DE10304095A1

DE10304095A1 - Verfahren zur Herstellung eines Agglomerats aus holzfaserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE10304095A1
Application number: DE10304095A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bäuerle; Uwe Dr.-Ing. Hofmann; Dirk Dipl.-Masch.-Ing. Eberhardt
Original assignee: VGT POLYCOM GmbH; VGT-POLYCOM GmbH
Current assignee: TOSAF GMBH & CO. KG, 34359 REINHARDSHAGEN, DE
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Agglomerats aus holzfaserverstärktem Kunststoff durch Aufbereitung einer Mischung aus Kunststoff in Form von Pulver oder Granulat, Holzfasern sowie einem oder mehreren Additiven in einem Heißmischer und anschließendes Einbringen in einen Kühlmischer. Um ein Agglomerat zur Verfügung zu stellen, das zur Herstellung von Bau- bzw. Formteilen geeignet ist, die neben einem guten Crash-Verhalten gute mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere im Vergleich zu bekannten Bauteilen in Bezug auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit verbessert sind, wird vorgeschlagen, dass eine Mischung aus in etwa 60 Gew.-% bis in etwa 80 Gew.-% Holzfasern mit einem Längen- zu Durchmesserverhältnis >= 5, in etwa 1 Gew.-% bis in etwa 10 Gew.-% ein oder mehrere Additive und auf 100 Gew.-% der Mischung aufgefüllt der Kunststoff in den Kühlmischer eingegeben wird, dass als Mischer ein Schnellmischer mit Flügelwerkzeug sowie beheiztem Mantel verwendet wird, wobei das Flügelwerkzeug mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen in etwa 20 m/sec und in etwa 40 m/sec betrieben und der Mantel auf eine Temperatur T mit 80 DEG C T 150 DEG C erwärmt wird, dass der Schnellmischer bis in etwa maximal 80% mit der Mischung gefüllt wird, dass die Mischung über eine Zeit t mit 10 min t 20 min gemischt und die so aufbereitete Mischung in den derart ausgelegten Kühlmischer eingebracht wird, dass der Füllgrad mit der Mischung in etwa 20 ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Agglomerats aus holzfaserverstärktem Kunststoff durch Aufbereitung einer Mischung aus Kunststoff in Form von Pulver oder Granulat, Holzfasern sowie einem oder mehreren Additiven in einem Heißmischer und anschließendes Einbringen in einen Kühlmischer.
In den letzten Jahren haben Werkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe an Bedeutung gewonnen. Dabei zeigen insbesondere holzfaserverstärkte Kunststoffe wie holzfaserverstärktes Polypropylen oder Polyethylen den Vorteil, dass neben einer optisch ansprechenden eine Holzwirkung hervorrufenden Oberfläche ein gutes Crash-Verhalten und Recyclebarkeit gegeben sind. Zudem sind Holzfasern gesundheitlich unbedenklich und können problemlos entsorgt werden. Ferner sind Holzfasern unbegrenzt verfügbar und führen zu positiven Effekten in der Holzindustrie.
Es ist bereits bekannt, aus holzfaserverstärktem Kunststoff durch Spritzgießen oder Extrudieren Formteile herzustellen. Allerdings zeigen sich Nachteile in Bezug auf die Entformbarkeit bzw. hinsichtlich einer gleichbleibenden Qualität sowie mechanische Festigkeit.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art werden Naturrohstoffe mit Polyolefinen aufbereitet, wobei Heißmischer verwendet werden, deren Mischwerkzeuge mit einer Umfangsgeschwindigkeit bis zu 50 m/s betrieben werden. Hierdurch erfolgt innerhalb kürzester Zeit eine intensive Durchmischung, wobei gleichzeitig eine Erwärmung des Mischgutes durch Friktion erfolgt. Das Mischwerkzeug kann dabei aus einem Bodenräumer und einem Fluidisierflügel bestehen, der um 90° versetzt eingebaut ist. Ferner kann ein Aufsatz eines Hornwerkzeuges vorgesehen sein, um den Trombenumlauf bei hochgefülltem Mischbehälter zu verbessern. Das aufbereitete Mischgut wird sodann einem Kühlmischer zugeführt, der in horizontaler oder vertikaler Bauart ausgeführt sein kann.
Der vorliegenden Erfindung Liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein Agglomerat zur Verfügung steht, das zur Herstellung von Bau- bzw. Formteilen geeignet ist, die neben einem guten Crash-Verhalten gute mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere im Vergleich zu bekannten Bauteilen in Bezug auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit verbessert sind. Auch soll eine problemlose Aufbereitung mit konstruktiv einfachen Maßnahmen möglich sein, wobei Prozessparameter nicht zwingend in engen Grenzen eingehalten werden sollen.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass eine Mischung aus in etwa 60 Gew.-% bis in 80 Gew.-% Holzfasern mit einem Längen- zu Durchmesserverhältnis ≥ 5, in etwa 1 Gew.-% bis in etwa 10 Gew.-% eine oder mehrere Additive und auf 100 Gew.-% aufgefüllt Kunststoff in den Kühlmischer eingegeben werden, dass als Mischer ein Schnellmischer mit Flügelwerkzeugen sowie beheiztem Mantel verwendet wird, wobei das Flügelwerkzeug mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen in etwa 20 m/sec und in etwa 40 m/sec betrieben und der Mantel auf eine Temperatur T mit 80°C ≤ T ≤ 150°C erwärmt wird, dass der Schnellmischer bis in etwa maximal 80% mit der Mischung gefüllt wird, dass die Mischung über eine Zeit t mit 10 min ≤ t ≤ 20 min gemischt wird und dass so aufbereitete Mischung dem derart ausgelegten Kühlmischer zugeführt wird, dass der Füllgrad mit der Mischung in etwa 20 bis 30% beträgt.
Durch die erfindungsgemäße Lehre ergibt sich ein Agglomerat von holzfaserverstärktem Kunststoff, das sowohl zum Extrudieren als auch zum Spritzgießen eingesetzt werden kann. Insbesondere beim Extrudieren bei einem Füllgrad von mehr als 50% ergeben sich unerwartet gute Produkteigenschaften des extrudierten Körpers.
Um Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit hergestellter Formen zu verbessern, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Mischung Maleinsäure-Anhydridgepfropfter (MAH) Kunststoff mit einem Gewichtsanteil zwischen 1,5 und in etwa 9 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmischung zugegeben wird. Wird als Kunststoff Polypropylen eingesetzt, so wird MAH-Polypropylen mit einem Anteil von vorzugsweise 1,5 Gew.-% – 5 Gew.-% eingesetzt. Bei Verwendung von MAH-Polyethylen sollte der Anteil in etwa 7 Gew.-% bis 9 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmischung betragen. Der Zusatz dieses Additivs führt einer Haftvermittlung.
Um eine Entformung bei der weiteren Verarbeitung im Spritzguss zu erleichtern, sollte der Mischung 0,3 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Stearat wie Metallstearat z.B. in Form Kalziumstearat oder Zinkstearat beigegeben werden.
Hilfreich ist auch ein Additiv in Form von Wachs, dass gleichfalls einen Gewichtsanteil zwischen in etwa 0,3 Gew.-% und 0,5 Gew.-% bei einem Holzfaseranteil bis 60 Gew.-% aufweisen sollte. Bei einem Holzfaseranteil zwischen 60 Gew.-% und 80 Gew.-% liegt der Wachsanteil zwischen 0,5 Gew.-% und 3 Gew.-%. Als Wachs ist insbesondere Ester der Montansäuren (einem Wachs-Säuregemisch ca. C24 bis C34) zu nennen.
Der Heißmischer wird selbst insbesondere auf eine Temperatur zwischen 80°C und 150°C erhitzt, wobei die erforderliche Restwärme zum Aufschmelzen des Kunststoffs durch Friktion erzeugt wird.
Nach einer Verweilzeit zwischen 10 und 20 Minuten in dem Heißmischer sind die Mischungsbestandteile in erforderlichen Umfang aneinandergebunden, so dass eine Übergabe an einen Kühlmischer mit wassergekühltem Mantel erfolgen kann. Dabei sollte der Füllgrad im Kühlmischer 20 bis 30% betragen. Im Vergleich zum Heißmischer weist der Kühlmischer eine 1,5- bis 2-fach größere Grundfläche auf.
Im Kühlmischer erfolgt nicht nur ein Kühlen des Mischgutes, sondern auch ein Nachzerkleinern, um ein Agglomerat gewünschter Korngröße zu erhalten. Die Temperatur des Kühlmischers wird dabei auf eine Temperatur eingestellt, dass das Mischgut auf 80°C ≤ T ≤ 120°C abgekühlt wird. Noch erwärmtes zerkleinertes Mischgut kann sodann dem Kühlmischer entnommen und nach gegebenenfalls Zwischenlagerung abgepackt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
In der einzigen Figur ist rein prinzipiell eine Anordnung dargestellt, mit der ein Agglomerat aus holzfaserverstärktem Kunststoff herstellbar ist. Hierzu werden ein Heißmischer 10 in Form eines Schnellmischers und ein Kühlmischer 12 benutzt.
Der Heißmischer 10 weist einen mit Dampf, Öl oder auch Wasser als Heizmedium beaufschlagbaren Doppelmantel 14 auf. Im Bodenbereich ist ein Mischwerkzeug 16 drehbar angeordnet, das eine vertikal verlaufende Achse 18 aufweist, die über ein nicht dargestellten Elektromotor antreibbar ist. Das Mischwerkzeug 16 kann aus einem als Flügel ausgebildeten Bodenräumer 20 sowie Fluidisierflügel 22 bestehen. Gegebenenfalls wird ein Hornwerkzeug aufgesetzt, um den Trombenumlauf bei hochgefülltem Mischbehälter zu verbessern. Die Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeuges 16 beträgt in etwa 20 bis 40 m/sec.
Zum Aufbereiten des Mischgutes wird in den Heißmischer 10 eine Mischung von 60 bis 80 Gew.-% Holzfasern mit einem Längen- zu Durchmesserverhältnis > 5 eingefüllt. Die Holzfasern selbst weisen bevorzugterweise eine Länge im Bereich zwischen 150 μm und 500 μm auf, wobei als Holz Hartholz verwendet werden sollte. Des Weiteren werden als Additive 0,3 Gew.-% bis in etwa 0,5 Gew.-% Stearat und 0,3 Gew.-% bis in etwa 0,5 Gew.-% Wachs bei einem Holzfaseranteil bis 60 Gew.-% hinzugegeben. Bei einem Holzfaseranteil von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-% kann der Wachsanteil 0,5 Gew.-% bis 3 Gew.-% betragen. Ferner sollte zur Steigerung der Zugfestigkeit, der Biegefestigung und Schlagzähigkeit von mit erfindungsgemäß hergestellten Agglomeraten hergestellten Bauteilen als weiterer Additiv ein Maleinsäure-Anhydridgepfropfter Kunststoff mit einem Gewichtsanteil zwischen in etwa 1,5 und in etwa 9 Gew.-% hinzugegeben werden. Sofern als Kunststoff Propylen verwendet wird, wird Maleinsäure-Anhydridgepfropftes Polypropylen (ca. 1,5 bis 5 Gew.-%) und sofern Polyethylen verwendet wird, wird Maleinsäure-Anhydridgepfropftes Polyethylen (ca. 7 bis 9 Gew.-%) zugegeben.
Gegebenenfalls kann auch ein Neutralisieradditiv mit einem Gewichtsanteil vorzugsweise zwischen 0,005 Gew.-% und 0,01 Gew.-% beigeben werden, sofern zumindest eine teilweise oder gegebenenfalls eine vollständige Maskierung von Holzgeruch gewünscht wird.
Das Neutralisieradditiv kann dabei aus in etwa 12,5% bis 15% Terpineol, 7% bis 10% Benzeneethanol, 3 bis 5% Alpha-Hexylcinnamaldehyde und Rest Öl wie Paraffinöl oder aus I-Nonylphenolpolyethylenglykolether (etwa 15% bis 20%), Heptanoic Acid, 2-Propenyl Ester (ca. 1% bis 3%), 2-Methoxy-Naphthalene (1 bis 3%), 3-Buten-2-One, 4-(2,6,6-Trimethyl-1-Cyclohexen-1-YL)-. (E)- (in etwa 0,25% bis 0,5%), Hexanoid Acid (in etwa 0,25% bis 0,5%) und Rest Öl wie Paraffinöl oder aus Terpineol (ca. 30% bis 40 %), Amylsalicylat (in etwa 7% bis 10%), Amylzimtaldehyd Alpha (ca. 1% bis 3%) sowie Lemongrasöl (ca. 1% bis 3%) sowie Paraffinöl bestehen. Ein weiteres Neutralisier- oder Maskieradditiv kann aus Benzylsalicylat (ca. 3% bis 5%), Hexylzimtaldehyd (ca. 1 % bis 3%), Ysamber K (ca. 0,1% bis 0,2%), Ketamber (ca. 0,1% bis 0,25%) sowie Rest Öl bestehen.
Allgemein gesagt kann durch das Neutralisieradditiv der Geruch oder dessen Intensität geregelt werden.
Nachdem das Mischgut etwa 10 bis 20 Minuten in dem Heißmischer aufbereitet wird, wobei der Doppelmantel 14 auf eine Temperatur zwischen 80 und 150°C und durch Friktion das Mischgut selbst im Bereich der Schmelztemperatur des verwendeten Kunststoffs erwärmt wird, erfolgt eine Übergabe an den Kühlmischer 12, dessen Mantel 27 gekühlt ist.
Dabei wird eine Temperatur eingestellt derart, dass das eingebrachte Mischgut auf 120°C bis 80°C abgekühlt wird. Gleichzeitig erfolgt ein Zerkleinern.
Im Ausführungsbeispiel wird als Kühlmischer 12 ein solcher verwendet, dessen Drehachse vertikal verläuft. Selbstverständlich kann auch ein Kühlmischer horizontaler Bauart zum Einsatz gelangen.
Nachdem das Mischgut in dem Kühlmischer 12 im erforderlichen Umfang abgekühlt und zerkleinert worden ist, wird dieses nach gegebenenfalls Zwischenlagerung verpackt, um sodann Produktionsstätten zugeführt zu werden, in denen durch Extrusion oder Spritzgießen gewünschte Bauteile herstellbar sind.
Insbesondere ein Einsatz für Extruder ist dann von Vorteil, wenn diese mit einem Füllgrad größer 50% betrieben werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Agglomerats aus holzfaserverstärktem Kunststoff durch Aufbereitung einer Mischung aus Kunststoff in Form von Pulver oder Granulat, Holzfasern sowie einem oder mehreren Additiven in einem Heißmischer und anschließendes Einbringen in einen Kühlmischer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus in etwa 60 Gew.-% bis in etwa 80 Gew.-% Holzfasern mit einem Längen- zu Durchmesserverhältnis ≥ 5, in etwa 1 Gew.-% bis in etwa 10 Gew.-% ein oder mehrere Additive und auf 100 Gew.-% der Mischung aufgefüllt der Kunststoff in den Kühlmischer eingegeben wird, dass als Mischer ein Schnellmischer mit Flügelwerkzeug sowie beheiztem Mantel verwendet wird, wobei das Flügelwerkzeug mit einem Umfangsgeschwindigkeit zwischen in etwa 20 m/sec und in etwa 40 m/sec betrieben und der Mantel auf eine Temperatur T mit 80°C ≥ T ≤ 150°C erwärmt wird, dass der Schnellmischer bis in etwa maximal 80% mit der Mischung gefüllt wird, dass die Mischung über eine Zeit t mit 10 min ≤ t ≤ 20 min gemischt und dass so aufbereitete Mischung in den derart ausgelegten Kühlmischer eingebracht wird, dass der Füllgrad mit der Mischung in etwa 20 bis 30% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass Holzfasern einer Länge im Bereich zwischen 150 μm und 500 μm verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Holzfasern Hartholzfasern verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung als Additiv in etwa 0,3 Gew.-% bis 0.5 Gew.-% Stearat und/oder 0,3 Gew.-% bis in etwa 0,5 Gew.-% Wachs bei einem Holzfaseranteil bis 60 Gew.-% und in etwa 0,5 Gew.-% bis in etwa 3 Gew.-% Wachs bei einem Holzfaseranteil zwischen 60 Gew.-% und 80 Gew.-% zugegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stearat ein Metallstearat wird Calziumstearat oder Zinkstearat verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass als Wachs ein Ester der Montansäure (einem Wachs-Säuregemisch ca. C24 bis C34) verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff insbesondere Polypropylen oder Polyethylen verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung als Additiv ein Maleinsäure-Anhydridgepfropfter Kunststoff mit einem Gewichtsanteil zwischen etwa 1,5 Gew.-% und etwa 9 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmischung beigegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maleinsäure-Anhydridgepfropfter Kunststoff Maleinsäure-Anhydridgepfropftes Polypropylen mit einem Anteil von in etwa 1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder Maleinsäure-Anhydridgepfropftes Polyethylen mit einem Anteil von in etwa 7–9 Gew.-% verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung ein geruchsneutralisierendes bzw. zumindest teilweise maskierendes Neutralisieradditiv beigegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass das Neutralisieradditiv mit einem Gewichtsanteil von vorzugsweise zwischen 0.005 Gew.-% und 0,01 Gew.-% beigegeben wird.
Mischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutralisieradditiv aus in etwa 12,5% und 15% Terpineol, 7% bis 10% Benzeneethanol, 3 bis 5% Alpha-Hexylcinnamaldehyde und Rest Öl wie Paraffinöl besteht.
Mischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutralisieradditiv aus I-Nonylphenolpolyethylenglykolether (etwa 15% bis 20%), Heptanoic Acid, 2-Propenyl Ester (ca. 1% bis 3%), 2-Methoxy-Naphthalene (1 bis 3%), 3-Buten-2-One, 4-(2,6,6-Trimethyl-1-Cyclohexen-1-YL)-, (E)- (in etwa 0,25% bis 0,5%), Hexanoid Acid (in etwa 0,25% bis 0,5%) und Rest Öl wie Paraffinöl besteht.
Mischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutralisieradditiv aus Terpineol (ca. 30% bis 40%), Amylsalicylat (in etwa 7% bis 10%), Amylzimtaldehyd Alpha (ca. 1% bis 3%) sowie Lemongrasöl (ca. 1% bis 3%) sowie Paraffinöl besteht.
Mischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutralisieradditiv oder Maskieradditiv aus Benzylsalicylat (ca. 3% bis 5 %), Hexylzimtaldehyd (ca. 1% bis 3%), Ysamber K (ca. 0,1% bis 0,2%), Ketamber (ca. 0,1% bis 0,25%) sowie Rest Öl besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass das Agglomerat zum Extrudieren oder Spritzgießen verwendet wird.