DE4404883A1 - Wiedergewinnung thermoplastischer Abfälle - Google Patents

Wiedergewinnung thermoplastischer Abfälle

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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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