DE60016962T2 - Verfahren zur herstellung eines pulvers aus einem elastischen material - Google Patents

Description

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

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Partikelmischungen umfassend ein elastisches Material, dadurch gekennzeichnet, dass – Fragmente des elastischen Materials mit einer Größe im Bereich von 1,5 bis 20 mm mit einem thermoplastischen Material in Partikelform vermischt werden, – die Mischung in einer Form ausgehärtet wird, wodurch ein Verbundkörper aus Fragmenten und dem thermoplastischen Material entsteht, und – der Verbundkörper mechanisch zu einem Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 1,5 mm zerkleinert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material vulkanisiertes Gummi ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus vulkanisiertem Gummi und einem thermoplastischen Material verdichtet und auf etwa 150 bis 200°C erhitzt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus EVA, PE, PP, EPM oder einer Mischung daraus.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material EVA ist.
6. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug und/oder der Verbundkörper während der mechanischen Zerkleinerung mittels eines Kühlmediums, wie Wasser oder Luft, gekühlt wird.
7. Homogenes Pulver aus einem thermoplastischen Material und einem elastischen Material, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.
8. Homogenes Pulver aus einem thermoplastischen Material und vulkanisiertem Gummi, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 2.