DE4337539A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren und Aussortieren thermoplastischer Kunststoffteile durch selektive Formveränderung der zu sortierenden Teile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aussortieren thermoplastischer Kunststoffteile aus einem Gemengestrom und zum Sortieren von Gemischen unterschiedlicher thermoplastischer Kunststoffsorten, des weiteren Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Verschiedene Sorten thermoplastischer Kunststoffe erweichen bei unterschiedlichen Temperaturen bzw. schmelzen in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Die mit der Erweichung stattfindende Änderung der physikalischen Eigenschaften von Thermoplasten können zur Sortierung von Kunststoffen oder zur Separation von Kunststoffen aus Materialien wie beispielsweise Glas, Metall oder auch anderen Kunststoffen genutzt werden. Diese Aufgabe stellt sich in vielfältiger Weise vor allem beim Recycling gebrauchter Kunststoffe. Durch die Möglichkeit des Sortierens nach verschiedenen thermoplastischen Kunststoffsorten werden Abfälle vermieden und es ergeben sich hochwertige Recyclatqualitäten, welche wieder in kunststoffspezifischen Anwendungsbereichen eingesetzt werden können und dadurch die Verwendung von Neuware ersetzen.

Es ist Stand der Technik, thermoplastische Kunststoffe aus einem Gemengestrom auszusortieren, indem der Gemengestrom mit einer beheizten Trennfläche in Berührung gebracht wird, wodurch die zu sortierenden Kunststoffteile im Kontaktbereich der Trennfläche anschmelzen und an dieser festkleben. Die Trennfläche mit den anhaftenden Kunststoffteilen wird daraufhin wieder vom Gemengestrom weggeführt, wo dann nachfolgend die Teile wieder abgerakelt werden (DE-37 27 777 C2). Da dieses Separationsprinzip auf Klebung beruht, wird bei diesem Verfahren die Trennfläche trotz der Abrakelung zunehmend mit einer dünnen Klebeschicht aus erweichten Thermoplasten belegt, wodurch auch nicht zu sortierende Stoffe haften bleiben. Eine Sortenreinheit der Zielfraktion ist somit in Frage gestellt.

In der Patentanmeldung P 42 02 095.6 wird eine Separationsmethode beschrieben, bei der die erweichten Thermoplastanteile eines erwärmten Gemengestromes durch eine nur für die erweichten Thermoplastanteile selektiv zugängliche Zerkleinerung erfaßt, zerkleinert und dadurch vom Gemengestrom abgetrennt werden können.

Das Patent P 42 07 398.7-16 beschreibt eine weitere Methode, bei der erweichte Thermoplaste durch spezielle Separier- bzw. Eindringkörper mechanisch gefaßt und aus dem Gemengestrom separiert werden.

Bei den beiden zuletzt genannten Verfahren, der selektiven Zerkleinerung und der Trennung durch Separierkörper, können sich mechanische Unsicherheiten während des Zerkleinerungs- oder Trennvorganges ergeben, wodurch jeweils die Sortierqualität oder der Betriebsablauf beeinträchtigt werden kann. Verschmutzungsanteile im Gemengestrom sind bei diesen Verfahren als kritisch zu bewerten. Insgesamt gesehen sind die beschriebenen Verfahren jedoch noch zu neu und noch nicht in der Praxis eingeführt, so daß eine weitergehende Beurteilung zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht möglich ist.

Es ist eine weitere Sortiermethode bekannt, welche das Erweichungsverhalten thermoplastischer Kunststoffe in Verbindung mit Schrumpfungseffekten nutzt. Das Schrumpfen führt zu Formveränderungen der Kunststoffteile, was für Sortierzwecke genutzt werden kann. Damit diese Methode funktioniert, muß im dem zu sortierenden Kunststoff bzw. Produkt eine Molekülorientierung vorhanden sein. Bei Raumtemperatur sind diese Orientierungen "eingefroren". Wird dieser Kunststoff auf seine spezifische Erweichungstemperatur erwärmt, werden diese Orientierungen wieder weitgehend abgebaut. Es werden dadurch innere Kräfte freigesetzt, welche sich makroskopisch durch eine Schrumpfung in Orientierungsrichtung zu erkennen geben. Molekülorientierungen werden in Kunststoffen bei bestimmten Verarbeitungsverfahren erzeugt. Es sind dies im wesentlichen das Recken, Blasformen, Warmformen, Ziehen und Schäumen. Mit dieser Separiermethode können Gemische von unzerkleinerten Produkten mit ähnlicher Form und Größe in Abhängigkeit von der Art der Verarbeitung nach Kunststoffsorten getrennt werden. Als Sortierbeispiel sei hier die Trennung spritzgegossener Jokurtbecher aus Polypropylen von warmgeformten Jokurtbechern aus Polystyrol genannt.

Durch die vielen einzuhaltenden Randbedingungen dieser Sortiermethode, wie die Art der Verarbeitung, Produktform- und größe, ist sie jedoch nur für ganz spezielle Sortieraufgaben geeignet.

Der beanspruchten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, kostengünstiges, betriebssicheres und allgemein anwendbares Verfahren mit entsprechenden Vorrichtungen zum Aussortieren thermoplastischer Kunststoffteile aus einem Gemengestrom bzw. zum Sortieren unterschiedlicher thermoplastischer Kunststoffteile anzugeben, welches die Nachteile der auf Klebung basierenden Trennung überwindet, eventuelle mechanische Unsicherheiten wie bei der Separation mit Separierkörpern oder der selektiven Zerkleinerung nicht zuläßt und zusätzlich weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzungen des Gemengestromes ist. Es können mit dem Verfahren beispielsweise Kunststoffgemische in Form von Mahlgut sortiert werden. Es ist dadurch unabhängig von der Verarbeitungsmethode der ursprünglichen Produkte und deren Form und Größe.

Die Verfahrensidee nach Anspruch 1 beruht darauf, daß die einzelnen Teile eines erwärmten Gemengestromes durch äußere, formgebende Kräfte so beansprucht werden, daß unter diesem Einfluß die sortenspezifisch erweichten Kunststoffteile selektiv ihre Form durch Vergrößerung ihrer Oberflächen so verändern, daß diese in einem nachfolgenden Verfahrensschritt unter Nutzung dieser Formveränderung aus dem Gemengestrom separiert werden können. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Formveränderung wird in Anspruch 3 angegeben. Hierbei wird der erwärmte Gemengestrom (Fig. 1, 5) mit den erweichten Kunststoffteilen zwischen zwei rotierenden Walzen (Fig. 1, 6b) mit elastischen Oberflächen hindurchgeführt. Die erweichten Kunststoffteile werden hierbei durch die im Walzenspalt voreingestellte Pressung selektiv ausgewalzt, wodurch sich deren Oberflächen wesentlich vergrößern. Elastische Walzenoberflächen lassen sich gemäß Anspruch 4 für diesen Zweck dadurch herstellen, indem die Walzflächen mit einer Schicht aus elastischem Kunststoff belegt werden, wie zum Beispiel mit Gummi oder Silikonkautschuk. Silikonkautschuk hat durch seine Antihaft-Eigenschaften den Vorteil, daß Kunststoffteile kaum ankleben. Die Pressung im Walzenspalt ist durch einen beliebig wählbaren Achsenabstand der beiden Walzen (6b) frei einstellbar. Dadurch kann die Verformungsstrecke 6 bezüglich der auf die Teile einwirkenden Preßkraft optimal an die jeweilige Trennaufgabe angepaßt werden. Durch eine Temperierung bzw. Kühlung der Walzen (6b), gemäß Anspruch 5, läßt sich der Vorgang des Auswalzens zusätzlich steuern. In diesem Falle ist es zweckmäßig, nur eine der Walzen zu temperieren und diese wegen der guten Wärmeleitung ganz in Metall auszuführen, während die zweite, nicht temperierte Walze eine elastische Kunststoffoberfläche besitzt. Diese Anordnung bringt den praktischen Vorteil, daß sich die erweichten Kunststoffteile im Walzenspalt abkühlen können, wodurch ein Ankleben der Teile an der Walze nach dem Verlassen des Walzenspaltes verhindert wird. Da die erweichten Kunststoffteile beim Auswalzen selektiv ihre Oberflächen vergrößern, kühlen sie sich aufgrund der größeren Kontaktfläche mit der gekühlten Metallwalze bevorzugt ab.

Die eigentliche Formveränderung der zu sortierenden Teile findet bereits beim Eintritt in den Walzenspalt statt. Durch die Abkühlung im Walzenspalt wird die Formveränderung der ausgewalzten Teile fixiert, so daß eine eventuelle Rückverformung nach dem Verlassen des Walzenspaltes nicht mehr möglich ist.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden dann die ausgewalzten bzw. formveränderten Teile aus dem Gemengestrom abgetrennt. Nach Anspruch 6 ist dies durch unterschiedliche Methoden möglich. Im naheliegenden Falle bieten sich hierzu einfache Siebverfahren an, bei denen allein die beim Walzen erzeugten Größenunterschiede der Teile die Trennbarkeit gewährleisten. Bei elektrostatischen Trennverfahren und auch bei der Trennung durch Windsichtung ist nicht allein die Teilegröße, sondern das Verhältnis von Oberfläche/Masse der einzelnen Teile für das Trennergebnis von Bedeutung.

Dieser Sachverhalt läßt sich mittels Fig. 2 verdeutlichen. In Fig. 2 fallen die Teile nach dem Verlassen der Walzen senkrecht nach unten durch ein elektrisches Feld mit einem horizontalen Feldlinienverlauf. Die beim Durchgang durch die Walzen aufgeladenen Teile werden durch das elektrische Feld in horizontaler Richtung abgelenkt bzw. beschleunigt. Das Maß der Beschleunigung eines Teiles hängt hierbei von dessen Masse und der sich auf der Oberfläche befindenden Ladung ab. Da ein ausgewalztes Teil aufgrund der vergrößerten Oberfläche mehr Ladung aufnehmen kann, wird dieses entsprechend stärker beschleunigt als ein nicht ausgewalztes Teil, wodurch sich ein Trenneffekt ergibt. Durch den Trennkeil (12) werden dann die ausgewalzten Teile separat weitergeleitet.

Wird anstelle der elektrostatischen Trennung eine Windsichtung durchgeführt, kann man einen gleichartigen Trenneffekt erzielen. Die beschleunigenden Kräfte ergeben sich hierbei aus den Strömungswiderständen der einzelnen Partikel.

Fig. 1 zeigt eine komplette Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Diese besteht aus drei charakteristischen Hauptkomponenten: einer Erwärmungsstrecke (4), einer Verformungsstrecke (6) und einer Trenneinheit (8). Die Partikel des Gemengestromes (2) werden vereinzelt auf dem Transportband (3) abgelegt. Diese Vereinzelung ist Stand der Technik und wird in Fig. 1 symbolisch durch ein Rakel (1) dargestellt. Bei der nachfolgenden Erwärmungsstrecke (4) gibt es mehrere Möglichkeiten der Erwärmung (Anspruch 2):

• a) Erwärmung des gesamten Gemengestromes bis zu einer Temperatur, bei der die Thermoplastanteile mit den niedrigsten Schmelztemperaturen erweichen.
• b) Selektive Erwärmung bestimmter Thermoplastsorten durch Mikrowellen, IR-Strahlung oder Hochfrequenzerwarmung.

Mit der unter (b) genannten Erwärmungsmethode kann man einen speziell bei Kunststoffen vorhandenen physikalischen Effekt nutzen. Es erwärmen sich dabei verschiedene Kunststoffsorten unterschiedlich schnell, indem sie sortenspezifisch die Wärmestrahlung bzw. die elektromagnetischen Wellen verschieden stark absorbieren. Eventuell im Kunststoff vorhandene Füllstoffe oder auch Farbstoffe können, je nach Wechselwirkung mit der gewählten Erwärmungsmethode, einen erheblichen Einfluß auf das Absorptionsverhalten des Kunststoffes ausüben. Dies kann dazu genutzt werden, Kunststoffe nicht nur sortenspezifisch, sondern auch füllstoffspezifisch, oder nach Farben zu sortieren (Anspruch 9). Dadurch wird es mit dieser Sortiermethode beispielsweise möglich, bestimmte Kunststoffsorten in gefärbtes und farbloses Material zu trennen. Durch eine mehrfache Hintereinanderschaltung des Verfahrens mit unterschiedlichen Erwärmungsmethoden ergeben sich so eine Vielzahl von Möglichkeiten, ein oder mehrere in Gemischen vorhandenen Kunststoffe nach Sorten, Farben oder enthaltenen Füllstoffen zu separieren. Weitergehend können bereits durch selektive Verformung abgetrennte Kunststoffteile durch eine nachfolgende selektive Erwärmung wieder geschrumpft werden. Aufgrund dieser Schrumpfung kann das bereits aussortierte Material direkt nochmals nach weiteren Sortierkriterien aufgetrennt werden (Anspruch 10).

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante des Verfahrens (Anspruch 7). Die drei Einzelkomponenten gemäß Fig. 1 werden hier zu einer Maschineneinheit integriert. Das Transportband (3a) umschlingt hierbei eine der beiden Verformungswalzen. Das Transportband besteht in diesem Falle bevorzugt aus Metall (Anspruch 8). Ein Metallband kann sich beim Kontakt mit der umschlungenen und gleichzeitig gekühlten Verformungswalze selbst auch soweit abkühlen, daß ein Ankleben der Partikel am Band nach dem Durchgang durch den Walzenspalt sicher verhindert wird. Nach dem Verlassen der Walzen werden die Teile dann gleich beim Fallen elektrostatisch aufgetrennt.

Beim Siebverfahren sind allein die Größenunterschiede der ausgewalzten Teile im Vergleich zu den nicht ausgewalzten für die Trennung maßgebend. Bei elektrostatischer Trennung oder bei der Windsichtung ist das Verhältnis von Oberfläche/Masse der einzelnen Teile von Bedeutung. Dadurch ist bei diesen Trennmethoden im Gegensatz zum Siebverfahren das Trennergebnis weitgehend unabhängig von den Abmessungen der einzelnen Teile beim Input (Fig. 1, 2) in das Verfahren. Zu kleine Partikel des Inputs müssen jedoch aus dem Gemengestrom entfernt werden, weil diese von der Trennung nicht sicher erfaßt werden können. Dies stellt in der Praxis jedoch kein Problem dar, da diese Feinanteile durch einfache Siebung aus dem Gemengestrom entfernt werden können, bevor dieser dem Trennverfahren zugeführt wird. Ist diese Bedingung erfüllt, so kann mit dem hier vorgestellten Verfahren Mahlgut sortiert werden. Das Trennverfahren wird in seiner Wirksamkeit zusätzlich unterstützt, wenn beim Mahlen der Kunststoffe nur grobe Siebeinlagen in der Mühle verwendet werden.

Mit dem hier beanspruchten Verfahren und dazugehörenden Vorrichtungen lassen sich vielfältige Sortierprobleme lösen. Die hier vorgeschlagene Methode ist verfahrenstechnisch unkompliziert und weitgehend unempfindlich gegenüber eventuell auftretenden Störungen. Sie erweist sich als eine praxisgerechte, außerordentlich wirtschaftliche Methode zur Sortierung von Kunststoffen beim Recycling. Die Erfindung hat eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung und bringt einen wichtigen Beitrag zur Entlastung der Umwelt von Abfällen.

Bezugszeichenliste

1 Zuführrinne
2 Gemengestrom (Input)
3 Transportband
3a Transportband aus Metall
4 Erwärmungsstrecke
5 Gemengestrom erwärmt
6 Verformungsstrecke
6a Trichter
6b Walzenpaar
6c Rakel
7 Gemengestrom mit verformten (ausgewalzten) und unverformten Teilen
8 Trenneinheit
9 verformte (ausgewalzte) Kunststoffteile
10 nicht ausgewalzte Kunststoffteile und andere Werkstoffe
11 Polplatten zur elektrostatischen Trennung
12 Trennkeil
13 Auffangwanne

Claims (10)

1. Verfahren zum Sortieren und Aussortieren thermoplastischer Kunststoffteile aus einem Gemengestrom und zum Sortieren unterschiedlicher thermoplastischer Kunststoffsorten, unter Ausnutzung der physikalischen Eigenschaft thermoplastischer Kunststoffe, bei Erwärmung sortenspezifisch ab einem bestimmten Temperaturniveau zu erweichen bzw. zu schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile eines Gemengestromes durch von außen einwirkende Kräfte derart beansprucht werden, daß unter dem Kräfteinfluß die sortenspezifisch erweichten Kunststoffteile selektiv ihre Form durch Vergrößerung ihrer Oberflächen so verändern, daß diese in einem nachfolgenden Verfahrensschritt unter Nutzung dieser Formveränderung aus dem Gemengestrom separiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gemengestrom insgesamt definiert erwärmt bzw. die zu separierenden thermoplastischen Kunststoffteile des Gemengestromes durch Mikrowellen, IR-Strahlung oder Hochfrequenz selektiv so erwärmt werden, daß die zu sortierenden Kunststoffteile erweichen bzw. schmelzen und diese dadurch in einem nachfolgenden Verfahrensschritt selektiv in ihrer Partikelform verändert werden können.

3. Vorrichtung zur Veränderung der Partikelform zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gemengestrom (Fig. 1, 5) mit den erweichten Kunststoffpartikeln zwischen zwei rotierenden Walzen (Fig. 1, 6b) mit elastischen Oberflächen hindurchgeführt wird und dabei die erweichten Kunststoffteile durch die voreingestellte Pressung im Walzenspalt selektiv ausgewalzt werden und dabei ihre Oberflächen vergrößern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche von einer oder von beiden Walzen (6b) mit elastischem Kunststoff, z. B. Gummi oder Silikonkautschuk, belegt ist, wodurch im Walzenspalt eine elastische Preßkraft erzeugt wird, welche durch den veränderbaren Achsenabstand des Walzenpaares in ihrer Größe variiert und damit an die jeweiligen Sortierbedingungen angepaßt werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Walzen (6b) oder beide temperiert bzw. gekühlt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die formveränderten Kunststoffpartikel durch Siebverfahren, Windsichtung oder elektrostatische Verfahren aus dem Gemengestrom abgetrennt werden.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportband (3), welches durch die Erwärmungsstrecke führt, über eine der beiden Verformungswalzen verläuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportband (3a) ein dünnes, flexibles Metallband ist.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Nutzung der selektiven Erwärmung und einer eventuellen Hintereinanderschaltung der Trennmethode, Kunststoffe speziell nach Sorten, nach dem Gehalt an Füllstoffen, Additiven oder nach bestimmten Farben sortiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bereits durch selektive Verformung aus einem Gemengestrom abgetrennten Kunststoffteile durch eine nachfolgende selektive Erwärmung wieder so geschrumpft werden, daß sich dadurch erneut selektive Formveränderungen ergeben, wodurch die bereits abgetrennten Kunststoffteile nochmals nach weiteren Sortierkriterien aufgetrennt werden können.