WO2023067161A1 - Verfahren zur herstellung einer alginatbasierten folie und alginatbasierte folie - Google Patents

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WO2023067161A1
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alginate
based film
mixture
producing
crosslinking
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PCT/EP2022/079419
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Annekathrin GRÜNEBERG
Juni Sun NEYENHUYS
Martin ZAHEL
Birgit Kießler
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Mujō Lab Ohg
Papiertechnische Stiftung (Pts)
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an alginate-based film with the method steps of producing a mixture, the mixture comprising the components alginate, plasticizer and solvent, spreading the mixture over the surface and drying the mixture, characterized in that the mixture has a crosslinking system consisting of a crosslinking agent and a crosslinking control agent.
  • the invention further relates to an alginate-based film for use as a packaging material, which has: crosslinked alginate, plasticizer and solvent, characterized in that the alginate-based film also has substances that are formed by chemical reactions between the components of the mixture.
  • Alginate or its profaned form alginic acid is the main supporting and structural polysaccharide of many marine brown algae and belongs to the biopolymers. As sustainably producible and ecologically attractive raw materials, these offer an opportunity to at least partially replace products with a problematic ecological balance (e.g. plastics) against the background of dwindling resources and previously used substances and processes that are harmful to the environment and health. Another advantage is the use of aqueous solvents for the production and processing of alginate-based biopolymers, there are no solvent vapors or waste that are harmful to the environment and health. The ability of alginates to form membranes and films opens up numerous perspectives for applications, particularly in the packaging industry.
  • the process according to the invention for producing an alginate-based film has three process steps: In the first process step, a mixture is produced, the mixture comprising the components alginate, plasticizer, crosslinking agent, crosslinking control agent and solvent.
  • Brown algae containing alginate and alginate obtained from bacteria are used for production.
  • the alginate varies in its molecular structure because it is a natural product.
  • the alginate is contained together with cellulose in the cell walls of brown algae and has short-chain and long-chain molecules (molar mass distribution).
  • molar mass distribution For the production of films, it is important to set the molar mass distribution in such a way that, on the one hand, the solids content of the mixture can be kept as high as possible with a lower viscosity for good processability (shorter molecules), but at the same time the mechanical properties of the film are sufficient for the target application (longer molecules).
  • Alginate has two types of monomers, mannuronic acid and guluronic acid, also called G blocks and M blocks.
  • the alginate used in the method according to the invention for the production of an alginate-based film contains M and G blocks in a ratio of preferably about 1:1.
  • the crosslinking agent acts to ionically bridge carboxyl groups of the alginic acid polymers found in both G and M blocks through the crosslinking agent.
  • the crosslinking agent is therefore preferably a salt with multivalent metal ions, which can be readily or poorly soluble or even non-soluble in the solvent.
  • the divalent Ca ion is preferably used for the crosslinking of the alginate polymers.
  • the resulting crosslinking with calcium is based on an ionic bond that is weaker than the covalent bond, which facilitates the biodegradation process. At the same time, crosslinking also ensures that water insolubility is achieved, which is important for many material applications.
  • Plasticizers are suitable for reducing the glass transition temperature as well as the hardness and brittleness of a plastic.
  • such an additive external plasticizer
  • These properties are particularly important for packaging materials.
  • Plasticizers work by being embedded in the polymeric material structure, where they lead to an increase in chain mobility. For this it is important that on the one hand the plasticizer can act as a solvent for the polymer and on the other hand it has a low vapor pressure so that the long-term stability of the material is not negatively influenced by sweating or evaporation. With this come different low-molecular substances or oligomers for use.
  • the plasticizer most frequently used in conventional plastics is, for example, diethylhexyl phthalate (DEHP) (also: dioctyl phthalate DOP).
  • DEHP diethylhexyl phthalate
  • this additive is not suitable for polar polymers such as alginic acid or other polysaccharides.
  • Low molecular weight or oligomeric polyalcohols such as glycols, glycerol and/or sorbitol are therefore preferably used as plasticizers to produce the mixture. These are non-toxic and biodegradable.
  • the components of the mixture are usually in liquid and/or powder form and are mixed with one another and homogenized in a suitable device, e.g. an extruder.
  • the mixture is distributed over a large area.
  • the mixture is applied directly to a substrate by an application unit (e.g. a sheet die, a roller, etc.) or forms a free-standing film.
  • an application unit e.g. a sheet die, a roller, etc.
  • the direct application to the carrier material avoids the entry of bubbles into the mixture.
  • a bubble-free film/coating is necessary to maintain its barrier function over the entire surface.
  • the mixture is dried.
  • the aim of drying is to dry the spread out and moist alginate-based film dimensionally stable in length and width and at the same time to dry it quickly, i.e. to remove the solvent from the alginate-based film with the lowest possible energy consumption.
  • the mixture has a crosslinking system which has a crosslinking agent and a crosslinking control agent.
  • the crosslinking agent contains the metal ions required for crosslinking in a dissociable form, while the crosslinking control agent can accelerate or delay the release of the metal ions into the solution, ie conversion into the crosslinking-active form.
  • a dissociable crosslinking agent is used and the crosslinking control agent has a higher affinity for salt formation with acid residue ions of the crosslinking control agent than with the acid residue ion of the crosslinking agent.
  • a salt is added to the mixture as a crosslinking control agent, which traps the released ions of the crosslinking agent and thus prevents crosslinking of the alginate monomers.
  • metal ions of the crosslinking agent are liberated and as the crosslinking control agent goes into solution, acid residue anions are liberated.
  • the liberated metal ions of the crosslinking agent together with the acid residue anions form a by-product which remains in the mixture.
  • the crosslinking control agent is suitable for retarding the ionic crosslinking of the alginate.
  • a substance is added to the mixture as a crosslinking control agent, which captures the released ions of the crosslinking agent and thus delays crosslinking of the alginate carboxyl groups.
  • metal ions of the crosslinking agent are liberated and as the crosslinking control agent goes into solution, acid residue anions are liberated.
  • the liberated metal ions of the crosslinking agent together with the acid residue anions form a by-product which remains in the mixture.
  • This precipitation reaction takes place until all acid residue anions have reacted with metal ions of the crosslinking agent and have precipitated, only then does the crosslinking reaction of the metal ions of the crosslinking agent with the alginic acid residue ion begin.
  • the delay time is dependent on the relative concentrations of crosslinking agent and crosslinking control agent and can therefore be precisely adjusted by appropriate choice of concentrations.
  • the crosslinking control agent is added to the mixture prior to the addition of the solvent.
  • the crosslinking reaction of the alginate chains in the mixture of alginate and crosslinking agent starts immediately after the addition of the solvent.
  • the mixture is liquid or at least viscous to gel-like.
  • Addition of the crosslinking control agent before addition of the Solvent prevents the cross-linking reaction of the alginate chains in the mixture.
  • the solvent is added last when the mixture is prepared in order to delay the crosslinking reaction of the alginate chains as much as possible and to be able to determine the precise point in time at which the crosslinking reaction of the alginate chains starts.
  • the mixture is mixed in an extruder, preferably in a screw extruder.
  • the mixing of the mixture in the extruder is carried out continuously by feeding the individual components of the mixture into the extruder at a continuous rate.
  • Extrusion using an extruder is a versatile process for processing elastomers and plastics in particular. As a continuous process, it is primarily used for the production of pipes, foils, panels, plastic sheathing for cables and profiles with a wide variety of cross-sections.
  • a screw extruder uses a screw shaft to generate the pressure required for extrusion. The snail is in the
  • the screw cylinder Its inner diameter corresponds to the outer diameter of the worm.
  • the outlet opening which is responsible for shaping the extrudate, is located on the screw barrel.
  • the mixture is heated during mixing.
  • the heating of the mixture is carried out in order to reduce the viscosity of the mixture on the one hand, the mixture is therefore easier to spread over a large area.
  • the heating reduces the formation of bubbles in the mixture.
  • the mixture is mixed under reduced pressure. This also reduces the formation of bubbles in the mixture.
  • the areal distribution takes place by means of a slot die.
  • Slot nozzle coating is a coating technique for applying thin layers of liquid to web-shaped substrates (paper, foil, fabrics, etc.) or piece goods (glass, metal plates, etc.).
  • the areal distribution is carried out by a roller. With the roller an even distribution of the mixture is achieved.
  • the areal distribution takes place on a carrier.
  • the carrier is a flat, web-like substrate which is designed in such a way that after the mixture has dried, the alginate-based film produced can be detached from the carrier.
  • the carrier is a paper, cardboard or cast fiber part from which the alginate-based film produced cannot be detached.
  • the mixture has a moisture content of at least 50% after the addition of the solvent.
  • the mixture has a maximum moisture content of 95% after the addition of the solvent. This moisture content ensures that the mix is flowable and the components in the mix are homogenized. At the same time, the drying time is limited.
  • the film has a thickness of at least 20 ⁇ m, preferably at least 50 ⁇ m, particularly preferably at least 100 ⁇ m, after it has been distributed over the surface.
  • the areal distribution preferably has a thickness of at most 3 mm.
  • the mixture has a material component (comprising alginate and plasticizer) before the addition of the solvent
  • the material component before the addition of the solvent has an alginate component of between 50 and 95% by weight, preferably between 65 and 90% by weight, particularly preferably between 75 and 85% by weight and one Plasticizer content between 5 and 50% by weight, preferably between 10 and 35% by weight, particularly preferably between 15 and 25% by weight.
  • the crosslinking system before the solvent is added, has a proportion of crosslinking agent of between 10 and 90% by weight, preferably 20 and 80% by weight, particularly preferably 30 and 70% by weight, and a proportion of crosslinking control agent of between 90 and 10% by weight, preferably 80 and 20% by weight, particularly preferably 70 and 30% by weight.
  • the mixture of alginate, plasticizer, solvent, crosslinking agent and crosslinking control agent has a solvent content of at most 95% by weight, preferably at most 90% by weight, particularly preferably at most 85% by weight.
  • the alginate-based film according to the invention for use as a packaging material has an ionically crosslinked alginate.
  • the alginate-based film has a crosslinking agent, a crosslinking control agent, a plasticizer and a solvent. Substances which are formed by chemical reactions between the components of the mixture can preferably also be present.
  • Alginate has two types of monomers, manuronic acid and guluronic acid, also called G blocks and M blocks.
  • the alginate used in the method according to the invention for the production of an alginate-based film contains M and G blocks in a ratio preferably of about 1:1.
  • the crosslinking agent initiates the crosslinking of the G blocks and M blocks according to the principle of ionic crosslinking.
  • the crosslinking agent is therefore preferably a salt which is readily soluble in the solvent used.
  • the crosslinking Alginate polymers used the divalent Ca ion.
  • the resulting crosslinking with calcium is based on an ionic bond that is weaker than the covalent bond, which facilitates the biodegradation process.
  • Plasticizers are suitable for reducing the glass transition temperature as well as the hardness and brittleness of a plastic. In this respect, such an additive makes the plastics mixed with it easier to process and form. Plasticizers can be qualitatively called a "molecular lubricant".
  • the alginate-based film also has salts that are formed by the solvent and a crosslinking control agent.
  • the crosslinking control agent scavenges the evolving crosslinking agent ions and prevents crosslinking of the alginate monomers for a period of time.
  • metal ions of the crosslinking agent are liberated and as the polymerization inhibitor goes into solution, acid residue anions are liberated.
  • the released metal ions of the crosslinking agent together with the acid residue anions form a water-insoluble salt which precipitates.
  • the alginate-based film has a moisture content of between 0 and 30% by weight, preferably between 5 and 25% by weight and particularly preferably between 10 and 20% by weight.
  • the alginate-based film has a thickness of at least 5 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m, particularly preferably between 40 ⁇ m.
  • the film has a thickness of at most 200 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m, particularly preferably 70 ⁇ m.
  • the standard deviation of the thickness of the alginate-based film is at most 10 ⁇ m, preferably at most 7 ⁇ m, particularly preferably at most 3 ⁇ m
  • Exemplary embodiments of the method according to the invention for producing an alginate-based film and the alginate-based film according to the invention for use as packaging material are shown in the drawings in a schematically simplified manner and are explained in more detail in the following description.
  • Fig. 2 Sectional view of a belt casting machine for the production of an alginate-based
  • Fig. 3 Sectional view of a belt casting machine for the production of an alginate-based
  • the drum casting machine 200 has the caster 20 which contains the mixture 10 for producing the alginate-based film 1 according to the invention.
  • the mixture 10 itself is prepared and mixed in an extruder (not shown), the extruder preferably being a screw type extruder.
  • the screw of the screw extruder continuously conveys the mixture 10 into the pourer 20.
  • the mixture 10 is continuously produced in the extruder by continuously mixing together the alginate, plasticizer, crosslinking agent and crosslinking control agent.
  • fillers or dyes are added in order to achieve a certain opacity or a certain color shade of the alginate-based film 1, for example.
  • the fillers mentioned are in powder form or as an aqueous slurry, and the dyes mentioned are in powder form or liquid form.
  • the alginate has two types of monomers, manuronic acid and guluronic acid, also called G blocks and M blocks.
  • the alginate used contains M and G blocks in one ratio of about 1:1.
  • short-chain alginates are predominantly used in order to keep the solids content of the solution as high as possible with a lower viscosity compared to long-chain alginates. A lower viscosity leads to easier processability.
  • Plasticizers are suitable for reducing the hardness and brittleness of a plastic.
  • such an additive makes the plastics mixed with it easier to process and form.
  • substances that can penetrate the plastic at the molecular level This is the only way they can improve the mobility of the individual molecular chains relative to one another.
  • glycols, glycerin and/or sorbitol are used as plasticizers. These fabrics are bio-based, compostable and biodegradable.
  • the crosslinking agents contain multivalent metal ions, but are free of heavy metals and, in the amounts present, are harmless to the environment and the human body.
  • the divalent Ca ion is preferably used for the crosslinking of the alginate polymers.
  • the resulting crosslinking with calcium is based on an ionic bond that is weaker than the covalent bond, which facilitates the biodegradation process.
  • the crosslinking agent here is calcium sulfate.
  • the crosslinking control agent controls the crosslinking speed of the alginates, whereby two fundamentally different processes can be used: A substance can be added to the mixture 10 as a crosslinking control agent, which captures the released calcium ions of the crosslinking agent, here calcium sulfate, thus preventing crosslinking of the alginate monomers .
  • a second possibility is the addition of an acid to the mixture 10, with the release of Ca ions from the crosslinking agent (here calcium carbonate) being controlled by the specific metering (type and concentration) of the acid.
  • the former method is used, with sodium phosphate being the crosslinking control agent.
  • the crosslinking control agent therefore delays the ionic crosslinking of the alginates until the mixture 10 has been applied to the casting drum 40 after the addition of the water (deionized) solvent.
  • concentrations of crosslinking agent and crosslinking control agent are such that crosslinking of the alginate begins exactly when the mixture 10 emerges from the caster 20 and impinges on the casting drum 40 .
  • the solvent is deionized water and is added to the mixture 10 as the last component.
  • the mixture 10 is not only mixed and homogenized in the extruder, but also degassed at the same time in order to minimize the formation of bubbles in the alginate-based film 1 during the manufacturing process.
  • a bubble-free, alginate-based film 1 is necessary in order to maintain its barrier function over the entire surface. Degassing takes place at a vacuum of 10' 2 mbar.
  • the extruder and mixture 10 is heated to reduce the viscosity of the mixture 10 and promote devolatilization. The temperature is 40°C.
  • the mixture 10 is applied flatly as a wet film 2 to the casting drum 40 rotating at a constant speed through a slot die 21 arranged at the lower end of the caster 20 .
  • the adjustable doctor blade 30 limits the thickness of the wet film 2 on the casting drum 40.
  • the application thickness of the mixture 10 is 1 mm in this exemplary embodiment.
  • the wet film 2 is dried by an air flow of drying air 80 which is guided in the opposite direction to the direction of rotation of the casting drum 40 .
  • the air saturated with water vapor is continuously transported away above the wet film 2 .
  • the air flow to be set and its temperature is matched to the evaporation rate of the solvent (water).
  • the casting drum 40 itself can additionally also be heated.
  • the wet film 2 can be dried in the area of the drum casting machine 200 between the deflection roller 60 and the winder 70 by means of infrared radiators, for example.
  • the deflection roller 60 itself can be heated.
  • the energy input into the wet film 2 is coordinated in such a way that the water is transported away from the wet film 2 at precisely the same speed so that no tension forces occur in the alginate-based film 1 .
  • the temperature of the drying process is additionally regulated in such a way that the alginate-based film 1 does not have a temperature higher than 130°C. This prevents the alginate-based film 1 from decomposing or discoloring.
  • the air-dried alginate-based film 1 forms a continuous, transparent to milky-opaque film and is wound up on the winder 70 . Since water is used as the solvent to prepare the mixture, no fume hood is required for drying. After drying, the thickness of the alginate-based film is 1,350 ⁇ m and its residual moisture is 20%.
  • FIG. 2 An embodiment of a belt casting machine 300 for producing an alginate-based film 1 is shown in FIG. 2.
  • the belt casting machine 300 has two casting drums 41, 41 which are are interconnected, that the casting drums 40, 41 have the same direction of rotation during operation.
  • the mixture 10 is produced in the extruder as described in the previous exemplary embodiment (see FIG. 1) and conveyed into the pourer 20.
  • the mixture 10 is applied flatly as a wet film 2 through the slot die 21 to the strip-shaped carrier 50 moving at a constant speed.
  • the adjustable doctor blade 30 limits the thickness of the wet film 2 on the casting drum 40.
  • the application thickness of the mixture 10 is also 1 mm in this exemplary embodiment.
  • the surface energy of the band-shaped carrier 50 is such that the applied wet film 2 (with a given viscosity and formulation) completely wets the band-shaped carrier 50 and the wet film 2 can be detached again as a dry film 1 after drying.
  • the band-shaped carrier 50 is designed in such a way that the applied wet film 2 remains dimensionally stable in terms of width and length throughout the drying process. When the wet film 2 dries, only its thickness shrinks.
  • the band-shaped carrier 50 used is a PET-based release film. After drying, the thickness of the alginate-based film 1 is also 350 ⁇ m.
  • Fig. 3 shows a variant of a belt casting machine 300 for producing an alginate-based film 1.
  • the belt casting machine 300 corresponds to the belt casting machine 300 described in the previous exemplary embodiment (see FIG. 2), only the squeegee 30 for adjusting the thickness of the Wet film 2 is replaced by a rotating roller 31.
  • the roller 31 is adjustable in height like the squeegee 30 and also allows a variable Adjustment of the thickness of the wet film 2, in addition, the surface of the wet film 2 is smoothed by the roller 31.
  • 10g alginate are processed into a dispersion together with 0.5g trisodium phosphate and 3g glycerin in 90g water.
  • 1g of calcium sulphate is dissolved in 10g of water.
  • Both mixtures are brought together in an extrusion screw heated to 50° C., mixed there to form a homogeneous, bubble-free mass and continuously extruded through a slot die onto a rotating carrier material.
  • the mixture is then dried at 90° C. and, in dried form, is detached from the carrier material and wound up.
  • the carrier material is a PET-based release film.
  • 10 g alginate are processed into a dispersion together with 90 g water, 2 g calcium carbonate and 2.5 g glycerin.
  • 4 g of GDL glucono delta lactone
  • Both mixtures are brought together at room temperature in an extrusion screw, mixed there to form a homogeneous, bubble-free mass and continuously extruded through a slot die onto a rotating carrier material.
  • the mixture is then dried at 100° C. and, in dried form, is detached from the carrier material and wound up.
  • the carrier material is a PET-based release film. The thickness of the applied wet film
  • 10 g alginate are processed into a dispersion together with 90 g water, 2 g calcium carbonate and 5 g glycerin. At the same time, 4 g of GDL (glucono delta lactone) are dissolved in 10 g of water. Both mixtures are brought together at room temperature in an extrusion screw, mixed there to form a homogeneous, bubble-free mass and continuously extruded through a slot die onto a rotating carrier material. The mixture is then dried at 90° C. and, in dried form, is detached from the carrier material and wound up.
  • the carrier material is a cardboard box with a Basis weight of 300g/m 2 . Alginate is applied as a bio-barrier to give the cardboard a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie mit den Verfahrensschritten Herstellung einer Mixtur, wobei die Mixtur die Bestandteile Alginat, Weichmacher und Lösungsmittel umfasst, flächiges Verteilen der Mixtur und Trocknen der Mixtur, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur ein Vernetzungssteuerungsmittel aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine alginatbasierte Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial, die aufweist: Vernetztes Alginat, Weichmacher und Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die alginatbasierte Folie zusätzlich Salze aufweist, die durch das Lösungsmittel und einen Vernetzungssteuerungsmittel gebildet werden.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER A L G I N AT B AS I E RT E N FOLIE UND ALGINATBASIERTE FOLIE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie mit den Verfahrensschritten Herstellung einer Mixtur, wobei die Mixtur die Bestandteile Alginat, Weichmacher und Lösungsmittel umfasst, flächiges Verteilen der Mixtur und Trocknen der Mixtur, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur ein Vernetzungssystem bestehend aus einem Vernetzungsmittel und einem Vernetzungssteuerungsmittel aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine alginatbasierte Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial, die aufweist: vernetztes Alginat, Weichmacher und Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die alginatbasierte Folie zusätzlich Stoffe aufweist, die durch chemische Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Mixtur gebildet werden.
Stand der Technik
Alginat bzw. deren profanierte Form Alginsäure ist das Hauptstütz- und Strukturpolysaccharid vieler mariner Braun-Algen und gehört zu den Biopolymeren. Diese bieten als nachhaltig erzeugbare und ökologisch attraktive Rohstoffe vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und bislang eingesetzter umweit- und gesundheitsbelastender Stoffe und Verfahren eine Möglichkeit, Produkte mit problematischer Ökobilanz (z.B. Kunststoffe) zumindest teilweise zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil ist der Einsatz wässriger Lösemittel zur Herstellung und Verarbeitung alginatbasierter Biopolymere, es entstehen keine umweit- und gesundheitsbelastenden Lösemitteldämpfe oder -abfälle. Die Fähigkeit von Alginaten als Membran- und Filmbildner eröffnet zahlreiche Perspektiven für Anwendungen insbesondere in der Verpackungsindustrie. Die Schriften US 2485512 A und US 2030566 A offenbaren Verfahren zur Herstellung derartiger alginatbasierter Filme. Das Alginat wird zu Beginn des Herstellungsprozesses mit Lösungsmittel (Wasser) versetzt. Die initiale Alginatlösung wird dann sofort nach dem Mischungsprozess auf ein Walzensystem aufgetragen und zu einem Film ausgewalzt. Dieser wird erst nachgelagert in einem Tauchbad mit einem Vernetzungsmittel versetzt, wodurch die Vernetzung sofort einsetzt. Außerdem werden ökologisch problematische Substanzen wie z.B. Ammonium, und alkalische Hydroxide ebenfalls als Lösungsmittel eingesetzt. Gleichzeitig ist das Verfahren sehr aufwändig gestaltet, die Produktion der alginatbasierten Filme ist daher vergleichsweise kostenintensiv.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie bereitzustellen, mit dem eine kontinuierliche, schnelle und kostengünstig Herstellung der alginatbasierten Folie möglich ist, wobei die Herstellung einfach, flexibel und schnell unterschiedlichen Anforderungen an die alginatbasierte Folie angepasst werden kann.
Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, eine alginatbasierte Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial bereitzustellen, die biologisch abbaubar und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.
Die genannte Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Herstellung einer alginatbasierten Folie gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie weist drei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird eine Mixtur hergestellt, wobei die Mixtur die Bestandteile Alginat, Weichmacher, Vernetzungsmittel, Vernetzungssteuerungsmittel und Lösungsmittel umfasst.
Für die Herstellung werden alginathaltige Braunalgen und bakteriell gewonnenes Alginat verwendet. Das Alginat variiert in seiner molekularen Struktur, da es sich um ein Naturprodukt handelt. Das Alginat ist zusammen mit Cellulose in den Zellwänden von Braunalgen enthalten und weist kurzkettige und langkettige Moleküle auf (Molmassenverteilung). Für die Herstellung von Folien ist es wichtig, die Molmassenverteilung so einzustellen, dass einerseits der Feststoffanteil der Mixtur bei geringerer Viskosität für eine gute Verarbeitbarkeit so hoch wie möglich gehalten werden kann (kürzere Moleküle), gleichzeitig aber auch die mechanischen Eigenschaften der Folie der Zielanwendung genügen (längere Moleküle). Alginat weist zwei Arten von Monomeren auf, Mannuronsäure und Guluronsäure, auch G-Blöcke und M-Blöcke genannt. Das im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie verwendete Alginat enthält M- und G-Blöcke in einem Verhältnis von vorzugsweise etwa 1 :1.
Das Vernetzungsmittel wirkt dergestalt, dass Carboxylgruppen der Alginsäurepolymere, die sowohl in G- wie auch M-Blöcken zu finden sind, durch das Vernetzungsmittel ionisch verbrückt werden. Das Vernetzungsmittel ist daher vorzugsweise ein Salz mit multivalenten Metallionen, das im Lösungsmittel gut aber auch schlecht bis nicht löslich sein kann. Vorzugsweise wird für die Vernetzung der Alginatpolymere das zweiwertige Ca-Ion verwendet. Die entstehende Vernetzung mit Calcium basiert auf einer ionischen Bindung, die schwächer ist als die kovalente Bindung, was den biologischen Abbauprozess erleichtert. Gleichzeitig sorgt die Vernetzung auch für die Erzielung einer für viele Materialanwendungen wichtigen Wasserunlöslichkeit.
Weichmacher sind dazu geeignet, die Glastemperatur sowie die Härte und Sprödigkeit eines Kunststoffs zu verringern. Insofern macht ein solcher Zusatzstoff (externer Weichmacher) die damit versetzten Kunststoffe besser verarbeitbar und formbar, elastischer und flexibler. Diese Eigenschaften sind insbesondere für Verpackungsmaterialien von hoher Wichtigkeit. Weichmacher wirken durch Einlagerung in das polymere Materialgefüge und führen dort zur Erhöhung der Kettenbeweglichkeit. Hierfür ist es wichtig, dass einerseits der Weichmacher für das Polymer als Lösungsmittel fungieren kann und er andererseits einen niedrigen Dampfdruck besitzt, um die Langzeitstabilität des Werkstoffs nicht durch Abschwitzen oder Verdunstung negativ zu beeinflussen. Damit kommen unterschiedliche niedermolekulare Stoffe oder Oligomere zum Einsatz. Der am häufigsten verwendete Weichmacher in konventionellen Kunststoffen ist z.B. Diethylhexylphthalat (DEHP) (auch: Dioctylphtalat DOP). Dieses Additiv ist jedoch für polare Polymere wie Alginsäure und auch andere Polysaccharide nicht geeignet. Zur Herstellung der Mixtur werden daher bevorzugt niedermolekulare oder Oligomere Polyalkohole wie Glykole, Glycerin und/oder Sorbitol als Weichmacher verwendet. Diese sind ungiftig und biologisch abbaubar.
Die Komponenten der Mixtur liegen üblicherweise in flüssiger und/oder Pulverform vor und werden in einer geeigneten Vorrichtung, z.B. einem Extruder, miteinander vermengt und homogenisiert.
Im zweiten Verfahrensschritt wird die Mixtur flächig verteilt. Die Mischung wird durch ein Auftragungsaggregat (z.B. eine Breitschlitzdüse, eine Walze, etc.) direkt auf ein Trägermaterial aufgebracht oder bildet einen freistehenden Film. Durch das direkte Aufträgen auf das Trägermaterial wird jedoch Blaseneintrag in die Mischung vermieden. Eine blasenfreie Folie/Beschichtung ist notwendig, um deren Barrierefunktion in der gesamten Fläche aufrechtzuerhalten.
Im dritten Verfahrensschritt wird die Mixtur getrocknet. Ziel der Trocknung ist es, die flächig ausgebreitete und feuchte alginatbasierte Folie in Länge und Breite dimensionsstabil und gleichzeitig schnell zu trocknen, d.h. das Lösungsmittel aus der alginatbasierten Folie zu entfernen mit dem dabei geringstmöglichen Energieaufwand.
Erfindungsgemäß weist die Mixtur in einer alternativen Ausführungsform ein Vernetzungssystem auf, das ein Vernetzungsmittel und ein Vernetzungssteuerungsmittel aufweist. Das Vernetzungsmittel enthält dabei die für die Vernetzung nötigen Metallionen in dissoziierfähiger Form, während das Vernetzungssteuerungsmittel die Freisetzung der Metallionen in die Lösung, d. h. Überführung in die vernetzungswirksame Form beschleunigen oder verzögern kann. In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein dissoziierbares Vernetzungsmittel eingesetzt und das Vernetzungssteuerungsmittel weist eine höhere Affinität zur Salzbildung mit Säurerest-Ionen des Vernetzungssteuerungsmittel auf als mit dem Säurerest-Ion des Vernetzungsmittels. Der Mixtur wird ein Salz als Vernetzungssteuerungsmittel zugegeben, das die freiwerdenden Ionen des Vernetzungsmittels einfängt somit eine Vernetzung der Alginat-Monomere verhindert. Sobald das Vernetzungsmittels in Lösung geht, werden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels frei, und sobald das Vernetzungssteuerungsmittel in Lösung geht, werden Säurerest-Anionen frei. Die freiwerdenden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels bilden zusammen mit den Säurerest-Anionen ein Nebenprodukt, das in der Mischung verbleibt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Vernetzungssteuerungsmittel dazu geeignet, die ionische Vernetzung des Alginats zu verzögern. Der Mixtur wird ein Stoff als Vernetzungssteuerungsmittel zugegeben, das die freiwerdenden Ionen des Vernetzungsmittels einfängt somit eine Vernetzung der Alginat-Carboxylgruppen verzögert. Sobald das Vernetzungsmittel in Lösung geht, werden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels frei, und sobald das Vernetzungssteuerungsmittel in Lösung geht, werden Säurerest- Anionen frei. Die freiwerdenden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels bilden zusammen mit den Säurerest-Anionen ein Nebenprodukt, das in der Mischung verbleibt. Diese Fällungsreaktion findet so lange statt, bis alle Säurerest-Anionen mit Metall-Ionen des Vernetzungsmittels reagiert haben und ausgefällt sind, erst dann beginnt die Vernetzungsreaktion der Metall-Ionen des Vernetzungsmittels mit dem Alginsäurerest-Ion. Die Verzögerungszeit ist abhängig von den relativen Konzentrationen des Vernetzungsmittels und des Vernetzungssteuerungsmittels und kann daher durch geeignete Wahl der Konzentrationen genau eingestellt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Vernetzungssteuerungsmittel vor der Zugabe des Lösungsmittels zur Mixtur zugegeben. Die Vernetzungsreaktion der Alginatketten in der Mixtur aus Alginat und Vernetzungsmittel beginnt sofort nach Zugabe des Lösungsmittels. Die Mixtur ist nach Zugabe des Lösungsmittels flüssig oder zumindest zähflüssig bis gelartig. Eine Zugabe des Vernetzungssteuerungsmittels vor Zugabe des Lösungsmittels verhindert die Vernetzungsreaktion der Alginatketten in der Mixtur. In einer Weiterbildung der Erfindung wird bei der Ansetzung der Mixtur das Lösungsmittel zuletzt zugegeben, um die Vernetzungsreaktion der Alginatketten so weit wie möglich zu verzögern und um den genauen Zeitpunkt bestimmen zu können, an dem die Vernetzungsreaktion der Alginatketten startet.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird die Mixtur in einem Extruder vorzugsweise in einem Schneckenextruder gemischt. Insbesondere erfolgt die Mischung der Mixtur in dem Extruder kontinuierlich, indem die einzelnen Komponenten der Mixtur mit einer kontinuierlichen Rate in den Extruder eingespeist werden. Das Extrudieren mittels eines Extruders ist ein vielseitiges Verfahren zur Verarbeitung vor allem von Elastomeren und Kunststoffen. Als kontinuierlicher Prozess dient es vor allem der Produktion von Rohren, Folien, Tafeln, Kunststoffummantelungen für Kabel sowie Profilen mit den unterschiedlichsten Querschnitten. Ein Schneckenextruder erzeugt den zur Extrusion nötigen Druck durch eine Schneckenwelle. Die Schnecke befindet sich im
Schneckenzylinder. Dessen Innendurchmesser entspricht dem Außendurchmesser der Schnecke. Am Schneckenzylinder befindet sich die Auslassöffnung, die für die Formgebung des Extrudats verantwortlich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Mixtur während des Mischens beheizt. Das Heizen der Mischung erfolgt, um einerseits die Viskosität der Mixtur zu verringern, die Mixtur ist daher leichter flächig zu verteilen. Andererseits wird durch das Heizen eine Blasenbildung in der Mixtur vermindert. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Mixtur im Unterdrück gemischt. Auch damit wird eine Blasenbildung in der Mixtur vermindert.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die flächige Verteilung durch eine Breitschlitzdüse. Die Schlitzdüsen-Beschichtung ist eine Beschichtungstechnik, um dünne Flüssigkeitsschichten auf bahnförmige Substrate (Papier, Folie, Stoffe etc.) oder Stückgüter (Glas, Metallplatten etc.) aufzutragen. In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung erfolgt die flächige Verteilung durch eine Walze. Mit der Walze wird eine gleichmäßige Verteilung der Mixtur erreicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die flächige Verteilung auf einem Träger. Insbesondere ist der Träger ein flächiges, bahnförmiges Substrat, das derart ausgeführt ist, dass nach der Trocknung der Mixtur die hergestellte alginatbasierte Folie von dem Träger lösbar ist.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Träger ein Papier, Karton oder Fasergussteil, von dem die hergestellte alginatbasierte Folie nicht lösbar ist.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Mixtur nach Zugabe des Lösungsmittels einen Feuchtegehalt von mindestens 50 % auf. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Mixtur nach Zugabe des Lösungsmittels einen Feuchtegehalt von maximal 95 % auf. Dieser Feuchtegehalt stellt sicher, dass die Mixtur fließfähig ist und die Komponenten in der Mixtur homogenisiert sind. Gleichzeitig ist die Trocknungsdauer begrenzt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Folie nach der flächigen Verteilung eine Dicke von mindestens 20 pm, bevorzugt mindestens 50 pm, besonders bevorzugt mindestens 100 pm. Bevorzugt weist die flächige Verteilung eine Dicke von höchstens 3 mm auf.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist die Mixtur vor der Zugabe des Lösungsmittels einen Werkstoffanteil (umfassend Alginat und Weichmacher) zwischen
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Werkstoffanteil vor Zugabe des Lösungsmittel einen Alginat-Anteil zwischen 50 und 95 Gew.-%, bevorzugt zwischen 65 und 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 75 und 85 Gew.-% und einen Weichmacher-Anteil zwischen 5 und 50 Gew.-%, bevorzugt zwischen 10 und 35 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 Gew.-% auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Vernetzungssystem vor Zugabe des Lösungsmittels einen Vernetzungsmittel-Anteil zwischen 10 und 90 Gew.-%, bevorzugt 20 und 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 und 70 Gew.-% und einen Vernetzungssteuerungsmittel-Anteil zwischen 90 und 10 Gew.-%, bevorzugt 80 und 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 70 und 30 Gew.-% auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Mixtur aus Alginat, Weichmacher, Lösungsmittel, Vernetzungsmittel und Vernetzungssteuerungsmittel einen Lösungsmittel- Anteil von höchstens 95 Gew.-%, bevorzugt höchstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 85 Gew.-% auf.
Die Aufgabe wird weiterhin mit der alginatbasierten Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial gemäß Anspruch 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind ebenfalls in den Unteransprüchen dargelegt.
Die erfindungsgemäße alginatbasierte Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial weist ein ionisch vernetztes Alginat auf. Außerdem weist die alginatbasierte Folie ein Vernetzungsmittel, ein Vernetzungssteuerungsmittel, einen Weichmacher sowie ein Lösungsmittel auf. Bevorzugt können zudem Stoffe enthalten sein, die durch chemische Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Mixtur gebildet werden. Alginat weist zwei Arten von Monomeren auf, Manuronsäure und Guluronsäure, auch G-Blöcke und M-Blöcke genannt. Das im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie verwendete Alginat enthält M- und G-Blöcke in einem Verhältnis vorzugsweise von etwa 1 :1.
Das Vernetzungsmittel startet die Vernetzung der G-Blöcke und M-Blöcke nach dem Prinzip der ionischen Vernetzung. Das Vernetzungsmittel ist daher vorzugsweise ein Salz, das im verwendeten Lösungsmittel gut lösbar ist. Vorzugsweise wird für die Vernetzung der Alginatpolymere das zweiwertige Ca-Ion verwendet. Die entstehende Vernetzung mit Calcium basiert auf einer ionischen Bindung, die schwächer ist als die kovalente Bindung, was den biologischen Abbauprozess erleichtert.
Weichmacher sind dazu geeignet, die Glastemperatur sowie die Härte und Sprödigkeit eines Kunststoffs zu verringern. Insofern macht ein solcher Zusatzstoff die damit versetzen Kunststoffe besser verarbeitbar und formbar. Weichmacher können in qualitativer Hinsicht als "molekulares Schmiermittel" bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß weist die alginatbasierte Folie zusätzlich Salze auf, die durch das Lösungsmittel und ein Vernetzungssteuerungsmittel gebildet werden.
Das Vernetungssteuerungsmittel fängt die freiwerdenden Ionen des Vernetzungsmittels ein und verhindert für einen bestimmten Zeitraum eine Vernetzung der Alginat-Monomere. Sobald das Vernetzungsmittels in Lösung geht, werden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels frei, und sobald der Polymerisierungshemmer in Lösung geht, werden Säurerest-Anionen frei. Die freiwerdenden Metall-Ionen des Vernetzungsmittels bilden zusammen mit den Säurerest-Anionen ein in Wasser unlösliches Salz, das ausfällt.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist die alginatbasierte Folie eine Feuchte zwischen 0 und 30 Gew.-%, bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 Gew.-% auf.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die alginatbasierte Folie eine Dicke von mindestens 5 pm, bevorzugt 20 pm, besonders bevorzugt zwischen 40 pm auf.
Die Folie weist eine Dicke von höchstens 200 pm , bevorzugt 100 pm, besonders bevorzugt 70 pm auf.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt die Standardabweichung der Dicke der alginatbasierten Folie höchstens bei 10 pm, bevorzugt bei höchstens 7 pm, besonders bevorzugt bei höchstens 3 pm Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer alginatbasierten Folie und der erfindungsgemäßen alginatbasierten Folie zur Nutzung als Verpackungsmaterial sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : Schnittansicht einer Trommel-Gießmaschine zur Herstellung einer alginatbasierten Folie
Fig. 2: Schnittansicht einer Band-Gießmaschine zur Herstellung einer alginatbasierten
Folie
Fig. 3: Schnittansicht einer Band-Gießmaschine zur Herstellung einer alginatbasierten
Folie, flächige Verteilung mittels Walze
Fig 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Trommel-Gießmaschine 200 zur Herstellung der erfindungsgemäßen alginatbasierten Folie 1. Die Trommel-Gießmaschine 200 weist den Gießer 20 auf, der die Mixtur 10 zur Herstellung der erfindungsgemäßen alginatbasierten Folie 1 enthält. Die Mixtur 10 selbst wird in einem Extruder (nicht dargestellt) angesetzt und gemischt, wobei der Extruder vorzugsweise ein Schnecken-Extruder ist. Die Schnecke des Schnecken-Extruders fördert die Mixtur 10 kontinuierlich in den Gießer 20.
Die Mixtur 10 wird kontinuierlich in dem Extruder hergestellt, indem Alginat, Weichmacher, Vernetzungsmittel und Vernetzungssteuerungsmittel kontinuierlich miteinander vermischt werden. Außerdem werden Füllstoffe oder Farbstoffe hinzugegeben, um z.B. eine bestimmte Opazität oder einen bestimmten Farbton der alginatbasierten Folie 1 zu erzielen. Die genannten Füllstoffe liegen in Pulverform oder als wässrige Slurry vor, die genannten Farbstoffe in Pulverform oder flüssiger Form.
Das Alginat weist zwei Arten von Monomeren auf, Manuronsäure und Guluronsäure, auch G-Blöcke und M-Blöcke genannt. Das verwendete Alginat enthält M- und G-Blöcke in einem Verhältnis von etwa 1 :1. Außerdem werden vorwiegend kurzkettige Alginate eingesetzt, um den Feststoffanteil der Lösung so hoch wie möglich zu halten bei geringerer Viskosität im Vergleich zu langkettigen Alginaten. Eine niedrigere Viskosität führt zu einer erleichterten Verarbeitbarkeit.
Weichmacher sind dazu geeignet, die Härte und Sprödigkeit eines Kunststoffs zu verringern. Insofern macht ein solcher Zusatzstoff die damit versetzen Kunststoffe besser verarbeitbar und formbar. Es ist notwendig, zu diesem Zweck Stoffe zu verwenden, die auf molekularer Ebene in den Kunststoff eindringen können. Nur so können sie die Beweglichkeit der einzelnen Molekülketten gegeneinander verbessern. In der vorliegenden Erfindung werden Glykole, Glycerin und/oder Sorbitol als Weichmacher eingesetzt. Diese Stoffe sind biobasiert, kompostierbar und biologisch abbaubar.
Die Vernetzungsmittel enthalten multivalente Metallionen, sind allerdings frei von Schwermetallen und in der vorhandenen Menge unbedenklich für die Umwelt und den menschlichen Organismus. Vorzugsweise wird für die Vernetzung der Alginatpolymere das zweiwertige Ca-Ion verwendet. Die entstehende Vernetzung mit Calcium basiert auf einer ionischen Bindung, die schwächer ist als die kovalente Bindung, was den biologischen Abbauprozess erleichtert. Das Vernetzungsmittel ist hier Calciumsulfat.
Das Vernetzungssteuerungsmittel steuert die Vernetzungsgeschwindigkeit der Alginate, wobei zwei grundsätzlich unterschiedliche Prozesse zur Anwendung kommen können: Der Mixtur 10 kann ein Stoff als Vernetzungssteuerungsmittel zugegeben werden, das die freiwerdenden Calcium-Ionen des Vernetzungsmittels, hier Calciumsulfat, einfängt somit eine Vernetzung der Alginat-Monomere verhindert. Eine zweite Möglichkeit ist die Zugabe einer Säure zu der Mixtur 10, wobei das Freiwerden von Ca-Ionen aus dem Vernetzungsmittel (hier Calciumcarbonat) durch die gezielte Dosierung (Art und Konzentration) der Säure gesteuert wird. In der vorliegenden Erfindung wird die erstgenannte Methode angewendet, wobei Natriumphosphat das Vernetzungssteuerungsmittel ist. Sobald das Calciumsulfat in Lösung geht, werden Gallonen frei, und sobald das Natriumphosphat in Lösung geht, werden Phosphat-Ionen (PO ') frei. Die freiwerdenden Ca-Ionen bilden zusammen mit dem Phosphat ein in Wasser praktisch unlösliches Salz Calciumphosphat (0,02 g/l bei 25°C), das ausfällt. Diese Fällungsreaktion findet so lange statt, bis alle Phosphat-Ionen mit Ca-Ionen reagiert haben und ausgefällt sind, erst dann beginnt die Reaktion des Calciums mit dem Alginsäurerestion zur Vernetzung. Das Vernetzungssteuerungsmittel verzögert die ionische Vernetzung der Alginate daher so lange, bis die Mixtur 10 nach Zugabe des Lösungsmittels Wasser (deionisiert) auf der Gießtrommel 40 aufgetragen ist. Die Konzentrationen von Vernetzungsmittel und Vernetzungssteuerungsmittel sind derart bemessen, dass die Vernetzung des Alginats genau dann beginnt, wenn die Mixtur 10 aus dem Gießer 20 austritt und auf der Gießtrommel 40 auftrifft.
Das Lösungsmittel ist in allen hier gezeigten Ausführungsbeispielen deionisiertes Wasser und wird der Mixtur 10 als letzte Komponente hinzugegeben.
Die Mixtur 10 wird in dem Extruder nicht nur gemischt und homogenisiert, sondern auch gleichzeitig entgast, um die Blasenbildung beim Herstellungsprozess in der alginatbasierten Folie 1 zu minimieren. Eine blasenfreie alginatbasierten Folie 1 ist notwendig, um deren Barrierefunktion in der gesamten Fläche aufrechtzuerhalten. Die Entgasung erfolgt bei Unterdrück von 10'2 mbar. Außerdem wird der Extruder und die Mixtur 10 beheizt, um die Viskosität der Mixtur 10 zu verringern und die Entgasung zu fördern. Die Temperatur beträgt 40°C.
Die Mixtur 10 wird durch eine am unteren Ende des Gießers 20 angeordneten Breitschlitzdüse 21 auf die mit konstanter Geschwindigkeit rotierende Gießtrommel 40 als Nassfilm 2 flächig aufgebracht. Die einstellbare Rakel 30 begrenzt die Dicke des Nassfilms 2 auf der Gießtrommel 40. Die Auftragungsdicke der Mixtur 10 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1 mm.
Beim Trocknungsprozess wird darauf geachtet, dass die Trocknung innerhalb des Nassfilms 2 gleichmäßig erfolgt, um auftretende Spannungskräfte innerhalb der alginatbasierten Folie 1 zu vermeiden. Derartige Spannungen treten z.B. dann auf, wenn die Oberseite der alginatbasierten Folie 1 einen geringeren Lösungsmittelanteil aufweist als die Unterseite.
Die T rocknung des Nassfilms 2 erfolgt in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen durch einen Luftstrom von Trockenluft 80, der entgegengesetzt der Drehrichtung der Gießtrommel 40 geführt ist. Die mit Wasserdampf gesättigte Luft wird oberhalb des Nassfilms 2 kontinuierlich abtransportiert. Der einzustellende Luftstrom und dessen Temperatur ist auf die Verdampfungsrate des Lösungsmittels (Wasser) abgestimmt. Die Gießtrommel 40 selbst kann zusätzlich ebenfalls beheizt werden. Alternativ kann die Trocknung des Nassfilms 2 im Bereich der Trommel-Gießmaschine 200 zwischen Umlenkrolle 60 und Aufwickler 70 mittels z.B. Infrarotstrahler erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Umlenkrolle 60 selbst beheizt sein. Um eine gleichmäßige Trocknung des Nassfilms 2 ohne Hautbildung an der Oberfläche zu ermöglichen, ist es notwendig, dass der Nassfilm 2 während der Trocknung an jeder Stelle die gleiche Temperatur aufweist, und zwar so lange, bis der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt mit der Umgebungsluft bei Umgebungstemperatur erreicht ist.
Der Energieeintrag in den Nassfilm 2 ist so abgestimmt, dass der Abtransport des Wassers aus dem Nassfilm 2 genau in der Geschwindigkeit erfolgt, damit in der alginatbasierten Folie 1 keine Spannungskräfte auftreten. Die Temperatur des Trocknungsprozesses wird zusätzlich derart geregelt, dass die alginatbasierte Folie 1 keine höhere Temperatur als 130°C aufweist. Damit wird verhindert, dass sich die alginatbasierte Folie 1 zersetzt oder verfärbt. Die an der Luft getrocknete alginatbasierte Folie 1 bildet einen durchgängigen, transparenten bis milchig-opaken Film und wird auf dem Aufwickler 70 aufgewickelt. Da Wasser als Lösungsmittel für die Herstellung der Mischung verwendet wird, ist kein Abzug für die Trocknung nötig. Nach der Trocknung beträgt die Dicke der alginatbasierten Folie 1 350 pm, ihre Restfeuchte beträgt 20%.
Durch den Einsatz eines Vernetzungssystems wird gegenüber dem Stand der Technik ein Verfahrensschritt eingespart, namentlich die Vernetzung in einem zusätzlichen Vernetzungsbad. Die Mixtur 10 wird im Extruder kontinuierlich hergestellt (homogenisiert und entgast) und dann auf die Gießtrommel aufgetragen, wodurch beide Prozessschritte, die Herstellung der Mixtur 10 und die Herstellung der alginatbasierten Folie 1 kontinuierlich erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Band-Gießmaschine 300 zur Herstellung einer alginatbasierten Folie 1 zeigt Fig. 2. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) weist die Band-Gießmaschine 300 zwei Gießtrommeln 41 , 41 auf, die mittels eines bandförmigen Trägers 50 derart miteinander verbunden sind, dass die Gießtrommeln 40, 41 im Betrieb die gleiche Drehrichtung aufweisen.
Die Mixtur 10 wird wie im vorherstehenden Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) beschrieben im Extruder hergestellt und in den Gießer 20 gefördert. Die Mixtur 10 wird durch die Breitschlitzdüse 21 auf den mit konstanter Geschwindigkeit bewegten bandförmigen Träger 50 als Nassfilm 2 flächig aufgebracht. Die einstellbare Rakel 30 begrenzt die Dicke des Nassfilms 2 auf der Gießtrommel 40. Die Auftragungsdicke der Mixtur 10 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls 1 mm.
Die Oberflächenenergie des bandförmigen Trägers 50 ist so beschaffen, dass der aufgetragene Nassfilm 2 (bei gegebener Viskosität und Rezeptur) den bandförmigen Träger 50 vollständig benetzt und sich der Nassfilm 2 nach dem Trocknen als trockener Folie 1 wieder ablösen lässt. Der bandförmige Träger 50 ist so beschaffen, dass der aufgetragene Nassfilm 2 während des gesamten Trocknungsprozesses in Breite und Länge dimensionsstabil bleibt. Beim Trocknen des Nassfilms 2 schrumpft lediglich dessen Dicke. Der verwendete bandförmige Träger 50 ist eine Release-Folie auf PET-Basis. Nach der Trocknung beträgt die Dicke der alginatbasierten Folie 1 ebenfalls 350 pm.
Fig. 3 zeigt eine Variante einer Band-Gießmaschine 300 zur Herstellung einer alginatbasierten Folie 1. Die Band-Gießmaschine 300 entspricht der im vorigen Ausführungsbeispiel (s. Fig. 2) beschriebenen Band-Gießmaschine 300, lediglich die Rakel 30 zur Einstellung der Dicke des Nassfilms 2 ist durch eine rotierende Walze 31 ersetzt. Die Walze 31 ist wie die Rakel 30 in der Höhe verstellbar und ermöglicht ebenfalls eine variable Einstellung der Dicke des Nassfilms 2, zusätzlich wird die Oberfläche des Nassfilms 2 durch die Walze 31 geglättet.
Rezeptur 1 :
10g Alginat werden zusammen mit 0,5g Trinatriumphosphat und 3g Glycerin in 90g Wasser zu einer Dispersion verarbeitet. Parallel dazu werden 1g Calciumsulphat in 10g Wasser gelöst. Beide Mischungen werden in einer auf 50°C beheizten Extrusionsschnecke zusammengeführt dort zu einer homogenen, blasenfreien Masse vermischt und durch eine Breitschlitzdüse kontinuierlich auf ein rotierendes Trägermaterial extrudiert. Anschließend wird die Mischung bei 90°C getrocknet und in getrockneter Form vom Trägermaterial gelöst und aufgewickelt. Bei dem Trägermaterial handelt es sich um eine Release-Folie auf PET- Basis.
Rezeptur 2
10 g Alginat werden zusammen mit 90g Wasser, 2g Calciumcarbonat und 2,5g Glycerin zu einer Dispersion verarbeitet. Parallel dazu werden 4g GDL (Glucono-Delta-Lacton) in 10g Wasser gelöst. Beide Mischungen werden bei Raumtemperatur in Extrusionsschnecke zusammengeführt dort zu einer homogenen, blasenfreien Masse vermischt und durch eine Breitschlitzdüse kontinuierlich auf ein rotierendes Trägermaterial extrudiert. Anschließend wird die Mischung bei 100°C getrocknet und in getrockneter Form vom Trägermaterial gelöst und aufgewickelt. Bei dem Trägermaterial handelt es sich um eine Release-Folie auf PET-Basis. Die Dicke des aufgetragenen Nassfilms
Rezeptur 3
10 g Alginat werden zusammen mit 90g Wasser, 2g Calciumcarbonat und 5g Glycerin zu einer Dispersion verarbeitet. Parallel dazu werden 4g GDL (Glucono-Delta-Lacton) in 10g Wasser gelöst. Beide Mischungen werden bei Raumtemperatur in Extrusionsschnecke zusammengeführt dort zu einer homogenen, blasenfreien Masse vermischt und durch eine Breitschlitzdüse kontinuierlich auf ein rotierendes Trägermaterial extrudiert. Anschließend wird die Mischung bei 90°C getrocknet und in getrockneter Form vom Trägermaterial gelöst und aufgewickelt. Bei dem Trägermaterial handelt es sich um einen Karton mit einem Flächengewicht von 300g/m2. Alginat wird als Biobarriere aufgetragen, um dem Karton eine
Fett- und Sauerstoffbarriere zu verleihen.
BEZUGSZEICHENLISTE
Alginatbasierte Folie
Nassfilm
Mixtur
Gießer
Breitschlitzdüse
Rakel
Walze , 41 Gießtrommel
Förderband
Umlenkrolle
Aufwickler
Trockenluft
Luftdichtes Gehäuse 0 Bandförmige Trägerfolie 0 T rommel-Gießmaschine 0 Band-Gießmaschine

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) mit den
Verfahrensschritten:
• Herstellen einer Mixtur (10), 9 wobei die Mixtur (10) die Bestandteile Alginat, Vernetzungsmittel, Weichmacher und Lösungsmittel umfasst,
• Flächiges Verteilen der Mixtur (10) und
• Trocknen der Mixtur (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) ein Vernetzungsmittel und ein Vernetzungssteuerungsmittel aufweist. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vernetzungssteuerungsmittel eine höhere Affinität zur Salzbildung mit Säurerestionen des Verzögerungssalzes aufweist als mit der Säurerestion des Vernetzungsmittels. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vernetzungssteuerungsmittel dazu geeignet ist, die Vernetzung des Alginats zu verzögern. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vernetzungssteuerungsmittel vor der Zugabe des Lösungsmittels zur Mixtur
(10) zugegeben wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansetzung der Mixtur (10) das Lösungsmittel zuletzt zugegeben wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) in einem Extruder, vorzugsweise in einem Schneckenextruder gemischt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) während des Mischens beheizt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) im Unterdrück gemischt wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Verteilung durch eine Breitschlitzdüse (21) erfolgt.
10. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Verteilung durch eine Walze (31) erfolgt.
11. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Verteilung auf einem Träger (100) erfolgt.
12. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) nach Zugabe des Lösungsmittels einen Feuchtegehalt von mindestens 50 % aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) nach Zugabe des Lösungsmittels einen Feuchtegehalt von maximal 95 % aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) nach der flächigen Verteilung eine Dicke von mindestens 20 pm bevorzugt mindesten 50 pm und besonders bevorzugt mindesten 100pm und/oder eine maximale Dicke von 3 mm aufweist. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) nach während des Trocknungsprozesses eine Abnahme der Foliendicke von mindestens 50 pm erfährt. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) vor der Zugabe des Lösungsmittels einen Alginat-Anteil zwischen 40 und 99,5 Gew.-% der Mixtur aus Alginat und Weichmacher aufweist. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) vor der Zugabe des Lösungsmittels einen Weichmacher-Anteil zwischen 5 und 50 Gew.-% der Mixtur aus Alginat und Weichmacher aufweist. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) vor der Zugabe des Lösungsmittels ein Vernetzungssystem aus einem Vernetzungsmittel und einem Vernetzungssteuerungsmittel mit einem Anteil zwischen 0,5 und 60 Gew.-%der Mixtur aus Alginat, Weichmacher und Vernetzungssystem aufweist. Verfahren zur Herstellung einer alginatbasierten Folie (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixtur (10) Lösungsmittel zwischen X Gew.-% und Y Gew.-% der Mixtur aus
Alginat, Weichmacher, Lösungsmittel und Vernetzungssteuerungsmittel aufweist.
20. Alginatbasierte Folie (1) zur Nutzung als Verpackungsmaterial, die aufweist:
• ionisch vernetztes Alginat
• Weichmacher
• Lösungsmittel dadurch gekennzeichnet, dass die alginatbasierte Folie (1) zusätzlich Salze aufweist, die durch das Lösungsmittel und einen Vernetzungssteuerungsmittel gebildet werden.
21. Alginatbasierte Folie (1) zur Nutzung als Verpackungsmaterial nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die alginatbasierte Folie (1) eine Feuchte zwischen X Gew.-% und Y Gew.-% aufweist.
22. Alginatbasierte Folie (1) zur Nutzung als Verpackungsmaterial nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die alginatbasierte Folie (1) eine Dicke zwischen X pm und Y pm aufweist.
23. Alginatbasierte Folie (1) zur Nutzung als Verpackungsmaterial nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardabweichung der Dicke der alginatbasierten Folie (1) zwischen X und Y liegt.
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