DE102011014740A1

DE102011014740A1 - Bioverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102011014740A1
Application number: DE201110014740
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Glatz Dietmar
Original assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG (FH); HOCHSCHULE MERSEBURG FH
Current assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG (FH); HOCHSCHULE MERSEBURG FH
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioverbundwerkstoff, bestehend aus einer stärkebasierenden Schaumfraktion definierter Partikelgröße und einem biobasierten Bindemittel, wobei die Schaumfraktion und das Bindemittel als gepresstes Strukturbauteil ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioverbundwerkstoff bzw. ein Biokomposit in Gestalt eines gepressten Strukturbauteils, welches verstärkt in der industriellen Anwendung Einzug hält.
Bioverbundwerkstoffe oder auch Biokomposite sind Verbundwerkstoffe mit zumindest einer biogenen Komponente. Als eine der ältesten Bioverbundwerkstoffe sind strohverstärkte Lehmziegel zu nennen, die schon seit Jahrhunderten Verwendung für den Hausbau fanden. In der heutigen Zeit und auch in Zukunft werden auf der Rohstoffbasis von Cellulose, Naturkautschuk, Pflanzenölen, Zucker oder Stärke Bioverbundwerkstoffe gefertigt, die beispielsweise im Bereich Automobil, Windkraft, Architektur, Möbel oder Sport eingesetzt werden.
Aus der DE 42 28 779 C2 ist ein biologisch abbaubares Verbundmaterial auf der Basis von gehärtetem Stärkeschaum sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials bekannt. Das Verbundmaterial besteht hierbei aus einer als gehärteter Stärkeschaum ausgebildeten Schaumstoffschicht und einem weiteren Schichtmaterial in Gestalt von Papier, Textil, Glas, natürlichen oder künstlichen Fasern, wobei der Stärkeschaum und das Schichtmaterial in situ ohne Haftvermittler miteinander verbunden werden. Das zugehörige Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Einbringen einer Stärkesuspension und mindestens eines weiteren Materials in ein Formwerkzeug, Aufschäumen der Stärkesuspension, Aushärten des Stärkeschaums und gleichzeitiges Verbinden mit dem weiteren Material zur Ausbildung eines Verbundmaterials sowie Entformen des Verbundmaterials.
Die DE 44 31 755 C2 offenbart eine Sandwichplatte, welche aus einem elastischen oder gehärteten Stärkeschaumkern aus extrudierten stabförmigen oder sich schlangenförmig windenden Strängen und einem vorzugsweise biologisch abbaubaren Schichtmaterial besteht. Zur Herstellung einer derartigen Sandwichplatte ist vorgesehen, dass zunächst der Stärkeschaum in einer Extruderanlage hergestellt und der Stärkeschaumkern ausgebildet wird, wobei der Stärkeschaumkern als stabförmige Stränge oder als sich schlangenförmig windende Stränge extrudiert wird. Anschließend erfolgt ein kontinuierliches Einbringen des Stärkeschaumkerns in situ zwischen das Schichtmaterial. Schlussendlich wird der Stärkeschaumkern verdichtet und zum Zwecke der Ausbildung einer Sandwichplatte gleichzeitig mit dem Schichtmaterial verbunden.
Aus der DE 39 35 092 C1 ist ein Bauelement zur Anwendung als Dämmstoff bekannt, welches unter Verwendung verschäumter Stärke hergestellt wird. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass die verschäumte Stärke mit Natur-Baustoffen, die biologisch abbaubar sind, vermischt ist.
Der DE 42 36 717 C1 ist ein Formkörper aus aufgeschäumten und zumindest partiell miteinander verbundenen Granulatperlen zu entnehmen. Die Granulatperien sind hierbei aus biologisch abbaubarem Material in Gestalt von Stärke und ggf. Polyvinylalkohol und Wasser gefertigt, die miteinander verklebt sind. Zur Herstellung eines solchen Formkörpers werden die Granulatperlen in eine Form gegeben, wobei bei Zufuhr von trockenem Dampf oder Heißluft mit weniger als 5% Restfeuchte ein Teil der Oberfläche der Granulatperien zur gegenseitigen Verklebung angelöst wird.
Die DE 43 44 219 A1 offenbart eine aus Stärke hergestellte Formmasse. Bei dieser Erfindung wird ein raffiniertes Stärkepulver durch ein Granulationsverfahren zu granulierter Stärke ausgeformt und durch Erhitzung, Unter-Druck-Setzen und anschließendes rasches Auf-Außendruck-Bringen expandiert, wodurch Stärkebälle entstehen. Vorzugsweise wird als granulierte Stärke ein granuliertes Tapioka eingesetzt. Das Tapioka wird hergestellt, indem Wasser mit aus Cassavawurzeln gewonnenem Tapiokapulver zur einer Tapiokapaste vermischt wird, diese Tapiokapaste anschließend durch ein Sieb gegeben wird und nachfolgend auf eine erhitzte Eisenplatte fallen gelassen wird, wobei durch das Abrollen auf der erhitzten Eisenplatte getrocknete Granulatpellets mit einem Durchmesser von 1 bis 5 mm entstehen.
In der DE 44 00 330 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines geschäumten Produkts oder Schaumstoffmaterials aus nichtmodifizierter Stärke sowie eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens beschrieben. Im ersten Verfahrensschritt wird die modifizierte Stärke, beispielsweise Maisgries, hierbei über wenigstens eine Aufgabeöffnung in einen Behandlungsraum eines zumindest eine umlaufende Schnecke aufweisenden Extruders eingebracht, wobei der Behandlungsraum einen sich in Förderrichtung der Schnecke vergrößernden effektiven Querschnitt besitzt und an der die Schnecke umschließenden Wandung mit wenigstens einem zusätzlichen Gewinde oder eine Profilierung versehen ist, so dass die nichtmodifizierte Stärke durch Fördern an eine Austrittsöffnung aufgeschlossen und durch Volumenvergrößerung bzw. Expansion ein Aufschäumen der Stärke erfolgt. Das so extrudierte geschäumte Produkt wird in einem zweiten Verfahrensschritt anschließend mit Wasser behandelt. Optional kann in einem dritten Verfahrensschritt das extrudierte geschäumte Produkt mittels einer Schneideinrichtung in Pellets oder in ein granulatartiges Produkt zerteilt werden.
Aus der EP 1 777 065 A1 ist eine Mehrschichtplatte zur Anwendung als Verpackung vorbekannt, die aus einem Schaumkern mit aufgeschäumter Stärke sowie einer an die Oberfläche des Schaumkerns gebundene wasserbeständige Deckschicht besteht. Der Schaumkern wird hierbei gefertigt aus Stärkepellets, die unter Verwendung eines Bindemittels, vorzugsweise Wasser, unter Druck zusammengefügt werden.
Bislang konnten mit den aus dem Stand der Technik vorbekannten Lösungen raumgreifende Strukturbauteile nicht oder nur sehr aufwändig hergestellt werden, da der Stärkeschaum in einer beheizbaren Form unter hohem Druck – in der Regel unter Zugabe von Wasser – in die gewünschte Form gebracht werden musste. Die Beheizung der Form auf einen Temperaturbereich von etwa 47° bis 87° war erforderlich, da erst in diesem Temperaturbereich die Schichten platzen und Stärkekleister mit mehr oder weniger Steifungsvermögen entsteht. Kühlere Temperaturen führen zu einer Retrogradation mit der Folge, dass die gepressten Stärkeschaumprodukte verspröden und im Laufe der Zeit brüchig werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr dann, einen Bioverbundwerkstoff vorzuschlagen, der vollständig biologisch abbaubar ist, eine hohe Langzeitstabilität aufweist und der für die Fertigung von großen bzw. raumgreifenden Strukturbauteilen geeignet ist.
Erfindungsgemäß besteht der Bioverbundwerkstoff aus einer stärkebasierenden Schaumfraktion definierter Partikelgröße und einem biobasierten Bindemittel, wobei die Schaumfraktion und das Bindemittel als gepresstes Strukturbauteil ausgebildet sind.
Die definierte Partikelgröße der stärkebasierenden Schaumfraktion beträgt dabei zwischen 1 und 30 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 mm.
Die erste Komponente des Bioverbundwerkstoffs wird durch eine stärkebasierende Schaumfraktion gebildet, die entweder als Recyclingmaterial in Gestalt von gemahlenen oder geschredderten geschäumten Granulat, Pellets sowie Chips, oder in Gestalt von vorextrudierten Schaumpartikeln ausgebildet ist. Während die extrudierten Schaumpartikeln bereits als Flocken gewünschter Größe vorliegen, muss eine zu recycelnde stärkebasierende Schaumfraktion erst gemahlen oder geschreddert werden, wobei nach diesem Verfahrensschritt die geschäumten Granulate, Pellets oder Chips als Flocken definierter Körnung vorliegen.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Erfindung den wesentlichen Vorteil auf, dass die Festigkeit des Bioverbundwerkstoffs signifikant verbessert werden konnte, da das bislang als Bindemittel vorgesehene Wasser gegen ein hydrophobes, biobasiertes Bindemittel substituiert wurde, wodurch die als Flocken vorliegende Schaumstofffraktion besser miteinander verklebt bzw. verkleistert werden können.
Vorteilhafterweise greift der Fachmann auf eine stärkebasierende Schaumfraktion zurück, die auf Basis der Stärke von Süßkartoffeln, Mais, Tapokia oder Weizen aufgebaut ist. Da die vorgenannten Pflanzen einen hohen prozentualen Stärkegehalt aufweisen Aufwand der Stärkegewinnung relativ gering ist, eignen sich diese Pflanzen als Stärkelieferant. Hinzu kommt, dass diese Stärkelieferanten ein nachwachsender Rohstoff sind und nahezu überall auf der Welt verfügbar sind.
Im Sinne der Erfindung sind als biobasiertes Bindemittel biobasierte Matrices (Harz), biogene Wachse oder biogene Kleber vorgesehen. Dadurch, dass die Kleber im Wesentlichen aus Harzen und flüchtigen aromatischen Verbindungen bestehen, wird bei einer Verdunstung, also bei Umgebungstemperatur, das verbleibende Material härter und zäher. Die Harze sind zweikomponentig ausgebildet und bilden beim Aushärten eine dreidimensionale Struktur. Eine Verkleisterung der Stärkeschaumflocken, beispielsweise unter Verwendung der biogenen Harze, kann demnach ohne externe Wärmezufuhr erzielt werden, was wesentliche Vorteile für die Fertigung eines geformten Bioverbundwerkstoffs mit sich bringt.
Der als gepresstes Strukturbauteil gefertigte Bioverbundwerkstoff wird vorzugsweise in der Industrie und im Handwerk in Gestalt einer gepressten Platte oder eines gepressten Formteils eingesetzt. Mit der vorliegenden Erfindung erhält der Fachmann einen Leitfaden zur Fertigung raumgreifender Strukturbauteile, beispielsweise zur Anwendung im Schiffbau.
Das Strukturbauteil ist für diesen Zweck vorzugsweise als Sandwichbauteil ausgebildet, wobei der innenliegende Stützschaumkern aus Bioverbundwerkstoff eine biobasierende Beschichtung aufweist, die vollständig oder partiell auf der Mantelfläche des Bioverbundwerkstoffs platziert ist. Als biogene Beschichtung eignet sich eine Beschichtung auf der Rohstoffbasis von Cellulose, Naturkautschuk, Pflanzenöl, Zucker, Stärke oder Naturfasern. Naturfasern können aus Holz, Baumwolle, exotischen Pflanzen, Flachs, Hanf oder Fasernesseln gewonnen werden. Die biogene Beschichtung verleiht dem erfindungsgemäßen Bioverbundwerkstoff die erforderliche Zug- und Biegefestigkeit sowie Steifigkeit durch eine definierte Faserausrichtung. Die Fasern können dazu beispielsweise in Form von Matten auf den innenliegenden Stützschaumkern aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bioverbundwerkstoffs umfasst zunächst die Herstellung von Stärkeschaumpartikeln oder die Bereitstellung von recycelten Stärkeschaumpartikeln definierter Partikelgröße. Die Korngröße beträgt dabei zwischen 1 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm. Anschließend erfolgt ein vollständiges Mischen der als Schüttung vorliegenden Stärkeschaumpartikel und des biobasierten Bindemittels mittels eines Mischers. Während des Mischers entsteht ein Gemisch aus Stärkeschaumflocken und Bindemittel, welches die Stärkeschaumflocken miteinander verklebt. Nachfolgend werden das aus Stärkeschaumpartikel und biobasierten Bindemittels gebildeten Gemischs in eine Form gebracht. Abschließend erfolgt das Pressen des Gemischs und Aushärten des so entstehenden Verbundmaterials.
Viele durchgeführte Testreihen haben ergeben, dass eine Kombination aus einem „frisch” hergestellten und einem zu recycelnden Stärkeschaumkern ebenso eingesetzt werden kann.
Die Herstellung der Stärkeschaumpartikel erfolgt dabei derart, dass zunächst eine aus Stärkemehl und Wasser gebildete Stärkesuspension in einen Extruder eingebracht wird. Beim Austritt aus dem Extruder entsteht ein unter Dampfdruck stehendes Stärkeschaumgemisch, wobei der Dampf expandiert und sich dabei der Stärkeschaum ausbildet. Anschließend erfolgt das Aushärten des Stärkeschaums.
Die Bereitstellung von recycelten Stärkeschaumpartikeln erfolgt hingegen durch die Zerkleinerung von Stärkeschaumkernen unterschiedlicher Größe zu Flocken einer Größe von 1 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm.
Das Pressen und das Aushärten erfolgen unter Umgebungstemperaturbedingungen unter Verzicht auf Wasser und eine beheizte Form. Somit wird zur Herstellung eines raumgreifenden Bioverbundwerkstoffs einzig und allein eine Form benötigt, die im einfachsten Fall aus einem statischen Bauteil und einem mit Druck beaufschlagbaren dynamischen Bauteil besteht. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Pressvorgangs besteht darin, ein Vakuum durch Anlegen einer Vakuumfolie auf den zu pressenden Bioverbundwerkstoff zu erzeugen.
Das als Pressling gefertigte Verbundmaterial kann zur Ausbildung einer Sandwichstruktur mit einer biobasierenden Beschichtung versehen werden, die in einem an das Aushärten sich anschließenden Verfahrensschritt aufgebracht wird, oder optional bereits als Schicht in der Form liegt.
Durch die so entstehende Sandwichstruktur des Bioverbundwerkstoffs aus dem innenliegenden Verbundmaterials und die der auf der Mantelfläche aufgebrachten Beschichtung entstehen durch die gegenseitige Wechselwirkung höherwertige Eigenschaften, die eine Verwendung des Bioverbundwerkstoffs als Schall-Wärmedämmung, Formschaumteil für das Bauwesen, Transport, Gehäuseteile als Stütz- und Dämpfungselemente, Schutzhelme, KFZ-Interieur sowie für lasttragende Bauteile ermöglichen.
Der vollständig aus biogenen Komponenten gefertigte Bioverbundwerkstoff sichert durch Verzicht auf traditionelle Polymere und synthetische Fasern eine hohe Nachhaltigkeit, da nur natürliche Eigenschaften verschiedener Biopolymere miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4228779 C2 [0003]
DE 4431755 C2 [0004]
DE 3935092 C1 [0005]
DE 4236717 C1 [0006]
DE 4344219 A1 [0007]
DE 4400330 C2 [0008]
EP 1777065 A1 [0009]

Claims

Bioverbundwerkstoff, bestehend aus einer stärkebasierenden Schaumfraktion definierter Partikelgröße und einem biobasierten Bindemittel, wobei die Schaumfraktion und das Bindemittel als gepresstes Strukturbauteil ausgebildet sind.
Bioverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Partikelgröße der stärkebasierenden Schaumfraktion zwischen 1 und 30 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 mm, beträgt.
Bioverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stärkebasierende Schaumfraktion entweder a. als Recyclingmaterial in Gestalt von gemahlenen oder geschredderten geschäumten Granulat, Pellets sowie Chips, oder b. in Gestalt von vorextrudiertem Schaumpartikeln ausgebildet ist.
Bioverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stärkebasierende Schaumfraktion auf Basis der Stärke von Süßkartoffeln, Mais, Tapokia oder Weizen aufgebaut ist.
Bioverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als biobasiertes Bindemittel biobasierte Matrices (Harz), biogene Wachse oder biogene Kleber vorgesehen ist.
Bioverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gepresste Strukturbauteil als gepresste Platte oder als gepresstes Formteil ausgebildet ist.
Bioverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil als Sandwichbauteil ausgebildet ist, wobei der innenliegende Stützschaumkern aus Bioverbundwerkstoff eine biobasierende Beschichtung aufweist, die vollständig oder partiell auf der Mantelfläche des Bioverbundwerkstoffs platziert ist.
Bioverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als biogene Beschichtung eine Beschichtung auf der Rohstoffbasis von Cellulose, Naturkautschuk, Pflanzenöl, Zucker oder Stärke ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a. Herstellung der Stärkeschaumpartikel oder Bereitstellung von recycelten Stärkeschaumpartikeln definierter Partikelgröße, b. Mischen der Stärkeschaumpartikel und des biobasierten Bindemittels mittels eines Mischers, c. Einbringen des aus Stärkeschaumpartikel und biobasierten Bindemittels gebildeten Gemischs in eine Form und d. Pressen und Aushärten des so entstehenden Verbundmaterials.
Verfahren zur Herstellung eines Stärkeschaumkerns nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: i. Einbringen einer aus Stärkemehl und Wasser gebildeten Stärkesuspension in einen Extruder, ii. Aufschäumen der Stärkesuspension zu einem Stärkeschaum nach Austritt aus dem Extruder und iii. Aushärten des Stärkeschaums.
Verfahren zur Herstellung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Pressling gefertigte Verbundmaterial zur Ausbildung einer Sandwichstruktur mit einer biobasierenden Beschichtung versehen wird.