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Die
vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Verfahren zur Extraktion
von Nylon aus Abfallmaterialien, einschließlich gemischter Abfallmaterialien
wie beispielsweise Bodenbeläge,
wobei der Abbau des polymeren Nylons zu niedermolekulareren Polymeren,
Oligomeren und Monomeren verringert ist. Das Verfahren schließt das in
Kontakt bringen mit polaren Lösungsmitteln
oder Mischungen davon bei hohen Drücken ein.
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Nylon
wird weithin als Faser verwendet, sowohl bei der Produktion von
Textilgeweben als auch bei der Produktion von Bodenbelagsmaterialien
wie beispielsweise Teppichböden
und Teppichfliesen. Bei der Verwendung in Bodenbelagsmaterialien
liegt das Nylon gewöhnlich
vorwiegend als Teil einer oder mehrerer Schichten eines mehrlagigen
Produkts vor. Große
Mengen an Bodenbelagsmaterialien werden jedes Jahr ausgetauscht,
wobei die resultierenden gebrauchten Materialien häufig auf
Mülldeponien
entsorgt werden. Aufgrund ökologischer
und ökonomischer
Bedenken bezüglich
dieser Abfallmaterialien existiert ein Bedarf nach einem ökonomischen
Verfahren zur Wiedergewinnung und Wiederverwendung gebrauchter oder
entsorgter Bodenbelagsmaterialien. Da diese Materialien jedoch häufig komplexe
Verbundstoffe oder Laminate enthalten, welche schwierig in ihre
einzelnen Bestandteile zu trennen sind, haben Verfahren zur Wiederverwertung dieser
Materialien sehr häufig
vermischte Produkte zur Folge, deren Wert erheblich geringer ist
als der ihrer einzelnen Bestandteile. In einigen Fällen kann
der Wert des Produkts der Wiederverwertung gleich oder geringer
sein als der Wert des ursprünglichen
Ausgangsmaterials. Da das derart durch so genanntes Downcycling abgewertete
Produkt nicht so wertvoll ist wie das ursprüngliche Ausgangsmaterial, oder
sogar wie das ursprünglich
zur Produktion der ursprünglichen
Abfallmaterialien eingesetzte Material, kommt es zu einem wirtschaftlichen
Wertverlust. Da das dem Downcycling unterliegende Produkt seine
Bestandteile nicht optimal verwertet, müssen zusätzliche Materialien her gestellt
und verwendet werden, was eine zusätzliche Umweltbelastung erzeugt,
welche besonders schwerwiegend ist, da diese einzelnen Bestandteile
häufig
auf Petrochemikalien basieren.
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Infolge
dieser Erwägungen
existiert in der Technik ein Bedarf nach Verfahren, welche auf wirtschaftliche
Weise eines oder mehrere der Bestandteile von Bodenbelagsmaterialien
abtrennen und wiederverwerten. Insbesondere existiert in der Technik
ein Bedarf nach Verfahren, welche die Abtrennung und Wiedergewinnung von
Nylon, welches in Bodenbelagsmaterialien verwendet wird, erlaubt,
und insbesondere von Nylon, welches in der oberen Schicht oder in
der Florschicht dieser Bodenbelagsmaterialien verwendet wird, so
dass der Wert und die Verwendbarkeit des Nylons nicht verschlechtert
wird.
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Verfahren
zur Wiedergewinnung von Nylon lassen sich gewöhnlich in zwei unterschiedliche
Kategorien einteilen. Zu der einen Kategorie zählen Verfahren, in denen das
Nylon absichtlich zu Monomeren oder Oligomeren depolymerisiert wird,
welche anschließend
durch Repolymerisierung wiederverwendet werden können. Im Allgemeinen besteht
das Ziel darin, soviel von dem Polymer wie möglich zu Monomeren zu reduzieren, um
die Wiederverwendung kalkulierbarer zu machen. Jedoch sind Verfahren
aus dieser Kategorie wenig vorteilhaft, da die Depolymerisierung
aufwändig
ist und zu Nebenreaktionen führen
kann, welche die Menge an verfügbarem
Monomer verringern, was die Effizienz verringert, und zusätzliche
Depolymerisierung und Energieverbrauch erfordert, um den Verlust
auszugleichen. Zusätzlich
hat die Depolymerisierung von Nylon 66 durch Aminolyse zwar die
Bildung von Hexamethylendiamin (HMDA) zur Folge, erfordert jedoch
eine zusätzliche
Quelle von Adipinsäure,
um Nylon 66 zu erhalten, da Adipinsäure nicht auf wirtschaftliche
Weise aus dem Depolymerisierungsprozess wiedergewonnen werden kann.
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In
die andere Kategorie fallen Verfahren, bei welchen das Nylon ohne
Depolymerisierung wiedergewonnen wird, so dass dieses ohne Repolymerisierung
wiederverwendet werden kann. Im Allgemeinen besteht das Ziel dieser
Verfahren darin, das Nylon zu extrahieren oder aufzulösen und
dieses somit von den anderen Bestandteilen des Bodenbelagsmaterials
unter minimalem Zerbrechen der Polymere abzutrennen. Das Nylon wird
dann im Allgemeinen in fester Form erhalten, so dass es wiederverwendet
werden kann. Herkömmliche Verfahren
vom Typ der Auflösung
oder Extraktion können
nur schwierig, oder sogar überhaupt
nicht, ohne Verringerung des Werts des Nylons eingesetzt werden.
Zumindest ein Teil der Ursache dafür ist, dass fast immer ein
teilweises Zerbrechen von Polymer auftritt aufgrund der erhöhten Temperaturen,
welche notwendig sind, um die Auflösung oder Extraktion in einem
wirtschaftlich relevanten Zeitmaßstab zu erleichtern.
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Beispielsweise
wird Nylonfaser, welche einem Verfahren zur Wiedergewinnung vom
Typ der Auflösung
oder Extraktion unterworfen wird, einer Verringerung ihres Molekulargewichts
durch den ursprünglichen Extrusionsvorgang
zur Herstellung der Faser aufgrund der hohen beteiligten Temperaturen
unterliegen. Das Molekulargewicht wird weiterhin verringert während des
herkömmlichen
Extraktions- oder Auflösungsvorgangs,
und wie zuvor bemerkt, sogar weiter verringert, falls das Nylon
erneut zurück
zu einer Faser extrudiert wird. Dieses kumulative Zerbrechen hat
zur Folge, dass das Molekulargewicht des Nylons ungeeignet ist zur Wiederverwendung
als Fasern, welche sich zur Anwendung als Bodenbeläge eignen.
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Ein
weiterer Nachteil beider Typen von Verfahren zur Wiederverwertung
von Nylon ist, dass diese entweder Rohmaterial mit einem höheren Gehalt
an Abfall enthalten, welcher nicht aus Nylon besteht, als für das Verfahren
wünschenswert
ist, oder betreiben einen hohen Aufwand, um relativ reines oder
farbstofffreies Nylon-Rohmaterial zu erhalten. Im Falle von Verbundprodukten,
wie beispiels weise Bodenbeläge
wie Teppich oder Teppichfliesen, kann die Gegenwart von anderen
Materialien, wie beispielsweise Füllstoffen, Material zur Rückenbeschichtung,
Pigmenten, Klebstoffen, den Aufwand zur Wiederverwertung des Nylon
komplizieren, da es erforderlich ist, dass diese Materialien physikalisch
und/oder chemisch vom Nylon abgetrennt werden, bevor eine faserspezifische
Verarbeitung des Nylons erfolgt.
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Daher
existiert in der Technik ein Bedarf nach einem Verfahren zur Wiederverwertung
von Nylon, welches keine Depolymerisierung erfordert, welche das
Molekulargewicht des wiedergewonnenen Nylonpolymers nicht erheblich
verringert, und welches verwendbar ist zur Herstellung von Nylon,
das zum Extrudieren in Form einer Faser geeignet ist unter Verwendung
von Rohnylon, welches zuvor zu einer Faser extrudiert worden ist, und
insbesondere von Nylon, welches aus Bodenbelagsmaterialien erhalten
worden ist, ohne die Notwendigkeit einer übermäßigen physikalischen Abtrennung
anderer Bestandteile von dem Rohmaterial, beispielsweise unter Verwendung
von Verfahren über
das Windsichten hinaus.
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Die
WO 02/36668 beschreibt
ein Verfahren, bei welchem Nylon, das in Form von Abfallmaterialien
erhalten worden sein kann, wie beispielsweise Bodenbeläge in Form
von Abfall oder Resten (beispielsweise erhalten aus gebrauchtem
Teppich, Teppichfliesen oder anderen Bodenbelagsmaterialien, oder
als Webkante, erzeugt bei der Herstellung von Teppich oder Teppichfliesen),
in Kontakt gebracht wird mit einem Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch,
enthaltend einen Alkohol bei erhöhter
Temperatur und bei einem erhöhten Druck.
Die Anwendung eines erhöhten
Drucks verringert die Temperatur und die Zeit bis zur Auflösung, bei welcher
das Nylon in dem Abfallmaterial sich effektiv in dem Lösungsmittelgemisch
auflösen
wird. Zumindest teilweise infolge dieser Absenkung der Auflösungstemperatur
kann das Nylon unter einem wesentlich verringerten Abbau seines
Molekulargewichts aufgelöst
werden. Diese Bewahrung des Molekulargewichts erlaubt es, das Verfahren
auf effektive Weise auf das Nylon an zuwenden, welches als Faser
extrudiert worden ist, wie beispielsweise solche, welche in Bodenbelägen zu finden
sind, und erzeugt Nylon, welches erneut als Faser extrudiert werden
kann, um in Bodenbelägen
verwendet zu werden. In der Tat erlaubt das Verfahren aus der
WO 02/36668 , dass das in
Bodenbelägen
vorhandene Nylon ohne Verschlechterung wiederverwertet werden kann.
Obwohl das Verfahren auf Nylon angewendet werden kann, welches von
anderen Verbundstoffen abgetrennt wurde, muss dieses nicht mit gemeinhin
verwendeten Bodenbelagsmaterialien erfolgen.
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Das
Verfahren aus der
WO 02/36668 kann
angesehen werden als Verfahren, welches einschließt:
das
in Kontakt bringen mit einem alkanolhaltigen Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur
und bei einem Druck, welcher höher
ist als der Gleichgewichtsdruck des alkanolhaltigen Lösungsmittels
bei der erhöhten
Temperatur;
das Befreien des alkanolhaltigen Lösungsmittels,
enthaltend gelöstes
Nylon, von allen ungelösten
Feststoffen;
das Absenken der Temperatur des alkanolhaltigen
Lösungsmittels,
enthaltend gelöstes
Nylon, um das gelöste Nylon
auszufällen.
Das wiedergewonnene Nylon kann anschließend weiter verarbeitet und
wiederverwendet werden.
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Die
Erhöhung
des Drucks des nylon- und alkanolhaltigen Lösungsmittelgemischs kann bewerkstelligt werden
mittels Zufuhr von Inertgas in das Lösungsgefäß oder das Rohr. Alternativ
kann die Erhöhung
des Drucks des Lösungsmittelgemischs
bewerkstelligt werden mittels Erhöhen des Kopfdrucks des in den
Reaktor gepumpten Lösungsmittelgemischs.
Beispielsweise kann die Leitung, durch welche Lösungsmittel in den Reaktor
eingeführt
wird, eine Querschnittsfläche
aufweisen, welche jene der Leitung überschreitet, durch welche das
Lösungsmittel
aus dem Reaktor abgezogen wird, wodurch im Reaktor ein Druckgefälle erzeugt
wird, welches ausreicht, die Lösungstemperatur
des Nylons, und somit die Reaktortemperatur, abzusenken.
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Das
Verfahren nach der
WO 02/36668 ist
geeignet, um Nylon aus Abfallmaterial wiederzugewinnen, und ist
insbesondere geeignet zur Verwendung mit nylonhaltigen Abfallmaterialien
von Bodenbelägen,
wie beispielsweise gebrauchter oder als Reste anfallender Teppich
oder Teppichfliesen, oder Webkanten, welche während der Herstellung dieser
Materialien erhalten werden. Insbesondere wurde gefunden, dass die
Anwendung des Verfahrens auf Teppichfliesen sehr vorteilhaft ist,
da diese Materialien typischerweise Verbundstrukturen sind, welche
eine Vielzahl laminierter Schichten aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren
stellt den zusätzlichen
Vorteil bereit, dass es die Trennung dieser laminierten Schichten
einfacher gestaltet, und in vielen Fällen treten die Abfallmaterialien
aus dem Auflösevorgang
derart hervor, dass das Nylon entfernt wurde und die verbleibenden
Materialschichten bereits abgetrennt sind. Dieses bietet offensichtliche
Vorteile dadurch, dass die Wiederverwertung dieser zusätzlichen
Bestandteile viel effizienter erfolgt.
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Es
wurde festgestellt, dass die Verarbeitung von Nylon in Kontakt mit
Lösungsmitteln
eine sorgfältige Handhabung
erfordert, um das Verfahren der Wiederverwertung wirtschaftlich
tragbar zu machen, insbesondere, weil das Verfahren zum einem großen Teil
bei relativ hoher Temperatur und Druck erfolgt. Diese Erkenntnis
ist im Stand der Technik nicht offenbart worden. Beispielsweise
muss jegliches Erwärmen
der Mischung aus Nylonfasern und Lösungsmittelgemisch unter Bedingungen
durchgeführt
werden und unter Einsatz von Verfahrensanlagen, welche die Neigung
der Fasern oder Partikel verringert oder vermeidet, sich anzusammeln und
abzusetzen und dadurch die Verfahrensanlagen und Rohrleitungen zu
verstopfen. Dementsprechend schließt die vorliegende Erfindung
Ausführungsformen
ein, bei welchen dieses Verstopfen minimiert oder vermieden wird,
was es erlaubt, das Verfahren auf effizientere Weise durchzuführen.
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Eines
der Merkmale des Verfahrens, welches dabei hilft, ein verringertes
Verstopfen zu ermöglichen, ist
eine hohe Geschwindigkeit, ein hoher Anteil der Wiederverwertung,
teilweises Wiederverwerten von Lösungsmittel
und Nylonpartikeln oder Fasern, welche den Mischer verlassen, bevor
die Mischung auf die Lösungstemperatur
erwärmt
wird. Die hohe Geschwindigkeit kann beispielsweise erhalten werden
durch eine derart modifizierte Schneckenpumpe, dass sich deren Einlass
im Förderraum
der Pumpe befindet. Der Wiederzufuhrstrom behält einen fortwährend zirkulierenden
Strom von hoher Geschwindigkeit bei, welcher sich durch den Auslass
des Mischers bewegt, durch die Leitungen der Pumpe und die Pumpe
selbst. Dieser Strom ist in wünschenswerter
Weise ein verwirbelter Pfropfenstrom, und ein Beibehalten dieser
Art von Strom verhindert oder minimiert ein Zusammenballen und ein
Verstopfen der Verfahrensanlagen.
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Ein
weiteres Merkmal des Verfahrens, welches hilfreich ist, das Verstopfen
zu verringern, ist die Verwendung eines Pfropfenstrom-Wärmetauschers,
um die Mischung aus Lösungsmittel
und Nylon auf die Lösungstemperatur
zu erwärmen.
Dieses vermeidet die Verwendung eines Röhrenwärmetauschers oder anderer Gestaltungsformen
von Wärmetauschern,
bei welchen enge Krümmungen,
Köpfe oder
Verteiler, Engstellen und andere Elemente Möglichkeiten bieten, dass sich
Nylonpartikel absetzen und die Anlagen verstopfen. Zu den Beispielen
für Pfropfenstrom-Wärmetauscher
zählen
Schlangenrohr-Wärmetauscher,
Stapelrohr-Wärmetauscher,
ummantelte Pfropfenstromreaktoren, Plattenwärmetauscher und andere Gestaltungsformen,
welche eine turbulente Strömung
des Prozessgemisches erlauben.
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Ein
weiteres Merkmal des Verfahrens, welches die Effizienz des Verfahrens
zur Wiedergewinnung von Nylon erhöht, ist die Verwendung hocheffizienter
Filtersysteme, um das aus der Lösung
ausgefällte
Nylon einzuengen. Zu den Beispielen zählen Membranfiltration, Ultrafiltration,
Umkehrosmose und ähnliche
hocheffiziente Trenntechniken. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren
ist das Vibra tionsverfahren mit verstärkter Scherwirkung („VSEP"). Ein weiteres Beispiel
ist eine Filterpresse. Beide Techniken können den Feststoffgehalt des
Prozessstroms wesentlich erhöhen,
wodurch nachfolgende Trocknungsvorgänge effizienter gemacht werden,
ohne dass Produkt geopfert wird (d. h. ohne signifikanten Produktverlust).
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wiedergewinnung
von Nylon aus nylonhaltigem Material bereit, und zwar durch:
das
in Kontakt bringen des nylonhaltigen Materials mit einem alkanolhaltigen
Lösungsmittel
in einem Mischgefäß, wobei
zumindest ein Teil der Mischung von nylonhaltigem Material und alkanolhaltigem
Lösungsmittel
aus dem Mischgefäß abgezogen
und dem Mischgefäß mit einer
hohen Flussrate erneut zugeführt
wird;
Erhöhen
der Temperatur und des Drucks der Mischung, bis ein Druck erreicht
ist, welcher höher
ist als der Gleichgewichtsdruck des alkanolhaltigen Lösungsmittels
bei der erhöhten
Temperatur; dadurch löst
sich das Nylon in dem alkanolhaltigen Lösungsmittel;
Abtrennen
des alkanolhaltigen Lösungsmittels,
enthaltend gelöstes
Nylon, von jeglichen ungelösten
Feststoffen; und
Absenken der Temperatur oder des Drucks, oder
beider, des alkanolhaltigen Lösungsmittels,
enthaltend gelöstes
Nylon, um das gelöste
Nylon auszufällen.
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Die
Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung bereit zur Wiedergewinnung
von Nylon aus nylonhaltigem Material, und schließt ein:
ein Mischgefäß, ausgelegt,
um nylonhaltiges Material mit einem flüssigen Lösungsmittel zu mischen;
ein
Hochdurchsatz-Verteilerpumpensystem in fluidleitender Verbindung
mit dem Mischgefäß, ausgelegt,
um einen Teil des Inhalts des Mischgefäßes abzuziehen und es dem Mischgefäß mit hoher
Flussrate erneut zuzuführen;
ein
unter Druck stehender Wärmetauscher
in fluidleitender Verbindung mit dem Mischgefäß, der Verteilerpumpe, oder
beiden, ausgelegt, um eine Mischung von Nylon und Lösungsmittel
aus dem Mischgefäß auf eine
erhöhte
Temperatur zu erwärmen,
bei einem Druck oberhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks des Lösungsmittels;
ein
Filtrationssystem in fluidleitender Verbindung mit dem unter Druck
stehenden Wärmetauscher,
ausgelegt, um ungelöste
Feststoffe von einem Flüssigkeitsstrom
abzutrennen;
ein Präzipitator
in fluidleitender Verbindung mit dem Filtrationssystem, dem unter
Druck stehenden Wärmetauscher,
oder beiden, ausgelegt, um den Druck eines Flüssigkeitsstroms zu verringern,
um die Temperatur eines Flüssigkeitsstroms
zu verringern, oder beides;
ein Konzentrator in fluidleitender
Verbindung mit dem Präzipitator,
ausgelegt, um Lösungsmittel
von einer Mischung aus ausgefälltem
Nylon und Lösungsmittel
abzutrennen und den Feststoffgehalt der Mischung zu erhöhen;
ein
Trockner in fluidleitender Verbindung mit dem Konzentrator, ausgelegt,
um eine konzentrierte Mischung von Nylon und Lösungsmittel zu trocknen.
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Das
Pumpensystem umfasst typischerweise zwei Pumpen: eine Wiederzufuhr-Pumpe mit hohem Durchsatz
und eine zweite Pumpe, ausgelegt um einen Teil des Stroms abzuziehen
und diesen einem Wärmetauscher
zuzuführen,
während
der Druck desselben erhöht
wird. Die Hochdurchsatz-Wiederzufuhrpumpe ist typischerweise in
fluidleitender Verbindung mit dem Auslass des Mischgefäßes (auf
der Einlass-Seite der Wiederzufuhrpumpe) und der zweiten Pumpe (auf
der Auslass-Seite der Wiederzufuhrpumpe) verbunden. Die zweite Pumpe
ist typischerweise in fluidleitender Verbindung mit der Hochdurchsatz-Wiederzufuhrpumpe
(auf der Einlass-Seite der zweiten Pumpe) und dem Wärmetauscher
und dem Wiederzufuhr-Einlass des Mischgefäßes (auf der Auslass-Seite
der zweiten Pumpe).
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Die
Erfindung stellt ferner einen Pumpentyp bereit, welcher als zweite
Pumpe im Verteilerpumpensystem geeignet ist, aufweisend:
eine
Exzenterschnecke, umfassend:
ein distales Ende;
ein proximales
Ende;
einen Exzenterschneckenrotor, welcher sich zumindest
durch einen Bereich der Exzenterschnecke erstreckt;
einen Exzenterschneckenstator,
den Exzenterschneckenrotor umgebend und angeordnet zwischen den
distalen und proximalen Enden der Exzenterschnecke;
eine Einlasskammer
in fluidleitender Verbindung mit dem proximalen Ende der Exzenterschnecke;
eine
seitliche Einlassöffnung
in fluidleitender Verbindung mit der Einlasskammer;
eine seitliche
Wiederzufuhr-Auslassöffnung
in fluidleitender Verbindung mit der Einlasskammer;
ein Prozessstromauslass
in fluidleitender Verbindung mit dem distalen Ende der Exzenterschnecke;
und
eine Antriebswelle, verbunden mit dem Exzenterschneckenrotor.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden aus den Ansprüchen ersichtlich.
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Das
Verfahren der Erfindung hat einen in einem signifikanten Vorteil
zur Folge, da das erhaltene Nylon ein höheres Molekulargewicht aufweist
als das Rohnylon. Ob dieses das Ergebnis des Verbleibens von Nylonfragmenten
mit geringerem Molekulargewicht in Lösung oder das Ergebnis des
Auftretens einer Nylon-Kettenverlängerung
oder von Querverbindungen während
des Verfahrens ist, ist unklar. Klar ist hingegen, dass das Nylon
mit höherem
Molekulargewicht eine hohe Festigkeit aufweist, wenn es als Faser
extrudiert wird, was das mittels des Verfahrens erzeugte Material
zur Wiederverwendung als Faser geeignet macht. Infolgedessen erfolgt
durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine Wiederver wertung des Nylons ohne eine Verschlechterung desselben
und stellt ein nachhaltiges Verfahren zur Wiederverwendung des als
Teppichfaser verwendeten Nylons dar.
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1(A) ist ein Verfahrensschaubild für eine Ausführungsform
der Erfindung.
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1(B) ist eine Fortsetzung des Verfahrensschaubildes
aus 1(A) nach einer Ausführungsform der
Erfindung.
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1(C) ist eine Fortsetzung des Verfahrensschaubildes
aus 1(A) nach einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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1(D) ist eine Fortsetzung des Verfahrensschaubildes
aus 1(C).
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2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verteilerpumpe. 2(A) ist eine linksseitige Ansicht der
erfindungsgemäßen Pumpe; 2(B) ist eine linksseitige Querschnittsansicht
der in 2(A) abgebildeten Pumpe.
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Insgesamt
betrachtet schließt
das Verfahren der Erfindung die Verwendung eines Lösungsmittels
oder einer Mischung von Lösungsmitteln
ein, enthaltend ein niederes Alkanol, um Nylon bei einem Druck oberhalb des
Gleichgewichtsdrucks des Lösungsmittels
bei der Lösungstemperatur
aufzulösen.
Das Nylon liegt vorzugsweise in Form von Nylon 66 vor, kann aber
andere Nylons oder Kombinationen davon enthalten. Das Nylon, welches
gemahlen, zerrieben, zerhackt oder anderweitig in seiner Größe verändert vorliegend
kann, kann als Abfall- oder Restmaterial von Bodenbelagsmaterialien
zugesetzt werden, wie beispielsweise Teppich oder Teppichfliese
oder als irgendein anderes Verbundmaterial oder als im Wesentlichen
reines Nylon, und wird mit dem Lösungsmittel
oder dem Lösungsmittelgemisch
in einem Lösungsgefäß oder einem
Rohr in Kontakt gebracht. Um die Auflösung zu erreichen und beizubehalten,
ohne dass es zum Verstopfen von Prozessleitungen kommt, erfolgt
während
des Mischungsschritts eine Wiederzufuhr des Schlamms aus Fasern
und Lösungsmittel
mit einer hohen Flussrate. Eine Hochdruckpumpe kann verwendet werden,
um den Druck des Prozessstroms auf einen Druck oberhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks
des Lösungsmittels
zu erhöhen.
Nach Erwärmen/Auflösung in
einem Lösungsgefäß oder einem
Rohr, wie beispielsweise einem Pfropfenstrom-Wärmetauscher, wird die Lösung aus
Nylon und Lösungsmittel
umkristallisiert oder ausgefällt
und getrocknet unter Anwendung eines hocheffizienten Trocknungsvorgangs,
welchem ein Vorgang zur Erhöhung
des Feststoffanteils des Prozessstroms vorangehen kann, wie beispielsweise
VSEP, einer Filterpresse oder einer Kombination dieser. Der Trocknungsvorgang
kann Spin-Flash-Trockner einschließen, Plattentrockner, Horizontalschaufeltrockner,
Trockner von Bry-Air und/oder andere Trocknungsvorrichtungen, welche
allesamt in einer Inertgas-Atmosphäre oder unter ausreichendem
Vakuum betrieben werden können,
um eine verhältnismäßig sauerstofffreie
Umgebung zu gewähren.
Das resultierende umkristallisierte Nylon besitzt ein sehr hohes
Molekulargewicht, eine extrem gute Festigkeit und ist allgemein
gut geeignet für
das Verspinnen zu Fasern; das Verfahren stellt somit ein nachhaltiges
Mittel für
die Wiederverwertung von Nylonfaser aus Teppichabfällen dar, ohne
die Faser zu verschlechtern.
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In
einer besonderen Ausführungsform
wurde ein Teppichprodukt als Rohmaterial, bestehend aus einem primären Teppichträger, getuftet
mit Nylon-66-Faser, unter Verwendung rotierender zylindrischer Scherklingen
geschert, welche die Fasern zu einer gleichmäßigen Länge schneiden. Ein Vakuumsystem,
angeordnet oberhalb der Scherklingen, zieht die gescherten Nylonfasern
weg vom Träger;
die Fasern werden vom Vakuumsystem aufgefangen und gebündelt, gepresst
und zu Ballen gepackt.
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Das
Lösungsgefäß wird auf
einem Druck gehalten, welcher höher
ist als der Gleichgewichtsdruck des Lösungsmittelsystems bei der
gewählten
Temperatur.
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Beispielsweise
wird bei einer Temperatur von etwa 150°C der Gleichgewichtsdruck eines
Ethanol/Wasser-Lösungsmittelsystems
ungefähr
689,5 kPa (100 psig) betragen. Der Druck im Gefäß kann um einen Wert erhöht werden,
welcher von etwa 2068 kPa (300 psig) bis etwa 4137 kPa (600 psig)
reicht, insbesondere von etwa 2068 kPa (300 psig) bis etwa 3447
kPa (500 psig), und ganz besonders von etwa 2758 kPa (400 psig)
bis etwa 3447 kPa (500 psig). Eine Technik zur Erhöhung des
Drucks besteht darin, den Kopfdruck des Lösungsmittelsystems, welches
in das Gefäß eintritt,
zu erhöhen.
Dieses kann beispielsweise erfolgen durch Abziehen von Flüssigkeit
aus dem Gefäß mittels
eines Rohrs, welches eine kleinere Querschnittsfläche aufweist
als das Rohr, welches das Lösungsmittel
dem Reaktor zuführt,
oder durch Verwenden einer Hochdruckpumpe, um den Prozessstrom durch
ein Druckregelventil oder eine Drosselblende zu führen, durch
Zusetzen von Inertgas, wie beispielsweise N2,
zum Lösungsgefäß oder dem
Rohr vor oder während
des Auflösens.
Alternativ kann der Druck im Gefäß erhöht werden
durch Einführen
einer ausreichenden Menge an Inertgas, beispielsweise Stickstoff
oder Argon, in das Lösungsgefäß.
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Das
Lösungsgefäß wird erwärmt auf
eine Lösungstemperatur
von etwa 130°C
bis etwa 155°C,
insbesondere von etwa 135°C
bis etwa 145°,
und ganz besonders von etwa 140°C
bis etwa 145°C,
und bei dieser Temperatur für
eine Zeitdauer gehalten, welche ausreicht, um die gewünschte Menge
an Nylon zu lösen. Überraschenderweise
erlaubt die Anwendung eines erhöhten
Drucks einen Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 160°C.
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Dieser
erhöhte
Druck erlaubt in wichtiger Weise, im Vergleich zum Auflösungsgrad
und zur Auflösungsgeschwindigkeit
bei dem Gleichgewichtsdruck für
diese Temperatur, eine gesteigerte und schnellere Auflösung des
Nylons in dem Lösungssystem.
Anders ausgedrückt
erlaubt die Erfindung bei gleichem Auflösungsgrad, dass das Verfahren
bei einer geringeren Temperatur erfolgt als es bei einem Verfahren
unter dem Gleichgewichtsdruck, oder sogar bei einem Ver fahren mit
leicht erhöhtem
Druck (z. B. ~344,7 kPa (50 psig)), der Fall wäre. Eine Qualitätsabnahme
des Nylons wird somit verringert, was ein Produkt mit höherer Qualität zur Folge hat,
welches zur Extrusion als Faser geeignet ist. Insbesondere hat das
Verfahren der Erfindung ein Nylonprodukt zur Folge, welches im Vergleich
zu herkömmlichen
Verfahren, welche nicht bei erhöhtem
Druck durchgeführt
werden, mit hochmolekularem Nylon angereichert ist.
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Geeignete
Lösungsmittel
und Lösungsmittelgemische
schließen
niedere Alkanole, Mischungen davon sowie Mischungen von niederen
Alkanolen mit Wasser ein. Insbesondere zählen zu den geeigneten niederen Alkanolen
Methanol, Ethanol, Propanole, Butanole sowie Mischungen davon. Mischungen
von Methanol und Wasser oder Ethanol und Wasser wurden als besonders
geeignet erkannt. Insbesondere sind Mischungen aus Ethanol und Wasser
im Vergleich zu anderen Alkanolen wünschenswert aufgrund geringerer ökologischer
und behördlicher
Vorgaben in Zusammenhang mit der Verwendung von Ethanol. Beim Mischen
mit Wasser werden die Alkanole im Allgemeinen in Anteilen eingesetzt,
welche von etwa 40% bis etwa 90% an Alkanol in Wasser reichen. Insbesondere
wurde festgestellt, dass eine 80%-ige Mischung von Ethanol und Wasser
für die
meisten Anwendungen geeignet ist. Vorzugsweise ist das Lösungsmittel
oder das Lösungsmittelgemisch
im Wesentlichen frei (d. h. enthält
nicht mehr als 1%) von Glykolen oder anderen Polyolen. Von Wasser
wurde festgestellt, dass es das Verfahren wirtschaftlicher macht,
und es wird angenommen, dass es die Auflösungszeit einiger alkanolischer
Lösungsmittel
verringert.
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Nach
der Auflösung,
beispielsweise von Teppichresten, im Lösungsgefäß oder im Lösungsrohr, wie beispielsweise
einem Pfropfenstrom-Wärmetauscher,
wird die Mischung aus dem Lösungsgefäß abgezogen. Die
heiße
Lösung
wird filtriert, um die ungelösten
Bestandteile abzutrennen, und die Lösung wird bei Atmosphärendruck
auf etwa 120°C
bis etwa 130°C
abgekühlt,
um das gelöste
Nylon umzukristallisieren oder auszufällen. Das Nylon wird von der übrigen Lösung ab filtriert,
wobei jegliche Öle,
Schmierstoffe, Weichmacher, Überzugsmaterialien
und andere Verunreinigungen in Lösung
bleiben. Wenn die Lösung
aus Nylon und Lösungsmittel
abgekühlt
wird, wird hochmolekulares Nylon als erstes ausfallen und kann daher
von der Lösung abfiltriert
werden, während
die Temperatur der Lösung
zwischen etwa 120°C
und etwa 130°C
gehalten wird. Dieses erlaubt es den niedermolekularen Stoffen,
die von der früheren
Extrusion herrühren,
oder welche geringen Abnahmen des Molekulargewichts auch immer erfolgen,
in Lösung
zu verbleiben und vom Nylonprodukt ferngehalten zu werden. Während die
Lösung
außerdem
einige lösliche
Bestandteile zurückhält, welche
in Bodenbelägen
vorhanden sein können,
wie beispielsweise Weichmacher, Schmierstoffe und Überzugsmaterialien,
kann das Lösungsmittelgemisch
durch Verdampfen und/oder Destillation wiedergewonnen werden. Das ausgefallene
Nylon kann anschließend
mit einer sauberen, heißen
Alkanol/Wasser-Mischung gewaschen werden und getrocknet werden,
beispielsweise in einem Vakuumofen.
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Es
wurde festgestellt, dass die Anwendung eines erhöhten Drucks die Anwendung von
Lösungs-
oder Extraktionstemperaturen unterhalb von 160°C erlaubt, während die relative Viskosität (ein Indikator
für das
Molekulargewicht) des Nylons auf einem für die Verwendung zur Faserextrusion
akzeptablen Niveau verbleibt. Ohne sich auf irgendeine Theorie festlegen
zu wollen, wird angenommen, dass dieser Effekt zumindest teilweise
von einer besseren oder vollständigeren
Auflösung
der Fraktionen von niedermolekularem Nylon herrührt, welche anschließend in
Lösung
verbleiben, während
die Fraktionen des höhermolekularen
Nylons ausfallen.
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Zusätzlich wurde
festgestellt, dass das Auflösen
verbessert werden kann durch Trennen der Schritte der Misch- und
Erwärmungsvorgänge, wobei
diese Abläufe
in getrennten Verfahrensanlagen erfolgen, und durch eine Wiederverwertung
eines Stroms der Mischung aus Nylon und Lösungsmittel, welcher hauptsächlich Lösungsmittel
und ungelöste
Feststoffe beinhaltet, bestehend sowohl aus Nylon als auch aus anderen
Materialien. Dieser Wiederzufuhrstrom wird mit einer relativ hohen
Geschwindigkeit durch eine Pumpe aus dem Mischgefäß gepumpt
und wieder zurück
in das Mischgefäß. Die Geschwindigkeit
der Mischung ist ausreichend, um einen Pfropfenstrom durch die Wiederzufuhrschleife
zu ermöglichen,
vorzugsweise ein turbulenter Pfropfenstrom. Ein Prozessstrom wird
für eine
weitere Verarbeitung vom wiederzugeführten Material abgetrennt;
das Wiederzuführen
des Materials in den Mischtank auf diese Weise bewahrt die Nylonpartikel
und -fasern vor dem Absetzen und dem Verstopfen des Pumpensystems,
der Tankausgänge
und der Rohrleitungen. Das Wiederzufuhrverhältnis (das Verhältnis von
wiederzugeführtem
Volumen zum Gesamtvolumen) ist nicht besonders entscheidend, kann
sich jedoch in einem Bereich zwischen etwa 0,971 und 0,981 befinden.
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Diese
Ausführungsform
des Verfahrens kann mit Bezug auf 1(A), 1(B) und 1(C),
welche schematische Ansichten zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitstellen, leichter verstanden werden. In beiden Ausführungsformen
werden in Mischer 1 nylonhaltiges Rohmaterial 2,
Lösungsmittel 3 und
das eingespeiste Inertgas 4 gemischt. Das Lösungsmittel 3 und
das nylonhaltige Rohmaterial 2 werden unter Druck vermischt,
und ein Teil dieser Mischung wird als Mischerabflussstrom 5 durch
Pumpe 5a abgezogen. Der Abflussstrom 5b von Pumpe 5a wird
einer Verteilerpumpe 6 zugeführt, welche den Strom auftrennt
in einen Wiederzufuhrstrom 7 mit hoher Flussrate, welcher
dem Mischer 1 erneut zugeführt wird, und einen Prozessstrom 9 mit
geringerer Flussrate, welcher von Verteilerpumpe 6 zum
Wärmetauschsystem 10 gepumpt
wird. Der Wiederzufuhrstrom 7 wird mit einer relativ hohen
linearen Geschwindigkeit verarbeitet; Strom 9 wird von
Strom 7 abgetrennt, typischerweise bei einer signifikant
niedrigeren Flussrate. Beide werden durch Rohre oder Röhren gepumpt,
welche relativ glatte innere Oberflächen aufweisen, wie beispielsweise mittels
Presspassung ineinander gefügte
Rohre, um eine verwirbelte Pfropfenströmung zu erreichen und die Möglichkeiten
zu verringern, dass sich die im Strom befind lichen Nylonfasern oder
-partikel absetzen und die Verfahrensanlagen verstopfen.
-
Prozessstrom 9 durchläuft das
Wärmetauschsystem 10,
wo dieser erwärmt
wird durch ein Arbeitsfluid, welches durch Einlassstrom 11 (vorzugsweise
Dampf) eingeführt
wird und durch Auslassstrom 12 (vorzugsweise Kondensat)
abgeführt
wird. Die erwärmte
Mischung 13 verlässt
das Wärmetauschsystem 10 mit
mindestens einem Teil (vorzugsweise mit dem größten Teil) des Nylons aus Prozessstrom 9,
gelöst
in Lösungsmittel 3.
Die erwärmte
Mischung 13 kann außerdem
Partikel ungelöster
Materialien enthalten, beispielsweise Teppichrücken, Weichmacher, Verstärkungsfasern
oder Füllstoffe.
Diese Schwebstoffe können
aus der Lösung
ausgefiltert werden durch das Sieb- bzw. Filtrationssystem 14,
sodass der gefilterte Strom 15 primär aus gelöstem Nylon und Lösungsmittel
besteht. Um dabei mitzuhelfen, die Menge an ungelösten Materialien,
welche durch System 15 fließen, zu verringern, können zusätzlich gemahlene
und/oder aufbereitete Teppichabfälle
gründlich
in Wasser oder einer anderen Spülflüssigkeit
gespült
werden, um soviele Schwebstoffe wie möglich vor der Einführung in
den Mischer abzutrennen.
-
Der
gefilterte Strom 15 wird anschließend in einen Präzipitator
eingespeist, wo das gelöste
Nylon aus der Lösung
ausgefällt
wird. Da die Lösung
unter einem relativ hohen Druck steht, kann ein Entspannungspräzipitator,
welcher Nylon aus der Lösung
durch Absenken des Drucks der Lösung
abtrennt, in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, falls Kühlvorgänge zur
Ausfällung
unerwünscht
sind. Die resultierende Suspension aus ausgefälltem Nylon und Lösungsmittel
kann aus dem Präzipitator
als Auslassstrom 17 abgezogen werden, und optional kann
ein Teil dieses Stroms 18, 20 dem Präzipitator
durch Pumpe 19 erneut zugeführt werden, um den Schlamm
aufzuwirbeln und ein Absetzen des Nylonprodukts zu vermeiden.
-
Der
Teil der ausgefällten
abfließenden
Suspension 21, welcher nicht erneut zugeführt wurde,
wird zu einem Filtrationssystem 22 geleitet, wo diese eingeengt
wird und der Lösungsmittel-Permeatstrom 33 abgetrennt
wird. Der ungewaschene eingeengte Strom 27 wird in den
Waschtank 24 eingespeist, wo dieser mit der Waschflüssigkeit 25 gewaschen
wird, typischerweise einer Mischung aus Wasser und einem Lösungsmittel, welches ähnlich dem
im Mischer verwendeten ist. In der in 1(B) schematisch
dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird der Abflussstrom 26, 28 des
Wäschers
dem Filtrationssystem 22 mittels der Waschtank-Wiederzufuhrpumpe 29 erneut
zugeführt.
Das Filtrationssystem 22 engt den gewaschenen Strom erneut
ein, und der erneut eingeengte gewaschene Strom wird anschließend dem
Trockner 31 zugeführt,
wo restliches Lösungsmittel
und Wasser abgetrennt werden. In der in 1(C) schematisch
dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird der ungewaschene eingeengte Strom 27 einem
weiteren Filtrationssystem 22a zugeführt, welches vom gleichen Typ
wie das Filtrationssystem 22 oder von einem unterschiedlichen
Typ sein kann, wo dieser erneut eingeengt wird und der Permeatstrom 33a abgetrennt
wird. Das gewaschene, eingeengte und getrocknete Produkt 32 wird
aus dem Trockner 31 entfernt, in 1(D) für diese
Ausführungsform der
Erfindung abgebildet. Fachleute werden erkennen, dass es erforderlich
oder wünschenswert
sein kann, weitere Schritte des Waschens und/oder erneuten Einengens
vor dem Trocknen einzufügen,
um soviel an unerwünschten
Verunreinigungen, an Lösungsmittel
und Wasser wie möglich
abzutrennen.
-
Das
feste Nylon, welches aus dem Verfahren resultiert, weist ein ausreichend
hohes Molekulargewicht auf, welches sowohl für höherwertige Anwendungen geeignet
ist, beispielsweise zum Verspinnen als Faser, als auch für geringwertige
Anwendungen, wie beispielsweise das Spritzgießen. Zusätzlich wurde festgestellt, dass
das durch dieses Verfahren hergestellte Nylon überraschenderweise zu Nylonfasern
verarbeitet werden kann, welche Festigkeiten aufweisen, die erheblich
höher sind
als jene, welche unter Verwendung nativen Nylons er halten werden
können,
und dass sich die Festigkeit mit wachsendem Anteil an wiederverwertetem
Nylon in der Faser dort erhöht,
wo Mischungen mit nativem Material verwendet werden.
-
Der
Mischer 1 kann ein druckfestes Gefäß sein, betrieben als Rührtank,
mit Einlässen
für nylonhaltiges Abfallmaterial 2,
Lösungsmittel 3 und
Inertgas 4, wie beispielsweise Stickstoff, um den Tank
zu befüllen.
Der Tank ist ferner ausgestattet mit einer Durchlassöffnung oder
einem anderen Zugang für
einen motorbetriebenen Rührer,
und mit einem Auslass und einem Einlass zum Abziehen und Einführen wiederzugeführten Gemisches.
Das Lösungsmittel 3 ist
typischerweise ein Gemisch aus Alkanol und Wasser, beispielsweise
eine Mischung aus Ethanol und Wasser, z. B. einer Mischung aus Ethanol
und Wasser im Verhältnis
80:20 V/V. Abfallmaterial 2 kann Abfall von Teppichen oder
Teppichfliesen sein und kann vorliegen in Form von geschnittenen
oder zermahlenen Stücken
oder Krümeln,
als Webkanten oder in größeren Stücken. Die
Verwendung zermahlener Krümel
ist für
das erfindungsgemäße Verfahren
besonders geeignet. Zusätzlich,
obwohl nicht unbedingt erforderlich, ist es von Vorteil, die Krümel vorzubehandeln,
indem diese entweder aufbereitet werden, um das Nylon zumindest
teilweise von den anderen Abfallmaterialien abzutrennen, oder diese
zu spülen,
um Feststoffe, welche nicht aus Nylon bestehen, abzutrennen, oder
eine Kombination davon. Beispielsweise können die Krümel zunächst aufbereitet werden, z.
B. durch Windsichten, um das Nylon weitgehend von PVC und anderen
Materialien zu trennen, und das Nylon kann gespült werden, um kleinere Partikel,
wie PVC- oder Calciumcarbonat-Füllpartikel,
abzutrennen.
-
Die
Mischung aus Lösungsmittel
und nylonhaltigem Material 5 (welche vorwiegend Nylon enthalten kann,
oder eine Mischung aus Nylon und unlöslichen Materialien sein kann,
beispielsweise Teppichrücken oder
Weichmacher) wird aus dem Mischer abgezogen mittels eines Auslassventils
und einer Pumpe 5a der Wiederverwertung und Verarbeitung
zugeführt.
Diese Pumpe kann vorzugswei se eine Zentrifugalpumpe oder eine Pumpe
von anderer Art sein, welche geeignet ist, hohe Flussraten zu erzeugen,
und kann außerdem
die Fähigkeit
zur Zerkleinerung aufweisen (z. B. eine so genannte „Hackmesser"- oder scherende
Zentrifugalpumpe). Der Abfluss der Hochdurchsatzpumpe 5a wird
durch eine Pumpe 6 der zweiten Stufe geleitet, welche einen
Teil ihres Zuflusses der Mischvorrichtung erneut zuführt, bei
einer Flussrate und/oder linearen Geschwindigkeit, welche ähnlich jener
ist, die von Pumpe 5a geliefert wird. Ein anderer Teil
des Zuflusses wird von Pumpe 6 als Abfluss bei einer geringeren
Flussrate und linearer Geschwindigkeit gepumpt und der nächsten Stufe des
Verfahrens zugeführt.
-
Die
Verteilerpumpe 6 ist vorzugsweise eine Einzelrotor- oder
Doppelrotor-Schneckenpumpe
oder -Schraubenpumpe, wie beispielsweise eine MOYNO-Exzenterschneckenpumpe,
insbesondere eine Pumpe der MOYNO-Serie L, welche modifiziert wurde,
um einen Einlass und einen Auslass im Ansaugraum der Pumpe aufzuweisen.
Der mit hoher Flussrate aus Pumpe 5a austretende Abfluss
läuft durch
diesen Einlass. Ein Teil des Zuflusses läuft durch den Exzenterschneckenbereich
der Pumpe 6, und verlässt
die Pumpe durch den Stator, von wo er zu den verbleiben Verfahrensschritten
geleitet wird. Dieser Teil wird mit einer im Vergleich zu jener
des Zuflusses erheblich verringerten Flussrate und linearen Geschwindigkeit
zugeführt.
Der verbleibende Teil des Zuflusses durchläuft den Förderraum der Pumpe 6,
ohne den Bereich der Exzenterschnecke der Pumpe zu durchlaufen,
und verlässt
die Pumpe durch eine Abflussöffnung
gegenüber
der Einlassöffnung
im Förderraumbereich
der Pumpe. Dieser Strom wird dem Mischgefäß mit hoher Flussrate als Wiederzufuhrstrom erneut
zugeführt.
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Eine
Ausführungsform
einer zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten Verteilerpumpe 6 ist
in 2 abgebildet. Die Verwendung der
Einlassöffnung 201 im
Förderraumbereich 205 der
Pumpe, einer entsprechenden Auslassöffnung, ebenso im Förderraumbereich
der Pumpe, und die Prozessstrom-Auslassöffnung 203, helfen
dabei, ein Verstopfen der Pumpe infolge einer Zusammenballung der
Nylonfasern oder -partikel zu minimieren. Zusätzlich kann die Pumpe bei verhältnismäßig hohem
Druck betrieben werden und eine lineare Geschwindigkeit erzeugen,
welche ausreichend hoch ist, um eine verwirbelte Pfropfenströmung der
Mischung oder der Suspension im Prozessstrom, welcher den Stator 209 durch
den Auslass 203 verlässt,
zu erzeugen. Wie angegeben wird ein signifikanter Teil des Pumpenabflusses
dem Mischgefäß erneut
zugeführt.
Das aufwändige
Wiederzuführen
der Mischung hilft dabei, die Nylonfasern oder -partikel in der
Suspension zu halten und begrenzt das Zusammenballen. Ein Teil des
Pumpenabflusses wird vom Wiederzufuhrstrom abgetrennt mittels Leiten
durch den Stator 209 und aus dem Auslass 203 heraus,
und wird anschließend
dem Prozess-Wärmetauschsystem 10 zugeführt. Die Öffnung 207 wird
dazu verwendet, die Pumpe zu reinigen und wird während des Betriebs der Pumpe
normalerweise geschlossen gehalten.
-
2(A) zeigt eine linksseitige Ansicht der
Ausführungsform
der oben beschriebenen Verteilerpumpe 6. Es ist zu verstehen,
dass die rechtsseitige Ansicht ein Spiegelbild der linksseitigen
Ansicht ist. Die Pumpe wird angetrieben durch einen Motor (nicht
abgebildet), gekoppelt mit Antriebswelle 211, welche mit
einem Verbindungsstück 213 (in 2B)
gekoppelt ist, welches sich durch den Förderraumbereich 205 der
Pumpe erstreckt. Dieses Verbindungsstück ist mit einem Rotor 215 (2B)
gekoppelt, welcher fortlaufende Hohlräume 217 (2B)
in Verbindung mit Stator 209 erzeugt. Eine ähnliche
Auslassöffnung
gegenüber
Einlass 201 erlaubt es einem Teil des zufließenden Materials,
außerhalb
der Pumpe erneut zugeführt
zu werden, wohingegen ein Teil durch die Kombination aus Rotor/Stator
umgeleitet wird und die Pumpe durch Auslass 203 verlässt. Die
Verteilerpumpe gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung kann gefertigt werden durch Modifikation einer Exzenterschneckenpumpe
der MOYNO-Serie L, indem an beiden Seiten des Förderraums der Pumpe Öffnungen
gebohrt wer den, wie in 2A gezeigt, das Anschweißen geeigneter
Flansche um die Öffnungen
herum und Verschließen
der Wartungsöffnung
auf der Oberseite der Pumpe.
-
Das
Wärmetauschsystem 10 kann
einen oder mehrere Wärmetauscher
aufweisen, welche einen kontinuierlichen Pfropfenstrom der Mischung
erlauben, während
deren Temperatur auf eine Lösungstemperatur erhöht wird,
typischerweise im Bereich von etwa 130°C bis etwa 155°C, insbesondere
bei einer Temperatur von etwa 135°C
bis etwa 145°C,
und ganz besonders bei einer Temperatur von etwa 140°C bis etwa
145°C, sowie
bei einem Druck oberhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks des Lösungsmittels.
Typische Drücke
reichen von etwa 2068 kPa (300 psig) bis etwa 4137 kPa (600 psig),
insbesondere von etwa 2068 kPa (300 psig) bis etwa 2758 kPa (400
psig), und ganz besonders von etwa 2758 kPa (400 psig) bis etwa
3447 kPa (500 psig). Zu den geeigneten Wärmetauschern zählen Stapelwärmetauscher
oder ummantelte Pfropfenstrom-Wärmetauscher,
Schlangenrohr-Wärmetauscher
und andere Gestaltungsformen von Wärmetauschern, welche einen Pfropfenstrom
bei hohem Druck erlauben. Beispielsweise können ein oder mehrere Schlangenrohr-Wärmetauscher
verwendet werden, bei welchen das Prozessfluid durch eine glatte
Rohrseite und Dampf durch die Hüllenseite
läuft,
um den Prozessstrom auf die Lösungstemperatur
zu erwärmen,
insbesondere bei Verfahren in kleinerem Maßstab. Ein Stapelwärmetauscher
oder ein ummantelter Pfropfenstromreaktor, wobei Dampf oder ein
anderes Wärmeübertragungsfluid
durch die Ummantelung strömt,
kann verwendet werden, insbesondere bei Verfahren in größerem Maßstab. Ein
wichtiges Merkmal des Wärmetauschers
ist, dass dieser es nicht erfordert, dass der Prozessstrom durch
Verteiler, Köpfe,
Verengungen, Aufweitungen oder andere Strömungshindernisse fließt, welche
es dem schlammartigen Material erlauben könnten, sich vor der Auflösung des
Nylons anzusammeln. Von Stapelwärmetauschern,
welche beispielsweise nahtlose Kernrohre mit Vollstrommantel verwenden,
wurde festgestellt, dass diese in dieser Hinsicht besonders geeignet sind,
da sie keinerlei signifikante Zusammenballung des Lösungsschlamms
verursachen.
-
Vorzugsweise
ist die Verweildauer im Wärmetauscher
ausreichend lang, um die Auflösung
des größten Teils
des suspendierten Nylons oder des gesamten suspendierten Nylons
zu erlauben. Die Verweildauer kann variieren, abhängig von
anderen Parametern, beispielsweise der Menge an Feststoffen in der
Mischung, der Flussrate, Lösungstemperatur
und Druck, beträgt
jedoch typischerweise mindestens etwa 60 s, insbesondere mindestens
etwa 180 s, für
2% an Nylonfeststoffen. Die minimale Verweildauer wird sich mit
erhöhter Feststoffbeladung
erhöhen.
-
Jegliche
Schwebstoffe, welche nach der Auflösung verbleiben, können vom
Prozessstrom durch ein Filtrationssystem 14 abgetrennt
werden, vorzugsweise einen oder mehrere Filter und Siebe enthaltend.
Beispielsweise kann ein Vorfilter eingesetzt werden, um größere Partikel
abzutrennen, beispielsweise solche oberhalb von 100 μm, gefolgt
von einem feineren Filter, um kleinere Partikel abzutrennen, beispielsweise
solche von etwa 1 μm.
Falls für
eine effiziente Filtration erforderlich kann der Prozessstrom aufgeteilt
werden und durch zwei oder mehr Filterbänke geleitet werden.
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Der
heiße,
unter Druck stehende Prozessstrom 15 wird anschließend einem
Präzipitator 16 zugeführt, um
das Nylon aus der Lösung
auszufällen.
Der Präzipitator
kann ein einfacher Entspannungstank sein, wobei der geringere Druck
im Entspannungstank bewirkt, dass das gelöste Nylon ausfällt. Alternativ
können
komplexere Präzipitatoren
eingesetzt werden, um ausgefälltes
Nylon zu erhalten, beispielsweise Verdampfungskristallisatoren mit
Zwangsumlauf, Magma-Kristallisatoren,
Leitrohrkristallisatoren und Kristallisatoren mit Oberflächenkühlung. Präzipitator 16 kann
in fluidleitender Verbindung mit den optionalen Wiederzufuhrströmen 18 und 20 sowie
mit der Wiederzufuhrpumpe 19 sein. Ein Wiederzufuhrstrom
aus Niederschlag und Mutterlauge kann dem Präzipitator erneut zugeführt werden,
in einer Menge, welche ausreicht, einen wesentlichen Teil der Feststoffe
im Lösungsmittelgemisch
suspendiert zu halten und ein Absetzen zu verhindern. Der den Präzipitator
verlassende Prozessstrom 17 enthält im Allgemeinen eine Suspension
von ausgefälltem
Nylon in Lösungsmittel,
und das Nylon und die Mutterlauge werden durch das Filtrationssystem 22 voneinander
getrennt. Das Filtrationssystem 22 kann jedes geeignete
Filtrationssystem sein; jedoch ist festgestellt worden, dass ein
Umkehrosmose- oder Membranfiltrationssystem gute Ergebnisse liefert.
Insbesondere ist ein System nach dem Vibrationsverfahren mit verstärkter Scherwirkung
(VSEP), wie jenes von der New Logic Research Inc. hergestellte,
besonders für
eine effiziente Abtrennung von Nylon-Schwebstoffen von der Mutterlauge
des Niederschlags geeignet. Allerdings kann eine Filterpresse anstelle
des VSEP-Systems, oder ergänzend
dazu, verwendet werden, um einen Nylonschlamm mit höherem Feststoffgehalt
zu liefern, welcher zur herkömmlichen Filtration
und/oder Trocknung zu Nylon besser geeignet ist.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die ausgefällten
Nylonpartikel mit Wasser oder einer anderen wässrigen Waschlösung gewaschen
und getrocknet. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Teil der
Partikel 27 in Wäscher 24 mit
Wasser 25 gewaschen, und die resultierende Suspension 26 wird
durch Pumpe 29 dem Filtrationssystem 22 für ein erneutes
Einengen wiederzugeführt,
wonach die erneut konzentrierten Partikel 30 in Trockner 31 getrocknet
werden, wodurch das Nylonprodukt 32 erzeugt wird.
-
Der
Trockner 31 kann einer, oder mehrere, aus einer Auswahl
von verfügbaren
Trocknertypen sein, abhängig
von der Höhe
des Feststoffgehalts des niedergeschlagenen Nylonschlamms, welcher
aus dem Filtrationsvorgang erhalten wurde. Die Trockner arbeiten
vorzugsweise unter Vakuum oder in einer Inertgasumgebung, wie oben
beschrieben. Ein VSEP-System kann den Produktstrom typi scherweise
auf einen Feststoffgehalt von etwa 5–6% einengen, was für viele
gewerblich verfügbare
Trockner zu niedrig ist. Die Hinzufügung einer Filterpresse (oder
das Ersetzen durch eine solche) kann den Feststoffgehalt auf 25%
oder höher
steigern. Bei Feststoffanteilen von mehr als etwa 10% können ein
Spin-Flash-Trockner oder ein Schaufeltrockner auf effiziente Weise
eingesetzt werden. Mit einem Rohmaterial mit 10% Feststoffanteil
kann ein Spin-Flash-Trockner
(APV) ein Trockenprodukt liefern, welches einen Gehalt an flüchtigen
Stoffen von etwa 1,5% oder weniger aufweist. Konzentrationen an
flüchtigen
Stoffen von 0,07% sind mittels eines Schaufeltrockners (Littleford
Day), welcher agitierende Pflüge
und Hackmesser aufweist, erhalten worden.
-
Wie
oben erläutert,
verwendet das Verfahren der Erfindung Wiederzufuhrströme beim
Mischen der Lösungsmittel
und bei der Kristallisation, verwendet spezialisierte Pumpenlagen
und vermeidet scharfe innere Kanten und Windungen bei den Verfahrensanlagen
und Rohrleitungen, um das Verschmutzen der Verfahrensanlagen zu
verringern. Zusätzlich
ist unerwarteter Weise festgestellt worden, dass einige Lösungsmittel,
wie beispielsweise alkanolische Lösungsmittel, von den Nylonfasern
oder den Nylonpartikeln im Rohmaterial während des Mischvorgangs oder
im Anschluss daran in erheblichen Mengen aufgenommen werden können. Infolgedessen
ist es wünschenswert,
ein verhältnismäßig hohes
Gewichtsverhältnis
von Lösungsmittel
zu Abfallrohmaterialien einzusetzen, im Allgemeinen im Bereich von
etwa 90 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht
der Rohlösung
bzw. -suspension. Die Verwendung eines verhältnismäßig verdünnten Nylonschlamms erlaubt
es, dass der Schlamm das gesamte Verfahren hindurch leichter gepumpt
werden kann.
-
Die
Erfindung kann durch Bezug auf die folgenden Beispiele leichter
verstanden werden, wobei diese Beispiele nicht dazu gedacht sind,
den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.
-
Beispiel 1
-
Eine
Reihe von Tests wurde durchgeführt,
wobei Nylongarn oder Nylonchips getestet wurden, um eine Basis für die relative
Viskosität
festzulegen. Nylonchips wurden außerdem in einer Methanol/Wasser-Mischung aufgelöst, das
Nylon wurde wiedergewonnen und dessen relative Viskosität gemessen.
Eine Anzahl nylonhaltiger Teppichfliesen (bezeichnet als Proben
Nr. 1–6)
wurden zerhackt und in ein Druckgefäß gegeben, zu welchem 400 ml
eines alkanolischen Lösungsmittels
und 100 ml Wasser gegeben wurden, wie unten angegeben, und die Mischung
wurde, wie unten angegeben, erwärmt
und unter Druck gesetzt. Die Lösung
wurde aus dem Druckgefäß abgezogen
und in ein anderes Gefäß überführt, wo
sie abgekühlt
wurde, bis Nylon ausfiel. Dieses Nylon wurde auf die relative Viskosität geprüft, unter
Verwendung des gleichen Verfahrens, welches beim Nylongarn und den
Nylonchips zum Einsatz kam. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle
1 angegeben. Tabelle 1
| Proben | Aufschlusstemperatur, °C | Lösungsmittel
(80% Konzentration) | Finaler
Druck, kPa (psig) | Relative Viskosität |
| Nylon-66-Garn | nicht
aufgeschlossen | - | - | 44 |
| Standard-PA-66 | nicht
aufgeschlossen | - | - | 45 |
| Standard-PA-66 | 165 | Methanol | ~1413
(205) | 34 |
| 1 | 165 | 99%
Isopropanol | ~965,3
(140) | 40 |
| 2 | 165 | vergälltes Ethanol | ~2758
(400) | 37 |
| 3 | 175 | vergälltes Ethanol | ~1034
(150) | 34 |
| 4 | 165 | reines
Ethanol | ~1034
(150) | 42 |
| 5 | 155 | vergälltes Ethanol | ~2758
(400) | 44 |
| 6 | 155 | reines
Ethanol | ~3103
(450) | 48 |
| 7 | 150 | reines
Ethanol | ~2758
(400) | 45 |
| 8 | 145 | reines
Ethanol | ~2758
(400) | |
-
Beispiel 2
-
Ein
Verfahren, ähnlich
dem in Beispiel 1 angewandten, schloss sich an, unter Verwendung
zweier Proben von derselben Teppichfliese oder demselben Teppichboden,
und unter Variation des Drucks. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle
2 angegeben. Wo „Methanol" oder „reines
Ethanol" angegeben
ist, wurden 400 ml dieser Lösungsmittel
mit 100 ml Wasser gemischt („reines
Ethanol" zeigt nur
an, dass das Ethanol nicht vergällt war).
Wo „100%
Ethanol" angegeben
ist, war in der Mischung kein Wasser enthalten. Die Proben 1 und
3 wurden einer Teppichfliese entnommen, Probe 2 wurde einem Teppichboden
entnommen, und Probe 4 wurde einem Teppichboden mit Schmelzbeschichtung
entnommen. Tabelle 2
| Proben | Aufschlusstemperatur, °C | Lösungsmittel | Finaler
Druck, kPa (psig) | Viskositätszahl | Relative
Viskosität |
| Nylon-66-Garn | nicht
aufgeschlossen | - | - | 135 | 44 |
| Standard-PA-66 | nicht
aufgeschlossen | - | - | 137 | 45 |
| Standard-PA-66 | 165 | Methanol | ~1413
(205) | 112 | 34 |
| | | | | | |
| 1A | 155 | 100%
Methanol | ~1448
(210) | 141 | 47 |
| 1B | 155 | reines
Ethanol | ~1034
(150) | 141 | 47 |
| | | | | | |
| 2A | 155 | 100%
Methanol | ~1448
(210) | 162 | 60 |
| 2B | 155 | reines
Ethanol | ~1034
(150) | 166 | 62 |
-
Beispiel 3
-
Eine
80%-ige Mischung von Ethanol und Wasser wurde auf die unten angegebene
Temperatur vorgewärmt,
und auf einmal in ein Gefäß, welches
Nylonfasern in ausreichender Menge enthielt, gegeben, um eine 3,5
Gew.-%-Mischung von Lösungsmittel
und Nylon bereitzustellen. Die Mischung wurde unter Druck gesetzt, auf
den unten in Tabelle 3 angegebenen Druck, und für die unten angegebene Zeit
unter Druck gehalten. Die Flüssigkeit
wurde aus dem Gefäß abgezogen
und in einem ummantelten Gefäß auf eine
Temperatur von 120°C
abgekühlt.
Die resultierende abgekühlte
Lösung
wurde filtriert, um ausgefälltes
Nylon abzutrennen. Das im ersten Gefäß verbleibende ungelöste Nylon
wurde gemessen, und eine Ausbeute von ungelöstem Nylon zum insgesamt der
Mischung zugesetzten Nylon wurde berechnet. Tabelle 3
| Lauf | Temperatur (°C) | Druck
kPa (psig) | Zeit
(min) | Ausbeute
(%) |
| 1 | 143 | ~2068
(300) | 37 | 64 |
| 2 | 143 | ~2758
(400) | 23 | 82 |
| 3 | 147 | ~3103
(450) | 23 | 100 |
| 4 | 150 | ~3447
(500) | 15 | 100 |
| 5 | 160 | ~1034
(150) | 45 | 88 |
-
Beispiel 4
-
Rohmaterial,
erhalten durch Scheren, Vakuumsammeln, Bündeln und Packen zu Ballen
von Nylon 66 aus Teppichbodenabfällen
wurden durch die in 1 abgebildete
Vorrichtung verarbeitet. 10 Stränge
von Nylon-Rohfaser wurden als Probe entnommen und als Nylon 66 analysiert.
Die Nylon-Rohfaser wurde in Mischer 1 mit Ethanol zu einer
Konzentration von 2,75 Gew.-% gemischt, basierend auf dem Gesamtgewicht
der Ausgangslösung,
und auf einen Druck zwischen ~2930 und ~3172 kPa (425 und 460 psig)
gebracht. Erwärmen
in einem Wärmetauscher 10 (einem
Schlangenrohr-Wärmetauscher)
steigerte die Temperatur auf zwischen 138 und 143°C. Eine Flussrate
durch den Wärmetauscher
von zwischen 1,32 und 1,5 Gallonen pro Minute wurde verwendet. Die
Lösung
wurde gesiebt und in einem Kristallisationstank bei einer Temperatur,
welche von etwa 115 bis 125°C
reichte, ausgefällt.
Das suspendierte Nylon in Lösung
wird anschließend
einem ersten Filtrations- bzw. Einengungssystem (z. B. einem VSEP)
zugeführt,
um die Lösung
auf 5 bis 6 Gew.-% an Feststoffgehalt einzuengen. Aus früheren Läufen erhaltene
getrocknete Feststoffe wurden rückgemischt
auf einen Feststoffanteil von 10–15%, um einen effizienteren
Betrieb des Trockners zu erlauben (das Verfahren ist später modifiziert
worden, um eine Filterpresse im Anschluss an den VSEP-Vorgang zuzufügen, um
die Notwendigkeit des Rückmischens
zu eliminieren). Obwohl dieses bedeutete, dass einige der Feststoffe mehrere
Male durch den Trockner gingen, waren die Ergebnisse recht gut.
Dieses Material wurde erneut mit einem 100 μm-Filter gefiltert.
-
~45,36
kg (100 lbs) des Nylonpulvers, welches aus dem Verfahren erhalten
wurde, wurden weiter getrocknet und pelletiert, um ein Material
mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 500 ppm und einer relativ einheitlichen
Partikelgröße zu erhalten.
Ungefähr
70 lbs dieses pelletierten Materials wurden im Verlauf von 2–3 Stunden
durch einen Filtersatz (bei einem Gegendruck von etwa 3447 kPa (500
psig)) und eine Spinnvorrichtung extrudiert, um Nylonfaser zu erhalten.
Die Denierzahl und die Festigkeit des durch dieses Verfahrens erhaltenen
Garns wurden geprüft
und unten in Tabelle 4 angegeben: Tabelle 4
| Denierzahl | Festigkeit |
| 2429 | ~1,41
kg (3,11 lb) |
-
Die
Faser wurde zu Garn versponnen, welches anschließend in einen Teppich mit einem
Florgewicht von 17 oz/yd2 eingearbeitet
wurde. Keine andere Faser wurde in dem Garn zur Anfertigung des
Teppichflors verwendet. Das Garn wurde zu Lutradur-Primärträger getuftet,
mit einer Glasbac-Rückenbeschichtung.
-
Verschiedene
Test wurden mit dem durch dieses Verfahren erhaltenen Teppich durchgeführt. Die
Ergebnisse sind in unten Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5
| Test | Ergebnis |
| Alterungsbeständigkeit,
5 Jahre (trocken) Pflege | 8,25 |
| Alterungsbeständigkeit,
5 Jahre (feucht) Pflege | 8 |
| Burrough-Widerstand | 9083
MΩ |
| Ablösung – trocken | keine
Abtrennung |
| Fluor | 2322 |
| IBM-Widerstand | 3783
MΩ |
| Lichtechtheit | 2–3 (60 AFU) |
| Stickstoffdioxid | 4–5 (2 Zyklen) |
| Ozon-Bleiche | 4–5 (2 Zyklen) |
| Brandverhalten
(Radiant Panel) | 0,70 |
| Brandverhalten
(Radiant Panel) – 15
min | 0,78 |
| Rauch – flammend | 166 |
| Rauch – flammend – 4 min | 131 |
| Rauch – nicht
flammend | 438 |
| Rauch – nicht
flammend – 4
min | 66 |
| Färbung (Red
Dye 40) – 24
Stunden | 10 |
| Tuftbindung – Trocken | ~3,93
kg (8,66 lb) |
| Vettermann-Trommeltest | 1,5
bei 22.000 Zyklen |
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Zusätzlich wurde
das Molekulargewicht des Scherabfall-Rohmaterials und des aus dem
Verfahren erhaltenen getrockneten Nylons sowie pelletiertes Nylon
vor der Faserextrusion gemessen als viskositätsgemitteltes Molekulargewicht.
Das Molekulargewicht des Rohmaterials wurde bestimmt zu etwa 30
kDalton. 6 Nylonproben, erhalten aus dem oben beschriebenen Verfahren
und ferner entweder in einem Spin-Flash-Trockner von APV oder einem
Vakuumtrockner von Littleford Day getrocknet, wiesen im Durchschnitt
ein Molekulargewicht von etwa 38 kDalton auf. Das Molekulargewicht
des pelletierten Nylons wurde zu ungefähr 40 kDalton bestimmt.
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Beispiel 5
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Nylon
66, erhalten aus der unter Druck durchgeführten Auflösung des oben beschriebenen
Teppich-Scherabfalls wurde mit nativem Nylon in unterschiedlichen
Gewichtsanteilen kombiniert, extrudiert zu gezogener und ungezogener
Faser und ausgewertet bezüglich
Festigkeit und Dehnung. Die gleiche Auswertung erfolgte für vollständig native
Nylonfaser. Die Ergebnisse für
die mittlere Festigkeit und Dehnung sind unten in Tabelle 6 angegeben. Tabelle 6
| Probe
Nr. | Gehalt,
wiederverwertet:nativ | Festigkeit,
ungezogen | Dehnung,
ungezogen | Festigkeit,
gezogen | Dehnung,
gezogen |
| 1 | 25:75 | 1,03 | 437,90 | 3,56 | 19,75 |
| 2 | 50:50 | 1,01 | 411,02 | 3,58 | 20,33 |
| 3 | 100:0 | 1,04 | 370,74 | 3,89 | 19,88 |
| Kontrolle | 0:100 | 0,937 | 408,87 | 2,7–3,2 | |
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Die
Daten zeigen, dass die Festigkeit von Fasern, welche durch das Verfahren
dieser Erfindung erhaltenes, wiederverwertetes Nylon enthalten, überraschenderweise
besser ist als die Festigkeit, welche für ungezogene Nylonfaser erhalten
wurde, und gut oberhalb der Industriespezifikation für gezogene
Nylonfasern ist. Darüber
hinaus verbessert sich mit steigendem Anteil an wiederverwertetem
Nylon in der Faser die Festigkeit überraschenderweise weiter.