WO1995020628A1 - Verfahren zur herstellung von formkörpern aus biologisch abbaubarem material und formkörper - Google Patents

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WO1995020628A1
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Hans-Jürgen STEIGER
Christian Gass
Friedrich WISSMÜLLER
Erhard BÜTTNER
Wolfgang Melzer
Brunhilde SCHÖNBERG
Frank Dubbert
Thomas KÖBLITZ
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of molded articles, in particular packaging molded articles, from biodegradable material and a molded article according to this process.
  • the invention relates to a method for producing molded articles for use as recyclable, biodegradable packaging which contain biodegradable fiber material.
  • waste paper As well as cellulose fiber and starchy production residues occur in large quantities in household and industry. For reasons of environmental protection and the conservation of natural resources, recycled waste paper is also being used to an increasing extent as a starting material for paper production.
  • molded packaging is increasingly being produced by the fiber casting process, which is based on the basics of conventional paper production. Fiber suspensions are made from shredded waste paper and water and placed on forming sieves. The water is then removed and the molding is dried; if appropriate, it can also be subjected to a compacting press treatment.
  • the disadvantage here is that the implementation of this method, as is known for example from DE 40 35 887, is very complex and pollutes the environment due to the high water requirement.
  • molded packaging which is made of plastic and is particularly suitable for packaging food, with products based on waste paper.
  • DE-OS 39 23 497 discloses the production of a multi-layer packaging tray for foodstuffs, the carrier layer of which consists predominantly of recycling material based on waste paper. A proportion of foamed plastic is necessary as a binder.
  • the production of such packaging trays requires a relatively complex, multi-stage process, in which shredded waste paper material is guided to a web-shaped carrier layer via an extruder and is then formed into packaging trays in combination with a cover layer by deep drawing or pressing. A controlled, metered addition of plastic granules as a binder in the carrier layer must take place during production. Due to the plastic insert, such a packaging tray disadvantageously does not consist of completely rotten, organic material. In addition, the production is cost-intensive due to the complex procedure. Packaging based on wafer dough, both as edible packaging and, depending on the additives used, as non-edible packaging are also known (EP 513 106). Difficulties exist with regard to the longevity, elasticity, breaking strength and durability of such packaging.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a process for the production of moldings from biodegradable material and such a mold which can be carried out in a cost-effective and simple manner and to form a mold, in particular for packaging purposes, from completely decomposable material , biodegradable material, which is characterized by a high surface quality and low porosity, structural strength and elasticity.
  • this object is achieved according to the invention in that when using a raw material containing biodegradable fibers, such as e.g. Waste paper, traced back to its fiber structure and leveled with water and starch to a viscous mass, which is placed in a baking mold and baked to form a fiber-starch composite.
  • a raw material containing biodegradable fibers such as e.g. Waste paper
  • the shaped body preferably produced by the previously explained methods, in particular as a bio- Gisch-degradable molded packaging body, made of biodegradable fiber material, which is strengthened with starch to form a fiber material-starch compound due to the gelatinization of the starch, and a residual proportion of water.
  • the fiber-containing raw material or the type of biodegradable fibers which can also be used directly, and the intended use, and depending on the shape of the packaging (depth of form during the baking process), result in a variable field of process parameters, both with regard to the Mixing ratios of the feed materials water, biodegradable fiber material and starch, as well as the comminution equalization and baking technology used.
  • this can be used with a relatively high proportion of fiber material, ie of waste paper and cellulose fiber and starchy production residues, or other biodegradable fiber material sources, such as beet pulp, while still having excellent product properties Moldings produced in this way can be achieved as packaging materials.
  • the moldings or the packaging material produced in this way are rapidly biodegradable and can be recycled with little effort.
  • Waffle baking technology uses, to a surprisingly high quality, and through the formation of a fiber material-starch composite also extremely durable, yet elastic molded bodies, in particular for packaging purposes, with at the same time economical and environmentally friendly production.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention and of compositions of the shaped body are shown in the subclaims.
  • FIG. 1 shows a flowchart of the method for the production of shaped bodies on the basis of the use of waste paper as a raw material containing fibers
  • FIG. 2 shows a flowchart of a further exemplary embodiment for the production of shaped bodies on the basis of the use of pre-shredded, decolored waste paper material (deinking material),
  • FIG. 3 shows a flowchart for a further exemplary embodiment of a method for the production of moldings based on the use of production waste as a raw material containing fibers, such as ground paper, beet pulp, ground wood etc.,
  • 6 shows a table and a corresponding graphical representation of the classifications of the length of the fiber material used
  • 7 shows a pressure-time diagram for a baking process for the production of a shaped body according to one of the aforementioned methods
  • fiber material or fiber structure is used both for the disintegration down to individual fibers and for the disintegration up to only relatively large fiber bundles of the fiber-containing raw material.
  • FIG. 1 illustrates a first exemplary embodiment of the method for producing molded packaging articles on the basis of waste paper.
  • insert materials for example pre-gelatinized starch, fillers, foot agents, paint
  • insert materials for example pre-gelatinized starch, fillers, foot agents, paint
  • the waste paper is shredded in a dry state, this shredding preferably being gentle and non-cutting, but e.g. by shredders, choppers or impact mills, such as pin or hammer mills, so that essentially the paper fibers are not cut, since this leads to a substantially increased water absorption in the subsequent process due to the increased absorbency of the cellulose fibers of the waste paper.
  • the shredding process is said to lead to shredded waste paper in the order of up to approx. 10 mm, preferably up to approx. 5 mm.
  • fibers or preferably loosened fiber bundles up to 50 mm fiber or fiber bundle length can be used to improve the inherent stability.
  • a mixture of longer fibers or fiber bundles in the range from approximately 10 mm to 50 mm with short fibers or fiber bundles in the range from 0.5 mm to 20 mm is also preferably used for this application.
  • the preferred loosening of the fiber bundles leads to a lower connection with the gelatinizing starch, which can penetrate into the mold bundle cavities, so that the formation of a fiber / fiber bundle structure (interlinked) "Fibers / fiber bundles) penetrate and are superimposed and made possible by a starch matrix which leads to an excellent internal bond under the conditions of a steam-releasing baking process.
  • the comminution process is preferably carried out in such a way that the fiber bundles of the waste paper chips affected by the comminution process are loosened.
  • the waste paper that has been gently shredded in this way, essentially torn, is then shredded in a mixing and kneading process, with the addition of water and with softening and further loosening, in order to disintegrate its fiber structure and equalized to a viscous mass.
  • a mixing and kneading process with the addition of water and with softening and further loosening, in order to disintegrate its fiber structure and equalized to a viscous mass.
  • the waste paper chips are not broken down into their individual fibers, but rather the disintegration by the mixing and kneading process to relatively large ones Fiber bundle follows, since it has been shown that this can increase the strength of the later end product (molded packaging).
  • the mixing and kneading process takes place in the presence of water, water, in relation to the dry mass of the waste paper, in a ratio of up to 8: 1, in some applications of about 7: 1 is added (here the water absorption behavior of the cellulose fibers is taken into account to a greater extent).
  • the mixing and kneading process for leveling this viscous mass is also practically completely under shear to protect the fibers and thus to reduce the water absorption by the cellulose fibers, ie using the shear forces between the mass particles or between the mass particles and a kneading - Or mixing element and thus caused by internal friction, so that the shredded waste paper is gently disintegrated onto its fiber structure.
  • fiber structure encompasses both the digestion down to individual fibers and the digestion except for only relatively large, preferably loosened, fiber bundles of the starting material.
  • the ratio of starch to fiber material in the viscous mass can vary widely and depends in particular on the field of application and the quality requirements for the finished molded article, it is preferred that, based on the dry weight of the waste paper used, the viscous mass 30 Contains wt% to 50 wt% starch.
  • the strength portion can, however, also be increased significantly.
  • the starch is preferably mixed in as native starch.
  • this process step can be divided into a pretreatment of the waste paper chips to soften them with the addition of water and further loosening, whereby Also in this stage of the process, fluxes, in particular additives with an alkaline effect, to improve the flow properties of the viscous mass in a subsequent baking process, as well as fillers or colorants can optionally be added.
  • starch modified or pregelatinized in addition to the native starch in order to provide or also to provide a quantity of water defined by the pregelatinization state during a subsequent baking process to achieve complete gelatinization of the starch in order to form a stable fiber-starch composite with very short dwell times of the mass in the subsequent baking process.
  • the free addition of water can be restricted.
  • Particularly suitable fillers are chalk, kaolin, talc, gypsum, alumina, titanium dioxide or aluminum oxide.
  • Alkaline additives such as magnesium carbonate, magnesium hydroxide carbonate, sodium hydroxide solution or ammonium hydroxide are used as fluxes.
  • the water preferably in a proportion of 2.5 times the dry mass of the waste paper material, is supplied in an amount which is necessary on the one hand for achieving a viscous, fluid-pulpy to highly viscous, plastic consistency of the mass and secondly, to gelatinize the starch in a subsequent baking process.
  • the baking mold is formed by at least two baking plates, ie an upper and a lower baking plate (accommodated in a pair of baking tongs), the inner surfaces of the baking plates being kept spaced apart in a closed, locked state of the baking mold to form a mold cavity, and the Mold cavity is filled by the viscous mass.
  • a plurality of baking tongs can also be used for the simultaneous production of a plurality of shaped bodies.
  • the viscosity of the mass can vary up to a plastic state.
  • the mass can e.g. by rolling to the expected wall thickness of the final molded body and then punching out a blank taking into account the shape geometry. These preformed raw parts can then be placed in the baking mold.
  • the viscous mass can be given at least approximately in a form corresponding to the contour of the baking mold, more precisely the mold cavity between the upper and lower baking tongs, and can be loaded by an adequate counterpart. This process can still be accelerated by this "pressing" under vacuum.
  • the preformed bulk raw part can then be removed from the sieve mold and inserted into the mold cavity of the baking mold.
  • an evaporation process before the baking process begins can be carried out by not closing the baking mold immediately at the beginning of the baking process and locking it while leaving a constant distance between the inner surfaces and the upper and lower baking plate which determines the wall thickness of the finished molded article the upper baking plate is only placed loosely for a short period of time, so that owing to the temperature of the preheated baking mold, in particular the upper baking plate, the water content (excess water) of the raw part or the viscous mass in the baking mold can be reduced, before the actual baking process begins, so that a shortening of the baking time can also be brought about in this way and the product properties are improved.
  • FIG. 4 shows the amount of native starch used for 15 sample samples with the amount of water kept constant (2.5 times), based in each case on the dry mass of the waste paper fiber material (fiber bundle).
  • the table according to FIG. 5 shows preferred ratios of the use of native and pre-gelatinized starch. It has turned out to be advantageous if the ratio between native and pregelatinized starch is approximately 3: 1.
  • the baking process which uses basic elements of waffle baking technology in its technology, begins with the closing and locking of the baking mold, leaving the mass-filled mold cavity between the upper baking plate and the lower baking plate. This distance, which is kept constant by locking the upper and lower baking plates during the baking process, determines the wall thickness of the finished molded body.
  • the baking process takes place at a temperature between 105 ° C. and 300 ° C., preferably at 150 ° C. to 200 ° C., often with a baking temperature Particularly favorable results with respect to the baking of the shaped body and the shaped body geometry of approximately 180 ° C. were achieved.
  • the baking time depends on various parameters, in particular on the viscosity of the mass (water content), the starch content (the time period must be the complete and continuous gelatinization of the native starch, also in cooperation with the modified or pre-pasted gel that may be used enable the thickness), the geometry of the molded body and the specific mass components.
  • a baking time of between 0.5 and 15 minutes can be varied, with shorter cycle times in the range of 1 to 3 minutes being generally sufficient and resulting in dimensionally stable moldings with high her, smooth surface quality, great elasticity and structural strength due to the developing fiber or fiber bundle-starch composite, a fiber-reinforced starch matrix.
  • Fig. 7 the mold closing force of the baking mold is plotted over time, the pressure increase during the baking process shown being due to the pressure increase due to the evaporation and evaporation process of the water in the mass being observed.
  • a minimum force of approximately 150 kp which is detected on the locking pin of the baking mold and represents the internal pressure of the mold from water evaporation, and on the other hand the maximum internal pressure caused by the maximum force occurring on the locking pin , represented here by approx. 256 kp, is not significantly exceeded or increases excessively.
  • t denotes the time from closing the baking mold until the value of the mold closing force f m i n representing a minimum evaporation pressure in the baking mold
  • t 2 represents the time from closing the baking mold until reaching a maximum evaporation pressure within the baking mold ⁇ the value of the mold closing force f max
  • ⁇ 3 the time from closing the baking mold to the end of the steam release
  • t 4 the baking time or drying of the baked mold
  • t 5 the total baking time from closing the baking mold to opening the Represent baking pan.
  • a good quality and formability of the molded body was achieved with a closing force difference f ma nie-fmin of c « 10 ° kp. is sufficient, with t 5 representing the preferred baking time in the range of 1 to 3 minutes.
  • the difference t 3 -t ⁇ thus relates to the baking process and the shaping under steam release.
  • the native starch gelatinizes (possibly also with the absorption of water from a pre-gelatinized starch portion) and solidifies.
  • the starch is stored in the loosened fiber bundle structures of the waste paper and creates a stable bond between the loosened fiber structure and the starch matrix formed by gelatinization.
  • fiber material of different lengths in particular fiber bundles of different lengths or also mixtures of longer fiber bundles with shorter individual fibers can be used.
  • the fiber length is preferably selected for thin-walled shaped articles in the range between 0.5 and 5 mm, an overview of the fiber fractions (classification) being given in FIG. 6.
  • a modified starch adapted to the baking technology can also be used.
  • the starting material containing biodegradable fibers, fiber-containing raw material, in particular cellulose fibers
  • deinking material ie decolorized waste paper that is already in a powder to small-chip state
  • this process with the inclusion of a shredding step with waste paper as raw material, as in the process 1, or with other biodegradable fibers containing fiber material can be performed.
  • the deinking material which has already been comminuted sufficiently is dry or moist with a portion of native starch, if appropriate as in the method according to FIG. 1 with addition of fillers (which can also be added as a premix with the native starch) , and optionally premixed with the addition of flux of the aforementioned type and / or dyes, while another portion of native starch is pregelatinized with water.
  • the dry premix allows a high leveling and homogenization of the mass and is followed by the further process step of the mixing and kneading process in the presence of water to break down the deinking material onto its fiber structure, i.e.
  • fluxes can also be added to the mixing and kneading process taking place in the presence of water, as is also the case for the addition of fillers or the addition of dye suspensions.
  • the most gentle and non-cutting disassembly of the deinking material onto its fiber structure is effected, in particular with the formation of relatively large, loosened fiber bundles, with even better molded body properties due to the targeted Use of classified material, ie of fiber bundle mixtures of different fiber lengths, can be achieved.
  • the surface pressure of the shaped body is also determined by the vapor pressure explained in FIG. 7, which prevails in the baking mold during the baking process (represented by the mold closing force of the baking mold). This vapor pressure is dependent on the proportion of native starch and the moisture of the viscous mass.
  • the steam pressure in the baking mold can be controlled in the desired manner by controlling the steam discharge channels in the baking mold in terms of cross-section and position up to the use of control valves. If necessary, additional water addition in the mixing and kneading process for producing the viscous mass (shown in dashed lines in FIG. 2) can be dispensed with completely, so that the moisture in the mass and thus also the water content for gelatinizing the native starch by the water content of the used pre-gelatinized starch is determined. In this way, the steam pressure conditions during the baking process and thus the surface quality of the shaped bodies can also be checked.
  • the native starch is preferably added in the mixing process with the other constituents of the dry matter, but can also be introduced at least in part directly into the mixing and kneading process which causes the fiber bundle decomposition and equalizes the viscous mass (in FIG. 2 also shown in dashed lines).
  • these further constituents are dry-shredded waste paper and / or deinking material, alternatively additionally flux and / or fillers.
  • the structure and thus also the strength of the shaped bodies is essentially determined by the ratio of starch to waste paper or deinking material, as well as by the length of the fiber bundles or fibers used, which has a significant effect on different strengths, as studies of comparative samples show 8 and 9 are shown.
  • the ratio of native to pregelatinized starch (preferably 3: 1) must therefore be adjusted taking into account the fiber lengths of the fiber-containing material or the mixture of fibers or fiber bundles of different lengths, with particularly advantageous ratios also taking into account have shown a relatively short baking process of between 0.5 and 3 minutes at approx. 115500 ° C. CC bbiiss 220000 ° ° CC iinn FFoorrmmkköörrppeerrnn, the composition of which is shown in FIG.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. 3, paper pulp, beet pulp and wood pulp (cellulose fibers) being selected as exemplary representatives of production waste as starting material with cellulose fibers, other biodegradable fibers also being used for this purpose Containing production waste, in particular based on cellulose, can be used.
  • paper pulp, beet pulp and wood pulp cellulose fibers
  • biodegradable fiber structures in particular fiber bundles, in a length between 0.5 mm and approximately 50 mm (higher values for large-area and / or thick-walled packaging moldings), preferably between 1 mm and 5 mm (in particular for thin-walled, light packaging moldings).
  • FIG. 3 illustrates that the process can also be carried out using mixed raw materials from the paper, food or animal feed industries or various recycled materials made from waste paper, in FIG. 3 these materials have already been comminuted sufficiently, in particular using shredders, shredders or impact mills such as pin mills or hammer mills, ie are crushed as possible with tearing and non-cutting use to protect the fibers (and to reduce the water absorption of cellulose fibers), the crushed raw material in a further process step initially with regard to the existing fiber length and its starch content to adjust the further com ⁇ components (addition of native and pregelatinized starch or selection of the mixing ratio of long and short fibers or fiber bundles) is classified.
  • the surface and structure of the structure is also essentially determined by the evaporation conditions during the baking process, ie by the moisture content of the viscous mass, which should be as low as possible, whereby in many cases it is sufficient for the mass preparation, the moistening to the indirect water addition To limit the shape of the admixture with excess gelatinized starch. This moisture is sufficient to completely gelatinize the native starch.
  • the length of the loosened fiber bundles used is also of considerable influence, if appropriate also in connection with individual fibers, the fiber use also essentially determining the flow behavior of the mass in the baking mold and having to be selected taking into account the shape of the shaped body, in particular the depth of the shaped body, the use of short and long fibers in the mixture (long and short fiber bundles) has proven to be superior in many cases to the use of classified fibers of relatively fixed length in the range between 0.5 mm and 5 mm, as a comparison of FIG 8 and 9 shows.
  • longer fibers / fiber bundles up to approximately 10 mm in length can also be used, depending on the requirements placed on the shaped body, this also reducing the requirements for the upstream comminution process, for example of the waste paper.
  • this is not shown in the method according to FIGS. 1 and 2, when using fiber / Fiber bundle mixtures with different lengths for evaluating the starting material are of course also classified there according to the length of the fiber / fiber bundles or with regard to a starch content
  • the "dry mix" process step in the processes according to FIGS. 2 and 3 can also be carried out in the moist state, if appropriate also with slight additions of water.
  • the baking process can be followed by the conditioning of the molded bodies obtained from the baking mold according to the methods shown in FIGS. 1 to 3.
  • FIGS. 8 and 9 again illustrates the advantages of using fiber mixtures of different fiber lengths compared to the use of cellulose fibers or fiber bundles which only represent a specific fiber length or a fiber length that is in a narrow range.
  • FIG. 10 Preferred recipes for carrying out the method according to the invention are shown in FIG. 10. It follows from this that molded articles with a very large depth of form with good strength, elasticity, structure and surface structure could also be produced by the process according to the invention if the Use of fiber material, in particular loosened fiber bundles, to the total mass of the viscous mass was 15 to 30% by weight, the proportion of total starch (native plus pre-gelatinized starch) to the total mass of the viscous mass was approx. 40 to 5% by weight, the water proportion in the total mass of the viscous mass was approximately 45 to 70% by weight and the proportion of pregelatinized starch in the total mass of the viscous mass was approximately 10 to 1%.
  • the Use of fiber material, in particular loosened fiber bundles to the total mass of the viscous mass was 15 to 30% by weight
  • the proportion of total starch (native plus pre-gelatinized starch) to the total mass of the viscous mass was approx. 40 to 5% by weight
  • 11 to 14 show exemplary embodiments of moldings which were produced by the process according to the invention.
  • 11 shows a molded packaging body 1 with a base and cover part 2, 3, which are connected by a hinge 4 and e.g. is suitable for the lockable reception of food, even when warm.
  • the shell-shaped molded body 1 has a multiplicity of cylindrical section-shaped depressions 5, these being subdivided into a longer section 6 and a shorter section 7, and this arrangement is repeated symmetrically, divided by a central web 8 on the other side of the molded body.
  • Lateral "feet" 9 increase the dimensional stability and improve the support and stackability of the packaging molded article.
  • a packaging tray can e.g. to hold ballpoint pens, lipsticks, cosmetic articles, pencils, writing utensils, or also in pharmacy, e.g. can be used to hold packaging tubes.
  • packaging bodies 1 such as can be used, for example, as a flower pot, seed tray or for other packaging or wrapping purposes. All molded packaging bodies 1, which are produced according to the previously explained method, could be manufactured quickly, inexpensively and with excellent material properties with regard to dimensional stability, breaking strength and elasticity, structural density and surface quality.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere Verpackungsformkörpern, aus biologisch abbaubarem Material unter Verwendung einer viskosen Masse, die biologisch abbaubares Fasermaterial, Wasser sowie Stärke enthält und unter Ausbildung eines Fasermaterial-Stärke-Verbundes in einer Backform gebacken wird, sowie Formkörper nach diesem Verfahren. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von nativer und vorverkleisterter oder modifizierter Stärke in Verbindung mit einem Fasermaterialeinsatz aus Fasern bzw. Faserbündeln unterschiedlicher Länge.

Description

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus biologisch abbaubarem Material und Formkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Form¬ körpern, insbesondere Verpackungsformkörpern, aus biologisch abbaubarem Material sowie einen Formkörper nach diesem Verfah¬ ren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her¬ stellung von Formkörpern zur Verwendung als recyclefähige, bio¬ logisch abbaubare Verpackungen, die biologisch abbaubares Fa¬ sermaterial enthalten.
In Haushalt und Industrie fallen in großer Menge Altpapier so¬ wie zellulosefaser- und stärkehaltige Produktionsrückstände in großer Menge an. Aus Gründen des Umweltschutzes und der Scho¬ nung natürlicher Ressourcen wird in steigendem Umfang auch re- cyceltes Altpapier als Ausgangsmaterial für die Papierherstel¬ lung wiederverwendet.
Andererseits besteht das dringende Bedürfnis, insbesondere im Verpackungsbereich, aber auch auf anderen Gebieten Formkörper zu verwenden, die die Abfallwirtschaft nur in geringem Maße be¬ anspruchen, die zur Wiederverwertung aufschließbar (recyclebar) sind und z.B. im Rahmen der Kompostierung im wesentlichen rück¬ standsfrei biologisch abbaubar sind. Altpapier sowie zellulose¬ faser- und stärkehaltige Produktionsrückstände, wie z.B. Holz¬ oder Papierschliff wie auch entfärbtes Altpapier (Deinking- Material) kommen daher auch als Grundstoffe für die Herstellung von Formkörpern als Verpackungsmittel in Betracht. Bei der Ver¬ packung von Lebensmitteln werden aus recyceltem Altpapier her¬ gestellt Produkte einer speziellen Oberflächenbehandlung unter¬ worfen, um den hygienischen Anforderungen zu genügen. Bei aus¬ schließlicher Verwendung von unverschutztem Altpapier aus der industriellen Verarbeitung kann eine solche Behandlung bei Ein¬ haltung von gesetzlich festgelegten Produktions-Rahmenbedingun- gen entfallen.
Es sind daher flache Schalen oder Deckel aus Karton, der unter ausschließlicher oder teilweiser Verwendung von Altpapier her¬ gestellt wurde, bekannt. Dieser Karton wird gestanzt und durch entsprechende Stempel verformt. Der erzielbaren Formenvielfalt werden durch die Materialbeschaffenheit allerdings enge Grenzen gesetzt, da Karton nur sehr bedingt verformbar ist.
Zur Vermeidung dieses Nachteils werden in zunehmendem Maße ge¬ formte Verpackungen nach dem Faserguß-Verfahren hergestellt, das auf den Grundlagen der konventionellen Papierherstellung basiert. Dabei werden Fasersuspensionen aus zerkleinertem Alt¬ papier und Wasser bereitet und auf Formsiebe gegeben. Anschlie¬ ßend wird das Wasser entzogen und der Formung getrocknet, ge¬ gebenenfalls kann er auch einer verdichtenden Preßbehandlung unterzogen werden. Nachteilig ist hierbei, daß die Durchführung dieses Verfahrens, wie es beispielsweise aus der DE 40 35 887 bekannt ist, sehr aufwendig ist und durch den hohen Wasserbe¬ darf die Umwelt belastet. Auch in der jüngsten Zeit hat es nicht an Versuchen gefehlt, geformte Verpackungen, die aus Kunststoff gefertigt werden und insbesondere für die Verpackung von Lebensmitteln geeignet sind, durch Produkte auf der Basis von Altpapier zu ersetzen.
So ist aus der DE-OS 39 23 497 die Herstellung einer mehr¬ schichtigen Verpackungsschale für Lebensmittel bekannt, deren Trägerschicht überwiegend aus Recycling-Material auf der Basis von Altpapier besteht. Als Bindemittel ist hierbei ein Anteil an geschäumtem Kunststoff notwendig. Die Herstellung solcher Verpackungsschalen erfordert ein verhältnismäßig aufwendiges, mehrstufiges Verfahren, bei dem zerkleinertes Altpapiermaterial über einen Extruder zu einer bahnförmigen Trägerschicht geführt und anschließend im Verbund mit einer Deckschicht durch Tiefziehen bzw. Pressen zu Verpackungsschalen geformt wird. Während der Herstellung muß eine gesteuerte, dosierte Zugabe von Kunststoffgranulaten als Bindemittel in der Trägerschicht erfolgen. Aufgrund des Kunststoffeinsatzes besteht eine solche Verpackungsschale in nachteiliger Weise nicht aus vollständig verrottbarem, organischem Material. Überdies ist die Herstel¬ lung aufgrund der aufwendigen Verfahrensführung kostenintensiv. Verpackungen auf Waffelteigbasiε, sowohl als eßbare Verpackun¬ gen als auch, in Abhängigkeit von den verwendeten Zuschlagstof¬ fen, als nicht-eßbare Verpackungen, sind ebenfalls bekannt (EP 513 106) . Schwierigkeiten bestehen hierbei hinsichtlich der Langlebigkeit, Elastizität, Bruchfestigkeit und Haltbarkeit solcher Verpackungen.
Es ist schließlich auch bekannt, geformtes Verpackungsmaterial im wesentlichen auf Stärkebasis unter Verwendung von modifi¬ zierter Stärke unter AufSchmelzung der Stärke und anschließen¬ der Extrusion und Abkühlung herzustellen (EP 0 304 401 Bl) . Die Prokukteigenschaften des so gewonnenen Verpackungsmateriales sind allerdings für viele Zwecke aufgrund der doch verhältnis¬ mäßig niedrigen Bruchfestigkeit von Verpackungen auf Stärkeba¬ sis nicht vollständig zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus biologisch abbaubarem Mate¬ rial und einen solchen Formkörper anzugeben, das in kostengün¬ stiger und einfacher Weise durchführbar ist und zu einem Form¬ körper, insbesondere für Verpackungszwecke, aus vollständig verrottbarem, biologisch abbaubarem Material führt, der sich durch eine hohe Oberflächengüte und geringe Porigkeit, struktu¬ relle Festigkeit und Elastizität auszeichnet.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung eines biologisch abbaubare Fasern enthaltenden Rohmateriales, wie z.B. Altpapier, dieses auf seine Faserstruktur zurückgeführt und mit Wasser sowie Stärke zu einer viskosen Masse egalisiert wird, die in eine Backform gegeben und unter Ausbildung eines Fasermaterial- Stärke-Verbundes gebacken wird.
Erfindungsgemäß besteht der Formkörper, vorzugsweise herge¬ stellt nach vorerläuterten Verfahren, insbesondere als biolo- gisch abbaubarer Verpackungs-Formkörper, aus biologisch abbau¬ barem Fasermaterial, das mit Stärke zu einem Fasermaterial- Stärke-Verbund aufgrund der Verkleisterung der Stärke verfe¬ stigt ist, und einem Restanteil Wasser.
In Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsmaterialien, d.h. dem faserhaltigen Rohmaterial bzw. der Art der biologisch ab¬ baubaren Fasern, die auch unmittelbar verwendet werden können, und dem vorgesehenen Einsatzzweck sowie in Abhängigkeit von der Verpackungsgestalt (Formtiefe während des Backprozesses) ergibt sich ein variables Feld von Prozeßparamete n sowohl hinsicht¬ lich der Mischungsverhältnisse der Einsatzstoffe Wasser, biolo¬ gisch abbaubares Fasermaterial und Stärke, sowie der verwende¬ ten Zerkleinerungs-Egalisierung und Backtechnologie.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses mit einem verhältnismäßig hohen Anteil an Fasermaterial, d.h. an Altpapier und zellulosefaser- und stärkehaltigen Produktionsrückständen, bzw. anderen biologisch abbauren Fasermaterialquellen, wie z.B. Rübenschnitzel, verwen¬ det werden, wobei dennoch hervorragende Produkteigenschaften der auf dieser Weise hergestellten Formkörper als Verpackungs¬ materialien erreicht werden. Die Formkörper bzw. das so herge¬ stellte Verpackungsmaterial sind rasch biologisch abbaubar und können ohne großen Aufwand recycelt werden. Die Verwendung von Altpapier und zellulosefaser- und stärkehaltigen Produktions¬ rückständen, wie z.B. Holz- und Papierschliff, Rübenschnitzeln oder dergl. führt auch schon bei verhältnismäßig geringem Stär¬ keanteil unter Endverarbeitung der egalisierten, viskosen Masse in einer abschließenden Back-Verfahrensstufe, die Elemente der Waffelbacktechnologie nutzt, zu einem überraschend hochwerti¬ gen, und durch die Ausbildung eines Fasermaterial-Stärke- Verbundes auch äußerst haltbaren, dabei elastischen Formkörper, insbesondere für Verpackungszwecke, bei zugleich kostengünsti¬ ger und umweltschonender Herstellung. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens so¬ wie von Kompositionen des Formkörpers sind in den Unteransprü¬ chen dargestellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Formkörperher¬ stellung auf der Grundlage des Einsatzes von Altpapier als faserhaltigem Rohmaterial,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispie¬ les zur Formkörperherstellung auf der Grundlage der Verwendung von bereits vorzerkleinertem, entfärbtem Altpapiermaterial (Deinking-Material) ,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm für ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel eines Verfahrens zur Formkörperherstellung auf der Basis der Verwendung von Produktionsabfällen als faserhaltigem Rohmaterial, wie Papierschliff, Rüben¬ schnitzel, Holzschliff etc.,
Fig. 4 eine Tabelle für verschiedene Probenmuster mit unter¬ schiedlichem Einsatz nativer Stärke und konstantem Wasseranteil, bezogen jeweils auf die Trockenmasse des Fasermateriales,
Fig. 5 eine Tabelle für verschiedene Probenmuster mit unter¬ schiedlichem Einsatz nativer Stärke sowie vorverklei¬ sterter Stärke bei konstantem Wasseranteil, bezogen jeweils auf die Trockenmasse des Fasermateriales,
Fig. 6 eine Tabelle und eine entsprechende grafische Darstel¬ lung der Klassierungen der Länge des verwendeten Fa¬ sermateriales, Fig. 7 ein Druck-Zeit-Diagramm für einen Backvorgang zur Her¬ stellung eines Formkörpers nach einem der vorgenannten Verfahren,
Fig. 8 eine Tabelle zur Produktbewertung von Formkörpern in Abhängigkeit von der Formtiefe der verwendeten Back¬ form und in Abhängigkeit von klassiertem Fasermate¬ rial,
Fig. 9 eine Tabelle zur Produktbewertung von Formkörpern in Abhängigkeit von der Formtiefe der verwendeten Back¬ form und in Abhängigkeit von Fasermaterialgemischen mit unterschiedlicher Länge der Fasern bzw. Faserbün¬ del,
Fig.10 eine Rezepturtabelle für die Herstellung von Formkör¬ pern auf der Basis von Altpapier als faserhaltigem Rohmateria1, und
Fig.11 bis 14 verschiedene Ausführungsformen von Formkörpern, die nach Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff Faserma¬ terial oder Faserstruktur sowohl für die AufSchließung bis auf Einzelfasern als auch für das Aufschließen bis auf lediglich verhältnismäßig große Faserbündel des faserhaltigen Rohmateria- les verwendet.
Fig. 1 verdeutlicht ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfah¬ rens zur Herstellung von Verpackungsformkörpern auf der Basis von Altpapier.
Dabei sind in Fig. 1 gegebenenfalls zusätzlich vorgesehene Ein¬ satzmaterialien (z.B. vorverkleisterte Stärke, Füllstoffe, Fu߬ mittel, Farbe) oder die Zugabe der Einsatzmaterialien in alter- nativen Prozeßstufen oder kombinatorisch zu den in Vollinien dargestellten Verwendungsmöglichkeiten durch unterbrochene Li¬ nien dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das Altpapier in trocke¬ nem Zustand zerkleinert, wobei diese Zerkleinerung vorzugsweise schonend und nicht-schneidend, sondern z.B. durch Shredder, Häcksler oder Schlagmühlen, wie Stift- oder Hammermühlen erfol¬ gen soll, so daß im wesentlichen die Papierfasern nicht ange¬ schnitten werden, da dies zu einer wesentlich erhöhten Wasser¬ aufnahme im anschließenden Prozeß durch die dann erhöhte Saug¬ fähigkeit der Zellulosefasern des Altpapiers führt. Der Zer¬ kleinerungsvorgang soll zerreißend zu Altpapierschnitzeln in einer Größenordnung von bis zu ca. 10 mm, vorzugsweise bis zu ca. 5 mm, führen. Für dickwandige und/oder großflächige Form¬ körper können zur Verbesserung der Eigenstabilität Fasern oder bevorzugt gelockerte Faserbündel bis zu 50 mm Faser- bzw. Fa¬ serbündellänge verwendet werden. Auch für diesen Anwendungsfall wird bevorzugt ein Gemisch aus längeren Fasern oder Faserbün¬ deln im Bereich von ca. 10 mm bis 50 mm mit kurzen Fasern oder Faserbündeln im Bereich von 0,5 mm bis 20 mm verwendet.
Bei Verwendung längerer Faserbündel sinkt der vorbereitende Zerkleinerungsaufwand entsprechend.
Wie auch bei den übrigen erläuterten Ausführungsbespielen, führt die bevorzugte Auflockerung der Faserbündel zu einer in¬ nigeren Verbindung mit der verkleisternden Stärke, die in die Formbündel-Hohlräume eindringen kann, so daß die Ausbildung ei¬ nes Faser/Faserbündel-Gerüstes (untereinander "vernetzte" Fa¬ sern/Faserbündel) durchdringen und überlagert von einer Stärke¬ matrix gefördert und ermöglicht wird, die zu einer hervorragen¬ den inneren Bindung unter den Gegebenheiten eines Wasserdampf unter Druck freisetzenden Backprozesses führt. Der Zerkleinerungsprozeß wird vorzugsweise so geführt, daß es zu einer Auflockerung der von dem Zerkleinerungsprozeß betrof¬ fenen Faserbündel der Altpapierschnitzel kommt.
Das auf diese Weise schonend zerkleinerte, im wesentlichen zer¬ rissene Altpapier wird zum Aufschließen seiner Faserstruktur sodann unter Wasserzugabe und unter Aufweichen und weiterer Lockerung in einem Misch- und Knetprozeß zerfasert und zu einer viskosen Masse egalisiert. In Abhängigkeit von den Qualitätsan¬ forderungen an den endgültigen Formkörper, insbesondere Verpak- kungskörper, ist es wesentlich, daß die Altpapierschnitzel im Unterschied zur Papierherstellung jedoch nicht in ihre Einzel¬ fasern zerlegt werden, sondern die AufSchließung durch den Misch- und Knetprozeß auf verhältnismäßig große Faserbündel er¬ folgt, da sich gezeigt hat, daß hierdurch die Festigkeit des späteren Endproduktes (Verpackungsformkörper) erhöht werden kann.
Der Misch- und Knetprozeß, für den vorzugsweise diskontinuier¬ liche oder kontinuierliche Kneter bzw. Mischer und Kneter ver¬ wendet werden, erfolgt in Anwesenheit von Wasser, wobei, bezo¬ gen auf die Trockenmasse des Altpapieres, Wasser im Verhältnis von bis zu 8 : 1, in einigen Anwendungsfällen von etwa 7 : 1 zugegeben wird (hierbei wird verstärkt des Wasseraufnahmever¬ halten der Zellulosefasern berücksichtigt) .
Da es andererseits vorteilhaft ist, in Abhängigkeit von den üb¬ rigen Bestandteilen der viskosen Masse und insbesondere in Ab¬ hängigkeit vom Stärkeanteil (zu dessen hinreichender Verklei¬ sterung das freie Wasser im wesentlichen benötigt wird) den Wasseranteil möglichst gering zu halten, um den anschließenden Formgebungsvorgang (Backen) effizient durchführen zu können, hat sich gezeigt, daß für viele, bevorzugte Anwendungen (hochfeste Formkörper, dichtes Gefüge) ein Wasseranteil von 2 : 1 bis 3 : 1, bevorzugt von 2,5 : 1, bezogen auf die Trockenma¬ sse des Altpapieres, vorteilhaft ist. Zugleich wird in die Mas- se native Stärke, z.B. nativer Getreide-, Kartoffel-, Mais¬ oder Reisstärke gegeben. Der Misch- und Knetprozeß zur Egali¬ sierung dieser viskosen Masse wird ebenfalls zur Faserschonung und damit zur Verminderung der Wasseraufnahme durch die Zellu¬ losefasern praktisch vollständig unter Scherung, d.h. unter Verwendung der Scherkräfte zwischen den Masseteilchen bzw. zwi¬ schen den Masseteilchen und einem Knet- oder Mischorgan und da¬ mit durch innere Reibung bewirkt, so daß eine schonende Auf- schließung der Altpapierschnitzel auf ihre Faserstruktur er¬ folgt.
Der Begriff "FaserStruktur" umfaßt im Rahmen dieser Anmeldung sowohl die Aufschließung bis auf Einzelfasern als auch das Auf¬ schließen bis auf lediglich verhältnismäßig große, vorzugsweise aufgelockerte Faserbündel des Ausgangsmateriales.
Es wird in vielen Fällen bevorzugt, das Aufschließen lediglich bis auf die Faserbündel vorzunehmen, da es in Verbindung mit der Verkleisterung der Stärke hierdurch zu einer fester ver¬ netzten Struktur und der Ausbildung eines Faserbündel-Stärke- Verbundes kommt.
Obgleich das Verhältnis von Stärke zu Fasermaterial in der vis¬ kosen Masse in weitem Rahmen variieren kann und insbesondere vom Anwendungsgebiet und den Qualitätsanforderungen an den fer¬ tigen Formkörper abhängt, wird bevorzugt, daß, bezogen auf das Trockengewicht des eingesetzten Altpapieres, die viskose Masse 30 Gew.% bis 50 Gew.% Stärke enthält.
Für besonders glatte Oberflächen bei hoher Elastizität und, be¬ dingt durch den Einsatz gelockerter Faserbündel, die in erhöh¬ tem Maße zur strukturellen Festigkeit beitragen, kann der Stär¬ keanteil aber auch wesentlich erhöht werden.
Die Stärke wird vorzugsweise als native Stärke zugemischt. Mi¬ schungsverhältnisse zwischen nativer Stärke und Fasermaterial (Altpapier) , bezogen auf die Trockenmasse des Altpapieres und unter Einhaltung eines 2,5-fachen Wasserüberschusses, bezogen auf diese Trockenmasse des Altpapieres, sind in Fig. 4 darge¬ stellt.
Innerhalb des in Fig. 1 als zweiten Verfahrensschritt (Knet- und Mischprozeß) zur Aufschließung der Altpapierschnitzel auf ihre FaserStruktur (bevorzugt Faserbündel) kann dieser Verfah¬ rensschritt in eine Vorbehandlung der Altpapierschnitzel zur Aufweichung derselben unter Wasserzugabe und weiterer Auflocke¬ rung unterteilt werden, wobei auch in diesem Verfahrensstadium Flußmittel, insbesondere Zusätze mit alkalischer Wirkung, zur Verbesserung der Fließeigenschaften der viskosen Masse bei ei¬ nem anschließenden Backprozeß sowie Füllstoffe oder Farbstoffe wahlweise beigegeben werden können.
Es ist darüber hinaus auch möglich, Füllstoffe mit der nativen Stärke oder Teilen derselben vorzumischen und teilweise bereits während des vorgeschalteten Verfahrensschrittes der Trockenzer¬ kleinerung beizugeben oder auch insgesamt der Mischung während der unter Anwesenheit von Wasser erfolgenden Ausbildung der viskosen Masse unter Durchführung des Misch- und Knetprozesses zum Zerlegen des Altpapieres in seine Faserstruktur beizugeben.
Wie nachstehend noch genauer erläutert wird, ist es in einer besonders vorteilhaften Verfahrensführung auch möglich, zusätz¬ lich zu der nativen Stärke modifizierte oder vorverkleisterte Stärke zu verwenden, um einerseits während eines anschließenden Backprozesses noch eine durch den Vorverkleisterungszustand de¬ finierte Wassermenge bereitzustellen bzw. auch bei sehr kurzen Verweilzeiten der Masse im anschließenden Backprozeß eine voll¬ ständige Verkleisterung der Stärke zur Bildung eines stabilen Faser-Stärke-Verbundes zu erreichen. Bei Zugabe in Fig. 1 fa¬ kultativ zusätzlich eingesetzten vorverkleisterten Stärkeantei¬ les kann die freie Wasserzugäbe, eingeschränkt werden. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Oberflächenqualität, Elastizität, Gefügeaufbau, Struktur und Festigkeit wurden bei den hergestellten Formkörpern dann erreicht, wenn neben einer Mischung aus nativer und vorverkleisterter Stärke zugleich eine Mischung aus Fasermaterial unterschiedlicher Faserlänge, insbe¬ sondere unter Verwendung von Faserbündeln unterschiedlicher Länge oder von Faserbündeln in Verbindung mit Einzelfasern (bei Verwendung von faserhaltigem Rohmaterial wie z.B. Altpapier un¬ terschiedlichen Zerkleinerungsgrades) verwendet wurden. Nähere Einzelheiten hierzu werden nachstehend noch mit Bezug auf ande¬ re Ausführungsbeispiele erläutert (s. Fig. 6-10) .
Als Füllstoffe kommen insbesondere Kreide, Kaolin, Talkum, Gips, Tonerde, Titandioxid oder Aluminiumoxid in Betracht. Als Flußmittel werden alkalische Zusätze wie Magnesiumkarbonat, Ma¬ gnesiumhydroxidkarbonat, Natronlauge oder Ammoniumhydroxid ver¬ wendet. Das Wasser, vorzugsweise in einem Anteil des 2,5-fachen der Trockenmasse des Altpapiermateriales, wird in einer Menge zugeführt, die zum einen für das Erzielen einer viskosen, flie¬ ßend-breiigen bis hochviskosen, plastischen Konsistenz der Mas¬ se notwendig ist und zum anderen zur Verkleisterung der Stärke in einem anschließenden Backprozeß benötigt wird.
Es kann jedoch auch mit einem höheren Wasserüberschuß, von z.B. dem 7-fachen, bezogen auf die Trockenmasse des Altpapieres oder der 8-fachen Wassermenge gearbeitet werden, insbesondere dann, wenn zusätzlich zur nativen Stärke keine vorverkleisterte Stär¬ ke eingesetzt wird. Beim Durchmischen und Kneten der viskosen Masse wird einerseits das Altpapier auf seine Faserstruktur, hier vorzugsweise auf verhältnismäßig große Faserbündel, zer¬ legt und werden andererseits diese Faserbündel (oder auch Ein¬ zelfasern) innig und egalisierend mit der Stärke vermischt und eine innige Verbindung zwischen der aufgeweichten Papierfaser¬ struktur und der Stärke herbeigeführt. Anschließend wird nach Egalisierung der viskosen Masse diese bezüglich der nachfolgenden Einführung in zumindest eine Back¬ form dosiert und in die Backform eingegeben. Die Backform wird dabei durch zumindest zwei Backplatten, d.h. eine obere und ei¬ ne untere Backplatte (aufgenommen in einer Backzange) gebildet, wobei die Innenoberflächen der Backplatten in einem geschlosse¬ nen, verriegelten Zustand der Backform unter Bildung eines Formhohlraumes beabstandet gehalten werden und der Formhohlraum durch die viskose Masse ausgefüllt wird. Selbstverständlich können zur gleichzeitigen Herstellung einer Mehrzahl von Form¬ körpern auch eine Mehrzahl von Backzangen verwendet werden.
Wie bereits dargelegt, kann die Viskosität der Masse bis hin zu einem plastischen Zustand variieren. Im letzteren, bevorzugten Fall einer beschriebenen, wasserarmen Masse, kann die Masse z.B. durch Auswalzen auf die etwa zu erwartende Wandstärke des endgültigen Formkörpers und anschließendem Ausstanzen eines Rohteiles unter Berücksichtigung der Formgeometrie erfolgen. Anschließend können diese vorgeformten Rohteile abfolgend in die Backform eingelegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, eine dosierte Menge der viskosen Masse in die Backform zwischen die Backplatten einzubringen und durch Absenken der oberen Backzange der Backform selbst oder durch einen separaten Stempel eine Vorformung zu erreichen.
Bei niedriger viskosen Massen, die in einem fließfähigen Zu¬ stand in die Backform eingegeben werden, wird die Backform zwi¬ schen der oberen und unteren Backplatte gut ausgefüllt. Durch den verhältnismäßig hohen Wasseranteil verlängert sich jedoch teilweise nachteilig die Dauer des Backprozesses oder es wird ein unerwünscht lockerer Formkörper, bedingt durch den hohen Wasserdampfdruck in der Backform während des Backvorganges, er¬ zeugt. Diesen Schwierigkeiten kann begegnet werden, indem das freie Wasser der viskosen Masse (soweit es nicht für die Verkleiste- rung der nativen Stärke während des Backprozesses benötigt wird) vor dem Einbringen der Masse in die Backform reduziert wird. Dabei kann die viskose Masse in eine der Kontur der Back¬ form, genauer des Formhohlraumes zwischen oberer und unterer Backzange, zumindest näherungsweise entsprechenden Siebform ge¬ geben und durch adäquates Gegenstück belastet werden. Dieser Prozeß kann noch forciert werden, indem dieses "Abpressen" un¬ ter Vakuum erfolgt.
In diesem Fall kann das vorgeformte Masse-Rohteil dann der Siebform entnommen und in den Formhohlraum der Backform einge¬ legt werden.
Gegebenenfalls kann sich hieran noch ein Abdampfvorgang an¬ schließen, ehe der Backvorgang beginnt. Ein solcher AbdampfVor¬ gang kann dadurch ausgeführt werden, daß bei Beginn des Back¬ prozesses die Backform nicht sofort verschlossen und unter Be¬ lassung eines konstanten, die Wandstärke des fertigen Formkör¬ pers bestimmenden Abstandes der Innenoberflächen von oberer und unterer Backplatte verriegelt wird, sondern die obere Backplat¬ te für eine kurze Zeitdauer nur lose aufgelegt wird, so daß in¬ folge der Temperatur der vorgeheizten Backform, insbesondere der oberen Backplatte, der Wassergehalt (Überschußwasser) des in der Backform befindlichen Rohteiles bzw. der viskosen Masse reduziert werden kann, bevor der eigentliche Backprozeß be¬ ginnt, so daß auch eine Verkürzung der Backzeit auf diese Weise herbeigeführt werden kann und die Produkteigenschaften verbes¬ sert werden.
In Fig. 4 ist für 15 Probenmuster die Einsatzmenge von nativer Stärke bei konstant gehaltener Wassermenge (das 2,5-fache) , be¬ zogen jeweils auf die Trockenmasse des Altpapier-Fasermateria- les (Faserbündel) dargestellt. Hinsichtlich der bevorzugten Verwendung einer Mischung aus na¬ tiver und vorverkleisterter Stärke gibt die Tabelle gemäß Fig. 5 bevorzugte Verhältnisse des Einsatzes von nativer und vorver¬ kleisterter Stärke wieder. Als vorteilhaft hat sich herausge¬ stellt, wenn das Verhältnis zwischen nativer und vorverklei¬ sterter Stärke ca. 3 : 1 beträgt.
Überdies wurden vorteilhafte Eigenschaften bei den erfindungs¬ gemäß hergestellten Formkörpern dann beobachtet, wenn der An¬ teil von Stärke zu Wasser in der viskosen Masse ca. 1 : 10 bis 1 : 1, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 2, betrug.
Der Backprozeß, der in seiner Technologie auf Grundelemente der Waffelbacktechnologie zurückgreift, beginnt mit dem Schließen und Verriegeln der Backform unter Belassung des massegefüllten Formhohlraumes zwischen oberer Backplatte und unterer Backplat¬ te. Dieser Abstand, der durch Verriegelung der oberen und unte¬ ren Backplatte während des Backvorganges konstant gehalten wird, bestimmt die Wandstärke des fertigen Formkörpers.
Der Backprozeß, dessen zeitlicher Ablauf in einem Druck-Zeit- Diagramm nach Fig. 7 dargestellt ist, erfolgt bei einer Tempe¬ ratur zwischen 105°C und 300°C, vorzugsweise bei 150°C bis 200°C, wobei vielfach mit einer Backtemperatur von ca. 180°C besonders günstige Ergebnisse hinsichtlich des Ausbackens des Formkörpers und der Formkörpergeometrie erreicht wurden. Die Backdauer ist abhängig von verschiedenen Parametern, insbeson¬ dere von der Viskosität der Masse (Wassergehalt) , dem Stärkean¬ teil (die Zeitdauer muß die vollständige und durchgehende Ver¬ kleisterung der nativen Stärke, auch im Zusammenwirken mit der gegebenenfalls eingesetzten modifizierten oder vorverkleister¬ ten Stärke ermöglichen) , der Geometrie des Formkörpers und den konkreten Massebestandteilen. Im allgemeinen kann zwischen ei¬ ner Backdauer von 0,5 bis 15 Minuten variiert werden, wobei kürzere Zykluszeiten im Bereich von 1 bis 3 Minuten im allge¬ meinen ausreichend sind und zu maßhaltigen Formkörpern mit ho- her, glatter Oberflächenqualität, großer Elastizität und struk¬ tureller Festigkeit aufgrund des sich ausbildenden Faser- bzw. Faserbündel-Stärke-Verbundes, einer faserverstärkten Stärkema¬ trix, führen.
In anderen Fällen, insbesondere bei höherem Wasseranteil, hat auch eine Backdauer zwischen 4 und 12 Minuten zu guten Ergeb¬ nissen geführt, wobei zur Erhöhung der Effizienz der Verfah¬ rensführung eine möglichst kurze Backdauer vorteilhaft ist, ohne daß die gleichmäßige innere Gefügeausbildung der Faserbün¬ del-Stärke-Matrix beeinträchtigt wird.
In Fig. 7 ist die Formschließkraft der Backform über der Zeit aufgetragen, wobei der Druckanstieg während des dargestellten Backvorganges auf die Druckerhöhung infolge des Ausdampfens und des Verdampfungsprozesses des Wassers in der Masse zu beobach¬ ten ist. Für die vollständige Formkörperausbildung ist wesent¬ lich, daß eine minimale, am Schließbolzen der Backform erfaßte, den Innendruck der Form aus der Wasserverdampfung repräsentie¬ rende Kraft von ca. 150 kp überschritten und andererseits der maximale Innendruck, der durch die maximal am Schließbolzen auftretende Kraft, hier von ca. 256 kp repräsentiert wird, nicht wesentlich überschritten wird oder übermäßig ansteigt.
In Fig. 7 bezeichnet t die Zeit vom Verschließen der Backform bis zum Erreichen der einem minimalen Verdampfungsdruck in der Backform repräsentierenden Wert der Formschließkraft fmin, t2 die Zeit vom Verschließen der Backform bis zum Erreichen eines einen maximalen Verdampfungsdruck innerhalb der Backform reprä¬ sentierenden Wert der Formschließkraft fmax, ^3 die Zeit vom Verschließen der Backform bis zur Beendigung der Wasserdampfab¬ gäbe, t4 die Ausbackzeit bzw. Trocknung des gebackenen Formkör¬ pers und t5 die gesamte Backdauer vom Schließen der Backform bis zum Öffnen der Backform repräsentieren. Im vorliegenden Fall wurde mit einer Schließkraftdifferenz fmaχ-fmin von c « 10° kp eine gute Qualität und Ausformbarkeit des Formkörpers er- reicht, wobei t5 die bevorzugte Backdauer im Bereicn von 1 bis 3 Minuten repräsentiert.
Die Differenz t3-tι betrifft somit den Backvorgang und die Formgebung unter Dampfabgäbe.
Bei dem Backvorgang verkleistert die native Stärke (gegebenenfalls auch unter Wasseraufnahme von einem vorverklei¬ sterten Stärkeanteil) und erstarrt. In die gelockerten Faser¬ bündelstrukturen des Altpapieres wird die Stärke eingelagert und erzeugt eine stabile Bindung der gelockerten Faserstruktur mit der sich durch Verkleisterung ausbildenden Stärke-Matrix.
Wird lediglich native Stärke verwendet, genügen derartige Form¬ körper bereits einer Vielzahl von Anwendungsfällen hinsichtlich Elastizität und Oberflächengüte. Während ein hoher Stärkeanteil zu einer besseren Oberfläche bei allerdings verringerter Ela¬ stizität führt, kann die Elastizität des Formkörpers durch eine Verringerung des Stärkeanteiles üblicherweise nur zu Lasten ei¬ ner glatten Oberfläche verringert werden. Durch das erfindungs¬ gemäße Verfahren ist es jedoch möglich, eine wesentliche Ver¬ besserung der Elastizität bei gleichzeitiger Gewährleistung ei¬ ner hohen Oberflächengüte dadurch zu erreichen, daß neben nati¬ ver Stärke modifizierte oder vorverkleisterte Stärke verwendet wird. Die besondere Wirksamkeit der Verwendung einer Mischung aus vorverkleisterter und nativer Stärke wird darauf zurückge¬ führt, daß, bedingt durch die hohe Saugfähigkeit des Altpapie¬ res, im Backprozeß für die Verkleisterung der nativen Stärke nicht genügend freies Wasser bzw. Backdauer zur Verfügung steht. Die eingebrachte, native Stärke verkleistert daher bei herkömmlichen Produkten vielfach nicht vollständig und bewirkt eine breite Streuung hinsichtlich der Elastizität der so erhal¬ tenen Formkörper.
Erfindύngsgemäß können in ihren Eigenschaften wesentlich über herkömmliche Formkörper auf Stärkebasis hinausgehende Eigen- Schäften dadurch erreicht werden, daß ein Teil der Stärke mit Wasser vorverkleistert wird und der viskosen Masse die vorver¬ kleisterte Stärke beigegeben wird, wobei die Anteile sich, wie bereits oben erläutert, in einer Versuchsreihe aus den Fig. 4 und 5 (Anteil Gesamtstärke) ergeben. Die Anteile von nativer Stärke, vorverkleisterter Stärke und Wasser beziehen sich je¬ weils auf die Trockenmasse des Altpapieres.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich neben der Verwendung von nativer und modifizierter bzw. vorverklei¬ sterter Stärke hinsichtlich Oberflächengüte, Elastizität, Gefü¬ gestruktur und Festigkeit der fertigen Formkörper als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn Fasermaterial unterschiedli¬ cher Länge, insbesondere Faserbündel unterschiedlicher Länge oder auch Mischungen längerer Faserbündel mit kürzeren Einzel¬ fasern, verwendet werden. Die Faserlänge wird für dünnwandige Formkörper vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 5 mm ge¬ wählt, wobei ein Überblick über die Faserfraktionen (Klassierung) in Fig. 6 gegeben ist.
In einer Modifikation des Verfahrens nach Fig. 1 ist es auch möglich, die Zerkleinerung des Altpapieres, gegebenenfalls un¬ ter Zugabe von nativer Stärke sowie Füllstoffen, nicht in trok- kenem Zustand vorzunehmen, sondern bereits die mechanische Zer¬ kleinerung in Anwesenheit von Wasser in einem entsprechenden Zerkleinerungsmischer vorzunehmen.
Hinsichtlich des Einsatzes eines Anteiles vorverkleisterter Stärke kann auch eine auf die Backtechnologie abgestimmte, mo¬ difizierte Stärke eingesetzt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens wird nachstehend anhand von Fig. 2 erläutert.
Als Ausgangsmaterial (biologisch abbaubare Fasern enthaltendes, faserhaltiges Rohmaterial, insbesondere Zellulosefasern enthal- tendes Material pflanzlichen Ursprungs) wird hier Deinking- Material, d.h. entfärbtes Altpapier, das sich bereits in einem pulver- bis kleinschnitzelförmigen Zustand befindet, verwendet, obwohl auch dieses Verfahren (unter Einschaltung eines Zerklei¬ nerungsschrittes) mit Altpapier als Rohmaterial, wie im Verfah¬ ren nach Fig. 1, oder mit anderem biologisch abbaubare Fasern enthaltenen Fasermaterial durchgeführt werden kann.
Bei diesem Verfahren wird der bereits hinreichend zerkleinerte Deinking-Stoff trocken oder feucht mit einem Teil nativer Stär¬ ke, gegebenenfalls wie in dem Verfahren nach Fig. 1 unter Zuga¬ be von Füllstoffen (die auch als Premix mit der nativen Stärke zugegeben werden können) , sowie gegebenenfalls unter Zugabe von Flußmittel der vorerwähnten Art und/oder Farbstoffen vorge¬ mischt, während ein anderer Anteil nativer Stärke mit Wasser vorverkleistert wird. Die trockene Vormischung erlaubt eine ho¬ he Egalisierung und Homogenisierung der Masse und wird gefolgt von dem weiteren Verfahrensschritt des Misch- und Knetprozesses unter Anwesenheit von Wasser zur AufSchließung des Deinking- Materiales auf seine Faserstruktur, d.h. vorzugsweise auf auf¬ gelockerte Faserbündel zur Ausbildung einer egalisierten visko¬ sen Masse, der zusätzlich der Anteil vorverkleisterter Stärke unter Berücksichtigung der in Verbindung mit dem Verfahren nach Fig. 1 und den Fig. 4 und 5 angegebenen Mischungsverhältnisse von Wasser, Fasermaterial, nativer und vorverkleisterter Stär¬ ke.
Gegebenenfalls können Flußmittel auch dem in Anwesenheit von Wasser ablaufenden Misch- und Knetprozeß beigegeben werden, wie dies auch für die Füllstoffzugäbe oder die Zugabe von Farb¬ stoffSuspensionen gilt. Auch in diesem Fall wird eine möglichst schonende und nicht-schneidende Zerlegung des Deinking-Materia- les auf seine Faserstruktur, insbesondere unter Bildung ver¬ hältnismäßig großer, aufgelockerter Faserbündel bewirkt, wobei noch verbesserte Formkörpereigenschaften durch die gezielte Verwendung klassierten Materiales, d.h. von Faserbündelgemi¬ schen unterschiedlicher Faserlänge erreicht werden kann.
Die Trockenmischung der Bestandteile Altpapier und/oder Dein- king-Material (oder auch andere Zellulose- und stärkehaltige Produktionsrückstände als faserhaltiges Rohmaterial, siehe Ver¬ fahren nach Fig. 3) mit Stärke führt zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität des Formkörperε.
Die übrigen Verfahrensschritte Dosieren sowie Backprozeß (gegebenenfalls unter vorheriger Formgebung) entsprechen den bereits anhand von Fig. 1 erläuterten, abschließenden Verfah¬ rensschritten zur backtechnischen Herstellung der Formkörper, insbesondere für Verpackungszwecke.
Wie bereits in Verbindung mit dem Verfahren nach Fig. 1 erläu¬ tert, wird durch die Verwendung eines Gemisches aus vorverklei¬ sterter Stärke und nativer Stärke, insbesondere durch den vor¬ verkleisterten Anteil, die Elastizität des ausgebackenen Form¬ körpers maßgeblich bestimmt. Hinsichtlich der Mengenverhältnis¬ se, die sich als vorteilhaft gezeigt haben, wird auf die Fig. 4 und 5 verwiesen.
Durch den anhand von Fig. 7 erläuterten Dampfdruck, der während des Backprozesses in der Backform herrscht (repräsentiert durch die Formschließkraft der Backform) , wird die Oberfläche des Formkörpers ebenfalls mitbestimmt. Dieser Dampfdruck ist abhän¬ gig von dem Anteil nativer Stärke und der Feuchte der viskosen Masse.
Der Dampfdruck in der Backform kann durch Steuerung der Dampf¬ abfuhrkanäle in der Backform hinsichtlich Querschnitt und Lage bis hin zur Verwendung von Steuerventilen in der gewünschten Weise gesteuert werden. Gegebenenfalls kann auf zusätzliche Wasserzugabe in den Misch- und Knetprozeß zur Herstellung der viskosen Masse (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) vollständig verzichtet werden, so daß die Feuchte der Masse und damit auch der Wasseranteil zur Ver¬ kleisterung der nativen Stärke durch den Wasseranteil der ein¬ gesetzten vorverkleisterten Stärke bestimmt wird. Auf diese Weise können auch die Dampfdruckverhältnisse während des Back¬ prozesses und damit die Oberflächenqualität der Formkörper kon¬ trolliert werden. Die native Stärke wird vorzugsweise im Misch¬ prozeß mit den weiteren Bestandteilen der Trockenmasse zugege¬ ben, kann aber auch zumindest teilweise direkt in den die Fa¬ serbündelZerlegung bewirkenden und die viskose Masse egalisie¬ renden Misch- und Knetprozeß eingeführt werden (in Fig. 2 eben¬ falls gestrichelt dargestellt) . Diese weiteren Bestandteile sind im vorliegenden Fall trocken zerkleinertes Altpapier und/oder Deinking-Material, alternativ zusätzlich Flußmittel und/oder Füllstoffe.
Die Struktur und damit auch die Festigkeit der Formkörper wird durch das Verhältnis von Stärke zu Altpapier bzw. Deinking- Material wesentlichen bestimmt, ebenso wie durch die Länge der verwendeten Faserbündel bzw. Fasern, die sich wesentlich auf unterschiedliche Festigkeiten auswirkt, wie Untersuchungen von Vergleichsmustern zeigen, die in Fig. 8 und 9 dargestellt sind.
Insbesondere hat sich gezeigt, daß die Verwendung von faserhal¬ tigem Material mit biologisch abbaubaren Fasern unterschiedli¬ cher Faserlänge, d.h. Faserbündel bzw. Fasergemische mit unter¬ schiedlichen Faserlängen im Bereich von 0,5 mm bis ca. 10 mm, insbesondere für dünnwandige Formkörper, vorzugsweise im Be¬ reich von 1 mm bis 5 mm, sehr vorteilhafte Ergebnisse hinsicht¬ lich der Festigkeit unter Berücksichtigung unterschiedlicher Formkörpergeometrien und Formtiefen der Backform ergeben.
Es hat sich gezeigt, daß durch ein Gemisch von kurzen und lan¬ gen Fasern bzw. kurzen und langen Faserbündeln oder auch durch ein Gemisch langer Faserbündeln und kurzer Fasern in Verbindung mit dem Einsatz hinsichtlich des Backprozesses modifizierter oder vorverkleisterter Stärke und nativer Stärke die Festigkeit der Formkörper überraschend stark erhöht werden kann (s. Fig. 9).
Generell wurde ermittelt, daß bei einem hohen Anteil nativer Stärke im Verhältnis zu vorverkleisterter oder modifizierter Stärke eine gute Oberfläche, aber nur eine verhältnismäßig ge¬ ringe Elastizität der Formkörper erreicht werden kann, während ein sehr hoher Anteil von vorverkleisterter oder modifizierter Stärke im Verhältnis zu nativer Stärke zu einer guten Elastizi¬ tät, aber schlechterer Oberfläche des Formkörpers führt.
Hinsichtlich der jeweiligen Anwendung und Formkörpergeometrie ist daher das Verhältnis von nativer zu vorverkleisterter Stär¬ ke (vorzugsweise 3 : 1) unter Berücksichtigung der Faserlängen des faserhaltigen Materiales bzw. des Gemisches unterschiedlich langer Fasern oder Faserbündel anzupassen, wobei sich besonders vorteilhafte Verhältnisse auch im Hinblick auf einen verhält¬ nismäßig kurzen Backprozeß von zwischen 0,5 und 3 Minuten bei ccaa.. 115500°°CC bbiiss 220000°°CC iinn FFoorrmmkköörrppeerrnn gezeigt haben, deren Kompo- sition in Fig. 10 dargestellt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens ist in Fig. 3 dargestellt, wobei hier als Ausgangsmaterial mit Zellulosefasern Papierschliff, Rübenschnitzel und Holz¬ schliff (Zellulosefasern) als beispielshafte Vertreter von Pro¬ duktionsabfällen gewählt sind, wobei hierfür auch andere biolo¬ gisch abbaubare Fasern enthaltende Produktionsabfälle, insbe¬ sondere auf Zellulosebasis, verwendbar sind.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können selbstver¬ ständlich auch jeweils direkt bereits aufgeschlossene, biolo¬ gisch abbaubare Faserstrukturen, insbesondere Faserbündel, in einer Länge zwischen 0,5 mm und ca. 50 mm (höhere Werte für großflächige und/oder dickwandige Verpackungsformkörper) , vor¬ zugsweise zwischen 1 mm und 5 mm (insbesondere für dünnwandige, leichte Verpackungsformkörper) verwendet werden.
Fig. 3 verdeutlicht, daß das Verfahren auch unter Verwendung von Misch-Rohstoffen aus der Papier-, Lebens- oder Futtermit¬ telindustrie bzw. verschiedenen Recyclingstoffen aus Altpapier durchgeführt werden kann, wobei in Fig. 3 diese Materialien be¬ reits hinreichend zerkleinert, insbesondere unter Einsatz von Shreddern, Häckslern oder Schlagmühlen wie Stiftmühlen oder Hammermühlen, d.h. möglichst unter Zerreißen und nicht-schnei¬ dendem Einsatz zur Schonung der Fasern (und zur Verminderung der Wasseraufnahme von Zellulosefasern) zerkleinert sind, wobei das zerkleinerte Rohmaterial in einem weiteren Verfahrens¬ schritt zunächst hinsichtlich der vorliegenden Faserlänge und seines Stärkeanteiles zur Einstellung der jeweils weiteren Kom¬ ponenten (Zugabe von nativer und vorverkleisterter Stärke bzw. Auswahl des Mischungverhältnisses von langen und kurzen Fasern bzw. Faserbündeln) klassiert wird.
Die übrigen Verfahrensschritte unter bevorzugter Trockenmi¬ schung von faserhaltigem Rohmaterial und nativer Stärke sowie gegegenenfalls Flußmittel und/oder Füllstoffen (soweit sie in trockenem Zustand vorliegen) entsprechen denjenigen, wie sie bereits anhand der Verfahren nach den Fig. 1 und 2 erläutert wurden. Obwohl eine Trocken-Vormischung zwischen Zerkleinerung und Plastifizierung zur viskosen Masse bevorzugt wird, kann auch unmittelbar die Vereinigung der Einsatzmaterialien zur viskosen Masse in dem Misch- und Knetprozeß, gegebenenfalls in Anwesenheit von Wasser erfolgen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß besonders vorteilhafte Ergeb¬ nisse dann erzielt werden, wenn der Misch- und Knetprozeß ohne Wassserzugäbe lediglich unter Feuchtezugabe aufgrund der unter Wasserüberschuß vorverkleisterten Stärke durchgeführt wird, wo¬ bei dies im Ergebnis zu einer hochviskosen, teigigen Masse führt. Während des Backprozesses steht zur Verkleisterung der nativen Stärke sowohl stärkeimmanentes Fruchtwasser als auch der aus der vorverkleisterten Stärke resultierende Wasserüber¬ schuß zur Verfügung. Formkörper besonders vorteilhafter Quali¬ tät hinsichtlich Oberfläche, Struktur, Elastizität, Gefüge, Fe¬ stigkeit und Stabiliat in bezug auf die Formtiefe der Backform bzw. Formkörpertiefe ergeben sich mit den in Fig. 10 darge¬ stellten Parametern, wobei die Elastizität und die Gefügestruk¬ tur wesentlich durch den Einsatz vorverkleisterter Stärke mit¬ bestimmt werden. Die Oberfläche und Gefügestruktur wird ferner wesentlich durch die Abdampfbedingungen während des Backprozes¬ ses, d.h. durch den Feuchteanteil der viskosen Masse bestimmt, der möglichst niedrig sein soll, wobei es in vielen Fällen für die Massevorbereitung ausreicht, die Anfeuchtung auf die indi¬ rekte Wasserzugabe in Gestalt der Beimengung unter Wasserüber¬ schuß vorverkleisterter Stärke zu beschränken. Diese Feuchte reicht aus, um die vollständige Verkleisterung der nativen Stärke herbeizuführen.
Von wesentlichem Einfluß ist ferner die Länge der verwendeten, aufgelockerten Faserbündel, gegebenenfalls auch in Verbindung mit Einzelfasern, wobei der Fasereinsatz auch wesentlich das Fließverhalten der Masse in der Backform bestimmt und unter Be¬ rücksichtigung der Formkörpergeometrie, insbesondere der Form¬ körpertiefe gewählt werden muß, wobei sich die Verwendung von kurzen und langen Fasern im Gemisch (lange und kurze Faserbün¬ del) in vielen Fällen der Verwendung klassierter Fasern von verhältnismäßig festgelegter Länge im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm als überlegen gezeigt hat, wie ein Vergleich der Fig. 8 und 9 zeigt. Es können aber auch längere Fasern/Faserbündel bis ca. 10 mm Länge in Abhängigkeit von den Anforderungen an den Formkörper verwendet werden, wobei dies auch die Anforde¬ rungen an den vorgeschalteten Zerkleinerungsprozeß, z.B. des Altpapieres, herabsetzt. Obwohl dies in dem Verfahren nach Fig. 1 und 2 nicht dargestellt ist, kann bei Verwendung von Faser/ Faserbündel-Gemischen mit unterschiedlichen Längen zur Bewer¬ tung des Ausgangsmateriales selbstverständlich auch dort ein Klassieren des Fasermateriales nach Länge der Faser/Faser¬ bündeln bzw. hinsichtlich eines Stärkegehaltes erfolgen.
Bei Verwendung z.B. feuchten Deinking-Materiales kann die Ver¬ fahrensstufe "trocken mischen" in den Verfahren nach Fig. 2 und 3 auch im feuchten Zustand gegebenenfalls auch unter geringfü¬ giger Wasserzugäbe erfolgen.
Es kann ferner vorteilhaft sein, am Beginn des Backvorgangeε noch viskose Masse in die bereits geschlossene Form nachzu¬ schieben, um auch bei teigiger Masse das Formfüllverhalten zu verbessern sowie gegebenenfalls nicht mit starr verriegelten Formhälften, sondern mit einem geringfügigen Nachdrücken der oberen Backplatte gegen die untere Backplatte während des Back¬ prozesses zu arbeiten. Im allgemeinen hat es sich jedoch als hinreichend erwiesen, die Backtechnologie mit starr verriegel¬ ten Backplatten (konstanter Abstand = Wanddicke des Formkörpers während des Backprozesses) beizubehalten.
Erforderlichenfalls kann sich an dem Backprozeß nach den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahren ein Konditionieren der er¬ haltenen, aus der Backform entnommenen Formkörper anschließen.
Ein Vergleich der Fig. 8 und 9 verdeutlicht nochmals die Vor¬ teile der Verwendung von Fasergemischen unterschiedlicher Fa¬ serlängen gegenüber der Verwendung von Zellulosefasern bzw. Fa¬ serbündeln, die lediglich eine bestimmte bzw. in einem engen Bereich liegende Faserlänge repräsentieren.
Bevorzugte Rezepturen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens sind in Fig. 10 dargestellt. Hieraus ergibt sich, daß auch Formkörper mit sehr großer Formtiefe mit guter Festigkeit, Elastizität, Gefüge und Oberflächenstruktur nach dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren hergestellt werden konnten, wenn der Einsatz an Fasermaterial, insbesondere aufgelockerter Faserbün¬ del, zur Gesamtmasse der viskosen Masse 15 bis 30 Gew.% betrug, der Anteil Gesamtstärke (nativer plus vorverkleisterter Stärke) zur Gesamtmasse der viskosen Masse ca. 40 bis 5 Gew.% betrug, der Wasseranteil in der Gesamtmasse der viskosen Masse ca. 45 bis 70 Gew.% betrug und der Anteil vorverkleisterter Stärke an der Gesamtmasse der viskosen Masse ca. 10 bis 1% betrug.
In den Fig. 11 bis 14 sind Ausführungsbeispiele von Formkör¬ pern, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wur¬ den, dargestellt. Fig. 11 zeigt einen Verpackungsformkörper 1 mit Boden- und Deckelteil 2, 3, die durch ein Scharnier 4 ver¬ bunden sind und z.B. zur verschließbaren Aufnahme von Lebens¬ mitteln, auch im warmen Zustand, geeignet ist.
Fig. 12 zeigt einen Formkörper (Halbschale) , der mit einem ent¬ sprechenden Gegenformkörper auch zu einer vollkommen geschlos¬ senen Verpackung verbunden werden kann. Der schalenförmige Formkörper 1 weist eine Vielzahl von zylinderabschnittförmigen Vertiefungen 5 auf, wobei diese untereinander in einen längeren Abschnitt 6 und einen kürzeren Abschnitt 7 unterteilt sind und sich diese Anordnung symmetrisch, geteilt durch einen Mittel¬ steg 8 auf der anderen Seite des Formkörpers wiederholt. Seit¬ liche "Füße" 9 erhöhen die Formstabilität und verbessern die Auflage und Stapelfähigkeit des Verpackungsformkörpers. Eine derartige Verpackungsschale kann z.B. zur Aufnahme .von Kugel¬ schreibern, Lippenstiften, Kosmetikartikeln, Bleistiften, Schreibgeräten, oder auch in der Pharmazie, z.B. zum Aufnehmen von Verpackungsröhrchen, verwendet werden.
Die Fig. 13 und 14 zeigen verhältnismäßig tiefe Verpackungskör¬ per 1, wie sie z.B. als Blumentopf, Saatgutschale oder für son¬ stige Verpackungs- oder Umhüllungszwecke verwendet werden kön¬ nen. Alle Verpackungsformkörper 1, die nach dem vorerläuterten Ver¬ fahren hergestellt werden, könnten rasch, kostengünstig und mit hervorragenden Materialeigenschaften hinsichtlich Formstabili¬ tät, Bruchfestigkeit und Elastizität, Gefügedichte und Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere Verpackungsformkörpern, aus biologisch abbaubarem Material unter Verwendung einer viskosen Masse, die biologisch abbau¬ bares Fasermaterial, Wasser, sowie Stärke enthält und unter Ausbildung eines Fasermaterial-Stärke-Verbundes in einer Backform gebacken wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Backen für eine Zeitdauer zwischen 0,5 und 15 Minuten, insbe¬ sondere für 1 Minute bis 3 Minuten bei einer Backtemperatur zwischen 105°C und 300°C, insbesondere bei 150°C bis 200°C, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Fasermateriales faserhaltiges Rohmaterial verwendet wird, das insbesondere unter vorheriger Zerkleine¬ rung zerfasert wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial Altpapier, Recyclingmaterial, insbesondere ent¬ färbtes Altpapier, biologisch abbaubares Fasermaterial wie Zellulosefasern enthaltende Produktionsabfälle, insbesondere Holz- oder Papierschliff, Rübenschnitzel oder dgl. sind.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial direkt aus biologisch abbaubaren Fasern oder Faserbündeln be¬ steht.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial eine Mischung aus lang- und kurzfasrigen Fasern oder Faser- bündeln mit einer Faser- oder Faserbündellänge in einem Be¬ reich von 0,5 bis 50 mm, insbesondere 0,5 bis 5 mm, verwendet wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stärke native und/oder vorverkleisterte Stärke verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf das Trockengewicht des faserhaltigen Rohmateriales, insbesondere Altpapieres, das Verhältnis von Stärke zu Fasermaterial in der viskosen Masse im Bereich von 15 Gew.% bis 200 Gew.% liegt.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf das Trockengewicht des faserhaltigen Rohmateriales, insbesondere Altpapieres, die viskose Masse 30 Gew.% bis 50 Gew.% Stärke enthält.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der vis¬ kosen Masse Wasser im Verhältnis von bis zu ca. 8 : 1, vor¬ zugsweise 7 : 1, höchst vorzugsweise 2,5 : 1, bezogen auf die Trockenmasse des faserhaltigen Rohmateriales, insbesondere Altpapieres, zugesetzt wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil vorver¬ kleisterter oder modifizierter Stärke am gesamten Stärkean¬ teil innerhalb der viskosen Masse ca. 30 Gew.% beträgt.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Stärke zu Wasser in der viskosen Masse ca. 1 : 10 bis 1 : 1, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 2, beträgt und Wasser zur Bildung der viskosen Masse anschließend in Form von modifizierter oder unter Wasserüberschuß vorverkleisterter Stärke zugegeben wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der viskosen Masse der Anteil Fasermaterial 15 Gew.% bis 30 Gew.%, der An¬ teil Stärke 5 Gew.% bis 40 Gew.%, der Anteil Wasser 70 Gew.% bis 40 Gew.% beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß in der viskosen Masse der Anteil vorverkleisterter oder modifi¬ zierter Stärke 1 Gew.% bis 10 Gew.% beträgt.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial, insbesondere Altpapier, zerkleinert und an¬ schließend in Anwesenheit von Wasser unter Zugabe von Stärke, vorzugsweise nativer Stärke, auf seine Faserstruktur zurück¬ geführt und die formbare, viskose Masse gebildet und diese anschließend gebacken wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial, insbesondere Altpapier, unter Anwesenheit von Wasser zerkleinert und anschließend unter Zugabe von Stärke, vorzugsweise nativer Stärke, auf seine Faserstruktur zurück¬ geführt und die formbare, viskose Masse gebildet und diese anschließend gebacken wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des zerkleinerten, faserhaltigen Rohmateriales auf seine Fasern oder auf Faserbündel, insbesondere auf aufgelockerte Faser- bündel, in einem Misch- und Knetprozeß unter Einwirkung inne¬ rer Scherkräfte erfolgt.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Backen der viskosen Masse diese dosiert wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial, oder das unmittelbar verwendete Fasermaterial hinsichtlich seiner Faserlänge sowie seines Stärkeanteiles untersucht und vor oder nach dem Zerkleinerungsvorgang klas¬ siert wird.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die native Stärke teilweise bereits während einer Zerkleinerung des faserhalti¬ gen Rohmateriales, insbesondere als Premix mit Füllstoffen, beigegeben wird.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke dem fa¬ serhaltigen Rohmaterial, zumindest teilweise, während des Zerkleinerungsvorganges und/oder eines anschließenden Trok- ken- oder Naß-Mischvorganges und/oder während des anschlie¬ ßenden, egalisierenden Misch- und Knetvorganges als native und/oder modifizierte, insbesondere vorverkleisterte Stärke, zugesetzt wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke, insbe¬ sondere Stärke als vorverkleisterte Stärke und als native Stärke eingesetzt und die native Stärke vor Zugabe in den Zerkleinerungsprozeß des faserhaltigen Rohmateriales oder in den anschließenden, egalisierenden und das faserhaltige Roh- material auf seine Faserstruktur zurückführenden Misch- und Knetprozeß zumindest ein Füllstoffmaterial beigegeben wird.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die vorverkleister¬ te Stärke direkt in den Misch- und Knetprozeß zur Bildung der viskosen Masse gegeben wird.
24. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der viskosen Masse unter Verwendung eines Gemisches aus kurz- und langfasrigen Einzelfasern und/oder Faserbündeln, insbesondere aufgelockerten Faserbündeln, erfolgt.
25. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der viskosen Masse unter Verwendung faserhaltigen Rohmateriales unterschiedlichen Zerkleinerungsgrades und unterschiedlicher Faserlänge erfolgt.
26. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerkleinerung und/oder Zerfaserung des faserhaltigen Rohmateriales faser¬ schonend und ohne scharfe Schnittkanten der Zerkleinerungs¬ einrichtung, insbesondere durch Schlagmühlen, erfolgt.
27. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel während des Zerfaserns des zerkleinerten faserhaltigen Rohma¬ teriales aufgelockert werden.
28. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der viskosen Masse alkalische Zusätze als Flußmittel zugegeben werden.
29. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die viskose Masse in einen teigigen Zustand gebracht, auf etwa eine Wandstärke des Formkörpers ausgewalzt, Rohlinge ausgestanzt und diese Rohlinge in die Backform eingelegt werden.
30. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine dosierte Menge der Masse in eine aus einer zumindest eine obere und eine un¬ tere Backplatte gebildeten Backform eingefüllt und die in die Backform eingefüllte Masse durch die obere Backplatte oder einen Stempel vorgeformt wird.
31. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß vor Einfüllen der Masse in die Backform diese beheizt wird.
32. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Bak- kens durch Verschließen und Verriegeln der Backplatten der Backform die obere Backplatte auf die eingefüllte Masse für eine vorgegebene Zeitspanne lose aufgelegt und ein Wasserge¬ halt der Masse durch Verdampfen verringert wird.
33. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Backplatten der Backform am Beginn des Backvorganges mitein¬ ander unter Gewährleistung eines konstanten Abstandes der oberen und unteren Backplatte während des Backprozesses zu¬ einander verriegelt werden, wobei der Abstand der einander zugewandten Innenoberflächen der Backplatten, zwischen denen sich die Masse befindet, eine Wandstärke des gebackenen Form¬ körpers bestimmt.
34. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß während des Back- Vorganges eine kontrollierte Abfuhr von Wasserdampf aus der Backform erfolgt.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung von Wasserdampf aus dem Formhohlraum der Back¬ form zeitlich und/oder örtlich gesteuert und/oder innendruck- gesteuert erfolgt.
36. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schließen und Verriegeln der Backplatten der Backform am Beginn des Back¬ vorganges ein Nachdrücken von viskoser Masse in die Backform erfolgt.
37. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasseranteil der viskosen Masse vor dem Backprozeß vermindert, insbesonde¬ re mechanisch reduziert wird.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse vor dem Einbringen in die Backform in eine der Formhohlraumgeometrie der Backform im wesentlichen entspre¬ chende Siebform gegeben und die Masse, vorzugsweise bei Un¬ terdruck, durch einen passenden Stempel belastet wird und die vorgeformte Masse als Rohteil nach Erreichen der vorgesehenen Verringerung des Wassergehaltes aus der Siebform entnommen und die Backform eingelegt wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Backform eingelegte, vorgeformte Rohteil vor dem Verschließen und Verriegeln der Backplatten der Backform ei¬ nem Abdampfprozeß unter Auflegen der bezeizten oberen Back¬ zange auf das Rohteil unterzogen wird.
40. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Backprozeß un- ter Abstandsverringerung zwischen oberer und unterer Back¬ platte der Backform erfolgt.
41. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial, insbesondere Altpapier, zerkleinert und unter Anwesenheit von Wasser auf seine Faserstruktur zurückgeführt und eine formbare Masse gebildet wird, wobei der Masse 30 Gew.% bis 50 Gew.% Stärke, bezogen auf das Trockengewicht des faserhaltigen Rohmateriales, insbesondere Altpapiers, zuge¬ setzt wird, und das faserhaltige, zerkleinerte Rohmaterial, insbesondere Altpapier, in einem Misch- und Knetvorgang in Faserbündel zerlegt und in einen schwerfließenden bis plasti¬ schen Zustand versetzt sowie zur Ausbildung des Formkörpers in eine durch zusammenwirkende Backplatten gebildete Backform eingebracht und bei einer Temperatur von 150°C bis 200° C un¬ ter Bildung eines stabilen Faserbündel-Stärke-Verbundes zu dem Formkörper mit glatter Oberfläche gebacken wird.
42. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß das faserhaltige Rohmaterial, insbesondere Altpapier, zerkleinert und unter Anwesenheit von Wasser auf seine Faserstruktur zurückgeführt und eine formbare Masse gebildet wird, wobei der Masse 15 Gew.% bis 30 Gew.% Stärke, bezogen auf das Trockengewicht des faserhaltigen Rohmateriales, insbesondere Altpapieres, zuge¬ setzt wird, und das faserhaltige, zerkleinerte Rohmaterial, insbesondere Altpapier, in einem Misch- und Knetvorgang in Faserbündel zerlegt und in einen schwerfließenden bis plasti¬ schen Zustand versetzt sowie zur Ausbildung des Formkörpers in eine durch zusammenwirkende Backplatten gebildete Backform eingebracht und bei einer Temperatur von 150°C bis 200°C un¬ ter Bildung eines stabilen Faserbündel-Stärke-Verbundes zu dem Formkörper mit glatter Oberfläche gebacken wird.
43. Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Zeitdauer des Backvorganges 1 bis 15 Minuten, insbesondere 1 bis 3 oder 4 bis 12 Minuten, abhängig von der Zusammensetzung und dem Wassergehalt der Masse, beträgt.
44. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprü¬ che 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß für dickwandige und/oder großflächige Formkörper bevorzugt langfasrige Fasern oder Faserbündel bis zu 50 mm Länge verwendet werden, insbe¬ sondere Fasern oder Faserbündel mit einer Faser- oder Faser¬ bündellänge im Bereich von 10 mm bis 50 mm im Gemisch mit kurzfasrigen Fasern oder Faserbündeln mit einer Faser- oder FaserbündeHänge von 0,5 mm bis 20 mm.
45. Formkörper, insbesondere Verpackungskörper, aus biolo¬ gisch abbaubarem Material, bestehend aus biologisch abbauba¬ rem Fasermaterial, Stärke und einem Restanteil Wasser, insbe¬ sondere hergestellt gemäß Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 44.
46. Formkörper nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil Fasermaterial zu Stärke 4 : 1 bis 1 : 2 beträgt.
47. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden An¬ sprüche 44 oder 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkör¬ per ein Gemisch aus lang- und kurzfasrigen Fasern, oder, ins¬ besondere aus aufgelockerten Faserbündeln zwischen 0,5 mm und 5 mm Faser- bzw. Faserbündellänge enthält.
48. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden An¬ sprüche 45 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper einen Anteil vorverkleisteter Stärke enthält.
49. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden An¬ sprüche 45 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ein Gemisch aus insbesondere langfasrigen, aufgelockerten Fa- serbündeln und, insbesondere kurzfasrigen, Einzelfasern oder Faserbündeln enthält.
50. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden An¬ sprüche 45 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper einen stabilen Faser-/Faserbündel-Stärke-Verbund, insbesonde¬ re eine faserverstärkte Stärke-Matrix aufweist.
51. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden An¬ sprüche 45 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper ein Faser/Faserbündel-Gerüst, durchdrungen von einer Stärke- Matrix, aufweist.
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