DE4404883A1 - Wiedergewinnung thermoplastischer Abfälle - Google Patents
Wiedergewinnung thermoplastischer AbfälleInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf die Wiedergewinnung und
Wiederverwendung von thermoplastischen Materialien. Ins
besondere bezieht sie sich auf das Verdichten und Wie
derverwenden expandierter oder aufgeschäumter thermopla
stischer Produkte, Abfallmaterialien und ähnlichem und
zum Umformen derselben in verwendbare Produkte.
Viele thermoplastische Materialien, wie beispielsweise
Polyethylen und Polystyrol werden aufgeschäumt oder
expandiert, um Gaszellen oder ähnliches zu enthalten zur
Verwendung als Verpackungs- oder Isoliermaterialien. Ty
pischerweise wird Polystyrolschaum expandiert von einer
Dichte von ungefähr 62 engl. Pfund pro Kubikfuß (992
kg/m3) auf weniger als 1 engl. Pfund pro Kubikfuß (16
kg/m3). Der expandierte Schaum wird dann verwendet für
Verpackungsmaterialien, Isolationsmaterialien etc. Je
doch erzeugt das Schneiden solcher expandierter thermo
plastischer Materialien auf spezielle Größen und Formen
für spezielle Verwendungen große Volumen von Rest- oder
Abfallmaterialien, die ein Entsorgungsproblem darstellen.
Da das Material expandiert ist und in der Form von Chips
oder Bruchstücken ist, nimmt es große Raumvolumen ein. In
ähnlicher Weise müssen expandierte oder aufgeschäumte
Materialien, die als Verpackungsmaterialien verwendet
wurden, im allgemeinen wieder verwendet oder zerstört
werden. Die Entsorgung solcher Abfälle durch Verbrennen
erzeugt giftige Dämpfe. Da es expandiert und sperrig ist,
werden herkömmliche Entsorgungssysteme schnell überlastet
und teuer.
Expandiertes thermoplastisches Rest- oder Abfallmaterial
kann recycled und zum Recycling verdichtet werden durch
Erwärmen des Materials auf seinen Erweichungs- oder
Schmelzpunkt und durch Gestatten, daß das eingefangene
Gas austritt. Unglücklicherweise verbraucht das Erwärmen
eines aufgeschäumten Produkts riesige Energiemengen und
hat sich somit nicht als ein wirtschaftliches
Wiedergewinnungsverfahren erwiesen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird expandiertes oder
aufgeschäumtes thermoplastisches Material, wie bei
spielsweise Polystyrol, Polyethylen, etc., verdichtet
durch Halten einer Ladung von Partikeln davon in einem
begrenzten Raum und gleichzeitiges Vermindern des Volu
mens, während die Partikel bewegt bzw. gerührt werden.
Die Bewegung der Partikel gegeneinander (sowie auch
Molekularbewegung) erwärmt das Material schnell auf eine
Temperatur oberhalb seines Erweichungs- oder Schmelz
punkts und bewirkt, daß das Material in eine einheitliche
flüssige Masse zusammenwächst bzw. zusammenschmilzt.
Durch gleichzeitiges Bewegen und Komprimieren des
Materials wird die durch Reibungskräfte erzeugte Energie
innerhalb der Materialmasse selbst gehalten, wodurch bei
minimalem Energieverbrauch eine flüssige Masse erzeugt
wird. Ferner wird die verwendete Energie im wesentlichen
innerhalb der Materialmasse gehalten, so daß sehr wenig
Energie in der Form von Wärme an die umgebende Atmosphäre
verschwendet wird oder verloren geht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
die geschmolzene Masse unmittelbar in ein verwendbares
Produkt geformt durch Formen (Spritzgußformen), Extru
dieren oder ähnliches, so daß die innerhalb der ge
schmolzenen Masse enthaltene Formierungs- oder Bildungs
energie konserviert wird. Somit kann thermoplastisches
Abfallmaterial schnell in ein verwendbares Produkt um
gewandelt werden bei minimalem Energieverbrauch. Die
Verfahren und Vorrichtung der Erfindung sehen daher
Mittel vor zum Entsorgen von anderenfalls schädlichen
Abfallmaterialien und zum Umwandeln solcher Abfallma
terialien in ein verwendbares Produkt bei minimalem
Energieverbrauch.
Andere Merkmale und Vorteile der Er
findung werden leichter verstanden werden aufgrund der
folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Ansprüchen und der Zeichnung, in der
Fig.
1 ein Aufriß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung ist zum Durchführen des bevorzug
ten Verfahrens der Erfindung; und
Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung von Fig. 1 entlang
der Linie 2-2 ist.
Die Vorrichtung zum Durchführen der Erfindung, wie sie in
der Zeichnung gezeigt ist, weist einen Tragtisch 10 mit
einer ebenen Oberseite und eine geeignete Tragstruktur
wie beispielsweise Beine 11 auf. Parallele Platten 12 und
13 sind auf einer Spindel 14 angebracht und auf einer
Welle 15 getragen, die sich mittig durch den Tisch 10
erstreckt, so daß die Bodenplatte 12 und die Deckenplatte
13 sich im Gleichtakt in parallelen Ebenen parallel zu
der Oberseite des Tisches 10 drehen. Die Unterseite der
Bodenplatte 12 ist benachbart zu der Oberseite des Ti
sches 10 positioniert und kann sich gegen diese drehen.
Zylindrische Kammern 16 (von denen zwei in der Zeichnung
gezeigt sind) erstrecken sich von der unteren Platte 12
zu der oberen Platte 13, und die Teile der Platten 12 und
13, die die Enden der Zylinder definieren, sind entfernt,
so daß sich Zylinder 16 mit offenem Ende in einem Kreis
um die Welle 15 drehen können. Das untere Ende jedes Zy
linders ist durch die Oberseite des Tisches 10 geschlos
sen und das obere Ende jedes Zylinders 16 ist offen.
Eine Öffnung 17 ist in dem Tisch 10 gebildet (siehe Fig.
2), die ungefähr die gleichen Dimensionen besitzt wie das
untere offene Ende des Zylinders 16. Die Öffnung 17 ist
in dem Tisch 10 so positioniert, daß, wenn die Platten 12
und 13 gedreht werden, die Zylinder 16 aufeinanderfolgend
in koaxiale Ausrichtung mit der Öffnung 17 bewegt werden.
Eine drehbare Scheibe 18 ist in einem Gehäuse 19 drehbar
gelagert und mit ihrer Oberseite im wesentlichen parallel
mit der Oberseite des Tisches 10 ausgerichtet. Die
Scheibe 18 ist auf einer Welle angebracht, die von einem
Antriebsmotor 20 bzw. einem Riemen 21 angetrieben wird.
Es wird somit beobachtet werden, daß, wenn der Antriebs
motor 20 betätigt oder aktiviert wird, die Scheibe 18
sich in der Öffnung 17 dreht, diese aber im wesentlichen
ausfüllt und somit das untere offene Ende des Zylinders
16 schließt.
Eine Zuführeinrichtung bzw. ein Trichter 22, die bzw. der
oberhalb des Tisches angebracht ist, besitzt ein offenes
Ende 23 mit Ausmaßen, die im wesentlichen dem offenen
Ende des Zylinders 16 entsprechen und damit zusammenpas
sen, wenn der Zylinder 16 an einer vorbestimmten Position
angeordnet ist, welche nicht koaxial mit der Scheibe 18
ist. In der Zuführeinrichtung 22 enthaltenes, zerklei
nertes Material wird somit in den Zylinder 16 fließen und
diesen füllen. Da das untere Ende des Zylinders 16 offen,
jedoch benachbart zu der Oberseite des Tisches 10 ist,
ist das untere Ende des Zylinders 16 geschlossen und der
Zylinder wird bis zur Kapazitätsgrenze mit zerkleinertem
Material aus der Zuführeinrichtung 22 gefüllt. Wenn der
Zylinder 16 gefüllt ist, werden die Platten 12 und 13
gedreht, um den Zylinder 16 in koaxiale Ausrichtung mit
der Scheibe 18 zu bewegen. Man wird beobachten, daß der
Tisch 10, da er eine flache Oberfläche besitzt, als eine
stationäre Bodenabschließung für den sich bewegenden Zy
linder 16 wirkt, und daß das in dem Zylinder 16 enthaltene
Material bloß über die Oberseite des Tisches 10 gleitet,
bis der Zylinder mit der Scheibe 18 ausgerichtet ist. Da
die obere Platte 13 ebenfalls eine flache Oberseite be
sitzt, wirkt in ähnlicher Weise eine Drehung der oberen
Platte 13 unter die Zuführeinrichtung 22 als eine Tür
oder eine Sperre, um den Materialfluß von Zuführein
richtung 22 zu stoppen, bis ein weiterer Zylinder 16
damit ausgerichtet ist. Obwohl nur zwei Zylinder 16 ge
zeigt sind, kann jegliche geeignete Anzahl verwendet
werden und die Platten 12, 13 werden gedreht, um aufein
anderfolgend einen Zylinder in Ausrichtung mit der
Scheibe 18 zu positionieren, während ein anderer Zylinder
16 mit dem offenen Ende 23 zum Füllen ausgerichtet wird.
Wenn ein mit zerkleinertem Material gefüllter Zylinder 16
in koaxiale Ausrichtung mit der Scheibe 18 gedreht wird,
wird auch das obere Ende des Zylinders in koaxialer Aus
richtung mit einem Zylinder 24 positioniert, der eine
obere Scheibe 25 trägt. Die Scheibe 25 ist somit auch
koaxial mit der Scheibe 18 ausgerichtet. Der Zylinder 24
kann ein hydraulischer oder luftbetätigter Zylinder sein
und wenn er aktiviert wird, treibt er die obere Scheibe
25 in den Zylinder 16. Um eine Drehung der oberen Scheibe
25 zu verhindern, sind langgestreckte Führungen 26 in
Buchsen 27 aufgenommen oder gelagert und an der oberen
Scheibe 25 befestigt. Wenn sich somit die obere Scheibe
25 nach unten in den Zylinder bewegt, wird eine Drehung
der oberen Scheibe 25 verhindert.
Wenn ein geladener Zylinder 16 zwischen der oberen
Scheibe 25 und der Scheibe 18 ausgerichtet ist, wird der
Motor 20 aktiviert, um die Scheibe 18 zu drehen. Gleich
zeitig wird der Zylinder 24 aktiviert, um die obere
Scheibe 25 zu der unteren Scheibe 18 zu drücken bzw. zu
drängen, wodurch das Volumen in dem Zylinder 16 vermin
dert wird. Eine Drehung der Scheibe 18 bewirkt eine
extreme Bewegung und Reibungskontakt zwischen den Par
tikeln des Materials, das in dem Zylinder enthalten ist.
Wenn das Volumen des Zylinders vermindert wird, wird die
Reibung erhöht und das Materialvolumen wird schnell ver
mindert. Weitere Bewegung der Partikel bewirkt interne,
reibungsmäßige Erwärmung, die ein Erweichen des Materials
und die Bildung einer einheitlichen geschmolzenen Masse
ergibt.
Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird ange
nommen, daß die extreme Wirksamkeit bzw. Effizienz des
Verfahrens der Reibung zwischen den Partikeln des Mate
rials auf einer Makroebene sowie auch auf einer Mikro
ebene zugerechnet werden kann. Aus durchgeführten
Experimenten ist es klar, daß Wärme innerhalb des
Materials selbst erzeugt wird und nicht durch Reibung
zwischen dem beinhaltenden Zylinder und dem Material.
Während zerkleinerte Partikel aus aufgeschäumten Mate
rialien gezeigt sind, ist es nur notwendig, daß die Par
tikel klein genug sind, um in den Zylinder 16 zu passen
und durch Drehung der Scheibe 18 bewegt oder gerührt
werden. Eine Bewegung der Partikel bewirkt, daß die
Partikel gegeneinander reiben und dadurch einander in
kleinere Partikel mahlen. Um die Bewegung der Partikel zu
unterstützen, kann die Oberfläche der Scheibe 18 aufge
rauht oder mit einem Aufrauh-Material bedeckt sein, wie
beispielsweise Sandpapier oder ähnliches.
Eine Demonstrationsvorrichtung wurde im wesentlichen so
konstruiert, wie es in der Zeichnung gezeigt ist unter
Verwendung eines Stahlzylinders 16, der 14 Zoll
(35,56 cm) hoch und 12 Zoll (30,48 cm) im Durchmesser
war. Die sich drehende Scheibe 18 war ungefähr 12 Zoll
(30,48 cm) im Durchmesser und wurde durch einen 7,5 PS-
Elektromotor angetrieben, um sich bei ungefähr 1800 U/min
zu drehen. Der Zylinder 16 wurde mit einer Ladung zer
kleinertem Polystyrol geladen und der Zylinder 24 wurde
aktiviert, um die Scheibe 25 zu dem gegenüberliegenden
Ende des Zylinders zu drücken, um dadurch den
Polystyrolschaum zusammenzudrücken. Unter Verwendung
eines Druckes von ungefähr 2 bis 3 engl. Pfund pro
Quadratzoll (0,14 bis 0,21 kg/cm2), um die Scheibe 25 in
den Zylinder 16 zu drücken, wurde der Schaum in eine
einheitliche geschmolzene Masse umgewandelt, die ungefähr
0,011 Kubikfuß (312 cm3) einnahm, und zwar in ungefähr 15
bis 30 Sekunden. Es wurde bestimmt, daß die Temperatur
der geschmolzenen Masse ungefähr 250°C war.
Wiederholte Betriebszyklen wie oben beschrieben erzeugten
im wesentlichen identischen Ergebnisse. Jedoch blieb der
Zylinder 16 im wesentlichen auf Raumtemperatur und die
Temperatur der sich drehenden Scheibe 18 überschritt
niemals ungefähr 50°C. Entsprechend wird angenommen, daß
Reibung zwischen Partikeln des losen Schaumes und die
interne Reibung der Masse als ein Ergebnis der Knet
wirkung, die durch die sich drehende Scheibe 18 auf die
Masse ausgeübt wird, ein extrem schnelles Erwärmen des
Inneren der Materialmasse ergibt, um es auf ihren
Erweichungs- oder Schmelzpunkt anzuheben. Das Material
wird nicht nur schnell in eine weiche bzw. geschmolzene,
zusammenhängende und einheitliche Masse umgewandelt, das
gebildete Material wächst auch in eine im wesentlichen
gasfreie Flüssigkeit zusammen. Ferner wird die während
des Kompressionsvorgangs erzeugte Wärme innerhalb der
Materialmasse gehalten und kann verwendet werden, um das
Material ohne Wiedererwärmung in nützliche Produkte zu
formen. Beispielsweise kann die geschmolzene Masse
unmittelbar in eine geeignete Form oder eine Extrudier
einrichtung plaziert werden und in die gewünschte Form
geformt oder extrudiert werden, um irgendeinen aus einer
Vielzahl nützlicher oder zweckmäßiger Artikel oder Gegen
stände zu erzeugen. Das Endprodukt besitzt natürlich eine
Dichte von ungefähr 52 engl. Pfund pro Kubikfuß (992
kg/m3) (im Fall von Polystyrol). Alternativ dazu kann das
verdichtete Produkt zu einer Recycling- oder Wiederaufbe
reitungsanlage transportiert werden zur Wiederverwendung.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung arbeiten
gleich gut mit Polystyrol- und Polyethylenschäumen.
Andere aufgeschäumte thermoplastische Materialien werden
ähnliche Ergebnisse bringen. Jedoch kann die Kom
pressionsrate etc. sich ändern abhängig von der Dichte
des Schaums, dem Erweichungs- oder Schmelzpunkt des Ba
sismaterials, etc. Ferner können in der gleichen Weise
auch Partikel nicht aufgeschäumter thermoplastischer
Materialien wie beispielsweise ABS-Kunststoff in eine
erwärmte Masse umgewandelt werden und können sogar mit
aufgeschäumten Materialien, wie beispielsweise Poly
styrol, gemischt werden, um ein gemischtes Fertigprodukt
zu erzeugen.
Es sei bemerkt, daß die Erfindung vorteilhafterweise eine
im wesentlichen einheitliche Materialmasse erzeugt, die
auf einer Temperatur oberhalb des Erweichungs- oder
Schmelzpunktes des thermoplastischen Materials ist. Somit
kann die weiche Masse unmittelbar in jegliche gewünschte
Form umgeformt werden ohne Zufügen von wesentlichen
Energiemengen in Form von Wärme. Ferner können geeignete
Färbemittel etc. in verschiedenen Stufen des Verfahrens
zu dem Material zugefügt werden, um das Endprodukt ein
zufärben. Wenn beispielsweise weißes expandiertes Poly
styrol verwendet wird, erinnert das Endprodukt an etwas
wachsähnlichen Marmor. Jedoch durch Einführen kleiner
Mengen von Farbe oder von anderem Material kann die
geschmolzene Masse in Teile geformt werden, die eine
deutlich marmorähnliche Erscheinung besitzen. Andere
Zusätze können eingeführt werden, um andere Muster,
Farben oder sichtbare Wirkungen, sowie auch körperliche
oder physikalische Eigenschaften zu ergeben. In ähnlicher
Weise können feuerhemmende Mittel zugefügt werden oder
andere Materialien können zugefügt werden, die die
körperlichen oder physikalischen Eigenschaften des
Endprodukts verändern. Entsprechend kann thermo
plastischer Abfallschaum kostengünstig umgewandelt werden
unter Verwendung der Verfahren und der Vorrichtung der
Erfindung, und zwar in eine fast endlose Vielzahl von
zweckmäßigen und/oder dekorativen Produkten.
Es wurde festgestellt, daß Polyethylenschäume, die wie
oben beschrieben verdichtet wurden, ein hochdichtes und
extrem elastisches Material erzeugen, das unter extremen
Belastungen nicht bricht. Das Polystyrolprodukt ist ex
trem dicht und elastisch.
Während die chemische und/oder physikalische Natur des
Umform- bzw. Umwandlungsverfahrens der Erfindung nicht
vollständig verstanden wird, zeigt das Vorgehende, daß
das Verfahren eine breite Anwendung besitzt beim
Verdichten von anderenfalls unverwendbaren und/oder
unerwünschten thermoplastischen Materialien und beim
Umwandeln solcher anderenfalls unverwendbarer Materialien
in zweckmäßige Produkte bei minimalem Energieverbrauch.
Während die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf
spezielle Ausführungsbeispiele davon beschrieben wurde,
sei bemerkt, daß die im einzelnen gezeigten und be
schriebenen Formen der Erfindung als bevorzugte Ausfüh
rungsbeispiele davon angesehen werden sollen. Verschie
dene Veränderungen und Modifikationen können durchgeführt
werden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen,
wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Zusammenfassend sieht die Erfindung also folgendes vor:
Thermoplastischer Schaum wird in zweckmäßige Produkte
umgewandelt durch gleichzeitiges Zusammendrücken und
Bewegen von Schaumpartikeln. Die Partikel werden in eine
im wesentlichen gleichförmige Masse heißen, weichen Ma
terials geformt, das unmittelbar in zweckmäßige Partikel
geformt, gegossen oder extrudiert werden kann.
Claims (14)
1. Verfahren zum Verdichten von thermoplastischem Ma
terial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
- (a) Halten bzw. Einschließen von Partikeln aus thermoplastischem Material in einem Behälter (16, 18, 25); und
- (b) Vermindern des Volumens des Behälters (16, 18, 25) bei gleichzeitigem Bewegen oder Rühren der Partikel.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegung fort
geführt wird, bis die Partikel eine im wesentlichen
gleichförmige Masse aus erweichtem oder geschmolze
nem Material bilden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Partikel in
einem Zylinder (16, 18, 25) enthalten sind; wobei
das Volumen vermindert wird durch Drücken eines
Endes (25) des Zylinders zu dem gegenüberliegenden
Ende (18) des Zylinders, und wobei die Partikel
bewegt oder gerührt werden durch Drehen eines Endes
(18) des Zylinders bezüglich des Rests des
Zylinders.
4. Verfahren zum Rückgewinnen von thermoplastischem
Material, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
- (a) Zusammendrücken oder Komprimieren von Partikeln aus thermoplastischem Material unter gleichzeitigem Bewegen oder Rühren des thermoplastischen Materials, bis eine im wesentlichen gleichförmige Masse aus heißem, erweichtem oder geschmolzenem Material gebildet ist; und
- (b) Formen der Materialmasse in einen zweckmäßigen Artikel oder Gegenstand, während das Material heiß und weich bleibt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Materialmasse
durch Extrudieren in einen zweckmäßigen Artikel
geformt wird, bevor die weiche Materialmasse
wesentlich abkühlen gelassen wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Materialmasse
durch Transferformen bzw. Spritzpreßformen in einem
zweckmäßigen Artikel geformt wird, und zwar unter
Verwendung der Wärme, die während des Zusammen
drückens der Partikel erzeugt wurde, um die
Materialmasse in einem weichem Zustand zum Formen zu
halten.
7. Vorrichtung zum Verdichten von thermoplastischem
Material, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
- (a) einen Behälter (16, 18, 25) mit veränderlichem Volumen;
- (b) Mittel (22) zum Einführen von thermoplastischem Material in den Behälter;
- (c) Mittel (18, 20, 21) zum Bewegen oder Rühren der Partikel während des Verminderns des Volumens des Behälters.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Behälter
(16, 18, 25) ein Zylinder ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zum
Vermindern des Volumens des Zylinders einen Kolben
(24) aufweisen, der ein Ende (25) des Zylinders zu
dem gegenüberliegenden Ende (18) des Zylinders
drückt.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Mittel zum
Bewegen ein Ende (18) des Zylinders aufweisen, das
sich bezüglich des Rests des Zylinders dreht.
11. Verfahren zum Verdichten von thermoplastischem Ma
terial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
- (a) Halten von Partikeln aus thermoplastischem Ma terial in einem Behälter (16, 18, 25); und
- (b) Vermindern des Volumens des Behälters (16, 18, 25) unter gleichzeitigem Bewegen oder Rühren der Partikel, bis das thermoplastische Material eine Temperatur von ungefähr 250°C erreicht.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Bewegung
fortgeführt wird, bis die Partikel eine im we
sentlichen gleichförmige Masse aus erweichtem oder
geschmolzenem Material bilden.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Partikel in
einem Zylinder (16, 18, 25) enthalten sind; wobei
das Volumen vermindert wird durch Drücken eines
Endes (25) des Zylinders zu dem gegenüberliegenden
Ende (18) des Zylinders, und wobei die Partikel
bewegt oder gerührt werden durch Drehen eines Endes
(18) des Zylinders bezüglich des Rests des
Zylinders.
14. Verfahren um Verdichten von thermoplastischem Ma
terial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
- (a) Halten oder Einschließen von Partikeln aus thermoplastischem Material in einem Zylinder (16, 18, 25); und
- (b) Vermindern des Volumens der Zylinders (16, 18, 25) unter gleichzeitigem Bewegen der Partikel durch Drücken eines Endes (25) des Zylinders zu dem gegenüberliegenden Ende (18) des Zylinders hin, während ein Ende (18) des Zylinders koaxial bezüglich des Rests des Zylinders gedreht wird.
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