DE4434670A1 - Verfahren zur Herstellung von flächigen, porösen Kunststoff-Gebilden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von flächigen, porösen Gebilden, wobei Kunststoffteilchen oder ein Gemisch von Kunststoffteilchen und anderen Teilchen bei erhöhter Temperatur zu dem porösen Gebilde verbunden werden.

Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung von flächigen, porösen Gebilden verfügbar gemacht werden, welches eine besonders rationelle, kostengünstige Herstellung ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchen in einen Formgebungsraum eingebracht werden, der auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch gekrümmte Wände begrenzt ist, die im wesentlichen in Tangentialrichtung ihrer Krümmung bewegbar sind;
und daß die im Formgebungsraum enthaltenen Teilchen durch Bewegung der gekrümmten Wände in Richtung zu einem Abgabeende des Formgebungsraums befördert werden, wobei vor Erreichen des Abgabeendes das Verbinden der Teilchen zu dem porösen Gebilde stattfindet.

Es ist bevorzugt, das Verfahren mit Vorwärtsbewegung der gekrümmten Wände (gleichsam in Produktionsrichtung) im Wechsel mit Rückwärtsbewegung der gekrümmten Wände in ihre Ausgangsstellung zu führen. Das läuft darauf hinaus, die Teilchen chargenweise zu jeweils einem oder einer kleinen Anzahl von mehreren Gebilden zu verarbeiten.

Man kann entweder die insgesamt erforderliche Charge von Teilchen in den Formgebungsraum einbringen, ehe man mit der Bewegung der gekrümmten Wände beginnt. Alternativ kann man aber auch nur einen Teil der insgesamt erforderlichen Charge anfangs einbringen und den Restteil der Charge während der Bewegung der gekrümmten Wände nachspeisen.

Damit sich die Teilchen zu dem porösen Gebilde verbinden, muß ein Mindesttemperaturniveau herrschen. Das Mindesttemperaturniveau ist von dem gerade eingesetzten Kunststoff abhängig. Konkret muß eine derartige Temperatur erreicht werden, daß die Kunststoffteilchen an ihrer Oberfläche durch beginnendes Anschmelzen des Kunststoffs erweichen. Im bevorzugten Fall des Einsatzes von Polyethylenteilchen ist ein Temperatürbereich von 120 bis 190°C geeignet. Das bei derartiger Temperatur und dem anschließenden Abkühlen des hergestellten Gebildes stattfindende Verbinden der Teilchen nennt man häufig auch Herstellen durch Sintern oder Zusammensintern.

Um die in dem Formgebungsraum befindlichen Teilchen auf die für das Verbinden erforderliche Temperatur zu bringen, gibt es eine Vielzahl technischer Möglichkeiten. Eine erste bevorzugte Möglichkeit besteht darin, den Teilchen Wärme von den gekrümmten Wänden her zuzuführen, insbesondere durch Beheizen der gekrümmten Wände, durch Ausblasen von warmer Luft aus mindestens einer der gekrümmten Wände durch feine Öffnungen, mit Hilfe von Mikrowellen, mit Hilfe von Wärmestrahlung. Eine weitere, ebenfalls bevorzugte Möglichkeit besteht darin, vorgewärmte Kunststoffteilchen und/oder vorgewärmte andere Teilchen in den Formgebungsraum einzubringen. Das Einbringen von vorgewärmten anderen Teilchen ist besonders effektiv, weil diese häufig vor der Zugabe zu den Kunststoffteilchen auf höhere Temperatur vorgewärmt werden können und häufig eine relativ hohe Wärmekapazität haben.

Die hergestellten Gebilde können weiteren Bearbeitungsschritten, insbesondere dem Auf-Maß-Schneiden ihrer Ränder, unterzogen werden, sobald sie ein ganzes Stück unter die Verbindungstemperatur der Teilchen abgekühlt sind. Im Sinne eines rascheren Produktionsablaufs ist es bevorzugt, mit forcierter Kühlung zu arbeiten. Hierfür gibt es eine Reihe von technisch günstigen Möglichkeiten. Eine erste bevorzugte Möglichkeit ist das Kühlen des jeweiligen Gebildes der Reihe nach noch im Formgebungsraum, insbesondere der Reihe nach jeweils eines dem Abgabeende nahen Teilbereichs des Gebildes, von den gekrümmten Wänden her, insbesondere durch dortiges Kühlen der Wände, Ausblasen von Kühlluft oder Ausspritzen von Kühlwasser durch entsprechenden Öffnungen in den Wänden. Alternativ oder zusätzlich kann Kühlluft oder Kühlwasser in die Spalte zwischen dem Gebilde und den gekrümmten Wänden nach Passieren der Stelle kleinsten Abstands zwischen den gekrümmten Wänden geblasen bzw. gespritzt werden.

Die gekrümmten Wände sind - in dem entsprechenden Schnitt betrachtet - vorzugsweise kreisbogenförmig gekrümmt. Der gleichbleibende oder sich im Verlauf der Wandkrümmung ändernde Krümmungsradius der gekrümmten Wände ist vorzugsweise sehr groß, wobei als bevorzugter Bereich ein Krümmungsradius von 5 bis 30 m angegeben wird. Mit gekrümmten Wänden mit derart großem Krümmungsradius lassen sich Gebilde erheblicher Produktionslänge erzeugen, ohne daß der Abstand der gekrümmten Wände übermäßig unterschiedlich zwischen dem Abgabeende (= Stelle des engsten Wandabstands) und dem entgegengesetzten Ende der Wände ist. Ein gewisses Ausmaß des Zusammendrückens der enthaltenen Teilchen während der Bewegung der gekrümmten Wände infolge deren Annäherung ist allerdings erwünscht und vorteilhaft. In Bewegungsrichtung haben die gekrümmten Wände vorzugsweise eine Länge von 0,5 bis 4 m, höchst vorzugsweise 1 bis 2,5 m.

Die Erfindung läßt sich besonders bevorzugt zur Herstellung von Trägerkörpern für Mikroorganismen und von Filterkörpern einsetzen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise Gebilde hergestellt, die - abgesehen von noch genauer zu beschreibenden Distanzstegen - eine im wesentlichen plattenförmige Konfiguration haben mit einer Dicke, die im Vergleich zu den Großflächen des Gebildes klein ist. Mit "plattenförmig" sollen nicht nur ebene Platten gemeint sein, sondern auch im Schnitt gewellte oder zieharmonikaartige Konfigurationen oder anderes mehr (vgl. Fig. 4). Es lassen sich Gebilde mit integral angeformten, in Produktionsrichtung verlaufenden Distanzstegen oder Verbindungsstegen herstellen. Die Distanzstege oder die Verbindungsstege lassen sich bequem durch entsprechende Nuten, die in Bewegungsrichtung der gekrümmten Wände verlaufen, in den einander zugewandten Oberflächen der gekrümmten Wände herstellen.

Die herzustellenden flächigen, porösen Gebilde können im wesentlichen ausschließlich aus zusammengesinterten Kunststoffteilchen bestehen. Es ist ferner möglich, flächige Gebilde herzustellen, die aus Kunststoffteilchen im Gemenge mit anderen Teilchen, letztere insbesondere feinporöse Teilchen, wie Aktivkohleteilchen oder Blähtonteilchen, bestehen. Im Fall von Trägerkörpern für Mikroorganismen erhöhen die feinporösen Teilchen sehr stark die innere Oberfläche der Trägerkörper und verbessern dadurch sowohl die Verankerungsbedingungen für die Mikroorganismen als auch die biologischen Bedingungen für die Behandlung von Flüssigkeiten oder Gasen mit Hilfe der auf den Trägerkörpern immobilisierten Mikroorganismen. Die erfindungsgemäß hergestellten Trägerkörper werden vorzugsweise in Festbett-Bioreaktoren zur biologischen Reinigung von Fluiden, d. h. Flüssigkeiten oder Gasen, eingebaut. Wenn feinporöse Teilchen vorhanden sind, beträgt das bevorzugte Gewichtsverhältnis zwischen Kunststoffteilchen und feinporösen Teilchen 10 bis 65%, höchst vorzugsweise 30 bis 55%, Kunststoffteilchen, Rest feinporöse Teilchen.

Es versteht sich, daß die herzustellenden porösen Gebilde außer den Kunstsstoffteilchen und gegebenenfalls den anderen Teilchen noch weitere Bestandteile in allerdings normalerweise kleiner prozentualer Menge enthalten können. Vorzugsweise sind die herzustellenden porösen Gebilde von einer solchen Dicke, daß sie eigenstabil sind. Es kommen Kunststoffteilchen aus allen denjenigen Kunststoffen in Betracht, die durch Erwärmen und Zusammensintern verarbeitbar sind. Es können auch z. B. nach Größe, Molekulargewicht oder Kunststoffart unterschiedliche Kunststoffteilchen gemischt sein. Typischerweise haben die Kunststoffteilchen eine Größe im Durchmesserbereich von einigen zehn Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von flächigen, porösen Gebilden aus verbundenen Kunststoffteilchen oder Kunststoffteilchen und anderen Teilchen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Formgebungsraum der Vorrichtung auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch gekrümmte Wände begrenzt ist;
und daß die Wände im wesentlichen in Tangentialrichtung ihrer Krümmung sowohl vorwärts zum Befördern des Inhalts des Formgebungsraums zu einem Abgabeende als auch entgegengesetzt rückwärts bewegbar sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise eines oder mehrere der spezielleren Merkmale aufweisen, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind, auch wenn sie mehr im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.

Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Gebildeherstellung im Vertikalschnitt;

Fig. 2 einen Horizontalschnitt der Vorrichtung von Fig. 1 längs II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilbereich eines erfindungsgemäß hergestellten Trägerkörpers im Vergrößerten Schnitt;

Fig. 4a bis d im Horizontalschnitt Beispiele hergestellter flächiger, poröser Gebilde (wie sie den Formgebungsraum der Vorrichtung von Fig. 1 und 2 von oben nach unten verlassen).

Für bessere Anschaulichkeit wird die Erfindung zunächst am Ausführungsbeispiel der Herstellung von Trägerkörpern für Mikroorganismen erläutert.

Die in Fig. 1 und 2 schematisiert dargestellte Vorrichtung weist einen Formgebungsraum 2 auf, der größtenteils und auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch - im Schnitt der Fig. 1 gesehen - kreisbogenförmig gekrümmte Wände 4 begrenzt ist. Im Schnitt der Fig. 2 erkennt man, daß seitlich, wo die gekrümmten Wände 4 enden, der Formgebungsraum 2 durch aufrechte, plattenartige, stationäre Abschlußteile 6 begrenzt ist. Alternativ können die Abschlußteile 6 auch mit den gekrümmten Wänden 4 integriert und daher bewegbar sein. Zu Anfang, beim Einbringen einer neuen Charge in den Formgebungsraum 2 und für einen Anfangszeitraum bei der Herstellung eines Trägerkörpers ist der Formgebungsraum 2 unten durch einen einfahrbaren und wegfahrbaren Anfahrboden 8 begrenzt. Oben ist der Formgebungsraum 2 im Prinzip offen. Dort ist eine trichterartige Zuführeinrichtung 3 für Kunststoffteilchen und feinporöse Teilchen vorgesehen. Im horizontalen Querschnitt der Fig. 2 hat der Formgebungsraum 2 - abgesehen von Nuten 5 für die Herstellung von Distanzstegen - die Gestalt eines ziemlich flachen Rechtecks mit der (unterbrochen und dadurch verkürzt gezeichneten) Länge 10 und der Breite 12. Von der Schnittebene der Fig. 2 aus nach oben nimmt die Breite 12 des Formgebungsraums 2 zu.

Zu Beginn der Herstellung eines Trägerkörpers wird ein Gemisch von Kunststoffteilchen und feinporösen Teilchen in den durch den Anfahrboden 8 unten abgeschlossenen Formgebungsraum 2 eingebracht, und zwar entweder die Gesamtmenge der für einen herzustellenden Trägerkörper erforderlichen Teilchen oder eine Teilmenge. Der Horizontalschnitt der Fig. 2 ist in derjenigen Ebene geführt, wo die beiden gekrümmten Wände 4 den geringsten Abstand voneinander haben. Diese Stelle wird das Abgabeende der Vorrichtung genannt.

Etwas oderhalb der Schnittebene der Fig. 2 ist auf der Rückseite jeder gekrümmten Wand 4 schematisiert eine Kühleinrichtung 14 eingezeichnet, die jeweils auf einen Teilbereich der betreffenden gekrümmten Wand 4 mit der Höhe 16 einwirkt. Jede Kühleinrichtung 14 kann z. B. eine Anordnung von Kühlwasser-Spritzdüsen aufweisen, mit der in dem Höhenbereich 16 Kühlwasser von hinten gegen die betreffende gekrümmte Wand 4 gespritzt werden kann, wodurch die gekrümmte Wand 4 in diesem Bereich gekühlt wird.

In Fig. 1 oberhalb der Kühleinrichtungen 14 sind rückseitig jeder gekrümmten Wand 4 übereinander zwei Heizeinrichtungen 18 eingezeichnet. Mit diesen Heizeinrichtungen 18 läßt sich insgesamt ein Höhenbereich des Formgebungsraums 2 mit der Höhe 20 erwärmen. Konkret kann man sich die Heizeinrichtungen 18 z. B. als gasbeheizte Heizstrahler vorstellen, welche die gekrümmten Wände 4 in dem entsprechenden Bereich aufheizen.

Zur Herstellung eines Trägerkörpers werden die Heizeinrichtungen 18 in Betrieb gesetzt und bringen im Höhenbereich 20 den Teilcheninhalt des Formgebungsraums 2 auf eine derartige Temperatur, daß die Oberflächen der Kunststoffteilchen klebrig werden und daß infolgedessen ein quasi-punktförmiges oder kleinflächiges Verkleben der Kunststoffteilchen untereinander und der Kunststoffteilchen mit feinporösen Teilchen eintritt. Zugleich werden die beiden gekrümmten Wände 4 synchron jeweils z. B. mittels einer Zylinder-Kolben-Einheit 22 langsam um eine Schwenkachse 23, die in Höhe des Abgabeendes liegt, schwenkend nach unten bewegt. Dadurch kommt eine betrachtete, horizontale, dünne Schicht 24 des Inhalts des Formgebungsraums 2 aus dem Höhenbereich 20 mit Wärmezufuhr nach unten in den gekühlten Höhenbereich 16. Die klebrigen Oberflächen der Kunststoffteilchen werden wieder fest, und man erhält einen Trägerkörper mit hinreichender Eigenstabilität, der aus dem Abgabeende der Vorrichtung nach unten austritt. Auf diese Weise wandert der Reihe nach der gesamte Inhalt des Formgebungsraums 2 von oben her durch den beheizten Höhenbereich 20 und anschließend durch den gekühlten Höhenbereich 16. Dieser Vorgang wird mit Absenkbewegung der beiden gekrümmten Wände 4 so lange fortgesetzt, bis die eingebrachten Teilchen verbraucht sind oder bis die oberen Enden der gekrümmten Wände 4 die Kühlungszone 16 erreichen oder bis ein Trägerkörper gerade gewünschter Länge erzeugt worden ist. Danach werden die gekrümmten Wände 4 in ihre in Fig. 1 gezeichnete Ausgangsstellung zurückbewegt. Es kann eine neue Trägerkörperherstellung mit einer neuen Charge von Teilchen beginnen.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren nicht zwingend mit einer praktisch kontinuierlichen Abwärtsbewegung der beiden gekrümmten Wände 4 ablaufen muß. Man kann durchaus die Absenkbewegung in Schritten von beispielsweise knapp der Höhe 16 durchführen.

Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die Bewegung der gekrümmten Wände nicht zwingend eine Schwenkbewegung um eine Achse, wie die Achse 23, sein muß. Man kann z. B. jede der gekrümmten Wände 4 an einer Anzahl von Lenkern befestigen, deren Längen und Schwenkpunkte so gewählt sind, daß sich die gewünschte Bewegung der gekrümmten Wände im wesentlichen in Tangentialrichtung ihrer Krümmung ergibt.

In Fig. 1 sind ferner schematisiert Kühlwasser-Spritzdüsen 26 eingezeichnet, die zusätzlich zu den Kühleinrichtungen 14 oder statt dieser vorhanden sein können und mit denen Kühlwasser von unten her in die Spalte zwischen dem Trägerkörper und den sich unterhalb der Abgabeebene gleichsam öffnenden Wänden 4 eingespritzt werden kann.

Weitere Möglichkeiten der technischen Ausführung der Kühlung des Trägerkörpers und der Wärmezufuhr zu den Teilchen im Formgebungsraum 2 sind weiter vorn angesprochen worden. Man kann sich z. B. vorstellen, daß die gekrümmten Wände 4 jeweils von einer ganzen Reihe horizontaler Rohre übereinander durchzogen sind. Im Höhenbereich 16 können diese Rohre von Kühlwasser durchströmt sein, während sie im Höhenbereich 20 von Dampf durchströmt sein können. Eine weitere Möglichkeit ist z. B., daß die dem Formgebungsraum 2 zugewandten Oberflächen der gekrümmten Wände 4 mit einer Vielzahl verteilter Öffnungen versehen sind. Im Höhenbereich 20 könnte Heißluft von einer Wand 4 zu der gegenüberliegenden Wand 4 strömen gelassen werden; im Höhenbereich 16 könnte Kühlluft von einer Wand 4 zur gegenüberliegenden Wand 4 strömen gelassen werden.

Mit der gezeichneten Vorrichtung läßt sich, falls gewünscht, eine Trägerkörperlänge erzeugen, die sich durch Quer-Abtrennen in mehrere einzelne Trägerkörper zerteilen läßt.

Fig. 3 soll veranschaulichen, wie im fertigen Trägerkörper 30 Kunststoffteilchen 32 und feinporöse Teilchen 34 nebeneinander vorliegen und durch quasi-punktuelle oder kleinflächige Verbindungsstellen 36 miteinander verbunden sind.

Wenn man dem Formgebungsraum 2 nur Kunststoffteilchen 32 und keine feinporösen Teilchen 34 zuführt, erhält man als Produkt ein flächiges, poröses Gebilde, das z. B. als Filterkörper verwendbar ist, vorzugsweise nach Beschichtung der Zuströmseite des Gebildes mit feinen Teilchen zur Erreichung von Oberflächenfiltration.

In Fig. 4 sind Beispiele für profilierte, flächige Gebilde gezeichnet, die erfindungsgemäß hergestellt werden können. Zu diesem Zweck müssen lediglich die gekrümmten Wände an ihrer dem Formgebungsraum zugewandten Oberfläche entsprechend geformt sein. Durch Fig. 4c und Fig. 4d sind Profilquerschnitte veranschaulicht, die paarweise spiegelbildlich gegeneinandergesetzt und z. B. durch Kleben oder Schweißen an den Enden der Verbindungsstege 40 vereinigt werden können; nach Schließen des unteren Endes ergibt sich ein Produkt, das als "Filtertasche" oder "kastenartiges Filterelement" mit Strömungsrichtung des zu filternden Fluids von außen nach innen und Reinraum im Inneren des kastenartigen Filterelements brauchbar ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von flächigen, porösen Gebilden, wobei Kunststoffteilchen (32) oder ein Gemisch von Kunststoffteilchen (32) und anderen Teilchen (34) bei erhöhter Temperatur zu dem porösen Gebilde verbunden werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchen (32, 34) in einen Formgebungsraum (2) eingebracht werden, der auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch gekrümmte Wände (4) begrenzt ist, die im wesentlichen in Tangentialrichtung ihrer Krümmung bewegbar sind;
daß die im Formgebungsraum (2) enthaltenen Teilchen (32, 34) durch Bewegung der gekrümmten Wände (4) in Richtung zu einem Abgabeende des Formgebungsraums (2) befördert werden, wobei vor Erreichen des Abgabeendes das Verbinden der Teilchen (32, 34) zu dem porösen Gebilde stattfindet;
und daß die gekrümmten Wände (4) in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt werden, in der sie für das Einbringen einer neuen Teilchencharge bereitstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturerhöhung den Teilchen (32, 34) Wärme von den gekrümmten Wänden (4) her zugeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kunststoffteilchen (32) und/oder andere Teilchen (34) vorgewärmt in den Formgebungsraum (2) eingebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein dem Abgabeende naher Teilbereich des Gebildes von den gekrümmten Wänden (4) her gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als flächige, poröse Gebilde Trägerkörper (30), die zur Besiedlung mit Mikroorganismen geeignet sind, hergestellt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als flächige, poröse Gebilde Filterkörper hergestellt werden.