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DE4228779C2 - Biologisch abbaubares Verbundmaterial auf der Basis von gehärtetem Stärkeschaum und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Biologisch abbaubares Verbundmaterial auf der Basis von gehärtetem Stärkeschaum und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE4228779C2
DE4228779C2 DE19924228779 DE4228779A DE4228779C2 DE 4228779 C2 DE4228779 C2 DE 4228779C2 DE 19924228779 DE19924228779 DE 19924228779 DE 4228779 A DE4228779 A DE 4228779A DE 4228779 C2 DE4228779 C2 DE 4228779C2
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Winfried Pommeranz
Joachim Heuer
Kurt Dr Klenke
Harald Schmidt
Gert Schroeder
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BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
Original Assignee
Biotec Biologische Naturverpackungen & Co Forschungs-Und Entwicklungs Kg 46446 Emmerich De GmbH
BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
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Description

Die Erfindung betrifft ein biologisch abbaubares Verbund­ material auf der Basis von gehärtetem Stärkeschaum und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Derartige Verbundmaterialien können als Verpackungsmaterial, als Baumaterial etwa zur Kälte-, Wärme- oder Schallisola­ tion, oder auch als Stoßschutz zum Einsatz kommen.
Herkömmliche Schaumverpackungen aus Polystyrol (Styropor) insbesondere für Nahrungsmittel sind vor allem in der Ent­ sorgung problematisch. Dieser Kunststoff verrottet praktisch nicht und ist erst nach einem Sortiervorgang recycelbar.
Aus der US-PS 5 035 930 sind biologisch abbaubare Produkte und deren Herstellungsverfahren bekannt, wobei die Produkte aus ausschließlich aus Stärke in einem Extrusionsverfahren hergestellten und gehärteten Schaum bestehen und als Form­ körper für Verpackungszwecke genutzt werden.
Die US-PS 3 661 697 zeigt ein Verbundmaterial und dessen Herstellungsverfahren, das aus Polyethylen, Stärke und einer Papierbasis besteht und schichtweise aufgebaut ist. Die Stärke wird hierbei nicht geschäumt.
Bei einem weiteren bereits bekannten Verfahren wird statt eines Kunststoffes eine Stärkesuspension verwendet. In ein beheiz­ tes Formwerkzeug eingebracht, verdampfen flüssige Anteile und schäumen bzw. blähen die Suspension auf. Das Material bleibt über eine bestimmte Verweilzeit in der Form, wobei es unter Feuchtigkeitsaustritt trocknet und aushärtet. Zum Ent­ formen wird die Form geöffnet und der Schaumteil ausgewor­ fen. Solchermaßen hergestellte Schaumteile verrotten und sind recycelbar. Außerdem haben sie gewisse kälte-, wärmeisolierende sowie stoßabsorbierende Eigenschaften. Sie haben jedoch den Nachteil einer verhältnismäßig geringen Festigkeit, wenn ihre Wandstärke bzw. ihr Gewicht nicht allzu hoch sind. Außerdem sind sie aufgrund ihrer porösen Oberflächen für gewisse Anwendungen ungeeignet, insbesondere schlecht bedruckbar.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein biologisch abbaubares Schichtverbundmaterial zur Verfügung zu stellen, das sich durch hohe Festigkeit, eine einfache und kostengünstige Herstellung und eine vielseitige Anwendbar­ keit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.
Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, Stärke zu verschäumen, zu härten, sowie gleichzeitig mit einem weiteren Schichtmaterial zu verbinden und somit ein Schichtverbund­ material zu erhalten. Dieses weitere Schichtmaterial kann z. B. in den Stärkeschaum eingelagert und/oder einseitig oder beid­ seitig an diesen angelagert sein und dient als Verstärkung, als Träger oder Substrat.
Die Erfindung hat folgende Vorteile.
Es kann Stärke ohne weitere Zusätze verwendet werden. Es können die unterschiedlichsten Materialien mit dem Stärke­ schaum zu einem Schichtverbundmaterial zusammengesetzt werden, ins­ besondere läßt sich über das weitere Material das Schichtverbund­ material leicht bedrucken oder färben. Das Schichtverbundmaterial ist mechanisch stabil und besitzt aufgrund der Porosität des gehärteten Stärkeschaums ausgezeichnete Schall-, Temperatur- und elektrische Isolationseigenschaften. Außerdem es ist ein wirkungsvoller Stoßschutz. Besonders vorteilhaft ist die Er­ findung als Material für Verpackungen von Süßwaren, da das Verbundmaterial eine entsprechende werbewirksame Bedruckung ermöglicht, sowie die für Süßwaren erforderlichen Stoßschutz und Wärmeisolation gewährleistet.
Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial besteht aus gehärtetem Stärkeschaum, der mit mindestens einem weiteren Material zu einem Verbundmaterial zusammengefügt ist. Vorzugsweise ist das weitere Material ein Flachmaterial, das vorzugsweise einseitig von dem Stärkeschaum bedeckt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer Stärkesuspen­ sion aus, die native Stärke und/oder modifizierte Stärke enthalten kann. Es kommt native Stärke jeglichen Ursprungs in natürlicher oder Hybridform, z. B. Kartoffeln, Manjok, Reis, Mais, wachsiger Mais, Mais mit hohem Amylosegehalt, Getreide wie Weizen und Fraktionen, die hieraus hergestellt sein können, Gerste oder Sorghum, in Betracht. Die modifi­ zierte Stärke ist ein auf physikalischem und/oder chemischem Weg erzeugte Stärkederivat. Bevorzugt kommt eine wäßrige Stärkesuspension zum Einsatz, die mit einem insbesondere lebensmittelverträglichem Farbstoff eingefärbt sein kann.
Außerdem kommt bei dem Verfahren ein weiteres Material zum Einsatz, bei dem es sich vorzugsweise um Papier, Pappe, Kar­ ton, Textil, Holzfurnier, Leder, Kunstleder, Folien aus synthetischen, biopolymeren und metallen Werkstoffen sowie Kombinationen der vorgenannten Materialien handelt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Flachmaterial. Das weitere Material wird durch die Endform des Verbund­ materials, beispielsweise eine Verpackung bestimmt und kann als Zuschnitt oder vorgeformt in die Form eingebracht wer­ den. Dies geschieht bevorzugt kurze Zeit vor Zugabe der Stärkesuspension.
Die Stärkesuspension wird bevorzugt durch Einspritzen dosiert in das Formwerkzeug eingeführt. In der beheizten Form schäumt sie infolge Verdampfung auf und füllt die Kavi­ täten aus. Dabei und während der Trocknung sowie des chemisch-physikalischen Aushärtens verbindet sich die Stärke mit dem weiteren Material zu einer Einheit, die anschließend als Verbundmaterial entformt wird. Diese Vorgänge werden durch einen erhöhten Innendruck des Formwerkzeugs gefördert und bevorzugt druck- und temperaturgesteuert durchgeführt.
Dabei ist es überraschend, daß die relativ hohe Formtempera­ tur das weitere Material bei geeigneter Durchführung des Verfahrens nicht beeinträchtigt. Dies gilt auch für eine Be­ druckung, die dem weiteren Material, insbesondere aus Papier, Pappe oder Karton, vor dem Einlegen in das Formwerk­ zeug und einer nachfolgenden Verformung aufgebracht werden kann. Insbesondere, wenn die Stärkesuspension einseitig auf dem weiteren Material aufgebracht ist, ist die Bedruckung nach dem Entformen auf einer Seite des Verbundmaterials sichtbar. Bei einseitigem Aufbringen der Stärkesuspension kann auch recyceltes Kartonmaterial für eine Verpackung von Nahrungsmitteln verwendet werden, welches an der Ver­ packungsaußenseite nicht mit dem Nahrungsmittel in Berührung kommt.
Für mehrere bedruckbare oder glatte Oberflächen bzw. aus Festigkeitsgründen können mehrere Schichten weiteres Mate­ rial in das Formwerkzeug eingebracht werden. Die Stärkesus­ pension wird dann vor allem zwischen den Schichten des wei­ teren Materials eingebracht.
Durch geeignete Gestaltung des Formwerkzeuges können Struk­ turen in das Verbundmaterial geformt werden, beispielsweise Durchbrechungen, Vertiefungen, Stege oder Rippen. Dies kann zu Verpackungszwecken aber auch aus Festigkeitsgründen sinn­ voll sein. Außerhalb des Formwerkzeuges ist eine weitere Bearbeitung durch Verformen, Prägen, Stanzen und/oder Forma­ tieren möglich.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens ist die Herstellung von Verpackungen. Dabei kann das weitere Material für eine Verpackungsschale schalenartig vorgeformt werden.
Der Verbund aus weiterem Material und Stärkeschaum ergibt eine vielfach höhere Festigkeit des fertigen Teils als seine einzelnen Komponenten oder deren Addition ohne eine innige. Verbindung. Das Verbundmaterial hat ein niedriges spezifi­ sches Gewicht und kommt mit verhältnismäßig geringen Wand­ stärken aus. Zudem weist es kälte- und wärmeisolierende sowie stoßabsorbierende Eigenschaften auf und ist antista­ tisch.
Die Verbindung von z. B. Flachmaterial und Stärkeschaum er­ fordert keine Additive wie Heiß- oder Kaltleim oder Kunst­ stoffe usw. Daraus ergibt sich neben der biologischen Abbau­ barkeit und Kompostierbarkeit die Möglichkeit eines problem­ losen Recyclings. Insbesondere beim Einsatz von Papier, Kar­ ton oder Pappe als Flachmaterial kann das Verbundmaterial bei der Papier-, Karton- oder Pappherstellung wiederverwen­ det werden.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundmaterials er­ öffnen auch außerhalb des Verpackungssektors viele Anwen­ dungsmöglichkeiten. So ist ein Einsatz zu Isolationszwecken als Baustoff, in der Elektrotechnik und in der Automobil­ industrie denkbar. Ferner kommt eine Verwendung für modische Gebrauchsgegenstände, vergleichsweise hoher Stabilität, wie Möbel, in Betracht, die infolge ihrer Kurzlebigkeit recycel­ bar sein müssen.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels näher beschrieben.
In einem kontinuierlichen Prozeß wird eine Stärkesuspension hergestellt, wobei flüssige und feste Hilfsmittel automa­ tisch dosiert in einer Homogenisierungsstufe fein verteilt und zur Reaktion gebracht werden. Kartoffelstärke, Mais­ quellstärke und Wasser liegen in der Suspension in einem Ge­ wichtsverhältnis von 100 : 5,2 : 106 vor.
Ferner wird eine temperatur- und druckgesteuerte Expansions­ formanlage, bauartverwandt mit einem Waffeleisen, mit einem gußeisernen Werkzeugteil in Form einer Verpackungsschale auf 220°C aufgeheizt. Das Formwerkzeug der Formanlage ist zweiteilig ausgebildet. In das untere Formteil wird eine vorgeformte Schale als Kartonflachmaterial eingelegt. Dann werden 21,5 g der Stärkesuspension in die Schale eingefüllt und das zweiteilige Formwerkzeug geschlossen. Die Stärke­ suspension wird aufgeschäumt, getrocknet und ausgehärtet und dabei fest mit der Kartonschale verbunden. Nach etwa 70 Se­ kunden Verweilzeit wird die fertige Verpackungsschale aus Verbundmaterial entnommen.
Die Schale hat ein spezifisches Gewicht von 190 kg/m3 und ausgezeichnete Eigenschaften als Verpackungsmaterial. Sie verbindet hohe Festigkeit mit niedrigem Gewicht, hat kälte- und wärmeisolierende, stoßabsorbierende und antistatische Eigenschaften und ist sowohl biologisch schnell abbaubar und kompostierbar als auch in der Papierindustrie hervorragend recycelbar.

Claims (22)

1. Verbundmaterial, bestehend aus einer Schaumstoff­ schicht und mindestens einem weiteren Schichtmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff ein gehärte­ ter Stärkeschaum ist und die Schichten in situ ohne Haftvermittler miteinander verbunden sind.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stärkeschaum native Stärke enthält.
3. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stärkeschaum modifizierte Stärke enthält.
4. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stärkeschaum eingefärbt ist.
5. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stärkeschaum Fasern und/oder Füllstoffe enthält.
6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das weitere Schichtmaterial aus Papier, Pappe, Karton, Textil aus natürlichen und/oder synthetischen Fasern, aus Glas und/oder Kera­ mikfasern und/oder Mischgeweben, Holzfurnier, Leder, Kunstleder, Folie aus synthetischen, biopolymeren und me­ tallischen Werkstoffen, Filme aus synthetischen und/oder biopolymeren Werkstoffen, die bei der Herstellung des Ver­ bundmaterials in situ erzeugt werden, sowie Kombinatio­ nen der vorgenannten Materialien besteht.
7. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das weitere Schichtmaterial einseitig mit dem Stärkeschaum verbunden ist.
8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das weitere Schichtmaterial bedruckt oder bedruckbar ist.
9. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das weitere Schichtmaterial aus mehreren Schichten besteht.
10. Verbundmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stärkeschaum zwischen den mehreren Schichten an­ geordnet ist.
11. Verpackungsmaterial, bestehend aus dem Schichtverbundmate­ rial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere zur Verpackung von Süßwaren.
12. Verfahren zum Herstellen des Schichtverbundmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten:
  • a) Einbringen einer Stärkesuspension und mindestens eines weiteren Materials in ein Formwerkzeug,
  • b) Aufschäumen der Stärkesuspension,
  • c) Aushärten des Stärkeschaums und gleichzeitiges Ver­ binden mit dem weiteren Material zum Ausbilden des Verbundmaterials und
  • d) Entformen des Verbundmaterials.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug vor dem Schritt a) aufgeheizt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß in Schritt a) eine wäßrige Stärkesuspension eingebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Schritt a) eine eingefärbte Stärkesus­ pension eingebracht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Stärkesuspension eingespritzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Stärkesuspension durch Druck aufgeschäumt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) das weitere Schichtma­ terial vor der Stärkesuspension eingebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) das weitere Schichtma­ terial als flüssiges und/oder festes, pulverförmiges Ma­ terial eingebracht wird und ein Film erzeugt wird, der mit dem Stärkeschaum das Schichtverbundmaterial ausbil­ det.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) das weitere Schichtma­ terial vorgeformt eingebracht wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material schalenartig vorgeformt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) eine Stärkesuspension bestehend aus 20-45% granulärer Stärke, 0-10% Quell­ stärke und Wasser eingebracht wird, wobei das Formwerk­ zeug auf eine Temperatur von 180-270°C, vorzugsweise 200-250°C, aufgeheizt wird und der Schritt c) nach 30-90 Sekunden, vorzugsweise nach 45-75 Sekunden, erfolgt.
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