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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein verbessertes Verfahren
zum Entfernen eines Verunreinigungsstoffes aus wiederverwertetem
Polyethylenterephtalat (RPET) durch Verkleinerung der Partikelgröße. Im Spezielleren
richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen,
die in die Matrix der Seitenwände
eines PET-Behälters
diffundiert sind, welches Verfahren durchgeführt wird, nachdem der Behälter zu RPET
wiederaufbereitet wurde.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufbereitung wiederverwerteten PETs nach dem Gebrauch, um eine Vielfalt
an nützlichen Verbraucherprodukten
wie Blumentöpfe
und Zaunpfosten herzustellen, ist hinlänglich bekannt. Typischerweise
verwendet das Wiederaufbereitungsverfahren gebrauchte PET-Behälter, wie
weggeworfene Behälter
für kohlensäurehaltige
Getränke,
die gesammelt, sortiert, gewaschen und von Verunreinigungsstoffen
befreit werden, um eine relativ saubere Quelle für RPET zu ergeben. Zusätzlich führt die
Herstellung fehlerhafter und beschädigter PET-Formerzeugnisse,
insbesondere blasgeformter Flaschen, die dazu verwendet werden,
Verbrauchergüter
zu enthalten, zu einer beträchtlichen
Menge an PET-Abfall, den Hersteller solcher Erzeugnisse gerne wiederverwenden
würden.
Das durch herkömmliche Wiederaufbereitungsverfahren
erzeugte RPET liegt, wie durch die US-A-4 602 046 gelehrt wird,
im Allgemeinen in gemahlener oder Flockenform vor, welche danach
vom Endverbraucher einem Schmelzvorgang unterzogen oder weiter granuliert
wird.
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RPET
wird immer einem Mahlvorgang unterzogen, damit das Material leichter
gehandhabt und verarbeitet werden kann. Herkömmliche Mahlanlagen zerkleinern
das RPET zu Partikeln oder Flocken mit ca. 9,53 mm (3/8 Zoll). Das
Mahlen wird auf eine Weise durchgeführt, dass sichergestellt ist,
dass eine konsistente Flockengröße erzeugt wird,
indem ein Gitter oder Sieb verwendet wird, durch welches das gemahlene
Material beim Verlassen des Mahlwerks hindurchlaufen muss.
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Obwohl
herkömmliche
Schmelzverarbeitungs- und Granulieranlagen für RPET-Flocken dazu ausgelegt sind, Flocken
mit 9,53 mm (3/8 Zoll) handhaben zu können, werden auch einige RPET-Erzeugnisse
mit Größen so groß wie 12,7
mm (1/2 Zoll) und so klein wie 6,35 mm (1/4 Zoll) im Handel hergestellt. Die
Schüttdichte
von RPET mit 9,53 mm (3/8 Zoll) großen Flocken beträgt im Allgemeinen
ca. 353 kg/m3 bis ca. 561 kg/m3 (ca.
22 bis 35 Pfund pro Kubikfuß).
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Entsprechend
werden RPET- und PET-Pellets im Allgemeinen in einer standardmäßigen, gleichmäßigen Größe von ca.
3,05 mm (0,12 Zoll) im Durchmesser hergestellt. Die Schüttdichte
solcher Pellets beträgt
im Allgemeinen ca. 801 bis ca. 929 kg/m3 (ca.
50 bis ca. 58 Pfund pro Kubikfuß).
Typischerweise sind PET- und RPET-Schmelzverarbeitungsanlagen dazu ausgelegt,
Pellets mit den vorstehend erwähnten
Maßen
und physikalischen Eigenschaften aufzunehmen.
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Der
ausschlaggebende Gesichtspunkt, um unter Verwendung von RPET Endprodukte
mit konsistent hoher Qualität
zu erreichen, umfasst das Entfernen von Verunreinigungsstoffen aus
den RPET-Flocken oder -Pellets.
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Ein
deutliches Entfernen von Verunreinigungsstoffen findet während des
Waschens und Sortierens des PET-Abfalls statt. Die ankommenden PET-Flaschen
und -Behälter
werden zerkleinert, um PET-Fragmente zu bilden und lose Etiketten, Schmutz
und andere anhaftende Fremdstoffe zu entfernen. Danach wird das
Gemisch windgesichtet, und die zurückbleibenden Fragmente werden
in einer heißen
Waschlösung
gewaschen, um zusätzliche
Etikettenstückchen
und Klebstoffe von den PET-Fragmenten zu entfernen. Die gewaschenen
PET-Fragmente werden dann gespült
und in eine Reihe von Flotationsbädern eingebracht, wo schwerere
und leichtere Fremdpartikel entfernt werden. Die zurückbleibenden PET-Fragmente
werden dann getrocknet und als PET-Flocken verkauft. Auf diese Weise werden
Etiketten- und Manschettenklebstoffe, Polyolefine, PVC, Papier,
Glas und Metalle, die alle die Qualität und Nutzleistung des fertigen
Erzeugnisses negativ beeinflussen, aus dem RPET entfernt.
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Von
jüngstem
Belang sind toxische Kontaminanten, welche in einen typischen RPET-Verarbeitungsablauf
gelangen können.
Beispiele solcher Kontaminanten umfassen Pestizide, Lösungsmittel, Herbizide
und chlorierte Kohlenwasserstoffe, welche das RPET durch versehentlichen,
unbeabsichtigten Kontakt während
seiner Verarbeitung oder seines Transports verunreinigen könnten, oder
durch das Wiederaufbereiten von PET-Flaschen und -Behältern, die von Verbrauchern über längere Zeit
zum Aufbewahren toxischer Substanzen benutzt wurden.
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D.
W. Hayward, „Employing
RPET in Your Process",
SPE RETEC, 4. November 1994, berichtet, dass "saubere" RPET-Flocken immer noch Restverunreinungen
in so hohen Konzentrationen wie 4% enthalten können und eine Wahrscheinlichkeit
besteht, dass solche Verunreinigungen toxische Kontaminanten enthalten.
Diese Kontaminierungsquellen sind natürlich für diejenigen von großem Belang,
die RPET in neue Behälter
einbauen möchten,
die mit Nahrungsmittel in Berührung
kommen sollen.
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Im
Hinblick auf die Möglichkeit,
dass toxische Kontaminanten in RPET enthalten sein könnten, das zu
einem Gebrauch mit Nahrungsmittelkontakt ausgelegt ist, hat die
U.S. FDA (Food and Drug Administration) Protokolle für die Grade
solcher Kontaminanten in diesen Anwendungen erstellt und Surrogat- und
Konzentrationsgrenzen gezogen, um die Wirksamkeit der Wasch- und
nachfolgenden Dekontaminierungsprozesse festzulegen. Da es die Protokolle der
U.S. FDA erfordern, dass das RPET zwei Wochen lang in den ausgewählten Verunreinigungsstoff eingebracht
wird, ist klar, dass Kontaminanten in die Polymermatrix einer Flaschen-
oder Behälterwand eindringen,
die dann später
wiederaufbereitet wird. Dementsprechend erfordert ein wirksames
Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen in gewissem Maße, dass
der Verunreinigungsstoff aus den aus den Flaschen- oder Behälterwänden hergestellten
RPET-Flocken wieder ausgetrieben wird, um die erforderliche Verunreinigungskonzentrationsgrenze zu
erreichen.
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Es
wäre wünschenswert,
ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen aus RPET
zu entwickeln, um „sauberes" RPET zu erzeugen,
bei dem das saubere RPET einen Restverunreinigungsgrad aufweist,
welcher es zur Herstellung neuer nahrungsmittelgeeigneter PET-Flaschen
und -Behältern annehmbar
machen würde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Nach
der vorliegenden Erfindung wurde überraschend ein Verfahren zum
Entfernen von Verunreinigungsstoffen aus Flocken wiederverwerteten PETs
entdeckt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
die
Flocken wiederverwerteten PETs zu zerkleinern, um Partikel wiederverwerteten
PETs mit einer durchschnittlichen mittleren Partikelgröße von ca.
0,127 mm (0,005 Zoll) bis ca. 2,54 mm (0,1 Zoll) Durchmesser herzustellen;
und
den Verunreinigungsstoff aus den Partikeln wiederverwerteten
PETs auszutreiben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders nützlich
zum Entfernen toxischer Kontaminanten aus RPET-Flocken, so dass
das sich ergebende Material dann zur Herstellung nahrungsmittelgeeigneter
PET-Flaschen und -Behälter
verwendet werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
neuartigen merkmalsbezogenen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sind einzeln in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt. Die Erfindung selbst lässt sich jedoch am Besten aus
der begleitenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen verstehen, wenn
diese zusammen mit der beigefügten
Zeichnung gesehen wird, worin
die Figur eine graphische Darstellung
der Anstiegsrate der Eigenviskosität als Funktion einer Abnahme der
RPET-Partikelgröße zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Entfernen
von Verunreinigungsstoffen aus RPET-Flocken. Die RPET-Flocken werden
zerkleinert, um RPET-Partikel herzustellen, und danach wird der
Verunreinigungsstoff aus den RPET-Partikeln ausgetrieben. Unter dem Begriff „RPET-Flocken", wie er hier verwendet
wird, verstehen sich allgemein die handelsüblich erhältlichen wiederaufbereiteten
Polyethylenterephthalatmaterialen, die durch herkömmliche
PET-Wiederaufbereitungsverfahren für gewöhnlich in Flockenform erzeugt
werden, welche aber zusätzlich
auch in Form von Spänen,
Kugeln, Pellets u. dgl. vorliegen können, und welche im Allgemeinen
in großen
Mengen in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Partikelgröße von ca.
6,35 bis ca. 12,7 mm (ca. ¼ bis
ca. ½ Zoll)
für spätere Schmelzverarbeitungsvorgänge bereitgestellt
werden.
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Ein
typischer Einzelpartikel einer 9,53 mm (3/8 Zoll) großen RPET-Flocke
weist ein Oberflächen-/Volumenverhältnis von
ca. 177 auf. Kontaminanten, die in die Matrix der RPET-Flocke eingedrungen
sind, können
nur aus der Oberfläche
der RPET-Flocke herausdiffundieren. Kontaminanten, die weit in die
Matrix der RPET-Flocke vorgedrungen sind, können zwischen der Zeit, zu
der die RPET-Flocke im herkömmlichen
Wiederaufbereitungsprozess erzeugt wird, und der Zeit, in der die
RPET-Flocke in einem
Schmelzverarbeitungsvorgang verwendet wird, um einen neuen PET-Artikel herzustellen,
im Allgemeinen nicht aus der Flocke herausdiffundieren.
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Nach
der vorliegenden Erfindung werden RPET-Flocken durch irgendeine
herkömmliche
Einrichtung zerkleinert, um RPET-Partikel mit einer durchschnittlichen mittleren
Partikelgröße von ca. 0,127
mm (0,005 Zoll) bis ca. 2,54 mm (0,1 Zoll) Durchmesser herzustellen.
Vorzugsweise beträgt
die Partikelgröße ca. 0,127
mm (0,005 Zoll) bis ca. 1,27 mm (0,05 Zoll). Dies ist eine wesentliche
Größenreduktion
der einzelnen RPET-Flocken und ermöglicht ein leichteres und schnelleres
Austreiben jeglichen in den RPET-Flocken enthaltenen Verunreinigungsstoffes.
Beispielsweise braucht ein PET-Partikel mit einem Radius von ca.
1,47 mm (0,058 Zoll) und einer Konzentration an Benzol von in etwa
25.000 ppm über
96 Stunden Diffusionszeit bei 70°,
damit der Benzolpegel auf eine Konzentration von in etwa 0,25 ppm
sinkt. Hingegen braucht ein PET-Partikel mit einem Radius von ca.
0,223 mm (0,00876 Zoll) weniger als 3 Stunden, um denselben Konzentrationspegel von
0,25 ppm zu erreichen, wobei alle anderen Parameter gleich bleiben.
Auf diese Weise können RPET-Flocken
durch das erfindungsgemäße Verfahren,
welches den Schritt der Verkleinerung der Partikelgröße umfasst,
von Verunreinigungsstoffen ohne ausgefeilte oder exotische Mittel
wie Doppelschneckenmischen, Vakuumextraktion oder extrem lange Verweilzeiten,
wie sie im Stand der Technik gelehrt werden, befreit werden.
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Nach
der Zerkleinerung der RPET-Flocken werden die sich ergebenden RPET-Partikel einem Prozess
unterzogen, der die Verunreinigungsmittel aus den Partikeln austreiben
soll. Wie hinlänglich
bekannt ist, kann dies dadurch geschehen, dass die RPET-Partikel
bei Umgebungstemperatur einfach luftgetrocknet werden (indem man
einen Gasstrom, vorzugsweise Luft, über und durch die Partikel
fließen
lässt).
Die Zeit, die dazu benötigt
wird, um ein wesentliches Eliminieren aus den RPET-Partikeln zu erreichen,
ist viel kürzer
als die Zeit, die ansonsten nötig
wäre, um
dasselbe Eliminieren von Verunreinigungsstoffen unter denselben
Bedingungen aus einer gleichen Masse von RPET-Flocken zu erreichen. Alternativ
können
die zerkleinerten RPET-Partikel einfach bei Normalbedingungen in
der Masse belassen werden, bis die Verunreinigungsstoffe aus den Partikeln
herausdiffundiert sind.
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Darüber hinaus
können
die RPET-Partikel auf herkömmliche
Weise erwärmt
werden, was das Herausdiffundieren der Verunreinigungsstoffe aus den
Partikeln beschleunigt. Die RPET-Partikel können auch in eine flüssige Lösung eingebracht
werden, die dann die Verunreinigungsstoffe aus den Partikeln auslaugen
kann. Diese sowie andere herkömmliche
Verfahren können
eingesetzt werden, um die Verunreinigungsstoffe aus den RPET-Partikeln auszutreiben;
in jedem Fall aber wird die dazu notwendige Zeit wesentlich kürzer sein,
als ansonsten notwendig wäre,
um denselben Grad an Dekontamination an einer gleichen Masse von
RPET-Flocken zu bewirken.
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Obwohl
sich die vorliegende Erfindung primär auf den Einsatz der Partikelgrößenreduktion konzentriert,
um die RPET-Partikel von Verunreinigungsstoffen zu befreien, können auch
andere Vorteile aus dem Einsatz des Partikelgrößenreduktionsschritts gezogen
werden. Derselbe mechanische Ablauf verbessert auch die Trocknungsleistung
und den Übergang
in einen festen Aggregatzustand des RPET.
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Der Übergang
in einen festen Aggregatzustand ist ein Prozess, bei dem die Eigenviskosität des RPET
angehoben wird. Eigenviskosität
ist eine wichtige physikalische Eigenschaft, welche größtenteils die
endgültige
Festigkeit des Endprodukts, beispielsweise einer Flasche oder eines
Behälters,
die/der aus den RPET-Flocken hergestellt ist, bestimmt. Eine Flasche
oder ein Behälter,
die/der aus RPET hergestellt ist und eine niedrige Eigenviskosität hat, wird keinen
so guten Nutzeffekt haben wie eine Flasche oder ein Behälter, die/der
aus RPET mit einer höheren
Eigenviskosität
hergestellt ist.
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PET
hat im Gegensatz zu den meisten anderen Polymeren die Fähigkeit,
beim Prozess des Übergangs
in einen festen Aggregatzustand „wieder zusammenzubacken", was die Eigenviskosität wieder auf
ein annehmbares Maß anhebt.
Ein Übergang
in einen festen Aggregatzustand findet bei hohen Temperaturen, oftmals
genau unter dem Schmelzpunkt des Polymers statt, und es wird ein
durch das Bett der Polymerpartikel fließender Trockengasstrom eingesetzt,
wobei das verwendete Gas für
gewöhnlich inert
ist, wie etwa Stickstoff. Alternativ kann der Übergang in einen festen Aggregatzustand
bei Unterdruck stattfinden. Ein Übergang
in den festen Aggregatzustand hängt
von der Diffusionsmechanik zum Entfernen von Nebenprodukten des
Prozesses und der Wärmedynamik
zum Anheben der Temperatur des RPET ab. Eine reduzierte Partikelgröße verbessert den
Verfestigungsprozess dadurch stark, dass die Zeit verkürzt wird,
die zum Anheben der Eigenviskosität auf den gewünschten
Grad notwendig ist.
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Darüber hinaus
ist PET ein hygroskopisches Polymer, das vor der Schmelzverarbeitung
gründlich getrocknet
werden muss, um eine hydrolytische Verschlechterung und den sich
daraus ergebenden Verlust an Eigenviskosität zu verhindern. Das Trocknen der
PET- und RPET-Flocken findet für
gewöhnlich
in handelsüblichen
wasserentziehenden Heißlufttrocknern
statt, die dazu ausgelegt sind, Feuchtigkeit aus der Oberfläche und
Matrix des Materials zu entfernen. Das Trocknen wird bei Temperaturen
durchgeführt,
die über
dem Siedepunkt von Wasser aber wohl unter den Verfestigungstemperaturen
liegen. Die Partikelgrößenreduktion
nach der vorliegenden Erfindung reduziert die zum Trocknen des RPET
nötige Zeit
in hohem Maße.
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Obwohl
das erfindungsgemäße Verfahren somit
als eines zum Entfernen eines Verunreinigungsstoffes aus RPET-Flocken
beschrieben und beansprucht ist, wird auch in Erwägung gezogen, dass
das beschriebene und beanspruchte Verfahren zusätzlich zur Verbesserung und
Beschleunigung eines Verfestigungsprozesses verwendet werden und einen
Prozess zum Trocknen des RPETs vereinfachen und beschleunigen kann.
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BEISPIEL
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RPET-Flocken
werden zerkleinert, um vier Chargen von RPET-Partikeln mit in etwa
den folgenden durchschnittlichen mittleren Partikelgrößen (Durchmessern)
herzustellen: 3,05 mm (0,12 Zoll) (RPET-Flocken, unzerkleinert);
1,0 mm (0,0394 Zoll); 0,419 mm (0,0165 Zoll); und 0,178 mm (0,007
Zoll). Diese vier Chargen von RPET-Flocken und -Partikeln werden einzeln
bei einer Temperatur von ca. 280°C
unter Stickstoffatmosphäre
in einen festen Aggregatzustand überführt. Zu
verschiedenen Zeiten während
des Übergangs
in den festen Aggregatzustand werden Proben von jeder Charge gezogen, und
die Eigenviskosität
jeder Probe wird gemessen. Es ist zu beobachten, dass die Eigenviskositäten der aus
einer einzelnen Charge entnommenen Probe bei zunehmend längeren Verfestigungszeiten
zunehmen.
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Darüber hinaus
ist auch zu beobachten, dass die Anstiegsrate bei der Eigenviskosität von der durchschnittlichen
mittleren Partikelgröße der RPET-Partikel
in der Charge abhängt.
Die Anstiegsrate bei der Eigenviskosität steigt bei zunehmend kleineren
RPET-Partikelgrößen an,
wie in der beigefügten
Zeichnung dargestellt ist.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungsstoffen
aus RPET-Flocken ist allgemein hinsichtlich auf seine breiteste
Anwendbarkeit auf die praktische Umsetzung der vorliegenden Erfindung
offenbart. Unter besonderen Umständen
lassen sich die Prozessbedingungen, wie sie beschrieben wurden,
nicht genau auf jede Kombination Verunreinigungsstoff/RPET-Flocken
anwenden, die im offenbarten Umfang enthalten ist. Diejenigen Fälle, bei
denen dies auftritt, werden jedoch vom durchschnittlichen Fachmann
erkannt. In allen diesen Fällen
kann der Prozess durch herkömmliche
Abwandlungen am offenbarten Prozess erfolgreich durchgeführt werden.
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Die
Erfindung lässt
sich leichter mit Bezug auf die hier genannten speziellen Ausführungsformen
verstehen, welche für
die Erfindung repräsentativ
sind. Es sollte jedoch klar sein, dass die speziellen Ausführungsformen
nur zum Zwecke der Darstellung vorgesehen sind, und die Erfindung
auch anders als speziell dargestellt in die Praxis umgesetzt werden kann,
ohne dass dabei von ihrem Umfang abgewichen würde.