DE19829936A1

DE19829936A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einer Polyactid-Folie

Info

Publication number: DE19829936A1
Application number: DE1998129936
Authority: DE
Inventors: Ralf Wellmann
Original assignee: Mafo Systemtechnik Dr Ing A Zacharias GmbH and Co KG
Current assignee: Mafo Systemtechnik Dr Ing A Zacharias GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-04
Filing date: 1998-07-04
Publication date: 2000-01-13

Abstract

Zur Herstellung eines teilkristallinen Polylactid-Formteils durch Thermoformen wird eine kristallisierbare Polylactid-Folie eingesetzt, die vor dem Verstecken im Thermoformwerkzeug wenigstens 0,5 min auf wenigstens 80 DEG C erwärmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines teilkristallinen Formteils aus einer kristallisierbaren Polylactid-Folie durch Thermoformen.

Da sie ohne Bildung naturfremder Abbaustoffe kompostierbar sind, besitzen Polylactid-Gegenstände großes Interesse. Dazu gehören Folien ebenso wie durch Thermoformen der Folie erhal tene Gegenstände, beispielsweise Verpackungsbehälter oder im Nahrungsmittel- und Fast-Food-Bereich Becher, Tassen, Teller, Tabletts und dgl.

Polylactid-Gegenstände ohne naturfremde Zusätze besitzen al lerdings eine relativ niedrige Wärmeformbeständigkeit, so dass sie für viele Anwendungen gerade im Verpackungs-, Nah rungsmittel- und Fast-Food-Bereich nicht eingesetzt werden können.

Es ist bekannt, dass teilkristalline Produkte aus thermopla stischem Kunststoff eine höhere Wärmeformbeständigkeit besit zen. Ein Beispiel liefert kristallines Polyethylenterephtha lat (CPET), das in dem temperierten Formwerkzeug der Thermo formmaschine vom amorphen in den teilkristallinen Zustand übergeht. Dazu wird PET ein Nukleierungsmittel, wie Titandi oxid, zugegeben. Durch die Erwärmung des Formteils im Form werkzeug findet dann die Kristallitbildung statt. Da die Nu kleierungsmittel in der Regel biologisch nicht abbaubar sind, ist dieses Verfahren zur Herstellung vollständig kompostier barer Polylactid-Gegenstände allerdings wenig geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne Verwendung naturfremder Abbaustoffe vollständig kompostierbare Polylactid-Formteile hoher Wärmeformbeständigkeit bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeich neten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vor teilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben.

Um eine hohe Wärmeformbeständigkeit zu besitzen, soll das Po lylactid-Formteil eine hohe Kristallinität aufweisen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, läßt sich dies bei einem Polylactid erreichen, wenn die Folie vor dem Ver strecken im Thermoformwerkzeug relativ langsam, jedoch auf eine eher hohe Temperatur erwärmt wird. Das heißt, erfin dungsgemäß wird die Folie vor dem Verstrecken im Thermoform werkzeug auf eine Temperatur von mindestens 80°C, insbesonde re 90°C bis 150°C erwärmt und zwar mindestens 0,5 min, vor zugsweise mindestens 1 min, wobei die Erwärmungszeit nicht mehr als 5 min betragen sollte.

Während normalerweise beim Thermoformen einer thermoplasti schen Folie ein gekühltes Formwerkzeug verwendet wird, damit im Hinblick auf eine hohe Produktivität in möglichst kurzer Zeit ein starres Formteil gebildet wird, das vom Auswerfer ausgeworfen bzw. entformt werden kann, wird erfindungsgemäß das Thermoformwerkzeug vorzugsweise auf wenigstens 15°C, ins besondere 30°C bis 70°C erwärmt. Die Folientemperatur beim Verstrecken im Thermoformwerkzeug beträgt vorzugsweise 60°c bis 140°C, insbesondere 80°C bis 120°C. Das Thermoformwerk zeug kann jedoch auch eine niedrigere Temperatur besitzen.

Um in der Folie vor der Thermoformung eine möglichst hohe Kristallisierbarkeit vorliegen zu haben, wird erfindungsgemäß die Folie vorzugsweise aus einem teilkristallinen Polylactid- Granulat hergestellt. Solche kristallinen Polylactid- Granulate sind im Handel erhältlich. Nach DE 43 00 420 A1 läßt sich das teilkristalline Polymere beispielsweise auch aus Poly-L- oder Poly-D-Lactid durch kurzes Halten im Tempe raturbereich von 100°C bis 120°C erhalten.

Zur Herstellung der kristallisierbaren Folie wird das Po lylcatid-Granulat in einem Extruder aufgeschmolzen, das auf geschmolzene Granulat zu einer Folie extrudiert und die ex trudierte Folie in einem Glättwerk abgekühlt und geglättet. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Innentemperatur des Extruders auf weniger als 220°C, vorzugs weise weniger als 210°C und die Verweilzeit des Polylactids im Extruder auf höchstens 10 min, vorzugsweise höchstens 5 min eingestellt.

Damit das Polylactid andererseits hinreichend plastifiziert wird, um zu einer Folie extrudiert werden zu können, muss die Innentemperatur im Extruder allerdings mindestens 180°C und die Verweilzeit des Polylactids im Extruder wenigstens 0,5 min betragen.

Das Glättwerk, dem die extrudierte Folie zum Glätten und Ab kühlen zugeführt wird, weist wenigstens ein Walzenpaar auf, dessen Walzenspalt die extrudierte Folie zugeführt wird. Die beiden Walzen dieses Paares weisen eine Temperatur von höch stens 70°c, vorzugsweise höchstens 50°C auf.

Wenn die Temperatur mehr als 70°C beträgt, werden die Kri stallite in der extrudierten Folie unter Umständen abgebaut. Auch löst sich dann die Folie ggf. nicht mehr zufriedenstel lend von den Walzen.

Andererseits soll die Temperatur der Walzen nicht weniger als 20°C, vorzugsweise mehr als 25°C betragen. In der Schmelze bilden sich bei der erwähnten eher niedrigen Innentemperatur im Extruder nämlich kristallartige Überstrukturen aus. Bei zu kalten Walzen nimmt die Plastizität der Schmelze und des so genannten Knets ab, also des sich vor dem Walzenspalt bilden den Wulstes, in dem das Material im Umfluß ist. Bei abnehmen der Plastizität des Knets können diese Überstrukturen im ge quetschten Zustand in der Folie vorliegen. Damit sind in der Folie bzw. dem daraus hergestellten Formteil Spannungen ent halten, die nicht nur die Sprödigkeit erhöhen, sondern sich auch auf die Wärmeformbeständigkeit negativ auswirken.

Vorzugsweise wird ein Glättwerk mit wenigstens drei Glättwal zen verwendet, durch die die zwischen die erste und die zwei te Walze eintretende extrudierte Folie um die zweite und die dritte Walze S-förmig herumgeführt wird. Dabei weist die er ste Walze eine Temperatur von vorzugsweise 20 bis 50, insbe sondere 30°C bis 40°C, die zweite Walze eine um bis zu 15°C, vorzugsweise bis 10°C höhere Temperatur als die erste Walze, also z. B. von 35°C bis 45°C, und die dritte Walze eine um bis zu 30°C, vorzugsweise 10°C bis 20°C höhere Temperatur als die erste Walze auf, also z. B. von 45°C bis 60°C.

Das Polylactid-Granulat, das für das erfindungsgemäße Verfah ren verwendet wird, kann ein Homopolymeres aus L-, D- oder DL-Milchsäure sein. Das Molekulargewicht des Polylactids be trägt vorzugsweise mindestens 50000 und kann 300000 und mehr betragen.

Auch können Gemische von L- bzw. D-Polylactid und DL- Polylactid verwendet werden. Ferner sind Copolymere der Milchsäure mit beispielsweise Glycolid, Trimethylencarbonat und/oder Dioxanon einsetzbar. Diese Comonomeren können zu ei ner Erhöhung der Kristallinität des Polylactids führen.

Die das Glättwerk verlassende Folie, die eine Dicke von bei spielsweise 0,1 bis 5 mm aufweisen kann, kann vor ihrer Thermoformung aufgewickelt werden.

Statt eines Glättwerks kann die Extrusion der Folie auch auf eine einzelne Walze erfolgen, z. B. eine Kühlwalze oder "Chill Roll".

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachste henden Beispiele und die Zeichnung hingewiesen. Dabei zeigen in der Zeichnung jeweils schematisch

Fig. 1 ein Glättwerk; und

Fig. 2 eine Thermoformmaschine im Schnitt.

Beispiel 1

In einem Einschneckenextruder mit einem Innendurchmesser von 70 mm wird ein teilkristallines Polylactid mit einem mittle ren Molgewicht von etwa 80000 aufgeschmolzen. Der Extruder, der mit Barriereschnecken-Elementen und einer Entgasung ver sehen ist, weist eine Innentemperatur von ca. 200°C auf. Die Verweilzeit des Polylactids im Extruder beträgt ca. 2 min.

Die Schmelze wird durch eine Breitschlitzdüse zu einer Folie mit einer Dicke von ca. 1 mm extrudiert.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die aus der Breitschlitzdüse 2 extrudierte Folie 1 einem Glättwerk 3 zugeführt, das aus drei Glättwalzen 4, 5 und 6 besteht. Die Temperatur der er sten Glättwalze 4 beträgt ca. 35°C, die der zweiten Glättwal ze 5 ca. 40°C und die der dritten Walze 6 ca. 50°C. Die Folie 1 tritt in den Spalt zwischen der ersten und der zweiten Wal ze 4 und 5 unter Bildung eines Knets 7 an der Oberseite, also zwischen Folie 1 und erster Walze 4 ein und wird um die zwei te Walze 5 und die dritte Walze 6 S-förmig herumgeführt und dann mit einer nicht dargestellten Vorrichtung aufgewickelt.

Die von der Aufwickelvorrichtung abgewickelte Folie 1 wird gemäß Fig. 2 mit einer nicht dargestellten Transportkette in das Thermoformwerkzeug 9 gezogen. Dabei wird die Folie 1 zwi schen zwei vor dem Thermoformwerkzeug 9 angeordneten Heiz strahlern 10, 11 auf ca. 110°C erwärmt, und zwar innerhalb von etwa 3 min.

Das Thermoformwerkzeug 9 besteht aus einem Oberwerkzeug 12 und einem Unterwerkzeug 13. In dem Oberwerkzeug 12 ist ein Stempel 14 vorgesehen, der die Folie 1 bei geschlossenem Werkzeug in die Ausnehmung 15 des Unterwerkzeugs 13 drückt und damit vorformt. Durch Druckluft, die über nicht darge stellte Einlässe in das Oberwerkzeug 12 eingeblasen wird, wird die Folie 1 zu einem Becher ausgeformt. Die Temperatur des Formwerkzeugs 9 wird auf ca. 40°C eingestellt. Die Foli entemperatur in dem Unterwerkzeug 13 beträgt damit bei der Ausformung ca. 100°C. Das Entformen erfolgt durch den Auswer fer 16.

Die Wärmeformbeständigkeit der so erfindungsgemäß hergestell ten Becher beträgt ca. 70°C.

Beispiel 2

Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass die Temperatur des Extruders auf 220°C und die Temperatur der drei Walzen 4, 5 und 6 des Glättwerks 1 auf 40°C, 45°C bzw. 55°C erhöht wur de. Die Wärmeformbeständigkeit der so hergestellten Becher nimmt auf ca. 55°C ab.

Beispiel 3

Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass die Folie 1 durch die Wärmestrahler 10, 11 innerhalb von 1,5 min auf 90°C er wärmt wird. Die Wärmeformbeständigkeit der so hergestellten Becher nimmt damit auf etwa 55°C ab.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines teilkristallinen Form teils aus einer kristalliserbaren Polylactid-Folie durch Thermoformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) vor dem Verstrecken im Thermoformwerkzeug wenigstens 0,5 min auf wenigstens 80°C erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) vor dem Verstrecken im Thermoformwerkzeug höchstens 5 min erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungstemperatur der Folie (1) vor dem Ver strecken im Thermoformwerkzeug höchstens 180°C beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) beim Verstrecken im Thermoformwerkzeug eine Temperatur von mindestens 60°C aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoformwerkzeug beim Ver strecken der Folie (1) eine Temperatur von 30 bis 70°C aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoformen durch Druckluft- oder Vakuumformen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) durch Aufschmelzen ei nes Polylactid-Granulats in einem Extruder mit einer In nentemperatur von weniger als 220°C bei einer Verweilzeit von höchstens 10 min und Extrusion in ein Glättwerk (3) oder Extrusion auf eine Walze hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Walzenpaares (4, 5) des Glättwerks (3), in das die extrudierte Folie (1) eintritt, oder der Walze, auf die die Folie extrudiert wird, auf höchstens 70°C eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innentemperatur des Extruders auf mindestens 190°c eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Walzenpaares (4, 5) des Glätt werks (3) oder der Walze, auf die die Folie extrudiert wird, auf mindestens 20°C eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Glättwerk (3) mit wenigstens drei Walzenpaaren (4, 5, 6) verwendet wird, durch die die zwi schen die erste und die zweite Walze (4 und 5) eintreten de extrudierte Folie (1) um die zweite und die dritte Wal ze (5 und 6) S-förmig herumgeführt wird, wobei die erste Walze (4) eine Temperatur von 20 bis 50°C und die zweite Walze (5) um eine bis zu 15°C und die dritte Walze (6) eine um bis zu 30°C höhere Temperatur als die erste Walze (4) aufweist.