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Title:
METHOD FOR PROCESSING A POLYCONDENSATE IN A MULTI-SHAFT EXTRUDER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/036317
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for processing a polycondensate to give a granulate comprised of pellets is disclosed, whereby the polycondensate is fused in the course of the method and then later resolidified. Said method is characterised in that the total time during which the temperature of the polycondensate is above the melting point thereof is less than about 60 seconds. Said method is preferably carried out by means of a multi-shaft extruder, whereby the degassing and/or drying of the polycondensate in the solid state occurs at a pressure below atmospheric pressure and/or with addition of an inert gas. The time period, during which the polycondensate remains in the extruder, after being melted therein, amounts to less than about 15 seconds.

Inventors:
INNEREBNER FEDERICO (CH)
Application Number:
PCT/CH2001/000429
Publication Date:
May 10, 2002
Filing Date:
July 09, 2001
Export Citation:
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Assignee:
BUEHLER AG (CH)
CHRISTEL ANDREAS (CH)
SCHWEIKLE JUERGEN (CH)
INNEREBNER FEDERICO (CH)
International Classes:
B29B9/00; B29B9/06; B29B13/08; B29C48/76; B29C48/425; (IPC1-7): B29B13/08; B29B9/00; B29C47/76; B29C47/42; B29C47/68
Domestic Patent References:
WO2000032377A12000-06-08
WO1998040194A11998-09-17
Foreign References:
US5334669A1994-08-02
US5242993A1993-09-07
DE19536289A11997-04-03
EP0336520A11989-10-11
GB1375237A1974-11-27
EP0560033A11993-09-15
US4255295A1981-03-10
EP0788867A11997-08-13
DE19847103C11999-10-28
US3619145A1971-11-09
EP0588008A11994-03-23
Attorney, Agent or Firm:
BÜHLER AG (Patentabteilung Uzwil, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Verarbeiten eines Polykondensats zu einem aus Pellets bestehenden Granulat, wobei das Polykondensat im Verlaufe des Verfahrens aufge schmolzen und später wieder verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ge samtzeit, während der die Temperatur des Polykondensats im Verlaufe des Verfah rens über der Schmelztemperatur des Polykondensats liegt, weniger als etwa 60 Se kunden beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt zeit, während der die Temperatur des Polykondensats im Verlaufe des Verfahrens über der Schmelztemperatur des Polykondensats liegt, weniger als etwa 30 Sekunden beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Restwassergehalt in der Schmelze grösser als 200 ppm ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polykondensat ein Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Polykondensat in seiner Ausgangsform als Schüttmaterial mit einer Schüttdichte im Bereich von 200 kg/m3 bis 600 kg/m3 vorliegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Polykondensat in Form von Flocken oder Schnitzeln vorliegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polyethylenterephthalat um FlaschenRecyclat handelt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekenn zeichnet, dass das PolykondensatAusgangsmaterial vor dem Aufschmelzen teilweise vorgetrocknet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass es einen Entgasungsschritt zum Entfernen flüchtiger Verunreinigungen und/oder Zerfallsprodukte aus der Polykondensatschmelze aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufschmelzung des Polykondensats ein Zweiwellen oder MehrwellenExtruder, insbesondere ein RingExtruder, verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Polykondensat in den Extru der im festen Zustand eingebracht wird, das Polykondensat auf eine Temperatur un terhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird und das Polykondensat entgast und/oder getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasen und/oder Trocknen des Polykondensats im festen Zustand bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks und/oder unter Zugabe eines Inertgases erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtzeit, während der das Polykondensat im Verlaufe des Verfahrens als Schmelze vorliegt, einen ersten Zeitabschnitt, während dem das Polykondensat nach dem Aufschmelzen im Extruder noch im Extruder verweilt, und einen zweiten Zeitab schnitt, während dem das noch geschmolzene Polykondensat ausserhalb des Extru ders bearbeitet wird, aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des ersten Zeitabschnitts weniger als etwa 15 Sekunden beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des ersten Zeitabschnitts weniger als etwa 10 Sekunden beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeich net, dass die Bearbeitung des geschmolzenen Polykondensates ausserhalb des Extru ders eine Schmelzefiltration beinhaltet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeich net, dass die Bearbeitung des geschmolzenen Polykondensates ausserhalb des Extruders die Verwendung einer Schmelzepumpe beinhaltet.
Description:
Verfahren zur Verarbeitung eines Polykondensats in einem Mehrwellen-Extruder Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verarbeiten eines Polykondensats, insbesondere Polyethylenterephthalat (PET), zu einem aus Pellets bestehenden Gra- nulat, wobei das Polykondensat im Verlaufe des Verfahrens aufgeschmolzen und spä- ter wieder verfestigt wird.

Derartige Verfahren, insbesondere zur Verarbeitung von PET, sind bekannt. Das PET- Ausgangsmaterial stammt dabei direkt aus der PET-Synthese, oder man verwendet PET-Flaschenrecyclat (RPET), wobei man den aus der Flaschenwand stammenden RPET-Anteil bevorzugt, so dass man vorwiegend mit Schnitzeln bzw. Flocken (Flakes) arbeitet. Diese Schnitzel enthalten neben anderen ungewünschten Verunreinigungen stets geringe Mengen an Wasser, wobei es sich einerseits um nicht ausgetriebenes Restwasser vom Flaschenwaschprozess und/oder um neu eingedrungenes Wasser bei der Lagerung und dem Transport der Schnitzel handeln kann. Wenn nun diese Schnitzel aus RPET oder aber neues PET mit ihrem Wassergehalt zur Herstellung von Granulat im Extruder aufgeschmolzen werden, läuft die Kondensationsreaktion vor- wiegend in umgekehrter Richtung (Gleichgewichtseinstellung) ab und die Hydrolyse überwiegt, so dass die mittlere Kettenlänge, d. h. der Polymerisationsgrad, abnehmen, wodurch sich die Viskosität (angegeben als Viskositätszahl bzw. intrinsische Viskosität (IV)) des Polymers verringert. Dieser hydrolytische Abbau ist um so ausgeprägter je mehr Wasser und je mehr Zeit für die Abbaureaktion zur Verfügung stehen.

Bisherige Anstrengungen im Stand der Technik sind auf die Verringerung des Was- sergehalts gerichtet. Die übliche Vortrocknung strebt dabei geringe Werte des Was- sergehalts bis auf unter 100 ppm herab an (typischerweise etwa 30 ppm), um zu ver- hindern, dass bei der anschliessenden Aufschmelzung des PETs und/oder RPETs während der üblichen Verweilzeiten im geschmolzenen Zustand, in dem die Reakti- onsgeschwindigkeiten des Polykondensationsgleichgewichts nennenswert sind (ab ca.

180-190°C für PET), eine alizu starke Verringerung der IV stattfindet. Akzeptabel sind IV-Verringerungen um etwa 0,05 von ewta 0,80 auf etwa 0,75. Diese umfangreiche Vortrocknung benötigt relativ viel Zeit und Energie und verlangsamt das eingangs be- schriebene Verfahren, wenn ein kontinuierlicher Betrieb mit integrierter Vortrocknung angestrebt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren des Stands der Tech- nik derart zu gestalten, dass bei nur teilweiser Vortrocknung keine grössere IV- Verringerung als beim Stand der Technik eintritt.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelost. Indem man die Zeit, während der das zu verarbeitende Polykondensat in der Schmelze vorliegt und auf Schmelztemperatur oder darüber ist, auf weniger als 60 Sekunden begrenzt, hat das Polykondensat nicht mehr genug Zeit, um aufgrund seines relativ hohen Wasseranteils vorwiegend hydrolytisch zu reagieren. Somit kann auf die zeitraubende und energiein- tensive Vortrocknung zumindest teilweise verzichtet werden, und trotz des relativ ho- hen Wasseranteils im Ausgangs-Polykondensat tritt bei der Verarbeitung im Schmeiz- zustand deutlich weniger Hydrolyse auf. So kann z. B. bei PET bzw. RPET der IV-Abau auch bei einem relativ hohen Wasseranteil von etwa 600 ppm auf einem kleinen ak- zeptablen Wert gehalten werden.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Gesamtzeit, während der die Temperatur des Polykondensats im Verlaufe des Verfahrens über der Schmelztemperatur des Polykondensats liegt, unter etwa 30 Sekunden gehalten. Da- bei kann man sich erlauben, mit einem Restwassergehalt von mehr als 200 ppm (w/w) in der Schmelze zu arbeiten, ohne eine IV-Verringerung von mehr als 0,05 in Kauf nehmen zu müssen.

Für viele Anwendungen, bei denen das erfindungsgemäss hergestellte Granulat durch Spritzgiessen und Streckblasformen zu Behältern wie Getränkeflaschen weiterverar- beitet wird, kommt als Polykondensat/Polyester vorzugsweise Polyethylenterephthalat (PET) zum Einsatz.

Das Polykondensat kann in seiner Ausgangsform als Schüttmaterial mit einer Schütt- dichte im Bereich von 200 kg/m3 bis 600 kg/m3, insbesondere in Form von Flocken oder Schnitzeln vorliegen, wobei es sich typischerweise um Flaschen-Recyclat (RPET) handelt.

Vorzugsweise wird das Polykondensat-Ausgangsmaterial vor dem Aufschmelzen teil- weise vorgetrocknet. Dadurch kann durch Kombination einer wenig aufwendigen teil- weisen Trocknung und der kurzen Verweilzeit im geschmolzenen Zustand ein Endpro- dukt mit geringem IV-Abbau erhalten werden.

Bei einer speziellen Ausführung weist das Verfahren einen Entgasungsschritt zum Ent- fernen flüchtiger Verunreinigungen und/oder Zerfallsprodukte aus dem Polykondensat auf.

Für die Aufschmelzung des Polykondensats wird vorzugsweise ein Zweiwellen-oder Mehrwellen-Extruder, insbesondere ein RingExtruder, verwendet. Beim RingExtruder ist das Verhältnis zwischen den Oberflächen, an denen auf das zu verarbeitende Pro- dukt aktiv eingewirkt wird, und dem Volumen des zu verarbeitenden Produkts beson- ders gross, so dass bei vorgegebener Baulänge eine höhere Entgasungsleistung und engeres Verweilzeitspektrum und schliesslich. eine insgesamt kürzere Verweilzeit als bei herkömmlichen Doppelschnecken-Extrudern erreicht wird.

Vorzugsweise wird das Polykondensat in den Extruder im festen Zustand eingebracht, und das Polykondensat wird auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes er- wärmt, wobei das Polykondensat entgast und/oder getrocknet wird. Das Entgasen und/oder Trocknen des Polykondensats im festen Zustand erfolgt hier bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks und/oder unter Zugabe eines Inertgases.

Insbesondere zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren dadurch aus, dass sich die Gesamtzeit, während der das Polykondensat im Verlaufe des Verfahrens als Schmelze vorliegt, aus einem ersten Zeitabschnitt, während dem das Polykondensat nach dem Aufschmelzen im Extruder noch im Extruder verweilt, und aus einem zwei- ten Zeitabschnitt, während dem das noch geschmolzene Polykondensat ausserhalb des Extruders bearbeitet wird, zusammensetzt, wobei der erste Zeitabschnitt vorzugs- weise weniger als etwa 15 Sekunden beträgt. Besonders vorteilhaft ist eine Verweilzeit der Schmelze im Extruder von weniger als etwa 10 Sekunden.

Die Bearbeitung des geschmolzenen Polykondensats ausserhalb des Extruders kann den Schritt der Schmelzefiltration zur Abscheidung von Verunreinigungs-partikeln ent- halten. Zum Aufbau des notwendigen Druckes wird vorzugsweise eine Schmeizepum- pe eingesetzt. Dazu müssen die Schmeizepumpe und der Schmelzefilter so in den Prozess integriert werden, dass die erfindungsgemässe kurze Verweilzeit eingehalten wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung bevorzugter Beispiele und anhand der Figur, die jedoch nicht einschränkend aufzufassen sind.

Die Figur 1 zeigt die für einen IV-Abbau von 0,81 auf 0,76 zulässige Verweilzeit von PET im geschmolzenen Zustand als Funktion des Restwassergehalts der PET- Schmelze.

Bei allen Beispielen wurden Flakes (Flocken, Schnitzel) mit einem Eingangs IV-Wert von 0.81 und 0.6% Wassergehalt in einem 30mm-RingExtruder bei 300 rpm einer teil- weisen Vortrocknung unterzogen und aufgeschmolzen. Die Schmelze wurde entgast und durch eine Schmelzepumpe, einen Schmelzefilter und eine Strangdüse geführt und danach sofort abgekühlt. Die Schmeizetemperatur lag jeweils bei 285°C.

Beispiel 1 : Das Verfahren wurde derart betrieben, dass sich eine Verweilzeit in der Schmeize von 19 Sekunden ergab. Der IV-Wert des Granulates lag bei 0.76.

Beispiel 2 : Das Verfahren wurde derart betrieben, dass sich eine Verweilzeit in der Schmeize von 43 Sekunden ergab, was durch ein beheiztes Rohr zwischen Schmelzefilter und Düse erreicht wurde. Der IV-Wert des Granulates lag bei 0.69. Aus der berechneten Reaktionskinetik ! ässt sich der Restwassergehalt nach der Schmeizeentgasung berechnen, der für beide Versuche bei ca. 600 ppm liegt. Daraus ergibt sich auch der maximale hydrolytisch Abbau bei (unendlich) Ianger Verweilzeit, der einem IV-Abbau auf 0.52 entspricht.

Aus den oben gezeigten Versuchen wird ersichtlich, dass sich der hydrolytische Abbau von PET trotz einer hohen Restwassermenge in der Schmelze durch eine kurze Ver- weilzeit stark verringern ässt. Man erkennt, dass man auch mit nur teilweiser Vor- trocknung bei entsprechend kurzer Verweilzeit des PETs im Schmeizzustand einen akzeptablen IV-Abau von 0,05 erreicht.

In dem Diagramm der Figur 1 sind die zulässigen Verweilzeiten bei 285°C Schmelze- temperatur bei teilweiser Vortrocknung angegeben, die den IV-Abbau auf den für viele Anwendungen akzeptablen Wert von 0.05 beschränken. Wie eingangs erwähnt, muss im Gegensatz dazu beim Stand der Technik eine Vortrocknung auf unter 100 ppm an- gestrebt werden.