AT524370B1

AT524370B1 - Verfahren zur herstellung eines formkörpers aus naturstofffasern

Info

Publication number: AT524370B1
Application number: ATA50900/2020A
Authority: AT
Original assignee: David Benko; Alexander Bruehl; Christian Premm
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-06-15
Also published as: AT524370A1; WO2022084321A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Gemisch enthaltend Naturstofffasern und ein thermoplastisches Bindemittel (B) umfassend einen ersten Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der Naturstofffasern, einen Vermischungsschritt unter Beimengung des in den fließfähigen Zustand versetzten thermoplastischen Bindemittels (B) sowie einer Prozessflüssigkeit (P) zu den zerkleinerten Naturstofffasern und einen formgebenden Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch mithilfe einer Form (10, 11) und thermischer Trocknung, bei dem vorgeschlagen wird, dass ein zweiter Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der mit dem thermoplastischen Bindemittel (B) und der Prozessflüssigkeit (P) vermengten Naturstofffasern erfolgt, und nach dem zweiten Zerkleinerungsschritt eine Vortrocknung des Gemisches auf einen vorgegebenen Zielwert für die Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches vorgenommen wird, und das vorgetrocknete Gemisch in einem Vorratsbehälter (7) gesammelt wird, aus dem die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches in die Form (10,11) als Teil des formgebenden Schrittes erfolgt.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Gemisch enthaltend Naturstofffasern und ein thermoplastisches Bindemittel umfassend einen ersten Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der Naturstofffasern, einen Vermischungsschritt unter Beimengung des durch Erhitzen in den fließfähigen Zustand versetzten thermoplastischen Bindemittels sowie einer Prozessflüssigkeit zu den zerkleinerten Naturstofffasern und einen formgebenden Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch mithilfe einer Form und thermischer Trocknung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Mithilfe von Verfahren der genannten Art wird versucht den Einsatz von Kunststoffen zur Herstellung von Formkörpern zu verringern oder im Idealfall zu vermeiden. Kunststoffe besitzen hervorragende technische Eigenschaften und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten, sie verursachen aber auch ökologische und gesundheitliche Probleme. Ihre Haltbarkeit und Beständigkeit gegen physikalische und chemische Einflüsse sind während des Gebrauches zwar erwünschte Eigenschaften, erschweren aber nach dem Gebrauch die Entsorgung und Abbaubarkeit. Zumeist sind gebrauchte Kunststoffe nur durch Verbrennung unter hohem thermischen Energieeinsatz zu entsorgen.

[0003] Daher wird zunehmend nach Alternativen zu Kunststoffen gesucht, die in ihren Eigenschaften vergleichbar mit den jeweils verwendeten Kunststoffen sind, aber entweder verwertbar oder leichter entsorgbar und vorzugsweise biologisch abbaubar sind.

[0004] Der Einsatz von Naturfasern wurde immer wieder vorgeschlagen, verursacht jedoch fertigungstechnische Probleme, die bislang nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten. So wurde etwa versucht Naturstofffasern, insbesondere Holzfasern, in Verbindung mit thermoplastischen Kunststoffen zur Herstellung von so genannten „Wood Plastic Composites" zu verarbeiten. Dazu werden die Holzfasern oder Holzmehl mit einem thermoplastischen Kunststoff vermischt und mittels Extrusion zu Formkörpern verarbeitet. Aus der WO-A 96/34045 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern bekannt, bei dem natürliche Fasermaterialien im Gemisch mit thermoplastischen Kunststoffen verarbeitet werden. Die Herstellung von Kunststoff- Formmassen durch Extrusion eines Gemisches aus Naturfaser und einem thermoplastischen Kunststoff ist auch aus der WO-A 03/008494 bekannt. Bei Verfahren dieser Art wurde die Erfahrung gewonnen, dass die Naturfaserstoffe, welche beispielsweise in Form von Holzfasern, Holzmehl oder Holzschnitzeln vorliegen, auch im lufttrockenen Zustand immer noch eine erhebliche Menge an Restfeuchte enthalten. Diese Restfeuchte verursacht bei der weiteren Verarbeitung mithilfe von Thermoplasten wie Polyolefine, Polyvinylchlorid oder ABS Schwierigkeiten, da sie das bei der Verarbeitung freigesetzte Wasser nicht in der erforderlichen Menge aufnehmen können. Bei der thermoplastischen Verarbeitung, beispielsweise mittels Extrusion, von Gemischen solcher Naturstoffe und Thermoplasten führt das vorhandene Restwasser daher aufgrund der bei den gegebenen Verarbeitungstemperaturen auftretenden blitzartigen Verdampfung zu einer unkontrollierten Blasenbildung in den Formkörpern. Das kann soweit führen, dass die Formstabilität eines solchen Formkörpers bei der Entformung nicht mehr gewährleistet ist. Ein ähnliches Verfahren wird in der EP 2 890 539 beschrieben.

[0005] In der WO 96/34045 wurde daher ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem Gemisch von partikulären Naturmaterialien und einem thermoplastischen Bindemittel vorgeschlagen, wobei das Gemisch unter Temperatur-und/oder Druckerhöhung zum einem Formkörper ausgeformt wird, und das thermoplastische Bindemittel in Form einer in Wasser redispergierbaren Polymerpulver- Zusammensetzung eingesetzt wird, enthaltend ein oder mehrere Polymerisate, ein oder mehrere Schutzkolloide, sowie gegebenenfalls Antiblockmittel. Als geeignete partikuläre Naturmaterialien wurden beispielsweise Holzfasern, Holzmehl und Holzschnitzel, sowie Baumwoll-Fasern, Jute-Fasern, Sisal-Fasern, Hanf-Fasern und Flachs-Fasern vorgeschlagen. Der Anteil der Naturmaterialien in dem thermoplastisch zu verarbeitenden Gemisch beträgt 20 bis 98 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches. Als in Wasser redispergierbare Polymerpulver werden dabei Pulverzusammenset-

zungen verstanden, welche mittels Trocknung der entsprechenden wässrigen Dispersionen der Basispolymerisate in Gegenwart von Schutzkolloiden zugänglich werden. Aufgrund dieses Herstellungsprozesses wird das feinteilige Harz der Dispersion mit einem wasserlöslichen Schutzkolloid ausreichender Menge umhüllt. Bei der Trocknung wirkt das Schutzkolloid wie ein Mantel, welcher das Zusammenkleben der Teilchen verhindert. Beim Redispergieren in Wasser löst sich das Schutzkolloid wieder in Wasser und es liegt eine wässrige Dispersion der ursprünglichen Polymerteilchen vor. Als geeignete Polymerisate wurden solche auf der Basis von einem oder mehreren Monomeren aus der Gruppe umfassend Vinylester, (Meth)acrylsäureester, Vinylaromaten, Olefine, 1,3-Diene und Vinylhalogenide und gegebenenfalls weiteren damit copolymerisierbaren Monomeren vorgeschlagen. In der WO-A 03/035373 und der WO-A 2004/090022 wurde vorgeschlagen bei der Herstellung von Formkörpern aus Naturfaser und Thermoplast zusätzlich noch ein wasserbindendes Biopolymer, Stärke oder Protein, einzusetzen, um eine nachfolgende Extrusion zu ermöglichen.

[0006] Nachteilig bei den genannten Verfahren zur Verarbeitung von Naturfaserstoffen ist dabei jeweils, dass das Gemisch zusätzlich zur Naturfaser und dem thermoplastischen Binder noch weitere Komponenten umfasst, wodurch die Verfahren aufwändiger und kostenintensiver werden. Ein Verfahren, bei dem der Ersatz von Kunststoffen durch Naturstoffe nur durch eine signifikante Erhöhung der Kosten gelingt, wird sich am Markt jedoch erfahrungsgemäß nicht durchsetzen. Bislang bekannte Verfahren unter Verwendung von Naturfaserstoffen sind auch dadurch gekennzeichnet, dass vorwiegend eine Extrudierbarkeit der Zusammensetzungen angestrebt wird.

[0007] Die US 5 618 341, die als nächstkommender Stand der Technik betrachtet wird, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formkörper, bei dem Naturfasern mit einem stärkebasierten Bindemittel und Wasser vermengt werden, wobei das Gemisch in weiterer Folge auf Temperaturen von 65°C-95°C so weit erhitzt wird, dass die Stärke geliert und die Viskosität erhöht wird. Die US 5 618 341 hat dabei vor allem die Zielsetzung einer möglichst homogenen Verteilung von Fasern mit Längen von über 2mm bis zu 25mm. Die Mischung wird anschließend in Formen gepresst und zur thermischen Trocknung auf Temperaturen von etwa 180°C erhitzt. Nach etwa 55-60sek kann die Entformung erfolgen.

[0008] Die dabei vorgeschlagene Verwendung von Fasern mit Faserlängen über 2mm sowie einem „aspect ratio" von zumindest 25:1 wird in der Druckschrift US 5 618 341 mit der höheren Festigkeit des Formkörpers begründet. Von einer Verwendung von Gemischen mit Faserlängen unter 1.5mm wird in der US 5 618 341 abgeraten, da die aus einem solchen Gemisch hergestellten Formkörper über deutlich verschlechterte Eigenschaften verfügen würden. Die Verarbeitbarkeit des Ausgangsgemisches für den formgebenden Schritt wird dadurch freilich signifikant verringert. So zeugen die erforderlichen Mischzeiten von bis zu 2 Stunden zur Erzielung einer homogenen Verteilung der Fasern sowie die Enformungszeit von 55-60sek und bis zu 2 Minuten von einem schwer zu verarbeitenden Gemisch, das sich für eine Massenfertigung kaum eignet. Bei Produktionszeiten von über einer Minute pro Formteil eignet sich das Verfahren nur für die Herstellung niedriger Stückzahlen und somit von kostenintensiveren Produkten, sodass seine praktische Einsetzbarkeit deutlich eingeschränkt ist. Wünschenswert wäre hingegen ein Verfahren, mit dem auch die Herstellung von Massenware, bei der der Ersatz von Kunststoffen ungleich wichtiger wäre, wirtschaftlich darstellbar ist. In der DE 197 32 077 Al wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Herstellung der Formkörper händisch erfolgt.

[0009] Es besteht daher das Ziel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Naturfasermaterial und thermoplastischen Bindemitteln zur Verfügung zu stellen, bei dem einerseits der Einsatz nicht-biologischer Bestandteile weitestgehend vermieden werden kann, und das andererseits auch schnellere Produktionszeiten erlaubt und somit kostenmäßig günstiger eingesetzt werden kann als bekannte Verfahren.

[0010] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Gemisch enthaltend Naturstofffasern und ein thermoplastisches Bindemittel umfassend einen ersten Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der Naturstofffasern, einen Vermischungsschritt unter Beimengung des durch Erhitzen in

den fließfähigen Zustand versetzten thermoplastischen Bindemittels sowie einer Prozessflüssigkeit zu den zerkleinerten Naturstofffasern und einen formgebenden Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch mithilfe einer Form und thermischer Trocknung, wobei erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass ein zweiter Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der mit dem thermoplastischen Bindemittel und der Prozessflüssigkeit vermengten Naturstofffasern erfolgt, und nach dem zweiten Zerkleinerungsschritt eine Vortrocknung des Gemisches auf einen vorgegebenen Zielwert für die Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches vorgenommen wird, und das vorgetrocknete Gemisch in einem Vorratsbehälter gesammelt wird, aus dem die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches in die Form als Teil des formgebenden Schrittes erfolgt, wobei die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches aus dem Vorratsbehälter in die Form mithilfe eines im Vorratsbehälter bewegten Fördermittels erfolgt, das als Schnecke, als Stempel, oder als Kombination aus einer Schnecke und einem Stempel ausgeführt ist.

[0011] In einem ersten Zerkleinerungsschritt werden die Naturstofffasern beispielsweise in einem Schredder oder Häcksler im lufttrockenen Zustand auf durchschnittliche Faserlängen von 1050mm zerkleinert. Das zerkleinerte Fasermaterial kann in weiterer Folge in einen Mischer gefördert werden, beispielsweise durch Förderung in einem Luftstrom. In einem Vermischungsschritt wird den zerkleinerten Naturstofffasern ein thermoplastisches Bindemittel beigemengt, das in einen fließfähigen Zustand versetzt wurde. Thermoplastische Bindemittel sind Werkstoffe, die bei ihrer Gebrauchstemperatur fest sind und oberhalb der Gebrauchstemperatur einen Schmelzpunkt aufweisen, bei dem sie fließfähig werden. Die Beimengung kann etwa durch Bedüsung der im Luftstrom geförderten Naturstofffasern mit dem zuvor thermisch geschmolzenen Bindemittel erfolgen, oder durch die Beimengung von Bindemittel als festes Granulat im trockenen oder feuchten Zustand, das im Mischer durch Erhitzen geschmolzen und so in den fließfähigen Zustand versetzt wird. Auch die Beimengung der Prozessflüssigkeit erfolgt im Mischer, wobei im Mischer eine Erhitzung des Gemisches auf eine Temperatur erfolgt, die oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Bindemittels liegt, aber unterhalb des Siedepunktes der Prozessflüssigkeit. Erfindungsgemäß findet in weiterer Folge ein zweiter Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der mit dem thermoplastischen Bindemittel und der Prozessflüssigkeit vermengten Naturstofffasern statt. Dieser zweite Zerkleinerungsschritt kann etwa im Mischer stattfinden. Die Naturstofffasern werden dabei im Gemisch mit der Prozessflüssigkeit und dem Bindemittel durchfeuchtet, sodass ihr spezifisches Gewicht erhöht und ihre Komprimierbarkeit verringert wird. Die Naturstofffasern lassen sich somit auf durchschnittliche Faserlängen von 0.5-Imm weiter zerkleinern. Die geringeren Faserlängen erleichtern die Durchtränkung mit Prozessflüssigkeit und Bindemittel zu einem definierten feuchten bis flüssigen Granulat sowie die Herstellung einer homogenen Suspension. Die reduzierte Komprimierbarkeit ermöglicht ein anschließendes mechanisches oder hydromechanisches Fördern mit Schnecken, Kolben oder Stempel. Ein weiterer Vorteil der feuchten Verarbeitung der Naturstofffasern und des Bindemittels ist die exakte Einstellbarkeit der benötigten Feuchte durch die zugeführte Menge an Prozessflüssigkeit und durch die nachgelagerte Vortrocknung. Der Feuchtegehalt des Gemisches verbessert zudem die Wärmeübertragung auf die Naturstofffasern und die beigesetzten Bindemittel, sodass eine homogene Wärmeverteilung beim Erhitzen und Schmelzen sowie beim Abkühlen und Abbinden gewährleistet ist. Diese Homogenität führt zu einer weiteren Verbesserung der Materialeigenschaften und somit zu einer Verbesserung der Endprodukte.

[0012] Im Anschluss erfolgt erfindungsgemäß eine Vortrocknung des Gemisches bestehend aus den zerkleinerten Naturstofffasern, dem Bindemittel und der Prozessflüssigkeit mittels einer mechanischen oder hydromechanischen Förderung des Gemisches mit Schnecken, Kolben oder Stempel durch eine geeignete Heizeinrichtung wie einem Durchstoßofen oder Heizspiralen. Im Zuge der Vortrocknung wird dem Gemisch Prozessflüssigkeit entzogen, beispielsweise durch Erhitzen des Gemisches auf eine Temperatur, die oberhalb des Siedepunktes der Prozessflüssigkeit liegt, oder durch Verdunstung unter Heißwind und Granulatsumwälzung. Durch den Entzug von Prozessflüssigkeit wird der Anteil des Bindemittels innerhalb und außerhalb der Naturstofffasern erhöht. Der Entzug an Prozessflüssigkeit erfolgt dabei wohldefiniert, sodass am Ende der Vortrocknung ein vorgegebener Zielwert für die Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches erreicht wird. Dieser Zielwert kann beispielsweise durch entsprechende Wahl der Länge der För-

derstrecke und der Temperatur erreicht werden. Die Restfeuchte kann dabei unter 30% betragen, aber auch deutlich darunter liegen, beispielsweise unter 15% oder noch kleinere Werte annehmen. Eine verbleibende Restfeuchte stellt aber für das erfindungsgemäße Verfahren kein Problem dar, da keine nachfolgende Extrusion stattfindet. Im Gegenteil, eine verbleibende Restfeuchte ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sogar gewünscht, da sie eine homogene Wärmeverteilung im Gemisch im anschließenden Vorratsbehälter begünstigt und dadurch ein homogenes Ausgangsmaterial für den nachfolgenden formgebenden Schritt gewährleistet. Durch Variation der Restfeuchte und somit des Anteils des Bindemittels am Gemisch kann die Härte des erzeugten Formkörpers eingestellt werden, um einen zu ersetzenden Kunststoff entsprechend nachzuahmen.

[0013] Die Vortrocknung des Gemisches hat somit wesentlichen Einfluss auf die späteren Eigenschaften des Formkörpers. Sie bestimmt Elastizität, Härte, Zerreißfestigkeit oder Reibbeständigkeit des späteren Formkörpers. Sie hängen einerseits mit der Art der verwendeten Naturstofffaser und des Bindemittels zusammen, sie werden aber andererseits zu einem beträchtlichen Teil auch durch den Durchdringungsgrad des Bindemittels in der Naturstofffaser variiert, der sich durch die thermische Behandlung im Zuge der Vortrocknung steuern lässt. Je stärker die Vortrocknung erfolgt, desto mehr Prozessflüssigkeit wird der mit dem Gemisch aus Bindemittel und Prozessflüssigkeit getränkten Naturstofffaser entzogen und der Anteil des Bindemittels in der Naturstofffaser steigt. Je kleiner die Restfeuchte nach der Vortrocknung, desto höher der Anteil des Bindemittels in der Naturstofffaser. Mit zunehmendem Anteil des Bindemittels in der Naturstofffaser nimmt die Härte des späteren Formkörpers zu, und die Zerreißfestigkeit oder Reibbeständigkeit steigen. Dennoch verbleibt aufgrund des Aufbaus aus Naturstofffasern eine gewisse Grundelastizität.

[0014] Die Möglichkeiten zur Variation dieser Eigenschaften des Formkörpers bieten eine sehr breite Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens für unterschiedlichste Produkte. Zudem eröffnet sich auch die Möglichkeit bislang verwendete Kunststoffe in ihrer Elastizität und Festigkeit nachzubilden, um einen in seinen Eigenschaften vergleichbaren Ersatz zu bieten.

[0015] Das vorgetrocknete Gemisch wird in einem Vorratsbehälter gesammelt, aus dem erfindungsgemäß die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches in die Form als Teil des formgebenden Schrittes erfolgt. Die Zuführung des Gemisches in die Form erfolgt bei Verwendung einer thermoplastischen Stärke vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 110°C und 170°C, sodass das Gemisch entsprechend zu erhitzen ist. Bei Temperaturen ab ca. 120°C beginnt dabei ein dem Rösten ähnlicher Vorgang, bei dem eine Verfärbung des Gemisches zu zunehmend dunkleren Farben zu beobachten ist. Ab Temperaturen von etwa 170°C beginnt die thermische Zersetzung des Bindemittels. Hinsichtlich der Produkteigenschaften eines aus einem entsprechend erhitzten Gemisch erzeugten Formkörpers zeigt sich, dass sich bei Temperaturen zwischen 110-140°C eine mit steigender Temperatur zunehmend dunklere Oberfläche des Endproduktes ergibt, die aber dennoch offenporig ist. Das bedeutet, dass an der Oberfläche sowohl Wasser als auch Mikroorganismen gut in die Naturstofffasern eindringen können und somit der Verrottungsprozess verkürzt bzw. gesteuert werden kann. Bei Temperaturen zwischen 140170°C wird die Oberfläche des Endproduktes bereits sehr dunkel, und das Bindemittel bildet eine Stärkeschicht an der erhitzten Oberfläche. Dies führt zu einer schlechteren Verrottung und zu einer beispielsweise leichteren Bedruckbarkeit mit Verbraucherinformationen.

[0016] Die Zuführung des entsprechend erhitzten Gemisches in die Form kann mit einem Fördermittel wie einer Schnecke, einem Kolben oder einer Kombination aus beidem erfolgen, sie stellt jedenfalls bereits einen Teil des formgebenden Schrittes dar, indem das Gemisch aus dem Vorratsbehälter direkt in die Form gepresst wird, ohne zuvor über Kanäle oder dergleichen geleitet zu werden wie in üblichen Spritzgussverfahren. Hierfür kann die Form etwa über einen düsenähnlichen Abschnitt des Vorratsbehälters so mit dem Vorratsbehälter verbunden sein, dass das Fördermittel bei einer axialen Förderbewegung durch den Vorratsbehälter und den düsenähnlichen Abschnitt das Gemisch aus dem Vorratsbehälter direkt in die Form fördert. Vorzugsweise ist dabei der düsenähnliche Abschnitt bereits an die Außenkontur des zu erzeugenden Formkörpers angepasst, sodass die Möglichkeit eröffnet wird auch sehr hoch-viskose Gemische, also

annähernd trockene oder trockene Gemische, zu verarbeiten. Zur Herstellung von Formkörpern, die als achssymmetrische Rotationskörper ausgeführt sind, kann die Zuführung beispielsweise über eine Schnecke erfolgen, bei anderen Formgebungen über Kolben oder Stempel.

[0017] Der formgebende Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch erfolgt mithilfe einer thermischen Trocknung des Gemisches beispielsweise durch Erhitzen einer Formhälfte. Das Abkühlen des Formkörpers erfolgt wahlweise durch Kühlung einer oder beider Formhälften. Bei besonders kurzen Prozesszeiten kann das Trocknen und/oder Abkühlen auch nachgelagert nach dem Auswerfen des Formkörpers erfolgen. Zur Steuerung der Materialeigenschaften, insbesondere der Dichte des Formkörpers, kann zur finalen Formgebung wahlweise nach dem Befüllen der Formhälften der Stempel als obere Formhälfte gegen die untere Formhälfte verschoben werden, um das Material zu verpressen, oder nach dem Urformen in einem weiteren Prozessschritt kalibriert werden. Das ist insbesondere bei steilen Bauteilgeometrien erforderlich, da bei der Befüllung ein ausreichender Füllspalt vorhanden sein muss. Dieser Spalt wird durch teilweise Trennung der Formhälften während des Befüllvorganges erreicht. Die obere Formhälfte ist beispielsweise als Stempel zum Verpressen oder Kalibrieren des Formkörpers vorzugsweise hydraulisch, elektrisch oder mechanisch axial verschiebbar ausgeführt und wahlweise beheizt oder gekühlt und mit einem Auswerfer versehen. Die untere Formhälfte ist als Gesenk zum Auswerfen des Formkörpers wahlweise hydraulisch, elektrisch oder mechanisch axial verschiebbar ausgeführt und wahlweise beheizt oder gekühlt und mit einem Auswerfer versehen.

[0018] Die Innenseite der mehrteiligen Form bestimmt somit die Außenkontur des erzeugten Formköpers, wobei die Naturstofffasern sich an der Innenseite der Form anlagern und gegebenenfalls verdichtet werden, bevor sie durch weitere Wärmezufuhr miteinander verklebt, eventuell weiter verpresst, getrocknet und schließlich als Formkörper aus der Form entnommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei Befüll- und Ent f ormzeiten von 5-20 Sekunden und somit einen wirtschaftlichen Großserienbetrieb.

[0019] Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches aus dem Vorratsbehälter in die Form mithilfe eines im Vorratsbehälter bewegten Fördermittels. Dieses Fördermittel kann etwa mithilfe der oben erwähnten Schnecke, eines Stempels, oder einer Kombination aus einer Schnecke und einem Stempel ausgeführt sein. Hierfür ist die untere Formhälfte über den oben erwähnten düsenähnlichen Abschnitt des Vorratsbehälters so mit dem Vorratsbehälter verbunden, dass das Fördermittel bei einer axialen Förderbewegung durch den Vorratsbehälter und den düsenähnlichen Abschnitt das Gemisch aus dem Vorratsbehälter in die Form fördert. Vorzugsweise ist hierfür die Bewegungsachse des Fördermittels koaxial zur Achse der Form und somit zur Achse des in der Form erzeugten Formkörpers.

[0020] Vorzugsweise handelt es sich bei dem thermoplastischen Bindemittel um thermoplastische Stärke. Stärke ist als Polysaccharid ein natürliches Biopolymer. Als Biopolymer wird ein aus nachwachsenden Rohstoffen, biobasierter und biologisch abbaubarer Polymerwerkstoff bezeichnet. Als Rohstoff für die Erzeugung thermoplastischer Stärke dient pflanzliche Stärke, die vor allem aus Mais, Weizen, Kartoffel oder Tapioka gewonnen wird. Zu ihrer Herstellung wird die Rohmasse von Fasern, Olen und Proteinen gereinigt und für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Die Stärkekörner werden in weiterer Folge in einem Extruder unter Hinzugabe von Wasser durch Hitze und die wirkenden Scherkräften destrukturiert. Durch die Polarität der aufgespaltenen Stärkemoleküle und die Einbindung von Wasser kommt es zur Verkleisterung der Stärkekörner. Das so gewonnene spröde Material kann im Zuge der Verwendung durch natürliche Weichmacher wie Wasser, Sorbit oder Glycerin plastifizierbar gemacht werden, wobei der Schmelzpunkt unterhalb der Siedetemperatur von Wasser liegt. Dadurch kann als Prozessflüssigkeit Wasser verwendet werden. Die Verwendung von thermoplastischer Stärke ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter vollständiger Vermeidung synthetischer Kunststoffe. Der auf diese Weise gefertigte Formkörper ist vollständig biologisch abbaubar. Aber auch bei Verwendung eines synthetischen Bindemittels kann der Anteil synthetischer Stoffe auf einen Anteil von etwa 10-15 Gew.-% des Formkörpers gesenkt werden. Alternativ wäre auch die Verwendung von thermoplastischen Harzen denkbar.

[0021] Beispiele für Naturstofffasern, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet können, sind Fasern von Holz, Baumwolle, Sisal, Flachs, Kenaf, Hanf, Ölleinen und Jute. Vorzugsweise handelt es sich bei den Naturstofffasern um Hanffasern. Hanffasern sind Hohlfasern und eignen sich daher besonders für die erfindungsgemäß vorgesehene Durchtränkung mit Bindemittel und Prozessflüssigkeit. Sie bestehend aus hochfester Cellulose, bei denen viele Elementarfasern über natürliche Klebsubstanzen (Lignin und Pektine) zusammen sehr grobe Bastfaserbündel bilden. Bei einer Aufbereitung zerfasern diese Bündel. Die Hanffaser ist dabei eine der festesten und beständigsten Naturfasern.

[0022] Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figur erläutert. Es zeigt dabei die

[0023] Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrensschemas einer möglichen Ausführungsform für das erfindungsgemäße Verfahren.

[0024] In einem ersten Zerkleinerungsschritt werden die Naturstofffasern über eine Einfüllöffnung 1 in Form von beispielsweise Hanfstrohballen H einer ersten Zerkleinerungsvorrichtung 2 im lufttrockenen Zustand zugeführt. Diese erste Zerkleinerungsvorrichtung 2 ist etwa als Schredder oder Häcksler ausgeführt und zerkleinert das zugeführte Fasermaterial auf durchschnittliche Faserlängen von 10-50mm. Das zerkleinerte Fasermaterial wird der ersten Zerkleinerungsvorrichtung 2 entnommen und über eine Förderstrecke 12 beispielsweise durch Förderung in einem Luftstrom einem Mischer 5 zugeführt. In der Fig. 1 ist ferner eine Zufuhreinrichtung 3 angedeutet, über die den zerkleinerten Naturstofffasern ein thermoplastisches Bindemittel B beigemengt wird, das in einen fließfähigen Zustand versetzt wurde. Die Beimengung kann etwa durch Bedüsung der im Luftstrom geförderten Naturstofffasern mit dem zuvor thermisch geschmolzenen Bindemittel B erfolgen, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 angedeutet ist, oder durch die Beimengung von Bindemittel B als festes Granulat im trockenen oder feuchten Zustand, das im Mischer 5 durch Erhitzen geschmolzen und so in den fließfähigen Zustand versetzt wird. Zusätzlich erfolgt die Beimengung einer Prozessflüssigkeit P, beispielsweise Wasser, über eine Befüll- und Dosiereinrichtung 4 zum Mischer 5, wobei im Mischer 5 eine Erhitzung des Gemisches auf eine Temperatur erfolgt, die oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Bindemittels B liegt, aber unterhalb des Siedepunktes der Prozessflüssigkeit P. Bei Verwendung einer thermoplastischen Stärke als Bindemittel B und Wasser als Prozessflüssigkeit P beträgt die Temperatur des Gemisches im Mischer 5 etwa 95°C.

[0025] Der Mischer 5 ist zudem als zweite Zerkleinerungseinrichtung ausgeführt, indem beispielsweise Messerzerkleinerer im Mischer 5 rotieren. Auf diese Weise findet gleichzeitig zur Durchmischung ein zweiter Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der mit dem thermoplastischen Bindemittel B und der Prozessflüssigkeit P vermengten Naturstofffasern im Mischer 5 statt. Die Naturstofffasern werden dabei im Gemisch mit der Prozessflüssigkeit P und dem Bindemittel B durchfeuchtet, sodass ihr spezifisches Gewicht erhöht und ihre Komprimierbarkeit verringert wird. Die Naturstofffasern lassen sich somit auf durchschnittliche Faserlängen von 0.5-1mm weiter zerkleinern.

[0026] Die reduzierte Komprimierbarkeit ermöglicht ein anschließendes mechanisches oder hydromechanisches Fördern mit Schnecken, Kolben oder Stempel in einer dem Mischer 5 nachgeordneten Fördereinrichtung 6. In der Fördereinrichtung 6 erfolgt eine Vortrocknung des Gemisches bestehend aus den zerkleinerten Naturstofffasern, dem Bindemittel B und der Prozessflüssigkeit P mittels einer geeigneten Heizeinrichtung wie einem Durchstoßofen oder Heizspiralen. Im Zuge der Vortrocknung wird das Gemisch auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb des Siedepunktes der Prozessflüssigkeit P liegt. Auf diese Weise wird Prozessflüssigkeit dem Gemisch entzogen, sodass der Anteil des Bindemittels innerhalb und außerhalb der Naturstofffasern erhöht wird. Der Entzug an Prozessflüssigkeit P erfolgt wohldefiniert, sodass am Ende der Fördereinrichtung 6 und somit der Vortrocknung ein vorgegebener Zielwert für die Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches erreicht wird. Die Restfeuchte kann dabei unter 30% betragen, aber auch deutlich darunter liegen, beispielsweise unter 15% oder noch kleinere Werte annehmen. Eine verbleibende Restfeuchte begünstigt eine homogene Wärmeverteilung im Gemisch im an-

schließenden Vorratsbehälter und gewährleistet dadurch ein homogenes Ausgangsmaterial für den nachfolgenden formgebenden Schritt. Durch Variation der Restfeuchte und somit des Anteils des Bindemittels am Gemisch kann die Härte des erzeugten Formkörpers eingestellt werden, um einen zu ersetzenden Kunststoff entsprechend nachzuahmen.

[0027] Das vorgetrocknete Gemisch erreicht den Vorratsbehälter 7 mit einer Temperatur von etwa 95 °C und wird in einem Vorratsbehälter 7 gesammelt, wo es entsprechend temperiert wird, um ein Abkühlen des Gemisches im Vorratsbehälter 7 zu vermeiden. Der Vorratsbehälter 7 weist ferner einen düsenähnlichen Abschnitt 9 auf, sowie Fördermittel 8, die als Schnecke, Kolben oder einer Kombination aus beidem ausgeführt sein können. Mithilfe der Fördermittel 8 erfolgt die Zuführung des Gemisches aus dem Vorratsbehälter 7 über den düsenähnlichen Abschnitt 9 in eine zweiteilige Form 10,11. Die Zuführung des Gemisches in die Form erfolgt bei Verwendung einer thermoplastischen Stärke vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 110°C und 170°C, sodass das Gemisch entsprechend zu erhitzen ist. Die untere Formhälfte 11 ist über den düsenähnlichen Abschnitt 9 des Vorratsbehälters 7 so mit dem Vorratsbehälter 7 verbunden, dass das Fördermittel 8 bei einer axialen Förderbewegung durch den Vorratsbehälter 7 und den düsenähnlichen Abschnitt 9 das Gemisch aus dem Vorratsbehälter 7 in die Form 10,11 fördert. Vorzugsweise ist hierfür die Bewegungsachse des Fördermittels 8 koaxial zur Achse der Form 10,11 und somit zur Achse des in der Form 10,11 erzeugten Formkörpers. Die axiale Verschiebung des Fördermittels 8 kann dabei hydraulisch, elektrisch oder mechanisch erfolgen. Der düsenähnliche Abschnitt 9 ist bereits an die Formkörperkontur angepasst und ist vorzugsweise beheizt ausgeführt.

[0028] Eine obere Formhälfte 10 der zweiteiligen Form 10,11 ist beispielsweise als Stempel zum Verpressen oder Kalibrieren des Formkörpers vorzugsweise hydraulisch, elektrisch oder mechanisch axial verschiebbar ausgeführt und wahlweise beheizt oder gekühlt und mit einem Auswerfer versehen. Die untere Formhälfte 11 der zweiteiligen Form 10,11 ist als Gesenk zum Auswerfen des Formkörpers wahlweise hydraulisch, elektrisch oder mechanisch axial verschiebbar ausgeführt und ebenfalls wahlweise beheizt oder gekühlt und mit einem Auswerfer versehen.

[0029] Der formgebende Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch erfolgt mithilfe einer thermischen Trocknung des Gemisches beispielsweise durch Erhitzen der oberen Formhälfte 10 und/oder der unteren Formhälfte 11 auf eine Temperatur von 120°-170°C. Das Abkühlen des Formkörpers erfolgt wahlweise durch Kühlung der oberen Formhälfte 10 und/oder der unteren Formhälfte 11. Bei besonders kurzen Prozesszeiten kann das Trocknen und/oder Abkühlen auch in einer weiteren, nachgelagerten Abkühl- und Trocknungsphase nach dem Auswerfen des Formkörpers erfolgen. Zur Steuerung der Materialeigenschaften, insbesondere der Dichte des Formkörpers, kann zur finalen Formgebung wahlweise nach dem Befüllen der Form 10,11 der Stempel als obere Formhälfte 10 gegen die untere Formhälfte 11 verschoben werden, um das Material zu verpressen, oder nach dem Urformen in einem weiteren Prozessschritt kalibriert werden. Das ist insbesondere bei steilen Bauteilgeometrien erforderlich, da bei der Befüllung ein ausreichender Füllspalt vorhanden sein muss. Dieser Spalt wird durch teilweise Trennung der oberen Formhälfte 10 und der unteren Formhälfte 11 während des Befüllvorganges erreicht.

[0030] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vor allem auch dünnwandige Formkörper hergestellt werden, da das Gemisch aus stark zerkleinertem Fasermaterial sehr homogen hergestellt werden kann und das Fasermaterial dem Formkörper dennoch eine gewisse Elastizität und hohe Formbeständigkeit verleiht, ohne dabei auf synthetische Additive wie etwa Weichmacher und dergleichen zurückgreifen zu müssen. Dünnwandige Formkörper können zudem schnell erhitzt und abgekühlt werden, sodass kurze Prozesszeiten erzielt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit zur Massenfertigung und ist dadurch eine kommerziell interessante Alternative zur Verwendung von synthetischen Kunststoffen. Falls synthetische Bindemittel B verwendet werden, gelingt immer noch eine Reduktion der synthetischen Anteile des Formkörpers auf etwa 10-15 Gew.-%. Bei Verwendung biologisch abbaubarer Bindemittel B wie etwa thermoplastische Stärke kann ein Formkörper erzeugt werden, bei dem zur Gänze auf synthetische Kunststoffe verzichtet werden kann. Hinsichtlich der Härte, Zerreißfestigkeit oder Reibbeständigkeit können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gängige Kunststoffmaterialien

gut nachgebildet werden. Lediglich die Haltbarkeit der Formkörper insbesondere gegenüber der biologischen Zersetzung ist reduziert, was einen durchaus gewünschten Effekt darstellt, da sie dadurch nach dem Gebrauch biologisch leicht abbaubar sind. Für viele Güter des täglichen Gebrauches ist eine lange Haltbarkeit ohnehin nicht entscheidend, da sie zumeist lediglich einmaligem und kurzem Gebrauch unterliegen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit einen guten Ansatz zur Bewältigung der Entsorgungsproblematik von Kunststoffen durch deren Vermeidung in der Fertigung.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Gemisch enthaltend Naturstofffasern und ein thermoplastisches Bindemittel (B) umfassend einen ersten Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der Naturstofffasern, einen Vermischungsschritt unter Beimengung des durch Erhitzen in den fließfähigen Zustand versetzten thermoplastischen Bindemittels (B) sowie einer Prozessflüssigkeit (P) zu den zerkleinerten Naturstofffasern und einen formgebenden Schritt zur Formung des Formkörpers aus dem Gemisch mithilfe einer Form (10,11) und thermischer Trocknung, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zerkleinerungsschritt zur Zerkleinerung der mit dem thermoplastischen Bindemittel (B) und der Prozessflüssigkeit (P) vermengten Naturstofffasern erfolgt, und nach dem zweiten Zerkleinerungsschritt eine Vortrocknung des Gemisches auf einen vorgegebenen Zielwert für die Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches vorgenommen wird, und das vorgetrocknete Gemisch in einem Vorratsbehälter (7) gesammelt wird, aus dem die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches in die Form (10,11) als Teil des formgebenden Schrittes erfolgt, wobei die Zuführung des vorgetrockneten Gemisches aus dem Vorratsbehälter (7) in die Form (10,11) mithilfe eines im Vorratsbehälter (7) bewegten Fördermittels (8) erfolgt, das als Schnecke, als Stempel, oder als Kombination aus einer Schnecke und einem Stempel ausgeführt ist.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zerkleinerungsschritt eine Zerkleinerung der Naturstofffasern auf eine durchschnittliche Faserlänge von 0.5Imm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vortrocknung des Gemisches auf einen Zielwert von unter 30% Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vortrocknung des Gemisches auf einen Zielwert von unter 15% Restfeuchte des vorgetrockneten Gemisches vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermoplastischen Bindemittel (B) um thermoplastische Stärke handelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessflüssigkeit (P) um Wasser handelt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Naturstofffasern um Hanffasern handelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen