DE4127763A1

DE4127763A1 - Verfahren zur herstellung von biologisch abbaubarem blattmaterial, das aus zellulose und chitosan hergestellt ist

Info

Publication number: DE4127763A1
Application number: DE4127763A
Authority: DE
Inventors: Masashi Nishiyama; Jun Hosokawa; Kazutoshi Yoshihara; Takamasa Kubo; Satoshi Maruyama; Akihiko Ueda; Kunio Kanaoka; Kenji Tateishi; Kazuo Kondo
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Okura Industrial Co Ltd; Ohkura Electric Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Okura Industrial Co Ltd; Ohkura Electric Co Ltd
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1992-02-27
Anticipated expiration: 2011-08-23
Also published as: GB2248639B; GB2248639A; GB9117621D0; FR2666093A1; JPH0628890B2; JPH04135730A; FR2666093B1; US5154864A; DE4127763C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines biologisch abbaubaren Blattmaterials, das aus Chitosan und Zellulose hergestellt ist.

Im Hinblick auf die in letzter Zeit wachsenden Probleme der Umweltverschmutzung wird die Verwendung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, die durch Mikroorganismen zer setzt werden können, wenn sie im Boden verbleiben, geför dert.

In der japanischen veröffentlichten nicht geprüften Pa tentanmeldung (Tokkyo Kokai) No. Hei-2-6 689 wird ein bio logisch abbaubares zusammengesetztes Blattmaterial be schrieben, das aus Zellulose und Chitosan zusammengesetzt ist. Wegen seiner hervorragenden biologischen Abbaubar keit und Billigkeit seiner Ausgangsmaterialien eignet sich dieses zusammengesetzte Blattmaterial für eine Viel zahl von Anwendungsmöglichkeiten für z. B. Verpackungsma terialien und Materialien, die in der Landwirtschaft ein gesetzt werden.

Es wurde jedoch gefunden, daß für die tatsächliche Ver wendung eines derartigen biologisch abbaubaren Blattma terials in der Praxis verschiedene Probleme noch unge löst sind. So wird gemäß dem in der vorgenannten japani schen Patentveröffentlichung beschriebenen Verfahren das zusammengesetzte Blattmaterial hergestellt, indem eine wäßrige saure Lösung von Chitosan mit feinen Zellulose fasern gemischt wird und die entstehende wäßrige Dis persion zu einem Blatt ausgeformt und getrocknet wird. Da die wäßrige Dispersion viskos ist, besteht die Gefahr, daß Luftblasen im Verlauf der Herstellung der Dispersion eingefangen werden, und die einmal eingefangenen Luft blasen können nicht leicht entfernt werden. Der Ein schluß von Luftblasen in das zusammengesetzte Blattmate rial verursacht jedoch Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften wie der Zugfestigkeit des Blattmaterials.

Diese Beobachtung gab Anlaß für die vorliegende Erfin dung, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein effektives Verfahren zu schaffen, mit dem man ein biologisch abbau bares Blattmaterial, das aus Chitosan und Zellulosefa sern zusammengesetzt ist zu schaffen, das gute mechani sche Eigenschaften aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines biologisch abbaubaren Blattmate rials geschaffen, das die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

a) Schaffung einer wäßrigen Dispersion mit einer Visko sität von 5 bis 100 Pa×s (50 bis 1000 Poise), die 100 Gewichtsteile Zellulosefasern mit einer Länge von 3 mm oder weniger und einem Durchmesser von 50 mm oder weniger und 2 bis 100 Gewichtsteilen Chito san enthält, wobei diese Dispersion auf einer Tempe ratur T₁ in ^oC gehalten wird, die in dem folgenden Bereich liegt: t ≦ ₁ ≦ t+30,worin t der Siedepunkt (^oC) von Wasser bei einem vorgegebenen reduzierten Druck ist;
b) kontinuierliches Einleiten dieser Dispersion mit der Temperatur T₁ (^oC) in eine Entschäumungszone und Umformen dieser Dispersion in eine nach unten fließen de laminare Strömung, während die Entschäumungszone auf dem besagten vorgegebenen reduzierten Druck und bei einer Temperatur T₂ in ^oC gehalten wird, die innerhalb des folgenden Bereiches liegt: t ≦ T₂ ≦ t+30,worin t so wie vorstehend definiert ist, um dadurch Entschäumung der Dispersion zu bewirken;
c) kontinuierliches Ablassen der entschäumten Disper sion von der besagten Entschäumungszone und ihr Hindurchleiten durch eine Form, so daß diese Disper sion zu einem Blattmaterial ausgeformt wird, und
d) Trocknen des Blattmaterials.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben, in der die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vor richtung ist, die zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist.

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wäßrige Dispersion, die Chitosan und Zellulosefa sern enthält, als ein Ausgangsmaterial für die Herstel lung eines biologisch abbaubaren Blattmaterials verwen det. Die wäßrige Dispersion kann hergestellt werden, indem Zellulosefasern mit einer Länge von 3 mm oder we niger und einem Durchmesser von 50 mm oder weniger mit einer wäßrigen sauren Lösung von Chitosan gemischt wird. Der Gehalt von Chitosan in der Dispersion sollte 2 bis 100 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile der Zellulosefasern betragen.

Chitosan ist ein Produkt, das durch Entacetylierung von Chitin erhalten wird, welches in Mycelia oder Krusten und Schalen von Crustacea wie Krabben, Krebsen oder Hum mer enthalten ist. Das Molekulargewicht und der Grad der Entacetylierung von Chitosan, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, sind nicht spezifisch eingeschränkt. Jedoch ist ein Entacetylierungsgrad von wenigstens 60% aus Gründen der erhöhten Löslichkeit wünschenswert. Da Chitosan als solches nicht in Wasser löslich ist, wird Chitosan in der Form eines Salzes von Säure wie z. B. als Chlorwasserstoff- oder dergleichen anorganisches Säuresalz oder Formiat, Acetat, Lactat oder dergleichen organisches Säuresalz verwendet.

Es kann irgendeine Zellulosefaser für die Zwecke der vor liegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele für ge eignete Zellulosefasern umfassen Fasern, die aus Zellu lose, Hemizellulose oder Lignozellulose, erhalten von Holz, Stroh, Baumwolle, Jute, Bambus oder Bagasse, und Zellulose, die durch Bakterien erzeugt worden ist, ge bildet sind. Geschlagene Fasern mit einer Länge von 3 mm oder weniger, vorzugsweise 1 mm oder weniger, und einem Durchmesser von 50 mm oder weniger, vorzugsweise 30 mm oder weniger, werden geeigneterweise bei der vorliegenden Erfindung verwendet.

Die wäßrige Dispersion kann weiterhin einen oder mehrere Additive wie z. B. einen Füllstoff, einen Weichmacher, ein Antischäummittel und ein färbendes Mittel enthalten. Es können sowohl organische Füllstoffe wie Stärke als auch anorganische Füllstoffe wie Siliziumdioxid verwen det werden.

Es wird nun auf die Figur Bezug genommen. Die genannte wäßrige Dispersion wird zuerst in einen Temperaturregler, üblicherweise einen Vorerhitzer, eingeführt, in dem die Dispersion so geregelt wird, daß sie eine Temperatur T₁ (^oC) aufweist, die innerhalb des folgenden Bereiches liegt:

t ≦ T₁ ≦ t+30,

worin t der Siedepunkt, in Werten von ^oC, von Wasser bei einem vorgegebenen reduzierten Druck ist.

Die entstehende Dispersion mit der Temperatur T₁ (^oC) wird dann zu einer Entschäumungszone 2 geleitet, die allgemein begrenzt in einer zylindrischen Gehäusekammer vorgesehen ist, die mit einem Mantel versehen ist, durch den ein Wärmeübergangsmedium 11 wie warmes Wasser zirkulieren gelassen wird, um die Innenseite der Ent schäumungszone 2 auf eine Temperatur T₂ (^oC) zu halten, die innerhalb des folgenden Bereiches liegt:

t ≦ T₂ ≦ t+30,

worin t so wie vorstehend definiert ist. Die Temperatu ren T₁ und T₂ haben vorzugsweise die folgende Beziehung zueinander:

T₁-10 ≦ T₂ ≦ T₁+15.

Eine Vakuumpumpe 10 ist mit dem oberen Teil der Ent schäumungszone 2 verbunden, um die Entschäumungszone 2 auf dem vorstehend erwähnten vorgegebenen Unterdruck zu halten. Die Entschäumungszone 2 wird vorzugsweise auf einem Unterdruck von 2000 bis 33 331 Pa (15-250 Torr), stärker zu bevorzugen 2000 bis 26 665 Pa (15-200 Torr) gehalten.

In einem oberen Abschnitt der Entschäumungszone ist ein Führungsplattenglied 3 vorgesehen, das so angeordnet ist, daß die dem oberen Teil der Entschäumungszone 2 zuge führte wäßrige Dispersion eine nach unten gerichtete fließende laminare Strömung auf der inneren Oberflächen seite der Entschäumungszone 2 bilden kann. Als Folge dieses Aufbaues der Entschäumungszone 2 werden Luftbla sen, die in der wäßrigen Dispersion enthalten sind, wäh rend der Abwärtsbewegung der laminaren Strömung aus der Dispersion entfernt. Solch eine laminare Strömung kann auch dadurch ausgebildet werden, daß die Dispersion radi al nach außen von einem rotierenden Verteiler gelenkt wird, der auf der Mitte der Abdeckung eines zylindrischen Gehäuses, das als Entschäumungszone 2 dient, angebracht ist. Als Folge der Zentrifugalkraft, die durch den ro tierenden Verteiler erzeugt wird, wird die Dispersion dem oberen Abschnitt der vertikalen Seitenwand des zy lindrischen Gehäuses 2 zugeführt und bildet einen nach unten fließenden Flüssigkeitsfilm über der Oberfläche der Wand.

Es ist wichtig, daß die Dispersion auf der oben spezi fisch angegebenen Temperatur in der Entschäumungszone 2 gehalten wird, damit die Entschäumung innerhalb einer kurzen Zeitperiode bewirkt wird, während die Verdampfung von Wasser minimalisiert wird. Wenn insbesondere die Tem peratur T₂ in der Entschäumungszone 2 unterhalb "t" liegt, wird die Entschäumungsrate unerwünscht niedrig. Wenn andererseits T₂ höher als (t+30) ist, tritt in merklichem Maße Verdampfung von Wasser ein und bewirkt eine Änderung in der Zusammensetzung der entschäumten Dispersion. Aus ähnlichen Gründen ist es auch wichtig, daß die Dispersion auf der oben spezifizierten Tempera tur T₁ vor ihrem Einleiten in die Entschäumungszone 2 gehalten wird.

Es ist auch sehr wichtig, daß die in die Entschäumungs zone eingeführte Dispersion in eine nach unten gerich tete fließende laminare Strömung umgewandelt wird, um sowohl die Entschäumung effektiv durchzuführen als auch das Verfahren in seiner Ganzheit auf eine kontinuier liche Weise durchzuführen.

Die so in der Entschäumungszone 2 entschäumte wäßrige Dispersion wird von dieser durch eine Pumpe 4 kontinu ierlich abgelassen und kontinuierlich einer Form 5 zuge führt. In der Form wird die Dispersion kontinuierlich durch Schwerkraft durch einen Formspalt 5 hindurchge leitet und zu einem Blatt mit einer gewünschten Dicke auf einem Bandförderer 6 ausgeformt. Der Formspalt be sitzt vorzugsweise eine Öffnung von 0,5 bis 5 mm. Das Blatt auf dem Förderer 6 wird kontinuierlich durch einen Trockner 7 gefördert. Das getrocknete Blatt oder die Folie wird von dem Förderband 6 durch eine Berührungs walze 8 entfernt und von einer Walze 9 aufgenommen.

Um das Ausformen problemlos und glatt durchzuführen, ist es wesentlich, daß das wäßrige Dispersions-Ausgangsmate rial, das dem Temperaturregler 1 zugeführt werden soll, eine Viskosität von 5 bis 100 Pa×s (50 bis 1000 Poise) vorzugsweise 10 bis 50 Pa×s (100 bis 500 Poise) auf weist. Der Ausdruck /Viskosität. soll, wie er bei der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, sich auf eine Viskosität beziehen, die durch ein B-Typ Viskosimeter bei 23^oC mit einer Rotorumdrehungsgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute gemessen wird. Der oben ange gebene Viskositätsbereich spielt auch eine wichtige Rol le bei dem Entschäumungsschritt. Spezieller gesagt, eine Viskosität von unterhalb 5 Pa×s (50 Poise) ist nachtei lig weil es schwierig ist, ein Blatt mit einer gleich mäßigen Dicke zu bilden. Wenn die Viskosität der Disper sion größer als 100 Pa×s (1000 Poise) ist, ist es ande rerseits schwierig, die Dispersion effektiv zu entschäu men.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter er läutern.

Beispiel 1

Gebleichte Pulpe von Nadelbäumen wurde in Wasser geschla gen, um eine Dispersion zu erhalten, die 4 Gew.-% Zellu losefasern mit einer Länge von 0,5 mm oder weniger und einem Durchmesser von 0,1 µm oder weniger enthielt. Die Dispersion (100 Gewichtsteile) wurde dann mit 20 Ge wichtsteilen einer wäßrigen Lösung gemischt, die 4 Gew.% eines Essigsäuresalzes von Chitosan, 3 Gew.-% Glyzerin als einem Weichmacher und 190 Gewichtsteile Wasser ent hielt, um eine wäßrige Dispersion mit einer Viskosität von 14 Pa×s (140 Poise) zu erhalten. Die Dispersion wur de kontinuierlich einem Vorerhitzer zugeführt und auf 50^oC erhitzt. Dann wurde die Dispersion kontinuierlich in eine Vakuumkammer eingeleitet, die auf einer Tempera tur von 50^oC und einem Druck von 5333 Pa (40 Torr) ge halten wurde (der Siedepunkt von Wasser bei diesem Druck beträgt 33^oC) und mit Führungsplatten so versehen war, daß die Dispersion in einen laminaren Strom umgewandelt wurde, der entlang der Innenwand der Vakuumkammer nach unten strömte, um dadurch Entgasung zu bewirken. Die entschäumte Dispersion wurde kontinuierlich von der Va kuumkammer abgelassen. Die mittlere Verweilzeit der Dis persion in der Vakuumkammer wurde auf 3 Minuten geregelt. Die abgelassene Dispersion wurde kontinuierlich in eine Form mit einer Spaltgröße von 2 mm×150 mm eingeführt und zu einem Blattmaterial ausgeformt. Das Blattmaterial wurde kontinuierlich auf einem Förderband, das mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit lief, durch einen Trocknungs ofen geführt, um Trocknung zu bewirken, um so eine Folie mit einer gleichmäßigen Dicke von 50 µm zu erhalten. Es wurde gefunden, daß die Folie keinerlei Luftblasen ent hielt. Das Aussehen und die mechanischen Eigenschaften der Folie waren sehr gut. Die Extrudierung konnte mit guter Formbarkeit durchgeführt werden. Das Blattmaterial, d. h. die Folie, war biologisch abbaubar.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde auf die gleiche Weise, wie es beschrie ben wurde, mit der Ausnahme wiederholt, daß die Menge an Wasser, die mit den Zellulosefasern gemischt wurde, von 190 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile gesenkt wurde (die Viskosität der Dispersion wurde von 14 Pa×s (140 Poise) auf 31 Pa×s (310 Poise) erhöht), um dadurch eine biologisch abbaubare Folie mit einer gleichmäßigen Dicke von 70 µm zu erhalten, die keine Luftblasen enthielt. Das Aussehen und die mechanischen Eigenschaften der Folie wa ren sehr gut. Das Extrudieren konnte mit guter Formbar keit durchgeführt werden.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde auf die gleiche Weise, wie es beschrie ben wurde, mit der Ausnahme wiederholt, daß die Vorer hitzungstemperatur auf 30^oC gesenkt wurde und daß die Temperatur und der Druck in der Vakuumkammer auf 30^oC und 2666 Pa (20 Torr) gesenkt wurden (der Siedepunkt von Was ser bei diesem Druck beträgt 21^oC), um dadurch eine bio logisch abbaubare Folie mit einer gleichmäßigen Dicke von 50 µm zu erhalten, die keine Luftblasen enthielt. Das Aussehen und die mechanischen Eigenschaften der Folie wa ren sehr gut. Das Extrudieren konnte mit guter Formbarkeit durchgeführt werden.

Vergleichsbeispiel 1

Beispiel 1 wurde auf die gleiche Weise, wie es beschrie ben worden war, mit der Ausnahme wiederholt, daß die her gestellte Dispersion als solche ohne eine Vorerhitzung eingeleitet wurde. Die erhaltene Folie besaß eine gleich mäßige Dicke von 50 µm und enthielt Luftblasen. Die mecha nischen Eigenschaften der Folie waren nicht zufriedenstel lend.

Vergleichsbeispiel 2

Beispiel 1 wurde auf die gleiche Weise, wie es beschrie ben worden war, mit der Ausnahme wiederholt, daß die Vor erhitzungstemperatur auf 70^oC erhöht wurde und daß die Temperatur in der Vakuumkammer auch auf 70^oC erhöht wurde. Dadurch wurde eine biologisch abbaubare Folie mit einer gleichmäßigen Dicke von 50 µm erhalten, die keine Luft blasen enthielt. Jedoch trat signifikant Verdampfung von Wasser in der Vakuumkammer auf, was teilweise Konzentra tion der Dispersion bewirkte, so daß die entstandene Folie schlecht im Aussehen war.

Die Erfindung kann in anderen spezifischen Ausführungs formen durchgeführt werden, ohne daß der Gedanke und die wesentlichen Eigenschaften verlassen werden. Die beschrie benen Beispiele sollen deshalb nur als Erläuterung und nicht einschränkend angesehen werden. Von der Erfindung werden auch Änderungen und Abwandlungen gegenüber diesen Beispielen umfaßt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von biologisch abbauba rem Blattmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

a) Herstellen einer wäßrigen Dispersion mit einer Viskosität von 5 bis 100 Pa×s (50 bis 1000 Poise), die 100 Gewichtsteile Zellulosefasern mit einer Länge von 3 mm oder weniger und einem Durchmesser von 50 µm oder weniger und 2 bis 100 Gewichtsteile Chitosan enthält, und Halten dieser Dispersion auf einer Temperatur T₁ (in ^oC), die innerhalb des folgenden Bereiches liegt: t ≦ T₁ ≦ t+30,worin t der Siedepunkt (^oC) von Wasser bei einem gegebenen Unterdruck ist;
b) kontinuierliches Einführen dieser Dispersion mit der Temperatur T₁ (in ^oC) in eine Ent schäumungszone und Ausformen dieser Disper sion zu einem nach unten fließenden laminaren Strom, während die Entschäumungszone auf dem besagten gegebenen Unterdruck und bei einer Temperatur T₂ (in ^oC), die innerhalb des fol genden Bereiches liegt, gehalten wird:
t ≦ T₂ ≦ t+30,
worin t so wie vorstehend definiert ist, um dadurch Entschäumung der Dispersion zu bewir ken;
c) kontinuierliches Ablassen der entschäumten Dis persion von der Entschäumungszone und Hindurch leiten derselben durch eine Form, durch die die Dispersion zu einem Blattmaterial ausge formt wird, und
d) Trocknen des Blattmaterials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Dispersion in Verfahrensschritt (a) eine Viskosität von 10 bis 50 Pa×s (100 bis 500 Poise) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte gegebene Unterdruck innerhalb des Bereiches von 2000 bis 33 330 Pa×s (15 bis 250 Torr) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen T₁ und T₂ die folgende Bezie hung aufweisen: T₁-10 ≦ T₂ ≦ T₁+15,wobei die Temperaturen T₁ und T₂ in ^oC gemessen sind.