DE4200485C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen biologisch abbaubaren Werkstoff,
ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.
Schon seit längerem sucht man in der Verpackungsindustrie
nach Alternativen zu den bislang bekannten Kunststoffen,
die zwar einerseits sehr gute Anwendungseigenschaften aufweisen
und in der Regel kostengünstig herzustellen sind,
andererseits aber Probleme bei ihrer Entsorgung bereiten,
da sie unverrottbar sind und deswegen zu einem Anwachsen
der Müllberge führen. Es wurde schon vorgeschlagen, biologisch
abbaubare Werkstoffe zu verwenden, um die Müllproblematik
zu entschärfen. Diese Werkstoffe haben jedoch den
Nachteil, daß sie gegenüber den bisher bekannten Verpackungsmaterialien
um ein Mehrfaches teurer sind. Um
diesen Nachteil zu überwinden, wurde vorgeschlagen, in
Polyethylenfolie Stärke als Füllstoff einzuarbeiten, die
sowohl als billiger Füllstoff die Kosten senken als auch zu
einer besseren biologischen Abbaubarkeit führen soll. Da
jedoch die Abbaubarkeit des Polyethylens selbst hierdurch
nicht verändert wird, löst dieser Ansatz nicht die Problematik
hinsichtlich des Müllproblems und andererseits werden
durch den Zusatz von Stärke die mechanischen Eigenschaften
der Polyethylenfolie gemindert.
Es wird beispielsweise in einem Artikel in Starch/Stärke 44
(1992) 8, Seiten 293 bis 295, beschrieben, daß biologisch
abbaubare Kunststoffe entwickelt wurden, die aus Stärke und
synthetischen Kunststoffen zusammengesetzt sind. Der Stärkeanteil
kann biologisch abgebaut werden, während der Kunststoffanteil
nur in kleinere Teile zerfällt.
Ein Artikel aus Chem.-Ing.-Techn. 64, Nr. 5, Seiten 410 bis 415
(1992), befaßt sich mit Testverfahren und Beurteilungskriterien
von biologisch abbaubaren Kunststoffen. Die Eigenschaft, ein
biologisch abbaubarer Kunststoff zu sein, wird häufig nur aufgrund
einer Spekulation für Kunststoffe angegeben. In der
Realität dauert dann jedoch der Bioabbau bis zu Jahrzehnten.
Die Literaturstelle G. Menges, W. Michaeli, M. Bittner:
Recycling von Kunststoffen, C. Hanser Verlag, 1992, Seiten 199
bis 208, geht auf den Abbau von Polymeren ein und befaßt sich
unter Punkt 3.3.3 mit der Kompostierung von Kunststoffen. Durch
das Kompostieren von geeigneten Kunststoffen erfolgt zwar keine
Zersetzung zu Wasser und CO₂, jedoch zu Stoffen, die als
organisches Material von Lesewesen genutzt werden können und
somit in den Kohlenstoffkreislauf des natürlichen Ökosystem
eingeschleust werden können. Zu diesem Weg sind die erfindungsgemäßen
Werkstoffe geeignet.
Die Veröffentlichung WO 90/05 161 befaßt sich mit thermoplastisch
verarbeitbarer Stärke, die zu Formlingen, Granulaten,
Extrudaten und Folien verarbeitet werden kann. Wesentlich für
die thermoplastisch verarbeitbare Stärke ist es, daß mindestens
5% eines Zuschlagstoffs vorhanden sind, die einen Löslichkeitsparameter
von mehr als 15 aufweisen. Weiterhin ist es aus
WO 90/14 938 bekannt, Stärke und Stärkederivate zu Folien oder
geformten Gegenständen zu verarbeiten. Die hierzu geeignete
Stärke muß jedoch eine Stärke sein, die mehr als 50% Amylose
enthält. Eine derartige Stärke kann nur aus durch Spezialzüchtung
erhaltenen Pflanzen gewonnen werden. US 46 73 438 befaßt
sich mit geformten Produkten, die aus einer Stärkezusammensetzung
nach einem speziellen Verfahren hergestellt werden.
Dazu muß zuerst die Stärke in Wasser gelöst werden, unter genau
kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen erhitzt werden
und bei vorgegebenem Wassergehalt geformt werden.
Weiterhin ist es bereits aus EP-A 03 11 103 bekannt, Formgegenstände
aus Celluloseacetat herzustellen, wobei Cellulosediacetat
in Acetat und Wasser gelöst wird und dann versponnen wird
oder zu einer Folie geformt wird. Es ist wesentlich, daß ein
wasserlösliches Salz oder eine wasserlösliche Base zugegeben
wird. Gemäß DE-OS 40 14 176 werden umweltfreundliche biologisch
abbaubare Formmassen erhalten, indem man ein Polymerisat aus
Lignin und Cellulose herstellt.
Es war nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen biologisch
abbaubaren Werkstoff bereitzustellen, der einerseits
hinsichtlich seiner mechanischen und physikalischen Eigenschaften
mit reinen Kunststoffolien vergleichbar ist, andererseits
schnell biologisch abgebaut wird und kostengünstig
hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen biologisch abbaubaren
Werkstoff, enthaltend 30 bis 85 Gewichtsprozent eines biologisch
abbaubaren Kunststoffs auf Basis Polysaccharid, 15 bis 70 Gewichtsprozent
native Stärke oder unmodifizierte Cellulose,
sowie gegebenenfalls übliche Hilfsstoffe, erhältlich dadurch,
daß man den biologisch abbaubaren Kunststoff bei einer Temperatur
im Bereich vom Schmelzpunkt des Kunststoffs bis zu etwa
240°C aufschmilzt, gleichzeitig oder anschließend die Stärke
bzw. unmodifizierte Cellulose zugibt, wobei der Wassergehalt
der Stärke 15% nicht übersteigt, das Gemisch granuliert und das
Granulat dann in üblicher Weise formt oder daß man den biologisch
abbaubaren Kunststoff in einem Lösungsmittel, das die
Stärke nicht lösen kann, löst, der Lösung dann die Stärke
zugibt und das erhaltene Organosol in an sich bekannter Weise
formt.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine Mischung von
nativer Stärke oder unmodifizierter Cellulose mit einem
Kunststoff auf Basis Polysaccharid Produkte liefert, deren
mechanische Eigenschaften hervorragend sind und die teilweise
bis zum Faktor 10 schneller biologisch abgebaut werden
als die bisher bekannten biologisch abbaubaren Kunststoffe.
Die eine wesentliche Komponente des erfindungsgemäßen Werkstoffes
ist ein biologisch abbaubarer Kunststoff auf Basis
Polysaccharid. Derartige Kunststoffe sind an sich bekannt
und alle biologisch babaubaren Kunststoffe auf Basis Polysaccharid,
die sich zu geformten Werkstücken verarbeiten
lassen, sind hier geeignet. Bevorzugt werden als biologisch
abbaubare Kunststoffe thermoplastische Derivate von Cellulose
verwendet. Als besonders geeignet haben sich Celluloseacetat,
Cellulosepropionat, Cellulosebutyrat, Celluloseacetobutyrat und Ethylcellulose erwiesen. Diese Cellulosederivate
sind handelsübliche Produkte und ihre Herstellung
braucht daher nicht näher erläutert zu werden. Der biologisch
abbaubare Kunststoff ist in einer Menge von 30 bis 85 Gew.-%
enthalten. Bevorzugt liegt der Anteil des Kunststoffs
bei 40 bis 70 Gew.-%.
Unter "biologisch abbaubarer Kunststoff" wird ein Kunststoff
verstanden, der bei einem Erdeingrabeversuch einen Masseverlust
von mindestens 20 g/m² pro Jahr, bevorzugt mindestens
30 g/m² pro Jahr, infolge mikrobakterieller Einflüsse erleidet.
Ein Verfahren zur Bestimmung des Masseverlustes ist
Beispiel 4 zu entnehmen.
Die zweite wesentliche Komponente des erfindungsgemäßen
Werkstoffs ist eine native oder unmodifizierte
Cellulose. Die native Stärke kann aus allen stärkehaltigen
Pflanzenmaterialien, die an sich bekannt sind, gewonnen
werden, wie zum Beispiel Kartoffeln, Mais, Reis oder
Getreide. Die aus diesen Materialien gewonnene Stärke liegt
in Form von Körnchen vor. Unmodifizierte Cellulose kann
ebenfalls aus pflanzlichem Material gewonnen werden, insbesondere
aus Pflanzenfasern wie Baumwolle, Jute, Flachs,
Hanf, Ramie (Chinagras), sowie aus dem Holz von Nadel- und
Laubbäumen und aus Stroh. Die reine Cellulose ist wie die
Stärke aus Glucoseeinheiten aufgebaut, liegt jedoch aufgrund
der β-glykosidischen Verknüpfung nicht in Form von
Kügelchen, sondern in Form von langen Ketten, die zu
Bündeln vereinigt sind, also faserig vor. Der Anteil an
nativer Stärke oder unmodifizierter Cellulose in dem Werkstoff
kann im Bereich von 15 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 30 bis
60 Gew.-%, liegen. Ein Anteil von weniger als 15% ist ebenfalls
möglich, weist jedoch keine ökonomischen Vorteile
mehr auf. Ein Anteil von etwa 70 Gew.-% stellt aus
geometrischen Gründen die obere der Konzentration
dar. Das für den jeweiligen Verwendungszweck günstige
Verhältnis der beiden erfindungsgemäßen Komponenten kann
vom Fachmann in wenigen Versuchen leicht ermittelt werden.
Nur bei Verwendung der beiden erfindungswesentlichen Komponenten
werden die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt. Wird
die Stärke oder unmodifizierte Cellulose mit anderen biologisch
abbaubaren Kunststoffen, die jedoch nicht die Struktur
von Polysacchhariden haben, vermischt, so kommt es zu
einer Verminderung der mechanischen Festigkeit in dem Maße,
wie der Anteil an Stärke oder unmodifizierter Cellulose
steigt. Demgegenüber ist die mechanische Festigkeit bei der
erfindungsgemäßen Kombination gegenüber den mechanischen
Werten für den biologisch abbaubaren Kunststoff höher, als
es dem Anteil des biologisch abbaubaren Kunststoffes entspricht.
Der Werkstoff kann außer diesen beiden erfindungswesentlichen
Komponenten noch weitere für die Herstellung von
Verpackungsmaterialien übliche Zusatzstoffe, wie z. B. Füllstoffe,
Farbstoffe oder sonstige Hilfsstoffe enthalten. Art
und Menge von geeigneten Zusatzstoffen sin an sich bekannt
und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
Besonders vorteilhaft sind bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff
die biologische Abbauraten. Verglichen mit dem biologischen
Abbau des biologisch abbaubaren Kunststoffs alleine
wird hier eine Beschleunigung der Abbaurate bis zum Faktor
10 erzielt. Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt
bei Verwendung von Stärke.
Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Werkstoffes, wie er vorher definiert wurde, zur Verfügung
gestellt. Der Werkstoff kann vorteilhaft durch
Compoundierung oder Bildung eines Organosols hergestellt
werden. Wenn der Anteil der Stärke im unteren Bereich
liegt, kann der erfindungsgemäße Werkstoff einfach durch
Vermischen der beiden Komponenten und anschließende Formung
in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Höhere
Anteile an Stärke können dazu führen, daß die Mischung die
zur Formung verwendete Vorrichtung verstopft. Zur Herstellung
von erfindungsgemäßen Werkstoffen, die mehr als etwa
20 bis 25% Stärke enthalten, wird deshalb weiterhin ein
Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem diese Probleme
vermieden werden können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren
zur Herstellung eines biologisch abbaubaren Werkstoffes,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den biologisch
abbaubaren Kunststoff aufschmilzt, gleichzeitig oder
anschließend die Stärke oder die unmodifizierte Cellulose
zugibt, dann das Gemisch granuliert und das Granulat dann
in an sich bekannter Weise formt.
Bevorzugt werden abbaubarer Kunststoff und Stärke bzw.
unmodifizierte Cellulose vermischt und der Kunststoff in
Gegenwart der Stärke aufgeschmolzen.
Zur Formung wird das Granulat bevorzugt durch Verpressen,
Spritzguß oder Extrusion weiterverarbeitet.
Mit diesem Verfahren läßt sich der erfindungsgemäße Werkstoff
kostengünstig und einfach herstellen. Bei dem Vermischen
des aufgeschmolzenen Kunststoffes werden solche
Bedingungen angewendet, daß die Kornstruktur der Stärke im
wesentlichen nicht verändert wird. Geeignet sind Temperaturen
im Bereich vom Schmelzpunkt des Kunststoffes bis zu
etwa 240°C. Der Wassergehalt der Stärke sollte dabei bevorzugt
15% nicht übersteigen.
Eine weitere Ausführungsform zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Werkstoffes ist ein Verfahren, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man den biologisch abbaubaren
Kunststoff in einem Lösungsmittel löst, das die Stärke bzw.
unmodifizierte Cellulose nicht lösen kann, der Lösung dann
die Stärke bzw. unmodifizierte Cellulose zugibt und das
erhaltene Organosol in an sich bekannter Weise formt.
Für diese Verfahrensvariante geeignete Lösungsmittel sind
dem Fachmann bekannt, bevorzugt werden Aceton und Ethanol
verwendet.
Die Formgebung des Organosols erfolgt bevorzugt durch
Streichen, Gießen, Rakeln oder Spritzen in an sich bekannter
Weise, unter Austreiben des Lösungsmittels.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann beispielsweise zu Verpackungen
für diverse Materialien verarbeitet werden.
Aufgrund seiner Zusammensetzung ist dieses Material besonders
geeignet zur Verpackung von Nahrungsmitteln, Kosmetika,
Reinigungsmitteln und Haushaltsbedarf. Bevorzugt wird
der Werkstoff für die Verpackung von festen Schüttgütern
verwendet. Für die Verpackung zum Beispiel von aggressiven
Materialien, wie Säuren, Reinigungs und Putzmitteln, kann
eine für diese Medien undurchlässige Beschichtung auf dem
erfindungsgemäßen Werkstoff vorgesehen werden.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Werkstoff in Form von
Dosen verpreßt oder in Formen verarbeitet, die als Deckel
und Boden für Dosen aus gewickeltem Papier Verwendung finden.
Erfindungsgemäß wird ein Werkstoff zur Verfügung
gestellt, der besonders umweltfreundlich ist, da er einerseits
aus nachwachsenden Materialien hergestellt wird und
andererseits sehr schnell wieder biologisch abgebaut werden
kann. Darüber hinaus bietet er sowohl hinsichtlich seiner
mechanischen Eigenschaften als auch aus ökonomischen Gründen
besondere Vorteile gegenüber bisher bekannten Verpackungsmaterialien.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.
Es wurden 1 kg Cellulosepropionat in Granulatform und 0,2 kg
native Kartoffelstärke in Pulverform vermischt. Die
Mischung wurde in eine Spritzgußmaschine eingeführt und
dann durch Spritzguß in Bauteile geformt, die als Deckel
bzw. Boden für eine aus Papier gewickelte Dose geeignet
sind.
Es wurde 1 kg Cellulosepropionat in Granulatform und 1 kg
native Kartoffelstärke in Pulverform vermischt. Die
Mischung wurde soweit erhitzt, daß das Cellulosepropionat
erweichte und dann granuliert. Das Granulat wurde in eine
Spritzgußvorrichtung gefüllt und zu Formstücken geformt,
die als Deckel oder Boden für aus Papier gewickelte Dosen
geeignet sind.
Es wurden 1 kg Celluloseacetat in 9 kg Aceton gelöst. Zu der
Lösung wurde 1 kg native Stärke zugegeben. Das erhaltene
Organosol wurde vergossen und das Aceton verdampft. Es entstand
eine Folie mit guten Festigkeitseigenschaften.
Die Abbaubarkeit von Kunststoffen wird überprüft in einem
Erdeingrabeversuch. Dazu wird ein Probekörper mit den Abmessungen
45×22×2 mm, der aus einem Kern aus Aluminium und
einer Beschichtung aus dem zu untersuchenden biologisch
abbaubaren Kunststoff besteht, in Erde eingegraben. Die Erde
hat die folgende Zusammensetzung:
Biologisch-organischer Kohlenstoff|29,0% | |
Organischer Stickstoff | 0,2% |
Organische Substanz | 50,0% |
pH | 5,5-6,5 |
Widerstand (Leitfähigkeit) | 2000 Ω |
Trockenbestandteil des Bruttogewichtes (bestehend aus Kulturtorf, pflanzlichen Produkten) | 37,0% |
Organischer Anteil des Bruttogewichtes | 20,0% |
Wasseraufnahmefähigkeit | 600,0% |
Der Rest ist Sand und Wasser |
Der Versuch wird bei ca. 20°C durchgeführt. In Zeitintervallen
wird der Masseverlust der Probe bestimmt, das heißt, der
Verlust an Gewicht pro m² Oberfläche. Der Versuch wurde
durchgeführt mit folgenden polymeren Werkstoffen: CA=Celluloseacetat,
CP=Cellulosepropionat, CAB=Celluloseacetobutyrat
und PCL=Polycaprolacton (Vergleich) sowie jeweils
einer erfindungsgemäßen Kombination von biologisch abbaubarem
Werkstoff und Stärke. Die ergebnisse sind den beigefügten
Fig. 1 bis 4 zu entnehmen.
Fig. 1 zeigt den Masseverlust von Probekörpern, die mit
Celluloseacetat allein (CA) beziehungsweise mit Celluloseacetat
in Kombination mit 50% Stärke beschichtet sind.
Fig. 2 zeigt den Masseverlust von Probekörpern, die mit
Cellulosepropionat (CP) allein beziehungsweise einer Kombination
von 50% Stärke und Cellulosepropionat beschichtet
sind.
Fig. 3 zeigt den Masseverlust von Probekörpern, die mit CAB
(Celluloseacetobutyrat) allein beziehungsweise einer Kombination
von 50% Stärke und Celluloseacetobutyrat beschichtet
sind.
Fig. 4 zeigt den Masseverlust von Probekörpern, die mit
Polycaprolacton allein beziehungsweise Polycaprolacton mit 50%
Stärke beschichtet sind.
In den Diagrammen ist jeweils der Masseverlust aufgetragen
gegen die Zeit (in Tagen). Ein Vergleich der Diagramme zeigt,
daß die erfindungsgemäße Kombination eines biologisch abbaubaren
Werkstoffs mit Stärke ausgezeichnete Abbauraten
aufweist, die gegenüber dem jeweiligen Cellulosederivat
alleine stark erhöht sind. Die Ergebnisse der einzelnen
Cellulosederivate allein beziehungsweise in Mischung mit 50%
Stärke sind nochmals einander gegenübergestellt in Fig. 5.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung, in der die
Abbauraten in g/m² pro Jahr aufgetragen sind.
Claims (10)
1. Biologisch abbaubarer Werkstoff, enthaltend 30 bis 85 Gewichtsprozent
eines biologisch abbaubaren Kunststoffs auf
Basis Polysaccharid, 15 bis 70 Gewichtsprozent native
Stärke oder unmodifizierte Cellulose, sowie gegebenenfalls
übliche Hilfsstoffe, erhältlich dadurch, daß man den biologisch
abbaubaren Kunststoff bei einer Temperatur im
Bereich vom Schmelzpunkt des Kunststoffs bis zu etwa 240°C
aufschmilzt, gleichzeitig oder anschließend die Stärke bzw.
unmodifizierte Cellulose zugibt, wobei der Wassergehalt der
Stärke 15% nicht übersteigt, das Gemisch granuliert und das
Granulat dann in üblicher Weise formt, oder daß man den
biologisch abbaubaren Kunststoff in einem Lösungsmittel,
das die Stärke nicht lösen kann, löst, der Lösung dann die
Stärke zugibt und das erhaltene Organosol in an sich
bekannter Weise formt.
2. Werkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der biologisch abbaubare Kunststoff ein thermoplastisches
Derivat von Cellulose ist.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der biologisch abbaubare Kunststoff Celluloseacetat,
Cellulosepropionat, Cellulosebutyrat, Celluloseacetobutyrat
oder Ethylcellulose ist.
4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
als native Stärke Kartoffelstärke verwendet wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines biologisch abbaubaren
Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
man den biologisch abbaubaren Kunststoff aufschmilzt,
gleichzeitig oder anschließend die Stärke bzw. unmodifizierte
Cellulose zugibt, das Gemisch granuliert und
das Granulat dann in üblicher Weise formt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
man den Kunststoff mit der Stärke bzw. der unmodifizierten
Cellulose vermischt und den Kunststoff in
Gegenwart der Stärke bzw. unmodifizierten Cellulose
aufschmilzt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Formgebung durch Verpressen, Spritzguß oder Extrusion
erfolgt.
8. Verfahren zur Herstellung eines biologisch abbaubaren
Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
man den biologisch abbaubaren Kunststoff in einem
Lösungsmittel, das die Stärke nicht lösen kann, löst,
der Lösung dann die Stärke zugibt und das erhaltene
Organosol in an sich bekannter Weise formt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
man das Organosol unter Austreiben des Lösungsmittels
durch Streichen, Gießen, Rakeln oder Spritzen formt.
10. Verwendung eines biologisch abbaubaren Werkstoffs nach
eionem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verpackung von Lebensmitteln,
Kosmetika und Reinigungsmitteln.
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