WO2012100936A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von mit nanopartikein versehenen kunststoffschmelzen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing nanoparticulate conveyed in an extruder plastic melts and an apparatus for performing the method.
  • nanoparticles are produced in a large reactor, packaged, stored and transported to the plastic manufacturer, which supplies the nanoparticles, if necessary, to a melt.
  • nanoparticles clump together during packaging, transport and storage and, in their capacity as nanoparticles, are barely or unusable. Therefore, the nanoparticle lumps must be comminuted again before they can be introduced into the melt. Even with even the most complicated size reduction processes, the original dimensions of the nanoparticles, which are between 1 and 10,000 nanometers, are barely reached again.
  • WO 2010/118881 A2 discloses such a method in which appropriately delivered, agglomerated pellets must be deagglomerated in order to then be fed to an extruder can.
  • the agglomerated nanoparticles formed from the pellets can already agglomerate again on their way to the extruder.
  • the object of the invention is to develop a method and a device for producing plastic melts provided with nanoparticles in such a way that the nanoparticles can be fed into the melt in their original size, without the need for complicated comminution devices and high energy for transport and comminution of nanoparticles.
  • the extruder as closely as possible associated reactor nanoparticles are urgeformt that the nanoparticles are transported from the original site by a transport medium from the reactor and fed via a solid compound in the extruder, that the nanoparticles connect the melt, that the melt is mixed with the nanoparticles in the extruder, and that the transport medium is discharged from the extruder.
  • the nanoparticles can not agglomerate even on the shortest path to the melt guaranteed thereby.
  • the nanoparticles can be separated from the transport medium when hitting the melt, the nanoparticles are incorporated into the melt, and the transport medium are discharged directly from the extruder.
  • the nanoparticles and the transport medium are first incorporated into the melt, and that the transport medium is separated from the melt and the nanoparticles only later, possibly in another process space of the extruder.
  • this makes it possible to adjust the quantity of newly produced nanoparticles during the production or primary shaping process and, on the other hand, to influence the amount of nanoparticles transported.
  • a particular advantage results when a vacuum is applied to the extruder via a further solid compound, from which a pressure gradient is built up between the solid compound and the second solid compound, via which the transport medium with the nanoparticles is sucked out of the reactor and the nanoparticles of the melt be supplied.
  • the transport medium with the nanoparticles Due to the pressure gradient, the transport medium with the nanoparticles is sucked to the vacuum pump. Along the way, the nanoparticles hit the melt and adhere to it, so that only the transport medium reaches the vacuum pump.
  • the metering and / or the mixing of the nanoparticles with the melt and / or the adjustment of the negative pressure are controlled or regulated.
  • the object is achieved in that an outlet of the extruder as closely as possible associated reactor for primary molding of nanoparticles and direct introduction of the same is introduced into a gaseous transport medium by a fixed connection with a feed port of the extruder directly.
  • a vacuum pump is assigned to the extruder at a suction opening via a further fixed connection and that contact between the vacuum pump and the reactor via the melt occupied / occupied screw / screw contact such that the transport medium with the nanoparticles on the melt surface to be led.
  • the nanoparticles newly produced in the reactor are immediately sucked out of its outlet by the pressure gradient built up in the extruder by the vacuum pump, so that the nanoparticles have even less time to agglomerate or agglomerate.
  • tempering devices adjustable in their temperature are assigned to the solid compound and / or the further solid compound.
  • a particularly compact and effective construction is achieved when the fixed connection and the further fixed connection form a unit, wherein the feed opening of the extruder and the vacuum pump are spaced apart, preferably formed on the extruder opposite.
  • the spacing is important so that the nanoparticles have enough way and time to bond to the melt.
  • a first valve for metering the nanoparticles in the transport medium and / or that between the extruder and the vacuum pump, a second valve for adjusting the negative pressure is provided.
  • the valves can easily influence the mixing ratio.
  • a control or regulating device acts on at least one of the valves and takes over the metering of the nanoparticles automatically.
  • control device can also already act on the primary forming process (production process of the new nanoparticles) and thus adjust the amount of newly produced nanoparticles.
  • the invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
  • the figure shows an extruder 1, the shaft, not shown, driven by a motor 2 becomes.
  • Granules can be introduced into the extruder 1 via a feed device 3.
  • a reactor 4 is directly coupled to the extruder 1 via a fixed connection 5. Via the fixed connection 5, in which a first valve 6 is arranged, the nanoparticles produced in the reactor are fed directly to the extruder 1 and the melt located in the extruder 1.
  • a vacuum pump 7 is connected to the extruder 1 via a further fixed connection 8, which has a second valve 9.
  • the vacuum pump 7 generates a negative pressure, which generates a pressure gradient between the further fixed connection 8 and the fixed connection 5. About this pressure gradient, the nanoparticles are sucked out of the reactor 4.
  • the first valve 6 can be acted upon in order to dose the nanoparticles.
  • the control device 8 can, of course, control or regulate the other aggregates of the device, if necessary, in order to optimally obtain a plastic with the desired properties.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanopartikeln versehenen, in einem Extruder (1) geförderten Kunststoffschmelzen, soll so weitergebildet werden, dass die Nanopartikel in ihrer ursprünglichen Größe in die Schmelze eingespeist werden können, ohne dass es aufwendiger Zerkleinerungsvorrichtungen und hoher Energie für den Transport und das Zerkleinern von Nanopartikelklumpen bedarf. Dazu wird vorgeschlagen, dass in einem, dem Extruder (1) möglichst nahe zugeordneten Reaktor (4) Nanopartikel urgeformt werden, dass die Nanopartikel vom Urformungsort durch ein Transportmedium aus dem Reaktor (4) abgefördert und über eine feste Verbindung (5) in den Extruder (1) eingespeist werden, dass die Nanopartikel beim Auftreffen auf die Schmelze vom Transportmedium getrennt werden und sich mit der Schmelze verbinden, dass die Schmelze mit den Nanopartikeln im Extruder (1) gemischt wird, und dass das Transportmedium aus dem Extruder (1) abgeleitet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von mit Nanopartikeln versehenen
Kunststoffschmelzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mit Nanopartikeln versehenen, in einem Extruder geförderten Kunststoffschmelzen sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Es ist bekannt, durch Einbringen von Nanopartikeln in Kunststoffschmelzen die Eigenschaften des daraus entstehenden Kunststoffs wie z.B. dessen Leitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Festigkeit usw. zu beeinflussen. Daher werden bereits heute unterschiedliche, die jeweils gewünschten Eigenschaften fördernde Nanopartikel von Kunststoffherstellern in die Schmelze eingebracht.
Diese Nanopartikel werden in einem großen Reaktor erzeugt, verpackt, gelagert und zum Kunststoffhersteller transportiert, welcher die Nanopartikel bei Bedarf einer Schmelze zuführt.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die Nanopartikel beim Verpacken, Transportieren und Lagern verklumpen und in Ihrer Eigenschaft als Nanopartikel kaum noch bzw. nicht zu gebrauchen sind. Daher müssen die Nanopartikelklumpen, bevor diese in die Schmelze eingebracht werden können, wieder zerkleinert werden. Selbst bei noch so aufwendigen Zerkleinerungsverfahren werden die ursprünglichen Abmessungen der Nanopartikel, die zwischen 1 bis 10 000 Nanometern liegen, kaum wieder erreicht.
BESTÄTiGUNGSKOPIE Die WO 2010/118881 A2 offenbart ein derartiges Verfahren, bei dem entsprechend angelieferte, agglomerierte Pellets deagglomeriert werden müssen, um dann einem Extruder zugeführt werden zu können. Dabei können die aus den Pellets umgeformten zum Agglomerieren neigenden Nanopartikel auf dem Weg zum Extruder bereits wieder agglomerieren.
Die DE 10 2008 038 667 offenbart ein Verfahren, bei dem die Nanopartikel in gelöster Form in einen Vorratsbehälter gegeben werden, von wo aus sie dem Extruder zugepumpt werden können. Auch hier ist das Bereitstellen der Nanopartikel mit einem erheblichen Transport- und Energieaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Nanopartikeln versehenen Kunststoffschmelzen derart weiterzubilden, dass die Nanopartikel in ihrer ursprünglichen Größe in die Schmelze eingespeist werden können, ohne dass es aufwendiger Zerkleinerungsvorrichtungen sowie hoher Energie für den Transport und das Zerkleinern von Nanoparti- kelklumpen bedarf.
Zur Lösung der Aufgabe wird verfahrensmäßig vorgeschlagen, dass in einem, dem Extruder möglichst nahe zugeordneten Reaktor Nanopartikel urgeformt werden, dass die Nanopartikel vom Urformungsort durch ein Transportmedium aus dem Reaktor abgefördert und über eine feste Verbindung in den Extruder eingespeist werden, dass sich die Nanopartikel mit der Schmelze verbinden, dass die Schmelze mit den Nanopartikeln im Extruder gemischt wird, und dass das Transportmedium aus dem Extruder abgeleitet wird.
Dadurch wird erreicht, dass die neu hergestellten Nanopartikel ohne agglomerieren zu können vom Transportmedium aufgenommen werden. Durch die unmittelbare Zuordnung des Reaktors zum Extruder können die Nanopartikel auch auf dem dadurch gewährleisteten kürzesten Weg zur Schmelze nicht agglomerieren. Dabei können die Nanopartikel beim Auftreffen auf die Schmelze vom Transportmedium getrennt werden, die Nanopartikel in die Schmelze eingearbeitet werden, und das Transportmedium direkt aus dem Extruder abgeleitet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit dass zunächst die Nanopartikel und das Transportmedium in die Schmelze eingearbeitet werden, und dass das Transportmedium erst später, ggf. in einem anderen Verfahrensraum des Extruders, von der Schmelze und den Nanopartikeln getrennt wird.
Vorteilhaft ist dabei, dass durch Beeinflussung der Urformung und/oder über ein in der festen Verbindung angeordnetes Ventil eine Dosierung der Nanopartikel erfolgt.
Dadurch lässt sich einerseits beim Herstellungs- bzw. Urformungsprozess die Menge der neu hergestellten Nanoprtikel einstellen, und andererseits die Menge der transportierten Nanopartikel beeinflussen.
Ein besonderer Vorzug ergibt sich, wenn am Extruder über eine weitere feste Verbindung ein Vakuum anliegt, von welchem zwischen der festen Verbindung und der zweiten festen Verbindung ein Druckgefälle aufgebaut ist, über welches das Transportmedium mit den Nanopartikeln aus dem Reaktor abgesaugt und die Nanopartikel der Schmelze zugeführt werden.
Durch das Druckgefälle wird das Transportmedium mit den Nanopartikeln zur Vakuumpumpe gesaugt. Auf dem Wege dahin treffen die Nanopartikel auf die Schmelze und haften an dieser an, so dass nur noch das Transportmedium zur Vakuumpumpe gelangt.
Vorzugsweise wird die Dosierung und / oder das Mischen der Nanopartikel mit der Schmelze und/oder die Einstellung des Unterdrucks gesteuert bzw. geregelt erfolgen. Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Ausgang eines dem Extruder möglichst nahe zugeordneten Reaktors zum Urformen von Nanopartikeln und unmittelbaren Einbringen derselben in ein gasförmiges Transportmedium durch eine feste Verbindung mit einer Einspeiseöffnung des Extruders unmittelbar verbunden ist.
Damit wird erreicht, dass die Nanopartikel direkt nach der Herstellung ohne Zwischenlagerung, Verpackung und längerem Transport in ihrer ursprünglich entstandenen Größe gleich der Schmelze zugeführt werden können.
Von Vorteil ist, dass dem Extruder an einer Absaugöffnung über eine weitere feste Verbindung eine Vakuumpumpe zugeordnet ist und dass zwischen der Vakuumpumpe und dem Reaktor über die Schmelze besetzte/besetzten Schnecke/Schnecken ein Kontakt derart besteht, dass das Transportmedium mit den Nanopartikeln über die Schmelzeoberfläche geführt wird.
Dadurch wird erreicht, dass durch das von der Vakuumpumpe aufgebaute Druckgefälle im Extruder die im Reaktor neu erzeugten Nanopartikel aus dessen Ausgang umgehend abgesogen werden, so dass den Nanopartikeln noch weniger Zeit bleibt, zu verklumpen bzw. agglomerieren.
Es empfiehlt sich, den Ausgang des Reaktors und/oder die feste Verbindung und/oder die Einspeiseöffnung des Extruders und/oder die Absaugöffnung und/oder die weitere feste Verbindung mit einer austauschbaren Schutzschicht auszukleiden.
Dadurch kann z.B. im Zuge eines Produktwechsels der Reinigungsaufwand durch Austausch der Schutzschicht erheblich minimiert werden. Um den Eintrag der Nanopartikel in die Schmelze günstig zu beeinflussen wird vorgeschlagen, dass der festen Verbindung und/oder der weiteren festen Verbindung in ihrer Temperatur einstellbare Temperiervorrichtungen zugeordnet sind.
Ein besonders kompakter und wirkungsvoller Aufbau wird erreicht, wenn die feste Verbindung und die weitere feste Verbindung eine Einheit bilden, wobei die Ein- speiseöffnung des Extruders und die Vakuumpumpe beabstandet, vorzugsweise am Extruder gegenüberliegend ausgebildet sind.
Die Beabstandung ist wichtig, damit den Nanopartikeln genügend Weg und Zeit verbleibt, sich mit der Schmelze zu verbinden.
Es empfiehlt sich, dass zwischen dem Reaktor und dem Extruder ein erstes Ventil zur Dosierung der im Transportmedium befindlichen Nanopartikel und/oder dass zwischen Extruder und Vakuumpumpe ein zweites Ventil zum Einstellen des Unterdrucks vorgesehen ist.
Durch die Ventile lässt sich das Mischungsverhältnis einfach beeinflussen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung zumindest auf eines der Ventile einwirkt und die Dosierung der Nanopartikel automatisch übernimmt.
Selbstverständlich kann die Steuer- bzw. Regelvorrichtung auch schon auf den Urformungsprozess (Herstellungsprozess der neuen Nanopartikel) einwirken, und so die Menge der neu hergestellten Nanopartikel einstellen.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur einen Extruder 1 , dessen nicht gezeigte Welle über einen Motor 2 angetrieben wird. Über eine Zuführvorrichtung 3 kann Granulat in den Extruder 1 eingebracht werden.
Ein Reaktor 4 ist direkt mit dem Extruder 1 über eine feste Verbindung 5 gekoppelt. Über die feste Verbindung 5, in der ein erstes Ventil 6 angeordnet ist, werden die im Reaktor erzeugten Nanopartikel direkt dem Extruder 1 und der im Extruder 1 befindlichen Schmelze zugeführt.
Eine Vakuumpumpe 7 ist über eine weitere feste Verbindung 8, die ein zweites Ventil 9 aufweist mit dem Extruder 1 verbunden. Die Vakuumpumpe 7 erzeugt einen Unterdruck, der ein Druckgefälle zwischen der weiteren festen Verbindung 8 und der festen Verbindung 5 erzeugt. Über dieses Druckgefälle werden die Nanopartikel aus dem Reaktor 4 abgesaugt.
Über eine Regelvorrichtung 10 kann auf das erste Ventil 6 eingewirkt werden, um die Nanopartikel zu dosieren. Die Regelvorrichtung 8 kann selbstverständlich bei Bedarf auch die übrigen Aggregate der Vorrichtung steuern bzw. regeln, um möglichst optimal einen Kunststoff mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Bezugszeichenübersicht
1 Extruder
2 Motor
3 Zuführvorrichtung
4 Reaktor
5 feste Verbindung
6 erstes Ventil
7 Vakuumpumpe
8 weitere feste Verbindung
9 zweites Ventil
10 Steuer/Regelvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von mit Nanopartikeln versehenen, in einem Extruder (1 ) geförderten Kunststoffschmelzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem, dem Extruder möglichst nahe zugeordneten Reaktor (4) Na- nopartikel urgeformt werden, dass die Nanopartikel vom Urformungsort durch ein Transportmedium aus dem Reaktor (4) abgefördert und über eine feste Verbindung (5) in den Extruder (1 ) eingespeist werden, dass sich die Nanopartikel mit der Schmelze verbinden, dass die Schmelze mit den Nanopartikeln im Extruder (1 ) gemischt wird, und dass das Transportmedium aus dem Extruder (1 ) abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Beeinflussung der Urformung und/oder über ein in der festen Verbindung (5) angeordnetes Ventil (6) eine Dosierung der Nanopartikel erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Extruder (1 ) über eine weitere feste Verbindung (8) ein Vakuum anliegt, von welchem zwischen der weiteren festen Verbindung (8) und der festen Verbindung (5) ein Druckgefälle aufgebaut ist, über welches das Transportmedium mit den Nanopartikeln aus dem Reaktor (4) abgesaugt und die Nanopartikel der Schmelze zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dosierung und/oder das Mischen der Nanopartikel mit der Schmelze und/oder die Einstellung des Unterdrucks gesteuert bzw. geregelt erfolgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 zum Herstellen von mit Nanopartikeln versehenen, in eine in einem Extruder (1 ) geförderten Kunststoffschmelzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ausgang eines dem Extruder (1 ) möglichst nahe zugeordneten Reaktors (4) zum Urformen von Nanopartikeln und unmittelbaren Einbringen derselben in ein gasförmiges Transportmedium durch eine feste Verbindung (5) mit einer Einspeiseöffnung des Extruders (1 ) unmittelbar verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Extruder (1 ) an einer Absaugöffnung über eine weitere feste Verbindung (8) eine Vakuumpumpe (7) zugeordnet ist und dass zwischen der Vakuumpumpe (7) und dem Reaktor (4) über die Schmelze besetzte/besetzten Schnecke/Schnecken ein Kontakt derart besteht, dass das Transportmedium mit den Nanopartikeln über die Schmelzeoberfläche geführt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ausgang des Reaktors (4) und/oder die feste Verbindung (5) und/oder die Einspeiseöffnung des Extruders (1 ) und/oder die weitere feste Verbindung (8) mit einer austauschbaren Schutzschicht ausgekleidet ist/sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der festen Verbindung (5) und/oder der weiteren festen Verbindung (8) in ihrer Temperatur einstellbare Temperiervorrichtungen zugeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die feste Verbindung (5) und die weitere feste Verbindung (8) eine Einheit bilden, wobei die Einspeiseöffnung und die Absaugöffnung des Extruders (1 ) beabstandet, vorzugsweise am Extruder (1 ) gegenüberliegend ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Reaktor (4) und Extruder (1 ) ein erstes Ventil (6) zur Dosierung der im Transportmedium befindlichen Nanopartikel und/oder dass zwischen Extruder (1 ) und Vakuumpumpe (7) ein zweites Ventil (9) zum Einstellen eines Unterdrucks vorgesehen ist/sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung (10) vorgesehen ist, die zumindest auf eines der Ventile (6, 9) einwirkt und die Dosierung der Nanopartikel steuert bzw. regelt.
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