Entwicklung eines kontinuierlichen Extraktionsverfahrens zur Reinigung von Kunststoffschmelzen mittels überkritischem Kohlendioxid

Lambertz, Stephanie; Haberstroh, Edmund

doi:HT015211553

Entwicklung eines kontinuierlichen Extraktionsverfahrens zur Reinigung von Kunststoffschmelzen mittels überkritischem Kohlendioxid = Developement of a continuous extraction process using supercritical carbondioxid for purity polymer melt

Lambertz, Stephanie (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stephanie Lambertz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIII, 137 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Prüfungsjahr: 2006. - Publikationsjahr: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Haberstroh, Edmund (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19012
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62284/files/Lambertz_Stephanie.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kohlendioxid (Genormte SW) ; Destraktion (Genormte SW) ; Reinigung (Genormte SW) ; Polymerschmelze (Genormte SW) ; Doppelschneckenextruder (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; purification (frei) ; extraction (frei) ; twin screw extruder (frei) ; carbondioxid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Neue gesetzliche Bestimmungen erfordern immer höhere Reinheitsgrade von Kunststoffen sowohl bei Neuware als auch beim Recycling von post-consumer Ware. Zur Einhaltung dieser Anforderungen sind neue Verfahrenstechnologien für die Reinigung von Kunststoffen notwendig. Ein Ansatz bietet die Extraktion mit überkritischem Kohlendioxid (scCO2). Überkritisches Kohlendioxid zeichnet sich durch einen hohen Diffusionskoeffizienten, eine geringe Viskosität und eine hohe Dichte aus. Diese Eigenschaften sind für die hervorragende Löslichkeit auch für höhermolekulare Substanzen in überkritischem Kohlendioxid verantwortlich. Des Weiteren ist Kohlendioxid unbrennbar, ökologisch nahezu unbedenklich, preisgünstig und nicht toxisch. Nachteilig bei CO2 ist, dass es ein Treibhausgas ist und daher im Kreislauf geführt werden sollte. Zudem weist es eine geringe Polarität und damit eine geringe Löslichkeit für polare Substanzen auf. Wird dem überkritischem CO2 Cosolventien wie Methanol zugegeben, so kann die Polarität des Extraktionsmediums gezielt beeinflusst werden. Die Anwendung von überkritischem CO2 als Extraktionsmedium besitzt folglich ein deutliches Potenzial den Kontaminationsgehalt in einer verunreinigten Polymerschmelze zu verringern. Der Extraktionsprozess auf einem Doppelschneckenextruder ist im vorliegenden Beitrag zur Reinigung von Kunststoffschmelzen untersucht worden. Kernaufgabe der Extraktion ist die Entfernung von unerwünschten Substanzen wie Monomere, Lösungsmittelreste oder Verunreinigungen. Verunreinigungen diffundieren durch den Gebrauch des Kunststoffbauteils ins Materialinnere und liegen somit im Kunststoff dispergiert oder gelöst vor. Die Eignung eines Doppelschneckenextruders zur kontinuierlichen Reinigung von Kunststoffen in der Schmelze ist sowohl an Neuware zweier Polyamid 12-Typen für die Entfernung von Monomeren als auch an gezielt kontaminiertem Polyethylen hoher Dichte untersucht worden. Um den Extraktionsprozess im Doppelschneckenextruder zu realisieren, ist der Compoundierprozess auf die verfahrenstechnische Aufgabe hin modifiziert worden. Zu berücksichtigen ist, dass der Extruder für eine Extraktion mit Drücken > 75 bar beaufschlagt werden muss, um das CO2 im Extruder überkritisch zu halten. Dies stellt eine wesentliche Zusatzanforderung an die herkömmlich eingesetzten Doppelschneckenextruder dar. Die Dichtigkeit der Module wurde durch den Einsatz von ausgeglühten Kupferdichtungen in Kombination mit einer Dichtpaste erzielt. Für die Auslegung eines Doppelschneckenextruders zur Extraktion ist demnach darauf zu achten, dass die Verfahrenseinheit so wenige Schnittstellen wie möglich aufweist. Neben der Sicherstellung der Dichtigkeit des Extruders ist die Schneckenkonfiguration von großer Bedeutung. Die einzelnen Schneckenzonen, wie CO2-Eindosierungs-, CO2-Auslass- und Extraktionszone sind schrittweise optimiert und damit der verfahrenstechnischen Aufgabe angepasst worden. Bei der Auslegung der Schneckenkonfiguration hat sich nach der Auslasszone eine Rückflusszone bewährt, die dem mitgerissenen Kohlendioxid die Möglichkeit bietet, entgegen dem Polymerstrom hin zum CO2-Auslass zu strömen. Nachdem ein ausreichend stabiler Prozess für die Probennahme erzielt worden ist, sind Abhängigkeiten der Extraktionswirkung von verschiedenen Verarbeitungsparametern untersucht worden. Im Allgemeinen zeigt sich die beste Extraktionswirkung durch eine Erhöhung von Druck, Drehzahl, Verarbeitungstemperatur und CO2-Fluss. Andererseits führt eine zu hohe Temperatur zu einer erheblichen thermischen Belastung der Schmelze und ein hoher CO2-Durchsatz wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Extraktionsprozess aus. Innerhalb der Untersuchungen wurden ebenfalls die Integration einer Entgasung und das Prinzip des Gegenstroms betrachtet. Für die Integration einer Entgasung ist die Anwendung einer Extruderkaskade u. a. aus sicherheitstechnischen Gründen unumgänglich. Zudem erlaubt sie eine stabile Prozessführung und eine einfache Handhabung des Extraktionsprozesses. Das Prinzip des Gegenstroms hat sich mit der verwendeten Schneckenkonfiguration aufgrund der aufstauenden Wirkung der Zahnmischelemente als ungeeignet erwiesen. Hier besteht weiterer Optimierungsbedarf. Die Industrie zeigt bezüglich der Anwendung überkritischer Fluide trotz ihrer erheblichen Vorteile eine gewisse Zurückhaltung. So steht der Anwender vor allem den hohen Investitionskosten und einer Prozessführung mit hohen Drücken skeptisch gegenüber. Jedoch werden die zunehmende Verschärfung gesetzlicher Bestimmungen und die fortschreitende technische Entwicklung die Anwendung dieser Technologie sicherlich fördern.

The latest legal requirements call to an increasing degree of purification for plastics, for both virgin and recycled material. Abidance by the law demands new processing technologies for purifying plastics. The extraction with supercritical carbon dioxide could be an approach. Supercritical carbon dioxide is characterized by a high diffusion coefficient, a low viscosity and a high density. These properties are determining the outstanding solubility in scCO2 even for higher molecular substances. Furthermore CO2 is non flammable, ecologically safe, inexpensive and non toxic. One disadvantage of CO2 is its low polarity and thus its low solubility for polar substances. The polarity of the extracting agent can be influenced specifically by dosing additional cosolvents like methanol in scCO2. Carbon dioxide also is a gas which causes the greenhouse effect and should therefore be recycled. The usage of scCO2 as an extracting agent in a twin screw extruder offers high potential for decreasing the amount of contaminations in the polymer melt. The extraction process is examined in the present paper for cleaning polymer melts. Main objective of the extraction is to remove foreign substances as monomers, solvent residues, processing aids and contaminations, which are diffusing into the interior material by using the plastics. These contaminations are dispersed or dissolved in the polymer. The applicability of a twin screw extruder for purifying polymer melt is analysed for both virgin material (two types of polyamide 12) to remove monomers and specifically contaminated high density polyethylene. To implement the extraction process on a twin screw extruder the compounding process has to be modified regarding this process technology, in order to keep the CO2 in its overcritical state at high pressures > 75 bar. This is an additional requirement for common twin screw extruders. Pressure tightness was achieved by using a copper sealing in combination with a sealing paste. For dimensioning the extruder for extraction purposes, the processing unit should feature few linkage points. Besides the pressure tightness of the extruder the screw configuration has to be determined and optimised. A reflow zone following the zone for the CO2-outlet is proved to provide the possibility for the carbon dioxide, which is swept away with the polymer, to flow against the polymer flow back to the CO2 outlet. After elaborating a sufficient process for taking samples, dependences of different processing parameters the extraction effect were researched. In general the highest extraction effect can be realised by increasing pressure, screw speed, processing temperature and the CO2-flow. Contrary to this an increased temperature level results in charred melt and a high CO2 flow has a negative effect on the economy of the extraction process. The integration of a degassing unit and a counter flow process were also investigated. To do so an extruder cascade is inevitable due to safety reasons. Furthermore the extruder cascade facilitates stable processing conditions and simplified process control. Regarding the counter flow processing, the used screw configuration is inappropriate. Due to this improvement of the screw design is inevitable. Industry is reluctant using supercritical fluids despite of the considerable advantages. Reasons for the scepticism can be found in the high investment cost al well as using hegh pressure processing technology. However the increasing relevance of legal requirements and the progressive development will promote this technology.

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