DE4424946A1

DE4424946A1 - Geschäumtes stärkehaltiges Material, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE4424946A1
Application number: DE4424946A
Authority: DE
Inventors: Johannes Borghuis; Jan Frederik Dijksterhuis
Original assignee: Emsland Staerke GmbH
Current assignee: Emsland Staerke GmbH
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-01-18

Description

Die Erfindung betrifft ein geschäumtes stärkehaltiges Mate rial, ein Verfahren zur seiner Herstellung, sowie seine Verwendung.

Die Forschung zielt immer mehr darauf ab, stoßdämpfende bzw. isolierende Verpackungsmaterialien auf Basis von Kunststoffen, die kaum biologisch abbaubar sind und Schad stoffe, z. B. halogenierte Kohlenwasserstoffe oder auch Schwermetalle, enthalten, durch biologisch abbaubare, kom postierbare Substanzen zu ersetzen.

Ein wichtiges Ziel ist dabei nicht nur, umweltfreundliche Verpackungen zu entwickeln, sondern geeignete, sog. "nach wachsende" Rohstoffe einzusetzen. Ein Beispiel ist die Züchtung bzw. die gentechnische Produktion von Pflanzen mit einem besonders hohen Gehalt der jeweils von der Industrie gewünschten Inhaltsstoffe.

Zur Verwendung dieser natürlichen, nachwachsenden Rohstoffe für Verpackungs- bzw. Polstermaterialien sollten diese zu mindest leicht, formbeständig und gut zu entsorgen sein.

Um diese Eigenschaften in einem möglichst biologisch abbau baren Material zu vereinen, wurden bereits verschiedene Ma terialien vorgeschlagen. Eine Möglichkeit für einen nach wachsenden biologisch abbaubaren Rohstoff für stoßdämpfende und isolierende Verpackungen ist Popcorn. Popcorn hat gute Dämpfungs- und Fülleigenschaften, weshalb es neuerdings auch als Verpackungsmaterial für zerbrechliche und empfind liche Waren gedacht ist. Es ist zu 100% biologisch abbau bar, und läßt sich auf herkömmliche Weise kompostieren. Eine weitere Form der Entsorgung ist hier zudem das Verfüt tern an Tiere.

Leider besitzt dieses für Verpackungszwecke eingesetzte na türliche Material eine Reihe von Nachteilen: Nur speziell für diesen Verwendungszweck gezüchtete Maisarten können zur Herstellung dieses Popcorns herangezogen werden. Außerdem können die beim Maisanbau auftretenden hohen Belastungen an Pestiziden und Düngemitteln, deren Schadstoffe sich in den Pflanzen anreichern, kaum vermieden werden und sind letzt lich im Verpackungsmaterial ebenfalls enthalten. Somit ist die Ökobilanz bei der Verwendung von Popcorn wahrscheinlich ungünstig.

Nachteilig ist ferner, daß Popcorn elektrostatisch ist und sich leicht auf lädt, d. h. es bleibt an statisch aufgela denen Flächen haften und läßt sich dort nur mühselig ein zeln ablösen. Bei erhöhter Feuchtigkeit in Verbindung mit entsprechender Wärme besteht zudem die Gefahr von Schimmel bildung und erheblicher Volumenschrumpfung.

Schließlich ist Popcorn schlecht zu Formkörpern formbar und wird deshalb meist als Chips eingesetzt. Es ist somit nicht für formschlüssige Verpackungsteile, wie sie bspw. in der Hifi-Industrie oder für EDV-Teile zur Verpackung verwendet werden, einsetzbar.

Im Vergleich zu Polystyrolschaum-Chips besitzt Popcorn etwa das achtfache Eigengewicht, was eine beträchtliche Erhöhung der Versandkosten gegenüber der Verwendung von Polystyrol zur Folge hat: Größeres Füllgewicht bedeutet generell hö here Versand- und Transportkosten.

Demgegenüber sind Materialien aus aufgeschäumter Stärke er heblich leichter. Stärke, die als nachwachsender Rohstoff ebenfalls die für Verpackungs- oder Polstermaterialien not wendigen Eigenschaften besitzt, ist wegen ihrer chemischen Zusammensetzung und der hohen zur Verfügung stehenden Rein heit besser zu diesem Spezialwerkstoff zu verarbeiten. Die speziellen Eigenschaften wie Hydrophilie, Viskosität oder Quellvermögen macht man sich dabei zunutze. Die Herstellung von Stärke als rein physikalischer Prozeß macht die Anwen dung weiterer chemischer Zusätze zudem überflüssig.

Stärke kann aus pflanzlichen Rohstoffen mit geringem Auf wand gewonnen werden. Wichtige Stärkelieferanten sind Knol len und Wurzeln von Kartoffeln, Maranta, Maniok, Batate, Getreidesamen von Weizen, Mais, Roggen, Reis, Gerste, Hir se, Hafer, Sorghum, Früchte wie Kastanien, Eicheln, Erbsen, Bohnen, sowie Hülsenfrüchte, Bananen und Pflanzenmark.

Die Herstellung von stärkehaltigen Materialien für ver schiedene Zwecke ist bereits bekannt.

In der EP-A2-0 282 451 wird zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung von aufgespaltener Stärke beschrieben, bei dem unmodifizierte Stärke mit einem Wassergehalt von 10- 25 Gew.-% in Gegenwart eines Kettenspaltungskatalysators bei erhöhter Temperatur unter Bildung einer thermoplasti schen Schmelze erhitzt wird, bis das Stärkemolekül aufge spalten wird. Das geschmolzene Material kann dann durch Spritzgußverfahren oder Extrudieren weiterbehandelt werden. Das hergestellte Produkt wird für Flaschen, Filme, oder auch als Verpackungsmaterial verwendet.

Die EP-A1-0 303 460 beschreibt ein Verfahren zur Herstel lung eines hochgradig absorptionsfähigen Trägermaterials aus Stärke durch Extrudieren unter Druck bei einer zum Gelatinieren der Stärke ausreichend erhöhten Temperatur in Gegenwart von Wasser. Die Temperatur beim Extrudieren be trägt mindestens 150°C beträgt, als Treibmittel kann 0,1-1,0 Gew.-% Ammoniumcarbonat zugesetzt werden. Das extru dierte Produkt wird anschließend vermahlen. Das Produkt dient als Fette absorbierender Lebensmittelzusatz, bspw. für Backmischungen und ist eßbar. Es ist auch wasserlös lich.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung aufgeschäumter, ge latinierter Stärkeprodukte ist aus der DE-PS-32 06 751 be kannt. Das Produkt wird aus körniger oder pulverisierter Stärke oder stärkehaltigen Materialien (z. B. Abfallstärke) in Gegenwart von 10-30 Gew.-% Wasser und einem Gas bil denden oder entwickelnden Treibmittel in einem Extruder bei 60-220°C hergestellt. Als Treibmittel werden Karbonate und organische Säuren in Mengen von 0,01-10 Gew.-% bezo gen auf die Stärkemenge und auch sog. Vernetzungsmittel, wie Glyoxal, Formaldehyd, Harnstoff, Melaminharz oder Uro tropin zugesetzt. Es werden Stärkeschwämme hergestellt, die nach dem Ausfrieren getrocknet werden können, aber relativ instabil sind.

Ein großer Nachteil der geschäumten Stärkematerialien des Standes der Technik ist die Empfindlichkeit der Stärkepro dukte gegenüber Feuchtigkeit und die damit verbundene An fälligkeit in Verpackungen. Dies kann zu einem raschen Ver kleben und teilweiser Auflösung des Materials führen, wo durch die Schutzfunktion des Verpackungsmaterials nicht mehr erfüllt wird. Eine Verbesserung dieses Verhaltens kann durch entsprechende chemische Zusätze erreicht werden.

EP 0 375 831 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines biologisch abbaubaren Packmaterials aus geschäumter, ge schlossenzelliger Stärke mit einer Dichte von 32,0 kg/m³ durch Extrudieren von einem speziellen, hochamylosen Stär kematerial. Dieses Stärkematerial besitzt dabei einen Feuchtigkeitsgehalt von 21 Gew.-% und muß mindestens 45 Gew.-% Amylose enthalten. Das Extrudieren erfolgt bei ca. 150 bis 250°C. Die eingesetzte Stärke wird zuvor mit Alkyloxiden behandelt, wobei Etherbildung eintritt. Die verwendeten Zusätze sind bspw. Polyvinylalkohol, Monoglyce ride, Polyvinylacetat, Polyurethan, Polystyrol; Phosphor-, Ammonium- und Schwefelsalze; sie werden bis zu 50 Gew.-% des Stärke-Ausgangsmaterials zugesetzt.

Nachteilig ist dabei die zusätzliche Behandlung des Stärke materials als weiterer Verfahrensschritt, sowie der hohe Anteil an Zusätzen, die die biologische Abbaubarkeit beein trächtigen.

Um bspw. eine zusätzliche Beschichtung, z. B. in Form von Lacken, zu vermeiden, die wieder zu nicht abbaubaren und umweltschädlichen Substanzen führen können und einen zu sätzlichen Verfahrensschritt erfordern würden, muß eine verbesserte Beständigkeit durch entsprechende, möglichst umweltfreundliche Zusätze erreicht werden. Die Herstellung von Stärke mit Kunststoffzusätzen ist dann besonders inter essant, wenn eine derartige Zusammensetzung besser biolo gisch abbaubar ist, als herkömmlich eingesetzte Kunst stoffe.

Bekannt sind auch Produkte aus Polyethylen mit etwa 6% Stärke, die für Tragetaschen, Müllbeutel und Kompostsäcke verwendet werden. Ein Problem bei Einsatz von anderen Kunststoffen, insbesondere auch von Polyethylen, besteht darin, daß nur wenige der Kunststoff/Stärkeausgangsmate rialien ohne große Probleme extrudierbar sind, d. h. nur bestimmte Mengenverhältnisse der Stärke/Kunststoff-Zusam mensetzung sind bislang möglich, da sonst Verarbeitungs probleme auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes geschäumtes Stärkematerial, das biologisch abbaubar ist, sowie ein Ver fahren zu dessen Herstellung zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein geschäumtes stärkehalti ges Material, herstellbar durch

a) Einführen eines wasserhaltigen Stärke-Ausgangsmaterials mit einem Gehalt an einem oder mehreren thermoplasti schen Zusätzen in einen Extruder;
b) Extrudieren des stärkehaltigen Materials unter Aufschäu men, wobei die Produkttemperatur unmittelbar vor der Düse 150-250°C, bevorzugt 160-230°C und besonders bevorzugt 170-210°C ist und der Druck 30-70 bar be trägt, wobei beim Austritt des Materials aus dem Extru der eine Expansion auftritt; und
c) Formen des extrudierten geschäumten stärkehaltigen Materials in an sich bekannter Weise.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstel lung geschäumter stärkehaltiger Materialien unter Verwen dung von Stärke in Gegenwart einer Flüssigkeit in einem Extruder, gekennzeichnet durch

a) Einführen eines wasserhaltigen Stärke-Ausgangsmaterials mit einem Gehalt an einem oder mehreren thermoplasti schen Zusätzen in einen Extruder;
b) Extrudieren des stärkehaltigen Materials unter Aufschäu men, wobei die Produkttemperatur unmittelbar vor der Düse 150-250°C, bevorzugt 160-230°C und besonders bevorzugt 170-210°C ist und der Druck 30-70 bar be trägt, wobei beim Austritt des Materials aus dem Extru der eine Expansion auftritt; und
c) Formen des extrudierten geschäumten stärkehaltigen Mate rials in an sich bekannter Weise.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen und der begleitenden Figur beschrie ben.

Die einzige Figur zeigt einen bevorzugt einsetzbaren Extru der.

Das stärkehaltige Ausgangsmaterial kann Kartoffel-, Tapioka-, Maniok- oder Getreidestärke, wie Mais, Hafer, Gerste oder Weizen oder deren Kombination aufweisen.

Ferner sind 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt 1,0-10 Gew.-% des Gesamtmaterials ein oder mehrere thermoplastische Zusätze auf Basis von Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polystyrol und/oder Polyethylen enthalten. Diese Polymere sind bspw. Mowiol 4-88®, Mowiol 26-88®, Mowiol 28-99® (Mowiol® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Hoechst AG für ver schiedene Polyvinylalkohole), Polystyrol, Polyethylen, Mo wilith DS®, Mowilith DM 117 P® (Mowilith® ist ein ein getragenes Warenzeichen der Hoechst AG für verschiedene thermoplastische Kunststoffe auf Acrylsäureester- oder Vi nylacetatbasis), Polystyren N 2000®, Polyethylen 33® (beides eingetragene Warenzeichen von Shell), Polyamid, Po lycaprolacton, Polycaprolactam, Ethylen-Vinylacetat-copoly mere (EVA), Ethylen-Ethylacrylat-Copolymere (EEA), Polyvi nylether, Polyacrylatester, Polyvinylacetal, Polyvinylace tat, Styrol-Butadien-Blockpolymere, Isopren-Blockpolymere, Polyurethan, Ethylcellulose, Celluloseacetat-Butyrat, Syn thesekautschuke (z. B. Neopren-Kautschuk), Polyisobutylen, Butylgummi, Acrylnitril-Butadien-Mischpolymerisate, Epoxid harze, Melaminharze, Phenol-Formaldehyd-Harze und/oder Resorcin-Formaldehyd-Harze.

Das Ausgangsmaterial für das geschäumte stärkehaltige Mate rial weist ferner einen oder mehrere Zusätze, wie Bindemit tel, Treibmittel, Farbstoffe, Lösemittel und/oder Konser vierungsmittel in einer Menge von 0,5-20 Gew.-%, bevor zugt 1,0-10 Gew.-% des Gesamtmaterials auf. Verwendet werden bspw. Phthalsäuredibutylester, Butadienstyren, DC 1107® (eingetragenes Warenzeichen von Dow Corning für Methylhydrogensiloxane) + Zinkstearat, DC 1107® und/oder Triethylenglycol.

Für die Herstellung des geschäumten stärkehaltigen Materi als wird ein Extruder eingesetzt. Ein bevorzugt einsetzba rer Extruder weist die in der Figur gezeigte Schneckenkon figuration auf. Man unterscheidet dabei zwischen Förder- und Knetelementen, die wie gezeigt, angeordnet sind. Die Länge des Extruders ist dabei als Vielfaches seines Durch messers (4 D ist der 4-fache Durchmesser) angegeben. Es zeigt sich, daß bis etwa 10-16 D Knetelemente vorgesehen sind, während bei etwa 4-10 D Förderelemente vorliegen.

Im Extruder wird in einem Arbeitsgang das stärkehaltige Material mit thermoplastischen Zusätzen thermisch/mecha nisch durch Kneten und Scheren behandelt, wobei es in Lö sung geht und anschließend bei hoher Temperatur und Druck durch eine Düse gepreßt wird, wodurch eine starke Aufschäu mung auftritt. Zusätzlich kann Wasserdampf in den Extruder eingebracht werden. Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehaltige Material durch Schneiden, Pressen und Ausschäumen in Formen oder dergleichen weiterverarbei tet.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann Wasser in einer Menge von 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt 1,0-10 Gew.-% der Gesamt menge des stärkehaltigen Ausgangsmaterials zugegeben wer den.

Zur Änderung der Produkteigenschaften (Füllgewicht, Flexi bilität, Farbe) und/oder zur Verbilligung des Produktes, kann man auch nach freier Wahl andere Produkte z. B. Weizen mehl, Kartoffeleiweiß, Weizenkleie, Cellulose in unbehan delter Form und/oder Lebensmittelfarbstoffe zusetzen.

Dem Ausgangsmaterial können ferner gasentwickelnde Mittel, wie Carbonat, Peroxid, Azid und/oder Ammoniumsalz zugesetzt werden.

Das erfindungsgemäß hergestellte stärkehaltige Material be sitzt:

- gutes Fließverhalten für die damit verbundene Automati sierbarkeit der Packprozesse (z. B. automatisierte Ab füllanlagen);
- hohe innere Widerstandskraft gegen auftretende Einflüsse wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit, interessant für die Lagerhaltung und die mögliche Transportbelastbarkeit (z. B. Temperaturformbeständigkeit);
- gutes Stoßdämmvermögen zum Schutz der transportierten Ge genstände;
- hohe Abriebfestigkeit;
- eine einfache Entsorgbarkeit
- Wiederverwertbarkeit und
- leichte Formbarkeit zu Formteilen.

Das geschäumte stärkehaltige Material besitzt eine Poren größe zwischen 0,2-2,5 mm, bevorzugt 0,5-2,0 mm, ein Füllgewicht von 8-20 g/l, bevorzugt 10-15 g/l und ein Rückstellvermögen von mindestens 80%, bevorzugt über 90%.

Die ökologische Gesamtbilanz des Produktes ist zudem gün stig, da unbehandelte Stärke eingesetzt werden kann.

Das Produkt ist biologisch abbaubar; die Entsorgung/ Ver wertung kann über Garten, Kompost, Landwirtschaft, Deponie und Verbrennung erfolgen.

Besonders von Vorteil ist, daß dieses stärkehaltige Mate rial, einmal benutzt und eingesammelt und als Sekundärroh stoff wieder in die Herstellung eines neuen Produktes ohne großen Qualitätsverlust eingehen kann, d. h. es ist als Aus gangsprodukt zur erneuten Herstellung z. B. von Füll- oder Polstermaterial geeignet. Die Ausgangsmaterialien können je Umlauf zu ca. 80% schon einmal verwendeter Rohstoff sein. Diese Ressourcenersparnis ist vor allen Dingen im Hinblick auf die endliche Ressource an Erdöl sowie die daraus produ zierten Kunststoffe von Belang.

Das geschäumte stärkehaltige Material kann je nach Hilfs stoffzusatz als Verpackungs-, Füll- und Polstermaterial, als Isolations-, Leichtbaumaterial, Düngemittelzusatz, Tier streu, insbesondere Kleintierstreu oder als Lebensmittelzu satz eingesetzt werden. Es besitzt dabei den Vorteil, daß es nicht giftig ist und keine allergischen Reaktionen aus löst. Insbesondere für Spielwaren, z. B. mit lebensmittel echten Farbstoffen eingefärbt, ist das stärkehaltige Ma terial gut geeignet, da es ungiftig ist.

Das stärkehaltige Material kann außerdem zur Herstellung von Chips, Flaschen, Formteilen, Filmen, Behältern, Trays, Pflanzenschalen, Rohren und Platten dienen.

Die verwendeten Geräte, Bedingungen und Parameter für das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend beschrieben.

Es können verschiedene Typen von Extrudern eingesetzt wer den:
Doppelschnecken-Extruder, gleich- und gegenlaufend und Ein schnecken-Extruder.

Für die Versuche werden folgende Extruder verwendet:

- Continua C 58 von Fa. Werner Pfleiderer, Stuttgart; Dop pelschnecken-Extruder, gleichlaufend, Länge 16 D;
- Theysson-Extruder, Fa. Theysson, Österreich; Doppel schnecken-Extruder, gegen laufend;
- Bühler-Extruder, Fa. Bühler, Schweiz; Doppelschnecken- Extruder, gleichlaufend;
- Berstdorf-Extruder, Fa. Berstdorf, Hannover; Doppel schnecken-Extruder, gleichlaufend; und
- Grondona Nimet-Extruder, Schweiz; Einschnecken-Extruder;

Die für die Herstellung verwendeten Verfahrensbedingungen bei Verwendung eines Continua C 58 Extruders sind:

Manteltemperierung
Gehäuse 1, 2 - Kühlwasser
	Gehäuse 3, 4 - Öl
Stärke-Dosierung	Gehäuse 1: 30-70 kg/Std.
Wasser-Dosierung	Gehäuse 2: 0-10 l/Std.
Dampf-Dosierung	Gehäuse 3: 0-20 kg/Std.

Drehzahl : 150-300 Upm
Produkttemperatur : 150-250°C
Druck vor der Düse : 30-79 bar
Als Düsen werden verwendet:
2 Düsen mit je einem Loch : 2,5-5,0 mm
2 Düsen mit je einem Spalt : 0,8 × 15 mm
Ringdüse ⌀ 3 mm, Spalt 1 mm
Eingesetzt wird ein Granulator mit zwei Messern.

Durch gezielte Variation der Herstellungsparameter kann das hergestellte stärkehaltige Produkt an spezielle Verpac kungs- und Füllbedingungen angepaßt werden. Die vorgenomme nen Versuche werden nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Zur Herstellung von stärkehaltigen Schaum-Chips werden in einem Extruder 95 Teile unbehandelte Weizenstärke unter Zu satz von 5 Teilen Mowilith® thermisch/mechanisch behan delt, wobei die Stärke in Lösung geht und anschließend bei hoher Temperatur und Druck durch eine Düse gepreßt wird, wodurch eine starke Aufschäumung auftritt. Als Extruder wird Continua C 58 mit Doppelschnecken, gleichlaufend, ein gesetzt.

Folgende Versuchsparameter werden verwendet:

Manteltemperierung
Gehäuse 1, 2 - Kühlwasser
	Gehäuse 3, 4 - Öl (Temperatur 150°C)
Rohstoffdosierung	Gehäuse 1 - 50 kg/Std.
Wasserdosierung	Gehäuse 2 - 5 l/Std.
Drehzahl	300 Upm

Es werden zwei Düsen mit je einem Loch von 2,5 mm einge setzt. Ein Granulator mit zwei Messern und einer Drehzahl von 2000 Upm wird verwendet.

Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehal tige Material zu kleinen Chips geschnitten.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Produk tes werden anschließend untersucht.

a) Flexibilität

Unter Flexibilität ist die Zusammendrückbarkeit zu verste hen. Sie wird qualitativ durch ein Verfahren zur Beurtei lung des Rückstellvermögens bestimmt. Hierzu werden 500 ml des Produktes in einem 600 ml Becherglas gefüllt und für 30 sec auf 250 ml zusammengedrückt. Es wird entkomprimiert und nach 30 sec das Volumen abgelesen. Beim hergestellten Produkt wird eine Flexibilität von ± 400 ml gefunden. Das Rückstellvermögen liegt bei 80%.

b) Füllgewicht

Das Füllgewicht wird durch das Gewicht von 1 Liter Produkt bestimmt. Beim erfindungsgemäß hergestellten Produkt wird ein Füllgewicht von 10 bis 15 g/l gemessen.

Das hergestellte Produkt ist ein gutes Füll- und Polster material für Verpackungszwecke und besitzt außerdem noch die folgenden Eigenschaften:

- Porengröße 0,5 bis 2,0 mm;
- Geringe Verpulverung;
- Weiße Farbe;
- Löslichkeit in Wasser;
- Gute biologische Abbaubarkeit;
- Gut lagerfähig bei normalen Temperaturen und Feuchtig keiten;
- hohe Abriebfestigkeit;
- CSB-Wert +/- 120 mg O₂/100 mg Produkt; und
- CSB5-Wert +/- 50 mg O₂/100 mg Produkt.

1. Einfluß der Stärkeart und der Extruder-Einstellungen auf das Endprodukt

Zur Herstellung der stärkehaltigen Schaum-Chips wird in ei nem Extruder als Rohstärke: unbehandelte Kartoffelstärke mit verschiedenen Feuchtigkeiten, Weizenstärke, hochamylose Maisstärke, Maisstärke, Waxy-Maisstärke, Weizenmehl und Hy droxypropyl-Kartoffelstärke (Substitutionsgrad 0,1, d. h. 0,1 mol auf 162 g Stärke) eingesetzt. Der Wassergehalt der eingesetzten Stärke beträgt ca. 10 bis 14%. Im Extruder wird zur jeweiligen Stärke Wasser zugesetzt; danach wird das Material thermisch/mechanisch behandelt und geht dabei in Lösung. Anschließend wird die Stärkezubereitung bei ho her Temperatur und Druck in Gegenwart von Wasserdampf durch eine Düse gepreßt, wodurch bei der Expansion des Materials bei Austritt aus der Düse eine starke Aufschäumung auf tritt. Anschließend wird das geschäumte stärkehaltige Mate rial mittels eines Messers zu kleinen Chips geschnitten.

Die Eigenschaften des Endproduktes werden abhängig von der ausgewählten Stärkeart nach Modifizierung verschiedener Einstellungen des Extruders, wie Veränderung von Drehzahl, Manteltemperatur oder Lochplatte hinsichtlich Belastbar keit, Füllgewicht und Beständigkeit bei Verformung unter sucht.

Ergebnis

Das geschäumte Stärkematerial auf Basis von Weizenstärke besitzt ein niedriges Füllgewicht, ist also für Transport verpackungen sehr günstig.

Ein besonders elastisches und flexibles Produkt wird bei den durchgeführten Versuchen mit hochamyloser Maisstärke erzielt.

Allgemein führen die Zugabe von Wasser zur unbehandelten Stärke und der Einsatz von Dampf zu einem hohen Füllgewicht der hergestellten Schaum-Chips; dagegen kann ein niedri geres Fullgewicht des herzustellenden stärkehaltigen Mate rials durch Anwendung einer höheren Drehzahl, eine höhere Manteltemperatur und eine kleinere Lochplatte erreicht wer den.

2. Einfluß der Zusätze auf das geschäumte Material

Es wird der Einfluß der verschiedenen Zusätze auf die Ei genschaften der hergestellten Stärke untersucht. Zu diesem Zweck wird reine Weizenstärke mit verschiedenen Zusätzen versetzt, verarbeitet und das Produkt getestet. Die Zusätze sind Wasser, Mowiol 4-88®, Mowiol 26-88®, Mowiol 28-99® (Mowiol® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Hoechst AG), Polystyrol, Polyethylen, Phtalsäuredibutylester, Mowi lith DS®, Mowilith DM 117 P® (Mowilith® ist ein einge tragenes Warenzeichen der Hoechst AG), Butadien Styren, DC 1107® (eingetragenes Warenzeichen von Dow Corning für Me thylhydrogensiloxane) + Zinkstearat, DC 1107®, Triethy lenglycol, Polystyren N 2000® (eingetragenes Warenzeichen von Shell) und/oder Polyethylen 33® (eingetragenes Waren zeichen von Shell). Die Mengen der Zusätze variieren dabei zwischen 1,0-10 Gew.-%.

Für die Versuche wird ein Extruder mit der Lochplatte 2 (1 × 2,5) mm verwendet. Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehaltige Material mittels eines Messers zu kleinen Chips geschnitten.

Ergebnis

Die hergestellten stärkehaltigen Schaum-Chips auf Basis von Weizenstärke liefern die besten Eigenschaften hinsichtlich Füllgewicht und Polsterwirkung bei Zusätzen von Mowilith DS®, Mowilith DM 117 P® und/oder Polystyren.

Der Zusatz von DC 1107®, also Methylhydrogensiloxan mit Zinkstearat führt zu einem hydrophobierten Produkt. Das mit Polystyrol- und Polyvinylalkohol-Zusatz hergestellte Pro dukt zeichnet sich durch besondere Elastizität aus.

3. Einfluß der Rohstoffe

Es werden die Eigenschaften verschiedener Stärkematerialien bei gleichen Zusätzen untersucht. Als Stärke werden Mais stärke, Weizenstärke, Weizenmehl und Kartoffelstärke mit 12- und 20%iger Feuchtigkeit eingesetzt. Die verwendeten Zusätze sind Wasser, sowie 5 Gew.-% Mowilith DS®. Der Ex truder wird mit der Lochplatte 2 (1 × 2,5) mm ausgerüstet. Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehal tige Material mittels eines Messers zu kleinen Chips ge schnitten

Ergebnis

Tabelle

Eigenschaften der verschiedenen Stärketypen mit Zusatz Was ser und 5 Gew.-% Mowilith DS®

Das Maisstärkeprodukt führt zu einem etwas höheren Füllge wicht als das der Weizenstärke; bei Verwendung von Kartof felstärke als Ausgangsmaterial mit den erwähnten Zusätzen bleibt das Füllgewicht, verglichen mit der Weizenstärke, gleich, aber die Flexibilität des hergestellten Stärkemate rials ist etwas besser.

Verwendet man Weizenmehl als stärkehaltiges Material, ist das beobachtete Füllgewicht höher und die Flexibilität des Produktes schlechter als bei der Weizenstärke.

4. Vergleich von Mowilith D® und Mowilith® als Zusatz

Jeweils 10 Gew.-% (bezogen auf das Stärke-Ausgangsmaterial) Mowilith D® als 50%ige Dispersion, Mowolith DS® als Pul ver werden in zwei Versuchen zu unbehandelter Weizenstärke zugegeben und in einem mit der Lochplatte 2 (1 × 2,5) mm ausgerüsteten Extruder aufgeschäumt. Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehaltige Material mittels ei nes Messers zu kleinen Chips geschnitten.

Ergebnis

Die mit Mowilith D® und Mowilith DS® hergestellten stär kehaltigen Schaum-Chips sind identisch in ihren physikali schen Eigenschaften, wie Aussehen, Elastizität und Füllge wicht.

5. Einfluß von verschiedenen Extruderdüsen

Als Rohstoff wird Weizenstärke unter Zusatz von Wasser und 5% Mowilith DS® eingesetzt. Im Extruder wurde entweder

- eine Lochplatte 2 (1 × 2,5) mm,
- eine Spaltdüse 0,8 × 15 mm oder
- eine Ringdüse ⌀ 3 mm, Spalt 1 mm

verwendet.

Nach Austritt aus der Düse wird das geschäumte stärkehal tige Material mittels eines Messers zu kleinen Chips ge schnitten.

Ergebnis

Das niedrigste Füllgewicht unter diesen Versuchsbedingungen wird bei Einsatz der Lochplatte erzielt. Allerdings nimmt bei niedrigerem Füllgewicht der Chips ihre Druckstabilität ab.

6. Anwendungsbeispiele Düngemittel

Stärkeschaum auf Basis von Weizenstärke als biodegradierba rer Dünger wird hergestellt, indem der Ausgangsmischung vor dem Extruder 10-30 Gew.-% Harnstoff, Phosphate, Calcium oxid oder dgl. extrudierbare Düngestoffe in pflanzenbe darfsgerechter Kombination zugemischt werden und sodann, wie oben beschrieben, extrudiert werden. Es entstehen dün gerhaltige Stärkeschaumchips, die unter Pflanzsubstrat als Depotdünger gemischt werden können und gleichzeitig die Substratstruktur lockern. Die Stärkeschaumchips können auch als solche aufgestreut und in die Bodenstruktur eingearbei tet werden, wobei sie besonders bei schweren Böden eine Verbesserung bewirken können.

Spielzeug

Stärkeschaum auf Basis von Maisstärke wird gemeinsam mit einem Lebensmittelfarbstoff in Formen extrudiert, wobei hier wenig Wasser in der Ausgangsmischung zur Erzielung ei nes widerstandsfähigen Materials eingesetzt wird. Die Form teile können bspw. in Form von Klötzchen, Kugeln und ande ren geometrischen Formen, aber auch als Tierformen ausge bildet werden. Sie sind auch durch Lebensmittelfarben an färbbar. Nach Gebrauch können sie problemlos im Kompost oder der "Grünen Tonne" entsorgt werden.

Isolationsmaterial/Baumaterial

Das Ausgangsmaterial für den Stärkeschaum auf Basis von Weizenstärke wird vor dem Aufschäumen mit einem Lebensmit tel-Konservierungsstoff versetzt. Das Material wird durch Aufschäumen in entsprechenden Formen bzw. zwischen Rollen zu Platten geformt, die ggf. noch mit Folien oder Papier kaschiert werden können, um die Haltbarkeit zu erhöhen. Das Material ist leicht und kann insbesondere für Bauten mit kurzer Lebensdauer, wie bspw. für Messebau, Dekorationen, Theaterkulissen etc. verwendet werden und zeichnet sich durch eine leichte Entsorgbarkeit aus. Dadurch kann im Ge gensatz zu herkömmlichen Spanplatten, Styroporschaum und dergleichen ein unbedenklich und leicht zu entsorgendes Ma terial geschaffen werden, daß nicht aufwendig über Sonder müll entsorgt werden muß.

Die Platten können auch zu Isolationszwecken, bspw. zur Verkleidung von Wänden gegen Kälte/Wärme oder auch Lärm eingesetzt werden.

Verpackungsmaterial

Erfindungsgemäß hergestellte Chips bzw. Formteile, die ent sprechend dem zu verpackenden Gegenstand geformt sind wer den durch Aufschäumen des Extrudats in Formen hergestellt und zum stoßsicheren Verpacken von zerbrechlichen Gegen ständen verwendet. Auch hier kann das Verpackungsmaterial problemlos über den Kompost oder die Kompostierungsanlagen entsorgt werden.

Die Formteile können auch zur Verpackung von zu isolieren den Lebensmitteln, bspw. zum Warmhalten derselben, wie Fer tiggerichten (Pizza, Burger) oder auch für Gefrierkost, insbesondere als Transportverpackung, eingesetzt werden.

Pflanzgranulat

Geschäumtes Weizenstärkegranulat, ggf. mit Düngemittelzu satz, wird in Gebinden als sauberes Pflanzmaterial, das im Gegensatz zu Erde oder Torf weiß und damit sauber wirkt, eingesetzt. Es kann - im Gegensatz zu den an sich bekannten Tonkügelchen od. Vermiculite - problemlos über den Kompost entsorgt werden und eignet sich insbesondere für die Anwen dung in Kliniken, Altersheimen und andere, auf besondere Hygiene achtenden Einrichtungen. Ggf. kann Sand oder wei tere Materialien zugesetzt werden.

Kleintierstreu

Geschäumtes Stärkematerial in Form von Granulat und/oder Chips wird als Katzenstreu od. dgl. eingesetzt. Hierbei empfiehlt sich die Verwendung einer besonders saugfähigen, wenig polymerhaltigen Variante, die zur Aufnahme von Flüs sigkeit geeignet ist. Ggf. kann dem Material noch ein Ge ruchsverbesserer oder auch ein pH-Wert in das Saure regu lierendes Material zugesetzt werden, das das Auftreten am moniakalischer Geruchsstoffe durch Abbinden derselben ver hindert. Vorzugsweise wird noch ein Konservierungsstoff, bevorzugt ein Lebensmittelkonservierungsstoff, zugesetzt.

Auch dieses Material ist, besonders bei Verwendung von un bedenklichen Konservierungsstoffen, problemlos entsorgbar - so kann es bspw. in einem größeren Garten in den Boden ein gearbeitet werden oder dem Kompost zugegeben werden.

Obwohl die Erfindung anhand einiger ausgewählter Ausfüh rungsbeispiele erläutert wurde, ist ihr Schutzbereich kei nesfalls auf diese beschränkt; vielmehr stützt er sich auf den durch die Patentansprüche definierten Schutzumfang, wie er dem Fachmann anhand der Beschreibung ersichtlich ist.

Claims

1. Geschäumtes stärkehaltiges Material, herstellbar durch:

a) Einführen eines wasserhaltigen Stärke-Ausgangsmaterials mit einem Gehalt an einem oder mehreren thermoplasti schen Zusätzen in einen Extruder;
b) Extrudieren des stärkehaltigen Materials unter Aufschäu men, wobei die Produkttemperatur unmittelbar vor der Dü se 150-250°C, bevorzugt 160-230°C und besonders be vorzugt 170-210°C ist und der Druck 30-70 bar be trägt, wobei beim Austritt des Materials aus dein Extru der eine Expansion auftritt; und
c) Formen des extrudierten geschäumten stärkehaltigen Mate rials in an sich bekannter Weise.

2. Geschäumtes stärkehaltiges Material nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das stärkehaltige Ausgangsmate rial Kartoffel-, Tapioka-, Maniok- oder Getreidestärke, wie Mais, Hafer, Gerste oder Weizen oder deren Kombination auf weist.

3. Geschäumtes stärkehaltiges Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stärkehaltige Material ein oder mehrere thermoplastische Zusätze in einer Menge von 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt 1,0-10 Gew.-%, berechnet auf Basis des Gesamt-Ausgangsmaterials, aufweist.

4. Geschäumtes stärkehaltiges Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Zusätze solche auf Basis von Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polystyrol, Polyethylen, Phthalsäuredibutylester, Butadi enstyren, Methylhydrogensiloxan, Zinkstearat und/oder Tri ethylenglycol oder Ester derselben sind.

5. Geschäumtes stärkehaltiges Material nach einem der vor angehenden Ansprüche mit einer Porengröße zwischen 0,2-2,5 mm, bevorzugt 0,5-2,0 mm, einem Füllgewicht von 8-20 g/l, bevorzugt 10-15 g/l und einem Rückstellvermögen von mindestens 80%, bevorzugt über 90%.

6. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Ma terialien unter Verwendung von Stärke in Gegenwart einer Flüssigkeit in einem Extruder, gekennzeichnet durch:

a) Einführen eines wasserhaltigen Stärke-Ausgangsmaterials mit einem Gehalt an einem oder mehreren thermoplasti schen Zusätzen in einen Extruder;
b) Extrudieren des stärkehaltigen Ausgangsmaterials unter Aufschäumen, wobei die Produkttemperatur unmittelbar vor der Düse 150-250°C, bevorzugt 160-230°C und beson ders bevorzugt 170-210°C ist und der Druck 30-70 bar beträgt, wobei beim Austritt des Materials aus dem Ex truder eine Expansion auftritt; und
c) Formen des extrudierten geschäumten stärkehaltigen Mate rials in an sich bekannter Weise.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Extruder zusätzlich Wasserdampf eingebracht wird.

8. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Materialien nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge von 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt 1,0-10 Gew.-%, Wasser der Gesamtmenge des stärkehaltigen Ausgangsmate rials im Schritt a) vorliegt.

9. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Ma terialien nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das stärkehaltige Ausgangsmaterial Kartoffel- Tapioka-, Maniok- oder Getreidestärke, wie Mais, Hafer, Gerste oder Weizen oder deren Kombination aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung, geschäumter stärkehaltiger Materialien nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das stärkehaltige Material ferner einen oder mehrere Zusätze, wie Bindemittel, Treibmittel, Farb stoffe, Lösemittel und/oder Konservierungsmittel aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Materialien nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bindemittel Kleber auf Basis von Po lyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polystyrol, Polyethylen, Phthalsäuredibutylester, Butadienstyren, Zinkstearat und/ oder Triethylenglycol in einer Menge von 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt 1,0-10 Gew.-%, des Gesamtstärke-Ausgangsma terials aufweisen.

12. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Materialien nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Ausgangsmaterial ferner ein gasent wickelndes Mittel, wie Carbonat, Peroxid, Azid und/oder Am moniumsalz zugesetzt wird.

13. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Materialien nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Weizenmehl, Kartoffelei weiß, Weizenkleie und/oder Cellulose in unbehandelter Form als Zusätze zugegeben werden.

14. Verfahren zur Herstellung geschäumter stärkehaltiger Materialien nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Stärkema terialien unbehandelt sind.

15. Verwendung des geschäumten stärkehaltigen Materials nach einem der vorangehenden Ansprüche als Verpackungsmate rial, Füll- oder Polstermaterial, Isolationsmaterial, Leichtbaumaterial, Lebensmittelzusatz, Düngemittelzusatz, Tierstreu, insbesondere Kleintierstreu oder für Spielzeug waren.

16. Verwendung des geschäumten stärkehaltigen Materials nach Anspruch 15 in Form von Chips, Hohlformteilen, Filmen und Platten.