Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse und ggf. Echtzeitkontrolle oder echtzeitnahen Kontrolle der Freisetzung von flüchtigen Verbindungen in einem Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren von Materialien, wobei die Materialien zur Verarbeitung erwärmt oder aufgeschmolzen und ggf. zusätzlich entgast werden. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Probenentnahme, leiten der Probe aufweisend die flüchtige Verbindungen zu einer Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen mit Messen und Analyse der flüchtigen Verbindungen und ggf., wenn erforderlich, Steuern und Regeln von Parametern des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren zur Maximierung der Freisetzung und Austragung dieser flüchtigen Verbindungen und damit zur Reduktion der verbleibenden oder auch Erhöhung durch gezielt dazugegebenen volatilen Substanzen im verarbeiteten Material. Darüber hinaus wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mit einer Prozesseinheit, insbesondere ein Extruder, zur Matenalverarbeitung, umfassend mindestens eine Einrichtung zur Probeentnahme von flüchtigen Verbindungen während der Verarbeitung sowie mindestens eine Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen und einer Steuereinrichtung der Matenalverarbeitung eingerichtet zur Steuerung, Optimierung und Regelung von Parametern der Materialverarbeitung auf Basis von Daten erhalten während der Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse von flüchtigen Verbindungen. Zudem ermöglicht die vorliegende Erfindung eine kontinuierliche Prozessüberwachung zur Qualitätskontrolle und echtzeitnahen Ausschleusung solcher erzeugten Materialien oder Rezyklate mit unerwünschter oder zu starker Kontamination der Inputströme. Stand der Technik

Bei Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren von Materialien, insbesondere bei Erwärmung oder Aufschmelzen dieser Materialien zur Verbesserung der Materialverarbeitung, werden flüchtige Substanzen oder flüchtige Verbindungen freigesetzt. Diese bei der Verarbeitung freigesetzten flüchtigen Verbindungen können unterschiedlichster Art sein. Es kann sich beispielsweise um gesundheitsschädigende oder umweltschädigende Verbindungen handeln als auch um geruchsaktive Substanzen, Rückstände aus der Matenalherstellung (z.B. Restmonomere, Katalysatorreste, Restlösemittel, etc), Substanzen in Rezyklaten (Zersetzungsprodukte, Druckfarbenreste, etc), Substanzen die in der Gebrauchsphase aufgenommen wurden (Aromen, Öle, Fette, Treibstoffe) oder ähnliches.

Häufig werden flüchtige Substanzen während der Verarbeitung mit Hilfe von Unterdrück entfernt, z. B. durch Vakuumentgasung.

Diese unerwünschten geruchsaktiven Substanzen und flüchtigen Verbindungen müssen möglichst umfassend während des Verarbeitungsprozesses entfernt werden, damit sie nicht zu einem späteren Zeitpunkt aus dem hergestellten Produkt selbst freigesetzt werden.

Insbesondere bei Extrusion gasen solche Verbindungen aus. In Abhängigkeit von den zu be- oder verarbeitenden Materialien können diese unterschiedlich stark mit den geruchsaktiven Substanzen und flüchtigen Verbindungen, die während des Verfahrens und aber auch nach der Herstellung ausgasen können, belastet sein. Entsprechend ist eine notwendige Qualitätskontrolle hiervon bereits während des Herstellungsverfahrens und in Bezug auf das Endprodukt möglichst notwendig.

Die bekannten Verfahren insbesondere bei der Qualitätskontrolle an den fertigen Endprodukten leiden dagegen daran, dass hierdurch keine Informationen über mögliche Kontamination des Inputstroms bei dem eigentlichen Herstellungsprozess erhalten werden. Entsprechend kann der Herstellungsablauf weder zeitnah überwacht noch beeinflusst werden.

Es gibt bereits verschiedene Lösungsansätze. Ein Problem ist hier allerdings, dass meist die Analyse der ausgasenden Emission der Verbindungen über Offlinemethoden erfolgt, d. h., keine zeitnahe Analyse der Emissionen während des Herstellungsverfahrens. Bekannte Offlinemethoden schließen ein die sogenannte Dreiecksprüfung nach DIN EN ISO4120, die Profilprüfung nach DIN EN ISO12299, sensorische Schnellmethoden VDA270 oder VDA 277 und 278 sowie ISO 16000-28.

Aus der DE 10 2007 061 666 B4 ist ein Verfahren für die Bestimmung von Materialeigenschaften bekannt. Dabei werden Materialeigenschaften eines Werkstücks während der Fertigung, z. B. mittels Extrusion, bestimmt. Insbesondere wird eine Analyse der bei der Herstellung eines Werkstücks in die Umgebungsluft diffundierten Gase beschrieben, wobei bei einem endlos hergestellten Strangprofil nach Verlassen einer Fertigungsstraße eine matenalabtragende Säumung oder Werkstückabtrennung erfolgt. Das abgetragene Material des Strangprofils wird im Wesentlichen kontinuierlich in einem Materialstrom abgeführt und separiert und Stichproben für die Analyse entnommen, sodass das Ergebnis der Analyse einem bestimmten Werkstück zuordbar ist. Das Verfahren erlaubt aber nicht eine Onlineanalyse während des Herstellungsverfahrens, insbesondere keine anschließende Steuerung und Optimierung sowie Regelung des Verfahrens.

Die EP 2 760 618 B1 beschreibt ein Verfahren mit einer Vorrichtung zum Entfernen von flüchtigen Bestandteilen aus polymerhaltigen Medien. Aus der EP 1 713 832 B1 ist eine Vorrichtung mit einem Verfahren zur Messung einer Polymerisationsreaktion durch Entnahme und Analyse einer Probe bekannt. Die EP 1 119 800 B1 beschreibt ein System zur Onlineinterferenz von physischen und chemischen Eigenschaften und Systemen zur Onlinesteuerung von Anlagen auf Basis von modellvorhersagenden Kontrollalgorithmen.

Patel, S. H. et al., 2001 , 20(1 ), 22 bis 41 , zeigt einen Überblick über die Verarbeitung von Polymeren und hier insbesondere die Emission von flüchtigen Verbindungen und deren Erkennung. Dabei werden allgemein die Verfahren beschrieben, wie insbesondere offline mögliche flüchtige Verbindungen analysiert werden. Üblicherweise werden entsprechende Analyseeinheiten nach dem Extruder geschaltet. Die DE 199 34 349 A1 beschreibt Analyseverfahren zur kontinuierlichen, analytischen Kontrolle von Polymeren, bei deren Herstellung oder Verarbeitung. Dabei wird das Extrudat nach Verlassen des Extruders mithilfe eines "Gasdoms" analysiert. Die DE 10 2010 042 958 A1 beschreibt eine Anlage und ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Preforms. Dabei erfolgt eine Bestimmung von flüchtigen Verbindungen nach Verlassen des Extrudats aus der Anlagensektion Schmelzerzeugung, dem Extruder. Gleiches gilt im Übrigen auch für die Offenbarung der US 2011/0154883 A1. In der DE 10 2007 029 010 A1 wird allgemein ein Verfahren zum Compoundieren von Polymeren beschrieben. Dabei wird der Einsatz von Schleppmitteln zum Verringern des Gehaltes an Restlösemitteln sowie Monomeren oder Oligomeren beschrieben.

Die Verfahren leiden aber alle darunter, dass sie entweder als Offlinemethoden durchgeführt werden oder dass die Analyse der flüchtigen Verbindungen und hergestellten Extrudaten nach Verlassen des Extruders erfolgt und insbesondere bei Extrusionsverfahren lediglich die Analyse des hergestellten Produkts im Nachgang erfolgt, nicht aber eine Echtzeit- oder Onlineanalyse und damit einhergehende Steuerung und Regelung des Verfahrens hin zu optimalen Betriebspunkten, bei denen auch bei variablen Inputströmen jeweils ein Maximum an flüchtigen Verbindungen entfernt wird.

Das heißt, umweltschädliche und gesundheitsschädliche Substanzen einschließlich geruchsaktiver Substanzen können mit den existierenden Verfahren nur zu einem späteren Zeitpunkt analysiert und werden, sodass eine direkte Beeinflussung der Emission dieser nicht während des Herstellungsverfahrens beeinflusst werden kann. Insbesondere bei modernen Verfahren in denen Rezyklate eingesetzt werden, wie Kunststoffrezyklat oder Kompositrezyklat, stellen diese unangenehmen Gerüche einen großen Nachteil dar und limitieren entsprechend den Einsatz dieser in verschiedenen Branchen. Dieses hat zur Konsequenz, dass die erhaltenen Extrudate bzw. Granulate oder die hergestellten Produkte, wie Verpackungen, zwischengelagert und erst nach Analyse dieser Produkte auf mögliche belastende Substanzen für die weitere Verwendung freigegeben werden. Dies bedeutet einen hohen Lagerbestand und die mögliche Vernichtung großer Mengen an hergestellten Produkten. Außerdem können diese Einzelanalysen als Stichproben nicht mögliche chargenbedingte Veränderungen über den Produktionsprozess z.B. durch variable Inputströme widerspiegeln.

Verfahren zur Reduktion von ausgasenden Substanzen, wie flüchtigen Verbindungen, sind im Stand der Technik bekannt. So wird zur Reduzierung des Geruchs von Kunststoffen Schleppmittel, z. B. in Form von Granulaten oder in fluider Form, z. B. Wasser, Kohlenstoffdioxid, während des Bearbeitungsverfahrens eingespeist. Mithilfe dieser Schleppmittel können die Substanzen aus dem Prozess geschleppt werden, z. B. mit Hilfe entsprechender Unterdruckeinrichtungen. Die Steuerung hiervon, insbesondere die Überprüfung der Effektivität hiervon, erfolgt allerdings, wie oben beschrieben, lediglich durch nachgelagerte Offlineverfahren, die darüber hinaus mit einem hohen Arbeitszeitaufwand verbunden sind. Andere Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung während des Extrusionsprozesses begrenzen sich auf die Analyse der Schmelze mittels Nahinfrarotspektroskopie.

Es besteht daher Bedarf, Verfahren bereitzustellen, die eine Echtzeit- oder Onlineanalyse der ungewünschten Substanzen im zu bearbeitenden Material und dem daraus hergestellten Produktwährend des Verarbeitungsverfahrens erlaubt, um entsprechend Verfahrensparameter zu steuern und zu optimieren. Insbesondere, so dass optimale Prozessfenster oder konkrete Betriebspunkte, gefunden und eingeregelt werden können, bei denen auch bei variablen Inputströmen jeweils ein Maximum an flüchtigen Verbindungen entfernt wird, so dass ein Minimum dieser im Endprodukt verbleibt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft geeignete Verfahren zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse und ggf. Echtzeitkontrolle oder echtzeitnahen Kontrolle der Freisetzung von flüchtigen Verbindungen in einem Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren von Materialien, wobei diese Materialien zur Verarbeitung erwärmt und/oder aufgeschmolzen und/oder entgast werden, umfassend die Schritte:

- Probenentnahme flüchtiger Verbindungen an mindestens einer Position der Prozesseinheit des Verfahrens;

- Leiten dieser flüchtigen Verbindungen zu einer Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen;

- Messung und Analyse der flüchtigen Verbindungen;

- ggf. Steuern von Parametern des Verfahrens zur maximalen Entfernung dieser flüchtigen Verbindungen oder zur Minimierung/Maximierung der verbleibenden/zugegebenen flüchtigen Verbindungen in dem erhaltenen Produkt des Verfahrens,

- Probenentnahme flüchtiger Verbindungen in einer Entgasungszone der Prozesseinheit dieser Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren.

Ein weiterer Schritt kann ggf. auch das Verwerfen des Produktes sein. Falls der Inputstrom zu viele kritische Substanzen enthält, zeigen sich diese im erfindungsgemäßen Inline-Verfahren unmittelbar und direkt. Das Produkt kann damit unmittelbar im Rahmen der online Qualitätskontrolle aussortiert werden. Dagegen erlaubt die nachgelagerte Offline-Analyse des Standes der Technik lediglich eine stichprobenartige Kontrolle, so dass die Erfassung kritischer Substanzen der Statistik der Probenentnahme unterliegen und daher auch untergehen können.

Das erfindungsgemäß Verfahren ist insbesondere geeignet bei der Verarbeitung der Materialien in Form einer Extrusion dieser, z. B. von kunststoffhaltigen Materialien, insbesondere Rezyklaten.

Das entsprechende Analysesystem für die flüchtigen Verbindungen, im Folgenden auch als Gasanalysesystem bezeichnet, umfasst dabei eine Einrichtung zur Probenentnahme der flüchtigen Verbindungen an mindestens einer Position des Verarbeitungsverfahrens. Darüber hinaus umfasst es eine Analyseeinrichtung, wie einen Gaschromatrographen, wobei die mit Hilfe des Gaschromatographen erhaltenen Informationen ggf. mit Hilfe einer Steuereinrichtung zum Steuern von Parametern und Regeln des Verarbeitungsverfahrens genutzt werden.

In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Matenalverarbeitung mit einer Prozesseinheit, insbesondere einem Extruder, diese Vorrichtung umfasst neben dem eigentlichen Verarbeitungsraum, z. B. bei einem Extruder die entsprechende Extrusionskammer (Verfahrensteil), mindestens eine Einrichtung zur Probenentnahme flüchtiger Verbindungen während des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens, mindestens eine Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen, wobei diese Analyseeinrichtung mit einer Einrichtung zur Probenentnahme leitend verbunden ist; eine Steuereinrichtung des Verarbeitungsverfahrens eingerichtet zur Steuerung und Regelung von Parametern des Verarbeitungsverfahrens auf Basis von Daten erhalten durch die Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse von flüchtigen Verbindungen.

Das heißt, die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer Ausführungsform einen Extruder mit einem erfindungsgemäßen Gasanalysesystem, wie beschrieben, wobei die Einrichtung zur Probenentnahme flüchtiger Verbindungen vor dem Auslass des Extruders, d.h. innerhalb des Compoundier- bzw. Recyclingprozesses angeordnet ist.

Beschreibung der Figuren

Figur 1 - eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einer

Ausführungsform.

Figur 2 - schematischer Ablauf des Verfahrens mit Hilfe eines

Fließdiagramms. Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse und ggf. echtzeitnahen Kontrolle der Freisetzung von flüchtigen Verbindungen in einem Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren von Materialien, wobei diese Materialien zur Verarbeitung erwärmt oder aufgeschmolzen und ggf. zusätzlich entgast werden, umfassend die Schritte:

Probenentnahme flüchtiger Verbindungen an mindestens einer Position der Prozesseinheit des Verfahrens;

Leiten dieser flüchtigen Verbindungen zu einer Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen;

Messung und Analyse der flüchtigen Verbindungen; ggf. Steuern und regeln von Parametern des Verfahrens zur Entfernung dieser flüchtigen Verbindungen oder zur Minimierung der verbleibenden flüchtigen Verbindungen dieser in dem erhaltenen Produkt des Verfahrens, wobei die Probenentnahme flüchtiger Verbindungen in einer Entgasungszone der Prozesseinheit dieser Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren erfolgt.

In einem Aspekt der Erfindung erfolgt dabei weiterhin eine Erhöhung von volatilen Verbindungen durch einbringen dieser Verbindungen, z.B, ein Desodorisieren durch Einbringen von Duftstoffen oder Hemmstoffen von Gerüchen etc.

Vorliegend wird unter „Echtzeitanalyse“ verstanden, dass die entnommene Probe über eine leitende Verbindung unmittelbar der Analyseeinrichtung zugeführt wird, und diese dort unmittelbar gemessen und analysiert wird.

Unter dem Ausdruck „echtzeitnah“ wird verstanden, dass zwischen Probenentnahme und Erhalt der Analyse ein Zeitraum von maximal 20 Minuten, wie maximal 10 Minuten, vorzugsweise auch weniger wie 8 Min, 6 min, 5 min oder weniger, liegt.

Unter dem Ausdruck „flüchtige Verbindungen“ werden Substanzen und Verbindungen verstanden, die bei Raumtemperatur oder bei Erwärmung oder bei Aufschmelzen bis zur Verarbeitungstemperatur aufgrund ihres niedrigen Dampfdrucks bzw. niedriger Siedetemperatur flüchtig sind, d. h., aus dem Material entgasen. Üblicherweise handelt es sich hierbei um kleine Moleküle, z. B. kurzkettige organische Substanzen. Diese flüchtigen Verbindungen entweichen dabei in fluider Form, d. h., als Eluat, in liquider oder gasförmiger Form. Flüchtige Verbindungen umfassend dabei insbesondere leichtflüchtige organische Verbindungen, die bereits aufgrund niedriger Siedetemperaturen niedrigerem Dampfdruck bei geringeren Temperaturen aus dem Material entgasen.

Unter dem Ausdruck „Messung und Analyse“ und insbesondere unter dem Ausdruck „Analyse“ fallen unterschiedliche Formen von erhaltenen Informationen oder Daten.

Unter dem Ausdruck „aufschmelzen“ oder „aufgeschmolzen“ wird vorliegend eine Matenalbearbeitung verstanden, bei der die Viskosität des Materials durch Zufuhr von Energie durch Wärme oder Strahlung verringert und das Material fließfähiger wird.

Die Analyse kann einerseits eine Bestimmung der Substanzen an sich sein, d. h., eine Bestimmung der freigesetzten flüchtigen Verbindungen als solche. Die Analyse kann aber auch eine semi-quantitative oder quantitative Analyse der bestimmten freigesetzten Substanzen sein. Dabei kann die Analyse eine vollständige Bestimmung der freigesetzten flüchtigen Verbindungen umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Analyse eine Bestimmung von Modellsubstanzen beinhalten, die stellvertretend für eine Substanzgruppe stehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auf Basis des eingesetzten Gasanalysesystems eine schnelle Bestimmung der flüchtigen Verbindungen, um darauf aufbauend die Reduzierung der Freisetzung dieser flüchtigen Verbindungen, insbesondere zu einem späteren Zeitpunkt sicher zu stellen, bzw. ein Verbessern des Entfernens dieser flüchtigen Verbindungen einschließlich geruchsaktiven Substanzen während des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens zu ermöglichen.

Dieses kann, wie unten näher erläutert, mit Hilfe von Schleppmitteln oder Extraktionsmitteln erfolgen und gesteuert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund der Möglichkeit der Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse, die für die Verarbeitung und den Einsatz der hergestellten Produkte negativ beeinflussenden Substanzen, wie unangenehmer Geruch etc., verringert werden können.

In einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren von Materialien ein Extrusionsverfahren. Unter dem Ausdruck „Extrusionsverfahren“ werden alle Arten von Extrusionsverfahren verstanden, einschließlich der Compoundierung, dem Recycling oder der Profil-, Folien und Faserherstellung mittels Extrusion. In einer Ausführungsform ist das Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahren somit eine Compoundierung, die mit Hilfe eines Extruders aber auch mit anderen bekannten Verfahren durchgeführt werden kann. Compoundieren bedeutet üblicherweise die gezielte Herstellung bestimmter Matenalzusammensetzungen durch Beimischung von Zuschlagstoffen mit entsprechender Aufbereitung des Rohstoffes zur Herstellung des gewünschten Produkts aus den entsprechenden Ausgangsmatenalien.

In einer Ausführungsform ist das Verfahren eines, wobei mindestens eine Probenentnahme zur Analyse der flüchtigen Verbindungen vor der Extruderdüse erfolgt. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Analyse der flüchtigen Verbindungen und schädlichen Verbindungen im Extrudat nach dem Extruder, d.h. sozusagen offline erfolgt, erlaubt die frühzeitige Online- oder Inlineanalyse eine schnelle Steuerung und Regulierung von sowohl den entsprechenden zugeführten Materialien als auch der eingesetzten Schlepp- und Extraktionsmittel.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Materialien schließen insbesondere Kunststoffe ein. In einer Ausführungsform sind die zu verarbeitenden Materialien Kunststoffe oder kunststoffenthaltende Zusammensetzungen, wie Komposite. In einer Ausführungsform sind dabei diese Materialien Rezyklate, die entsprechend durch das Verarbeitungsverfahren aufgearbeitet und in neue Produkte umgeformt werden.

Im Rahmen der Extrusion werden üblicherweise Granulate hergestellt, die dann in entsprechenden Verarbeitungsmaschinen, wie Spritzgussmaschinen, etc., weiterverarbeitet werden. Ein anderes Produkt der Extrusion sind Profile, Fasern, Schäume oder Folien. In einer Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Verarbeitungsverfahren von kunststoffaufweisenden Materialien in Form einer Extrusion verwendet, um aus Rezyklaten als Zwischenprodukte aufgearbeitetes Granulat zu erhalten.

In einer Ausführungsform erfolgt die Probenentnahme der flüchtigen Verbindungen in einer Entgasungszone dieses Verarbeitungsverfahrens. Z. B. weisen Extruder mindestens eine Entgasungszone auf, in der flüchtige Verbindungen dem Verfahren entzogen werden. In einer Ausführungsform erfolgt dabei die Probenentnahme in der letzten Entgasungszone des Extruders vor Austritt des Herstellungsprodukts, üblicherweise Extrudate oder Granulate.

Extrusionseinrichtungen weisen häufig Entgasungszonen zum Entfernen flüchtiger Verbindungen auf. Diese Entgasung erfolgt üblicherweise durch Anliegen von Unterdrück, z. B. durch geeignete Vakuumentgasung oder durch eine atmosphärische Entgasung.

Dem Fachmann sind entsprechende Einrichtungen und Verfahren bekannt. Die Entnahme der flüchtigen Verbindungen als Probe zur Analyse dieser erfolgt dabei in einer Ausführungsform beim Entgasen der in Verarbeitung befindlichen Materialien, z. B. aus dem Extruder.

Wie gesagt, Extruder beinhalten meist mehrere Entgasungszonen, um die flüchtigen Bestandteile dem aufgeschmolzenen Material zu entziehen. Die Entgasung wird durch eine Vakuumpumpe gewährleistet und gesteuert.

Entgasungsstellen können gleichzeitig zur Einspeisung von Schleppmitteln oder Extraktionsmitteln, wobei diese Begriffe überlappend sind, genutzt werden. Der Einsatz von Schleppmitteln zum Entfernen dieser flüchtigen Bestandteile aus der Schmelze ist bekannt. Übliche Schleppmittel umfassen dabei N2, CO2 oder auch (feuchte) Luft. Diese nehmen die ausgasenden Substanzen auf und transportieren sie im Schleppmittelstrom hin zur Entgasungs- oder Austrittsöffnung. Als Extraktionsmittel kommen insbesondere auch überkritisches CO2 (Druck > 73,8 bar und Temperatur > 31 ,1 °C) oder auch Lösemittel in Betracht. Da diese Extraktionsmittel auch in die Dampfphase übergehen können und dabei die gelösten Substanzen „mitschleppen“ werden die Begriffe und Prozesse der schleppmittelunterstützten und extraktiven Extrusion im Folgenden synonym verwendet.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren die Entnahme der flüchtigen Verbindungen direkt oder aufgenommen und enthalten im Schlepp- bzw. Extraktionsmittel und leiten dieser flüchtigen Verbindungen zu der Analyseeinrichtung unter Anlegung von Unterdrück, z. B. mit Hilfe von Vakuum. Die Analyseeinrichtung ist in einer Ausführungsform ein Gaschromatograph mit möglicher anschließender Detektion. In einer Ausführungsform erfolgt die Zufuhr der Probenmenge unter Vakuum zu dem Gaschromatographen und hier mit einem passenden Detektor, z. B. mit einem Flammionisationsdetektor oder mit Hilfe von einem Massenspektrometer.

Das Verfahren umfasst weiterhin in einer Ausführungsform die Steuerung und Regelung von Parametern des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens auf Basis der in der Analyse bestimmten flüchtigen Verbindungen. Diese erfindungsgemäße Steuerung und Regelung kann dabei die Zufuhr von geeigneten Schleppmitteln und/oder Extraktionsmitteln beinhalten, um die flüchtigen Verbindungen in dem Prozessprodukt zu verringern bzw. die Ausgasung der flüchtigen Verbindungen einschließlich der geruchsaktiven Verbindungen aus dem Material während der Bearbeitung zu erhöhen. Die Steuerung und Optimierung erlaubt dabei die Reduktion des Gehalts an flüchtigen Verbindungen im Material durch die entsprechende Zuleitung von Schleppmitteln und/oder Extraktionsmitteln. Durch die echtzeit- oder echtzeitnahe Analyse wird also praktisch ein Regelkreis geschlossen, der die Optimierung der Prozessparameter zur maximalen Entgasung erlaubt und gleichzeitig auch zur Prozessüberwachung ein Monitoring der volatilen Substanzen während des Herstellungs-, Verarbeitungs- oder Recyclingprozesses ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt zudem die kontinuierliche Überwachung der Extrusions- und Recyclingprozesse. Durch das kontinuierliche Monitoring der Zusammensetzung der entgasenden oder der im Schlepp- oder Extraktionsmittel enthaltenden Substanzen können im Prozess auch zu stark kontaminierte Inputströme erfasst und die daraus erzeugten Materialien/Rezyklate ausgesondert werden. Die eingebrachten Schlepp- und Extraktionsmittel können dabei als Träger für die zu analysierenden Substanzen dienen.

Die Zuleitung der Schleppmittel und/oder Extraktionsmittel kann durch mindestens eine der Entgasungsstellen der Prozesseinheit, insbesondere des Extruders, erfolgen.

Um insbesondere die Effektivität der Extraktionsmittel und Schleppmittel zu steuern, ist es vorteilhaft die Probenentnahme für die erfindungsgemäße Echtzeitanalyse mindestens an der letzten Entgasungszone durchzuführen.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Schleppmittel und/oder Extraktionsmittel in den Extruder über eine Öffnung des Extruders z. B. mit Hilfe von entsprechenden Einlassvorrichtungen, üblicherweise entsprechend gesteuerte und regulierte Einlassventile oder Einspritzventile für das Schlepp- oder Extraktionsmittel eingebracht. So können die Schlepp- oder Extraktionsmittel über diese entsprechenden Einlässe in den Extruder eingebracht und an einer zweiten Öffnung wieder entnommen werden. Die Schlepp- oder Extraktionsmittel werden dabei derart in das System des Extruders eingebracht, dass sie sich sowohl in der Schmelze (insbesondere im Falle der Extraktionsmittel wie superkritisches CO2) als auch um die Schmelze herum (insbesondere im Falle eines Schleppmittels wie Luft oder N2) im Leerraum des Extruders befinden, d. h., z. B. die Schmelze entsprechend im Compounderprozess überlagern. Dabei kann in einer Ausführungsform die Strömungsrichtung der entsprechenden Extraktionsmittel oder Schleppmittel gleich der Strömungsrichtung der Schmelze sein. Alternativ kann die Strömungsrichtung (Gleichstrom) auch in entgegengesetzter Richtung der Schmelzefließrichtung (Gegenstrom) liegen. Dabei kann die Strömungsrichtung des Schleppgases oder Extraktionsmittels von der Position der Zuführung und Absaugung abhängen. In einer Ausführungsform können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass das eingesetzte Schleppgas oder Extraktionsmittel nach Entnahme aus dem Prozess analysiert und auf flüchtige Bestandteile untersucht wird. Extraktionsmittel und/oder Schleppmittel können auch mehrfach dem System zugeführt werden, dabei können identische oder unterschiedliche Schleppmittel und/oder Extraktionsmittel sowohl an gleichen als auch unterschiedlichen Positionen zugeführt werden.

In einer Ausführungsform ist das Verfahren dabei eines, bei dem der Prozess selbst an die Verfahrensaufgabe adaptiert wird oder die Prozesslänge bzw. Prozessdauer im Extruder verlängert ist, um im Extruder die Menge an flüchtigen Verbindungen, insbesondere von umweltschädigenden oder gesundheitsschädlichen Verbindungen zu verringern und Extrudate zu erhalten, die anschließend unmittelbar weiterverarbeitet werden können. Dabei ist es erfindungsgemäß weiterhin möglich, zwei oder mehr aufeinanderfolgende Extruder einzusetzen, um z. B. unterschiedliche Schleppmittel zum Entfernen der flüchtigen Verbindungen einzusetzen. Dabei kann z. B. in einem ersten Bereich eines verlängerten Extruders oder in einem ersten Extruder bei Vorhandensein mehrerer Extruder eine Art von Schlepp- oder Extraktionsmittel, z. B. ein polares Schleppmittel, wie Wasser, eingesetzt werden, während im sich anschließenden Bereich oder im zweiten oder weiteren Extruder ein unpolares Schleppmittel, wie überkritisches CO2 etc. eingesetzt wird. Zudem kann die Erfindung dazu genutzt werden, im ersten Schritt zu analysieren was an unerwünschten volatilen Substanzen enthalten ist, während im zweiten Schritt diese dann durch ein darauf spezialisiertes Schleppmittel entfernt werden.

Geeignete Extraktions- und Schleppmittel schließen Luft-, Wasser, CO2, insbesondere überkritisches CO2 und N2 ein. Die Extraktions- oder Schleppmittel können dabei weiterhin mit Additiven, wie Tensiden, bereitgestellt werden, um die Schlepp- oder Extraktionseigenschaften zu verbessern. In einer Ausführungsform kann somit das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen der flüchtigen Verbindungen kaskadierend erfolgen. Hierbei wird unter "kaskadierend" verstanden, dass im ersten Schritt die Prozessparameter unspezifisch auf eine maximale Reinigungsleistung ausgelegt werden, während im zweiten Schritt gezielt auf einzelne z.B. geruchsaktive oder toxische Substanzen „geschossen“ wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, unmittelbar und während des laufenden Prozesses mit Hilfe der Extraktionsmittel und/oder Schleppmittel auf Basis der Echtzeitanalyse der flüchtigen Verbindungen in den Verfahrensprozess einzugreifen und entsprechend die Entfernung der flüchtigen Verbindungen gezielt zu optimieren bzw. umgekehrt die im Produkt verbleibenden flüchtigen Verbindungen während des Extrusionsprozesses und in dem Prozessprodukt zu verringern.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Echtzeitanalyse der flüchtigen Verbindungen, insbesondere der geruchsaktiven Substanzen während der Verarbeitung, um so effektiv und schnell Verfahrensparameter zu optimieren, zu steuern und zu regeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Reduzierung des Arbeits- und Zeitaufwandes und eignet sich insbesondere im Rahmen des Kunststoffrecyclings aber auch bei der Aufarbeitung und Entwicklung von Verbundwerkstoffen bzw. gefüllten Kunststoffen, wie WPC und anderen Cellulosefaser verstärkten Verbundwerkstoffen, die Prozesse zu steuern und zu optimieren.

Parameter, die erfindungsgemäß zur Steuerung genutzt werden können, umfassen neben dem Einsatz der Schlepp- und Extraktionsmittel auch Parameter wie Temperatur, Drehzahl, Drücke, Füllgrad, Verweilzeiten und andere Prozessparameter des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens selbst, auch die entsprechenden zugeführten Mengen und Arten der genannten Schlepp- und/oder Extraktionsmittel sowie die mögliche Compoundierung anderer Additive, die entsprechend die spätere ungewünschte Freisetzung der flüchtigen Verbindungen aus dem Prozessprodukt beschränken. Hierzu zählen auch solche Verbindungen wie Geruchsabsorber usw.

Die Extraktions- und Schleppmittel können dabei zusätzliche Eigenschaften und Funktionen aufweisen bzw. erfüllen. Solche schließen das Desinfizieren und Sterilisieren während des Verarbeitungsverfahrens ein, aber auch das allgemeine Reinigen oder Entfärben.

In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Matenalverarbeitung mit einer Prozesseinheit, insbesondere Extruder, umfassend mindestens eine Einrichtung zur Probenentnahme flüchtiger Verbindungen während der Verarbeitung; mindestens eine Analyseeinrichtung zur Echtzeit- oder echtzeitnahen Analyse der flüchtigen Verbindungen, wobei diese Analyseeinrichtung mit einer Einrichtung zur Probenentnahme leitend verbunden ist; eine Steuereinrichtung des Verarbeitungsverfahrens, eingerichtet zur Steuerung und Regelung von Parametern des Verarbeitungsverfahrens auf Basis von Daten erhalten durch die Echtzeitanalyse oder echtzeitnahen Analyse der Schlepp- und Extraktionsmittel mit den darin enthaltenden flüchtigen Verbindungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Materialverarbeitung kann insbesondere ein Extruder sein, wobei dieser Extruder eine entsprechende Gasanalyseeinrichtung mit der Einrichtung zur Probenentnahme und der Einrichtung zur Analyse mit entsprechenden Zonenableitungen aufweist. Neben dieser Gasanalyseeinrichtung liegt erfindungsgemäß eine Steuereinrichtung zur Steuerung und Regelung des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens vor. Diese Steuereinheit erlaubt dabei die Prozessparameter der Vorrichtung, z. B. des Extruders, zu optimieren, zu steuern und zu regeln, andererseits ermöglicht diese Steuereinrichtung die Zufuhr von Schleppmitteln oder Extraktionsmitteln an entsprechend vorbestimmten Positionen der Vorrichtung zur Materialverarbeitung, wie dem Extruder.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorrichtung dabei eine, wobei die Prozesseinheit mindestens einen Extruder umfasst und mindestens eine Einrichtung zur Probenentnahme flüchtiger Verbindungen vor der Auslassdüse des Extruders angeordnet aufweist. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung dabei erfindungsgemäß zwei oder mehr Extruder aufweisen. Diese Extruder weisen entsprechende Einrichtungen zur Probenentnahme und ggf. Einrichtungen zum Einbringen von Schlepp- und/oder Extraktionsmitteln in die Prozesseinheit, insbesondere den Extruder, auf. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung dabei erfindungsgemäß eine oder mehrere Zuführpunkte des Schleppmittels und eine oder mehrere Entnahmestellen des mit den erfassten flüchtigen Substanzen beladenen Schleppmittels enthalten. Die Einrichtungen zur Probenentnahme flüchtiger Verbindungen sind dabei derart ausgebildet, dass sie vor der Auslassdüse des entsprechenden Extruders erfolgt. Bei Vorliegen mehrerer Extruder können diese sowie die zugehörigen Extrusions- oder Recyclingprozessparameter über eine Steuer- und Regeleinheit oder mehrere Steuer- und Regeleinheiten zur maximalen und gezielt optimierten Aufreinigung des Extrudats gesteuert und geregelt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer Ausführungsform dabei mindestens eine Analyseeinrichtung zur Echtzeitanalyse der flüchtigen Verbindungen, wobei diese eine Gasdetektionseinheit umfasst. Die Detektionseinheit kann dabei ein Flammionisationsdetektor oder ein Massenspektrometer sein.

Die Einrichtung zum Einbringen von Schlepp- und/oder Extraktionsmitteln in die Prozesseinheit, insbesondere den Extruder, kann dabei z. B. mit der Entgasungszone der Einheit, wie dem Extruder, gekoppelt sein. Ebenso ist es möglich, dass das Extraktions- oder Schleppmittel an anderer Stelle im Prozess zugegeben werden als die Einrichtung zur Probennahme. In einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Probenentnahme an der letzten Entgasungszone eines Extruders angeordnet und diese Einrichtung zur Probenentnahme ist leitend mit einem Gaschromatographen verbunden. Weiterhin liegt mindestens eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks und Probenentnahme und Führen der Probe zur Analyseeinrichtung und ggf. Abziehen flüchtiger Verbindungen aus dem Verarbeitungsprozess im Extruder vor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Extrusion von Kunststoffen und/oder Kunststoff- und Kompositrezyklaten.

Entsprechend werden die Ausgangsstoffe in Form von Flakes, Granulaten, Agglomeraten, Pulver, flächigen Halbzeugen, oder kleineren Bauteilen dem Extruder zugeführt, um entsprechende Granulate aus den Inputströmen zu erhalten.

Die Erfindung wird weiterhin unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Unterbezug einmal hierauf wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Dem Extruder 1 werden die Ausgangsmaterialien über den Einlass 6 zugeführt. Mögliche Ausgangsmaterialien sind hierbei Kunststoffe und/oder Kunststoff- und Kompositrezyklate, die einer neuen Verwertung zugeführt werden sollen und zur weiteren Verarbeitung zu Granulaten verarbeitet werden. Über die Probeentnahmeeinrichtung 2 können Proben flüchtiger Verbindungen, die z. B. im Rahmen der Entgasung abgezogen werden, über die Leitung 9 dem Gaschromatographen 3 zugeführt werden Dieses erfolgt z. B. mit Hilfe der Vakuumpumpe 4a. In Echtzeit oder echtzeitnah kann mit Hilfe dieses Gaschromatographen und eines entsprechenden Detektors die Zusammensetzung der flüchtigen Verbindungen und ggf. die Mengen dieser analysiert werden. Zum Abführen der Proben wird der Verdampfungsdruck genutzt und/oder ein Unterdrück mittels Vakuumpumpe angelegt. Vakuumpumpe 4b erlaubt ein zusätzliches Abziehen der flüchtigen Verbindungen aus dem Extruder über die Entgasungszonen 5a bis 5d.

Über die Steuerungseinheit 10 können Verfahrensparameter gesteuert werden. Z. B. können Schleppmittel und/oder Extraktionsmittel über die Entgasungsöffnungen 5a bis 5d oder auch über spezielle Einsätze oder Einspritzöffnungen im Extrudergehäuse aus dem Vorratsbehälter 11 dem System zugeführt werden.

Dabei können diese speziellen Einsätze derart sein, dass entsprechende Schlepp- oder Extraktionsmittel entweder in Strömungsrichtung der Schmelze oder gegen die Strömungsrichtung der Schmelze in den Extruder eingebracht werden. So kann z. B. über die Öffnung 5a das Schleppmittel zugeführt und über die Öffnung 5b herausgenommen werden. Es kann erneut ein gleiches oder anderes Schlepp- oder Extraktionsmittel über 5c in das System eingeführt und ggf. über 5d herausgenommen werden. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, dass in Abhängigkeit der Analyse der im ersten Schlepp- oder Extraktionsmittel mitgeführten Substanzen ein zweites Schlepp- oder Extraktionsmittel zugeführt wird, das besonders geeignete ist bestimmt Substanzen zu entfernen. Alternativ kann auch das Schlepp- oder Extraktionsmittel über 5c eingebracht werden und ebenfalls über 5b abgezogen werden. Entsprechend sind die Strömungsrichtungen im Extruder mit A dargestellt, die Pfeile B und C zeigen mögliche Strömungsrichtungen des Schlepp- und/oder Extraktionsmittels. Darüber hinaus kann das abgezogene Schlepp- und/oder Extraktionsmittel ebenfalls über die entsprechende Gasleitung zum Chromatographen zur weiteren Analyse geführt werden, z. B. über die beispielhaft eingezeichnete Leitung 9.

Die Öffnungen, z. B. 5a, ... , können dabei sowohl zum Einbringen der Schlepp- und/oder Extraktionsmittel ausgebildet sein als auch zum Entfernen der flüchtigen organischen Verbindungen.

Die jeweiligen Positionen in der Zeichnung sind nur beispielhaft gewählt und zeigen einen möglichen Verfahrensaufbau. Die Positionen der Zuführung und Abführung der Extraktions- und Schleppmittel als auch der Analyse der ausgasenden, bevorzugt im Extraktions- und Schleppmittel mitgeführten Substanzen, kann auch an unterschiedlichen anderen Stellen erfolgen.

Das hergestellte Granulat 8 verlässt den Extruder über die Extrusionsdüse 7, wobei aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Granulate möglichst geringe Mengen an geruchsaktiven Substanzen und flüchtigen Verbindungen aufweisen. Gegebenenfalls kann im Rahmen der Qualitätskontrolle hier ein Aussondern belasteter Prozessprodukte erfolgen.

Wie dargestellt, erfolgt die Probenentnahme derart, dass die entsprechenden Öffnungen 5a, 5b und 5c vor der Extrusionsdüse 7 angeordnet sind.

Die Figur 2 zeigt ein Fließdiagramm des schematischen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Schritt 20 wird dabei eine Probe flüchtiger Verbindungen oder der Schleppoder Extraktionsmittel, die die flüchtigen Verbindungen enthalten, an der mindestens einen Position des Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens entnommen und diese Probe wird zu einer Analyseeinrichtung geleitet, 25.

In der Analyseeinrichtung wird die Probe dann im nächsten Schritt 30 gemessen und analysiert. Die Analyse kann dabei eine Analyse ausgewählter Modellsubstanzen, z.B. zur Qualitätskontrolle oder Einhalten von Grenzwerten, beinhalten oder eine Analyse sämtlicher Bestandteile der Probe. Die Analyse kann dabei qualitativ, semi-quantitativ oder quantitativ erfolgen. Die gemessenen Daten werden dann z. B. zu einer Auswerteeinheit geleitet, 40, die entsprechend Mengen und/oder Vorhandensein von bestimmten flüchtigen organischen Verbindungen erlaubt oder auch maximiert, um den verbleibenden Rest im Endprodukt (Prozessprodukt) zu minimieren. Die so erhaltenen Informationen oder Daten werden dann zu einer Steuereinheit übermittelt, die ggf. Parameter des Verarbeitungsverfahrens reguliert, 50. Solche Schritte der Regulation können beinhalten, dass Schleppmittel und/oder Extraktionsmittel, im Herstellungs-, Verarbeitungs-, oder Recyclingverfahrens zugeführt wird oder dass die Zuführposition, die Menge und Typ oder Zusammensetzung des Extraktionsmittels sowie die Verweilzeit dessen angepasst wird, 60, z. B. über die entsprechenden Entgasungszonen, um den Verarbeitungsprozess, 70, zu verändern, insbesondere geruchsaktive Substanzen aus dem Verarbeitungsprozess zu entfernen und flüchtige Verbindungen im Prozessprodukt zu verringern. Zudem können die Prozessparameter wie Temperaturen, Drücke, Verweilzeiten, Drehzahl, Füllgrad, etc., optimiert und geregelt werden, so dass ein maximal reines Endprodukt entsteht.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Dem Fachmann sind entsprechende Ausgestaltungen der Verfahren und der einzelnen Einrichtungen der Vorrichtung bekannt, um die Erfindung auszuführen. Dies beinhaltet insbesondere alle kontinuierlichen Verfahren, bei denen ein Extruder bzw. ein Extrusionsprozess eingebunden ist, wie das Recycling, die Compoundierung, die Profilextrusion oder die Folien-, Faser- und Schaumherstellung. Darüber hinaus kann die Erfindung auch in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozessen genutzt werden, die dem Extruder vor- oder nachgeschaltet werden können, wie z.B. die Materialtrocknung oder die Nachkristallisation.

Bezugszeichenliste

1 Extruder

2 Probenentnahmeeinrichtung

3 Gaschromatograph

4a, 4b,... Vakuumpumpe

5a, 5b, 5c,... - Entgasungszone

6 Einlass

7 Extrusionsdüse

8 Granulat

9 Leitung

10 Steuerungseinheit

11 Vorratsbehälter

20 Probeentnahme

25 Leiten der Probe

30 Analyse

40 Auswertung

50 Steuerung

60 Zufuhr von Schlepp- und/oder Extraktionsmitteln

70 verändertes Verfahren

A Strömungsrichtung der Schmelze im Extruder

B Strömungsrichtung Extraktionsmittel/Schleppmittel

C Strömungsrichtung Schleppmittel/Extraktionsmittel