生产填充聚合物复合材料的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于生产填充聚合物复合材料的方法和装置，填充聚合物复合材料包含聚合基质材料和作为填充材料的纤维材料，聚合基质材料的主要部分优选地为回收聚合物废物。装置包括用于熔化聚合基质材料的第一挤出装置，第一挤出装置具有用于聚合基质材料的入口和用于熔化的聚合基质材料的出口。用于纯化熔化的聚合基质材料的熔体制备装置具有连接到第一挤出装置的出口的进口，以及用于纯化的聚合基质材料且连接到第二挤出装置的出口。

背景技术：

生产填充有纤维的聚合物的方法是从现有技术中已知的。例如，在文献EP2525951B1中，分别来自木材加工或纸和纸浆转换的纤维材料作为填充材料分别在反应器或切割压实机中与未熔化的基质材料混合并被传送到卸料装置中。为此目的，丝状的填充材料在低于熔点范围的温度下被掺入尚未被熔化的基质材料，例如，天然或合成的聚合物。

在印刷出版物US5,916,932A中，描述了使用回收材料从诸如高密度聚乙烯(HDPE)和纤维材料(例如玻璃纤维)的聚合物的挤出混合物生产复合材料。如上所述的复合材料可以用于制造例如铁路枕木。在制造工艺过程中既没有设想过聚合物的制备，也没有设想过聚合物的纯化。

进一步地，在文献DE102011117760A1中，描述了一种由回收聚烯烃和玻璃纤维束生产的材料，该材料同时也用于制造诸如铁路枕木的高负载成型体。对于材料的生产，合成材料先被粉碎，优选地与玻璃纤维混合，并且被造粒或凝聚。然后，混合物在例如170摄氏度和230摄氏度之间的温度下被挤出和再制粒。可选地，加工可以通过冷却型材工具直接产生固体型材，即无需再制粒。在这种情况下，同样既没有设想过起始材料的制备，也没有设想过起始材料的纯化。

为了能够从聚合物废物中去除例如金属碎片或类似杂质，在制备过程中通常必须清理被污染的固体聚合物废料。如果丝状的填充材料已经掺入尚未被熔化的聚合物废物，即文献EP2525951B1中的情况，那么之后，混合物在熔化后就不能再通过过滤来纯化，因为掺入的纤维会停留在过滤装置处，而过滤装置将很快堵塞。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种装置，在装置内可以分别制备和纯化聚合基质材料，特别是当聚合基质材料的主要部分为回收聚合物废物时，并且丝状的填充材料可以被引入聚合基质材料。进一步地，本发明的目的之一是提供一种填充聚合物复合材料的制造方法，填充聚合物复合材料包含聚合基质材料和作为填充材料的纤维材料，聚合基质材料的主要部分优选地为回收聚合物废物，其中聚合基质材料的制备和纤维的引入能够以结合的制造方法共同进行。

所述目的通过具有权利要求1中特征的装置和具有权利要求13中特征的方法实现。本发明的有利实施例在子权利要求中限定。

根据本发明的装置用于生产填充聚合物复合材料，填充聚合物复合材料包含聚合基质材料和作为填充材料的纤维材料，聚合基质材料的主要部分优选地为回收聚合物废物。根据本发明的装置包括：用于熔化聚合基质材料的第一挤出装置，用于纯化熔化的聚合基质材料的熔体制备装置，以及第二挤出装置，其中第一挤出装置具有用于聚合基质材料的入口和用于熔化的聚合基质材料的出口，熔体制备装置具有连接到第一挤出装置的出口的进口和用于纯化的聚合基质材料的出口。第二挤出装置包括连接到熔体制备装置的出口的熔体入口和布置在熔体入口上游的用于纤维材料的纤维材料入口，第二挤出装置具备至少一个脱气装置。

通过熔体制备装置，诸如金属碎片的固体杂质能够从熔化的聚合基质材料中被纯化掉。优选地，熔体制备装置包括过滤装置，例如，举例来说，旋转过滤器和/或可逆流动活塞过滤器。

在熔体制备装置中的纯化之后，聚合物熔体由具有可选的熔体泵的供应管线引导至第二挤出装置中。纤维材料在聚合物熔体的上游被引入第二挤出装置，由此纤维材料与聚合基质材料混合而没有破碎成小块，尽可能长地保持了纤维长度。进一步地，根据本发明的装置包含此优势：纤维材料仅在熔体制备装置的下游被添加到熔化的聚合基质材料。否则，混合有纤维的聚合物的纯化是不可能的。

聚合基质材料与供应的纤维材料的混合物还在第二挤出装置中脱气，因而提高了生产的复合材料的质量。

在本发明的范围内，各种合成材料可以分别被使用并加工为聚合基质材料。本发明特别适于下面类型的合成材料作为聚合基质材料：

-聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，

-聚丙烯(PP)，

-聚乙烯(PE)，

-聚酰胺(PA)，

-聚苯乙烯(PS)。

基本上，在本发明的范围内，各式各样的纤维材料均能够作为填充材料被引入聚合基质材料。无机和/或有机纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维和/或诸如来自亚麻的纤维的天然纤维，均可以被混合进聚合基质材料中。纤维材料能够分别以织物、铺网、垫子以及绒、带、粗纱、纤维长度为例如3mm的纤维片、和/或纤维长度为例如0.2mm的磨碎纤维的形式被供应到装置中。同样地，纤维材料可以由短纤维(纤维长度从0.1mm到1mm)，长纤维(纤维长度从1mm到50mm)、连续纤维(纤维长度大于50mm)或其结合组成。为此，纤维可以是纯净的或者已经与基质材料混合。由此，在本发明的范围内，举例来说，纤维增强的塑料废料也可以用作纤维材料。

通过本发明，特别是玻璃纤维绒也可以作为纤维材料进行加工。如文献DE19503632C1已经描述的，玻璃纤维绒含有对生产的复合材料具有积极效果的乙酸酯(acetate)和丙烯酸酯。玻璃纤维绒中包含的除玻璃纤维以外的那些成分在授予混溶性、增强刚度、提高断裂伸长率和/或提高抗冲击性等方面为生产的复合材料带来了具体积极的改性。

根据本发明的装置的特别有利之处在于，无论是对于聚合基质材料还是对于添加的纤维材料，均可以使用高比例的回收材料，由于该原因，使用根据本发明的装置可生产极其资源高效的复合材料。通过根据本发明的装置，可以加工回收聚合物废物含量高达且包括100％的聚合基质材料以及回收纤维废物含量高达且包括100％的纤维材料。

进一步地，根据本发明的装置既适于颗粒的生产，也适于复合材料的直接挤出。

而且，在本发明的范围内，使作为起始材料的聚合基质材料在被供应到第一挤出装置之前可选地经受进一步的制备步骤是可能的。为此目的，例如，可以在第一挤出装置的上游布置用于预处理聚合基质材料的至少一个凝聚器和/或至少一个切割压实机和/或至少一个SSP反应器(SSP：Solid State Polycondensation，即固相缩聚的简写)。在至少一个凝聚器和/或至少一个切割压实机和/或至少一个SSP反应器中，起始材料在真空下经受热处理。

为了提高所生产的复合材料的质量，根据本发明可以设置几个脱气装置，其中第二挤出装置包括位于布置在熔体入口下游的长度段内的第一脱气装置。第一脱气装置在熔化的聚合基质材料与纤维材料混合时使熔化的聚合基质材料脱气。另外，在第一脱气装置的下游设置第二脱气装置，第二脱气装置优选地布置在位于挤出机的区域内的位置处，该区域由第二挤出机的螺杆的长度和螺杆的直径的比值限定，其中螺杆的直径从上游的第一脱气装置处测量，而比值为15至20。所述第二脱气装置在聚合基质材料和纤维材料的混合物从第二挤出机装置卸料之前使聚合基质材料和纤维材料的混合物脱气，并且所述第二脱气装置特别是在重污染起始材料的情形下应用。如果必要的话，可以特别为特别重污染的或吸湿性的起始材料设置更多的脱气装置。在本发明的一个实施例中，第一挤出装置还包括脱气装置，通过该脱气装置，聚合基质材料在第一挤出装置中的熔化期间已经被脱气，因而使聚合物熔体的进一步处理更容易，特别是在熔体制备装置中的纯化过程中。

优选地，第二挤出装置配备有单独的驱动装置，并且，举例来说，既能够被设计为单螺杆挤出机，也能够被设计为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机具有沿相同或相反方向运行的平行或锥形挤出机螺杆。

在本发明的另一有利的设计变型中，装置进一步地包括强制装料系统，通过强制装料系统，纤维材料能够被供应到第二挤出装置。为了能够保证纤维材料的最佳计量添加，这可以通过所谓的强制供料来实现。例如，强制装料系统可以包括一个或几个双螺杆，在双螺杆的辅助下，纤维材料能够被一致地供应到第二挤出装置。

特别有利地，根据本发明的装置中的强制装料系统包括桥破碎装置和/或纤维粉碎装置和/或干燥装置。特别是当使用回收纤维废料时，不能保证供应的纤维的均匀的长度。由于不同的纤维长度，该材料特别容易在计量添加的区域内形成不期望的桥(bridge)。桥破碎装置用于避免通过计量添加的纤维材料形成桥以及因此导致的故障。同样适宜的是，为了能够保证纤维材料的最佳供应，适于将第二挤出装置的上游长度段内的挤出机螺杆的几何形状或螺纹深度构造为不同于第二挤出装置的剩余长度段内的挤出机螺杆，其中在第二挤出装置的上游长度段内供应纤维材料。

进一步地，也许必要的是，纤维材料在被供应之前还需要制备。为此目的，装置包括进一步的制备装置例如，粉碎装置和/或干燥装置。

粉碎装置例如研磨机、截断机或其类似物在使用回收纤维废料例如纤维垫子、纤维绒、织物或纤维增强合成材料的情形下是特别有利的，因为它们积累为相当大量的废物，例如在风车的制造过程中。纤维材料的预干燥对于吸湿性材料或湿纤维材料是特别有利的。

在本发明的一个特别坚固的设计变型中，在一个装置中强制装料系统配备有磨损保护。强制装料系统的有磨损保护的实施例可以通过使用粉末冶金处理的钢和/或设置硬化的、装甲的和/或具有斜脊的表面来实现，强制装料系统至少在特别敏感(neuralgic)的表面部分或者整个表面配备上述表面。

在根据本发明的装置中，强制装料系统有利地设有通过量控制器，其中供应的纤维材料的实际通过量可由通过量检测装置确定，通过量控制器将实际通过量与可选择的期望通过量进行比较并调节强制装料系统的材料通过量，以使实际通过量相对于期望通过量的偏差最小。如果设置螺杆以用于材料的强制运送，例如双螺杆，那么材料通过量的调节可以通过控制装料速度实现。

在根据本发明的装置的另一有利的实施例中，强制装料系统设有通过量控制器，通过量控制器对复合材料的实际密度进行测量，将测量的实际密度与可选择的期望密度进行比较，并调节强制装料系统的材料通过量，以使实际密度相对于期望密度的偏差最小。

在本发明的合适的先进的实施例中，在第二挤出装置的下游端处布置动态熔体混合器，通过动态熔体混合器，间隙是可调节的。因此，第二挤出装置的通过动态熔体混合器的延伸有利地在下游制粒装置的随后的制粒头的正前方实现。通过选择动态熔体混合器处的间隙，纤维材料的最大纤维长度是可调节的。

在本装置的进一步的实施例中，在将熔化且纯化的聚合基质材料与纤维材料的混合物供应到制粒单元或另一卸料装置的前面设置安全过滤单元，所述过滤单元的开口小于随其后布置的制粒模具或其他卸料开口的孔。但是，过滤单元的开口应该具有至少0.5mm的尺寸以使掺入的纤维不会被过滤出混合物。通过所述安全过滤单元，来自回收纤维材料的加工或者在加工过程中在挤出机中形成的块状堵塞物被过滤出聚合物-纤维混合物，因此增加生产稳定性。

进一步地，根据本发明的上述目的通过一种用于生产填充聚合物复合材料的方法实现，填充聚合物复合材料包含聚合基质材料和作为填充材料的纤维材料，聚合基质材料的主要部分优选地为回收聚合物废物(3)，方法包括下列步骤：

-将聚合基质材料引入第一挤出装置；

-在第一挤出装置中熔化聚合基质材料以及可选地使聚合基质材料脱气；

-通过优选地包括过滤装置的熔体制备装置纯化熔化的聚合基质材料；

-将熔化且纯化的聚合基质材料供给到第二挤出装置；

-在熔化且纯化的聚合基质材料的供应的上游将纤维材料引入第二挤出装置；

-在第二挤出装置中将纤维材料与熔化且纯化的聚合基质材料混合；

-在第二挤出装置中使熔化且纯化的聚合基质材料与纤维材料的混合物脱气。

根据本发明的装置的上述优势也类似地适用于根据本发明的制造方法。

在根据本发明的方法中，在第二挤出装置中，供应的纤维材料在熔化且纯化的聚合基质材料的供应的上游被适当地脱气和/或熔化且纯化的聚合基质材料与纤维材料的混合物被适当地脱气。

在方法的进一步有利的变型中，纤维材料通过强制装料系统被供应到第二挤出装置中，其中强制装料系统可选地设有通过量控制器。通过量控制器可以确定熔化且纯化的聚合基质材料的实际通过量，将实际通过量与可选择的期望通过量进行比较并调节强制装料系统的材料通过量，以使实际通过量相对于期望通过量偏差最小。可选地或作为补充地，通过量控制器可以对复合材料的实际密度进行测量，将测得的实际密度与可选择的期望密度进行比较并调节强制装料系统的材料通过量，以使实际密度相对于期望密度的偏差最小。

通过提供具有通过量控制器的强制装料系统，即使纤维材料的体积密度是未知的，也可以保证供应的纤维材料的量均依据预设的公式。

附图说明

本发明的进一步的细节、特征和优势将从下面对附图中示意性描述的示例性实施例的说明中变得明显。附图中：

-图1以工艺流程图示出了根据本发明的用于生产复合材料的装置，其中复合材料包含填充有纤维材料的聚合基质材料；

-图2示出了额外的设计变型。

具体实施方式

图1说明了根据本发明的用于由聚合基质材料4和纤维材料5生产复合材料7的装置1。为此目的，聚合基质材料2，特别是主要部分为回收聚合物废物3的聚合基质材料用作起始材料，该聚合基质材料分别在合适的制备或纯化之后作为纯化的聚合基质材料4和纤维材料5混合而形成混合物6。

装置1包括第一挤出装置10，第一挤出装置10具有用于聚合基质材料2的入口11，聚合基质材料2在第一挤出装置10中熔化，第一挤出装置10还具有用于熔化的聚合基质材料2的出口12。出口12连接到熔体制备装置40的进口41，熔化的聚合基质材料2在熔体制备装置40中被纯化。在所述实施例中，熔体制备装置40包括过滤装置45，其中，以举例的方式，可逆流动单活塞过滤器46(见图2)和/或连续转动过滤器47可以用作过滤装置45。熔体制备装置40的出口42直接或通过管线连接到第二挤出装置20的熔体入口26。第二挤出装置20在熔体入口26上游设有用于纤维材料5的纤维材料入口27。第二挤出装置20在其长度段22内具有布置在熔体入口26下游的第一脱气装置31。聚合基质材料2和纤维材料5在下游长度段22内彼此混合而形成复合材料7的混合物6。复合材料7在第二挤出装置20的下游端25处被卸料并且可选地，能够被进一步加工。

在图2所示的设计变型中，第二挤出装置20在第一脱气装置31下游还设有第二脱气装置32，第二脱气装置32位于挤出机的区域内，该区域由第二挤出装置20的螺杆24的长度L和螺杆24的直径的比值限定，其中螺杆24的直径从第一脱气装置31处测量，而比值为15至20。因此，特别重污染的回收废料也能被加工。在此，脱气装置31，32被基本相同地构造。

第一挤出装置10在随后的熔体制备装置40的上游也设有脱气装置30。

具有高含量聚合物废物3(包括生产和/或消费废物)的聚合基质材料2沿着箭头的方向被从贮存器8供应到第一挤出装置10的入口11，聚合基质材料2在第一挤出装置10中被熔化。在过滤装置45中被纯化之后，聚合物熔体4，即已经被纯化和熔化的聚合基质材料2，随后被引导入第二挤出装置20。如图2所示意性图示的，如果需要的话，可以为此目的在到达第二挤出装置20的供应管线中设有一个或几个熔体泵P。纤维材料5被引入到第二挤出装置20发生在第二挤出装置20的位于熔体入口26上游的上游长度段21内，聚合物熔体4通过熔体入口26被引入到第二挤出装置20。在第二挤出装置20的下游长度段22内，聚合物熔体4和纤维材料5混合为混合物6并通过脱气装置31，32脱气。将纤维材料5引入第二挤出装置20的有利之处在于纤维没有通过第一挤出装置10传送，因而没有被破碎成甚至更小的块以及甚至被进一步缩短。

此处，两个挤出装置10和20分别包括马达驱动装置M，马达驱动装置M在每个情形下都相互独立。

计量单元50起到根据可选择的或预设的公式通过计量使纤维材料5能够被精确地添加到第二挤出装置20中的作用。为此目的，提供一种强制装料系统55，在该情形下，强制装料系统55包括桥破碎装置56，纤维粉碎装置57以及干燥装置58，以避免由被错误计量的纤维材料5导致的可能的阻塞或故障。

进一步地，设有通过量控制器60，其中，在该情形中，熔化且纯化的聚合基质材料4的实际通过量通过通过量检测装置确定，通过量控制器60将实际通过量与可选择的期望通过量进行比较并据此调节强制装料系统55的装料速度。

进一步地，在第二挤出装置20的下游端25处设置动态熔体混合器70，由此实现了第二挤出装置20的在邻近的制粒装置80的制粒头的正前方的延伸。通过调节动态熔体混合器70处的间隙71，可以确定纤维材料5的最大纤维长度。

所描述的装置1及其可行的制造方法既适合于复合材料7的直接挤出，也适合于颗粒形式的复合材料7的生产。作为制粒装置80,例如此处所描绘的水环造粒装置的替代选择，条料造粒装置85也可以用作此目的,优选为自动化的条料造粒装置85。

另外，可能的是，如上面已经描述的，如果必要的话，使作为起始材料的聚合基质材料2在被供应到第一挤出装置10之前经受进一步的制备步骤，以及为此目的在例如凝聚器、切割压实机和/或SSP反应器中对聚合基质材料2进行处理。这些额外的单元没有在附图中明确地图示出。

同样地，如果必要的话，纤维材料5在被供应到第二挤出装置20之前可以经受进一步的制备步骤，例如可以通过桥破碎装置56，纤维粉碎装置57和/或干燥装置58被进一步地干燥和/或粉碎。

位置符号列表：

1 装置

2 聚合基质材料

3 回收聚合物废物

4 纯化的聚合基质材料的聚合物熔体

5 纤维材料

5a 回收纤维材料

6 聚合基质材料与纤维材料的混合物

7 复合材料

8 贮存器

10 第一挤出装置

11 第一挤出装置入口

12 第一挤出装置出口

20 第二挤出装置

21 第二挤出装置的上游长度段

22 第二挤出装置的下游长度段

23 脱气装置的位置

24 挤出机螺杆

25 第二挤出装置的下游端

26 熔体入口

27 纤维材料入口

28 复合材料出口

30 脱气装置(或者，分别地，31，32)

40 熔体制备装置

41 熔体制备装置的进口

42 熔体制备装置的出口

45 过滤装置

46 可逆流动单活塞过滤器

47 连续转动过滤器

50 计量单元

55 强制装料系统

56 桥破碎装置

57 纤维粉碎装置

58 干燥装置

60 通过量控制器

70 熔体混合器

71 间隙

80 制粒装置

85 条料造粒装置

90 安全过滤单元

L 挤出机螺杆24的长度

D 挤出机螺杆24的直径

M 马达驱动装置

P 熔体泵