WO2022253731A1 - Thermoplastisches material und verfahren zur herstellung eines formkörpers aus einem thermoplastischen material und formkörper - Google Patents

Thermoplastisches material und verfahren zur herstellung eines formkörpers aus einem thermoplastischen material und formkörper Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a thermoplastic material and a method for producing a molded body from a thermoplastic material and a molded body.
  • thermoplastic materials containing starch and other components are known from the prior art, for example from EP 0 397 819 A1.
  • Such thermoplastic materials can be used as biodegradable materials that can be produced from renewable resources. Due to the increased environmental awareness of consumers in the past, such materials are enjoying increasing popularity.
  • a disadvantage of such materials is that they do not have sufficient resistance, for example to moisture, for many uses. This currently makes materials of the type in question unsuitable for many applications. For example, utensils that are typically used in bathrooms cannot usually be made from materials of the type in question due to the high humidity prevailing there, as they would absorb moisture and soften so quickly that they would hardly be suitable for production of products with a reasonable lifetime under such conditions.
  • the invention is therefore based on the object of demonstrating a thermoplastic material and a method for producing a molded article from a thermoplastic material and a molded article in which the disadvantages described above do not occur or at least occur to a reduced extent.
  • thermoplastic material that contains starch and other components.
  • the other components include glycerol and sorbitol as plasticizers in concentrations of 11 to 15% by weight glycerol and 6-9% by weight sorbitol based on the total weight of the material in the dried state.
  • the concentration of the starch in the thermoplastic material is in particular 56 to 63% by weight, based on the total weight of the material in the dried state.
  • the other components can also include fillers.
  • the other components include fillers in concentrations of 16-24% by weight, based on the total weight of the material in the dried state.
  • the fillers can be, in particular, talc, chalk, bentonite, mustard seed shells, organic fibers and/or waste materials.
  • the material can also comprise further components in addition to the components mentioned above.
  • These further components are in particular components that are biodegradable and/or consist of renewable raw materials and/or are bioinert inorganic components.
  • the material is free from petroleum-based components, more particularly free from petroleum-based plastics as a component.
  • Petroleum-based components in particular petroleum-based plastics, have a negative effect on the biodegradability of the material or molded articles made from it.
  • thermoplastic material is industrially compostable and/or home compostable.
  • a home compostable material means in particular a material that is considered home compostable according to the NF T51-800:2015-11-14 standard.
  • an industrially compostable material is to be understood in particular as a material that is considered to be industrially compostable according to the DIN EN 13432:2000-12 standard.
  • thermoplastic material The method for producing a thermoplastic material described above provides that the components of the thermoplastic material are mixed in order to obtain the thermoplastic material.
  • the components of the material are mixed, in particular the shear forces exerted on the mixture of the components of the material during mixing lead to the thermoplastic material being formed from the components.
  • the method for producing the material can provide that the components of the thermoplastic material described above are fed into an extruder and extruded.
  • the extruder causes the material to be pressed through the nozzles.
  • the extruder can in particular be a twin-screw extruder.
  • the extruder not only effects extrusion but also, in particular, mixing of the material.
  • the components are mixed, at least partially, in an extruder, in particular a twin-screw extruder.
  • the method can also provide a multi-stage mixing process in which the components or some of the components are already premixed before extrusion.
  • Mixing and/or extrusion is preferably carried out at a residual moisture content of the material and/or its components of less than 5% by weight.
  • the extrusion is particularly preferably carried out with a residual moisture content of the material and/or its components of 3% by weight. It has been shown that, in conjunction with the above-described ratio of glycerol and sorbitol, it is possible to produce a starch-based thermoplastic material even with such low residual moisture content of the components or of the resulting thermoplastic material.
  • thermoplastic material described above can serve as a starting material in a method for producing a shaped body.
  • the material can be in the form of granules, for example.
  • it can be formed into strands through nozzles and then cut, in particular into sections a few millimeters long.
  • the extruder causes the material to be pressed through the nozzles.
  • the method for producing a molded body provides that a thermoplastic material as described above and/or a thermoplastic material produced as described above is processed into a molded body. It has been shown that such a thermoplastic material can be used to produce moldings.
  • the method for producing a shaped body from the thermoplastic material can in particular be an injection molding method.
  • Injection molding processes are particularly suitable for the cost-effective production of molded bodies in large numbers. It has been shown that the material described above or the material produced as described above is well suited for processing by means of injection molding processes.
  • the method can provide that the shaped body is coated with a water-repellent coating.
  • a water-repellent coating can increase the resistance of the shaped body to moisture even further.
  • a wax is to be understood in particular as a wax according to the definition of the German Society for Fat Science.
  • a substance is a wax if it can be kneaded at 20°C, is solid to brittle-hard, has a coarse to finely crystalline structure, is translucent to opaque in color but not glass-like, and does not decompose above 40°C melts, is slightly liquid (slightly viscous) just above the melting point, has a strongly temperature-dependent consistency and solubility, and can be polished under light pressure.
  • all of the above properties must be met.
  • the wax is in particular a natural and non-fossil wax.
  • animal waxes such as wool wax, China wax and/or beeswax
  • vegetable waxes such as carnauba wax or rapeseed wax.
  • the use of such a wax enables the coating to be made CO 2 -neutral and biodegradable.
  • the method can provide that the wax for applying the coating is dissolved with a solvent which evaporates after the application of the coating. This makes it possible to convert the wax into a thinner state, which simplifies the application of the coating, particularly in small layer thicknesses.
  • the method can provide for the coating of wax and solvent and/or the shaped body to be dried after the coating has been applied to the shaped body.
  • the drying takes place in particular under the action of heat.
  • the drying preferably takes place at a temperature of 60.degree. C. to 100.degree.
  • the solvent can be ethanol, for example. It has been shown that good coating results can be achieved with ethanol, which is inexpensive and environmentally safe.
  • the ethanol can be bio-ethanol in particular.
  • bio-ethanol is to be understood in particular as ethanol that has been produced exclusively from biomass and/or the biodegradable fractions of waste. The use of bio-ethanol also enables the CO 2 -neutral design of the coating.
  • the molding that can be produced by the process described above is distinguished by particularly good resistance to moisture.
  • the features of the process in particular the components of the material used for the shaped body and optionally for the coating, make the shaped body that can be produced by the process distinguishable from shaped bodies as are known from the prior art. In this case, the shaped body can be produced in particular by the method described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoplastisches Material, wobei das Material Stärke und weitere Bestandteile enthält. Die weiteren Bestandteile umfassen Glycerin und Sorbitol als Plastifizierungsmittel in Konzentrationen von 11 bis 15 Gew.% Glycerin und 6 bis 9 Gew.% Sorbitol bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand.

Description

THERMOPLASTISCHES MATERIAL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES FORMKÖRPERS AUS EINEM THERMOPLASTISCHEN MATERIAL UND FORMKÖRPER
Die Erfindung betrifft ein thermoplastisches Material sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem thermoplastischen Material sowie einen Formkörper.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP 0 397 819 A1, sind thermoplastische Materialien bekannt, die Stärke und weitere Bestandteile enthalten. Derartige thermoplastische Materialien sind als biologisch abbaubare und aus nachwachsenden Ressourcen herstellbare Werkstoffe einsetzbar. Aufgrund des in der Vergangenheit gestiegenen Umweltbewusstseins von Verbrauchern erfreuen sich derartige Materialien steigender Beliebtheit.
Aus der US 2012/0022188 A1 sind Materialien mit einem Anteil Stärke bekannt, die Anteile von weniger als 11% Glycerin als Weichmacher aufweisen. Diese Materialien weisen jedoch signifikante Anteile erdölbasierter Kunststoffe auf. Diese wirken sich wiederum negativ auf die biologische Abbaubarkeit aus.
Nachteilig an derartigen Materialien jedoch ist, dass diese für viele Verwendungen keine hinreichende Beständigkeit, beispielsweise gegenüber Feuchtigkeit, aufweisen. Dies macht Materialien der in Rede stehenden Art für viele Anwendungen derzeit noch ungeeignet. So können beispielsweise Utensilien, die typischerweise in Badezimmern Anwendung finden, aufgrund der dort vorherrschenden hohen Luftfeuchtigkeit in der Regel nicht sinnvoll aus Materialien der in Rede stehenden Art hergestellt werden, da sie Feuchtigkeit aufnehmen und dadurch derart schnell aufweichen würden, dass sie sich kaum zur Herstellung von Produkten mit einer sinnvollen Lebensdauer unter derartigen Bedingungen eignen würden.
 Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein thermoplastisches Material und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem thermoplastischen Material sowie einen Formkörper aufzuzeigen, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht oder zumindest in vermindertem Umfang auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Material und ein Verfahren sowie einen Formkörper mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird durch ein thermoplastisches Material gelöst, das Stärke und weitere Bestandteile enthält. Die weiteren Bestandteile umfassen Glycerin und Sorbitol als Plastifizierungsmittel in Konzentrationen von 11 bis 15 Gew.% Glycerin und 6 - 9 Gew.% Sorbitol bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand.
In der Praxis hat sich eine Trocknung der Bestandteile vor der Extrusion auf eine Restfeuchte von unter 5 Gew.% bewährt. Unter dem getrockneten Zustand sind im Hinblick auf das Material und/oder dessen Bestandteile daher insbesondere Restfeuchten von höchstens 5 Gew.% zu verstehen.
Es hat sich gezeigt, dass bei dem Einsatz von Glycerin und Sorbitol als Plastifizierungsmittel bzw. als Weichmacher in exakt diesen Konzentrationen eine signifikant gesteigerte Beständigkeit des thermoplastischen Materials bzw. aus dem thermoplastischen Material hergestellter Gegenstände gegenüber Feuchtigkeit beobachtet werden kann. Dabei spielt überraschenderweise die Relation der Mengen von Sorbitol und Glycerin zueinander eine wesentliche Rolle.
Die Konzentration der Stärke in dem thermoplastischen Material beträgt insbesondere 56 bis 63 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand.
Die weiteren Bestandteile können darüber hinaus Füllstoffe umfassen. Insbesondere umfassen die weiteren Bestandteile Füllstoffe in Konzentrationen von 16 - 24 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand.
Bei den Füllstoffen kann es sich insbesondere um Talkum, Kreide, Bentonit, Senfsaatschalen, organische Fasern und/oder Abfallstoffe handeln.
Es versteht sich, dass das Material zusätzlich zu den vorstehend genannten Bestandteilen auch weitere Bestandteile umfassen kann. Bei diesen weiteren Bestandteilen handelt es sich insbesondere um Bestandteile, die biologisch abbaubar sind und/oder aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen und/oder bei denen es sich um bioinerte anorganische Bestandteile handelt.
Insbesondere ist das Material frei von erdölbasierten Bestandteilen, weiter insbesondere frei von erdölbasierten Kunststoffen als Bestandteil. Erdölbasierte Bestandteile, insbesondere erdölbasierte Kunststoffe, wirken sich negativ auf die biologische Abbaubarkeit des Materials bzw. daraus hergestellter Formkörper aus.
Insbesondere sind die Bestandteile derart ausgewählt, dass das thermoplastische Material industriell kompostierbar und/oder heimkompostierbar ist. In diesem Zusammenhang ist unter einem heimkompostierbaren Material insbesondere ein Material zu verstehen, dass nach der Norm NF T51-800:2015-11-14 als heimkompostierbar gilt. Unter einem industriell kompostierbaren Material ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein Material zu verstehen, dass nach der Norm DIN EN 13432:2000-12 als industriell kompostierbar gilt.
Das Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen thermoplastischen Materials sieht vor, dass die Bestandteile des thermoplastischen Materials durchmischt werden, um das thermoplastische Material zu erhalten. Bei dem Durchmischen der Bestandteile des Materials führen insbesondere die beim Durchmischen auf die Mischung aus den Bestandteilen des Materials ausgeübten Scherkräfte dazu, dass aus den Bestandteilen das thermoplastische Material entsteht.
Das Verfahren zur Herstellung des Materials kann vorsehen, dass die Bestandteile des vorstehend beschriebenen thermoplastischen Materials in einen Extruder gefüllt und extrudiert werden. Der Extruder bewirkt insbesondere das Pressen des Materials durch die Düsen. Bei dem Extruder kann es sich insbesondere um einen Doppelschneckenextruder handeln. Der Extruder bewirkt bei der Durchführung des Verfahrens neben der Extrusion insbesondere auch die Durchmischung des Materials. Mit anderen Worten erfolgt das Durchmischen der Bestandteile, zumindest teilweise, in einen Extruder, insbesondere einem Doppelschneckenextruder. Dabei kann das Verfahren auch einen mehrstufigen Mischprozess vorsehen, bei dem die Bestandteile oder ein Teil der Bestandteile bereits vor dem Extrudieren vorgemischt werden.
Vorzugsweise wird die Durchmischung und/oder die Extrusion bei einer Restfeuchte des Materials und/oder von dessen Bestandteilen von unter 5 Gew.% durchgeführt. Besonders bevorzugt wird die Extrusion bei einer Restfeuchte des Materials und/oder dessen Bestandteilen von 3 Gew.% durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass in Verbindung mit dem vorstehend beschrieben Verhältnis von Glycerin und Sorbitol die Erzeugung eines thermoplastischen Materials auf Stärkebasis auch mit derartig geringen Restfeuchten der Bestandteile bzw. des resultierenden thermoplastischen Materials gelingen kann.
Das vorstehend beschriebene thermoplastische Material kann in einem Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers als Ausgangsmaterial dienen. Hierfür kann das Material beispielsweise in Gestalt eines Granulats vorliegen. Zu diesem Zweck kann es durch Düsen zu Strängen geformt und anschließend, insbesondere in wenige Millimeter lange, Abschnitte geschnitten werden. Der Extruder bewirkt insbesondere das Pressen des Materials durch die Düsen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sieht vor, dass ein vorstehend beschriebenes thermoplastischen Material und/oder ein wie vorstehend beschrieben hergestelltes thermoplastisches Material zu einem Formkörper verarbeitet wird. Es hat sich gezeigt, dass ein solches thermoplastisches Material zur Herstellung von Formkörpern genutzt werden kann.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus dem thermoplastischen Material kann es sich insbesondere um ein Spritzgussverfahren handeln. Spritzgussverfahren eignen sich insbesondere zur kostengünstigen Herstellung von Formkörpern in großen Stückzahlen. Es hat sich gezeigt, dass sich das vorstehend beschriebene bzw. das wie vorstehend beschrieben hergestellte Material gut für die Verarbeitung mittels Spritzgussverfahren eignet.
Das Verfahren kann vorsehen, dass der Formkörper mit einer wasserabweisenden Beschichtung beschichtet wird. Durch eine derartige wasserabweisende Beschichtung kann die Beständigkeit des Formkörpers gegenüber Feuchtigkeit noch weiter gesteigert werden.
Das Verfahren kann vorsehen, dass der Formkörper mit einem Wachs als wasserabweisender Beschichtung beschichtet wird. Unter einem Wachs ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein Wachs nach der Definition der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaft zu verstehen. Nach dieser handelt es sich bei einem Stoff um ein Wachs, wenn dieser bei 20°C knetbar, fest bis brüchig-hart ist, eine grobe bis feinkristalline Struktur aufweist, farblich durchscheinend bis opak, aber nicht glasartig ist, über 40°C ohne Zersetzung schmilzt, wenig oberhalb des Schmelzpunktes leicht flüssig (wenig viskos) ist, eine stark temperaturabhängige Konsistenz und Löslichkeit aufweist sowie unter leichtem Druck polierbar ist. Damit es sich nach der Definition der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaft um ein Wachs handelt, müssen sämtliche vorstehend genannten Eigenschaften erfüllt sein.
Bei dem Wachs handelt es sich insbesondere um ein natürliches und nicht fossiles Wachs. Hierunter sind insbesondere tierische Wachse, wie Wollwachs, Chinawachs und oder Bienenwachs, und pflanzliche Wachse, wie Carnaubawachs oder Rapswachs zu verstehen. Die Verwendung eines derartigen Wachses ermöglicht die CO2-neutrale und biologisch abbaubar Gestaltung der Beschichtung.
Das Verfahren kann vorsehen, dass das Wachs zum Aufbringen der Beschichtung mit einem Lösungsmittel gelöst wird, welches nach dem Aufbringen der Beschichtung verdampft. Hierdurch ist es möglich, dass Wachs in einen dünnflüssigeren Zustand zu versetzen, der das Aufbringen der Beschichtung, insbesondere in geringen Schichtdicken, vereinfacht.
Das Verfahren kann vorsehen, dass die Beschichtung aus Wachs und Lösungsmittel und/oder der Formkörper nach dem Aufbringen der Beschichtung auf den Formkörper getrocknet wird. Die Trocknung erfolgt insbesondere unter Wärmeeinwirkung. Vorzugsweise erfolgt die Trocknung bei einer Temperatur von 60°C bis 100°C.
Bei dem Lösungsmittel kann es sich beispielsweise um Ethanol handeln. Es hat sich gezeigt, dass sich mit Ethanol, welches kostengünstig und umwelttechnisch unbedenklich ist, gute Beschichtungsergebnisse erzielen lassen. Hierbei kann es sich bei dem Ethanol insbesondere um Bio-Ethanol handeln. Unter Bio-Ethanol ist in diesem Zusammenhang insbesondere Ethanol zu verstehen, das ausschließlich aus Biomasse und/oder den biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt worden ist. Die Verwendung von Bio-Ethanol ermöglicht ebenfalls die CO2-neutrale Gestaltung der Beschichtung.
Der Formkörper, der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren herstellbar ist, zeichnet sich durch eine besonders gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit aus. Die Merkmale des Verfahrens, insbesondere die Bestandteile des verwendeten Materials für den Formkörper und gegebenenfalls für die Beschichtung machen den nach dem Verfahren herstellbaren Formkörper von Formkörpern, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, unterscheidbar. Der Formkörper kann hierbei insbesondere nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt sein.
Die in der vorliegenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.

Claims (15)

  1. Thermoplatisches Material, wobei das Material Stärke und weitere Bestandteile enthält,
    dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Bestandteile Glycerin und Sorbitol als Plastifizierungsmittel in Konzentrationen von 11 bis 15 Gew.% Glycerin und 6 bis 9 Gew.% Sorbitol bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand umfassen.
  2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Stärke 56 bis 63 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand beträgt.
  3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Bestandteile Füllstoffe in Konzentrationen von 16 bis 24 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials im getrockneten Zustand umfassen.
  4. Material nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material frei von erdölbasierten Bestandteilen, insbesondere frei von erdölbasierten Kunststoffen als Bestandteil, ist.
  5. Material nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile derart ausgewählt sind, dass das thermoplastische Material industriell kompostierbar und/oder heimkompostierbar ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Materials nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des thermoplastischen Materials durchmischt werden, um das thermoplastische Material zu erhalten.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmischen der Bestandteile, zumindest teilweise, in einen Extruder, insbesondere einem Doppelschneckenextruder, erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material bei seiner Herstellung durch Düsen zu Strängen gepresst und insbesondere die Stränge zu Granulat verarbeitet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmischen und/oder das Extrudieren bei einer Restfeuchte des Materials und/oder von dessen Bestandteilen von unter 5 Gew.%, insbesondere von unter 3 Gew.% durchgeführt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus einem thermoplastischen Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder aus einem nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 hergestellten thermoplastisches Material hergestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material in einem Spritzgussverfahren zu dem Formkörper verarbeitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit einer wasserabweisenden Beschichtung beschichtet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit einem Wachs als wasserabweisender Beschichtung beschichtet wird, insbesondere wobei es sich bei dem Wachs um ein natürliches und nicht-fossiles Wachs handelt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachs zum Aufbringen der Beschichtung mit einem Lösungsmittel gelöst wird, welches nach dem Aufbringen der Beschichtung verdampft, insbesondere wobei es sich bei dem Lösungsmittel um Ethanol, insbesondere um Bioethanol, handelt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Wachs und Lösungsmittel und/oder der Formkörper nach dem Beschichten getrocknet wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 60 °C bis 100 °C.
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