DE69316585T2

DE69316585T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faserigem material aus staerke

Info

Publication number: DE69316585T2
Application number: DE69316585T
Authority: DE
Inventors: Catia I-28100 Novara Bastioli; Bruno I-28062 Cameri Casale; Gino I-28067 Pernate Zanardi
Original assignee: Cerestar Holding BV
Current assignee: Cerestar Holding BV
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-10-11
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2013-10-12
Also published as: NO942255L; RU2113559C1; ATE162561T1; JP3345013B2; FI102772B1; FI942851A; EP0617742A1; AU5150693A; IT1256971B; ITTO920837A0; DE69316585D1; ITTO920837A1; CA2125977C; JPH07502312A; FI942851A0; DK0617742T3; EP0617742B1; WO1994009190A1; FI102772B; AU669225B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von faserigen Stärkematerialien, die insbesondere zur Verwendung zur Herstellung von Papier und Pappe vorgesehen sind.
Es ist bekannt, daß wäßrige Kolloiddispersionen von Stärke in typischen Konzentrationen von 5 bis 40 Gew.-% Trockenmasse dann, wenn sie mit Nichtlösungsmitteln (z.B. einer Kochsalzlösung von Ammoniumsulfat) in Kontakt gebracht werden, unter Bildung Gelflocken koagulieren. US-A 4 243 480 beschreibt ein solches Verfahren. GB-A 2 258 251 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Stärkebreis, das umfaßt, daß man eine wäßrige Stärkesuspension durch Düsen erwärmt, diese in einen ersten Strom eines Koagulierungsmittels injiziert, um den Brei zu erhalten und den Brei in der eigenen Mutterlauge reifen läßt.
U.S. Patent Nr. 4 205 025 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Fibrillen, die als Papierbrei verwendet werden, unter Verwendung von fumbildenden Polymeren, einschließlich von im wesentlichen wasserlöslichen Stärken. Unter dem Ausdruck "Fibrillen" sind Materialien zu verstehen, die eine Hybridmorphologie zeigen, die zwischen einem Film und einer Faser liegt. Das filmbildende Polymer wird in Wasser gelöst, um eine Lösung zu bilden, die dann in ein Ausfällungsmittel injiziert wird, bevorzugt ein organisches Nichtlösungsmittel, wie einen Alkohol oder ein Keton, unter Anwendung von Scherspannung um die Bildung von Fibrillen zu erreichen, die dann durch nachfolgende Behandlung in einem unlöslich machenden Mittel hydrophober gemacht werden.
U.S. Patent Nr. 4 340 442 beschreibt ein Verfahren zur Bildung von Fibrillen, bei dem, um die hydrophoben Eigenschaften der Fibrillen zu verbessern, Stärke, die in Wasser unlöslich ist, mit einem hohen Amylosegehalt (50 bis 80 Gew.-%) verwendet wird, die in einer Kochsalzlösung koaguliert wird, insbesondere in Ammoniumsulfat. Diese Stärke, die im wesentlichen in Wasser unlöslich ist, erfordert eine Stufe, in der sie in alkalischer Lösung gelöst wird, was Probleme während der Koagulierungsstufe und Probleme im Hinblick auf die Entsorgung von anderen Sulfaten als Ammoniumsalzen, die in dieser Stufe gebildet werden, verursacht.
U.S. Patent Nr. 4 139 699 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes mit einer Stärkefasermorphologie durch Extrusion einer kolbidalen Stärkedispersion mit einem hohen Amylopeptingehalt in einem Koagulierungsmittel. Wenn eine Stärke mit einen Amylopeptingehalt von weniger als ungefähr 95% verwendet wird, ist es notwendig, die Stärke chemisch zu modifizieren, um eine kolloidale Dispersion in dem wäßrigen System sicherzustellen oder alternativ muß die Stärke in Gegenwart von Alkalihydroxiden gelöst werden.
Die Verwendung von Alkalihydroxiden, insbesondere Natriumhydroxid, macht die industrielle Anwendung des beschriebenen Verfahrens schwierig, da die Koagulationsstufe, die unter Verwendung von Ammoniumsulfat durchgeführt wird, zur Erzeugung von Ammoniak und Bildung von großen Mengen an Natriumsulfat führt, was die Koagulierung verhindert und Probleme im Hinblick auf die Entsorgung verursacht.
U.S. Patent Nr. 4 243 480 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Produkt verwendet wird, das gemäß dem in U.S. Patent Nr. 4 139 699 beschriebenen Verfahren erhalten wird, zur Herstellung von Papier oder Pappe mit üblicher Papierherstellungstechnologie. Die Morphologie dieses Produktes sind kurze Fasern mit einem Durchmesser von 10 bis 500 µm und einer Länge von 0,1 bis 3 mm, die durch Extrudieren der Stärkedispersion durch eine Düse in ein sich bewegendes Koagulationsbad erhalten werden.
U.S. Patent Nr. 4 853 168 beschreibt ein Verfahren der in U.S. Patent Nr. 4 139 699 beschriebenen Art, bei dem die kolloidale Stärkedispersion, die zur Extrusion vorgesehen ist, erhalten wird, indem eine wäßrige Stärkedispersion, die die koagulierende Kochsalzlösung enthält, gekocht wird.
In der oben zitierten Patentliteratur und in praktischen Versuchen können verschiedene bekannte Vorrichtungen verwendet werden, um die Stärkelösung oder -dispersion fein zu zerkleinern und dadurch einen engen Kontakt mit dem Koagulierungsmittel zu begünstigen, z.B. Zerstäuberdüsen, Saugstrahlpumpen, Mischer mit Rührern, Spinndüsen oder Spritzen. Es wurde jedoch experimentell gezeigt, daß die verwendete Vorrichtungsart das koagulierte Endprodukt und seine Eigenschaften stark beeinflußt. Vorrichtungen, in denen die Stärke unter stark turbulenten Bedingungen koaguliert wird (z.B. bei Saugstrahlpumpen) oder bei denen es kein geordnetes Geschwindigkeitsprofil gibt (Mischer mit Rührern) erzeugen keine Produkte mit einer faserigen Struktur, sondern rufen eine Fragmentierung der Stärke unter Bildung von flachen Schuppen (die aufeinander gerollt sind) oder ein dreidimensionales Aggregat hervor.
Die Dimensionen dieser nicht faserigen Produkte variieren je nach Betriebsbedingungen und beeinflussen die Eigenschaften davon. Bei dem Produktsverfahren gehen sehr kleine Teilchen während der Abtrennung verloren und verlangsamen den Filterbetrieb, indem sie das Gewebe verstopfen; wenn sie zur Herstellung von Papier verwendet werden, werden sie nicht auf dem flachen Gewebe zurückgehalten mit entsprechendem Verlust von Stärke in dem Papier und einem Anstieg der COD in dem Abwasser der Papierfabrik. Andererseits integrieren sich sehr große Teilchen nicht in den Fasern der Cellulosematrix, was zu Fehlern in dem hergestellten Papier führt.
Ein anderer negativer Aspekt, der für Fibride, die mit den vorher beschriebenen Verfahren erhalten wurden, nachgewiesen ist, besteht in einer ziemlich hohen Wasserretention und ziemlich hohen Löslichkeitswerten.
Ein weiteres Produkt, das aus Stärke durch Koagulationsverfahren erhalten wird, das aber eine Fasermorphologie aufweist, vermindert teilweise die oben aufgeführten Nachteile, da es aufgrund seiner faserigen Struktur die Kompatibilität mit den Cellulosefasern erhöht, die Wasserretention vermindert, sodaß es leichter filtrierbar ist und die Löslichkeit vermindert, da es eine geringere spezifische Oberfläche hat.
Es wäre daher wünschenswert, wenn die Herstellung eines Produktes mit einer Fasermorphologie zur Verfügung stünde, mit solchen Dimensionen, einer solchen Größenverteilung und solchen physikalisch-chemischen Eigenschaften, daß es zur Herstellung von Papier und Pappe geeignet wäre und zusätzlich aus billiger Stärke erhältlich wäre, wie Stärke aus Mais oder Kartoffeln, ohne alkalische Lösungen von Stärke für die verwendete Stärke übernehmen zu müssen.
Im Hinblick darauf ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Stärkematerial, das umfaßt, daß man eine wäßrige Dispersion oder Lösung von Stärkematerial herstellt und diese in eine Lösung eines kochsalzhaltigen koagulierenden Mittels extrudiert, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die wäßrige Dispersion oder Lösung des Stärkematerials durch eine mikroporöse Rohrwand einer Kammer, die mit dieser mikroporösen Wand kreisförmig umgeben ist, in einen ringförmigen Austauschraum extrudiert, durch den die Lösung des Koagulierungsmittels fließen gelassen wird, wobei der Kontakt der fließenden Koagulierungsmittellösung mit der Dispersion oder Lösung des extrudierten Stärkematerials das Stärkematerial unter Bildung einer faserigen Struktur koaguliert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine faserherstellende Vorrichtung, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß sie:
- einen röhrenförmigen Körper, der eine erste Eintrittseinrichtung zur Beschickung mit dem Strom des Stärkematerials umfaßt,
- eine Beschickungskammer für das Stärkematerial, die mit der ersten Eintrittseinrichtung verbunden ist,
- eine ringförmige Auslaßkammer für das Stärkematerial
- ein röhrenförmiges Element mit porösen Wänden, das koaxial zu der Auslaßkammer angeordnet und zwischen diese und die Beschickungskammer zwischengeschaltet ist, das dazu ausgebildet ist, durch die porösen Wände in der Auslaßkammer eine Vielzahl von Fäden aus Stärkematerial zu extrudieren, die eine Umhüllung um das röhrenförmige Element bilden,
- eine zweite Eintrittseinrichtung, die mit der Auslaßkammer verbunden ist zur Zuführung des Koagulationsmittelstroms und
- eine Einrichtung zum Austragen, die stromabwärts der ringförmigen Auslaßkammer angeordnet ist.
Es wurde gefunden, daß es durch Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich ist, ein Produkt zu erhalten, das ein Formverhältnis mit einer besonders engen Größenverteilung zeigt mit einem Schwerpunkt bei 75 bis 100 µm und mit einer Wasserlöslichkeit, die durch den "Anthron-Test", der später beschrieben wird, bestimmt wird, von weniger als 2% und einer geringen Wasserretention. Andere Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens, der Vorrichtung und des erfindungsgemäß erhaltenen Produktes werden im Detail im folgenden näher erläutert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, worin
- Figur 1 ein Fließdiagramm der Anlage zur Durchführung des Verfahrens darstellt,
- Figur 2 einen Querschnitt der Faserherstellungsvorrichtung der Erfindung zeigt,
- Figur 3 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Faserherstellungsvorrichtung zeigt und
- Figur 4 ein vergrößertes Detail eines Teils der Figuren 2 und 3 ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung in Figur 1 zeigt 1 eine gerührte Dispersion zur Herstellung der Stärkesuspension in Wasser mit einem Trockengewicht, das typischerweise bei 5 bis 50 Gew.-% und bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% liegt. Die zur Herstellung der Suspension verwendete Stärke ist bevorzugt natürliche Stärke, wie Stärke aus Mais, Reis, Tapioka, Kartoffeln, mit einem Amylopektingehalt von 30 bis 100%. Besonders bevorzugt ist Maisstärke, die in großen Mengen auf dem Markt erhältlich ist, mit einem typischen Amylopektingehalt von 64 bis 80 Gew.-%. Im Schutzbereich der Erfindung kann auch eine Stärke mit einem hohen Amylosegehalt, wie Amylomais und chemisch oder physikalisch modifizierte Stärke verwendet werden.
Die Stärkesuspension kann auch Additive wie Salze (z.B. koagulierende kochsalzhaltige Mittel, wie in U.S. Patent Nr. 4 853 168 beschrieben), alkalische Mittel, organische Füllstoffe oder Mineralien, Vernetzungsmittel, Weichmacher, Polyoxyethylen, Polyvinylalkohol, ionomere Polymere, wie Copolymere von Ethylen und Acrylsäure und/oder Maleinsäureanhydrid, Polyacrylate, Polyamide, Gleitmittel, wie Lecithin, Fettsäuren, Ester und Amide von Fettsäuren, enthalten.
Die Suspension, die in dem Dispergator unter Rühren auf Umgebungstemperatur gehalten wird, wird dann über eine Zahnradpumpe 2 in einen Düsenkocher gepumpt, der mit 3 bezeichnet ist, wo sie im Gleichstrom mit Dampf auf solche Weise vermischt wird, daß die gewünschte Kochtemperatur erreicht wird. Das Düsenkochverfahren ist an sich bekannt und betrifft das sofortige Erhitzen der wäßrigen Suspension mit Verfahrensdampf und das Aufrechterhalten der erhitzten Flüssigkeit über einen vorbestimmten Zeitraum. Die Kochtemperatur, im allgemeinen zwischen 90 und 180ºC, wird je nach der spezifischen verwendeten Stärke im Verlauf des Verfahrens ausgewählt. Insbesondere sollte darauf geachtet werden, daß eine übermäßig hohe Temperatur vermieden wird, die einen Abbau des Stärkematerials verursacht, wobei gleichzeitig sichergestellt werden soll, daß die Temperatur, die angewendete Scherzeit und die Standzeit so sind, daß es möglich ist, eine Dispersion nahe einer vollständigen Gelierung zu erhalten.
Am Auslaß des Düsenkochers wird die Stärkedispersion oder Lösung, die dem Kochen unterworfen wurde, gesammelt, wobei in einem ausgekleideten gerührten Reaktor 4 gerührt wird, wobei Wasser mit einer Temperatur von etwa 100ºC in dem Mantel zirkuliert wird. Eine Entspannung wird in diesem ausgekleideten Tank bewirkt, um überschüssigen Dampf freizusetzen und die Stärke/Wasser-Konzentrationen in die Nähe der Anfangskonzentrationen zu bringen.
Aus dem Reaktor 4 wird die Stärke über eine Pumpe 5 in einen Wärmeaustauscher 6 gepumpt, wo sie auf eine Temperatur von 20 bis 100ºC, bevorzugt 40 bis 70ºC gebracht wird. Aus dem Wärmeaustauscher wird die Stärke in eine Faserherstellungsvorrichtung der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Arten geleitet, die im folgenden beschrieben sind, in die eine kochsalzhaltige koagulierende Lösung injiziert wird. Die Salze, die innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung verwendet werden können, umfassen Ammoniumsulfat, Magnesiumsulfat, Aluminiumsulfat, Ammoniumphosphat, Kaliumchlorid, Natriumsulfat, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat und Ammoniumchlorid. Die bevorzugte Kochsalzlösung ist eine gesättigte Lösung von Ammoniumsulfat, obwohl es nicht notwendig ist, gesättigte Gehalte der oben erwähnten Salze zu erreichen und es auch möglich ist, Konzentrationen, die unter dem Sättigungswert liegen, zu verwenden.
Die in der Faserherstellungsvorrichtung erhaltenen Stärkefasern werden in einem gerührten Reaktor 8 gesammelt, um sie einer Reifung und anschließend einem Dekantieren zu unterziehen. Sobald das Dekantieren durchgeführt wurde, wird die geklärte Substanz zurückgeführt mit Hilfe einer Pumpe 9 und mit einer gesättigten Kochsalzlösung des Koagulierungsmittels vermischt, bevor sie zum Ziehen der Stärke wiederverwendet wird.
Die geklärte Substanz, die in der Anlage als Koagulierungsmittel zirkuliert, enthält die Kochsalzlösung und die feinsten Fasern, die aufgrund ihrer kleinen Dimensionen nicht in den Sammelbehälter dekantiert werden.
Die Masse der Fasern aus Reaktor 8 wird mit Hilfe der Pumpe 10 auf ein Filter 11 gepumpt. Die Fasern werden dann in einem Behälter 12 gesammelt, während das Filtrat dem Behälter 13 zugeführt wird, wo es mit der geklärten Substanz aus Pumpe 9 vermischt wird, wobei anschließend Sulfat zugegeben wird, um die Kochsalzlösung zurückzuführen&sub1; die dazu geeignet ist, der Faserherstellungsvorrichtung 7 zugeführt zu werden.
Durch Verwendung einer geeigneten Anzahl von Reaktoren 8 zum Reifen und Dekantieren ist es möglich, daß das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, wodurch Stärkefasern erhalten werden, die direkt auf dem Filter gewaschen werden können oder einfach filtriert und anschließend gewaschen werden können.
Die Faserherstellungsvorrichtung 7, in der Ausführungsform von Figur 2, umfaßt einen Rohrkörper 14 mit mindestens einem Einlaß 15, der unter normalen Bedingungen zur Beschickung mit Stärkematerial verwendet wird, einen Einlaß 16, der dazu vorgesehen ist, das Koagulierungsmittel zuzuführen und einen Auslaß 17, um die hergestellten Stärkefasern nach der Koagulation zu entnehmen.
Aus dem Einlaß 15 wird das Stärkematerial in eine Röhrenleitung 18 getaucht, die teilweise in einer Wand 19 endet, die mit radialen Löchern versehen ist. Der mit Löchern versehene Wandteil 19 dient als Verteiler der Stärkematerialströmung hin zur Beschickungskammer 21.
Das röhrenförmige Element mit mikroporösen Wänden, das zum Extrudieren des Stärkematerials aus der Beschickungskammer 21 in die Ringkammer 23, die koaxial dazu angeordnet ist, geeignet ist, ist mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet. Die Kammer 23 ist von der radial äußeren Oberfläche des Elements 22 und der radial inneren Oberfläche des Körpers 14 getrennt.
Das Röhrenelement 22 kann aus einem Körper aus porösem gesinterten Metallmaterial bestehen, in dem die Verteilung der porösen Dimension bevorzugt zwischen 10 und 500 µm liegt.
Alternativ ist das Röhrenelement 22 ein Körper aus Metallmaterial, z.B. rostfreiem Stahl, der mit einer Anzahl von radial sich erstreckenden Löchern versehen ist, die durch mechanische Bearbeitung erhalten wurden, und der mindestens einen schmalen Durchflußbereich hat mit Öffnungen mit einer Dimension, die bevorzugt zwischen 10 und 500 µm liegt. Bevorzugt haben die radialen Löcher einen Querschnitt, wie in Figur 4 dargestellt, mit einem Anteil 24 des Einlasses für das Stärkematerial mit einer engen Öffnung, typischerweise 10 bis 500 µm und einem Anteil 25 zum Auslaß des Stärkematerials mit einer größeren Öffnung, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 mm.
Die Dichte der Öffnungen an der Extrusionsoberfläche (die als Oberfläche des Röhrenelements in Kontakt mit dem Koagulierungsmittel vorgesehen ist), ausgedrückt als Verhältnis der Anzahl von Löchern zu Oberfläche liegt bevorzugt zwischen 4 und 0,05 Löchern/mm².
Das durch die Einlaßöffnung 16 zugeführte Koagulierungsmittel fließt durch das ringförmige Element 26 mit einem Aufsatz von axialen Löchern 27, die als Verteiler dienen, und wird in die erste ringförmige Kammer 28, die durch Wände 14 der Faserherstellungsvorrichtung und ein Röhrenelement, das koaxial zu dem Körper 29 ist, begrenzt wird, geführt. Aus der Kammer 28 wird die Strömung in die ringförmige Kammer des Auslasses 23 geführt, parallel zu der sich radial erstreckenden äußeren Oberfläche des mikroporösen Röhrenelements 22, wo die Strömung des Koagulierungsmittels mit der Extrusionsströmung des Stärkematerials eine Wechselwirkung ergibt.
Das Stärkematerial wird in Form einer Vielzahl von Fäden extrudiert, die die Extrusionsoberfläche in Gestalt eines röhrenförmigen Films umgeben.
Bevorzugt wird die Fließgeschwindigkeit des kochsalzhaltigen koagulierenden Mittels in dem ringförmigen Bereich der Auslaßkammer 23 zwischen 1 und 15 m/s gehalten.
Das Reckverhältnis, das das Verhältnis von Fließgeschwindigkeit des Koagulierungsmittels in dem ringförmigen Abschnitt der Kammer 23 zu der Geschwindigkeit des Stärkematerials am Auslaß der Löcher der mikroporösen Wand sein soll (definiert als Verhältnis von Strömungsrate des Stärkematerials zu dem Gesamtabschnitt in den Löchern des Auslasses) liegt allgemein zwischen 1 und 1000, bevorzugt 100 und 1000. Bevorzugt ist die axiale Länge der Auslaßkammer 23 so, daß eine Verweilzeit des Stärkematerials von 5 bis 15 ms erhalten wird. In jedem Fall muß die axiale Länge der Kammer 23, in der das Stärkematerial gezogen wird, so sein, daß eine Orientierung des Stärkematerials verursacht wird, die gleichzeitig eine vollständige Phasenumkehr zuläßt.
Am Auslaß der Kammer 23 wird die extrudierte Strömung in eine ringförmige Kammer 30 geführt mit einem in Fließrichtung zunehmend sich vergrößernden Querschnitt.
In der Ausführungsform der Faserherstellungsvorrichtung, die in Figur 3 dargestellt ist, wird die Strömung der Stärkematerialien durch einen Einlaß 31 in eine ringförmige Kammer 32 geführt, die durch die Wände des Körpers 14 und das Röhrenelement 33 mit mikroporösen Wänden begrenzt wird. Die Strömung des Stärkematerials folgt der radialen Richtung hin zum Inneren durch die Wände des Elements 33 in die ringförmige Auslaßkammer 34, die zwischen dem Röhrenelement 33 und einem zentralen Kern 35, der mit dem Körper koaxial ist, angeordnet ist. Die Strömung des Koagulierungsmittels wird über einen Einlaß 36 und in eine Vorkammer 37 geführt, sie fließt in eine Kammer 40 durch Löcher 39 eines ringförmigen Elements 38 und aus Kammer 40 wird sie in die Auslaßkammer 34 mit einem engen Querschnitt in Fließrichtung geführt.
In dieser Ausführungsforn bleibt der Abschnitt der Löcher des mikroporösen Elements 33 der gleiche, wie in Figur 4. In diesem Fall wird die Strömung des Stärkematerials jedoch von einem größeren zu einem kleineren Querschnitt bewegt, was eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Stärke und eine Querschnittsverminderung der Stärkefäden bewirkt. Das Material, das die Löcher verläßt, wird durch die Koagulierungsmittelströmung in der ringförmigen Kammer 34 koaguliert. Es wurde beobachtet, daß die besten Bedingungen für die Koagulation dann vorliegen, wenn das Reckverhältnis bevorzugt zwischen 1 und 150 liegt, wobei die Ausflußgeschwindigkeit des Stärkematerials aus den Löchern in den mikroporösen Wänden 33 bevorzugt zwischen 0,1 und 1 m/s liegt.
Die Faserherstellungsvorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, bietet bemerkenswerte Vorteile, wie:
- Sie liefert durch Koagulation eines Stärkematerials ein Produkt mit einer faserigen Struktur.
- Ihre Struktur mit einer zylindrischen Symmetrie garantiert die Gleichmäßigkeit der mechanischen Fließbedingungen, was mögliche Nebenwirkungen ausschließt;
- Ihre Geometrie ist vollständig bekannt und daher sind Projektbewertungsmerkmale verfügbar.
- Die Kenntnis der oben erwähnten Bewertungsmerkmale läßt die Maßstabsvergrößerung zu.
Weitere Vorteile, die sich durch die Verwendung der obigen Faserherstellungsvorrichtung ergeben, werden in den folgenden Beispielen beleuchtet.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer Anlage, wie sie unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurde, wurden Maisstärkefasern erhalten, wobei unter den folgenden Bedingungen gearbeitet wurde:
- Stärkekonzentration der Dispersion: 15 Gew.-% (wasserfreie Stärke)
- maximale Kochtemperatur im Düsenkocher: 115ºC (bevorzugter Temperaturbereich 100 bis 130ºC)
- Temperatur der Stärke am Einlaß der Faserherstellungsvorrichtung: 60ºC
- Kochsalzlösung Ammoniumsulfat: 41 Gew.-%
- Temperatur der Kochsalzlösung am Einlaß der Faserherstellungsvorrichtung: 21ºC
- maximale Geschwindigkeit der Kochsalzlösung in der Auslaßkammer der Faserherstellungsvorrichtung: 7 m/s
- Strömungsrate der Stärke nach dem Kochen: 48 l/h
- Faserherstellungsvorrichtung, wie in Figur 2 dargestellt, mit einer Extrusionssintervorrichtung bestehend aus gesintertem Metall mit einer Porosität von 40 µm (durchschnittlicher Durchmesser der Poren)
- Länge der Auslaßkammer (23,24) der Faserherstellungsvorrichtung: 10 cm
- durchschnittliche Reifungszeit vor dem Filtrieren: 4 Stunden
Bei Durchführung des Verfahrens mit den oben erwähnten Bedingungen wurden Stärkefasern erhalten mit der folgenden Größenverteilung, die mit der Bauer-McNett-Vorrichtung gemessen wurde, ausgedrückt in Gew.-%:
595 µm (28 mesh)%: 0,3
297 µm (40 mesh)%: 3,1
149 µm (100 mesh)%: 68,5
74 µm (200 mesh)%: 21,3
größer 200 mesh x 100: 6,8
Die Bestimmung der Eigenschaften der Löslichkeit und der erhaltenen Faser wurden unter Verwendung des folgenden Verfahrens durchgeführt: Die Filterplatten, die aus der Anlage kommen, werden gewaschen; 100 g des Filterkuchens werden in Wasser (500 ml) durch mechanisches Rühren mit einem Glasankerrührer unter den folgenden Bedingungen dispergiert:
Becher mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Höhe von 20 cm: mechanischer Glasankerrührer (1 = 40 cm, Rührblatt 1 = 8 cm, Höhe = 8 cm);
Temperatur = 20ºC; Rührzeit 30 Minuten; Drehgeschwindigkeit 500 Upm.
Die erhaltene Dispersion wird auf einen Bruckner-Filter mit einem Durchmesser von 30 cm in Gegenwart eines Papierfilters bei einem Vakuum von 10 mm Hg filtriert.
Die Flüssigkeit wird zweimal auf der gleichen Platte filtriert. Die Platte wird dann mit 500 ml H&sub2;O gewaschen. Das Verhältnis von Stärke zu Wasser in der Waschlösung ist 1:10.
Die Bestimmung der Löslichkeit wird an dem filtrierten Produkt durchgeführt, um es von dem Wasser zu trennen, und es wird gewaschen, um das Koagulierungsmittel zu entfernen. Das Produkt wird in Wasser in einem üblichen Laborstofflöser dispergiert (Trockenkonzentration 0,2%, Drehgeschwindigkeit 3000 Upm); eine Probe wurde nach 4 Stunden entnommen und danach auf einem 8 µm-Filterpapier filtriert, die Stärke in der Lösung wurde mit dem Reagenz "ANTHRON" (0,2%ige Lösung von Anthron in 96% H&sub2;SO&sub4;) gemessen.
Der Löslichkeitswert, der mit der oben zitierten Methode auf den Filterplatten, die gemäß dem Beispiel erhalten wurden, bestimmt wurde, ist geringer als 1,5%.
Die morphologischen Eigenschaften der erhaltenen Faser sind in Figur 4 dargestellt.

Beispiel 2

Der Test gemäß Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei nur die Eigenschaften des mikroporösen gesinterten Filters variiert wurden, der in diesem Fall aus einem gesinterten Metallrohr mit Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 100 µm bestand. Es wurden Fasern erhalten mit der folgenden Größenverteilung, ausgedrückt in Gew.-%:
595 µm (28 mesh)%: 0,3
297 µm (40 mesh)%: 0,9
149 µm (100 mesh)%: 63
74 µm (200 mesh)%: 25,2
größer 200 mesh x 100: 10,6
Die Ergebnisse zeigen, daß der durchschnittliche Durchmesser der Poren die Faserverteilung, die bei 100 und 200 mesh erhalten wird, nicht in relevanter Weise beeinflußt.
Die Löslichkeitswerte, die mit der Methode von Beispiel 1 erhalten wurden, sind wiederum kleiner als 1,5%, wie im vorhergehenden Fall.

Beispiel 3 (Vergleich)

Die Eigenschaften der Fasern, die bei dem Test in Beispiel 1 erhalten wurden, werden verglichen mit Fibriden, die mit anderen Faserherstellungsvorrichtungen erhalten wurden, insbesondere einer Saugstrahlpumpe und einer Spinndüse.
Die Verfahrensbedingungen sind die gleichen wie in Beispiel 1.
Die erste Faserherstellungsvorrichtung besteht aus einer Saugstrahlpumpe, die mit 8 Löchern mit einem Durchmesser von 1 mm ausgestattet ist, für den Einlaß der Stärke mit einer Neigung von 450 bezüglich der Pumpenachse, der in der Vertiefung angeordnet ist. Die Geschwindigkeit des Koagulierungsmittels (Ammoniumsulfat) in dem schmaleren Bereich ist 31 m/s und das Reckverhältnis (definiert als Verhältnis zwischen der maximalen Geschwindigkeit des Sulfats zu der der Stärke, die die Löcher verläßt) ist 47.
Die zweite Faserherstellungsvorrichtung besteht aus einer Spinndüse, die mit 113 Löchern mit einem Durchmesser von 0,5 mm ausgestattet ist; diese Spinndüse ist in einer Rohrleitung angeordnet und der ringförmige Aufsatz ist getrennt von der äußeren Oberfläche der Spinndüse und die inneren Wände der Rohrleitung werden mit dem Koagulierungsmittel, Ammoniumsulfat, beschickt: die Geschwindigkeit des Ammoniumsulfats und die des Stärkematerials, das die Löcher verläßt, sind parallel. Am Auslaß der Löcher wird das Stärkematerial mit dem Koagulierungsmittel in Kontakt gebracht; die gebildete Suspension tritt dann in einen zusammenlaufenden Teil (mit einem minimalen Durchmesser von 4 mm, was einer Sulfatgeschwindigkeit von 30 m/s entspricht) ein, worin die hohe Turbulenz die Koagulierung vervollständigt.
Tabelle 1 gibt den Vergleich der Faserverteilung für die verschiedenen Produkte an; wie festzustellen ist, gibt es bei den ausgestoßenen Fasern einen hohen Anteil feiner Teilchen (80%), der sich vermindert, wenn man zur Spinndüse und den Rohr kommt. Die Verteilungskurve ist auch verschieden für diese zwei Faserherstellungsvorrichtungen: sehr eng für die röhrenförmige (90% der Teilchen zwischen 100 und 200 mesh), größer für die Spinndüse.
Diese Größenverteilung, kombiniert mit der Teilchenform (ähnlich wie Fasern mit einem bemerkenswerten Formverhältnis, wie für Rohrsystem; mit hohem Filmgehalt, aufgerollt und ohne eine bevorzugte Richtung im Fall der Spinndüse) ist verantwortlich für das verschiedene Verhalten der beiden Produkte bei der Papierherstellung zusammen mit den Cellulosefasern. Tatsächlich wurde experimentell festgestellt, daß die aus der röhrenförmigen Faserherstellungsvorrichtung erhaltenen Produkte keine Probleme ergeben (bei der Formung oder Entwässerung) bei der Herstellung von Blättern im Labor, während die Verwendung des Produktes aus der Spinndüse, beginnend mit einem bestimmten Prozentsatz, Blätter mit Oberflächenfehlern und einer Tendenz, an der Blattformungsplatte zu haften, ergibt.
Tabelle 2 gibt den Prozentanteil an Stärke an, der auf dem Papierblatt, das im Labor mit der Rapid-Koethen-Vorrichtung hergestellt wurde, verbleibt, nach Dispersion der Cellulose- Stärkematerialpaste (mit 10% der letzteren) im Stofflöser 2 Stunden bei 3000 Upm bei Umgebungstemperatur. Wie angegeben hat das Produkt aus der röhrenförmigen Faserherstellungsvorrichtung die höchste Retention.
Tabelle 3 beleuchtet schließlich das Verhalten der zwei verschiedenen Produkte, wenn sie aus der Aufschlämmung nach der Koagulierung filtriert werden und gewaschen werden, bis das Ammoniumsulfat entfernt wurde, wobei die Konzentrationen der Aufschlämmung und die Reifungszeit gleich sind. Wie gezeigt haben die aus der röhrenförmigen Faserherstellungsvorrichtung erhaltenen Produkte eine doppelte Produktivität im Hinblick auf die aus der Spinndüse erhaltenen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Stärkefasern, die durch die vorher beschriebene Methode erhältlich sind, die die Eigenschaft haben, daß sie eine Löslichkeit von weniger als 2% und eine solche Dimensionsverteilung aufweisen, daß 90% eine Dimension haben, die im Bereich von 100 bis 200 mesh liegt, nach einer Klassierung mit der Bauer- McNett-Vorrichtung. Tabelle 1 SRC-Verteilung bei verschiedenen Faserherstellungsvorrichtungen Tabelle 2 Retention von Stärkefasern/fibriden im Papier Tabelle 3 Filterkapazität verschiedener Stärkefasern/fibride

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Stärkematerial, das umfaßt, daß man eine wäßrige Dispersion oder Lösung von Stärkematerial herstellt und diese in eine Lösung eines kochsalzhaltigen koagulierenden Mittels extrudiert, dadurch gekennzeichnet, daß man die wäßrige Dispersion oder Lösung des Stärkematerials durch eine mikroporöse rohrförmige Wand einer Kammer, die ringförmig von der mikroporösen Wand umgeben ist, in eine ringförmige Kammer extrudiert, durch die die Lösung des koagulierenden Mittels strömen gelassen wird, wodurch der Kontakt der strömenden Koagulierungsmittellösung mit der extrudierten Stärkematerialdispersion oder Lösung das Stärkematerial unter Bildung einer faserigen Struktur koaguliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die wäßrige Dispersion oder Lösung des Stärkematerials durch eine mikroporöse Wand extrudiert wird, die Löcher aufweist, mit mindestens einem Abschnitt mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 10 und 500 µm der eine Dichte von Extrusionsoberflächenlöchern zwischen 4 und 0,05 Löchern/mm² aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die wäßrige Dispersion oder Lösung des Stärkematerials durch eine mikroporöse rohrförmige Wand mit einem schmalen Einlaßabschnitt und einer Öffnungsgröße von 10 bis 500 µm zu einem größeren Auslaß mit einer Öffnungsgröße, die größer ist als die des schmalen Abschnitts, extrudiert, wobei das Reckverhältnis zwischen 100 und 1000 liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, worin die wäßrige Dispersion oder Lösung des Stärkematerials durch eine mikroporöse röhrenförmige Wand extrudiert wird mit einem schmalen Einlaßbereich und einer Öffnungsgröße von 10 bis 500 µm, der kleiner ist als die Größe der Öffnung des größeren Bereichs, wobei das Reckverhältnis zwischen 1 und 150 liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, worin die Standzeit des Stärkematerials in der ringförmigen Kammer zwischen 5 und 15 ms liegt.

6. Faserherstellungsvorrichtung, insbesondere zur Herstellung von Stärkefasern durch Extrusion einer Stärkematerialströmung in einen Strom eines Koagulierungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß sie:

- einen röhrenförmigen Körper (14) mit einer ersten Eintrittseinrichtung (15, 31) zur Zuführung des Stroms aus Stärkematerial

- eine Beschickungskammer für das Stärkematerial (21, 32) in Verbindung mit der ersten Eintrittseinrichtung,

- eine ringförmige Auslaßkammer (23, 34) für das Stärkematerial

- ein Röhrenelement (22, 33) mit porösen Wänden, das koaxial zu der Auslaßkammer (23, 34) angeordnet ist und zwischen die letztere und die Beschickungskammer (21, 32) zwischengeschaltet ist, das so ausgebildet ist, daß durch die porösen Wände in der Auslaßkammer eine Vielzahl von Fäden aus Stärkematerial extrudiert werden

- eine zweite Eintrittseinrichtung (16, 36) in Verbindung mit der Auslaßkammer zur Beschickung mit einer Koagulationsmittelströmung und

- eine Austragseinrichtung (17, 30), die stromabwärts der ringförmigen Auslaßkammer angeordnet ist und mit ihr verbunden ist, umfaßt.

7. Faserherstellungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrenelement mit poröser Wand (22, 33) aus einem gesinterten Metall mit Poren mit einer Verteilung zwischen 10 und 500 µm gebildet wird.

8. Faserherstellungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrenelement (22, 33) mit mikroporöser Wand ein zylindrisches Element mit löchrigen Wänden mit einer Vielzahl von radial hindurchgehenden Löchern (24, 25) ist, das mindestens einen engen Bereich mit einer Dimension zwischen 10 und 500 µm aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin die Poren in einer Flächendichte auf der Extrusionsoberfläche von 4 bis 0,05 Löchern/mm² vorhanden sind.

10. Faserherstellungsvorrichtung nach Anspruch 8, worin die ringförmige Auslaßkammer (23) des Stärkematerials koaxial zu der Beschickungskammer (21) und radial außerhalb davon ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die radialen Löcher einen Abschnitt (24), der mit der Beschickungskammer (21) verbunden ist, mit einer Öffnungsgröße, die zwischen 10 und 500 µm liegt, und einen Bereich (25), der mit der äußeren Kammer verbunden ist, mit einer Öffnungsgröße, die größer ist als die Größe der Öffnung des Abschnitts (24), umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die ringförmige Auslaßkammer (34) koaxial zu der Beschickungskammer (32) und radial innenliegend ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die radialen Löcher einen Abschnitt (24), der mit der Auslaßkammer (34) verbunden ist, mit einer Öffnungsgröße, die zwischen 10 und 500 µm liegt, und einen Abschnitt (25), der mit der Beschickungskammer (32) verbunden ist, mit einer Öffnungsgröße, die größer ist als die Öffnungsgröße des Abschnitts (24), umfassen.

14. Stärkefasern erhalten mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Löslichkeit von weniger als 2% und einer solchen Größenverteilung, daß 90% der Fasern eine solche Dimension haben, daß sie in dem Bereich von 100 bis 200 mesh liegen nach einer Klassierung mit der Bauer-McNett-Vorrichtung.