DE69733779T2

DE69733779T2 - Verfahren zur herstellen von geformten folien mit stärkegebundener matrix

Info

Publication number: DE69733779T2
Application number: DE69733779T
Authority: DE
Inventors: J. Per ANDERSEN; K. Simon HODSON; Shaode Ong; J. Bruce CHRISTENSEN
Original assignee: E Khashoggi Industries LLC
Current assignee: E Khashoggi Industries LLC
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: ATE299793T1; AU2800597A; DE69733779D1; US5810961A; WO1997037827A1; AU712982B2; EP1007320A1; EP1007320A4; ES2246512T3; DK1007320T3; CA2248982C; JP2000508258A; CA2248982A1; JP3296565B2; KR19990087469A; BR9710428A; EP1007320B1; NZ332697A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von geformten Folien und Gegenständen daraus. Die geformten Folien haben eine stärkegebundene Matrix, die mit Fasern verstärkt ist und die gegebenenfalls mineralische Füllstoffe enthält, und sie können einen Ersatz für herkömmliche Papier- und Pappeprodukte bilden.
Die Beschreibung hindurch bedeutet die Angabe "...", dass ein Teil des Textes, der in der Prioritäts-begründenden Anmeldung (USSN 08/631 676) vorhanden war, versehentlich aus der wie eingereichten PCT-Anmeldung (PCT/US97/05794) weggelassen wurde.
A. Folien, Behälter und andere Gegenstände
Dünne, flexible Folien, hergestellt aus Materialien, wie Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, und sogar aus Metallen, werden derzeit in enormen Mengen in Form von bedruckten Materialien, Etiketten, Matten sowie zur Herstellung von anderen Gegenständen, wie Behältern, Separatoren, Aufteileinrichtungen, Umschlägen, Deckeln, Oberteilen, Dosen und anderen Verpackungsmaterialien, verwendet. Moderne Prozessierungs- und Verpackungstechniken gestatten derzeit die Lagerung einer enormen Vielzahl von flüssigen und festen Gütern sowie deren Verpackung oder Transport, während sie vor gefährlichen Elementen geschützt sind.
Behälter und andere Verpackungsmaterialien schützen Güter vor Umwelteinflüssen und vor Schäden, die bei der Verteilung auftreten können, und insbesondere vor chemischen und physikalischen Einflüssen. Die Verpackung trägt dazu bei, eine enorme Vielzahl von Gütern vor Gasen, Feuchtigkeit, Licht, Mikroorganismen, Würmern, physikalischem Schock, Zerschlagungskräften, Vibrationen, Auslauferscheinungen oder Verschütten zu schützen. Einige Verpackungsmaterialien liefern auch ein Medium für die Verbreitung von Informationen an den Verbraucher, wie bezüglich der Herstellungsquelle, des Inhalts, sowie für Werbebotschaften, für Anweisungen für Markenidentifizierungen und den Preis.
Typischerweise werden die meisten Behälter und Tassen bzw. Becher (mit Einschluss von Wegwerfbehältern) aus Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol-, Glas- und Metallmaterialien, hergestellt. Jedes Jahr werden mehr als 100 Milliarden Aluminiumdosen, Milliarden von Glasflaschen und Tausende von Tonnen an Papier und Kunststoff zur Lagerung und Abgabe von Softdrinks, von Säften, von prozessierten Nahrungsmitteln, von Kornprodukten, von Bier, etc., verwendet. Außerhalb der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie sind Verpackungsbehälter (und insbesondere Wegwerfbehälter, die aus solchen Materialien hergestellt worden sind) überall vorkommend. Papier zum Drucken, zum Beschreiben und zum Fotokopieren sowie für Magazine, Zeitungen, Bücher, Einwickelmaterialien und andere flache Gegenstände, die aus Folien von aus Bäumen erhaltenem Papier hergestellt sind, werden ebenfalls jedes Jahr in enormen Mengen hergestellt. Allein in den Vereinigten Staaten werden jedes Jahr ungefähr 5 1/2 Millionen Tonnen Papier für Verpackungszwecke eingesetzt, was aber nur etwa 15% der gesamten jährlichen Inlandsproduktion von Papier entspricht.
B. Die Auswirkungen von Papier, Kunststoff, Glas und Metallen
Seit Neuem gibt es Debatten darüber, welches dieser Materialien (z.B. Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas oder Metall) für die Umgebung am schädlichsten ist. Organisationen mit Umweltbewusstheit haben schon viele Leute davon überzeugt, ein Material anstelle eines anderen einzusetzen, um umweltmäßig "korrekt" zu sein. Diese Debatte verfehlt aber oftmals den Punkt, dass jedes dieser Materialien seine eigenen einzigartigen Umweltschwächen hat. Zwar scheint ein Material einem anderen gegenüber überlegen zu sein, wenn es im Lichte eines besonderen Umweltproblems beurteilt wird, während davon unterschiedliche, oftmals sogar größere Probleme ignoriert werden, die mit dem angeblich bevorzugten Material verbunden sind. Tatsächlich haben Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas und metallische Materialien ihre eigenen einzigartigen Umweltschwächen.
Polystyrolprodukte haben in neuerer Zeit den Zorn von Umweltschutzgruppen auf sich gezogen, und zwar besonders Behälter und anderen Verpackungsmaterialien. Während das Polystyrol selbst eine relativ inerte Substanz ist, umfasst jedoch seine Herstellung die Verwendung einer Vielzahl von gefährlichen Chemikalien und Ausgangsmaterialien. Unpolymerisiertes Styrol ist sehr reaktiv und stellt daher ein Problem für die Gesundheit für diejenigen dar, die es handhaben müssen. Da das Styrol aus Benzol (das ein bekanntes Mutagen und möglicherweise ein Karzinogen ist) hergestellt wird, können restliche Mengen von Benzol in dem Styrol gefunden werden. Schließlich ist es so, weil polymerisiertes Styrol unter üblichen Bedingungen relativ stabil ist, dass Behälter, Verpackungspeanuts und andere Gegenstände, die daraus hergestellt worden sind, gegenüber einem Abbau resistent und daher bei der Ablagerung in der Umwelt über lange Zeiträume vorhanden sind.
Mehr potentielle Schäden werden mit der Verwendung von Chlorfluorkohlenwasserstoffen (oder "CFCs") bei der Herstellung von "geblasenen" oder "expandierten" Polystyrolprodukten verbunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die CFCs mit der Zerstörung der Ozonschicht verknüpft sind. Bei der Herstellung von Schaumstoffen, mit Einschluss von geblasenem Polystyrol, sind die CFCs (die hochflüchtige Flüssigkeiten darstellen) dazu eingesetzt worden, um das Polystyrol zu Schaumstoffen zu "expandieren" oder zu "verblasen". Letzteres Material wird dann in die Form von Tassen bzw. Bechern, Platten, Tabletts, Kästen, faltbaren Behältern, Abstandsstücken oder Verpackungsmaterialien verformt. Selbst die Substitution durch weniger "umweltbeschädigende" Treibmittel (z.B. HCFC, CO₂ und Pentane) ist immer noch signifikant schädlich, und ihre Eliminierung würde günstig sein.
Als Ergebnis wurde auf die Industrie ein weit verbreiteter Druck ausgeübt, die Verwendung von Polystyrolprodukten zugunsten von hinsichtlich der Umwelt sichereren Materialien abzubrechen. Einige Umweltschutzgruppen haben eine zeitweilige Rückkehr zu der Verwendung von "natürlicheren" Produkten, wie Papier, oder anderen Produkten, hergestellt aus Holzpulpe, von denen angenommen wird, dass sie biologisch abbaubar sind, favorisiert. Gleichwohl haben andere Umweltschutzgruppen die entgegengesetzte Ansicht vertreten, um das Fällen von Bäumen und die Verarmung an Wäldern zu minimieren.
Obgleich Papierprodukte offensichtlich biologisch abbaubar sind und auch nicht mit der Zerstörung der Ozonschicht verbunden sind, haben doch neuere Untersuchungen gezeigt, dass die Herstellung von Papier möglicherweise die Umgebung stärker beeinflusst als die Herstellung von Polystyrol. Tatsächlich ist die Holzpulpe- und Papierindustrie als einer der fünf Spitzenverschmutzer in den Vereinigten Staaten identifiziert worden. Beispielsweise erfordern Produkte, die aus Papier hergestellt werden, die zehnfache Menge von Wasserdampf, die vierzehnfache bis zwanzigfache Menge von Elektrizität und die doppelte Menge von Kühlwasser im Vergleich zu einem gleichwertigen Polystyrolprodukt. Verschiedene Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die Abwässer aus der Papierherstellung die zehn- bis hundertfache Menge der Menge an Verunreinigungen enthalten, die bei der Herstellung von Polystyrolschaumstoffen anfallen.
Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Papier und Pappe ist die relativ große Menge von Energie, die für die Herstellung von Papier erforderlich ist. Diese schließt die Energie ein, die für die Verarbeitung von Holzpulpe bis zu dem Punkt, dass die Fasern genügend delignifiziert und gereinigt sind, dass solche Fasern nach dem Prinzipien der Gewebephysik selbstbindend sind, erforderlich ist. Dazu kommt noch, dass eine große Menge von Energie dazu erforderlich ist, das Wasser innerhalb von herkömmlichen Papieraufschlämmungen, die Wasser in Spitzenmengen bis zu etwa 99,5 Vol.-% enthalten, zu entfernen. Da derart viel Wasser aus der Aufschlämmung entfernt werden muss, ist es erforderlich, das Wasser aus der Aufschlämmung buchstäblich herauszusaugen, bevor erhitzte Walzen dazu eingesetzt werden können, um die Bahn zu trocknen. Schließlich wird gewöhnlich sehr viel von dem Wasser, das aus den Folien während des Entwässerungsprozesses herausgesaugt wird, gewöhnlich in die Umwelt entsorgt.
Die Herstellungsprozesse für die Verformung von Metallfolien zu Behältern (insbesondere Dosen, hergestellt aus Aluminium und Zinn), zum Blasen von Glasflaschen und zum Verformen von keramischen Behältern, verbrauchen große Mengen von Energie wegen der Notwendigkeit, das Rohmaterial aufzuschmelzen und dann gesondert zu einem Zwischenprodukt oder Endprodukt zu verarbeiten oder zu verformen. Diese hohen Energie- und Prozesserfordernisse verwenden nicht nur wertvolle Energieressourcen, sondern führen auch zu einer signifikanten Luft-, Wasser- und Hitzeverschmutzung an die Umwelt. Während Glas recycelt werden kann, ist der Teil, der in Landauffüllungen endet, im Wesentlichen nicht abbaubar. Glassplitter sind sehr gefährlich und können über Jahre dauerhaft sein.
Selbst das Papier oder die Pappe, von denen von vielen angenommen wird, dass diese Materialien biologisch abbaubar sind, können über Jahre, sogar Dekaden, innerhalb Landauffüllungen, die von Luft, Licht und Wasser abgeschirmt sind, die alle für normale biologische Abbauaktivitäten erforderlich sind, verbleiben. Es gibt Berichte darüber, dass Telefonbücher und Zeitungen aus Abfallgruben herausgezogen worden sind, worin sie über Dekaden vergraben waren. Die Langlebigkeit von Papier wird weiterhin kompliziert gemacht, weil es üblich ist, Papier mit verschiedenen Schutzmaterialien, die den Abbau weiter verlangsamen oder sogar verhindern, zu behandeln, zu beschichten oder zu imprägnieren.
Ein weiteres Problem bei Papier, Pappe, Polystyrol und Kunststoffen besteht darin, dass jedes dieser Materialien relativ teure organische Ausgangsmaterialien erfordert, von denen einige ......sind. Obgleich Bäume, die für die Herstellung von Papier und Pappe verwendet werden, im strikten Sinne des Wortes erneuerbar sind, unterminieren ihre großen Landerfordernisse und die rasche Verarmung in bestimmten Gegenden diese Meinung. Daher kann die Verwendung von großen Mengen von im Wesentlichen nicht-erneuerbaren Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Folien und Gegenständen daraus nicht abgebrochen werden, und sie ist aus einer Langzeitperspektive nicht weise. Weiterhin sind die zur Herstellung der Rohmaterialien für die Verpackungsmasse (wie Papierpulpe, Styrol oder Metallfolien) verwendeten Prozesse sehr energieintensiv, die große Mengen von Wasser benötigen und eine große Luftverschmutzung bewirken und die auch signifikante Kapitalinvestitionen erfordern.
Im Lichte der vorstehenden Ausführungen sollte daher die Debatte nicht darauf gerichtet sein, welche Materialien für die Umwelt mehr oder weniger schädlich sind, sondern es sollte gefragt werden, ob ein alternatives Material entwickelt werden kann, das die meisten, wenn nicht alle, der verschiedenen Umweltprobleme, die mit den jeweils derzeit verwendeten Materialien assoziiert sind, löst.
C. Stärke-Bindemittel
Neuerdings haben viele schon versucht, Stärken und Stärke-Derivate als Bindungsmittel oder als einzigen Bestandteil in geformten Gegenständen zu verwenden. Ein Verfahren für die Verformung von Stärke erfolgt durch Verformung eines Produkts, das auf diesem Gebiet als "destrukturisierte Stärke" bekannt ist. Bei der Herstellung von destrukturisierter Stärke werden native Stärke oder Stärke-Derivate mit einem Weichmacher vermischt und bei hoher Temperatur und Druck verflüssigt, um eine "heiße Schmelze" zu erzeugen, die dadurch verfestigt wird, dass die heiße Schmelze auf eine Temperatur unterhalb der "Glasübergangstemperatur" abgekühlt wird. Auf diese Art und Weise wird die Stärke wie ein thermoplastisches Material behandelt. Obgleich destrukturisierte oder Heißschmelzstärke-Systeme in der Theorie gut klingen, sind doch in der Praxis die Herstellungsverfahren sehr teuer, und die daraus hergestellten Gegenstände sind im Allgemeinen nicht zufriedenstellend, und sie haben nur eine schlechte Qualität.
Ein weiteres Verfahren zum Verformen von Gemischen auf Stärkebasis zu Gegenständen beinhaltet die Verformung eines wässrigen Stärkegemisches zwischen erhitzten Pressgesenken bzw. Formwerkzeugen. Das Stärke-Bindemittel liegt vorzugsweise anfänglich in einem nicht-modifizierten, nicht-gelatinierten Zustand innerhalb des verformbaren wässrigen Gemisches vor. Ansonsten müsste das Gemisch weitaus mehr Wasser enthalten, um die gleichen charakteristischen Eigenschaften der Verformbarkeit aufrecht zu erhalten, und zwar aufgrund der Gelierung der Stärke und des extrem die Viskosität erhöhenden Effekts der gelatinierten Stärke in Wasser. Die Gemische aus Stärke und Wasser werden zwischen den Formen auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um die Stärke zu gelatinieren, als auch den Hauptteil des Wassers aus dem verformbaren Gemisch zu entfernen. Die resultierenden geformten Gegenstände können aus der Form entnommen werden, sind jedoch anfänglich sehr brüchig und müssen dadurch "konditioniert werden", indem sie in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit über ausgedehnte Zeiträume gebracht werden, um Feuchtigkeit zu reabsorbieren.
Eine einfache Entfernung der Gegenstände, die eine Restfeuchtigkeit haben, aus der Form hat sich als nicht durchführbar erwiesen wegen der Tendenz der verschäumten zellulären Stärkematrix, zusammenzufallen, wenn sie nicht genügend getrocknet und erhärtet wird.....die Vermeidung eines Zusammenfallens umfasst üblicherweise ein Übertrocknen der Stärke. Eine derartige Konditionierung ist nach dem Verformungsprozess erforderlich. Während der vorstehende Verformungsprozess eine gewisse Einsetzbarkeit haben kann, gestattet er doch nicht die kontinuierliche Herstellung von kontinuierlichen Bahnen, wie bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Papier.
Stärke-Derivate werden auch im weiten Umfang auch in der Papierindustrie als Schlichtmittel und als Beschichtungsmittel eingesetzt, um die Poren des Papiers zu versiegeln und um eine glattere, weniger poröse Oberfläche zu erzeugen. Jedoch vertrauen die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Papier weltweit auf das Prinzip der Gewebephysik, das das Verschlingen der Fasern und eine Wasserstoffbindung zwischen den Fasern darstellt, um die bindende Matrix der Folie zu bilden. Die zu der Papieraufschlämmung oder zu dem Eintrag gegebenen Stärke-Bindemittel wirken nur als sekundäre Bindemittel, da das meiste der Stärke durch den Formungsdraht zusammen mit dem Wasser, wie es aus dem Eintrag während des Papierherstellungsverfahrens abläuft, hindurchgeht. Daher geht eine erhebliche Menge, die zu dem Papiereintrag gegeben wird, als Abfall verloren. Es wäre daher in hohem Ausmaß unwirtschaftlich, Stärke als einziges oder primäres Bindemittel in herkömmlichem Papier einzusetzen.
Weiterhin besteht eines der Probleme der Stärkebindemittel darin, dass sie im Allgemeinen sehr klebrig sind, wenn sie einmal in Wasser aufgelöst oder damit gelatiniert worden sind. Obgleich dies sie im Allgemeinen zu guten Bindemitteln macht, kompliziert es doch den Herstellungsprozess, da Folien bzw. Bahnen oder Gegenstände, hergestellt unter Verwendung von großen Mengen von gelösten oder gelatinierten Stärke-Bindemitteln die Tendenz haben, an der Form oder der Vorrichtung zur Folienbildung bzw. Bahnenbildung zu kleben. Andererseits sind nicht-modifizierte Stärkegranulate im Allgemeinen in Wasser unlöslich, und sie wirken lediglich als teilchenförmige Füllstoffe in nassen Systemen, es sei denn, die die Stärkekörnchen enthaltenden Mischungen werden auf eine Temperatur oberhalb der Gelatinierungstemperatur der Stärke erhitzt. Jedoch werden einmal gelatiniert die nicht-modifizierten Stärkekörnchen sehr klebrig, und sie neigen dazu, dass sie an der Verformungseinrichtung, und insbesondere einer erhitzten Verformungseinrichtung, ankleben.
Die WO-A-94/12328 beschreibt Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung von Folien mit anorganisch gefüllten Matrizes durch Vermischen eines organischen polymeren Bindemittels, Wasser, Aggregaten und Fasern und Verformung der Gemische zu Folien zwischen Walzen.
Aufgrund der vorstehenden Ausführungen sind, was zur Verbesserung der Zusammensetzungen und der Herstellungsverfahren erforderlich ist, niedrige Kosten, umweltfreundliche Folien mit ähnlichen Eigenschaften wie Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoff oder Metallfolien.
Es würde eine signifikante Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, wenn solche Folien zu einer Vielzahl von Behältern oder anderen Gegenständen unter Verwendung von bereits vorliegenden Herstellungseinrichtungen, die zur Bildung von Gegenständen aus Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoffen oder Metallfolien verwendet werden, verformt werden könnten.
Es würde weiterhin eine Verbesserung der Folienherstellung darstellen, wenn die umweltfreundlichen Folien durch Verformen von Zusammensetzungen gebildet werden können, die nur einen Bruchteil des Wassers und/oder der Fasern enthalten, die in typischen Aufschlämmungen enthalten sind, welche zur Herstellung von herkömmlichem Papier verwendet werden und die keine extensive Entwässerung während des Folienbildungsprozesses erfordern.
Es würde eine signifikante Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, wenn solche Folien sowie daraus hergestellte Behälter oder andere Gegenstände leicht biologisch abbaubar und/oder zu Substanzen zersetzbar wären, die üblicherweise auf der Erde gefunden werden.
Von einem praktischen Gesichtspunkt aus gesehen würde es eine signifikante Verbesserung darstellen, Zusammensetzungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die Herstellung von Folien, Behältern und anderen Gegenständen daraus mit Kosten ermöglichen würden, die mit den Kosten von derzeit vorhandenen Verfahren zur Herstellung von Papier, Kunststoffen oder Metallprodukten vergleichbar wären oder sogar noch niedriger wären. Speziellerweise wäre es anzustreben, die Energieerfordernisse und die Anfangskapital-Investitionskosen für die Herstellung von Produkten mit den erwünschten charakteristischen Eigenschaften von Papier, Kunststoffen oder Metallen zu verringern.
Es würde eine weitere Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, Zusammensetzungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die den Zusatz von relativ hohen Mengen von Stärke zu den Folien gestatten würden, bei Überwindung der Probleme, die mit der Anhaftung bzw. Anklebung von Stärke, teilweise gelatinierter Stärke an dem Verformungs- oder Folienbildungsapparat einhergehen.
Es würde weiterhin eine ganz erhebliche Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, wenn Zusammensetzungen und Verfahren zur Verfügung gestellt werden könnten, die die optionale Zusetzung von signifikanten Mengen von natürlichen anorganischen mineralischen Füllstoffen zu den oben genannten Folien gestatten würden. Insbesondere würde es einen signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche anorganisch gefüllte Folien eine größere Flexibilität, eine größere Zugfestigkeit, eine größere Zähigkeit, eine größere Verformbarkeit und eine größere Massenproduzierbarkeit im Vergleich zu den bisherigen Materialien mit einem hohen Gehalt an anorganischen Füllstoffen aufweisen würden.
Solche Verfahren zur Herstellung der oben genannten Folien werden hierin beschrieben und beansprucht.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von umweltfreundlichen Folien, die eine relativ hohe Konzentration von Stärke und von gegebenenfalls zugesetzten anorganischen mineralischen Füllstoffen haben. Da die Stärkekomponente das primäre Bindemittel darstellt, sollen die erfindungsgemäß hergestellten Folien nachstehend als "stärkegebundene Folien" bezeichnet werden. Solche Folien haben Festigkeits- und andere Eigenschaften, die sie denjenigen von herkömmlichem, aus Bäumen hergestelltem Papier vergleichbar, und sogar noch besser machen.
Gesehen von einem Gesichtspunkt, stellt die vorliegende Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung einer stärkegebundenen Folie zur Verfügung, das die folgenden Stufen umfasst:

(a) Zusammenmischen von Wasser, nicht-gelatinierten Stärkekörnchen, eines Celluloseethers, eines faserförmigen Materials und gegebenenfalls eines anorganischen Aggregatfüllstoffs unter Bildung eines formbaren Gemisches;
(b) Formen des formbaren Gemisches in eine anfängliche Grünfolie durch Führen des Gemisches zwischen mindestens einem Satz Formwalzen (40) mit einer derartigen Temperatur, dass ein Anteil des Cellulosethers thermisch präzipitiert, um die Adhäsion der anfänglichen Grünfolie an den Formwalzen bei Gelatinierung der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen in Stufe (c) zu verringern;
(c) Führen der anfänglichen Grünfolie zwischen mindestens einem Satz von Walzen mit einer derartigen Temperatur, dass mindestens ein Anteil der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen gelatiniert wird, und um eine intermediäre Grünfolie zu bilden; und
(d) Erwärmen der Grünfolie, um einen Anteil des Wassers aus der intermediären Grünfolie zu entfernen, um eine gehärtete Folie mit einer Bindungsmatrix zu bilden, die getrocknete Stärke und Celluloseether enthält.

Die zur Bildung der stärkegebundenen Folien verwendeten verformbaren Gemische schließen typischerweise nicht-gelatinierte Stärkekörnchen, einen Celluloseether, homogen dispergierte Fasern, Wasser und gegebenenfalls anorganische mineralische Füllstoffe und andere optionale Komponenten ein. Geeignete Celluloseether schließen solche ein, die eine "thermische Ausfällung" erleiden, was ein Phänomen ist, bei dem der Celluloseether in einem wässrigen System Wasser freisetzt und sich verfestigt, nachdem das wässrige System auf eine Temperatur oberhalb des thermischen Ausfällungspunkts des jeweiligen Celluloseethers erhitzt worden ist. Auf diese Weise bildet der Celluloseether einen nicht-klebrigen Film.....die Stärkekörnchen in der verformbaren Zusammensetzung von der Haftung an den Folien-bildenden Walzen nach der Gelatinierung während nachfolgender Stufen des Folien-bildenden Prozesses.
Das formbare Gemisch wird vorzugsweise zu Folien dadurch verformt, dass es zwischen Formwalzen geführt wird, die auf eine Temperatur der thermischen Ausfällungstemperatur des Celluloseethers oder darüber, jedoch auf eine Temperatur unterhalb der Gelatinierungstemperatur der Stärke erhitzt sind. Die Formwalzen liefern eine Grünfolie mit einem nicht-klebrigen Film von thermisch ausgefälltem Celluloseether. Zu diesem Zeitpunkt hat die Grünfolie eine relativ trockene Oberfläche, obwohl das Innere erhebliche Feuchtigkeit enthält. Danach wird die Folie zwischen Walzen geführt, die auf eine Temperatur erhitzt sind, die ausreichend ist, um die Stärkekörnchen zu gelatinieren. Die gelatinierten Stärkekörnchen schmelzen innerhalb der Folie zusammen, um eine sehr stark bindende Matrix zu bilden, bewirken jedoch keine Anhaftung bzw. Anklebung der Folie an den Walzen, und zwar deswegen, weil die gelatinierte Stärke innerhalb des nicht-klebenden Oberflächenfilms des thermisch ausgefällten Celluloseethers eingekapselt ist. Die Folie wird weiter erhitzt, um eine erhebliche Menge von Wasser durch Abdampfen zu entfernen, wodurch eine im Wesentlichen getrocknete Folie erhalten wird. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geformten Folien umfassen eine stärkegebundene Matrix, die mit im Wesentlichen homogen dispergierten Fasern verstärkt ist. Die Folien können gegebenenfalls einen anorganischen mineralischen Füllstoff und andere Mischzusätze enthalten.
Ein bevorzugtes Gemisch zur Bildung der Folien enthält ein nicht-gelatiniertes Stärke-Bindemittel mit einer Konzentration im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; einen Celluloseether mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; ein faserförmiges Material mit einer Konzentration im Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; ggf. ein anorganisches Aggregat mit einer Konzentration im Bereich von 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; und Wasser in einer genügenden Menge, dass eine formbare Zusammensetzung erhalten wird. Der Celluloseether in der Verformungszusammensetzung wirkt als Verdickungsmittel, das die Fließspannung der fluiden Fraktion erhöht und eine homogene Dispersion der Fasern durch die Verformungszusammensetzung hindurch gestattet.
Die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Folien können eine Dicke von so niedrig wie etwa 0,01 mm bis so hoch wie 10 cm oder mehr haben. Damit jedoch die Folien ähnliche Qualitäten wie Papier oder Pappe haben, haben sie im Allgemeinen eine Dicke von weniger als etwa 1 cm, vorzugsweise weniger als etwa 5 mm, mehr bevorzugt weniger als etwa 3 mm, und am meisten bevorzugt weniger als etwa 1 mm. Weiterhin zersetzt sich die stärkegebundene strukturelle Matrix der Folie nach verlängertem Aussetzen an Wasser.
Bevor die Erfinder die Fähigkeit der Verwendung von relativ hohen Mengen der Stärke zusammen mit thermisch ausfällenden Celluloseethern entdeckt haben, bevorzugte primäre Bindemittel..... Jedoch haben Celluloseether den Nachteil, dass sie im Vergleich zu den anderen Komponenten, die zur Herstellung der Folien zum Einsatz kommen, weitaus teurer sind. Nicht- modifizierte Stärkekörnchen, die die billigsten Materialien aller Stärken sind, haben bislang nur wenig Verwendung als Bindemittel gefunden, weil einmal gelatinierte Stärke den Nachteil hat, dass sie extrem klebrig ist. Versuche, sie als primäres Bindemittel in Folien-bildenden Verfahren zu verwenden, haben nur zu einer nicht-zufriedenstellenden Adhäsion der Stärke an der Extrusions- oder Folien-bildenden Vorrichtung geführt.
Die vorliegende Erfindung ergibt die Substitution von großen Mengen an Stärke für viel von dem Celluloseether-Bindemittel, das bislang in Zusammensetzungen für die Herstellung von Folien verwendet worden ist. Die Kombination der Verwendung einer geringen Menge des relativ teuren Celluloseethers zusammen mit erheblich höheren Mengen der relativ billigen, nicht-modifizierten Stärkekörnchen eliminiert die obigen Nachteile der gesonderten Verwendung jedes dieser Bindemittel. Die Verringerung der Menge des Celluloseethers in den verformbaren Gemischen, die zur Bildung der Folien verwendet werden, verringert in erheblichem Umfang die Kosten zur Herstellung der Folien. Weiterhin ist die Stärke nicht nur erheblich teurer, sondern auch ein überlegenes Bindemittel im Vergleich zu Celluloseethern und ergibt Folien mit weitaus höherer Qualität bei weitaus geringeren Kosten als im Falle von Folien, zu deren Herstellung Celluloseether als einziges Bindemittel verwendet werden.
Wenn die Komponenten des Formungsgemisches zusammengemischt werden, dann ist es von Wichtigkeit, dass die Stärke keinen Scherkräften ausgesetzt wird, die hoch genug sind, um die Stärkekörnchen aufzubrechen oder zu zerreißen. Es ist auch von Wichtigkeit, das Gemisch bei einer Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur der Stärke zu halten, um eine vorzeitige Gelierung des Stärke-Bindemittels zu vermeiden, bevor mit dem Folienbildungsprozess begonnen worden ist. Sonst kann die Stärke an der Oberfläche der Folie an der Folienbildenden Vorrichtung kleben, bevor der Celluloseether als erstes ausgefällt worden ist und einen nicht-klebrigen Film auf der Oberfläche der Folie bildet.
Demgemäß umfasst eine bevorzugte Stufe zur Bildung des Formungsgemisches, das dazu verwendet wird, erfindungsgemäß die Folien herzustellen, das Vermischen von Wasser, Fasern und dem Celluloseether unter Anwendung eines Hochschermischens, um die Fasern im Wesentlichen homogen zu dispergieren und ein faserartiges Gemisch zu bilden. Danach werden die nicht-modifizierten Stärkekörnchen, das anorganische mineralische Füllmittel und andere optionale Mischzusätze in das faserartige Gemisch eingemischt, um das Formungsgemisch zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt kann auch zusätzliches Wasser zugesetzt werden. Das Formungsgemisch wird dann zu einer Folie verformt, indem das Formungsgemisch durch mindestens ein Paar von Formwalzen geführt wird, die auf die thermische Ausfällungstemperatur des Celluloseethers erhitzt sind. Das Formungsgemisch kann direkt zwischen den Formwalzen mittels eines Extrudierungsapparats, vorzugsweise mittels eines "wig wag"-Systems, eingespeist werden. Alternativ kann der Extruder eine Folien-bildende Düse bzw. ein Folien-bildendes Pressgesenk haben. Der Celluloseether verhindert, dass das Stärke-Bindemittel an den Walzen anklebt, wie oben diskutiert wurde.
Danach wird die Grünfolie zwischen Stärkegelierungswalzen geführt, die auf den Gelierungspunkt der Stärke oder oberhalb davon erhitzt sind. Einige Stärkearten, wie Kartoffelstärke, gelieren bei etwa 65°C, während andere, wie Maisstärke, bei etwa 95°C gelieren. Wachsartige Maisstärke geliert bei etwa 70°C. Die Folie wird dann in beschleunigter Art und Weise zu einem signifikanten Grad gehärtet, indem eine erhebliche Wassermenge durch Abdampfen entfernt wird. Die Entfernung des Wassers kann mindestens teilweise mittels der Gelierungswalzen erfolgen, obgleich nur geringe Unterschiede zwischen den zur Gelierung der Stärke verwendeten Walzen und denjenigen, die zur Entfernung des Wassers verwendet werden, vorhanden sein können. Walzen, die heiß genug sind, um das Wasser zu entfernen, werden auch die Stärkekörnchen gelieren. Die Fasern in der getrockneten Folie sind im Wesentlichen darin homogen dispergiert als ein Verstärkungsmittel und durch die Stärkematrix hindurch.
Zusätzlich zu dem einfachen Folienbildungsverfahren kann die Folie gegebenenfalls, während sie sich immer noch in dem Grünzustand und in einem mindestens teilweise verformbaren Zustand befindet, verdichtet werden, um z.B. unerwünschte Luftlöcher zu entfernen, die erzeugt worden sind, als das Wasser aus der strukturellen Matrix durch Abdampfen entfernt wurde, und weiterhin die Adhäsion zwischen den Bindemitteln und den Fasern zu erhöhen und die Oberflächenglätte zu erhöhen. Die Verdichtung wird dadurch durchgeführt, dass die Folie zwischen einem oder mehreren Sätzen von Kompaktierungs- bzw. Verdichtungswalzen mit einem Walzenspalt, der kleiner als die Foliendicke ist, geführt wird.
Die Oberfläche der Folie kann verbessert werden, indem sie zwischen einem oder mehreren Paaren von Finishing-Walzen, die aus einer harten und weichen Walze bestehen, geführt wird. Die weiche Walze hat eine genügende Reibung, um die Folie so zu greifen, dass die tangentiale Geschwindigkeit der Folie im Wesentlichen gleich ist wie die Geschwindigkeit der Folie. Die "harte Walze" ist sehr glatt, und sie rotiert mit einer tangentialen Geschwindigkeit, die erheblich größer ist als die Geschwindigkeit der Folie, so dass die Oberfläche der Folie poliert wird. Weitere Walzen zur Finishbehandlung schließen texturierte Walzen oder gewellte Walzen zur Texturierung oder Wellung der Folien ein.
Die erfindungsgemäß hergestellten Folien haben ähnliche Eigenschaften wie diejenigen aus Papier, Kunststoff oder dünnwandigen Metallen, und sie können sofort zur Bildung einer Vielzahl von Gegenständen, wie Containern oder anderen Verpackungsmaterialien, eingesetzt werden. Alternativ können solche Folien auf große Spulen aufgewickelt werden oder sie können zu Folienteilen zerschnitten werden und auf Paletten aufgestapelt werden, in ähnlicher Weise wie Papier oder Pappe. Sie können so lange gelagert werden, bis sie benötigt werden. Danach können die aufgestapelten oder aufgewickelten Folien zugeschnitten und zu dem gewünschten Erzeugnis verformt werden. Folien
Die erfindungsgemäß hergestellten Folien können gegebenenfalls wieder befeuchtet werden, um sie flexibler zu machen und/oder ihnen selbsthaftende Eigenschaften zu verleihen. Eine erhöhte Flexibilität verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Folie splittert oder eine Rissbildung erleidet, während sie zu dem gewünschten Gegenstand verformt wird. Weiterhin kann sich die Stärke auch als thermoplastische Substanz verhalten. Wenn die erfindungsgemäß hergestellten Folien auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Stärke erhitzt werden, dann können sie zu der gewünschten Gestalt verformt werden. Beim Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur werden die Folien.....die Folien machen auch die Stärke selbstklebend, was eine Adhäsion und Versiegelung der Folien gestattet, wenn sie zu einem Behälter, beispielsweise durch Spiralaufwickeln, verformt werden. Eine Kombination aus einer Wiederbefeuchtung und einer thermischen Verformung der Folien kann vorteilhafterweise angewendet werden, um die Vielseitigkeit der Folien und den Bereich der möglichen Herstellungsprozeduren unter Verwendung der Folien zu erhöhen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Folien haben eine hohe Zugfestigkeit von bis zu 100 MPa in einigen Fällen, in Abhängigkeit von dem Stärke- und Fasergehalt. Sie können bedruckt werden, beschichtet werden, laminiert werden, geschichtet werden, gekräuselt werden, gekreppt werden, gestreckt werden, gestempelt werden, gebogen werden, gefaltet werden, gewalzt werden, konvoliert werden, spiralgewickelt werden, gepresst werden, gefaltet werden, geriffelt werden, gewellt werden und verleimt werden, und zwar in erheblichem Maß, ähnlich wie Papier oder Pappe, um eine Vielzahl von Gegenständen zu bilden. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, während des Herstellungsprozesses die Folie einzukerben, auszukerben, zu wellen oder zu perforieren, um die Bildung einer Biegung oder eines Scharniers an einem vorbestimmten Ort in der Folie zu unterstützen.
Das Resultat der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, eine weite Vielzahl von verschiedenen Gegenständen, die bislang aus Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol oder Metallen hergestellt wurden, bei Kosten, die gewöhnlich mit den Kosten bei Verwendung dieser bekannten Materialien konkurrenzfähig sind und in manchen Fällen sogar noch niedriger sind, in einer Massenfertigung herzustellen. Insbesondere erfordern die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien verwendeten Zusammensetzungen eine weitaus geringere Entwässerung als im Falle der Herstellung von Papier, sowie weitaus niedrigere Kosten zur Bereitstellung der erforderlichen Rohmaterialien im Vergleich zu der Herstellung von Kunststoffen oder Metallen.
Da weiterhin die erfindungsgemäß hergestellten stärkegebundenen Folien umweltfreundlichere Komponenten umfassen, beeinflusst die Herstellung von solchen Folien die Umgebung in einem erheblich geringen Ausmaß, als es der Fall bei der Herstellung von Folien aus den bislang verwendeten Materialien ist. Die erfindungsgemäßen Folien erfordern keine Verwendung von hohen Konzentrationen von Holzpulpe, von Erdölprodukten oder anderen natürlichen Ressourcen, wie es bei der Herstellung von Folien oder anderen Gegenständen aus Papier, Kunststoff oder Metallen der Fall ist.
Die Stärke- und Celluloseether-Komponenten lösen sich ohne weiteres in Wasser auf, was das Recycling oder den biologischen Abbau erleichtert. Die gebrauchten Folien oder die anderen gebrauchten Gegenstände können ohne weiteres mit Wasser vermischt werden und bei der Herstellung von ähnlichen Gegenständen wieder verwendet werden. Wenn sie in die Umgebung entsorgt werden, dann absorbieren die Stärke und der Celluloseether Wasser und lösen sich leicht weg, wobei nur eine kleine Menge von einzelnen Fasern und variierende Mengen von natürlichen mineralischen Füllstoffen zurückbleiben, die eine Zusammensetzung haben, die derjenigen der Erde ähnlich oder damit identisch ist. Die aufgelöste Stärke und der aufgelöste Celluloseether sowie die dispergierten Fasern werden durch die in der Erde vorhandenen mikrobiellen Kräfte ohne weiteres aufgebrochen.
Um die Art, wie die oben beschriebenen und anderen Vorteile und Aufgaben der Erfindung erhalten werden können, zu verstehen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung, die das Obige kurz charakterisiert, gemacht, und zwar unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen davon, die in den angefügten Zeichnungen illustriert sind. Aus dem Verständnis heraus, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher den Rahmen der Erfindung nicht einschränken, wird nunmehr die Erfindung genauer und im Detail unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Die 1A ist eine schematische Ansicht eines bevorzugten Systems zur Herstellung von stärkegebundenen Folien, wobei eine extrudierte Folie zwischen Reduktionswalzen geführt wird.
Die 1B ist eine schematische Ansicht eines alternativen, bevorzugten Systems für die Herstellung von stärkegebundenen Folien, wobei das amorphe Gemisch direkt zwischen den Folien-bildenden Walzen geführt wird.
Die 2A ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht mit einem Querschnitt eines Augerextruders mit einer Evakuierungskammer und einem Düsenkopf, der bei dem System der 1A verwendet wird.
Die 2B ist ein "wig wag"-Extrudierungssystem zur Führung der Formungszusammensetzung zwischen den Formwalzen.
Die 3 ist eine Seitenansicht eines Kolbenextruders.
Die 4 ist eine Seitenansicht eines Paars von Reduktionswalzen und einer Folie, deren Dicke durch die Walzen verringert wird.
Die 5 ist eine Seitenansicht eines Paars von Kompaktierungswalzen, zwischen denen die Folie verdichtet bzw. kompaktiert wird.
Die 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Paars von Walzen zur Finishbehandlung, mit Einschluss einer "harten" Walze und einer "weichen" Walze.
Die 7 ist eine Seitenansicht eines Paars von gewellten Walzen, die zur Bildung einer gewellten Folie verwendet werden.
Die 8 ist eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie eine kontinuierliche Folie geschnitten und in Form von individuellen Folienstücken aufgestapelt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von stärkegebundenen Folien, die gegebenenfalls signifikante Mengen von anorganischen mineralischen Füllstoffen enthalten. Die stärkegebundenen Folien können so hergestellt werden, dass sie ähnliche Eigenschaften haben wie diejenigen aus Papier, Pappe oder anderen Folienmaterialien. Solche Folien haben überlegene Festigkeitseigenschaften aufgrund des Einarbeitens von großen Mengen von Stärke als Bindemittel, was auch die Kosten verringert und die Materialien erheblich umweltfreundlicher macht im Vergleich zu ..... Teil der Formungszusammensetzung wird zur Herstellung der Folien verwendet, anstatt als Schlichtungsmittel zugesetzt zu werden, wie es herkömmlicherweise erfolgt. Die Folien enthalten auch im Wesentlichen homogen dispergierte Fasern zur Verstärkung und für eine zusätzliche Flexibilität und Zähigkeit.
Die erfindungsgemäß hergestellten und stärkegebundenen Folien können im Allgemeinen als Mehrfachkomponenten-, Mehrfach-Skala-, faserverstärkte Mikroverbundmaterialien bezeichnet werden. Durch sorgfältige Einarbeitung einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien, die dazu imstande sind, einzelne, jedoch synergistisch miteinander in Beziehung stehende Eigenschaften zu verleihen, ist es möglich, eine einzigartige Klasse oder einen Bereich von Mikroverbundmaterialien zu erzeugen, die bemerkenswerte Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, der Zähigkeit, der Umweltfreundlichkeit, der Massenproduzierbarkeit und der niedrigen Kosten haben.
Die Bezeichnung "Mehrkomponenten" bezieht sich auf die Tatsache, dass die zur Herstellung der Folien verwendeten Gemische typischerweise drei oder mehrere chemische oder physikalisch unterschiedliche Materialien oder Phasen, wie Wasser, mit Wasser entsorgbare Celluloseether, anfänglich unlösliche Stärkekörnchen, die später während der Folienbildung gelatinieren, Fasern, anorganische mineralische Füllstoffe und andere Mischungszusätze enthalten. Jede dieser breiten Kategorien von Materialien verleiht der daraus hergestellten fertigen Folie eine oder mehrere einzigartige Eigenschaften, was auch für die Zusammensetzung der Fall ist, die zur Bildung der Folie verwendet wird. Innerhalb dieser breiten Kategorien ist es möglich, weitere verschiedene Komponenten zuzusetzen, wie z.B. zwei oder mehrere Arten von anorganischen Füllstoffen oder Fasern, die der Folie unterschiedliche, jedoch komplementäre Eigenschaften verleihen können. Dies gestattet die spezifische Konstruktion von gewünschten Eigenschaften in der Folie in Verbindung mit dem Herstellungsprozess.
Die Mehrkomponenten- (und daher die Mehreigenschaften)-Natur der erfindungsgemäß hergestellten stärkegebundenen Folien stellt eine signifikante Abweichung von herkömmlichen Materialien, wie Kunststoff, Polystyrol, Papier oder Metall, die im Wesentlichen Einkomponenten-Systeme sind, dar. Dünne Folien, hergestellt aus Einkomponenten-Materialien sind im Allgemeinen darauf beschränkt, dass sie die jeweiligen Eigenschaften des Materials haben, aus dem sie hergestellt sind. So können Folien, die brüchig sind, im Allgemeinen nicht gebogen oder gefaltet werden, ohne dass die Folien beschädigt werden, während Folien, die flexibel sind, oftmals nicht einmal ihr eigenes Gewicht tragen können. Im Kontrast hierzu gestattet die Mehrkomponenten-Natur der Materialien der Folien, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, die Einführung von Mehrfacheigenschaften in die daraus hergestellten Folien.
Die Bezeichnung "Mehrfach-Skala" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Zusammensetzungen und Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung an verschiedenen Ebenen oder Skalen definierbar sind. Speziell ist innerhalb der erfindungsgemäß hergestellten Folien typischerweise eine Makrokomponenten-Zusammensetzung in einem Bereich von etwa 10 Nanometer bis so hoch wie etwa 10 mm, eine Mikrokomponenten-Zusammensetzung im Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, und eine Submikron-Komponente. Obgleich diese Ebenen nicht fraktal sein können, sind sie üblicherweise zueinander sehr ähnlich, und.....
Die Bezeichnung "Faser-verstärkt" ist selbsterklärend, obgleich die Schlüsselbezeichnung "verstärkt" ist, was die erfindungsgemäß hergestellten Folien eindeutig von herkömmlichem Papier oder von herkömmlichen Papierprodukten unterscheidet. Das herkömmliche Papier ist auf der Basis der "Gewebe"-Physik oder dem Verweben von Fasern aufgebaut, um die Strukturmatrix und die Masse sowie die Bindung des Papiers zu ergeben. Jedoch beinhaltet die Bindungsmatrix in den erfindungsgemäß hergestellten Folien eine Wechselwirkung zwischen dem Stärkebindemittel, den Fasern und optionalen anorganischen mineralischen Füllstoff-Komponenten (und bis zu einem gewissen Ausmaß dem Celluloseether). Die Fasern wirken primär als eine Verstärkungskomponente, um speziell eine Zugfestigkeit und Flexibilität zuzuführen, sind jedoch nicht durch Gewebephysik in einem wesentlichen Ausmaß miteinander verbunden.
Schließlich bedeutet die Bezeichnung "Mikroverbundmaterial" die Tatsache, dass die Folienzusammensetzung nicht lediglich ein Gemenge oder ein Gemisch, sondern eine designierte Matrix von speziellen diskreten Materialien auf einem Mikroniveau ist, die verschiedene Größen, Gestalten und chemische Ergänzungen haben. Die Materialien sind genügend gut gebunden und interaktiv, so dass die einzigartigen Eigenschaften der jeweiligen Materialien in dem Endverbundmaterial vollständig zum Ausdruck kommen (z.B. die Zugfestigkeit der Matrix hat eine direkte Beziehung zu der Zugfestigkeit der Fasern und des Stärke-Bindemittels).
Im Lichte dieser Definitionen und Prinzipien können Materialien, die ein Stärke-Bindemittel, Fasern (sowohl organische als auch anorganische) und gegebenenfalls ein anorganisches Aggregat enthalten, kombiniert und zu einer Vielzahl von Produkten verformt werden, mit Einschluss von Folien, deren Eigenschaften ähnlich sind, wie diejenigen von herkömmlichem Papier oder Pappe. Die erfindungsgemäß hergestellten und stärkegebundenen Folien können auch einen Ersatzstoff für Folien, hergestellt aus Kunststoff, Polystyrol, und sogar Metall, darstellen. Die Folien können geschnitten und verformt werden (z.B. durch Biegen, Falten oder Rollen) zu einer Vielzahl von Behältern und anderen Erzeugnissen. Das erfindungsgemäße Verfahren, mit Einschluss der daraus hergestellten Folien, ist besonders gut geeignet für die Masseproduktion von Wegwerfbehältern und Verpackungsmaterialien, z.B. für die Fastfood-Industrie.
I. Allgemeine Diskussion
A. Herkömmliche Papierprodukte
"Papier" ist die allgemeine Bezeichnung für einen weiten Bereich von zu Matten verarbeiteten oder gefilzten Geweben von Pflanzenfasern (meistens Holz), die auf einem Sieb aus einer Wassersuspension gebildet worden sind. Die Folienprodukte bzw. Blattprodukte, die die meisten Leute als "Papier" oder "Pappe" bezeichnen, sind im Allgemeinen "Baumpapier", da sie aus Holzpulpe hergestellt worden sind, die von Bäumen erhalten worden ist. Obgleich Baumpapier anorganische Füllstoffe oder Extender, Stärken oder andere geringfügige Komponenten enthalten kann, weist es typischerweise einen relativ hohen Gehalt an Holzfasern von im Allgemeinen von etwa 80 Vol.-% bis so hoch wie 98 Vol.-% des Papierblatts auf. Dies deswegen, weil die Fasern immer eine genügend hohe Konzentration habe müssen, damit sie sich durch die Gewebephysik miteinander verbinden.
Um die gut bekannten Eigenschaften zu erhalten, die für Papier typisch sind, wird als Ersatzstoff ..... eine Vielzahl von Pflanzenfasern (die als sekundäre Fasern bekannt sind), wie Stroh-, Flachs-, Abaca-, Hanf- und Bagassefasern, verwendet. Das resultierende Papier wird oftmals als "Pflanzenpapier" bezeichnet. Die breite Kategorie der Papiere auf Cellulose-Basis, hauptsächlich Pflanzen-, Gemüse- oder Baumpapier, wird hierin kollektiv als "herkömmliches Papier" bezeichnet.
Bei der Herstellung von herkömmlichem Papier wird entweder ein Kraft- oder ein Sulfit-Prozess typischerweise dazu verwendet, um das Pulpeblatt zu bilden. Bei dem Kraft-Prozess werden die Pulpefasern in einem NaOH-Prozess "gekocht", um die Fasern aufzubrechen. Bei dem Sulfit-Prozess wird Säure beim Faser-Aufschlussprozess verwendet. Bei beiden Prozessen werden die Fasern zuerst bearbeitet, um die Lignine freizusetzen, die in den Wänden der Fasern eingeschlossen sind. Wenn jedoch die Lignine aus den Fasern entfernt worden sind, dann ist ein großer Teil der Festigkeit der Fasern verloren gegangen. Weil der Sulfit-Prozess noch strenger ist, ist die Festigkeit eines Papiers, das durch den Sulfit-Prozess hergestellt worden ist, im Allgemeinen nur etwa 70% der Festigkeit des Papiers, das durch den Kraft-Prozess hergestellt worden ist.
Wenn das Holz einmal zu der Holzpulpe, entweder durch den Kraft- oder den Sulfit-Prozess, verarbeitet worden ist, dann wird es weiter in einer Schlageinrichtung bearbeitet, um Lignine und Hemicellulose in den Fasern freizusetzen, und auch deswegen, um die Fasern durchzuscheuern. Die resultierende Aufschlämmung, die im Allgemeinen etwa 99,5% Wasser und nur etwa 0,5% Holzpulpe enthält, wird einem schweren Schlagen unterworfen, um genügend Hemicellulose freizusetzen und um die Fasern genügend durchzuscheuern, damit ein faserförmiges Gemisch gebildet wird, welches im Wesentlichen durch einen Verschlingungsgewebeeffekt bzw. Verwebungseffekt zwischen den Fasern, mit Einschluss von Wasserstoffbindungen, selbstverbindend ist. Jedoch ist der Nachteil einer solchen scharfen Behandlung derjenige, dass die Fasern erhebliche Risse entlang der gesamten Länge der Faser entwickeln, was zu einem Verlust eines großen Teils ihrer Zugfestigkeit, ihrer Reißfestigkeit und ihrer Berstfestigkeit führt. Weil die Herstellung von Papier notwendigerweise auf der Gewebephysik aufgebaut ist, um die notwendige Bindung und strukturelle Integrität zu erhalten, die für ein Papierblatt erforderlich ist, muss eine relativ hohe prozentuale Menge von Fasern (gewöhnlich mindestens 80% oder mehr) zu dem Papierblatt gegeben werden.
Die hochwässrige Aufschlämmung oder der Eintrag wird dann im Wesentlichen entwässert, indem die Aufschlämmung zuerst auf ein poröses Sieb oder ein Drahtsieb aufgebracht wird und dann das Wasser unter Verwendung eines Walzenspalts "herausgedrückt" wird. Dieser erste Entwässerungsprozess führt zu einer Folie bzw. einer Bahn mit einem Wassergehalt von etwa 50–60%. Zu keinem Punkt einer Herstellung eines herkömmlichen Papiers befindet sich die faserartige Aufschlämmung oder der Eintrag in einem "verformbaren" Zustand, dahingehend, dass sie bzw. er wie erfindungsgemäß verformt werden kann. Nach der anfänglich erfolgenden Entwässerung wird die teilweise getrocknete Papierbahn durch Erhitzen der Bahn oftmals unter Verwendung von geheizten Walzen weiter getrocknet. Wegen des Papier-Herstellungsprozesses sowie der durch die Gewebephysik aufgelegten Einschränkungen hat es eine obere Grenze der Menge der anorganischen Aggregatfüllstoffe gegeben, die in eine herkömmliche Papierbahn hineinimprägniert werden kann.
Im scharfen Kontrast hierzu basiert die vorliegende Erfindung nicht auf der Gewebephysik zur Bindung ..... Komponente und zu einem bestimmten Grad die Celluloseether-Komponente stellen den Hauptteil der Zug- und Biegefestigkeit der Bahnen zur Verfügung. Das Stärke-Bindemittel geht mit sich selbst als der Bindungsmatrix sowie mit den Fasern und den anderen festen Komponenten bis zu einem gewissen Ausmaß eine Wechselwirkung ein.
Das Resultat ist die Fähigkeit, erheblich weniger Fasern in die Blätter bzw. Bahnen einzuarbeiten, während der günstige Effekt hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Reiß- und Berstfestigkeit und der Flexibilität, die durch die Fasern verliehen wird, aufrecht erhalten wird. Die Verwendung von weniger Fasern und der Aufrechterhaltung der guten Festigkeitseigenschaften gestattet, ein Blatt bzw. eine Bahn, einen Behälter oder einen anderen Gegenstand wirtschaftlicher herzustellen (im Vergleich zu Papier), weil (1) die Fasern teurer sind als der anorganische Füllstoff und sogar das Stärke-Bindemittel, (2) die Kapital-Investitionskosten für die Prozesseinrichtung erheblich geringer sind, und (3) die Minimierung des Fasergehalts auch die Menge der Verschmutzungsstoffe verringert, die mit der Herstellung von Fasern in die Umgebung abgegeben werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Blätter bzw. Bahnen haben Eigenschaften, die denjenigen von Baum- oder Pflanzenpapier ähnlich sind, z.B. hinsichtlich der Zug-, Biege- und der Kohäsionsfestigkeit, obgleich nur etwa 1/50 bis etwa 1/3 soviel Fasern erfindungsgemäß verwendet werden. Dies ist zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen, dass die erfindungsgemäß verwendeten Fasern eine weitaus geringere Verarbeitung erfahren als die Fasern, die zur Her stellung von Papier eingesetzt werden. Der Vorteil ist auch auf die Einarbeitung von relativ großen Mengen von Stärke als Bindemittel und strukturelle Komponente zurückzuführen.
Neben der optionalen Einarbeitung von erheblich höheren Konzentrationen von anorganischen Aggregatfüllstoffen, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den herkömmlichen Papier-Herstellungsprozessen in einer Anzahl von Wegen. Zuerst wird weitaus weniger Wasser in den formbaren Gemischen (gewöhnlich weniger als etwa 50 Gew.-%) gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Papieraufschlämmungen, die typischerweise Wasser in einer Menge von mindestens 97 Gew.-%, und sogar so hoch wie 99,9 Gew.-%, enthalten, verwendet. Was noch wichtiger ist, die erfindungsgemäß hergestellten Bahnen werden aus einem stark zusammenhängenden, jedoch immer noch verformbaren Gemisch anstelle aus einer wässrigen Aufschlämmung gebildet, so dass sie, wenn sie einmal in eine Gestalt gebracht worden sind, im Allgemeinen ihre Gestalt beibehalten, es sei denn, es wird eine weitere Verformung durchgeführt oder es finden Einwirkungen darauf statt.
B. Folien, Behälter und andere Gegenstände
Die in dieser Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Folie" soll alle beliebigen, im Wesentlichen flachen, gewellten, kurvenförmigen, gebogenen oder texturierten Folien bezeichnen, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren hergestellt worden sind. Die einzig wesentliche Zusammensetzungsbegrenzung besteht darin, dass die bindende Matrix Stärke umfasst, die durch die Gelatinierung von Stärkekörnern während des Folien-Herstellungsprozesses gebildet worden sind. Die stärkegebundenen Folien können organische Beschichtungsmittel enthalten, bedruckt sein oder mit anderen Folien laminiert sein, etc.
Die erfindungsgemäß hergestellten Folien haben stark variierende Dicken, entsprechend der jeweiligen Anwendung, für die die Folie vorgesehen ist. Die Folien können so dünn wie etwa 0,01 mm und so dick wie 1 cm oder dicker sein, wenn die Festigkeit, die Dauerhaftigkeit und die Voluminität wichtige Erwägungen sind.
Die in dieser Beschreibung angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Behälter" soll alle beliebigen Gegenstände, Aufnahmegefäße oder Gefäße, verwendet für die Lagerung, die Abgabe, die Verpackung, die Portionierung oder den Transport von verschiedenen Typen von Produkten oder Objekten (mit Einschluss, jedoch ohne Einschränkung darauf, Nahrungsmittel- und Getränkeprodukte) einschließen. Spezifische Beispiele für solche Behälter werden nachstehend im Detail beschrieben, und sie schließen unter anderen Kästen, Tassen bzw. Becher, "faltbare Behälter", Krüge, Flaschen, Platten, Schalen, Tabletts, Kartons, Kisten, Körbe, Schachteln für Getreideprodukte, Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel, Milchkartons, Träger für Getränkebehälter, Geschirr, Eierkartons, Deckel, Strohhalme, Umschläge oder andere Arten von Haltern ein. Zusätzlich zu integral gebildeten Behältern sollen auch Eindämmungsprodukte, die in Verbindung mit Containern verwendet werden, unter die Bezeichnung "Behälter" fallen. Solche Gegenstände schließen z.B. Deckel, Auskleidungsmaterialien, Trennmateria lien, Einwickelmaterialien, Dämpfungsmaterialien, Utensilien und alle beliebigen anderen Produkte ein, die zum Verpacken, zum Lagern, zum Transportieren, zum Portionieren, zum Servieren oder zum Verabreichen eines Objekts innerhalb eines Behälters verwendet werden.
Zusätzlich zu Folien und Behältern könne alle beliebigen Gegenstände unter Verwendung der hierin beschriebenen stärkegebundenen Folien gebildet werden, die gleichfalls unter den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Diese schließen solche verschiedenen Gegenstände, wie z.B. Flugzeugmodelle, Buchumschläge, Platten für Spiele, Spielzeug, Jalousien, Versendungsrohre, Hemdverpackungsformen, Sets für Tische und zeitweilige Schattenspender für die Fenster von Kraftfahrzeugen, ein.
Die Ausdrücke "massenproduzierbar" oder in "kommerzieller" oder "ökonomischer" Art und Weise sollen in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen auch die Fähigkeit der hierin beschriebenen Folien beschreiben, rasch mit einer Geschwindigkeit produzierbar zu sein, die ihre Herstellung ökonomisch vergleichbar mit der Herstellung von Folien aus anderen Materialien, wie Papier, Pappe, Polystyrol oder Metall, macht. Die vorliegende Erfindung betrifft innovative Zusammensetzungen, die die Probleme des Stands der Technik, die Einarbeitung einer hohen prozentualen Menge von Stärke in massenproduzierte Folien, die unter Verwendung von erhitzten Formwalzen hergestellt worden sind, lösen.
Die Bezeichnungen "Feststoffe" oder "Gesamtfeststoffe" soll alle beliebigen Mischungszusätze einschließen, die vor dem Vermischen mit dem Wasser fest sind. Sie schließen Fasern, anorganische Füllstoffe, Stärke oder Celluloseether, etc., ein.
Ein Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten stärkegebundenen Folien (sowie der daraus hergestellten Behälter, bedruckten Materialien oder anderen Gegenständen) besteht darin, dass ihre Entsorgung die Umwelt weitaus weniger belastet als Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas oder Metallprodukte. Die erfindungsgemäßen Folien und Gegenstände sind beide ohne weiteres recycelbar, und selbst wenn sie nicht recycelt werden, bauen sie sich rasch ab und zersetzen sich, wenn sie Feuchtigkeit, Druck und anderen Umweltkräften ausgesetzt werden, zu Komponenten, die komplementär sind zu..... Wasser und dann rasch durch mikrobielle Einwirkungen abgebaut werden. Die Fasern werden gleichfalls rasch abgebaut und sind im Vergleich zu Papier in weitaus geringeren Mengen zum Beginn vorhanden. Der anorganische Füllstoff ist inert und mit der Erde in jedem Fall verträglich.
Im Gegensatz dazu besteht eine Polystyrol-, Kunststoff- oder Metalltasse oder -dose, die in einen See oder einen Fluss geworfen worden ist, über Dekaden, vielleicht sogar über Jahrhunderte, weiter. Selbst Papier- oder Pappegegenstände können über Monate, sogar Jahre, weiterbestehen, wenn die Bedingungen für eine Zersetzung nicht perfekt sind. Dazu im Gegensatz zersetzen sich Folien oder Behälter oder andere Gegenstände, die aus den erfindungsgemäßen Folien hergestellt worden sind, rasch, was eine Sache von Stunden oder Tagen, entsprechend der Menge des vorhandenen Wassers, ist.
C. Formungszusammensetzungen
Die Bezeichnungen "Formungszusammensetzung", "formbares Gemisch" oder "Gemisch auf Stärke-Basis" haben austauschbare Bedeutungen, und sie sollen sich auf ein Stärkegefülltes Gemisch beziehen, das zu den hierin offenbarten Folien verformt werden kann. Solche Gemische sind dadurch charakterisiert, dass sie eine signifikante Menge von nicht-gelatinierten Stärkekörnern, eine geringere Menge eines Celluloseethers, variierende Mengen von Fasern und mineralischen Füllstoffen und Wasser aufweisen, um ein Gemisch zu bilden, das eine verformbare, plastikartige Konsistenz hat. Wie hierin in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, schließt die Bezeichnung "Gesamtfeststoffe" alle Feststoffe ein, ob sie nun in der wässrigen Phase des Gemisches suspendiert oder aufgelöst sind. Das formbare Gemisch kann auch andere Gemischzusätze, wie Weichmacher, Schmiermittel, Dispergierungsmittel, hydraulisch härtbare Materialien und Poren bildende Mittel enthalten.
Die formbaren Gemische sind dadurch charakterisiert, dass sie eine relativ hohe Fließgrenze haben, was sie hochbearbeitbar und kohäsiv macht, wobei sie jedoch unmittelbar oder kurz nach dem Verformen zu der gewünschten Gestalt formstabil sind. Die Bezeichnungen "Formungszusammensetzung", "formbares Gemisch" oder "Gemisch auf Stärke-Basis" soll weiterhin ein Gemisch, ungeachtet des Ausmaßes des Trocknens, das stattgefunden hat, bezeichnen. Solche Gemische sollen Gemische einschließen, die hochbearbeitbar sind, solche die teilweise getrocknet sind und solche, die vollständig getrocknet sind (obgleich eine bestimmte Menge von Wasser gewöhnlich innerhalb der Folien als gebundenes Wasser in dem Stärke-Bindemittel zurückbleibt).
Nach der Verformung der Formungszusammensetzung zu einer Folie erfolgt ein Erhitzen zur Gelatinierung der Stärkekörnchen, und es erfolgt eine mindestens zum Teil erfolgende Trocknung, und die daraus hergestellten Folien oder Gegenstände haben eine "stärkegebundene strukturelle Matrix" oder eine "anorganisch gefüllte, stärkegebundene Matrix".
D. Organische polymere Bindemittel
Die Formungszusammensetzungen, die zur Herstellung der stärkegebundenen Folien und von anderen Gegenständen verwendet werden, entwickeln Festigkeitseigenschaften während des Austrocknens eines im Wesentlichen solvatisierten, in Wasser dispergierbaren, organischen polymeren Bindemittels, vorwiegend der Stärke ..... eine Menge von Wasser zu dem Gemisch, die ausreichend ist, um ein Gemisch zu bilden, das plastikartige Eigenschaften hat. Danach entwickelt das in Wasser dispergierbare organische Bindemittel seine maximalen Festigkeitseigenschaften durch Entfernung des Wassers durch Abdampfen. Das organische Bindemittel beeinflusst die Rheologie des formbaren Gemisches, insbesondere des Celluloseethers, der sich in Gegenwart von kaltem Wasser auflöst oder geliert.
Die in Wasser dispergierbaren organischen polymeren Bindemittel, die durch die Erfindung in Betracht gezogen werden, können allgemein in die folgenden Kategorien eingeordnet werden: (1) Stärken, im Allgemeinen nicht-modifizierte Stärkekörnchen, (2) Celluloseether mit thermischen Ausfällungs- und filmbildenden Fähigkeiten, und (3) andere organische Verdicker und/oder Bindemittel, die mit den Stärken und den Celluloseethern verträglich sind, wie z.B. Polysaccharide, Proteine und synthetische organische Materialien.
1. Stärke
Die erfindungsgemäßen Folien entwickeln den größten Teil ihrer Festigkeit durch die Gelierung der Stärke eines Bindemittels auf Stärke-Basis in Wasser, gefolgt von einer durch Abdampfen erfolgenden Entfernung des Wassers. Die Stärke besteht aus einer natürlichen Kohlehydratkette, umfassend polymerisierte Glucosemoleküle. Stärke wird in der Natur in Form von Körnern gefunden. Stärkekörnchen schließen zwei unterschiedliche Typen von Glucoseketten ein: unverzweigte, einkettige Amylose und verzweigtes mehrwertiges Amylopektin.
Im Allgemeinen sind die Stärkekörnchen in kaltem Wasser unlöslich, doch können, wenn die äußere Membrane der Körner aufgebrochen worden ist, z.B. durch Vermahlen, die Körner in kaltem Wasser unter Bildung eines Gels quellen. Wenn intakte Körner warmem Wasser ausgesetzt werden, dann quellen die Körner, und ein Teil der löslichen Stärke (Amylose) diffundiert durch die Wand des Korns, um eine Paste zu bilden. In heißem Wasser quellen die Körner bis zu einem derartigen Ausmaß, dass sie bersten, was zu einer Gelierung des Gemisches führt. Die exakte Temperatur, bei der das Bindemittel auf Stärke-Basis quillt und geliert, hängt von dem Typ der Stärke ab.
Die Gelierung ist das Ergebnis der linearen Amylosepolymeren, die anfänglich in den Körnern komprimiert sind, sich herausstrecken und mit anderen und mit den Amylopektinketten verschlingen. Nach der Entfernung des Wassers bildet das resultierende Maschengebilde von miteinander verbundenen Polymerketten ein festes Material, das eine Zugfestigkeit von bis zu etwa 50–50 MPa haben kann. Die faserverstärkten, stärkegebundenen Folien können variierende Zugfestigkeiten von bis zu etwa 100 MPa, in Abhängigkeit von den Typen und den Konzentrationen der Stärke und der Fasern in den Folien, haben.
Obgleich Stärke in vielen Pflanzen produziert wird, sind doch die wichtigsten Quellen Samen von Getreidekörnern, wie Mais, Wachsmais, Weizen, Sorghum, Reis und Wachsreis. Diese können auch im Zustand eines Mehls oder im gespaltenen Zustand verwendet werden. Andere Quellen für Stärke schließen Knollengewächse ..... Pfeilwurz und das Mark der Sagopalme ein. Kartoffelstärke und Wachssmaisstärke sind derzeit bevorzugte Stärkesorten.
Verschiedene native Stärken haben signifikant variierende Gelierungstemperaturen. So hat z.B. die Kartoffelstärke typischerweise eine Gelierungstemperatur von etwa 65°C. Maisstärke hat eine Gelierungstemperatur von etwa 95°C, und Wachsmaisstärke hat eine Gelierungstemperatur von etwa 70°C. Jede beliebige nicht-modifizierte Stärke kann erfindungsgemäß fungieren. Im Allgemeinen ist es so, dass jedoch die Adhäsion von neu gebildeten Folien stark verringert wird, solange der Typ der Stärke, der verwendet wird, eine Gelierungstemperatur hat, die höher ist als die thermische Ausfällungstemperatur des Celluloseethers, der in den gleichen Formmassen verwendet wird. Dies gestattet die Verwendung einer Formwalze, die eine Temperatur bei der thermischen Ausfällungstemperatur des Celluloseethers oder darüber hat, wobei jedoch die Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur der Stärke liegt. Dies gestattet seinerseits die vorteilhafte Erzeugung einer Haut aus Celluloseether auf der Oberfläche der neu gebildeten Grünfolie aufgrund der thermischen Ausfällung des Celluloseethers und des teilweise erfolgenden Trocknens der Oberfläche der Folie, wenn sie zwischen den Formwalzen geführt wird.
Nicht-modifizierte Bindemittel auf Stärke-Basis werden im Allgemeinen gegenüber modifizierten Bindemitteln auf Stärke-Basis bevorzugt, weil nicht-modifizierte Stärken signifikant billiger sind. Was noch wichtiger ist, nicht-modifizierte Stärken werden nicht gelatiniert, bis zum Punkt bei dem Folien-Herstellungsprozess, bei dem die Folie auf den Gelierungspunkt der Stärke erhitzt wird. Modifizierte Stärken oder Stärken, die vor der Bildung des nicht-klebrigen Films durch Austrocknen des Celluloseethers gelatinieren, können bewirken, dass die Grünfolie an den Formwalzen anklebt.
Eine reine Stärkezusammensetzung kann Umgebungsfeuchtigkeit aus der Luft absorbieren, so dass beim Gleichgewicht das Wasser im Allgemeinen in einer Menge von etwa 10–12 Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden ist. Wenn anorganische Aggregate und Fasern in der Stärkezusammensetzung enthalten sind, wie es erfindungsgemäß der Fall ist, dann ist das Wasser in einer Menge von etwa 3–6 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung beim Gleichgewicht enthalten wegen der geringeren Gesamtstärke in der Zusammensetzung. Der Endwassergehalt in dem geformten Produkt beträgt etwa 10 bis 15 Gew.-% der Stärke.
Die Konzentration des Bindemittels auf Stärke-Basis in den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen liegt im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, vorzugsweise von etwa 15 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-%, und mehr bevorzugt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%.
2. Celluloseether
Die erfindungsgemäß verwendeten Celluloseether werden dem formbaren Gemisch in erheblich geringeren Mengen zugesetzt im Vergleich zu dem Stärke-Bindemittel. Während die Cellulose ..... die Kosten der Verwendung nur des Celluloseethers als Bindemittel sind erheblich höher als im Falle, dass Stärke das primäre Bindemittel ist. Es ist daher wirtschaftlicher, einen hohen Gehalt von Stärke bei einer relativ niedrigen Menge von Celluloseether zu verwenden, um ein Ankleben zu verhindern. Das Ergebnis ist eine Folie mit höherer Qualität, die eine größere Flexibilität und eine höhere Zugfestigkeit hat. Jeder beliebige Celluloseether mit thermischen Ausfällungseigenschaften kann eingesetzt werden.
Geeignete Celluloseether schließen z.B. Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose und dergleichen, sowie Gemische oder Derivate davon ein. Der Gesamtbereich von möglichen Permutationen ist enorm und braucht hier nicht aufgelistet zu werden, jedoch können auch andere Celluloseether, die thermische Ausfällungseigenschaften haben, eingesetzt werden.
Ein bevorzugter Celluloseether ist Methocel^® (erhältlich von der Firma Dow Chemical), das ein Methylcellulose-Produkt ist. Das Methocel hat eine thermische Ausfällungstemperatur von etwa 70°C. Ein weiterer bevorzugter Celluloseether ist Tylose^® FL 15002, der eine thermische Ausfällungstemperatur von etwa 85°C hat. Ein Gemisch von Celluloseethern mit variierenden Eigenschaften und variierenden thermischen Ausfällungstemperaturen kann verwendet werden. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird wissen, wie ein Celluloseether auszuwählen ist, der eine thermische Ausfällungstemperatur hat, die niedriger ist als die Gelierungstemperatur der Stärkekörnchen, um die Adhäsion zwischen den Walzen und der grünen Folie während des Folien-Bildungsprozesses zu verringern.
Einige Bindemittel auf Cellulose-Basis können auch in Lösung vernetzungspolymerisiert werden. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt Cellosize^®, ein Hydroxyethylcellulose-Produkt, erhältlich von der Firma Union Carbide. Cellosize^® kann in Wasser mit Dialdehyden, Methylolharnstoffen oder Melamin-Formaldehydharzen vernetzt werden, wodurch ein weniger wasserlösliches Bindemittel gebildet wird.
Die in den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen verwendeten Celluloseether sind vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Feststoffe, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, und am meisten bevorzugt von etwa 2 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-%, enthalten.
3. Andere organische Bindemittel
Obgleich in der Zusammensetzung Stärke-Bindemittel und Celluloseether-Bindemittel bevorzugt werden, können auch andere organische Bindemittelmaterialien zusätzlich zum Einsatz kommen. Z.B. schließen weitere Bindemittel auf Polysaccharid-Basis, die verwendet werden können, Alginsäure, Phycocolloide, Agargummi, Gummi arabicum, Guargummi, Locustbohnengummi, Karayagummi und Traganthgummi sowie Gemische oder Derivate davon ein. Geeignete Bindemittel auf Protein-Basis schließen z.B. das Material Zein^® (ein Prolamin, abgeleitet von Mais), Collagen (aus Tierbindegewebe und Knochen extrahiert) und Derivate davon, wie Gelatine und Leim, Casein, ein (die .....
Synthetische organische Bindemittel, die in Wasser dispergierbar sind, können verwendet werden, und sie schließen z.B. Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyvinylmethylether, Polyacrylsäuren, Polyacrylsäuresalze, Polyvinylacrylsäuren, Polyvinylacrylsäuresalze, Polyacrylimide, Ethylenoxidpolymere, Polymilchsäure, Latex (was eine breite Kategorie ist, die eine Vielzahl von polymerisierbaren Substanzen, gebildet in wässriger Emulsion, einschließen, wobei ein Beispiel hierfür ein Styrol-Butadiencopolymeres ist) und Gemische oder Derivate davon ein.
Der Gesamtgehalt des organischen Bindemittels in der gehärteten Folie, ist vorzugsweise in einem Bereich von etwa 6 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der gehär teten Folie, mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%.
4. Charakteristische Eigenschaften des organischen Bindemittels während der Folienbildung
Während von den benannten Erfindern erkannt worden ist, dass Celluloseether (z.B. Methocel) eine optimale Performance ergeben, wenn Folien unter Verwendung von Extrudierungs- und Walzprozessen hergestellt werden, haben die Celluloseether doch den Nachteil, dass sie im Vergleich zu den anderen bei der Herstellung der Folien verwendeten Komponenten sehr teuer sind. Stärke ist ein gutes Bindemittel und erheblich billiger als Celluloseether, hat aber den Nachteil, dass sie sehr klebrig oder anhaftend ist, wenn sie als einziges organisches Bindemittel bei Folien-Bildungsprozessen verwendet wird, was oftmals bewirkt, dass die Folien an den Walzen ankleben, was die Massenproduktion der Folien problematisch macht.
Die vorliegende Erfindung stellt die Verwendung von Stärke anstelle einer großen Menge von Celluloseether zur Verfügung. Die Kombination aus einer kleinen Menge Celluloseether mit einem Stärke-Bindemittel ergibt die Vorteile, dass die Kosten für die Herstellung der Folien erheblich verringert werden, während verhindert wird, dass die Stärke an den Walzen während des Folien-Bildungsprozesses anklebt. Dazu kommt noch, dass der Zusatz von relativ großen Mengen von Stärken zu Folien führt, die stärker sind und weniger brüchig sind als Folien, die eine große Menge von Celluloseether-Bindemittel enthalten.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung von Folien werden Körner von nicht-modifizierter, ungelatinierter Stärke zu dem formbaren Gemisch vor dem Erhitzen und während des Folien-Bildungsprozesses, der untenstehend genauer beschrieben werden wird, zugesetzt. Das formbare Gemisch wird zwischen einem Satz von erhitzten Walzen geführt, die erhitzt sind, um eine thermische Ausfällung des Celluloseethers (was bei Methocel bei etwa 70°C erfolgt) zu bewirken. Dies bewirkt ihre Ausfällung unter Bildung einer klebfreien Haut auf der Oberfläche der gebildeten Folien. Die Stärkekörnchen sind von dem ausgefällten Film aus Celluloseether-Bindemittel an der Oberfläche der Folie eingekapselt, wodurch verhindert wird, dass das Stärke-Bindemittel an den Walzen bei der Gelierung der Stärkekörnchen anklebt. Der Celluloseether wirkt daher als Film-Bindemittel in der gebildeten Folie. In dem Maß, wie die Stärke im Inneren der Folie gelatiniert wird und dann durch die durch Verdampfung erfolgende Entfernung des Wassers getrocknet wird, wird sie zu dem primären Bindemittel, das den anderen Feststoff bindet .....
Beim Zusammenmischen der Komponenten des formbaren Gemisches ist es von Wichtigkeit, dass das Bindemittel auf Stärke-Basis nicht Scherkräften unterworfen wird, die groß genug sind, um die nicht-modifizierten Stärkekörnchen zu brechen oder aufzureißen. Dies könnte eine vorzeitige Gelierung und ein Ankleben des Gemisches an den Walzen bewirken. Aus dem gleichen Grund ist es auch von Wichtigkeit, das Gemisch bei einer Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur des Bindemittels auf Stärkebasis zu halten. Bevorzugte Binde mittel auf Stärke-Basis schließen nicht-modifizierte Stärken ein, die bei einer Temperatur bei der thermischen Ausfällungstemperatur des Celluloseethers oder darüber gelieren, um die Bildung einer Haut aus Celluloseether an der Oberfläche der Folie vor der Gelatinierung der Stärkekörnchen zu bilden.
E. Wasser
Wasser wird zu dem formbaren Gemisch gegeben, um das organische Bindemittel in dem Gemisch aufzulösen oder mindestens zu dispergieren. Das Wasser trägt auch dazu bei, die anderen festen Komponenten, wie Fasern und anorganische Füllstoffe, durch das formbare Gemisch hindurch zu dispergieren. Als solches hat das Wasser die Funktion der Erzeugung eines formbaren Gemisches mit den gewünschten rheologischen Eigenschaften, mit Einschluss der Viskosität und der Fließgrenze.
Damit das formbare Gemisch eine adäquate Verarbeitbarkeit aufweist, muss das Wasser im Allgemeinen in genügenden Mengen zugesetzt werden, dass jedes der anorganischen Aggregatteilchen, jede Faser oder alle anderen festen Partikel befeuchtet werden, um das organische Bindemittel zu solvatisieren oder zumindest zu dispergieren und um zumindest teilweise die Zwischenräume oder Hohlräume zwischen den Teilchen aufzufüllen. In einigen Fällen, z.B. wenn ein Dispergierungsmittel oder ein Schmiermittel zugesetzt wird, kann eine adäquate Verarbeitbarkeit unter Verwendung von anfänglich weniger Wasser aufrecht erhalten werden.
Die Menge von Wasser, die zu dem formbaren Gemisch gegeben wird, sollte sorgfältig ausbalanciert werden, so dass das Gemisch genügend bearbeitbar ist, während zur gleichen Zeit aber beachtet werden sollte, dass eine Erniedrigung des anfänglichen Wassergehalts die Wassermenge verringert, die entfernt werden muss, um eine gehärtete Folie zu bilden. Die geeigneten rheologischen Eigenschaften, um diesen Erfordernissen zu genügen, können, ausgedrückt als Fließgrenze, definiert werden. Die Fließgrenze des formbaren Gemisches liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 2 kPa bis etwa 5 MPa, mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 100 kPA bis etwa 1 MPa, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 200 kPa bis etwa 700 kPa. Der gewünschte Wert der Fließgrenze kann entsprechend dem jeweiligen Verfahren, das zur Bildung der Folie verwendet wird, entsprechend eingestellt und optimiert werden. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, am Anfang eine relativ hohe Menge von Wasser zuzusetzen, da überschüssiges Wasser durch Abdampfen entfernt werden kann. Trotzdem besteht eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der Herstellung von herkömmlichem Papier darin, dass die Menge von Wasser, die am Anfang in dem formbaren Gemisch vorliegt, weitaus kleiner ist als die Menge, die normalerweise in faserhaltigen Aufschlämmungen, die bei der Herstellung von herkömmlichem Papier verwendet werden, gefunden wird. Dies resultiert in einem Gemisch, das eine weitaus größere Fließgrenze hat und eine Stabilität bildet im Vergleich ..... formbares Gemisch zum Erhalt eines selbsttragenden und kohärenten Materials (d.h., um ein stabiles Material zu bilden) ist erheblich kleiner im Falle der erfindungsgemäß verwendeten Gemische im Vergleich zu den Aufschlämmungen, die bei der Herstellung von herkömmlichem Papier verwendet werden. Weiterhin haben die Grünfolien-Zwischenprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung eine weitaus größere innere Kohäsionsfähigkeit und Kohärenz im Vergleich zu nass-gelegten faserhaltigen Aufschlämmungen.
Die Menge von Wasser, die zu dem Gemisch gegeben werden sollte, hängt zu einem großen Ausmaß von der Menge der Stärke oder der anderen wasserabsorbierenden Komponenten, der Fasern, der anorganischen Füllstoffe und der Partikelpackdichte der Füllstoffe ab. Sie hängt auch von der gewünschten Rheologie des formbaren Gemisches ab. Die Menge von Wasser, die zugegeben wird, um die formbaren Gemische gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, liegt in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% des formbaren Gemisches, mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% des formbaren Gemisches, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%. Der Fachmann wird dazu imstande sein, den Wassergehalt in geeigneter Weise einzustellen, um eine adäquate Verarbeitbarkeit für jeden beliebigen gegebenen Herstellungsprozess zu erhalten.
In den meisten Fällen wird es zu bevorzugen sein, die minimale Menge von Wasser zuzusetzen, die erforderlich ist, dem formbaren Gemisch den gewünschten Grad der Bearbeitbarkeit zu verleihen, wodurch die Menge von Wasser verringert wird, die aus den prozessierten Folien entfernt werden muss. Eine Verminderung der Menge des Wassers, das im Allgemeinen entfernt werden muss, verringert die Kosten der Herstellung, da die Entfernung von Wasser durch Abdampfen eine Energiezuführung erfordert.
F. Anorganische Füllstoffe
Anorganische Materialien, die üblicherweise in der Papierindustrie verwendet werden, sowie fein gemahlene Aggregatmaterialien, die in der Betonindustrie verwendet werden, können gegebenenfalls in den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen verwendet werden. Trotzdem wird oftmals die Größe der Aggregat- oder der anorganischen Füllstoffmaterialien vielfach größer sein als diejenige der anorganischen Füllstoffmaterialien, die in der Papierindustrie verwendet werden. Während der mittlere Durchmesser der Partikel bzw. Teilchen in den anorganischen Füllstoffen der Papierindustrie zum Einsatz kommen, gewöhnlich kleiner als 2 Mikrometer ist, kann der mittlere Partikeldurchmesser der erfindungsgemäß verwendeten Aggregatmaterialien in manchen Fällen bis zu 100 Mikrometer oder größer, je nach der Wanddicke der resultierenden Folie, sein, und die Aggregatmaterialien sind daher allgemein billiger und haben eine größere spezifische Oberfläche.
Die in der Papierindustrie verwendeten anorganischen Füllstoffmaterialien sind im Allgemeinen gleichförmiger hinsichtlich der Größe verteilt im Vergleich zu den erfindungsgemäß verwendeten Füllstoffen. Es wird oftmals allgemein bevorzugt, einen weiten Bereich von Teilchengrößen der Füllstoffe erfindungsgemäß einzusetzen, um die natürliche Partikel-Packungsdichte des Füllstoffs in dem Gemisch zu erhöhen. Unter Verwendung von Partikeln mit im Allgemeinen höherer und variierender Größe wird eine weitere Verringerung der Kosten der anorganischen Füllstoff-Komponente im Vergleich zu den anorganischen Füllstoffmaterialien erreicht, die in der Papierindustrie verwendet werden ..... Es wird auch eine allgemeine Gleichförmigkeit der Teilchengröße bzw. Partikelgröße aufrecht erhalten.
Der stark erhöhte Bereich der Teilchengrößen gestattet auch eine erheblich größere Vielzahl von anorganischen Aggregatmaterialien bei der vorliegenden Erfindung zu verwenden im Vergleich zu der Herstellung von herkömmlichem Papier. Daher können die Aggregatmaterialien, die erfindungsgemäß verwendet werden, so ausgewählt werden, dass sie der fertigen Folie eine größere Vielzahl von Eigenschaften verleihen. Weiterhin ergeben Partikel-gepackte Aggregatfüllstoffe ein besser verformbares Gemisch im Vergleich zu typischen Aufschlämmungen, die zur Herstellung von herkömmlichem Papier verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichem Papier können erheblich mehr anorganische Aggregate optional in die erfindungsgemäßen Materialien eingearbeitet werden, da ein organisches Bindemittel anstelle der Gewebephysik die Folie zusammenhält.
Beispiele für geeignete Aggregate schließen Perlit, Vermiculit, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, Glasperlen, Aerogele, Xerogele, Meeresgele, Glimmer, Ton, synthetischen Ton, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Flugasche, aus der Dampfphase abgeschiedenes Siliciumdioxid, geschmolzenes Siliciumdioxid, tafelförmiges Aluminiumoxid, Kaolin, Mikrokügelchen, Hohlglaskügelchen, poröse Keramikkügelchen, Gips, Gipsdihydrat, Calciumcarbonat, Calciumaluminat, Kork, Samen, leichte Polymere, Xonolit (ein kristallines Calciumsilicatgel), leichte expandierte Tone, hydratisierte oder nicht-hydratisierte hydraulische Zementpartikel, Betonabfallprodukte, Bimsstein, exfoliiertes Gestein und andere geologische Materialien ein. Teilweise hydratisierter und hydratisierter Zement sowie aus der Dampfphase abgeschiedenes Siliciumdioxid haben eine hohe spezifische Oberfläche und ergeben ausgezeichnete Vorteile, wie eine hohe anfängliche Kohäsionsfähigkeit der neu gebildeten Folie.
Verschiedene anorganische Aggregate verleihen der Folie ihre ihnen eigenen, einzigartigen Oberflächeneigenschaften, und sie können dementsprechend ausgewählt werden. So gibt z.B. das Kaolin ein glatteres, weniger poröses Endprodukt, während plattenartige Materialien, wie Glimmer und andere Tonsorten, eine funkelnde Oberfläche ergeben. Typischerweise erzeugen größere Aggregate, wie Calciumcarbonat, eine matte Oberfläche, während kleinere Teilchen eine glasartige Oberfläche erzeugen. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber der Herstellung von herkömmlichem Papier besteht darin, dass alle beliebigen dieser Aggregatmaterialien direkt in die Matrix eingegeben werden können.
Ein bevorzugtes Aggregatmaterial für die erfindungsgemäße Verwendung ist Calciumcarbonat. Trocken vermahlenes Calciumcarbonat wird besonders bevorzugt, da es zu einem Drittel der Kosten von Calciumcarbonat, das durch Nassvermahlen erhalten wird, hergestellt werden kann. Ein bevorzugtes Calciumcarbonat ist das Produkt R040, das eine Teilchengröße im Bereich von etwa 10 bis 150 Mikrometer bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 42 Mikrometer und eine niedrige spezifische Oberfläche hat.
Sowohl Ton als auch Gips sind besonders gut geeignete Aggregatmaterialien wegen ihrer leichten Verfügbarkeit, ihrer extremen Billigkeit, ihrer Verarbeitbarkeit, ihrer leichten Verformungsfähigkeit und auch deswegen, weil sie einen Grad der Bindung, der Kohäsionsfähigkeit und der Festigkeit ergeben können, wenn sie hoch genug zugesetzt werden ..... in Gegenwart von Wasser, das eine Klasse eines hydraulisch härtbaren Bindemittels ist. Nach der Hydratisierung erhärtet der Gips zu einer starren Struktur, je nach seiner Konzentration, wodurch dem Endprodukt eine verzögerte zusätzliche Bindungsfestigkeit verliehen wird.
Hydraulischer Zement, wie Portland-Zement, kann als anorganisches Füllstoffmaterial zu den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen zugesetzt werden. Hydraulische Zemente sind relativ billig und in großen Mengen vorhanden, und sie können der stärkegebundenen Matrix einen Bindungsgrad verleihen, wenn sie in Mengen zugesetzt werden, die hoch genug sind. Weiterhin setzen sich hydraulische Zemente chemisch mit Wasser um, wodurch ein innerer Trocknungseffekt in dem formbaren Gemisch bewirkt wird, durch den wirksam mindestens ein Teil des Wassers in dem Gemisch entfernt wird, ohne dass die Notwendigkeit eines Abdampfens besteht. Das gleiche trifft für Gipshemihydrat und calcinierten Ton zu. Prähydratisierte Zementpartikel können gleichfalls als Aggregatfüllstoff zugesetzt werden.
Wegen der Natur der formbaren Gemische und der daraus hergestellten Folien ist es möglich, Aggregate mit geringem Gewicht mit einem hohen Ausmaß von interstitiellen Hohlräumen zuzusetzen, um den geformten Folien einen Isolierungseffekt zu verleihen. Beispiele für Aggregate, die der Folie ein geringes Gewicht und isolierende Eigenschaften verleihen können, schließen Perlit, Vermiculit, Glasperlen, Hohlglaskügelchen, synthetische Materialien (z.B. poröse Keramikkügelchen, tafelförmiges Aluminiumoxid, etc.), Kork und expandierte Tonsorten mit geringem Gewicht, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, Bimsstein und andere geologische Materialien ein.
Zusätzlich zu den herkömmlichen Aggregaten, die in der Papier- und Zementindustrie verwendet werden, kann eine weite Vielzahl von anderen Aggregaten zu den formbaren Gemischen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zugegeben werden, wie z.B. Verstärkungsmittel, wie Metalle und Metalllegierungen (z.B. Edelstahl, Eisen und Kupfer), kugelförmige oder hohlkugelförmige Materialien (z.B. Glas, Polymermaterialien und Metalle), Füllstoffe, Pellets und Pulver (wie Mikrosiliciumdioxid). Selbst Materialien, wie Samen, Gelatine, und Materialien vom Agar-Typ können in die Aggregate eingearbeitet werden. Obgleich diese letztgenannten Aggregate organischer Natur sind und ohne weiteres biologisch abbaubar sind, werden sie aber deswegen zugesetzt, weil sie primär als Füllstoff und nicht als ein Bindemittel wirken.
Eine weitere Klasse von Aggregaten, die den Formungszusammensetzungen zugesetzt werden kann, schließt anorganische Gele und Mikrogele, wie Siliciumdioxidgel, Calciumsilicatgel, Aluminiumsilicatgel, und dergleichen ein. Diese Materialien können in fester Form zu gesetzt werden oder sie können in situ ausgefällt werden. Da Gele und Mikrogele dazu neigen, Wasser zu absorbieren, können sie deswegen zugesetzt werden, um den Wassergehalt des formbaren Gemisches zu verringern, wodurch die Fließgrenze des Gemisches erhöht wird. Dazu kommt noch, dass die hochhygroskopische Natur der Gele auf Siliciumdioxid-Basis und der Mikrogele es gestattet, diese Materialien als Regulierungsmittel für die Feuchtigkeit innerhalb der am Schluss erhaltenen gehärteten Folie zu verwenden. Durch Absorption von Feuchtigkeit aus der Luft bewirken die Gele und Mikrogele, dass die Folien eine vorbestimmte Menge von Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen beibehalten. Naturgemäß ist die Rate ..... Die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Folien gestattet eine sorgfältigere Kontrolle der Dehnung, des Moduls der Elastizität, der Biegefähigkeit, der Faltbarkeit, der Flexibilität und der Duktilität der Folien.
Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, polymerisierbare anorganische Aggregatmaterialien, wie polymerisierbare Silicate, zu dem formbaren Gemisch zuzusetzen. Diese Materialien können zu dem Gemisch als übliches Siliciumdioxid oder als Silicate zugesetzt werden, die dann so behandelt werden, dass eine Polymerisationsreaktion in situ bewirkt wird, um ein polymerisiertes Silicataggregat zu erzeugen. Polymerisierte anorganische Aggregate sind oftmals für bestimmte Anwendungszwecke von Vorteil wegen ihrer erhöhten Flexibilität im Vergleich zu den meisten anderen anorganischen Aggregatmaterialien.
Erfindungsgemäß wird es im Allgemeinen besonders bevorzugt, eine Mehrzahl von Aggregaten mit unterschiedlicher Größe und Graduierung zuzusetzen, die dazu imstande sind, eine vollständigere Auffüllung der Zwischenräume zwischen den Aggregatteilchen und den Fasern in dem formbaren Gemisch zu bewirken. Die Optimierung der Partikel-Packungsdichte verringert die Menge von Wasser, die erforderlich ist, um den gewünschten Grad der Verarbeitbarkeit zu erhalten, indem Räume eliminiert werden, die ansonsten mit interstitiellem Wasser, das oftmals auch als "Kapillarwasser" bezeichnet wird, gefüllt würden.
Um die Packungsdichte zu optimieren, können Aggregate mit unterschiedlicher Größe mit Partikelgrößen in einem Bereich von so wenig wie etwa 0,05 Mikrometer bis zu so groß wie etwa 2 mm eingesetzt werden. Der gewünschte Zweck und die Dicke des resultierenden Produkts diktieren die geeignete Teilchengröße der verschiedenen Aggregate, die verwendet werden sollen. Es liegt innerhalb des Wissens des Fachmanns, die Identität und die Größen der Aggregate, die verwendet werden sollen, allgemein zu identifizieren, um die gewünschten rheologischen Eigenschaften der formbaren Grüngemische sowie die Endfestigkeit und die Gewichtseigenschaften der fertigen gehärteten Folie oder des Gegenstands zu erhalten.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es zweckmäßig sein, die Menge der Aggregate in dem formbaren Gemisch zu maximieren, um die Eigenschaften und Charakteristiken der Aggregate (z.B. Qualitäten, wie Festigkeit, niedrige Dichte oder hohe Isolierung) zu maximieren. Die Anwendung von Partikel-Packtechniken kann in den Formungszusammensetzungen angewendet werden, um die Menge solcher Aggregate zu maximieren.
Ein detaillierte Diskussion der Partikelpackung kann in dem folgenden Artikel gefunden werden, von dem einer der benannten Erfinder ein Co-Autor ist: Johansen, V. & Andersen, P.J., "Particle Packing and Concrete Properties", Materials Science of Concrete II, 111–147, The American Ceramic Society (1991). Weitere Information ist in der Doktorarbeit von Anderson, P.J., "Control and Monitoring of Concrete Production -- A Study of Particle Packing and Rheology", The Danish Academy of Technical Sciences. Für Offenbarungszwecke werden der vorstehende Artikel und die Doktorarbeit .....
Bei Ausführungsformen, wo es zweckmäßig ist, eine Folie (oder einen daraus hergestellten Gegenstand) mit hoher Isolierungsfähigkeit zu erhalten, kann es zu bevorzugen sein, in die stärkegebundene Matrix ein Aggregat mit geringem Gewicht einzuarbeiten, das eine niedrige thermische Leitfähigkeit oder einen niedrigen "k-Faktor" (definiert als W/m·K) hat. Im Allgemeinen enthalten Aggregate, die einen sehr niedrigen k-Faktor haben, große Mengen von eingeschlossenem interstitiellen Raum, von Luft, Gemischen von Gasen oder ein partiales Vakuum, das ebenfalls dazu neigt, die Festigkeit von solchen Aggregaten stark zu verringern. Daher neigen Befürchtungen hinsichtlich der Isolierungsfähigkeit und der Festigkeitseigenschaften dazu im Wettbewerb zu stehen, und es sollte eine sorgfältige Ausbalancierung erfolgen, wenn das jeweilige Mischdesign ausgewählt wird.
Im Lichte der vorstehenden Ausführungen wird die Menge des Aggregats, das zu dem formbaren Gemisch der Erfindung zugesetzt wird, von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, mit Einschluss der Menge und der Identität der anderen zugesetzten Komponenten, sowie der Partikel-Packdichte der Aggregate selbst. Demgemäß wird vorzugsweise die Konzentration der Aggregate in den erfindungsgemäßen Folien in einem Bereich von 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, und am meisten bevorzugt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, liegen.
G. Fasern
Es kann ein weiter Bereich von Fasern erfindungsgemäß mit guten Ergebnissen zum Einsatz kommen. Wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, schließen die Bezeichnungen "Fasern" und "faserartiges Material" sowohl anorganische Fasern als auch organische Fasern ein. Die Fasern können dem formbaren Gemisch zugesetzt werden, um die Flexibilität, die Duktilität, die Biegefähigkeit, die Kohäsion, die Elongationsfähigkeit, die Deflektionsfähigkeit, die Zähigkeit und die Bruchenergie sowie die Biege- und Zugfestigkeit der resultierenden Folien und Gegenstände zu erhöhen. Faserartige Materialien verringern die Wahrscheinlichkeit, dass die stärkegebundenen Folien oder die daraus hergestellten Gegenstände unter Einwirkung von Querschnittskräften zersplittern.
Fasern, die in die stärkegebundene Matrix der Folien oder Gegenstände eingearbeitet werden können, schließen natürlich vorkommende organische Fasern, wie Cellulosefasern, ex trahiert aus Hanf, Baumwolle, Pflanzenblättern, Holz oder Stängeln, ein. Alle beliebigen, im Überschuss vorkommenden Fasern, die in der Landwirtschaft gepflanzt und geerntet werden können, können erfindungsgemäß eingesetzt werden. Die Verwendung von solchen faserartigen Materialien würde den zusätzlichen günstigen Effekt haben, dass unsere schwindenden Wälder bewahrt werden. Dazu können auch anorganische Fasern, hergestellt aus Glas, Graphit, Siliciumdioxid, Keramik oder Metallmaterialien, ebenfalls verwendet werden.
Fasern, wie Baumwoll-, Holzfasern (sowohl Hartholz- als auch Weichholzfasern, Beispiele hierfür schließen Südhartholz und Südpinien ein), Flachs-, Abaca-, Hanf- und Bagassefasern werden bevorzugt, weil sie sich bei normalen Bedingungen ohne weiteres zersetzen. Jedoch können andere Fasern, wie Glasfasern, je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck und den Performancekriterien der Folie oder des Gegenstands, bevorzugt werden. Sogar die recycelten Papierfasern können verwendet werden, die extrem billig und in großen Mengen vorhanden sind.
Die Fasern, die zur Herstellung der Folien und der anderen Gegenstände der Erfindung verwendet werden, haben vorzugsweise ein hohes Verhältnis von Länge zu Breite (oder "Aspektverhältnis" bzw. Dimensionsverhältnis), weil längere und engere Fasern der stärkegebundenen Matrix eine höhere Festigkeit verleihen können, ohne dass in signifikanter Weise eine Voluminosität und Masse der Matrix verliehen wird. Die Fasern sollten ein Aspektverhältnis von mindestens etwa 10:1, mehr bevorzugt mindestens etwa 100:1, haben.
Die Menge der Fasern, die zu den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen zugesetzt werden, wird variieren entsprechend den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts, wobei die Zugfestigkeit, die Zähigkeit, die Flexibilität und die Kosten Hauptkriterien für die Festlegung der Fasermenge, die einem beliebigen Mischkonzept zugesetzt werden soll, sind. Demgemäß liegt die Konzentration der Fasern in den erfindungsgemäßen Folien in einem Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, und mehr bevorzugt von etwa 7 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%.
Naturgemäß ist die Festigkeit der Fasern ein sehr wichtiges Merkmal zur Festlegung der zu verwendenden Menge der Fasern. Je größer die Zugfestigkeit der Fasern ist, desto weniger Fasern müssen zugesetzt werden, um dem resultierenden Produkt eine gegebene Zugfestigkeit zu verleihen. Während einige Fasern hohe Werte der Zugfestigkeit, der Reißfestigkeit und der Berstfestigkeit haben, können andere Typen von Fasern mit einer niedrigeren Zugfestigkeit elastischer sein. Die Einarbeitung einer relativ hohen Konzentration von Fasern ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Folie eingekerbt werden soll und wenn zu erwarten ist, dass sie über einen größeren Winkel verbogen wird.
Fasern mit einem kleineren Aspektverhältnis werden leichter in der Folie platziert, und sie ergeben eine Folie mit größerer Gleichförmigkeit und weniger Defekten, während ein größeres Aspektverhältnis den Festigkeits-verleihenden Effekt der Fasern erhöht. Einige Fasern, wie solche aus Südpinie und Abaca, haben hohe Reiß- und Berstfestigkeiten, während andere, wie Bauwollfasern, eine niedrigere Festigkeit, jedoch eine größere Flexibilität haben. In den Fällen, bei denen eine bessere Platzierung, eine höhere Flexibilität und eine höhere Reiß- und Berstfähigkeit gewünscht werden, kann eine Kombination von Fasern mit variierenden Aspektverhältnissen und Festigkeitseigenschaften zu dem Gemisch gegeben werden. So gestattet z.B. ein Gemisch aus Südhartholz und Südpinie eine bessere Dispersion der Fasern durch das formbare Gemisch hindurch, wodurch eine Folie erhalten wird, die eine gute Faserdispersion und eine ausgezeichnete Faltbeständigkeit hat. In jedem Fall werden die erfindungsgemäß verwendeten Fasern vorzugsweise nicht den intensiven Bearbeitungsvorgängen der Fasern unterworfen, die zu der Herstellung der herkömmlichen Papiere verwendet werden, und sie halten daher weitaus mehr ihrer ursprünglichen Festigkeit aufrecht. Sie erfordern auch eine geringere chemische Bearbeitung.
Eine bessere Wasserbeständigkeit kann dadurch erhalten werden, dass die Fasern mit Kolophonium und Alaun (Al₂(SO₄) ₃ ) oder (NaAl(SO₄) ₂ ), der aus dem Kolophonium sich auf der Faseroberfläche niederschlägt, behandelt werden, .....es wird eine anionische Absorptionsstelle auf der Oberfläche der Faser für ein positiv geladenes organisches Bindemittel, wie kationische Stärke, erzeugt.
H. Dispergierungsmittel
Die hierin verwendete Bezeichnung "Dispergierungsmittel" bedeutet eine Klasse von Materialien, die zugegeben werden können, um die Viskosität und die Fließgrenze des formbaren Gemisches zu verringern. Dispergierungsmittel wirken dahingehend, dass sie die Viskosität des Gemisches verringern, indem die individuellen anorganischen Aggregatteilchen oder die Fasern dispergiert werden. Dies gestattet die Verwendung von weniger Wasser, während adäquate Grade der Bearbeitbarkeit aufrecht erhalten werden. Dispergierungsmittel wirken in entgegengesetzter Art und Weise im Vergleich zu den organischen Bindemitteln, die die festen Komponenten zusammenbinden, selbst dann, wenn sie sich noch im nassen Zustand befinden.
Dispergierungsmittel wirken im Allgemeinen dadurch, dass sie auf der Oberfläche der Aggregatpartikel und/oder in der nahen Kolloiddoppelschicht der Partikel adsorbiert werden. Dies erzeugt eine negative Ladung auf den Oberflächen der Partikel oder darum herum, wodurch bewirkt wird, dass diese sich gegenseitig abstoßen, was eine Agglomeration der Teilchen verhindert. Diese Abstoßung der Teilchen fügt eine "Schmierung" zu, indem die Reibungs- oder Anziehungskräfte verringert werden, die ansonsten bewirken, dass die Teilchen eine größere Wechselwirkung haben. Dies erhöht die Packdichte des Materials etwas und gestattet die Zugabe von weniger Wasser, während die Verarbeitbarkeit bzw. Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches aufrecht erhalten wird. Die Dispergierungsmittel sollten vor der Zugabe des Celluloseethers zugesetzt werden.
Eine genauere Beschreibung der Verwendung der Dispergierungsmittel kann in der Doktorarbeit von Andersen, P.J.; "Effects of Organic Superplasticizing Admixtures and their Components on Zeta Potential and Related Properties of Cement Materials" (The Pennsylvania State University Materials Research Laboratory, 1987), gefunden werden. Zu Offenbarungszwecken wird auf die vorstehende Doktorarbeit hierin speziell Bezug genommen.
Ein bevorzugtes Dispergierungsmittel ist ein sulfoniertes Naphthalin-Formaldehyd-Kondensat, von dem ein Beispiel mit dem Warenzeichen WRDA 19 vertrieben wird. Das Produkt ist von der Firma W.R. Grace, Inc., verfügbar. Andere Dispergierungsmittel, die gleichfalls verwendet werden können, schließen sulfonierte Melamin-Formaldehyd-Kondensate, Lignosulfonate und Polyacrylsäure ein.
Die Menge des zugegebenen Dispergierungsmittels liegt im Allgemeinen im Bereich von bis zu etwa 5 Gew.-% des Wassers in dem formbaren Gemisch, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-%, und am meisten bevorzugt von etwa 1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-%.
I. Andere Mischungszusätze
Eine Vielzahl von anderen Komponenten kann gegebenenfalls zu dem formbaren Gemisch gegeben werden, um den fertigen Folien und Gegenständen gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Die Flexibilität kann dadurch erhöht werden, dass zu dem formbaren Gemisch Weichmacher gegeben werden. Die Weichmacher schließen Materialien ein, die durch die Bindemittel auf Stärke-Basis absorbiert werden können, um die strukturelle Matrix der geformten Folie zu erweichen oder ..... aus der Matrix erfolgt während des Formprozesses keine Verdampfung, und die Stabilität nach der Formung der Folie des Gegenstands bleibt vorzugsweise erhalten.
Geeignete Weichmacher zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung schließen Polyethylenglykole (unterhalb eines Molekulargewichts von 600), Glycerin und Sorbit ein, die dazu neigen, den Ort des Wassers einzunehmen und als Weichmacher bei einer Feuchtigkeit von so niedrig wie 5% zu wirken. Bevorzugte Weichmacher verdampfen während des Formungsprozesses nicht, sondern bleiben in den geformten Folien und Gegenständen zurück, um die stärkegebundene Matrix weich zu machen.
Glycerin, von dem gefunden wurde, dass es mit dem Wasser während des Wasserentfernungsprozesses entfernt wird, kann alternativ auf die Folien als eine Nach-Folienbildungs-Behandlung aufgebracht werden, um den Folien eine erhöhte Flexibilität zu verleihen und als Befeuchtungsmittel zu wirken. Die Behandlung mit Glycerin neigt auch dazu, die Folien so zu stabilisieren, dass sie gegenüber einem Verwerfen beständiger sind, wenn sie kleinen Mengen von Wasser ausgesetzt werden, beispielsweise dann, wenn ein Beschichtungsmittel auf Wasser-Basis auf die Folien aufgebracht wird.
Vernetzende Beimischungen, wie Dialdehyde, Methylharnstoffe und Melaminformaldehydharze können zu dem Gemisch gegeben werden, um eine weniger wasserlösliche stärkegebundene Matrix zu produzieren. Die Vernetzungsgemische binden die Hydroxylionen des Bindemittels auf Stärke-Basis, was die Reabsorptionsgeschwindigkeit des Wassers des Bindemit tels auf Stärke-Basis verlangsamt. Als Ergebnis erhalten die fertigen Gegenstände die Formstabilität mit schnellerer Geschwindigkeit, und sie haben auch eine höhere Festigkeit. Sie sind also imstande, Flüssigkeiten länger zu halten, bis sie versagen (z.B. kann eine Tasse bzw. ein Becher Wasser länger halten, bevor ein Aussickern des Wassers beginnt).
J. Interstitielle Hohlräume bzw. Poren
Wenn die Isolierung und nicht die Festigkeit der überragende Faktor ist (d.h., wenn es gewünscht wird, heiße oder kalte Materialien zu isolieren), dann kann es zweckmäßig sein, in die strukturelle Matrix der Folien winzige interstitielle Hohlräume zusätzlich zu den Aggregaten mit geringem Gewicht einzuarbeiten, um die Isolierungseigenschaften der Folie oder des daraus hergestellten Gegenstands zu erhöhen. Die Einarbeitung von Hohlräumen wird sorgfältig kalkuliert, um die erforderlichen Isolierungseigenschaften und Eigenschaften des geringen Gewichts ohne eine unziemliche Verringerung der Festigkeit der Folie zu verleihen. Wenn die Isolierung nicht wichtig ist, dann ist es zweckmäßig, die Hohlräume zu minimieren, um die Festigkeit zu maximieren und das Volumen zu minimieren.
Lufthohlräume können durch ein Hochscher-Hochgeschwindigkeitsmischen des formbaren Gemisches eingeführt werden, wobei ein Schaummittel oder ein Stabilisierungsmittel zu dem Gemisch gegeben wird, um die Einarbeitung und die Retention der Lufthohlräume zu unterstützen. Geeignete Schaummittel und Lufteinschlussmittel schließen üblicherweise verwendete Tenside ein. Ein Schaummittel und Lufteinschlussmittel ist ein Vinsolharz.
Während des Prozesses der Formung des formbaren Gemisches zu einer Folie ist es zweckmäßig, das formbare Gemisch zu erhitzen, um Wasser zu entfernen. Diese Maßnahme kann auch eine Porosität zurücklassen, wenn die Folie nicht kompaktiert wird, wodurch die Dichte der Folie verringert wird.
Ein weiteres Schaummittel, das verwendet werden kann, ist ein Gemisch aus Citronensäure und Bicarbonat oder Bicarbonat, das zu kleinen Körnern oder Partikeln bearbeitet worden ist, und mit Wachs, Stärke oder anderen wasserlöslichen Beschichtungsmitteln beschichtet worden ist. Diese Materialien können bei der Hohlraumbildung auf zwei Wegen verwendet werden: (1) sie setzen sich mit Wasser um und bilden CO₂-Gas, um eine zelluläre Schaumstruktur in der stärkegebundenen Matrix zu erzeugen, oder (2) sie packen die Partikel als Teil der Matrix und entfernen nach der Härtung der Matrix die Schaumpartikel, indem das Produkt auf eine Temperatur oberhalb 180°C erhitzt wird, was eine endotherme Zersetzung der Partikel bewirkt, wobei eine gut kontrollierte, zellförmige Struktur mit geringem Gewicht zurückbleibt.
Schließlich können Lufthohlräume in das formbare Gemisch während des Formprozesses eingeführt werden, indem zu dem Gemisch ein Treibmittel gegeben wird, das expandiert, wenn das Gemisch erhitzt wird. Treibmittel bestehen typischerweise aus einer Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt und fein verteiltem Calciumcarbonat. Diese Materialien werden gleichförmig in das formbare Gemisch eingemischt und unter Druck gehalten, während sie erhitzt werden. Das flüssige Treibmittel dringt in die Poren der einzelnen Calciumcarbonatpartikel ein, die als Punkte wirken, von denen das Treibmittel bei der thermischen Expansion des Treibmittels verdampft werden kann, wenn der Druck plötzlich verringert wird.
II. Herstellung von Folien aus formbaren Gemischen
Die stärkegebundenen Folien werden dadurch hergestellt, dass ein formbares Stärkegefülltes Gemisch bei Temperaturen verformt wird, die progressiv ansteigen, damit zum Ersten die Bildung einer Haut aus Celluloseether bewirkt wird, zum Zweiten die Stärkekörnchen gelatiniert werden und zum Dritten Wasser durch Abdampfen entfernt wird.
Eine detaillierte Beschreibung eines Folien-Bildungsprozesses kann in der anhängigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 08/152 354 mit dem Titel "Sheets Having A Highly Inorganically Filled Organic Polymer Matrix" und eingereicht am 19. November 1993, im Namen von Per Just Andersen, Ph. D. und Simon K. Hodson, gefunden werden. Für Zwecke der Offenbarung, mit Einschluss der Herstellung von anorganisch gefüllten Folien, wird auf diese Anmeldung hierin ausdrücklich Bezug genommen.
Eine umfangreiche Herstellungssequenz, die zur Herstellung der stärkegebundenen Folien, die zu Behältern oder anderen Gegenständen verformt werden können, ist in 1A angegeben. Sie schließt eine Vorrichtung zur Durchführung der folgenden Herstellungsstufen ein: (1) die Herstellung und die Vermischung der Formungszusammensetzung; (2) die Extrudierung des Gemisches zu einer Folie oder zu einer anderen Gestalt durch eine geeignete Düse; (3) das Durchführen ..... die gewünschte Dicke; und (4) das Führen der Folie zwischen weiteren Sätzen von Walzen, die die Stärke gelatinieren und mindestens einen Teil des Wassers aus dem Gemisch entfernen, und weiteres Trocknen der Folie durch Walzen auf einer oder mehreren erhitzten Trocknungswalzen mit größerem Durchmesser; (5) die optional erfolgende Kompaktierung der Folie, während sie sich noch in einem geringfügig feuchten Zustand befindet, um unerwünschte Hohlräume zu eliminieren und die Festigkeit der Folie zu erhöhen; (6) die optionale Trocknung der Folie, nachdem sie kompaktiert worden ist; (7) die optionale Finish-Behandlung der Folie durch Führen zwischen einem oder mehreren Paaren von Finishing-Walzen; und (8) die optionale Aufwickelung der im Wesentlichen getrockneten Folie auf eine Spule, um eine Rolle zu bilden, die gelagert und, wenn erforderlich, verwendet werden kann. Alle diese Herstellungsstufen werden untenstehend genauer beschrieben.
Wie in 1B gezeigt wird, kann das formbare Gemisch alternativ direkt zwischen die Folien-bildenden Walzen eingespeist werden. Die 1C stellt eine "wig wag"-Extrudierungsvorrichtung dar, die rasch eine Perle des Materials entlang der Länge der Folien-bildenden Walzen zurück- und vorbewegt, als ein weiteres bevorzugtes Verfahren.
Ein zweites Verfahren, das für die meisten Gestaltungen des Gemisches geeignet ist, schließt Folgendes ein: (1) das Vermischen des formbaren Gemisches in einer Kneteinrichtung und die anschließende Entfernung der Luft im Vakuum; (2) die Extrudierung und das anschließende Zerschneiden des Gemisches zu individuellen Einheiten mit entsprechender Gestalt (z.B. als Zylinder); (3) die Übertragung der extrudierten Einheiten in einen Trichter; (4) das Führen der extrudierten Einheiten zwischen einem Paar von selbstbeschickenden Extrudierungswalzen, um eine Folie zu bilden; und (5) die optional erfolgende Trocknung oder auf sonstige Weise erfolgende Finish-Behandlung der Folie. Die Extrudierungsstufe trägt zur Entlüftung des formbaren Gemisches bei, und die individuell extrudierten Einheiten liefern eine gleichförmigere Zuführung des formbaren Gemisches am Eingang der Extrudierungswalzen.
A. Herstellung des formbaren Gemisches
Die erste Stufe der Herstellung der Folien beinhaltet die Bildung eines geeigneten formbaren Gemisches mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Bearbeitbarkeit und der Grünfestigkeit sowie der Festigkeit, der Flexibilität, der Zähigkeit und der Abbaubarkeit der am Schluss erhaltenen, gehärteten Folie. Einige der Eigenschaften, die allgemein bezüglich des formbaren Gemisches als wünschenswert angesehen werden, sind eine adäquate Bearbeitbarkeit, plastikartige Qualitäten und eine Grünfestigkeit für einen gegebenen Extrusions-, Walz- und/oder Formprozess. Wie oben zum Ausdruck gebracht wurde, bestimmen die Gehalte von Wasser, organischem Bindemittel und (optional) Dispergierungsmittel den Grad der Bearbeitbarkeit und der Extrudierbarkeit des Gemisches, wie es auch die anderen Komponenten in dem Gemisch, wie Aggregate, Fasern, Weichmacher, Luftmitreißmittel, etc., tun. Jedoch bestimmt keine einzige Komponente vollständig die Rheologie und die anderen Eigenschaften des formbaren Gemisches. Stattdessen wirken alle Komponenten in einer miteinander in Beziehung stehenden Art und Weise zusammen.
1. Effekt der Komponenten auf die Rheologie des Gemisches
Die Menge des Wassers, die zugegeben werden sollte, um ein Gemisch mit adäquatem ..... des anorganischen Füllstoffs, der Menge von Fasern, Identität und Menge des organischen Bindemittels und der Identität und der Menge von anderen Mischzusätzen (z.B. Dispergierungsmitteln, Weichmachern oder Schmiermitteln). Im Allgemeinen verringert jedoch die Zugabe von mehr Wasser die Viskosität und die Fließgrenze des Gemisches, wodurch die Fließfähigkeit des Gemisches erhöht wird und die Formstabilität des daraus geformten Gegenstands verringert wird.
Das organische Bindemittel kann die Rheologie des Gemisches in Abhängigkeit von der Identität, der Konzentration und dem Ausmaß der Gelierung oder der Auflösung des organischen Bindemittels in dem nassen Gemisch stark beeinflussen. Der Celluloseether löst sich im Allgemeinen in Wasser auf oder wird zumindest ziemlich gründlich in dem Wasser dispergiert. Die Stärkekörnchen bleiben vorzugsweise in dem nassen Gemisch bis zum Verformen nicht-gelatiniert.
Die Celluloseether haben stark variierende Werte der Wasserlöslichkeit oder der Wasserdispergierbarkeit sowie variierende Werte der Viskosität und der Fließgrenze. So hat z.B. eine 2%ige Lösung von Tylose^® FL 15002 (eine Methylhydroxyethylcellulose) bei -20°C eine Viskosität von etwa 15000 cPs, während eine ähnliche Lösung von Tylose^® 4000 eine Viskosität von etwa 4000 cPs hat. Das erstgenannte Material erhöht die Fließgrenze und die plastikarti gen Eigenschaften des formbaren Gemisches, während das letztgenannte Material mehr als Schmiermittel oder Weichmacher wirken kann.
Die Stärkekomponente geliert später während des Folien-Bildungsprozesses. Obgleich viele organische Polymer-Bindemittel, wie Stärke, weder polymerisieren noch depolymerisieren, wenn sie zu dem formbaren Gemisch gegeben werden, jedoch eher gelieren und dann austrocknen, um eine bindende Matrix zu bilden, liegt es doch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wasserlösliche oder in Wasser dispergierbare, polymerisierbare Einheiten zu dem formbaren Gemisch zuzusetzen, die danach in situ im Laufe der Zeit polymerisieren. Die Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion kann dadurch reguliert werden, dass die Temperatur des Gemisches eingestellt wird und/oder dass ein Katalysator oder Inhibitor zugesetzt wird. Beispiele für polymerisierbare Einheiten, die zu dem formbaren Gemisch zugesetzt werden, schließen Cellosize und Latex-bildende Monomere ein.
Was die Gelierung betrifft, so gelieren die meisten Celluloseether rasch in Wasser bei Raumtemperatur. Andere, wie viele Stärken, gelieren nur in Wasser bei höheren Temperaturen. Bestimmte modifizierte Stärken können jedoch bei Raumtemperatur gelieren. Celluloseether verleihen im Allgemeinen fast sofort ihren maximalen rheologischen Effekt, während polymerisierbare Bindemittel sich im Verlauf der Zeit versteifen, und Bindemittel auf Stärke-Basis versteifen sich im Allgemeinen in dem Maß, wie die Temperatur des Gemisches erhöht wird.
Andere Mischzusätze, die zugegeben werden können, um direkt die Rheologie des formbaren Gemisches zu beeinflussen, schließen Dispergierungsmittel, Weichmacher und Schmiermittel ein. Dispergierungsmittel, wie Materialien auf Sulfonyl-Basis, verringern die Viskosität und steigern die Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches, während die Menge des Wassers konstant gehalten wird. Die Verwendung eines Dispergierungsmittels gestattet .....
Die Menge, die Identität und die Partikel-Packdichte des anorganischen Aggregatfüllstoffs können stark die Rheologie und die Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches beeinflussen. Anorganische Aggregate, die porös sind oder die eine hohe spezifische Oberfläche haben, neigen dazu, mehr Wasser zu absorbieren als nicht-poröse Aggregate, wodurch die Menge des Wassers verringert wird, die zur Schmierung der Teilchen verfügbar ist. Dies führt zu einem steiferen, stärker viskosen Gemisch. Die Partikel-Packdichte kann auch einen äußerst starken Einfluss auf die Rheologie des Gemisches haben, indem die Menge des interstitiellen Raums bestimmt wird, der im Allgemeinen durch Wasser, Schmiermittel, organische Polymere oder andere Flüssigkeiten gefüllt werden muss, damit das Gemisch strömen kann.
Beispielsweise erfordert ein Aggregatsystem mit einer natürlichen Packdichte von 0,65 etwa 35 Vol.-% Flüssigkeiten (mit Einschluss von Wasser), damit der interstitielle Raum zwischen den Teilchen im Wesentlichen gefüllt wird. Andererseits erfordert ein Aggregatsystem mit einer natürlichen Packdichte von 0,95 im Allgemeinen nur etwa 5 Vol.-% Flüssigkeiten, um die Hohlräume im Wesentlichen aufzufüllen. Daher steht die Partikel-Packdichte in direkter Beziehung zu den rheologischen Eigenschaften, mit Einschluss des Grads der Bearbeitbarkeit des Gemisches. Die Größe und die Morphologie der Aggregatteilchen kann auch die Rheologie und die Fließeigenschaften des formbaren Gemisches bis zu einem bestimmten Ausmaß beeinflussen.
Hydraulisch härtbare anorganische Aggregate, wie hydraulischer Zement, Gipshemihydrat und Calciumoxid, können als Wasserabsorptionsmechanismus verwendet werden. Diese Materialien setzen sich chemisch mit dem Wasser um, wodurch der effektive Gehalt von Wasser in dem formbaren Gemisch verringert wird, ohne dass auf Erhitzung- oder Trocknungstechniken zurückgegriffen werden muss. Solche Materialien können die Rheologie der formbaren Gemische als Funktion des Ausmaßes der Hydration, was eine Funktion der Zeit ist, stark beeinflussen. Zusätzlich ist gefunden worden, dass hydraulischer Zement die Kohäsionsfestigkeit des grünen, formbaren Gemisches erhöht und der daraus hergestellten frischen Folien. Die Kohäsion hält das geformte Material zusammen, so dass die Folie durch die Walzen gezogen werden kann und doch ihre Form bis zum genügenden Trocknen aufrecht erhält, um eine genügende Zugfestigkeit zu erhalten.
Schließlich beeinflussen andere feste Komponenten in dem Gemisch, wie Fasern, die Rheologie des Gemisches in ähnlicher Weise wie die anorganischen Aggregate. Bestimmte Fasern können Wasser in Abhängigkeit von ihrer Porosität und ihrer Quellfähigkeit absorbieren. Weiterhin können bestimmte Fasern dahingehend behandelt werden, dass sie ionisch aufgeladen werden, was es gestattet, dass sie eine chemische Wechselwirkung mit ionisch geladenen organischen Weichmachern eingehen. Auf diese Weise können die Fasern die Rheologie des Gemisches bis zu einem gewissen Ausmaß beeinflussen.
2. Effekte der Komponenten auf die Endeigenschaften
Was das fertige getrocknete oder gehärtete Produkt betrifft, so schließen einige der Eigenschaften, die im Allgemeinen erwünscht sind, um die strukturelle Matrix der Folie zu gestalten, hohe ..... Ablenkung oder Biegung ein. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, Folien zu erhalten, die im Wesentlichen die Eigenschaften von herkömmlichen Papier- oder Pappeprodukten aufweisen. Jedoch kann es in anderen Fällen erwünscht sein, eine strukturelle Matrix mit Eigenschaften zu erhalten, die bei Verwendung von üblicher Holzpulpe oder anderen Ausgangsmaterialien für die herkömmliche Papierherstellung nicht erhältlich sind. Diese Eigenschaften können eine erhöhte Zähigkeit, einen höheren Modul der Elastizität, eine höhere Wasserbeständigkeit oder eine niedrige Schüttdichte einschließen.
Im Gegensatz zu herkömmlichem Papier oder herkömmlicher Pappe, bei welchen Materialien die Eigenschaften der Folien extrem stark von den Eigenschaften der verwendeten Pulpematerialien abhängig sind, sind die Eigenschaften der stärkegebundenen Folien im Wesentlichen von den Eigenschaften der Fasern unabhängig, die zur Herstellung der Folien zum Einsatz kommen. Um sich auf der sicheren Seite zu befinden, die Verwendung von längeren, flexibleren Fasern wird im Allgemeinen der Folie mehr Flexibilität verleihen als kürzere und steifere Fasern. Jedoch können Eigenschaften, die in herkömmlichen Papieren stark von den Pulpen abhängig sind, in die stärkegebundenen Folien eingearbeitet werden, indem die Konzentrationen der nicht-faserartigen Komponenten des formbaren Gemisches sowie die verwendete Prozesstechnik entsprechend eingestellt wird. Derartige Eigenschaften, wie die Steifheit, die Starrheit, der Oberflächenfinish, die Porosität und dergleichen, sind im Allgemeinen von dem Typ von Fasern nicht abhängig, der in den stärkegebundenen Folien zum Einsatz gekommen ist.
Die Flexibilität, die Zugfestigkeit oder der Modul der Elastizität kann auf die besonderen Performancekriterien der Folie, des Behälters oder des anderen daraus hergestellten Gegenstands dadurch zugeschnitten werden, dass die Komponenten und die relativen Konzentrationen der Komponenten in dem formbaren Gemisch verändert werden. In einigen Fällen kann eine höhere Zugfestigkeit ein wichtiges Merkmal sein. In anderen Fällen kann diese weniger signifikant sein. Einige Folien sollten vorzugsweise flexibler sein, während andere starrer sein sollten. Einige werden relativ dicht sein, während andere dicker, leichter oder stärker isolierend sein werden. Die wichtige Sache ist, ein Material zu erhalten, das Eigenschaften hat, die für den jeweiligen Verwendungszweck angemessen sind, während Kosten und anderen praktische Parameter der Produktionslinie in Betracht gezogen werden sollen. Während es sein kann, dass "zuviel" oder "zuwenig" einer bestimmten Eigenschaft vom Standpunkt der Performance inkonsequent sein kann, kann es vom Standpunkt der Kosten verschwenderisch oder ineffizient sein, die jeweilige Eigenschaft zur Verfügung zu stellen.
Im Allgemeinen ist es so, dass eine Erhöhung der Menge des organischen polymeren Bindemittels die Zugfestigkeit der am Schluss erhaltenen, gehärteten Folien erhöht, während auch die Flexibilität und die Rückstellfähigkeit der Folie erhöht wird und während auch der Modul der Elastizität verringert wird.
Gleichermaßen erhöht eine Erhöhung der Konzentration der Fasern in dem Gemisch im Allgemeinen die Zugfestigkeit, die Flexibilität, die Reißfestigkeit und die Berstfestigkeit der Endfolie. Verschiedene Fasern haben stark variierende Werte der Reiß- und Berstfestigkeit, der Flexibilität, der Zugfestigkeit, der Fähigkeit, ohne Bruch gedehnt zu werden, und der Steifheit. Um vorteilhafte Eigenschaften von verschiedenen Typen von Fasern zu erhalten, kann es in einigen Fällen bevorzugt sein .....
Es sollte auch verstanden werden, dass bestimmte Folien-Bildungsprozesse, wie die Extrudierung und das Verwalzen, dazu neigen, die Fasern in Richtung der Elongation des Gemisches oder der Folie zu orientieren. Dies kann vorteilhaft sein, um die Zugfestigkeit der Folie in einer bestimmten Richtung zu maximieren. Wenn es z.B. erforderlich ist, dass die Folie um ein Scharnier gebogen werden kann, dann wird es bevorzugt, dass die Fasern in einer Art und Weise orientiert sind, dass sie wirksamer die zwei Seiten des Scharniers überbrücken, indem sie senkrecht zu der Faltungslinie orientiert werden, um das Scharnier in der Folie zu verstärken. Dazu kann es auch zweckmäßig sein, mehr der Fasern in dem Bereich des Scharniers zu konzentrieren oder dort, wo die Folie eine gesteigerte Zähigkeit und Festigkeit benötigt.
Der Typ des Aggregats kann gleichfalls die Eigenschaften der fertigen gehärteten Folie beeinflussen. Aggregate, die im Allgemeinen harte, nicht-flexible, kleine Teilchen umfassen, wie Ton, Kaolin oder Talk, führen im Allgemeinen zu glatteren Folien mit erhöhter Sprödigkeit. Aggregate mit geringem Gewicht, wie Perlit oder Hohlglaskügelchen, führen zu Folien mit einer niedrigeren Dichte, einer niedrigeren Sprödigkeit und einem größeren Isolierungsvermögen. Aggregate, wie zerkleinerter Sand, Siliciumdioxid, Gips oder Ton, sind extrem billig, und sie können die Kosten der Herstellung einer Folie daraus stark reduzieren. Jedes beliebige Material mit einer hohen spezifischen Oberfläche liefert eine erhöhte Schrumpfung beim Trocknen und Schrumpfungsdefekte. Materialien mit niedriger spezifischer Oberfläche sind deswegen von Vorteil, weil sie weniger klebrig sind, was gestattet, dass die Folie auch bei niedrigeren Temperaturen der Walzen verarbeitet werden, ohne dass ein Ankleben erfolgt.
Hydraulisch härtbare Aggregate, wie hydraulischer Zement, Gipshemihydrat und Calciumoxid, können einen kleinen bis zu einem signifikanten Grad der Bindung innerhalb der gehärteten Folie in Abhängigkeit von der Menge ergeben, in der solche hydraulisch härtbaren Aggregate zugesetzt werden. Sie können die Steifheit und die Kompressionsfestigkeit der fertigen Folie, und bis zu einem gewissen Grad auch die Zugfestigkeit, erhöhen. Hydraulischer Zement kann auch die Löslichkeit der Folie in Wasser erhöhen, wodurch die Beständigkeit der Folie gegenüber einem Abbau durch Wasser erhöht wird.
Schließlich können andere Mischzusätze zu den formbaren Gemischen dem Endprodukt Wasserbeständigkeitseigenschaften verleihen, was beispielsweise durch die Zugabe von Kolophonium und Alaun zu dem Gemisch erfolgen kann. Diese Materialien gehen miteinander eine Wechselwirkung unter Bildung einer sehr wasserbeständigen Komponente in der stärkegebundenen Matrix ein. In Abwesenheit von signifikanten Mengen von solchen Mitteln zur Erzielung einer Wasserfestigkeit kann das Wasser dazu eingesetzt werden, um die Folie wieder zu befeuchten und die Flexibilität, die Biegefähigkeit und die Dehnung vor dem Bruch der Folie zu erhöhen, und zwar insbesondere dann, wenn die Folie zu einem anderen Erzeugnis, wie beispielsweise einem Behälter, verformt wird. Naturgemäß kann das Wasser auch den Abbau der Folie nach dem Verwerfen erleichtern.
Als allgemeine Regel ist es so, dass stärkegebundene Folien, die niedrigere Konzentrationen von organischen polymeren Bindemitteln und von Fasern haben, starrer sind, eine höhere Isolierungsfähigkeit haben, niedrigere haben ..... (insbesondere dann, wenn sie hydraulischen Zement enthalten, dessen Einschluss auch die Kompressionsfestigkeit des fertigen Produkts erhöhen kann).
Folien, die niedrigere Konzentrationen von organischen Bindemitteln, jedoch einen höheren Fasergehalt haben, haben im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Zähigkeit, und sie haben eine niedrigere Druck- und Biegefestigkeit. Sie sind auch gegenüber einer Zersetzung durch Wasser ziemlich beständig.
Folien, die höhere Konzentrationen von organischem polymeren Bindemittel und niedrigere Konzentrationen von Fasern haben, sind stärker wasserlöslich und zersetzbar. Sie sind leichter zu verformen (was die Herstellung von dünneren Folien gestattet), und sie haben mäßig hohe Kompressions- und Zugfestigkeiten, eine höhere Zähigkeit, eine moderate Flexibilität und eine niedrigere Steifheit.
Schließlich haben Folien, die höhere Konzentrationen von organischem polymeren Bindemittel und von Fasern haben, Eigenschaften, die denjenigen von herkömmlichem Papier äußerst ähnlich sind. Sie haben eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Zähigkeit und eine höhere Beständigkeit gegenüber dem Falten. Sie besitzen eine mäßig hohe Kompressionsfestigkeit, weisen jedoch eine sehr niedrige Beständigkeit gegenüber einem Abbau durch Wasser auf. Sie haben eine niedrigere Beständigkeit gegenüber Hitze (insbesondere, wenn eine Annäherung an den Entzündungspunkt der Fasern oder die Zersetzungstemperatur des Bindemittels erfolgt), und sie haben schließlich eine höhere Flexibilität und eine niedrigere Steifheit.
Die stärkegebundenen Folien, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Zusammensetzungen gebildet worden sind, haben vorzugsweise eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 0,05 MPa bis etwa 100 MPa, und mehr bevorzugt im Bereich von etwa 5 MPa bis etwa 80 MPa. Weiterhin haben die Folien vorzugsweise eine Schüttdichte von kleiner als etwa 2 g/cm³, und mehr bevorzugt eine solche in einem Bereich von etwa 0,4 g/cm³ bis etwa 1,5 g/cm³. Ob eine Folie eine Dichte am unteren oder höheren Ende dieses Bereiches oder dazwischen hat, wird im Allgemeinen von den gewünschten Performancekriterien für einen gegebenen Verwendungszweck abhängig sein. Im Lichte der vorstehenden Ausführungen haben die stärkegebundenen Folien gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Verhältnis von Zugfestigkeit zu Schüttdichte von etwa 2 MPa·cm³ bis etwa 500 MPa·cm³, und mehr bevorzugt im Bereich von etwa 5 MPa·cm³ bis etwa 150 MPa·cm³.
Die richtungsspezifischen Festigkeitseigenschaften der stärkegebundenen Folien gemäß der vorliegenden Erfindung sollten zu denjenigen von Papier in Kontrast gesetzt werden, von dem bekannt ist, dass es eine starke und schwache Richtung bezüglich der Zug- und Reißfestigkeit hat. Die starke Richtung bei herkömmlichem Papier ist die Maschinenrichtung, während die schwache Richtung die Quermaschinenrichtung ist. Während das Verhältnis der Festigkeiten in der starken und der schwachen Richtung bei herkömmlichem Papier etwa 3:1 ist, kann die Folie gemäß der vorliegenden Erfindung so hergestellt werden, dass sie eine gleichförmig verteilte Festigkeit (d.h., ein Verhältnis der Festigkeiten von etwa 1:1) in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Formprozess hat.
Die hierin und in den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "elongieren" bzw. "dehnen" ..... gestreckt ohne Brechen und haben immer noch eine fertiggestellte Oberfläche. Mit anderen Worten, die stärkegebundene Matrix der Folie ist dazu imstande, die Gestalt zu bewegen oder zu verändern, ohne dass ein Bruch erfolgt, durch Anlegen einer Kraft, wie einer ziehenden Kraft oder einer Streckkraft. Die Fähigkeit der strukturellen Matrix der Folie zur Elongierung bzw. Dehnung vor dem Bruch wird durch ein Instron-Zugtestgerät und einen Stressspannungstest gemessen.
Durch Optimierung der Gemischgestaltung ist es möglich, eine Folie herzustellen, die eine strukturelle Matrix hat, die dazu imstande ist, bis zu etwa 30% gedehnt zu werden, wenn sie frisch und feucht ist, bevor ein Reißen oder Brechen erfolgt, und von etwa 0,5% bis 12%, wenn die Folie trocken ist. D.h., die Folie ist dazu imstande, sich innerhalb dieser Bereich auszudehnen, ohne dass ein Bruch bzw. Reißen in zwei Stücke erfolgt. Weiterhin kann die Dehnung einer trockenen Folie dadurch erhöht werden, dass die Folie der Einwirkung von Wasserdampf oder Feuchtigkeit in der Größenordnung von bis zu etwa 20 Gew.-% des Trockengewichts der Folie ausgesetzt wird. Jedoch verringert diese Wiederbefeuchtungsstufe die Festigkeit der Folie nur temporär, bis sie erneut wiederum getrocknet worden ist.
Die in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Ablenkung" bzw. "Biegen" bezüglich der stärkegebundenen Folie bedeutet, dass die Folie eine strukturelle Matrix hat, die dazu imstande ist, gebogen, gefaltet oder gerollt zu werden, ohne dass ein Bruch oder eine Veränderung der fertiggestellten Oberfläche erfolgt. Die Fähigkeit der Folie zu einem Biegen wird dadurch gemessen, dass der Elastizitätsmodul und die Bruchenergie der Folie unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Einrichtungen bzw. Maßnahmen gemessen wird. Wie bei jedem beliebigen Material, hängt die Biegefähigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Folie stark von der Dicke der Folie ab.
Um eine Folie mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, der Biegbarkeit, der Isolierung, der Zähigkeit, des Gewichts oder anderer Performancekriterien zu erhalten, kann die Dicke der Folie dadurch verändert werden, dass der Raum zwischen den Walzen eingestellt wird, wie es nachstehend genauer beschrieben werden wird. In Abhängigkeit von der Dicke und den gewünschten Performancekriterien können die Zusammensetzungen und die relativen Konzentrationen dahingehend eingestellt werden, dass eine Anpassung an eine jeweilige Dicke der Folie erfolgt. Die erfindungsgemäßen Folien können so gestaltet werden, dass sie stark variierende Dicken haben, jedoch haben die meisten Produkte, die ein dünnwandiges Material erfordern, im Allgemeinen eine Dicke von kleiner als etwa 1 cm, vorzugsweise weniger als etwa 5 mm, mehr bevorzugt weniger als etwa 3 mm, und am meisten bevorzugt von weniger als etwa 1 mm. Trotzdem kann bei Anwendungszwecken, wo die Isolierungsfähigkeit oder eine höhere Festigkeit oder Steife wichtiger ist, die Schichtdicke sich bis zu etwa 1 cm bewegen. Naturgemäß können die Zusammensetzungen auch zu Folien mit 10 cm oder mehr verformt werden.
In angelsächsischen Einheiten ausgedrückt, haben die zur Verwendung von gewellten Kästen verwendeten Folien vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,010". Milchkartons haben eine Dicke von etwa 0,020", und Schachteln für Säfte haben eine Dicke von etwa 0,010".
Wenn die Folie dazu verwendet werden soll, Magazine oder andere Lesematerialien zu drucken, dann wird ..... eine Dicke von etwa 0,05 mm. Bedruckbare Folien erfordern eine grö ßere Flexibilität und eine niedrige Steifheit (wie reguläre Seiten eines Magazins oder einer Broschüre), und sie haben typischerweise eine Dicke von etwa 0,025–0,075 mm. Solche Materialien, die eine größere Festigkeit, eine größere Steife und eine niedrigere Flexibilität benötigen (wie Magazin- oder Broschürenumschläge), haben eine Dicke von etwa 0,1–2 mm. Die Dicke und die Flexibilität einer beliebigen jeweiligen Folie hängt von den gewünschten Performancekriterien des Lesers oder des anderen betreffenden gedruckten Materials ab.
Wie im Detail untenstehend genauer beschrieben werden wird, wird das formbare Gemisch gewöhnlich durch eine Reihe von erhitzten Walzen geführt, die eine signifikante Menge von Wasser wegtreiben und die Verformung zu einer Folie unterstützen, wie eine hohe Grünfestigkeit. Trotzdem kann der Fachmann den Wassergehalt so einstellen, dass das formbare Gemisch eine entsprechende Rheologie hat, dass es leicht und wirksam durch die jeweilige Düse extrudiert werden kann und trotzdem eine ausreichende Formstabilität hat, damit die Integrität der Folie aufrecht erhalten wird, wenn sie durch eine Reihe von Walzen während weiterer Prozessstufen geleitet wird.
Die derzeit bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung eines geeigneten formbaren Gemisches in einer technischen Anlage schließt eine Einrichtung ein, in der die in das formbare Gemisch eingearbeiteten Materialien automatisch und kontinuierlich dosiert, gemischt (oder verknetet), entlüftet und durch einen Auger-Extruder extrudiert werden. Es ist auch möglich, einige der Komponenten in einem Gefäß, wie erforderlich, vorzumischen und die vorgemischten Komponenten in die Knetmischvorrichtung einzupumpen.
Ein Doppelwellen-Knetmischer mit Sigma-Rührer mit einem Auger-Extruder für die Extrudierung ist der bevorzugte Typ des Mischers. Der Mischer kann so eingestellt werden, dass er verschiedene Umdrehungswerte hat, und daher unterschiedliche Scherwirkungen für unterschiedliche Komponenten. Typischerweise werden die formbaren Gemische über ein Maximum von etwa 10 Minuten vermischt und danach nach maximal etwa 3 Minuten aus dem Mischer durch Extrudieren herausgenommen.
In bestimmten Fällen kann es erwünscht sein, einige der Komponenten in einem Hochschergemisch zusammenzumischen, um ein besser dispergiertes, homogenes Gemisch zu bilden. So können z.B. bestimmte Fasern ein derartiges Mischen erforderlich machen, um sie völlig zu disagglomerieren oder voneinander wegzubrechen. Das Hochschermischen führt zu einem stärker gleichförmig zusammengemischten Gemisch, was die Konsistenz des nicht-gehärteten, formbaren Gemisches verbessert sowie die Festigkeit der am Schluss erhaltenen, gehärteten Folie steigert. Dies deswegen, weil das Hochschermischen die Fasern, die Aggregatpartikel und das Bindemittel durch das Gemisch hindurch gleichförmiger dispergiert, wodurch eine homogenere strukturelle Matrix in den gehärteten Folien erzeugt wird.
Unterschiedliche Mischer sind dazu imstande, verschiedene Scherwirkungen auf das formbare Gemisch auszuüben. Z.B. verleiht eine Knetvorrichtung eine höhere Scherwirkung im Vergleich zu einem normalen Zementmischer, jedoch ist .....
Es sollte jedoch beachtet werden, dass ein Hochscher-, Hochgeschwindigkeitsmischen bei Materialien nicht angewendet werden soll, die die Tendenz haben, bei solchen Bedingungen zusammenzubrechen oder sich zu desintegrieren. Stärkekörnchen können unter Hochscherbedingungen vorzeitig gelatinieren. Bestimmte Aggregate mit geringem Gewicht, wie Perlit oder Hohlglaskügelchen, haben die Tendenz, unter dem Einfluss von Hochscherbedingungen zu zerspringen oder zu zerbrechen. Dazu kommt noch, dass ein Hochschermischen durch Propeller nur im Allgemeinen dann wirksam ist, wenn das Gemisch eine relativ niedrige Viskosität hat. In solchen Fällen, wo es wünschenswert ist, eine stärker kohäsive, plastikartige Mischung zu erhalten, kann es zweckmäßig sein, einige der Bestandteile, mit Einschluss von Wasser, in einem Hochschermischer zu vermischen und danach die Konzentration der Feststoffe, z.B. der Fasern oder der Aggregate, unter Verwendung eines Knetmischers mit niedrigerer Scherkraft zu erhöhen. Das Hochscherkraftmischen ist insbesondere dann geeignet, wenn es gewünscht wird, kleine, nicht-agglomerierte Lufthohlräume durch Zugabe eines Lufteinschlussmittels zu dem formbaren Gemisch einzuarbeiten.
Hochschermischer, die für die Erzeugung von homogeneren Gemischen, wie hierin beschrieben, geeignet sind, sind in der US-PS Nr. 4 225 247 mit dem Titel "Mixing and Agitating Device"; US-PS Nr. 4 552 463 mit dem Titel „Method and Apparatus for Producing a Colloidal Mixture"; US-PS Nr. 4 889 428 mit dem Titel "Rotary Mill"; US-PS Nr. 4 944 595 mit dem Titel "Apparatus for Producing Cement Building Materials"; und US-PS Nr. 5 061 319 mit dem Titel "Process for Producing Cement Buliding Material", beschrieben. Zu Offenbarungszwecken wird auf die vorstehenden Patentschriften hierin speziell Bezug genommen. Hochschermischer im Rahmen dieser Patente sind von der Firma E. Khashoggi Industries in Santa Barbara, Californien, erhältlich.
B. Formung von Folien aus dem formbaren Gemisch
Wenn einmal das formbare Gemisch in richtiger Weise zusammengemischt worden ist, dann wird es in die Folien-bildende Vorrichtung transportiert, die typischerweise einen Extruder und eine Reihe von Walzen umfasst. In einigen Fällen kann eine Vorrichtung verwendet werden, die dazu imstande ist, das formbare Gemisch sowohl zusammenzumischen als auch zu extrudieren, um den Vorgang geradliniger zu machen und um die Koordination der verschiedenen Komponenten im Inneren des Systems zu minimieren. Nunmehr wird auf 1A Bezug genommen, die ein derzeit bevorzugtes System für die Herstellung von Folien aus einem formbaren Gemisch illustriert. Das System schließt eine Mischvorrichtung 10, einen Auger-Extruder 20, ein Paar Folien-bildender Walzen 40, einen ersten Satz Trocknungswalzen 50, ein Paar Kompaktierungswalzen 60 (optional), einen zweiten Satz Trocknungswalzen 70 (optional), eine Reihe von Finish-Behandlungswalzen 80 (optional) und eine Aufwicklungseinrichtung 90 (optional) ein.
Bei der ersten, derzeit bevorzugten Stufe der Folienbildung wird das formbare Gemisch zu einer Folie verformt, indem das Material durch die Düse eines geeigneten Extruders geleitet wird und dann das extrudierte Material durch mindestens ein Paar Reduktions- oder Formwalzen (1A) geleitet wird ..... wie in 1B bildlich dargestellt ist. In der 2B ist auch ein "wig wag"-Extrusionssystem dargestellt, das eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Beschickung der Formungszusammensetzung zwischen die Folien-bildenden Walzen darstellt.
Die 2A ist eine vergrößerte Ansicht eines Auger-Extruders 20, der eine Beschichtungseinrichtung 22 einschließt, die das formbare Gemisch in eine erste innere Kammer 24 einspeist, die sich in dem Extruder 20 befindet. Innerhalb der inneren Kammer 24 befindet sich eine erste Auger-Schnecke 26, die einen Vorwärtsdruck ausübt und das formbare Gemisch durch die innere Kammer 24 in Richtung auf eine Evakuierungskammer 28 befördert. Typischerweise wird ein negativer Druck oder ein Vakuum an die Evakuierungskammer 28 angelegt, um unerwünschte Lufthohlräume in dem formbaren Gemisch zu entfernen.
Danach wird das formbare Gemisch in eine zweite innere Kammer 30 eingespeist. Eine zweite Auger-Schnecke 32 befördert das Gemisch weiter in Richtung auf einen Düsenkopf 34 mit einem Querschlitz 36 mit einer Düsenbreite 38 und einer Düsendicke 39. Die Querschnittsgestalt des Schlitzes 36 ist so konfiguriert, dass eine Folie mit der gewünschten Breite und Dicke, die im Allgemeinen der Düsenbreite 38 und der Düsendicke 39 entspricht, erzeugt wird.
Alternativ kann, wie in 3 bildlich dargestellt wird, der Extruder einen Kolben-Extruder 20' anstelle eines Auger-Extruders umfassen. Der Kolben-Extruder 20' verwendet einen Kolben 22' anstelle einer Auger-Schnecke, um einen Vorwärtsdruck auf das formbare Gemisch auszuüben und dieses in eine innere Kammer eines Arms 24' hineinzubefördern. Ein Vorteil der Verwendung eines Kolben-Extruders besteht in der Fähigkeit, erheblich größere Drücke auf das formbare Gemisch auszuüben. Trotzdem ist aufgrund der hochplastikartigen Natur der Gemische, die typischerweise erfindungsgemäß verwendet werden, ein solcher im Allgemeinen nicht notwendig oder er kann sogar von Nachteil sein, um Drücke auszuüben, die größer sind als diejenigen, die unter Verwendung eines Auger-Extruders erzielt werden.
Obgleich die bevorzugte Breite und Dicke der Düse von der Breite und der Dicke der jeweils herzustellenden Folie abhängig sind, ist die Dicke der extrudierten Folie gewöhnlich mindestens zweimal, und manchmal sehr viele Male größer als die Dicke der fertigen Folie. Das Ausmaß der Reduktion (und entsprechend die Vervielfachung der Dicke) hängt von den Eigenschaften der fraglichen Folie ab. Da der Reduktionsprozess dazu beiträgt, die Faserorientierung zu kontrollieren, entspricht das Ausmaß der Reduktion oftmals dem Grad der gewünschten Orientierung. Schließlich ist es so, dass, je größer die Reduktion der Dicke ist, desto größer die Dehnung der Folie ist.
Es wird ersichtlich, dass, wenn die Differenz zwischen dem Walzenspalt und der Foliendicke, bevor die Folie zwischen den Reduktionswalzen geführt wird, klein ist, der Faserorientierende Fluss des Materials dazu neigt, an oder nahe an der Oberfläche der Folie lokalisiert zu sein, wobei das Innere dem Faser-orientierenden Fluss nicht unterworfen wird. Dies gestattet die Produktion von Folien, die eine signifikante Orientierung der Fasern in einer Rich tung oder in zwei Richtungen bei oder nahe ..... Folie haben. Jedoch durch Verminderung des Spalts relativ zu der anfänglichen Dicke der Folie ist es möglich, die Orientierung der Fasern im Innern der Folie dadurch zu erhöhen, dass der Faser-orientierende Fluss des Materials im Innern der Folie erhöht wird.
Zusätzlich zu einer Verengung der Düsenschlitze, um flache Folien zu bilden, können auch andere Düsen eingesetzt werden, um andere Gegenstände oder Gestalten zu bilden, wobei das Kriterium das jenige ist, dass die Extrudiergestalt dazu imstande sein muss, danach zu einer Folie verformt zu werden. So kann es in einigen Fällen beispielsweise nicht erwünscht sein, eine extrem breite Folie zu extrudieren. Demgemäß kann ein Rohr oder eine Leitung extrudiert und kontinuierlich geschnitten werden und unter Verwendung einer Rakel entfaltet werden, die gerade außerhalb des Düsenkopfs angeordnet ist.
Die Stärke des Drucks, der angelegt wird, um das formbare Gemisch zu extrudieren, hängt im Allgemeinen von dem Druck ab, der benötigt wird, das Gemisch durch den Düsenkopf zu pressen, sowie von der gewünschten Geschwindigkeit der Extrusion. Es sollte beachtet werden, dass die Geschwindigkeit der Extrusion sorgfältig kontrolliert werden muss, damit die Geschwindigkeit der Folienbildung derjenigen Geschwindigkeit entspricht, mit der die Folie danach durch die Walzen während der Walzstufe geleitet wird. Wenn die Geschwindigkeit der Extrusion zu hoch ist, dann besteht die Tendenz, dass sich überschüssiges Material hinter den Walzen aufstaut, was eventuell die Verstopfung des Systems bewirken kann. Wenn umgekehrt die Geschwindigkeit der Extrusion zu niedrig ist, dann neigen die Walzen dazu, die extrudierte Folie zu strecken, was zu einer gebrochenen oder nicht-gleichmäßigen strukturellen Matrix, oder noch schlimmer, zu einem Bruch oder einem Zerreißen der Folie führen kann. Das Letztgenannte kann auch zu einem vollständigen Ausfall bzw. Stillstand des kontinuierlichen Folien-Bildungsprozesses führen.
Weil es manchmal nicht möglich ist, alle Variablen, die die Geschwindigkeit der Extrusion beeinflussen können, zu kontrollieren, kann es bevorzugt sein, ein integriertes System von Wandlern zu haben, die die Geschwindigkeit der Extrusion messen oder die irgendeinen Aufstau von überschüssigem Material hinter den Walzen erkennen können. Diese Information kann dann in einen Computerprozessor eingespeist werden, der dann Signale zu dem Extruder senden kann, um den Druck und die Geschwindigkeit der Extrusion so einzustellen, dass eine Feinsteuerung des Gesamtsystems erhalten wird. Wie untenstehend beschrieben werden wird, ist ein in richtiger Weise integriertes System auch dazu imstande, genauso gut auch die Walzengeschwindigkeit zu überwachen und einzustellen.
Es sollte beachtet werden, dass der Druck, der auf das formbare Gemisch während des Extrusionsprozesses ausgeübt wird, nicht so groß sein sollte, dass die Aggregate mit geringem Gewicht, aber mit niedriger Festigkeit bei ihrer Verwendung zerschlagen oder zerbrochen werden. Ein Zerschlagen oder ein sonstiges Zerstören der strukturellen Integrität der Aggregate mit geringem Gewicht, die eine große Menge von Hohlräumen enthalten, vermindert ihren isolie renden Effekt, indem die Hohlräume eliminiert werden. Trotzdem ist, weil Perlit, aufgeblättertes Gestein oder andere derartige Materialien relativ billig sind, ein gewisser Grad der Zerschlagung oder Zerbrechung der Aggregatteilchen akzeptabel. Zu hohe Drücke und Scherwirkungen können auch bewirken, dass die Stärkekörnchen vorzeitig gelatinieren.
Die Eigenschaften, die den gehärteten Folien durch die Fasern verliehen werden, können durch ein in einer Richtung oder in zwei Richtungen erfolgendes Orientieren der Fasern in der Folie gesteigert werden. In Abhängigkeit von ..... besteht die Tendenz zu einer in einer Richtung erfolgenden Orientierung der individuellen Fasern in dem formbaren Gemisch entlang der "Y"-Achse oder der Maschinenrichtung der extrudierten Folie. Der Walzprozess, der im Detail untenstehend beschrieben wird, orientiert weiterhin die Fasern in der "Y"-Richtung, wenn die Folie während des Reduktionsprozesses weiter gedehnt wird. Weiterhin können durch Verwendung von Walzen mit variierenden Spaltabständen in der "Z"-Richtung (wie konische Walzen) einige der Fasern auch in der "X"-Richtung, d.h., entlang der Breiten- oder Quermaschinenrichtung der Folie, orientiert werden. Es ist daher möglich, eine Folie durch Extrudierung, gekuppelt mit einem Verwalzen, zu erzeugen, die in zwei Richtungen orientierte Fasern hat.
Zusätzlich zu der Verwendung der traditionellen Extrudierungsverfahren, wie sie oben beschrieben worden sind, kann es in einigen Fällen zu bevorzugen sein, entweder individuelle Massengemische, die zu einem Fülltrichter befördert werden, der unmittelbar oberhalb der zwei horizontal orientierten Extrudierungswalzen angeordnet ist, oder in einfacher Weise das formbare Gemisch zu dem Fördertrichter zu transportieren. Dies eliminiert die Notwendigkeit einer anfänglichen Extrudierung des formbaren Gemisches zu einer Folie vor dem Walzprozess. Eine Fördermethode verwendet einen Auger-Beförderer, der Variationen des Beschickungsdrucks des formbaren Gemisches durch die Walzen gestattet.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Extrudierungsstufe formal nicht die Verwendung eines "Extruders" als Bezeichnung, wie sie im Stand der Technik verwendet wird, einzusetzen braucht. Der Zweck der Extrudierungsstufe ist es, eine kontinuierliche, gut regulierte Zuführung der Formungszusammensetzung zu den Walzen zu ergeben. Dies kann auch durch andere Mechanismen geschehen, die dem Fachmann bekannt sind, um die "Extrudierung" oder den Fluss des Materials durch eine geeignete Öffnung zu beeinflussen. Die Kraft, die benötigt wird, um zu bewirken, dass ein formbares Gemisch fließt, kann z.B. durch die Schwerkraft zugeführt werden.
Es wird auf 1B verwiesen, die eine alternative bevorzugte Ausführungsform illustriert, gemäß der das formbare Gemisch direkt von dem Mischer 10 zu einem Paar von Extrudierungs-Reduktionswalzen 40 befördert wird, die das amorphe formbare Gemisch direkt zu einer Folie, ohne die Verwendung einer Extruderdüse, umwandeln. Wie in dem in 1A gezeigten System, wird die durch die Formwalzen 40 gebildete Folie durch einen ersten Satz Trocknungswalzen 50, ein Paar Kompaktierungswalzen 60 (optional), einen zweiten Satz Trocknungswalzen 70 (optional), eine Reihe von Fertigstellungswalzen 80 (optional) geführt und wird dann auf eine Spule 90 (optional) aufgewickelt. Die Formwalzen 40 werden auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend ist, um eine anfängliche Filmbildung durch den Celluloseether zu bewirken, gefolgt von einer Gelatinierung der Stärkekörnchen. Sie können auch einen Teil des Wassers durch Verdampfen entfernen. Es werden keine signifikanten Mengen von Wasser in einem flüssigen Zustand entfernt, wenn die bevorzugten Folienbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Es wird nunmehr auf 1A Bezug genommen, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Folien-Formprozesses zeigt. Es wird eine Reihe von erhitzten Folien-Bildungswalzen verwendet ..... ist in 4 bildlich dargestellt. Die Reduktionswalzen 40 schließen zwei individuelle Walzen 42 ein, die angrenzend aneinander mit einem vorbestimmten Spaltabstand (oder Walzenspalt) 44 dazwischen positioniert sind. Der Spaltabstand 44 zwischen den individuellen Walzen 42 entspricht der gewünschte Dicke 44' einer reduzierten Folie 46, die zwischen den Walzen 42 läuft.
In dem Maß, wie die Dicke der Folie beim Durchleiten durch ein Paar Walzen verringert wird, dehnt sie sich in der Vorwärtsbewegungs- (oder "Y"-)-Richtung, die ansonsten als "Maschinenrichtung" bekannt ist, aus. Eine Konsequenz der Ausdehnung der Folie besteht darin, dass die Fasern weiterhin mindestens teilweise in Maschinenrichtung orientiert oder aufgereiht werden. Auf diese Art und Weise kann der Reduktionsprozess in Kombination mit dem anfänglichen Extrudierungsprozess eine Folie erzeugen, die im Wesentlichen in einer Richtung orientierte Fasern in der Maschinenrichtung hat. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Reduktionswalzen eine bessere Randomisierung der Fasern durch die Folie hindurch erzeugt.
Ein weiterer Weg zur Aufrechterhaltung der Randomorientierung der Fasern innerhalb der Folie besteht darin, die Differenzial-Bildungsgeschwindigkeit der Walzen zu verringern. D.h., wenn das formbare Gemisch zwischen den Extrudierungswalzen unter niedrigen Drücken geleitet wird, werden eine plötzliche Erhöhung der Geschwindigkeit in Maschinenrichtung und eine begleitende Scherwirkung, wenn das Gemisch zwischen den Rollen läuft, dazu neigen, die Fasern in der Maschinenrichtung zu orientieren. Jedoch ist es durch Erhöhung des Drucks des Gemisches, wie es zwischen den Walzen durchläuft, möglich, die Intensität der Scherwirkung in Maschinenrichtung zu verringern, wodurch eine Folie mit stärker randomisierter Orientierung der Fasern resultiert.
Eine weitere Konsequenz der Dehnung der Folie besteht darin, dass die Folie sich "beschleunigt", wenn sie zwischen dem Paar der Reduktionswalzen durchläuft. Es wird erneut auf die 4 verwiesen, um zu illustrieren, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit v₁ der Walzen der Geschwindigkeit v₁ der reduzierten, gedehnten Folie, wie sie aus den Walzen austritt, entspricht, und nicht der Geschwindigkeit v₀ der Folie, wenn sie in den Spalt zwischen den Walzen eintritt. Beispielsweise, wenn die Dicke der Folie um 50% reduziert worden ist und unter der Annahme, dass keine Verbreiterung der Folie während des Reduktionsprozesses erfolgt, wird sich die Folie auf ihre zweifache ursprüngliche Länge ausdehnen. Dies entspricht einer Verdopplung der Geschwindigkeit der Folie, bevor sie in die Walzen eintritt, im Vergleich zu derjenigen, wenn die Folie aus den Walzen austritt. D.h., wenn die Dicke der Folie um 50% verringert wird, dann gilt die Beziehung v₁ = 2 × v₀.
Die Folie "beschleunigt sich", während sie zwischen einem Paar von Walzen durchläuft, indem sie durch die rotierenden Walzen zusammengequetscht oder zu einer dünneren Folie verpresst wird. Dieser Prozess des Quetschens oder Pressens der Folie sowie die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der eintretenden Folie und den Walzen kann variierende Scherkräfte auf die Folie erzeugen. Die Anwendung von zu hohen Scherkräften kann die Integrität der strukturellen Matrix der Folie zerstören und Fehlstellen innerhalb der Folie erzeugen, wodurch die Folie geschwächt wird. Trotzdem ist gewesen ..... Kunststoff kann es möglich sein, die extrudierte Folie zu der Enddicke in gerade einer Stufe unter Verwendung eines Paars Walzen mit relativ großem Durchmesser zu reduzieren.
Der Durchmesser jeder der Walzen sollte in Abhängigkeit von den Eigenschaften der formbaren Gemische und des Ausmaßes der Dickereduktion der stärkegebundenen Folien optimiert werden. Wenn der Durchmesser der Walzen optimiert wird, dann sollten zwei miteinander in Konkurrenz stehende Interessen in Betracht gezogen werden. Das erste betrifft die Tatsache, dass Walzen mit kleinerem Durchmesser dazu neigen, eine größere Scherkraft auf die Folie auszuüben, wenn sie zwischen den Walzen durchläuft. Dies deswegen, weil der nach unten gerichtete Winkel der Kompression auf die Folie ein Mittelwert ist, der größer ist als bei Verwendung einer Walze mit größerem Durchmesser.
Jedoch hat die Verwendung von Walzen mit einem größeren Durchmesser den Nachteil, dass die Formungszusammensetzung mit der Walze über eine größere Zeitspanne in Kontakt kommt, wodurch eine erhöhte Trocknung der Folie während des Folien-Bildungsprozesses, und insbesondere dann, wenn die Temperatur der Walzen erhöht wird, resultiert. Obgleich ein gewisses Trocknen von Vorteil ist, könnte ein zu rasch erfolgendes Trocknen der Folie während des Walzprozesses zu der Einführung von Bruchstellen und anderen Fehlstellen in der strukturellen Matrix führen.
Die Optimierung der Durchmesser der Walzen, um das größte Ausmaß der Reduktion der Dicke der Folien zu erreichen, während zur gleichen Zeit ein Übertrocknen der geformten Folie verhindert wird, wird bevorzugt, um die Anzahl der Reduktionsstufen bei dem Herstellungsprozess zu verringern. Neben der Verringerung der Anzahl der Arbeitsteile eliminiert eine Verringerung der Anzahl der Reduktionsstufen auch die Anzahl der Walzen, deren Geschwindigkeit sorgfältig synchronisiert werden muss, um einen Aufstau der Folien hinter den Walzen (im Falle, dass die Walzen zu langsam rotieren) oder ein Reißen der Folie (im Falle von Walzen, die zu schnell rotieren) zu verhindern.
Es ist zu bevorzugen, die Oberflächen der Walzen zu behandeln, um ein Ankleben oder ein Anhaften von stärkegebundener Folie an den Walzen zu verhindern. Ein Verfahren umfasst in einfacher Weise ein Erhitzen der Walzen, was bewirkt, dass etwas Wasser in dem formbaren Gemisch verdampft, wodurch eine Wasserdampfschranke zwischen der Folie und den Walzen erzeugt wird. Die Abdampfung von etwas Wasser verringert auch die Menge von Wasser in dem formbaren Gemisch, wodurch die Grünfestigkeit der Folie erhöht wird. Die Temperatur der Walzen darf jedoch nicht so hoch sein, dass die Oberfläche der Folie zu einem Punkt getrocknet oder erhärtet wird, bei dem Restspannungen, Brüche, Verflockungen oder andere Deformationen oder Unregelmäßigkeiten in der Folie erzeugt würden.
Im Allgemeinen hat die Walze, die zur anfänglichen Formung der Folie verwendet wird, vorzugsweise eine Temperatur, die ähnlich der thermischen Ausfällungstemperatur des Celluloseethers ist. Im Falle von Methocel ist es zu bevorzugen, eine Walze zur Bildung der Folie mit einer Temperatur von etwa 70°C zu verwenden; bei Verwendung von Tylose FL 15002 hat die Walze zur Bildung der Folie vorzugsweise eine Temperatur von etwa 85°C. Die Temperatur der Folien-bildenden Walze kann höher sein als die ..... Gelierungstemperatur der Stärkekörnchen in der Zusammensetzung, um die Anhaftung der Grünfolie an den Walzen zu verringern. Nach der Bildung der Haut aus dem Celluloseether auf der Oberfläche der Grünfolie wird die Folie vorzugsweise zwischen ein oder mehreren Walzen laufen gelassen, die auf die Gelierungstemperatur der Stärke oder darüber erhitzt worden sind. In Abhängigkeit von der Gelierungstemperatur der Stärke und der Temperatur der späteren Walzen wird es bewirkt, dass mehr oder weniger Stärke an irgendeinem Punkt während des Folien-Bildungsprozesses geliert wird. Dies ist besonders dann möglich, wenn zwei oder mehr unterschiedliche Stärken mit unterschiedlichen Temperaturen bei der Gelierung eingesetzt werden. Der Fachmann ist dazu imstande, die Temperatur der Walzen so einzustellen, dass der Folien-bildende Prozess in Abhängigkeit von dem Typ bzw. den Typen des Celluloseethers und der Stärke, welche in der Formungszusammensetzung verwendet worden sind, optimiert wird.
Im Allgemeinen wird die Klebrigkeit des formbaren Gemisches in dem Maße erhöht, wie die Menge von Wasser in dem Gemisch gesteigert wird. Daher sollten die Walzen allgemein auf eine höhere Temperatur in Fällen erhitzt werden, dass das Gemisch mehr Wasser enthält, um ein Ankleben zu verhindern. Dies ist deswegen von Vorteil, weil bei Folien, die einen höheren Wassergehalt aufweisen, im Allgemeinen mehr Wasser entfernt werden muss, um eine angemessene Grünfestigkeit zu erhalten. Weiterhin gestattet eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Walze eine entsprechende Erhöhung der Temperatur der Walzen oder kann sie sogar notwendig machen, um eine Anklebung der Folie an den Walzen zu verhindern. Ein anderer Weg zur Verringerung des Ausmaßes der Verklebung zwischen den Walzen und der stärkegebundenen Folie besteht darin, die Oberflächen der Walzen zu behandeln, um sie gegenüber einer Anklebung weniger anfällig zu machen. Walzen werden typischerweise aus poliertem Edelstahl hergestellt und mit einem nicht-klebenden Material, wie poliertem Chrom, Nickel oder Teflon^®, beschichtet.
Schließlich sollte beachtet werden, dass aufgrund der plastischen Natur und des relativ hohen Grades der Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches der Walzprozess gewöhnlich nicht zu einer großen Komprimierung der Folie führt. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Dichte der Folie bleibt durch den Walzprozess hindurch im Wesentlichen konstant, obgleich eine gewisse Kompaktierung erwartet werden würde, und zwar insbesondere dann, wenn die Folie während des Durchlaufs zwischen den Reduktionswalzen signifikant getrocknet worden ist. Wenn eine Kompaktierung gewünscht wird, dann kann die Folie zwischen einem Paar Kompaktierungswalzen 60 (1A) durchgeführt werden, gefolgt von einer Trocknungsstufe, wie untenstehend näher beschrieben.
Es ist somit gefunden worden, dass wichtige Parameter bei dem Walzprozess den Durchmesser, die Geschwindigkeit und die Temperatur der Walzen einschließen, sowie die "Schlitzhöhe" (oder Spaltabstand). Eine Erhöhung des Durchmessers der Walzen sowie der Schlitzhöhe tendieren jeweils dahingehend, die Scherrate zu verringern, die von den Walzen, dem formbaren Gemisch und der Folie während des Folien-Bildungsprozesses verliehen wird, wobei eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Walzen die Scherrate erhöht.
C. Der Trocknungsprozess
Obgleich die Folien-bildenden Walzen teilweise und sogar im Wesentlichen die Folien trocknen können, kann es doch zu bevorzugen sein, die Folie weiter zu trocknen, um eine Folie mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Zugfestigkeit und der Zähigkeit zu erhalten. Obgleich die Folie im Verlauf der Zeit auf natürlichem Wege trocknet, kann es nicht möglich sein zu warten, bis die Folie auf natürlichem Weg an der Luft getrocknet ist. Ein beschleunigtes Trocknen kann durch eine Anzahl von Wegen erzielt werden, wobei ein jeder das Erhitzen der Folie beinhaltet, um überschüssiges Wasser abzutreiben.
Im Gegensatz zu den Reduktionswalzen, die im Allgemeinen paarweise ausgerichtet sind, sind die Trocknungswalzen individuell ausgerichtet, so dass die Folie über einen großen Bereich jeder Oberfläche der Walzen individuell der Reihe nach läuft (vergleiche Trocknungswalzen 50 in 1A und 1B). Auf diese Weise werden die zwei Seiten der Folie abwechselnd in Stufen getrocknet. Während die Folie zwischen den Reduktionswalzen während der Stufe der Verwalzung in einem im Allgemeinen linearen Weg läuft, folgt die Folie einem im Allgemeinen sinusförmigen Weg, wenn sie aufgewickelt wird und durch die Trocknungswalzen während der Trocknungsstufe läuft. Bevorzugte Trocknungswalzen schließen Walzen mit großem Durchmesser, die auf diesem Gebiet auch als "Yankee"-Walzen bezeichnet werden, ein, obgleich alternativ auch eine Reihe von kleineren Walzen eingesetzt werden kann.
Die Temperatur der Trocknungswalzen hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, mit Einschluss des Feuchtigkeitsgehalts der Folie, wenn sie über eine bestimmte Walze läuft. In jedem Fall sollte die Temperatur der Trocknungswalzen niedriger als etwa 300°C sein. Obgleich das formbare Gemisch nicht auf eine Temperatur oberhalb von 250°C erhitzt werden sollte, um eine Zerstörung der organischen Bestandteile (wie der organischen Bindemittel oder der Cellulosefasern) zu verhindern, können auch Walzen eingesetzt werden, die auf eine Temperatur oberhalb dieser Temperatur erhitzt worden sind, solange wie eine angemessene Wassermenge sich in dem Gemisch befindet, um das Material abzukühlen, wenn das Wasser verdampft. Trotzdem kann es erforderlich sein, wenn die Menge des Wassers sich während des Trocknungsprozesses verringert, die Temperatur der Walzen zu verringern, um ein Überhitzen des Folienmaterials zu verhindern.
In manchen Fällen kann es zu bevorzugen sein, einen Trocknungstunnel, -ofen oder eine -kammer in Verbindung mit den Trocknungswalzen einzusetzen. Um den vollen Effekt eines Hitzekonvektionstrocknens zu erhalten, ist es oftmals zu bevorzugen, die erhitzte Schicht zirkulieren zu lassen, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Die Temperatur im Innern des Trocknungstunnels sowie die Verweilzeit der Folie in dem Tunnel bestimmt das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Verdampfung des Wassers in dem Folienmaterial. Die Temperatur des Trocknungstunnels sollte gewöhnlich nicht über 250°C hinausgehen, um eine Zerstörung der Cellulosefasern und des organischen Bindemittels zu verhindern. Der Trocknungstunnel wird vorzugsweise auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 250°C aufgeheizt.
In einigen Fällen ist der oben beschriebene Trocknungsprozess die Endstufe, bevor die ..... Spule (1A und 1B) oder als Folien bis zum Bedarf aufgestapelt werden (8). In anderen Fällen, insbesondere wenn eine Folie mit einem glatteren Papier stärker ähnlichen Finish gewünscht wird, kann die Trocknungsstufe von einer oder mehreren zusätzlichen Stufen gefolgt werden, die nachstehend genauer beschrieben werden, mit Einschluss einer Kompaktierungsstufe und/oder einer Finish-Stufe bzw. Endverarbeitungsstufe.
E. Fakultative Finish-Prozesse bzw. Endbearbeitungsprozesse
In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, die stärkegebundene Folie zu kompaktieren, um die Enddicke, die Endtoleranz und einen Oberflächen-Finish zu erzielen. Weiterhin kann der Kompaktierungsprozess dazu eingesetzt werden, um unerwünschte Hohlräume im Innern der Strukturmatrix zu entfernen. Wie in 5 gezeigt wird, kann die Folie gegebenenfalls zwischen einem Paar Kompaktierungswalzen 60 geführt werden, nachdem sie während des Trocknungsprozesses durch die ersten Trocknungswalzen (1A und 1B) im Wesentlichen getrocknet worden sind. Der Kompaktierungsprozess ergibt im Allgemeinen eine Folie mit höherer Dichte und Festigkeit und mit weniger Defekten der Oberfläche sowie mit einer verringerten Dicke. Er fixiert auch die kompaktierten Teilchen innerhalb der Oberfläche der Folie und richtet sie aus. Das Ausmaß der Kompressionskraft der Kompaktierungswalzen sollte so eingestellt werden, dass es den jeweiligen Eigenschaften der Folie entspricht.
Die Kompaktierungsstufe verbessert die Festigkeit der am Schluss erhaltenen, gehärteten Folie, indem eine dichtere und gleichförmigere strukturelle Matrix erzeugt wird, wobei die Folie mit einem glatteren Finish zurückbleibt. Die Kompaktierungsstufe wird im Allgemeinen im Falle von dünneren Folien, bei denen die Festigkeit pro Einheit der Dicke maximiert werden sollte und bei denen die Isolierungsfähigkeiten von geringerer Bedeutung sind, bevorzugt. Die Kompaktierung ist im Allgemeinen nicht für dickere Folien erforderlich, die dazu vorgesehen sind, hohe Isolierungs- und/oder niedrige Dichtecharakteristiken zu haben. Tatsächlich kann es unerwünscht sein, Folien mit schwächeren Aggregaten, wie Hohlglaskügelchen, zu kompaktieren, da diese beim Zerstoßen ihre Isolierungsfähigkeit verlieren würden.
Der Kompaktierungsprozess wird vorzugsweise durchgeführt, ohne dass eine signifikante Dehnung der Folie bewirkt wird und ohne dass in negativer Weise die strukturelle Matrix zerstört oder geschwächt wird. Um eine Kompaktierung ohne Dehnung der Folie und ohne Schwächung der strukturellen Matrix zu erzielen, ist es von Wichtigkeit, den Trocknungsprozess so zu kontrollieren, dass die Folie eine geeignete Menge von Wasser enthält, um eine leicht formbare Rheologie der Folie aufrecht zu erhalten. Durch Kontrolle des Wassergehalts und des Walzenspaltes ist es möglich zu gewährleisten, dass die Kompaktierungswalzen in erster Linie die Folie komprimieren und ihre Dichte erhöhen, ohne dass die Folie in signifikanter Weise gedehnt wird. Wenn die Folie zuviel Wasser enthält, dann dehnen die Kompaktierungswalzen die Folie in ähnlicher Weise wie entweder bei den Formungs- oder Reduktionswalzen. Tatsächlich sind die Kompaktierungswalzen im Wesentlichen die gleichen wie die Formungs- oder Reduktionswalzen, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass die Kompaktierung unähnlich der Dehnung erfolgt, wenn die Folie trocken genug ist und die Reduktion der Dicke der Folie geringer ist als die gesamte zurückbleibende Porosität ..... Porosität von 25%, dann sollte der Spalt der Kompaktierungswalze mindestens 75% der Dicke der vorkompaktierten Folie entsprechen).
Da der Kompaktierungsprozess (der ein oder mehrere Kompaktierungsstufen einschließt) gewöhnlich eine geringfügig feuchte Folie beinhaltet, ist es oftmals zu bevorzugen, die Folie nach der Kompaktierungsstufe in ähnlicher Weise wie bei dem oben beschriebenen Trocknungsprozess unter Verwendung von fakultativen Trocknungswalzen 70 weiter zu trocknen. Diese optionale Trocknungsstufe kann unter Verwendung von Trocknungswalzen, eines Trocknungstunnels oder einer Kombination der zwei Vorrichtungen durchgeführt werden. Trotzdem kann in manchen Fällen die Folie ohne eine zweite Trocknungsstufe weiter bearbeitet werden, z.B. dann, wenn die Folie sofort dazu verwendet wird, um einen Behälter oder einen anderen Gegenstand zu bilden, wenn sie eingekerbt wird oder wenn es ansonsten von Vorteil ist, eine leicht feuchte Folie zu haben.
Es kann auch zu bevorzugen sein, die Oberfläche der stärkegebundenen Folie weiter zu verändern, indem die Folie zwischen einem oder mehreren Paaren Finishing- bzw. Fertigstellungs- (oder "Kalandrierungs"-)-Walzen 80, wie in 6 gezeigt, geführt wird. Beispielsweise zur Erzeugung einer Folie mit einer sehr glatten Oberfläche auf einer Seite oder auf beiden Seiten kann die Folie zwischen mindestens zwei Paaren von harten und weichen Walzen 82, 84 hindurchgeführt werden. Die Bezeichnung "harte Walze" bezeichnet die Walze 82 mit einer sehr stark polierten Oberfläche, die die Seite der Folie in Kontakt mit der harten Walze sehr glatt lässt. Die Bezeichnung "weiche Walze" bezieht sich auf eine Walze 84 mit einer Oberfläche, die dazu imstande ist, genügend Reibung zwischen der weichen Walze und der Folie zu erzeugen, dass die Folie durch das Paar aus der harten und der weichen Walze hindurchgezogen wird. Dies ist deswegen erforderlich, weil die harte Walze 82 gewöhnlich zu glitschig ist, um die trockene Folie durch ein Paar von harten Walzen hindurchzuführen. Ein signifikantes Gleiten der harten Walze 82 ist von Vorteil, um die Teilchen innerhalb der Oberfläche der Folie auszurichten. Die Verwendung einer schnell angetriebenen, stark polierten, harten Walze zu einer "Superkalandrierung" der Folie führt zu einer Folie, die einen sehr glatten Oberflächen-Finish hat. Der Finishing-Prozess kann gegebenenfalls durch ein Aufsprühen von Wasser auf die Oberfläche der Folie und/oder durch Beschichten der Oberfläche mit Ton, Calciumcarbonat oder anderen geeigneten Beschichtungsmaterialien, die dem Fachmann bekannt sind, erleichtert werden.
Gemäß weiterer Ausführungsformen können die Finishing-Walzen bzw. Endbearbeitungswalzen eine gewünschte Textur, beispielsweise eine maschenartige, gescheckte oder waffelartige Oberfläche, verleihen. Alternativ oder in Verbindung mit irgendwelchen anderen Finishing- bzw. Endverarbeitungsprozessen können die Folien mittels Walzen, die Wellen erzeugen, gewellt werden, wie in 7 gezeigt wird. Gewünschtenfalls können Walzen dazu verwendet werden, um die Oberfläche der Folie mit einem Logo oder einem anderen Muster zu bedrucken. Spezielle Walzen, die dazu imstande sind, Wassermarken zu verleihen, können entweder allein oder in Verbindung mit beliebigen dieser anderen Walzen eingesetzt werden. Die Extrudierungswalzen, die Reduktionswalzen oder die Kompaktierungswalzen können Einrichtungen für die Produktion einer Wassermarke durch Produktion entweder eines erhöhten oder eines vertieften Bereichs in der Folie, die hindurchläuft, zu erzeugen.
III. OPTIONALE BEARBEITUNG VON TROCKENEN STÄRKE-GEBUNDENEN FOLIEN
stärkegebundene Folien, die gemäß den oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, können sein ..... Folien, die ihrerseits von dem für die Folien vorgesehenen Endzweck abhängig sind. Diese optionalen Prozesse können eine Laminierung, eine Wellung, die Aufbringung von Beschichtungen, das Aufdrücken von Indices bzw. Freimachungsvermerken, die Einkerbung, die Perforation, die Erzielung eines Kreppeffekts, die Erzeugung eines Pergamenteffekts oder eine Kombination dieser Maßnahmen umfassen.
A. Laminierungsprozesse
Eine Vielzahl von Eigenschaften kann der stärkegebundenen Folie durch Laminierung verliehen werden. Für die Zwecke dieser Beschreibung und der angefügten Ansprüche sollen die Bezeichnungen "laminierte Folie" oder "Laminat" (wenn sie als Substantiv verwendet werden sollen) eine Folie bezeichnen, die mindestens zwei Schichten hat, wobei mindestens eine der Schichten die stärkegebundene Folie ist. Die Bezeichnungen "laminierendes Material" oder "Lamina" soll jede Bestandteilsschicht der laminierten Folie, mit Einschluss sowohl der stärke gebundenen Folie als auch derjenigen aus dem anderen Laminierungsmaterial, bezeichnen. Laminate mit irgendeiner Kombination von Schichten liegen im Rahmen dieser Erfindung, bis zu dem Ausmaß, dass mindestens eine Schicht des Laminats eine stärkegebundene Folie ist. Das Laminat kann dadurch gebildet werden, dass mindestens zwei Schichten miteinander verbunden oder auf sonstige Art und Weise miteinander vereinigt werden. Die Dicke des Laminats kann in Abhängigkeit von der Natur der vorgesehenen Eigenschaften des Laminats variieren.
Das laminierende Material, das mit der stärkegebundenen Folie verbunden, daran angeheftet oder auf sonstige Art und Weise verbunden wird, kann eine weitere stärkegebundene Folie, ein Material, das der stärkegebundenen Folie eine gewünschte Eigenschaft verleiht, wenn die zwei Materialien miteinander laminiert werden, ein Material, das untenstehend als Beschichtungsmittel oder als Klebstoff beschrieben wird, oder jede beliebige Kombination davon, einschließen. Beispiele für Materialien, die die Eigenschaften der stärkegebundenen Folien verstärken oder verändern, schließen Folien aus organischen polymeren Materialien, Metallfolien, Ionomerfolien, elastomere Folien, Kunststofffolien, faserartige Folien oder Matten, Papierfolien bzw. Blätter, Zellophanfolien, Nylonfolien, Wachsfolien, hydraulisch härtbare Folien, Folien, die in hohem Ausmaß anorganisch gefüllt sind, und Folien aus metallisierten Filmen ein.
Laminate im Rahmen dieser Erfindung können dadurch gebildet werden, dass eine stärkegebundene Folie und eine weitere Schicht oder weitere Schichten mit oder ohne Klebstoff miteinander verbunden werden. Die Bindung zwischen der stärkegebundenen Folie und der anderen Schicht (oder zwischen den anderen Schichten des Laminats) kann im Bereich eines geringfügigen Klebens bis zu einer Bindung, die die Festigkeit der verbundenen Folien oder Materialien überschreitet, liegen.
Stärkegebundene Folien können ohne Verwendung von Klebstoffen mit einer anderen Schicht verbunden werden, solange wie die Folie genügend "grün" ist, um eine wirksame Bindung zwischen den individuellen Laminat-Komponenten zu bewirken. Leicht feuchte Stärke kann als Klebstoff wirken. Schichten eines Laminats, das wasserlösliche Materialien umfasst, können an eine leicht feuchte oder wiederbefeuchtete stärkegebundene Folie angeklebt werden.
Bindungen können mit den Klebstoffen auf dem Wege über viele unterschiedliche Verfahren gebildet werden, mit Einschluss einer Nass-Bindungslaminierung, einer Trocken-Bindungslaminierung, einer thermischen Laminierung und einer Drucklaminierung. Geeignete Klebstoffe umfassen Klebstoffe auf Wasser-Basis (sowohl natürliche als auch synthetische), Heißschmelz .....
Die Nass-Bindungslaminierung einer stärkegebundenen Folie und einer anderen Schicht beinhaltet die Verwendung eines beliebigen flüssigen Klebstoffs, um die zwei Schichten miteinander zu verbinden. Geeignete natürliche Klebstoffe auf Wasser-Basis für die Nass-Bindungslaminierung schließen Klebstoffe auf Pflanzenstärke-Basis, Klebstoffe auf Protein-Basis, tierische Leime, Casein und natürliche Kautschuklatices ein. Geeignete synthetische Klebstoffe auf Wasser-Basis schließen im Allgemeinen Harzemulsionen, wie stabile Suspensi onen von Polyvinylacetat-Partikeln in Wasser, ein. Klebstoffe auf Wasser-Basis haben niedrige Eigenschaften hinsichtlich des Geruchs, des Geschmacks, der Farbe und der Toxizität, und sie haben einen breiten Bereich der Adhäsion. Sie weisen auch ausgezeichnete Alterungseigenschaften auf.
Thermoplastische Polymere sind geeignete Heißschmelzkleber, die im geschmolzenen Zustand aufgebracht werden können und die beim Abkühlen zu einer Form aushärten. Heißschmelzkleber härten im Allgemeinen schneller als andere Klebstoffe. Geeignete Klebstoffe auf Lösungsmittel-Basis schließen Polyurethanklebstoffe, Ethylen-Vinylacetat-Systeme auf Lösungsmittel-Basis und andere Kautschukharze, die druckempfindlich sind, ein. Die Stärke im Innern der stärkegebundenen Folien kann auch als thermoplastisches Material wirken. Ein Erhitzen der stärkegebundenen Folien auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Stärke gestattet das Aufschmelzen und die Reformierung der Folien. Das Abkühlen bewirkt eine Verfestigung der Folie oder des Gegenstands in neuer Konformation. Die geschmolzene und abgekühlte Stärke kann auch als Klebstoff verwendet werden, der eine Adhäsion und ein Versiegeln der Folien gestattet, wenn sie zu einem gewünschten Gegenstand, beispielsweise durch Aufwickelung auf eine Spirale zur Bildung eines Rohrs oder einer Dose, verformt worden sind.
Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, ein Laminat durch Folienstempeln zu erzeugen. Das Folienstempeln beinhaltet die Anwendung von Hitze und Druck, um einen dünnen metallischen oder pigmentierten Überzug von einem Trägerfilm auf die stärkegebundene Folie oder eine Containeroberfläche zu übertragen, um gemusterte dekorative Effekte zu erhalten. Diese Technik kann in Kombination mit einer Prägetechnik eingesetzt werden, um ein Laminat mit einer reflektierenden, glänzenden und erhobenen Oberfläche zu bilden.
B. Wellungsprozesse
Es kann erwünscht sein, eine getrocknete, stärkegebundene Folie in ähnlicher Weise wie Wellpappe wellenförmig zu machen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Folie vorzugsweise im halbfeuchten Zustand zwischen einem Paar von gewellten Walzen 86, wie in 7 gezeigt, geführt wird. Der Feuchtigkeitsgehalt der Folie sollte so kontrolliert werden, dass der Wellungsprozess die stärkegebundene Matrix nicht beschädigt. Wenn die Folie zu trocken ist, dann kann der Wellungsprozess die Matrix beschädigen, und in manchen Fällen kann sogar ein Reißen oder Zersplittern der Folie erfolgen. Wenn umgekehrt die Folie zu feucht ist, dann kann die notwendige Grünfestigkeit, um die gewellte Gestalt beizubehalten, der Folie fehlen. Vorzugsweise ist die Menge von Wasser in der stärkegebundenen Folie, die in Wellenform gebracht werden soll, etwa 1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, mehr bevorzugt etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, und am meisten bevorzugt etwa 7 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%.
Die gewellte Folie kann als einzige Folie verwendet werden oder sie kann kombiniert werden mit ..... einer einzigen flachen stärkegebundenen Folie oder einer Folie, gebildet aus anderen Materialien, wodurch eine einseitig gewellte Folie erhalten wird. Die Sandwich-artige Anordnung einer gewellten Folie zwischen zwei flachen Folien führt zu einer "Doppelseiten"-Folie. Gewellte Folien mit mehreren Wänden können dadurch erzeugt werden, dass flache und gewellte Schichten sich abwechseln lassen. Einseitige, doppelseitige und gewellte Folien mit mehreren Wänden sind durch eine relativ niedrige Dichte und eine relativ hohe Steife und Kompressionsfestigkeit charakterisiert. Sie können dazu verwendet werden, wenn Gegenstände, wie Behälter und Verpackungsmaterialien, solche Eigenschaften erfordern.
Die Festigkeit und die Flexibilität einer einzigen gewellten Folie können dadurch verändert werden, dass die Anzahl der Wellungen oder der Rillen pro linearem Foot variiert werden. Die Rillen pro linearem Foot können erhöht werden, um flexiblere Folien zu erzeugen, oder die Rillen können vermindert werden, um eine starke Folie mit einem hohen Grad einer Dämpfungsfähigkeit zu erhalten. Gewellte Folien mit Mehrfachwänden können auch mit zwei oder mehreren gewellten Folien, die unterschiedliche Mengen von Rillen pro linearem Foot haben, erzeugt werden. Wie im Falle der Einkerbung, des Kerbschneidens und des Perforierens (welche untenstehend genauer beschrieben werden), erzeugen die individuellen Rillen der gewellten Folien Stellen, wo die Folie natürlich leichter gebogen oder gefaltet werden kann. Jedoch ist die Folie tatsächlich erheblich steifer und stärker in einer Richtung, die zu der Reihe der Rillen senkrecht ist. Daher sollte ein Gegenstand, wie ein Behälter oder ein anderes Verpackungsmaterial, so konstruiert werden, dass die gewellte Folie eine maximale Flexibilität, wenn benötigt, und eine maximale Steifheit, wenn benötigt, beispielsweise dann, wenn die Gegenstände aufeinandergestapelt werden sollen, erhält.
Beschichtungsmittel können ebenfalls als Teil des Wellungsprozesses aufgetragen werden. Bestimmte Beschichtungsmaterialien, insbesondere Wachse oder Polyethylen, können mit Heißwalzen-Beschichtungseinrichtungen auf der Einrichtung zur Erzeugung von Wellen aufgebracht werden. Beschichtungsmittel können auch durch Vorhangbeschichten des gewellten Rohprodukts, bevor es zu einem Gegenstand umgewandelt wird, aufgebracht werden. Andere geeignete Beschichtungsprozesse für gewellte Folien schließen das Eintauchen der vervollständigten Gegenstände in Beschichtungsmittel, wie Wachse, oder eine Kaskaden-förmige Aufbringung von solchen Beschichtungsmitteln auf und um die Rillen des gewählten Gegenstands ein.
C. Beschichtungsmittel und Beschichtungsprozesse
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, Beschichtungsmittel oder Beschichtungsmaterialien auf die stärkegebundenen Folien oder aus solchen Folien hergestellte Gegenstände aufzubringen. Beschichtungsmittel können dazu verwendet werden, um die Oberflächeneigenschaften der stärkegebundenen Folie auf eine Anzahl von Wegen abzuändern, mit Einschluss eines Versiegelns und eines Schützens der Folie oder des daraus hergestellten Gegenstands. Beschichtungen können einen Schutz gegenüber Feuchtigkeit, gegenüber Basen, gegenüber Säuren, gegenüber Fetten und gegenüber organischen Lösungsmitteln ergeben. Sie können auch eine glattere, flexiblere, stärker glänzende oder abnutzungsbeständige Fläche ergeben, und die Verhinderung des "Wegfliegens" der Fasern unterstützen. Die Beschichtungen können auch reflektierende, elektrisch leitende oder isolierende Eigenschaften ergeben. Sie können sogar die stärkegebundene Folie, insbesondere an einer Biegungs- oder Faltungslinie, verstärken.
Einige Beschichtungen bzw. Beschichtungsmittel können die stärkegebundene Matrix erweichen, wodurch eine flexiblere Folie erhalten wird. So können z.B. Beschichtungsmittel auf der Basis von Materialien, wie Sojabohnenöl oder Methocel^® (erhältlich von der Firma Dow Chemical), entweder allein oder in Kombination mit Polyethylenglykol, auf die Oberfläche der Folie aufgebracht werden, um die Folie oder den Scharnierbereich der Folie permanent weich zu machen. Andere Beschichtungsmaterialien können dazu verwendet werden, die Folie steifer zu machen. Weiterhin können elastomere, kunststoffartige oder papierartige Beschichtungsmittel dazu beitragen, die Integrität eines Scharniers beizubehalten, ob die darunter liegende gehärtete Strukturmatrix beim Biegen an dem Ort des Scharniers aufbricht oder nicht. Einige Beschichtungsmittel können dazu verwendet werden, um Stellen zu verfestigen, wo die stärkegebundenen Folien stark gebogen werden, z.B. im Falle, dass die Folie gekerbt wird. Es kann zu bevorzugen sein, dass der Überzug elastomer oder deformierbar ist, und zwar insbesondere für Gegenstände, die durch Falten oder eine Aufwickelung gebildet werden. Einige Beschichtungsmittel können auch als Laminierungsmaterialien oder als Klebstoffe verwendet werden.
Die Aufgabe des Beschichtungsprozesses ist es gewöhnlich, einen gleichförmigen Film mit minimalen Defekten auf der Oberfläche der Folie zu erreichen. Die Beschichtungsmittel können während des Folien-Bildungsprozesses, des Prozesses zur Bildung des Gegenstands oder nach der Bildung des Gegenstands aufgebracht werden. Die Auswahl des jeweiligen Beschichtungsprozesses hängt von einer Anzahl von Substrat (d.h. Folien)-Variablen sowie Variablen der Beschichtungszusammensetzung ab. Die Substratvariablen schließen die Festigkeit, die Befeuchtbarkeit, die Porosität, die Dichte, die Glätte und die Gleichförmigkeit der Folie ein. Die Beschichtungsformulierungsvariablen schließen den Gesamtfeststoffgehalt, die Lösungsmittelbasis (mit Einschluss der Wasserlöslichkeit und der Flüchtigkeit), die Oberflächenspannung und die rheologischen Eigenschaften ein.
Die Beschichtungsmittel können auf die Folien unter Verwendung von allen beliebigen Beschichtungsmitteln bzw. -einrichtungen aufgebracht werden, die auf dem Gebiet der Herstellung von Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol-, Metallfolien- oder anderen Verpackungsmaterialien aufgebracht werden, mit Einschluss des Klingenbeschichtens, des Puddelbeschichtens, des Rakelbeschichtens, des Aufdruckens, des Dahlgren-Beschichtens, des Tiefdruckbeschichtens und des Pulverbeschichtens. Die Beschichtungsmittel können auch durch Besprühen der Folie, des Gegenstands oder eines anderen Objekts mit einem beliebigen der oben angegebenen Beschichtungsmaterialien aufgebracht werden oder indem die Folie, der Gegenstand oder das andere Objekt in eine Wanne eingetaucht wird, die ein geeignetes Beschichtungsmaterial ent hält. Schließlich können die Beschichtungsmittel zusammen mit der Folie coextrudiert werden, um den Beschichtungsprozess mit dem Extrusionsprozess zu integrieren.
Geeignete organische Beschichtungsmaterialien schließen genießbare Öle, Melaminharze, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyacrylate, Polyamide, Hydroxypropylcellulose, Polyethylenglykol, Acrylharze, Polyurethan, Polethylen, Polymilchsäure, Biopol^® (ein Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymeres), Latices, Stärken, Sojabohnenprotein, Sojabohnenöl, Celluloseether (z.B. Methocel)-Polyethylen, synthetische Polymere, mit Einschluss von biologisch abbaubaren Polymeren, Wachse (wie Bienenwachs, Wachs auf Erdöl-Basis ein, oder ..... Chemical Industries (ICI) im Vereinigten Königreich. Geeignete anorganische Beschichtungsmaterialien schließen Natriumsilicat, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Kaolin, Ton, Keramik und Gemische davon ein. Die anorganischen Beschichtungsmittel können auch mit einem oder mehreren der oben angegebenen organischen Beschichtungsmittel vermischt werden. Neben diesen Beschichtungsmitteln kann jedes beliebige geeignete Beschichtungsmaterial in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Anwendungszweck eingesetzt werden.
Ein wasserbeständiger Überzug ist für viele Gegenstände erwünscht, von denen vorgesehen ist, dass sie in Kontakt mit Wasser kommen. Wenn die Folien zur Herstellung von Behältern oder von anderen Produkten verwendet werden, bei denen beabsichtigt ist, dass sie in Kontakt mit Nahrungsmitteln kommen, dann umfasst das Beschichtungsmaterial vorzugsweise ein von der FDA zugelassenes Beschichtungsmittel. Ein besonders gut geeignetes Beschichtungsmittel ist Natriumsilicat, das säurebeständig ist. Die Beständigkeit gegenüber sauren Bedingungen ist von Wichtigkeit, und z.B. dann, wenn der Gegenstand ein Behälter ist, der Nahrungsmitteln oder Getränken ausgesetzt ist, die einen hohen Säuregehalt haben, wie z.B. Softdrinks oder Säfte. Es ist im Allgemeinen nicht notwendig, den Gegenstand vor basischen Substanzen zu schützen, jedoch kann eine erhöhte Beständigkeit gegenüber basischen Substanzen durch ein geeignetes Polymer- oder Wachsbeschichtungsmittel, wie zur Beschichtung von Papierbehältern verwendet, erhalten werden.
Polymere Beschichtungsmittel, wie Polyethylen, sind dazu geeignet, um im Allgemeinen dünne Schichten mit niedriger Dichte zu bilden. Polyethylen mit niedriger Dichte ist besonders gut dazu geeignet, Behälter zu erzeugen, die flüssigkeitsdicht und sogar bis zu einem bestimmten Ausmaß druckdicht sind. Polymere Beschichtungsmittel können auch als Klebstoff verwendet werden, wenn eine Heißversiegelung erfolgt.
Aluminiumoxid und Siliciumoxid sind einsetzbare Beschichtungsmittel, und zwar insbesondere als Schranke gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit. Diese Beschichtungsmittel können auf die stärkegebundenen Folien durch alle im Stand der Technik bekannten Maßnahmen, mit Einschluss der Verwendung eines Verdampfungsprozesses mit Elektronenstrahlen mit hoher Energie, einer chemischen Plasmaabscheidung und einer Zerstäubungsbehandlung aufgebracht werden. Eine andere Methode der Bildung einer Aluminiumoxid- oder Siliciumoxid- beschichtung beinhaltet die Behandlung einer stärkegebundenen Folie mit einer wässrigen Lösung, die einen geeigneten pH-Wert hat, um die Bildung von Aluminiumoxid oder von Siliciumoxid auf der Folie aufgrund der Zusammensetzung der Folie zu bewirken.
Wachse und Wachsgemische, insbesondere Erdölwachse und synthetische Wachse, bilden eine Schranke gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und einigen organischen Flüssigkeiten, wie Fetten oder Ölen. Sie gestatten auch, dass ein Gegenstand, wie ein Behälter, heißversiegelt wird. Erdölwachse sind eine besonders gut geeignete Gruppe von Wachsen beim Verpacken von Nahrungsmitteln und Getränken, und sie schließen Paraffinwachse und mikrokristalline Wachse ein.
D. Kerbungs- und Perforierungsverfahren
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, die Folie alternativ zu kerben, auszukerben oder zu perforieren, um eine Linie zu definieren, an der die Folie gefaltet oder gebogen werden kann. Kerbungen, Kerbungsschnitte und Perforationen können in den Folien unter Verwendung von Einrichtungen bzw. Maßnahmen gebildet werden, die auf dem Gebiet der Folienverformung bekannt sind. Kerbungsschnitte können auch unter Verwendung von kontinuierlichen Düsenschnittwalzen hergestellt werden. Alternativ, ..... oder ein Lineal. Die Kerbungsdüsen oder das Lineal können bzw. kann allein oder in Verbindung mit einem Kerbungszähler eingesetzt werden. Die Konfiguration der Kerbungsschablone übt auf die Folie dahingehend Kräfte aus, dass sie sich in die Rille des Kerbungszählers hinein deformiert. Schließlich kann eine Perforation auch mittels eines Perforationsschneidgeräts hergestellt werden.
Der Zweck der Kerbung, des Kerbungsschnitts oder der Perforation besteht darin, in der stärkegebundenen Folie einen Ort zu erzeugen, wo die Folie leichter gebogen oder gefaltet werden kann. Dies erzeugt ein "Scharnier" innerhalb der Folie mit einer erheblich größeren Biegbarkeit und Rückelastizität, als es mit einer nicht-gekerbten oder nicht-perforierten Folie der Fall ist. In einigen Fällen können mehrfache Kerbungsschnitte oder Perforationen zweckmäßig sein.
Der Einschnitt einer Kerbungslinie oder einer Perforation in die Folie erzeugt eine bessere Faltungslinie oder ein besseres Scharnier aufgrund einer Anzahl von Gründen. Zuerst wird ein Ort zur Verfügung gestellt, wo die Folie natürlich leichter gebogen oder gefaltet werden kann. Zweitens macht das Einschneiden oder das Einkerben die Folie an der Kerbungslinie dünner als am Rest der Folie, was das Ausmaß der in Längsrichtung erfolgenden Dehnung der Oberfläche während der Biegung der Folie verringert. Die Verringerung der Oberflächendehnung verringert die Tendenz der stärkegebundenen Matrix, beim Falten oder Biegen zu brechen. Drittens gestattet der Kerbungsschnitt oder die Perforation eine kontrollierte Rissbildung innerhalb der stärkegebundenen Matrix in dem Fall, dass ein Bruch der Matrix erfolgt.
Es kann manchmal zu bevorzugen sein, mehr Fasern an dem Ort zu konzentrieren, wo der Kerbungsschnitt oder die Perforation hergestellt wird. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass eine zweite Schicht eines Formmaterials, enthaltend einen höheren Fasergehalt, an vorbestimmten Zeitintervallen so coextrudiert wird, dass es dem Ort des Kerbungsschnitts oder der Perforation entspricht. Weiterhin können Fasern auf die Oberseite der Folie oder in die Folie hinein injiziert werden während der Extrusions- oder Walzprozesse, um eine höhere Faserkonzentration an der gewünschten Stelle zu erzielen.
Die stärkegebundene Folie befindet sich vorzugsweise in einem im Wesentlichen trockenen oder halbgehärteten Zustand während des Kerbungs- oder Perforationsprozesses. Dies ist zweckmäßig, um zu verhindern, dass sich die Kerbung oder die Perforation durch Wanderung von feuchtem Material in den Kerbungsschnitt zuschließt. Da das Einkerben im Allgemeinen (und die Perforation immer) ein Einschneiden durch einen Teil der stärkegebundenen Matrix beinhaltet, kann die Folie sogar vollständig trocken sein, ohne dass der Kerbungs- oder Perforationsprozess die Folie beschädigt. Jedoch in Fällen, wo eine Kerbung eingepresst wird, anstatt in die Oberfläche eingeschnitten zu werden, sollte die Folie genügend feucht sein, um einen Bruch aufgrund einer Verschiebung der stärkegebundenen Matrix zu verhindern.
Die Tiefe des Kerbungsschnitts hängt im Allgemeinen von dem Typ der Kerbung, der Dicke der stärkegebundenen Folie und dem gewünschten Biegegrad entlang der Kerbungslinie ab. Der Kerbungsmechanismus sollte so eingestellt werden, dass eine Kerbung mit gewünschter Tiefe zur Verfügung gestellt wird. Naturgemäß sollte das Düsenschneidwerkzeug nicht so groß sein, dass es tatsächlich durch die Folie hindurchschneidet oder dass es diese zu dünn macht, um den erwarteten Kräften zu widerstehen (es sei denn, es wird eine leicht reißbare Kerbung erwünscht) ..... Kombination der Kerbungsschnitte auf gegenüberliegenden Seiten der Folie können in einigen Fällen bevorzugt sein, um den Bereich der Biegungsbewegung zu erhöhen.
E. Verkreppungs- und Pergamentisierungsprozesse
Die stärkegebundenen Folien können gegebenenfalls ziemlich ähnlich wie herkömmliches Papier verkreppt werden, um eine hochausdehnbare Folie zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande ist, Energie bei plötzlichen Spannungsraten zu absorbieren. Verkreppte Folien sind mit steigendem Ausmaß bei der Produktion von Transportsäcken geeignet. Die herkömmliche Verkreppung wird entweder im Nasspressabschnitt einer Papiermaschine (Nasskrepp) oder einem Yankee-Trockner (Trockenkrepp) durchgeführt. Obgleich die exakten Parameter entweder eines Nass- oder Trocken-Verkreppungsprozesses zwischen den erfindungsgemäßen stärkegebundenen Folien und dem Baumpapier unterschiedlich sind, wird für den Fachmann ersichtlich werden, wie der Verkreppungsprozess eingestellt werden muss, um verkreppte stärkegebundene Folien zu erhalten. Die Verkreppung kann eingesetzt werden, um eine biegsamere Folie zu erzeugen, und auch dazu, um ein Scharnier zu bilden.
Es ist gefunden worden, dass stärkegebundene Folien mit starken Säuren behandelt werden können, um den Teil der faserartigen Oberfläche der Folienmatrix zu pergamentisieren. Die Behandlung der Folie mit z.B. konzentrierter Schwefelsäure bewirkt, dass die Cellulosefasern ganz erheblich quellen und teilweise aufgelöst werden. In diesem Zustand schließen diese weichgemachten Fasern ihre Poren, und sie füllen die umgebenden Hohlräume und sie erzielen einen innigeren Kontakt mit anderen Fasern zu einer extensiveren Wasserstoffbindung. Ein Spülen mit Wasser bewirkt eine Wiederausfällung und eine Konsolidierung des Netzwerks, was Fasern ergibt, die feuchter als trocken, fusselfrei, geruchsfrei und geschmacksfrei sind, und die gegenüber Fetten und Ölen beständig sind. Durch die Kombination der natürlichen Zugzähigkeit des Pergaments mit der durch die Nasskreppbehandlung verliehenen Ausdehnungsfähigkeit können Folien mit hoher schockabsorbierender Fähigkeit hergestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann gesehen werden, dass erwartet werden könnte, dass der Pergamentisierungsprozess besser arbeitet, wenn der Fasergehalt der Folien erhöht ist. Erhöhte Fasergehalte erleichtern die Verschließung bzw. Versiegelung der Poren und eine erhöhte Wasserstoffbindung der Fasern. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bestimmte, gegenüber sauren Chemikalien empfindliche Aggregate, wie Calciumcarbonat, wahrscheinlich dann nicht verwendet werden sollten, wenn die Folie pergamentisiert werden soll.
F. Drucken und damit verwandte Prozesse
Es kann erwünscht sein, Drucke oder andere Angaben, wie Warenzeichen, Produktinformationen, Behälterspezifikationen oder Logos auf die Oberfläche der stärkegebundenen Folie aufzubringen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass herkömmliche Druckeinrichtungen oder -prozesse verwendet werden, die auf dem Gebiet des Bedruckens von Papier- oder Pappeprodukten bekannt sind, mit Einschluss eines planographischen, Relief-, Intaglio-, porösen und schlaglosen Druckens. Zusätzlich können die Folien oder Gegenstände geprägt oder mit einem Wasserzeichen versehen werden. Weiterhin können Abziehbilder, Markierungen oder andere Freimachungsvermerke an die stärkegebundene Folie angefügt oder damit verklebt werden, wobei im Stand der Technik verwendete Methoden eingesetzt werden. Gedruckte Freimachungsvermerke können auf kontinuierliche Folien, individuelle Folien, laminierte Folien, Rohlinge oder fertige Gegenstände, je nach dem betreffenden Druckverfahren und der Gestalt des Gegenstands, aufgebracht werden.
IV. AUS STÄRKE-GEBUNDENEN FOLIEN HERGESTELLTE GEGENSTÄNDE
Unter Anwendung der oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, eine weite Vielzahl von Folien herzustellen, die stark variierende Eigenschaften haben. Die Folien können so dünn wie etwa 0,1 mm oder kleiner in dem Falle sein, dass dünne, flexible und Folien mit geringem Gewicht erforderlich sind. Die Folien können so dick wie etwa 1 cm in dem Fall sein, dass relativ dicke, starke und steife Folien erforderlich sind. Weiterhin können die Dichten der Folien im Bereich von so niedrig wie etwa 0,6 g/cm³ bis so hoch wie etwa 2 g/cm³ liegen. Im Allgemeinen sind Folien mit höherer Dichte stärker, während Folien mit niedriger Dichte isolierender sind. Die exakte Dicke oder Dichte der jeweiligen Folie kann zuvor festgelegt werden, um eine Folie zu ergeben, die die gewünschten Eigenschaften bei Kosten aufweist, die es gestatten, die Folie in wirtschaftlich vernünftiger Art und Weise herzustellen.
Die bei Papier und Pappe angewendeten Schneidmechanismen können ebenfalls dazu verwendet werden, um eine kontinuierliche stärkegebundene Folie in individuelle Folien zu zerschneiden. Wie in 8 gezeigt wird, kann die Folie unter Verwendung eines Rakelklingen-Schneidgeräts, das auf einer Presse montiert ist, zu individuellen Folien zugeschnitten werden. Das Schneiden kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass kontinuierliche Düsenschneidwalzen verwendet werden, wobei eine Schneiddüse in die Folie eingepresst wird, oder durch andere im Stand der Technik bekannte Verfahren.
Die Folien können für alle beliebigen Anwendungszwecke eingesetzt werden, bei denen herkömmliches Papier oder herkömmliche Pappe bislang verwendet worden sind. Weiterhin ist es aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen stärkegebundenen Materialien möglich, eine Vielzahl von Gegenständen herzustellen, die derzeit immer noch die Verwendung von Kunststoffen, Polystyrol oder sogar von Metall erfordern.
Insbesondere können die Folien für die Herstellung der folgenden beispielhaften Gegenstände verwendet werden: Behälter, mit Einschluss von Wegwerfbehältern und Nicht-Wegwerfbehältern für Nahrungsmittel oder Getränke, wie Schachteln für Cerealien, Behälter für Sandwich, "Falt"-Behälter (mit Einschluss, jedoch ohne Einschränkung darauf, von mit einem Scharnier versehenen Behältern, die für Fastfood-Sandwich verwendet werden, wie Hamburger), Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel, Milchkartons, Behälter für Fruchtsäfte, Behälter für Joghurt, Getränketräger (mit Einschluss, jedoch nicht beschränkt darauf, umwickelte Träger vom Korbtyp und "Sechs-Packungs"-Träger vom Ringtyp), Kartons für Eiscreme, Tassen bzw. Becher (mit Einschluss, jedoch nicht darauf beschränkt, von Wegwerf-Tassen bzw. -Bechern, Doppelstück-Tassen bzw. -Bechern, gefalteten Einstück-Tassen bzw. Bechern und konischen Tassen bzw. Bechern, Behälter für Pommes frites, wie sie von Fastfoot-Outlets verwendet werden, und Schachteln für die außer Haus erfolgende Lieferung von Fastfood; Verpackungsmaterialien, wie Einwickelpapier, Abstandsmaterial, flexible Verpackungen, wie Beutel für Nahrungsmittelsnacks, Beutel mit einem offenen Ende, wie Einkaufstüten in Lebensmittelgeschäften, Beutel innerhalb von Kartons, wie Kästen für trockene Cerealien, mehrwandige Beutel, Säcke, Umwicklungsbehälter, Trägerkarten für Produkte, die mit einer Abdeckung ausgestellt werden (insbesondere Plastikabdeckungen, die auf Nahrungsmittelprodukte, wie Fleischmahlzeiten für das Mittagessen, aufgebracht sind, Büroprodukte, Kosmetika, Werkzeuge und Spielzeuge), Trägertablett für die Unterstützung ..... begrenzt auf, Gefrierbeutel, Reifenbeutel, Einwickelmaterialien in Metzgereien, Einwickelmaterialien für Fleisch und Einwickelmaterialien für Wurst); eine Vielzahl von Kartons und Kästen, wie gewellte Kästen, Zigarrenschachteln, Schachteln für Pralinen und Schachteln für Kosmetika; aufgewickelte oder spiralgewickelte Behälter für verschiedene Produkte (wie gefrorene Saftkonzentrate, Hafermehl, Kartoffelchips, Eiscreme, Salz, Tenside und Motoröl), Versendungsrohre, Folienrohre für das Aufrollen von Materialien (wie Einwickelpapier, Tuchmaterialien, Papierhandtücher und Toilettenpapier) und Buchsen; bedruckte Materialien und Büroartikel, wie Bücher, Magazine, Broschüren, Um schläge, gummierte Bänder, Postkarten, Dreiringhefter, Buchumschläge, Akten und Bleistifte; verschiedene Essgeräte und Lagerungsbehälter, wie Teller, Deckel, Strohhalme, Messerwaren, Flaschen, Krüge, Kisten, Körbe, Tabletts, Backtabletts, Schalen, Mikrowellen-Abendessen-Tabletts, "TV"-Abendessen-Tabletts, Eierkartons, Platten zum Abpacken von Fleisch, Wegwerfplatten, Verkaufsplatten, Kuchenplatten und Frühstücksplatten; sowie eine Vielzahl von verschiedenen Gegenständen, wie Aufnahmegeräte für ein Noterbrechen (d. h. Spucktüten), im Wesentlichen kugelförmige Gegenstände, Spielzeuge, Fläschchen für Arzneimittel, Ampullen, Käfige für Tiere, nicht-entflammbare Feuerwerkhüllen, Hüllen für die Motoren von Raketenmodellen, Raketenmodelle, und eine endlose Vielzahl von anderen Gegenständen.
V. BEISPIELE FÜR BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden Beispiele werden dazu angegeben, um die erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung der stärkegebundenen Folien genauer zu beschreiben. Die Beispiele schließen verschiedene Mischungsgestaltungen sowie Verfahren zur Herstellung der Folien von Behältern und anderen Erzeugnissen mit variierenden Eigenschaften und Abmessungen aus den Folien ein.
Beispiel 1
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus formbaren Gemischen hergestellt, die die folgenden Komponenten in den angegebenen Mengen enthielten: Anteil, Vol.-(%)-trocken
Die bei diesem Beispiel verwendeten Fasern stammen von der Südkiefer bzw. der südlichen Föhre ab. Die nicht-modifizierte Stärke bestand aus Maisstärke, die bei der Zugabe zu dem Gemisch nicht gelatiniert war. Das Wasser, das Methocel und die Fasern wurden zuerst 10 Minuten lang unter hoher Scherkraft in einen Hobart-Knet-Mischgerät vermischt. Danach wurde die Stärke zu dem Gemisch gegeben, und dieses wurde weitere 4 Minuten lang unter niedriger Scherkraft weiter gemischt.
Das Gemisch wurde unter Verwendung eines entlüfteten Auger-Extruders durch eine Düse mit den Abmessungen 30 cm × 0,6 cm extrudiert, um kontinuierliche Folien zu bilden, die die entsprechenden Abmessungen der Breite und der Dicke hatten. Die extrudierte Folie wurde dann zwischen einem Paar Reduktionswalzen mit einem Spaltabstand dazwischen, der der Dicke der gebildeten Folie entsprach, und die auf eine Temperatur von etwa 70°C erhitzt waren, geführt. Danach wurde die Grünfolie zwischen Walzen mit einer höheren Temperatur als etwa 100°C geführt, um die Maisstärke zu gelatinieren und das Wasser aus der Grünfolie durch Abdampfen zu entfernen. Das Methocel bildete eine Haut auf der Oberfläche der Folie, die verhinderte, dass die Stärke an den Walzen während des Folien-Bildungsprozesses anklebte. Die resultierenden stärkegebundenen Folien hatten variierende Dicken von 0,1 mm bis 1 mm.
Beispiel 2
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Formungszusammensetzung hergestellt.
Das Wasser, Methocel und die Fasern der Südkiefer wurden zuerst 10 Minuten lang unter der Einwirkung einer hohen Scherkraft in einem Hobart-Knet-Mischgerät vermischt. Danach wurden das Calciumcarbonat und die Maisstärke zu dem Gemisch gegeben, und dieses wurde weitere 4 Minuten unter niedriger Scherwirkung gemischt.
Das Gemisch wurde unter Verwendung eines entlüftenden Auger-Extruders extrudiert durch ein 30 cm × 0,6 ..... Walzen mit einem Spaltabstand dazwischen, der der Dicke der gebildeten Folien entsprach.
Da das Calciumcarbonat eine niedrige spezifische Oberfläche hatte, hatte das Gemisch eine niedrige Klebfähigkeit an den Walzen. Weiterhin verhinderte das Methocel, dass die Stärke an den Walzen während des Folien-Bildungsprozesses anklebte. Die Walzentemperaturen waren ähnlich wie diejenigen, die im Beispiel 1 verwendet wurden. Die Folien dieser Beispiele hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 3
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 4
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und ......
Beispiel 5
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 6
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 7
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 8
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 9
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 10
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 11
Anorganisch gefüllte Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Die Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 12
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus einem formbaren Gemisch hergestellt, das die folgenden Komponenten in den angegebenen Mengen enthielt:
Das Wasser, das Methocel und die Fasern wurden zuerst 10 Minuten lang unter der Einwirkung einer hohen Scherkraft in einem Hobart-Knet-Mischgerät vermischt. Danach wurde die Stärke zu dem Gemisch gegeben, und das Gemisch wurde weitere 4 Minuten lang unter niedriger Scherkraft gemischt. Die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
Beispiel 13
Folien, enthaltend eine signifikante Menge von Stärke, wurden aus einer Formungszusammensetzung hergestellt, die 8000 g Wasser und die folgenden Komponenten enthielt:
Die Folien wurden wie oben beschrieben hergestellt. Die Folien hatten Dicken im Bereich von 0,010'' bis 0,050'' und eine Dichte von 1,11 g/cm³.
Folien mit einer Dicke von 0,010'' wurden zu Tassen bzw. Bechern verarbeitet, die Tassen bzw. Bechern ähnelten, die aus üblichem Baumpapier hergestellt worden waren. Übliche Papierbecher kosten 1,10 ¢ pro unbeschichtete Tasse bzw. unbeschichteter Becher und 1,410 ¢ pro Tasse bzw. Becher, die mit Wachs in einer Papiermasse beschichtet ist. Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien verwendeten Zusammensetzungen kosteten 1,270 ¢ pro unbeschichtete Tasse bzw. unbeschichteter Becher und 1,455 ¢ pro mit Wachs beschichtete Tasse bzw. beschichteter Becher. Die Kosten der nicht-beschichteten erfindungsgemäßen Tassen bzw. Becher waren 115% der Kosten der Papiertassen, während die Kosten der beschichteten erfindungsgemäßen Tassen bzw. Becher nur 103% der Kosten von Papiertassen betrugen. Dies ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Tassen bzw. Becher weit weniger Beschichtungsmaterial zu verwenden.
Die folgende Tabelle vergleicht die Kosten der verschiedenen Komponenten, die dazu verwendet wurden, die Folien herzustellen, die zu Tassen bzw. Bechern verformt wurden. Die Tabelle gibt die Gesamtkosten, die Einheitskosten pro Tasse bzw. Becher und die prozentualen Kosten jedes Bestandteils in der trockenen Charge wider (es wird angenommen, dass die Kosten für Wasser vernachlässigbar sind).
Die vorstehenden Tabellen zeigen, dass, obgleich die Formungszusammensetzung, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien nur 5,9% Methocel 240, bezogen auf das Tro ckengewicht von ..... enthielt. Andererseits, während der Anteil der Maisstärke 43,3% des Trockengewichts der Formungszusammensetzung betrug, waren ihre Kosten nur 9% der gesamten Materialkosten. Die Kosten für Methocel 240 sind $2,75/lb., während die Maisstärke nur $0,09/lb. kostet, was anzeigt, dass der Ersatz von Methocel durch Stärke die Materialkosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Folien stark verringert.
Beispiel 14
Zu Vergleichszwecken wurden Folien aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt, die keine Stärke, jedoch Methylcellulose in erhöhter Menge enthielt. Weiterhin enthielt die Zusammensetzung eine große Menge von anorganischem Füllstoff, der im Allgemeinen das billigste Material von allen Komponenten ist. Das Wasser war in einer Menge von 11 kg enthalten.
Trotz der Einarbeitung einer großen Menge von anorganischem Füllstoff erhöhte die Verwendung von 800 g Methocel 240, das 70% der Materialkosten verursachte, die Einheitskosten für jede unbeschichtete Tasse auf 1,509 ¢ und für jede beschichtete Tasse bzw. jeden beschichteten Becher auf 1,694 ¢. Der anorganische Füllstoff erhöhte die Dichte der Folien auf 1,70/g·cm³.
Beispiel 15
Die in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder Hinsicht der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, dass ein 50/50-Gemisch von Hartholz- und Weichholzfasern in diesem Beispiel verwendet wurde. Die resultierenden Folien waren ähnlich wie diejenigen des Beispiels 14. Die Materialkosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien dieses Beispiels waren praktisch mit den Kosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien des Beispiels 13 tatsächlich identisch.
Beispiel 16
Die in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder Hinsicht mit der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung identisch, jedoch mit der Ausnahme, dass Abacafasern in diesem Beispiel verwendet wurden. Die Materialkosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien dieses Beispiels waren praktisch mit den Kosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien des Beispiels 13 tatsächlich identisch.
Beispiel 17
Die in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder Hinsicht mit der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung identisch, jedoch mit der Ausnahme, dass nur 1200 g Weichholzfasern in diesem Beispiel verwendet wurden. Die Materialkosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien dieses Beispiels waren geringfügig höher als die Kosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien des Beispiels 13.
Beispiel 18
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 7000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,37 g·cm³. Die Kosten pro Einheit der unbeschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, betrugen 0,970 ¢, und diejenigen von beschichteten Tassen bzw. Bechern betrugen 1,155 ¢, was 88% bzw. 82% der Kosten der beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 19
Folien wurden unter Verwendung einer Zusammensetzung hergestellt, die der Zusammensetzung des Beispiels 18 mit der Ausnahme ähnlich war, dass die Menge von CaCO₃ auf 3000 g erhöht wurde, während der Anteil der anderen Komponenten konstant gehalten wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,49 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der aus den Folien dieses Beispiels hergestellten, nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher waren 0,846 ¢ und für beschichtete Tassen bzw. Becher 1,031 ¢, was 77% bzw. 73% der Kosten für die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 20
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,53 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,760 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,945 ¢, was 69% bzw. 67% der Kosten für die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 21
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 20 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass weiterhin 300 g Glycerin zugesetzt worden waren. Die resultierende Folie hatte eine Dichte von 1,49 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,846 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,031 ¢, was 77% bzw. 73% der Kosten für die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Bechernn aus Papier entspricht.
Beispiel 22
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 20 ähnlich war, jedoch mit der Ausnahme, dass die Konzentration der Maisstärke auf 2500 g erhöht wurde und dass die Menge des Wassers auf 9500 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,51 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,729 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,914 ¢, was 66% bzw. 65% der Kosten für die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht. Eine Erhöhung der Menge der Stärke hatte den Effekt, dass die Kosten pro Einheit der Tassen bzw. Becher geringfügig verringert wurden.
Beispiel 23
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 22 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Konzentration von Methocel 240 auf 100 g verringert wurde und dass die Menge des Wassers auf 9000 g verringert wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,52 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,620 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,850 ¢, was 56% bzw. 57% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht. Die Verringerung der Menge von Methocel 240 .....
Beispiel 24
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 9000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,44 g·cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,636 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,821 ¢, was 58% bzw. 58% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 25
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 24 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 100 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,43 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,667 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,852 ¢, was 61% bzw. 60% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 26
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 25 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme, dass der Gehalt von Glycerin auf 200 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,42 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,696 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,881 ¢, was 63% bzw. 63% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 27
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 26 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme, dass der Gehalt von Glycerin weiter auf 300 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,41 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,725 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,910 ¢, was 65% bzw. 65% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 28
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die folgende Zusammensetzung, die 9000 g Wasser enthielt, verwendet wurde.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,55 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,695 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,880 ¢, was 63% bzw. 62% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 29
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 28 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass der Glyceringehalt auf 400 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,54 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,723 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,908 ¢, was 66% bzw. 64% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 30
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 28 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass das Glycerin weggelassen wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,59 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,605 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,790 ¢, was 55% bzw. 56% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 31
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 30 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge des in der Zusammensetzung verwendeten Methocels 240 auf 200 g erhöht wurde und dass die Menge des Wassers auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,58 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,714 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,899 ¢, was 65% bzw. 64% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 32
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 31 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass der Gehalt von Wasser auf 9000 g verringert wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,58 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,714 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,899 ¢, was 65% bzw. 64% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht. Der Wassergehalt war auf der Basis der Eigenschaften der neu gebildeten Folie optimal.
Beispiel 33
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 300 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,54 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,797 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,982 ¢, was 72% bzw. 70% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 34
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 400 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,53 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,822 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,007 ¢, was 75% bzw. 71% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 35
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 500 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,52 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,847 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,032 ¢, was 77% bzw. 73% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 36
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 9000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,14 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,762 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,947 ¢, was 69% bzw. 67% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 37
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,65 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,644 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,829 ¢, was 59% bzw. 59% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 38
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,12 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,827 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,012 ¢, was 75% bzw. 72% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 39
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 38 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die verwendete Menge von Glycerin auf 400 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,11 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,886 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,071 ¢, was 80% bzw. 76% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 40
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8500 g Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,22 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,711 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,896 ¢, was 65% bzw. 64% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 41
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von CaCO₃ auf ..... g/cm³ erhöht wurde. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,688 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,873 ¢, was 62% bzw. 62% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 42
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von CaCO₃ auf 2000 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,29 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,667 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,852 ¢, was 61 % bzw. 60% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 43
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von CaCO₃ auf 3000 g erhöht wurde, dass die Menge von Methocel 240 auf 150 g erhöht wurde und dass die Menge von Wasser auf 9500 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,36 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,680 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,866 ¢, was 62% bzw. 61 % der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 44
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von Wasser auf 10 kg erhöht wurde, was als optimal für den Folien-Bildungsprozess erschien.
Beispiel 45
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von CaCO₃ auf 3000 g erhöht wurde, dass die Menge von Methocel 240 auf 200 g erhöht wurde und dass die Menge von Wasser auf 10,5 kg erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,732 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,917 ¢, was 66% bzw. 65% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 46
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 200 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,34 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,735 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,920 ¢, was 67% bzw. 65% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 47
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 400 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,32 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,787 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,927 ¢, was 71% bzw. 69% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 48
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass 600 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,30 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,835 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,020 ¢, was 76% bzw. 72% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 49
Folien wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 11 kg Wasser enthielt.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,832 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,017 ¢, was 76% bzw. 72% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 50
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 49 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von Methocel 240 auf 250 g verringert wurde und dass die Menge von Wasser auf 10 kg verringert wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,782 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,967 ¢, was 71% bzw. 69% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 51
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 36 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von Methocel 240 auf 150 g erhöht wurde und dass die Menge von Wasser auf 8500 g verringert wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,14 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,825 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,010 ¢, was 75% bzw. 72% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
Beispiel 52
Folien wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht der Zusammensetzung des Beispiels 36 ähnlich war, mit der Ausnahme, dass die Menge von Methocel 240 auf 200 g erhöht wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,14 g/cm³. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,888 ¢ und diejenigen für beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,073 ¢, was 81% bzw. 76% der Kosten für beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
In den folgenden Beispielen werden sehr dünne Folien gebildet, die viele Charakteristiken und Eigenschaften haben, die sie für ähnliche Verwendungszwecke, wie für Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol- oder Metallfolien ähnlicher Dicke und ähnlichen Gewichts, machen. Die gewünschten Eigenschaften werden den Folien unter Verwendung eines mikrostrukturellen Konstruktionsansatzes verliehen. Dies gestattet die Herstellung von Folien mit einer Vielzahl von erwünschten Eigenschaften, mit Einschluss von Eigenschaften, die im Allgemeinen bei durch Massenproduktionsverfahren hergestellten, folienartigen Gegenständen, die derzeit aus den vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Materialien hergestellt wurden, nicht möglich sind.
Beispiele 53–58
Folien, die dazu imstande sind, zu einer Vielzahl von Gegenständen (mit Einschluss von Behältern für Nahrungsmittel oder Getränke) verformt zu werden, wurden nach den in den Beispielen 1–52 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die gehärteten Folien wurden einer Finish-Behandlung bzw. einer Endbehandlung unterworfen, gegebenenfalls beschichtet und dann zu einer Anzahl von verschiedenen Behältern für Nahrungsmittel und Getränke verformt.
So wird z.B. eine "kalte Tasse" bzw. ein "kalter Becher" (z.B. eine solche bzw. ein solcher, in der/den kalte Softdrinks in Fastfood-Restaurants abgegeben werden) dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie herausgeschnitten wird, dass der Rohling zu der Gestalt der Tasse bzw. des Bechers verwalzt wird und dass die Enden des so gewalzten Rohlings unter Verwendung eines herkömmlichen Leims auf Wasser-Basis miteinander verklebt werden. Eine Scheibe wird an den Boden der Tasse bzw. des Bechers platziert, und der Boden des gewalzten Wandteils wird gebördelt, um den Boden der Tasse bzw. des Bechers an Ort und Stelle zu halten. Der Rand der Tasse bzw. des Bechers wird gekräuselt bzw. gebördelt, um den Rand zu verfestigen und um eine glattere Trinkoberfläche zu erzeugen. Folien mit einer Dicke von 0,3 mm können zur Herstellung der Tasse bzw. des Bechers eingesetzt werden.
Ein "Zweischalen"-Behälter (ein solcher, wie er derzeit in der Fastfood-Industrie verwendet wird, zu ..... der Rohling zur Bildung der gewünschten Faltlinien, Falten des Rohlings zu der Gestalt eines Zweischalen-Behälters und Anheften oder miteinander Verschließen der Enden des gefalteten Rohlings, um die Integrität des Behälters zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,4 mm können dazu verwendet werden, den klappbaren Behälter bzw. Zweischalen-Behälter herzustellen.
Ein Behälter für Pommes frites (ein solcher, wie er dazu verwendet wird, frisch gebackene Pommes frites in der Fastfood-Industrie zu servieren) wird dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie hergestellt wird, dass der Rohling einem Kerbschneiden unterworfen wird, um die gewünschten Faltlinien zu bilden, dass der Rohling in die Gestalt eines Behälters für Pommes frites gefaltet wird und dass die Enden des gefalteten Rohlings mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden, um die Integrität des Behälters aufrecht zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,4 mm können zur Herstellung des Behälters für Pommes frites verwendet werden.
Eine Schachtel für gefrorene Nahrungsmittel (z.B. eine solche, wie sie in Supermärkten zum Abpacken von gefrorenen Nahrungsmitteln verwendet werden) wird dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie herausgeschnitten wird, dass der Rohling einer Einkerbungsschneidbehandlung unterworfen wird, um die gewünschten Faltungslinien zu bilden, dass der Rohling zu der Gestalt einer Schachtel für gefrorene Nahrungsmittel gefaltet wird und dass die Enden des gefalteten Rohlings unter Verwendung eines Klebstoffs miteinander verklebt werden, um die Integrität der Schachtel aufrecht zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,5 mm können zur Herstellung der Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel verwendet werden.
Eine Schachtel für kalte Cerealien wurde dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie mit einer Dicke von 0,3 mm herausgeschnitten wurde, dass der Rohling einer Einkerbungsschneidbehandlung unterworfen wurde, um die gewünschten Faltlinien zu bilden, dass der Rohling in die Gestalt einer Schachtel für kalte Cerealien verformt wurde und dass die Enden des gefalteten Rohlings unter Verwendung eines Klebstoffs miteinander verklebt wurden, um die Integrität der Schachtel für Cerealien beizubehalten.
Ein Trinkstrohhalm wurde dadurch hergestellt, dass ein Stück Folie mit 0,25 mm in die Form eines Strohhalms gerollt wurde und dass die Enden miteinander verklebt wurden. Bei der Herstellung des Strohhalms, wie bei der Herstellung aller oben angegebenen Behälter, ist es von Vorteil, den Feuchtigkeitsgehalt der Folie zu kontrollieren, um den höchsten Grad der Flexibilität der Folie aufrecht zu erhalten. Ein höherer Grad der Flexibilität minimiert ein Zersplittern und ein Reißen der Folie.
Die so hergestellten Behälter sind nachstehend wie folgt angegeben, mit Einschluss der Dicke der Folie, die zur Herstellung jedes Behälters verwendet wurde:
Beispiel 59
Kalte Tassen, hergestellt gemäß Beispiel 43, wurden durch eine herkömmliche Wachsbeschichtungsmaschine hindurchgeleitet, wodurch eine gleichförmige Schicht von Wachs auf die Oberfläche aufgebracht wurde. Die Schicht aus Wachs versiegelte vollständig die Oberfläche der Tasse bzw. des Bechers gegenüber Feuchtigkeit und machte sie wasserdicht.
Beispiel 60
Kalte Tassen bzw. Becher, hergestellt gemäß Beispiel 53, wurden unter Verwendung einer feinen Sprühdüse mit einer Acrylharzbeschichtung beschichtet. Ähnlich wie im Falle des Wachses des Beispiels 59, versiegelte die Schicht des Acrylharzüberzugs vollständig die Oberfläche der Tasse bzw. des Bechers gegenüber Feuchtigkeit und machte sie wasserdicht. Der Acrylharzüberzug hat den zusätzlichen Vorteil, dass er nicht sichtbar ist, wie es bei einem Wachsüberzug der Fall ist. Da ein dünnerer Acrylüberzug möglich ist, sieht die Tasse bzw. der Becher fast so aus, als ob sie/er unbeschichtet wäre. Der Glanz der Tasse bzw. des Bechers kann dadurch kontrolliert werden, dass unterschiedliche Typen von Acrylbeschichtungsmitteln verwendet werden.
Beispiele 61–62
Faltbare bzw. klappbare Behälter, hergestellt gemäß dem Beispiel 54, wurden alternativ mit den gleichen Beschichtungsmaterialien, wie zur Beschichtung der kalten Tassen in den Beispielen 59–60 verwendet, beschichtet. Die Ergebnisse sind im Wesentlichen mit denjenigen identisch, die im Falle der beschichteten Tassen erhalten wurden.

Beispiel Beschichtungsmaterial

61 Wachs

62 Acrylharz
Beispiel 63
Folien variierender Dicken zwischen 0,25 mm und 0,5 mm wurden gemäß den Verfahren der Beispiele 1–52 gebildet. Trockene Folien jeder Dicke wurden zu kreisförmigen Gestalten zugeschnitten und zu Wegwerfplatten verformt, wobei eine handelsübliche mechanische Presse verwendet wurde, die mit einer progressiven Düse ausgestattet war, die für die Herstellung von solchen Platten aus einer Papiermasse verwendet wird. Die geformten Platten hatten eine im Wesentlichen ähnliche Gestalt, eine ähnliche Festigkeit und ein ähnliches Aussehen wie herkömmliche Platten aus Papier. Jedoch sind die Platten, die aus den stärkegebundenen Folien hergestellt worden sind, starrer als herkömmliche Papierplatten, und sie besitzen daher eine größere strukturelle Integrität, wenn Nahrungsmittel auf die Platten aufgebracht werden oder in diese eingegeben werden.
Beispiel 64
Stärkegebundene Folien, hergestellt unter Verwendung von beliebigen der oben beschriebenen Mischgestaltungen, wurden zur Herstellung von gedruckten Lesematerialien, wie Magazine oder Broschüren, verwendet. Solche Magazine und Broschüren enthalten sowohl dünnere, flexiblere Folien als auch dickere, weniger flexible Folien. Die dünneren, flexibleren Folien haben eine Dicke von etwa 0,025–0,05 mm, während die dickeren, weniger flexiblen Folien eine Dicke von etwa 0,1–0,2 mm haben.
Beispiel 65
Unter Verwendung beliebiger der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungen wurden gewellte Folien, enthaltend eine gerillte Innenstruktur, die Sandwich-artig zwischen zwei flachen Folien angeordnet war, gebildet. Die flachen äußeren Folien wurden dadurch gebildet, dass das Material zu einer flachen Folie mit geeigneter Dicke verwalzt wurde. Die gewellten oder gerillten inneren Folien (die einer gewellten oder gerillten inneren Folie einer üblichen Pappschachtel ähnlich ist) wurde dadurch gebildet, dass entweder eine gehärtete oder eine wiederbefeuchtete, flache, stärkegebundene Folie mit geeigneter Dicke durch ein Paar Walzen mit ineinander greifenden gewellten Oberflächen oder Zähnen geführt wurden.
Ein Leim wurde auf die Oberflächen der gewellten Folie aufgebracht, und diese wurde dann Sandwich-artig zwischen zwei flachen Folien angeordnet und härten gelassen. Die gewellte/Sandwich-Folien-Konstruktion hat überlegene Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, der Zähigkeit und der Starrheit im Vergleich zu herkömmlichen gewellten Pappefolien.
VI. ZUSAMMENFASSUNG
Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung von billigen, umweltfreundlichen Folien zur Verfügung stellt, die ähnliche Eigenschaften wie Papier-, Pappe-, Polystyrol-, Kunststoff- oder Metallfolien haben.
Weiterhin stellt die Erfindung der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Herstellung von Folien zur Verfügung, die zu einer Vielzahl von Behältern oder anderen Gegenständen unter Verwendung von bereits vorliegenden Herstellungseinrichtungen oder Techniken, die derzeit zur Bildung von Gegenständen aus Papier-, Pappe-, Polystyrol-, Kunststoff- oder Metallfolien verwendet werden, verformt werden können.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung von umweltfreundlichen Folien zur Verfügung, die zu verformbaren Zusammensetzungen verformt werden können, die nur einen Bruchteil des Wassers enthalten, das in typischen Aufschlämmungen vorhanden ist, die zur Herstellung von herkömmlichen Papieren verwendet werden. Erfindungsgemäß wird weiterhin keine extensive Entwässerung während des Folien-Bildungsprozesses benötigt.
Weiterhin werden gemäß der vorliegenden Erfindung Folien sowie Behälter und andere daraus hergestellte Gegenstände zur Verfügung gestellt, die ohne weiteres biologisch abbaubar und zu Substanzen, die nur in der Erde gefunden werden, zersetzbar sind.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verfügung, die die Herstellung von Folien, Behältern und anderen Gegenständen daraus bei Kosten gestatten, die vergleichbar mit den Kosten von existierenden Verfahren zur Herstellung von Papier-, Kunststoff- oder Metallprodukten sind oder sogar noch niedriger sind.
Speziell verringert die vorliegende Erfindung die Energieerfordernisse und die Anfangskapital-Investitionskosten für die Herstellung von Produkten mit erwünschten Eigenschaften, die in Papier, Kunststoffen oder Metallen gefunden werden.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin Verfahren zur Verfügung, die die Einarbeitung von relativ hohen Mengen von Stärken in Folien gestatten, während die Probleme überwunden werden, die mit dem Ankleben von Stärke, insbesondere gelatinierter Stärke, an der Verformungs- oder Folien-bildenden Vorrichtung verbunden sind.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verfügung, die die optionale Einarbeitung von signifikanten Mengen von natürlichen anorganischen mineralischen Füllstoffen in die oben genannten Folien gestatten.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung von anorganisch gefüllten Folien zur Verfügung, die eine größere Flexibilität, eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Zähigkeit, eine höhere Verformbarkeit und eine höhere Fähigkeit zur Massenproduktion im Vergleich zu primären Materialien, die einen hohen Gehalt an anorganischem Füllstoff aufweisen, haben.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer stärkegebundenen Folie, das die folgenden Stufen umfasst: (a) Zusammenmischen von Wasser, nicht-gelatinierten Stärkekörnchen, eines Celluloseethers, eines faserförmigen Materials und gegebenenfalls eines anorganischen Aggregatfüllstoffs unter Bildung eines formbaren Gemisches; (b) Formen des formbaren Gemisches in eine anfängliche Grünfolie durch Führen des Gemisches zwischen mindestens einem Satz Formwalzen (40) mit einer derartigen Temperatur, dass ein Anteil des Cellulosethers thermisch präzipitiert, um die Adhesion der anfänglichen Grünfolie an den Formwalzen bei Gelatinierung der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen in Stufe (c) zu verringern; (c) Führen der anfänglichen Grünfolie zwischen mindestens einem Satz von Walzen mit einer derartigen Temperatur, das mindestens ein Anteil der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen gelatiniert wird und um eine intermediäre Grünfolie zu bilden; und (d) Erwärmen der Grünfolie, um einen Anteil des Wassers aus der intermediären Grünfolie zu entfernen, um eine gehärtete Folie mit einer Bindungsmatrix zu bilden, die getrocknete Stärke und Celluloseether enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (c) und (d) durch aufeinanderfolgende Sätze von Walzen (50, 70) mit stei genden Temperaturen von einem Satz Walzen zu einem nächsten Satz Walzen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (c) und (d) durch aufeinanderfolgende Sätze Walzen (50, 70) mit im Wesentlichen derselben Temperatur von einem Satz Walzen zu einem nächsten Satz Walzen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Celluloseether eine thermische Präzipitationstemperatur besitzt und wobei die Formwalzen (40) aus Stufe (b) eine Temperatur aufweisen, die mindestens so hoch wie die thermische Präzipitationstemperatur des Celluloseethers ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen eine Gelierungstemperatur besitzen und wobei die Formwalzen (40) aus Stufe (b) eine derartige Temperatur aufweisen, dass die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen innerhalb des formbaren Gemisches bis Stufe (c) im Wesentlichen nicht-gelatiniert bleiben.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die in Stufe (b) verwendeten Formwalzen (40) eine Temperatur aufweisen, die niedriger ist als die Gelierungstemperatur der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen eine Gelierungstemperatur aufweisen und wobei die Formwalzen (40) aus Stufe (b) eine derartige Temperatur aufweisen, dass mindestens ein Anteil der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen innerhalb des formbaren Gemisches teilweise gelatiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen eine Konzentration in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 80 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem Modulgemisch und insbesondere in einem Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen nicht-gelatinierten Stärkekörnchen zwei oder mehr unterschiedliche Stärken mit verschiedenen Gelierungstemperaturen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kartoffelstärke, Maisstärke, Wachsmaisstärke und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Celluloseether eine Konzentration in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch und insbesondere in einem Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Celluloseether ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose und Gemischen oder Derivaten davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der anorganische Aggregatfüllstoff eine Konzentration in einem Bereich von etwa 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch und insbesondere in einem Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des gesamten Feststoffgehalts in dem formbaren Gemisch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der anorganische Aggregatfüllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ton, Gips, Calciumcarbonat, Glimmer, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Sand, Kies, Sandstein, Kalkstein, Perlit, Vermiculit, hohlen Graskugeln, porösen Keramikkugeln, Bimsstein, Gestein, Glasperlen, Aerogelen, Xerogelen, Flugasche, Quarzstaub, Quarzglas, Tabulartonerde, Kaolin, Mikrosphären, Calciumaluminat, Xonotlit, leichtem Blähton, hydratisierten hydraulischen Zementpartikeln, Betonabfallprodukten, abgeblättertem Gestein, Silicagel, Calciumsilicatgel und Aluminiumsilicatgel, Metallkugeln, Feilspänen, Pellets, Pulvern und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der anorganische Aggregatfüllstoff Einzelpartikel umfasst, die größenoptimiert sind, um eine vorbestimmte natürliche Packungsdichte zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die natürliche Packungsdichte des anorganischen Aggregatfüllstoffs größer als etwa 0,65 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das faserförmige Material eine Konzentration in einem Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% des Gesamtfeststoffgehalts in dem formbaren Gemisch, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% des Gesamtfeststoffgehalts in dem formbaren Gemisch und insbesondere in einem Bereich von etwa 7 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% des Gesamtfeststoffgehalts in dem formbaren Gemisch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das faserförmige Material organische Fasern umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hanffasern, Baumwollfasern, Bagassefasern, Manilahanffasern, Flachsfasern der Südkiefer, südlichen Hartholzfasern und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das faserförmige Material anorganische Fasern beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Glasfasern, Siliciumdioxidfasern, Keramikfasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das faserförmige Material Einzelfasern mit einem Dimensionsverhältnis von mindestens 10:1, vorzugsweise einem Dimensionsverhältnis von mindestens 100:1, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren ein Bindemittel auf Protein-Basis beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Prolamin, Kollagen, Gelatine, Leim, Casein sowie Gemischen oder Derivaten davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren ein Polysaccharid beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alginsäure, Phycocolloiden, Agar, Gummiarabikum, Guarkernmehl, Johannesbrotkernmehl, Karayagummi, Tragantgummi sowie Gemischen oder Derivaten davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren ein synthetisches organisches Bindemittel beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyvinylmethylether, Polyacrylsäuren, Polyacrylsäuresalzen, Polyvinylacryl säuren, Polyvinylacrylsäuresalzen, Polyacrylimiden, Polymilchsäure, Ethylenoxidpolymeren, Latex sowie Gemischen oder Derivaten davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch eine Streckspannung von mehr als etwa 2 kPa, vorzugsweise mehr als etwa 100 kPa besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht-gelatinierten Stärkekörnchen eine Gelierungstemperatur besitzen und der Celluloseether eine thermische Präzipitationstemperatur besitzt, wobei die Gelierungstemperatur der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen höher ist als die thermische Präzipitationstemperatur des Celluloseethers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasser eine Konzentration in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% des formbaren Gemisches, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des Modulgemisches und insbesondere in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des formbaren Gemisches aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren einen Weichmacher beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Behandelns der im Wesentlichen gehärteten Folie mit Glycerin beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Glycerin mit mindestens einem aus Wasser und einem organischen Polymer vermischt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren ein organisches Aggregat beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Seagel, synthetischem Ton, Kork, Samen, leichtgewichtigen Polymeren, Agarmaterialien, Gelatinen sowie Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Gemisch des Weiteren eine vernetzende Beimischung beinhaltet, vorzugsweise mindestens eine aus Dialdehyden, Methylharnstoffen und Melanin-Formaldehyd-Harzen sowie Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen gehärtete Folie eine Dicke bis zu etwa 10 cm, vorzugsweise weniger als etwa 1 cm und stärker bevorzugt weniger als etwa 5 mm und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 3 mm und insbesondere weniger als etwa 1 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren Folien erzielt, worin das faserförmige Material Einzelfasern mit einer im Wesentlichen ungerichteten Orientierung innerhalb der Folie beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren eine Folie mit einem Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte in einem Bereich von etwa 2 MPa cm³/g bis etwa 500 MPa cm³/g, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 MPa cm³/g bis etwa 150 MPa cm³/g, stärker bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,05 MPa bis etwa 100 MPa und insbesondere in einem Bereich von etwa 5 MPa bis etwa 80 MPa erzielt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren eine Folie mit einer Dichte von über etwa 1 g/cm³, vorzugsweise über etwa 1,5 g/cm³ erzielt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren eine Folie erzielt, die dazu in der Lage ist, in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 12% ohne vollständiges Brechen gedehnt zu werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren eine Folie ergibt, die wasserabbaubar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren mindestens eine Stufe in der Gruppe beinhaltet, bestehend aus Wellen der im Wesentlichen gehärteten Folie, Kreppen der im Wesentlichen gehärteten Folie, Pergamentieren der im Wesentlichen gehärteten Folie, Aufbringen einer Markierung auf die im Wesentlichen gehärtete Folie, Bilden eines Scharniers in der im Wesentlichen gehärteten Folie und Bilden einer Perforation in der im Wesentlichen gehärteten Folie; Aufwickeln der im Wesentlichen gehärteten Folie auf eine Spule; Schneiden der im Wesentlichen gehärteten Folie in kleinere Foliensegmente; Erwärmen der im Wesentlichen gehärteten Folie, um diese thermisch in eine gewünschte Form zu verformen; und Wiederbefeuchten der im Wesentlichen gehärteten Folie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Stufe (b) des Weiteren das Extrudieren des formbaren durch eine Düse vor dem Führen des Gemisches zwischen die Formwalzen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Aufbringens einer Beschichtung auf die im Wesentlichen gehärtete Folie beinhaltet, vorzugsweise mindestens einer aus Speiseölen, Melamin, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyacrylaten, Polyamiden, Hydroxypropylmethylcellulose, Polyethylenglycol, Acrylkunststoffen, Polyurethan, Polyethylen, Polymilchsäure, Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymeren, Latex, Stärken, Sojabohnenprotein, Sojabohnenöl, Cellulosethern, synthetischen Polymeren, Wachsen, Elastomeren, Natriumsilicaten, Calciumcarbonat, Alu miniumoxid, Siliciumoxid, Kaolin, Ton, Keramik und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Beschichtung durch ein Verfahren aufgetragen wird, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Rakelbeschichten, Puddelbeschichten, Luftbürstenbeschichten, Offset-Beschichten, Dahlgren-Beschichten, Tiefdruckbeschichten und Pulverbeschichten.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Laminierens mindestens einer zusätzlichen Folie auf die im Wesentlichen gehärtete Folie beinhaltet, vorzugsweise mindestens einer aus Stärke-gebundenen Folien, organischen Polymerfolien, Metallfolien, Ionomerfolien, Elastomerfolien, Kunststofffolien, faserartigen Folien, Matten, Papierfolien, Cellophanfolien, Nylonfolien, Wachsfolien, hydraulisch abbindbaren Folien, Folien mit hohem Anteil an anorganischem Füllstoff, metallisierten Filmfolien und Kombinationen der vorangehenden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die mindestens eine zusätzliche Folie auf die im Wesentlichen gehärtete Folie durch ein Verfahren laminiert wird, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nassbindungslaminieren, Trockenbindungslaminieren, thermischem Laminieren und Drucklaminieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (b)–(d) im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (b) und (c) durch dieselbe Walze oder Kombination von Walzen (40, 50, 70) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (c) und (d) durch dieselbe Walze oder Kombination von Walzen (40, 50, 70) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Einbaus interstitieller Hohlräume innerhalb der Bindungsmatrix der im Wesentlichen gehärteten Folie beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Verdichtens der im Wesentlichen gehärteten Folie durch Führen der Folie zwischen mindestens ein Paar Verdichtungswalzen (60) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Führens der im Wesentlichen gehärteten Folie zwischen mindestens ein Paar Kalanderwalzen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Führens der im Wesentlichen gehärteten Folie zwischen mindestens ein Paar Finishing-Walzen (80) beinhaltet, um ein gewünschtes Oberflächen-Finish zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Verarbeitens der im Wesentlichen gehärteten Folie zu einem Behälter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Spiralwickelns der im Wesentlichen gehärteten Folie in eine gewünschte Form beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren die Stufe des Verarbeitens der im Wesentlichen gehärteten Folie in eine gewünschte Form eines Fertigungsgegenstands beinhaltet.