DE19825963A1 - Zusammensetzung, enthaltend ein thermoplastisches Material und eine Stärkephase - Google Patents
Zusammensetzung, enthaltend ein thermoplastisches Material und eine StärkephaseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung, die ein thermoplastisches
Material und eine Stärkephase umfaßt.
Das Interesse, das den biologisch abbaubaren oder biologisch zersetzbaren
Produkten von den Kunststoffherstellern und den Verarbeitern entgegengebracht
wird, wird zunehmen, insbesondere in Anbetracht der Vorteile, die sie im Umwelt
bereich aufweisen. Unter diesen Produkten haben die Zusammensetzungen, die
Stärke oder ein Stärkederivat umfassen, gewisse, insbesondere ökonomische
Vorteile.
Der Einsatz von Stärke oder Stärkederivat ohne gleichzeitige Verwendung von
thermoplastischem Material weist nur sehr begrenzten industriellen Nutzen auf. Dies
ist insbesondere durch eine im allgemeinen unerwünschte Wasserempfindlichkeit
der so hergestellten Gegenstände oder auch durch die für ein solches stark
hydrophiles Material ungeeigneten Geräte, die üblicherweise von den Verarbeitern
verwendet werden, bedingt.
Andere Vorteile ergeben sich aus dem Zusatz von Stärke oder von Stärke
derivat zu den thermoplastischen Zusammensetzungen. Unter diesen Vorteilen kann
man die Tatsache erwähnen, daß diese Stärkeverbindungen den so hergestellten
Produkten einen gewissen Grad der Schweißbarkeit durch Hochfrequenzstrom
verleihen.
Mehrere Zusammensetzungen, die ein thermoplastisches Material und eine
Stärkephase umfassen, wurden folglich vorgeschlagen. Lassen sie uns ins
besondere die Patentanmeldung EP 0 587 216 A1 anführen, die im Namen von
SOLVAY (Société Anonyme) angemeldet ist und Gemische von Polyolefin mit einer
thermoplastischen (weichgemachten) Stärke und einer ionischen Verbindung
beschreibt.
Die Verwendung dieser Art von Zusammensetzung erfordert wenigstens einen
Schritt, in dessen Verlauf die Zusammensetzung auf eine Temperatur gebracht wird,
die höher als die Schmelztemperatur (für die kristallinen oder semikristallinen
Polymere) oder als die Glasübergangstemperatur (für die im wesentlichen amorphen
Polymere) des thermoplastischen Materials ist. Diese Verarbeitungstemperatur ist in
den meisten Fällen höher als die Verarbeitungstemperatur von biologisch abbau
baren Zusammensetzungen, die von thermoplastischem Material frei sind.
Unglücklicherweise hat dieser Schrift, der für den Erhalt eines guten Homo
genitätsgrades der Zusammensetzung und von guten mechanischen Eigenschaften
des hergestellten Produkts notwendig wird, eine Veränderung der Färbung der
Zusammensetzung - meistens ein Gelb- oder Braunwerden - zur Folge, die die
Thermostabilisatoren, die üblicherweise für die thermoplastischen Materialien
verwendet werden, nicht hemmen können. Diese Färbung ist umso ausgeprägter, je
höher die erreichte Temperatur und die Verweilzeit bei dieser Temperatur sind, und
scheint jedoch nicht von einem klassischen thermischen Abbau der Stärkephase
herzurühren.
Eigenartigerweise wurde festgestellt, daß die Intensität des Gelb- oder Braun
werdens von der Temperatur der Probe zum Zeitpunkt der Beobachtung abhing. Bei
hoher Temperatur (beispielsweise 150°C) ist diese Färbung oft von schwacher
Intensität, während die Färbung für die auf Raumtemperatur abgekühlte Probe
deutlich intensiver ist. Diese gleiche Probe wird wieder klarer, wenn man sie wieder
erhitzt.
Im Fall von Zusammensetzungen, die von Farbstoffen oder Pigmenten frei
sind, kann diese Färbung den visuellen Reiz des Produkts verringern. Im Fall von
gewollt farbigen Gegenständen kann ihre Färbung beeinträchtigt werden und von
der Ausgangszusammensetzung und von deren Verarbeitungstemperatur abhängen.
Eine größere Menge an Pigmenten oder Farbstoffen wird dann gegebenenfalls
erforderlich, um die Färbung aufgrund des Verarbeitungsschritts zu maskieren und
einen räumlich und zeitlich gleichmäßigen Farbton zu garantieren, was einen
zumindest ökonomischen Nachteil darstellt.
Demzufolge hat die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung zum
Gegenstand, die ein thermoplastisches Material und eine Stärkephase umfaßt,
deren Veränderung der Färbung bei und nach der oder den nachfolgenden
thermischen Behandlungen vermindert, ja sogar rückgängig gemacht wird.
Die Erfindung betrifft demzufolge eine Zusammensetzung, die ein thermo
plastisches Material und eine Stärkephase umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie
außerdem wenigstens eine Schwefelverbindung im Oxidationszustand +4 umfaßt.
Mit thermoplastischem Material bezeichnet man jedes thermoplastische Poly
mer, einschließlich der thermoplastischen Elastomere, sowie deren Gemische. Man
bezeichnet mit dem Ausdruck "Polymer" sowohl die Homopolymere als auch die
Copolymere (insbesondere binäre oder ternäre), beispielsweise die Copolymere mit
zufälliger Verteilung, die sequenzierten Copolymere, die Blockcopolymere, die
Pfropfcopolymere usw.
Vorteilhafterweise berücksichtigt man als thermoplastisches Polymer ein Poly
olefin oder ein Gemisch von Polyolefinen. Mit Polyolefin soll jedes Olefinhomo
polymer, jedes Copolymer, das wenigstens zwei verschiedene Olefine enthält, und
jedes Copolymer, das wenigstens 70 Gew.-% von Olefinen abgeleitete Einheiten
umfaßt, bezeichnet werden.
Auf besonders vorteilhafte Weise ist das Polyolefin ein Polyethylen. Mit
Polyethylen soll jedes Ethylenhomopolymer und jedes Copolymer, das wenigstens
70 Gew.-% Ethylen umfaßt, bezeichnet werden. Insbesondere haben die linearen
Polyethylene geringer Dichte (LLDPE), die Polyethylene sehr geringer Dichte
(VLDPE), die Polyethylene geringer Dichte (LDPE) und deren Gemische sehr gute
Resultate ergeben.
Im allgemeinen übersteigt der Gehalt der Zusammensetzung an thermo
plastischem Material 95 Gew.-% nicht und vorzugsweise 90 Gew.-% nicht.
Dieser gleiche Gehalt ist im allgemeinen nicht niedriger als 10 Gew.-% und
vorzugsweise nicht niedriger als 20 Gew.-%.
Mit Stärkephase soll jede Art von Material bezeichnet werden, das im wesent
lichen aus einer oder mehreren Stärken oder modifizierten Stärken besteht. Diese
Stärken können destrukturiert, vorgeliert, teilweise depolymerisiert sein, aus unter
schiedlichen pflanzlichen Quellen stammen oder ein beliebiges Gewichtsverhältnis
zwischen Amylose und Amylopektin aufweisen.
Die Stärkephase kann außerdem verschiedene für die Stärke oder ihre
Derivate geeignete Zusätze, wie Wasser und/oder Weichmacher, enthalten. Als
Weichmacher kann man nicht beschränkend Glycerin, Sorbitol, Diglycerin, die
Polyglycerine und deren Gemische anführen. Andere Zusätze, die die Verarbeitung
der Stärke bei hohen Temperaturen erleichtern, können ebenfalls verwendet
werden, wie insbesondere Harnstoff und die Salze von Hydroxycarbonsäuren. Die
Zugabe von ionischen, organischen oder anorganischen Salzen und/oder von
ionischen Derivaten der Stärke kann auch ins Auge gefaßt werden.
Im allgemeinen übersteigt der Gehalt der Zusammensetzung an Stärkephase
60 Gew.-% nicht und vorzugsweise 50 Gew.-% nicht.
Dieser gleiche Gehalt ist im allgemeinen nicht niedriger als 5 Gew.-% und
vorzugsweise nicht niedriger als 10 Gew.-%.
Die Schwefelverbindung im Oxidationszustand +4 kann von jeder Art sein,
organisch oder anorganisch, bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck fest, flüssig
oder gasförmig. Die anorganischen Salze und Schwefeldioxid sind jedoch bevorzugt.
Unter den anorganischen Salzen haben das Bisulfit (oder Hydrogensulfit,
HSO3⁻) oder das Pyrosulfit (oder Metabisulfit S2O5 2-) von Alkalimetall oder Ammo
nium interessante Resultate ergeben.
Unter den Alkalimetallen hat Natrium ausgezeichnete Resultate ergeben.
Es ist bevorzugt, eine Konzentration der Schwefelverbindung von wenigstens
5 Millimol pro kg Stärkephase zu verwenden. Stärker bevorzugt beträgt die Konzen
tration der Schwefelverbindung wenigstens 10 Millimol pro kg Stärkephase.
Desgleichen ist es bevorzugt, eine Konzentration der Schwefelverbindung zu
verwenden, die 100 Millimol pro kg Stärkephase nicht übersteigt. Stärker bevorzugt
übersteigt die Konzentration der Schwefelverbindung 60 Millimol pro kg Stärkephase
nicht.
Der Zusatz der Schwefelverbindung zu der Zusammensetzung kann gemäß
jedem dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Ein besonders einfach anzu
wendendes Verfahren besteht darin, sie gegebenenfalls den flüssigen Zusätzen für
die Stärkephase (Weichmacher und/oder wäßrige Lösungen von Verbindungen, die
die Verarbeitung der Stärke erleichtern) zuzusetzen.
Die Zusammensetzung kann auch ein Kopplungsmittel, manchmal auch
Kompatibilisierungsmittel genannt, umfassen. Dieses Kopplungsmittel kann beliebig
sein, aber es ist jedoch bevorzugt, ein oder mehrere Kopplungsmittel zu verwenden,
die unter den durch Pfropfen mit Maleinsäureanhydrid modifizierten Polyolefinen und
den Copolymeren und Terpolymeren von Olefin und Maleinsäureanhydrid aus
gewählt sind. Die Terpolymere von Ethylen, Maleinsäureanhydrid und Acrylestern
haben sehr gute Resultate ergeben.
Der Gehalt an Kopplungsmittel(n) stellt im allgemeinen wenigstens 0,5 Gew.-%
und vorzugsweise wenigstens 1 Gew.-% der Zusammensetzung dar.
Andererseits übersteigt dieser Gehalt im allgemeinen 30 Gew.-% nicht, und
vorzugsweise übersteigt er 20 Gew.-% der Zusammensetzung nicht.
Die Zusammensetzung kann ferner bestimmte übliche Zusätze, wie Gleitmittel,
Stabilisatoren, Pigmente, Farbstoffe und mineralische und/oder organische Füll
stoffe, umfassen.
Die Zusammensetzung ermöglicht auf besonders interessante Weise die
Herstellung von Gegenständen mit vorteilhaften Merkmalen, wie insbesondere ihre
Freiheit von Gelb- oder Braunwerden und ihre Schweißbarkeit mit Hochfrequenz
strom.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist demzufolge die Verwendung der
Zusammensetzung, so wie oben beschrieben, für die Herstellung eines Gegen
stands.
Diese Herstellung kann durch jedes Verfahren durchgeführt werden und kann
insbesondere wenigstens einen Schritt zum Spritzen, Extrudieren, Coextrudieren
oder Kalandrieren umfassen; beispielsweise einen Schritt der Blasextrusion,
Extrusionsbeschichtung, Flachdüsenextrusion oder die verwandten Coextrusions
techniken.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Gegenstand, der
wenigstens eine Schicht umfaßt, die im wesentlichen aus einer Zusammensetzung,
so wie oben beschrieben, besteht. Beispielsweise kann der Gegenstand wenigstens
eine Schicht beliebiger Art, insbesondere auf der Basis von thermoplastischem
Material, und eine Schicht, die im wesentlichen aus einer erfindungsgemäßen
Zusammensetzung besteht, umfassen.
Der von der vorliegenden Erfindung betroffene Gegenstand kann von jeder Art
sein. Er kann beispielsweise in Form eines Hohlkörpers oder eines flachen Produkts
vorliegen. Im Fall eines flachen Produkts sind der Film oder die Folie bevorzugt.
Besagter Gegenstand kann in verschiedenen Bereichen verwendet werden. Es
kann sich insbesondere um einen Gegenstand handeln, der für die Gebiete der
Verpackung, der Papierwaren oder der Lederwaren bestimmt ist.
Die folgenden praktischen Beispiele erläutern die Erfindung auf nicht
beschränkende Weise (die Beispiele Nr. 1R, 4R, 6R und 8R sind nicht erfindungs
gemäße Referenzen).
Ein Innenknetwerk (Typ GK5 der Firma WERNER & PFLEIDERER), das sich
mit 70 Umdrehungen/min dreht und dessen Kolbendruck 3 kg/cm2 beträgt, wird
verwendet, um ein Gemisch zu schmelzen und makroskopisch homogen zu machen,
das umfaßt:
27 Gewichtsteile natürliche Weizenstärke,
3 Gewichtsteile Sorbitol,
3 Gewichtsteile Glycerin,
4,5 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung, die 33 Gew.-% Natriumlactat und 10 Gew.-% Natriumchlorid enthält (diese Lösung und das Glycerin werden vor ihrer Zugabe zu dem Gesamtgemisch gemischt),
50,5 Gewichtsteile lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) ESCORENE® vom Typ LLN 1004 YB (Dichte: 0,918 g/cm3, MI: 2,8 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg),
9 Gewichtsteile Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ESCORENE® vom Typ LD 100 BW (Dichte: 0,922 g/cm3, MI: 2,0 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg),
3 Gewichtsteile Ethylen-Butylacrylat-Maleinsäureanhydrid-Terpolymer LOTADER® vom Typ 3210 (91 Gew.-% Ethylen, MI: 5,0 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg).
27 Gewichtsteile natürliche Weizenstärke,
3 Gewichtsteile Sorbitol,
3 Gewichtsteile Glycerin,
4,5 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung, die 33 Gew.-% Natriumlactat und 10 Gew.-% Natriumchlorid enthält (diese Lösung und das Glycerin werden vor ihrer Zugabe zu dem Gesamtgemisch gemischt),
50,5 Gewichtsteile lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) ESCORENE® vom Typ LLN 1004 YB (Dichte: 0,918 g/cm3, MI: 2,8 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg),
9 Gewichtsteile Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ESCORENE® vom Typ LD 100 BW (Dichte: 0,922 g/cm3, MI: 2,0 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg),
3 Gewichtsteile Ethylen-Butylacrylat-Maleinsäureanhydrid-Terpolymer LOTADER® vom Typ 3210 (91 Gew.-% Ethylen, MI: 5,0 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg).
Diesem Gemisch werden noch 2 pcr Ca-Stearat und 1,3 pcr Gleitmittel
LOXIOL® G70 hinzugefügt, um die Haftung zu verringern.
Dieses Material wird in weniger als 3 Minuten in diesem Knetwerk auf eine
Temperatur zwischen 150 und 155°C gebracht. Anschließend wird es in ein auf
130°C konditioniertes Walzenknetwerk (offenes Knetwerk) der Marke BERSTORFF
mit einer Oberflächengeschwindigkeit der Walzen vorne und hinten, die 21,6
beziehungsweise 25,1 m/min beträgt, und einem Spalt, der so eingestellt ist, daß
man einen Krepp mit 3 mm Dicke erhält, überführt.
Während dieses Knetens wird periodisch eine Probe entnommen, um die
Entwicklung der Färbung zu verfolgen.
In dem vorliegenden Fall ist die nach 5 Minuten Kneten entnommene und
abgekühlte Probe gelb-braun.
Der obige Versuch wird wiederholt, wobei man 0,024 Gewichtsteile Natrium
bisulfit (NaHSO3) pro 100 Teile des Gesamtgemischs hinzufügt, was 6,15 Millimol
pro kg weichgemachter Stärke (das heißt Stärkephase) entspricht. Um dies
durchzuführen, wird das Natriumbisulfit dem Vorgemisch von Glycerin und der
wäßrigen Lösung zugefügt.
Das Produkt ist beim Entleeren des Innenknetwerks nicht gefärbt und nach
5 Minuten Kneten auf dem Walzenknetwerk sehr schwach gefärbt (nach Abkühlen).
Nach 10 Minuten dieser Behandlung ist die Farbe der entnommenen und
abgekühlten Probe derjenigen der Probe des Beispiels 1R, die nach 5 Minuten
entnommen wurde, ähnlich.
Das Beispiel 1R wird wiederholt, wobei man dieses Mal auf die gleiche Weise
0,163 Teile Natriumbisulfit pro 100 Teile des Gesamtgemischs hinzufügt, was
42,3 Millimol pro kg weichgemachter Stärke entspricht. Nach 20 Minuten Kneten auf
dem Walzenknetwerk hat sich die Farbe des abgekühlten Materials nicht merklich
verändert.
Das Beispiel 3 wird wiederholt (außer der Tatsache, daß die Konzentration an
LOXIOL® G70 auf 0,4 pcr verringert wird), wobei man zuerst das Natriumbisulfit
durch 0,163 Teile Harnstoff, dann durch 0,163 Teile Asparaginsäure, dann durch
0,163 Teile Ammoniumchlorid und dann durch 0,244 Teile Cystein ersetzt. Ver
glichen mit dem Beispiel 1R tritt keine sichtbare Verringerung der Gelbfärbung auf.
Zu 100 Teilen der Zusammensetzung des Beispiels 1R (außer der Tatsache,
daß die Konzentration an LOXIOL® G70 auf 0,4 pcr verringert wird) gibt man
(gemäß dem gleichen Vorgehen wie für die Beispiele 2 und 3) 0,13 Teile Natrium
bisulfit, was 33,6 Millimol pro kg weichgemachter Stärke entspricht. Die Zusammen
setzung wird dann auf einer Versuchskalandrierstraße verarbeitet, die das in
Beispiel 1R beschriebene Innenknetwerk, das in Beispiel 1R beschriebene offene
Knetwerk und einen Kalander mit 4 Walzen der Marke OLIER umfaßt, um Filme mit
150 µm Dicke herzustellen. Die Betriebsbedingungen des Innenknetwerks und des
offenen Knetwerks werden wie in Beispiel 1R beibehalten. Für den Kalander
betragen die Temperaturen der Walzen 1, 2, 3 und 4 141°C, 141°C, 137°C bezie
hungsweise 128°C. Die Geschwindigkeitsabweichungen zwischen jedem Paar von
aufeinanderfolgenden Walzen betragen 10%, 10% und 13%. Die mittlere Verweilzeit
des Materials bei hoher Temperatur (zwischen 135 und 155°C in den beiden
Knetwerken und auf dem Kalander) beträgt 7 Minuten. Die Geschwindigkeit der
Straße, gemessen auf Höhe der Walze 4, beträgt 6 m/min. Der erhaltene Film bleibt
nach Abkühlen farblos.
Das Beispiel 5 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß das Natriumbisulfit nicht
hinzugefügt wird. Die erhaltenen Filme sind braun bis beige, mit einem Farbton, der
je nach der Verweilzeit in dem offenen Knetwerk variiert.
Man stellt ein Gemisch her, das umfaßt
- - 26,5% (in Gewicht) Wachsmaisstärke, die auf saurem Weg teilweise hydrolysiert ist (FLUITEX® 880),
- - 10,5% eines Gemischs von Sorbitol (3%), Glycerin (3%), Wasser (2,5%), Natriumlactat (1 ,5%) und Natriumchlorid (0,5%),
- - 3,0% Terpolymer LOTADER® 3210,
- - 60% lineares Polyethylen niedriger Dichte DOWLEX® 2035E (Dichte: 0,919 g/cm3, MI: 6,0 dg/min bei 190°C und unter 2,16 kg),
- - 0,13 Teile (in Gewicht) Natriumbisulfit pro 100 Teile der vorhergehenden Bestandteile (was 33,6 Millimol pro kg weichgemachter Stärke oder Stärkephase entspricht).
Dieses Material wird 10 Minuten lang in einem Labor-Innenknetwerk
BRABENDER® W50, das vorab auf 150°C konditioniert wurde, mit einer Rotations
geschwindigkeit von 50 Umdrehungen/min und 75 Umdrehungen/min für die
langsame Nocke beziehungsweise die schnelle Nocke und unter einem Schließ-
druck von 1 kg/cm2 geknetet. Die Endtemperatur des Gemischs erreicht 159°C.
Eine Probe dieses Materials wird anschließend 2½ min lang auf 140°C gebracht,
dann 2½ min lang bei der gleichen Temperatur einem Druck von 75 bar unter
zogen, um einen Film mit 250 µm Dicke zu erhalten. Nach Abkühlen auf Raum
temperatur unter Beibehaltung des gleichen Drucks ist der Film nicht gefärbt.
Die Formulierung des Beispiels 7, ohne Zugabe von Natriumbisulfit, liefert am
Ende der gleichen thermomechanischen Behandlung einen gelb-braunen
Film.
Claims (10)
1. Zusammensetzung, die ein thermoplastisches Material und eine Stärke
phase umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens eine
Schwefelverbindung im Oxidationszustand +4 umfaßt.
2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, in der die Schwefelverbindung
Alkalimetall- oder Ammoniumbisulfit oder -pyrosulfit ist.
3. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der
die Konzentration der Schwefelverbindung wenigstens 5 Millimol pro kg Stärkephase
beträgt.
4. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der
die Konzentration der Schwefelverbindung höchstens 100 Millimol pro kg Stärke
phase beträgt.
5. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der
das thermoplastische Material wenigstens ein Polyolefin umfaßt.
6. Zusammensetzung gemäß Anspruch 5, in der wenigstens ein Polyolefin
Polyethylen ist.
7. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die
außerdem ein Kopplungsmittel umfaßt.
8. Verwendung einer Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche für die Herstellung eines Gegenstands.
9. Gegenstand, der wenigstens eine Schicht umfaßt, die im wesentlichen
aus einer Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.
10. Gegenstand gemäß Anspruch 9 in Film- oder Folienform.
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