DE19829991A1

DE19829991A1 - Verfahren zur Herstellung einer Polylactid-Folie

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Publication number: DE19829991A1
Application number: DE1998129991
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
Anticipated expiration: 2018-07-05
Also published as: DE19829991C2

Abstract

Zur Herstellung einer Polylactid-Folie wird ein Polylactid-Granulat in einem Extruder mit einer Innentemperatur von weniger als 220 DEG C bei einer Verweilzeit von höchstens 10 min aufgeschmolzen. Die extrudierte Folie wird dem Walzenpaar eines Glättwerks zugeführt, das eine Temperatur von höchstens 70 DEG C aufweist. Auf diese Weise wird eine kristallisierbare Folie gebildet, die nach dem Thermoformvorgang zu einem teilkristallinen Formteil hoher Wärmeformbeständigkeit führt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Polylactid-Folie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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, eine ohne Verwendung naturfrem der Abbaustoffe vollständig kompostierbare Polylactid-Folie 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.

Zur Herstellung der Folie wird das Polylactid-Granulat in ei nem Extruder aufgeschmolzen, das aufgeschmolzene Granulat zu einer Folie extrudiert und die extrudierte Folie in einem Glättwerk geglättet und abgekühlt. Dadurch wird eine kristal lisierbare Folie erstellt, aus der bei nochmaligem Erwärmen und durch Verstreckung ein Formteil, eine Folie oder dgl. ho her Wärmeformbeständigkeit hergestellt werden kann. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, läßt sich dies bei einem Polylactid ohne Zusatz von Nukleierungsmitteln errei chen, wenn ganz bestimmte Temperatur- und Zeitfenster bei der Extrusion bzw. im Glättwerk eingestellt werden.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein teilkristallines Poly lactid-Granulat eingesetzt. Solche teilkristallinen Poly lactid-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.

Damit die Kristallite in dem teilkristallinen Polylactid beim Extrudieren nicht zerstört werden, oder sich im Falle eines amorphen Polylactid-Granulats Kristallite bilden können, wird erfindungsgemäß die Innentemperatur des Extruders auf weniger als 220°C, vorzugsweise weniger als 210°C und die Verweilzeit des Polylactids im Extruder auf höchstens 10 min, vorzugswei se 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°C bis 50°C, insbesondere 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. Der Begriff "Granulat" ist weit auszulegen und um faßt auch Mahlgut sowie Mischungen aus Granulat und Mahlgut.

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 Wei terverarbeitung aufgewickelt werden.

Statt eines Glättwerks kann die Extrusion der Folie auch auf eine einzelne Walze erfolgen, beispielsweise auf eine Kühl walze oder "Chill Roll".

Wenn die Folie zu Formteilen weiterverarbeitet wird, wird sie erneut erwärmt und verstreckt, vorzugsweise durch Thermofor men. Das Thermoformen kann beispielsweise durch Vakuumformen oder Druckluftformen durchgeführt werden. Dazu wird die Folie erwärmt und dann z. B. in dem Tiefzieh-, Blas- oder sonstigen Thermoformwerkzeug gereckt.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens, in der Fo lie vor der Thermoformung eine möglichst hohe Kristallisier barkeit vorliegen zu haben, wird vorzugsweise auch beim er neuten Erwärmen und beim Verstrecken im Thermoformwerkzeug für die Folientemperatur ein entsprechendes Zeit- und Tempe raturfenster eingestellt. Wie sich herausgestellt hat, wird die Kristallitbildung gefördert, wenn die Folie relativ lang sam, jedoch auf eine eher hohe Temperatur in der Erwärmzone vor dem Thermoformvorgang erwärmt wird, in der beispielsweise Wärmestrahler vorgesehen sein können, die die Folie beidsei tig erwärmen. Das heißt, die Folie wird in der Erwärmzone vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 80°C, insbe sondere 90°C bis 150°C erwärmt, und zwar mindestens 0,5, 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 sich im Hinblick auf eine hohe Produktivität in möglichst kurzer Zeit ein starres Formteil bildet, das vom Auswerfer ausgeworfen oder entformt werden kann, wird erfindungsgemäß das Thermoformwerkzeug vorzugsweise auf wenigstens 20°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. Es wird vorzugsweise nur ein einziges Thermoformwerkzeug verwen det, mit dem sowohl geformt wie ausgestanzt wird.

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 200000 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 bei der Ausfor mung ca. 100°C. Das Entformen erfolgt durch den Auswerfer 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 einer Polylactid-Folie durch Aufschmelzen eines Polylactid-Granulats in einem Extruder und Extrusion der Folie in ein Glättwerk mit wenigstens einem Walzenpaar oder auf eine Walze, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Bildung einer kristallisierbaren Folie die Innentemperatur des Extruders auf weniger als 220°C, die Verweilzeit des Polylactids im Extruder auf höchstens 10 min und die Temperatur des Walzenpaares (4, 5) des Glättwerks (3), in das die extrudierte Folie (1) ein tritt, oder die Temperatur der Walze, auf die die Folie extrudiert wird, auf höchstens 70°C eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innentemperatur des Extruders auf mindestens 190°C eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glättwerk (3) mit wenigstens drei Walzenpaaren (4, 5, 6) verwendet wird, durch die die zwischen die erste und die zweite Walze (4 und 5) eintre tende extrudierte Folie (1) um die zweite und dritte Wal ze (5 und 6) S-förmig herumgeführt wird, wobei die erste Walze (4) eine Temperatur von 20°C bis 50°C und die zwei te Walze (5) eine um bis zu 15°C und die dritte Walze (6) eine um bis zu 30°C höhere Temperatur als die erste Walze (4) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) durch Thermoformen verstreckt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) vor dem Verstrecken im Thermoformwerkzeug mindestens 0,5 min auf wenigstens 80°C erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) vor dem Verstrecken im Thermoformwerkzeug höchstens 5 min erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) vor dem Verstrecken im Thermoformwerk zeug auf höchstens 180°C erwärmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die Folie (1) beim Verstrecken im Thermoformwerkzeug eine Temperatur von mindestens 60°C aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass das Thermoformen durch Druckluftformen oder Vakuumformen erfolgt.