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Die Erfindung betrifft eine alternative
Biopolymerformmasse, welche mit den gängigen Verfahren der Kunststoffverarbeitung,
wie Spritzgießen,
Extrudieren, Pressen u. ä.,
zu Formteilen und Halbzeugen verarbeitet werden kann. Im Gegensatz
zu den am Markt befindlichen thermoplastischen Biopolymermaterialien,
welche häufig
auf hochamylosehaltiger Mais-, Kartoffel-, Erbsen- und/oder Weizenstärke basieren,
weist die neue Biopolymerformmasse einen quasi-duroplastischen Charakter
auf und beinhaltet relativ unveredelte Getreidemehle, insbesondere
Roggenmehl. Mit dieser Biopolymerformmasse kann eine teilweise Substitution
der konventionellen Kunststoffe, wie z. B. die Polyolefine Polyethylen
und Polypropylen, erfolgen, wobei mit der Substitution dieser konventionellen
Kunststoffe eine Schonung endlicher (fossiler) Rohstoffressourcen,
eine breite und in kürzester
Zeit regenerierbare Rohstoffbasis sowie eine optimale Entsorgung
(Kompostierung, Verbrennung) der Formteile und Halbzeuge nach dem
Ablauf ihrer Lebenszykluszeit erreicht werden kann. Eingesetzt werden
können
derartige Biopolymerformmassen z. B. in der Elektroindustrie zur
Herstellung von Gehäuseteilen
oder im Bauwesen zur Fertigung von Halterungs- und Fixierungselementen.
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Biopolymerwerkstoffe, biologisch
abbaubare Werkstoffe (BAW) im Sinne eines biologischen Abbaus zu
Wasser, Kohlendioxid und Biomasse sind vielfach bekannt und gewinnen
vor dem Hintergrund der stetigen Verknappung an fossilen Rohstoffquellen
zunehmend an Bedeutung. Auf dem Markt sind bereits eine Reihe von
Biopolymeren bzw. biologisch abbaubaren Werkstoffen (BAW) vorhanden.
Prinzipiell können
diese Werkstoffe sowohl auf der Basis eines nachwachsenden Rohstoffes
als auch auf der Basis eines fossilen Rohstoffes zur Verfügung gestellt
werden. Daraus ergeben sich letztendlich eine Vielzahl der Möglichkeiten
der Gewinnung von Biopolymerwerkstoffen.
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Aus der Praxis sind z. B. die biologisch
abbaubaren Werkstoffe Novon, basierend auf Mais- und Kartoffelstärke, Fasal,
basierend auf Mais- und Holzmehl, Bioceta, basierend auf Cellulosediacetat, Baumwoll-Linters
und Holzcellulose, Mater-Bi, basierend auf Stärke- und Cellulosederivaten
bekannt, um nur einige zu nennen.
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Auch aus der Fachliteratur sind eine
Reihe von Biopolymerwerkstoften bekannt:
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J. Lörcks;
Biokunststoffe auf
Stärkebasis,
einem regenerierbaren, nachwachsenden Rohstoff; Internationales
Symposium "Werkstoffe
aus nachwachsenden Rohstoffen";
Erfurt,
D, 1. Und 2. September, 1999
Hier wird ein Biokunststoff (Bioplast)
auf Stärkebasis beschrieben.
Die Werkstoffentwicklung der biologisch abbaubaren und kompostierbaren
Werkstoffe (BAW) auf Stärkebasis
befaßt
sich mit der Umsetzung des nachwachsenden Rohstoffes Stärke mit weiteren
abbaubaren Polymerkomponenten, wie z. B. Polycaprolacton, Polymilchsäure und
Polyvinylalkohol, zu biologisch vollständig abbaubaren und kompostierbaren
Produkten. Die Anwendung des Produktes ist insbesondere im Bereich
der Einwegartikel zu sehen.
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N. Mundigler, M. Rettenbacher;
Kunststoff
oder Holz;
Spektrum der Wissenschaft, (1999) Heft 7, S. 90–92
Die
Autoren beschreiben einen Holzwerkstoff (Fasal), welcher sich wie
ein herkömmlicher
Thermoplast durch Extrudieren oder Spritzgießen in Form bringen läßt. Der
Basisrohstoff wird bei diesem Werkstoff durch Holzmehle oder -späne gestellt.
Stärkehaltige
Pflanzen bringen das nötige
biologische Bindemittel ein, das die Holzteilchen fixiert. Die stärkehaltigen
Rohstoffe sind zumeist Maismehl oder -Bries. Als vielversprechende
Anwendung des Werkstoffes Fasal wird die Extrusion von Fußbodenleisten und
anderen Hohlprofilen angesehen. Des Weiteren wurde der Werkstoff
Fasal im Spritzguss erprobt. Die Autoren geben an, daß die Holzwerkstoffe
physikalische Eigenschaften besitzen, welche mit herkömmlichen
Holzwerkstoffen verglichen werden können. Der Holzwerkstoff Fasal
kann nach Gebrauch kompostiert werden.
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F. Wynne;
Biopol – ein natürliches
biologisch abbaubares thermoplastisches Material; Biologisch abbaubare
Kunststoffe, Kontakt und Studium, Umwelttechnik, Band 425 (1994),
S. 84–90
Hier
wird das Biopolymere Biopol vorgestellt. Das Material Biopol (Polyester
aus Polyhydroxybuttersäure)
besteht aus einer Reihe biologisch vollständig abbaubarer Thermoplast-Polyester,
die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Biopol entsteht
durch die Fermentation von Kohlenhydraten durch den Mikroorganismus
Alcanigenes eutrophus. Durch eine Überwachung der Fermentationsbedingungen
können
unterschiedliche Polymere mit verschiedenen Eigenschaften maßgeschneidert
werden. Diese Biopolymere besitzen viele Eigenschaften herkömmlicher
Kunststoffe und können
auf konventionellen Aggregaten der kunststoffverarbeitenden Industrie
mit konventionellen Technologien zu Formteilen, Behältern, Beschichtungen
verarbeitet werden. Des Weiteren geben die Autoren an, daß die Bipolymertypen
wie konventionelle Kunststoffe im Gebrauch stabil sowie feuchtigkeitsbeständig sind.
Das Material wird durch Mikroorganismen abgebaut.
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Der wesentliche Nachteil der bisher
vorhandenen Biopolymerwerkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe
bestehen in den erheblichen Problemen und Schwierigkeiten bei der
Verarbeitung, wie z. B. kleine Verarbeitungsfenster hinsichtlich
der Temperaturführung
und schlechte Entformbarkeit, dieser Werkstoffe auf den konventionellen Plastifizieraggregaten
und nach den gängigen
Verfahren der Kunststoffindustrie, wie z. B. Spritzgießen, Extrudieren,
Pressen. Darüber
hinaus ist die Hydrolysebeständigkeit
und das mechanische Eigenschaftsniveau im Vergleich zu den herkömmlichen und
zu substituierenden Werkstoffen, wie Polyethylen oder Polypropylen,
noch unzureichend. Ebenso weisen die Biopolymerwerkstoffe auf der
Basis nachwachsender Rohstoffe unzulässig hohe Wasseraufnahmen auf.
Des Weiteren spielt das ungünstige Preis-Leistungs-Verhältnis bei
der Aufbereitung/Compoundierung dieser Werkstoffe eine wesentliche
Rolle, weshalb den Biopolymerwerkstoffen der große Durchbruch am Markt bislang
versagt blieb.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Biopolymerformmasse zur Herstellung von Formteilen und Halbzeugen
zu schaffen, die vollständig
oder teilweise aus modifizierten Getreidemehlen, insbesondere Roggenmehle,
mit einem variierenden Derivatisierungsgrad besteht, die auf allen
konventionellen Plastifizieraggregaten und nach allen gängigen Verarbeitungsverfahren
der Kunststoffindustrie, wie z. B. Spritzgießen, Extrudieren, Pressen,
zu verarbeiten ist, die eine gute Hydrolysebeständigkeit, eine geringe Was seraufnahme
und ein hohes mechanisches Eigenschaftsniveau besitzt, sich kostengünstig herstellen
lässt und
gute Gebrauchswerteigenschaften im Vergleich zu handelsüblichen
Massenkunststoffen, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, hat.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
als Basismaterial zur Formulierung der Biopolymerformmasse vernetzte
Getreidemahlprodukte, vorzugsweise Getreidemehle und im Besonderen Roggenmehle
verwendet werden.
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Die vernetzten Getreidemehle, welche
einen variierenden Derivatisierungsgrad besitzen, werden zunächst einer
Destrukturierung im Compoundierprozess unterworfen. Für die Destrukturierung
der Getreidemahlprodukte gelangt ein gleichläufiger Doppelschneckenextruder
vom Typ ZE25-A-UT zum Einsatz. Die Destrukturierung erfolgt unter
Erhalt der Vernetzung der Getreidemehl-Fraktion.
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Damit ein fließfähiges Biopolymeres auf der Basis
vernetzter Getreidemehle, insbesondere Roggen, erhalten wird, müssen zunächst die übermolekularen
Bereiche, Stärkekornbezirke/Kristallitstrukturen,
der Getreidestärke
partiell aufgehoben werden. Durch den Extrusions-/Knetprozess – Einbringung von
Scherenergie – kommt
es zur Aufhebung der übermolekularen
Strukturen des Stärkekornes,
wodurch eine Überführung des
Materiales in den Gel- bzw. Schmelzezustand sichergestellt werden
kann.
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Der Destrukturierungsprozess wird
in einem Temperaturbereich von 120°C bis 150°C vollzogen. Als Desintegrationsadditive
werden vorzugsweise 15 ma% Glyzerin, 10 ma% Sorbitol, 10 ma% Mannitol oder
5 ma% 1,3-Butandiol eingesetzt. Die als Desintegrationsadditive
eingesetzten Substanzen weisen eine hohe strukturelle Ähnlichkeit
zur Getreidestärke auf.
Diese Additive dringen leicht in die übermolekulare Struktur der
Stärke
ein und beeinflussen dort gezielt die zwischenmolekularen Kräfte. Die
Effizienz der Destrukturierung im Compoundierprozess wird durch
die typ- und mengenmäßige Zudosierung
von Desintegrationsadditiven, die Schneckenkonfiguration des gleichläufigen Compounders
ZE25-A-UT, die Zylindertemperaturen, hier 120°C bis 150°C, die Schneckendrehzahl, sowie
durch die Verweilzeit des Biopolymeren im Doppelschneckenextruder-Aggregat
bestimmt. Das in den Gel- bzw. Schmelzezustand überführte Material wird durch eine
Düsenleiste
extrudiert. Die extrudierten Stränge
werden an der Luft abgekühlt
und mit Hilfe einer Schneidmühle
granuliert. Man erhält
zylinderförmige
Granulate mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Zur Beurteilung des mechanischen
Eigenschaftsniveaus der destrukturierten Biopolymere wurden Probekörper, entsprechend
der ISO 3167 Typ A, auf einem Spritzgießaggregat vom Typ 200/50 HL
gefertigt und im Anschluss die mechanischen Eigenschaften im Zug-,
Biege-, Schlagbiege- und Kerbschlagbiegeversuch ermittelt.
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Deutlich wird die Abhängigkeit
des mechanischen Eigenschaftsniveaus vom vorgelegten Derivatisierungsgrad
der Getreidemehl-Fraktion. So bewegen sich beispielsweise die Zugfestigkeiten
für destrukturierte
Biopolymere, die Destrukturierung wird hierbei mit 10 ma% Glyzerin
und 15 ma% Sorbitol vorgenommen, in einem Bereich von 14.00 N/mm2 bis 22.00 N/mm2.
Die Zugfestigkeit steigt mit einer Erhöhung des Derivatisierungsgrades.
Die Reißdehnungen
nehmen hingegen mit einem steigenden Derivatisierungsgrad der Getreidemehl-Fraktion
von 9% auf 3% ab. Eine Anhebung der Reißdehnung lässt sich erreichen, indem man
das Desintegrationsadditiv Glyzerin im Überschuss, d. h. > 10 ma% einsetzt. Die
Zugfestigkeiten erfahren hier eine Abnahme.
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Für
eine Elastifizierung/Flexibilisierung des destrukturierten Biopolymeren
auf der Basis vernetzter Getreidemehle werden die biologisch abbaubaren Polyester
Polycaprolacton, welche ein Molekulargewicht von 88.000 bis 145.000
aufweisen, eingesetzt. Die mengenmäßige Zugabe der Polyesterverbindungen
zum destrukturiereten Basismaterial erfolgt in einem Konzentrationsbereich
von 10 ma% bis 40 ma%.
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Des Weiteren kann in einem separaten
Extruderlauf eine partielle Vernetzung der Polyester unter Verwendung
von Peroxidverbindungen sowie Polyisocyanat in Kombination mit Metallsäureestern
in einem Temperaturbereich von 110°C bis 160°C bei Doppelschneckenextruder-Drehzahlen
von 50 min–1 bis
70 min–1 erfolgen.
Durch die partielle Vernetzung wird Einfluss auf das mechanische
Eigenschaftsniveau der Biopolymerformmasse genommen.
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Des Weiteren können die freien Hydroxylgruppen
der Getreidemehlstärke
sowie die freien Hydroxyl-/Caboxylgruppen der Polyesterverbindung
mit Polyisocyanat-Verbindungen,
unter Verwendung von Metallsäureester-Katalysatoren,
im Spritzgießwerkzeug
bei einer Temperatur von 110°C
bis 160°C
vernetzt werden, so dass Formteile mit einem quasi-duroplastischen
Charakter entstehen.
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Beispiel 1 – Biopolymerformmasse
vom Typ „Vernetztes
Roggenmehl"/„Polyester"
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Für
die Aufbereitung der Biopolymerformmassen, welche vernetzte Roggenmehle
mit einem Derivatisierungsgrad von 0.00001 bis 0.01 beinhalten,
gelangt ein gleichläufiger
Doppelschneckenextruder ZE25-A-UT zum Einsatz. Die Schnecken der verwendeten
Doppelschneckenextruder-Einheit bestehen aus Elementen zum Fördern, Plastifizieren, Mischen
und Entgasen. Der Compoundierprozess untergliedert sich in zwei
Teilschritte. Im ersten Teilschritt wird zunächst mit Hilfe des Doppelschneckenextruder-Aggregates
eine Destrukturierung der vernetzten Roggenmehle vorgenommen.
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Die für die Destrukturierung der
Roggenmehl-Fraktion notwendigen Substanzen/Desintegrationsadditive
Glyzerin (15 ma%) und Sorbitol (10 ma%) werden zuvor in das mit
einer definierten Feuchte (H2O-Gehalt: 12.00–14.00 ma%)
versehene Roggenmehl mit Hilfe eines Horizontalkneters vom Typ LUK4/III
eingebracht. Die Kneterdrehzahl beträgt 96 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur. Für die Zudosierung der flüssigen Komponente Glyzerin
gelangt eine peristaltisch arbeitende Dosierpumpe vom Typ PA-SF
zum Einsatz. Die Mischzeit beträgt
5 min.
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Die Destrukturierung der Roggenmehl-Fraktion,
diese besitzt einen Derivatisierungsgrad von 0.0001 bis 0.01, erfolgt
mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik ZE-25-A-UT bei einer Temperatur von 120°C bis 150°C, bei konstanten
Heizzonentemperaturen, sowie einer Drehzahl von 45 min–1 bis
65 min–1.
Die Länge
der Compoundierstrecke beträgt
1000 mm. Die Materialbeschickung der Doppelschneckenextruder-Einheit erfolgt mit
einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung. Die Drehzahl beträgt 100 min–1.
Die Destrukturierung der vernetzten Roggenmehle wird bei einer komplett
verschlossenen Zylinder-Einheit vollzogen. Im Zuge der Aufbereitung wird
das Material in einen schmelze- bzw. gelförmigen Zustand überführt. Die
Destrukturierung der Roggenmehle geschieht unter Erhalt der Vernetzung. Die
Extrusion des Biopolymeren erfolgt durch eine Düsenleiste mit zwei Bohrungen,
die einen Durchmesser von 3.20 mm besitzen. Die Extrudatstränge werden
an der Luft abgekühlt
und mit Hilfe einer Schneidmühle
Primo 60E granuliert. Im Ergebnis erhält man ein Biopolymergranulat,
auf der Basis vernetzter Roggenmehle, mit einem definierten L/D-Verhältnis. Die
Länge beträgt 4.00
mm und der Durchmesser 3.00 mm.
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Im zweiten Teilschritt werden die
destrukturierten Biopolymerformmassen mit den biologisch abbaubaren
Polyestern Polycaprolacton geblendet. Das Molekulargewicht der eingesetzten
Polyester-Verbindungen beträgt
88.000 bis 145.000. Die Einbringung der Polyester-Komponente in
das auf vernetzten Roggenmehlen basierende destrukturierte Basismaterial
hat eine Flexibilisierung/Elastifizierung des Materiales zum Ziel.
Der mengenmäßige Anteil
der Polyester-Komponente beträgt
10 ma% bis 40 ma%.
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Die für die Erstellung der Biopolymerformmasse,
basierend auf vernetzten Roggenmehlprodukten, notwendige Polyester-Komponente,
welche in Granulatform vorliegt, wird mit Hilfe eines Schnellmischers
in das destrukturierte Basismaterial eingebracht. Die Drehzahl des
Schnellmischers beträgt 360
min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur.
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Das Compoundieren der erstellten
Mischung, bestehend aus dem destrukturierten Basismaterial (60 ma%
bis 90 ma%) und der Polyesterkomponente (10 ma% bis 40 ma%), erfolgt
mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik ZE25-A-UT bei einer
Temperatur von 120°C
bis 130°C,
bei konstanten Heizzonentemperaturen, sowie einer Drehzahl von 50
min–1 bis
70 min–1.
Die Materialbeschickung erfolgt mit einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung.
Die Drehzahl beträgt
100 min–1 bis
120 min–1.
Die Extrusion erfolgt durch eine Düsenleiste mit zwei Bohrungen.
Die Bohrungen besitzen einen Durchmesser von 3.20 mm. Die extrudierten
Stränge werden
an der Luft abgekühlt
und unter Verwendung einer Schneidmühle vom Typ Primo 60E granuliert. Im
Ergebnis erhält
man ein Biopolymergranulat mit einem definierten L/D-Verhältnis. Die
erstellte Biopolymerformmasse liegt in einem nahezu wasserfreien Zustand
vor. Sie hat einen thermoplastischen Charakter und ist extrusions-
und spritzgussfähig.
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Die Biopolymerformmasse vom Typ „Vernetztes
Roggenmehl"/„Polyester" wurde im Spritzgießprozess
zu definierten Probekörpern,
entsprechend der ISO 3167 Typ A, verarbeitet. Zum Einsatz gelangte
ein Spritzgießaggregat
vom Typ 200/50 HL. Es erfolgte eine thermoplastische Verarbeitung
der Biopolymerformmasse. An den spritzgegossenen Probekörpern wurden
mechanische Kennwerte im Zug-, Biege-, Schlag- und Kerbschlagbiegeversuch ermittelt.
Mit Hilfe des Zugversuches konnte zweifelsfrei festgestellt werden,
dass die Einbringung der Polyester-Komponente zu einer Flexibilisierung/Elastifizierung
des Biopolymeren führt.
Als Referenz dienten spritzgegossene Probekörper ohne Polyester-Zusatz.
Es wird eine Verringerung der Zugfestigkeit verzeichnet. Gleichzeitig
erfährt
die Reißdehnung
einen enormen Zuwachs. So bewegen sich bei spielsweise die Zugfestigkeiten
eines Biopolymeren, welches einen Polyester-Anteil (Molekulargewicht:
88.000) von 40 ma% aufweist, in einem Bereich von 12.00 N/mm2 bis 17.00 N/mm2.
Die Zugfestigkeiten nehmen hier mit einem steigenden Derivatisierungsgrad
(0.0001 bis 0.01) der Getreidemehlfraktion zu. Die Reißdehnungen
variieren in einem Bereich von 50% bis 90% und nehmen mit einem
steigenden Derivatisierungsgrad ab.
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Beispiel 2 – Biopolymertormmasse
vom Typ „Vernetztes
Roggenmehl"/„Peroxid-vernetzter
Polyester"
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Für
die Aufbereitung der Biopolymerformmassen gelangt ein gleichläufiger Doppelschneckenextruder
ZE25-A-UT zum Einsatz. Der Compoundierprozess untergliedert sich
in drei Teilschritte.
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Im ersten Teilschritt wird zunächst mit
Hilfe des Doppelschneckenextruders eine Destrukturierung der vernetzten
Roggenmehle, welche einen variierenden Derivatisierungsgrad beinhalten,
vorgenommen.
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Die für die Destrukturierung der
Roggenmehl-Fraktion notwendigen Substanzen/Desintegrationsadditive
Glyzerin (15 ma%) und Sorbitol (10 ma%) werden im Vorfeld in das
mit einer definierten Feuchte (H2O-Gehalt:
12.00–14.00
ma%) versehene Roggenmehl mit Hilfe eines Horizontalkneters vom Typ
LUK4/III eingebracht. Die Kneterdrehzahl beträgt 96 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur. Für die Zudosierung der flüssigen Komponente Glyzerin
gelangt eine peristaltisch arbeitende Dosierpumpe vom Typ PA-SF
zum Einsatz. Die Mischzeit beträgt
5 min.
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Die Destrukturierung der Roggenmehl-Fraktion
erfolgt mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik ZE-25-A-UT
bei einer Temperatur von 120°C
bis 150°C,
bei konstanten Heizzonentemperaturen, sowie einer Drehzahl von 45
min–1 bis
65 min–1. Die
Länge der
Compoundierstrecke beträgt
1000 mm. Die Materialbeschickung der Doppelschneckenextruder-Einheit
erfolgt mit einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung. Die Drehzahl
beträgt
100 min–1.
Die Destrukturierung der vernetzten Roggenmehle wird bei einer komplett
verschlossenen Zylinder-Einheit vollzogen. Die Destrukturierung
der Roggenmehle erfolgt unter Erhalt der Vernetzung. Die Extrusion
des Biopolymeren erfolgt durch eine Düsenleiste mit zwei Bohrungen,
welche einen Durchmesser von 3.20 mm besitzen. Die Extrudatstränge werden
an der Luft abgekühlt
und mit Hilfe einer Schneidmühle
Primo 60E granuliert. Im Ergebnis erhält man ein Biopolymergranulat – auf der
Basis vernetzter Roggenmehle – mit
einem definierten L/D-Verhältnis.
Die Länge
beträgt
4.00 mm und der Durchmesser 3.00 mm.
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Im zweiten Teilschritt erfolgt die
Umsetzung der Polyesterkomponente mit einem Peroxid, z. B. Lauryl-Peroxid,
im Compoundierprozess. Der Peroxid-Gehalt beträgt 0.50 ma% bis 1.50 ma%. Das
Molekulargewicht der eingesetzten Polyester-Verbindungen beträgt 88.000
bis 145.000.
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Das Peroxid, welches bei Raumtemperatur in
einer pulverförmigen/kristallinen
Form vorliegt, wird im Vorfeld des Compoundierprozesses mit Hilfe eines
Schnellmischers auf das Polyestergranulat „aufgetrommelt". Die Aufbringung
des Peroxides auf das Polyester-Granulatkorn erfolgt bei Raumtemperatur.
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Das reaktive Compoundieren der erstellten Mischung,
bestehend aus dem Polyester und der Peroxid-Verbindung, erfolgt
mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik ZE25-A-UT bei einer
Temperatur von 110°C
bis 160°C,
die Heizzonentemperaturen sind hierbei konstant, sowie einer Drehzahl
von 50 min–1 bis
70 min–1.
Die extrudierten Stränge
werden abgezogen und granuliert. Man erhält ein zylinderförmiges Granulat
mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Mit Hilfe der reaktiven Compoundierung kann
gezielt das mechanische Eigenschaftsniveau der Polyester-Komponente
eingestellt werden.
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In einem dritten Teilschritt werden
die destrukturierten Basismaterialien, welche einen variierenden
Derivatisierungsgrad besitzen, mit den „partiell" vernetzten Polyesterverbindungen Polycaprolacton
geblendet. Die mengenmäßige Zugabe
der Polyesterkomponente erfolgt in einem Konzentrationsbereich von
10.00 ma% bis 40.00 ma%.
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Die für die Erstellung der Biopolymerformmasse,
basierend auf vernetzten Roggenmehlprodukten, notwendige partiell
vernetzte Polyester-Komponente, welche in Granulatform vorliegt,
wird mit Hilfe eines Schnellmischers in das destrukturierte Basismaterial
eingebracht. Die Drehzahl des Schnellmischers beträgt 360 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur.
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Das Compoundieren der erstellten
Mischung, bestehend aus dem destrukturierten Basismaterial (60 ma%
bis 90 ma%) und der partiell vernetzten Polyesterkomponente (10
ma% bis 40 ma%), erfolgt mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik
ZE25-A-UT bei einer Temperatur von 120°C bis 130°C, bei kontanten Heizzonentemperaturen, sowie einer
Drehzahl von 50 min–1 bis 70 min–1.
Die Materialbeschickung erfolgt mit einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung.
Die Drehzahl beträgt
100 min–1 bis 120
min–1.
Die Extrusion erfolgt durch eine Düsenleiste mit zwei Bohrungen.
Die Bohrungen besitzen einen Durchmesser von 3.20 mm. Die extrudierten Stränge werden
an der Luft abgekühlt
und unter Verwendung einer Schneidmühle vom Typ Primo 60E granuliert.
Im Ergebnis erhält
man spritzguß-/extrusionsfähige Granulate.
Die Zugfestigkeiten derartiger Biopolymerformmassen bewegen sich
in einem Bereich von 22.00 bis 28.00 N/mm2.
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Beispiel 3 – Biopolymerformmasse
vom Typ „Vernetztes
Roggenmehl"/„Isocyanat-vernetzter
Polyester"
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Für
die Aufbereitung der Biopolymerformmassen findet ein gleichläufiger Doppelschneckenextruder
ZE25-A-UT seine Verwendung. Der Compoundierprozess untergliedert
sich hierbei in drei Teilschritte.
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Im ersten Teilschritt wird zunächst die
Destrukturierung der vernetzten Roggenmehlfraktion, unter Beibehaltung
der Vernetzung, vollzogen.
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Die für die Destrukturierung der
Roggenmehl-Fraktion notwendigen Desintegrationsadditive Glyzerin
(15 ma%) und Sorbitol (10 ma%) werden zuvor in das mit einer definierten
Feuchte (H2O-Gehalt: 12.00–14.00 ma%)
versehene Roggenmehl mit Hilfe eines Horizontalkneters vom Typ LUK4/III
eingebracht. Die Drehzahl beträgt
96 min–1.
Die Aufbereitung wird bei Raumtemperatur vorgenommen. Für die Zudosierung
der flüssigen
Komponente Glyzerin gelangt eine peristaltisch arbeitende Dosierpumpe vom
Typ PA-SF zum Einsatz. Die Mischzeit beträgt 5 min.
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Die Destrukturierung der Roggenmehl-Fraktion
erfolgt mittels der Doppelschneckenextrudertechnik ZE25-A-UT bei
einer Temperatur von 120°C bis
150°C, bei
konstanten Heizzonentemperaturen, sowie einer Drehzahl von 45 min–1 bis
65 min–1.
Die Länge
der Compoundierstrecke beträgt
1000 mm. Die Materialbeschickung der Doppelschneckenextruder-Einheit
erfolgt mittels einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung. Die
Drehzahl beträgt
hier 100 min–1.
Die Destrukturierung der vernetzten Getreidemehle, unter Verwendung
der Desintegrationsadditive Glyzerin und Sorbitol, erfolgt bei komplett
geschlossener Zylinder-Einheit, d. h. ohne Vakuum-Entgasung. Die
Destrukturie rung wird unter Beibehaltung der Vernetzung der Roggenmehle
vorgenommen. Die Extrusion des Biopolymeren erfolgt durch eine Düsenleiste
mit zwei Bohrungen. Der Durchmesser der Bohrungen beträgt 3.20
mm. Die Extrudatstränge
werden an der Luft abgekühlt
und mit Hilfe einer Schneidmühle
Primo 60E granuliert. Im Ergebnis erhält man ein Biopolymergranulat
mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Im zweiten Teilschritt erfolgt die
Umsetzung der Polyester-Komponente Polycaprolacton mit Polyisocyanat-Härtern unter
Verwendung von Metallsäureestern,
z. B. Titanacetylacetonat. Die polyfunktionellen Polyisocyanat-Verbindungen
beinhalten abspalterfreie Härter,
die auf der Uretdion-Chemie basieren sowie blockierte Härter-Systeme,
die bei der Vernetzungsreaktion Caprolactam abspalten. Mit Hilfe
der Isocyanat-Komponente werden die freien COOH- sowie OH-Gruppen
der Polyester-Komponente umgesetzt. Die Polyisocyanat-Verbindungen
liegen in Granulat-/Pastillen-Form vor.
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Im Vorfeld des Compoundierprozesses
werden die Komponenten Polyester (80 ma%), Polyisocyanat (18.50
ma% bis 19.50 ma%) sowie Metallsäureester
(0.50 ma% bis 1.50 ma%) mit Hilfe eines Schnellmischers vermischt.
Die flüssige
Komponente Metallsäureester
wird mittels Pipette in das Polyester-Polyisocyanat-Gemisch eingebracht.
Die Drehzahl des Mischers beträgt
360 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur. Das reaktive Compoundieren
der erstellten Mischung, bestehende aus Polyester, Polyisocyanat
und Metallsäureester,
erfolgt mit Hilfe der Doppelschneckenextrudertechnik bei einer Temperatur
von 110°C
bis 160°C,
bei konstanter Heizzonentemperatur, sowie einer Drehzahl von 50
min–1 bis
70 min–1.
Die extrudierten Stränge werden
abgezogen und granuliert. Man erhält ein zylinderförmiges Granulat
mit einem definierten L/D-Verhältnis. Mit
Hilfe der reaktiven Compoundierung kann gezielt das mechanische
Eigenschaftsniveau der Polyester-Komponente beeinflusst werden. Im
Ergebnis handelt es sich um „partiell" vernetzte Polyester-Verbindungen,
die eine thermoplastische Verarbeitung gewährleisten können.
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In einem dritten Teilschritt werden
die destrukturierten Biopolymerformmassen, welche einen variierenden
Derivatisierungsgrad beinhalten, mit den „partiell" vernetzten Polyesterverbindungen geblendet.
Die mengenmäßige Zugabe
der Polyesterkomponente erfolgt in einem Konzentrationsbereich von
10.00 ma% bis 40.00 ma%.
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Die für die Erstellung der Biopolymerformmasse,
basierend auf vernetzten Roggenmehlprodukten, notwendige, mit Polyisocyanaten
partiell vernetzte, Polyester-Komponente,
welche in Granulatform vorliegt, wird mit Hilfe eines Schnellmischers
in das destrukturierte Basismaterial eingebracht. Die Drehzahl des
Schnellmischers beträgt
360 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur.
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Das Compoundieren der erstellten
Mischung, bestehend aus dem destrukturierten Basismaterial (60 ma%
bis 90 ma%) und der mit Polyisocyanaten partiell vernetzten Polyesterkomponente (10
ma% bis 40 ma%), erfolgt mit Hilfe der Doppelschneckenextruder-Technik
ZE25-A-UT bei einer Temperatur von 120°C bis 130°C, bei kontanten Heizzonentemperaturen,
sowie einer Drehzahl von 50 min–1 bis
70 min–1.
Die Materialbeschickung erfolgt mit einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung.
Die Drehzahl beträgt
100 min–1 bis
120 min–1.
Die Extrusion erfolgt durch eine Düsenleiste mit zwei Bohrungen.
Die Bohrungen besitzen einen Durchmesser von 3.20 mm. Die extrudierten
Stränge
werden an der Luft abgekühlt
und unter Verwendung einer Schneidmühle vom Typ Primo 60E granuliert.
Im Ergebnis erhält
man spritzguß-/extrusionsfähige Granulate
mit einem mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Beispiel 4 – Biopolymerformmasse
vom Typ „Isocynat-vernetzte
Biopolymere auf der Basis von vernetzten Roggenmehlen und Polyesterverbindungen"
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Es besteht die Möglichkeit, die freien Hydroxylgruppen
der Roggenmehlstärke
sowie die freien Hydroxyl-/Caboxylgruppen der Polyesterverbindung mit
Polyisocyanat-Verbindungen,
unter Verwendung von Metallsäureester-Katalysatoren,
umzusetzen. Diese Biopolymerformmassen beinhalten einen quasi-duroplastischen
Charakter. Werden höhere
Vernetzungsgrade angestrebt, was höhere Anteile an Polyisocyanat
(>> 20 ma%) bedingt, so ist die Biopolymerformmasse
wie eine duroplastische Masse anzusehen.
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Die Aufbereitung erfolgt in zwei
Teilschritten. Im ersten Teilschritt wird zunächst die Destrukturierung der
vernetzten Roggenmehlfraktion, unter Beibehaltung der Vernetzung,
vollzogen. Die für
die Destrukturierung der Roggenmehl-Fraktion notwendigen Desintegrationsadditive
Glyzerin (15 ma%) und Sorbitol (10 ma%) werden zuvor in das mit
einer definierten Feuchte (H2O-Gehalt: 12.00–14.00 ma%) versehene
Roggenmehl mit Hilfe eines Horizontalkneters vom Typ LUK4/III eingebracht.
Die Drehzahl beträgt
96 min–1.
Die Aufbereitung wird bei Raumtemperatur vorgenommen. Für die Zudosierung der
flüssigen
Komponente Glyzerin gelangt eine peristaltisch arbeitende Dosierpumpe
vom Typ PA-SF zum Einsatz. Die Mischzeit beträgt 5 min.
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Die Destrukturierung der Roggenmehl-Fraktion
erfolgt mittels der Doppelschneckenextrudertechnik ZE25-A-UT bei
einer Temperatur von 120°C bis
150°C, bei
konstanten Heizzonentemperaturen, sowie einer Drehzahl von 45 min–1 bis
65 min–1.
Die Länge
der Compoundierstrecke beträgt
1000 mm. Die Materialbeschickung der Doppelschneckenextruder-Einheit
erfolgt mittels einer drehzahlgesteuerten Dosiervorrichtung. Die
Drehzahl beträgt
hier 100 min–1.
Die Destrukturierung der vernetzten Getreidemehle, unter Verwendung
der Desintegrationsadditive Glyzerin und Sorbitol, erfolgt bei komplett
geschlossener Zylinder-Einheit, d. h. ohne Vakuum-Entgasung. Die
Destrukturierung wird unter Beibehaltung der Vernetzung der Getreidemehle
vorgenommen. Die Extrusion des Biopolymeren erfolgt durch eine Düsenleiste
mit zwei Bohrungen. Der Durchmesser der Bohrungen beträgt 3.20
mm. Die Extrudatstränge
werden an der Luft abgekühlt
und mit Hilfe einer Schneidmühle
Primo granuliert. Im Ergebnis erhält man ein Biopolymergranulat
mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Im zweiten Teilschritt erfolgt die
Compoundierung des destrukturierten Basismateriales mit der Polyesterkomponente,
dem Polyisocyanat und dem Metallsäureester.
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Im Vorfeld des Compoundierprozesses
werden die Komponenten Polyester, Polyisocyanat sowie Metallsäureester
mit Hilfe eines Schnellmischers vermischt. Die flüssige Komponente
Metallsäureester
wird mittels Pipette in das Polyester-Polyisocyanat-Gemisch eingebracht.
Die Drehzahl des Mischers beträgt
360 min–1.
Die Aufbereitung erfolgt bei Raumtemperatur.
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Das Compoundieren der erstellten
Mischung, bestehende aus Polyester, Polyisocyanat und Metallsäureester,
erfolgt mit Hilfe der Doppelschneckenextrudertechnik bei einer Temperatur << 110°C,
bei konstanter Heizzonentemperatur, sowie einer Drehzahl von 50
min–1 bis
70 min–1.
Die extrudierten Stränge
werden abgezogen und granuliert. Man erhält ein zylinderförmiges Granulat
mit einem definierten L/D-Verhältnis.
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Die im Compoundierprozess erstellte
Biopolymerformmasse kann im Nachgang im Spritzgießprozess
zu definierten Formteilen verarbeitet werden. Hier wird eine quasireaktionsfreie
Aufbereitung, die Zylindertemperaturen sind mit << 110°C vorzugeben,
im Spritzgießaggregat
gewährleistet.
Die eigentliche Vernetzung, d. h. Ausbildung des Werkstoffgefüges, erfolgt
in der Kavität
des Spritzgießwerkzeuges
bei Temperaturen von 110°C
bis 160°C
unter Ausbildung echter chemischer Bindungen zwischen Bio polymerkomponente
auf Getreidemehlbasis und Polyester. Mit Hilfe des Vernetzungsgrades
können die
mechanischen Eigenschaften des Formteiles, wie Festigkeit und Steifigkeit,
eingestellt werden.