DE102012105440A1

DE102012105440A1 - Feuchteregulierendes Material

Info

Publication number: DE102012105440A1
Application number: DE201210105440
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Wissemborski; Hendrik Wermter; Gerhard Eich; Gideon Rath; Sauer Esther; Dr. Schnee Rainer
Original assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Current assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Verwendung von Metallphosphaten, einzeln oder als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten als Feuchteregulator für die Herstellung eines Feuchte regulierenden Matrixmaterials, wobei der Feuchteregulator in einer Polymermatrix oder einem polymerisierenden oder aushärtenden Lack fein verteilt, dispergiert oder gelöst vorliegt und wobei die Metallphosphate unter Orthophosphaten (PO4)3–, Hydrogenphosphaten (HPO4)2–, Dihydrogenphosphaten (H2PO4)–, Diphosphaten (P2O7)4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P3O10)5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt sind.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Metallphosphaten, einzeln, als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung (integrierte Mischung) von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten, als Feuchteregulator für die Herstellung eines Feuchte regulierenden Materials.
Hintergrund der Erfindung
Für die Lagerung und den Transport von feuchtigkeitsempfindlichen Gütern werden zunehmend Verpackungen entwickelt und eingesetzt, die die empfindlichen Güter sowohl vor einer zu geringen als auch zu hohen Feuchte schützen sollen. Bei verpackten frischen Lebensmitteln, wie z. B. bei Fleisch, Obst, Gemüse und geschnittenen Salaten, kommt es durch Transpirationsprozesse häufig zu hohen relativen Luftfeuchten in der Verpackung und in der Folge zu Kondenswasserbildung, zu einer Wasserumverteilung im Produkt und zu Qualitätseinbußen und Frischeverlusten. Durch hohe relative Luftfeuchten und Kondenswasser wird darüber hinaus auch das Wachstum von Mikroorganismen, wie Schimmel, Bakterien und Hefen, begünstigt, was einen schnellen Verderb der Lebensmittel zur Folge hat. Ebenso schädlich für frische Lebensmittelprodukte sind aber auch zu niedrige Feuchten, da sie zum Austrocknen führen. Verpackungen für frische Lebensmittel sollen deshalb zu hohe relative Luftfeuchten und Kondenswasserbildung in der Verpackung vermeiden, gleichzeitig aber auch ein Austrocknen der frischen Lebensmittel verhindern. Neben frischen Lebensmitteln erfordern aber auch andere Güter eine bestimmte Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre, wie beispielsweise Chemikalien, Arzneimittel, Tabakwaren, Wein, Holz, Kunstwerke, Bücher und optische oder elektronische Baugruppen und Bauteile, zum Beispiel integrierte Schaltkreise.
Die Einhaltung einer für die entsprechenden Güter geeigneten Luftfeuchte wird in Lagerräumen, Museen, Archiven, Büchereien, Laboratorien, Rechenzentren und industriellen Produktionseinrichtungen durch entsprechende Anlagen überwacht oder geregelt. Bei der Verpackung von Gütern für den Transport und Verkauf, beispielsweise in Schachteln oder Folien aus Kunststoff, ist eine solche anlagentechnische Regelung der Luftfeuchte nicht ohne Weiteres möglich. Daher werden für solche Verpackungen zunehmend sogenannte ”aktive Materialien” zum Schutz der Güter verwendet. Darunter versteht man Materialien, die dazu bestimmt sind, die Haltbarkeit eines verpackten Gutes zu verlängern oder dessen Zustand zu erhalten oder zu verbessern. Sie sind derart beschaffen, dass sie gezielt Bestandteile enthalten, die Stoffe an das verpackte Gut oder dessen umgebende Atmosphäre abgeben oder diesem entziehen können. Im Falle von aktiven Materialien, die der Regulierung des Feuchtehaushalts innerhalb einer Verpackung dienen, soll der Atmosphäre innerhalb der Verpackung je nach vorherrschender Luftfeuchte Wasser entzogen oder zugeführt werden.
Bestandteile aktiver Materialien, die den Feuchtehaushalt innerhalb einer Verpackung verändern können, umfassen Feuchteadsorber und Feuchteregulatoren. Feuchteadsorber können der umgebenden Atmosphäre Wasserdampf durch Adsorption im Wesentlichen irreversibel entziehen. Typische Feuchteadsorber sind z. B. Calciumoxid, spezielle Silikate, wie z. B. Molekularsieb, Phosphorpentoxid und Superabsorber. Feuchteregulatoren können hingegen durch Adsorption und Desorption von Wasser in der umgebenden Atmosphäre eines abgeschlossenen Systems eine relative Feuchte innerhalb eines bestimmten Bereichs einstellen und halten. Feuchteregulatoren adsorbieren und desorbieren Wasser ab einer bestimmten stoffspezifischen relativen Luftfeuchte. Beispiele für Feuchteregulatoren sind spezielle Silikate, wie Silikagel und Bentonit, Cellulose sowie spezielle Alkohole, Salze und Zucker.
Hygroskopische Salze und hygroskopische Zucker adsorbieren Wasserdampf je nach Substanz bei geringen, mittleren und hohen relativen Luftfeuchten. So absorbiert Lithiumbromid ab einer relativen Luftfeuchte von 6%, Magnesiumnitrat ab einer relativen Luftfeuchte von 53% und Kaliumsulfat ab einer relativen Luftfeuchte von 97%. Die hygroskopischen Salze und Zucker lösen sich durch die Adsorption von Wasserdampf in dem adsorbierten Wasser auf. Konzentrierte Lösungen mit Bodensatz, d. h. nicht gelöste Kristalle von hygroskopischen Salzen und Zuckern Puffern ihre Umgebungsfeuchte auf die relative Feuchte, bei der sie beginnen, Wasserdampf zu adsorbieren. Steigt die Umgebungsfeuchte, absorbieren die Lösungen mit Bodensatz Wasserdampf und ihre Kristalle lösen sich auf. Sinkt die Umgebungsfeuchte, geben die Lösungen Wasserdampf ab und es fallen ihre Kristalle aus. Das besondere bei hygroskopischen Salzen und Zuckern ist deren hohe Adsorptionskapazität. Sie nehmen bei hohen relativen Luftfeuchten ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasser auf.
Silikate und Cellulose haben eine deutlich geringere Adsorptionskapazität als hygroskopische Salze und Zucker. Sie geben adsorbierten Wasserdampf bei sinkender Umgebungsfeuchte unvollständig wieder ab. Ihre Sorptionskurve beschreibt eine Hysterese.
Aus dem Stand der Technik sind Beutel oder Sachets bekannt, die mit Feuchteadsorbern oder Feuchteregulatoren gefüllt sind und zusammen mit den zu verpackenden Gütern in den Verpackungsbehälter eingelegt werden, um die Umgebungsfeuchte zu reduzieren oder zu regulieren.
Aus der US-A-6,217,701 ist eine Zusammensetzung aus Stärke und Calciumchlorid als Feuchteregulator bekannt. Das Calciumchlorid adsorbiert Wasserdampf aus der Umgebungsatmosphäre und bildet eine Calciumchloridlösung, die wiederum von der Stärke gebunden wird.
Des Weiteren sind Feuchteadsorber und Feuchteregulatoren bekannt, die in einer Polymermatrix dispergiert sind. Diese haben jedoch oft eine geringe Adsorptions- und Desorptionskapazität für Wasserdampf.
Aus der DE 4000143 ist eine feuchtigkeitsregulierende Verpackung bekannt, die auf einem mit einer hygroskopischen Lösung imprägnierten Vlies basiert, das die Umgebungsfeuchte regulieren kann. Aus der DE 69122287 sind für Wasserdampf durchlässige Beutel bekannt, die mit flüssigen Feuchteregulatoren gefüllt sind. Diese beiden Lösungen zur Feuchteregulierung haben jedoch den Nachteil, dass die Beutel und Vliese mit Feuchteregulatoren keinen Schutz vor dem Austritt des flüssigen Feuchteregulators, insbesondere bei Beschädigung, gewährleisten. Diese Beutel und Vliese sind daher nicht als Packmittel, sondern nur als Packhilfsmittel geeignet und werden den Verpackungen beigefügt.
Viele der bekannten und derzeit verwendeten Feuchteadsorber und Feuchteregulatoren haben den wesentlichen Nachteil, dass sie gesundheitsschädlich oder zumindest nicht für den Lebensmittelbereich zugelassen und daher für Lebensmittelverpackungen nicht einsetzbar sind. So zeigt beispielsweise Natriumdichromat gute Adsorptionseigenschaften, ist aber aufgrund seiner gesundheitsgefährdenden Wirkung nicht für den Lebensmittelkontakt geeignet. Kochsalz (NaCl) hingegen besitzt sehr gute physiologische Eigenschaften und ist für den Kontakt mit Lebensmitteln unbedenklich, die Adsorption beginnt allerdings bei 20°C erst ab 75% relativer Luftfeuchte, weshalb es als Adsorber für die meisten Lebensmittel ungeeignet ist.
Es besteht daher ein Bedarf nach Feuchte regulierenden Materialien, die in der Lage sind, eine auf das zu verpackende Gut, insbesondere Lebensmittel, angepasste relative Feuchte in einer Verpackung einzustellen. Gegenwärtig ist diese Aufgabenstellung in der Verpackungstechnik nur unzureichend gelöst.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher in der Bereitstellung eines neuen und verbesserten Feuchte regulierenden Materials, insbesondere eines Verpackungsmaterials, das in der Lage ist, die relative Feuchte in der Atmosphäre eines abgeschlossenen Raumes zu regulieren und insbesondere im Bereich der Verpackung von Lebensmitteln geeignet ist.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung von Metallphosphaten, einzeln oder als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten als Feuchteregulator für die Herstellung eines Feuchte regulierenden Matrixmaterials, wobei der Feuchteregulator in einer Polymermatrix oder einem polymerisierenden oder aushärtenden Lack fein verteilt, dispergiert oder gelöst vorliegt und wobei die Metallphosphate unter Orthophosphaten (PO₄)^3–, Hydrogenphosphaten (HPO₄)^2–, Dihydrogenphosphaten (H₂PO₄)^–, Diphosphaten (P₂O₇)^4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P₃O₁₀)^5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt sind.
Die erfindungsgemäßen Feuchteregulatoren haben den Vorteil gegenüber vielen bekannten Feuchteregulatoren, dass die verwendeten Metallphosphate in der Regel nicht gesundheitsschädlich sind. Viele geeignete Metallphosphate sind sogar für den Lebensmittelbereich zugelassen, so dass sie bedenkenlos für die Herstellung von Lebensmittelverpackungen einsetzbar sind. Sie sind auch bei direktem Kontakt mit Lebensmitteln unbedenklich.
Die Auswahl der geeigneten Metallphosphate als Feuchteregulatoren hängt von der beabsichtigten Anwendung ab und ist vom Fachmann unter anderem danach zu treffen, ab welcher relativen Luftfeuchte der Umgebungsatmosphäre Wasser entzogen werden soll und welche relative Luftfeuchte in der Umgebungsatmosphäre verbleiben soll. Die erfindungsgemäßen Feuchteregulatoren adsorbieren Wasser oberhalb einer bestimmten relativen Luftfeuchte, sie geben aber auch wieder Wasser ab, wenn eine bestimmte relative Luftfeuchte unterschritten wird. Dadurch ist es möglich die Luftfeuchte durch geeignete Auswahl der Feuchteregulatoren in einem gewünschten Bereich zu regulieren. Beispielsweise sollen bestimmte Lebensmittel, wie Obst und Gemüse, in einer Verpackung nicht zu feucht gelagert werden, da sonst die Gefahr besteht, dass sie schnell verderben, andererseits soll eine Mindestfeuchte in der Verpackungsatmosphäre erhalten bleiben, damit die Lebensmittel frisch bleiben und nicht vertrocknen.
Herstellungsbedingte Mischung
Eine sogenannte herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten im Sinne der vorliegenden Erfindung wird nicht durch herkömmliches mechanisches Mischen einzelner Metallphosphate hergestellt, sondern kann mit Vorteil durch Entwässern einer wässrigen Metallphosphatlösung, vorzugsweise einer Metallorthophosphatlösung, die auch direkt durch Zusammenfügen ihrer Ausgangsmaterialien Phosphorsäure und Metallverbindung bereit gestellt werden kann, im Drehrohr, im Sprühturm oder in einer Walzentrocknungsanlage hergestellt werden. Dabei ist es möglich, durch spezielle Temperaturprofile chemische Mischungen von Metallphosphaten mit verschiedenen Kettenlängen zu produzieren. Es entstehen Kombinationen aus Monophosphaten, Diphosphaten, Triphosphaten und gegebenenfalls auch höher kondensierten Phosphaten eines oder mehrerer verschiedener Metalle, je nach den eingesetzten Verbindungen. Die verschiedenen Phosphate liegen nebeneinander molekular vor und nicht als einzelne Kristalle wie bei mechanischen Mischungen. Solche herstellungsbedingten Metallphosphate können eine deutlich bessere Löslichkeit und Lösegeschwindigkeit besitzen als mechanische Mischungen vergleichbarer Zusammensetzung.
Bei der Herstellung im Drehohr kann sowohl das Gleichstrom- als auch das Gegenstromverfahren angewendet werden. Man versprüht beim Gleichstromverfahren die Phosphatlösung durch eine in das Drehrohr reichende Flamme auf ein heißes Bett aus bereits entwässertem Produkt. Das Material wandert dann mit dem heißen Luftstrom zum Austragsende und wird dabei entwässert. Bei der Herstellung im Sprühturm wird die Phosphatlösung über Mehrstoffdüsen in den Sprühturmkopf versprüht. Im Sprühturmkopf wird durch Brenner eine Flammenzone erzeugt. Die eingesprühte Phosphatlösung bewegt sich im Gleichstrom mit den Brennergasen nach unten und wird dabei entwässert.
Zweckmäßigerweise liegt der Feuchteregulator in dem Matrixmaterial in einer Konzentration von 0,5 bis 20 Gew.-% oder von 1 bis 15 Gew.-% oder von 2 bis 10 Gew.-% oder von 3 bis 7 Gew.-% fein verteilt, dispergiert oder gelöst vor, bezogen auf das Gewicht des Matrixmaterials. Bei zu niedriger Konzentration kann das Material nicht ausreichend Feuchte adsorbieren und die gewünschte Funktion nicht ausüben. Bei zu hoher Konzentration des Feuchteregulators in dem Matrixmaterial können die Materialeigenschaften erheblich beeinträchtigt werden, was besonders nachteilig ist, wenn die Materialien neben der Feuchteregulierung weitere Funktionen ausüben sollen, wie beispielsweise Polymermaterialien in der Form von Folien oder Formteilen zu Verpackungszwecken oder Lacke, die auf einen Untergrund aufgebracht werden und neben der Feuchte regulierenden Funktion beispielsweise auch eine Schutzfunktion oder dekorative Funktion ausüben sollen.
Wasseradsorptions- und -desorptionstest
Zur Bestimmung der Wasseradsorptionsfähigkeit eines Feuchteregulators wird untersucht, wie viel Wasser der Feuchteregulator in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden adsorbiert. Die Menge an adsorbiertem Wasser wird durch wiegen des Materials vor und nach dem Zeitraum von 24 Stunden bestimmt. Dieser Wasseradsorptionstest unter standardisierten Bedingungen ist für den Fachmann leicht ausführbar und reproduzierbar, so dass er ein geeignetes Kriterium für die Adsorptionsfähigkeit eines Feuchteregulators und damit für seine Eignung in einer bestimmten Anwendung darstellt.
Zur Bestimmung der Wasserdesorptionsfähigkeit eines Feuchteregulators wird untersucht, welche Wassermenge der Feuchteregulator in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 um, nachdem er in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden Wasser adsorbiert hat, anschließend in einer Atmosphäre von 10% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden wieder abgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Feuchteregulator so ausgewählt, dass er in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden wenigstens 0,5 g Wasser, vorzugsweise wenigstens 1 g Wasser, besonders bevorzugt wenigstens 2 g Wasser pro 100 g des trockenen Feuchteregulators adsorbiert (Wasseradsorptionstest). Ist die Adsorptionsfähigkeit des Feuchteregulators zu niedrig, kann das Feuchte regulierende Material nicht ausreichend Feuchte adsorbieren und die gewünschte Funktion nicht in ausreichendem Maße ausüben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Feuchteregulator so ausgewählt, dass er in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm, nachdem er in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden Wasser adsorbiert hat, anschließend in einer Atmosphäre von 10% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden wenigstens 5 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 10 Gew.-% der adsorbierten Wassermenge wieder abgibt. Ein solcher Feuchteregulator hat den Vorteil, dass er der Umgebungsatmosphäre nicht nur bei hoher relativer Luftfeuchte Wasser entzieht, sondern bei zu niedriger relativer Luftfeuchte auch wieder Wasser an die Umgebungsatmosphäre abgibt, so dass der Feuchteregulator geeignet ist, in der Umgebungsatmosphäre eine Luftfeuchte innerhalb eines geeigneten Bereiches einzustellen bzw. zu halten.
Als Matrixmaterialien für die vorliegende Erfindung eignen sich im Wesentlichen alle Polymermaterialien, in welche sich die erfindungsgemäßen Metallphosphate einarbeiten lassen. Bevorzugt ist das als Matrixmaterial verwendete Polymermaterial ausgewählt unter Thermoplasten, thermoplastischen Elastomeren, Elastomeren und Duroplasten. Beispiele für geeignete Polymermaterialien sind unter Polyamide, Polyvinylester, Polyester, Polyurethane, Säurecopolymere, Polycarbonate, Polystyrole, Ionomere, Polyolefine, Polyvinylbutyral (PVB), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyester, Polyphenylenoxid, Polyacetal, Polymethacrylat, Polyoxymethylen, Polyvinylacetal, Polystyrol, Acryl-Butadien-Styrol (ABS), Acrylnitril-Styrol-Acrylester (ASA), Polycarbonat, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyvinylchlorid, thermoplastische Polyurethane, Silikone und/oder deren Copolymere und/oder Gemische und/oder Blends der vorgenannten.
Als Matrixmaterialien für die vorliegende Erfindung eignen sich weiterhin Lacke, insbesondere polymerisierende Lacke und aushärtende Lacke, sowohl auf wässriger Basis als auch auf Basis organischer Lösungsmittel. Es eignen sich aber auch andere flüssige Zusammensetzungen, in welche sich die erfindungsgemäßen Metallphosphate einarbeiten lassen und die nach Auftrag auf einen Untergrund eine feste Beschichtung ausbilden, wie beispielsweise Dispersionsfarben. Im Zusammenhang mit den hierin genannten Lacken und anderen aushärtenden flüssigen Zusammensetzungen beziehen sich die Konzentrationsangaben für den Feuchteregulator in dem Matrixmaterial auf das ausgehärtete Material. Lacke oder andere aushärtende zusammensetzungen mit dem erfindungsgemäßen Feuchteregulator können beispielsweise mit Vorteil auf die Innenflächen von Verpackungsmaterialien aufgebracht werden, um die Feuchte in einer daraus hergestellten Verpackung zu regulieren.
Das Feuchte regulierende Material ist zweckmäßigerweise in der Form einer Folie, Lage oder dünnen Schicht, eines Formteils, eines geschäumten Formteils, eines Pulvers oder eines Granulats ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Feuchte regulierende Material in der Form einer Folie, Lage oder dünnen Schicht mit einer Dicke im Bereich von 1 μm bis 20 mm oder im Bereich von 50 μm bis 10 mm oder im Bereich von 100 μm bis 5 mm oder im Bereich von 200 μm bis 1 mm. Aus solchen Materialien lassen sich vorteilhaft Verpackungen für verschiedenste Güter herstellen. Polymermaterialien, die ohne den Feuchteregulator transparent sind, bleiben in der Regel auch mit dem darin enthaltenen Feuchteregulator transparent, so dass darin verpackte Güter weiterhin durch das Verpackungsmaterial sichtbar sind.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Feuchte regulierende Material in der Form eines Pulvers oder eines Granulats ausgebildet und in einem Behältnis aus einem feuchtedurchlässigen Wandmaterial, vorzugsweise in einem Sachet, eingeschlossen. Das Wandmaterial kann beispielsweise ein Gewebe oder Vlies aus Textilmaterial oder Zellulose sein. Sachets mit darin enthaltenem Feuchteabsorber sind grundsätzlich bekannt und werden häufig den Verpackungen von feuchteempfindlichen Gütern beigelegt, wie beispielsweise elektronischen Geräten.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist das Feuchte regulierende Material ein Verpackungsmaterial zur Verpackung von festen oder flüssigen Lebensmitteln, Arzneimitteln, chemischen Substanzen, Gefahrgütern, elektronischen Produkten, Kulturgütern, Kunstwerken oder Pflanzen.
Die Erfindung umfasst neben der erfindungsgemäßen Verwendung von Metallphosphaten ein Feuchte regulierendes Material als solches, bestehend aus einem Matrixmaterial aus einer Polymermatrix oder einem polymerisierenden oder aushärtenden Lack, in welchem Metallphosphate, einzeln oder als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten fein verteilt, dispergiert oder gelöst als Feuchteregulator vorliegen, wobei die Metallphosphate unter Orthophosphaten (PO₄)^3–, Hydrogenphosphaten (HPO₄)^2–, Dihydrogenphosphaten (H₂PO₄)^–, Diphosphaten (P₂O₇)^4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P₃O₁₀)^5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt sind. Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Feuchte regulierenden Materials sind hierin oben beschrieben.
Die erfindungsgemäß geeigneten Metallphosphate sind unter Orthophosphaten (PO₄)^3–, Hydrogenphosphaten (HPO₄)^2–, Dihydrogenphosphaten (H₂PO₄)^–, Diphosphaten (P₂O₇)^4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P₃O₁₀)^5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt. Beispiele für erfindungsgemäß geeigneten Metallphosphate sind Mononatriumphosphat (NaH₂PO₄), Dinatriumphosphat (DSP; Na₂HPO₄), Trinatriumphosphat (TSP; Na₃PO₄), Monokaliumphosphat (MKP; KH₂PO₄), Dikaliumphosphat (DKP; K₂HPO₄), Trikaliumphosphat (TKP; Na₃PO₄), Tetranatriumpyrophosphat (TSPP; Na₄P₂O₇), Tetrakaliumpyrophosphat (TKPP; K₄P₂O₇), Natriumtripolyphosphat (STPP; Na₅P₃O₁₀) und Kaliumtripolyphosphat (KTPP; Na₅P₃O₁₀) sowie die entsprechenden Phosphate von beispielsweise Li, Fe, Cu, Mn, Al, Ca, Mg und/oder Zn. Weitere Beispiele erfindungsgemäß geeigneter Metallphosphate umfassen auch herstellungsbedingte Mischungen von Metallphosphaten wie sie oben beschrieben sind.
Beispiele
Beispiel 1: Feuchteadsorption und -desorption verschiedener Feuchteregulatoren in verschiedenen Matrixmaterialien
Herstellung von Feuchte regulierendem Matrixmaterial
In einem Kunststoffextruder wurden in aufgeschmolzene Polymermatrixmaterialien 5 Gew.-% Metallphosphate als Feuchteregulatoren eingearbeitet. Das Matrixmaterial wurde anschließend in einer Ultrazentrifugalmühle auf eine Siebgröße von 2 mm unter Stickstoffkühlung vermahlen. Die hergestellten Granulate eignen sich dazu, die Dicke und Scherung einer Kunststofffolie nachzustellen.
Zur Bestimmung der Feuchteadsorption und -desorption von Feuchte regulierendem Matrixmaterial in der Form von Granulat aus Polymermaterial mit darin enthaltenem Feuchteregulator wurden jeweils 10 g Granulat auf Petrischalen eingewogen und anschließend vier Tage lang in einem bei 23°C konstant temperierten Klimaschrank 20% relativer Luftfeuchte ausgesetzt. Nach vier Tagen wurden die Proben gewogen und das Gewicht als Bezugswert (Nullwert bzw. Startwert) für die nachfolgenden Bestimmungen der Adsorption von Wasser bei höheren Luftfeuchten festgelegt. Anschließend wurde die relative Luftfeuchte um 10% erhöht, d. h. zunächst auf 30% relative Luftfeuchte, und die Probe für 24 h in dieser Atmosphäre gehalten und danach erneut gewogen. Diese Vorgehensweise wurde fortgesetzt, bis zu einer relativen Luftfeuchte von 70%. Anschließend wurde der Vorgang unter Absenken der relativen Luftfeuchte wieder in Schritten von jeweils 10% umgekehrt und bis zu der ursprünglichen relativen Luftfeuchte von 20% fortgesetzt. Die Proben wurden in jeder Stufe wieder für 24 h in dieser Atmosphäre gehalten und gewogen. Durch die Absenkung der relativen Luftfeuchte wurde ermittelt, ob die Materialien die aufgenommene Feuchte auch wieder abgeben.
Parallel zu den Polymermaterialien mit Zusatz von Feuchteregulatorwurde die Wasseraufnahme des entsprechenden Polymermaterials ohne Zusatz von Feuchteregulator bestimmt und von den Werten der Proben mit Zusatz von Feuchteregulator als Hintergrundwert (Blindwert) abgezogen.
Die in den Tabellen angegebene Wasseraufnahme bezeichnet die aufgenommene Wassermenge in Gramm pro 100 Gramm Polymermaterial.

Es wurden folgende Polymermaterialien eingesetzt:

PA66	= Polyamid 66 (Vydyne 50BW/50BWFS, Fa. Ascend Performance Materials)
PET	= Polyethylenterephthalat (Fa. APPE)
PP	= Polypropylen (HE125MO, Fa. Borealis)
LDPE	= Low Density Polyethylen (LDPE; Lupolen 1800 S, Fa. LyondellBasell)

Es wurden folgende Metallphosphate als Feuchteregulatoren eingesetzt:

TSPP	(Tetranatriumpyrophosphat; Na₄P₂O₇)
STPP	(Natriumtripolyphosphat; Na₅P₃O₁₀)
MSP	(Mononatriumphosphat; NaH₂PO₄)
DSP	(Dinatriumphosphat; Na₂HPO₄)
TSP	(Trinatriumphosphat; Na₃PO₃)
DKP	(Dikaliumphosphat; K₂HPO₄)
TKP	(Trikaliumphosphat; K₃PO₃)
TKPP	(Tetrakaliumpyrophosphat; K₄P₂O₇)
KTPP	(Kaliumtripolyphosphat; Na₅P₃O₁₀)

Die nachfolgenden Tabellen geben die Ergebnisse der verschiedenen Kombinationen von Matrixmaterialien und Feuchteregulatoren wieder. Wie oben ausgeführt, ist die unter dem jeweiligen Matrixmaterial angegebene Wasseraufnahme die Differenz zwischen der Gesamtwasseraufnahme und der Wasseraufnahme des Polymermaterials ohne Feuchteregulator. Die Werte der Wasseraufnahme beziehen sich jeweils auf den Anfangswert bei 20% rel. Feuchte nach 4 Tagen. Tabelle 1: Feuchteadsorption und -desorption von TSP in verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	–0,1	0,0	0,0	0,0
6	40	0,0	0,1	0,1	0,1
7	50	1,1	0,9	0,3	0,4
8	60	1,4	1,6	0,5	0,7
9	70	2,2	2,9	1,1	2,1
10	60	2,3	2,8	1,0	1,7
11	50	2,3	2,5	0,7	1,0
12	40	2,4	2,4	0,7	0,9
13	30	2,4	2,2	0,6	0,8
14	20	2,4	1,9	0,6	0,7

Tabelle 2: Feuchteadsorption und -desorption von MSP in verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	–0,1	0,0	0,0	0,0
6	40	–0,4	0,0	0,0	0,0
7	50	–0,5	0,1	0,1	0,0
8	60	–0,7	0,1	0,1	0,0
9	70	–1,0	0,1	0,5	0,7
10	60	–0,7	0,1	0,3	0,2
11	50	–0,4	0,1	0,2	0,1
12	40	–0,2	0,1	0,1	0,1
13	30	0,0	0,0	0,0	0,1
14	20	0,1	0,0	0,0	0,0

Tabelle 3: Feuchteadsorption und -desorption von DSP in verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	–0,2	0,0	0,0	0,0
6	40	–0,4	0,0	0,0	0,0
7	50	–0,5	0,1	0,0	0,0
8	60	–0,7	0,3	0,3	0,1
9	70	0,5	1,5	0,9	1,6
10	60	0,8	1,4	0,8	1,1
11	50	0,6	1,1	0,5	0,5
12	40	0,3	0,6	0,1	0,3
13	30	0,1	0,1	0,1	0,2
14	20	0,1	0,1	0,1	0,1

Tabelle 4: Feuchteadsorption und -desorption von TSPP in verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	–0,1	0,0	0,0	0,0
6	40	–0,3	0,0	0,0	0,0
7	50	–0,5	0,1	0,0	0,0
8	60	–0,6	0,1	0,2	0,1
9	70	–0,5	0,3	0,5	0,3
10	60	–0,2	0,3	0,6	0,2
11	50	0,0	0,3	0,5	0,2
12	40	0,2	0,2	0,5	0,2
13	30	0,0	0,1	0,4	0,1
14	20	–0,1	0,0	0,0	0,0

Tabelle 5: Feuchteadsorption und -desorption von STPP in verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	–0,1	0,0	0,1	0,0
6	40	–0,3	0,0	0,1	0,0
7	50	–0,4	0,1	0,1	0,0
8	60	–0,6	0,2	0,2	0,0
9	70	–0,8	0,3	0,2	0,0
10	60	–0,5	0,3	0,1	0,0
11	50	–0,3	0,2	0,1	0,0
12	40	–0,1	0,2	0,1	0,0
13	30	0,0	0,1	0,1	0,0
14	20	0,1	0,1	0,1	0,0

Die nachfolgende Tabelle 6 gibt die Wasseraufnahme der Polymermaterialien ohne Feuchteregulator wieder. Tabelle 6: Feuchteadsorption und -desorption der verschiedenen Matrixmaterialien (PA66, PET, PP, LDPE) ohne Feuchteregulator

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	Matrix: PA66	Matrix: PET	Matrix: PP	Matrix: LDPE
4	20	0,0	0,0	0,0	0,0
5	30	0,4	0,0	0,0	0,0
6	40	1,0	0,1	0,0	0,0
7	50	1,8	0,1	0,0	0,0
8	60	2,5	0,1	0,0	0,0
9	70	3,5	0,2	0,0	0,0
10	60	2,7	0,1	0,0	0,0
11	50	1,9	0,1	0,0	0,0
12	40	1,4	0,1	0,0	0,0
13	30	0,9	0,0	0,0	0,0
14	20	0,5	0,0	0,0	0,0

Beispiel 2 Feuchteadsorption und -desorption verschiedener Feuchteregulatoren (Metallphosphate)

Zur Bestimmung der Feuchteadsorption und -desorption von als Feuchteregulator eingesetzten Metallphosphaten (nicht in Polymermatrix eingearbeitet) wurden jeweils 10 g Feuchteregulator auf Petrischalen eingewogen und für jeweils 24 h zunehmender und später wieder abnehmender relativer Luftfeuchte bei 25°C ausgesetzt. Nach der Dauer von 24 h bei einer bestimmten relativen Luftfeuchte wurde das Material gewogen, bevor es für weitere 24 h der nächst höheren relativen Luftfeuchte ausgesetzt wurde. Die Werte der Wasseraufnahme beziehen sich jeweils auf den Anfangswert zum Zeitpunkt Null, bezogen auf 100 Gramm Material. Tabelle 7: Feuchteadsorption und -desorption verschiedener Feuchteregulatoren

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	TSPP	STPP	MSP	DSP	TSP
0	-	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
1	22	0,0	0,0	0,0	0,0	2,0
2	30	0,0	0,0	0,0	0,0	4,1
3	40	0,0	0,0	0,0	0,1	8,7
4	50	0,0	0,0	0,2	0,6	18,0
5	60	0,5	2,4	3,8	2,7	48,6
6	70	10,8	8,7	8,1	6,6	59,6
7	80	51,3	28,0	29,4	26,9	79,8
8	90	59,2	30,5	49,8	32,5	91,1
9	50	59,0	29,1	32,1	13,4	79,3

Tabelle 7 (Forts.): Feuchteadsorption und -desorption verschiedener Feuchteregulatoren

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	DKP	TKP	TKPP	KTPP
0	-	0,0	0,0	0,0	0,0
1	22	0,0	32,2	7,8	1,2
2	30	5,1	45,5	13,3	6,4
3	40	29,6	69,6	18,2	12,2
4	50	40,6	81,0	40,7	24,7
5	60	71,9	(*)	67,2	56,0
6	70	(*)	(*)	(*)	(*)
7	80	(*)	(*)	(*)	(*)
8	90	(*)	(*)	(*)	(*)
9	50	(*)	(*)	(*)	(*)

(*) = Experiment abgebrochen, da Material verflüssigt

Entsprechende Versuche wurden mit mechanischen und herstellungsbedingten Mischungen von Phosphaten durchgeführt. Die relative Luftfeuchte wurde jedoch in Schritten von 5% angehoben und die Temperatur betrug 30°C. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 wiedergegeben.

M1: = Mischung von STPP + TSPP + KTPP + TKPP (40/25/25/10 Gew.-%) (M1-A = mechanische Mischung; M1-B = herstellungsbedingte Mischung)
M2: = Mischung von STPP + KTPP (65/35 Gew.-%) (M2-A = mechanische Mischung; M2-B = herstellungsbedingte Mischung)
M3: = Mischung von TSPP + TKPP (70/30 Gew.-%) (M3-A = mechanische Mischung; M3-B = herstellungsbedingte Mischung)

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	M1-A	M1-B	M2-A	M2-B
0	-	0,0	0,0	0,0	0,0
1	25	6,2	1,7	3,5	0,1
2	30	6,7	1,7	5,1	0,1
3	35	7,3	2,3	5,5	0,1
4	40	10,1	3,2	6,6	0,3
5	45	10,8	3,6	8,7	0,3
6	50	23,0	5,1	18,6	0,4
7	55	24,1	7,0	20,5	0,6
8	60	29,9	10,5	24,0	1,0
9	65	41,5	15,7	30,5	1,5

Zeit (Tage)	Rel. Feuchte (%)	M3-A	M3-B
0	-	0,0	0,0
1	25	6,2	0,3
2	30	6,7	0,1
3	35	7,3	0,5
4	40	10,1	1,3
5	45	10,8	1,9
6	50	23,0	3,2
7	55	24,1	5,4
8	60	29,9	14,0
9	65	41,5	45,9

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6217701 A [0008]
DE 4000143 [0010]
DE 69122287 [0010]

Claims

Verwendung von Metallphosphaten, einzeln oder als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten als Feuchteregulator für die Herstellung eines Feuchte regulierenden Matrixmaterials, wobei der Feuchteregulator in einer Polymermatrix oder einem polymerisierenden oder aushärtenden Lack fein verteilt, dispergiert oder gelöst vorliegt und wobei die Metallphosphate unter Orthophosphaten (PO₄)^3–, Hydrogenphosphaten (HPO₄)^2–, Dihydrogenphosphaten (H₂PO₄)^–, Diphosphaten (P₂O₇)^4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P₃O₁₀)^5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt sind.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator in dem Matrixmaterial in einer Menge von 0,5 bis 20 Gew.-% oder von 1 bis 15 Gew.-% oder von 2 bis 10 Gew.-% oder von 3 bis 7 Gew.-% fein verteilt, dispergiert oder gelöst vorliegt, bezogen auf das Gewicht des Matrixmaterials.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden wenigstens 0,5 g Wasser, vorzugsweise wenigstens 1 g Wasser, besonders bevorzugt wenigstens 2 g Wasser pro 100 g des trockenen Feuchteregulators adsorbiert.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator in Pulverform mit einer mittleren Korngröße d50 von 10 μm, nachdem er in einer Atmosphäre von 50% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden Wasser adsorbiert hat, anschließend in einer Atmosphäre von 10% relativer Luftfeuchte bei 25°C und Normaldruck (1013,25 hPa) über einen Zeitraum von 24 Stunden wenigstens 5 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 10 Gew.-% der adsorbierten Wassermenge wieder abgibt.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein Polymermaterial ist, ausgewählt unter Thermoplasten, thermoplastischen Elastomeren, Elastomeren und Duroplasten, vorzugsweise unter Polyamiden, Polyvinylestern, Polyestern, Polyurethanen, Säurecopolymeren, Polycarbonaten, Polystyrolen, Ionomeren, Polyolefinen, Polyvinylbutyral (PVB), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyester, Polyphenylenoxid, Polyacetal, Polymethacrylat, Polyoxymethylen, Polyvinylacetal, Polystyrol, Acryl-Butadien-Styrol (ABS), Acrylnitril-Styrol-Acrylester (ASA), Polycarbonat, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyvinylchlorid, thermoplastischem Polyurethan, Silikon und/oder deren Copolymeren und/oder Gemischen und/oder Blends der vorgenannten.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein polymerisierender Lack oder eine aushärtender Lack ist.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchte regulierende Material in der Form einer Folie, Lage oder dünnen Schicht, eines Formteils, eines geschäumten Formteils, eines Pulvers oder eines Granulats ausgebildet ist, vorzugsweise in der Form einer Folie, Lage oder dünnen Schicht mit einer Dicke im Bereich von 1 μm bis 20 mm oder im Bereich von 50 μm bis 10 mm oder im Bereich von 100 μm bis 5 mm oder im Bereich von 200 μm bis 1 mm.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchte regulierende Material in der Form eines Pulvers oder eines Granulats ausgebildet ist und in einem Behältnis aus einem feuchtedurchlässigen Wandmaterial, vorzugsweise in einem Sachet, eingeschlossen ist.
Verwendung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchte regulierende Material ein Verpackungsmaterial zur Verpackung von festen oder flüssigen Lebensmitteln, Arzneimitteln, chemischen Substanzen, Gefahrgütern, elektronischen Produkten, Kulturgütern, Kunstwerken oder Pflanzen ist.
Feuchte regulierendes Material, bestehend aus einem Matrixmaterial aus einer Polymermatrix oder einem polymerisierenden oder aushärtenden Lack, in welchem Metallphosphate, einzeln oder als Gemisch von wenigstens zwei verschiedenen Metallphosphaten oder als herstellungsbedingte Mischung von Metallphosphaten fein verteilt, dispergiert oder gelöst als Feuchteregulator vorliegen, wobei die Metallphosphate unter Orthophosphaten (PO₄)^3– Hydrogenphosphaten (HPO₄)^2–, Dihydrogenphosphaten (H₂PO₄)^–, Diphosphaten (P₂O₇)^4– (Pyrophosphaten), Tripolyphosphaten (P₃O₁₀)^5– oder höher kondensierten Phosphaten mit einer mittleren Kettenlänge von 3 bis 50 der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle, von Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Mangan (Mn), Zink (Zn) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen der genannten Metalle ausgewählt sind.
Feuchte regulierendes Material nach Anspruch 10 mit den weiteren Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 8.