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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Umwandlung von Kautschuk-Abfallmaterial. wie
gebrauchten Reifen oder anderen Abfallmaterialien, zu einem Produkt,
welches als eine Komponente in der Herstellung von anderen Kautschuk-Materialien
verwendbar ist, und insbesondere eine Vorrichtung und Verfahren
für die
Devulkanisation von Kautschuk, welche die anschließende Verwendung
des Kautschuks als ein Surrogat eines Primär-Polymers ermöglicht.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Entsorgung von gebrauchtem Kautschuk stellt weiterhin eine Herausforderung
für die
Umwelt dar und die Entwicklung von Verfahren für seine Umwandlung in ein nützliches
Material ist bisher der Fokus von vielen Untersuchungen gewesen.
Eine große
Quelle an Kautschuk-Abfall sind zum Beispiel gebrauchte Reifen,
welche nicht biologisch abbaubar sind und dadurch eine lange Bedrohung
der Umwelt darstellen, insbesondere wenn sie auf einer Halde aufgeschüttet sind.
Diejenigen, welche über
den Umwelteinfluss von aufgeschütteten
Halden besorgt sind, haben nach Wegen gesucht, das Anwachsen von
Halden von ausgemusterten Reifen oder anderem Kautschuk-Abfallmaterial
zu reduzieren. Dem gemäß war der
Fokus von vielen Investitionen und wissenschaftlichen Untersuchungen
in letzter Zeit auf die Technologie für die Behandlung von gebrauchten
Kautschuk-Materialien wie Reifen als eine Alternative zur Deponierung
gerichtet. Zusätzlich
zu den Quellen an Abfall-Kautschuk, wie Reifen, werden große Mengen
an zusätzlichen
Abfallmaterialien in Herstellungsverfahren erzeugt oder in der Entsorgung von
anderen gebrauchten Konsummaterialien aus einer Vielzahl an verschiedenen
Produkten, einschließlich
Kraftfahrzeugen und eine große
Anzahl an anderen Produkten und Verfahren. Diese Kautschuk-Materialien
können
alle Variationen von Kautschuk, einschließlich EPDM, SBR, Naturkautschuk,
chloriertes Butylkautschuk, Chloropren usw. umfassen. Viele von
diesen Materialien können
ausschließlich
in einem bestimmten Produkt gefunden werden oder werden als ein
Abfallmaterial in einem Herstellungsverfahren erhalten werden oder
die Produkte können
aus einer Kombination von verschiedenen Kautschuk-Materialien bestehen.
Beispielsweise können
Reifen vier oder mehrere verschiedene Kautschuk-Materialien, welche verschiedene Teile
des Reifens bilden, umfassen.
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Für die Verwendung
wird Kautschuk vulkanisiert, um eine erhöhte Festigkeit und Verschleißbeständigkeit
zu erhalten, was jedoch gleichzeitig zu der Unzerstörbarkeit
und der Tatsache führt,
dass das Material, welches als Abfall oder nach seiner Verwendung
anfällt,
nicht biologisch abbaubar ist. Der Körper eines Reifens besteht üblicherweise
aus einem Kautschuk-Laufstreifen und mit Kautschuk beschichteten
Seitenwänden. Darüber hinaus
umfassen Reifen üblicherweise
verstärkende
Bänder
aus Stahldraht und/oder verstärktes
Gewebe oder Fasern. Die Vulkanisation der Kautschuk-Materialien
sowie die Gegenwart von Stahlbändern
und Fasern tragen dazu bei, dass es schwierig ist, gebrauchte Reifen
zu recyclen. Andere gebrauchte Kunststoffmaterialien können auch
andere Materialien als den Kautschuk selbst enthalten. Unabhängig von
diesen Schwierigkeiten besteht weiterhin ein Bedarf an dem Recycling
von vulkanisierten Kautschuk-Materialien, einschließlich Reifen,
um diese Materialien anstelle von neuen Materialien wieder zu verwenden.
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Es
wurden Versuche durchgeführt,
um den Abfall aus Kautschukmaterialien in Teilchen für die Verwendung
als ein Füllstoff
in einem anschließenden
Herstellungsverfahren oder als ein Inhaltsstoff in eine andere Verbindung
zu zerkleinern. Im Allgemeinen ist das einfache Zerkleinern der
Kautschuk-Materialien in Partikel kleinerer Größe nicht wirkungsvoll, da die
Kautschuk-Materialien vulkanisiert sind und die Kautschuk-Materialien
auch weiterhin vulkanisiert oder gehärtet sind, was sie für viele
wünschenswerte
Anwendungen, wie als Füllstoff
oder in einem Herstellungsprozess ungeeignet machen. Wenn man wiederum
Reifen als ein Beispiel betrachtet, so wurden Versuche durchgeführt, gemahlene
Reifen als ein Additiv oder Füllstoff
für die
Verwendung in Asphalt-Zusammensetzungen oder anderen Straßenbelagsmaterialien
zu verwenden. Versuche wurden auch durchgeführt, um geringe Mengen an Abfall-Kautschuk
zusammen mit Primär-Kautschuk
als ein Füllstoff
in der Herstellung von neuen Reifen zu verwenden, obwohl die Zugabe
von vulkanisierten Füllstoffmaterialien
dazu führt,
die physikalischen Eigenschaften der Endprodukte, wie Reifen oder
andere Teile, zu schwächen
und zu zerstören.
Bei Versuchen, ein Kautschuk-Material, wie gebrauchte Reifen, zu
recyclen, wurde eine Vielzahl an physikalischen Verfahren entwickelt,
um die Größe der Reifen
zu reduzieren. Schredder und ähnliche
Vorrichtungen, welche das Volumen von Reifen reduzieren, sind bekannt.
Andere physikalische Verarbeitungsverfahren schließen Tieftemperaturmahlverfahren,
das Waschen und die Abtrennung der Seitenwände von dem Laufstreifen des
Reifens ein. Vollständig
mechanische Verfahren werden ebenfalls verwendet, um den Kautschuk-Laufstreifen von
dem Rest des Reifens zu entfernen, zusammen mit Verfahren, um die
Fasern und den Stahl in dem Reifen zu entfernen. Das Tieftemperaturmahlen
erfordert die Verwendung eines Kältemittels
wie flüssigem
Stickstoff, um die Temperatur des Reifens zu erniedrigen und den
Kautschuk so zu härten,
dass er unter mechanischer Beanspruchung in kleinere Teilchen fragmentiert.
Obwohl das Zerkleinern von vulkanisiertem Kautschuk in kleinere
Teilchen durch Schredder oder Tieftemperaturmahlverfahren zu einem
Material führen
kann, welches für
einige wenige Verwendungszwecke geeignet ist, wäre es weiterhin wünschenswert,
das Kautschuk-Material so zu behandeln, dass es devulkanisiert,
so dass das devulkanisierte Material anstelle von neuen Ausgangsmaterialien
in einer größeren Menge
verwendet werden kann. Die Devulkanisierung wandelt den Kautschuk
von seinem duroplastischen, elastischen Zustand in einen mehr plastischen
Zustand um, welcher danach durch Ausbildung von Schwefelbindungen
in der molekularen Struktur des devulkanisierten Kautschuks die
Revulkanisierung erlaubt. Der devulkanisierte Kautschuk kann dann
anstelle von Primärmaterialien
in üblichen
Herstellungsverfahren verwendet werden.
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Es
gibt bekannte Devulkanisationsverfahren, welche verwendet werden,
um vulkanisierte Materialien durch chemische Mittel in wiederverwendbare
Materialien umzuwandeln. Üblicherweise
wird der gehärtete Kautschuk
nach einem anfänglichen
physikalischen Mahlprozess oder einem Schritt zur Reduzierung der
Partikelgröße einem
Verfahren unterworfen, welcher als der chemische Aufschluss bekannt
ist, welcher das Gewebe vollständig
auflöst,
welches in dem Material zugegen sein kann, und der gehärtete Kautschuk
wird in Moleküle
fragmentiert, welche dann weiter aufgetrennt werden können. Chemische
Verfahren wie die Hydrogenierung, die Pyrolyse und andere chemische
Verfahren, welche verwendet werden, um die Kautschuk-Polymere in kleinere
Moleküle
zu fragmentieren, sind üblicherweise
kostenintensiv. Die chemischen Verfahren sind darauf beschränkt, kleine
Moleküle,
Metall und andere Nebenprodukte des Behandlungsprozesses zurück zu gewinnen. Üblicherweise
ist es nicht möglich,
die Produkte der chemischen Behandlung direkt als ein Substitut für Kautschuk
zu verwenden.
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Verfahren
für die
Umwandlung von gehärtetem
Abfall-Kautschuk in ein verwendbares Rohmaterial sind ebenfalls
bekannt. Üblicherweise
wird das Produkt von solchen Verfahren als ein Füllstoff oder anderes Substitut
verwendet. Ein allgemeines Problem, welches mit Polymer-Substituten
oder Füllstoffen
verbunden ist, ist der Verlust von physikalischen Eigenschaften,
wie beispielsweise der Bruchfestigkeit, welcher mit der Verwendung
von erheblichen Prozentmengen an Füllstoffmaterial verbunden ist.
Die Partikelgröße des resultierenden
Produktes entspricht anteilig dem Verlust an physikalischen Eigenschaften
des Füllstoffes,
so dass je kleiner die Teilchengröße des Füllstoffes ist, desto eher hält der Füllstoff
die physikalischen Eigenschaften des reinen Ausgangsmaterials aufrecht.
Ein signifikanter Abfall in dem Verlust an physikalischen Eigenschaften,
ausgehend von dem reinen Ausgangsmaterial zu dem Füllstoff,
führt zu
einem geringeren Prozentsatz an Füllstoff, welcher gegen das
Primär-Ausgangsmaterial
ausgetauscht werden kann. Die Verwendung von größeren Mengen an Füllstoff
bedeutet geringe Kosten und einen höheren Grad an Recycling des
gehärteten Kautschuk-Abfalls.
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Die
Entwicklung von Verfahren zum Herstellen von recycliertem Kautschuk
oder Polymeren war fokussiert auf das Herstellung von Materialien,
welche mit Primär-Materialien
ohne einen substantiellen Verlust an physikalischen Eigenschaften
verwendet werden können.
Eine Vielzahl von diesen Verfahren umfassen die Verwendung eines
chemischen Lösemittels,
um zunächst
den Kautschuk-Abfall zu quellen, welcher dann mechanisch zerkleinert
oder anderweitig in seiner Partikelgröße verkleinert wird. Allerdings
ist die Verwendung von Lösemitteln
oder anderen chemikalischen Mitteln zum Zerkleinern von Polymer-Materialien
mit der Erzeugung von Nebenprodukten verbunden, welche die physikalischen
Eigenschaften des Endproduktes beeinflussen können und einen Reinigungsschritt
zu deren Entfernung erforderlich machen können. Ein bekanntes Verfahren
zur teilweisen Devulkanisierung von gehärteten Kautschuk-Materialien
wurde durch STI-K-Polymers, Inc. entwickelt, welche ein chemisches
Devulkanisierungsmittel verwendet, das die Oberflächen-Devulkanisation
der Materialien bewirkt. Der Grad an erreichter Devulkanisation
unter Verwendung dieses Verfahrens ist geringer als gewünscht und
andere Probleme bestehen mit der Verwendung von chemischen Verfahrensmitteln.
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US 1,963,943 beschreibt
ein Verfahren zum Regenerieren von Kautschuk-Abfällen,
umfassend das Brechen des Kautschuks und dessen anschließende Unterwerfung
mit Dampf und Druck.
DE 31 14
002 beschreibt darüber
hinaus die Dampfbehandlung von Abfall-Kautschuk.
US 2,391,714 offenbart eine Kautschuk-Regenerierungstechnik,
welche das Erwärmen
des Kautschuk-Abfalls mit Cellulosefasern umfasst.
US 2,313,146 offenbart die Verwendung
von Dampf mit einem Devulkanisierungsmittel, um Kautschuk aus Abfallprodukten
zu regenerieren.
US 4,544,675 offenbart
das Recycling von Kautschuk unter der Verwendung von erhöhtem Druck
und Temperatur und Aryldisulfid-Peptisern.
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Hiervon
ausgehend besteht ein Bedarf für
ein verbessertes Verfahren zum Umwandeln von gehärtetem Kautschuk und anderen
polymeren Materialien in Materialien für die Verwendung als ein Füllstoff
oder Substitut für
Primär-Materialien,
wobei das Verfahren die Verwendung von Lösemitteln oder anderen Chemikalien
nicht erfordert und ein Endprodukt liefern kann, welches die physikalischen
Eigenschaften des Primär-Materials im Wesentlichen
beibehält.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher Verfahren und eine Vorrichtung
für die
Herstellung eines Surrogats eines Primär-Polymers aus einem vulkanisierten
Kautschuk, wie Autoreifen, welches nicht die Verwendung von Lösemitteln
oder anderen Chemikalien benötigt
und welches die physikalischen Eigenschaften des Primär-Materials
in dem Substitut im Wesentlichen beibehält. Das Verfahren und die Vorrichtung
umfasst eine Anfangsanalyse des Abfallmaterials, welches behandelt
werden soll, und die Bestimmung der Prozessparameter für dieses
besondere Material. Die Behandlung des Materials an sich umfasst
das Mahlen des Abfall-Kautschuks
und die Prekonditionierung des gemahlenen Materials, in dem das
Material mit warmer trockener Luft vor der anschließenden Behandlung
in eine Atmosphäre
mit hoher Temperatur und Druck behandelt wird. Die Atmosphäre mit hoher
Temperatur und Druck wird mittels eines Druckgefäßes erzeugt, in welches das
prekonditionierte Material eingeführt wird; danach wird das Material
mit einer Atmosphäre
eines variablen hohen Druckes und einer variablen hohen Temperatur,
welche so eingestellt werden, dass die Devulkanisation des Materials
optimiert wird, beaufschlagt. Das kontinuierliche Rühren des
Materials während
der Behandlung dient dazu, ein gleichmäßiges Erwärmen und eine gleichmäßige Belastung
des Materials sicherzustellen, wodurch ein Substitut hergestellt
wird, welches im Wesentlichen ohne Verschlechterung der physikalischen
Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Reißfestigkeit, verwendet werden
kann.
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Dem
gemäß ist es
die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung für
die Umwandlung von gehärteten
Kautschuk-Abfallmaterialien, wie Autoreifen, in wiederverwendbare
Materialien zur Verfügung
zu stellen, wobei die Materialien in eine Vielzahl an Produkten
und Verfahren ohne wesentlichen Verlust der physikalischen Eigenschaften
eingearbeitet werden können.
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung, stellen wir ein Verfahren für die Herstellung
eines Surrogats eines Primär-Polymers
aus einem vulkanisierten Polymer, wie in Anspruch 1 definiert, zur
Verfügung.
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung, stellen wir eine entsprechende Vorrichtung,
wie in Anspruch 12 definiert, zur Verfügung.
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, welche im Zusammenhang
mit den beigefügten
Zeichnungen zu verstehen ist, deutlich, wobei in den Zeichnungen
die Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 ist
ein Blockfließdiagramm
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Die 2A und 2B stellen
schematische Diagramme der vorliegenden Erfindung dar, um das erfindungsgemäße Verfahren,
welches in 1 beschrieben ist, durchzuführen,
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Die 3 ist
eine graphische Darstellung der Verfahrenszyklen von verschiedenen
Materialien gemäß der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Hinsichtlich
der Zeichnungen stellt 1 ein Blockfließdiagramm
einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Umwandeln von polymeren Abfallmaterialien in ein umgewandeltes Material
für die
Verwendung als ein Substitut für
ein Primär-Polymer
dar. Bezüglich 1 ist
anzumerken, dass verschiedene Schritte gemäß der Erfindung in einer anderen
Reihenfolge als spezifisch angegeben durchgeführt werden können, um
das gewünschte
Zuführmaterial
für einige
spätere
Verfahrensschritte bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung kann
anfänglich
Rückstände oder
Abfall von gehärtetem
Kautschuk oder ein polymeres Material aufnehmen, welches Abfall
aus einem vorhergehenden Herstellungsprozess darstellt oder welches
aus einer vorherigen Verbrauchsquelle zugeführt wird. Das Bestimmen der
Bestandteile des Materials in Schritt 100 ermöglicht die
genauere Verarbeitung des Materials. Wie im Folgenden im Detail
beschrieben, ermöglicht
die vorliegende Erfindung das Devulkanisieren von einer Vielzahl
an gehärteten
Kautschuk-Materialien in einem größeren Umfang als bisher möglich, wobei
bestimmte Prozessparameter in Abhängigkeit der Art des Materials
eingehalten werden. Es wird in der Erfindung erkannt, dass abhängig von
der Zusammensetzung des insbesondere gehärteten Kautschuk-Materials,
die Eignung des Materials zu devulkanisieren, variiert. Beispielsweise
ist bei einem gehärteten
EPDM-Material die
Zusammensetzung des Materials wichtig für das Devulkanisationsverfahren,
da das gehärtete
EPDM mit Mineralien oder Kohlenstoff versetzt sein kann und es kann
darüber
hinaus mit Schwefel oder Peroxiden gehärtet sein, wobei diese Unterschiede
signifikante unterschiedliche physikalische Eigenschaften in dem
gehärteten
Material bewirken. Ähnliche
Variationen in anderen gehärteten
polymeren Materialien können
darüber
hinaus vorliegen und das Bestimmen der allgemeinen Zusammensetzung
des Materials ermöglicht
für die
weiteren Verarbeitungsschritte die optimalen Parameter einzuhalten.
In Abhängigkeit
des Materials können
verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchgeführt werden,
wobei der Fachmann mit diesen Techniken, welche verwendet werden
können,
vertraut ist. Wenn die Quelle des Materials bekannt ist, können selbstverständlicherweise
Informationen bezüglich
der Zusammensetzung erhalten werden oder Untersuchungs- und Analyseverfahren
zur Bestimmung der Zusammensetzung vorgeschlagen werden. Im Allgemeinen
ist jedes geeignete Verfahren zum Bestimmen der Material- Zusammensetzung von
der Erfindung umfasst, welche die Infrarot-Analyse, die Verbrennungsanalyse, die
chemische Analyse oder ähnliches
umfassen kann. Solche Analysen und Untersuchungen können Informationen
bezüglich
des Basispolymers des Materials, der Füllstoff-Zusammensetzung, falls vorhanden, oder
den Katalysatoren, welche in dem Härtungsprozess verwendet wurden,
zur Verfügung
stellen. Dieses wiederum hilft dabei, den Punkt zu identifizieren,
an welchem das Material kristallisiert und andere weitere Eigenschaften
des Materials, welche für
die weitere Verarbeitung des Materials erforderlich sind. Danach und
für einige
Materialien, welche behandelt werden können, wie Kautschuk-Reifen,
kann es erforderlich sein, Verunreinigungen aus dem Material vor
der weiteren Verarbeitung in Schritt 102 zu entfernen.
Für Reifen
als ein Beispiel können
Stahl und Faserbestandteile vorhanden sein, welche durch magnetische
Abtrennungsverfahren oder ähnliches
zusammen mit der Faserabtrennung abgetrennt werden müssen. Andere
Arten von Materialien weisen andere Verunreinigungen auf, welche
in dem Schritt 102 entfernt werden. Das Abfall-Material kann
dann einer Teilchenverkleinerung oder einem Reduktionsschritt 104 vor
dem weiteren Verarbeiten unterworfen werden, wenn das Abfallmaterial
bisher noch nicht zerkleinert wurde. Der Schritt 104 kann
mit jedem geeigneten Mittel, wie einem mechanischen Schreddern oder
einem Mahlen des Materials, einem Tieftemperaturmahlen des Materials
oder anderen geeigneten Teilchen verkleinernden Verfahrenstechniken,
welche dem Fachmann an sich bekannt sind, durchgeführt werden.
Wie näher
ausgeführt,
ist es wünschenswert,
in Schritt 104 ein Material zur Verfügung zu stellen, welches besondere
Eigenschaften, wie eine vergrößerte Oberfläche, aufweist,
weshalb eine mechanische Teilchenzerkleinerung bei Umgebungsbedingungen
bevorzugter ist als Tieftemperatur-Verarbeitungstechniken, da eine mechanische
Teilchenzerkleinerung üblicherweise
Teilchen liefert, welche eine vergrößerte Oberfläche aufweisen.
Mit den Schritten 102 und 104 wird ein gewünschtes
Ausgangsmaterial bereitgestellt, welches rein ist und in einen Zustand
zerkleinert wurde, welcher einfacher gehandhabt werden kann und
einfacher in den anschließenden
Verarbeitungsschritten devulkanisiert werden kann. Das bevorzugte
Ausgangsmaterial hängt
von dem gewünschten
Endprodukt und der Verwendung des Produkts nach der Devulkanisation
ab. Die Teilchen des Abfall-Kautschuks, welche in Schritt 104 hergestellt
werden, werden üblicherweise
gemäß der Größe für verschiedene
Verwendungen und Anwendungen eingeteilt. Die Materialien, welche
durch die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden, können
für eine
Vielzahl an Endprodukten oder Anwendungen verwendet werden, wie
beispielsweise als ein Recyclat zum Zurückführen in den ursprünglichen
Prozess, aus welchem das Abfallmaterial stammt, oder in eine neue
Anwendung, wobei die Erfindung diese Variationen umfasst. Devulkanisierte
Kautschuk-Partikel können
in einer Vielzahl an anderen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise
bei der Herstellung von Verbundmaterialien als ein Modifizierungsmittel
für Asphalt,
in Kunststoff-Herstellungen, in
Beschichtungen sowie zur Bildung von neuen Produkten. Die besonderen
Eigenschaften des Materials hängen
von der Endanwendung ab, allerdings werden die Kautschuk-Partikel üblicherweise
auf eine Größe zwischen
0,95 cm (3/8 Inch) und –200
Mesh (US-Siebgröße) für solche
Anwendungen reduziert. Der Schritt 104 des Reduzierens
der Größe der Partikel
kann daher auch den Schritt des Klassifizierens des Materials umfassen,
um die gewünschte
Größe oder
den gewünschten
Größenbereich
für die
Anwendung zu erhalten. Andere Partikelgrößen können darüber hinaus geeignet sein für eine bestimmte
Anwendung und eine Klassifizierung ist nicht zwingend erforderlich.
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Nach
dem Schritt des Herstellens eines gewünschten Zuführmaterials in 102 und 104 wird
das Material dann über
ein geeignetes Band oder ähnliches
zu einem Vorverarbeitungsschritt bei 106 transportiert,
in welchem das Material für
die abschließende
Devulkanisation weiter behandelt wird. Viele Materialien neigen dazu,
nachdem das Material in der Größe reduziert
wird, zu agglomerisieren, was einen negativen Einfluss auf die anschließenden Verarbeitungsschritte
haben kann. In dem Vorverarbeitungsschritt 106 kann das
Material daher gerührt
werden oder anderweitig behandelt werden, um agglomerisierte Partikel
aufzubrechen und das Material frei fließend und nicht agglomerisiert
zu halten. Der Vorverarbeitungsschritt 106 wärmt darüber hinaus das Material
auf eine gleichförmige
Temperatur von ungefähr
50 bis 100°C
vor, um das Material für
die Devulkanisation bereitzustellen. Der Schritt des Vorwärmens des
Materials dient darüber
hinaus dazu, das Material für
die anschließende
Weiterverarbeitung zu trocknen, um den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt
des Materials vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 2,0 Gew.-%
einzustellen. Es muss bemerkt werden, dass das Halten des Materials
in einem frei fließenden,
nicht agglomerisierten Zustand das Vorwärmen und Trocknen des Materials
erleichtert. Nachdem das Material vorbehandelt ist, kann der Schritt
der Devulkanisation bei 108 durchgeführt werden, um das Material
in eine wiederverwendbare Form mit einem hohen Grad an Devulkanisation umzuwandeln,
in welchem die Schwefel-, Peroxid- oder anderen Härtungsmittelbindungen
selektiv in dem gehärteten
Material gebrochen werden, während
die Integrität
des Polymer-Grundgerüstes
erhalten bleibt. Dieses ermöglicht
es, dass das Material danach erneut in einem Vulkanisationsprozess
umgesetzt werden kann oder in einem Verbundmaterial oder anderen
Anwendungen verwendet werden kann. Anschließend an den Schritt der Devulkanisation 108 wird
das Material zu einem Nachverarbeitungsschritt 110 überführt, in
welchem das Material gekühlt
wird und in einem freien fließfähigen Zustand
gehalten wird und kann danach in einen Herstellungsprozess erneut
eingeführt
werden oder als ein Füllstoffmaterial
anstatt eines Primär-Polymers oder
in einem Verbundstoffmaterial verwendet werden. Das resultierende
Material weist einen hohen Grad an Devulkanisation auf und führt zu einer
hervorragenden Performance in resultierenden Produkten oder Verfahren.
In der Nachverarbeitung kann ein Verarbeitungsmaterial eingeführt werden,
um die Partikel vor einer Reagglomeration zu schützen oder andere Endbehandlungen
des Materials können
im Schritt 112 durchgeführt werden.
Das Verfahren kann darüber
hinaus eine Energiespeicherung und einen Recyclingschritt 114 aus
Effizienzgründen
und aus Kostengründen
umfassen.
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Zusammengefasst
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
in der bevorzugten Ausführungsform
die Schritte von:
- a. Analysieren des polymeren
Abfallmaterials, welches behandelt werden soll, um die Bedingungen
festzustellen, bei welchem die Umwandlung in ein verwendbares Füllmaterial
durchgeführt
wird.
- b. Vollständiges
Abtrennen von Stahl, Geweben oder anderen Verunreinigungen aus dem
Polymer-Material, falls erforderlich.
- C. Mahlen oder Zerkleinern des polymeren Materials, um die Partikelgröße in den
gewünschten
Größenbereich
zu reduzieren, falls erforderlich.
- d. Zuführen
des gemahlenen Abfalls in einen Vorverarbeitungsschritt für die weitere
Behandlung, umfassend, falls erforderlich, die Schritte des Deagglomerisierens
und Vorwärmens
oder des anderweitigen Vorbehandelns des Materials. Das Material
wird in einer Vorbehandlungskammer vorbehandelt durch Erwärmen und
Trocknen des Materials innerhalb der Kammer mit einem Fluss an heißer trockener
Luft bei einer vorbestimmten Temperatur, während der Abfall gerührt wird,
um ein gleichförmiges
Vorwärmen
des Materials zu erreichen. Die Luft, welche zur Vorbehandlung des
Materials verwendet wird, kann gefiltert und aus Effizienzgründen durch
die Vorbehandlungskammer rezirkuliert werden, In der bevorzugten
Ausführungsform
wird das Material in eine Verarbeitungseinheit gegeben, welche in
die Kammer eingeführt
wird und in welchem das Material gerührt oder umgewälzt wird,
um das Material aufzubrechen.
- e. Zuführen
des Materials, vorzugsweise in der Verarbeitungseinheit, enthaltend
das vorbehandelte Material aus der Vorbehandlungskammer in einen
vorgeheizten Autoklaven.
- f. Devulkanisieren des Materials durch dessen Unterwerfung mit
einem hohen Druck, einer im Wesentlichen wassertropfenfreien Gasatmosphäre bei vorbestimmten
Temperaturen für
vorbestimmte Zeitdauern. In der Verarbeitungseinheit wird durch
das Aufrechterhalten des Rührens
das Material gleichmäßig mit
der Dampfatmosphäre
belegt, um die Maximierung des Wärmetransfers
aus dem Hochtemperaturdampf zu ermöglichen. Die Dampfatmosphäre wird
kontrolliert, um die gewünschten
Eigenschaften aufrecht zu erhalten, wie beispielsweise das Entfernen
des Kondensats aus dem Autoklaven und die unabhängige Kontrolle von Temperatur
und Druck.
- g. Belüften
des Autoklaven und Kühlen
des devulkanisierten Materials. Verbleibende Wärme aus dem Devulkanisationsschritt
kann durch Zuführen
des verbrauchten Dampfs in einen Dampfseparator und durch Leiten
des heißen
Kondensats durch ein Wasser-zu-Wasser-Wärmetauscher
gesammelt werden; und
- h. Rühren
des devulkanisierten Materials mit einem Behandlungsmittel, um das
Material davor zu bewahren, zusammenzukleben und um es in einem
freien Fließzustand
zu halten, falls gewünscht.
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Die
Vorrichtung und Verfahren der Erfindung können verwendet werden, um eine
Vielzahl an polymeren Materialien zu devulkanisieren. Dem gemäß wird eine
Anfangsanalyse des polymeren Materials vorzugsweise durchgeführt, um
seine Zusammensetzung zu bestimmen, um die Parameter und Verfahrensbedingungen
für die
Umwandlung des Abfallmaterials in einen wiederverwendbaren Füllstoff
zu definieren. Polymer-Materialien, welche in einen wiederverwendbaren
Füllstoff
gemäß der vorliegenden
Erfindung umgewandelt werden können,
schließen
ein, sind jedoch nicht beschränkt
auf, EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer),
Butylkautschuk, SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), Latex, Nitrilkautschuk
und gebrauchte Reifen (üblicherweise Polyisopren).
Die Abtrennung von Stahlbändern
und/oder Faserverstärkungen,
welche in einigen Materialien enthalten sind, kann nach der Materialanalyse
und Identifikation durchgeführt
werden.
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Gemäß der 2A und
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
wird vulkanisiertes Polymer-Material nach Bestimmung der Zusammensetzung
in einen Schleifapparat/Füllschacht 14 über das
Band 12 gegeben. Das Band 12 kann jedes einer
Vielzahl an kommerziell erhältlichen
Bändern,
einschließlich
eines Bandförderers
oder einer Förderschnecke/Einzugsschnecke,
sein. Nachdem es in den Schleifapparat/Füllschacht 14 gegeben
wurde, werden die polymeren Materialien auf eine gleichförmige Größe, vorzugsweise
in dem Bereich von 40 bis –200
Mesh, gemahlen. Es muss angemerkt werden, dass die Verfahren zur
Zerkleinerung der Teilchen vor dem Zuführen des Materials in den Schleifapparat 14,
falls gewünscht,
durchgeführt
werden kann. Das gemahlene Material wird dann zu einer Materialverarbeitungseinheit 24 geführt. Eine
Dunstabzugshaube 16 sammelt vollständig den Dampf, welcher durch
die Wärme
erzeugt wird, welche in dem Mahlprozess erzeugt wird und überführt diesen
Dampf durch ein Ableitungsrohr 20 zu einem Reinigungssystem
(nicht dargestellt) oder ähnliches.
Darüber
hinaus kann mindestens ein Filter 18 verwendet werden,
um Feststoffe und/oder Verunreinigungen aus dem Abgasdampf zu entfernen.
Ein Abluftgebläse 22 kann
verwendet werden, um den Abgasdampf zu dem Reinigungssystem abzuführen.
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Die
geladene Materialverarbeitungseinheit 24 wird bewegt von
ihrer Position unterhalb des Schleifapparats/Füllschachts 14 zu einer
Vorkonditionierungskammer 26. Die Einheit 24 kann
mittels jedem konventionellen Mittel, einschließlich, aber nicht beschränkt auf,
Band- oder Schienenmitteln
transportiert werden. Die Verarbeitungseinheit 24 ist vorzugsweise
ein zylindrisches Gefäß mit mindestens
einer Öffnung
zum Einführen des
gemahlenen Materials mit einer Tür
oder einer anderen verschließbaren Öffnung.
Damit die maximale Effizienz in der Verarbeitung erreicht wird,
ist es bevorzugt, dass die Verarbeitungseinheit 24 so ausgebildet
ist, dass sie den Transfer von Wärme
auf das darin enthaltende Material ermöglicht. Die Einheit 24 kann
daher mit einer Vielzahl an Zugangsöffnungen über ihre äußere Zylinderoberfläche, wie
teilweise bei 25 dargestellt, versehen sein, welche es
ermöglichen,
dass Gase ein- und austreten und der Transfer von Wärme durch
die Seite der Einheit 24 erfolgt. Um zu verhindern, dass
Material aus der Einheit 24 durch die Öffnungen 25 herausfällt, kann,
falls gewünscht,
eine Fläche
mit einem feinen Filter vorgesehen sein, welche die innere Oberfläche der Einheit 24 bedeckt.
Die Einheit 24 kann darüber
hinaus mit einer Kupplung 28 an einer oder beiden Enden
versehen sein, damit ein Drehmotor 30 verwendet werden
kann, welcher das Mittel zur Bewegung der Einheit 24 darstellt.
Der Drehmotor 30 oder ein anderer beliebiger Mechanismus
wird an die Einheit 24 in der vorkonditionierten Kammer 26 über einen
Schienenantrieb oder ähnliches
gekuppelt, damit die gesamte Einheit innerhalb der Kammer 26 rotiert.
Die Rotation der Einheit 24 bewirkt wiederum das Umwälzen des
Materials innerhalb der Einheit, so dass das Material gleichmäßig mit
der Atmosphäre,
welche in der Kammer 26 erzeugt wird, beaufschlagt wird.
Diese Drehbewegung bewirkt darüber
hinaus, dass das Material nicht agglomerisiert und es in einem relativ
fließfreien
Zustand bleibt, um die Verarbeitungseigenschaften zu verbessern.
Um darüber hinaus
die Bewegung des Materials in der Einheit 24 zu verbessern,
kann eine Rühreinheit 27 vorgesehen sein,
welche mit der Vorkonditioniereinheit 24 verbunden ist,
welche innerhalb der Einheit bewegt wird, um das Material zu rühren oder
umzuwälzen,
während
es gedreht wird. Die Rühreinheit 27 kann
eine Vielzahl an Rührern
aufweisen, welche sich von der zentralen Trägereinheit, welche separat
mittels des Antriebmotors 30 rotiert, auswärts erstrecken.
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Wenn
die Einheit 24 in die Vorkonditionierkammer 26 geladen
wird, wird der Motor 30 unter Strom gesetzt und beginnt
die Rotation der Einheit 24. Das gemahlene Material in
der Verarbeitungseinheit 24 wird vorzugsweise vorkonditioniert
durch Rotieren der Einheit in einem erwärmten trockenen Luftstrom mit
hoher Geschwindigkeit. Ein Steuersystem auf Basis eines Mikroprozessors
oder eines anderen Kontrollsystems 31 ermöglicht es,
die verbrauchte Wärme
in einem Wärmereservoir 32 (wie
in 2B dargestellt) zu sammeln, worin warmes Wasser,
welches in den anschließenden
Verarbeitungsschritten erzeugt wird, gegen einen Ring 24 mit
warmem Wasser mittels einer Pumpe 67 fließt und gleichzeitig
den Gebläse-Motor 36 startet.
Luft aus dem Gebläse-Motor 36 fließt vorzugsweise
bei einem statischen Druck von 5 kPa (1,5 in Hg) vor dem Eintritt
in die Einheit 24 durch ein Trockenmittel (nicht dargestellt)
und über
einen Ring 34 mit Heißwasser.
Der Fluss an heißem
Wasser aus dem Reservoir 32 wird kontrolliert, um die gewünschte Temperatur
des Luftstroms, welcher in die Vorkonditionierkammer 26 eintritt,
vorzugsweise auf 50 bis 100°C
und weiter bevorzugt auf 60 bis 85°C, zu erhalten.
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Die
Vorkonditionierung bewirkt ein gleichmäßiges Vorwärmen und Trocknen des gemahlenen
vulkanisierten Materials, wobei die anderweitig entstandene Abwärme effizient
genutzt wird und der anschließende Devulkanisationsschritt
des Verfahrens verkürzt
wird. Die Dauer der Vorkonditionierung wird bestimmt durch die Zusammensetzung
des polymeren Materials. Ein Ventil 38 schließt, nachdem
die Vorkonditionierung vervollständigt
ist; der Drehmotor 30 und der Gebläse-Motor 36 arbeitet weiter, bis
die Vorkonditionierkammer 26 geöffnet ist. Die Verarbeitungseinheit 24,
enthaltend das vorkonditionierte Material, wird zu einem vorgewärmten Autoklaven 40 durch
Mittel, wie diejenigen, welche verwendet werden, um die Einheit 24 in
die Vorkonditionskammer 26 zu transferieren, transportiert.
Der Transfer der Einheit 24 aus der Vorkonditionierkammer 26 zu
dem Autoklaven 40 wird ohne Verzögerung durchgeführt, um
zu verhindern, dass das Material abkühlt und die Bildung von Feuchtigkeit
auf den Wänden
der Einheit 24 auftritt.
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Der
Autoklav 40 und sein Dampfzuführsystem ist am Besten in der 2B dargestellt.
Sobald die Einheit 24 in den Autoklaven 40 transferiert
wurde, wird der Autoklav verschlossen und auf einen Druck von ungefähr 50 kPa
(15 Inches Hg) durch die Vakuumpumpe 43 evakuiert. Die
Einheit 24 ist mit einer Kupplung 41 oder anderem
Mittel zum Anschließen
eines Antriebsmotors 42 ausgestattet, so dass die Einheit 24 rotiert
werden kann, während
sie sich in dem Autoklaven 40 befindet. Der Unterdruck,
welcher innerhalb des Autoklaven 40 erzeugt wird, wird
durch das Einspeisen von gesättigtem
Dampf durch die Leitung 44 gebrochen, wobei jede Restluft
aus dem Autoklaven 40 herausgetrieben wird. Der gesättigte Dampf
mit hohem Druck, welcher in den Autoklaven 40 eingeführt wird,
weist vorzugsweise einen Druck in dem Bereich von 276 bis 1720 kPa
(40 bis 250 psi) und eine Temperatur in dem Bereich von 140 bis
210°C auf
und wird durch einen Mikroprozessor gemäß den gewünschten Parametern für das spezielle
Material durch das Kontrollsystem 31 kontrolliert. Der Druck
innerhalb des Autoklaven 40 wird mit dem Druck in der Leitung 44 zu
dem Zeitpunkt ausgeglichen, in welchem ein Oberheizer 46 und
darüber
hinaus ein Antriebsmotor 42, falls gewünscht, zur Verarbeitung eines speziellen
Materials aktiviert werden kann.
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Die
Devulkanisation erfolgt durch die kontinuierliche Rotation der Einheit 24,
wodurch das Material einer gleichmäßigen Erwärmung durch eine hohe Temperatur,
einen hohen Druck, einem gesättigten
Dampfumfeld, durch welche das Material nahe an dem Kristallisationspunkt
erwärmt
wird, ausgesetzt wird. Die Temperatur des Materials in der Einheit 24 wird
durch eine effiziente Übertragung
der Wärme
aus dem Dampfumfeld zu jedem der kleinen Partikel des Materials
schnell erhöht.
In der Erfindung ermöglicht
die Verwendung von überhitztem
Dampf die Temperatur der Umgebung unabhängig von dem Druck in dem Autoklaven 40 einzustellen.
Es muss bemerkt werden, dass anderweitig die Temperatur, welche
in dem Autoklav 40 erreicht wird, begrenzt wird, was es
schwierig macht, die Temperatur des Materials schnell auf einen
Punkt zu bringen, in welchen die Bindungen des Polymers und des
Vernetzungsmittels gebrochen werden. Die Verwendung von überhitztem
Dampf ermöglicht
es, die Temperatur während
des Verarbeitungszyklus zusammen mit dem Kontrollsystem 31,
welches selektiv überhitzten
Dampf in den Autoklaven 40 einführt, zu steuern. Die Temperatur des überhitzten
Dampfes und der Umgebung innerhalb des Autoklaven 40 wird
durch das Kontrollsystem 31 gemäß den gewünschten Parametern für das spezielle
Material gesteuert. Die Temperatur innerhalb des Autoklaven sowie
im Mittelpunkt des Materials entlang der Rühreinheit 27 kann
zusammen mit Signalen, welche für
das Kontrollsystem 31 für
die aktive Kontrolle der Systemparameter vorgesehen sind, beobachtet
werden. Üblicherweise
wird der Dampf auf eine Temperatur in dem Bereich von 150 bis 350°C und im
bevorzugten Bereich von 210 bis 260°C überhitzt. Die Verwendung von überhitztem
Dampf erlaubt Temperaturen in dem Bereich von 115 bis 425°C oder höher und
Drücke
zwischen 172 bis 1720 kPa (25 bis 250 psi) für verschiedene Materialien
innerhalb des Autoklaven 40, was es ermöglicht, einen breiten Bereich
an Temperatur- und
Druckbedingungen zu erreichen und was dem Verarbeitungssystem eine
hohe Flexibilität
gibt. Das Kontrollsystem 31 kann dann programmiert werden,
um den Devulkanisationszyklus, welcher für ein besonderes Material bestimmt
wurde, durchzuführen,
durch welches das Material üblicherweise
verschiedenen Umgebungsbedingungen während dem Prozesszyklus unterworfen
wird. Bei vielen Materialien ermöglicht
die Verwendung von überhitztem
Dampf eine Hochtemperatur-Anfangsumgebung
zu erreichen, um die Temperatur des Materials schnell zu erhöhen. Dieser
erwärmte
Anfangsluftstrahl dient in vielen Fällen dazu, die Zeit für den Verarbeitungszyklus
durch schnelles Erreichen des Kristallisationspunktes des Materials
zu verkürzen
und ermöglicht die
Fähigkeit,
die Temperaturen und Drücke über verschiedene
vorbestimmte Zeitdauern aufrecht zu erhalten und anzupassen, wodurch
der optimale Verarbeitungszyklus erreicht werden kann. Die Behandlung
mit überhitztem
Dampf wird über
vorbestimmte Zeitdauern, welche durch das System 31 kontrolliert
werden, fortgesetzt und können
während
eines Zyklus zum Devulkanisieren des Materials an- und ausgeschaltet
werden. Wenn der Devulkanisationszyklus für ein bestimmtes Material vervollständigt ist,
kann die Einwirkung des Überhitzers 46 abgeschaltet
werden und der Dampfzufluss zum Autoklaven 40 wird geschlossen.
Im Allgemeinen wurde herausgefunden, dass in Abhängigkeit der Zusammensetzung
des Materials der Verarbeitungszyklus und die Verarbeitungsdauern
zur Optimierung der Verarbeitungseigenschaften variiert. Im Allgemeinen wurde
herausgefunden, dass Materialien, welche mit Schwefelverbindungen
vernetzt sind, im Allgemeinen schneller und bei niedrigeren Temperaturbedingungen
verarbeitet werden können,
als diejenigen, welche mit Peroxid-Verbindungen vernetzt sind. Darüber hinaus
ist genauso die Menge und die Art des Füllstoffes wichtig, wobei im
Allgemeinen herausgefunden wurde, dass Materialien, welche einen
Tonmaterialfüllstoff
verwenden, schneller und bei niedrigeren Temperaturen in dem Verarbeitungszyklus
verarbeitet werden als diejenigen, welche Kohlenstoffschwarz als
einen Füllstoff
verwenden.
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Beispielsweise
würde bei
einem vernetzten EPDM-Material aus einer Automobilquelle, einschließlich Zündkerzenschrauben
(spark plug boots), Türdichtungen
und ähnliches,
welche mit Schwefel gehärtet
und mit Mineral gefüllt
sind, die Erfindung zunächst
das Zerkleinern des Materials auf ein reines Ausgangsmaterial, welches
im Wesentlichen frei von Verunreinigungen ist und eine reduzierte
Partikelgröße, falls
erforderlich, aufweist, umfassen. Das Ausgangsmaterial wird dann
in die Verarbeitungseinheit eingeführt und in einer Vorbehandlungsstufe
auf eine Temperatur vorgewärmt,
welche in dem Bereich von 100°C
liegt. Die Verarbeitungseinheit würde dann in den Autoklaven 40 eingeführt und
mit einer Atmosphäre
eines gesättigten
Dampfes bei hohem Druck für
einen vorbestimmten Prozesszyklus belegt, wie in 3 bei 150 dargestellt.
Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann so ein Material bei 1720
kPa (250 psi) verarbeitet werden und anfänglich auf eine Temperatur
von ungefähr
425°C bei
1720 kPa (250 psi) für
einen vorbestimmten Zeitraum gebracht werden, Danach wird die Temperatur
des Umfeld innerhalb des Autoklaven 40 in inkrementellen
Schritten reduziert, was, wie dargestellt, Abkühlschritte auf Temperaturen
von ungefähr
205°C, 135°C und eine
gleichbleibende Temperatur von 115°C in dem letzten Schritt umfassen
kann.
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Als
ein weiteres Beispiel eines Verarbeitungszyklus für ein vernetztes
schwarzes EPDM-Material mit einer Zusammensetzung, umfassend 3,38
ppm Zinkoxid, 1,35 ppm Schwefel und Vulkanisationsmitteln, einschließlich 1,08
ppm MBTS, 0,55 ppm TMTD, 1,7 ppm an ZDBDC und 0,68 ppm an Stearinsäure, welcher
mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Die Erfindung
würde zunächst die
Zerkleinerung des Materials zu einem reinen Ausgangsmaterial, welches
im Wesentlichen frei von Verunreinigungen ist und, falls erforderlich,
eine reduzierte Partikelgröße aufweist,
umfassen. Das Ausgangsmaterial würde
dann in eine Verarbeitungseinheit eingeführt und in einer Vorverarbeitungsstufe
auf eine Temperatur in dem Bereich von 100°C vorgewärmt. Die Verarbeitungseinheit
würde dann
in den Autoklaven 40 eingeführt und einer gesättigten Dampfatmosphäre mit hohem
Druck für
einen vorbestimmten Verarbeitungszyklus, wie in 3 bei 152 dargestellt,
unterworfen. Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann solch ein Material
zunächst
mit Temperaturen von ungefähr
290°C bei
einem Druck von ungefähr
1720 kPa (250 psi) für
ungefähr
30 Minuten beaufschlagt werden, um die Kerntemperatur der Partikel
zunächst
zu erhöhen
und um den Druck bei 1720 kPa (250 psi) in dem Autoklav einzustellen.
Danach kann die Temperatur des Materials, wie beschrieben, kontrolliert
werden, bis eine Temperatur von ungefähr 240°C erreicht wird. Dieser Zustand
wird für
einen Zeitraum von ungefähr 1,5
Stunden beibehalten, nachdem dann der Überhitzer ausgeschaltet wird
und die Temperatur auf ungefähr 208°C für weitere
3,5 Stunden abgesenkt wird. Die Temperatur der Umgebung innerhalb
des Autoklaven 40 wird erneut in inkrementellen Schritten
gemäß diesen
Vorschriften gesenkt.
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Als
weiteres Beispiel für
ein vernetztes SBR-Material aus Automobilquellen würde die
bevorzugte Methode der Erfindung zunächst die Reduktion des Materials
zu einem reinen Ausgangsmaterial, welches im Wesentlichen frei von
Verunreinigungen ist und, falls erforderlich, eine reduzierte Partikelgröße aufweist,
umfassen. Das Ausgangsmaterial würde
dann in eine Verarbeitungseinheit eingeführt und bei einem Vorverarbeitungsschritt
auf eine Temperatur in dem Bereich von 70°C vorgewärmt. Die Verarbeitungseinheit
würde dann in
den Autoklaven 40 eingefügt und einem gesättigten
Dampfumfeld bei einem hohen Druck für einen vorbestimmten Verarbeitungszyklus
unterworfen, wie in 3 in 154 dargestellt.
Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann solch ein Material zunächst auf
Temperaturen von ungefähr
150°C bei
345 kPa (50 psi) für
einen vorbestimmten Zeitraum gebracht werden und danach kann die
Temperatur des Umfelds innerhalb des Autoklaven 40 auf
100°C bei
50 psi für
ungefähr
zwei Stunden reduziert werden. Ein weiter Typ eines SBR-Materials wird wie
in 156 dargestellt verarbeitet durch Bringen des Systems
auf eine Anfangstemperatur von ungefähr 180°C bei 250 psi für ungefähr eine
halbe Stunde und danach Erhöhen
der Temperatur auf ungefähr
218°C und
das Material wird für
einen zusätzlichen
Zeitraum verarbeitet. In 158 wird ein Verarbeitungszyklus
für ein
Latex-Kautschuk-Material
aus einem Abfall eines Herstellungsprozesses, wie er für Kondome
und Handschuhen verwendet wird, dargestellt, wobei das System zunächst das
Erwärmen
auf ungefähr
240°C bei
345 kPa (50 psi) und die Temperaturkontrolle, bis eine Temperatur
von ungefähr
185°C bei
345 kPa (50 psi) erreicht ist, umfasst. Danach wird die Temperatur
auf ungefähr
215°C gebracht
und für
einen Zeitraum beibehalten. Für ein
Nitrilmaterial aus einem Tankkomponentensystem eines Automobils,
wie in 160 dargestellt, wird das System zunächst auf
eine Temperatur von ungefähr
238°C bei
einem Druck von 345 kPa (50 psi) gebracht, bis die Temperatur des
Materials ungefähr
100°C innerhalb
des Autoklaven beträgt.
Das Material wird für
einen Zeitraum verarbeitet und danach wird der Überheizer abgeschaltet, um
eine Prozesstemperatur von ungefähr 138°C für einen
Zeitraum zu ergeben. Der Überheizer
kann dann verwendet werden, um die Temperatur des Umfelds auf ungefähr 238°C für einen
weiteren Zeitraum zu erhöhen.
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Wie
bereits zuvor diskutiert, werden Polymer-Substitute gewünscht, welche
die physikalischen Eigenschaften des Primär-Materials aufrecht erhalten,
so dass ein größerer Anteil
des Substituts als Füllstoff
wieder verwendet werden kann, Eine Analyse der physikalischen Eigenschaften
von Materialien, enthaltend verschiedene Mengen an devulkanisiertem
EPDM-Füllstoff,
welches gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, sind in der unten dargestellten Tabelle
angegeben.
| %
EPDM-Füllermaterial | 0 | 20 | 40 | 60 |
| Relative
Dichte | 1,19 | 1,19 | 1,201 | 1,202 |
| Härte, Shore
A | 60 | 58 | 60 | 60 |
| Reißfestigkeit psi/min | 1995 | 1892 | 1840 | 1730 |
| Bruchdehnung, %/min | 550 | 550 | 525 | 500 |
| Einreißen, ppi/min | 123 | 116 | 149 | 141 |
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Diese
Ergebnisse belegen im Wesentlichen eine Retention der spezifischen
Dichte und Härte
mit Materialien umfassend bis zu 60 Prozent EPDM-Füllstoff,
welcher gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, Darüber
hinaus ist die Abnahme in der Zugfestigkeit und den Dehnungseigenschaften
in den Materialien, enthaltend den EPDM-Füllstoff,
im Wesentlichen innerhalb von industriell annehmbaren Bereichen.
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In
der Devulkanisation des Materials innerhalb der Verarbeitungseinheit 24 ist
es auch wichtig, die anderen Parameter des Systems für eine effiziente
Verfahrensweise zu kontrollieren. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Eigenschaften des Dampfes ebenso wichtig und die Vorrichtung
kann darüber
hinaus ein Dampferzeugungssystem für die Herstellung einer sauberen
Dampfumgebung innerhalb des Autoklaven 40 umfassen. Die
Verwendung von überhitztem
Dampf in der Devulkanisation der Materialien und der resultierenden
Umwandlung von diesen Materialien in verwendbare Substitute oder
Füllstoffe
wird dann wirkungsvoll durchgeführt,
wenn eine im Wesentlichen wassertropfenfreie, gesättigte Dampfatmosphäre erzeugt
wird, welche es erlaubt, die hohen Temperaturen des Materials aufrecht
zu erhalten, ohne dass ein Scorchen des Materials auftritt und während das
Polymer-Rückrat
des Materials erhalten bleibt. Das Dampferzeugungssystem verwendet
darüber
hinaus ein Wasserkonditioniersystem bei welchem Rohwasser zunächst durch
eine Wasserbehandlungsanlage 48 geleitet wird, in welcher
es gereinigt wird, um die aufgelösten
Salze, Feststoffe und andere Verunreinigungen zu entfernen. Das
resultierende gereinigte aufgearbeitete Zuführwasser wird dann teilweise
in den Wärmetauscher 50 geleitet,
worin es durch die überschüssige Wärme aus
dem heißen
Kondensat, welches in dem Autoklaven 40 erzeugt wird und
den Wärmetauscher 50 über die
Kondensatleitung 52 und die Abscheider- und Sieb-Einheiten 54 erreicht,
erwärmt
wird. Das erwärmte
Feed-Wasser wird dann zu einem Feed-Wassertankboiler 46 überführt, während das
gekühlte
Kondensat in das Wärmereservoir 32 geleitet
wird. Die verbleibende Menge des aufgearbeiteten Feed-Wassers, welches
die Wasserbehandlungsanlage 48 verlässt, wird zu einer Abgassparanlage 58 überführt, in
welcher es durch die Abgasgase aus dem Dampfkessel 60 erwärmt wird.
Feed-Wasser, welches durch die Abgassparanlage erwärmt wird,
wird dann in den Feed-Wassertank des Boilers 56 überführt.
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Vorgewärmtes Wasser
aus dem Wärmetauscher 50 und
der Abgassparanlage 58 wird dem Feed-Wassertank des Boilers 56 zugeführt, in
welchem es auf Temperaturen nahe des Siedepunktes erwärmt wird
und dann in den Dampfkessel 60 überführt wird. Der Feed-Wassertank
des Boilers 56 versorgt den Dampfkessel 60 mit
erwärmten,
demineralisiertem Wasser nahe eines pH-Wertes von 7. Wenn der ausreichende
Wasserlevel in dem Dampfkessel 60 erreicht wird, regelt
ein Controller die Feed-Pumpe 62 herunter und der Verbrennungsprozess
wird begonnen, durch welchen das Wasser innerhalb des Dampfkessels 60 in Dampf
umgewandelt wird. Wenn der Dampfdruck dem gewünschten Punkt entspricht (bestimmt
gemäß dem entsprechenden
zu behandelnden Material), bei ungefähr 250 psi, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit
graduell erniedrigt und so eingestellt, dass die Dampfproduktion
bei der vorbestimmten Temperatur und dem vorbestimmten Druck aufrecht
erhalten wird. Gesättigter
Dampf, welcher dem Dampfkessel 60 entnommen wird, wird
dem Dampfüberheizer 46 zugeführt, in
welchem die Temperatur des Dampfes erhöht wird, um überhitzten Dampf
zu Einführung
in den Autoklaven 40 zu erzeugen.
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Die
Wärme,
welche für
die Devulkanisation innerhalb des Autoklaven 40 erforderlich
ist, wird durch überhitzten
Dampf erzeugt, welcher seine Wärme
an das Material abgibt. Um die Effizienz des Wärmetransports aus dem Dampf
zu maximieren, wird der Dampf vorzugsweise entlang der Länge des
Autoklaven 40 mittels einem Dampfventil 45 eingeführt. Da
der Dampf seine Wärme
an das Material in der Verarbeitungseinheit 24 abgibt,
wird ein Kondensat einer hohen Temperatur erzeugt, welcher aus dem
Autoklav 40 ausgestoßen wird,
um die im Wesentlichen wassertropfenfreie Dampfatmosphäre innerhalb
des Autoklaven 40 aufrecht zu erhalten. Aus Effizienzgründen kann
das Abfallkondensat dem Wärmetauscher 50 zugeführt werden.
Vorzugsweise wird das Kondensat aus dem Autoklaven 40 an
dessen beiden Enden entnommen, um dieses so schnell zu entfernen,
wie es generiert wird. Der Fluss an überhitztem Dampf in dem Autoklaven 40 wird
durch die Geschwindigkeit der Kondensatentfernung bestimmt, so dass
ein statischer Zustand aufrecht erhalten wird.
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Das
Abkühlen
des Materials erfolgt nach Vervollständigung des Behandlungsprozesses
mit der Verarbeitungseinheit 24 unter kontinuierlichem
Rühren.
Ein manuelles Ventil 64 wird geöffnet, um eine graduelle Herabsetzung
des Druckes des Autoklaven 40 zu erreichen. Das Ventil 64 leitet
Ablagerungen, Rauch, kleine Kautschuk-Partikel und andere Sedimente
aus dem Autoklaven 40 zu dem Dampfseparator 66 über die
Kondensatleitung 52 und die Abscheider- und Sieb-Einheit 54.
Der Dampfseparator 66 wird betrieben, um die Restwärme durch
Transferieren des heißen
Kondensats zu dem Wärmereservoir 32 vollständig zu
regenerieren und um alle Gase, welche erzeugt wurden, zu entlüften. Wenn
der Druck innerhalb des Autoklaven 40 das gewünschte Level
erreicht, vorzugsweise 10 in. Hg, wird das Vakuum durch Einführen von
kaltgefilterter Luft über
die Leitung 68 gebrochen. Dieser gewünschte Druck kann mittels einer
Vakuumpumpe, welche mit dem Autoklaven 40 verbunden ist,
erreicht werden, durch welche das Vakuum des Systems herabgesetzt
wird, bis der gewünschte
Druck in dem Autoklaven erreicht ist. Nach dem Ausgleichen des Autoklavendrucks
mit dem Umgebungsdruck, wird der Autoklav 40 geöffnet, die
Verarbeitungseinheit 24 entnommen und einem weiteren Kühlschritt,
falls gewünscht,
und/oder einer Entladungszone zugeführt. Dem Füllstoffprodukt wird vorzugsweise
ein nicht klebriges Mittel, wie eine Steinseife, zugeführt, um
die unerwünschte
Adhäsion
der Produktpartikel zu verhindern.