DE10311258A1

DE10311258A1 - Vorrichtung zur Verarbeitung von Stärke oder stärkehaltiger Werkstoffe zu plattenförmigen, geschäumten Formkörpern

Info

Publication number: DE10311258A1
Application number: DE2003111258
Authority: DE
Inventors: Guenter Holzmueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Zur Vermeidung des Aufwandes bei der Herstellung geschäumter, plattenföriger Formteile aus Stärke und stärkehaltigen Material sowie zur Erweiterung der Anwendungsgebiete für derartige Erzeugnisse wird eine Vorrichtung verwendet, mit der kontinuierlich Formteile hergestellt werden können, deren Breite deutlich größer als die Höhe ist und die über den gesamten Querschnitt eine materialtypische homogene Schaumstruktur aufweisen. Der Vorrichtung wird das Material bereits vor Beginn des Prozesses zur Temperatur- und Druckerhöhung gleichmäßig über den Querschnitt des zu erzeugenden Formteils zugeführt. Die Vorrichtung ist konstruktiv so gestaltet, dass das Material in dieser nicht parallel zur Rotationsachse des Plastifizierelementes, sondern radial von der Einfüllzone zur Breitschlitzdüse bewegt wird. Die Formteile entstehen durch Zerteilen eines kontinuierlich extrudierten Bandes, dessen Höhe durch das Schäumvermögen des verwendeten Mateials und dessen Breite durch die kontruktive Gestaltung der Vorrichtung bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von plattenförmigen, geschäumten Formkörpern aus Stärke oder stärkehaltigen Material mit im Verhältnis zur Höhe großen Breite und die Formkörper, die mit dieser Vorrichtung hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von plattenförmigen, geschäumten Formkörpern aus Stärke oder stärkehaltigen Material mit geringen spezifischen Gewicht und stoßabsorbierenden Eigenschaften, vorwiegend für Verpackungszwecke geeignet, wobei die Vorrichtung sich dadurch auszeichnet, dass Formkörper mit, im Verhältnis zur Höhe, großen Breite als einheitliches Ganzes erzeugt werden können. Die Formkörper aus Stärke oder stärkehaltigen Material mit Schaumstruktur entstehen dadurch, dass ein kontinuierlich aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung austretendes Band, dessen Breite deutlich größer als die Höhe ist, in beliebig lange Abschnitte zerteilt wird. Die Breite der Formkörper wird effektiv durch die konstruktive Gestaltung der Vorrichtung und die Höhe durch das Schäumvermögen des zur Verarbeitung kommenden stärkehaltigen Werkstoffes bestimmt.

Aus der Praxis ist bekannt, dass als Transportschutz empfindlicher Güter zur Substitution geschäumter polymerer Werkstoffe, wie z. B. geschäumtes Polystyrol, Polyethylen oder Polypropylen, Erzeugnisse aus geschäumter Stärke bzw. stärkehaltiger Materialien verwendet werden.

Zur Verarbeitung von Stärke oder stärkehaltigen Material zu geschäumten Erzeugnissen für vorzugsweise Verpackungszwecke werden in Anlehnung an die kunststoffverarbeitende Industrie Extruder verwendet, die in speziellen Details den Verarbeitungseigenschaften von Stärke angepasst sind.

Extruder für die kunststoffverarbeitende Industrie haben im allgemeinen eine lange, am vorderen Ende spitz auslaufende, eingängige Plastifizierschnecke, bei der der Schneckengang im Verhältnis zum Schneckensteg einen großen Querschnitt aufweist. Die Düse ist zentrisch vor der Schneckenspitze angeordnet. Die Extruder für die Verarbeitung von Stärke zu geschäumten Verpackungshilfsstoffen haben im allgemeinen eine kurze mehrgängige Plastifizierschnecke, die am vorderen Ende eine Planfläche aufweist. Die Schneckengänge sind als rechteckige Nuten eingearbeitet und haben im Verhältnis zum Schneckensteg einen kleinen Querschnitt. Die beheizte Düse ist außermittig am Rotationskreis der Schneckengänge angeordnet.

Bei diesen Extrudern wird das Material im Zylinder parallel zur Rotationsachse der Plastifizierschnecke vom Einfülltrichter zum Zylinderausgang bewegt. Dabei wird das Material erwärmt. In einer, der Düsenbohrung vorgeschalteten, kalottenförmigen Düsenkammer erfolgt das weitere Erhitzen des Materials auf Verarbeitungstemperatur bei gleichzeitigem Druckanstieg. Die Verarbeitungstemperatur von Stärke zu geschäumten Erzeugnissen liegt vorzugsweise zwischen 140 °C und 200 °C. Bei Erwärmung des Materials bis in diesen Temperaturbereich verdampft das in den Stärkekörnern vorhandene Wasser, wodurch der Expansionsdruck aufgebaut wird. Dieser drückt das Material aus der kalottenförmigen Düsenkammer durch die Düsenbohrung nach außen. Beim Verlassen der Düse erfolgt ein plötzlicher Druckabfall, der das Expandieren bzw. Aufschäumen der Stärkekörner bewirkt. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist der Querschnitt der Düsenbohrung dem vom Extruder erzeugten Förderstrom angepasst. Der Aufschäumprozess ist endgültig, das heißt, es ist keine nachträgliche Formgebung ohne Beeinflussung der Schaumstruktur möglich. Zur Herstellung von Loose-fill, dem am häufigsten verwendeten Verpackungsmaterial aus Stärke, werden Düsen mit, im allgemeinen kreisrunden, Öffnungen verwendet. Der aus der Düse austretende Strang wird sofort nach dem Aufschäumen in gleichmäßig lange Stücke zerteilt. Es entstehen Formkörper mit ca. 20 mm Durchmesser und ca. 30 mm Länge, die als Verpackungsmittel gute stoßabsorbierende Eigenschaften aufweisen und zur Substitution von geschäumten Verpackungsmitteln aus Polymeren bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet sind. Die Verwendung von Loos-fill hat jedoch den Nachteil, dass es ein Schüttgut ist. Das zu verpackende Gut wird in einer vorgegebenen Position innerhalb der Umverpackung nicht fixiert. Außerdem muss der gesamte Hohlraum zwischen Verpackungsgut und Umverpackung vollständig ausgefüllt werden. Zwecks Verbesserung der Eigenschaften als Verpackungsmittel und zur Erweiterung der Anwendungsgebiete für geschäumte Stärkeerzeugnisse werden aus längeren Strangabschnitten aus der Loose-fill-Produktion plattenförmige Formkörper hergestellt. In der Patentschrift DE 4431755 C2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem aus parallel angeordneten Strangabschnitten oder mäanderförmig extrudierten Strängen Sandwichplatten hergestellt werden. In den Patentschriften DE 4431777 C2 und WO 96/07693 ist beschrieben, dass extrudierte Stärkeschaumprofile, die einen Durchmesser zwischen 10 mm bis 50 mm aufweisen, durch Aufbringen von Feuchtigkeit miteinander zu Platten bzw. Mehrschichtplatten verbunden werden.

Des weiteren ist aus der Praxis bekannt, dass Loose-fill oder geschäumte Stränge unter Verwendung von Haftmitteln in Formen zu quadertörmigen Formteilen gepresst werden. Den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen liegt zugrunde, dass in diesen der Materialtransport parallel zur Rotationsachse der Plastifizierschnecke erfolgt und die mit diesen Vorrichtungen herstellbaren geschäumten strangförmigen Erzeugnisse haben den Nachteil, dass deren Querschnitt bezüglich Höhe und Breite keine wesentlichen Unterschiede aufweisen. Trotz der beschriebenen Anpassung der Extruder an die Verarbeitungseigenschaften von Stärke und stärkehaltigem Material ist es nicht möglich, das auf Verarbeitungstemperatur erhitzte schäumfähige Material aus einem axial orientierten Materialstrom heraus in einer Breitschlitzdüse so zu verteilen, dass anschließend ein Profil extrudiert werden kann, dessen Breite deutlich größer als die Höhe ist. Das trifft vor allem auf native Stärke, gemahlenes Getreide und Stärkecompounds, wie in der Patentschrift EP 447792 A1 beschrieben, zu. Es sind mit der bekannten Technik plattenförmige Formkörper nur in der Art herstellbar, indem die extrudierten Stränge auf Länge geschnitten, mit Haftmitteln benetzt und anschließend geordnet zusammengefügt oder als Loose-fill mit Haftmittel benetzt, in Pressformen eingefüllt und anschließend zu Formkörpern mit definierten Maßen zusammengepresst werden. Die Herstellung solcher plattenförmiger Erzeugnisse erfordert zusätzliche und kostenaufwändige Arbeitsgänge und Ausrüstungen. Die bekannten, aus extrudierten Profilen geschäumter Stärke oder stärkehaltigem Material zusammengefügten, plattenförmigen Gebilde haben über ihren Gesamtquerschnitt keine materialtypische homogene Schaumstruktur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Herstellung geschäumter, plattenförmiger Formkörper zu verringern und die Formkörper als einheitliches Ganzes herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stärke oder das stärkehaltige Material bereits vor Beginn des Prozesses zur Temperatur- und Druckerhöhung gleichmäßig über den Querschnitt des zu erzeugenden Formteils der Vorrichtung zugeführt und die Vorrichtung konstruktiv so gestaltet wird, dass die Bewegung des Materials in dieser nicht parallel zur Rotationsachse des Plastifizierelementes sondern radial erfolgt. Aus eigenen Versuchen ist bekannt, dass Stärke oder schäumfähiges stärkehaltiges Material je nach Art der Aufbereitung und Zusammensetzung sowie in Abhängigkeit von der Verweilzeit im Plastifiziersystem bei Verarbeitungstemperatur einen hochviskosen bis knetbaren Zustand aufweist. Diese Eigenschaft gestattet es nicht, das Material aus einem axial orientierten Materialstrom heraus, isotherm und isobar im Stauraum einer Breitschlitzdüse zu verteilen und anschließend zu einem Erzeugnis mit, im Verhältnis zur Höhe, großen Breite und materialspezifischer, homogener Schaumstruktur längs und quer zur Extrusionsrichtung aufzuschäumen. Konstruktiv wird der Erfindungsgedanke in der Art gelöst, dass die Vorrichtung im wesentlichen aus einem Rotor mit Materialtransportkanälen, die von einer konzentrisch angeordneten Bohrung zum Außendurchmesser führen, und einem temperierbaren Stator mit einer Breitschlitzdüse besteht. In der konzentrisch angeordneten Bohrung des Rotors ist eine allgemein bekannte Materialzuführeinrichtung installiert, die den Materialtransportkanälen die Stärke oder das stärkehaltige Material über die gesamte Länge gleichmäßig verteilt zuführt. In der konzentrisch angeordneten Bohrung des Rotors ist zusätzlich ein Rakel angeordnet, der die gleichmäßige Zuführung des Materials in die Materialtransportkanäle unterstützt. Die Materialtransportkanäle können geradlinig oder bogenförmig gestaltet sein. Am Außendurchmesser des Rotors können die Materialtransportkanäle scharfkantig enden oder wahlweise an der in Drehrichtung des Rotors hinteren Kante in Materialtransporttaschen münden. Die Materialtransporttaschen sind partiell in die Oberfläche des Rotors zwischen zwei aufeinanderfolgenden Materialtransportkanälen eingearbeitet. Die Abmessung der Materialtransportkanäle und Materialtransporttaschen in Richtung der Rotationsachse des Rotors ist gleich und entspricht der Breite des herzustellenden Erzeugnisses. Der Stator besteht im wesentlichen aus einem temperierbaren zylinderförmigen Gehäuse, in welchem eine Breitschlitzdüse mit Düsenheizung und mit einem, dem Materialaustrittsspalt vorgelagerten, Stauraum angeordnet ist, sowie beidseitig je einem Gehäusedeckel. Der Stauraum und der Materialaustrittsspalt der im Stator ange ordneten Breitschlitzdüse haben in Richtung der Rotationsachse des Rotors die gleiche Abmessung wie die Materialtransportkanäle. Zwischen den Gehäusedeckeln des Stators und dem Rotor sind Dichtelemente angeordnet die unkontrollierte Druckverluste im Stauraumbereich verhindern.

Die Herstellung der Formteile mit der efindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt in der Art, dass pulverförmiges oder granuliertes Material, welches zumindest zu einem Teil Stärke enthält, mittels der Materialzuführeinrichtung, axial gleichmäßig über die gesamte Länge der Materialtransportkanäle verteilt, in die koaxial angeordnete Bohrung des Rotors eingebracht und mittels Rakel den Materialtransportkanälen zugeführt wird. Unter Einwirkung der durch die Drehbewegung des Rotors erzeugten Fliehkraft wird die Stärke oder das stärkehaltige Material in den Materialtransportkanälen nach außen geschleudert. Infolge der Drehbewegung des Rotors wird die Stärke oder das stärkehaltige Material zum Stauraum der Breitschlitzdüse transportiert wobei, durch die Reibung an der Innenwand des Stators, eine Temperaturerhöhung stattfindet. Zur Unterstützung der Temperaturerhöhung infolge Reibung können in die Oberfläche des Rotors am Außendurchmesser Materialtransporttaschen eingearbeitet sein, wodurch die Fläche zur Erzeugung von Friktionswärme vergrößert wird. Des weiteren sind die Materialtransporttaschen so gestaltet, dass diese die Übergabe der Stärke oder des stärkehaltigen Materials in den Stauraum der Breitschlitzdüse unterstützen. Zur Beeinflussung und Anpassung der Temperatur der verwendeten Stärke oder des stärkehaltigen Materials beim Eintritt in den Stauraum der Breitschlitzdüse an die optimale Temperatur für den weiteren technologischen Prozess, wird der Stator entsprechend temperiert. Im Stauraum wird das Material durch die Düsenheizung auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur, die vorzugsweise zwischen 140 °C und 200 °C liegt, erhitzt, wodurch infolge Verdampfung des in den Stärkekörnern vorhandenen Wassers der Druck zum Schäumen aufgebaut wird. Das vom Rotor ständig nachgeförderte Material verhindert das vorzeitige Aufschäumen im Stauraum und trägt dazu bei, dass das erhitzte Material durch den Materialaustrittsspalt nach außen gedrückt wird. Durch den plötzlichen Druckabfall bei Verlassen des Materialaustrittsspaltes wird der Schäumprozess ausgelöst, wodurch ein, dem Expansionsvermögen des Materials entsprechend, hohes und der Länge des Materialaustrittsspaltes breites Band entsteht, welches zu Formkörpern beliebiger Länge zerteilt wird. Die mit der efindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Formteile weisen im Verhältnis zur Höhe eine deutlich größere Breite und über den gesamten Querschnitt eine, für das verarbeitete Material typische, homogene Schaumstruktur auf. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass für die Herstellung von Formkörpern aus Stärke oder stärkehaltigen Material, deren Breite deutlich größer als die Höhe ist, keine zusätzliche Ausrüstungen und aufwändige Arbeitsgänge wie Kleben oder Pressen erforderlich sind und die Formteile über den gesamten Querschnitt eine, für das verarbeitete Material typische, homogene Schaumstruktur aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der Efindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1: den Halbschnitt der Vorrichtung,
2: den Querschnitt durch 1.
Die Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem Rotor 1, einem temperierbaren Stator 2 mit einer Breitschlitzdüse 3, wobei die jeweils axiale Abmessung von Rotor 1 und Stator 2 den Erfordernissen zur Herstellung der Abmessung des Erzeugnisses quer zur Extrusionsrichtung entspricht. Der Rotor 1 hat eine koaxial angeordnete Bohrung 4, in der ein Rakel 5 und eine allgemein bekannte Materialzuführeinrichtung 6 installiert sind. Von dieser koaxial angeordneten Bohrung 4 führen Materialtransportkanäle 7 geradlinig oder bogenförmig zum Außendurchmesser des Rotors 1. Am Außendurchmesser des Rotors 1 können die Materaltransportkanäle 7 enden, oder, wie in der Zeichnung dargestellt, wahlweise an der in Drehrichtung des Rotors 1 hinteren Kante in Materialtransporttaschen 8 münden. Die axiale Abmessung der Materaltransportkanäle 7 und Materialtransporttaschen 8 ist gleich und entspricht der Breite des herzustellenden Erzeugnisses. Im temperierbaren Stator 2 ist eine Breitschlitzdüse 3 mit Düsenheizung 9 und einem Stauraum 10 vorgesehen, deren Materialaustrittsspalt 11 in axialer Richtung das gleiche Maß wie die Materialtransportkanäle 7 hat. In den Gehäusedeckeln 12 des Stator 2 sind Dichtelemente 13 angeordnet, die den Druckausgleich über das seitliche Spiel von Rotor 1 und Stator 2 zwischen Außendurchmesserbereich und koaxial angeordneter Bohrung 4 von Rotor 1 verhindern.
Die Herstellung der Formteile mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt in der Art, dass pulverförmiges oder granuliertes Material, welches zumindest zu einem Teil Stärke enthält, mittels der Materialzuführeinrichtung 6, axial gleichmäßig über die gesamte Länge der Materialtransportkanäle 7 verteilt, in die koaxial angeordnete Bohrung 4 des Rotor 1 eingebracht und mittels Rakel 5 den Materialtransportkanälen 7 zugeführt wird. Unter Einwirkung der durch die Drehbewegung des Rotor 1 erzeugten Fliehkraft wird die Stärke oder das stärkehaltige Material in den Materialtransportkanälen 7 nach außen geschleudert. Infolge der Drehbewegung von Rotor 1 wird die Stärke oder das stärkehaltige Material zum Stauraum 10 der Breitschlitzdüse 3 transportiert wobei durch Reibung an der Innenwand von Stator 2 eine Temperaturerhöhung stattfindet. Zur Unterstützung der Temperaturerhöhung infolge Reibung können, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, in die Oberfläche von Rotor 1 am Außendurchmesser Materialtransporttaschen 8 eingearbeitet sein, wodurch die Fläche zur Erzeugung von Friktionswärme vergrößert wird. Des weiteren sind die Materialtransporttaschen 8 so gestaltet, dass diese die Übergabe der Stärke oder des stärkehaltigen Materials in den Stauraum 10 der Breitschlitzdüse 3 unterstützen. Zur Beeinflussung und Anpassung der Temperatur der verwendeten Stärke oder des stärkehaltigen Materials beim Eintritt in den Stauraum 10 der Breitschlitzdüse 3 an die optimale Temperatur für den weiteren technologischen Prozess, wird der Stator 2 entsprechend temperiert. Im Stauraum 10 wird das Material durch die Düsenheizung 9 auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur, die vorzugsweise zwischen 140 °C und 200 °C liegt, erhitzt, wodurch infolge Verdampfung des in den Stärkekörnern vorhandenen Wassers der Druck zum Schäumen aufgebaut wird. Das ständig vom Rotor 1 nachgeförderte Material verhindert das vorzeitige Aufschäumen im Stauraum 10 und trägt dazu bei, dass das erhitzte Material durch den Materialaustrittsspalt 11 nach außen gedrückt wird. Durch den plötzlichen Druckabfall bei Verlassen des Materialaustrittsspaltes 11 wird der Schäumprozess ausgelöst, wodurch ein dem Expansionsvermögen des Materials hohes und der Länge des Materialaustrittsspaltes 11 breites Band entsteht, welches zu Formkörpern beliebiger Länge zerteilt wird. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Formteile weisen im Verhältnis zur Höhe eine deutlich größere Breite und über den gesamten Querschnitt eine für das verarbeitete Material typische, homogene Schaumstruktur auf.

1: Rotor
2: Stator
3: Breitschlitzdüse
4: Konzentrisch angeordnete Bohrung im Rotor
5: Rakel
6: Materialzuführeinrichtung
7: Materialtransportkanal
8: Materialtransporttasche
9: Düsenheizung
10: Stauraum
11: Materialaustrittsspalt
12: Gehäusedeckel
13: Dichtung

Claims

Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von plattenförmigen, geschäumten Formkörpern mit geringem spezifischen Gewicht und stoßabsorbierenden Eigenschaften aus Stärke oder stärkehaltigen Material, im wesentlichen bestehend aus einem Rotor (1) und einem temperierbaren Stator (2) dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) Materialtransportkanäle (7) aufweist die von der koaxial angeordneten Bohrung (4) gerade oder bogenförmig zum Außendurchmesser von Rotor (1) führen und dass die Abmessung der Materialtransportkanäle (7) in Richtung der Rotationsachse des Rotor (1) der Breite des herzustellenden Erzeugnisses entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialtransportkanäle (7) am Außendurchmesser des Rotors (1) enden oder an der in Drehrichtung von Rotor (1) hinteren Kante in Materialtransporttaschen (8) münden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialtransporttaschen (8) partiell in die Oberfläche am Außendurchmesser von Rotor (1) eingearbeitet sind und in Richtung der Rotationsachse von Rotor (1) die gleiche Abmessung aufweisen wie die Materialtransportkanäle (7).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in der koaxial angeordneten Bohrung (4) des Rotor (1) ein Rakel (5) installiert ist, dessen Länge in Richtung der Rotationsachse von Rotor (1) die gleiche Abmessung aufweist wie die Materialtransportkanäle (7).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) eine Breitschlitzdüse (3) mit Düsenheizung (9) aufweist, deren Materialaustrittspalt (11) in axialer Richtung des Rotors (1) der Abmessung der Materialtransporttaschen (8) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass dem Materialaustrittsspalt (11) der Breitschlitzdüse (3) über dessen gesamte Länge in der Ebene des Innendurchmessers von Stator (2) ein Stauraum (10) vorgelagert ist.
Geschäumtes, plattenförmiges Formteil aus Stärke oder stärkehaltigen Material dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil mit der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6 hergestellt ist, mindestens einundeinhalb mal so breit als hoch ist und über den gesamten Querschnitt längs und quer zur Extrusionsrichtung eine materialtypische und homogene Struktur aufweist.