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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Granulat aus einem thermoplastischen Harz, das einer Granuliervorrichtung
oder einer weiteren Formvorrichtung zugeführt werden soll.
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Stand der
Technik
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Zur
Herstellung eines thermoplastischen Harzes wird ein pulverförmiges Rohmaterial
des thermoplastischen Harzes, das durch Polymerisation einer Vielzahl
von Materialien und anschließendem Trocknen
des hergestellten Polymers erhalten wird, gekühlt, anschließend mit
einem Hilfsstoff wie einem Plastifizierungsmittel oder einem anderen
Harzmaterial vermischt und anschließend in einem Schneckenextruder
zu Pellets mit einer Korngröße von etwa
10 mm oder darunter granuliert. Die so hergestellten Pellets werden
einer weiteren Formvorrichtung zugeführt, wie beispielsweise einer
Spritzgussvorrichtung oder einer Blasformvorrichtung, damit sie
in die Form eines Endprodukts gebracht werden können.
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Kurz
nach dem Trocknen und Kühlen,
wie oben beschrieben, hat das pulverförmige Rohmaterial eines thermoplastischen
Harzes eine geringe Volumendichte und es sind daher unverhältnismäßig große Einrichtungen
für seinen
Transport und seine Aufbewahrung erforderlich. Außerdem führt eine
geringe Volumendichte des pulverförmigen Rohmaterials in einem
Schneckenextruder nicht nur zu einem Gleiten zwischen der Schnecke
und dem Gehäuse
des Schneckenextruders, sondern auch zu einem hohen Kompressionsverhältnis, was
wiederum zu einem unnötig
hohen Energieverbrauch des Schneckenextruders beim Antrieb führt.
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Diesen
Nachteilen kann abgeholfen werden, indem das pulverförmige Rohmaterial
zunächst
in Form von Flocken kompressionsgeformt wird, indem es zwischen
zwei parallelen Rollen, mit einem kleinen Abstand dazwischen hindurchgeführt wird
und die erhaltenen Flocken anschließend in Form von Granulat mit
einem Korndurchmesser von 10 mm oder darunter zerkleinert werden.
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Das
auf diese Weise hergestellte Granulat hat jedoch keine zufrieden
stellend hohe Volumendichte und besitzt daher nicht die gewünschte mechanische
Festigkeit.
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Wenn
das Granulat mit gleichförmigen
Korngrößen in einem
engen Bereich hergestellt werden soll, führt es außerdem zu niedrigen Ausbeuten.
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In
der internationalen Patentanmeldung WO 98/26911 wird ein Verfahren
zur Herstellung von Kunststoffmaterialien und vorzugsweise thermoplastischen
Materialien beschrieben, das umfasst, ein Polymer in Pulverform
oder Granulatform mit Zutaten zum Compoundieren zu vermischen und
das Gemisch in Form von Tabletten oder Pellets bei einer Temperatur
von weniger als 100 °C
in der Kälte
zu pressen.
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US 4 424 016 bezieht sich
auf die Herstellung von Pellets mit hoher Dichte, wobei ein pulverförmiges Rohmaterial
durch zwei Walzen mit gegenüberliegenden
Hohlräumen
hindurchgeführt
wird.
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In
der Druckschrift
US 3 791 802 wird
eine Brikettiervorrichtung beschrieben, die zwei Walzen aufweist,
die eine Vielzahl von Taschen definieren, die sich in einer Linie
entlang den beiden Walzen quer zur Fallrichtung des Materials erstrecken,
wobei das zugeführte
Material gleichförmig über die
Breite der Brikettierwalzen verteilt wird; die resultierenden Briketts
haben dafür
daher unabhängig
von der Tasche, in der sie geformt wurden, eine gleichförmige Dichte.
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Offenbarung
der Erfindung
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Ein
erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Granulat aus einem thermoplastischen Harz anzugeben, das eine zufrieden stellend
hohe Schüttdichte
aufweist.
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Ein
zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, in
effizienter Weise Granulat aus einem thermoplastischen Harz mit
zufrieden stellend gleichmäßiger Korngröße anzugeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Granulat aus einem thermoplastischen
Harz gemäß Anspruch
1 angegeben.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren
zur Herstellung von Granulat aus einem thermoplastischen Material das
Mischen des pulverförmigen
Rohmaterials mit einem Hilfsmaterial bei einer Temperatur von 40 °C oder darüber vor
dem Formpressen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der minimale Abstand
d zwischen den beiden Walzen im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm (0,5
mm ≤ d ≤ 1,0 mm) eingestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm für
ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Harzes in
Pelletform, das ein Herstellungsverfahren für ein Granulat aus einem thermoplastischen
Harz gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst. 2 ist ein Blockdiagramm für ein weiteres
Herstellungsverfahren für
ein thermoplastisches Harz in Pelletform, das ein Herstellungsverfahren
für ein
Granulat aus einem thermoplastischen Harz gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst. 3 ist eine Schnittansicht, von vorne
gesehen, einer Walzenpresse, die erfindungsgemäß verwendet wird. 4 ist
eine detaillierte Ansicht eines Hauptteils von 3. 5 ist
eine von 4 verschiedene Ansicht, in Richtung
der in 4 angegebenen Pfeile A. 6 zeigt
Daten, die die Beziehung zwischen der Temperatur des pulverförmigen Polycarbonat-Rohmaterials
und der Schüttdichte des
aus diesem Rohmaterial hergestellten Granulats aus dem thermoplastischen
Harz zeigt. 7 zeigt Daten, die die Beziehung
zwischen der Temperatur des pulverförmigen Polycarbonat-Rohmaterials
und der Zerquetschfestigkeit und Dichte des aus diesem Rohmaterial
hergestellten, formgepressten Produkts zeigen.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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In
dem Herstellungsverfahren für
Pellets aus thermoplastischem Harz, das in 1 dargestellt wird,
wird ein pulverförmiges
Rohmaterial aus einem thermoplastischen Harz, das durch Polymerisation einer
Vielzahl von Materialien und anschließendem Trocknen des erhaltenen
Polymers hergestellt wird, formgepresst, indem es zwischen zwei
Walzen hindurchgeführt
wird, die mit einer kleinen Lücke
dazwischen parallel angeordnet sind, wobei sie nicht gekühlt werden,
speziell bei einer Temperatur von 40 °C oder darüber und vorzugsweise 50 °C oder darüber. Das
erhaltene formgepresste Produkt wird dann in Form von Granulat mit
Korndurchmessern von 10 mm oder darunter zerkleinert. Das so hergestellte Granulat
wird mit einem Hilfsmaterial vermischt und anschließend zu
einem Schneckenextruder gefördert,
wo es in die Form von Pellets granuliert wird.
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Bei
dem in 2 gezeigten Herstellungsprozess für Pellets
aus einem thermoplastischen Harz wird ein pulverförmiges Rohmaterial
eines thermoplastischen Harzes nach Polymerisation und Trocknen
ohne Kühlung
mit einem Hilfsmaterial insbesondere bei einer Temperatur von 40 °C oder darüber und
vorzugsweise 50 °C
oder darüber
vermischt und anschließend
formgepresst, indem es zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird,
die mit einer kleinen Lücke
dazwischen parallel angeordnet sind. Das erhaltene formgepresste
Produkt wird dann zu Granulat mit Korndurchmessern von 10 mm oder
darunter zerkleinert. Das so erhaltene Granulat wird zu einem Schneckenextruder
gefördert,
wo es in die Form von Pellets granuliert wird.
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Es
können
beliebige Arten von thermoplastischen Harzen verwendet werden, beispielsweise
Polyethylen, Polyethylentherephthalat, Polystyrol, ABS-Harz, Methacrylatharz,
Polyamid, Polycarbonat, Polyacetal, Polyphenylenether, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon,
Polysulfon, Fluororesin, Polybutylenterephthalat oder dergleichen.
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Das
hinzugefügte
Hilfsmaterial kann beispielsweise ein Weichmacher, ein Stabilisierungsmittel
(Polyvinylchlorid-Stabilisierungsmittel, weichmachendes Stabilisierungsmittel,
härtendes
Stabilisierungsmittel), ein Flammschutzmittel, ein Antioxidationsmittel
(Oxidationsinhibitor), ein UV-Absorber, ein Farbmittel, ein antistatisches
Mittel, ein Verstärkungsmittel
(Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramidfaser, Borfaser, synthetische
Faser (Vinylon, Polyester)), ein Füllstoff (für die Zwecke der Verstärkung, der
Abschirmung, der elektrischen Leitfähigkeit, für die Schmierung, zur Absorption,
für die
Tropfenverhinderung, für
die Wetterfestigkeit, zur Einstellung des thermischen Dehnungskoeffizienten,
für die
Verbesserung der Bedruckbarkeit oder der Haftung, zum Strecken oder
dergleichen) etc sein.
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Die
erhaltenen Pellets werden einer zweiten Formvorrichtung zugeführt, wo
sie in die Form eines Endprodukts geformt werden.
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Die
zweite Formvorrichtung kann beispielsweise eine Formpressmaschine,
eine Kalandriervorrichtung, ein Extruder, eine Blasformvorrichtung,
eine Vakuum- oder Druckluftformvorrichtung, eine Schäummaschine,
eine Spritzgießvorrichtung
oder dergleichen sein.
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Das
Granulat kann der zweiten Formvorrichtung intakt, d. h. ohne in
die Form von Pellets granuliert worden zu sein, zugeführt werden.
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Da
ein thermoplastisches Harz bei hohen Temperaturen plastisch wird,
ist es möglich,
Granulat mit einer hohen Schüttdichte
herzustellen, indem ein pulverförmiges
Rohmaterial direkt nach dem Trocknen formgepresst wird, indem es
ohne Kühlung,
d. h. bei einer Temperatur von 40 °C oder darüber, zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird.
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6 zeigt
die Beziehung zwischen der Schüttdichte
des erhaltenen Granulats und der Temperatur des pulverförmigen Rohmaterials,
wenn das aus Polycarbonat bestehende pulverförmige Rohmaterial, das nach
der Polymerisation oder nach dem Trocknen eine Volumendichte von
0,21 g/cm3 aufweist, zunächst in Form von 4 mm dicken
Flocken formgepresst wird, indem es zwischen zwei Walzen mit einer
Kompressionskraft von 39,23 kN (4 t wie ursprünglich eingereicht war) für jeden
Zentimeter Breite entlang der Achsen der Walzen hindurchgeführt wird,
und dann zur Herstellung von Granulat mit Korndurchmessern von 3
bis 5 mm zerkleinert und gesiebt wird. 6 zeigt,
dass die Schüttdichte
des erhaltenen Granulats umso höher
ist, je höher
die Temperatur des pulverförmigen
Ausgangsmaterials ist.
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Wenn
ein stark wärmebeständiges thermoplastisches
Harz, wie Polyphenylensulfid bei einer gewöhnlichen Temperatur von 25 °C verwendet
wird, ist es nicht möglich,
unter einem Formdruck von 98,067 MPa (1 t/cm2)
ein zufrieden stellend hartes Produkt zu erhalten, und das Produkt
kann daher den Stößen beim
pneumatischen Transport nicht standhalten und wird dadurch zertrümmert. Auf
der anderen Seite ist es mit einem pulverförmigen Rohmaterial bei 100 °C oder darüber möglich, ein
zufrieden stellend hartes Produkt zu erhalten. Die bevorzugte Temperatur
des pulverförmigen
Rohmaterials liegt daher bei 100 °C
oder darüber.
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7 zeigt
die Daten der Zerquetschfestigkeit und der Dichte des Produkts,
wenn ein Zylinder von 25 mm Durchmesser und 25 mm Höhe mit einem pulverförmigen Rohmaterial
aus Polyphenylensulfid gefüllt
und das Harz anschließend
mit einem Kolben bei einem Druck von 98,067 MPa (1 t/cm2)
formgepresst wird, wobei die Temperatur des pulverförmigen Rohmaterials
jeweils 25 °C
oder 100 °C
beträgt.
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Die
Walzen können
flache, glatte umlaufende Oberflächen
besitzen oder feine Vertiefungen in der umlaufenden Oberfläche entlang
der Achse oder des Umfangs aufweisen oder sie können gewellte umlaufende Oberflächen besitzen.
Die beiden Walzen sind mit einer Lücke von etwa 2 bis 5 mm angeordnet.
Bei einem stark plastischen Harz hat das zerkleinerte Produkt jedoch
unregelmäßige Formen
und sehr raue Schnittflächen,
was häufig
zu einer unerwartet geringen Volumendichte führt. Außerdem zeigt das zerkleinerte
Produkt eine übermäßig große Korngrößenverteilung,
sodass es erforderlich ist, dass das zerkleinerte Produkt gesiebt
wird, um Granulat mit gleichförmigen
Korngrößen zu erhalten,
wobei Granulat mit Korngrößen, die
größer als
gewünscht
sind, nochmals zerkleinert wird und Granulat mit Korngrößen, die
kleiner als gewünscht
sind, rückgeführt wird,
um nochmals zwischen den Rollen formgepresst und anschließend zerkleinert
zu werden. Dies führt
zu niedrigen Ausbeuten.
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Daher
wird das Formpressen unter Verwendung der Walzen 1 und 1 durchgeführt, die
eine große
Zahl von gleichmäßig geformten
Hohlräumen 1a, 1a gleicher
Größe aufweisen,
die über
die gesamte umlaufende Oberfläche
ausgebildet sind, wenn ein stark plastisches Harz, wie in den 3 bis 5 gezeigt,
verwendet wird, wobei die Walzen mit einem Abstand d in der Größenordnung
von 0,5 bis 1,0 mm angeordnet sind. Die Hohlräume 1a, 1a,
... sind so geformt, dass sie eine elliptische Öffnung aufweisen, bei der die
Hauptachse 10 mm oder kürzer
ist und in Richtung des Umfangs der äußeren Umfangsfläche der
Walze 1 ausgerichtet ist, wobei sie so angeordnet sind,
dass die Hohlräume
der einen Walze 1 den Hohlräumen der anderen Walze 1 über den
minimalen Abstand d (siehe 4) zwischen
den Walzen 1 und 1 gegenüberliegen.
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Die
Hohlräume 1a,
die an der äußeren Oberfläche der
Walzen 1 und 1 ausgebildet sind, tragen dazu bei,
das Produkt in Form einer Vielzahl von miteinander verbundenen Briketts
zu erhalten. Dieses Produkt wird dann durch eine Verkleinerungsvorrichtung
zerkleinert, durch die das Produkt an den Rändern zwischen den Briketts
in einzelne Briketts gebrochen wird, d. h. an den dünnen Bereichen
des Produkts, die durch die runden Bereiche 1b der äußeren umlaufenden
Oberfläche
der Walzen 1 gebildet werden, wo keine Hohlräume 1a vorhanden
sind. Die auf diese Weise erhaltenen Briketts sind nicht flach,
sie haben jedoch glatte Oberflächen
und besitzen daher eine größere Schüttdichte
und eine höhere Fluidität als das
unregelmäßig geformte
Granulat, das erhalten wird, indem die oben beschriebenen Flocken
zerkleinert werden. Dadurch kann das Produkt gleichförmig aus
einem Fülltrichter
abgegeben und gleichförmig
beispielsweise einem Schneckenextruder zugeführt werden.
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Da
das pulverförmige
Rohmaterial des thermoplastischen Harzes gegenüber dem äußeren Umfang der Walzen einen
großen
Reibungswi derstand aufweisen kann, kann der Reibungswiderstand zwischen
den Oberflächen
der Hohlräume 1a und
dem Produkt an dem Punkt, wo der größte Formdruck vorliegt (die
durch p angezeigte Position in 4) so große Scherkräfte hervorrufen,
dass es in dem Produkt zu Rissen kommt, die zu einem Bruch führen. Um
dies zu verhindern, sind die Hohlräume 1a, 1'a jeweils so
geformt, dass sie eine gekrümmte
Oberfläche
aufweisen, bei der der Bereich in einer Ebene parallel zum Umfang
der äußeren umlaufenden
Oberfläche
der Walzen 1, 1' bogenförmig ist.
Dies ermöglicht
es, dass das Produkt an den Hohlräumen 1a, 1'a gleitet, womit
das Auftreten von übermäßig großen Scherkräften vermieden
wird. Um sicherzustellen, dass das Produkt beim Zerkleinern an den
Rändern zwischen
den Briketts gebrochen wird, sollten die runden Bereiche 1b, 1'b so schmal
wie möglich
sein. Insbesondere sind die Hohlräume 1a, 1'a so angeordnet,
dass der minimale Abstand h zwischen zwei angrenzenden Hohlräumen 1a und 1'a 0,5 mm oder weniger
beträgt.
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Damit
keine übermäßig großen Kompressionskräfte in der
Nähe der
runden Bereiche 1b Risse in den Briketts oder deren Bruch
verursachen, die der Grund dafür
sein können,
dass die zerbrochenen Briketts an den Hohlräumen 1a haften, ist
der Abstand d zwischen den Walzen 0,5 mm oder größer. Um zu verhindern, dass
die runden Bereiche 1b eine so große Dicke aufweisen, dass die
Briketts an einer anderen Stelle als den dünnen Bereichen brechen können, ist
der Abstand 1,0 mm oder kleiner.
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Das
in den Aufgabetrichter 3 durch einen Rohmaterialeinlass 2 eingefüllte Rohmaterial
wird dann über
eine Schnecke 4 zwischen die Walzen 1 und 1' zugeführt, wo
das Rohmaterial durch die Walzen 1 und 1', die sich wie
durch die Pfeile angezeigt drehen, formgepresst werden. An der Position
p, wo die Walzen 1 und 1' den minimalen Abstand haben, gleitet
das Produkt an den Oberflächen
der Hohlräume 1a, 1'a, sodass darin
keine übermäßig große Scherkraft
auf tritt. Da die runden Bereiche 1b zwischen den Hohlräumen 1a klein
sind, wird das Produkt zudem in Form einer Vielzahl von Briketts
erhalten, die über
dünne Bereiche
miteinander verbunden sind. Wenn das Produkt zerkleinert wird, bricht
es an den dünnen
Bereichen in einzelne Briketts.
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Beispielsweise
wird ein pulverförmiges
Ausgangsmaterial aus Polyethylensulfidharz nach der Polymerisation
und dem Trocknen in Form von Flocken formgepresst, indem es durch
ein Paar, mit einem Abstand von 4 mm parallel zueinander angeordneten
Walzen, die eine flache und glatte äußere Oberfläche aufweisen, bei einer Temperatur
von 75 °C
und einer Druckkraft von 39,23 kN (4 t) für jeden Zentimeter Breite zwischen
den Achsen der Walze hindurchgeführt
wird. Die erhaltenen Flocken werden zerkleinert und gesiebt, um
ein unregelmäßig geformtes
Granulat mit Korndurchmessern von 3 bis 5 mm herzustellen. Die Schüttdichte
des so hergestellten Granulats beträgt 0,42 g/cm3.
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Als
weiteres Beispiel wird das gleiche Material in ein Produkt in Form
einer Vielzahl von Briketts, die miteinander verbunden sind formgepresst,
indem es bei der gleichen Temperatur und der gleichen Druckkraft
von 39,23 kN (4 t/cm) für
jeden Zentimeter Breite zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird, die
mit einem Abstand von 1 mm zueinander parallel angeordnet sind und
eine Vielzahl von Hohlräumen 1a, 1'a ... aufweisen,
die in der äußeren umlaufenden Oberfläche der
Walzen ausgebildet sind, wobei die Hauptachse der Hohlräume entlang
der Umfangsrichtung der Walzen 5 mm lang ist, der Durchmesser der
Nebenachse in Richtung der Achse der Walzen 4 mm beträgt und die
1,5 mm tief sind, wobei sie so angeordnet sind, dass der minimale
Abstand zwischen zwei angrenzenden Hohlräumen 1a und 1a 0,3
mm beträgt.
Das so hergestellte Produkt wird zerkleinert, um ein Granulat in
Form von einzelnen Briketts mit 5 mm Län ge, 4 mm Breite und 4 mm Dicke
zu erhalten. Die Schüttdichte
des auf diese Weise erhaltenen Granulats beträgt 0,56 g/cm3.
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Um
ein Granulat mit vergleichsweise gleichförmigen Korndurchmessern von
4 bis 6 mm herzustellen, wird ein pulverförmiges Rohmaterial in Form von
Flocken formgepresst, indem es zwischen zwei Walzen mit flachen,
glatten äußeren Oberflächen hindurchgeführt wird
und die erhaltenen Flocken dann zerkleinert und gesiebt werden,
wodurch ein Granulat mit Korndurchmessern von 4 bis 6 mm gewonnen wird,
wobei das Granulat mit Korndurchmessern über 6 mm nochmals zerkleinert
und das Granulat mit Durchmessern kleiner als 4 mm wieder rückgeführt und
nochmals formgepresst wird. Dieser Ansatz führt zu einer Ausbeute von etwa
30 %. In einem anderen Ansatz wird das pulverförmige Rohmaterial dagegen in
Form von Briketts von 6 mm Länge,
4,5 mm Breite und 4,5 mm Dicke formgepresst, indem es zwischen zwei
Walzen mit Hohlräumen
hindurchgeführt
wird, die in der Hauptachse 6 mm lang sind und in der äußeren Oberfläche der
Walzen ausgebildet sind, wobei die so hergestellten Briketts dann
mit einem Sieb mit 4 mm Maschenweite gesiebt werden, um schmale
Grate zwischen den Briketts und feine Partikel zu entfernen, die
durch Lücken
auf beiden Seiten der Walzen entkommen sind. Dieser Ansatz führt zu einer
Ausbeute von 90 % oder darüber.
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Im
Lichte der oben angegebenen Lehre sind natürlich viele Modifikationen
und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist daher klar, dass
im Rahmen des Umfangs der beigefügten
Ansprüche
die Erfindung anders ausgeführt
werden kann, als sie im Einzelnen beschrieben wurde.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie
zuvor ausgeführt,
ist es durch den Herstellungsprozess für ein Granulat aus einem thermoplastischen
Harz gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
ein Granulat aus einem thermoplastischen Harz mit einer hohen Schüttdichte
zu erhalten und dadurch die Größe der Vorrichtungen
für seinen Transport
und seine Aufbewahrung zu vermindern und außerdem den Stromverbrauch des
Schneckenextruders zu reduzieren.
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Insbesondere
ist es durch den Herstellungsprozess für das Granulat aus einem thermoplastischen
Harz gemäß der Erfindung
sogar mit einem hochplastischen thermoplastischen Harz möglich, dass
das Produkt während
des Formvorgangs auf den Oberflächen
der Hohlräume
gleiten kann, wodurch vermieden wird, dass in dem Produkt übermäßig große Scherkräfte auftreten,
wodurch Risse in dem Produkt vermindert werden. Da der Abstand zwischen
angrenzenden Hohlräumen
klein ist, ist es außerdem
möglich,
die Bereiche, die die Briketts miteinander verbinden, so dünn wie möglich auszuführen, um
die Gefahr zu vermindern, dass, wenn das Produkt zerkleinert wird,
die Briketts selbst brechen. Es ist außerdem möglich, in effizienter Weise
ein Granulat aus einem thermoplastischen Material mit gleichförmiger Korngröße zu erhalten.
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Durch
den Herstellungsprozess für
das Granulat aus einem thermoplastischen Harz gemäß Anspruch
3 ist es möglich,
die Gefahr von übermäßig großen Druckkräften zu
vermindern, die Risse in den Briketts oder deren Brechen verursachen,
das dazu führen
kann, dass die zerbrochenen Briketts an den Hohlräumen haften,
und ferner die Gefahr zu vermindern, dass die Briketts selbst beim
Zerkleinern des Produkts brechen.