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DE4220665A1 - Verfahren zur Trennung und Sortierung von Werkstoffen aus Verbundprodukten oder Gemengen, die verstreckte Thermoplaste enthalten - Google Patents

Verfahren zur Trennung und Sortierung von Werkstoffen aus Verbundprodukten oder Gemengen, die verstreckte Thermoplaste enthalten

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DE4220665A1
DE4220665A1 DE19924220665 DE4220665A DE4220665A1 DE 4220665 A1 DE4220665 A1 DE 4220665A1 DE 19924220665 DE19924220665 DE 19924220665 DE 4220665 A DE4220665 A DE 4220665A DE 4220665 A1 DE4220665 A1 DE 4220665A1
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Description

Grundlagen
Verstreckte Thermoplaste werden in der Kunststofftechnik in vielen Bereichen eingesetzt. Darunter fallen vor allem die Produktgruppen Fasern, Folien, Schaumstoffe, Tiefziehteile und Blasformkörper. Gemeinsames Kennzeichen verstreckter Thermoplaste ist eine Orientierung der Kettenmoleküle. Diese Orientierung wird bei der Produktherstellung durch Umformvorgänge im Schmelzbereich oder im abgekühlten Zustand bzw. bei Fasern auch durch das Spinnen hervorgerufen.
Verstreckte Thermoplaste gehen bei Erwärmung bekanntermaßen wieder in den Zustand zurück, der vor dem Verstreckungsprozeß bei ihrer Herstellung bestand, oder mit anderen Worten die verstreckten Kettenmoleküle haben bei erhöhter Temperatur das Bestreben, sich wieder in den verknäulten Zustand zu relaxieren, d. h. sie schrumpfen. Der Temperaturbereich für diesen Vorgang der Relaxation beginnt unterhalb der Glastemperatur der Thermoplasten. Dies bedeutet, daß dieses Schrumpfen vor einem Schmelzen der Thermoplasten ohne Emissionen von Zersetzungsprodukten der Kunststoffe durchgeführt werden kann.
In vielen Fällen geht die Relaxation von Thermoplasten einher mit einer drastischen Veränderung der elastischen Eigenschaften des Thermoplasten, die sich in einer Versprödung beim Abkühlen äußert.
Aufgabenstellung & erfindungsgemäße Lösung
Die Aufgabe einer Verbundtrennung und einer Werkstoffsortierung von Gemengen stellt sich beim Recycling von entsprechenden Produkten sowohl im innerbetrieblichen als auch im Altstoff-Recycling. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination bzw. Hintereinanderausführung von Zerkleinerung, Relaxation, Brechung, Trennung sowie Sortierung gelöst. Das Verfahren kann an vorsortierten Verbundteilen oder Gemengen durchgeführt werden (vgl. S. 6, Zeilen 1-36).
Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte Zerkleinerung
Innerhalb des Verfahrens gelangen zwei verschiedene Zerkleinerungsmethoden entweder einzeln oder auch in Kombination zum Einsatz: langsamlaufende Abfallzerkleinerer und Brechwerke.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird für viele Anwendungsfälle eine Partikelgröße benötigt, wie sie mit Schredderschnipseln aus langsamlaufenden Abfallzerkleinerern vorliegt. Dementsprechend gelangen langsamlaufende Abfallzerkleinerer zum Einsatz, die in den meisten Fällen auf der Technik von Zweiwellen-Schneidwerken beruhen. Je nach Anwendungsfall (vgl. S. 8, Zeile 23 bis S 10, Zeile 17 und Bild 1) wird diese Zerkleinerung vor oder nach dem Relaxationsprozeß des zu behandelnden Gutes durchgeführt. Für bestimmte Anwendungsfälle (vgl. Bild 1, Weg 3; 5.9, Zeilen 19-27) kann auf eine solche Zerkleinerung verzichtet werden, ein Brechen in einem Brechwerk (vgl. S. 4, Zeilen 12-25) reicht dabei als Zerkleinerung aus.
Relaxation
Die Relaxation des zu sortierenden verstreckten Thermoplasten (im folgenden: Zielthermoplast) durch Erwärmung ist der zentrale Behandlungsschritt innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch die Relaxation wird ein Schrumpfen des Zielthermoplasten hervorgerufen. In der Aufbereitungstechnik wird hierzu auch der Begriff Agglomeration verwendet. Die dadurch hervorgerufene Eigenschaftsänderung des Zielthermoplasten wird erfindungsgemäß zur Trennung und Sortierung von den übrigen Verbund- oder Gemengematerialien genutzt.
Liegen neben dem Zielthermoplasten weitere Thermoplaste in dem Verbund oder Gemenge vor, so müssen die Erwärmungsbedingungen so gewählt werden, daß ein selektives Schrumpfen des zu sortierenden Thermoplasten erzielt wird. Dies kann auf unterschiedliche Arten erfolgen.
Ein in einem Verbund oder Gemenge enthaltener Zielthermoplast wird in den Temperaturbereich seiner Relaxation erwärmt. Eine solche Erwärmung kann auf unterschiedliche Arten hinsichtlich der Relaxation selektiv erfolgen. Durch Konvektionserwärmung kann der gesamte Gemengestrom erwärmt werden. Der Thermoplast mit der niedrigsten Relaxationstemperatur wird dabei als erster schrumpfen und ist somit erster Zielthermoplast. Durch Erwärmung mit Infrarot-Wärmestrahlern können bestimmte Thermoplaste aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung oder auch ihrer Einfärbung und dem damit verbundenen Infrarot-Absorptionsverhalten besser und damit gezielter als andere Materialien erwärmt werden. Mittels Hochfrequenzstrahlung schließlich können je nach Zusammensetzung des Verbundes oder des Gemenges bestimmte Thermoplaste alleinig geschrumpft werden, ohne daß die anderen Materialien erwärmt werden.
Die in der Aufbereitungstechnik von Thermoplasten angewandte Agglomerisation durch Erwärmung mittels Friktion ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht geeignet, da bei einer Friktionserwärmung die anderen Materialien dadurch ebenfalls zerkleinert werden und das Gemenge insgesamt weiter vermischt wird.
Verfahrenstechnisch kann die Erwärmung also mit verschiedenen üblichen Methoden durchgeführt werden. Das zu erwärmende Gut kann mit üblichen Transportvorrichtungen, wie z. B. Transportbändern, kontinuierlich der Erwärmung unterzogen werden (Erwärmungsstrecken). Auch eine Erwärmung durch Konvektion in Wirbelschichtmedien oder eine diskontinuierliche Erwärmung kommen für das Verfahren in Betracht.
Die Relaxation weist noch weitere hervorhebenswerte anwendungstechnische Vorteile auf. So wird durch das Erwärmen eine potentiell mit der speziellen Morphologie des verstreckten Thermoplasten gespeicherte Energie als Rückstellkraft (Schrumpfspannung) freigesetzt und für den gesamten Zerkleinerungsvorgang bzw. für die Volumenreduktion des Zielthermoplasten genutzt. Weiterhin findet die Relaxation in Temperaturbereichen statt, die deutlich unterhalb der Glastemperatur des entsprechenden Thermoplasten liegen (i. allg. Tg-20° bis Tg-50°). Dadurch ist der Prozeß ohne Emissionen von Zersetzungsprodukten aus den Thermoplasten durchführbar. Der Thermoplast erfährt dabei auch keine thermische Schädigung, die seine weitere Verwendbarkeit einschränken würde. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die Trennung und Sortierung mittels Relaxation der Zielthermoplast gleichzeitig in ein rieselfähiges Schüttgut überführt wird, wie es für die Verarbeitung günstig ist und sonst nur über spezielle Agglomerieranlagen erhältlich wäre.
Nach der Relaxation muß der Zielthermoplast zunächst abkühlen, bevor er dem nächsten Verfahrensschritt zugeführt wird. Während der Abkühlung findet die Versprödung statt. In den meisten Fällen reicht eine Abkühlung bis zu Temperaturen knapp unterhalb des Relaxationstemperaturbereiches aus.
Brechung
Die Brechung dient innerhalb des Verfahrens dazu, den Zielthermoplasten, der aufgrund des Schrumpfprozesses versprödet ist, weiter zu zerkleinern und in seiner Partikelgröße nach oben zu begrenzen. Die Begrenzung der Partikelgröße wird durch die Weite des Brechspaltes vorgegeben. Das Brechen findet daher immer nach der Relaxation statt. Das Brechen hat dabei den Vorteil, das alle anderen Materialien, die nicht über eine entsprechende Sprödigkeit verfügen, durch diesen Schritt nicht weiter zerkleinert werden.
Verfahrenstechnisch kommen alle üblichen Brechwerke für das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht. Als besonders geeignet haben sich Zweiwalzen-Brechwerke erwiesen, da mit diesen ein kontinuierlicher Mengendurchsatz einfach ermöglicht ist.
Trennung
Werden Verbundmaterialien behandelt, so muß für eine Sortierung der einzelnen Verbundwerkstoffe, und hier zur Sortierung des Zielthermoplasten, zunächst der Verbund getrennt werden. Bekanntermaßen kann eine - zumindest teilweise - Verbundtrennung bei bestimmten Verbundkombinationen bereits während eines Zerkleinerungsprozesses stattfinden. Voraussetzung dazu ist ein ausreichend sprödes elastischen Verhalten mindestens einer der Verbundkomponenten. Die Schaffung einer hinreichenden Sprödigkeit des Zielthermoplasten durch das Schrumpfen und Verspröden und das anschließende Brechen sind Gegenstand 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 Komponente führt.
Auch bei der Sortierung, die häufig durch mechanische Einwirkung wie Vibrationen 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.
Sortierung
Die Sortierung des Zielthermoplasten aus dem Gemenge ist der letzte Verfahrensschritt. Die vorhergehenden Verfahrensschritte haben das Gemenge oder die Verbundmaterialien in eine solche Form überführt, in der der Zielthermoplast als kleine Partikel vorliegt, während die anderen Gemengekomponenten die durch die Zerkleinerung vorgegebene Größe aufweisen.
Eine Sortierung wird daher in naheliegender Weise durch eine Siebung erfolgen, bei der der Zielthermoplast das Sieb passiert, während die anderen Gemengekomponenten in der Siebfraktion verbleiben.
Alternativ zu einer Siebung können auch andere gebräuchliche Trennmethoden für das Gemenge entsprechend seiner Zusammensetzung und Beschaffenheit angewendet werden. Solche Trennmethoden sind beispielsweise Vibrationsseparatoren, Windsichter, Schwimm-Sink-Trennung, Magnetsichter oder auch induktive Wechselfelder.
Beschaffenheit und Zusammensetzung des Gemengestromes
Bei den heute üblichen und in Zukunft zu erwartenden Sammel- und Sortiermethoden für Altprodukte entstehen an vielerlei Stellen vorsortierte Altprodukt- oder Altstoffgemenge. So existieren vielerorts Annahmestellen, die produktgruppenspezifische Sammlungen, beispielsweise von Polystyrol- Schaumstoffen (EPS) durchführen. Bei der Sortierung von Wertstoffsammlungen werden bspw. Becher und Blister oder Hohlkörper als einzelne Fraktionen gewonnen. Solche Altstoffgemenge, die neben thermoplastischen Kunststoffen auch andere Werkstoffe enthalten, entstehen bei der Produktdemontage, bspw. von KFZ oder Haushaltgeräten. Auch im innerbetrieblichen Recycling entstehen definierbare Altstoffgemenge oder Verbundmaterialien.
Als ein wesentliches Eingangskriterium für verfahrensgemäß zu behandelnde Verbundmaterialien oder Gemenge gilt, daß nur solche Materialien zulässig sind, die nicht von sich aus bereits so spröde sind oder während des Verfahrens so spröde werden, daß sie unter den Verfahrensbedingungen neben dem Zielthermoplasten ebenfalls in kleine Partikel überführt werden. Darüber hinaus dürfen nicht solche Materialien in den Prozeß gelangen, die aufgrund ihrer Beschaffenheit Teile der jeweils verwendeten Anlage zerstören können.
Besonders gut geeignet für die Durchführung des Verfahrens sind solche Materialkombinationen, die neben dem selektiv relaxierbaren Zielthermoplasten andere nicht sprödharte Kunststoffe, Papier oder dünnwandige Metallteile (Aluminiumfolien u. a.) enthalten.
Besonders gut geeignete Zielthermoplasten sind beispielsweise PS und PS- Compunds, PET, PA, CA sowie PE, PP und PVC, sofern diese nicht speziell weich-elastisch eingestellt sind.
In der sortierten Fraktion können zum Teil andere Werkstoffe oder Fremdstoffe zunächst mit dem Zielthermoplasten verbleiben. Von diesem können sie zu einem späteren Zeitpunkt in der weiteren Aufbereitung oder auch während der Sekundärverarbeitung (Abscheiden aus der Schmelze) getrennt werden, sofern sie nicht in das Sekundärprodukt einbezogen werden können.
Verfahrensbeschreibung am Beispiel der Trennung von Verbundmaterialien, die expandierte Thermoplaste enthalten
Expandierte Thermoplaste (Schaumstoffe) werden vor allem im Verpackungsbereich auch im Verbund mit Papier eingesetzt. Dabei wird häufig ein expandiertes Polystyrol (sowohl Extruder-EPS als auch Partikel-EPS) im Verbund mit verschiedenen Papierqualitäten verwendet. In anderen Anwendungsbereichen (Fahrzeugbau, Isolierungen, Bühnenbau) werden auch andere expandierte thermoplastische Kunststoffe im Verbund mit anderen Materialien, wie beispielsweise Aluminiumfolien, Textilien oder auch anderen Kunststoffen eingesetzt.
Sollen die Bestandteile solcher Verbundmaterialien einem Recycling zugeführt werden, dann stellt sich die Aufgabe einer Verbundtrennung, 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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbundwerkstoffe durch übliche 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 Volumenverringerung, 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 Abfallzerkleinerungs-Schneidwerke als geeignet erwiesen, die eine Partikelgröße 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 Kunststoff 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 Zielthermoplast zu Partikeln von einer mittleren Korngröße von 2-8 mm gebrochen. Unter der Voraussetzung, daß die anderen Verbundkomponenten nach der thermischen Behandlung eine ausreichende Elastizität 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 Volumenverringerung gelöst war.
Das so vorliegende Gemenge aus volumenreduzierten, versprödeten und in der Partikelgröße nach oben begrenzten Partikeln des Zielthermoplasten 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 Sortierung des Gemenges erfolgt.
Weitere Verfahrensbeispiele
In Bild 1 werden die grundsätzlichen Kombinationsmöglichkeiten für die einzelnen Behandlungsschritte in Form eines Ablaufdiagrammes wiedergegeben. Es sind 5 unterschiedliche Wege markiert, für die folgende Anwendungsbeispiele gegeben werden:
Bild 1, Weg 1
Ein Verbund-Formteil von Partikel-EPS mit geleimter Papierkaschierung (z. B.: Etiketten) wird in einem langsamlaufenden Abfallzerkleinerer zu Partikeln von etwa 10 mm×20 mm×80 mm zerkleinert und dann mit einem Förderband durch eine Infrarot-Erwärmungsstrecke geführt, wobei das EPS auf ca. 105°C erwärmt wird. Das EPS schrumpft, löst sich vom Papier und liegt in vereinzelten oder instabil zusammenhängenden Partikeln vor, die aus dem Partikelcharakter des Formteiles resultieren. Der Leim verbleibt am Papier. Das abgekühlte Gemenge wird im letzten Verfahrensschritt einem Schüttelsieb zugeführt, in dem letzte eventuell noch zusammenhängende geschrumpfte EPS-Partikel in kleinere Partikel zerfallen und mit den zuvor bereits vereinzelten kleinen PS-Partikeln das Sieb passieren. Das Papier mit dem anhaftendem Leim hat noch die durch das Zerkleinern vorgegebene Größe und verbleibt in der Siebfraktion.
Bild 1, Weg 2
Bei der Produktion von Verpackungen und Einweggeschirr aus Extruder-EPS mit innen- und außenliegenden Papierschichten und eventuell zusätzlich angebrachten PE-Folien fallen fertigungsbedingte Stanzreste an, die alle drei Komponenten enthalten. Diese werden in einer dem Weg 1 analogen Weise zerkleinert und geschrumpft. Das abgekühlte Gemenge wird in einem Walzenbrecher gebrochen wodurch die geschrumpften EPS-Partikel in ihrer Größen entsprechend der Brechspaltweite begrenzt werden. Eine anschließende Siebung führt zur sortenreinen Abtrennung des PS.
Bild 1, Weg 3
Ein Gemenge von Faserabfällen, wie es bei der Textilverarbeitung anfällt, wird in einer Erwärmungsstrecke so erwärmt, daß die Relaxationstemperatur eines im Gemenge enthaltenen Zielthermoplasten erreicht wird. Solche Zielthermoplasten bei Fasern können beispielsweise verschiedene Polyamide oder auch PET sein. Der Zielthermoplast relaxiert und versprödet beim Abkühlen. Das Gemenge wird dann einem Brechwerk zugeführt. Der versprödete Zielthermoplast wird in definiert kleine Partikel überführt und ist somit einer Sortierung durch Siebung zugänglich.
Bild 1, Weg 4
Eine Verbundfolie von zwei unterschiedlichen Thermoplasten oder von einem Thermoplasten mit Papier oder Metall wird in einer Erwärmungsstrecke so erwärmt, daß die Relaxationstemperatur eines Zielthermoplasten erreicht wird. In Betracht kommende Zielthermoplasten sind hier PE, PP, PA, PET und andere. Das Schrumpfen vor einer Zerkleinerung ist hier von Vorteil, da so die gesamte Schrumpfspannung der flächigen Folie genutzt wird. Der geschrumpfte Zielthermoplast wird nach diesem Behandlungsschritt meist in der Form von streifen- bzw. faserähnlichen und versprödeten Gebilden an der anderen Verbundkomponente anhaften. Eine anschließende Zerkleinerung überführt die nicht-geschrumpfte Verbundkomponente in solche Partikel, die aufgrund ihrer Größe die spätere Sortierung gestatten. Bei der Zerkleinerung wird der geschrumpfte und versprödete Anteil an Zielthermoplasten bereits größtenteils von der anderen Verbundkomponente getrennt. Zur Gewährleistung einer vollständigen Verbundtrennung und einer definiert kleinen Partikelgröße des Zielthermoplasten dient die weitere Behandlung in einem Brechwerk. Die abschließende Siebung führt zur sortenreinen Abtrennung des Zielthermoplasten und der anderen Verbundkomponente.
Bild 1, Weg 5
Dieser Weg eignet sich für die gleiche Aufgabenstellung wie die unter Weg 4 beschriebene. Bei solchen Verbundkombinationen, bei denen die Zerkleinerung bereits zu einem sortierbaren Gemenge führt, kann auf ein Brechwerk verzichtet werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Anwendung beim Recycling zur Trennung und Sortierung von bestimmten Kunststoffsorten aus Verbundprodukten oder Gemengen, die verstreckte Thermoplaste und andere Materialien enthalten dadurch gekennzeichnet, daß der verstreckte Thermoplast durch Wärmezufuhr in den Bereich seiner Relaxation erwärmt wird, wobei dieser schrumpft und beim Abkühlen versprödet, so daß er anschließend aufgrund dieser Versprödung von anderen Materialien im Verbund getrennt und aus dem so entstandenen Gemenge beziehungsweise aus einem alleinig behandelten Gemenge aufgrund von Größenunterschieden, die durch eine vor oder nach der Relaxation durchgeführte Zerkleinerung geschaffen werden, und/oder aufgrund von Dichteunterschieden, die aus der Relaxation resultieren, sortiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur alleinigen oder zur zusätzlichen Zerkleinerung ein Brechwerk verwendet wird, das aufgrund der Brechspaltweite dazu geeignet ist, die versprödeten Partikel des relaxierten Thermoplasten in ihrer Partikelgröße nach oben zu begrenzen, und so ein ausreichender Größenunterschied für die Sortierung der Materialien geschaffen wird.
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