WO2000011069A1 - Verfahren zur herstellung eines schaumstoffes - Google Patents

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WO2000011069A1
WO2000011069A1 PCT/AT1999/000205 AT9900205W WO0011069A1 WO 2000011069 A1 WO2000011069 A1 WO 2000011069A1 AT 9900205 W AT9900205 W AT 9900205W WO 0011069 A1 WO0011069 A1 WO 0011069A1
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WO
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foam
algae
alginate
water
foaming
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PCT/AT1999/000205
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Inventor
Arturo F. Kunstmann
Thomas Strasser
Manfred Winter
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Algotec Entwicklungs- und Verwertungsgesmbh
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Algotec Entwicklungs- und Verwertungsgesmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/30—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof by mixing gases into liquid compositions or plastisols, e.g. frothing with air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2305/00—Characterised by the use of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08J2301/00 or C08J2303/00
    • C08J2305/04—Alginic acid; Derivatives thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a foam, starting from renewable raw materials, in particular naturally renewable raw materials, such as e.g. Seaweed.
  • Foams have been produced in large quantities since the 1930s. Their area of application is diverse and extends from applications in the construction industry, in the packaging industry to applications in space travel.
  • the first foams were made on the basis of urea-formaldehyde resins.
  • the foams based on phenol formaldehyde resins followed in the mid-1940s. Further development steps were the use of polystyrene, soft PVC, polyurethane and silicone rubber. The latest developments so far concern the use of polyethylene and epoxy resin.
  • Foams are two-phase systems. So far, they have been produced by foaming a framework substance. Blowing agents are used for the foaming, solid, liquid and gaseous substances being known. Gaseous blowing agents are most commonly used.
  • Partially halogenated hydrocarbons (as a substitute for fully halogenated hydrocarbons) in particular have a wide range of applications today. However, such partially halogenated hydrocarbons still have an ozone depletion potential, albeit to a lesser extent than fully halogenated chlorofluorocarbons. For ecological reasons, it is therefore necessary to replace these substances as well.
  • Hydrocarbons is dispensed with.
  • Algae are a raw material that is already available in practically unlimited quantities or can be specifically cultivated in maritime farms. Alginates or alginic acid can be obtained from these algae, which can be further processed into foams.
  • such low-density foams are produced by aerating an aqueous solution of sodium alginate and simultaneously converting the soluble alginate into an insoluble form.
  • US 5,718,916 discloses alginate foams which are used as a wound dressing, in surgical procedures and as implants.
  • EP-0 747 420-A1 describes a process for producing polysaccharide foams, the foams being shaped in the moist state and then dried in a warm air stream.
  • WO 94/00512 also describes foams based on soluble polysaccharides, such as alginates, hyaluronates, carrageenates or starch.
  • soluble polysaccharides such as alginates, hyaluronates, carrageenates or starch.
  • calcium alginate foams are produced in the presence of a stronger acid than carbonic acid, for example hydrochloric acid .
  • JP-92 78 926-A describes the production of a gas permeable film starting from an aqueous solution of alginic acid.
  • WO 94/17132 describes foamed algae products with a foamed and essentially dimensionally stable AI gene fiber matrix disclosed for packaging purposes. Only green algae (Chlorophyceae), in particular Cladophora glomerata Kuetzing, are used to manufacture these products.
  • a slurry of green algae is subjected to conventional foaming processes for the production of cellular plastic foams, for example isocyanate techniques, evaporation of various components of the algal slurry, vacuum expansion of gases dissolved in the algal slurry, enveloping gases in the algal slurry and dissolving crystals or other small particles in the Porridge and, after stabilization of the foam, removal of the same.
  • Algin is a structural element of the cell wall of brown algae, in which it is present as a water-soluble alkali or alkaline earth salt. It was extracted for the first time in 1880 by the English chemist Stanford, who also coined the name algin for the water-soluble substance in the sodium carbonate extract and alginic acid for the substance that can be precipitated from it with acid.
  • algin was a pure polymannuronic acid. It was only in 1955 that Fisher and Dörfel found L-guluronic acid in addition to D-mannuronic acid in hydrolyzates, and since about 1964 it has been known that alginic acid is a copolymer of the two uronic acids, in which three structural elements occur in principle, namely pure ot-1, 4-L-guluronan, pure jß-1, 4-D-mannuronan and a polyuronide in which the guluron and mannuronic acid monomers alternate.
  • Alginates are unbranched chain molecules. Their properties are largely determined by the ratio of the three structural elements in the molecule. This ratio is given by the type of algae from which the alginate is extracted.
  • Table 1 is intended to provide information on the origin of the various algae extracts and the general classification. In addition to the origin of the algin, this table also shows the origin of carrageenan and agar, which are also used in various industries. For the manufac Algin species are also given the types of algae with economic importance.
  • the algae are structured as follows:
  • the dry matter is made up of the following components:
  • Table 2 shows the alginic acid content and the ratio of mannuronan to guluronan, which determines the properties of the alginate, for various types of brown algae (lat. Phaeophyceae).
  • the aim of the process according to the invention is to produce a new foam based on renewable raw materials with a sufficient content of alginate, in particular based on brown algae, the foam having improved biodegradability, low density and the possibility of achieving different changes in properties through different additives should.
  • the biodegradability is a significant difference between the foams produced according to the invention and foams from petroleum derived products.
  • the possible uses of the foams produced according to the invention correspond to the previous use of foams and are mainly in the packaging and insulation area. According to the invention, this object is achieved by combining the following process steps:
  • raw materials with a minimum content of 3% mass alginate such as brown algae (Phaeophycea), in particular brown algae of the order Fucales and / or Laminariaes or the genera Ascophyllum, Fucus and Larninaria, Ecklonia as well as Macrocystis or mixtures of these algae, without the expensive and expensive isolation of the alginate and the raw material can be used as such.
  • the above-mentioned raw materials generally have an alginate content of between 4 and 12% by mass, although fluctuations in the alginate content can occur depending on the origin of the raw materials and the time of harvest.
  • Red algae can be used as long as they contain a minimum content of 3% alginate.
  • the raw material e.g. Brown algae
  • the solution or suspension can then be foamed immediately.
  • the pretreatment consists of simply crushing and washing the raw material with water and adding sodium carbonate and water. This addition converts the insoluble alginate in the raw material to water-soluble sodium alginate.
  • the conversion can be done by stirring at room temperature. temperature or at elevated temperature.
  • a calcium ion source is required for the subsequent chemical reaction.
  • a solution of calcium chloride is preferably used.
  • Solvents are required to prepare the reaction solutions, water preferably being used; however, it is also possible to use mixtures of water with miscible organic solvents, such as water / acetone mixtures.
  • Additives may be necessary to achieve certain properties for the foam, but the foam can also be produced without an additive.
  • the following are preferably used (individually or in combination):
  • Fiber materials such as flax or hemp, cellulose or cellulose as structure donors and for improved damping behavior
  • Foam stabilizers and foaming agents e.g. Triton, diocyl sulfosuccinate, lauric acid dimethylamide, lauryl sulfate, etc.,
  • Fillers for example CaC0 3 , Na 2 C0 3 , sawdust, etc.
  • Lubricants and lubricants To produce the foam, it is necessary in the course of the process at least one of the reaction solutions to use a solid, liquid or gaseous foaming agent, for example air, nitrogen, CO 2 and the like. to add. This addition suitably also takes place during the preparation of the raw materials, but can also be carried out in a subsequent process step.
  • Sodium bicarbonate has proven to be a particularly favorable solid foaming agent, since this can cause additional foaming when drying.
  • At least one of the reaction solutions is preferably saturated with air under pressure, the foaming taking place by relaxing the reaction solution and the associated release of the dissolved air.
  • the foam formed is subjected to a displacement wash before drying.
  • the calcium alginate foam formed contains a large amount of water enclosed in its pores, which has an adverse effect on the drying process (longer drying time, nature of the dry foam).
  • the water in the foam is largely replaced by organic solvents or solvent mixtures which form an azeotrope with water and have a relatively low boiling point, for example acetone.
  • the resulting solvent-containing calcium alginate foam can now be dried much faster and more efficiently in the subsequent drying step due to the easier volatility of the organic solvent (s).
  • the drying step is primarily about extracting the solvent used from the foam by a suitable drying process.
  • a suitable drying process In particular, microwave, contact, convection, eg fluidized bed, radiation, and drying processes, and combinations of these drying processes are also possible.
  • Mechanical squeezing of the foam obtained is also possible, especially when using sodium hydrogen carbonate as a solid foaming agent, since the additional foaming during drying can compensate for any loss of volume caused by the mechanical squeezing.
  • the subsequent shaping can be carried out during the foaming or at a later point in time.
  • the shape is primarily based on the type of foam produced. For example, if particles, e.g. Beads or chips generated, they can be brought into any shape using suitable composite substances. If a raw shape is created, it must be reworked according to the desired final shape.
  • a third option is to foam finished shapes.
  • the foam can also be treated accordingly to achieve certain changes in properties.
  • hydrophobization of the foam is mentioned here.
  • Coatings are primarily used to protect the foam against external influences in the desired manner, or to achieve certain optical properties.
  • Wax emulsions, natural resins and / or dyes are preferably used (individually or in combination with one another).
  • Raw algae serve as starting products, which surprisingly can be used directly for foam production. * Various water-based solvent mixtures can be used.
  • the foam can be produced entirely without additives. However, if certain properties are to be achieved, depending on the intended use, the additives required can in principle be added in every process step, but preferably the algae solution or suspension, the calcium ion solution and the combined reaction solutions before foaming.
  • the foaming agent can be added to the algae solution or suspension, the calcium ion solution as well as with any other material flow of additives. This can be done in any form before the chemical reaction of calcium alginate formation, during the reaction or after the reaction.
  • FIG. 1 A possible process scheme for the production of foams which are composed of individual particles is shown in FIG. 1.
  • raw brown algae serve as the starting product.
  • Calcium chloride (CaCl 2 ) is used as the source of calcium ions, water is the solvent and air is used as the foaming medium. Any additives required can be added to both the NaAlg solution and the CaCl 2 solution.
  • An aqueous CaCl 2 solution is provided in a stirring unit and additives can be added.
  • an aqueous solution or suspension of raw brown algae pretreated as described above is provided, which can also be mixed with additives. This solution is saturated with air under pressure.
  • the CaCl 2 solution is now charged to the reactor.
  • a perforated plate is installed on the bottom of the reactor, in which the algae solution or suspension is introduced into the reactor.
  • particle size can also be adjusted using a shearing device.
  • the sodium alginate present in the algae solution reacts with the CaCl 2 solution.
  • An ion exchange takes place between the two reaction solutions, ie the sodium ions of the sodium alginate are replaced by the calcium ions of the CaCl 2 solution.
  • the solution saturated with air under pressure is released to atmospheric pressure.
  • the free air bubbles that are released are enveloped by CaAlg 2 .
  • This two-phase system forms a CaAlg 2 foam in particle form, which is fed to a subsequent drying process. Subsequently, the individual particles are formed into any agglomerates using appropriate connecting agents. Finally, if this has not yet been done, a coating and / or coloring step can be added.
  • FIG. 2 A possible process route for producing finished molds or raw molds is shown in FIG. 2.
  • brown algae containing sodium alginate (NaAlg) and calcium chloride (CaCl 2 ) are used as raw materials. Air also serves as the foaming medium and water as the solvent.
  • the additives that may be required can in turn be added to both the algae solution and the CaCl 2 solution.
  • An aqueous algae solution or suspension and an aqueous CaCl 2 solution are prepared in two separate stirrer units. The additives are added at this stage of the process.
  • the CaCl 2 solution is saturated with air under pressure.
  • the reactor is filled with the algae suspension, the air-saturated solution is fed to the reactor via nozzles in the bottom of the reactor.
  • the NaAlg contained in the algae suspension reacts with the CaCl 2 solution.
  • An ion exchange takes place between the two reaction solutions, ie the sodium ions of the alginate solution are replaced by the calcium ions of the CaCl 2 solution.
  • the CaCl 2 solution saturated with air under pressure is released to atmospheric pressure. The released air bubbles are enveloped by CaAlg 2 .
  • This two-phase system is foamed into a CaAlg 2 product, which either fills finished forms or a raw form, which is brought into the final form in a later shaping step.
  • the solvent is then removed from the foam.
  • the raw forms are reworked.
  • both solutions that is to say both the algae solution or suspension and the CaCl 2 solution, have been saturated under pressure with a gaseous foaming agent.
  • the main difference between the alginate foam produced according to the invention and the conventional foams produced according to the prior art lies primarily in the fact that the foam according to the invention is produced in a cost-effective manner and simply from renewable raw materials.
  • the foam of the invention is also in principle - i.e. depending on the additives used - biodegradable, which results in great advantages for later disposal of the product.
  • the naturalness of the material also proves to be an advantage in all applications where "biological" materials are important (e.g. foam mattresses made from healthy, natural materials).
  • the foam according to the invention has densities in the range from approximately 35 to 40 kg / m 3 , these values of course also depending on additives and can be varied within a wide range. With regard to thermal conductivity, values of 0.04 to 0.05 W / mK) can be achieved.
  • the suitability of the foam produced by the process according to the invention basically covers the entire packaging range. There are therefore no restrictions with regard to use as packaging material. It is conceivable, among other things, that, for example, packaging for the area of electronic goods consists of the new foam. Due to the global trade in electronic goods, it is imperative that the properties of this packaging material correspond to all climate zones on earth. The in part extremely high demands on the packaging material are fully met by the foam according to the invention. In addition, it is also possible with the material according to the invention to produce a multilayer packaging material, some of these layers serving to ensure the strength of the material with regard to mechanical stress, while, for example, the other part may have shock-absorbing properties due to certain additives to the foam.
  • Another interesting application arises from the pore structure of the foam produced according to the invention. Due to the gases enclosed in the solid structure, it is also possible to use the foam in the insulation area, for example in the construction industry. Here, in particular, there has recently been an increasing trend towards natural materials.
  • the new foam As an electrical insulation material in the electrical industry.
  • This area includes applications such as in the furniture industry (upholstery foam, environmentally friendly mattresses, etc.) or in the automotive industry (foamed cladding elements, etc.) and others, whereby the elasticity of the material caused by appropriate additives enables these applications.
  • FIGS. 3 to 9 of the accompanying drawings A number of further variants for the method according to the invention are disclosed in FIGS. 3 to 9 of the accompanying drawings.
  • a mixture of brown algae of the genera Fucus and Larninaria was used as the starting product, the sample pretreatment was carried out by crushing about 125 g of the algae into pieces about centimeter in size, washing (3 times with 1800 ml tap water each), then adding about 20 g Na 2 CO 3 and 1800 ml of water. Depending on the temperature used, the pretreatment was completed after 60 min (at cooking temperature) or between 6 and 24 hours (room temperature).
  • the algae solution is saturated with the foaming medium. This is injected into the calone solution and immediately released.
  • Additives can be added at any point, but preferably in the mixer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.
  • the Ca ion solution is saturated with the foaming medium. This is injected into the algae solution and immediately released. Additives can be added at any point, but preferably in the mixer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.
  • Base product brown algae Both the algae solution and the Ca ion solution are saturated with the foaming medium. The algae solution is then injected into the Ca ion solution. After the reaction, the pressure is released. Additives can be added at any point, but preferably in the mixer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.
  • Both the algae solution and the Ca ion solution are saturated with the foaming medium.
  • the Ca ion solution is then injected into the algae solution. After the reaction, the pressure is released.
  • Additives can be added at any point, but preferably in the mixer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.
  • Both the algae solution and the Ca ion solution are saturated with the foaming medium.
  • the Ca ion solution and the algae solution are then injected together into the reactor and immediately released there.
  • Additives can be added at any point, but preferably in the mixer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.
  • the algae solution and the Ca ion solution are fed together into the reactor.
  • the foaming medium is added in the reactor itself.
  • Additives can be added at any point, but preferably already in the stirrer unit. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying. Fig 9:
  • the algae solution and the Ca ion solution are fed together into a mixer or stirrer.
  • the resulting gel is then fed to a foaming process.
  • Additives can be added at any point, but preferably already in the stirrer or mixer units. Coating and / or coloring can, if necessary, be carried out both before and after drying.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes, ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere natürlich nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Algen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Massnahmen: Aufbereitung von Rohstoffen mit einem Mindestgehalt von 3 %-Masse Alginat zu einer ersten Reaktionslösung enthaltend wasserlösliches Alginat und Bereitstellung einer Calciumionenquelle in Form einer zweiten Reaktionslösung, Sättigung zumindest einer Reaktionslösung mit einem Aufschäummedium, Vereinigung der Reaktionslösungen unter Bildung eines wasserunlöslichen Calciumalginats bei gleichzeitigen Aufschäumen, Trocknung, Formgebung sowie gegebenenfalls einer Nachbehandlung entsprechend dem spezifischen Verwendungszweck.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes, ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere natürlich nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Algen.
Schaumstoffe werden seit den 30er Jahren in großen Mengen produziert. Ihr Einsatzgebiet ist vielfältig und erstreckt sich von Anwendungen in der Bauindustrie, in der Verpackungsindustrie bis hin zu Anwendungen in der Raumfahrt .
Die ersten Schaumstoffe wurden auf Basis von Harnstoff-Formaldehydharzen hergestellt. Mitte der 40er Jahre folgten dann die Schaumstoffe auf der Basis von Phenolformaldehydharzen. Weitere Entwicklungsschritte stellten die Verwendung von Polystyrol, Weich-PVC, Polyurethan und Silicongummi dar. Die bisher letzten Entwicklungen betreffen die Verwendung von Polyethylen und Epoxidharz .
Schaumstoffe sind Zweiphasensysteme. Ihre Herstellung erfolgte bisher durch Aufschäumung einer Gerüstsubstanz. Zur Aufschäumung werden dabei Treibmittel eingesetzt, wobei feste, flüssige und gasförmige Substanzen bekannt sind. Am häufigsten werden gasförmige Treibmittel verwendet. Vor allem teilhaloge- nierte Kohlenwasserstoffe (als Ersatzstoff für vollhalogenierte Kohlenwasserstoffe) haben heute einen weiten Anwendungsbereich. Solche teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe besitzen jedoch weiterhin, wenn auch in geringerem Maße als vollhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, ein Ozonzerstörungspotential. Daher ist es aus ökologischen Gründen notwendig, auch diese Substanzen zu ersetzen.
Es gibt nun in der Schaumstoffherstellung mehrere Möglichkeiten, die Emission teilhalogenierter Kohlenwasserstoffe zu verringern bzw. zu verhindern:
Ersatz der teilhalogenierten Kohlenwasserstoffe durch alternative Treibmittel wie einfache Kohlenwasserstoffe (Pro- pan, Butan, Pentan) , oder Inertgase (N. , C02 ) bei der Herstellung herkömmlicher Schaumstoffe.
Verbesserung der Produktionstechnologie. Dabei setzt man auf eine verminderte Emission während des Produktionsablaufes. Der Einsatz von z.B. Aktivkohlefiltern zur Abluftreinigung teilhalogenierter Kohlenwasserstoff-hältiger Abgase stellt eine solche Maßnahme dar.
Substitution der mit teilhalogenierten Kohlenwasserstoffen aufgeschäumten Schaumstoffe durch Alternativprodukte, bei deren Herstellung vollständig auf den Einsatz halogenierter
Kohlenwasserstoffe verzichtet wird.
In letzter Zeit wurden bereits auf natürliche Rohstoffe basierende Isolations- und Verpackungsmaterialien hergestellt, wie beispielsweise aus Holzschliff oder Stärkematerial. Die. Produktionsgrenzen wurden jedoch ziemlich schnell erreicht, da die Rohstoffe nicht in ausreichendenm Ausmaß zur Verfügung standen bzw. nicht schnell genug nachwuchsen. Ein bereits in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfügung stehender bzw. in maritimen Farmbetrieben gezielt anbaubarer Rohstoff sind Algen. Aus diesen Algen können Alginate bzw. Alginsäure gewonnen werden, welche zu Schaumstoffen weiterverarbeitbar sind.
Gemäß der GB-560 317-A werden derartige Schaumstoffe niedriger Dichte durch Belüften einer wässerigen Lösung von Natriumal- ginat und gleichzeitiges Überführen des löslichen Alginats in eine unlösliche Form hergestellt.
In der US-5 718 916 werden Alginatschäume geoffenbart, welche als Wundauflage, bei chirurgischen Eingriffen und als Implantate Verwendung finden.
Die EP-0 747 420-A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polysaccharidschäumen, wobei die Schäume im feuchten Zustand geformt und anschließend in einem warmen Luftstrom getrocknet werden.
Auch in der WO 94/00512 werden Schäume auf Basis von löslichen Polysacchariden, wie Alginaten, Hyaluronaten, Carrageenaten oder Stärke beschrieben, gemäß der JP-4911 99 62-A werden Cal- ciumalginatschäume in Gegenwart einer stärkeren Säure als Kohlensäure, etwa Salzsäure, hergestellt.
JP-92 78 926-A beschreibt die Herstellung eines gasperme- ablen Films ausgehend von einer wässerigen Lösung von Alginsäure .
All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß das Ausgangsprodukt zuerst mühsam aus dem natürlichen Rohstoff isoliert werden muß.
In der WO 94/17132 werden aufgeschäumte Algenprodukte mit einer aufgeschäumten und im wesentlichen dimensionsstabilen AI- genfasermatrix zu Verpackungszwecken geoffenbart. Zur Herstellung dieser Produkte werden ausschließlich Grünalgen (Chloro- phyceae) , insbesondere Cladophora glomerata Kuetzing, verwendet. Zum Aufschäumen wird ein Brei von Grünalgen herkömmlichen Schäumverfahren zur Herstellung von zellulären Plastikschäumen unterworfen, beispielsweise Isocyanat-Techniken, Verdampfen von verschiedenen Komponenten des Algenbreis, Vakuumexpansion von im Algenbrei gelösten Gasen, Einschlagen von Gasen in den Algenbrei und Lösen von Kristallen oder anderen kleinen Teilchen im Brei und, nach Stabilisation des Schaums, Entfernung derselben.
In den der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Diplomarbeiten von Manfred Winter und Thomas Strasser, Februar 1994, TU-Graz, wurden Braunalgen (Phaeophycea) zur Verwendung als Rohstoffe für Verpackungsmaterialien untersucht, da Braunalgen aufgrund des Algingehalts ihrer Zellwände von besonderem Interesse sind.
Algin ist ein Strukturelement der Zellwand von Braunalgen, in welchen es als wasserlösliches Alkali- oder Erdalkali-Salz vorliegt. Es wurde im Jahre 1880 vom englischen Chemiker Stanford erstmals extrahiert, der auch den Namen Algin für die wasserlösliche Substanz im Natriumcarbonat-Extrakt und Alginsäure für die daraus mit Säure fällbare Substanz prägte.
Bis 1954 nahm man an, daß Algin eine reine Polymannuronsäure sei. Erst im Jahre 1955 fanden Fisher und Dörfel in Hydrolysaten neben D-Mannuronsäure auch noch L-Guluronsäure, und seit ungefähr 1964 weiß man, daß es sich bei der Alginsäure um ein Copo- lymer der beiden Uronsäuren handelt, in welchem prinzipiell drei Strukturelemente vorkommen, nämlich reines ot-1 , 4-L-Guluronan, reines jß-1, 4-D-Mannuronan und ein Polyuronid, in welchem die Guluron- und Mannuronsäure-Monomere abwechseln.
Alginate sind unverzweigte Kettenmoleküle. Ihre Eigenschaften werden weitgehend durch das Verhältnis der drei Strukturelemente im Molekül bestimmt. Dieses Verhältnis ist durch die Algenart gegeben, aus welcher das Alginat extrahiert wird.
Über die Herkunft der verschiedenen Algenextrakte und die allgemeine Klassifikation soll die Tabelle 1 Auskunft geben. In dieser Tabelle ist neben der Herkunft des Algins auch noch die Herkunft von Carrageenan und Agar gegeben, welche ebenso in verschiedenen Industriezweigen Verwendung finden. Für die Herstel- lung von Algin sind auch die Algenarten mit wirtschaftlicher Bedeutung angegeben.
Abteilung Phycop yta
Klasse Phacophyceae Rhodophyccac Chlor phyceac (Braunalgen) (Rotalgen) (Grünalgen)
I
Ordnung Fucäles Larninariales Gigartinales Gclidiales
Gattungen Ascophyllum Larninaria Gigartina Gracilaria Gclidium Fucus Ecklonia Chondrus
Macrocystis Eucheuma
Iridaea.
Hypnea
Extrakt ALGIN Caxrageenan Agar
Arten Ascophyllu nodosum
Larninaria hyper orea Larninaria digita Ecklonia maxima Duivil a Lcssonia
Macrocystis pyrifera Fucus seαatus
Tab. 1: Herkunft der Algenextrakte - allgemeine Klaulfikanon
Allgemein sind die Algen, je nach Art und Jahreszeit, folgendermaßen aufgebaut
Figure imgf000007_0001
Wobei die Trockenmasse wiederum aus folgenden Bestandteilen aufgebaut ist:
Figure imgf000007_0002
In der Tabelle 2 ist für verschiedene Braunalgenarten (lat. Phaeophyceae) der Alginsäuregehalt und das Verhältnis von Mannuronan zu Guluronan, das ja die Eigenschaften des Alginates bestimmt, angegeben.
Figure imgf000008_0001
Tab. 2: Alginsäuregehalt und Verhältnis Mannuronan zu Guluronan verschiedener Braunalgenarten
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung eines neuen Schaumstoffes auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen mit einem ausreichenden Gehalt an Alginat, insbesondere auf Basis von Braunalgen, wobei der Schaumstoff verbesserte biologische Abbaubarkeit, geringe Dichte und die Möglichkeit, durch verschiedene Zusätze unterschiedliche Eigenschaftsveränderungen zu erzielen, aufweisen soll. Besonders in der biologischen Abbaubarkeit liegt ein wesentlicher Unterschied der erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffe zu Schaumstoffen aus Erdöl- folgeprodukten. Die Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffe entsprechen dem bisherigen Verwendungszweck von Schaumstoffen und liegen hauptsächlich im Ver- packungs- und im Dämmstoffbereich. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte gelöst:
Aufbereitung von Rohstoffen mit einem Mindestgehalt von 3 %- Masse Alginat zu einer ersten Reaktionslösung enthaltend wasserlösliches Alginat und Bereitstellung einer Calciumionenquelle in Form einer zweiten Reaktionslosung, Sättigung zumindest einer Reaktionslösung mit einem Aufschäummedium,
Vereinigung der Reaktionslösungen unter Bildung eines wasserunlöslichen Calciumalginats bei gleichzeitigem Aufschäumen,
Trocknung, Formgebung sowie gegebenenfalls einer Nachbehandlung entsprechend dem spezifischen Verwendungszweck.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei Verwendung von Rohstoffen mit einem Mindestgehalt von 3 %-Masse Alginat als Ausgangsprodukt, wie beispielsweise Braunalgen (Phaeophycea) , insbesondere Braunalgen der Ordnung Fucales und/oder Laminaria- les bzw. der Gattungen Ascophyllum, Fucus und Larninaria, Ecklonia sowie Macrocystis beziehungsweise Mischungen dieser Algen, auf die teure und aufwendige Isolierung des Alginats verzichtet und der Rohstoff als solches eingesetzt werden kann. Die obgenannten Rohstoffe weisen im allgemeinen einen Alginatge- halt zwischen 4 und 12 %-Masse auf, wobei es jedoch je nach Herkunft der Rohstoffe und Zeitpunkt der Ernte zu Schwankungen im Alginatgehalt kommen kann.
Selbstverständlich sind beim erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Algenarten, z.B. Rotalgen, einsetzbar, soweit sie einen Mindestgehalt von 3%-Masse Alginat enthalten.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Rohstoff, z.B. Braunalgen, nach entsprechender Aufbereitung als solcher eingesetzt, wobei die Lösung bzw. Suspension danach sofort aufgeschäumt werden kann.
Die Vorbehandlung besteht in einem einfachen Zerkleinern und Waschen des Rohstoffes mit Wasser sowie in der Zugabe von Natri- umcarbonat und Wasser. Durch diese Zugabe wird das unlösliche Alginat im Rohstoff in wasserlösliches Natriumalginat umgewandelt. Die Umwandlung kann dabei durch Rühren bei Raumtempe- ratur oder auch bei erhöhter Temperatur erfolgen.
Für die spätere chemische Reaktion ist die Bereitstellung einer Calciumionen-Quelle erforderlich. Vorzugsweise wird dabei erfindungsgemäß eine Lösung von Calciumchlorid verwendet. Zur Herstellung der Reaktionslösungen sind Lösungsmittel erforderlich, wobei vorzugsweise Wasser zur Anwendung kommt; es ist jedoch auch die Verwendung von Gemischen von Wasser mit mischbaren organischen Lösungsmitteln, wie Wasser/Aceton-Mischungen, möglich.
Zu den Reaktionslδsungen werden vorzugsweise schon während der Bereitstellung diverse Zusatzstoffe (eine genaue Spezifikation dieser Stoffe erfolgt nachfolgend) zugemischt. Es ist jedoch auch denkbar, die Zusätze in einem späteren Prozeßschritt zuzusetzen.
Zusatzstoffe können notwendig sein, um für den Schaumstoff bestimmte Eigenschaften zu erzielen, der Schaumstoff kann jedoch auch ohne einen Zusatzstoff produziert werden. Verwendet werden vorzugsweise (einzeln oder in Kombination) :
Fasermaterialien, wie Flachs oder Hanf, Zellstoff bzw. Zellulose als Strukturgeber und für verbessertes Dämpfungs- verhalten,
Latex für eine bessere Elastizität,
Stärke als Füllmaterial und Verbundsubstanz,
Schaumstabilisatoren und Schaumbildner, z.B. Triton, Dioc- tylsulfosuccinat , Laurinsäure-Dimethylamid, Laurylsulfat , etc. ,
Farbstoffe, Pigmente,
Biozide (Fungizide etc.),
Antioxidantien, flammenhemmende Stoffe,
Harze als Verbundsubstanz und Beschichtungsmaterial ,
Füllstoffe, zum Beispiel CaC03 , Na2 C03 , Sägespäne, etc.,
UV-Stabilisatoren,
Hitze-Stabilisatoren,
Viskositäts- "Regler" für verbesserte Schaumbildung und
Schaumstabilisation, wasserabstoßende Substanzen,
Antistatika sowie
Gleit- und Schmiermittel. Zur Herstellung des Schaumstoffes ist es notwendig, im Verlauf des Prozesses zumindest einer der Reaktionslösungen ein festes, flüssiges oder gasförmiges Aufschäummittel, beispielsweise Luft, Stickstoff, C02 und dgl . beizugeben. Diese Beigabe erfolgt geeigneterweise ebenfalls schon bei der Aufbereitung der Rohstoffe, kann aber auch in einem nachfolgenden Verfahrensschritt durchgeführt werden. Als besonders günstiges festes Aufschäummittel hat sich Natriumhydrogencarbonat erwiesen, da dadurch ein zusätzliches Aufschäumen beim Trocknen bewirkt werden kann.
Vorzugsweise wird zumindest eine der Reaktionslösungen mit Luft unter Druck gesättigt, wobei das Aufschäumen durch ein Entspannen der Reaktionslösung und der damit verbundenen Freisetzung der gelösten Luft erfolgt.
Im Verlauf des Aufschäumvorganges werden die Reaktionslösungen zusammengeführt. Es kommt dabei zu einem Ionenaustausch zwischen der Algen- bzw. Alginat- und der Calciumionenquelle bzw. -lδsung. Das Ergebnis ist die Bildung eines Calciumalgi- nats, welches durch das Aufschäummittel sofort in einen Cal- ciumalginatschäum verwandelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gebildete Schaumstoff vor der Trocknung einer Verdrängungswäsche unterzogen. Der gebildete Calciumalginatschaum enthält eine große Menge Wasser in seinen Poren eingeschlossen, was sich nachteilig auf den TrocknungsVorgang auswirkt (längere Trocknungszeit, Beschaffenheit des trockenen Schaumstoffes) . In einer derartigen Verdrängungswäsche wird das Wasser im Schaum zum größten Teil durch organische Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemische ersetzt, welche mit Wasser ein Azeotrop bilden und einen verhältnismäßig niedrigen Siedepunkt aufweisen, beispielsweise Aceton. Der so entstandene lösungsmittelhältige Calciumalginatschaum läßt sich nun aufgrund der leichteren Flüchtigkeit des bzw. der organischen Lösungsmittel (s) im nachfolgenden Trocknungsschritt viel schneller und effizienter trocknen.
Im Trocknungsschritt geht es primär darum, dem Schaumstoff das verwendete Lösungsmittel durch ein geeignetes Trocknungsverfahren zu entziehen. In Frage kommen dabei insbesondere Mikrowellen-, Kontakt-, Konvektions- , z.B. Wirbelschicht-, Strah- lungs-, und Vakuumtrocknungsverfahren, wobei auch Kombinationen dieser Trocknungsverfahren möglich sind. Ein mechanisches Auspressen des erhaltenen Schaumstoffes ist auch möglich, insbesondere bei Verwendung von Natriumhydrogencarbonat als festes Aufschäummittel, da durch das zusätzliche Aufschäumen beim Trocknen ein eventueller Volumsverlust durch das mechanische Auspressen ausgeglichen werden kann.
Die anschließende Formgebung kann während der Aufschäumung beziehungsweise auch zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden. Die Formgebung richtet sich vor allem nach der Art der produzierten Schaumstoffe. Werden beispielsweise Partikel, z.B. Kügelchen oder Chips, erzeugt, so können diese unter Verwendung geeigneter Verbundsubstanzen in jede beliebige Form gebracht werden. Wird eine Rohform erzeugt, so muß diese entsprechend der gewünschten Endform nachbearbeitet werden. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, fertige Endformen auszuschäumen.
Der Schaumstoff kann auch entsprechend behandelt werden, um gewisse Eigenschaftsveränderungen zu erzielen. Beispielsweise sei hier eine Hydrophobierung des Schaumstoffes genannt. Es besteht keine technische Limitierung, in welcher Verfahrensstufe diese Behandlung durchzuführen ist .
Beschichtungen werden vor allem dazu verwendet, um den Schaumstoff gegenüber äußeren Einflüssen in der gewünschten Art und Weise zu schützen, beziehungsweise um gewisse optische Eigenschaften zu erzielen. Verwendet werden dabei vorzugsweise (einzeln oder in Kombination miteinander) Wachsemulsionen, Naturharze und/oder Farbstoffe.
Wie bereits erwähnt, gibt es die Möglichkeit, drei verschiedene Arten von Schaumstoffen zu erzeugen. a) Herstellung von Einzelpartikeln b) Herstellung von Fertigformen c) Herstellung von Rohformen
Bevor nun, stellvertretend für die im Anhang angeführten Verfahrensschemata, zwei mögliche Herstellungsprozesse detailliert beschrieben werden, soll zusammenfassend noch einmal festgehalten werden:
* Als Ausgangsprodukte dienen Rohalgen, welche überraschenderweise direkt zur Schaumstoffproduktion eingesetzt werden können . * Es können verschiedenste Lösungsmittelgemische auf wässeriger Basis zum Einsatz kommen.
* Der Schaumstoff kann gänzlich ohne Zusatzstoffe produziert werden. Sollen jedoch, je nach Verwendungszweck, bestimmte Eigenschaften erzielt werden, so kann man die benötigten Zusatzstoffe prinzipiell in jedem Verfahrensschritt zugeben, vorzugsweise jedoch der Algenlösung bzw. -Suspension, der Ca- Ionen-Lösung sowie den kombinierten Reaktionslösungen vor dem Aufschäumen.
* Das Aufschäummittel kann sowohl der Algenlösung bzw. -Suspension, der Ca- Ionen-Lösung als auch mit jedem anderen Stoffström von Zusatzstoffen zugesetzt werden. Das kann vor der chemischen Reaktion der Calciumalginatbildung, während der Reaktion oder auch nach der Reaktion in beliebiger Form durchgeführt werden.
Ein mögliches Verfahrensschema zur Herstellung von Schaumstoffen, die aus Einzelpartikeln zusammengesetzt sind, ist in Fig. 1 dargestellt.
In diesem Fall dienen rohe Braunalgen als Ausgangsprodukt. Als Calciumionenquelle wird Calciumchlorid (CaCl2 ) verwendet, Wasser stellt das Lösungsmittel dar und als Aufschäummedium kommt Luft zur Anwendung. Eventuell benötigte Zusatzstoffe können sowohl der NaAlg-Lösung als auch der CaCl2 -Lösung beigemengt werden.
In einer Rühreinheit wird eine wässerige CaCl2 -Lösung bereitgestellt, die mit Zusatzstoffen versetzt werden kann. In einem zweiten, separaten Rührer wird eine wässerige Lösung bzw. Suspension von wie vorstehend beschrieben vorbehandelten rohen Braunalgen bereitgestellt, die ebenfalls mit Zusatzstoffen versetzt werden kann. Diese Lösung wird unter Druck mit Luft gesättigt. Der Reaktor wird nun mit der CaCl2 -Lösung beschickt. Am Reaktorboden ist eine Lochplatte eingebaut, in der die Algenlösung bzw. -Suspension in den Reaktor eingebracht wird.
Abhängig vom Lochdurchmesser und der Lochgeschwindigkeit können verschiedene Partikelgrößen erreicht werden. Zusätzlich kann die Partikelgröße aber auch über eine Schereinrichtung eingestellt werden.
Unmittelbar nach dem Eintritt in den Reaktor reagiert das in der Algenlösung vorhandene Natriumalginat mit der CaCl2 -Lösung. Dabei findet zwischen beiden Reaktionslδsungen ein Ionenaustausch statt, das heißt die Natrium- Ionen des Natriumalginats werden durch die Calcium- Ionen der CaCl2 -Lösung ersetzt. Gleichzeitig wird die unter Druck mit Luft gesättigte Lösung auf Atmosphärendruck entspannt. Die freiwerdenden freien Luftbläschen werden dabei von CaAlg2 umhüllt .
Dieses Zweiphasensystem bildet einen CaAlg2 -Schaum in Partikelform, der einem anschließenden Trocknungsprozeß zugeführt wird. Im Anschluß daran werden die Einzelpartikel mit entsprechenden Verbindungsmitteln zu beliebigen Agglomeraten geformt. Abschließend kann, soweit das noch nicht geschehen ist, ein Beschichtungs- und/oder Färbungsschritt nachgeschaltet werden.
Ein möglicher Verfahrensweg zur Herstellung von Fertigformen bzw. von Rohformen ist in Fig. 2 dargestellt.
Auch in diesem Beispiel werden Braunalgen enthaltend Natriumalginat (NaAlg) und Calciumchlorid (CaCl2 ) als Rohstoffe verwendet . Ebenso dient Luft als- Aufschäummedium und Wasser als Lösungsmittel. Die eventuell benötigten Zusatzstoffe können wiederum sowohl der Algenlösung als auch der CaCl2 -Lösung beigemengt werden.
In zwei separaten Rührereinheiten wird eine wässerige Algenlösung bzw. -Suspension und eine wässerige CaCl2 -Lösung hergestellt. Die Zusatzstoffe werden bereits in dieser Verfahrensstufe zugeführt.
In einem nächsten Schritt wird die CaCl2 -Lösung unter Druck mit Luft gesättigt. Der Reaktor wird mit der Algensuspension befüllt, über Düsen im Boden des Reaktors wird die mit Luft gesättigte Lösung dem Reaktor zugeführt. Unmittelbar nach dem Eintritt in den Reaktor reagiert das in der Algensuspension enthaltene NaAlg mit der CaCl2 -Lösung. Dabei findet zwischen beiden Reaktionslösungen ein Ionenaustausch statt, das heißt die Natrium-Ionen der Alginatlösung werden durch die Calcium- Ionen der CaCl2 -Lösung ersetzt. Gleichzeitig wird die unter Druck mit Luft gesättigte CaCl2 -Lösung auf Atmosphärendruck entspannt. Die freiwerdenden Luftbläschen werden dabei von CaAlg2 umhüllt . Dieses Zweiphasensystem wird zu einem CaAlg2 -Produkt aufgeschäumt, das entweder schon fertige Formen oder eine Rohform ausfüllt, die in einer späteren Formgebungsstufe in die endgültige Form gebracht wird. In dem der Verdrängungswäsche nachfolgenden Trocknungsprozeß wird dem Schaum dann das Lösungsmittel entzogen. Vor einem eventuellen Beschichtungs- und/oder Färbungsschritt werden die Rohformen noch nachbearbeitet.
Besonders günstig ist auch, wenn beide Lösungen, also sowohl die Algenlösung bzw. Suspension als auch die CaCl2 -Lösung unter Druck mit einem gasförmigen Aufschäummittel gesättigt wurden.
Der Hauptunterschied zwischen dem erfindungsgemäß hergestellten Alginatschaumstoff und den nach Stand der Technik produzierten herkömmlichen Schaumstoffen liegt vor allem darin, daß der erfindungsgemäße Schaumstoff auf kostengünstige Weise und einfach aus nachwachsenden Rohstoffen produziert wird.
Es werden also somit keine kostbaren Ressourcen weiter belastet, sondern es wird auf Rohstoffkapazitäten zurückgegriffen, die sich in kurzer Zeit regenerieren. Aus der Verwendung eines nachwachsenden und damit natürlichen Rohstoffes resultiert ein weiterer wesentlicher Unterschied zu den marktüblichen Schaumstoffen. Der erfindungsgemäße Schaumstoff ist weiters im Prinzip - d.h. in Abhängigkeit der verwendeten Zusatzstoffen - biologisch abbaubar, wodurch sich bezüglich einer späteren Entsorgung des Produktes große Vorteile ergeben. Die Natürlichkeit des Materials erweist sich außerdem in allen Anwendungen von Vorteil, in denen Wert auf "biologische" Materialien gelegt wird (z.B. Schaumstoffmatratzen aus gesunden, natürlichen Materialien) .
Der erfindungsgemäße Schaumstoff weist Dichten im Bereich von ca. 35 bis 40 kg/m3 auf, wobei diese Werte natürlich auch von Zusatzstoffen abhängen und in einem weiten Bereich variiert werden können. Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit können Werte von 0,04 bis 0,05 W/mK) erreicht werden.
Der Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffes sind im Prinzip keine Grenzen gesetzt. Im folgenden werden einige besonders bevorzugte Gebiete herausgegriffen:
Verpackungsbereich :
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren produzierte Schaumstoff deckt in seiner Eignung prinzipiell den gesamten Verpak- kungsbereich ab. Es ergeben sich also keinerlei Einschränkungen bezüglich einer Verwendung als Verpackungsmaterial . Es ist unter anderem vorstellbar, daß beispielsweise Verpackungen für den Bereich elektronischer Güter aus dem neuen Schaumstoff bestehen. Aufgrund des weltweiten Handels mit elektronischen Gütern ist es unbedingt erforderlich, das dieses Verpackungsmaterial in seinen Eigenschaften allen Klimazonen der Erde entspricht. Die zum Teil extrem hohen Anforderungen an das Verpackungsmaterial werden von dem erfindungsgemäßen Schaumstoff voll erfüllt . Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Material auch möglich, ein mehrschichtiges Verpackungsmaterial zu erzeugen, wobei ein Teil dieser Schichten dazu dient, die Festigkeit des Materials hinsichtlich mechanischer Beanspruchung zu gewährleisten, während beispielsweise der andere Teil aufgrund bestimmter Zusätze zum Schaumstoff stoßdämpfende Eigenschaften besitzen kann.
Thermische Isolation:
Ein weiterer interessanter Anwendungsfall ergibt sich aus der Porenstruktur des erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffes. Aufgrund der in der Festkörperstruktur eingeschlossenen Gase ist es möglich, den Schaumstoff auch im Dämmstoffbereich einzusetzen, beispielsweise in der Bauindustrie. Gerade hier ist in letzter Zeit ein verstärkter Trend zu natürlichen Materialien feststellbar.
Elektrische Isolation:
Gemäß der chemischen Struktur des erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffes ist es prinzipiell möglich, den neuen Schaumstoff auch als elektrisches Isolationsmaterial in der Elektroindustrie zu verwenden.
Elastische Schaumstoffe:
In diesen Bereich fallen Anwendungsbereiche wie in der Möbelindustrie (Polsterschaumstoffe, umweltfreundliche Matratzen, etc.) oder auch in der Autoindustrie (aufgeschäumte Verkleidungselemente, etc.) und andere, wobei die durch entsprechende Zusatzstoffe hervorgerufene Elastizität des Materials diese Anwendungen ermöglicht . Formteile :
Aufgrund der Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Schaumstoff in jede beliebige Form zu bringen und für jeden speziellen Anwendungsfall entsprechende Eigenschaften durch Zugabe von Zusatzstoffen zum Schaumstoff sicherzustellen, ergeben sich hier vielfältigste Anwendungsbereiche, beispielsweise in der Automobil- und Flugzeugindustrie.
In den Fig. 3 bis 9 der beiliegenden Zeichnungen werden eine Reihe von weiteren Varianten für das erfindungsgemäße Verfahren geoffenbart. Als Ausgangsprodukt wurde eine Mischung von Braunalgen der Gattungen Fucus und Larninaria eingesetzt, die Probenvorbehandlung erfolgte durch Zerkleinern von etwa 125 g der Algen in etwa zentimetergroße Stücke, Waschen (3 x mit je 1800 ml Leitungswasser), dann Zugabe von etwa 20 g Na2 C03 und 1800 ml Wasser. Je nach verwendeter Temperatur war die Vorbehandlung nach 60 min (bei Kochtemperatur) bzw. zwischen 6 und 24 Stunden (Raumtemperatur) abgeschlossen.
Fig 3 :
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Die Algen-Lösung wird mit dem Aufschäummedium gesättigt. Diese wird in die Calonen-Lösung eingedüst und sofort entspannt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch in der Mischereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.
Fig 4 :
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Die Ca- Ionen-Lösung wird mit dem Aufschäummedium gesättigt. Diese wird in die Algen-Lösung eingedüst und sofort entspannt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch in der Mischereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.
Fig 5 :
Ausgangsprodukt : Braunalgen Sowohl die Algen-Lösung als auch die Ca-Ionen-Lösung werden mit dem Aufschäummedium gesättigt. Die Algen-Lösung wird anschließend in die Ca-Ionen-Lösung eingedüst. Nach der Reaktion wird entspannt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch in der Mischereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.
Fig 6:
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Sowohl die Algen-Lösung als auch die Ca-Ionen-Lösung werden mit dem Aufschäummedium gesättigt. Die Ca-Ionen-Lösung wird anschließend in die Algen-Lösung eingedüst. Nach der Reaktion wird entspannt . Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch in der Mischereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.
Fig 7:
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Sowohl die Algen-Lösung als auch die Ca-Ionen-Lösung werden mit dem Aufschäummedium gesättigt. Die Ca-Ionen-Lösung und die Algen-Lösung werden anschließend gemeinsam in den Reaktor eingedüst und dort sofort entspannt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch in der Mischereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.
Fig 8 :
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Die Algen-Lösung und die Ca-Ionen-Lösung werden gemeinsam in den Reaktor geführt . Im Reaktor selbst wird das Aufschäummedium zugesetzt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch schon in der Rührereinheit. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden. Fig 9 :
Ausgangsprodukt : Braunalgen
Die Algen-Lösung und die Ca-Ionen-Lösung werden gemeinsam in einen Mischer bzw. Rührer geführt. Das daraus resultierende Gel wird danach einem Aufschaumprozeß zugeführt. Zusatzstoffe können an beliebiger Stelle zugeführt werden, vorzugsweise jedoch schon in den Rührer- bzw. Mischereinheiten. Beschichtung und/oder Färbung können, wenn notwendig, sowohl vor als auch nach der Trocknung durchgeführt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes, ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere natürlich nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Algen, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Maßnahmen:
Aufbereitung von Rohstoffen mit einem Mindestgehalt von 3 - Masse Alginat zu einer ersten Reaktionslösung enthaltend wasserlösliches Alginat und Bereitstellung einer Calciumionenquelle in Form einer zweiten Reaktionslosung, Sättigung zumindest einer Reaktionslösung mit einem Aufschäummedium,
Vereinigung der Reaktionslösungen unter Bildung eines wasserunlöslichen Calciumalginats bei gleichzeitigem Aufschäumen, Trocknung, Formgebung sowie gegebenenfalls einer Nachbehandlung entsprechend dem spezifischen Verwendungszweck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rohstoffe auf Basis von rohen Braunalgen (Phaeophycea) , insbesondere Braunalgen der Ordnung Fucales und/oder Laminariales bzw. der Gattungen Ascophyllum, Fucus und Larninaria, Ecklonia sowie Macrocystis beziehungsweise Mischungen dieser Algen eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohstoffe einen Alginatgehalt zwischen 4 und 12 %-Masse aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Calciumchlorid-Lösung als Calciumionenquelle eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser als Lösungsmittel zur Herstellung der Reaktionslösungen eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Wasser mit mischbaren organischen Lösungsmitteln zur Herstellung der Reaktionslösungen eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasser/Aceton-Mischung als Lösungsmittel zur Herstellung der Reaktionslösungen eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer bzw. beiden Reaktionslösungen Zusatzstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasermaterialien, wie Flachs oder Hanf, Zellstoff bzw. Zellulose, Latex, Stärke, Schaumstabilisatoren und Schaumbildner, z.B. Triton, Dioctylsul- fosuccinat, Laurinsäure-Dimethylamid, Laurylsulfat , Farbstoffe, Pigmente, Biozide (z.B. Fungizide), Antioxidantien, flammenhemmende Stoffe, Harze, Füllstoffe, zum Beispiel CaC03 , Na2 C03 , Sägespäne, UV-Stabilisatoren, Hitze-Stabilisatoren, Viskositäts- Regler, wasserabstoßende Substanzen, Antistatika, Gleit- und Schmiermittel sowie Kombinationen hievon zugesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufschäummittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus festen, flüssigen und gasförmigen Aufschäummittel, beispielsweise Luft, Stickstoff und C02 , sowie Mischungen hievon, verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Reaktionslösungen mit Luft unter Druck gesättigt wird, wobei das Aufschäumen durch ein Entspannen der Reaktionslösung und der damit verbundenen Freisetzung der gelösten Luft erfolgt .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Schaumstoff vor der Trocknung einer Verdrängungswäsche unterzogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verdrängungswäsche des gebildeten Schaumstoffs organische Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemische, welche mit Wasser ein Azeotrop bilden und einen verhältnismäßig niedrigen Siedepunkt aufweisen, vorzugsweise Aceton, eingesetzt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Trocknung Mikrowellen-, Kontakt-, Konvek- tions-, z.B. Wirbelschicht-, Strahlungs-, Vakuumtrocknungsverfahren, mechanische Trocknungsverfahren und/oder Kombinationen dieser Trocknungsverfahren eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der fertige Schaumstoff einer Nachbehandlung in Form einer Beschichtung mit Wachsemulsionen, Naturharzen und/oder Farbstoffen unterworfen wird.
15. Verwendung von Rohstoffen mit einem Mindestgehalt von 3 %- Masse Alginat, wie beispielsweise Braunalgen (Phaeophycea) , insbesondere Braunalgen der Ordnung Fucales und/oder Laminariales bzw. der Gattungen Ascophyllum, Fucus und Larninaria, Ecklonia sowie Macrocystis beziehungsweise Mischungen dieser Algen, als Ausgangsprodukt in einem Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes.
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