdrehung der Zylinder erfolgt. Eine Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme erfolgt praktisch nicht, so dass im Kunststoff enthaltende Fasern mechanisch nicht beansprucht und damit auch nicht zerstört werden.
  • Zahlreiche vorteilhafte und zum Teil erfinderische Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt
  • 1 eine perspektivische allgemeine Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,
  • 2 einen vertikalen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Schnittlinie II-II in 3,
  • 3 einen Horizontalschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Schnittlinie III-III in 2,
  • 4 eine Einzelheit IV aus 3 in gegenüber 3 vergrößertem Maßstab und
  • 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung gemäß 2.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Plastifizierung thermoplastischer Kunststoffe weist ein Gehäuse 1 auf, das einen mit der äußeren Gehäuse-Wand 2 verbundenen Boden 3 aufweist. Das Gehäuse 1 ist an seiner Oberseite mittels eines Gehäuse-Deckels 4 verschlossen. Im Gehäuse 1 ist ein innerer Zylinder 5 angeordnet, der um eine gegenüber dem Gehäuse 1 ortsfeste vertikale Achse 6 drehantreibbar ist, und zwar mittels eines Motors 7, der an der Unterseite des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der innere Zylinder 5 wird von einem äußeren Zylinder 8 umgeben, der ebenfalls um eine vertikale Achse 9 drehantreibbar ist, die also parallel zur Achse 6 des inneren Zylinders 5 verläuft, aber exzentrisch zu dieser angeordnet ist. Der äußere Zylinder 8 wird bei dem ersten in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Motors 10 angetrieben, der ebenfalls an der Unterseite des Gehäuses 1 vorgesehen ist. Der Antrieb erfolgt über ein Ritzel 11 und einen auf der Außenseite des äußeren Zylinders 8 angebrachten Zahnkranz 12. Der äußere Zylinder 8 kann zusammen mit seinem Motor 10 in der Horizontalen, also quer zur vertikalen Achse 9, in der Verstellrichtung 13 verstellt werden, so dass die Exzentrizität e der beiden Achsen 6, 9 veränderbar ist.
  • Zwischen dem inneren Zylinder 5 und dem äußeren Zylinder 8 befindet sich ein Plastifizier-Spalt 14, der im Bereich des durch die Exzentrizität e engen Querschnitt durch einen im Wesentlichen parallel zu den Achsen 6, 9 verlaufenden Staubalken 15 verschlossen ist. Bezogen auf die gemeinsame Drehrichtung 16 der Zylinder 5, 8 unmittelbar vor dem Staubalken 15 wird in dem ersten Ausführungsbeispiel nach den 2 bis 4 eine Auslass-Öffnung 17 im Boden 3 des Gehäuses 1 ausgebildet. Gemäß 4 kann der Staubalken 15 aus zwei ineinander greifenden Leisten 18, 19 bestehen, die radial zu den Achsen 6, 9 zueinander verstellt werden können, so dass bei einer Änderung der Exzentrizität e die Leisten 18, 19 so zueinander verstellt werden können, dass der Staubalken 15 den Plastifizier-Spalt 14 vollständig in Umfangsrichtung der Zylinder 5, 8 sperrt. Die der Auslass-Öffnung 17 zugewandte Staufläche 20 des Staubalkens 15 kann schräg zur Auslass-Öffnung 17 hin verlaufen, so dass sie eine gewisse Förderwirkung zur Auslass-Öffnung 17 hin aufweist.
  • In dem Raum 21 zwischen Gehäuse-Wand 2 und äußerem Zylinder 8 ist eine ortsfeste äußere Heizung 22 angeordnet, die den äußeren Zylinder 8 von seiner Außenseite her beheizt. Die elektrische Heizung 22 wird von einer Stromquelle 23 mit Strom beaufschlagt und mittels eines Reglers 24 geregelt, der unter anderem mit einem in der Nähe des äußeren Zylinders 8 befindlichen Temperaturfühler 25 verbunden ist. In dem inneren Zylinder 5 ist eine ebenfalls ortsfeste Heizung 26 angeordnet, die in gleicher Weise von der Stromquelle 23 mit Strom beaufschlagt wird und mittels eines Reglers 27 geregelt wird, der mit einem in der Nähe der Innenwand des inneren Zylinders 5 befindlichen Temperaturfühler 28 verbunden ist. Die ortsfeste innere Heizung 26 wird von dem Gehäuse-Deckel 4 als Halteplatte getragen. Die Heizungen können auch als regelbare Gas-Heizungen ausgebildet sein.
  • Der Raum 21 und der Plastifizier-Spalt 14 sind mittels eines ringförmigen inneren Deckels 29 verschlossen. In dem inneren Deckel 29 befindet sich – gleichermaßen wie im Gehäuse-Deckel 4 – eine Zuführ-Öffnung 30, oberhalb von der ein Zuführ-Trichter 31 für zu plastifizierenden thermoplastischen Kunststoff angeordnet ist. Diesem wird der zu plastifizierende thermoplastische Kunststoff mittels einer Beschickungs-Einheit 32, beispielsweise in Form eines Förderbandes, zugeführt. Die den Plastifizier-Spalt 14 begrenzenden Flächen des inneren Zylinders 5 und des äußeren Zylinders 8 können mit einer feinen Oberflächen-Profilierung 33 versehen sein, um die Mitnahme von zu plastifizierendem Kunststoff zu verbessern.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel nach 5 unterscheidet sich von dem 2 bis 4 dadurch, dass der äußere Zylinder 8' von dem zum Antrieb des inneren Zylinders 5' dienenden Motor 7 mit angetrieben wird. Hierzu ist ein Abtrieb 34, beispielsweise in Form eines Riementriebs, vorgesehen, der vom Motor 7 angetrieben wird, der wiederum über eine Gelenkwelle 35 mit dem Ritzel 11 gekoppelt ist, so dass Verschiebungen des äußeren Zylinders 8' in Verstellrichtung 13 möglich sind.
  • Weiterhin ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Auslass-Öffnung nicht unten vorgesehen ist, sondern dass oben im inneren Deckel 29 und entsprechend im Gehäuse-Deckel 4 eine Auslass-Öffnung 17' ausgebildet ist, so dass das plastifizierte Material nach oben austreten kann. Außerdem ist bei dieser Ausgestaltung am inneren Zylinder 5' ein ringförmiger Spalt-Boden 36 ausgebildet, der sich also mit dem inneren Zylinder 5' dreht und der auch den äußeren Zylinder 8' untergreift, so dass dieser in der geschilderten Weise verstellt werden kann.
  • Selbstverständlich kann der Antrieb mittels nur eines Motors 7 auch bei dem Ausführungsbeispiel nach den 2 bis 4 eingesetzt werden. Andererseits kann selbstverständlich auch bei dem Ausführungsbeispiel mit zwei Motoren 7, 10 die Auslass-Öffnung 17' an der Oberseite des Plastifizier-Spaltes 14 vorgesehen werden.
  • Die Wirkungsweise ist wie folgt:
    Mittels der Beschickungs-Einheit 32 wird Kunststoff, insbesondere glasfaserhaltiges Recyclat, über den Zuführ-Trichter 31 in den Plastifizier-Spalt 14 eingegeben. Die Heizungen 22, 26 sind eingeschaltet und werden so geregelt, dass der innere Zylinder 5 bzw. 5' und der äußere Zylinder 8 bzw. 8' jeweils eine vorgegebene Temperatur aufweisen. Die Zylinder 5, 5' bzw. 8, 8' werden gleichsinnig in Drehrichtung 16 angetrieben. Die Drehzahl wird so gewählt, dass der zu behandelnde Kunststoff eine Verweilzeit bzw. Aufenthaltszeit in der Vorrichtung von 10 bis 1000 Sekunden hat. Bei praxisgerechten Abmessungen einer Vorrichtung und praxisgerechten Durchsätzen ergeben sich Drehzahlen in der Größenordnung von ca. 1 min–1. Die Drehzahl ist auf jeden Fall sehr gering, so dass der Kunststoff auf dem Weg von der Zuführ-Öffnung 30 bis zum Staubalken 15 aufgeschmolzen wird. Der Drehantrieb erfolgt entweder mit gleicher Drehzahl oder mit einer geringen Drehzahldifferenz, wobei das Verhältnis der Drehzahlen maximal 1:3 beträgt. Hierbei ist der äußere Zylinder 8 bzw. 8' der langsamer laufende Zylinder. Bevorzugt ist aber ein Antrieb mit gleicher Drehzahl.
  • Der Staubalken 15 muss nicht zwingend an der engsten Stelle des Plastifizier-Spaltes 14 angeordnet sein; gleichermaßen muss die Zuführ-Öffnung 30 sich nicht an der weitesten Stelle befinden. Durch die Zuführung des aufzubereitenden Kunststoffs vor der weitesten Stelle und den Austrag hinter der engsten Stelle des Plastifizier-Spaltes 14 findet eine Verlängerung des Behandlungsweges und damit der Verweilzeit statt. Die Exzentrizität e hat die Aufgabe, den jeweiligen Weg radial zu den Achsen 6 bzw. 9 von dem inneren Zylinder 5 bzw. 5' bzw. dem äußeren Zylinder 8 bzw. 8' zum aufzubereitenden Kunststoff zu reduzieren und damit zu einem besseren Wärmeeintrag zu führen. Außerdem wird durch die Verengung des Plastifizier-Spaltes 14 über den Förderweg eine Komprimierung des Kunststoffes erreicht.
  • Durch die radiale Verstellbarkeit des Staubalkens 15 wird erreicht, dass ein einstellbarer Leck-Spalt 37 erzeugt wird, so dass durch einen solchen Leck-Spalt 37 bereits plastifizierter Kunststoff wieder in den Bereich der Kunststoff-Aufgabe gebracht werden kann. Der warme plastifizierte Kunststoff wärmt dann den frisch zugeführten kalten Kunststoff an; die Wärmezufuhr wird dadurch insgesamt verbessert. Selbstverständlich können solche Leck-Spalte 37 sowohl zwischen dem Staubalken 15 und dem inneren Zylinder 5, 5' als auch zwischen dem Staubalken 15 und dem äußeren Zylinder 8, 8' einstellbar sein.
  • Wenn die Oberflächen-Profilierung 33 eine deutliche radiale Erstreckung hat, dann muss ohnehin zwischen dem Staubalken 15 und dem inneren Zylinder 15 bzw. 15' und dem äußeren Zylinder 8 bzw. 8' ein entsprechender Spalt 37 ausgebildet sein. Um einen solchen Spalt 37 nicht zu groß werden zu lassen, können am Staubalken 15 elastische Dichtlippen 38 angebracht sein, die in 4 angedeutet sind.
  • Es findet keine nennenswerte Dissipation statt, d. h. im zu plastifizierenden Kunststoff befindliche Fasern, insbesondere Glasfasern, werden nicht zerstört. Der aufgeschmolzene Kunststoff kann direkt einer nachgeordneten Presse zugeführt werden oder aber einem nachgeordneten Extruder, der zum Druckaufbau gegebenenfalls benötigt wird.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Plastifizieren von thermoplastischem Kunststoff, insbesondere von Fasern enthaltendem Recyclat, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff in einem Plastifizier-Spalt (14) mit gleichsinnig bewegten Spaltwänden (5, 8 bzw. 5', 8') von einer Aufgabe-Stelle (30) zu einer Abgabe-Stelle (17 bzw. 17') bewegt und mittels Zufuhr von Fremdwärme aufgeschmolzen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrisch ausgebildeten Spaltwände (5, 8 bzw. 5', 8') um parallel zueinander angeordnete vertikale Achsen (6, 9) drehantreibbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (6, 9) eine Exzentrizität (e) zueinander aufweisen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Spaltwände (5, 8 bzw. 5', 8') veränderbar ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aufzuschmelzende Kunststoff von oben in den Plastifizier-Spalt (14) eingegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Kunststoff vor dem Austrag aufgestaut wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Kunststoff nach unten ausgetragen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Kunststoff nach oben ausgetragen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des aufgeschmolzenen Kunststoffes der Aufgabe-Stelle (30) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltwände (5, 8 bzw. 5', 8') glatt ausgebildet sind.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltwände (5, 8 bzw. 5', 8') mit einer Oberflächenprofilierung versehen sind.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, – mit einem Gehäuse (1), – mit einem im Gehäuse (1) in einer Drehrichtung (16) um eine vertikale Achse (9) drehantreibbar angeordneten äußeren Zylinder (8 bzw. 8'), – mit einem im äußeren Zylinder (8 bzw. 8') in der Drehrichtung (16) um eine vertikale Achse (6) drehantreibbar angeordneten inneren Zylinder (5 bzw. 5'), – mit einem zwischen dem äußeren Zylinder (8 bzw. 8') und dem inneren Zylinder (5 bzw. 5') ausgebildeten Plastifizier-Spalt (14), – mit einer von oben in den Plastifizier-Spalt einmündenden Zuführung (30) für aufzuschmelzenden Kunststoff, – mit einem aus dem Plastifizier-Spalt (14) ausmündenden und der Zuführung (30) in Drehrichtung (16) nachgeordneten Auslass (17 bzw. 17') und – mit mindestens einer Heizung (22, 26) zum Heizen des Kunststoffs im Plastifizier-Spalt (14).
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Zylinder (8 bzw. 8') mit einer Exzentrizität (e) zum inneren Zylinder (5 bzw. 5') angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (e) verstellbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Zylinder (8 bzw. 8') in einer Verstellrichtung (13) verstellbar ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Auslass (17 bzw. 17') eine Stau-Einrichtung (15) in Drehrichtung (16) unmittelbar nachgeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im inneren Zylinder (5 bzw. 5') eine ortsfeste innere Heizung (26) und im äußeren Zylinder (8 bzw. 8') eine ortsfeste äußere Heizung (22) vorgesehen sind.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizung (22, 26) regelbar ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Plastifizier-Spalt (14) ein Auslass (17) nach unten ausmündet.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Plastifizier-Spalt (14) ein Auslass (17') nach oben ausmündet.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Zylinder (5) und der äußere Zylinder (8) jeweils mittels eines eigenen Motors (7, 10) drehantreibbar sind.
  22. Vorrichtung nach einem der 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Zylinder (5') und der äußere Zylinder (8') von einem gemeinsamen Motor (10) drehantreibbar sind.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stau-Einrichtung (15) radial zu mindestens einer vertikalen Achse (6, 9) verstellbar ausgebildet ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stau-Einrichtung (15) und mindestens einem der Zylinder (5 bzw. 5', 8 bzw. 8') ein Leck-Spalt (37) ausgebildet ist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens eines Zylinders (5 bzw. 5', 8 bzw. 8') mit einer Oberflächen-Profilierung (33) versehen ist.
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