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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Rückgewinnung
von geschäumten
Polymeren, insbesondere geschäumten,
thermoplastischen Polymeren und ganz besonders geschäumten, Polystyrolpolymeren.
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2. Erörterung des Standes der Technik
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Geschäumte synthetische Polymerharze werden
sowohl zum Herstellen von Verpackungen und Verpackungsprodukten
als auch zahlreichen anderen Verwendungen wie etwa Baustoffen usw.
verbreitet verwendet. Wenn in Verpackungen und Verpackungsprodukten
enthaltene Gegenstände
und Materialien benützt
werden, werden die Verpackung und Verpackungsprodukte weggeworfen.
Falls diese Produkte lediglich in Deponien entsorgt werden, sind sie
zur nachfolgenden Rückgewinnung
der Materialbestandteile verloren. Weiterhin ist die Entsorgung
in Deponien unerwünscht,
da derartige Produkte, wie es bei synthetischen Harzen im allgemeinen üblich ist,
von niedriger Dichte sind und in der Deponie ein übermäßiges Volumen
in Anspruch nehmen.
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Es ist somit erwünscht, die geschäumten Materialien
in einer Form zu isolieren, die das Material zur erneuten Verwendung
zu anderen Produkten geeignet macht, wobei das Umarbeiten zu weiteren Verpackungen
eingeschlossen ist. Mehrere Rückgewinnungsverfahren
für diese
geschäumten
Materialien sind entwickelt worden.
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Das US-Patent Nr. 5 935 536 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Rückgewinnen geschäumter synthetischer
Harzabfälle
in einer zum nachfolgenden Spritzgießen geeigneten Form. Die Vorrichtung
schließt
einen ein Lösungsmittel
enthaltenden Tank mit einer Pumpe zum Pumpen gelöster Harzabfälle zu einem
Verdampfer ein. Der Verdampfer umfaßt ein Endlosband, auf das
gelöster
Harzabfall aufgebracht wird und in Form eines dünnen Films ausfällt. Eine
Heizvorrichtung ist unter dem Band angebracht, um die Trennung des
gelösten
Materials und Lösungsmittels
durch Verdampfung zu beschleunigen. Ein innerhalb eines das Endlosband
einschließenden
Gehäuse
angebrachtes Gebläse
stellt eine Luftzirkulation über
dem Band her, was die Verdampfung weiter fördert. Der dünne Film
wird über
eine Rolle gewickelt und einer erhitzten Walze ausge setzt, um die
vielen dünnen
Filmschichten zu einer festen, im allgemeinen zylinderförmigen Masse
zu schmelzen. Die feste Masse wird anschließend durch einen Granulator
zerkleinert. Das verdampfte Lösungsmittel
wird in einem Kühler
isoliert und wird wiederverwendet.
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Das US-Patent Nr. 5 629 352 beschreibt
ein Lösungsmittel
für Polystyrol
mit einem ausgezeichneten Lösungsvermögen und
chemischer Stabilität. Ein
verhältnismäßig einfaches
Rückgewinnungs- oder
Wiederverwendungsverfahren sowohl des Polystyrolschaums als auch
des Lösungsmittels
wird ebenfalls offenbart. Das Lösungsmittel
umfaßt
wenigstens einen aus der Gruppe ausgewählten Vertreter, die aus solch
einer Glykoletherverbindung wie Diethylenglykoldimethylether, Diethylenglykoldiethylether
oder Dipropylenglykoldimethylether und einer solchen Fettsäuredialkylesterverbindung
wie etwa Dimethylsuccinat, Dimethylglutarat oder Dimethyladipat
besteht. Das Verfahren umfaßt
zuerst das Lösen des
Polystyrolschaums in dem Lösungsmittel
und (1) Destillieren der erhaltenen Lösung bei einer Temperatur,
bei der sich Polystyrol nicht zersetzt, um das Lösungsmittel vom Polystyrol
zu trennen, (2) Fällen von
Polystyrol aus der erhaltenen Lösung
durch Zufügen
von Wasser zu der Lösung
oder (3) Fällen
von Polystyrol aus der erhaltenen Lösung durch Abkühlen der
Lösung
auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur, bei der sich
Polystyrol löst.
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Das US-Patent Nr. 5 462 233 beschreibt
ein Verfahren zum Isolieren rückgewinnbarer
geschäumter
Teilchen aus Preßlingen
geschäumter
Teilchen, die mit einem thermoplastischen Material (Grenzflächenmaterial)
beschichtete, geschäumte
Teilchen aus einem synthetischen Harz einschließen, dessen Schmelzpunkt niedriger
als der des synthetischen Harzes der geschäumten Teilchen ist oder dessen Löslichkeit
von der des synthetischen Harzes der geschäumten Teilchen verschieden
ist. Das Verfahren schließt
die Schritte des Erweichens oder Schmelzen des Grenzflächenmaterials
durch Erhitzen oder ihr Lösen
mit einem Lösungsmittel
und Auftrennen des Preßlings
aus geschäumten
Teilchen in einzelne Teilchen durch Anwenden einer Scherkraft darauf
unter solchen Verhältnissen
ein, daß die
Bindungsfestigkeit zwischen den geschäumten Teilchen in dem Preßling geschwächt ist.
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Ein gemeinsames Merkmal der Verfahren des
Standes der Technik zum Wiedergewinnen von Materialien aus geschäumten Polymermaterialien
ist die Verwendung von Lösungsmitteln
beim Verdichten des geschäumten
Polymers. Die Verwendung von Lösungsmitteln
ist jedoch unter vielen Aspekten unerwünscht. Erstens erhöht die Verwen dung
von Lösungsmitteln
im allgemeinen die Kosten des Wiedergewinnungsverfahrens. Zweitens
erfordern die meisten Lösungsmittel
während
des Verfahrens eine besondere Handhabung und müssen auf die Verwendung in
dem Verfahren folgend als Sondermüll entsorgt werden. Drittens
kann die Verwendung von Lösungsmitteln
zur Erzeugung gefährlicher
Gase führen.
Viertens erhöht
die Verwendung von Lösungsmitteln
die Länge
des Verfahrens, da die Wiedergewinnung des Materials aus dem Lösungsmittel
zusätzliche
Verarbeitungsschritte und Vorrichtungen erfordert, wie in den vorstehend
erörterten
Patenten angemerkt wird. Dies ist darin sehr bedeutsam, indem die
bestehenden Verfahren nicht in der Lage sind, ausreichend Volumen
zu bewältigen,
um mit der Menge des erzeugten geschäumten Polymerabfalls mitzuhalten.
Fünftens
können
die Lösungsmittel selbst
mit dem Material, das wiedergewonnen wird, chemisch in Wechselwirkung
treten und dadurch die Eigenschaften des Materials nachteilig verändern und
auf diese Weise die Brauchbarkeit des wiedergewonnenen Materials
bei der Herstellung recyclierter Produkte einschränken.
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Es wäre somit wünschenswert, ein einfacheres
und kostengünstigeres
Verfahren zu entwickeln, das vorzugsweise das Bedürfnis, Lösungsmittel
zu verwenden vermeidet, um Polymermaterial in Teilchenform aus geschäumten Polymeren
zurückzugewinnen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist
somit das Erhalten eines einfachen, kostengünstigen und schnellen Verfahrens
zum Wiedergewinnen von Polymerteilchenmaterialien aus geschäumten Polymeren.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Erhalten eines Verfahrens
zum Rückgewinnen
von Polystyrol aus geschäumtem
Polystyrol.
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Noch ein weiterer Gegenstand der
Erfindung ist das Erhalten eines Verfahrens zum Rückgewinnen
von Polymermaterialien aus geschäumten
Polymeren in einem mechanischen Verfahren, das frei von der Verwendung
irgendwelcher Lösungsmittel bei
dem Rückgewinnungsverfahren
ist.
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Diese und andere Gegenstände werden durch
die vorliegende Erfindung vollbracht, die ein Verfahren zur Rückgewinnung
von Polymermaterialien aus geschäumten
Polymermaterialien durch Mahlen/Verdichten der geschäumten Polymermaterialien in
Gegenwart heißer
Luft und ionisierter Luft zustande bringt. Das Polymer des geschäumten Polymers wird
in Teilchenform zurückgewonnen
und ist zur Wiederverwendung beim Herstellen recyclierter Produkte
geeignet. Diese und andere Gegenstände werden ebenfalls durch
die Erfindung vollbracht, die eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens der Erfindung zustande bringt.
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Die Erfindung setzt mechanische Verfahren zur
Rückgewinnung
des Polymermaterials ein und vermeidet auf diese Weise die Verwendung
chemischer Verfahren, d. h. die Verwendung von Lösungsmitteln und die vorstehend
erörterten,
damit verbundenen Probleme.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
die durch geschäumtes
Polystyrol während
des Mahlens in einer Mahlkammer erzeugten elektrischen Ladungen.
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2 veranschaulicht
den Zusatz ionisierter Luft in die Mahlkammer zum Steuern der Erzeugung elektrostatischer
Ladung und Freisetzen von Luft aus dem geschäumten Polystyrol.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es versteht sich, daß die Erfindung
zur Rückgewinnung
jedes Typs thermoplastischer Polymeren in Form von Teilchen aus
der geschäumten
Form derartiger thermoplastischer Polymeren verwendet werden kann.
Die geschäumten
thermoplastischen Polymeren können
zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und dergleichen
einschließen.
Die Erfindung ist jedoch am ehesten auf die Rückgewinnung von Polystyrolpolymer
in Teilchenform aus geschäumtem
Polystyrol anwendbar. Geschäumtes
Polystyrol ist das am gebräuchlichsten
in Verpackungsmaterialien verwendete Material. Die Erfindung wird somit
nachstehend hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform erläutert, die
sich auf die Rückgewinnung
von Polystyrolpolymer in Teilchenform aus geschäumtem Polystyrol bezieht, sollte
aber so verstanden werden, daß sie
leicht zur Anwendbarkeit (zum Beispiel nur durch Abändern der
Temperatur in der Mahlkammer) bei der Rückgewinnung anderer geschäumter thermoplastischer
Polymeren abgeändert
werden kann.
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Die Erfindung wird unter geeignetem
Bezug auf die Zeichnungsfiguren erläutert.
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Bei dem Verfahren der Erfindung wird
in dem Verfahren der Erfindung zu behandelndes geschäumtes thermoplastisches
Polymer 110 zuerst in eine Mahlkammer 10 einge bracht.
Das geschäumte thermoplastische
Polymer kann sich in jeder Form einschließlich zum Beispiel gebrauchten
Verpackungen usw. befinden. Die in 1 und 2 dargestellte Mahlkammer 10 ist
am besten zum absatzweisen Verarbeiten von geschäumtem thermoplastischem Polymer
geeignet, obschon ein kontinuierliches Verarbeiten ebenfalls möglich ist.
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Das geschäumte thermoplastische Polymer kann
durch einen oder mehr in der Mahlkammer vorgesehene Einlaßkanäle in die
Mahlkammer eingebracht werden. Wie in 1 dargestellt
kann der Einlaßkanal
am bequemsten eine Öffnung 30 im
Oberteil der Mahlkammer sein. Falls gewünscht können derartige Einlaßkanäle gegebenenfalls
verschließbar sein,
so daß die
Einlaßkanäle während des
absatzweisen Verarbeitens in der Mahlkammer geschlossen werden können.
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Bei dem Fassungsvermögen der
Mahlkammer besteht keine besondere Größenbegrenzung. Vom Standpunkt
der Wirtschaftlichkeit weist die Mahlkammer im Hinblick auf die
Verarbeitungszeit vorzugsweise ein Fassungsvermögen von 1 bis 1000 m3, vorzugsweise 1 bis 100 m3 auf.
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Die Mahlkammer schließt Mahlkomponenten darin
ein, kann aber jeden geeigneten, in der Technik zum Bewirken des
Mahlens des geschäumten
thermoplastischen Polymers bekannten Aufbau aufweisen. Das heißt, jede
herkömmliche
Mahlvorrichtung, Granulator, Pulverisiervorrichtung usw., die die
Größe eines
Materials verringert, kann verwendet werden. Die Vorrichtung muß in der
Lage sein, das geschäumte
thermoplastische Polymermaterial zu größtenteils einzelnen Teilchen
aus dem Polymer mechanisch zu verdichten, wobei als Ergebnis aus dem
geschäumten
Polymermaterial Luft freigesetzt wird.
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Eine geeignete Mahlkammer kann zum
Beispiel ein mit mehreren, durch einen Motor gedrehten Wellen ausgestattetes
Mahlwerk einschließen.
Außerdem
kann die Innenwand der Mahlkammer viele Vorsprünge aufweisen, die beim Mahlen
behilflich sind, wenn sich die Wellen drehen. Die Mahlkammer kann
auch ein System umfassen, das eine Mehrzahl Laufräder mit
Zähnen
darauf umfaßt,
die das geschäumte
Polymer mahlen.
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Das Mahlen des geschäumten Polymermaterials
in der Mahlkammer wird unter erhöhter
Temperatur ausgeführt.
Vorzugsweise ist die Temperatur während des Mahlens wenigstens
gleich dem bis etwa dem Schmelzpunkt des zu mahlenden geschäumten Poly mermaterials.
Polystyrol (spezifisches Gewicht von 1,04–1,08 g/cm3 bei
23°C) weist einen
Schmelzpunkt von 90 bis 100°C
auf, Polypropylen (spezifisches Gewicht von 0,85-0,91 in g/cm3 bei
23°C) weist
einen Schmelzpunkt von etwa 168°C auf,
Polyethylen niedriger Dichte (spezifisches Gewicht von 0,914–0,930 in
g/cm3 bei 23°C) weist einen Schmelzpunkt
von etwa 105°C
auf und Polyethylen hoher Dichte (spezifisches Gewicht von 0,94–0,96 in g/cm3 bei 23°C)
weist einen Schmelzpunkt von etwa 130°C auf. So wird zum Mahlen/Verdichten
von geschäumten
thermoplastischen Materialien das Mahlen/Verdichten bei einer erhöhten Temperatur
von zum Beispiel 90 bis 200°C
ausgeführt.
Zum Mahlen/Verdichten geschäumter
Polystyrolmaterialien wird das Mahlen/Verdichten bei einer erhöhten Temperatur
von zum Beispiel 90 bis 120°C
ausgeführt.
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Die erhöhte Temperatur in der Mahlkammer kann
durch jedes in der Technik bekannte Mittel einschließlich zum
Beispiel Erhitzen der Mahlkammer mit Heizvorrichtungen oder Wärmetauschern
erreicht werden. Vorzugsweise wird das Erhitzen auf die erhöhte Temperatur
durch Einleiten von erhitztem Gas 45 bis zu den vorstehend
erörterten,
gewünschten Temperaturen
in die Mahlkammer erreicht. Das erhitzte Gas ist am bevorzugtesten
Luft, obschon andere Gase einschließlich Dampf usw. verwendet
werden können.
Das erhitzte Gas wird wie in 2 veranschaulicht
vorzugsweise durch einen oder mehr im Unterteil der Mahlkammer gelegene
Einlaßkanäle eingeleitet.
Ein Aufwärtsströmen des
Gases durch die Mahlkammer ist beim Entfernen aus dem Polymermaterial,
das gemahlen wird, freigesetzter Luft aus der Mahlkammer behilflich.
Die Strömungsgeschwindigkeit
des erhitzten Gases ist nicht besonders begrenzt, aber unter dem
Standpunkt des Erhitzens und der Wirtschaftlichkeit kann eine Strömungsgeschwindigkeit
von 1 bis 5000 m3/min verwendet werden.
Das erhitzte Gas tritt durch einen oder mehr, vorzugsweise nahe
dem Oberteil der Mahlkammer befindliche Auslaßkanäle aus der Mahlkammer aus. Das
austretende Gas kann entweder abgeblasen oder wiedererhitzt und
in das Verfahren zurückgeführt werden.
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Ein beim mechanischen Mahlen des
geschäumten
Polymermaterials angetroffenes Hauptproblem ist die hohe Neigung
eines derartigen Materials, insbesondere geschäumten Polystyrols, während des
Mahlens als Ergebnis des Kontakts zwischen den Materialien und dem
Kontakt mit den Mahlelementen eine elektrische Ladung aufzubauen. Die
Erzeugung elektrostatischer Ladungen durch Mahlen wird in 1 dargestellt. Dies ist
problematisch, weil die Erzeugung derartiger Ladungen das Polymermaterial
zusammenkleben läßt und/oder
an der Mahlkammer und den Mahlelementen anhaften läßt und es
dadurch das Verdichten des Materials auf eine kleine Teilchengröße sehr
schwierig macht.
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Zum Unterdrücken der Erzeugung elektrostatischer
Ladungen und zum Ermöglichen
des erfolgreichen Verdichtens der geschäumten Polymermaterialien in
der Mahlkammer haben die Erfinder gefunden, daß durch das Einleiten von ionisiertem Gas 55 in
die Mahlkammer während
des Mahlens ein derartiges Ergebnis erzielt wird. Der Typ des ionisierten
Gases ist nicht begrenzt, aber ionisierte Luft ist am bevorzugtesten.
Das Gas kann durch jede geeignete, in der Technik bekannte Technik
ionisiert werden.
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Das ionisierte Gas wird wie in 2 dargestellt vorzugsweise
durch einen oder mehr, am Bodenteil der Mahlkammer befindliche Einlaßkanäle eingeleitet.
Erneut ist eine Aufwärtsströmung des Gases
durch die Mahlkammer beim Entfernen aus dem geschäumten Polymermaterial,
das gemahlen wird, freigesetzter Luft aus der Mahlkammer behilflich.
Die Strömungsgeschwindigkeit
des ionisierten Gases durch die Mahlkammer ist nicht besonders begrenzt,
aber eine Strömungsgeschwindigkeit
von 1 bis 5000 m3/min, bevorzugter von 100
bis 3000 m3/min kann verendet werden. Das
Gas tritt durch einen oder mehr, vorzugsweise nahe dem Oberteil
der Mahlkammer befindliche Auslaßkanäle aus der Mahlkammer aus.
Das austretende Gas kann entweder abgeblasen oder wieder ionisiert
und/oder erhitzt/wiedererhitzt und in das Verfahren zurückgeführt werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann das ionisierte Gas auf die vorstehend für das erhitzte Gas erörterten
Temperaturen erhitzt werden, wodurch es auch das notwendige Erhitzen der
Mahlkammer liefert und die Notwendigkeit eines Einleitens eines
getrennten erhitzten Gases in dem Verfahren beseitigt. Somit wird
in dieser Ausführungsform
kein getrennter Strom eines erhitzten, nicht-ionisierten Gases oder
andere Heizverfahren der Mahlkammer benötigt.
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Aus dem geschäumten thermoplastischen Polymermaterial
während
des Mahlens freigesetzte Luft wird durch einen oder mehr Auslaßkanäle aus der
Mahlkammer entfernt. Wie in 2 dargestellt befinden
sich die Auslaßkanäle vorzugsweise
am Oberteil der Mahlkammer. Die aus der Mahlkammer entfernte Luft
kann einfach in die Atmosphäre
abgeblasen werden, da das Verfahren umweltfreundlich ist oder sie
kann gesammelt und durch die Mahlkammer als erhitztes Gas oder ionisiertes
zurückgeführt werden.
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Das Mahlen wird vorzugsweise über einen zum
Verdichten des geschäumten
thermoplastischen Polymers auf eine gewünschte Teilchengröße ausreichenden
Zeitraum fortgesetzt. Eine bevorzugte Endteilchengröße ist zum
Beispiel weniger als 10 mm Durchmesser, bevorzugter weniger als
5 mm Durchmesser und am bevorzugtesten weniger als 3 mm Durchmesser.
Zum Erzielen eines derartigen Ergebnisses wird das Mahlen in einem
absatzweisen Verfahren über
einen Zeitraum von zum Beispiel 1 bis 180 Minuten, bevorzugter von
1 bis 60 Minuten fortgesetzt.
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Die erhaltenen Teilchen werden der
Mahlkammer nach dem Mahlen vorzugsweise über einen oder mehr Auslaßkanäle der Mahlkammer
entnommen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die Teilchen bevorzugt durch eine Klassiervorrichtung, z. B. ein
Sieb, ein Sortierer, Rüttelsieb
usw., geführt,
so daß die
Teilchen sauber verlesen werden. Dies führt zu sauber klassierten thermoplastischen
Polymerteilchen. Die Größenerfordernisse
nicht erfüllende
Teilchen werden vorzugsweise zurück
in die Mahlkammer zum weiteren Mahlen mit oder ohne frisches geschäumtes thermoplastisches
Polymermaterial geführt.
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Wie vorstehend angemerkt ist die
in 1 und 2 dargestellte Mahlkammer 10 zum absatzweisen
Verarbeiten von geschäumtem
thermoplastischem Polymer am besten geeignet. Es versteht sich jedoch,
daß die
Erfindung auch in kontinuierlicher Weise unter Verwenden einer zum
kontinuierlichen Mahlen geeigneteren Mahlvorrichtung ausgeführt werden
kann. Es wird zum Beispiel auf die kontinuierliche Mahlvorrichtung
des US-Patents 5
595 349, das hierin durch Verweis inbegriffen ist, verwiesen. Ionisierte
und heiße
Luft kann in die Mahlzone einer derartigen Vorrichtung mit derselben
Geschwindigkeit wie vorstehend beschrieben eingeleitet werden. Bei der
kontinuierlichen Ausführungsform
wird der Eintrag des geschäumten
thermoplastischen Polymers der Mahlkammer kontinuierlich zugeführt und
die gemahlenen Teilchen werden der Mahlkammer kontinuierlich entnommen.
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Das Verfahren und die Vorrichtung
der Erfindung stellen ein schnelles und kostengünstiges mechanisches Verfahren
zum Verdichten geschäumter Polymerer,
insbesondere geschäumten
Polystyrols bereit. Das Verfahren und die Apparatur vermeiden die
Verwendung von Lösungsmitteln
bei der Verdichtung der geschäumten
Polymeren, d. h. das Verfahren wird lösungsmittelfrei ausgeführt, wodurch
die mit der Verwendung derartiger Lösungsmittel verbundenen Probleme
vermieden werden. Die aus dem Verfahren der Erfindung erhaltenen
Endteilchen können beim
Herstellen neuer Produkte einschließlich zum Beispiel geschäumter Produkte
wie etwa Verpackungen usw. recycliert/wiederverwendet werden.