DE19504899A1 - Poröser Körper aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit und Verfahren für dessen Herstellung - Google Patents

Poröser Körper aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit und Verfahren für dessen Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Körper aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit als einem Material, das kompatibel mit der globalen Umwelt ist und ein Verfahren für dessen Herstellung.
Früher wurden Plastikmaterialien, wie geschäumte Styrole (Polystyrole) oder Styrolpapiere häufig als stoßdämpfende Mate­ rialien, wärmeisolierende Materialien oder schallabsorbierende Materialien verwendet, denn sie sind leicht im Gewicht und bil­ lig.
Solche herkömmlichen Plastikmaterialien werden jedoch aus Erdöl hergestellt, das durch Menschenkraft aus Lagern tief in der Erdkruste gefördert wird, und sie sind typische Materialien, die eine Verschmutzung der globalen Umwelt dadurch hervorrufen, daß sie nach ihrem Gebrauch zum Zeitpunkt der Veraschung zum Schaden des Veraschungsofens eine hohe Temperatur erzeugen, und sie eine große Menge von CO₂-Gas erzeugen. Weiterhin ist es wahrscheinlich, daß solche Plastikmaterialien eine Verschmutzung von Flüssen oder Küsten hervorrufen, wenn sie ohne verascht zu sein, belassen werden. Um solch eine Verschmutzung der globalen Umwelt zu vermeiden, wird eine Untersuchung durchgeführt über einfach abbaubare Plastikmaterialien, wie bioabbaubare oder photochemisch abbaubare Plastikmaterialien.
Bis jetzt gab es jedoch noch kein Material, das zufriedenstel­ lend bei der praktischen Verwendung war, und es ist immer noch gewünscht, ein Material zu entwickeln, das herkömmliche Plastikmaterialien ersetzen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten Umstände gemacht, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile von herkömmlichen Plastikmaterialien, wie geschäumten Styrolen oder Styrolpapieren, zu überwinden und ein neues Material bereitzustellen, das ausschließlich aus Roh­ materialien besteht, die kompatibel mit der globalen Umwelt sind, das einfach wiedergewonnen und wiederverwendet werden kann, das einfach im natürlichen Boden assimiliert werden kann und in das Ökosystem aufgenommen werden kann, wenn es weggewor­ fen wurde, das weiterhin effektiv ist zur Stoßdämpfung, Wärmeisolation oder Schallabsorption, und das Plastikmateria­ lien, wie geschäumte Styrole oder Styrolpapiere, ersetzen kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines neuen Materials bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen porösen Körper aus Poly­ saccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit mit feinen Poren be­ reit, bestehend im wesentlichen aus einem gefriergetrockneten Produkt aus (a) einer wäßrigen Lösung von mindestens einem Polysaccharid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke, Natriumalginat und Carboxymethylcellulose, oder deren Derivat oder (b) einem Komposit-Sol, umfassend solch ein wäßriges Sol und ein Ton-Sol.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit mit feinen Poren bereit, das umfaßt das schnelle Gefrieren (a) einer wäßrigen Lösung von mindestens einem Polysaccharid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke, Natriumalginat und Carboxymethylcellulose oder deren Derivat, oder (b) eines gemischten Sols, umfassend solch eine wäßrige Lösung und ein Ton-Sol und Vakuumtrocknen des gefrorenen Produkts ohne Schmelzen von Eis.
Wie oben erwähnt, stellt die vorliegende Erfindung einen porösen Körper aus einem natürlichen Polysaccharid oder dessen Derivat, oder einen porösen Körper aus einem Komposit aus solch einem natürlichen Polysaccharid oder dessen Derivat mit Ton bereit.
Solch ein poröser Körper ist nützlich als ein stoßdämpfendes Material, ein wärmeisolierendes Material oder ein schallabsorbierendes Material, als ein Ersatz für herkömmliche Plastikmaterialien.
Dieser poröse Körper wird hergestellt durch Gefrieren und Vaku­ umtrocknen, wie oben erwähnt. Vorzugsweise wird das Gefrieren schnell ausgeführt mit einer mittleren Gefrierrate von mindestens 1 × 10-2 ml/s. Wenn die Gefrierräte zu niedrig ist, wird es schwierig, einen porösen Körper mit einer zur prakti­ schen Anwendung ausreichender Festigkeit zu bilden. Weiterhin ist es mit dem porösen Körper der vorliegenden Erfindung möglich, durch Veränderung des Verhältnisses des natürlichen Polysaccharids oder dessen Derivats zu dem Ton, die Druck­ festigkeit des Materials zu kontrollieren.
Das natürliche Polysaccharid oder dessen Derivat zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Element, aus­ gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke, Natriumalginat und Carboxymethylcellulose und ihre Derivate, einschließlich Ester, Ether, Hydrolyseprodukte und Oligomere, die erhalten werden können durch herkömmliche Modifikationen und Umwandlungen. Hinsichtlich des Tons kann ein natürlicher Ton, wie Montmorillonit, Saponit, Beidellit, Kaolinit, Allophan oder Bentonit, oder ein synthetischer Ton, hergestellt durch chemische Modifikation oder Veränderung solch eines natürlichen Tons, verwendet werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Auf­ gabe kann eine natürliche Faser, wie Zellstoff, Hanf oder Baum­ wolle, ein Färbemittel oder ein Parfum, zugefügt werden. Im Hinblick auf das Vermischen des Polysaccharids und des Tons wird eine wäßrige Lösung des Polysaccharids mit einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 5 bis 1 : 30 und ein Sol des Tons mit einem fest/flüssig-Verhältnis von ungefähr 1 : 20 vermischt und zwar vorzugsweise in einem Gewichtsverhältnis von 20 : 80 bis 70 : 30.
Jetzt wird der poröse Körper aus einem natürlichen Polysaccharid oder dessen Derivat oder der poröse Körper aus einem Komposit aus einem natürlichen Polysaccharid oder dessen Derivat mit Ton gemäß der vorliegenden Erfindung in weiterem Detail unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung in keinem Fall auf solch spezifische Beispiele eingeschränkt ist.
BEISPIEL 1
Natürlicher Bentonit, hergestellt in Aterasawa, Yamagata-ken, Japan, wurde einem Schlämmen unterzogen, wobei mineralische Teilchen von höchstens 2 µm gesammelt wurden, um einen Montmorillonitbestandteil anzureichern. Dann wurden Zwischen­ schichtkationen von Montmorillonit unter Verwendung einer wäß­ rigen Natriumchloridlösung durch Na⁺ substituiert, gefolgt von Waschen mit Wasser und Trocknen, um ein Ausgangsmaterial zu erhalten. Das Ausgangsmaterial und Wasser wurden gewogen und vermischt, um ein Ton-Sol zu erhalten, mit einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 9, das für einen Tag zum Altern stehengelassen wurde. Andererseits wurde als ein natürliches Polysaccharid oder dessen Derivat hochgelatinierte Stärke, extrahiert aus Mais, verwendet, und die Stärke und Wasser wurden gewogen und in einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 19 vermischt, gefolgt von Erhitzen zur Gelatinierung, um eine Stärkepaste zu erhalten. Die Stärkepaste und das Ton-Sol wurden unter Erhitzen in einem Stärkepaste/Ton-Sol-Verhältnis von 50/50 vermischt. Dieses vermischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt und der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das vermischte Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 5 × 10-2 ml/s zu gefrieren, und das gefrorene Produkt wurde gefriergetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde herausgenommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als der Druckfestigkeit eines im Handel erhältlichen geschäumten Styrols überlegen gefunden wurde. Durch die Form des Behälters war es möglich, die Form des porösen Körpers in einer Blockform oder einer Stangenform zu erhalten.
BEISPIEL 2
Dieselbe Stärkepaste, wie in Beispiel 1 verwendet, wurde bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 6 × 10-2 ml/s schnell gefroren, und das gefrorene Produkt wurde gefriergetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als der Druckfestigkeit eines im Händel erhältlichen geschäumten Styrols überlegen gefunden wurde.
BEISPIEL 3
Dieselbe Stärkepaste und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 1 verwendet, wurden in einem Gewichtsverhältnis von 50/50 gemischt, um ein gemischtes Sol zu erhalten, und das gemischte Sol wurde mit einer roten Farbe gefärbt und in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt. Der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das gemischte Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 1 × 10-2 ml/s schnell zu gefrieren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen po­ rösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Be­ hälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als im wesentlichen gleich der Druckfestig­ keit eines porösen Körpers, erhalten aus dem gemischten Sol von 50/50, mit keiner einverleibten Farbe gefunden wurde.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Dieselbe Stärkepaste und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 1 verwendet, wurden in einem Gewichtsverhältnis von 50/50 vermischt, um ein gemischtes Sol zu erhalten. Das gemischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt und der Behälter wurde in ein Gefrierfach eines Haushaltskühlschranks gelegt und langsam gefroren. Das gefrorene Produkt wurde getrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen, und der erhaltene poröse Körper aus Stärke-Ton-Komposit hätte linsenförmige Poren mit einer Breite von 0,1 mm und einer Länge von wenigen Millimetern, die regelmäßig angeordnet waren, und hatte eine sehr niedrige Festigkeit.
BEISPIEL 4
Natürlicher Bentonit, hergestellt in Aterasawa, Yamagata-ken, Japan, wurde einem Schlämmen unterzogen, wobei mineralische Teilchen von höchstens 2 µm gesammelt wurden, um einen Montmorillonitbestandteil anzureichern. Unter Verwendung einer wäßrigen Natriumchloridlösung wurden die Zwischenschichtkationen von Montmorillonit durch Na⁺ substituiert, gefolgt von Waschen mit Wasser und Trocknen an der Luft, um ein Ausgangsmaterial zu erhalten. Das Ausgangsmaterial und Wasser wurden gewogen und vermischt, um ein Ton-Sol mit einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 9 zu erhalten, das für einen Tag zum Altern stehengelassen wurde. Andererseits wurde ein im Handel erhältliches Pulver aus Natriumalginat gewogen und zu Wasser in einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 19 zugemischt und gelöst.
Die wäßrige Natriumalginatlösung und das Ton-Sol wurden in einem Verhältnis der wäßrigen Natriumalginatlösung/dem Ton-Sol von 50/50 vermischt. Das gemischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt und der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 3 × 10-2 ml/s schnell zu gefrieren, und das ge­ frorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestig­ keit als der Druckfestigkeit eines im Händel erhältlichen ge­ schäumten Polystyrols überlegen gefunden wurde. Durch die Form des Behälters wär es möglich, die Form des porösen Körpers in einer Blockform oder einer Stangenform zu erhalten.
BEISPIEL 5
Dieselbe wäßrige Natriumalginatlösung, wie in Beispiel 4 verwendet, wurde bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 1 × 10-2 ml/s schnell gefroren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der po­ röse Körper wurde aus dem Behälter genommen, und die Druckfe­ stigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als der Druckfestigkeit eines im Handel erhältlichen geschäumten Polystyrols überlegen gefunden wurde.
BEISPIEL 6
Dieselbe wäßrige Natriumalginatlösung und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 4 verwendet, wurden in einem Gewichtsverhältnis von 50/50 vermischt, und das gemischte Sol wurde mit einer roten Farbe gefärbt und in einen rostfreien Stählbehälter gefüllt. Der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das vermischte Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 1 × 10-2 ml/s schnell zu gefrieren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als im wesentlichen gleich der des gemischten Sols aus 50/50 mit keiner einverleibten Farbe gefunden wurde.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Dieselbe wäßrige Natriumalginatlösung und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 4 verwendet, wurden in einem Gewichtsverhältnis von 50/50 vermischt, um ein gemischtes Sol zu erhalten, und das ge­ mischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlcontainer gefüllt. Der Behälter wurde in ein Gefrierfach eines Haushaltskühl­ schranks gelegt und nach und nach gefroren. Das gefrorene Pro­ dukt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten.
Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und der er­ haltene poröse Körper aus Natriumalginat-Ton-Komposit hätte linsenförmige Poren mit einer Breite von 0,1 mm und einer Länge von wenigen Millimetern, die regelmäßig angeordnet waren, und hatte eine sehr niedrige Festigkeit.
BEISPIEL 7
Natürlicher Bentonit, hergestellt in Aterasawa, Yamagata-ken, Japan, wurde einem Schlämmen unterzogen, wobei mineralische Teilchen von höchstens 2 µm gesammelt wurden, um einen Montmorillonitbestandteil anzureichern. Unter Verwendung einer wäßrigen Natriumchloridlösung wurden die Zwischenschichtkationen von Montmorillonit durch Na⁺ substituiert, gefolgt von Waschen mit Wasser und Trocknen an der Luft, um ein Ausgangsmaterial zu erhalten. Das Ausgangsmaterial und Wasser wurden gewogen und vermischt, um ein Ton-Sol mit einem fest zu flüssig Verhältnis von 1 : 9 zu erhalten, das für einen Tag zur Alterung stehengelassen wurde. Andererseits wurde ein kommerziell erhältliches Pulver aus Carboxymethylcellulose gewogen und zu Wasser in einem fest/flüssig-Verhältnis von 1 : 19 zugemischt und gelöst.
Die wäßrige Carboxymethylcelluloselösung und das Ton-Sol wurden in einem Verhältnis der wäßrigen Carboxymethylcelluloselö­ sung/des Ton-Sols von 50/50 vermischt. Das vermischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt und der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das gemischte Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 2 × 10-2 ml/s schnell zu gefrieren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als der Druckfestigkeit eines im Handel erhältlichen geschäumten Polystyrols überlegen gefunden wurde. Durch die Form des Behälters war es möglich, die Form des porösen Körpers in einer Blockform oder einer Stangenform zu erhalten.
BEISPIEL 8
Dieselbe wäßrige Carboxymethylcelluloselösung, wie in Beispiel 7 verwendet, wurde bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 1 × 10-2 ml/s schnell gefroren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit als der Druckfestigkeit eines im Händel erhältlichen geschäumten Polystyrols überlegen gefunden wurde.
BEISPIEL 9
Dieselbe wäßrige Carboxymethylcelluloselösung und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 7 verwendet, wurde in einem Gewichtsver­ hältnis von 50/50 vermischt, um ein gemischtes Sol zu erhalten, und das gemischte Sol wurde mit einer roten Farbe gefärbt und in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt. Der Behälter wurde in flüssigem Stickstoff versenkt, um das gemischte Sol bei einer mittleren Gefrierräte von mindestens 1 × 10-2 ml/s schnell zu gefrieren, und das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu erhalten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen und die Druckfestigkeit wurde gemessen, wobei die Druckfestigkeit im wesentlichen gleich der Druckfestigkeit eines porösen Körpers, hergestellt aus dem ge­ mischten Sol von 50/50 mit keiner einverleibten Farbe, wär.
VERGLEICHSBEISPIEL 3
Dieselbe wäßrige Carboxymethylcelluloselösung und dasselbe Ton-Sol, wie in Beispiel 7 verwendet, wurden in einem Gewichtsver­ hältnis von 50/50 vermischt, um ein gemischtes Sol zu erhalten, und das gemischte Sol wurde in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt. Der Behälter wurde in ein Gefrierfach eines Haushalts­ kühlschranks gelegt und nach und nach gefroren. Das gefrorene Produkt wurde vakuumgetrocknet, um einen porösen Körper zu er­ halten. Der poröse Körper wurde aus dem Behälter genommen, und der erhaltene poröse Körper aus Carboxymethylcellulose-Ton-Kom­ posit hatte linsenförmige Poren mit einer Breite von 0,1 mm und einer Länge von wenigen Millimetern, die regelmäßig angeordnet waren, und hatte eine sehr niedrige Festigkeit.
Deshalb ist der poröse Körper, hergestellt durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlich als ein Material, das her­ kömmliche geschäumte Styrole oder dergleichen ersetzen kann, denn es benutzt Materialien als Rohmaterialien, die kompatibel mit der globalen Umwelt sind und selbst wenn es weggeworfen wird, wird es einfach in natürlichen Boden umgewandelt und in das Ökosystem übernommen, ohne die globale Umwelt zu verschmut­ zen.
Wie im Vorangegangenen beschrieben, wird ein poröser Körper ge­ mäß der vorliegenden Erfindung hergestellt aus Rohmaterialien, die kompatibel mit der globalen Umwelt sind, wie einem natürlichen Polysaccharid oder dessen Derivat und Ton, und es ist deshalb möglich, ein Material vorzustellen, das herkömmliche Plastikmaterialien, wie geschäumte Styrole, ersetzen kann.

Claims (6)

1. Poröser Körper aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit mit feinen Poren, bestehend im wesentlichen aus einem gefriergetrockneten Produkt aus (a) einer wäßrigen Lösung von mindestens einem Polysaccharid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke, Natriumalginat und Car­ boxymethylcellulose oder deren Derivat, oder (b) einem Komposit-Sol, umfassend solch eine wäßrige Lösung und ein Ton-Sol.
2. Poröser Körper aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer natürlichen Faser, einem Farbstoff und einem Parfum, einverleibt wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers aus Polysaccharid oder Polysaccharid-Ton-Komposit mit feinen Poren, das umfaßt ein schnelles Gefrieren (a) einer wäßrigen Lösung von mindestens einem Polysaccharid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stärke, Natriumalginat und Carboxymethylcellulose oder deren Derivat, oder (b) einem gemischten Sol, umfassend solch eine wäßrige Lösung und ein Ton-Sol und Vakuumtrocknen des gefrorenen Produkts ohne Schmelzen von Eis.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die mittlere Gefrierrate mindestens 1 × 10-2 ml/s ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer natürlichen Faser, einem Farbstoff und einem Parfum, das in Wasser dispergiert ist, vor dem Gefrieren zugemischt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer natürlichen Faser, einem Farbstoff und einem Parfum, das in Wasser dispergiert ist, vor dem Gefrieren zugemischt wird.
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