DE10324625A1

DE10324625A1 - Naturfaserextrusion

Info

Publication number: DE10324625A1
Application number: DE10324625A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Janssen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere zur Extrusion von einer Mischung aus Naturfasern und Kunststoffen, die aus einem Zylindergehäuse und sich darin drehenden Schnecken aufgebaut ist. Die Schnecken sind als gegenläufige dichtkämmende Doppelschnecken ausgeführt. Der Geometrieaufbau der Schnecken gewährleistet durch eine Kombination von Kompressions- und Entspannungszonen, die vielfach hintereinander geschaltet sind, daß im Extrusionsprozeß ein sehr großer Anteil von Feuchtigkeit über Vakuumanbindung an verschiedene Öffnungen am Zylinder herausgezogen werden kann. Hierdurch entfällt eine Vortrocknung der Naturfasern.

Description

Die ökologische Diskussion der letzten 1,5 Jahrzehnte hat ganz wesentliche Einflüsse auch auf die Kunststoffverarbeitung ausgeübt. Der Recycling-Gedanke steht bei jeder Neuentwicklung vornan. Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ist ein ganz wesentliches Thema einer jeden Produktentwicklung. Dabei sind zwei wesentliche Grundgedanken zu beachten:

a) Thermoplastische Kunststoffe werden im wesentlichen aus Erdöl oder Salzressourcen gewonnen. Sie können grundsätzlich beliebig häufig recyceln werden und stehen somit als „unendliche Werkstoffe" zur Verfügung.
b) Naturfasern, wie z. B. Holzmehl, Hanf oder Stroh, Kokosmehl oder Reisschalen sind nachwachsende Rohstoffe, die ihren normalen Lebenszyklus durch Zersetzung in der Natur beenden. Der Lebenszyklus von Holz kann durchaus ein Jahrhundert sein, liegt in der Regel jedoch deutlich darunter. Der Lebenszyklus der sonstigen Naturfasern ist häufig nur sehr kurzzeitig.

Die Entwicklung hat gezeigt, daß Kunststoffe mit Naturfasern gemischt werden können. Hierdurch wird es möglich, wesentliche Eigenschaften der Kunststoffe, wie z. B. Polyolefine, so zu modifizieren, daß diese z. B. in der Steifigkeit nahe dem Hartholz liegen können. Wesentlich hierbei ist, daß durch die Verbindung von Kunststoff und Naturfasern ein Produkt mit einer annähernd gleichen Recyclingfähigkeit wie beim Kunststoff selber entsteht. Durch die Vermischung von Kunststoff und Naturfasern wird somit die Naturfaser als Ressource für nachfolgende Generationen „konserviert".
Eine Problematik der Einarbeitung von Naturfasern liegt in der undefinierten Feuchtigkeit der Naturfasern selber bzw. in dem hydrofilen Charakter dieser Fasern. Zwar kann durch den Einsatz teurer Zuschlagstoffe Wasser für chemische Reaktionen wie Vernetzungen etc. genutzt werden, jedoch ist dieses wirtschaftlich bzw. unter dem Recylcling-Gedanken ein mit Fragezeichen behafteter Weg. Das Einmischen von Naturfaser in Kunststoffe mit möglichst wenig Zuschlagstoffen ist die Zielsetzung. Heute werden in der Regel Naturfasermaterialien vorgetrocknet auf einen Feuchtigkeitsgehalt von deutlich kleiner 1%, die dann in der Regel direkt einem Extrusionsprozeß zugeführt werden.
Hierbei kann der Kunststoff in einem Trichter mit der vorgetrockneten Naturfaser vermischt werden und direkt in den Extruder eingezogen werden oder die Naturfaser wird separat zum Kunststoff vorgewärmt, der Kunststoff wird vorher plastifiziert und dann zusammengemischt. Jegliche Form der Zwischenlagerung von vorgetrockneten Naturfasern ist mit der Problematik verbunden, daß die Fasern Feuchtigkeit aufnehmen, sobald sie mit der Feuchtigkeit, wie sie z. B. in der Luft vorhanden ist, in Berührung kommen. Die Feuchtigkeitsmenge, die aufgenommen wird, ist z. B. wesentlich von der Höhe der Luftfeuchtigkeit abhängig.
Der Nachteil der Vortrocknung. liegt auch in einem sehr hohen hierfür benötigten Energieeintrag und einer schwierig zu regelnden Restfeuchte. Zudem wird in der Regel das Material nach dem Vortrocknen abgekühlt und muß danach wieder aufgeheizt werden, eine zusätzliche Energievernichtung.
Stand der Technik
Es ist Stand der Technik, daß zur Verarbeitung von Mischungen aus Kunststoff und Naturfasern als Verarbeitungsmaschinen in der Regel typische Kunststoffverarbeitungsmaschinen mit Schnecken und Zylindern eingesetzt werden. Schnecken zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen sind so aufgebaut, daß entlang der Schneckenlänge unterschiedliche Geometriezonen vorliegen. Es wird zwischen Ein- und Doppelschnecken unterschieden. Doppelschnecken gewährleisten einen sehr hohen Druckaufbau und sind im Gegensatz zu Einschnecken extrem fördersteif. Dichtkämmende, gegenläufige Doppelschnecken arbeiten entsprechend einer Pumpe. Die Doppelschnecken werden in einem Doppelschneckenzylinder geführt. Verfahrenstechnisch werden sie durch den Achsabstand der Doppelschnecken sowie den Durchmesser und die verfahrenstechnische Länge charakterisiert. Der Antrieb erfolgt über ein Reduzier- und ein Verteilgetriebe. In der Regel sind in dem Doppelschneckenzylinder an einer oder an zwei Positionen Öffnungen zur Entgasung vorgesehen.
Hauptanforderung einer jeden Anlagenauslegung für den Einsatz einer Mischung von Kunststoff und Naturfasern ist es, die Schneckengeometrien so zu gestalten, daß zum einen ein großer Durchsatz gefahren und zum anderen eine möglichst weite Mischungsbandbreite verarbeitet werden kann. Da Holz sehr temperaturempfindlich ist, sollte die Temperatur der Masse am Austritt des Extruders möglichst gering sein. Dabei spielt die Homogenität der Temperatur ebenfalls eine wichtige Rolle. Einer der wesentlichen Punkte des Extruders sollte es sein, Feuchtigkeit während der Verarbeitung durch Entgasungsöffnungen im Zylinder aus der Mischung herauszuziehen.
Die erfinderische Aufgabe ist es, Kunststoffverarbeitungsmaschinen, insbesondere gegenläufige Doppelschnecken so zu gestalten, daß ohne vorzutrocknen, Naturfaserprodukte in Kunststoffe eingemischt werden können. Während dieses Verarbeitungsprozesses soll die Feuchtigkeit entzogen werden und der Kunststoff mit den Naturfasern vermischt, plastifiziert und homogen bei niedrigen Temperaturen ausgetragen werden.
Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß entlang der Schneckenlänge eine Vielzahl von Kompressions- und Dekompressionsvorgängen der Kunststoffmischung stattfinden. In dem Dekompressionsbereich wird Vakuum angelegt und damit Feuchtigkeit aus den Naturfasern bzw. der Mischung entzogen.
Im folgenden sei an einem Beispiel die konkrete Vorrichtung bzw. das Verfahren beschrieben.

1) Der Rohstoff aus Naturfasern und Kunststoffen wird in einem Vormischer gemischt bzw. separat in einem Trichter zusammengeführt.
2) In dem Trichter ist ein Rührwerk vorhanden, daß zur Vermischung/Homogenisierung dient und Probleme mit der Materialrieselfähigkeit kompensiert.
3) Im Auslaufbereich des Trichters ist vertikal eine Stopfschnecke montiert, die das Kunststoff Naturfaser-Gemisch in den Doppelschneckeneinzug hineinpreßt. Entsprechend der Stopfschneckendrehzahl wird der Einlaufbereich der Doppelschnecke mehr oder weniger gefüllt.
4) Das Volumen aus dem Einzugsbeieich der Doppelschnecke wird in einen Vorwärmbereich transportiert. Dieser ist, ebenso wie der gesamte Zylinderbereich, mit entsprechenden Heizungen versehen. Durch entsprechende Temperatureinstellung und durch einen geringen Anteil an Friktion wird das Material aufgeheizt.
5) Dieses aufgeheizte Material wird komprimiert. Dadurch wird Wasser aus den Fasern selber bzw. aus den Zwischenräumen herausgepreßt. Die Kompression ist gleichzeitig mit einer zusätzlichen Aufwärmung des Materials verbunden.
6) Nach der Kompression erfolgt eine Dekompression, wobei die Volumenänderung durch Änderungen der Geometrien der Schnecken erzeugt werden. In dieser Dekompressionszone wird Wasserdampf frei und kann in einer sphärischen Entgasung oder dem hier angelegten Vakuum abtransportiert werden.
7) Dieser Vorgang der Kompression und Dekompression erfolgt mindestens fünfmal entlang der Schneckenlänge, wobei mindestens viermal ein Vakuum angelegt wird. In Einzelfällen können auch mehr als acht Entgasungen aufgebaut werden.
8) Der verfahrens- bzw. vorrichtungsspezifische Aufbau garantiert durch seine Anordnung, daß in der letzten Entgasungszone in der Regel kein Wasserdampf mehr vorliegt und diese Zone nur als Sicherheitszone angesehen wird.
9) Nach der letzten Dekompressionszone erfolgt eine Kurzkompression des Materials und danach wird mit dem Material Druck aufgebaut, um es durch eine Düse zu pressen. Die Kurzkompression dient zusätzlich zur Vermischung der Materialien.

Erfahrungen haben gezeigt, daß mit diesem Prinzip in den einzelnen Entgasungszonen 0,4 – 0,9 % der Feuchtigkeit aus einzelnen Naturfasersystemen herausgezogen werden kann. In der praktischen Anordnung ergibt sich hiermit ein sehr großes Dampfvolumen in den einzelnen Entgasungszonen. Daher werden, sehr groß dimensionierte in der Kunststoffverarbeitung nicht übliche, Entgasungsdome benötigt. Die Form der Dome ähnelt Luftfeststoffabscheidern, wobei diese Funktion auch übernommen werden muß. Die Hö he des Vakuums kann sehr gering gehalten werden, wobei die abzuführende Luftmenge sehr groß ist.
Der Trichter ist in der Regel mit einem Stopfwerk versehen. Dies Stopfwerk regelt den Füllgrad bzw. die Füllmenge in dem Einzugsvolumen der Doppelschnecke. Entsprechend der Füllmenge im Einzugsvolumen der Doppelschnecke erfolgt eine Materialkompression in den einzelnen Kompressionszonen. Diese Materialkompression in ihrer Höhe ist verantwortlich für das Abdichten der einzelnen „Vakuumzonen" untereinander, ebenso wie für den Grad des Auspressens des Wassers bzw. des Aufheizens in den Kompressionszonen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine Regelung zur Konstanthaltung des Drehmoments der Hauptschnecke unter Einbeziehung der Stellgröße Drehzahl oder Drehmoment der Stopfschnecke einen konstanten Betrieb erlaubt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn durch den Einsatz der teilweise unterschiedlich vorliegenden Naturfasern bzw. unterschiedlichen Feuchtigkeitsgrade, Materialschwankungen den Prozeß instabil beeinträchtigen.

Claims

Extrusionsvorrichtung zur Verarbeitung von Mischungen aus Kunststoffen und Naturfaser, aufgebaut aus gegenläufig dichtkämmenden Doppelschnecken mit entsprechendem Doppelschneckenzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Schneckenlänge die Schneckengeometrie so gestaltet ist, daß mindestens fünfmal die Mischung aus Kunststoffen und Naturfasern komprimiert und dekomprimiert wird, wobei die Volumenkompression in der Förderschnecke mindestens 1,5 betragen soll und die Dekompression einen kleineren Wert als 0,8 einnehmen soll und in den Dekompressionszonen durch eine Öffnung im Zylinder Vakuum angelegt wird, mit dessen Hilfe flüchtige Komponenten und Wasserdampf aus dem Zylinder transportiert werden und daß im vorderen Schneckensegment Druck aufgebaut wird, um die aufgeschmolzene Kunststoff Naturfaser-Mischung durch ein vor den Zylinder montiertes formgebendes Werkzeug zu pressen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter als Stopftrichter ausgeführt ist, bei dem Drehzahl und Drehmoment der Stopfschnecke eingestellt werden können und hiermit der Füllgrad in der Einzugszone und damit die Materialkompressionen in den einzelnen Kompressionszonen eingestellt werden können.
Verfahren zur Verarbeitung von einer Mischung aus Kunststoffen und Naturfasern in einem System, bestehend aus einem Trichter mit einem Doppelschneckenzylinder mit mindestens fünf Entgasungsöffnungen nacheinander in Längsrichtung angeordnet und einem Satz Doppelschnecken mit mindestens fünf Kompressions- und Dekompressionszonen entlang der Schnecke sowie einem vor dem Zylinder montierten Extrusionswerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Verfahren eine Mischung aus in der Regel ungetrockneten Naturfasern und Kunststoffen in einen Trichter transportiert werden in diesem Trichter vermischt werden und in der Regel durch eine Stopfvorrichtung in die eigentliche Plastifizierdoppelschnecke eingeleitet werden, wobei dort in einer ersten Vorwärmung die Mischung aufge heizt und danach zuerst komprimiert und dann dekomprimiert wird, wobei in der Dekompression in der Regel Vakuum angelegt wird und hiermit Wasserdampf bzw. sonstige flüchtige Bestandteile aus dem Kunststoff entfernt werden und dieser Vorgang der Kompression und Dekompression insgesamt mindestens fünfmal nacheinander stattfindet und danach das Kunststoff Naturfaser-Gemisch weitergehend aufgeschmolzen wird und durch ein Werkzeug gepreßt wird
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Stopfschnecke so geregelt wird, daß der Hauptextruder mit einem konstanten Drehmoment gefahren werden kann.