DE4322298A1 - Verfahren zur Auftrennung von Kunststoff-Nichtmetall-Verbundsystemen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Auftrennung von asymmetrischen Kunststoff-Nichtmetall-Verbünden, insbesondere von Verbünden, die aus einem Nichtmetall - in der Regel mit hoher Zugfestigkeit - und einer gegebenenfalls komprimierbaren Kunststoffschicht - in der Regel mit niedriger Zugfestigkeit und hoher Bruchdehnung - bestehen und bei dem unter Anwendung von Scherkräften die Kunststoffschicht von Nichtmetall getrennt wird. In der Regel geht mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Zerkleinerung des Partners im asymmetrischen Kunststoff-Nichtmetall-Verbund, der die niedrigere Zugfestigkeit besitzt, einher.

Die stoffliche Wiederverwertung von Bauteilen, besonders solchen, bei denen Material-Verbünde eingesetzt werden, hat in den letzten Jahren aus ökologischen Gründen einen sehr hohen Stellenwert erhalten. In diesem Zusammenhang besonders von Interesse sind solche Verbundsysteme, bei denen mindestens eine der Komponenten einen Wertstoff darstellt. Verbünde der oben beschriebenen Art bestehen z. B. aus einem Bezug und dem umschlossenen Material, welches in der Regel in höherem Volumenanteil vorliegt.

Ein Beispiel der vorgenannten Art sind mit Textilien oberflächenbeschichtete Weichformschaum-Sitze ("Foam-in-Cover"), bei denen nach bestimmungsgemäßem Gebrauch der Weichformschaum, mit dem Textil verbunden ist und dieses Mate­ rial vor einer sinnvollen Weiterverwendung des Schaumes kostenintensiv entfernt werden muß. Solcher Abfall fällt z. B. in großen Mengen bei der Demontage von Kraftfahrzeugen an; die in Zukunft geplante systematische Demontage von gebrauchten Kraftfahrzeugen liefert dann sehr große Mengen von solchem Abfall.

Weiterhin ist mit solchem Abfall bei der Entsorgung von Polstermöbeln, Matrazen und anderen überzogenen Form- oder Blockschaumformkörpern zu rechnen, wo als Überzüge, Bezüge oder Hüllen auch andere Materialien, wie z. B. Leder oder PVC- Folien Verwendung finden können.

Ein weiteres Beispiel der vorgenannten Art sind textile, einseitig beschichtete flächige Erzeugnisse wie z. B. Teppiche, Teppichböden und andere Bodenbeläge. Auch hierbei fällt bei der Entsorgung ein Mischgut aus verschiedenen Materialien an, das ohne Auftrennung einer sinnvollen Weiterverwendung der Komponenten nicht zugeführt werden kann.

Der Fachmann kennt bislang nur die Möglichkeit, solche gemischten Abfälle zu deponieren, zu verbrennen oder aufwendig - in der Regel manuell - zu trennen. Die manuelle Auftrennung ist bei Ware nach bestimmungsgemäßem Gebrauch, z. B. Krankenhaus-Matrazen und alte Sitze, unter Umständen auch für den Recycling-Betrieb ein arbeitshygienisches Problem.

Es ist weiterhin bekannt, solche Verbünde in Schneidmühlen zu zerkleinern und das zerkleinerte Gut in Wind- bzw. Schwerkraft-Sichtern oder durch Schwimm- Sink-Verfahren zu trennen; hierbei wird jedoch eine Mischfraktion von nicht aufgetrenntem Verbund erhalten, da hierbei die Nahtfläche der im Verbund befind­ lichen Materialien nicht gezielt aufgetrennt wird.

Verfahren zum Auftrennen von steifen Verbünden sind bekannt; so wird z. B. mittels Fräsen die Rinde von Baumstämmen entfernt; hierbei wird vorausgesetzt, daß beide aufzutrennenden Materialien eine gewisse Steifigkeit besitzen, um überhaupt in einem spanabhebenden Verfahren wie einem Fräsverfahren bearbeitbar zu sein. Durch extrem starkes Abkühlen auf Temperaturen des flüssigen Stickstoffs können auch elastomere Werkstoffe versprödet und damit einer spanabhebenden Bearbeitung zugänglich gemacht werden; es ist deshalb denkbar, die oben beschriebenen Verbünde auf Temperaturen des flüssigen Stickstoffs zu kühlen und dann die Verbünde mit einem Fräsverfahren zu trennen. Dieses Verfahren ist jedoch wegen des hohen Bedarfes an flüssigem Stickstoff sehr energieaufwendig und deshalb nicht wirtschaftlich.

Weiterhin kann in einem Materialverbund von hochfesten Materialien eine Trennung über das Abreißen eines der beiden Verbundpartner erfolgen.

Für die oben erwähnte Problemstellung einer Auftrennung von Verbünden, die aus einem Nichtmetall - in der Regel mit hoher Zugfestigkeit - und einer elastischen, gegebenenfalls komprimierbaren Kunststoffschicht - in der Regel mit niedriger Zugfestigkeit und hoher Bruchdehnung - bestehen sind alle diese beschriebenen Verfahren nicht brauchbar.

Es war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die vorbeschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und der Stand der Technik darüber hinaus in vorteilhafter Weise bereichert wird.

Die Zerteilung und der Abtrag von hochelastischem Material, d. h. von Material mit erheblicher Dehnungsfähigkeit und Kompressibilität, ist weder durch Mahlung noch durch spanabhebende Bearbeitung möglich, da das Material dem Mahldruck ausweicht bzw. von dem spanenden Werkzeug unter Dehnung mitgenommen wird bis die Bruchdehnung überschritten wird. Der Bruch erfolgt dann an einer Stelle im Material, die geometrisch nicht mit dem spanenden Werkzeug in Beziehung steht, sondern Inhomogenitäten, Vorschädigungen und sonstigen Defekten im Material zugeordnet werden muß. Um eine geometrisch definierte Bruchbildung zu bewerkstelligen, scheint es notwendig, lokal stark inhomogene Dehnungskräfte auf das Material zu übertragen, um den Ort der Überschreitung der Bruchdehnung auf die gewünschte Bruchgeometrie zu beschränken.

Es wurde nun gefunden, daß sich durch Einbringen des elastischen Materials zwischen zwei achsenparallelen Walzen mit geringem Abstand ("Walzenspalt"), die sich gegensinnig mit unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit drehen, in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Walze mit der größeren Umfangsgeschwin­ digkeit und parallel dazu eine Zone stark inhomogener Dehnungskräfte ausbildet, die bei ausreichend unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Walzen zu Bruchbildung entlang der Kontaktfläche zwischen dem elastischen Material und der Walze mit größerer Umfangsgeschwindigkeit kommt, so daß von dem elastischen Material ein feinpulveriger Abtrag erfolgt.

Dabei bildet sich aufgrund der Kompression des elastischen Materials beim Eintritt zwischen die Walzen vor dem Walzenspalt ein solcher Spannungszustand in dem elastischen Material aus (das Material wird entgegen der Einführungsrichtung in den Walzenspalt aus dem Walzenspalt herausgedrückt), daß der Bereich stark inhomogener Dehnungskräfte in die unmittelbare Nähe der Oberfläche der Walze mit größerer Umfangsgeschwindigkeit beschränkt wird. Dieser Spannungszustand des elastischen Materials sorgt dafür, daß das Material von der Walze mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit mitgenommen wird, d. h. die Eintrittsge­ schwindigkeit des Materials in den Spalt der Umfangsgeschwindigkeit der langsameren Walze entspricht. Ein Materialabtrag an der Walze mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit erfolgt nicht. Es ist daher möglich, auf diese Weise flächige Verbundmaterialien zu trennen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Auf­ trennung von asymmetrischen Kunststoff-Nichtmetall-Verbünden, bevorzugt beschichteten, geschäumten Verbundbauteilen, bestehend aus einer massiven, nicht komprimierbaren Nichtmetall-Schicht und (gegebenenfalls mehreren) dehnbaren gegebenenfalls geschäumten Kunststoff-Schichten, unter Gewinnung eines Kunststoff-Pulvers, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren in einem Walzenstuhl durchgeführt wird, bei dem die Walzen achsenparallel angeordnet sind, sich gegensinnig und unterschiedlich schnell drehen, in dem ein Walzenspalt eingestellt ist, dessen Breite der Dicke der Nichtmetall-Schicht entspricht und bei dem die Nichtmetall-Schicht auf der langsamer drehenden Walze anliegt und das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen größer gewählt wird, als Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100.

Vorzugsweise soll das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen einen Wert von 1,5 bis 2,0, bezogen auf Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100 überschreiten.

Besonders bevorzugt soll das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen einen Wert im Bereich von oberhalb 2, vorzugsweise oberhalb 4, bezogen auf Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100 aufweisen.

Die Umfangsgeschwindigkeit der Walze mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit kann im Bereich von 1 bis 15 m/min, vorzugsweise 2 bis 8 m/min liegen.

Die Erfindung löst insbesondere die Aufgabe, Verbundmaterialien unter Pulverisierung der dehnbaren Verbundkomponente zu trennen, bei denen die zu pulverisierende Verbundkomponente eine Bruchdehnung von oberhalb 50%, insbesondere oberhalb 100% aufweist, da zur Lösung dieser Aufgabe andere Verfahren nicht oder nur unter Inkaufnahme erheblicher Nachteile (z. B. kryogene Verfahren) zur Verfügung stehen.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung von Verbünden aus flächigen Beschichtungen aus Geweben, Kunststoffolien und Leder mit Poly­ urethanschäumen, insbesondere Polyurethanweichschäumen unter Erzeugung eines Polyurethanschaumpulvers geeignet.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 näher erläutert:
Das Verbundmaterial 3, bestehend aus einem dehnbaren Material 5 und einer Beschichtung 4, wird in Richtung des Pfeiles 9 in den Spalt 10 zwischen den achsenparallelen Walzen 1 und 2 eingeführt, derart, daß die Beschichtung 4 an der Walze 2 mit langsamerer Umfangsgeschwindigkeit anliegt. Die Drehrichtung der Walzen 1 und 2 ist durch die Pfeile 11 und 12 angedeutet.

Beim Eintritt in den Walzenspalt wird das dehnbare Material 5 komprimiert. Die gestrichelten Linien 6 deuten die Kraftfeldlinien, wie sie sich aufgrund der Kompression ausbilden, an.

Das dehnbare Material 5 wird entlang der Kontaktfläche mit der Walze 1 mit größerer Umfangsgeschwindigkeit mitgenommen. Aufgrund der Konkurrenz dieser "Mitnahme" mit den Kompressionsbewegungen (Feldlinien 6) treten stark inhomo­ gene Dehnungskräfte auf, die zum Bruch in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Walze 1 im Bereich der geschweiften Klammer führen. Ab einem bestimmten Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen entsteht ein feinteiliges Pulver 7 mit Teilchengrößen zwischen 50 und 500 µm. Ist das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten kleiner als 1 plus Bruchdehnung des zu pulverisierenden Materials dividiert durch 100 (1 + Bruchdehnung/100), kommt es nicht zur Ausbildung einer ausreichend inhomogen dünnen Dehnungszone, sondern es entstehen im Spalt selbst unregelmäßige Zerreiß-Produkte.

Erfindungsgemäß wird die flächige Beschichtungsstruktur im wesentlichen unzer­ stört erhalten.

In der Regel wird die flächige Beschichtung im Vergleich zu dem dehnbaren Material vergleichsweise hohe Zugfestigkeiten aufweisen, typischerweise oberhalb 5 Mpa, insbesondere oberhalb 10 MPa.

Weiterhin können die oben erwähnten Nichtmetall-Schichten zusätzliche, ein- oder zweiseitige Beschichtungen zur Ausrüstung z. B. als Dampfsperre, Geruchssperre oder Sperre gegen Bakteriendurchgang aufweisen. Besteht die Dampfsperre z. B. aus einer Aluminiumfolie, so soll dies von dem Begriff Nichtmetallschicht umfaßt sein, solange die Schicht hinreichend flexibel ist.

Kunststoff-Schichten im Sinne dieser Erfindung sind alle Materialien mit vergleichsweise zu den im Verbund befindlichen Nichtmetall-Schichten deutlich geringerer Zugfestigkeit und höherer Dehnbarkeit, die gegebenenfalls elastische Eigenschaften aufweisen und zusätzlich noch komprimierbar sein können.

Beispiele hierfür sind weitgehend offenzellige PUR-Weichschäume, die eine Zug­ festigkeit im Bereich von 0,04 MPa bis 0,5 MPa und eine Bruchdehnung von 50% bis zu 300% aufweisen. Die Rohdichten dieser Materialien liegen im Bereich unterhalb von 500 kg/m³, so daß diese Materialien eine beträchtliche elastische Komprimierbarkeit aufweisen. Weitere Beispiele sind eine EPDM- Schwerschicht auf der Rückseite eines Teppichbodens, die eine Zugfestigkeit im Bereich um 2,5 MPa und eine Bruchdehnung von ca. 270% aufweisen. Dieses Material ist massiv, zeigt jedoch aufgrund der Elastizität eine gewisse Druck- Verformung.

Komplexe, dreidimensionale, z. B. allseitig bezogene oder beschichtete, Formkörper können vor der Anwendung des Verfahrens durch Sägen und/oder Schneiden in eine Form gebracht werden, die den für das Verfahren notwendigen asymmetrischen Kompositaufbau aufweisen und die das abzutragende Material an die Oberfläche bringen.

Als Walzenstuhl kommt für dieses Verfahren jede Maschine in Frage, bei der zwei oder mehrere Walzen einen Walzenspalt oder mehrere Walzenspalte bilden und sich die Walzen unterschiedlich schnell gegensinnig drehen können. Aus der Polymer- besonders der Kautschuk- und PVC-Verarbeitung sind solche Maschinen als Mischaggregate bekannt. Die unterschiedlichen Drehzahlen der einzelnen Walzen werden dabei über separate Getriebe oder einzeln ansteuerbare Motoren realisiert. Walzensysteme der vorgenannten Art sind kommerziell erhältlich; beispielsweise können sie bei der Firma Berstorff, Hannover, BRD, bezogen werden.

Der zwischen zwei Walzen existierende Walzenspalt ist bei diesen Maschinen mechanisch und/oder hydraulisch in seiner lichten Weite einstellbar und wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in etwa auf die Stärke der unzerstört abzutrennenden Nichtmetall-Schicht eingestellt. Die abzutrennende Schicht aus - im Vergleich zur Nichtmetall-Schicht weniger festem - Kunststoff wird dann durch einen verglichen zum tatsächlichen Walzenspalt sehr kleinen effektiven Spalt - bestehend aus einer Walze und der vergleichsweise festen Nichtmetall- Schicht - gezwängt.

Der erfindungsgemäße Abtrennvorgang wird besonders effektiv, wenn die Drehzahlverhältnisse Werte von 2, bevorzugt von 4, bezogen auf Eins plus dem Quotienten aus der Bruchdehnung des abzutragenden Kunststoffmaterials in % dividiert durch 100, deutlich überschreiten.

Die einzelnen Walzen solcher Walzenanlagen sind in der Regel temperierbar, d. h. sie können geheizt oder gekühlt werden. Bei der Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden die Walzen in der Regel nicht separat geheizt; die beim Auftrennen der Kunststoff-Nichtmetall-Verbünde aufgrund der Friktion besonders bei der schneller drehenden Walze entstehende überschüssige Wärme wird gegebenenfalls über eine Kühlung der Walzen abgeführt. Es ist bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil, die schneller drehende Walze auf einer Temperatur von 60°C bis 120°C, bevorzugt 60°C bis 100°C zu halten. Diese Temperatur stellt sich in der Regel durch die Verfahrens­ durchführung von selbst ein, nur eine weitere Temperaturerhöhung muß über eine Kühlung der Walze vermieden werden.

Es ist gegebenenfalls von Vorteil, jedoch kein ausschließliches Verfahrens­ merkmal, die schneller drehende Walze mit einer geätzten, fein geriffelten oder einer mikrostrukturierten Oberfläche zu versehen, um die Griffigkeit dieser Walze zu erhöhen.

Die aufzutrennenden, asymmetrischen Kunststoff-Nichtmetall-Verbünde werden dem erfindungsgemäßen Verfahren zufolge nicht notwendig vorzerkleinert, sondern können - z. B. bei Produktionsabfall von Teppichmaterialien - sogar direkt z. B. in dieser flächigen Form von einer Rolle in den Walzenstuhl eingeführt werden. Die getrennten flächigen Beschichtungen können dann direkt wieder auf einer Rolle aufgerollt werden und die abgetrennten Materialien werden in Form von Schnipseln, Flocken, Pulvern bzw. anderen Klein- und Kleinstteilen, wie sie bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt anfallen, einer weiteren stofflichen Verwertung zugeführt.

So ist es eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bezoge­ ne Weich-Formschaum-Teile mit diesem Verfahren von den Bezügen zu befreien, die Bezüge einer weiteren stofflichen Verwertung zuzuführen, und den Weich­ formschaum, z. B. in Form von Pulvern, den bislang in der Literatur beschriebenen stofflichen Verwertungsmethoden für PUR-Materialien, wie Regrind, Fließpressen, Klebpressen, thermoplastische Verarbeitung und chemolytischen Verfahren zuzu­ führen.

Beispiel

In den nachfolgend beschriebenen Beispielen wurde auf einer Labor-Walzanlage des Typs SK 6612 der Firma Berstorff, Hannover, BRD, gearbeitet. Diese Maschine besitzt zwei unabhängig in der Drehzahl im Bereich von 7 bis 31,5 U/min steuerbare, festgelagerte Walzen des Umfanges 62 cm und der Länge 45 cm; der Walzenspalt kann bis auf unter 0,1 mm verringert werden.

Ein Kunststoff-Nichtmetall-Verbund, bestehend aus dem Nichtmetall:
Fasergewebe mit einer Schichtdicke 0,4 mm und aus dem Kunststoff:
PUR-Weichschaum der Schichtdicke 0,8 cm wurde auf der oben beschriebenen Walzenanlage, die mit den folgenden Parametern:
Umfangsgeschwindigkeit der Walze 1: 15,0 m/min
Umfangsgeschwindigkeit der Walze 2: 2,5 m/min
Walzenspalt: 0,15 mm
Temperatur der Walze 1: 75°C
Temperatur der Walze 2: 30°C
betrieben wurde, flächig eingeführt. Der Gewebebezug hatte eine Zugfestigkeit von 43 MPa und eine Bruchdehnung von 30%; der PUR-Weichschaum hatte eine Zugfestigkeit von 0,25 MPa und eine Bruchdehnung von 180%.

Der Gewebebezug war bei diesem Verarbeitungsgang der langsam drehenden Walze zugewandt. Nach 2maligem Durchgang des Verbundes durch den Walzenspalt konnte der Gewebebezug in flächiger Form abgenommen werden, während der PUR-Weichschaum als Pulver von der Walze abgestreift wurde.

Dieses Pulver wurde bezüglich seiner Teilchengrößenverteilung analysiert. Dabei ergab sich eine mittlere Teilchengröße von 0,23 mm.

Die Messung der Partikel-Größenverteilung wurde mit dem Malvern-Particle-Sizer, Modell 2600, der Firma Malvern, UK, vorgenommen. Dieses Meßgerät arbeitet auf der Basis der Lichtbeugungs-Spektroskopie im Partikelgrößenbereich von 1 µm bis ca. 1 mm.

Die pulverförmigen Proben wurden zur Messung in Wasser eingerührt und ca. 60 sec. mit Ultraschall (Gerät XL der Firma Branson, Hilden, BRD) dispergiert. Die angegebenen mittleren Partikelgrößen sind diejenige Partikelgröße (= Durchmesser der masse-gleichen Kugel), bei der 50% aller Teilchen kleiner und 50% aller Teilchen größer als der angegebene Wert sind.

Claims (6)

1. Verfahren zur Auftrennung von asymmetrischen Kunststoff-Nichtmetall- Verbünden, bevorzugt beschichteten, geschäumten Verbundbauteilen, bestehend aus einer massiven, nicht komprimierbaren Nichtmetall-Schicht und gegebenenfalls mehreren dehnbaren gegebenenfalls geschäumten Kunststoff-Schichten, unter Gewinnung eines Kunststoff-Pulvers, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennverfahren in einem Walzenstuhl durchgeführt wird, bei dem die Walzen achsenparallel angeordnet sind, sich gegensinnig und unterschiedlich schnell drehen, in dem ein Walzenspalt eingestellt ist, dessen Breite der Dicke der Nichtmetall-Schicht entspricht und bei dem die Nichtmetall-Schicht auf der langsamer drehenden Walze anliegt und das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen größer gewählt wird, als Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen einen Wert von 1,5 bis 2,0, bezogen auf Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100 überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzen einen Wert im Bereich von oberhalb 2, vorzugsweise oberhalb 4, bezogen auf Eins plus den Quotienten aus der Bruchdehnung des Kunststoffmaterials in % und der Zahl 100 annimmt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundtrennung auf einem Walzenstuhl mit glatten Walzen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundtrennung auf einem Walzenstuhl durchgeführt wird, bei dem die schneller drehende Walze eine Oberflächenstrukturierung, bevorzugt eine axiale Riffelung oder eine Ätzung aufweist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundtrennung auf einem Walzenstuhl wird, bei dem mindestens die schneller drehende Walze eine Temperatur im Bereich von 30°C bis 200°C, bevorzugt 50°C bis 150°C und besonders bevorzugt im Bereich von 60°C bis 100°C aufweist.