DE69525899T2 - Formteile aus expandierte Stärke und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft expandierte oder geschäumte geformte Stärkeprodukte, die durch Extrusion unter ausgewählten Bedingungen unter Verwendung von Stärkebeschickungsmaterialien hergestellt werden, die eine definierte Partikelgröße aufweisen.
• Stärke, ein in großem Umfang erhältliches Material von bekannter biologischer Abbaubarkeit ist zur Herstellung von geschäumten, filmförmigen und anderen geformten Produkten für verschiedene Verwendungszwecke hergestellt worden, einschließlich ausgewählte Verpackungsverwendungen. Einige dieser Stärkeprodukte und ihre Verwendungen sind in US-A- 5 035 930 und 5 043 196 beschrieben.
• Extrusion ist eine gut bekannte Technik, die in weitem Umfang zum Formen von Plastikmaterialien in verschiedene geschäumte und expandierte Produkte verwendet wird. In letzter Zeit bestand gewachsenes Interesse an der Extrusion von Stärke in expandierte Artikel, wie in den vorher genannten US-Patenten '930 und '196 festgestellt, die die Extrusion von Hochamylosestärke in Verpackungsmaterialien niedriger Dichte offenbaren. Andere Offenbarungen bezüglich der Bildung von Stärkeprodukten durch Extrusion sind in US-A-5 248 702 zu finden, die Verpackungsfüllstoffe betrifft, und in US-A-5 314 754, die die Bildung von geformten Produkten, wie Filme, Stäbe und Blätter, beinhaltet. Eine andere Offenbarung, EP 0 544 234, zeigt das allgemeine Verfahren der Stärkeextrusion. Trotz dieses Extrusionshintergrunds sowie der bekannten Fähigkeit, Stärke bei der Bildung von expandierten Produkten zu verwenden, war es nicht leicht, die Fähigkeit zum Herstellen verschiedener großer gesnapter oder strukturierter Stärkeprodukte, wie flexibler Blätter und steifer Bretter oder Planken, zu erlangen.
• Während dem Auffinden von verschiedenen Stärkezusammensetzungen, einschließlich Kombinationen mit verschiedenen synthetischen Polymeren und Additiven, wie Weichmachern, viel Aufmerksamkeit gewidmet worden ist, wurde dem Extrusionsprozess selbst nur begrenzte Beachtung gewidmet. Die Extrusion und Expansion von Stärke ist nicht nur im Vergleich zu Plastik unterschiedlich, sondern variiert auch in vielerlei Hinsicht, wenn große strukturierte Produkte gebildet werden, im Vergleich zur Bildung von kleineren Produkten, wie Zylindern, Röhren, seilartigen Produkten und dünnen Blättern. Um große geformte Produkte zu bilden, ist die Notwendigkeit, Extruderdüsen verschiedener Formen und Konfigurationen zu verwenden, offensichtlich. Die Fähigkeit zur Herstellung großer expandierter Stärkeprodukte wird jedoch durch die Tatsache kompliziert, dass die meisten Eigenschaften der kleineren geformten Produkten erhalten oder verbessert werden müssen, während verschiedene andere Eigenschaften, wie Flexibilität und/oder Steifigkeit, erzielt werden müssen. Das Verfahren zum Bilden großer strukturierter geschäumter Produkte involviert nicht nur eine Änderung der Konfiguration und Größe, sondern muss auch Probleme und Variationen überwinden, die durch erhöhten Schwellenwert-Durchfluss oder erhöhte Beschickungsgeschwindigkeiten und Änderungen im Verarbeitungsdruck und der Zellstruktur des Produktes ihre Ursache haben.
• Dementsprechend besteht ein Bedarf, ein Verfahren zum Produzieren strukturierter geformter Stärkeprodukte zu definieren, die die notwendigen Eigenschaften, wie Flexibilität oder Steifigkeit, aufweisen und an den nach diesem Verfahren hergestellten Produkten.
• Gerollte Papierartikel, wie Tücher, Tissue und Einwickelpapiere werden typischerweise auf einem gewickelten Papierkernstück gehalten. Das Papierkernstück ergibt die Struktur und dient als Stütze für das gerollte oder gewickelte Papier. Die Wichtigkeit von Umweltschutzüberlegungen hat es in hohem Maße wünschenswert gemacht, Produkte zu verwenden, die entweder biologisch abbbaubar und leicht zu entsorgen oder recyclierbar sind. Während Papier wieder zu Pulpe verarbeitet werden kann und recyclierbar ist, enthalten die Produkte, die Papierkernstücke verwenden, im allgemeinen Kleber oder Leim, der das Verarbeiten im Sinne des Erzeugens einer Pulpe schwierig macht.
• Die im Fachgebiet bekannten, biologisch abbaubaren, Stärke enthaltenden Verpackungsmaterialien werden typischerweise so hergestellt, dass sie wasserfest und nicht wasserdispergierbar sind. Darüber hinaus ist der Herstellung und Produktion von geformten Stärkeartikeln, wie expandierten Kernstückprodukten, die anspruchsvolle Eigenschaften, einschließlich dimensionaler Stabilität und struktureller Festigkeit erfordern, nicht viel Aufmerksamkeit gewidmet worden. Daher verbleibt ein Bedarf an biologisch abbaubaren Produkten, die auch wasserlöslich und wasserdispergierbar sind und darüber hinaus die physikalischen und strukturellen Erfordernisse erfüllen, die in Papierkernstückverwendungen erforderlich sind.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein strukturiertes biologisch abbaubares, geformtes Produkt bereit, das ein expandiertes geschlossenzelliges Stärkeprodukt umfasst, wobei das Produkt durch Extrusion von Stärke gebildet ist, die eine Partikelgröße von 400 bis 1500 um aufweist, wobei das Produkt eine Bulkdichte von 32,04 bis 256,3 kg/m³ (2 bis 16 lb/ft³) aufweist, eine Kompressibilität von 100 bis 800 g/cm² und eine Elastizität von mindestens 20%.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch ein biologisch abbaubares, wasserdispergierbares, geformtes Kernprodukt mit guter dimensionaler Stabilität und guten strukturellen Festigkeitseigenschaften bereit, umfassend ein expandiertes geschlossenzelliges Stärkeprodukt, wobei das Produkt durch Extrusion von Stärke gebildet ist, die eine ausgewählte Partikelgröße von 400 bis 1500 um (Mikron) aufweist, wobei das Produkt eine Bulkdichte von 32,04 bis 250,3 kg/m³ (2 bis 16 lb/ft³), eine Kompressibilität von 100 bis 800 g/cm² und eine Elastizität von mindestens 20% aufweist.
• Die Hauptaufgaben dieser Erfindung bestehen darin, das Bereitstellen von großen geformten oder strukturierten Stärkeprodukten zur Verwendung bei Verpackungen und anderen Verwendungen und von biologisch abbaubaren, wasserdispergierbaren geformten Stärkeprodukten zur Verwendung beim Aufwickeln und Aufrollen und der Lagerung von Papierpartikeln zu ermöglichen. Der Begriff "strukturiertes" Produkt, wie hierin verwendet, betrifft Produkte mit relativ großen Konfigurationen oder Formen, wie breiten und/oder dicken Blättern und Planken. Typischerweise schließt dies Blätter, Planken oder Bretter mit einer Dicke von bis zu mehreren Zoll oder darüber ein und insbesondere bis zu 10, 16 cm (4") und variablen Breiten von bis zu 60,96 cm (24") bis 121,92 cm (48") oder mehr. Blätter, die üblicherweise flexibel sind, weisen typischerweise eine Dicke von bis zu 0,635 cm (1/4") auf, während Planken oder Bretter, die typischerweise steif oder halb steif sind, typischerweise eine Dicke von 0,635 cm (1/4") bis 2,54 cm (1") aufweisen.
• Der Ausdruck "Kernstück"-Produkt, wie hierin verwendet, betrifft Produkte mit relativ großen Konfigurationen oder Formen und beinhaltet Röhren oder Inserts, Spulen und Halter, die für aufgerollte Papierartikel, wie Tücher und Handtücher, verwendet werden und sogar zum Aufrollen und Halten anderer Stoffmaterialien verwendet werden können. Das Mittelstück kann massiv oder röhrenförmig sein und die Dimensionen können in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung und der Art, in der es eingesetzt wird, variieren. Im allgemeinen können Dimensionen von bis zu 7,62 cm (3 Inch) oder mehr, inneren und äußeren Durchmessern und Längen von bis zu 609,6 cm (240") oder mehr verwendet werden. Im Anwendungsgebiet Tücher schließen typische Dimensionen einen inneren Durchmesser von etwa 3,81 cm (1,5") und einen äußeren Durchmesser von etwa 4,45 cm (1,75"), mit einer Länge von etwa 304,8 cm (120") ein. Die genannten Dimensionen hängen von der Verwendung ab und variieren z.B. im Papierbereich in Abhängigkeit von der Aufwickel- und Schneideausstattung, mit der die Verwendung stattfindet.
• Die Bildung von geformten Stärkeprodukten durch Extrusion wird interessanter und ist in der jüngeren Literatur vielfach beschrieben worden, wie bereits vorher festgestellt. Die meisten Offenbarungen betrafen geformte Füllstoffe und zufällig geformte oder kleinere Verpackungsmaterialien, wie in Einzelstücken vorliegende Füllprodukte, manchmal als Erdnüsse (peanuts) bezeichnet, oder sehr schmale Blätter. Die Fähigkeit, dieses Verarbeitungskonzept auf die Bildung von größeren oder ausladenderen geformten Stärkeprodukten, wie für Kernstücke für Papierprodukte, auszudehnen, war keine einfache oder direkte Übertragung der bekannten Technologie. Dies liegt daran, dass die chemische Natur der Stärke sich von den verschiedenen Plastik- und Synthetikmaterialien, wie Styrol und Polyethylen, die seit vielen Jahren in geformte Produkte extrudiert werden, unterscheidet. Zusätzlich bestehen, während die Rheologie der Stärkeextrusion zur Bildung von kleineren losen Füllstoffprodukten in mancher Hinsicht sehr der Extrusion von größeren strukturierten Produkten ähnelt, auch einige Unterschiede und Mängel in einigen Eigenschaften oder Aspekten. In diesem Sinne ist festzustellen, dass die Extrusion von Stärke zur Herstellung von strukturierten geformten Produkten im allgemeinen Düsen mit großen Öffnungen oder erhöhten Querschnittsflächen erfordert. Dies bedeutet einen höheren Durchsatz oder höhere Beschickungsgeschwindigkeiten, um die Erfordernisse hinsichtlich Druck, Befüllgeschwindigkeiten und anderen rheologischen Eigenschaften zu erfüllen, die zur Herstellung von Produkten mit geeigneten Eigenschaften erforderlich sind. Eine signifikante Variation ist die Zellstruktur in dem resultierenden Produkt.
• Um geeignete Extrusionseigenschaften und insbesondere die erforderlichen hohen Beschickungsgeschwindigkeiten und den Schwellenwertdurchsatz bei der Bildung der erwünschten strukturierten und Kernstückstärkeprodukte zu erzielen, ist, wie gefunden wurde, die Partikelgröße der Beschickungsstärke ein wichtiger Faktor. Es wurde gefunden, dass eine signifikant große und definierte Partikelgröße zum Erreichen von günstigen Extrusionsverarbeitungsbedingungen und resultierenden Produkteigenschaften besonders vorteilhaft ist. Die verwendbare Partikelgröße ist groß und wird durch einen Bereich von 400 bis 1500 um (Mikron) und insbesondere von 800 bis 1200 um (Mikron) definiert. Bei Verwendung von Stärkebeschickungsmaterial mit dieser definierten Partikelgröße waren die Extrusionsverarbeitungsbedingungen einschließlich der Beschickungsgeschwindigkeit und dem Beschickungsdruck sowie die erforderliche Zellstruktur in dem geformten Produkt besonders gut erreichbar, um die strukturierten und Kernstückprodukte mit geeigneten Charakteristika zu erhalten.
• Um das Stärkebeschickungsmaterial mit der erfindungsgemäß erforderlichen Partikelgröße zu erhalten, kann ein als kompaktes Granulieren bekanntes Verfahren, das üblicherweise als Chilsonating bezeichnet wird, verwendet werden. Andere Verfahren zum Erhalten der erwünschten Stärkepartikelgröße können auch verwendet werden, vorausgesetzt, dass im wesentlichen das gesamte Stärkebeschickungsmaterial innerhalb des vorgeschriebenen Größenbereichs liegt.
• Ein anderes Merkmal, das die Verarbeitung und die Eigenschaften des resultierenden strukturierten Stärkeproduktes verbessert, ist die Zugabe eines Nucleierungsmittels oder Salzes zum Ausgangsstärkebeschickungsmaterial. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn Düsen erhöhter oder großer offener Flächen oder Durchmesser verwendet werden und verbessert insbesondere die Zellstrukturen der expandierten Produkte. Verschiedene Nucleierungsmittel oder Salze können auf diese Weise verwendet werden, einschließlich aller anorganischen, wasserlöslichen Salze oder Mischungen daraus und insbesondere ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz, wie Natriumsulfat und Natriumchlorid. Andere Nucleierungsmittel, wie Mikrotalk, können verwendet werden, aber die Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalze sind bevorzugt. Die Menge an verwendetem Nucleierungsmittel hängt von den jeweiligen Verarbeitungsbedingungen und von den gewünschten Dimensionen des extrudierten Produktes ab, wobei mindestens 1%, insbesondere zwischen 1 bis 8% und vorzugsweise von 1 bis 6 Gew.-% des Nucleierungsmittels verwendet werden, bezogen auf das Gewicht der Stärke in der Beschickungszusammensetzung. Bei der Herstellung von flexiblen Blättern wurde gefunden, dass die Verwendung von 2 bis 5 Gew.-% eines Nucleierungsmittels wünschenswert ist und bei steifen oder halbsteifen Planken wurde es als wünschenswert gefunden, 1 bis 3 Gew.-% eines Nucleierungsmittels zu verwenden. Es wurde gefunden, dass größere Mengen Nucleierungsmittel im allgemeinen bei Verwendung von großen Düsenöffnungen vorteilhaft sind, die zur Herstellung von strukturierten Stärkeprodukten notwendig sind. Es wurde darüber hinaus festgestellt, dass das Nucleierungsmittel oder Salz der Stärkebeschickung zugesetzt werden kann oder unter bestimmten Umständen als Restsalz oder Aschegehalt in der bereits hergestellten Stärke vorliegen kann. Die Kombination aus definierter Stärkepartikelgröße und der Zugabe eines Nucleierungsmittels, wie hierin definiert, wurde als besonders vorteilhaft für die Herstellung der erfindungsgemäßen strukturierten Schaumstärkeprodukte gefunden.
• Das in dieser Erfindung verwendbare Ausgangsstärkematerial kann eine von mehreren Stärken sein, nativ oder umgesetzt. Solche Stärken schließen die aus irgendeiner pflanzlichen Quelle ein, einschließlich Mais, Kartoffel, Weizen, Sago, Tapioka, Wachsmais, Sorghum, und Hochamylosestärke, d.h. mit mindestens 40 Gew.-% und insbesondere mindestens 65 Gew.-% Amylosegehalt, wie Hochamylosemais usw. Als Stärkequelle können auch Stärkemehle verwendet werden. Die von irgendeiner der vorhergehenden Basisstoffe abgeleiteten Umsetzungsprodukte, z.B. durch hydrolytische Reaktion mit Säure und/oder Hitze hergestelltes Dextrin, oxidierte Stärken, hergestellt durch Behandlung mit Oxidationsmitteln, wie Natriumhypochlorit, fluiditäts- oder dünnkochende Stärken, hergestellt durch Enzymkonversion oder milde Säurehydrolyse, und derivatisierte und vernetzte Stärken sind ebenfalls einbezogen.
• Besonders verwendbar in der Erfindung sind modifizierte Stärken. Mit modifiziert ist gemeint, dass die Stärke durch typische im Stand der Technik bekannte Verfahren, z.B. Veresterung, Veretherung, Oxidation, saure Hydrolyse, Vernetzung und Enzymkonversion, derivatisiert oder modifiziert sein kann. Typischerweise schließen modifizierte Stärken Ester, wie Acetat und Halbester von Dicarbonsäuren, insbesondere der Alkenylbernsteinsäuren; Ether, wie Hydroxyethyl- und Hydroxypropylstärken, und mit hydrophoben kationischen Epoxiden zur Reaktion gebrachte Stärken; mit Hypochlorit oxidierte Stärken; mit Vernetzungsmitteln, wie Phosphoroxychlorid oder Epichlorhydrin, zur Reaktion gebrachte Stärken und Phosphat-Derivate, hergestellt durch Reaktion mit Natrium- oder Kaliumorthophosphat oder Tripolyphosphat, und Kombinationen daraus ein. Diese und andere konventionelle Modifikationen von Stärke sind in Publikationen, wie "Starch: Chemistry and Technology", zweite Auflage, herausgegeben von Roy L. Whistler et al., Kapitel X; Starch Derivations: Production and Uses von M.W. Rutenberg et al., Academic Press, Inc. 1984, beschrieben.
• Eine in dieser Erfindung verwendete Stärkemodifikation, die besonders verwendbar ist, ist die Veretherung mit Alkylenoxiden, insbesondere 2 bis 6, vorzugsweise 2 bis 4, Kohlenstoffatomen enthaltenden. Beispielhafte Verbindungen, die bei der Veretherung der Stärkeausgangsmaterialien verwendbar sind, sind Ethylenoxid, Propylenoxid und Butylenoxid, wobei Propylenoxid besonders bevorzugt ist. In Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften und von ökonomischen Überlegungen können verschiedene Mengen solcher Verbindungen verwendet werden. Im allgemein werden bis zu 15% oder mehr und vorzugsweise bis zu 10%, bezogen auf das Gewicht auf Basis des Gewichtes der Stärke, verwendet. Eine andere Modifikation der Stärken, die erfindungsgemäß besonders verwendbar ist, ist ein Stärkeester, der aus einem organischen Säureanhydrid mit einer hydrophoben Gruppe, wie Dodecenylbernsteinsäureanhydrid, hergestellt ist. Insbesondere ist die hydrophobe Gruppe eine Kohlenwasserstoffgruppe, wie Alkyl, Alkenyl, Aralkyl oder Aralkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 5 bis 18 und am stärksten bevorzugt 8 bis 12 Kohlenstoffatomen. Im allgemeinen wird die Stärke mit 2 bis 60%, vorzugsweise mit 5 bis 20 Gew.-%, des Anhydrids, bezogen auf das Gewicht der Stärke, behandelt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stärkematerial eine Hochamylosestärke, d.h. eine Stärke, die mindestens 40 Gew.-% und stärker bevorzugt 65 Gew.-% Amylose enthält. Weiter bevorzugt sind Hochamylosestärken, die durch Veretherung mit Alkylenoxiden, wie oben beschrieben, modifiziert sind.
• Es können auch Mischungen aus zwei oder mehreren Stärkeausgangsmaterialien verwendet werden, sowie Additive oder synthetische Verbindungen, um die Eigenschaften, wie die Wasserresistenz, Festigkeit, Flexibilität, Farbe usw., zu verbessern. Typische Additive, die verwendet werden können, sind Verbindungen, wie Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyvinylacetat, Poly(ethylenvinylacetat), Monoglyceride und Styrolacrylatharze. Diese Additive können in jeder Menge verwendet werden, die effektiv zum Erreichen der erwünschten Eigenschaft geeignet sind, vorausgesetzt die Extrusion der Stärke und die allgemeinen Eigenschaften des expandierten Produktes sind geeignet. Im allgemeinen können bis zu 50 Gew.-% solcher Additive und vorzugsweise bis zu 10 Gew.-% verwendet werden.
• Die erfindungsgemäßen expandierten geformten Produkte werden unter Anwendung eines Extrusionsverfahrens hergestellt. Die bei der Durchführung des Extrusionsverfahrens angewendete Maschine kann jeder Extruder vom Schrauben-Typ sein. Obwohl sowohl die Verwendung eines Einzel- als auch eines Doppelschraubenextruders möglich ist, ist die Verwendung eines Doppelschraubenextruders bevorzugt. Solche Extruder haben typischerweise in einem horizontalen zylindrischen Behälter rotierende Schrauben, wobei an einem Ende eine Einlassöffnung ist und am Auslassende eine formende Düse angebracht ist. Bei Verwendung von Doppelschrauben können diese korotieren und in einander greifen oder nicht in einander greifen. Jede Schraube umfasst einen helikalen Schneckengang oder Gewindesektionen und weist typischerweise eine relativ tiefe Zuführsektion, gefolgt von einer sich verjüngenden Übergangssektion und einer vergleichsweise flachen Dosiersektion konstanter Tiefe. Die motorgetriebenen Schrauben passen im allgemeinen bündig in den Zylinder oder Behälter, um das Mischen, Erhitzen und Scheren des Materials beim Durchgang durch den Extruder zu ermöglichen.
• Die Temperaturkontrolle über die ganze Länge des Extruderbehälters ist wichtig und wird entlang der Länge der Schraube in Zonen durchgeführt. Es werden oft Wärmetauschmittel, typischerweise ein in der Behälterwandung angebrachter Durchgang, wie ein Kanal, eine Kammer oder ein Loch, für das Zirkulieren von erhitzten Medien, wie Öl, oder ein elektrisches Heizgerät, wie ein Heizgerät vom Calrod- oder Spulen-Typ verwendet. Zusätzlich können auch Wärmetauschmittel im oder entlang des Schaftes der Schraubenvorrichtung plaziert werden.
• Gemäß konventioneller Konstruktionspraxis können bezüglich jedes im Extruder verwendeten Elements Variationen eingesetzt werden. Eine weitere Beschreibung der Extrusion und typischer Konstruktionsvariationen kann in "Encyclopedia of Polymer Science and Engineering", Band 6, 1986, S. 571 bis 631, gefunden werden.
• Bei der Durchführung des Extrusionsverfahrens variiert die Temperatur im Extruder in Abhängigkeit des jeweiligen Materials, der erwünschten Eigenschaften und der Anwendung. Sie kann im allgemeinen von etwa 100 bis 250ºC und vorzugsweise bei Extrusion von Hochamylosestärke im Bereich von 150 bis 210ºC liegen. Der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Stärke in dem Extruder, d.h. die in der Beschickungsstärke einschließlich des während des Verfahrens zugesetzten Wassers vorliegende Feuchtigkeit liegt bei 25 Gew.-% oder weniger, bezogen auf das Gewicht der Stärke. Insbesondere liegt der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Stärke im Bereich von 10 bis 25% und vorzugsweise von 15 bis 21%.
• In dem Extruder und in dem Extrusionsverfahren können verschiedene Düsen und Düsenkonfigurationen verwendet werden, wobei eine annulare oder tubulare Düse ein geeigneter Typ ist. Beim Austritt aus dem Extruder kann die expandierte Stärke unter Verwendung von im Fachgebiet bekannten Techniken auf die erwünschte Länge geschnitten werden. Dies kann eine Längsteilung oder ein Schneiden unter Verwendung eines Messers oder anderer Schneidvorrichtungen und das Überleiten über einen Dorn und dann weiter das Fördern durch Rollen oder Kalanderrollen beinhalten. Im Fall von Blättern können diese bei Durchgang durch die Rollen bis zu einem gewissen Grad komprimiert werden, um das Erreichen der erwünschten Flexibilität und Weichheit zu unterstützen.
• Das aus dem Extruder und dem Verarbeitungsverfahren hervorgehende Produkt ist ein expandiertes geschlossenzelliges Material einer relativ niedrigen bis mittleren Dichte mit anderen wünschenswerten Eigenschaften, in Abhängigkeit von der angestrebten Verwendung. Im Falle von strukturierten Produkten, wie Blättern und Balken, schließt dies Flexibilität oder Rigidität sowie Elastizität und Kompressibilität ein. Die extrudierten Kernprodukte benötigen dimensionale Stabilität und strukturelle Festigkeit sowie andere Eigenschaften, die es ermöglichen, verschiedenen Umgebungs- und Verarbeitungsbedingungen zu widerstehen, so z.B. bei Hochgeschwindigkeitsaufwickelverfahren, denen es ausgesetzt wird. Das Produkt wird auch biologisch abbaubar oder im wesentlichen biologisch abbaubar sein, in Abhängigkeit davon, ob es ausschließlich Stärke umfasst oder andere Komponenten einbezieht, in Abhängigkeit von der Art der Komponenten. Aufgrund der ökologischen Probleme, die mit der Abfallentsorgung zusammenhängen, ist biologische Abbaubarkeit für viele Produkte eine erwünschte Eigenschaft geworden. Der Begriff "biologisch abbaubar", wie hierin verwendet, betrifft die Empfindlichkeit einer Substanz gegenüber Abbau durch Lebewesen (Organismen/Mikroorganismen) und/oder natürlichen Umweltfaktoren, z.B. die Fähigkeit von Verbindungen, durch Bakterien, Pilze, Schimmelpilze und Hefen chemisch abgebaut zu werden.
• Neben der biologischen Abbaubarkeit sind die extrudierten Kernprodukte bei direktem Kontakt mit Wasser vorzugsweise wasserlöslich, so dass sie schnell entsorgbar sind.
• Das durch den Extruder durchgelaufene Stärkematerial, tritt als expandiertes geschäumtes Material aus, aufgrund der Art des Materials und der Formulierung sowie dem Feuchtigkeitsgehalt und den allgemeinen Extrusionsverarbeitungsbedingungen. Dieses geschäumte Produkt kann bis auf das 16-fache seiner Originalgröße expandiert sein und weist eine charakteristische geschlossenzellige Struktur auf. Die gleichmäßige geschlossenzellige Struktur des expandierten Produktes mit seiner charakteristischen Bildung von winzigen Bläschen trägt zum Erreichen der erwünschten Eigenschaften, wie Flexibilität oder Rigidität sowie Elastizität und Kompressibilität, bei. Eine geschlossene Zellstruktur ist als eine solche definiert, die weitgehend nicht verbundene Zellen aufweist, im Gegensatz zu offenen Zellen, die in hohem Umfang verbunden sind, als zwei oder mehr Zellen definiert sind, die durch durchbrochene, punktierte oder fehlende Zellwände gekennzeichnet sind. Die Bildung winziger Bläschen führt im allgemeinen zu einer kleinen Zellgröße von typischerweise 100 bis 1200 um (Mikron).
• Die Bulkdichte des Produktes liegt zwischen 32,04 bis 256,3 kg/m³ (2 bis 16 lb/ft³) und vorzugsweise bei 48,1 bis 106,2 kg/m³ (3 bis 10 lb/ft³). Die Elastizität liegt bei mindestens 20%, vorzugsweise bei mindestens 50% und die Kompressibilität liegt bei 100 bis 800 und vorzugsweise bei 200 bis 600 g/cm². Die Bulkdichte kann durch das von M. Hwang und K. Hayakawa in "Bulk Densities of Cookies Undergoing Commercial Baking Processes", Journal of Food Science, Band 45, 1980, S. 1400 bis 1407, beschriebene Volumenverdrängungsverfahren bestimmt werden. Dieses Verfahren wird in US-A-5 043 196 weiter beschrieben. Die Elastizität und Kompressibilität wurde unter Verwendung eines Stevens-LFRA-Texture-Analyzers bestimmt, wie ebenfalls in dem vorhergenannten '196-Patent beschrieben. Die Offenbarung jedes dieser Verfahren wird in US-A-5 043 196 beschrieben.
• Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert, wobei alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen sind und alle Temperaturen in ºC, wenn nicht anders angegeben.
BEISPIEL I
• Mehrere Stärkeproben wurden unter Verwendung eines APV MKII 65 mm-Extruders mit einer annularen Düse extrudiert. Das erste extrudierte Material war Hochamylosestärke (etwa 70% Amylose), hydroxypropyliert mit etwa 7% Propylenoxid. Die Stärkebeschickung hatte eine Partikelgröße im Bereich von 840 bis 1190 um (Mikron), erhalten unter Verwendung eines Kompaktgranulierungsverfahrens. Typische zur Herstellung von Blättern mit verschiedenen Dimensionen angewendete Extrusionsverarbeitungsbedingungen sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1
• Die hergestellten Blätter wurden nach Austritt aus dem Extruder durch eine Kalanderrolle weiter komprimiert, um Blätter mit geeigneter Flexibilität zu erhalten, die in eine Rolle gewickelt werden können und andere erwünschte Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften eines unter den Bedingungen B hergestellten Produktes mit einer Dicke von etwa 0,356 cm (0,140") und einer Breite von etwa 30,48 cm (12") schließen ein: Bulkdichte 84,25 kg/m³ (5,26 lb/ft³), Kompressibilität 138,0 g/cm² und Elastizität 69,2%.
• Auf diese gleiche Art wurden auch unter Verwendung von nicht modifizierter Kornstärke, gemischt mit 20% Polyvinylalkohol, und Hochamylose-(70%)-Stärkeacetat Blätter hergestellt.
BEISPIEL II
• Stärkeproben, die denen im Beispiel I ähnelten, wurden unter Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Extrusionsverarbeitungsbedingungen in Bretter verschiedener Dimensionen extrudiert. Tabelle 2
• Die Bretter wurden unter Verwendung von Hochamylosestärke (etwa 70% Amylose), hydroxypropyliert mit etwa 7% Propylenoxid und den oben gezeigten Verarbeitungsbedingungen B, hergestellt und wiesen eine Dicke von etwa 1,02 cm (0,4") und eine Breite von etwa 15,24 cm (6") auf. Diese Bretter hatten geeignete Eigenschaften einschließlich Steifigkeit, Bulkdichte von 92,90 kg/m³ (5,8 lb/ft³), Kompressibilität von 260 g/cm² und Elastizität von 66%. Einige der auf diese Art hergestellten Bretter wurden durch Düsen- oder Sägeschneiden und Zusammenlaminieren unter Bildung von zusammengefügten Brettern größerer Dicke weiterverarbeitet.
BEISPIEL III
• Mehrere Stärkeproben wurden unter Verwendung eines Werner und Pfleiderer-Doppelschrauben-korotierenden Extruders, Modell ZSK 30, mit einer tubularen Düse mit einem O.D. von 5,08 cm (2") und einem I.D. von 4,32 cm (1,7") in geschäumte Kernprodukte extrudiert. Das erste extrudierte Material war Hochamylosestärke (Hylon VII, ein Hochamylosekornstärke-Produkt von National Starch and Chemical Company mit etwa 70 Gew.-% Amylosegehalt), hydroxypropyliert mit etwa 7% Propylenoxid. Die Stärkebeschickung hatte eine Partikelgröße im Bereich von etwa 840 bis 1190 um (Mikron) und wurde unter Verwendung eines Kompaktgranulierungsverfahrens erhalten. Die Beschickung enthielt etwa 2,5 Gew.-% Mikrotalk als Nucleierungsmittel.
• Die Extrusionsverarbeitungsbedingungen schlossen einen Gesamtfeuchtigkeitsgehalt von 17,5%, eine Beschickungsgeschwindigkeit von 47,1 kg/h (104 lb/h), eine Schraubengeschwindigkeit von 500 UpM und eine Temperatur an der Düse von 180ºC ein.
• Das geschäumte Stärke-Kernprodukt trat aus dem Extruder aus und wurde auf die gewünschte Länge geschnitten. Die extrudierten Kernprodukte waren geschlossenzellige Stärkeschaumprodukte mit geeigneten Eigenschaften, einschließlich dimensionaler Stabilität, Festigkeit und Flexibilität, für die vorgesehene Verwendung mit Tissue-Papierprodukten. Darüber hinaus dispergierten sie in Gegenwart von Wasser bei moderatem Rühren schnell.
BEISPIEL IV
• Verschiedene zusätzliche Stärkeproben wurden wie in Beispiel III in geschäumte Kernprodukte extrudiert. Die Beschickungsmaterialien schlossen 1) hydroxypropylierte Hochamylosestärke wie in Beispiel III und 2,5% Mikrotalk mit Zugabe von 8% Polyvinylalkohol, 2) eine 50/50-Mischung aus hydroxypropylierter Hochamylosestärke wie in Beispiel III und eine mit Dodecenylbernsteinsäureanhydrid modifizierte Stärke mit 2,5% Mikrotalk und 3) die hydroxypropylierte Hochamylosestärke wie in Beispiel III mit 5,2% Asche (Na&sub2;SO&sub4;) ein.
• Alle hergestellten Produkte waren geschlossenzellige Stärkeschaumprodukte und wiesen geeignete Eigenschaften auf, die für in Papierverwendungen eingesetzte Kernprodukte notwendig sind.

Claims (19)

1. Strukturiertes, biologisch abbaubares, geformtes Produkt, umfassend ein expandiertes, geschlossenzelliges Stärkeprodukt, wobei das Produkt durch Extrudieren von Stärke gebildet ist, die eine Partikelgröße von 400 bis 1500 um aufweist, wobei das Produkt eine Schüttdichte von 32,04 bis 256,3 kg/m³ (2 bis 16 lb/ft³), eine Komprimierbarkeit von 100 bis 800 g/cm² und eine Elastizität von mindestens 20% aufweist.

2. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Stärke aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mais, Kartoffel, Weizen, Tapioka, Wachsmais und Hochamylosemais besteht.

3. Produkt nach Anspruch 2, wobei die Stärke eine modifizierte Stärke ist.

4. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Stärke einen Amylosegehalt von mindestens 40 Gew.-% aufweist, bezogen auf das Gewicht der Stärke.

5. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Stärke 1 bis 8 Gew.-% eines Nukleierungsmittels enthält.

6. Produkt nach Anspruch 2, wobei die Stärke einen Amylosegehalt von mindestens 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Stärke, aufweist und mit bis zu 15 Gew.-% 2 bis 6 Kohlenstoffatome enthaltendem Alkylenoxid modifiziert ist.

7, Produkt nach Anspruch 6, wobei das Produkt ein flexibles Blatt ist, und wobei die Stärke 2 bis 5 Gew.-% eines Nukleierungsmittels enthält.

8. Produkt nach Anspruch 6, wobei das Produkt ein steifes Brett ist und die Stärke 1 bis 3 Gew.-% eines Nukleierungsmittels enthält.

9. Produkt nach Anspruch 1, wobei das Produkt ein biologisch abbaubares, wasserdispergierbares, geformtes Kernprodukt ist.

10. Produkt nach Anspruch 9, wobei die Stärke aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mais, Kartoffel, Weizen, Tapioka, Wachsmais und Hochamylosemais besteht.

11. Produkt nach Anspruch 10, wobei die Stärke einen Amylosegehalt von 40% enthält, bezogen auf das Gewicht der Stärke.

12. Produkt nach Anspruch 11, wobei die Stärke mit 2 bis 15 Gew.-% 2 bis 6 Kohlenstoffatome enthaltendem Alkylenoxid modifiziert ist und 1 bis 8 Gew.-% eines Nukleierungsmittels enthält.

13. Verfahren zum Herstellen eines expandierten strukturierten, biologisch abbaubaren, geformten Produkts, umfassend das Extrudieren von Stärke mit einer Partikelgröße von 400 bis 1500 um in Gegenwart eines Gesamtfeuchtigkeitsgehalts von 25 Gew.-% oder weniger und bei einer Temperatur von 100 bis 250ºC.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Stärke aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mais, Kartoffel, Weizen, Tapioka, Wachsmais und Hochamylosemais besteht, und mit bis zu 15 Gew.-% 2 bis 6 Kohlenstoffatome enthaltendem Alkylenoxid modifiziert ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Stärke ein Amylosegehalt von mindestens 40 Gew.-% aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Produkt ein wasserdispergierbares geformtes Kernprodukt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Stärke einen Amylosegehalt von mindestens 65 Gew.-% aufweist und eine Partikelgröße von 800 bis 1200 um.

18. Gerolltes Papierprodukt, das um das Stärkekernprodukt nach Anspruch 9 gewickeltes Papier umfasst.

19. Gerolltes Papierprodukt, das um das Stärkekernprodukt nach Anspruch 12 gewickeltes Papier umfasst.