Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Polymergemischen
Die Erfindungen betreffen ein Verfahren zum Trennen von Polymergemischen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das Verfahren zum Trennen von Polymergemischen findet ebenso wie die Vorrichtung Anwendung in der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen.
Bei den zu trennenden Polymergemischen handelt es sich um Gemische aus stofflich gleichartigen Komponenten, die sich in der Struktur der Polymerketten unterscheiden, wie beispielsweise Polyolefine.
Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den Polymergemischen auch Fremdkomponenten, die sich z. B. aus Lufteinschlüssen, Sand- beimischungen u.a. ergeben, abgetrennt werden.
Als Trennverfahren von Kunststoffen sind eine Anzahl verschiedener mechanischer Verfahren bekannt. Z. B. lehrt die DE 43 29 270 A1 , dass zerkleinerte Kunststoffgemische, in einer Trägerflüssigkeit suspendiert, im Strömungsdiffe- renzverfahren in aufschwimmende und absinkende Fraktionen getrennt werden, um Fraktionen mit jeweils gleicher Dichte zu separieren. Mit diesem Verfahren ist das Trennen eines Kunststoffgemisches nur bei unterschiedlicher Dichte der Komponenten möglich.
Weiterhin stellt die DE 36 01 175 A1 ein Trennverfahren vor, in dem eine Polymermischung in einem Schnellmischer bis zur Plastifizierung und Agglomerierung der Polymerteilchen mit dem niedrigsten Schmelzpunkt aufgeheizt und anschließend einem Kühlmischer zugeführt wird. Abgekühlte gelöste Polymerteile werden in der Folge in einer Abscheidevorrichtung in Agglomerate und unverformbare Teilchen getrennt. Mit diesem Verfahren ist das Trennen eines Kunststoffgemisches nur bei unterschiedlichen Schmelzpunkten der Komponenten möglich. Es
hat sich jedoch gezeigt, dass mittels der bekannten Verfahren getrennte Polymergemische für eine Reihe von Anwendungen nicht ausreichend homogen sind.
Nach der EP 0 714 918 A2 DE 695 07 868 T2 bzw. deren deutscher Über- setzung DE 695 07 868 T2 wird ein Verfahren zur Abtrennung von Polymeren aus Polymermischungen vorgeschlagen, bei dem ein Trennvorgang durch Scherung innerhalb einer Kapillare vonstatten geht. Dieses Verfahren fußt auf unterschiedlichen Schmelzviskositäten der jeweiligen unterschiedlichen Stoffanteile der Polymermischung.
Die beschriebene Lösung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass sie beschreibungsgemäß nur auf miteinander unverträgliche Polymergemischanteile anwendbar ist. Stofflich gleichartige Komponenten weisen offensichtlich nicht die zur Trennung nach dem Verfahren der EP 0 714 918 ausreichenden Eigenschaftsunterschiede auf und können nicht ausreichend exakt getrennt werden, wodurch für die getrennt sein sollenden Komponenten Weiterverarbeitungsprobleme wie unzureichendes Phasenbindungsvermögen oder mangelhafte Verspinnbarkeit weiter bestehen bleiben.
Außerdem verlangt eine Trennung auf Grund rein viskoser Effekte große Schergeschwindigkeiten im Kapillarwandbereich, die nur durch große Strömungsgeschwindigkeiten realisierbar sind.
Andererseits verlangen die relativ kleinen Strömungen senkrecht zur Haupt- Strömung, die den eigentlichen Separationseffekt ausmachen, große Verweilzeiten des zu trennenden Polymergemisches im Strömungsrohr. Als gravierender Nachteil resultiert daraus, dass sehr große Rohr- bzw. Kapillarlängen technisch realisiert werden müssen, die wiederum neben hohen Apparatekosten auch große Energiekosten aufgrund der großen zu überwindenden Druck- Verluste hervorrufen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Trennen von Polymergemischen aus stofflich gleichartigen Komponenten mit annähernd gleicher Dichte und annähernd gleichen Schmelzpunkten zu entwickeln.
Weiterhin besteht die Aufgabe darin, eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 aufgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- spruch 1 ist in Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 9 bis 19 aufgeführt.
Das Wesen der Erfindung besteht dabei darin, viskoelastische Eigenschaften der Komponenten der Polymergemische zur gewünschten Trennung und Entnahme zu nutzen:
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zu trennendes Polymergemisch im aufgeschmolzenen bzw. plastifizierten Zustand in einem Scherspalt einer Scherung mit ringförmigen Strombahnen unterschiedlicher Durchmesser ausgesetzt. Dabei bauen sich in den verschiedenen Komponenten des Polymergemisches unterschiedliche viskoelastische Zugspannungen auf, die zu unterschiedlichen örtlichen Ansammlungen der Komponenten im Scherspalt führen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise so durchgeführt werden, dass die ringförmigen Strombahnen durch einen in einer Trennkammer o.a. angeordneten rotationssymmetrischen Knetrotor beispielsweise in einer Ke-
gelform oder auch in einer runden Plattenform in Verbindung mit einer der jeweiligen Form für den Scherspalt angepassten Innenwand der Trennkammer erzeugt werden. Bei einem Knetrotor in Kegelform sind verschiedene Gestaltungen möglich. So ist es beispielsweise möglich, eine nach innen gewölbte oder eine nach außen gewölbte Kegelform vorzusehen. In gleicher Weise besteht eine Möglichkeit der Gestaltung mit einer in sich gestuften bzw. mit Absätzen ausgeführten Kegelform eines Knetrotors.
Die unterschiedlichen viskoelastischen, im Scherspalt generierten Zugspannun- gen der jeweiligen Komponenten führen zu folgenden Verhältnissen in der Trennkammer: Polymeranteile mit höheren viskoelastischen Spannungen verdrängen Polymere mit geringeren viskoelastischen Spannungen aus dem Bereich geringeren Durchmessers der Strombahnen und sammeln sich dort - umgekehrt ergibt sich dies für verdrängte Polymeranteile geringerer viskoelastischer Zug- Spannung im Bereich größerer Strombahndurchmesser. Die unterschiedlichen Strombahndurchmesser ergeben sich dabei aus der Konturengestaltung des Rotors.
Es vollzieht sich auf diese Weise eine Trennung des Polymergemisches in zwei verschiedene Polymerfraktionen, die sich in der Struktur der Polymerketten und damit in ihrer Viskoelastizität bzw. im Schmelzindex unterscheiden und als getrennte Schmelzestränge an unterschiedlichen Orten der Trennkammer abgeleitet werden können.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist der Durchsatz bzw. die Dosiergeschwindigkeit für das Polymergemisch regelbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Trennkammer, vorzugsweise mit hohlkegelförmiger Innenwand, die regelbar beheizt ist. Der Knetrotor hat die äußere Form eines Kegels und bildet so mit der Hohlkegelform der Innenwand der Trennkammer einen Scherspalt. Ein zu trennendes Polymergemisch
wird zuvor in einer Plastifiziervorrichtung, z.B. einem Extruder, aufgeschmolzenen bzw. plastifiziert, um es anschließend dem Scherspalt zuzuführen. Das Rotieren des Knetrotors bewirkt bei den anhaftenden Polymeren Ringbildungen. In diesen Ringen generieren sich viskoelastische Zugspannungen. Dabei ziehen sich Polymere mit höheren viskoelastischen Spannungen am rotierenden Knetrotor zur Knetrotorspitze, wodurch Polymere mit geringeren viskoelastischen Spannungen von der Knetrotorspitze verdrängt werden und sich sowohl am weitesten Umfang des Knetrotors als auch an seiner Kegelgrundfläche sammeln. Der Knetrotor ist dazu so gestaltet, dass seine Kegelform auf einem Maschinenelement drehbeweglich an der Kegelformspitze und unterhalb der Kegelgrundfläche vorzugsweise in Wälzlagern gelagert ist. Der Knetrotor ist unterhalb der Kegelgrundfläche so gestaltet, dass auf ihn ein Drehmoment durch einen Antrieb übertragen werden kann. Das Trennkammergehäuse besteht aus zwei Außenformen und einer Mittelform. In der Mittelform sind Kanäle angeordnet, die außerhalb der Trennkammer für den Durchfluss von Polymermassen regelbar gestaltet sind. Es sind ein Zuführungskanal für das Einleiten des Polymergemisches in den Scherspalt und mindestens zwei Ablasskanäle, die die Polymerfraktionen aus der Trennkammer ableiten, vorhanden. Ein erster Ablasskanal ist vorzugsweise in Höhe der kegelförmigen Rotorspitze und ein zweiter Ablasskanal ist vorzugswei- se in Höhe der Kegelgrundfläche des Knetrotors angeordnet. In den zwei Außenformen des Trennkammergehäuses sind die Wälzlager für die Lagerung des Rotors zentrisch eingepasst.
Die Qualität des Trennprozesses wird von der Durchsatzmenge der Polymer- masse pro Zeiteinheit sowie von der Temperatur beeinflusst. Ein entscheidender Einflussfaktor ist die Verweilzeit der Polymermasse in der Trennkammer. Eine längere Verweilzeit sorgt für eine bessere Trennung, verstärkt aber die Strukturzerstörung im Scherspalt. Verweilzeiten sind mit dem Durchsatz beeinflussbar und können durch dessen Steuerung eingestellt werden.
Mit den Erfindungen wurden mit überraschend einfacher Technik realisierbare Lösungen gefunden, um Polymergemische aus stofflich gleichartigen Komponenten in Polymerfraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie Polyethylene, Polypropylene etc., im kontinuierlichen Betrieb zu trennen.
Das Verfahren kann zur Erhöhung der Reinheit gegebenenfalls mehrfach ablaufen.
Ein Einsatz des Trennverfahrens zum Abtrennen von Stoffen ohne viskoelasti- sehe Eigenschaften wie Lufteinschlüsse, Farbpigmente usw. aus Polymergemischen mit mindestens einer viskoelastischen Komponente verläuft in analoger Weise.
In nachfolgenden zwei Ausführungsbeispielen sollen die erfindungsgemäße Vor- richtung und das mit ihr durchgeführte Verfahren näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1: die Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, Fig. 2: die Gesamtansicht einer Trennanlage mit erfindungsgemäßer
Trennvorrichtung und Fig. 3: die Seitenansicht einer Trennanlage.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht gem. Fig. 1 aus einer Trennkammer 1 mit hohlkegelförmiger Innenwand und kann auf eine Temperatur von etwa 190 0C aufgeheizt werden (die hierfür vorhandene Heizung ist nicht dargestellt). In der Mitte der Trennkammer 1 ist ein drehbeweglich gelagerter Knetrotor 2 angeordnet, der mit seiner äußeren Kegelform so gestaltet ist, dass er mit der Hohlkegelform der Innenwand der Trennkammer 1 einen Scherspait 3 mit einer Spaltweite von 2,5 mm bildet.
Für beide Ausführungsbeispiele wurde eine erfindungsgemäße Trennkammer 1 mit einem Knetrotor 2 mit folgenden Abmaßen verwendet:
Durchmesser der Kegelgrundfläche 7 des Knetrotors 2 100 mm
Durchmesser der Spitze des Knetrotors 2 20 mm
Höhe des Kegels von der Kegelgrundfläche zur Kegelspitze 120 mm
Im ersten Ausführungsbeispiel wurden Trennungen an folgendem Polymergemisch ausgeführt:
Polymergemisch aus
HDPE (Typ „Lacqtene", Hersteller: Atofina) und LDPE (Typ „Montell", Hersteller: Atofina) im Masseverhältnis 50 : 50.
Zur Charakterisierung des zu trennenden Polymergemisches wurden rheologi- sche Untersuchungen auf der Basis von Bestimmungen des Schmelzindexes (MFI-Wert nach DIN/ISO 1133) mit folgenden Ergebnissen vorgenommen:
Polymerkomponenten
LDPE „Montell" MFI 5/190 = 2,935 g/10 min
HDPE „Lacqtene" MFI 5/190 = 0,374 g/10 min
MFI 2,16/230 = 0,13 g/10 min
Polymergemisch
HDPE/LDPE MFI 5/190 = 1,255 g/10 min.
Das Polymergemisch wurde nach folgender Technologie hergestellt:
• Dosieren und Mischen der entsprechenden Granulate der beiden PoIy- merkomponenten in einem Mischer,
• Aufschmelzen des Polymergemisch in einem Extruder,
• Herstellung eines Polymergemischgranulates.
In der Praktizierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Polymergemisch HDPE/LDPE mit dem MFI-Wert= 1,255 g/10 min aufgeschmolzen bzw. plastifiziert einem Scherspalt 3 zugeführt und ringförmigen Strömungen ausgesetzt, in denen zusätzlich unterschiedliche viskoelastische Zugspannungen der unterschiedlichen Komponenten erzeugt werden. Durch einen Knetrotor 2 in Kegelform, in Verbindung mit einer dieser Form für den Scherspalt 3 angepassten Innenwand der Trennkammer 1 werden die ringförmigen Strombahnen unterschiedlichen Durchmessers gewährleistet. Im Ergebnis der Verfahrensdurchführung getrennte Polymerfraktionen werden an zwei örtlich versetzten Stellen aus dem Scherspalt 3 abgeleitet, d.h. im Bereich der minimalen Strombahndurchmesser eine Polymerfraktion mit höheren viskoelastischen Spannungen mit dem MFI-Wert = 1 ,2-2,1 g/10 min und im Bereich der maximalen Strombahndurchmesser eine Polymerfraktion mit geringeren viskoelastischen Spannungen mit dem MFI-Wert = 4,5-10 g/10 min.
In einer Trennanlage gemäß den Figuren 2 und 3 wird das zu trennende Polymergemisch HDPE/LDPE mit dem MFI-Wert von 1,255 g/10 min zuvor in einer Plastifiziervorrichtung, z.B. einem Extruder 9 mit Getriebemotor 10, aufgeschmolzenen bzw. plastifiziert, um es dem Scherspalt 3 zuzuführen. Das Rotieren des Knetrotors 2 bewirkt bei den anhaftenden Polymeren Ringbildungen. In diesen Ringen entstehen viskoelastische Zugspannungen. Dabei ziehen sich Polymere mit höheren viskoelastischen Spannungen am rotierenden Knetrotor 2 zur Knetrotorspitze 6, wodurch Polymere mit geringeren viskoelastischen Spannungen von der Knetrotorspitze 6 verdrängt werden und sich sowohl am weitesten Um- fang des Knetrotors 2 als auch an seiner Kegelgrundfläche 7 sammeln.
Der Knetrotor 2 ist dazu so gestaltet, dass seine Kegelform auf einem Maschinenelement drehbeweglich an der Knetrotorspitze 6 und unterhalb der Kegelgrundfläche 7 vorzugsweise in Wälzlagern 8 gelagert ist. Das Maschinenelement ist unterhalb der Kegelgrundfläche 7 verlängert gestaltet, um ein Drehmoment durch einen Antrieb 10 zu übertragen. Die Trennkammer 1 besteht aus zwei Au-
ßenformen und einer Mittelform, die ein gemeinsames Gehäuse bilden. In der Mittelform sind Kanäle angeordnet, die außerhalb der Trennkammer 1 für den Durchfluss von Polymermassen regelbar gestaltet sind.
Es sind ein Zuführungskanal 4 für das Einleiten des Polymergemisches HDPE/LDPE mit dem MFI-Wert = 1 ,255 g/10 min in den Scherspalt 3 und mindestens zwei Ablasskanäle 5, die die Polymerfraktionen aus der Trennkammer 1 ableiten, vorhanden. Ein erster Ablasskanal 5 ist etwa in Höhe der kegelförmigen Knetrotorspitze 6 und ein zweiter Ablasskanal 5 ist etwa in Höhe der Kegelgrund- fläche 7 des Knetrotors 2 angeordnet.
Aus dem Ablasskanal 5 in Nähe der Knetrotorspitze 6 wird die Polymerfraktion mit dem MFI-Wert = 1 ,2- 2,1 g/10 min und aus dem Ablasskanal 5 in Nähe der Kegelgrundfläche 7 die Polymerfraktion mit dem MFI-Wert = 4,5-10 g/10 min ab- geleitet. Der Durchsatz beträgt dabei ca. 4 bis 8 g/min. Das Entmischungsver- hältnis ist 1:1. In den zwei Außenformen der Trennkammer 1 sind die Wälzlager 8 für die Lagerung des Knetrotors 2 zentrisch eingepasst.
Die realisierten Verfahrensparameter sind folgender Übersicht zu entnehmen:
Trennung des Polymergemisches HDPE/LDPE
• Temperatur der Trennkammer 1 190 0C
• Drehzahl des Knetrotors 2 100 - 200 1/min • Durchsatz bzw. Dosiergeschwindigkeit 4 - 8 g/min
• Entmischungsverhältnis 1 : 1
Für die Beurteilung des Trenneffektes wurden die Schmelzindexwerte MFI nach DIN/ISO 1133 der zwei Polymerfraktionen aus den unterschiedlichen Schmelze- strängen ermittelt. Dies führte zu folgenden Ergebnissen:
Trennungsergebnis für das Polymergemisch HDPE/LDPE
• Polymerfraktion als Schmelzestrang aus dem Ablasskanal 5 in der Nähe der Knetrotorspitze 6 MFI 5/190 = 1 ,2 - 2,1 g/10 min,
• Polymerfraktion als Schmelzestrang aus dem Ablasskanal 5 in der Nähe der Kegelgrundfläche 7 MFI 5/190 = 4,5 - 10 g/10 min.
Aus dem Ergebnis ist zu erkennen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein sehr guter Trenneffekt eines Polymergemisches in zwei Polymerfraktionen erreicht wurde. Die als Maß für die Strukturierung gemessenen MFI-Werte des Schmelzindexes unterscheiden sich in Abhängigkeit von den realisierten Versuchsparametern mindestens um das Dreifache bei den Polymerfraktionen aus dem Polymergemisch HDPE/LDPE.
Die außerdem zu beobachtende generelle Erhöhung der MFI-Werte ist auf die Strukturzerstörung im Scherspalt 3 zurückzuführen, die mit dem Durchsatz beeinflussbar ist.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wurden ebenso mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Benutzung der erfindungsgemäßen Trennkammer 1 Unter- suchungen an folgendem Polymergemisch durchgeführt:
Polymergemisch aus HDPE (Typ „Lacqtene", Hersteller: Atofina) und PP (Typ „Daplen", Hersteller: Borealis) im Massenverhältnis 50 : 50
Zur Charakterisierung des zu trennenden Polymergemisches wurden rheologi- sche Untersuchungen auf Basis von Bestimmungen des Schmelzindexes MFI nach DIN/ISO 1133 mit folgenden Ergebnissen vorgenommen:
Komponenten
HDPE „Lacqtene" MFI 2,16/230 = 0,13 g/10 min
PP „Daplen" MFI 2,16/230 = 4,58 g/10 min
Polymergemisch
HDPE/PP MFI 2,16/230 = 1 ,03 g/10 min.
Das Polymergemisch wurde nach folgendem Verfahren hergestellt:
• Dosieren und Mischen der entsprechenden Granulate der Polymerkompo- nenten in einem Mischer,
• Aufschmelzen des Polymergemisches in einem Extruder,
• Extrudieren von Polymergemischsträngen,
• Herstellung eines Polymergemischgranulates.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde wieder unter Benutzung der erfindungsgemäßen Trennkammer 1 zur Trennung des Polymergemisches durchgeführt. Die realisierten Verfahrensparameter sind folgender Übersicht zu entnehmen:
Trennung des Polymergemisches HDPE/PP
• Temperatur der Trennkammer 230 0C
• Drehzahl des Knetrotors 150 1/min
• Durchsatz / Dosiergeschwindigkeit 3 bis 9 g/min
• Entmischungsverhältnis 1 : 1
Für die Beurteilung des Trenneffektes wurden die Schmelzindexwerte MFI nach DIN/ISO 1133 der Polymerfraktionen aus den unterschiedlichen Schmelzesträngen ermittelt. Folgende Ergebnisse wurden erhalten:
Trennungsergebnis für das Polymergemisch HDPE/PP
• Polymerfraktion als Schmelzestrang aus dem Ablasskanal 5 in der Nähe er Knetrotorspitze 6 MFI 2,16/230 = 1 ,9 - 2,1 g/10 min, • Polymerfraktion als Schmelzestrang aus dem Ablasskanal 5 in der Nähe der Kegelgrundfläche 7 MFI 2,16/230 = 8,1 - 9,5 g/10 min.
Auch aus diesem Ergebnis ist zu erkennen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein sehr guter Trenneffekt erreicht wurde.
Die als Maß für die Strukturierung gemessenen MFI-Werte unterscheiden sich in Abhängigkeit von den realisierten Verfahrensparametern mindestens um das Vierfache bei den Polymerfraktionen aus dem Polymergemisch HDPE/PP. Die außerdem zu beobachtende generelle Erhöhung der MFI-Werte ist auf die Strukturzerstörung im Scherspalt 3 zurückzuführen, die mit dem Durchsatz beeinflussbar ist.
Bezugszeichen zur Patentanmeldung
Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Polymergemischen
Trennkammer 1
Knetrotor 2
Scherspalt 3
Zuführungskanal 4
Ablasskanal 5
Knetrotorspitzspitze 6
Kegelgrundfläche 7
Wälzlager 8
Extruder 9
Getriebemotor 10