DE4446054A1

DE4446054A1 - Hochfester Faden aus nachwachsenden Rohstoffen

Info

Publication number: DE4446054A1
Application number: DE4446054A
Authority: DE
Inventors: Juergen Loercks; Winfried Pommeranz; Harald Schmidt; Helge Schimmoeller
Original assignee: BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
Current assignee: BioTec Biologische Naturverpackungen GmbH and Co KG
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-06-27

Description

Die Erfindung betrifft hochfeste Fäden bzw. Fasern, wie sie beispielsweise für besonders haltbare Gewebe, Seile oder Netze verwendet werden, sowie ein Verfahren zu deren Her stellung.

Bei der Herstellung z. B. von Chemiefasern ist es bekannt, diese direkt aus einer Schmelze oder über mehrere Zwischen schritte zu Fäden zu verspinnen und anschließend zur Erhö hung der Festigkeit zu verstrecken. Aus der Kunststoffindu strie ist ferner das Recken von synthetischen thermoplasti schen Werkstoffen bekannt. Alle diese Kunststoffasern ent halten jedoch wesentliche Anteile nicht vollständig biolo gisch abbaubarer Bestandteile, die zur Erzielung bestimmter Eigenschaften beigefügt werden.

Aus der WO 90/05161 ist es bekannt, eine thermoplastisch verarbeitbare Stärke mit Hilfe üblicher Kunststoffverarbei tungsverfahren zu verarbeiten, sowie aus einer derartigen Stärke Fasern herzustellen, wobei die Fasern jedoch eben falls nicht oder nicht vollständig biologisch abbaubare Be standteile enthalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, vollständig biologisch abbau bare Fäden bzw. Fasern mit sehr guter mechanischer Belast barkeit herzustellen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, hochfeste Fäden bzw. Fasern aus einem Extrudat einer thermo plastisch verarbeitbaren Stärke und gegebenenfalls einer biologisch abbaubaren Polymermischung auf Basis einer ther moplastischen Stärke herzustellen. Ein erfindungsgemäßer hochfester Faden ist somit vollständig biologisch abbaubar. Die in einem Extruder modifizierten Ausgangsstoffe werden als Folie ausgetragen und in Fäden geschnitten oder direkt als Fäden ausgetragen, zur Erhöhung ihrer Festigkeit ver streckt und anschließend aufgespult oder in einem In-Line- Verfahren direkt zu Geweben oder dgl. weiterverarbeitet. Die optimalen Verarbeitungstemperaturen der erfindungsgemäßen Fäden, insbesondere während dem Verstrecken liegen bei ca. 30 bis 40°C und sind damit wesentlich niedriger als die von synthetischen thermoplastischen Werkstoffen, deren Verarbei tungstemperatur üblicherweise bei 100°C liegt. Während dem Verstrecken bei ca. 30 bis 40°C erhalten die Makromoleküle eine Orientierung, die eine Erhöhung der Reißfestigkeit, Zu nahme der Transparenz und eine Erhöhung der Stabilität gegen Einwirkung von Wasser und Wasserdampf bewirkt. Überraschenderweise nimmt durch diese Behandlung die maximale Reißkraft des Fadens um etwa eine Zehnerpotenz zu im Vergleich zu einem ungereckten Faden mit gleichem Querschnitt. Ebenfalls überraschenderweise nimmt die Dehnfähigkeit des Fadens aus nachwachsenden Rohstoffen nach dem Reckvorgang um ca. eine Zehnerpotenz ab. Vorteilhaft ist ferner, daß derartige Fo lien und Fäden antistatische Eigenschaften besitzen und leitfähig sind.

Nachfolgend soll die Erfindung näher erläutert werden: Die in einem Extruder modifizierte Mischung der Ausgangsstoffe aus thermoplastisch verarbeitbarer Stärke und einer biolo gisch abbaubaren Polymermischung auf Basis einer thermopla stischen Stärke kann zunächst zu einer Folie verarbeitet, wie beispielsweise in DE-B-42 28 016 beschrieben, und an schließend in Fäden geschnitten und verstreckt werden, oder direkt in einem In-Line-Verfahren über eine Mehrlochdüse als Einzelfäden extrudiert, wie in DE-C-43 17 696 beschrieben, und direkt anschließend verstreckt werden. Das Verstrecken der Fäden erfolgt monoaxial bei Raumtemperatur oder bei Tem peraturen bis maximal 60°C, vorzugsweise jedoch bei 30 bis 40°C an der Luft oder in einem anderen Medium, z. B. in einem Streckbad aus Wasser und/oder Lösungsmittel oder auch in einem anderen gasförmigen Medium. Das Verstreckungs- bzw. Reckverhältnis liegt im wesentlichen zwischen 1 : 4 und 1 : 20, vorzugsweise bei 1 : 8.

Bei der Extrusion der Ausgangsstoffmischung als Folie bieten sich folgende Möglichkeiten der Weiterverarbeitung an: Di rekt hinter einer Folienextrusionsanlage (Blas- oder Flach folie) wird die Folie kontinuierlich In-Line in einzelne Fä den geschnitten, die entstehenden Fäden anschließend nach den obigen Verfahrensparametern In-Line verstreckt und ein zeln als reißfeste Bändchen auf Spulen aufgewickelt. Die so entstandenen biologisch abbaubaren Bändchen können in Bänd chenform direkt eingesetzt werden, oder aber auf einer wei teren Maschine ausgehend von den gewickelten Einzelspulen einstufig zu Geweben, Netzen, Textilien oder Seilen weiter verarbeitet werden. Außerdem lassen sich aus den entstan denen Einzelspulen in einem zweistufigen Verfahren über den Zwischenschritt des Bäumvorganges besagte Gewebe, Netze, Textilien oder Seile herstellen.

Weiterhin kann das Folienausgangsmaterial als Rollenware in einem Arbeitsgang zu Fäden geschnitten, diese In-Line nach obigen Verfahrensparametern verstreckt und zusammen aufge bäumt werden. Die entstehenden Kettbäume, bestehend aus einer Vielzahl von reißfesten Einzelfäden, lassen sich dann in einem weiteren Arbeitsgang zu Geweben, Netzen, Textilien oder Seilen verarbeiten.

Ebenso kann eine nach obigen Verfahrensparametern monoaxial verstreckte Folie als Ausgangsmaterial (als Rollenware) ver wendet werden. Diese Folie wird auf einer Maschine in einem Arbeitsgang zu einzelnen reißfesten Fäden geschnitten und zu Geweben, Netzen, Textilien oder Seilen verarbeitet oder als Bändchen einzeln aufgespult.

Nach einer weiteren Verarbeitungsmöglichkeit wird das Fo lienausgangsmaterial in Rollenform in einem Arbeitsgang zu Fäden geschnitten, nach obigen Verfahrensparametern ver streckt und anschließend In-Line auf der gleichen Maschine zu Geweben, Netzen, Textilien oder Seilen verarbeitet oder als Bändchen einzeln aufgespult.

Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Fäden sollen zunächst anhand von durchgeführten Folienzugversuchen verdeutlicht werden. Ein Folienstreifen, hergestellt aus einem biologisch abbaubarem Werkstoff aus einer thermopla stischen Stärke und einem abbaubaren aliphatischen Polyester (BIOFLEX BF 102) mit den Abmessungen Länge/Breite/Dicke von 50 mm/2 mm/0,025 mm wurde im Verhältnis 1 : 8 bei einer Tempe ratur von 35°C verstreckt. Während mehrerer Zugversuche wurde festgestellt, daß die Reißfestigkeit bzw. Zugfestig keit dieses Folienstreifens bei einer aufgebrachten Reiß kraft von 12,8 bis 14,8 N zwischen 216 und 250 N pro mm² liegt. Demgegenüber beträgt die Reißfestigkeit eines ver gleichsweise getesteten nicht verstreckten Folienstreifens bei einer Reißkraft von 1,3 bis 1,9 N. nur ca. 25,1 bis 38,1 N pro mm². Folgende durchgeführte Folienzugversuche 1 und 2 verdeutlichen diese Ergebnisse anhand der jeweils dazugehö rigen Fig. 1 und 2 für verstreckte Fäden, wobei h die Probendicke, A_O die Probenquerschnittsfläche, F_max die maxi male Reißkraft des Probenstreifens, δ_max die maximale Reiß festigkeit bezogen auf die Probenquerschnittsfläche, S-(F_max) der Dehnungsbetrag der Probe in mm und ε-(F_max) die Dehnung in % der ursprünglichen Meßlänge sind. Der Ver gleichsversuch 3 zeigt anhand der Fig. 3 die Ergebnisse bei Zugbeanspruchung nicht verstreckter Fäden, wobei zusätzlich die Zugkraft, bei der die Dehnung beginnt (F_Dehnung) und die dabei wirkende Streckspannung ermittelt wurden.

1. Folienzugversuch mit verstreckter Folie Versuchsparameter

Probenbreite 2 mm
Meßlänge 50 mm (entspricht Abstand der Druckplatten)
Vorkraft bei Beginn der Messung 0,2 N
Bruchkriterium 2 N
Geschwindigkeit bis Vorkraft 500 mm/min
Prüfgeschwindigkeit 500 mm/min
Alle drei Proben wurden bei einer Temperatur von 35°C im Verhältnis 1 : 8 verstreckt.

Versuchsergebnisse

2. Folienzugversuch mit verstreckter Folie Versuchsparameter

Die Versuchsparameter entsprechen denen des 1. Folienzugver suchs.

Versuchsergebnisse

3. Folienzugversuch mit ungestreckter Folie Versuchsparameter

Die Versuchsparameter entsprechen denen des 1. Folienzugver suches.

Versuchsergebnisse

Wie die Versuche zeigen, können die erfindungsgemäßen Fasern bzw. Fäden mit Hilfe eines sonst bei der Herstellung von Chemiefasern üblichen Streckverfahrens bearbeitet werden. Das Verstrecken der Fäden ist bereits bei 35°C sehr effektiv und verbessert die Reißfestigkeit beträchtlich. Ferner kann die gesamte Herstellung der Fäden einschließlich des Ver streckens in einem kontinuierlichen und einstufig ablaufen den Verfahren erfolgen. Die erfindungsgemäßen Fäden bzw. Fa sern aus vollständig biologisch abbaubaren Werkstoffen eig nen sich beispielsweise bei deren Herstellung als Bändchen und/oder Monofile als Endprodukt für Anwendungen in Land schafts- und Gartenbau (Pflanzenbändchen o. ä.), als Ver packungsmaterial (Verpackungsschnüre und -bänder o.a.) oder als Zwischenprodukt auf Kettbäumen oder Einzelspulen zur Weiterverarbeitung zu vollständig biologisch abbaubaren Net zen, Geweben, Textilien oder Seilen. Ferner können besonders feste, vollständig biologisch abbaubare Fasern und/oder Seile durch Verdrillen oder Flechten der Bändchen/Monofilen hergestellt werden. Diese besonders festen Bänder und/oder Seile lassen sich zu Netzen, Geweben und Textilien aller Art weiterverarbeiten.

Anwendungen für Produkte dieser Art sind beispielsweise:

- Verpackungssäcke (Raschel- bzw. Netzsäcke usw.) mit offe nen oder halbdichten oder dichten Strukturen für z. B. Kar toffeln, Zitrusfrüchte, Zwiebeln, usw., Spielzeug, Haus haltwaren sowie andere Produkte aller Art,
- Leichtschutzzäune für Bäume oder Pflanzen aller Art bei Aufforstungen/Neupflanzungen im Forstbereich oder Garten bau, z. B. gegen Wildverbiß oder als Erosionsschutz,
- Fliegenschutznetze für Türen und Fenster oder Moskito netze,
- Baumverpackungen (z. B. Tannenbäume usw.) und Netze für Wurzelballen im Garten- und Landschaftsbau,
- reißfeste Abfallsäcke,
- Filtergewebe aller Art,
- schweißbare Banderolierungen in Form von Aufreißbandero len, Umreifungsbanderolen o.a.,
- Netze im Sportbereich (Badminton, Tischtennis, Volleyball o. ä.),
- Gittergewebe für Heimtierhaltung, z. B. Kaninchenställe, Taubenverschläge usw.,
- Schutznetze aller Art, z. B. für Personenschutz, Stein schlagschutz, Erosionsschutz, auch im Weinbergbau, in der Landwirtschaft und im Gartenbau,
- Netzrollenware für Baumärkte usw. (Heimwerkerbedarf),
- Produkte für Fischzucht und Fischerei/Binnenfischerei,
- Textilien aller Art z. B. Tischdecken, Windschutz, Sonnen schutz, Abdeckplanen, Markisen, usw.
- Agrotextilien, z. B. Bodenabdeckungen zur Ernteverfrühung, Wind- und Sonnenschutz,
- Fasern als Trockenvlies (air layed paper),
- Thermobonded Vliesstoffe,
- textiles Verpackungsband z. B. für Kartonumreifung, Palet tenumreifung usw.,
- Schutzkleidung oder Einwegkleidung in Reinsträumen, z. B. Hauben, Handschuhe, Schuhüberzüge, Overals und Kittel.

Weitere Vorteile von Folien und Fäden aus nachwachsenden Rohstoffen insbesondere aus thermoplastischer Stärke und ab baubaren Polymermischungen auf Basis thermoplastischer Stärke sind deren antistatische Eigenschaften und Leitfähig keit. Dies soll anhand von Messungen des Oberflächenwider standes verdeutlicht werden. Als Erfahrungswert gilt, daß Werkstoffe mit einem Oberflächenwiderstand unter 10¹¹ Ω, ge messen nach DIN 53482, keine störenden oder gefährlichen elektrostatischen Aufladungen erfahren.

Gemessen wurde der Oberflächenwiderstand nach DIN 53482 mit dem Hochohm-Meßgerät Typ HM 307, Hersteller FETRONIC, Lan genfeld.

Meßergebnisse:
bei 50% relativer Feuchtigkeit und 20°C:
BIOFLEX BF 102: 3 × 10⁸ Ω
BIOFLEX BF 102: 6 × 10⁸ Ω
bei 30% relativer Feuchtigkeit und 20°C:
BIOFLEX BF 102: 10 × 10⁹ Ω
BIOFLEX BF 102: 10 × 10⁹ Ω

Eine handelsübliche antistatische Folie, die vergleichsweise geprüft wurde, erreichte folgende Oberflächenwiderstands werte:

bei 50% relativer Feuchtigkeit und 20°C: 3 × 10⁸ Ω
bei 30% relativer Feuchtigkeit und 20°C: 10 × 10⁹ Ω

Durch diese besonderen antistatischen Materialeigenschaften sind Erzeugnisse auf Basis thermoplastischer Stärken beson ders geeignet für nachfolgend aufgeführte Anwendungen:

- als Verpackungsmaterial und Werkstoff zur Verhinderung von statischen Aufladungen,
- bei elektrischen und elektronischen Geräten, Erzeugnissen und Bauteilen,
- bei explosiven, leichtentzündlichen und brennbaren Mate rialien und Erzeugnisse z. B. Big bag-Folieninnensäcken für pulverförmige Produkte, um Staubexplosionen beim Befüllen und Entleeren zu verhindern und
- Packstoffe und Werkstoffe für Feuerwerkskörper und Spreng stoffe.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäßen Fäden im textilen Bereich ist deren Verarbeitung zu Windel produkten. Eine solche vollständig biologisch abbaubare Win del kann wie folgt aufgebaut sein.

Die äußere Hülle bildet eine biologisch abbaubare Folie, wie sie beispielsweise in DE-B-42 28 016 beschrieben ist, die auf eine weiche Zellstoffschicht aufkaschiert ist. Weitere weiche Zellstoffschichten, die SAP-Produkte (Superabsorber als Stärkepfropfpolymere) enthalten und stark wasserauf saugend eingestellt sind, werden eingebracht. Der Innenkern besteht aus einem Vlies aus bioabbaubarem Material. Die Win del in dem vorbezeichneten Aufbau kann mit hoher Produk tionsgeschwindigkeit hergestellt werden, weil die Vorproduk te als Rollenware vorliegen und das Zusammenbringen der ein zelnen Schichten durch Siegelvorgänge erfolgt. Durch z. B. Stanzen wird die Windelform und -größe aus dem Rollenmate rial hergestellt. Die Fixierung der Ränder und der Gummifä den am elastischen Bein- und Bauchabschluß erfolgt durch eine Heißsiegelung. Haftklebestreifen oder Klettverschlüsse werden zur Befestigung des Windelvorderteils mit dem Rücken teil verwendet.

Die erfindungsgemäßen Fäden bzw. Fasern können auch selbst als lockere Materialien wie Spinnfasern oder Filamantfasern hergestellt und zu Vliesstoffen, Filzen und Textilverbunden verarbeitet werden. Die Verfestigung der Faservliese erfolgt durch Vernadeln, Vermaschen, Verwirbeln, Schmelzen oder Sie geln der Fasern. Die Vliese können auch durch zusätzliche Fäden, Gewebe oder Gewirke verstärkt werden, z. B. gleichar tigen oder ungleichartigen abbaubaren Materialien, wie z. B. Cellulosefasern, Pflanzenfasern aus Baumwolle, Kapok, Sisal, Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Ramie, Kokos und Fasern aus Wolle oder Seide. Diese vorgenannten Vliese, Filze und Textilver bunde können verwendet werden zur Herstellung von Filtern, Kunstleder, Wegwerfartikeln wie Staubtücher, Putztücher, Windeln, als Isoliermaterial für technische oder Konfek tionstextilien wie z. B. Schutzkleidung.

Weitere Textilien, textile Halb- und Fertigfabrikate und daraus hergestellte Fertigwaren sind beispielsweise linien förmige Gebilde wie Garne, Leinen, Bindfäden, Schnüre, Seile, Zwirne; flächenförmige Gebilde wie Klebewaren, Filze, Nadelfilze, Wirk- und Strickwaren oder voluminöse Gebilde wie Flocken, Watten, Filtermatten und Polierwatten.

Claims

1. Hochfester Faden aus nachwachsenden Rohstoffen, her stellbar aus einem Extrudat einer thermoplastisch verar beitbaren Stärke und gegebenenfalls einer biologisch ab baubaren Polymermischung auf Basis thermoplastischer Stärke und durch Verstrecken.

2. Hochfester Faden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Extrudat eine Folie ist, die in Fäden ge schnitten wird.

3. Verfahren zur Herstellung hochfester Fäden aus nachwach senden Rohstoffen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) kontinuierliches Extrudieren einer thermoplastisch verarbeitbaren Stärke und gegebenenfalls einer bio logisch abbaubaren Polymermischung auf Basis thermo plastischer Stärke als Folie,
b) Zerschneiden der Folie in Fäden,
c) Verstrecken der Fäden mit einem Streckverhältnis von 1 : 4 bis 1 : 20 und
d) Aufspulen der Fäden und gegebenenfalls Weiterverar beitung zu Geweben oder dergleichen.

4. Verfahren zur Herstellung hochfester Fäden aus nachwach senden Rohstoffen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) kontinuierliches Extrudieren einer thermoplastisch verarbeitbaren Stärke und gegebenenfalls einer bio logisch abbaubaren Polymermischung auf Basis thermo plastischer Stärke als Faden
b) Verstrecken der Fäden mit einem Streckverhältnis von 1 : 4 bis 1 : 20 und
c) Aufspulen der Fäden und gegebenenfalls Weiterverar beitung zu Geweben oder dergleichen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß das Verstrecken bei Temperaturen unter 60°C vorzugsweise bei 30 bis 40°C erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verstrecken in einem gasförmigen oder flüssigen Medium erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden in Luft oder Wasser verstreckt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verstreckung monoaxial erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verfahrensschritte a) bis d) bzw. a) bis c) kontinuierlich und einstufig ablaufen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fäden nach dem Verstrecken konti nuierlich und einstufig direkt zu Geweben oder derglei chen weiterverarbeitet werden.

11. Verwendung hochfester Fäden nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Endprodukt im Landschafts- und Gartenbau und/oder als Verpackungsmaterial oder zur Herstellung vollständig biologisch abbaubarer Netze, Gewebe, Filze, Vliese, Flocken, Watten, Textilien oder Seile mit offe nen, halbdichten oder dichten Strukturen.