DE102016113423A1

DE102016113423A1 - Moldable fibrous material for the production of molded parts

Info

Publication number: DE102016113423A1
Application number: DE102016113423.6A
Authority: DE
Inventors: Samuel Schabel; Heinz-Joachim Schaffrath; Frederic Kreplin
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Ein formbares faserhaltiges Material für die Herstellung von Formteilen besteht aus einem flüssigen Trägermedium sowie einem Massenanteil von mindestens 10% pflanzlichen Fasern, einem Massenanteil zwischen 5% und 80% eines Polysaccharidmaterials, einem Massenanteil zwischen 5% und 80% eines mineralischen Füllmaterials sowie einem Massenanteil zwischen 0% und 40% eines Additivmaterials. Das Polysaccharidmaterial enthält Stärke oder Guaran in natürlicher, abgebauter oder modifizierter Form enthält. Das Polysaccaridmaterial kann einen Anteil eines Cellulosederivatmaterials enthalten, wobei das Cellulosederivatmaterial ein Celluloseether, insbesondere Carboxymethylcellulose sein kann. Als mineralisches Füllmaterial kann Calciumcarbonat bzw. Kreidepulver verwendet werden. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem formbaren faserhaltigen Material werden in einem Mischungsschritt ein flüssiges Trägermedium mit pflanzlichen Fasern, mit einem Polysaccharidmaterial und mit einem mineralischen Füllmaterial zu einem Gemisch vermischt, in einem Verdickungsschritt das Gemisch erwärmt und das Polysacchaaridmaterial verdickt, in einem Entwässerungsschritt dem verdickten Gemisch ein Anteil des flüssigen Trägermediums entzogen und in einem Formgebungsschritt aus dem formbaren verdickten Gemisch ein Formteil geformt.A moldable fibrous material for the production of moldings consists of a liquid carrier medium and a mass fraction of at least 10% vegetable fibers, a mass fraction between 5% and 80% of a polysaccharide material, a mass fraction between 5% and 80% of a mineral filler and a mass fraction between 0% and 40% of an additive material. The polysaccharide material contains starch or guar gum in its natural, degraded or modified form. The polysaccharide material may contain a proportion of a cellulose derivative material, wherein the cellulose derivative material may be a cellulose ether, in particular carboxymethylcellulose. As a mineral filler calcium carbonate or chalk powder can be used. In a method according to the invention for producing a molded part from the moldable fibrous material in a mixing step, a liquid carrier medium with vegetable fibers, mixed with a polysaccharide material and a mineral filler to a mixture, in a thickening step, the mixture is heated and the Polysacchaaridmaterial thickened, in one Dewatering step the thickened mixture withdrawn a portion of the liquid carrier medium and formed in a molding step from the moldable thickened mixture a molding.

Description

Die Erfindung betrifft ein formbares faserhaltiges Material für die Herstellung von Formteilen. The invention relates to a moldable fibrous material for the production of moldings.

Aus der Praxis sind verschiedene formbare Materialien bekannt, die für die Herstellung von Formteilen verwendet werden können. Für die verschiedenen Herstellungsverfahren wie beispielsweise Extrusionsverfahren oder dreidimensionale Druckverfahren sind jeweils an das betreffende Verfahren angepasste formbare Materialien bekannt, die für eine Verwendung mit den entsprechenden Vorrichtungen wie beispielsweise Extrusionseinrichtungen oder 3D-Druckern geeignet sind. Die formbaren Materialien sind während der Herstellung des Formteils zunächst pastös, beziehungsweise noch verformbar, und werden nach einem anschließenden Aushärtungsprozess formstabil, um die vorgesehene Formgebung für das Formteil beizubehalten. From practice, various moldable materials are known which can be used for the production of moldings. For the various manufacturing processes, such as extrusion processes or three-dimensional printing processes, moldable materials adapted to the respective process are known, which are suitable for use with the corresponding devices, such as extrusion devices or 3D printers. The moldable materials are initially pasty or deformable during the production of the molding, and are dimensionally stable after a subsequent curing process to maintain the intended shape for the molding.

In vielen Fällen enthalten diese formbaren Materialien einen erheblichen Anteil an Kunststoffen oder bestehen vollständig aus Kunststoffen, um beispielsweise um möglichst einfach verarbeitet werden zu können oder als Formteil vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Stabilität, der Oberfläche oder des Gewichts des Formteils zu ermöglichen. Oftmals sind die aus derartigen formbaren Materialien hergestellten Formteile wenig umweltverträglich. Sie lassen sich regelmäßig nicht oder nur mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand recyceln und müssen entsorgt werden. In many cases, these moldable materials contain a considerable proportion of plastics or are made entirely of plastics, for example in order to be able to be processed as simply as possible or as molding to provide advantageous properties with regard to the stability, the surface or the weight of the molding. Often the moldings made from such moldable materials are less environmentally friendly. They can not be recycled regularly or only with a disproportionate effort and must be disposed of.

Aus vielen Bereichen sind Anwendungsfälle bekannt, bei denen Formteile nur während eines begrenzten Zeitraums benötigt werden. Derartige Formteile können beispielweise für eine Verpackung eines Produkts während einer Lagerung oder eines Transports verwendet werden. Oftmals werden auch Prototypen oder beispielsweise Architekturmodelle während der Entwicklung neuer Produkte oder Bauvorhaben angefertigt, die anschließend nicht mehr benötigt werden. From many areas, use cases are known in which moldings are needed only for a limited period. Such moldings may be used, for example, for packaging a product during storage or transportation. Often, prototypes or, for example, architectural models are made during the development of new products or construction projects, which are then no longer needed.

Auch aus diesen Gründen wird seit einiger Zeit versucht, formbare Materialien zu entwickeln, die eine möglichst hohe Umweltverträglichkeit aufweisen. Dabei wird beispielsweise angestrebt, für das formbare Material einen möglichst hohen Anteil an natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen zu verwenden. Das formbare Material und insbesondere die daraus hergestellten Formteile sollen möglichst biologisch abbaubar sein, also durch biologische Prozesse in die einzelnen Komponenten wieder aufgelöst werden können, um entweder einer Wiederverwertung zugeführt werden zu können oder aber bei einer Entsorgung die Umwelt nicht übermäßig zu belasten. For these reasons, for some time trying to develop moldable materials that have the highest environmental impact. For example, the aim is to use the highest possible proportion of natural and renewable raw materials for the moldable material. The moldable material and in particular the moldings produced therefrom should be as biodegradable as possible, so that they can be redissolved by biological processes into the individual components in order either to be recycled or not to burden the environment excessively when disposed of.

Aus der Praxis sind verschiedene formbare Materialien bekannt, die wenig oder keine Kunststoffe enthalten. Diese formbaren Materialien enthalten üblicherweise natürliche Fasern, die mit einem geeigneten Bindemittel wie beispielsweise einem proteinhaltigen Leim miteinander verbunden und zu einem Formteil geformt werden können. Ein derartiges formbares faserhaltiges Material ist beispielsweise in WO 2013/152448 A1 beschrieben. From practice, various moldable materials are known which contain little or no plastics. These moldable materials usually contain natural fibers which can be bonded together with a suitable binder such as a proteinaceous glue and formed into a shaped article. Such a moldable fibrous material is, for example, in WO 2013/152448 A1 described.

An ein formbares Material, das für die Herstellung von Formteilen geeignet ist und verwendet werden soll, werden üblicherweise zahlreiche verschiedene Anforderungen gestellt. Das formbare Material soll einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Aus dem formbaren Material soll mit den bereits bekannten Herstellungsverfahren wie beispielsweise mit Extrusionsverfahren oder dreidimensionalen Druckverfahren ohne größeren Aufwand ein Formteil hergestellt werden können. Die für eine Verfestigung des aus dem formbaren Material hergestellten Formteils bis zu dessen Gebrauchsfähigkeit benötigte Aushärtedauer soll möglichst kurz sein. Das Formteil soll während seines Gebrauchs möglichst formstabil sein und anschließend umweltverträglich entsorgt oder wiederverwertet werden können. To a moldable material which is suitable for the production of moldings and to be used, usually many different requirements. The moldable material should be easy and inexpensive to manufacture. From the moldable material should be able to be made with the already known manufacturing processes such as extrusion or three-dimensional printing process without much effort a molded part. The curing time required for solidification of the molded part produced from the moldable material to its usability should be as short as possible. The molding should be as dimensionally stable as possible during its use and then disposed of environmentally friendly or recycled.

Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein formbares Material zu entwickeln, das möglichst vorteilhafte Eigenschaften für die Herstellung eines Formteils aus dem formbaren Material aufweist. It is therefore considered an object of the present invention to develop a moldable material having the most advantageous properties for the production of a molded part from the moldable material.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein formbares faserhaltiges Material gelöst, das aus einem flüssigen Trägermedium sowie einem Massenanteil von mindestens 10% pflanzlichen Fasern, einem Massenanteil zwischen 5% und 80% eines Polysaccharidmaterials, einem Massenanteil zwischen 5% und 80% eines mineralischen Füllmaterials sowie ein Massenanteil zwischen 0% und 40% eines additiven Materials besteht. Untersuchungen haben ergeben, dass die Kombination eines geeigneten Polysaccharidmaterials mit einem mineralischen Füllmaterial besonders geeignet ist, um pflanzliche Fasern in einem flüssigen Trägermedium mit einander zu einem formbaren Material zu verbinden, um daraus ein Formteil herstellen zu können. Das Polysaccharidmaterial bildet zusammen mit dem mineralsischen Füllmaterial ein kostengünstig herstellbares und sehr einfach verarbeitbares Matrixmaterial, in welchem die pflanzlichen Fasern eingebettet sind und eine hohe Festigkeit des daraus hergestellten Formteils ermöglichen. Durch einen hohen Massenanteil von Fasern sowie mit einer zunehmenden Länge der einzelnen Fasern kann die mechanische Festigkeit des daraus hergestellten Formteils erhöht werden. Eine oftmals einhergehende Beeinträchtigung einer möglichst einfachen Verarbeitung des formbaren Materials bei der Herstellung des Formteils kann durch einen angemessen hohen Massenanteil des Polysaccharidmaterials und des mineralischen Füllmaterials reduziert und gegebenenfalls nahezu vollständig ausgeglichen werden. Das Polysaccharidmaterial bewirkt eine zuverlässige Einbindung der Fasern in das formbare Material und damit einhergehend auch in das daraus hergestellte Formteil. This object is achieved by a moldable fibrous material comprising a liquid carrier medium and a mass fraction of at least 10% vegetable fibers, a mass fraction between 5% and 80% of a polysaccharide, a mass fraction between 5% and 80% of a mineral filler and a Mass fraction between 0% and 40% of an additive material consists. Studies have shown that the combination of a suitable polysaccharide material with a mineral filler material is particularly suitable for combining vegetable fibers in a liquid carrier medium with each other to form a moldable material in order to be able to produce a molded part. The polysaccharide material, together with the mineral filling material, forms a matrix material which can be produced cost-effectively and is very easy to process, in which the vegetable fibers are embedded and enable high strength of the molded part produced therefrom. By a high mass fraction of fibers and with an increasing length of the individual fibers, the mechanical strength of the molded part produced therefrom can be increased. An often accompanying impairment of the simplest possible processing of the moldable material in the production of the molding can by a appropriately high mass fraction of the polysaccharide material and the mineral filler material reduced and optionally almost completely compensated. The polysaccharide material causes a reliable integration of the fibers in the moldable material and, consequently, in the molded part produced therefrom.

Ein hoher Massenanteil des Polysaccharidmaterials kann eine Reduzierung des flüssigen Trägermittels ermöglichen, dass für die Verformbarkeit des formbaren Materials vor und während des Herstellungsprozesses des Formteils benötigt wird. Dies führt zu einer entsprechend reduzierten Aushärtedauer, beziehungsweise Trocknungszeit des aus dem formbaren Material hergestellten Formteils. A high mass fraction of the polysaccharide material may allow for reduction of the liquid vehicle needed for the ductility of the moldable material before and during the manufacturing process of the molding. This leads to a correspondingly reduced curing time, or drying time of the molded part produced from the moldable material.

Es hat sich gezeigt, dass mit einem zunehmenden Massenanteil des Polysaccharidmaterials eine oftmals unerwünschte Schrumpfung während des Trocknungsprozesses zunimmt. Die Schrumpfung kann durch einen höheren Massenanteil des mineralischen Füllmaterials und optional durch Beimischung von weiteren Additiven verringert und gegebenenfalls nahezu vollständig verhindert werden. It has been found that with an increasing mass fraction of the polysaccharide material often undesirable shrinkage increases during the drying process. The shrinkage can be reduced by a higher mass fraction of the mineral filler and optionally by admixture of other additives and optionally almost completely prevented.

Für die Herstellung des formbaren faserhaltigen Materials können handelsüblich erhältliche Rohstoffe und Komponente verwendet werden. Die Angaben zu den erfindungsgemäßen Massenanteilen beziehen sich auf Rohstoffe mit einer handelsüblichen Reinheit und Qualität. Commercially available raw materials and components can be used for the production of the moldable fibrous material. The information on the proportions by weight of the invention refer to raw materials with a commercial purity and quality.

Mit dem erfindungsgemäßen formbaren faserhaltigen Material können beispielsweise an eine Formgebung eines Produkts angepasste Verpackung ausgeformt und hergestellt werden. In derartige Verpackungen, die üblicherweise als einteilige oder mehrteilige Einleger in einem großen Behälter verwendet werden, können die einzelnen Produkte aufgenommen und während eines Transports in dem Behälter fixiert und geschützt werden. Beispielsweise mit einem Extrusionsverfahren können auch regelmäßig oder unregelmäßig geformte Füllelemente hergestellt werden, die in großer Anzahl in einen Behälter eingefüllt werden und das Produkt oder die Produkte in einem Behälter wie beispielsweise einem Karton umgeben, um die Produkte während eines Transports vor Erschütterungen und Beschädigungen schützen können. With the moldable fibrous material according to the invention, for example, packaging adapted to a shape of a product can be shaped and manufactured. In such packages, which are commonly used as one-piece or multi-part inserts in a large container, the individual products can be picked up and fixed and protected during transport in the container. For example, by means of an extrusion process it is also possible to produce regularly or irregularly shaped filling elements, which are filled in a large number into a container and surround the product or products in a container such as a cardboard, in order to protect the products during transport from shocks and damage ,

Mit dem formbaren Material können beispielsweise auch großformatige Schalungen oder Formen für Bauelemente, insbesondere für Betonelemente hergestellt werden. So können beispielsweise mit einem 3D-Drucker Reliefformen für die Erzeugung von Reliefs in Betonfassaden hergestellt werden, die während der Herstellung der Betonfassade in eine Fassaden-Schalung eingesetzt werden, bevor die Schalung mit Beton verfüllt wird. Nach dem der Beton abgebunden und ausgehärtet ist, kann die Schalung abgenommen werden und die aus dem formbaren Material hergestellte Reliefform beispielsweise mit einem Hochdruckreiniger von der neu hergestellten Betonfassade abgespült werden. Da das formbare Material ganz überwiegend, beziehungsweise vollständig aus umweltverträglichen Rohstoffen und Komponenten hergestellt ist, wird keine aufwendige und kostenintensive Entsorgung oder Aufbereitung der nicht mehr benötigten Reliefform erforderlich. Es ist auch denkbar, das formbare Material für Gießverfahren zu verwenden, bei denen das formbare Material in eine verlorene Form, die nach dem Aushärten zerstört werden muss, oder in eine verlorene Schalung vergossen wird, die nach dem Aushärten des formbaren Materials nicht mehr entfernt wird und an dem neu hergestellten Bauelement oder Objekt verbleibt. With the moldable material, for example, large-scale formwork or molds for components, in particular for concrete elements can be produced. For example, with a 3D printer, relief molds can be produced for the production of reliefs in concrete facades, which are used in a façade formwork during the production of the concrete façade before the formwork is filled with concrete. After the concrete has set and cured, the formwork can be removed and the relief mold made of the moldable material, for example, rinsed with a high-pressure cleaner from the newly manufactured concrete facade. Since the moldable material is made entirely predominantly, or completely from environmentally friendly raw materials and components, no costly and costly disposal or treatment of the relief mold no longer required is required. It is also conceivable to use the moldable material for casting processes in which the moldable material is cast into a lost mold which must be destroyed after curing, or into a permanent mold, which is no longer removed after curing of the moldable material and remains on the newly manufactured component or object.

Es hat sich herausgestellt, dass sich das erfindungsgemäße formbare faserhaltige Material in besonders vorteilhafter Weise für die Verwendung mit 3D-Druckern eignet. Durch einen ausreichend hohen Anteil des Polysaccharidmaterials und des mineralischen Füllmaterials können auch dünne Düsen für die Austragung des formbaren Materials verwendet werden, ohne dass eine Verstopfung der Düsen oder ein ungleichmäßiger Materialaustrag befürchtet werden muss. Ein beispielsweise mit einem 3D-Drucker hergestellter Prototyp oder ein Architekturmodell können während und nach dem Aushärtungsprozess in einfacher Weise nachbearbeitet werden, sofern dies erforderlich sein sollte. Wenn der Prototyp oder das Architekturmodell nicht mehr benötigt werden, können sie kostengünstig entsorgt oder einer Wiederverwertung zugeführt werden. It has been found that the moldable fibrous material according to the invention is particularly suitable for use with 3D printers. By a sufficiently high proportion of the polysaccharide material and the mineral filler and thin nozzles for the discharge of the moldable material can be used without a clogging of the nozzle or an uneven material discharge must be feared. For example, a prototype or architectural model made with a 3D printer can be easily reworked during and after the curing process, if necessary. If the prototype or architectural model is no longer needed, it can be inexpensively disposed of or recycled.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem flüssigen Trägermedium um Wasser oder um einen Alkohol. Wasser ist ein besonders kostengünstiges Trägermedium. Durch die Verwendung eines geeigneten Alkohols können dessen Eigenschaften als Lösungsmittel sowie eine gegebenenfalls deutlich niedrigere Siedetemperatur als Wasser vorteilhaft für die Verwendung als Trägermedium des formbaren Materials genutzt werden. Conveniently, the liquid carrier medium is water or an alcohol. Water is a particularly inexpensive carrier medium. By using a suitable alcohol, its properties as a solvent and optionally a significantly lower boiling point than water can be used advantageously for use as a carrier medium of the moldable material.

Bei den pflanzlichen Fasern kann es sich beispielsweise um Holzfasern, Getreidefasern, Gräserfasern, Cellulosefasern oder Eukalyptusfasern handeln. Gegebenenfalls ist es im Hinblick auf die vorgesehene Verwendung eines Herstellungsverfahrens oder für die Verwendung der daraus hergestellten Formteile zweckmäßig, eine Mischung dieser Fasern für das formbare faserhaltige Material zu verwenden. Der Massenanteil der Fasern und eine durchschnittliche Länge der Fasern können ebenfalls an die jeweils vorgesehene Verwendung des formbaren faserhaltigen Materials angepasst sein. Die pflanzlichen Fasern können eine weitgehend natürliche, bzw. nicht gesondert vorgegebene Faserlänge aufweisen. Es ist auch möglich und für bestimmte Anwendungsbereiche zweckmäßig, dass die pflanzlichen Fasern eine vorgegebene verkürzte Faserlänge aufweisen. Die Faserlänge der pflanzlichen Fasern kann weitgehend einheitlich vorgegeben sein. Weiterhin kann es auch zweckmäßig sein, pflanzliche Fasern mit unterschiedlicher Faserlänge zu verwenden, beispielsweise pflanzliche Fasern mit zwei verschiedenen vorgegebenen Faserlängen. The vegetable fibers may be, for example, wood fibers, cereal fibers, grass fibers, cellulose fibers or eucalyptus fibers. Optionally, in view of the intended use of a manufacturing process or for the use of the moldings produced therefrom, it is expedient to use a mixture of these fibers for the moldable fibrous material. The mass fraction of the fibers and an average length of the fibers may also be adapted to the particular intended use of the moldable fibrous material. The vegetable fibers can be a largely natural, or not have separately given fiber length. It is also possible and appropriate for certain applications that the vegetable fibers have a predetermined shortened fiber length. The fiber length of the vegetable fibers can be largely uniform. Furthermore, it may also be appropriate to use vegetable fibers with different fiber length, for example, vegetable fibers with two different predetermined fiber lengths.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Polysaccharidmaterial Stärke, Guaran, Carubin, Carrageen und/oder Agar jeweils in natürlicher, abgebauter oder modifizierter Form enthält. Stärke kann kostengünstig in großer Menge aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt beziehungsweise extrahiert werden. Durch eine Erwärmung kann die Stärke das Trägermaterial, vorzugsweise Wasser, physikalisch binden und dabei aufquellen und verkleben. Stärke wird in natürlicher oder modifizierter Form beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, in der chemisch-technischen Industrie oder als Baumaterial oder Werkstoff verwendet und ist in zahlreichen verschiedenen Varianten kostengünstig erhältlich. Bei den weiteren jeweils aus natürlich vorkommenden Rohstoffen herstellbaren Polysaccaridmaterialien Guaran, Carubin, Carrageen und Agar handelt es sich um oftmals stärke-ähnliche Materialien, die hinsichtlich der gewünschten Verdickungseigenschaften ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden können. Durch deren Verwendung in der Lebensmittelindustrie sind diese Materialien in einer für die erfindungsgemäße Verwendung geeigneten Aufbereitung handelsüblich verfügbar. Untersuchungen haben ergeben, dass durch eine geeignete Kombination verschiedener Polysaccaridmaterialien wie beispielsweise Carubin, Carrageen oder Agar Synergieeffekte auftreten können, welche die angestrebten Verdickungseigenschaften vorteilhaft beeinflussen. According to a particularly advantageous embodiment of the inventive concept, it is provided that the polysaccharide material contains starch, guar gum, carubin, carrageenan and / or agar in each case in natural, degraded or modified form. Starch can be inexpensively produced or extracted in large quantities from renewable raw materials. By heating, the starch, the carrier material, preferably water, physically bind and thereby swell and stick together. Starch is used in natural or modified form, for example in the food industry, in the chemical-technical industry or as a building material or material and is available inexpensively in many different variants. The other polysaccharide materials guaran, carubin, carrageenan and agar, which can be prepared in each case from naturally occurring raw materials, are often starch-like materials which can likewise be advantageously used with regard to the desired thickening properties. As a result of their use in the food industry, these materials are commercially available in a preparation suitable for the use according to the invention. Investigations have shown that a suitable combination of different polysaccharide materials, such as, for example, carubin, carrageenan or agar, can give rise to synergy effects which advantageously influence the desired thickening properties.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Polysaccharidmaterial ein Cellulosederivatmaterial enthält. Das Cellulosederivatmaterial kann vorzugsweise ein Celluloseether und insbesondere Carboxymethylcellulose sein. Als besonders vorteilhaft für die Verwendung in dem formbaren Material hat sich eine Kombination von einem Anteil von Stärke, Guaran, Carubin, Carrageen und oder Agar mit einem Anteil eines Cellulosederivatmaterials, insbesondere Carboxymethylcellulose herausgestellt. Ein derartiges Polysaccharidmaterial ermöglicht eine besonders einfache und unproblematische Verarbeitung des formbaren Materials zu einem Formteil. Gleichzeitig wird die für die Herstellung des Formteils notwendige Aushärtedauer verringert. Das Formteil weist bereits nach kurzer Zeit eine ausreichende Formstabilität auf. Ein derartiges Polysaccharidmaterial kann mit biologischen Prozessen umweltverträglich zersetzt und abgebaut werden. According to a particularly advantageous embodiment of the inventive concept it is provided that the polysaccharide material contains a cellulose derivative material. The cellulose derivative material may preferably be a cellulose ether and, in particular, carboxymethyl cellulose. Particularly advantageous for use in the moldable material is a combination of a proportion of starch, guar gum, carubin, carrageenan and / or agar with a proportion of a cellulose derivative material, in particular carboxymethyl cellulose. Such a polysaccharide material enables a particularly simple and unproblematic processing of the moldable material into a molded part. At the same time necessary for the production of the molding curing time is reduced. The molding has a sufficient dimensional stability after a short time. Such a polysaccharide material can be decomposed and degraded with biological processes in an environmentally sound manner.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das mineralische Füllmaterial Calciumcarbonat enthält. Calciumcarbonat, beispielsweise in Form von Kreidepulver, ist kostengünstig erhältlich und senkt nicht nur die Materialkosten für das formbare Material, sondern erleichtert auch die Verarbeitung des formbaren Materials während der Herstellung eines Formteils. In Kombination mit dem Polysaccharidmaterial vermindert Calciumcarbonat die während des Aushärteprozesses eintretende Schrumpfung und reduziert die Porosität des fertig hergestellten Formteils. It is preferably provided that the mineral filler contains calcium carbonate. Calcium carbonate, for example in the form of chalk powder, is available inexpensively and not only lowers the cost of materials for the moldable material, but also facilitates processing of the moldable material during the manufacture of a molded article. In combination with the polysaccharide material, calcium carbonate reduces the shrinkage that occurs during the curing process and reduces the porosity of the finished molded article.

Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Additivmaterial mindestens eine Additivkomponente zur Färbung, zur Flammhemmung oder zur Beeinflussung einer Formteiloberfläche enthält. Die Additivkomponenten können optional zugefügt werden, um das formbare Material in besonderer Weise für die Herstellung eines vorgegebenen Formteils anzupassen. Je nach Bedarf kann durch eine geeignete Additivkomponente eine Farbgebung des formbaren Materials vorgegeben werden, die eine nachträgliche Färbung des daraus hergestellten Formteils überflüssig werden lässt. Zudem kann mit einer geeigneten Additivkomponente beispielsweise eine glänzende Oberfläche des fertig hergestellten Formteils oder aber eine raue, beziehungsweise matte Oberfläche erzeugt werden. Es sind weitere Additivkomponenten denkbar und für verschiedene Anwendungszwecke vorteilhaft, die beispielsweise ein Entflammen des Formteils hemmen und gegebenenfalls das Formteil auch zur Verwendung als Brandschutzelement geeignet werden lassen. Die Additivkomponenten sind dabei vorzugsweise ebenfalls entweder natürliche, beziehungsweise nachwachsende Rohstoffe oder aber möglichst umweltverträglich abbaubare beziehungsweise bei einer Zersetzung oder Wiederverwertung des Formteils recycelbare Rohstoffe. According to an embodiment of the inventive idea, it is provided that the additive material contains at least one additive component for coloring, for flame retardation or for influencing a molded part surface. The additive components may optionally be added to customize the moldable material in a particular way for the production of a given molded part. Depending on requirements, it is possible by means of a suitable additive component to specify a color of the moldable material which makes it unnecessary to subsequently dye the molded part produced therefrom. In addition, with a suitable additive component, for example, a glossy surface of the finished molded part or a rough or matt surface can be produced. There are further additive components conceivable and advantageous for various applications, which inhibit, for example, a flaming of the molded part and, where appropriate, the molding can also be suitable for use as a fire protection element. The additive components are preferably also either natural or renewable raw materials or as environmentally compatible degradable or recyclable in a decomposition or recycling of the molding raw materials.

Es ist ebenfalls möglich, dass das Additivmaterial mindestens eine Additivkomponente mit einem Entwässerungsbeschleuniger, mit einem Trocknungshilfsmittel, mit einem Retentionsmittel, mit einem Gleithilfsmittel, mit einem Dispergiermittel, mit einem Bindemittel oder mit einem Biozid enthält. Durch die Beimischung geeigneter Additivkomponenten kann das formbare Material in vorteilhafter Weise für das jeweils vorgesehene Herstellungsverfahren des Formteils angepasst werden. Durch Entwässerungsbeschleuniger oder Trocknungshilfsmittel können die nach einem Formgebungsprozess erforderliche Zeitdauer bis zu einer ausreichenden Verfestigung des Formteils, beziehungsweise bis zu dessen vollständiger Aushärtung verkürzt werden. Durch die Zugabe eines Dispergiermittels wie beispielsweise ein Lecithin kann die Homogenität des formbaren Materials begünstigt und verbessert werden. Mit einem geeigneten Bindemittel wie beispielsweise Pektin kann eine Rissbildung während der Aushärtung des formbaren Materials gemindert und dadurch das Trocknungsverhalten verbessert werden. Durch die Beimischung eines gegebenenfalls natürlichen Biozids kann die Beständigkeit des Formteils gegenüber Umwelteinflüssen und Witterungseinflüssen verbessert werden. In Anhängigkeit von dem jeweiligen Verwendungszweck kann aber auch vollständig auf die Beimischung eines Additivmaterials, beziehungsweise einer Additivkomponente verzichtet werden. It is also possible that the additive material contains at least one additive component with a dehydration accelerator, with a drying assistant, with a retention agent, with a lubricant, with a dispersant, with a binder or with a biocide. By admixing suitable additive components, the mouldable material can be adapted in an advantageous manner for the respectively intended production method of the molded part. By dewatering accelerator or drying aid, the time required after a molding process can be shortened to a sufficient solidification of the molding, or until its complete cure. The addition of a dispersing agent such as a lecithin can ensure the homogeneity of the moldable Materials are favored and improved. With a suitable binder such as pectin, cracking during curing of the moldable material can be reduced and thereby the drying behavior can be improved. The admixture of an optionally natural biocide, the resistance of the molding against environmental influences and weather conditions can be improved. Depending on the particular application, however, it is also possible to completely dispense with the admixture of an additive material or of an additive component.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem vorangehend beschriebenen formbaren faserhaltigen Material. Erfindungsgemäß wird in einem Mischungsschritt ein flüssiges Trägermedium zumindest mit einem Polysaccharidmaterial und gegebenenfalls mit den pflanzlichen Fasern, mit einem mineralischen Füllmaterial und/oder mit einem Additivmaterial zu einem Gemisch vermischt, in einem optionalen Verdickungsschritt das Gemisch erwärmt und das Polysaccharidmaterial verdickt sowie gegebenenfalls noch fehlende pflanzliche Fasern, mineralisches Füllmaterial oder Additivmaterial zugegeben, in einem ebenfalls optionalen Entwässerungsschritt ein Anteil des flüssigen Trägermediums wieder entzogen, um ein formbares verdicktes Gemisch zu erhalten, und in einem Formgebungsschritt aus dem formbaren verdickten Gemisch ein Formteil geformt. In dem Mischungsschritt wird eine ausreichende Menge des flüssigen Trägermediums zugegeben, um eine möglichst vollständige Durchmischung der einzelnen Komponenten zu bewirken. Das Polysaccharidmaterial und das mineralische Füllmaterial werden zweckmäßigerweise jeweils in Pulverform oder in Granulatform beigemischt, sodass das Polysaccharidmaterial und das mineralische Füllmaterial entweder bereits während des Mischungsschrittes in dem flüssigen Trägermedium aufgelöst werden, oder aber während des Verdickungsschrittes und der dabei gegebenenfalls bewirkten Erwärmung aufgelöst zu werden, um zusammen mit dem flüssigen Trägermedium und den pflanzlichen Fasern eine möglichst homogene pastöse und faserhaltige Masse zu bilden. Es sind Polysaccharidmaterialien bekannt, bei denen bereits eine umfassende Durchmischung ohne eine zusätzliche Erwärmung zu einer ausreichenden Verdickung führen kann, so dass eine zusätzliche Erwärmung optional möglich, jedoch nicht zwingend notwendig ist. The invention also relates to a method of producing a molded article from the above-described moldable fibrous material. According to the invention, in a mixing step, a liquid carrier medium is mixed at least with a polysaccharide material and optionally with the vegetable fibers, with a mineral filler and / or with an additive material to form a mixture, in an optional thickening step, the mixture is heated and the polysaccharide material thickened and optionally still missing vegetable Fibers, mineral filler or additive material added in a likewise optional dehydration step, a portion of the liquid carrier medium withdrawn to obtain a moldable thickened mixture, and molded in a molding step from the moldable thickened mixture a molding. In the mixing step, a sufficient amount of the liquid carrier medium is added in order to effect a complete mixing of the individual components. The polysaccharide material and the mineral filler are suitably admixed in powder or granular form so that the polysaccharide material and the mineral filler are either dissolved in the liquid carrier medium during the mixing step, or dissolved during the thickening step and the heating possibly caused thereby, together with the liquid carrier medium and the vegetable fibers to form a very homogeneous pasty and fibrous mass. Polysaccharide materials are known in which even thorough mixing without additional heating can lead to sufficient thickening, so that additional heating is optionally possible, but not absolutely necessary.

Im Anschluss daran kann ein Anteil des flüssigen Trägermediums wieder entzogen werden und das unter anderem für die Durchmischung und gegebenenfalls vorangehende Auflösung des Polysaccharidmaterials und des mineralischen Füllmaterials zu Beginn zugegeben wurde. Es hat sich gezeigt, dass ein Massenanteil des flüssigen Trägermediums zwischen 40% und 60% für viele Verwendungszwecke vorteilhaft ist und eine ausgewogene Balance zwischen der zunächst gewünschten Verformbarkeit und Verarbeitbarkeit des formbaren Materials einerseits und einer raschen Aushärtung und dauerhaften Formstabilität des daraus hergestellten Formteils andererseits begünstigt. Subsequently, a portion of the liquid carrier medium can be withdrawn again and was added at the beginning among other things for the mixing and optionally preceding dissolution of the polysaccharide material and the mineral filler. It has been found that a mass fraction of the liquid carrier medium between 40% and 60% is advantageous for many uses and on the other hand favors a balance between the initially desired ductility and processability of the moldable material on the one hand and rapid curing and permanent dimensional stability of the molding produced therefrom ,

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass sowohl der Mischungsschritt als auch der Verdickungsschritt durch einen Anteil eines Cellulosederivatmaterials an dem Polysaccharidmaterial vorteilhaft beeinflusst werden können. Sowohl während des Mischungsschritts als auch während des Verdickungsschritts kann das Gemisch mit einer Mischeinrichtung, beispielsweise mit Hilfe eines Rührwerks, vermischt und homogenisiert werden. It has also been shown that both the mixing step and the thickening step can be advantageously influenced by a proportion of a cellulose derivative material to the polysaccharide material. Both during the mixing step and during the thickening step, the mixture can be mixed with a mixing device, for example by means of a stirrer, and homogenized.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass vor dem Entwässerungsschritt ein Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird, wobei das verdickte Gemisch in einem feuchtigkeitsdicht verschlossenen Behälter erwärmt wird. Durch eine derartige Wärmebehandlung können Eigenschaften wie beispielsweise die Homogenität oder die Verarbeitbarkeit des verdickten Gemischs beeinflusst und begünstigt werden, ohne dass das verdickte Gemisch dabei bereits ausgetrocknet wird. Das verdickte Gemisch kann auch während des Wärmebehandlungsschritts zusätzlich mit einer Mischeinrichtung vermischt und homogenisiert werden. According to an advantageous embodiment of the inventive concept, it is provided that before the dewatering step, a heat treatment step is carried out, wherein the thickened mixture is heated in a moisture-tight sealed container. By such a heat treatment properties such as the homogeneity or the processability of the thickened mixture can be influenced and promoted, without the thickened mixture is already dried out. The thickened mixture may also be mixed and homogenized with a mixer during the heat treatment step.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass während des Entwässerungsschritts das verdickte Gemisch beispielsweise durch Filtern, durch Zentrifugieren oder durch Pressen des verdickten Gemischs mechanisch entwässert wird. Eine mechanische Entwässerung hat gegenüber einer Erwärmung und Trocknung des verdickten Gemischs den Vorteil, dass die Entwässerung rasch und weitgehend gleichmäßig über die gesamte Menge des verdickten Gemischs durchgeführt werden kann, während eine ebenfalls mögliche Entwässerung durch eine Erwärmung und Trocknung des verdickten Gemischs vergleichsweise zeitintensiv ist. Zudem trocken bei einer von außen einwirkenden Erwärmung die Randbereiche des verdickten Gemischs schneller als ein von den Randbereichen umgebener innerer Bereich des verdickten Gemischs. Es ist ebenfalls möglich, das verdickte Gemisch während des Entwässerungsschritts beispielsweise durch eine Mikrowellenbehandlung zu trocknen, die ebenfalls einen weitgehend gleichmäßigen, beziehungsweise homogenen Trocknungsgrad innerhalb des verdickten Gemischs bewirken kann. It is preferably provided that during the dewatering step, the thickened mixture is mechanically dewatered, for example by filtering, by centrifuging or by pressing the thickened mixture. Mechanical dehydration has the advantage over heating and drying of the thickened mixture that dehydration can be carried out rapidly and largely uniformly over the entire amount of the thickened mixture, while also possible dewatering by heating and drying the thickened mixture is comparatively time-consuming. In addition, in the case of externally applied heating, the edge regions of the thickened mixture dry faster than an inner region of the thickened mixture surrounded by the edge regions. It is also possible to dry the thickened mixture during the dewatering step, for example by means of a microwave treatment, which can likewise bring about a substantially uniform or homogeneous degree of drying within the thickened mixture.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verdickten Gemischs, von den Umgebungsbedingungen und der bis zur Verarbeitung des verdickten Gemischs vorgesehenen Lagerungsdauer kann auch eine thermische Trocknung zweckmäßig sein. So kann bei warmen Außenbedingungen und einer ausreichend langen Lagerungsdauer das verdickte Gemisch durch die Umgebungstemperatur sowie gegebenenfalls durch kostengünstige Wärmequellen unterstützt langsam getrocknet werden, bis der gewünschte Trocknungsgrad erreicht ist. Depending on the composition of the thickened mixture, on the ambient conditions and on the storage time provided up to the processing of the thickened mixture also be a thermal drying appropriate. Thus, in warm outdoor conditions and a sufficiently long storage time, the thickened mixture can be dried slowly by the ambient temperature and optionally by inexpensive heat sources until the desired degree of drying is achieved.

Mit dem erfindungsgemäßen formbaren Material sind verschiedene Verfahren für die Herstellung des Formteils möglich. Das Formteil kann durch Extrudieren des formbaren verdickten Gemischs aus einer Extrusionsvorrichtung hergestellt werden. Durch die mechanische Förderung des verdickten Gemischs in der Extrusionsvorrichtung und aufgrund eines üblicherweise vorgegebenen Überdrucks kann das extrudierte formbare Gemisch bereits einen hohen Trocknungsgrad aufweisen und eine sehr pastöse, beziehungsweise zähviskose Masse sein, die nach der Extrusion nur noch eine kurze Trocknungsdauer bis zum vollständigen Aushärten der extrudierten Formteile benötigt. With the moldable material according to the invention various methods for the production of the molding are possible. The molding can be made by extruding the moldable thickened mixture from an extrusion device. Due to the mechanical promotion of the thickened mixture in the extrusion apparatus and due to a usually predetermined overpressure, the extruded moldable mixture may already have a high degree of dryness and be a very pasty, or viscous mass, the after extrusion only a short drying time to complete curing of the extruded moldings needed.

In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das formbare verdickte Gemisch durch eine auf eine vorgegebene Temperatur temperierte Extrusionsdüse extrudiert wird. Es hat sich gezeigt, dass eine erwärmte Extrusionsdüse die Viskosität des formbaren verdickten Gemischs während des Extrusionsvorgangs positiv beeinflussen und eine gleichmäßige und kontrollierte Extrusion begünstigen kann. Zudem kann durch eine beheizte Extrusionsdüse bereits während des Extrusionsvorgangs der Trocknungsprozess des extrudierten formbaren verdickten Gemischs eingeleitet und unterstützt werden. In Abhängigkeit von den jeweils verwendeten Komponenten kann auch eine gekühlte Extrusionsdüse vorteilhafte Auswirkungen auf den Extrusionsvorgang aufweisen. Advantageously, it is provided that the moldable thickened mixture is extruded through a tempered to a predetermined temperature extrusion die. It has been found that a heated extrusion die can positively influence the viscosity of the moldable thickened mixture during the extrusion process and can promote uniform and controlled extrusion. In addition, the drying process of the extruded, shapeable, thickened mixture can already be initiated and supported by a heated extrusion die during the extrusion process. Depending on the particular components used, a cooled extrusion die may also have beneficial effects on the extrusion process.

Es ist ebenfalls möglich, dass ein Formteil durch Befüllung eines Werkzeugs oder einer Schalung mit dem formbaren verdickten Gemisch hergestellt wird. Auf diese Weise können auch großvolumige Formteile mit einer detailliert vorgegebenen Formgebung, beziehungsweise Oberflächenprofilierung hergestellt werden. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist insbesondere für die Verwendung derartiger Formteile im Bauwesen geeignet. It is also possible that a molded part is produced by filling a tool or a formwork with the formable thickened mixture. In this way, it is also possible to produce large-volume molded parts with a detailed predetermined shaping or surface profiling. Such a manufacturing method is particularly suitable for the use of such moldings in construction.

Es ist ebenfalls möglich, dass das Formteil mit einem generativen Fertigungsverfahren wie beispielsweise einem dreidimensionalen Druckverfahren aus dem formbaren verdickten Gemisch hergestellt wird. Zu diesem Zweck sind die Faserlängen sowie die einzelnen Massenanteile des Polysaccharidmaterials und des mineralischen Füllmaterials so vorgegeben, dass das formbare verdickte Gemisch möglichst gleichmäßig aus einer Druckerdüse oder aus den vorgesehenen Austrittsöffnungen der 3D-Druckvorrichtung austreten kann und die Düse, beziehungsweise Austrittsöffnung nicht verstopft. It is also possible that the molding is made from the moldable thickened mixture by a generative manufacturing process such as a three-dimensional printing process. For this purpose, the fiber lengths and the individual mass fractions of the polysaccharide material and the mineral filling material are predetermined so that the moldable thickened mixture can emerge as evenly as possible from a printer nozzle or from the intended outlet openings of the 3D printing device and the nozzle, or outlet does not clog.

Es ist ebenfalls möglich, dass eine dünne plattenförmige Schicht der getrockneten formbaren Masse in einem Umformprozess plastisch umgeformt werden kann. Hierbei kann es zweckmäßig sein, die formbare Masse erneut anzufeuchten, um die Formbarkeit zu erhöhen und eine eventuell drohende Rissbildung zu reduzieren oder zu vermeiden. It is also possible that a thin plate-shaped layer of the dried mouldable mass can be plastically deformed in a forming process. In this case, it may be expedient to rewet the moldable mass in order to increase the formability and to reduce or avoid the risk of cracking.

Nachfolgend wird lediglich beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für ein formbares faserhaltiges Material mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschrieben. Ein handelsüblich erhältliches faserhaltiges Eukalyptus-Sulfatzellstoff-Pulvermaterial mit einem etwa gleichgroßen Massenanteil Stärke in Wasser gelöst und vermischt. Während des Mischungsschritts wird zudem ein ebenfalls etwa gleichgroßer Massenanteil an Kreidepulver zugefügt. Das Gemisch wird anschließend in dem Verdickungsschritt erwärmt und aufgekocht, sodass sich die Stärke im Wasser löst und einen Kleister bildet. In einem nachfolgenden Entwässerungsschritt wird dem verdickten Gemisch ein Anteil des Wassers entzogen, bis der Wassergehalt bei einem Massenanteil von etwa 50 % liegt und das auf diese Weise formbare verdickte Gemisch eine pastöse Konsistenz wie ein Knetmaterial aufweist. Dieses formbare verdickte Gemisch kann dann beispielsweise durch eine Düse mit einem Durchmesser von einem Millimeter oder zwei Millimeter gepresst, beziehungsweise extrudiert werden. An exemplary embodiment of a moldable fibrous material having a composition according to the invention will now be described by way of example only. A commercially available fibrous eucalyptus sulphate pulp powder material with an approximately equal mass fraction starch dissolved in water and mixed. In addition, during the mixing step, an approximately equally large proportion by weight of chalk powder is added. The mixture is then heated in the thickening step and boiled, so that the starch dissolves in the water and forms a paste. In a subsequent dewatering step, a portion of the water is withdrawn from the thickened mixture until the water content is at a mass fraction of about 50% and the thickened mixture formable in this way has a pasty consistency such as a kneading material. This moldable thickened mixture may then be extruded, for example, through a nozzle having a diameter of one millimeter or two millimeters.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2013/152448 A1 [0006]

Claims

A moldable fibrous material for the production of molded parts, consisting of a liquid carrier medium and a mass fraction of at least 10% vegetable fibers, a mass fraction between 5% and 80% of a polysaccharide material, a mass fraction between 5% and 80% of a mineral filler and a mass fraction between 0% and 40% of an additive material.

A moldable fibrous material according to claim 1, characterized in that the polysaccharide material contains starch, guar gum, carubin, carrageenan and / or agar each in natural, degraded or modified form.

A moldable fibrous material according to claim 1 or claim 2, characterized in that the polysaccharide material contains a cellulose derivative material.

A moldable fibrous material according to claim 3, characterized in that the cellulose derivative material contains a cellulose ether, in particular carboxymethylcellulose.

A moldable fibrous material according to any one of the preceding claims, characterized in that the liquid carrier medium is water or an alcohol.

A moldable fibrous material according to any one of the preceding claims, characterized in that the vegetable fibers contain wood fibers, cereal fibers, grass fibers, cellulose fibers or eucalyptus fibers or a mixture of these fibers.

A moldable fibrous material according to any one of the preceding claims, characterized in that the mineral filler contains calcium carbonate.

Moldable fiber-containing material according to one of the preceding claims, characterized in that the additive material contains at least one additive component for dyeing, for flame retardation or for influencing a molded part surface.

Formable fibrous material according to any one of the preceding claims, characterized in that the additive material contains at least one additive component with a dehydration accelerator, with a drying aid, with a retention aid, with a lubricant, with a dispersant, with a binder or with a biocide.

A method for producing a molded article from a moldable fibrous material according to any one of claims 1 to 9, wherein mixed in a mixing step, a liquid carrier medium at least with a polysaccharide material and optionally with the vegetable fibers, with a mineral filler and / or with an additive material to a mixture in which, in a thickening step, the polysaccharide material is thickened and, if appropriate, still missing vegetable fibers, mineral filler or additive material is added, and wherein in a shaping step from the moldable thickened mixture a molding is formed.

A method according to claim 10, characterized in that the mixture is heated during the thickening step.

A method according to claim 10 or claim 11, characterized in that before the dewatering step , a heat treatment step is carried out, wherein the thickened mixture is heated in a moisture-tight sealed container.

Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that in a dehydration step, a portion of the liquid carrier medium is withdrawn from the thickened mixture to obtain a moldable thickened mixture before the forming step is carried out.

A method according to claim 13, characterized in that during the dewatering step, the thickened mixture is dewatered mechanically, for example by filtering, by centrifugation or pressing.

Method according to one of claims 10 to 14, characterized in that the molded part is produced by extruding the moldable thickened mixture from an extrusion device.

A method according to claim 15, characterized in that the moldable thickened mixture is extruded through a temperature controlled to a predetermined temperature extrusion die.

Method according to one of claims 10 to 14, characterized in that the molded part is produced by filling a tool or a formwork with the formable thickened mixture.

Method according to one of claims 10 to 14, characterized in that the molded part is produced from the moldable thickened mixture by a generative manufacturing process.