DE19647599A1 - Verfahren zum Trocknen von wasserhaltigen Styrolpolymerisaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung von wasser­ haltigen Styrolpolymerisatpartikeln, insbesondere von expandier­ baren Styrolpolymerisatpartikeln

Schaumstoffe auf Basis von Styrolpolymerisaten sind seit langem bekannt und sind vielfach in der Literatur beschrieben. Beson­ dere Bedeutung haben hierbei die sogenannten Polystyrolpartikel­ schäume, die durch Aufschäumung von Treibmittel enthaltenden Polystyrolpartikeln und anschließende Verschweißung dieser geschäumten Partikel zu Blöcken, Formteilen und anderen geschäum­ ten Gegenständen hergestellt werden.

Die Herstellung der Treibmittel enthaltenden, expandierbaren Polystyrolpartikel erfolgt zumeist durch Suspensionspolymeri­ sation. Dabei wird das Styrol, das gegebenenfalls auch andere olefinisch ungesättigte Comonomeren oder auch in Styrol lösliche Polymere enthalten kann, in einer wäßrigen Lösung suspendiert und polymerisiert. Das Treibmittel wird meist im Verlauf der Polymerisation zugegeben, es ist jedoch auch möglich, das Treib­ mittel in einem nachfolgenden Verfahrensschritt den Polystyrol­ partikeln zuzusetzen.

Naturgemäß enthalten so hergestellte Polystyrolpartikel, aber auch nach anderen Verfahren hergestellte Kunststoffpartikel, mehr oder weniger viel Wasser, welches im Polymerisat sowohl gelöst als auch in Form feinster Tröpfchen vorliegen kann. Ins­ besondere bei expandierbaren Styrolpolymerisaten, die durch Auf­ lösung von Polystyrolrecyclat in monomerem Styrol und Polymeri­ sation dieser Lösung hergestellt wurden, liegt der Innenwasser­ gehalt sehr hoch, oft bei über 5 Gew.-%.

Das Vorhandensein dieses "Innenwassers" ist in jedem Fall sehr ungünstig, da es sich nicht mit rasch wirkenden Trocknungs­ methoden, wie Abschleudern, entfernen läßt.

Polystyrolpartikel, die nur oberflächlich getrocknet sind, werden im Laufe der Zeit durch Herauswandern von Wasser aus dem Innern an ihrer Oberfläche wieder feucht, wodurch die für einwandfreie Verarbeitung erforderliche Rieselfähigkeit erheblich beeinträch­ tigt wird. Außerdem wirken derartig feuchte Partikel korrosiv auf zahlreiche Metalle von Emballagen und Maschinen. Auch die Weiter­ verarbeitung von innenwasserhaltigen Polystyrolpartikeln, bei­ spielsweise zu Schaumstoffen oder Spritzgußteilen, wird durch das Innenwasser nachteilig beeinflußt. Vor allem aus diesen Gründen ist es ein Erfordernis der Technik, die Partikel soweit zu trock­ nen, daß sie keine nennenswerten Mengen an Wasser mehr enthalten.

Üblicherweise werden Kunststoffpartikel, so auch expandierbare Polystyrolpartikel, zur Entfernung des Innenwassers mittels Warm­ luft getrocknet. Oft werden auch Warmluft und reduzierter Druck kombiniert angewendet. Um eine unerwünschte Expansion von treib­ mittelhaltigen Polystyrolperlen bereits beim Trocknen zu ver­ meiden, darf jedoch die Lufttemperatur beim Trocknen nicht höher als 70°C liegen. Trotzdem kommt es auch bei niedrigeren Tempera­ turen zu einer Qualitätsverschlechterung der expandierbaren Poly­ styrolperlen, da mit dem Wasser auch Treibmittel entfernt wird. Diese Verminderung des Treibmittelgehaltes wirkt sich darüber hinaus auf die Schaumstruktur und damit auf die Verarbeitungs­ eigenschaften aus. Außerdem muß das als Treibmittel üblicherweise verwendete Pentan durch aufwendige Verfahren, z. B. Adsorption an Aktivkohle, aus der Trockner-Abluft entfernt werden.

In DE-A-16 04 339 wird ein Verfahren zum Trocknen von expandier­ baren Polystyrolpartikeln mit Luft bei Temperaturen von 10 bis 35°C beschrieben. Bei diesen niedrigen Temperaturen wird zwar ein Anschäumen der Perlen verhindert und der Treibmittelverlust mini­ miert, die erforderliche Trockenzeit ist jedoch relativ lang. Insbesondere bei hohen Innenwassergehalten, wie sie bei der Her­ stellung Recyclat enthaltender Polystyrolperlen auftreten, sind Trockenzeiten von über 12 Stunden keine Seltenheit. Dadurch wird die Kapazität der Produktionsanlagen stark eingeschränkt.

In US-A 4 303 783 ist ein Verfahren zur Herstellung von klaren, transparenten Polystyrol-Perlen für Reflektor-Anwendungen be­ schrieben. Die durch Polymerisation in wäßriger Suspension her­ gestellten Perlen werden erst durch Verdampfen des Wassers (konventionell) getrocknet, wobei sich aber an der Oberfläche der Perlen kleine, luftgefüllte Zellen bilden, die offenbar eine Lichtundurchlässigkeit bewirken. Dann werden die Polystyrol-Per­ len anspruchsgemäß oberhalb ihrer Glastemperatur bei 110 bis 130°C 2 bis 20 min lang mit einer Salzlösung behandelt, wobei die Luft­ zellen infolge Aufschmelzens des Polystyrols verschwinden, ohne daß Wasser eindiffundieren kann.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zum Trocknen von Styrolpolymerisatpartikeln, insbesondere expandierbaren Styrol­ polymerisaten, zu entwickeln, das in kurzer Zeit den Innenwasser­ gehalt der Partikel vermindert, ohne daß es im Falle von treib­ mittelhaltigen Polystyrolpartikeln zu Treibmittelverlusten oder einem Anschäumen der Partikel kommt.

Die Aufgabe der Erfindung wurde überraschenderweise dadurch ge­ löst, daß man die Styrolpolymerisatpartikel bei einer Temperatur zwischen 20 und 105°C mit einer wäßrigen Salzlösung behandelt und anschließend von der Salzlösung abtrennt.

Besonders vorteilhaft lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren treibmittelhaltige, expandierbare Polystyrolpartikel, die nach dem Suspensionspolymerisationsverfahren hergestellt wurden, trocknen.

Das Behandeln mit der Salzlauge erfolgt im Falle von Polystyrol­ partikeln zweckmäßigerweise unmittelbar im Anschluß an die Sus­ pensionspolymerisation nach der Abtrennung der Partikel vom Sus­ pensionsmedium.

Die Konzentration der Salzlauge sollte zwischen 10 Gew.-% und der Sättigungskonzentration liegen und insbesondere 15 bis 30 Gew.-% betragen. Bei Konzentrationen unter 10 Gew.-% ist die Zeit für die Trocknung zu lang, bei zu hohen Konzentrationen kann es zu Problemen durch Salzausscheidungen kommen. Mit steigender Salz­ konzentration und bei höherer Temperatur verläuft die Trocknung der Perlen schneller.

Bevorzugt wird bei Temperaturen zwischen 25 und 100°C, ins­ besondere zwischen 30 und 60°C, gearbeitet. Bei Temperaturen oberhalb der Glastemperatur des Polymerisats, bei treibmittel­ haltigem Polystyrol oberhalb von etwa 70°C, erweichen die Par­ tikel und es besteht die Gefahr, daß sie zusammenlaufen. Des­ halb ist es zweckmäßig, in diesem Fall Suspensionsstabilisatoren zuzusetzen, beispielsweise Calciumphosphat, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol oder Methylcellulose in Mengen von 0,05 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Polymerisat. Die optimale Dauer der Trocknung ist vom Innenwassergehalt der Polystyrolpartikel, der Konzentration der Salzlauge und der Trocknungstemperatur abhän­ gig. Sie kann durch Vorversuche leicht bestimmt werden. Der Kon­ takt zwischen Polystyrol-Partikel und Salzlauge sollte länger als 1 min dauern. Bei einem Innenwassergehalt von 1 bis 2 Gew.-%, einer Salzkonzentration von 15 bis 30 Gew.-% und einer Behand­ lungstemperatur zwischen 30 und 60°C beträgt die bevorzugte Behandlungsdauer 30 bis 600 min.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wesent­ lich, daß die Oberfläche der wasserhaltigen Kunststoffpartikel zumindest zeitweise vollständig von der Salzlösung bedeckt ist.

Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist der Eintrag der Partikel in Gefäße mit der Salzlösung möglich. Dabei ist es notwendig, die Polymerisatpartikel und die Salzlauge in Bewegung zu halten. Zweckmäßigerweise wird diese Variante des erfindungs­ gemäßen Trocknungsverfahrens deshalb diskontinuierlich in Rühr­ kesseln durchgeführt. Vor allem bei treibmittelhaltigen Styrol­ polymerisaten und beim Arbeiten bei erhöhten Temperaturen über 50°C ist es notwendig, bei erhöhtem Druck, d. h. in geschlossenen Gefäßen zu arbeiten. Der Druck kann dabei bis auf 20 bar oder noch höher steigen.

Es ist jedoch auch möglich, die Partikel ein- oder mehrmals mit der Salzlösung zu besprühen. Besonders vorteilhaft ist diese Variante, wenn die Partikel als feste Schüttung, beispielsweise in einem vertikalen Rohr, vorliegen und die Salzlösung konti­ nuierlich von oben auf gesprüht wird. Durch die Einwirkung der Schwerkraft sickert die Salzlösung unter Benetzung der Partikel nach unten. Unten kann die Salzlösung aufgefangen und, falls notwendig nach Aufkonzentration, wiederum zum Besprühen der Partikel verwendet werden. Dieses Verfahren kann auch so ausge­ führt werden, daß nur soviel Salzlösung entnommen wird, daß die zwischen den Partikeln befindliche Luft vollständig verdrängt und somit die Partikel vollständig vor der Salzlösung bedeckt sind. Hierbei können die Partikel und die Salzlösung auch im Gleich- oder Gegenstrom zueinander geführt werden. Diese Führung von Per­ len und Salzlösung im Gleich- oder Gegenstrom kann sowohl in ver­ tikalen als auch in horizontalen Trocknungsapparaturen, bei­ spielsweise Rohren, erfolgen, aber auch Kesselkaskaden sind denk­ bar.

Als Salzlauge können prinzipiell alle wäßrigen Salzlösungen ein­ gesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind Salze anorganischer Säuren, insbesondere Chloride, bevorzugt Alkalichloride. Aufgrund der guten Verfügbarkeit wird zweckmäßigerweise Natriumchlorid­ lösung eingesetzt.

Nach der Trocknung können die Kunststoffpartikel auf bekannte Weise, zum Beispiel mittels Siebschleudern, von der Salzlauge befreit und normal weiter aufgearbeitet werden. Die Salzlauge kann wiederverwendet werden. Es ist lediglich notwendig, sie bei Bedarf aufzukonzentrieren.

Besondere Vorteile bringt das erfindungsgemäße Trocknungsver­ fahren, wie ausgeführt, bei treibmittelhaltigen expandierbaren Styrolpolymerisaten, die gewöhnlich einen Innenwassergehalt zwischen 1 und 2 Gew.-% aufweisen. Insbesondere unter Verwendung von Polystyrolrecyclaten hergestellte expandierbare Polystyrol­ partikel, die zumeist sehr hohe Innenwassergehalte aufweisen, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schonend und vorteil­ haft getrocknet werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren getrockneten Polystyrol­ partikel werden nach dem bekannten Suspensionspolymerisations­ verfahren hergestellt. Dazu werden die verwendeten Monomeren, zumeist Styrol, gegebenenfalls im Gemisch mit anderen ole­ finischen Comonomeren und/oder mit styrollöslichen Polymeren, in eine wäßrige Emulsion überführt und so polymerisiert. Als Suspensionsstabilisatoren können die üblichen Systeme, beispiels­ weise Molekülkolloide oder sogenannte Pickering-Salze, beispiels­ weise Magnesiumpyrophosphat, eingesetzt werden. Das Treibmittel wird zumeist im Verlaufe der Polymerisation zugesetzt. Es ist jedoch auch möglich, ohne Zusatz von Treibmittel zu polymeri­ sieren und das Treibmittel bei Bedarf in einem späteren Ver­ fahrensschritt zuzusetzen. Im Anschluß an die Polymerisation werden die Polymerisatpartikel vom Suspensionsmedium auf übliche Weise, zum Beispiel mittels Siebschleudern, abgetrennt und ohne weitere Vorbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren getrocknet.

Nach der Trocknung werden die Polystyrolpartikel von der Salz­ lösung abgetrennt, gegebenenfalls mit Wasser gewaschen und wie üblich durch Oberflächentrocknung, Auftrennung in Siebfraktion und Oberflächenbeschichtung aufgearbeitet.

Treibmittelhaltige Styrolpolymerisate können direkt zu Schaum­ stoffen verarbeitet werden. Treibmittelfreie Polymerisate können- beispielsweise im Spritzgußverfahren - zu Formkörpern ver­ arbeitet oder durch Imprägnieren mit Treibmitteln nach üblichen Verfahren in expandierbare Styrolpolymerisate umgewandelt werden.

Zur Herstellung von Polystyrol-Partikelschaumstoffen und Schaum­ stofformkörpern werden die expandierbaren Polystyrolpartikel auf übliche Weise mittels Wasserdampf vorgeschäumt und in nicht gas­ dicht schließenden Formen aufgeschäumt und zu Formteilen ver­ schweißt.

Weitere Angaben zu den eingesetzten Rohstoffen und dem Her­ stellungsverfahren finden sich beispielsweise im "Kunststoff­ handbuch", Band 5 "Polystyrol", herausgegeben von R. Vieweg und G. Daumiller, Carl-Hanser-Verlag München, 1969.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Innen­ wassergehalt von partikelförmigen, insbesondere von mittels Suspensionspolymerisation hergestellten Styrolpolymerisaten auf eine elegante Weise auf Werte unter 0,7, vorzugsweise unter 0,4 Gew.-% zu senken. Insbesondere bei expandierbaren Styrol­ polymerisaten ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft anwendbar, da es zu keinen Treibmittelverlusten und keinem Anschäumen der Partikel kommt. Außerdem kann die ansonsten übliche mehrtägige Lagerung der Perlen zum Zweck der Kondi­ tionierung entfallen.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der Trocknung von Styrol­ polymerisaten, die durch Auflösung von bis zu 60 Gew.-%, vor­ zugsweise 10 bis 50 Gew.-% Polystyrolrecyclat in monomerem Styrol und sich anschließender Suspensionspolymerisation in wäßriger Phase hergestellt wurden. Derartige Polymerisate haben zumeist sehr hohe Innenwassergehalte, die teilweise bei 5 Gew.-% und darüber liegen. Eine Trocknung derartiger Produkte nach her­ kömmlichen Trocknungsverfahren ist so zeitaufwendig, daß es zu Kapazitätseinschränkungen in der Produktion kommt. Zum anderen sind bei einer derart langwierigen Trocknung Treibmittelverluste und damit verbunden Qualitätseinbußen bei den Verarbeitungs­ eigenschaften nicht zu vermeiden.

Diese Nachteile konnten vollständig überwunden werden.

Die Erfindung soll an nachstehenden Beispielen näher erläutert werden:

Beispiele 1 bis 8

In einen geschlossenen, beheizbaren Rührbehälter wurden unter einem Stickstoffüberdruck von 2 bar 20 l Salzlösung vorgelegt. Dazu wurden 10 kg Polystyrolperlen, hergestellt durch Suspen­ sionspolymerisation einer Lösung von 15 Gew.-% Polystyrolrecyclat in monomerem Styrol, gegeben, der Behälter geschlossen und unter Rühren auf die Trocknungstemperatur erwärmt und bei dieser Temperatur belassen.

Danach wurde der Behälter auf 30°C abgekühlt und die Polystyrol­ perlen durch Siebschleudern abgetrennt. Die Kochsalzlösung wurde danach durch Zugabe einer entsprechenden Menge Kochsalz wieder auf die Ausgangskonzentration gebracht und zur Trocknung der nächsten Charge Polystyrolperlen verwendet.

Die Salzkonzentrationen, Trockentemperaturen und Trockenzeiten sowie die Wassergehalte der Polystyrolperlen sind in der Tabelle angegeben. Als Polystyrolperlen wurden in den Beispielen 1 bis 6 solche mit einem Recyclatgehalt von 15%, bezogen auf das Styrol­ polymerisat und einem Innenwassergehalt von 6,5 Gew.-% einge­ setzt.

In den Beispielen 7 und 8 wurde ein frisch hergestelltes expandierbares Polystyrol ohne Recyclatanteil (Styropor® F 14 der BASF AG) mit einem Innenwassergehalt von 1,4 Gew.-% und einem Pentangehalt von 6,1 Gew.-% eingesetzt.

Tabelle 1

Beispiele 9 bis 11 (Vergleich)

Das in den Beispielen 7 und 8 eingesetzte Styropor® F 14 wurde mit Luft getrocknet.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Beispiele 12 und 13

In ein 2 Liter fassendes Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 10 cm, dessen Unterseite mit einer Glasfritte versehen wurde, wurde 1 kg frisch hergestelltes, schleuderfeuchtes Styropor® F14 der BASF AG mit einem Innenwassergehalt von etwa 1,0 Gew.-% ge­ geben. Über ein auf 50°C bzw. 40°C thermostatiertes Dosiergefäß wurde eine 30 gew.-%ige wäßrige Natriumchloridlösung bei einer konstanten Flußrate von 40 ml/min von oben auf die Perlschüttung aufgetropft.

Nach den in der Tabelle angegebenen Zeiten wurde eine Probe von EPS-Perlen entnommen, mit entionisiertem Wasser gewaschen, das Oberflächenwasser entfernt und der Innenwassergehalt nach der Karl-Fischer-Methode bestimmt.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle

Claims (8)

1. Verfahren zum Trocknen von wasserhaltigen Styrolpolymerisat- Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel mit einer wäßrigen Salzlösung bei einer Temperatur zwischen 20 und 105°C behandelt und anschließend von der Salzlösung abge­ trennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß treib­ mittelhaltige Styrolpolymerisat-Partikel getrocknet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es diskontinuierlich in einem gerührten Gefäß, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem kontinuierlich von der Salzlösung durchströmtes Gefäß durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Salzlösung mindestens 10 gew.-%ig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Salzlösung die Lösung eines anorganischen Salzes ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Salzlösung Natriumchloridlösung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung bei einer Temperatur von 25 bis 100°C durchgeführt wird.