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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur mechanischen
Zerkleinerung elastischer Materialien und insbesondere von vulkanisiertem
Gummi, einen Zwischenerzeugnis-Verbundkörper, der in dem Verfahren
verwendet wird, und das durch das Verfahren erzeugte Pulver.
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Hintergrund
der Erfindung
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Sowohl
Umweltüberlegungen
als auch wirtschaftliche Überlegungen
machen die Wiederverwendung von Materialien zu einem wichtigen Thema. Unterschiedliche
Abfallmaterialien werden sortiert, verschiedenen Behandlungen unterzogen
und als Rohmaterialien zur Herstellung neuer Produkte verwendet.
In vielen Fällen
machen es die Eigenschaften des Abfalls schwierig, das Material
in eine zur Wiederverwendung geeignete Form zu verarbeiten. Derartige
Eigenschaften können
die physikalischen Eigenschaften des Abfalls wie seine Elastizität sein. Ein
Beispiel für
derartige Materialien ist vulkanisierter Gummi, das Material von
Autoreifen, Förderbändern, Gummimatten,
etc..
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Im
Zusammenhang mit abgenutzten Reifen gibt es spezielle Probleme,
sowohl hinsichtlich Recycling als auch hinsichtlich Entsorgung an
Abfallentsorgungs- oder
Deponie-Plätzen.
Zusätzlich
dazu, dass moderne Reifen eine Gummimatrix, die natürlichen
und/oder synthetischen Gummi aufweist, enthalten, enthalten sie
auch Ruß,
Plastifizierungsmittel, Vernetzungsmittel, Antioxidanzien, Ozonschutzmittel und
andere leistungsverbessernde Zusätze
plus einer Verstärkungsstruktur,
die aus Metalldraht oder Metallfasern besteht.
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Zusätzlich dazu,
dass sie auf Abfallentsorgungsplätzen
sehr viel Platz einnehmen, verursacht das Deponieren von Reifen
auch mehrere andere Probleme. Die Form des Reifens veranlaßt ihn,
langsam aber sicher nach oben zur Oberfläche des Entsorgungsplatzes
zu wandern und dadurch den Abbauprozeß zu unterbrechen. Reifen sind
auch beständig
gegen Abbau, da sie hergestellt sind, um sowohl thermischem als
auch biologischem Abbau sowie mechanischem Verschleiß zu widerstehen.
Darüber
hinaus sind Reifen beständig
gegen Ultraviolettstrahlung, Ozon und andere Oxidationsmittel, sowie gegen
Wasser und Eis. Feuer in Gebrauchtreifenlagern oder Reifen enthaltenden
Abfall-Deponien sind problematisch, da sie sich als sehr schwierig
zu löschen
erwiesen haben. Zusätzlich
setzen derartige Feuer toxische Substanzen sowohl in den Rauch als auch
in das zum Löschen
des Feuers verwendete Wasser frei.
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Die
Wiederverwendung von vulkanisiertem Gummi – wofür gebrauchte Reifen eine wesentliche Quelle
sind – hat
mehrere Probleme bereitet, insbesondere wie Gummiabfall in brauchbares
Rohmaterial für
neue Produkte umzuwandeln ist. Als ein Ergebnis wird nur eine geringere
Menge des Gummiabfalls wieder verwendet, und daher muß der Hauptteil
verbrannt werden, als Geländeverfüllung benutzt
oder zusammen mit kommunalem Abfall deponiert werden. Das Recycling
von Gummi war bisher auf relativ unkomplizierte Anwendungen wie
als Sprengmatten, als einen Zusatz in Asphalt oder bei der Produktion vibrationsarmer
Bodenbeläge
gerichtet.
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Zerschnittene
oder geschredderte Gummifragmente können auch für Zwecke wie Bodenverbesserung,
als Füllmaterial
für Bauwerke,
z. B. beim Straßenbau
für Erholungswege
und Laufbahnen, etc., so wie sie sind verwendet werden. Ein Vermischen
mit Kompost ist ebenfalls vorgeschlagen worden.
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Das
US-Patent Nr. 4 386 182 gibt an, dass der teilchenförmige vulkanisierte
Gummi zur Verwendung bei der Herstellung thermoplastischer elastomerer
Zusammensetzungen eine mittlere Teilchengröße von unter 1,5 mm haben sollte.
Gemäß einer anderen
Schrift, dem US-Patent Nr. 5 157 082, das die Herstellung einer
Teilchen aus vulkanisiertem Gummi enthaltenden thermoplastischen
Zusammensetzung betrifft, muß der
Gummi in der Form gemahlener, kleiner dispergierter Teilchen von
im wesentlichen 1,5 mm oder darunter im Zahlenmittel vorliegen. Es
ist jedoch schwierig, diesen Zerkleinerungsgrad bei industriellen
Anwendungen zu erreichen. Die mechanische Zerkleinerung oder das
Mahlen von vulkanisiertem Gummi auf eine Teilchengröße von 1,5
mm und darunter wird durch die elastischen Eigenschaften des Materials
und die beträchtliche
Wärmeentwicklung
während
der mechanischen Behandlung sehr schwierig gemacht. Darüber hinaus
erhöht
die erhöhte
Temperatur die Elastizität
des Gummis.
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Stand der
Technik
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Die
gegenwärtig
angewendete Lösung
des obigen Problems der Zerkleinerung eines elastischen Materials
auf eine homogene und feine Teilchengröße ist das sogenannte kryogenische
Verfahren. Nach diesem Verfahren werden Gummigegenstände oder grobe
Gummifragmente mit flüssigem
Stickstoff auf etwa –80° C abgekühlt. Bei
der Temperatur wird der Gummi spröde und kann mechanisch gebrochen werden,
typischerweise in einer Hammermühle.
Der so erzeugte teilchenförmige
Gummi wird dann in Schüttelsieben
gesiebt und in die gewünschten
Teilchengrößen-Fraktionen
sortiert. Das Gummipulver wird üblicherweise
in Fraktionen von etwa 0 – 0,2
mm bis 1 – 4mm
sortiert. In der Praxis stellen jedoch die am meisten erwünschten
Fraktionen, d. h. jene unterhalb 1,5 mm, nur einen geringeren Teil
der Gesamtmenge des teilchenförmigen
Gummis dar. Das obige Verfahren ist außerdem relativ kostenintensiv,
da die Verarbeitung von 1 kg Gummi etwa 0,5 kg Stickstoff erfordert.
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Außerdem offenbart
die WO 98/20067 des Erfinders der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer Materialzusammensetzung, in der recycelter teilchenförmiger vulkanisierter
Gummi den Hauptbestandteil darstellt. Die Beschreibung offenbart
ein Verfahren und eine Zusammensetzung, die durch die Verwendung
expansionsfähiger
Mikrokügelchen
gekennzeichnet sind. Die expansionsfähigen Mikrokügelchen
werden in einer Menge von etwa 2 – 30 Gew.% der Zusammensetzung
zugegeben.
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Daher
besteht nach wie vor ein Bedarf an neuen Verfahren zur Behandlung
von elastischem Abfall und insbesondere von vulkanisiertem Gummi, um
ihn in brauchbares Rohmaterial zu verwandeln und seine effiziente
Wiederverwendung zu ermöglichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat überraschend gefunden, dass
die obigen Probleme durch ein Verfahren gemäß den angefügten Ansprüchen gelöst werden. Zusammenfassend
werden die Probleme überwunden,
indem zuerst ein Verbundkörper
gebildet wird, der hauptsächlich
aus vulkanisiertem Gummiabfall und einer geringeren Menge eines
thermoplastischen Materials als ein Bindemittel besteht, und dann
dieser Verbundkörper
einer mechanischen Behandlung unterzogen wird. Ein homogenes feinteiliges
Pulver wird einfacher und mit geringeren Kosten als durch die Verfahren
des Stands der Technik erzeugt.
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Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerkleinerung elastischer
Materialien. Der Begriff "Zerkleinerung" soll jedes vorstellbare
Verfahren zur mechanischen Erzeugung eines Teilchenmaterials oder
Pulvers, wie Mahlen, umfassen. Der Begriff "elastisches Material" umfasst in diesem Zusammenhang alle
Materialien, deren elastische Eigenschaften ihre Zerkleinerung schwierig
machen. Der Begriff "Gummi" bedeutet in diesem
Zusammenhang alle vulkanisierten Elastomergemische natürlicher oder
synthetischer Herkunft und wird als ein Beispiel für elastische
Materialien verwendet.
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Relativ
große
Stücke
oder Schnipsel von vulkanisiertem Gummi werden auf einfache Weise
nach wohlbekannten Verfahren, z. B. durch Schneiden oder Schreddern,
erzeugt. Nach dem vorliegenden Verfahren wird derartiger geschredderter
Gummi mit einem thermoplastischen Material in Teilchenform gemischt.
Dieses Gemisch wird dann in eine verschließbare Form oder Guß form gebracht
und stark komprimiert, bevorzugt auf etwa die Hälfte seines Ausgangsvolumens,
um in dem Gemisch möglicherweise
eingeschlossene Luft herauszupressen. Die geschlossene Form wird
dann auf den Erweichungspunkt des thermoplastischen Materials oder
auf eine Temperatur von etwa 150 – 200° C erwärmt. Wegen des Einflusses von
Temperatur und Druck verbindet das thermoplastische Material die
Gummiteilchen wirkungsvoll zu einem Verbundkörper, der seine Gestalt beim
Abkühlen
und Entfernen aus der Form beibehält.
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Die
Menge an Gummi in dem Gemisch kann wichtigerweise entsprechend dem
gewünschten Gummigehalt
des Endprodukts, des feinteiligen Gummipulvers, variiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt dem Verwender ein hohes Ausmaß an Freiheit bei der Wahl
der Zusammensetzung des Gemisches. Bevorzugt ist die Menge an Gummi
die höchste
Menge, die noch einen Verbundkörper
mit der nötigen
mechanischen Festigkeit ergibt. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung liegt die Menge an Gummi in dem Bereich von etwa 50
bis etwa 80 Gew.%, bevorzugt etwa 80%, des Gesamtgemisches. Die
Menge an Gummi hängt
natürlich
nicht nur von den gewünschten
Eigenschaften des Endproduktes ab, sondern auch von den Bindungseigenschaften,
die mit dem thermoplastischen Material erzielt werden, und von der
in jedem Fall verwendeten Schnitzelgröße. Bedeutsamerweise kann die
Zusammensetzung des Endprodukts bereits bei der Auswahl der Rohmaterialien
(elastisches Material und Bindemittel) und ihrer wechselseitigen
Mengen entschieden werden.
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In
Abhängigkeit
von der Wahl des thermoplastischen Materials und der Menge an Gummi
kann die Teilchengröße des geschredderten
Gummis innerhalb von 1,5 – 20
mm und einer Dicke von etwa 1 – 3
mm variiert werden.
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Bevorzugt
ist der in dem vorliegenden Verfahren verwendete geschredderte Gummi
ein Gummi mit einer Teilchengröße von etwa
5 – 10
mm und einer Dicke von etwa 3 mm. Dies ist ein Rückstandsprodukt oder Abfall,
das (der) häufig
angetroffen wird und leicht erhältlich
ist, z. B. aus der Runderneuerung von Reifen.
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Das
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendete thermoplastische Material wird bevorzugt unter
den folgenden Kunststoffen ausgewählt: EVA, PE, PP, EPM, einem äquivalenten
Material oder einem Gemisch irgendwelcher der Kunststoffe. Der Thermoplast
kann entweder neu oder recycelt sein, und er wird in Form eines
Pulvers oder eines Granulats verwendet. Bei der Auswahl des Typs
des thermoplastischen Materials und seiner Menge sollte die beabsichtigte
Verwendung des erzeugten Pulvers in Betracht gezogen werden. Wenn
das Pulver zur Weiterverarbeitung gedacht ist, wie für Formguß, Formpressen,
Strangpressen oder Spritzgießen,
wird die Art und die Menge des thermoplastischen Materials natürlich unter
Erwägung
dieser Weiterverarbeitung oder Endnutzung ausgewählt. Durch passende Auswahl
des Rohmaterials wird so die Zusammensetzung und Qualität des Endprodukts
sichergestellt. Bevorzugt ist der Thermoplast EVA.
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Wenn
der abgekühlte
Verbundkörper
aus der Form entfernt wird, kann er wie gewünscht gehandhabt werden, z.
B. gelagert, transportiert, verkauft, etc., bevor er der mechanischen
Behandlung unterzogen wird.
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Die
Gestalt der Form und daher des Verbundkörpers wird so gewählt, dass
ein Körper
erzeugt wird, der für
die weitere Handhabung und insbesondere die mechanische Behandlung
geeignet ist. Bevorzugt hat der Verbundkörper eine längliche Gestalt, z. B. ein
Stab mit einem kreisförmigen,
rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Eine andere Gestalt
des Verbundkörpers
ist ein zylindrischer Körper
mit der Gestalt und den Abmessungen eines gewöhnlichen Fahrzeugreifens für den Zweck,
dass er in vorhandene Maschinen, die in Reifenrunderneuerungsanlagen
verwendet werden, paßt.
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Erfindungsgemäß wird der
Verbundkörper einer
mechanischen Behandlung unterzogen und durch schnelldrehende Schneidwerkzeuge
mit einer Vielzahl von Schneidezähnen
pulverisiert. Das Schneidwerkzeug kann ein ähnliches Werkzeug sein wie
jene, die zum Entfernen der Lauffläche an Reifen vor der Runderneuerung
verwendet werden. Diese haben häufig
Sägezahn-Blätter oder
-Elemente, die in schneckenartigen Rillen befestigt sind. Es ist
offensichtlich, dass mehrere andere Werkzeuge oder Gestaltungen
von Werkzeugen anwendbar sein können, vorausgesetzt,
dass das gewünschte
teilchenförmige Gummipulver
erzeugt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird der Verbundkörper
in Maschinen, die speziell für
diesen Zweck konstruiert wurden, oder in gegenwärtig bekannten Maschinen, die
in Reifenrunderneuerungsanlagen zum Entfernen der Lauffläche von
Gebrauchtreifen verwendet werden, einer mechanischen Behandlung
unterzogen und durch schnelldrehende Schneidwerkzeuge mit einer
Vielzahl von Schneidezähnen
pulverisiert.
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Die
Teilchengröße und die
Teilchengrößenverteilung
des Endprodukts wird durch passende Wahl der Zahngröße des Schneidwerkzeugs
und die passende Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs
und/oder der Kraft, mit der der Verbundkörper oder das Schneidwerkzeug
gegeneinander geführt
werden, kontrolliert. Dies hat sich als ein sehr zuverlässiger Weg
zum Kontrollieren der Teilchengröße erwiesen.
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Während der
mechanischen Behandlung wird das Schneidwerkzeug und/oder der Verbundkörper bevorzugt
durch ein Kühlmedium,
z. B. Wasser oder Luft, gekühlt.
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Zusätzlich dazu,
dass es die Probleme der Verfahren des Standes der Technik löst, eröffnet das vorliegende
Verfahren auch neue Möglichkeiten.
Da es ein beträchtlich
kostengünstigeres
Verfahren zur Erzeugung von Gummipulver einer homogenen und vergleichsweise
feinen Teilchengröße ist,
eröffnet das
erfindungsgemäße Verfahren
neue Verwendungen von Abfallgummi. Das durch das erfindungsgemäße Verfahren
erzeugte Pulver wird leicht an die beabsichtigte Verwendung angepaßt, ohne
weitere Behandlung oder sogar ohne den nachfolgenden Zusatz weiterer
Bestandteile, da die Eigenschaften des Produkts durch die Art und
Menge des thermoplastischen Materials beeinflußt werden.
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Das
vorliegende Verfahren ist nicht auf die Behandlung von vulkanisiertem
Gummi oder von vulkanisiertem Gummi von Autoreifen oder Reifen von anderen
Fahrzeugen beschränkt,
sondern auch auf gebrauchte Förderbänder, Gum mimatten,
etc., anwendbar. Wie vorher beschrieben, liefert das Verfahren die
Möglichkeit,
elastisches Material jeglicher Herkunft zu zerkleinern, ohne auf
eine kostspielige Tieftemperaturverarbeitung zurückzugreifen.
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Das
durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte
Pulver ist für
die Herstellung verschiedener elastischer, schalldämpfender
oder schwingungsdämpfender
oder wärmeisolierender
Materialien, und insbesondere für
großvolumige
Produkte geeignet. Eine nicht erschöpfende Liste von Produkten
umfasst Straßen-
und Spielplatz-Fundamente, Schallisolierungen, Zäune oder andere Barrieren zur
Lärmkontrolle,
Fundamentplatten für
Eisenbahnkreuzungen, schwingungs- oder schalldämpfende Schichten, Isoliermaterial,
etc.. Für
die Herstellung von Gegenständen,
bei denen es wichtig ist, dass das Material die Formhohlräume vollständig füllt, kann
das Pulver mit expansionsfähigen
Mikrokügelchen,
wie sie in WO 98/20067 von demselben Erfinder beschrieben werden,
gemischt werden.
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Beispiel
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Gummiteilchen
(8 kg) mit einer Teilchengröße von etwa
5 – 10
mm und einer Dicke von etwa 3 mm wurden von einer Runderneuerungsanlage
erhalten. EVA-Pulver (2 kg) wurde von Exxon Chemicals Co. erhalten.
Das Material wurde in einem Gewichtsverhältnis von 80:20 sorgfältig gemischt
und dann in einer Form komprimiert, um in dem Gemisch eingeschlossene
Luft zu entfernen. Die verschlossene Form wurde in einem thermostatisch
kontrollierten Ofen bei 150° C
etwa 30 Minuten lang erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden die Verbundkörper aus
der Form entfernt.
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Der
Verbundkörper
wurde dann einem mechanischem Mahlen unterzogen, wobei ein konventionelles
Werkzeug zum Entfernen der Lauffläche von gebrauchten Reifen
verwendet wurde. Durch Einstellen der Mahlparameter wurde ein Pulver
mit einer Teilchengröße von etwa
0,2 – 0,5
mm erzeugt. Dieses Pulver wurde dann zur Herstellung von Schallschutzmatten
verwendet.
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Das
obige Verfahren wurde unter Verwendung von PE oder Polyethen (2
kg) anstelle von EVA wiederholt, was auch zu einem hochgradig zufriedenstellenden
Endprodukt führte.
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Die
Erfindung wurde zwar im Hinblick auf ihre bevorzugten Ausführungsformen,
die die beste den Erfindern zur Zeit bekannte Art darstellen, beschrieben,
aber es versteht sich, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen,
wie sie für
einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein
würden,
durchgeführt
werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung, der in den hieran angefügten Ansprüchen dargelegt
ist, abzuweichen.