DE202004021509U1

DE202004021509U1 - Werkstoff aus lignocellulosen Rohstoffen

Info

Publication number: DE202004021509U1
Application number: DE202004021509U
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2014-11-04
Also published as: DE102004054224A1

Abstract

Werkstoff aus vollständig biologisch abbaubarem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine unter Wirkung eines reaktiven Treibmittels bei Raumtemperatur aufgeschäumte, in Form gebrachte und getrocknete Masse ist, die aus physikalisch modifizierter kaltwasserlöslicher Stärke, Wasser und lignocellulosem Faserstoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen vollständig biologisch abbaubaren, natürlichen, porösen, flächigen oder strangförmigen Werkstoff aus lignocellulosen Rohstoffen.
Der erfindungsgemäße Werkstoff bietet eine große Bandbreite für Anwendungen beispielsweise im Wärme- und Schallschutz, für Formteile, als Verpackungsmaterial, als Kernmaterial für Verbundplatten sowie für Strangwerkstoffe, wie z. B. Profilleisten für den Innenausbau.
Native Stärke und unterschiedlich hergestellte Stärkderivate können mittels chemischer, physikalischer, biologischer sowie in kombinierten Verfahren geschäumte bzw. schaumähnliche Strukturen bilden. Das Aufschäumen der Stärke bzw. Stärkederivate erfordert besondere Maßnahmen.
Ein biotechnologisches Verfahren ist in WO 02/055722 A1 beschrieben. Der Werkstoff wird aus Sägemehl (Korngröße kleiner als 0,5 mm), Maisstärke, Hefepilzen und Bakterien hergestellt. Verschiedene Zusatzstoffe werden zur gezielten Eigenschaftsbeeinflussung zugegeben. Die Herstellungsdauer dieses ökologischen Werkstoffes nach dem beschriebenen Verfahren ist sehr lang, da die Gärhefen bzw. Mikroorganismen nach dem Vermischen mit den Ausgangsrohstoffen eine Gärzeit (2 bis 72 Stunden, vorzugsweise 20 bis 28 Stunden unter ständigem Kneten) benötigen. Ebenso müssen die Umweltbedingungen (z. B. Temperatur zwischen 10 und 40°C, vorzugsweise 22°C bis 28°C) genau eingestellt und eingehalten werden. Diese Bedingungen und die Schaffung von notwendigen Pufferzonen im Herstellungsprozess erhöhen die Produktionskosten, wodurch sich das Endprodukt verteuert.
Die Möglichkeiten Stärkderivate physikalisch aufzuschäumen, werden durch die Eigenschaften einer Stärkederivatsuspension eingegrenzt (Viskositätsanstieg beim Rühren von Suspensionen, Stärkesuspensionen über 45% Feststoff werden dilatant).
Das chemische Aufschäumen von Stärke oder Stärkederivaten aus einer Suspension kann durch die Zugabe von Gasen bildenden Stoffen unter Temperatureinwirkung bzw. durch eine Reaktion verschiedener Stoffe oder durch Treibmittel erfolgen. Gase können beispielsweise von Metallcarbonaten, Ammoniumsalzen, organischen und anorganischen Säuren gebildet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Stärkeschaumstoffs mit Hilfe von chemischen Substanzen wird beispielsweise in DE 32 06 751 C2 vorgestellt. Der beschriebene Stärkeschaumstoff findet Verwendung in Nahrungsmitteln, für Verpackungsstoffe, Pharmaprodukte und im Bauwesen. Bei der Verwendung als Baustoff wird dem Stärkeschaum ein Vernetzungsmittel zum Beispiel Harnstoffharz oder Melaminharz zugegeben, um eine Feuchtbeständigkeit zu erreichen.
In DE 39 35 092 C1 wird ein Werkstoff für das Bauwesen beschrieben, der aus Stärkeschaumstoff und Natur-Baustoffen besteht. Bei der Stärkeschaumstoffherstellung bezieht sich DE 39 35 092 C1 auf die Patentschrift DE 32 06 751 C2 . Aufgrund des verwendeten Vernetzungsmittels handelt es sich hierbei nicht mehr um einen reinen ökologischen Werkstoff.
Die chemisch aufgeschäumten Stärkeschaumstoffe werden bisher primär in einem Extruder bei hohen Temperaturen hergestellt. Die notwendigen Energie- und Anlagenkosten sind erheblich und verteuern das Produkt. Außerdem sind nur bedingt flächige Werkstoffe herstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen vollständig biologisch abbaubaren, natürlichen, porösen, flächigen oder strangförmigen Werkstoff aus lignocellulosen Rohstoffen unter Verwendung aufschäumbarer Stärke anzugeben, der sich unter wirtschaftlichen Bedingungen herstellen lässt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Werkstoff mit den in den Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein Werkstoff aus Stärkeschaum und lignocellulosem Fasermaterial ohne komplizierte Maßnahmen, beispielsweise ohne die Zugabe eines Vernetzungsmittels, direkt bei Raumtemperatur durch Mischen der Rohstoffe, Aufschäumen, Formgebung und anschließender Trocknung hergestellt werden kann.
Dazu wird physikalisch modifizierte kaltwasserlösliche Stärke in Wasser gelöst. Zur physikalischen Modifizierung wird die Stärke mit Wasser bei einer Temperatur zwischen 60 und 90°C gekocht, danach abgegossen und abgekühlt. Anschließend wird die Stärke wieder zermahlen. Damit lässt sich die gewünschte physikalisch modifizierte Stärke herstellen.
Das homogene Mischen der Stärkesuspension mit dem lignocellulosem Faserstoff erfolgt in einem Mischaggregat durch zum Beispiel Rühren, Kneten, Versprühen und/oder Vermengen. Bei der möglichen Verwendung von feuchtem Faserstoff (z. B. direkt nach Herstellung) wird die Wassermenge zum Ansatz der Stärkesuspension reduziert, um eine Verringerung der Klebkräfte zu vermeiden. Außerdem wird Energie für die Trocknung der Fasern eingespart.
Die Masse aus kaltwasserlöslicher Stärke, Wasser, lignocellulosem Faserstoff und Zusatzstoffen wird zur formgebenden Einrichtung gefördert. Das homogene Untermischen der reaktiven Treibmittel kann dabei getrennt im Mischaggregat oder auf dem Weg zwischen Mischaggregat sowie kurz vor der Formgebung erfolgen. Um bestimmte Eigenschaften entsprechend der Produktanwendung zu erreichen, können Stoffe (z. B. Brandschutz-, Hydrophobierungsmittel) im Mischaggregat bzw. auf dem Weg zur formgebenden Einrichtung homogen untergemischt werden. Ebenso können Tenside zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit beigemischt werden. Das Tensid beeinflusst dabei auch die benötigte Aufschäummittelmenge. Während der Formgebung des Materials kann dem Material bereits ein Teil des Wassers entzogen werden. Entsprechend der Anwendung des Produkts kann ein geeignetes Beschichtungsmaterial nach der Formgebung kontinuierlich oder diskontinuierlich aufgetragen werden. Die Trocknung erfolgt unmittelbar nach der Formgebung. Entsprechend der Formgebung und der Produktanwendung werden die Materialien weiterverarbeitet (z. B. Formatierung etc.).
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffes besteht darin, dass er sich durch Mischen, Aufschäumen und Formgebung bei Raumtemperatur herstellen lässt. Die Herstellung ist gut beherrschbar und leicht zu steuern.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. 1 zeigt einen schematischen Ablauf in einer Anlage zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes. 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Werkstoff.
Gemäß der Darstellung in 1 erfolgt in einer ersten Station 1 die Aufbereitung und Dosierung der Rohstoffe. Hier wird die Stärkesuspension aus einer kaltwasserlöslichen Stärke und Wasser hergestellt. Im Anschluss werden die Stärkesuspension und ein Kiefernholzfaserstoff dosiert einem kontinuierlich arbeitendem Mischaggregat 2 (Rührmischer) zugeführt. Zum Erreichen einer schaumartigen Struktur werden der homogen gemischten Stärke-Faserstoff-Masse zwei Treibmittel-Komponenten zugegeben. Die Zugabe der beiden Komponenten erfolgt getrennt. Die erste Komponente wird im Mischer zugemischt. Die zweite Komponente wird unmittelbar vor der Formgebung untergemischt. Bei den beiden Treibmittel-Komponenten handelt es sich um ein Metallcarbonat (Natriumcarbonat) und eine organische Säure (Adipinsäure).
Weiterhin können auf dem Weg zur Formgebung 3 Stoffe zur gezielten Beeinflussung der Materialeigenschaften und der Prozessgeschwindigkeit zugemischt werden. Die Prozessablauf kann dabei durch die Zugabe von Bio-Tensiden beeinflusst werden. Die Materialeigenschaften z. B. die Beständigkeit des Werkstoffs gegenüber Schädlingen kann durch die Zugabe von Borax verbessert werden.
Durch Transportbänder, -schnecken etc. wird die homogene Masse einer Kalanderwalze für die Formgebung 3 zugeführt. Bei der Verwendung mehrerer Kalenderwalzen können diese in verschiedenen Ebenen, Winkeln und Laufrichtungen zueinander angeordnet sein. Ebenso können Walzendurchmesser, Walzenbreite und Walzenprofil (Walzenform) variieren. Das Profil der Kalanderwalze bestimmt dabei die Form bzw. den Querschnitt des Produkts entscheidend. Aufgrund der zahlreichen Variationsmöglichkeiten von formgebenden Anlagen kann mit dem Verfahren eine Vielzahl von Produkten (flächig, strangförmig) gefertigt werden.
Nach erfolgter Formgebung 3 wird der Werkstoff in einem Mikrowellenbandtrockner 4 getrocknet. Der Vorteil der Mikrowellentrocknung besteht dabei im Trocknen des Materials von Innen nach Außen.
Nach dem Verlassen des Mikrowellenbandtrockners kann der Werkstoff auf Transportrollen der Station 5, z. B. Formatierung, Konditionierung, Oberflächenbearbeitung, Beschichtung etc., zugeführt werden.
Fehlerhaft hergestellte Produkte werden über ein Wasserbad dem Fertigungsprozess wieder zugeführt.
Der so hergestellte Werkstoff ist vollkommen ökologisch, da er aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Da keine herkömmlichen Vernetzungsmittel verwendet werden, gibt es keine Emissionen von beispielsweise gesundheitsschädigendem Formaldehyd.
Der Werkstoff ist leicht, porös, formstabil, belastbar, leicht bearbeitbar, ökologisch, biologisch abbaubar sowie nach Ablauf der Gebrauchdauer für die Energiegewinnung nutzbar.
Soll ein Eintritt von Feuchtigkeit in den Werkstoff verhindert werden, so sind zusätzliche Schutzmaßnahmen zu ergreifen, zum Beispiel durch Beschichtungen oder den Einsatz von Hydrophobierungsmitteln. Vorteilhaft wirkt sich die Feuchtempfindlichkeit allerdings beim Recycling aus, da in dem Fall das Material in Wasser wieder gelöst werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/055722 A1 [0004]
- DE 3206751 C2 [0007, 0008]
- DE 3935092 C1 [0008, 0008]

Claims

Werkstoff aus vollständig biologisch abbaubarem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine unter Wirkung eines reaktiven Treibmittels bei Raumtemperatur aufgeschäumte, in Form gebrachte und getrocknete Masse ist, die aus physikalisch modifizierter kaltwasserlöslicher Stärke, Wasser und lignocellulosem Faserstoff besteht.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff synthetisches oder biologisches Tensid enthält.
Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke im Verhältnis von 1 zu 1 bis 1 zu 6 zum Wasser beigemischt ist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstoff im Verhältnis zur Stärkesuspension von 1:1 bis 1:100 beigemischt ist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Treibmittel zum Aufschäumen des Faser-Stärke-Gemisches mit 0,2 bis 20 Masseprozent, bezogen auf die Stärkemenge, beigemischt ist.
Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel Metallcarbonate und organische oder anorganische Säuren in Kombination enthalten sind.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Faser-Stärke-Gemisch im Verhältnis von 1:10 bis 10000 Tenside enthalten sind.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine poröse Struktur bei einer Rohdichte zwischen 70 kg/m³ und 400 kg/m³ aufweist.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstoffes zum Schutz gegen den Eintritt von Feuchtigkeit eine Beschichtung oder Hydrophobierung aufweist.