DE4220665C2 - Verfahren zur Gewinnung von thermoplastischen Schaumstoffanteilen aus einem Kunststoffabfälle enthaltenden Gemenge - Google Patents
Verfahren zur Gewinnung von thermoplastischen Schaumstoffanteilen aus einem Kunststoffabfälle enthaltenden GemengeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von thermoplasti
schen Schaumstoffanteilen aus einem Kunststoffabfälle enthaltenden
Gemenge mit unterschiedlichen Kunststoffsorten, Schaumstoffanteilen
und Verbundprodukten, die thermoplastische Schaumstoffe enthalten,
oder nur mit solchen Verbundprodukten sowie fallweise mit Fremd
stoffen.
Die ältere, nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 42 02 095 A1
hat ein dem eingangs genannten Verfahren zur Gewinnung von
Kunststoffwertprodukten aus Kunststoffaltprodukten entsprechendes
Verfahren zum Inhalt mit der Ausnahme, daß dort Verbundprodukte,
die thermoplastische Schaumstoffe enthalten, nicht behandelt werden.
Aus der DE-36 01 175 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Trennen von unterschiedlichen Polymeren aus Polymergemischen be
kannt. Nach der technischen Lehre wird das zu trennende Polymerge
misch auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um eine Agglome
ration der Polymere mit niedrigem Schmelzpunkt zu bewirken, wonach
das Polymergemisch in je eine Fraktion mit niedrigem und höherem
Schmelzpunkt getrennt wird. Die Trennung kann mittels Luftsichtung
oder mittels Prallabscheidung entsprechend der unterschiedlichen
Elastizität der jeweiligen Polymere erfolgen. Für die Erwärmung der
Polymere ist ein Schnellmischer vorgesehen.
Für die in der Aufbereitungstechnik von Schaumstoffen angewandte
selektive Erwärmung zwecks Schrumpfung und Agglomerisation ist die
Verwendung von Reibungswärme bzw. Friktion nicht geeignet, da bei
einer Friktionserwärmung die unterschiedlichen Materialien durch
sehr hohe Reibungskräfte in unerwünschter Weise zerkleinert werden
und das Gemenge insgesamt weiter vermischt wird, wobei Teile unter
schiedlicher Fraktionen miteinander verschmelzen oder aneinander
haften bleiben.
Aus der DE-41 12 179 C1 ist ein Verfahren zum sortenreinen Trennen
von thermoplastischen Formteilen unterschiedlicher Provenienz
bekannt. Diese werden verfahrensnotwendig unzerkleinert durch die
direkte oder indirekte Beheizung auf eine Temperatur erwärmt, die
der Erweichungstemperatur derjenigen Formteile mit der niedrigsten
Erweichungstemperatur entspricht. Bei dieser Temperatur werden die
Formteile solange behandelt, bis sie unter dem Einfluß der Schwer
kraft ihre ursprüngliche Form unter entsprechender Volumenreduzie
rung weitestgehend verloren haben, anschließend werden die so
deformierten Formteile von den übrigen, in ihrer Form weitestgehend
unverändert gebliebenen Formteilen getrennt.
Nach der Beschreibung scheint dieses Verfahren im wesentlichen auf
rotationssymmetrische Formteile wie Becher, Tassen etc. anwendbar
zu sein, welche bspw. gemäß Figur 1b nach einer längeren Temperatur
behandlung bei 90°C die Gestalt einer leicht deformierten Platte
(Ronde) annehmen. Eine derartige Formumwandlung in einem vergleichs
weise dichten Gemenge ist nicht vorstellbar. Im übrigen ist in dieser
Schrift die Gewinnung von thermoplastischen Schaum
stoffanteilen aus einem Kunststoffabfälle enthaltenden Gemenge oder
aus Schaumstoff-Verbundwerkstoffen nicht zugesprochen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom vorgenannten
Stand der Technik ein Verfahren anzugeben, mit welchem aus einem
thermoplastische Schaumstoffanteile, unterschiedliche Kunststoff
sorten, Schaumstoff-Verbundprodukte und fallweise Fremdstoffe
enthaltenden Gemenge gezielt die thermoplastischen Schaumstoff
anteile aus dem Gemenge in der Weise gewonnen werden können bzw.
von den Verbundstoffen getrennt werden können, daß ihre Wiederver
wertung bzw. Weiterverarbeitung unter wirtschaftlichen Gesichts
punkten durchführbar ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Verfahren der
im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung durch
die im Kennzeichnungsteil des Hauptanspruches angegebenen Arbeits
schritte.
Für die thermoplastischen Schaumstoffe trifft in besonderer Weise
zu, daß sie in den allermeisten Fällen fertigungsbedingt den ver
streckten Kunststoffen zuzuordnen sind. Diese gehen bei Erwärmung
bekanntermaßen wieder in den Zustand zurück, der vor dem Verstreckungs
prozeß bei ihrer Herstellung bestand. Mit anderen Worten haben
die verstreckten Kettenmoleküle bei erhöhter Temperatur das Bestre
ben, sich wieder in den verknäulten Zustand zu relaxieren, das heißt
sie schrumpfen. Der Temperaturbereich für diesen Vorgang der Relaxa
tion beginnt unterhalb der Glastemperatur der Thermoplasten. Dies
bedeutet, daß dieses Schrumpfen vor einem Schmelzen der Thermoplasten
ohne Emission von Zersetzungsprodukten durchführbar ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die
Relaxation von Thermoplasten bevorzugt bei Schaumstoffen mit einer
drastischen Veränderung der elastischen Eigenschaften einhergeht,
die zu einer überraschenden Versprödung beim Abkühlungsprozeß führt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe einer Verbundtrennung und Stoff
sortierung von thermoplastische Schaumstoffe enthaltenden Gemengen
unterschiedlicher Kunststoffe und/oder Schaumstoff-Verbundprodukten
durch eine Abstimmung der Arbeitsschritte, Zerkleinerung, Relaxa
tion, Trennung, Brechung sowie Sortierung gelöst. Dies betrifft
unter anderem die unterschiedlichen Zerkleinerungsverfahren vor und
nach der thermischen Behandlung des Abfallgemenges. Für die Relaxa
tion wird vorzugsweise eine Partikelgröße benötigt, wie sie mit
sogenannten Schaumstoff-Flocken aus langsam laufenden Abfallzer
kleinerern vorliegt. Dementsprechend gelangen für die Vorzerkleine
rung des Gemenges langsam laufende Abfallzerkleinerer zum Einsatz,
welche das Prinzip von Zweiwellen-Schneidwerken verwirklichen. Mit
diesen wird die Zerkleinerung vor dem Relaxationsprozeß des zu
behandelnden Gutes durchgeführt.
Nach Schrumpfung und Versprödung des Zielthermoplasten wird dieser
mit Hilfe eines Brechverfahrens weiter zerkleinert und in seiner
Partikelgröße nach oben begrenzt, so daß sich ein rieselfähiges
Schüttgut ergibt. Das Brechen hat dabei den verfahrensbedingten
Vorteil, daß andere Materialien, die nicht über die entsprechende
Sprödigkeit des Zielthermoplasten verfügen, bei dem Zerkleinerungs
schritt durch Brechen nicht mit zerkleinert werden. Auf diese Weise
wird bereits durch den Brechvorgang die nachfolgende Sortierung sehr
wesentlich unterstützt und vorbereitet.
Verfahrenstechnisch kommen alle üblichen Brechwerke für das erfin
dungsgemäße Verfahren in Betracht. Als besonders geeignet haben sich
Zweiwalzen-Brechwerke erwiesen, da mit diesen ein kontinuierlicher
Mengendurchsatz in einfacher Weise ermöglicht wird.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, daß die Abfälle vor der
Aufbereitung einer Vorsortierung unterzogen werden, um bspw. sicher
zustellen, daß nicht grobe Fremdstoffe, wie Metallteile, Glas oder
andere den Prozeß störende Fremdstoffe mit in den Arbeitszyklus
einfließen.
Innerhalb des Verfahrensablaufes ist die Relaxation des zu gewinnen
den thermoplastischen Schaumstoffes (im folgenden: Zielthermoplast)
durch Erwärmen der zentrale Behandlungsschritt innerhalb der erfin
dungsgemäßen Verfahrenskombination. Durch gezielte Relaxation wird
ein Schrumpfen des Zielthermoplasten hervorgerufen. Die hierdurch
hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen bilden die Grundlage für die
nachfolgende Trennung und Sortierung des Zielthermoplasten von den
übrigen Verbund- oder Gemengematerialien. Die Mittel zur thermischen
Behandlung müssen daher so gewählt werden, daß dadurch ein selekti
ves Schrumpfen ausschließlich des Zielthermoplasten erzielt wird.
In einigen Fällen kann dies durch Konvektionserwärmung des gesamten
Gemengestromes erreicht werden, dann nämlich, wenn der Schaumstoff
der Zielthermoplast mit der niedrigsten Relaxationstemperatur ist.
Eine gezielt selektive Wärmeübertragung ist bspw. mittels Infrarot-
Wärmestrahlern möglich, wenn bspw. bestimmte Schaumstoffe aufgrund
ihrer chemischen Zusammensetzung oder auch infolge ihrer Einfärbung
und dem damit verbundenen bevorzugten Infrarot-Absorbtionsverhalten
besser und damit gezielter als die übrigen Materialien die Wärme
strahlung absorbieren. Bspw. können mit Hochfrequenzstrahlung je
nach Zusammensetzung des Gemenges bestimmte Schaumstoffe selektiv
geschrumpft werden, ohne daß die anderen Materialien erwärmt werden.
Sehr vorteilhaft ist in jedem Falle die Ausbreitung eines Gemenge
stromes auf einer Transportvorrichtung, weil damit die Oberflächen
der unterschiedlichen Komponenten für eine ungehinderte Wärmeüber
tragung offenliegen und damit eine selektive Erwärmung unterschied
licher Stoffgruppen wirkungsvoll unterstützt wird. Eine vorzugsweise
Methode der Erwärmung kann auch mittels Konvektion von heißer Luft
in einer Wirbelschicht verwirklicht werden. Dabei kann mit der ver
fahrensbedingten Wahl einer zweckmäßigen Art der Erwärmung die
Aufheizung der Schaumstoff-Komponente sehr exakt bis zur Relaxation
stemperatur vorgenommen werden.
Die Relaxation eines Schaumstoffes unterscheidet sich auch deshalb
von einem ähnlichen Verhalten thermisch behandelter glatter Kunst
stoffteile, weil in thermoplastischen Schaumstoffteilen eine poten
tiell mit der speziellen Morphologie des verstreckten Thermoplasten
gespeicherte Energie als Rückstellkraft (Schrumpfspannung) freisetz
bar ist, die sowohl für die hohe Volumenreduktion (1 : 10 bis 1 : 50)
- der Verbund wird in vielen Fällen schon hierdurch gelöst - als
auch für den besonders intensiven Versprödungsprozeß und damit für
den selektiven Zerkleinerungsvorgang in besonders vorteilhafter
Weise genutzt werden kann.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß das Gemenge vor
oder bei der Sortierung einer mechanischen Einwirkung von Vibratio
nen unterzogen wird. Dabei wird einerseits der Gemengestrom nach
der thermischen Behandlung und der Nachzerkleinerung weiter aufge
lockert und dabei infolge der unterschiedlichen Form und Dichte der
Partikel nach Art eines Setzherdes geschichtet. Bekanntlich wandern
dabei die schwereren und feineren Teile nach unten, während die
leichteren und größeren Teile sich darüber schichten. Dies erleich
tert und verbessert den nachfolgenden Sortierprozeß, der sehr
vorteilhaft unter Verwendung eines Klassiersiebes durchgeführt
werden kann. Dabei passiert dann der Zielthermoplast im unteren
Kornbereich das Sieb, während die anderen Gemengekomponenten in der
Siebfraktion verbleiben.
Selbstverständlich kann die Sortierung nach Maßgabe der Gemengebe
schaffenheit auch durch andere bekannte Verfahren wie Windsichtung,
Schwimm-Sink-Trennung, Trennung im induktiven Wechselfeld etc.
erfolgen.
Für eine ungestörte Durchführung des Verfahrens gilt im übrigen,
daß nur solche Materialien und Stoffe zulässig sind, die nicht von
sich aus bereits spröde sind oder während des Verfahrens so ver
spröden, daß sie unter den Verfahrensbedingungen neben dem Ziel
thermoplasten ebenfalls durch die Brechung in kleine oder kleinste
Partikel überführt werden. Darüberhinaus sind weiterhin solche
Materialien nicht zulässig, die aufgrund ihrer Beschaffenheit Teile
der jeweils verwendeten Anlage zerstören können. Demnach eignen sich
für die Durchführung des Verfahrens solche Materialkombinationen,
die neben dem selektiv relaxierbaren Zielthermoplasten andere nicht
sprödharte Kunststoffe, Papier oder dünnwandige Metallteile wie
Aluminiumfolien etc. enthalten. Fallweise können in der sortierten
Fraktion auch teilweise andere Wert- oder Fremdstoffe zunächst
verbleiben. Von dieser können sie erforderlichenfalls in einem
weiteren Aufbereitungsschritt oder auch während der Sekundärver
arbeitung bspw. durch Abscheiden aus der Schmelze getrennt werden,
sofern sie nicht in ein Sekundärprodukt mit einbezogen werden
können.
Werden Verbundmaterialien behandelt, so muß für eine Sortierung der
einzelnen Verbundwerkstoffe, und hier zur Sortierung der Zielthermo
plasten zunächst der Verbund getrennt werden. Bekanntermaßen kann
eine - zumindest teilweise - Verbundtrennung bei bestimmten Verbund
kombinationen bereits während eines Zerkleinerungsprozesses statt
finden. Voraussetzung dazu ist ein ausreichend sprödes elastisches
Verhalten mindestens einer der Verbundkomponenten. Die Schaffung
einer hinreichenden Sprödigkeit des Zielthermoplasten durch das
Schrumpfen und Verspröden und das anschließende Brechen ist Gegen
stand des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Überraschenderweise zeigt sich, daß auch die selektive Relaxation
von Verbundmaterialien, die den Zielthermoplasten enthalten, bereits
zu einer Verbundtrennung führt. Dies kann darauf zurückgeführt
werden, daß die während der Relaxation freigesetzte Schrumpfspannung
auch auf die Grenzfläche zwischen den Verbundmaterialien wirksam
wird und dort zu einem Abschälen der schrumpfenden Komponenten
führt.
Auch bei der Sortierung, die häufig durch mechanische Einwirkung
wie Vibration u.ä. unterstützt wird, kann eine Trennung von zuvor
versprödeten Zielthermoplasten erfolgen.
Eine Verbundtrennung kann also im erfindungsgemäßen Verfahren je
nach Zusammensetzung und Beschaffenheit des Gutes während allen
Verfahrensschritten oder auch nur in einzelnen Verfahrensschritten
erfolgen.
Expandierte Thermoplaste (Schaumstoffe) werden vor allem im Ver
packungsbereich auch im Verbund mit Papier eingesetzt. Dabei wird
häufig ein expandiertes Polystyrol (sowohl Extruder-EPS als auch
Partikel-EPS) im Verbund mit verschiedenen Papierqualitäten ver
wendet. In anderen Anwendungsbereichen (Fahrzeugbau, Isolierungen,
Bühnenbau) werden auch andere expandierte thermoplastische Kunst
stoffe im Verbund mit anderen Materialien, wie bspw. Aluminiumfo
lien, Textilien oder auch anderen Kunststoffen eingesetzt.
Sollen die Bestandteile solcher Verbundmaterialien einem Recycling
zugeführt werden, dann stellt sich die Aufgabe einer Verbundtren
nung, um die einzelnen Verbundkomponenten sortenrein wieder- oder
weiterverwerten zu können. Diese Aufgabe stellt sich insbesondere
auch im innerbetrieblichen Recycling von Reststoffen aus der
Fertigung der entsprechenden Produkte.
Die Verbundtrennung wird dadurch erreicht, daß die Verbundwerkstoffe durch
Erwärmungselemente und -methoden bis zu solchen Temperaturen erwärmt
werden, bei denen der thermoplastische Schaumstoff eine Relaxation
der verstreckten Polymermoleküle erfährt. Für EPS beträgt die
charakteristische Relaxationstemperatur bspw. 105°C. Durch die
Relaxation erfährt der Schaumstoff eine deutliche Volumenverringe
rung, die beim Abkühlen zu einer Versprödung des zuvor elastischen
Materiales führt. Der Verbund wird in vielen Fällen schon hierdurch
gelöst.
Je nach Art der zu behandelnden Schaumstoff-Verbundwerkstoffe kann
das Verfahren entweder vor oder nach der Relaxation mit einer
Zerkleinerung kombiniert werden. Für die meisten Fälle ist eine
Zerkleinerung vor der thermischen Behandlung sinnvoll. Dabei ist
eine solche Partikelgröße für die zerkleinerten Verbundwerkstoffe
anzustreben, die die Siebung der Partikel des Zielthermoplasten
nach dem Brechen gestattet. Dazu haben sich langsamlaufende Abfall
zerkleinerungs-Schneidwerke als geeignet erwiesen, die eine Parti
kelgröße mit den ungefähren Abmessungen von 10 × 70 × 30 mm ergeben.
Der Zielthermoplast wird mit den weiteren Verbundkomponenten als
Gemenge in einem nachfolgenden Schritt einem Brechwerk, z. B einem
Zweiwalzenbrecher, zugeführt, wodurch der volumenreduzierte Kunst
stoff aufgrund seiner Sprödigkeit zu solchen Partikeln gebrochen
wird, deren oberste Partikelgröße durch die Weite des Brechspaltes
begrenzt ist. Bei einem Brechspalt von 10 mm wird der Zielthermo
plast zu Partikeln von einer mittleren Korngröße von 2 bis 8 mm
gebrochen. Unter der Voraussetzung, daß die anderen Verbundkom
ponenten nach der thermischen Behandlung eine ausreichende Elastizi
tät für ein selektives Brechen der Partikel des Zielthermoplasten
aufweisen, werden diese nicht gebrochen. Beim Brechen löst sich
aufgrund der Elastizitätsunterschiede auch solcher Zielthermoplast
aus dem Verbund, der noch nicht zuvor aufgrund der Volumenverringe
rung gelöst war.
Das so vorliegende Gemenge aus volumenreduzierten, versprödeten und
in der Partikelgröße nach oben begrenzten Partikeln des Zielthermo
plasten und restlichen Verbundkomponenten, die noch die gleiche
Größe wie vor dem Brechen aufweisen, wird nun vorzugsweise einer
Siebung (Siebweite z. B. 10 mm) unterworfen, bei der die kleineren
Partikel des Zielthermoplasten das Sieb passieren, die anderen
Verbundkomponenten jedoch im Sieb verbleiben. Somit ist eine Sortie
rung des Gemenges erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich in der Praxis bewährt und
bietet eine optimale Lösung der eingangs gestellten Aufgabe.
Claims (8)
1. Verfahren zur Gewinnung von thermoplastischen Schaumstoff
anteilen aus einem Kunststoffabfälle enthaltenden Gemenge mit
unterschiedlichen Kunststoffsorten, Schaumstoffanteilen und
mit Verbundprodukten, die thermoplastische Schaumstoffe
enthalten, oder nur mit solchen Verbundprodukten sowie fallweise mit Fremdstoffen,
gekennzeichnet durch die Arbeitsschritte:
- a) die Abfälle werden im Gemenge zuerst einer Vorzerkleine rung unterzogen, wobei eine Partikelgröße vorgesehen ist, wie sie mit sogenannten Schaumstoff-Flocken vorliegt;
- b) die thermoplastischen Schaumstoffe werden im Gemenge durch gezielte Wärmezufuhr so weit aufgeheizt, bis sie im Bereich ihrer Relaxationstemperatur schrumpfen und sich im Falle von Verbundprodukten von diesen lösen und ggf. trennen;
- c) Das Gemenge wird abgekühlt, bis der darin enthaltende Schaumstoffanteil versprödet ist;
- d) das Gemenge wird einem Brechvorgang unterzogen, wobei die versprödete Schaumstoffkomponente selektiv zu einem rieselfähigen Schüttgut zerkleinert wird, während die nicht versprödeten Anteile des Gemenges im wesentlichen ihre Form und Größe behalten;
- e) die geschrumpfte, versprödete, zerkleinerte und als Rieselgut im spezifischen Gewicht sowie in der Kornform und -größe veränderte Schaumstoff-Komponente wird von den restlichen Bestandteilen des Gemenges durch Sortierung getrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abfälle vor der Aufbereitung einer Vorsortierung
unterzogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorzerkleinerung nach a) unter Verwendung eines langsam
laufenden Abfallzerkleinerers bzw. Brechwerkes vorgenommen
wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die selektive Zerkleinerung nach d) unter Verwendung eines
vergleichsweise schnellaufenden Brechwerks mit zur Begrenzung
der Partikelgröße vorgegebenem Brechspalt vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmezufuhr nach b) unter selektiven Erwärmungsbedin
gungen entweder
- f) mittels Konvektion heißer Luft in einer Wirbelschicht, oder
- g) beim Transport der Gemengeteile auf einer Transportein richtung wie Transportband innerhalb einer Wärmestrecke, fallweise
- h) unter Einwirkung von Infrarot-Wärmestrahlung, oder
- i) unter Einwirkung eines HF-Strahlungsfeldes vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gemenge vor oder während der Sortierung einer mechani
schen Einwirkung von Vibrationen unterzogen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sortierung nach d) durch Siebung des Gemenges erfolgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sortierung nach Maßgabe der Gemengebeschaffenheit durch
bekannte Verfahren wie Windsichtung, Schwimm-Sink-Trennung,
Trennung im induktiven Wechselfeld erfolgt.
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