DE202014105123U1

DE202014105123U1 - Vorrichtung zur Zerkleinerung von Faserverbundwerkstoffen

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Publication number: DE202014105123U1
Application number: DE202014105123.6U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: US20170320239A1; WO2016066159A1; DE112015004856A5; WO2016066159A4; EP3212374A1

Abstract

Vorrichtung zur Zerkleinerung von Faserverbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter (1) Mittel (6) zum mechanischen Abrieb einer bettenden Matrix von Fasern vorhanden sind, wobei der mechanische Abrieb der bettenden Matrix von den Fasern durch eine relative Rotationsbewegung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerkleinerung und zum Recyceln von Faserverbundwerkstoffen.
Zur Auftrennung von Faserverbundwerkstoffen im Zuge von Entsorgung und Recycling sind dem Stand der Technik verschiedenste Methoden bekannt.
EP 0 797 496 B1 offenbart eine chemische Trennung von Faserverbundmaterialien, bei der durch die Einwirkung von Ozon die Fasern von der umgebenden Matrix gelöst werden. Chemische Verfahren sind oftmals sehr aufwendig, die verwendeten Chemikalien meist teuer in der Anschaffung und Entsorgung und die gewonnenen Fasern und Matrixpartikel bedürfen einer umfangreichen Nachbehandlung bevor sie einer Weiterverwendung zugeführt werden können.
Die bisher bekannten mechanischen Trennverfahren zur Trennung von Matrixmaterial und Fasern beruhen meistens auf einem Aufbrechen der Faser-Kunststoff-Struktren mittels Schredder, Walzen oder Pulverisator.
Beispielsweise beschreibt die EP 0 443 051 A1 das mechanische Aufbrechen einer Glasfaser-Polyester-Verbundstruktur mittels Schlagwerk, welches bevorzugt eine Hammermühle ist. Auch in der WO 93/05883 wird eine Zerkleinerung von Faserverbundwerkstoffen mittels Hammermühle vorgeschlagen. Hier erfolgt eine anschließende Trennung von Fasern und Matrixteilchen mittels Sieb und Luftstrom.
In der JP 2003 071839 A wird der zu zerkleinernde Faserverbundwerkstoff zunächst geschreddert und anschließend mittels einer Siebmühle gemahlen und die enthaltenen Fasern und Matrixteilchen mittels eines Luftstromes aufgetrennt. In einer Siebmühle wird das Material üblicherweise fein gerieben und durch ein Sieb gedrückt. Ein Zerbrechen der Fasern kann hier nicht ausgeschlossen werden.
Eine Zerkleinerung durch Walzen wird beispielsweise in der DE 10 2004 017 441 A1 oder auch in der EP 1 454 673 B1 beschrieben.
Bei den herkömmlichen mechanischen Trennverfahren kommt es zu einem Wegbrechen der Fasern, sodass diese nicht mehr unzerstört für die Wiederverwendung vorliegen. Vor allem häufig eingesetzte Glasfasern werden in hohem Maße zerbrochen oder verbogen. Durch den relativ hohen Marktpreis für die in Faserverbundwerkstoffen üblicherweise eingesetzten Fasern bringt eine erneute Verwendung der Fasern deutliche finanzielle Vorteile.
Aufgabe ist es daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Fasern aus den Faserverbundwerkstoffen möglichst schonend löst, sodass sowohl die Fasern, als auch die bettende Matrix wieder einsetzbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Zerkleinerung von Faserverbundwerkstoffen wobei erfindungsgemäß in einem Behälter Mittel zum mechanischen Abrieb von einer Matrix von Fasern vorhanden sind, wobei der mechanische Abrieb der Matrix von den Fasern durch relative Rotationsbewegungen erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei ineinander gelagerte rotationssymmetrische Elemente enthalten, von denen wenigstens eines kegelförmig ausgebildet ist und von denen wenigstens eines um eine Längsachse herum drehbar gelagert ist, wobei an einem Ende der rotationssymmetrischen Elemente eine Zuführöffnung und am entgegen gesetzten Ende der rotationssymmetrischen Elemente eine Austragsöffnung angeordnet ist, und der Abstand zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen an der Austragsöffnung schmaler ist, als an der Zuführöffnung.
Bevorzugt wird eine Verjüngung des Abstandes zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen von der Zuführöffnung hin zur Austragsöffnung durch unterschiedliche Kegelwinkel von äußerem und innerem rotationssymmetrischen Element erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung entsteht zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen ein Mahlspalt, in den die Faserverbundwerkstoffe (die vorher vorzerkleinert sein können) durch die Zuführöffnung eingebracht werden. Durch eine Rotation eines der beiden oder beider rotationssymmetrischer Elemente um ihre Längsache kommt es zu einem schonenden allmählichen Abreiben des Matrixmaterials von den Fasern. Dadurch, dass der Abstand zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen an der Austragsöffnung schmaler ist, als an der Zuführöffnung, erfolgt einer feine Zermahlung des Mahlgutes im unteren Bereich, der Vorrichtung.
Vorzugsweise sind Austragsöffnung und Zuführöffnung direkt in dem Zwischenraum zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen und/oder als umfangseitige Öffnungen im äußeren und/oder im inneren rotationssymmetrischen Element angeordnet.
Erfindungsgemäß sind in der Vorrichtung Mittel zum mechanischen Abrieb einer Matrix von Fasern vorhanden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Mittel an wenigstens einem der beiden rotationssymmetrischen Elemente auf der zum jeweils anderen rotationssymmetrischen Element hin weisenden Fläche als Erhebungen ausgebildet. Vorzugsweise sind die Erhebungen Leisten, die bevorzugt in Längsrichtung der rotationssymmetrischen Elemente ausgerichtet sind. Ebenfalls möglich ist die Ausbildung der genannten Mittel als Halbkugeln an den Wänden der rotationssymmetrischen Elemente.
Das über die Zuführöffnung eingebrachte Material (welches vorzerkleinert sein kann) wird somit durch „entlangreiben” an den Erhebungen der Vorrichtung weiter zerkleinert bzw. der Kunststoff (die Matrix) allmählich aufgerieben und dabei von den Fasern entfernt und das zerkleinerte bzw. teilweise zerkleinerte Material in Richtung zur Austragsöffnung verbracht und durch den sich reduzierenden Mahlspalt immer weiter zerkleinert bzw. die Matrix von den Fasern immer mehr abgerieben.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mittel zum mechanischen Abrieb kommt es vorteilhafter Weise nicht zu einem Aufbrechen und Zerreiben der Fasern, sondern vielmehr zu einem schonenden Abrieb der Matrix von den Fasern, was eine Wiederverwendung sowohl der Fasern als auch der Matrix-Partikel ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die beiden rotationssymmetrischen Elemente in Längsrichtung relativ zueinander verschiebbar. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen variiert und je nach den Materialeigenschaften des zu trennenden Faserverbundwerkstoffes individuell eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest einer der beiden rotationssymmetrischen Elemente in einem Bereich oberhalb der Austragsöffnung perforiert.
Die Perforation wird dabei in einer Größe gewählt, die zwar den abgetrennten Matrixteilchen, jedoch nicht den abgetrennten Fasern einen Durchgang ermöglicht. Bevorzugt werden die Matrixteilchen mittels einer externen Saugvorrichtung durch die Perforation aus dem Bereich zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen entfernt. Alternativ erfolgt ein einfaches Absieben der Matrixteilchen.
Wenn eine solche Perforation nicht vorhanden ist, so treten Fasern und Matrixteilchen in getrennter Form aber gleichzeitig aus der Austragsöffnung aus. In diesem Fall ist ein nachgeordnetes Trennverfahren, beispielsweise durch Windsichtung nötig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden rotationssymmetrischen Elemente in einem Gestell schwenkbar im Bezug auf eine horizontale Ebene angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung in einem Winkel von 0° bis 45° schwenkbar angeordnet. Auf diese Weise kann die Durchlaufgeschwindigkeit des Mahlgutes von der Zuführöffnung zur Austragsöffnung variiert werden.
Vorzugsweise liegt die Austragsöffnung höhenmäßig unterhalb der Zuführöffnung, so dass das zerkleinerte Faserverbundmaterial im Mahlspalt durch die Schwerkraft nach unten in Richtung zur Austragsöffnung transportiert wird.
Die Erfindung liefert die Möglichkeit eines besonders effektiven Recycelns von Faserverbundwerkstoffen. Die Fasern werden nicht wie in bekannten Methoden zerschlagen, zerbrochen oder verbogen, sondern vielmehr wird die bettende Matrix schonend von den Fasern abgerieben. Durch diesen schonenden Abrieb ist nicht nur eine Wiederverwendung der abgelösten Matrixpartikel, sondern auch von deutlich mehr unzerstörten Fasern als nach gängigen Methoden möglich. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, bis zu 90% der Fasern, welche frei von Matrixpartikeln sind, zurück zu gewinnen. Mit gängigen Methoden ist es bisher nicht möglich, Faserückgewinnung ohne Änderung der Fasereigenschaften zu realisieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles sowie dazugehöriger Figuren beschrieben, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen äußeren rotationssymmetrischen Elementes in dem Bereich, welcher Mittel zum mechanischen Abrieb enthält,
2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen äußeren rotationssymmetrischen Elementes in dem Bereich, welcher eine Perforation enthält,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen inneren rotationssymmetrischen Elementes,
4 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen inneren rotationssymmetrischen Elementes,
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt,
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Gestell angeordnet.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1 in dem Bereich, welcher Mittel zum mechanischen Abrieb enthält. Dabei sind auf der Innenseite des äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1 in Längsrichtung des rotationssymmetrischen Elementes angeordnete Leisten 6 als Mittel zum mechanischen Abrieb vorhanden. Diese Leisten 6 können über den gesamten Umfang des rotationssymmetrischen Elementes 1 angeordnet sein. Die Leisten 6 sind befestigt an Halterungen 6.1 für die Mittel zum mechanischen Abrieb. Mittels Halterungen 1.1 wird das äußere rotationssymmetrische Element 1 an einem nicht dargestellten Gestell befestigt. An der Seite, welche den kleinsten Durchmesser aufweist (in der Abbildungsebene unten) wird ein zweiter Teil des äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1, welcher einen perforierten Bereich aufweist, angebracht (siehe 2).
In 2 ist eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen äußeren rotationssymmetrischen Elementes in dem Bereich, welcher eine Perforation 7 enthält, dargestellt. Dieser Teil des äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1 wird mit der Seite, an welcher er den größten Durchmesser aufweist (in der Abbildungsebene oben) an den in 1a dargestellten Teil des äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1, welcher die Mittel zum mechanischen Abrieb 6 aufweist, angebracht.
Aus 3 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen inneren rotationssymmetrischen Elementes 2 ersichtlich. Auch am inneren rotationssymmetrischen Element 2 sind Leisten 6 als Mittel zum mechanischen Abrieb vorhanden. Wie die Leisten am äußeren rotationssymmetrischen Element, können auch die Leisten 6 des inneren rotationssymmetrischen Elementes über den gesamten Umfang verteilt vorliegen. Die Leisten 6 werden mittels Halterungen 6.1 am inneren rotationssymmetrischen Element 2 befestigt. In dem Bereich, welcher mit der Perforation des äußeren rotationssymmetrischen Elementes 1 korrespondiert, weist das innere rotationssymmetrische Element 2 keine Mittel zum mechanischen Abrieb 6 auf. 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen inneren rotationssymmetrischen Elementes.
In 5 wird eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt gezeigt. Während das äußere rotationssymmetrische Element 1 mittels Halterungen 1.1 in einem Gestell 8 drehfest gelagert ist, ist das innere rotationssymmetrische Element 2 drehbar um eine Längsachse L gelagert. Zwischen dem äußeren 1 und dem inneren rotationssymmetrischen Element 2 bildet sich ein Mahlspalt 5, in den der zu zerkleinernde Faserverbundwerkstoff über die Zuführöffnung 3 eingebracht wird. Sowohl am inneren 2 als auch am äußeren rotationssymmetrischen Element 1 befinden sich in Längsrichtung verlaufende Leisten 6, die in entsprechenden Halterungen 6.1 befestigt sind. An beiden rotationssymmetrischen Elementen verlaufen die Leisten 6 über den gesamten Umfang und sind in 3 nur angedeutet. Durch eine relative Rotationsbewegung des inneren rotationssymmetrischen Elementes werden die im Mahlspalt 5 vorliegenden Faserverbundwerkstoffe schonend zerrieben. Die nun getrennt vorliegenden Fasern und Matrixteilchen treten in den Bereich 7 ein, in dem das äußere rotationssymmetrische Element 1 perforiert ist. Die Perforation 7 ist dabei in einer Größe gewählt, durch die die Matrixteilchen, jedoch nicht die Fasern passieren können. Mittels einer nicht dargestellten Absaugvorrichtung werden die Matrixteilchen durch die Perforation 7 aus dem Mahlspalt 5 entfernt. Die nicht abgesaugten Fasern verlassen den Mahlspalt 5 durch die Austragsöffnung 4. Sowohl Fasern als auch Matrixteilchen können im Anschluss einer weiteren Verwertung zugeführt werden. In 6 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gestell angeordnet schematisch dargestellt. Das äußere rotationssymmetrische Element 1 und das innere rotationssymmetrische Element 2 sind dabei schwenkbar um eine horizontale Achse im Gestell 8 gelagert. Das Schwenken wird ermöglicht, durch ein Mittel zum Schwenken 10, welches beispielsweise hydraulisch angetrieben sein kann. Zur erleichterten Einfuhr des Faserverbundwerkstoffes und Austragung des aufgetrennten Materials kann ein Hilfsmittel wie etwa ein Kanal 9 am Gestell in der Nähe der Zuführöffnung bzw. ein hier nicht dargestellter Ausführkanal in der Nähe der Austragungsöffnung angebracht sein.
Verfahrensgemäß wird durch die oben liegende Zuführöffnung 3 der zu zerkleinernde Faserverbundwerkstoff eingebracht, der optional vorzerkleinert vorliegen kann. Durch die Schwerkraft sinkt das zu zerkleinernde Material im Mahlspalt 5 nach unten, wo sich der Mahlspalt 5 mehr und mehr verjüngt. Durch eine relative Rotationsbewegung der beiden rotationssymmetrischen Elemente 1, 2 wird die Matrix des Faserverbundwerkstoffes zwischen den an den rotationssymmetrischen Elementen vorhandenen Leisten, schonend von den Fasern abgerieben. Die so zerkleinerten Teile sinken nach unten in den engeren Bereich des Mahlspaltes 5 wo es zu einem weiteren Abreiben der an den Fasern verbliebenen Matrixteilchen kommt. Im unteren Bereich des Mahlspaltes 5 erreichen die Fasern und die abgeriebenen Matrixteilchen einen Bereich 7, in welchem das äußere rotationssymmetrische Element 1 perforiert ist. Die abgeriebenen Matrixteilchen werden durch die Perforation 7 abgetrennt, während die verbleibenden Fasern im Mahlspalt 5 weiter nach unten wandern und die erfindungsgemäße Vorrichtung schließlich durch die Austragungsöffnung 4 verlassen. Wenn kein perforierter Bereich 7 vorhanden ist, verlassen Matrixteilchen und Fasern die erfindungsgemäße Vorrichtung in getrennt vorliegender Form gemeinsam durch die Austragungsöffnung 4 und werden durch ein nachgelagertes Verfahren voneinander separiert.
Bezugszeichenliste

1: Behälter/äußeres rotationssymmetrisches Element
1.1: Halterung für das äußere rotationssymmetrische Element
2: inneres rotationssymmetrisches Element
3: Zuführöffnung
4: Austragsöffnung
5: Mahlspalt
6: Mittel zum mechanischen Abrieb/Erhebungen/Leisten
6.1: Halterung für die Mittel zum mechanischen Abrieb
7: perforierter Bereich
8: Gestell
9: Kanal zur Einfuhr des Materials
10: Mittel zum Schwenken der erfindungsgemäßen Vorrichtung
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0797496 B1 [0003]
EP 0443051 A1 [0005]
WO 93/05883 [0005]
JP 2003071839 A [0006]
DE 102004017441 A1 [0007]
EP 1454673 B1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Zerkleinerung von Faserverbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter (1) Mittel (6) zum mechanischen Abrieb einer bettenden Matrix von Fasern vorhanden sind, wobei der mechanische Abrieb der bettenden Matrix von den Fasern durch eine relative Rotationsbewegung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei ineinander gelagerte rotationssymmetrische Elemente (1, 2) aufweist, von denen wenigstens eines kegelförmig ausgebildet ist und von denen wenigstens eines um eine Längsachse herum drehbar gelagert ist, wobei an einem Ende der rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) eine Zuführöffnung (3) und am entgegen gesetzten Ende der rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) eine Austragsöffnung (4) angeordnet ist, und wobei der Abstand (5) zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen an der Austragsöffnung (4) schmaler ist, als an der Zuführöffnung (3).
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Austragsöffnung (4) und Zuführöffnung (3) in dem Zwischenraum (5) zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen (1, 2) und/oder als umfangseitige Öffnungen im äußeren (1) und/oder im inneren (2) rotationssymmetrischen Element angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum mechanischen Abrieb an wenigstens einem der beiden rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) auf der zum jeweils anderen rotationssymmetrischen Element hin weisenden Fläche Erhebungen (6) angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (6) bevorzugt in Längsrichtung der rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) ausgerichtete Leisten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Variierung des Abstandes zwischen den beiden rotationssymmetrischen Elementen (1, 2) die beiden rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) in Längsrichtung relativ zueinander verschiebbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) in einem Bereich (7) oberhalb der Austragsöffnung (4) perforiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden rotationssymmetrischen Elemente (1, 2) in einem Gestell (8) schwenkbar im Bezug auf eine horizontale Ebene angeordnet sind.