PL169931B1 - Sposób obróbki niejednorodnych tworzyw sztucznych w jednorodny material termoplastyczny PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób obróbki niejednorodnych tworzyw sztucznych w jednorodny material termoplastyczny, w którym dostarcza sie co najmniej dwa rózne termoplastyczne polime- ry i kopolimery w stanie rozdrobnionym i poddaje sie je obróbce wstrzasania i miesza nia za pomoca srodków mieszajacych i wstrzasajacych, znamienny tym, ze obróbke wstrzasania i mieszania przeprowadza sie, z wykorzystaniem energii, do czasu wystapie- nia szczytnego wzrostu energii zuzywanej przez srodki mieszajace i wstrzasajace i prze- rywa sie te obróbke wstrzasania i mieszania po wystapieniu wspomnianego szczytowego wzrostu zuzywanej energii. Fig. 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki niejednorodnych tworzyw sztucznych w jednorodny materiał termoplastyczny, a zwłaszcza wyjściowego surowca zawierającego przynajmniej dwa różne termoplastyczne polimery lub kopolimery.

Pożądanym jest obecnie wykorzystywanie materiału odpadów z tworzyw sztucznych, pochodzących na przykład z wyrzucanych opakowań, lub materiału zmieszanego z resztkami jedzenia w odpadkach domowych, aby uniknąć lub przynajmniej zredukować gromadzenie tych odpadków w przyrodzie. Jednocześnie celowym jest zmniejszanie szybkości wyczerpywania źródeł nieodtwarzalnych surowców, zwłaszcza ropy naftowej.

Według znanych ze stanu techniki sposobów, zawracanie do obiegu polimerów termoplastycznych wymaga oddzielnego odzyskiwania i wykorzystywania tworzyw sztucznych różniących się naturą chemiczną, ponieważ generalnie są one nie mieszalne z innymi. Gdy usiłuje się ponownie wykorzystać mieszaninę stałych cząstek różnych polimerów termoplastycznych, stosując te same maszyny i te same warunki działania, jakie stosowano w przypadku pojedynczego polimeru termoplastycznego, uzyskane wyroby są wykonane z niejednorodnego materiału, którego własności mechaniczne, fizyczne i chemiczne, takie jak moduł sprężystości podłużnej, wartości wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości na ściskanie, odporność na szkodliwe działanie chemiczne różnych substancji ciekłych lub gazowych itp., nie są dokładnie określone.

W praktyce, potrzeba odzyskiwania i ponownego wykorzystania oddzielnie różnych polimerów termoplastycznych, stwarza ograniczenie ekonomicznego rodzaju, które zmniejsza

169 931 znacznie możliwości zawracania do obiegu odpadków tworzyw sztucznych, zwłaszcza tych, które są zawarte w odpadkach domowych.

Z opisu patentowego EPO nr 0 140 846 znany jest proces obróbki mieszaniny tworzyw, w którym początkowa mieszanka odpadków podlega czterem kolejnym etapom. W pierwszym etapie następuje sproszkowanie. W drugim etapie odbywa się mieszanie na zimno. Trzecim etapem procesu jest ogrzewanie w pierwszym stadium przebiegu procesu, a w czwartym etapie następuje ogrzewanie w drugim stadium przebiegu procesu. Pierwszy etap jest zwykłym etapem sproszkowania, bez wzrostu temperatury mieszanki. Drugi etap jest mieszaniem składników na zimno. Trzeci i czwarty etap procesu polega na ogrzewaniu produktu przez zewnętrzne środki ogrzewające, korzystnie elementy ogrzewania elektrycznego. W tym znanym rozwiązaniu unika się poddawania odpadków znaczącemu działaniu mechanicznemu.

Ponadto, z polskiego opisu patentowego nr 58 699, znanejest urządzenie do ciągłej obróbki wstępnej tworzyw sztucznych, które ma poziomy przelotowy zbiornik w kształcie rury, który jest wyposażony w mieszadło ze skośnymi tarczami, dzięki czemu tworzywo porusza się w przestrzeni pomiędzy dwoma tarczami mieszadła ruchem posuwisto-zwrotnym wzdłuż osi zbiornika. Ruch ten odbywa się równocześnie z ruchem promieniowym, a poszczególne cząstki materiału uzyskują różne przyspieszenia. Temperaturę materiału poddawanego mieszaniu można regulować wysokością napełnienia mieszalnika.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu zawracania do obiegu odpadowych polimerów termoplastycznych, pozwalając na uzyskanie jednorodnego materiału termoplastycznego, który może być wykorzystany przy takich samych technikach jakie dotychczas stosowano w przypadku polimerów termoplastycznych, eliminując przy tym konieczność uprzedniego oddzielania lub rozsortowywania tych odpadków zgodnie z chemiczną naturą polimerów, dla ich odzyskania.

Sposób według wynalazku przeznaczony jest do obróbki niejednorodnych tworzyw sztucznych w jednorodny materiał termoplastyczny. Dostarcza się co najmniej dwa różne termoplastyczne polimery i kopolimery w stanie rozdrobnionym i poddaje się je obróbce wstrząsania i mieszania za pomocą środków mieszających i wstrząsających. Sposób tego rodzaju charakteryzuje się tym, że obróbkę wstrząsania i mieszania przeprowadza się z wykorzystaniem energii, do czasu wystąpienia szczytowego wzrostu energii zużywanej przez środki mieszające i wstrząsające. Przerywa się tę obróbkę wstrząsania i mieszania po wystąpieniu wspomnianego wzrostu zużywanej energii.

W korzystnym rozwiązaniu obróbkę wstrząsania i mieszania przerywa się po osiągnięciu stałej wartości zużycia energii, po wystąpieniu szczytowego wzrostu zużywanej energii. Obróbkę wstrząsania i mieszania przeprowadza się w komorze zaopatrzonej w mechaniczne środki mieszające. Środki mieszające stanowi korzystnie rotor zaopatrzony w łopatki.

Dla obróbki surowca zawierającego co najmniej dwa różne termoplastyczne polimery i kopolimery w stanie rozdrobnionym oraz co najmniej jeden materiał stały, który jest niemieszalny z termoplastycznymi polimerami i kopolimerami, stosuje się co najmniej jeden etap filtrowania produktu otrzymanego po obróbce wstrząsania i mieszania, przy czym oddziela się cząstki materiału różnego od jednorodnego materiału termoplastycznego.

Otrzymany w wyniku obróbki wstrząsania i mieszania produkt poddaje się obróbce granulowania.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia uzyskanie nowego materiału termoplastycznego, nadającego się do stosowania w ten sam sposób i w tych samych dziedzinach stosowania przemysłowego, co znane dotychczas materiały termoplastyczne, powstałe z przynajmniej dwóch materiałów termoplastycznych o różnej naturze chemicznej.

W czasie trwania obróbki wstrząsania i mieszania mieszaniny termoplastycznych polimerów i kopolimerów, stałe cząstki ulegają jednocześnie silnemu indywidualnemu ogrzaniu, z powodu ich wzajemnego tarcia i tarcia z członami wstrząsającymi i ścianami komory obróbki, tak że praktycznie same stają się w tym czasie ogrzane do temperatury zawartej w zakresach ich mięknięcia. Ponadto, następuje również zmniejszanie przeciętnego rozmiaru cząstek na pewnym etapie obróbki, w którym przynajmniej jedna część cząstek pozostaje wciąż w stanie stałym, lub w którym przynajmniej część cząstek staje się, przynajmniej częściowo ciekła lub w stanie

169 931 ciastowatym. Następuje względnie nagle przejście ze stanu, w którym różne oddzielne termoplastyczne cząstki polimeru lub kopolimeru mieszaniny wstępnej są oddzielone wzajemnie od siebie, do następnego stanu, w którym już nie ma możliwości dostrzegania oddzielnych granic fazowych pomiędzy tymi cząstkami, i w którym cała masa uzyskuje jednorodny wygląd, za wyjątkiem możliwości występowania cząstek materiału nie mieszającego się z polimerami termoplastycznymi.

Te zjawiska są całkowicie zaskakujące, zważywszy że można poddawać obróbce cząstki polimeru o względnie niskiej temperatury topnienia, na przykład poliolefiny oraz cząstki polimeru o względnie wysokiej temperaturze topnienia, jak poliamidy.

Temperatury osiągane wewnątrz mieszaniny termoplastycznych polimerów lub kopolimerów poddawanych obróbce zgodnie ze sposobem według wynalazku, mieszczą się w zakresie od 150°C do 300°C.

Sposób według wynalazku przeprowadza się w procesie ciągłym lub nieciągłym, to znaczy przez podawanie mieszaniny wstępnej termoplastycznych polimerów lub kopolimerów na drodze sukcesywnego zasypywania.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie objaśnione szczegółowo w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do przeprowadzania sposobu według wynalazku w widoku z przodu, fig. 2 - schematyczny widok z przodu części urządzenia przedstawionego na fig. 1, fig. 3 - schematyczny widok tej samej części urządzenia jak na fig. 2, lecz z niektórymi elementami pokazanymi w przekroju, fig. 4 - schematyczny przekrój urządzenia, a fig. 5 przedstawia częściowy schematyczny widok rotora stanowiącego część urządzenia do przeprowadzania sposobu według wynalazku.

Urządzenie przedstawione na fig. 1 do 5 zawiera cylindryczną komorę 2 z osią poziomą, zaopatrzoną w zbiornik zasilający 4 umieszczony w górnej pozycji i szyb wyładowczy 5. Rotor 6 zamontowany współosiowo wewnątrz komory 2, jest uruchamiany za pomocą silnika elektrycznego 7. Ściany komory 2 stanowią zespół 10 utworzony przez zespolone dwie półcylindryczne powłoki 11 i 12, połączone ze sobą za pomocą zawiasy wzdłuż bocznej krawędzi 13, a bezpieczne urządzenie zamykające 14 umieszczone jest wzdłuż krawędzi 15, przeciwległej względem krawędzi 14.

Górna powłoka 12 połączona jest z urządzeniem pneumatycznym 16 znanego typu, które czyni możliwym jej otwieranie przez obrót wokół zawiasy 13. Ruch obrotowy rotora 6 napędzanego przez silnik 7 przekazywany jest za pomocą pneumatycznie sterowanego sprzęgła 18. Obrót rotora 6 może być dowolnie przerwany za pomocą urządzenia wyłączającego 21, również pneumatycznie sterowanego.

Rotor 6 jest podparty na każdym ze swych końców przez łożysko 22, umocowane na podporze 23. Łącznik gwintowy 24 czyni możliwym, że każdy koniec wału rotora 6 jako wpasowany przechodzi przez ścianę komory 2. Pokrywa ochronna 26 (fig. 1) otacza część urządzenia zawierającego komorę 2 i łożyska rotora 22.

Jak przedstawiono na fig. 5, rotor 6 zawiera cylindryczny wał 30 zaopatrzony w wiele promieniowych łopatek 31, 32, o dwóch różnych rodzajach kształtu. Bardziej szczegółowo, kierunek ustawienia łopatek 32, które zamontowane są w pobliżu każdego wału 30 jest taki, że ładunek materiału poddawanego obróbce w komorze 2 zostaje wprawiany w ruch, który powoduje odpychanie tego materiału od ściany komory przylegającej do końców wału 30, aby przenieść go z powrotem w kierunku wnętrza komory, poprzez strefę poddawaną wstrząsaniu i mieszaniu przez łopatki 31.

Korzystnie, średnia komory 2 i długość łopatek 31 i 32 są takie, że gdy rotor 6 pozostaje w temperaturze pokojowej lub w temperaturze do niej zbliżonej, to prześwit pomiędzy końcówkami łopatek 31 i 32, a wewnętrzną ścianą 40 komory 2 jest rzędu 0,5 do 1mm.

Stwierdzono, że korzystnym jest, gdy rotor 6 i jego silnik napędowy 7 są zwymiarowane odpowiednio do wewnętrznej objętości komory 2, tak że maksymalna moc mechaniczna przekazywana do materiału poddawanego obróbce w komorze 2 przez rotor 6, jest rzędu 1 do 2 kW na każdy litr materiału. Na przykład, dla całkowitej objętości wewnętrznej komory 2 wynoszącej 85 litrów (przypadek eksperymentalnego prototypu), stwierdzono, że maksymalna moc dostarczona przez silnik 7 wynosi korzystnie około 128 kW.

169 931

Przykład I. Zastosowany materiał wyjściowy jest mieszaniną polimerów termoplastycznych w postaci nieregularnie ukształtowanych odłamków, ale wszystkie o wymiarach mniejszych niż 5 mm, pochodzących z odzysku tworzyw sztucznych występujących w odpadkach domowych, a które po ich oddzieleniu od innych składników odpadków, zostały po prostu poddane myciu wodą, a następnie suszeniu.

Przeciętny skład tej mieszaniny jest następujący (w procentach wagowych):

Żywica ABS(akrylonitrylo-butadieno-styrenowa) : 50

Polichlorek winylu : 20

Polipropylen : 15

Polietylen : 5

Poliamid : 5

Polimetakrylan metylu (PMMA) : 5

Dla obróbki tej mieszaniny, zastosowane zostało urządzenie opisanego rodzaju, w którym komora wstrząsania i mieszania ma pojemność wewnętrzną 85 litrów. Dla napędzania rotora wykorzystano silnik stanowiący trójfazowy silnik elektryczny ze zmieniaczem biegunowości, z maksymalną mocą 540 kW, zasilany napięciem 380V/50Hz, przy wartości cosinus φ = 0,85. Po czasie obracania rotora rzędu trzech minut, zauważa się gwałtowny wzrost poboru mocy przez masę poddaną wstrząsaniu i mieszaniu, po którym natychmiast następuje stabilizacja, na co wskazuje pik natężenia prądu doprowadzanego do silnika, osiągający maksymalną wartość rzędu 270 do 280 A przy wierzchołku piku. Czas trwania narastania natężenia prądu pomiędzy wartością początkową i wierzchołkiem piku, jak również późniejszego spadku natężenia (do ustabilizowanej wartości, która jest powyżej wartości początkowej), wynoszą obydwa około 5 sekund. Czas obrotu rotora mieści się w okresie około 10 do 20 sekund po stabilizacji natężenia prądu doprowadzonego do silnika napędzającego rotor, następnie rotor zostaje zatrzymany, a jednorodna masa w postaci pasty podobnej do żelu, powstająca w wyniku obróbki mieszaniny polimerów, zostaje bezpośrednio odzyskana.

Masa ta, albo bezpośrednio po odzyskaniu jej z komory obróbki, albo po jej zestaleniu przez ochłodzenie, poddana zostaje procesowi granulacji przez wytłaczanie w maszynie znanego typu, z filtrowaniem za pomocą wymiarowanego sita drucianego. Uzyskane w ten sposób granulki termoplastycznego materiału mają wymiar około 3 mm, całkowicie jednolity wygląd, nawet badania przeprowadzone są za pomocą szkła powiększającego. Granulki te są doskonale przystosowane do wykorzystania w przemysłowej maszynie formowania wtryskowego, w ten sam sposób jak granulki czystej termoplastycznej żywicy ABS, czyniąc możliwym uzyskanie części stanowiących wypraski o doskonałej jakości, które wykazują prawidłową izotropię mechanicznych i fizycznych właściwości.

Przykład II: Postępowanie jest takie samo jak w przykładzie 1, za wyjątkiem tego, że mieszanina termoplastycznych polimerów zostaje użyta jak surowiec, mający następujący przeciętny skład (w procentach wagowych):

Polietylen (mieszanina różnych części polietylenu o dużej gęstości i mahjl gęstościl : 45

Polistyren : 20

Polichlorek winylu : 20

Mieszanina dwóch równych części poliestru i poliamidu : 12

Polimetakrylan metalu (PMMA) : 3

Po czasie obracania rotora trwającym około 90 sekund zauważa się pik natężenia prądu doprowadzanego do silnika, osiągający maksymalną wartość rzędu 230 A. Czas obracania jest przedłużony w porównaniu do przykładu 1, o około 10 do 20 sekund po piku, zanim odzyska się masęjednorodną w postaci pasty podobnej do żelu, o konsystencji pseudoplastycznej, będącej wynikiem obróbki.

Następnie odbywa się granulacja poprzez wytłaczanie, z filtracją pasty, jak w przykładzie L

Jednorodne granulki termoplastycznego materiału w ten sposób otrzymane, nadają się do wykorzystania w przemysłowej maszynie formowania przemysłowego, w podobny sposób jak wykorzystuje się granulki czystej żywicy polietylenowej o dużej gęstości.

Należy zauważyć, że opisany proces jest doskonale przystosowany do uzyskiwania materiału termoplastycznego mającego określone właściwości, pośrednie pomiędzy różnymi

169 931 wyjściowymi polimerami i kopolimerami oraz, że możliwe jest zachowanie stałych właściwości finalnego produktu, nawet w przypadku zmian przeciętnego składu mieszanin stosowanych jako surowiec.

W praktyce konieczna jest tylko analiza materiałów wyjściowych i produktu finalnego, aby określić ilość polimerów termoplastycznych lub kopolimerów jednego lub kilku rodzajów, które mają być dodane do mieszanin wyjściowych, aby osiągnąć korekty niezbędne dla uzyskania produktu finalnego mającego wymagane właściwości i utrzymać te właściwości w przypadku zmiany składu surowca.

Do mieszanin termoplastycznych polimerów lub kopolimerów można w znany sposób dodać jakąkolwiek substancję lub mieszaniny substancji zdolne do ulepszania właściwości finalnego materiału termoplastycznego, na przykład plastyfikatory, środki stabilizujące, barwniki, wypełniacze, itp.

Fig.2

Fg. 3

169 931

Fig.5 ι3

169 931

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki niejednorodnych tworzyw sztucznych w jednorodny materiał termoplastyczny, w którym dostarcza się co najmniej dwa różne termoplastyczne polimery i kopolimery w stanie rozdrobnionym i poddaje się je obróbce wstrząsania i mieszania za pomocą środków mieszających i wstrząsających, znamienny tym, że obróbkę wstrząsania i mieszania przeprowadza się, z wykorzystaniem energii, do czasu wystąpienia szczytnego wzrostu energii zużywanej przez środki mieszające i wstrząsające i przerywa się tę obróbkę wstrząsania i mieszania po wystąpieniu wspomnianego szczytowego wzrostu zużywanej energii.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę wstrząsania i mieszania przerywa się po osiągnięciu stałej wartości zużycia energii po wystąpieniu szczytowego wzrostu zużywanej energii.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że obróbkę wstrząsania i mieszania przeprowadza się w komorze (2) zaopatrzonej w mechaniczne środki mieszające.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że środki mieszające stanowi rotor (6) zaopatrzony w łopatki (31, 32).
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę surowca zawierającego co najmniej dwa różne termoplastyczne polimery i kopolimery w stanie rozdrobnionym oraz co najmniej jeden materiał stały, który jest niemieszalny z termoplastycznymi polimerami i kopolimerami, przeprowadza się stosując co najmniej jeden etap filtrowania produktu otrzymanego po obróbce wstrząsania i mieszania, przy czym oddziela się cząstki materiału różnego od jednorodnego materiału termoplastycznego.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że otrzymany produkt poddaje się obróbce granulowania.