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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von geformten
Folien und Gegenständen daraus.
Die geformten Folien haben eine stärkegebundene Matrix, die mit
Fasern verstärkt
ist und die gegebenenfalls mineralische Füllstoffe enthält, und
sie können
einen Ersatz für
herkömmliche
Papier- und Pappeprodukte bilden.
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Die
Beschreibung hindurch bedeutet die Angabe "...",
dass ein Teil des Textes, der in der Prioritäts-begründenden Anmeldung (USSN 08/631
676) vorhanden war, versehentlich aus der wie eingereichten PCT-Anmeldung
(PCT/US97/05794) weggelassen wurde.
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A. Folien, Behälter und
andere Gegenstände
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Dünne, flexible
Folien, hergestellt aus Materialien, wie Papier, Pappe, Kunststoff,
Polystyrol, und sogar aus Metallen, werden derzeit in enormen Mengen
in Form von bedruckten Materialien, Etiketten, Matten sowie zur
Herstellung von anderen Gegenständen,
wie Behältern,
Separatoren, Aufteileinrichtungen, Umschlägen, Deckeln, Oberteilen, Dosen
und anderen Verpackungsmaterialien, verwendet. Moderne Prozessierungs-
und Verpackungstechniken gestatten derzeit die Lagerung einer enormen
Vielzahl von flüssigen
und festen Gütern sowie
deren Verpackung oder Transport, während sie vor gefährlichen
Elementen geschützt
sind.
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Behälter und
andere Verpackungsmaterialien schützen Güter vor Umwelteinflüssen und
vor Schäden, die
bei der Verteilung auftreten können,
und insbesondere vor chemischen und physikalischen Einflüssen. Die Verpackung
trägt dazu
bei, eine enorme Vielzahl von Gütern
vor Gasen, Feuchtigkeit, Licht, Mikroorganismen, Würmern, physikalischem
Schock, Zerschlagungskräften,
Vibrationen, Auslauferscheinungen oder Verschütten zu schützen. Einige Verpackungsmaterialien
liefern auch ein Medium für
die Verbreitung von Informationen an den Verbraucher, wie bezüglich der
Herstellungsquelle, des Inhalts, sowie für Werbebotschaften, für Anweisungen
für Markenidentifizierungen
und den Preis.
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Typischerweise
werden die meisten Behälter
und Tassen bzw. Becher (mit Einschluss von Wegwerfbehältern) aus
Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol-, Glas- und Metallmaterialien,
hergestellt. Jedes Jahr werden mehr als 100 Milliarden Aluminiumdosen,
Milliarden von Glasflaschen und Tausende von Tonnen an Papier und
Kunststoff zur Lagerung und Abgabe von Softdrinks, von Säften, von
prozessierten Nahrungsmitteln, von Kornprodukten, von Bier, etc.,
verwendet. Außerhalb
der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie
sind Verpackungsbehälter
(und insbesondere Wegwerfbehälter,
die aus solchen Materialien hergestellt worden sind) überall vorkommend.
Papier zum Drucken, zum Beschreiben und zum Fotokopieren sowie für Magazine, Zeitungen,
Bücher,
Einwickelmaterialien und andere flache Gegenstände, die aus Folien von aus
Bäumen
erhaltenem Papier hergestellt sind, werden ebenfalls jedes Jahr
in enormen Mengen hergestellt. Allein in den Vereinigten Staaten
werden jedes Jahr ungefähr
5 1/2 Millionen Tonnen Papier für
Verpackungszwecke eingesetzt, was aber nur etwa 15% der gesamten
jährlichen
Inlandsproduktion von Papier entspricht.
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B. Die Auswirkungen von
Papier, Kunststoff, Glas und Metallen
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Seit
Neuem gibt es Debatten darüber,
welches dieser Materialien (z.B. Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol,
Glas oder Metall) für
die Umgebung am schädlichsten
ist. Organisationen mit Umweltbewusstheit haben schon viele Leute
davon überzeugt,
ein Material anstelle eines anderen einzusetzen, um umweltmäßig "korrekt" zu sein. Diese Debatte
verfehlt aber oftmals den Punkt, dass jedes dieser Materialien seine
eigenen einzigartigen Umweltschwächen
hat. Zwar scheint ein Material einem anderen gegenüber überlegen
zu sein, wenn es im Lichte eines besonderen Umweltproblems beurteilt
wird, während
davon unterschiedliche, oftmals sogar größere Probleme ignoriert werden,
die mit dem angeblich bevorzugten Material verbunden sind. Tatsächlich haben
Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas und metallische Materialien
ihre eigenen einzigartigen Umweltschwächen.
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Polystyrolprodukte
haben in neuerer Zeit den Zorn von Umweltschutzgruppen auf sich
gezogen, und zwar besonders Behälter
und anderen Verpackungsmaterialien. Während das Polystyrol selbst
eine relativ inerte Substanz ist, umfasst jedoch seine Herstellung
die Verwendung einer Vielzahl von gefährlichen Chemikalien und Ausgangsmaterialien.
Unpolymerisiertes Styrol ist sehr reaktiv und stellt daher ein Problem
für die
Gesundheit für
diejenigen dar, die es handhaben müssen. Da das Styrol aus Benzol
(das ein bekanntes Mutagen und möglicherweise
ein Karzinogen ist) hergestellt wird, können restliche Mengen von Benzol
in dem Styrol gefunden werden. Schließlich ist es so, weil polymerisiertes
Styrol unter üblichen
Bedingungen relativ stabil ist, dass Behälter, Verpackungspeanuts und
andere Gegenstände,
die daraus hergestellt worden sind, gegenüber einem Abbau resistent und daher bei der Ablagerung
in der Umwelt über
lange Zeiträume
vorhanden sind.
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Mehr
potentielle Schäden
werden mit der Verwendung von Chlorfluorkohlenwasserstoffen (oder "CFCs") bei der Herstellung
von "geblasenen" oder "expandierten" Polystyrolprodukten
verbunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die CFCs mit der Zerstörung
der Ozonschicht verknüpft
sind. Bei der Herstellung von Schaumstoffen, mit Einschluss von
geblasenem Polystyrol, sind die CFCs (die hochflüchtige Flüssigkeiten darstellen) dazu
eingesetzt worden, um das Polystyrol zu Schaumstoffen zu "expandieren" oder zu "verblasen". Letzteres Material
wird dann in die Form von Tassen bzw. Bechern, Platten, Tabletts,
Kästen,
faltbaren Behältern,
Abstandsstücken
oder Verpackungsmaterialien verformt. Selbst die Substitution durch
weniger "umweltbeschädigende" Treibmittel (z.B.
HCFC, CO2 und Pentane) ist immer noch signifikant
schädlich,
und ihre Eliminierung würde
günstig
sein.
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Als
Ergebnis wurde auf die Industrie ein weit verbreiteter Druck ausgeübt, die
Verwendung von Polystyrolprodukten zugunsten von hinsichtlich der
Umwelt sichereren Materialien abzubrechen. Einige Umweltschutzgruppen
haben eine zeitweilige Rückkehr
zu der Verwendung von "natürlicheren" Produkten, wie Papier, oder
anderen Produkten, hergestellt aus Holzpulpe, von denen angenommen
wird, dass sie biologisch abbaubar sind, favorisiert. Gleichwohl haben
andere Umweltschutzgruppen die entgegengesetzte Ansicht vertreten, um
das Fällen
von Bäumen
und die Verarmung an Wäldern
zu minimieren.
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Obgleich
Papierprodukte offensichtlich biologisch abbaubar sind und auch
nicht mit der Zerstörung
der Ozonschicht verbunden sind, haben doch neuere Untersuchungen
gezeigt, dass die Herstellung von Papier möglicherweise die Umgebung stärker beeinflusst
als die Herstellung von Polystyrol. Tatsächlich ist die Holzpulpe- und
Papierindustrie als einer der fünf
Spitzenverschmutzer in den Vereinigten Staaten identifiziert worden.
Beispielsweise erfordern Produkte, die aus Papier hergestellt werden,
die zehnfache Menge von Wasserdampf, die vierzehnfache bis zwanzigfache
Menge von Elektrizität
und die doppelte Menge von Kühlwasser
im Vergleich zu einem gleichwertigen Polystyrolprodukt. Verschiedene
Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die Abwässer aus der Papierherstellung
die zehn- bis hundertfache Menge der Menge an Verunreinigungen enthalten,
die bei der Herstellung von Polystyrolschaumstoffen anfallen.
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Ein
weiterer Nachteil der Herstellung von Papier und Pappe ist die relativ
große
Menge von Energie, die für
die Herstellung von Papier erforderlich ist. Diese schließt die Energie
ein, die für
die Verarbeitung von Holzpulpe bis zu dem Punkt, dass die Fasern
genügend
delignifiziert und gereinigt sind, dass solche Fasern nach dem Prinzipien
der Gewebephysik selbstbindend sind, erforderlich ist. Dazu kommt
noch, dass eine große
Menge von Energie dazu erforderlich ist, das Wasser innerhalb von
herkömmlichen
Papieraufschlämmungen,
die Wasser in Spitzenmengen bis zu etwa 99,5 Vol.-% enthalten, zu
entfernen. Da derart viel Wasser aus der Aufschlämmung entfernt werden muss,
ist es erforderlich, das Wasser aus der Aufschlämmung buchstäblich herauszusaugen,
bevor erhitzte Walzen dazu eingesetzt werden können, um die Bahn zu trocknen. Schließlich wird
gewöhnlich
sehr viel von dem Wasser, das aus den Folien während des Entwässerungsprozesses
herausgesaugt wird, gewöhnlich
in die Umwelt entsorgt.
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Die
Herstellungsprozesse für
die Verformung von Metallfolien zu Behältern (insbesondere Dosen,
hergestellt aus Aluminium und Zinn), zum Blasen von Glasflaschen
und zum Verformen von keramischen Behältern, verbrauchen große Mengen
von Energie wegen der Notwendigkeit, das Rohmaterial aufzuschmelzen
und dann gesondert zu einem Zwischenprodukt oder Endprodukt zu verarbeiten
oder zu verformen. Diese hohen Energie- und Prozesserfordernisse
verwenden nicht nur wertvolle Energieressourcen, sondern führen auch
zu einer signifikanten Luft-, Wasser- und Hitzeverschmutzung an
die Umwelt. Während
Glas recycelt werden kann, ist der Teil, der in Landauffüllungen
endet, im Wesentlichen nicht abbaubar. Glassplitter sind sehr gefährlich und
können über Jahre
dauerhaft sein.
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Selbst
das Papier oder die Pappe, von denen von vielen angenommen wird,
dass diese Materialien biologisch abbaubar sind, können über Jahre,
sogar Dekaden, innerhalb Landauffüllungen, die von Luft, Licht und
Wasser abgeschirmt sind, die alle für normale biologische Abbauaktivitäten erforderlich
sind, verbleiben. Es gibt Berichte darüber, dass Telefonbücher und
Zeitungen aus Abfallgruben herausgezogen worden sind, worin sie über Dekaden
vergraben waren. Die Langlebigkeit von Papier wird weiterhin kompliziert
gemacht, weil es üblich
ist, Papier mit verschiedenen Schutzmaterialien, die den Abbau weiter
verlangsamen oder sogar verhindern, zu behandeln, zu beschichten
oder zu imprägnieren.
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Ein
weiteres Problem bei Papier, Pappe, Polystyrol und Kunststoffen
besteht darin, dass jedes dieser Materialien relativ teure organische
Ausgangsmaterialien erfordert, von denen einige ......sind. Obgleich
Bäume,
die für
die Herstellung von Papier und Pappe verwendet werden, im strikten
Sinne des Wortes erneuerbar sind, unterminieren ihre großen Landerfordernisse
und die rasche Verarmung in bestimmten Gegenden diese Meinung. Daher
kann die Verwendung von großen
Mengen von im Wesentlichen nicht-erneuerbaren Ausgangsmaterialien
für die
Herstellung von Folien und Gegenständen daraus nicht abgebrochen
werden, und sie ist aus einer Langzeitperspektive nicht weise. Weiterhin
sind die zur Herstellung der Rohmaterialien für die Verpackungsmasse (wie
Papierpulpe, Styrol oder Metallfolien) verwendeten Prozesse sehr
energieintensiv, die große
Mengen von Wasser benötigen
und eine große
Luftverschmutzung bewirken und die auch signifikante Kapitalinvestitionen
erfordern.
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Im
Lichte der vorstehenden Ausführungen
sollte daher die Debatte nicht darauf gerichtet sein, welche Materialien
für die
Umwelt mehr oder weniger schädlich
sind, sondern es sollte gefragt werden, ob ein alternatives Material
entwickelt werden kann, das die meisten, wenn nicht alle, der verschiedenen
Umweltprobleme, die mit den jeweils derzeit verwendeten Materialien
assoziiert sind, löst.
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C. Stärke-Bindemittel
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Neuerdings
haben viele schon versucht, Stärken
und Stärke-Derivate
als Bindungsmittel oder als einzigen Bestandteil in geformten Gegenständen zu
verwenden. Ein Verfahren für
die Verformung von Stärke
erfolgt durch Verformung eines Produkts, das auf diesem Gebiet als "destrukturisierte
Stärke" bekannt ist. Bei der
Herstellung von destrukturisierter Stärke werden native Stärke oder
Stärke-Derivate
mit einem Weichmacher vermischt und bei hoher Temperatur und Druck
verflüssigt,
um eine "heiße Schmelze" zu erzeugen, die dadurch
verfestigt wird, dass die heiße
Schmelze auf eine Temperatur unterhalb der "Glasübergangstemperatur" abgekühlt wird.
Auf diese Art und Weise wird die Stärke wie ein thermoplastisches
Material behandelt. Obgleich destrukturisierte oder Heißschmelzstärke-Systeme
in der Theorie gut klingen, sind doch in der Praxis die Herstellungsverfahren
sehr teuer, und die daraus hergestellten Gegenstände sind im Allgemeinen nicht
zufriedenstellend, und sie haben nur eine schlechte Qualität.
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Ein
weiteres Verfahren zum Verformen von Gemischen auf Stärkebasis
zu Gegenständen
beinhaltet die Verformung eines wässrigen Stärkegemisches zwischen erhitzten
Pressgesenken bzw. Formwerkzeugen. Das Stärke-Bindemittel liegt vorzugsweise
anfänglich
in einem nicht-modifizierten, nicht-gelatinierten Zustand innerhalb
des verformbaren wässrigen
Gemisches vor. Ansonsten müsste
das Gemisch weitaus mehr Wasser enthalten, um die gleichen charakteristischen
Eigenschaften der Verformbarkeit aufrecht zu erhalten, und zwar aufgrund der
Gelierung der Stärke
und des extrem die Viskosität
erhöhenden
Effekts der gelatinierten Stärke in
Wasser. Die Gemische aus Stärke
und Wasser werden zwischen den Formen auf eine Temperatur erhitzt, die
hoch genug ist, um die Stärke
zu gelatinieren, als auch den Hauptteil des Wassers aus dem verformbaren Gemisch
zu entfernen. Die resultierenden geformten Gegenstände können aus
der Form entnommen werden, sind jedoch anfänglich sehr brüchig und
müssen
dadurch "konditioniert
werden", indem sie
in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit über ausgedehnte Zeiträume gebracht
werden, um Feuchtigkeit zu reabsorbieren.
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Eine
einfache Entfernung der Gegenstände,
die eine Restfeuchtigkeit haben, aus der Form hat sich als nicht
durchführbar
erwiesen wegen der Tendenz der verschäumten zellulären Stärkematrix,
zusammenzufallen, wenn sie nicht genügend getrocknet und erhärtet wird.....die
Vermeidung eines Zusammenfallens umfasst üblicherweise ein Übertrocknen
der Stärke.
Eine derartige Konditionierung ist nach dem Verformungsprozess erforderlich.
Während
der vorstehende Verformungsprozess eine gewisse Einsetzbarkeit haben
kann, gestattet er doch nicht die kontinuierliche Herstellung von
kontinuierlichen Bahnen, wie bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung
von Papier.
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Stärke-Derivate
werden auch im weiten Umfang auch in der Papierindustrie als Schlichtmittel
und als Beschichtungsmittel eingesetzt, um die Poren des Papiers
zu versiegeln und um eine glattere, weniger poröse Oberfläche zu erzeugen. Jedoch vertrauen
die herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von Papier weltweit auf das Prinzip der
Gewebephysik, das das Verschlingen der Fasern und eine Wasserstoffbindung
zwischen den Fasern darstellt, um die bindende Matrix der Folie
zu bilden. Die zu der Papieraufschlämmung oder zu dem Eintrag gegebenen
Stärke-Bindemittel
wirken nur als sekundäre
Bindemittel, da das meiste der Stärke durch den Formungsdraht
zusammen mit dem Wasser, wie es aus dem Eintrag während des
Papierherstellungsverfahrens abläuft,
hindurchgeht. Daher geht eine erhebliche Menge, die zu dem Papiereintrag
gegeben wird, als Abfall verloren. Es wäre daher in hohem Ausmaß unwirtschaftlich,
Stärke
als einziges oder primäres Bindemittel
in herkömmlichem
Papier einzusetzen.
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Weiterhin
besteht eines der Probleme der Stärkebindemittel darin, dass
sie im Allgemeinen sehr klebrig sind, wenn sie einmal in Wasser
aufgelöst
oder damit gelatiniert worden sind. Obgleich dies sie im Allgemeinen
zu guten Bindemitteln macht, kompliziert es doch den Herstellungsprozess,
da Folien bzw. Bahnen oder Gegenstände, hergestellt unter Verwendung
von großen
Mengen von gelösten
oder gelatinierten Stärke-Bindemitteln
die Tendenz haben, an der Form oder der Vorrichtung zur Folienbildung
bzw. Bahnenbildung zu kleben. Andererseits sind nicht-modifizierte
Stärkegranulate
im Allgemeinen in Wasser unlöslich,
und sie wirken lediglich als teilchenförmige Füllstoffe in nassen Systemen,
es sei denn, die die Stärkekörnchen enthaltenden
Mischungen werden auf eine Temperatur oberhalb der Gelatinierungstemperatur
der Stärke
erhitzt. Jedoch werden einmal gelatiniert die nicht-modifizierten
Stärkekörnchen sehr
klebrig, und sie neigen dazu, dass sie an der Verformungseinrichtung,
und insbesondere einer erhitzten Verformungseinrichtung, ankleben.
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Die
WO-A-94/12328 beschreibt Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung
von Folien mit anorganisch gefüllten
Matrizes durch Vermischen eines organischen polymeren Bindemittels,
Wasser, Aggregaten und Fasern und Verformung der Gemische zu Folien
zwischen Walzen.
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Aufgrund
der vorstehenden Ausführungen
sind, was zur Verbesserung der Zusammensetzungen und der Herstellungsverfahren
erforderlich ist, niedrige Kosten, umweltfreundliche Folien mit ähnlichen
Eigenschaften wie Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoff oder Metallfolien.
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Es
würde eine
signifikante Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, wenn solche
Folien zu einer Vielzahl von Behältern
oder anderen Gegenständen
unter Verwendung von bereits vorliegenden Herstellungseinrichtungen,
die zur Bildung von Gegenständen
aus Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoffen oder Metallfolien verwendet
werden, verformt werden könnten.
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Es
würde weiterhin
eine Verbesserung der Folienherstellung darstellen, wenn die umweltfreundlichen Folien
durch Verformen von Zusammensetzungen gebildet werden können, die
nur einen Bruchteil des Wassers und/oder der Fasern enthalten, die
in typischen Aufschlämmungen
enthalten sind, welche zur Herstellung von herkömmlichem Papier verwendet werden
und die keine extensive Entwässerung
während
des Folienbildungsprozesses erfordern.
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Es
würde eine
signifikante Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, wenn solche
Folien sowie daraus hergestellte Behälter oder andere Gegenstände leicht
biologisch abbaubar und/oder zu Substanzen zersetzbar wären, die üblicherweise
auf der Erde gefunden werden.
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Von
einem praktischen Gesichtspunkt aus gesehen würde es eine signifikante Verbesserung
darstellen, Zusammensetzungen und Verfahren zur Verfügung zu
stellen, die die Herstellung von Folien, Behältern und anderen Gegenständen daraus
mit Kosten ermöglichen
würden,
die mit den Kosten von derzeit vorhandenen Verfahren zur Herstellung
von Papier, Kunststoffen oder Metallprodukten vergleichbar wären oder
sogar noch niedriger wären.
Speziellerweise wäre
es anzustreben, die Energieerfordernisse und die Anfangskapital-Investitionskosen
für die
Herstellung von Produkten mit den erwünschten charakteristischen
Eigenschaften von Papier, Kunststoffen oder Metallen zu verringern.
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Es
würde eine
weitere Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen, Zusammensetzungen
und Verfahren zur Verfügung
zu stellen, die den Zusatz von relativ hohen Mengen von Stärke zu den
Folien gestatten würden,
bei Überwindung
der Probleme, die mit der Anhaftung bzw. Anklebung von Stärke, teilweise
gelatinierter Stärke
an dem Verformungs- oder Folienbildungsapparat einhergehen.
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Es
würde weiterhin
eine ganz erhebliche Verbesserung auf diesem Gebiet darstellen,
wenn Zusammensetzungen und Verfahren zur Verfügung gestellt werden könnten, die
die optionale Zusetzung von signifikanten Mengen von natürlichen
anorganischen mineralischen Füllstoffen
zu den oben genannten Folien gestatten würden. Insbesondere würde es einen
signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche anorganisch
gefüllte
Folien eine größere Flexibilität, eine
größere Zugfestigkeit,
eine größere Zähigkeit,
eine größere Verformbarkeit und
eine größere Massenproduzierbarkeit
im Vergleich zu den bisherigen Materialien mit einem hohen Gehalt
an anorganischen Füllstoffen
aufweisen würden.
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Solche
Verfahren zur Herstellung der oben genannten Folien werden hierin
beschrieben und beansprucht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von umweltfreundlichen
Folien, die eine relativ hohe Konzentration von Stärke und
von gegebenenfalls zugesetzten anorganischen mineralischen Füllstoffen
haben. Da die Stärkekomponente
das primäre
Bindemittel darstellt, sollen die erfindungsgemäß hergestellten Folien nachstehend
als "stärkegebundene
Folien" bezeichnet
werden. Solche Folien haben Festigkeits- und andere Eigenschaften,
die sie denjenigen von herkömmlichem,
aus Bäumen
hergestelltem Papier vergleichbar, und sogar noch besser machen.
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Gesehen
von einem Gesichtspunkt, stellt die vorliegende Erfindung somit
ein Verfahren zur Herstellung einer stärkegebundenen Folie zur Verfügung, das
die folgenden Stufen umfasst:
- (a) Zusammenmischen
von Wasser, nicht-gelatinierten Stärkekörnchen, eines Celluloseethers,
eines faserförmigen
Materials und gegebenenfalls eines anorganischen Aggregatfüllstoffs
unter Bildung eines formbaren Gemisches;
- (b) Formen des formbaren Gemisches in eine anfängliche
Grünfolie
durch Führen
des Gemisches zwischen mindestens einem Satz Formwalzen (40)
mit einer derartigen Temperatur, dass ein Anteil des Cellulosethers
thermisch präzipitiert,
um die Adhäsion
der anfänglichen
Grünfolie
an den Formwalzen bei Gelatinierung der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen in
Stufe (c) zu verringern;
- (c) Führen
der anfänglichen
Grünfolie
zwischen mindestens einem Satz von Walzen mit einer derartigen Temperatur,
dass mindestens ein Anteil der nicht-gelatinierten Stärkekörnchen gelatiniert
wird, und um eine intermediäre
Grünfolie
zu bilden; und
- (d) Erwärmen
der Grünfolie,
um einen Anteil des Wassers aus der intermediären Grünfolie zu entfernen, um eine
gehärtete
Folie mit einer Bindungsmatrix zu bilden, die getrocknete Stärke und
Celluloseether enthält.
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Die
zur Bildung der stärkegebundenen
Folien verwendeten verformbaren Gemische schließen typischerweise nicht-gelatinierte
Stärkekörnchen,
einen Celluloseether, homogen dispergierte Fasern, Wasser und gegebenenfalls
anorganische mineralische Füllstoffe
und andere optionale Komponenten ein. Geeignete Celluloseether schließen solche
ein, die eine "thermische
Ausfällung" erleiden, was ein
Phänomen
ist, bei dem der Celluloseether in einem wässrigen System Wasser freisetzt
und sich verfestigt, nachdem das wässrige System auf eine Temperatur
oberhalb des thermischen Ausfällungspunkts
des jeweiligen Celluloseethers erhitzt worden ist. Auf diese Weise
bildet der Celluloseether einen nicht-klebrigen Film.....die Stärkekörnchen in der
verformbaren Zusammensetzung von der Haftung an den Folien-bildenden
Walzen nach der Gelatinierung während
nachfolgender Stufen des Folien-bildenden Prozesses.
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Das
formbare Gemisch wird vorzugsweise zu Folien dadurch verformt, dass
es zwischen Formwalzen geführt
wird, die auf eine Temperatur der thermischen Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers oder darüber,
jedoch auf eine Temperatur unterhalb der Gelatinierungstemperatur
der Stärke
erhitzt sind. Die Formwalzen liefern eine Grünfolie mit einem nicht-klebrigen
Film von thermisch ausgefälltem
Celluloseether. Zu diesem Zeitpunkt hat die Grünfolie eine relativ trockene
Oberfläche,
obwohl das Innere erhebliche Feuchtigkeit enthält. Danach wird die Folie zwischen
Walzen geführt,
die auf eine Temperatur erhitzt sind, die ausreichend ist, um die
Stärkekörnchen zu
gelatinieren. Die gelatinierten Stärkekörnchen schmelzen innerhalb
der Folie zusammen, um eine sehr stark bindende Matrix zu bilden,
bewirken jedoch keine Anhaftung bzw. Anklebung der Folie an den
Walzen, und zwar deswegen, weil die gelatinierte Stärke innerhalb
des nicht-klebenden Oberflächenfilms
des thermisch ausgefällten
Celluloseethers eingekapselt ist. Die Folie wird weiter erhitzt,
um eine erhebliche Menge von Wasser durch Abdampfen zu entfernen,
wodurch eine im Wesentlichen getrocknete Folie erhalten wird. Die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
geformten Folien umfassen eine stärkegebundene Matrix, die mit
im Wesentlichen homogen dispergierten Fasern verstärkt ist.
Die Folien können
gegebenenfalls einen anorganischen mineralischen Füllstoff
und andere Mischzusätze
enthalten.
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Ein
bevorzugtes Gemisch zur Bildung der Folien enthält ein nicht-gelatiniertes
Stärke-Bindemittel mit einer
Konzentration im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der
Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; einen Celluloseether mit
einer Konzentration in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa
10 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; ein faserförmiges Material
mit einer Konzentration im Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%
der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; ggf. ein anorganisches
Aggregat mit einer Konzentration im Bereich von 0 Gew.-% bis etwa
90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der Zusammensetzung; und Wasser
in einer genügenden
Menge, dass eine formbare Zusammensetzung erhalten wird. Der Celluloseether
in der Verformungszusammensetzung wirkt als Verdickungsmittel, das die
Fließspannung
der fluiden Fraktion erhöht
und eine homogene Dispersion der Fasern durch die Verformungszusammensetzung
hindurch gestattet.
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Die
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Folien
können
eine Dicke von so niedrig wie etwa 0,01 mm bis so hoch wie 10 cm
oder mehr haben. Damit jedoch die Folien ähnliche Qualitäten wie
Papier oder Pappe haben, haben sie im Allgemeinen eine Dicke von
weniger als etwa 1 cm, vorzugsweise weniger als etwa 5 mm, mehr
bevorzugt weniger als etwa 3 mm, und am meisten bevorzugt weniger als
etwa 1 mm. Weiterhin zersetzt sich die stärkegebundene strukturelle Matrix
der Folie nach verlängertem Aussetzen
an Wasser.
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Bevor
die Erfinder die Fähigkeit
der Verwendung von relativ hohen Mengen der Stärke zusammen mit thermisch
ausfällenden
Celluloseethern entdeckt haben, bevorzugte primäre Bindemittel..... Jedoch
haben Celluloseether den Nachteil, dass sie im Vergleich zu den
anderen Komponenten, die zur Herstellung der Folien zum Einsatz
kommen, weitaus teurer sind. Nicht- modifizierte Stärkekörnchen, die die billigsten
Materialien aller Stärken
sind, haben bislang nur wenig Verwendung als Bindemittel gefunden,
weil einmal gelatinierte Stärke
den Nachteil hat, dass sie extrem klebrig ist. Versuche, sie als
primäres
Bindemittel in Folien-bildenden Verfahren zu verwenden, haben nur
zu einer nicht-zufriedenstellenden Adhäsion der Stärke an der Extrusions- oder
Folien-bildenden Vorrichtung geführt.
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Die
vorliegende Erfindung ergibt die Substitution von großen Mengen
an Stärke
für viel
von dem Celluloseether-Bindemittel, das bislang in Zusammensetzungen
für die
Herstellung von Folien verwendet worden ist. Die Kombination der
Verwendung einer geringen Menge des relativ teuren Celluloseethers
zusammen mit erheblich höheren
Mengen der relativ billigen, nicht-modifizierten Stärkekörnchen eliminiert
die obigen Nachteile der gesonderten Verwendung jedes dieser Bindemittel.
Die Verringerung der Menge des Celluloseethers in den verformbaren
Gemischen, die zur Bildung der Folien verwendet werden, verringert
in erheblichem Umfang die Kosten zur Herstellung der Folien. Weiterhin
ist die Stärke
nicht nur erheblich teurer, sondern auch ein überlegenes Bindemittel im Vergleich
zu Celluloseethern und ergibt Folien mit weitaus höherer Qualität bei weitaus
geringeren Kosten als im Falle von Folien, zu deren Herstellung
Celluloseether als einziges Bindemittel verwendet werden.
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Wenn
die Komponenten des Formungsgemisches zusammengemischt werden, dann
ist es von Wichtigkeit, dass die Stärke keinen Scherkräften ausgesetzt
wird, die hoch genug sind, um die Stärkekörnchen aufzubrechen oder zu
zerreißen.
Es ist auch von Wichtigkeit, das Gemisch bei einer Temperatur unterhalb
der Gelierungstemperatur der Stärke
zu halten, um eine vorzeitige Gelierung des Stärke-Bindemittels zu vermeiden,
bevor mit dem Folienbildungsprozess begonnen worden ist. Sonst kann
die Stärke
an der Oberfläche
der Folie an der Folienbildenden Vorrichtung kleben, bevor der Celluloseether
als erstes ausgefällt
worden ist und einen nicht-klebrigen Film auf der Oberfläche der
Folie bildet.
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Demgemäß umfasst
eine bevorzugte Stufe zur Bildung des Formungsgemisches, das dazu
verwendet wird, erfindungsgemäß die Folien
herzustellen, das Vermischen von Wasser, Fasern und dem Celluloseether unter
Anwendung eines Hochschermischens, um die Fasern im Wesentlichen
homogen zu dispergieren und ein faserartiges Gemisch zu bilden.
Danach werden die nicht-modifizierten Stärkekörnchen, das anorganische mineralische
Füllmittel
und andere optionale Mischzusätze
in das faserartige Gemisch eingemischt, um das Formungsgemisch zu
bilden. Zu diesem Zeitpunkt kann auch zusätzliches Wasser zugesetzt werden.
Das Formungsgemisch wird dann zu einer Folie verformt, indem das
Formungsgemisch durch mindestens ein Paar von Formwalzen geführt wird,
die auf die thermische Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers erhitzt sind. Das Formungsgemisch kann direkt
zwischen den Formwalzen mittels eines Extrudierungsapparats, vorzugsweise
mittels eines "wig
wag"-Systems, eingespeist
werden. Alternativ kann der Extruder eine Folien-bildende Düse bzw.
ein Folien-bildendes Pressgesenk haben. Der Celluloseether verhindert,
dass das Stärke-Bindemittel
an den Walzen anklebt, wie oben diskutiert wurde.
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Danach
wird die Grünfolie
zwischen Stärkegelierungswalzen
geführt,
die auf den Gelierungspunkt der Stärke oder oberhalb davon erhitzt
sind. Einige Stärkearten,
wie Kartoffelstärke,
gelieren bei etwa 65°C,
während
andere, wie Maisstärke,
bei etwa 95°C
gelieren. Wachsartige Maisstärke
geliert bei etwa 70°C.
Die Folie wird dann in beschleunigter Art und Weise zu einem signifikanten
Grad gehärtet,
indem eine erhebliche Wassermenge durch Abdampfen entfernt wird.
Die Entfernung des Wassers kann mindestens teilweise mittels der Gelierungswalzen
erfolgen, obgleich nur geringe Unterschiede zwischen den zur Gelierung
der Stärke
verwendeten Walzen und denjenigen, die zur Entfernung des Wassers
verwendet werden, vorhanden sein können. Walzen, die heiß genug
sind, um das Wasser zu entfernen, werden auch die Stärkekörnchen gelieren.
Die Fasern in der getrockneten Folie sind im Wesentlichen darin
homogen dispergiert als ein Verstärkungsmittel und durch die
Stärkematrix
hindurch.
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Zusätzlich zu
dem einfachen Folienbildungsverfahren kann die Folie gegebenenfalls,
während
sie sich immer noch in dem Grünzustand
und in einem mindestens teilweise verformbaren Zustand befindet,
verdichtet werden, um z.B. unerwünschte
Luftlöcher
zu entfernen, die erzeugt worden sind, als das Wasser aus der strukturellen
Matrix durch Abdampfen entfernt wurde, und weiterhin die Adhäsion zwischen
den Bindemitteln und den Fasern zu erhöhen und die Oberflächenglätte zu erhöhen. Die
Verdichtung wird dadurch durchgeführt, dass die Folie zwischen
einem oder mehreren Sätzen
von Kompaktierungs- bzw. Verdichtungswalzen mit einem Walzenspalt,
der kleiner als die Foliendicke ist, geführt wird.
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Die
Oberfläche
der Folie kann verbessert werden, indem sie zwischen einem oder
mehreren Paaren von Finishing-Walzen, die aus einer harten und weichen
Walze bestehen, geführt
wird. Die weiche Walze hat eine genügende Reibung, um die Folie
so zu greifen, dass die tangentiale Geschwindigkeit der Folie im
Wesentlichen gleich ist wie die Geschwindigkeit der Folie. Die "harte Walze" ist sehr glatt,
und sie rotiert mit einer tangentialen Geschwindigkeit, die erheblich
größer ist
als die Geschwindigkeit der Folie, so dass die Oberfläche der
Folie poliert wird. Weitere Walzen zur Finishbehandlung schließen texturierte
Walzen oder gewellte Walzen zur Texturierung oder Wellung der Folien
ein.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten
Folien haben ähnliche
Eigenschaften wie diejenigen aus Papier, Kunststoff oder dünnwandigen
Metallen, und sie können
sofort zur Bildung einer Vielzahl von Gegenständen, wie Containern oder anderen
Verpackungsmaterialien, eingesetzt werden. Alternativ können solche
Folien auf große
Spulen aufgewickelt werden oder sie können zu Folienteilen zerschnitten
werden und auf Paletten aufgestapelt werden, in ähnlicher Weise wie Papier oder
Pappe. Sie können
so lange gelagert werden, bis sie benötigt werden. Danach können die
aufgestapelten oder aufgewickelten Folien zugeschnitten und zu dem
gewünschten
Erzeugnis verformt werden. Folien
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten
Folien können
gegebenenfalls wieder befeuchtet werden, um sie flexibler zu machen
und/oder ihnen selbsthaftende Eigenschaften zu verleihen. Eine erhöhte Flexibilität verringert
die Wahrscheinlichkeit, dass die Folie splittert oder eine Rissbildung
erleidet, während
sie zu dem gewünschten
Gegenstand verformt wird. Weiterhin kann sich die Stärke auch
als thermoplastische Substanz verhalten. Wenn die erfindungsgemäß hergestellten
Folien auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Stärke erhitzt
werden, dann können
sie zu der gewünschten
Gestalt verformt werden. Beim Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb
der Glasübergangstemperatur
werden die Folien.....die Folien machen auch die Stärke selbstklebend,
was eine Adhäsion
und Versiegelung der Folien gestattet, wenn sie zu einem Behälter, beispielsweise
durch Spiralaufwickeln, verformt werden. Eine Kombination aus einer
Wiederbefeuchtung und einer thermischen Verformung der Folien kann
vorteilhafterweise angewendet werden, um die Vielseitigkeit der
Folien und den Bereich der möglichen
Herstellungsprozeduren unter Verwendung der Folien zu erhöhen.
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten
Folien haben eine hohe Zugfestigkeit von bis zu 100 MPa in einigen
Fällen,
in Abhängigkeit
von dem Stärke-
und Fasergehalt. Sie können
bedruckt werden, beschichtet werden, laminiert werden, geschichtet
werden, gekräuselt
werden, gekreppt werden, gestreckt werden, gestempelt werden, gebogen
werden, gefaltet werden, gewalzt werden, konvoliert werden, spiralgewickelt
werden, gepresst werden, gefaltet werden, geriffelt werden, gewellt
werden und verleimt werden, und zwar in erheblichem Maß, ähnlich wie
Papier oder Pappe, um eine Vielzahl von Gegenständen zu bilden. In einigen
Fällen kann
es von Vorteil sein, während
des Herstellungsprozesses die Folie einzukerben, auszukerben, zu
wellen oder zu perforieren, um die Bildung einer Biegung oder eines
Scharniers an einem vorbestimmten Ort in der Folie zu unterstützen.
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Das
Resultat der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, eine weite Vielzahl
von verschiedenen Gegenständen,
die bislang aus Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol oder Metallen
hergestellt wurden, bei Kosten, die gewöhnlich mit den Kosten bei Verwendung
dieser bekannten Materialien konkurrenzfähig sind und in manchen Fällen sogar
noch niedriger sind, in einer Massenfertigung herzustellen. Insbesondere
erfordern die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien verwendeten Zusammensetzungen
eine weitaus geringere Entwässerung
als im Falle der Herstellung von Papier, sowie weitaus niedrigere
Kosten zur Bereitstellung der erforderlichen Rohmaterialien im Vergleich
zu der Herstellung von Kunststoffen oder Metallen.
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Da
weiterhin die erfindungsgemäß hergestellten
stärkegebundenen
Folien umweltfreundlichere Komponenten umfassen, beeinflusst die
Herstellung von solchen Folien die Umgebung in einem erheblich geringen Ausmaß, als es
der Fall bei der Herstellung von Folien aus den bislang verwendeten
Materialien ist. Die erfindungsgemäßen Folien erfordern keine
Verwendung von hohen Konzentrationen von Holzpulpe, von Erdölprodukten
oder anderen natürlichen
Ressourcen, wie es bei der Herstellung von Folien oder anderen Gegenständen aus
Papier, Kunststoff oder Metallen der Fall ist.
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Die
Stärke-
und Celluloseether-Komponenten lösen
sich ohne weiteres in Wasser auf, was das Recycling oder den biologischen
Abbau erleichtert. Die gebrauchten Folien oder die anderen gebrauchten
Gegenstände
können
ohne weiteres mit Wasser vermischt werden und bei der Herstellung
von ähnlichen
Gegenständen
wieder verwendet werden. Wenn sie in die Umgebung entsorgt werden,
dann absorbieren die Stärke
und der Celluloseether Wasser und lösen sich leicht weg, wobei
nur eine kleine Menge von einzelnen Fasern und variierende Mengen
von natürlichen
mineralischen Füllstoffen
zurückbleiben,
die eine Zusammensetzung haben, die derjenigen der Erde ähnlich oder
damit identisch ist. Die aufgelöste
Stärke
und der aufgelöste
Celluloseether sowie die dispergierten Fasern werden durch die in
der Erde vorhandenen mikrobiellen Kräfte ohne weiteres aufgebrochen.
-
Um
die Art, wie die oben beschriebenen und anderen Vorteile und Aufgaben
der Erfindung erhalten werden können,
zu verstehen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung, die
das Obige kurz charakterisiert, gemacht, und zwar unter Bezugnahme
auf spezielle Ausführungsformen
davon, die in den angefügten Zeichnungen
illustriert sind. Aus dem Verständnis
heraus, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung
darstellen und daher den Rahmen der Erfindung nicht einschränken, wird
nunmehr die Erfindung genauer und im Detail unter Verwendung der
beigefügten
Zeichnungen beschrieben:
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Die 1A ist
eine schematische Ansicht eines bevorzugten Systems zur Herstellung
von stärkegebundenen
Folien, wobei eine extrudierte Folie zwischen Reduktionswalzen geführt wird.
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Die 1B ist
eine schematische Ansicht eines alternativen, bevorzugten Systems
für die
Herstellung von stärkegebundenen
Folien, wobei das amorphe Gemisch direkt zwischen den Folien-bildenden
Walzen geführt
wird.
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Die 2A ist
eine vergrößerte perspektivische
Ansicht mit einem Querschnitt eines Augerextruders mit einer Evakuierungskammer
und einem Düsenkopf,
der bei dem System der 1A verwendet wird.
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Die 2B ist
ein "wig wag"-Extrudierungssystem
zur Führung
der Formungszusammensetzung zwischen den Formwalzen.
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Die 3 ist
eine Seitenansicht eines Kolbenextruders.
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Die 4 ist
eine Seitenansicht eines Paars von Reduktionswalzen und einer Folie,
deren Dicke durch die Walzen verringert wird.
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Die 5 ist
eine Seitenansicht eines Paars von Kompaktierungswalzen, zwischen
denen die Folie verdichtet bzw. kompaktiert wird.
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Die 6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Paars von Walzen zur Finishbehandlung,
mit Einschluss einer "harten" Walze und einer "weichen" Walze.
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Die 7 ist
eine Seitenansicht eines Paars von gewellten Walzen, die zur Bildung
einer gewellten Folie verwendet werden.
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Die 8 ist
eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie eine kontinuierliche
Folie geschnitten und in Form von individuellen Folienstücken aufgestapelt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von stärkegebundenen
Folien, die gegebenenfalls signifikante Mengen von anorganischen
mineralischen Füllstoffen enthalten.
Die stärkegebundenen Folien
können
so hergestellt werden, dass sie ähnliche
Eigenschaften haben wie diejenigen aus Papier, Pappe oder anderen
Folienmaterialien. Solche Folien haben überlegene Festigkeitseigenschaften
aufgrund des Einarbeitens von großen Mengen von Stärke als
Bindemittel, was auch die Kosten verringert und die Materialien erheblich
umweltfreundlicher macht im Vergleich zu ..... Teil der Formungszusammensetzung
wird zur Herstellung der Folien verwendet, anstatt als Schlichtungsmittel
zugesetzt zu werden, wie es herkömmlicherweise
erfolgt. Die Folien enthalten auch im Wesentlichen homogen dispergierte
Fasern zur Verstärkung
und für
eine zusätzliche
Flexibilität
und Zähigkeit.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten
und stärkegebundenen
Folien können
im Allgemeinen als Mehrfachkomponenten-, Mehrfach-Skala-, faserverstärkte Mikroverbundmaterialien
bezeichnet werden. Durch sorgfältige
Einarbeitung einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien, die
dazu imstande sind, einzelne, jedoch synergistisch miteinander in
Beziehung stehende Eigenschaften zu verleihen, ist es möglich, eine
einzigartige Klasse oder einen Bereich von Mikroverbundmaterialien
zu erzeugen, die bemerkenswerte Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit,
der Zähigkeit,
der Umweltfreundlichkeit, der Massenproduzierbarkeit und der niedrigen
Kosten haben.
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Die
Bezeichnung "Mehrkomponenten" bezieht sich auf
die Tatsache, dass die zur Herstellung der Folien verwendeten Gemische
typischerweise drei oder mehrere chemische oder physikalisch unterschiedliche Materialien
oder Phasen, wie Wasser, mit Wasser entsorgbare Celluloseether,
anfänglich
unlösliche
Stärkekörnchen,
die später
während
der Folienbildung gelatinieren, Fasern, anorganische mineralische
Füllstoffe
und andere Mischungszusätze
enthalten. Jede dieser breiten Kategorien von Materialien verleiht
der daraus hergestellten fertigen Folie eine oder mehrere einzigartige
Eigenschaften, was auch für
die Zusammensetzung der Fall ist, die zur Bildung der Folie verwendet
wird. Innerhalb dieser breiten Kategorien ist es möglich, weitere verschiedene
Komponenten zuzusetzen, wie z.B. zwei oder mehrere Arten von anorganischen
Füllstoffen
oder Fasern, die der Folie unterschiedliche, jedoch komplementäre Eigenschaften
verleihen können.
Dies gestattet die spezifische Konstruktion von gewünschten
Eigenschaften in der Folie in Verbindung mit dem Herstellungsprozess.
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Die
Mehrkomponenten- (und daher die Mehreigenschaften)-Natur der erfindungsgemäß hergestellten stärkegebundenen
Folien stellt eine signifikante Abweichung von herkömmlichen
Materialien, wie Kunststoff, Polystyrol, Papier oder Metall, die
im Wesentlichen Einkomponenten-Systeme sind, dar. Dünne Folien,
hergestellt aus Einkomponenten-Materialien sind im Allgemeinen darauf
beschränkt,
dass sie die jeweiligen Eigenschaften des Materials haben, aus dem
sie hergestellt sind. So können
Folien, die brüchig
sind, im Allgemeinen nicht gebogen oder gefaltet werden, ohne dass
die Folien beschädigt
werden, während
Folien, die flexibel sind, oftmals nicht einmal ihr eigenes Gewicht
tragen können.
Im Kontrast hierzu gestattet die Mehrkomponenten-Natur der Materialien
der Folien, die erfindungsgemäß hergestellt
worden sind, die Einführung
von Mehrfacheigenschaften in die daraus hergestellten Folien.
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Die
Bezeichnung "Mehrfach-Skala" bezieht sich auf
die Tatsache, dass die Zusammensetzungen und Materialien gemäß der vorliegenden
Erfindung an verschiedenen Ebenen oder Skalen definierbar sind.
Speziell ist innerhalb der erfindungsgemäß hergestellten Folien typischerweise
eine Makrokomponenten-Zusammensetzung in einem Bereich von etwa
10 Nanometer bis so hoch wie etwa 10 mm, eine Mikrokomponenten-Zusammensetzung
im Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, und eine
Submikron-Komponente. Obgleich diese Ebenen nicht fraktal sein können, sind
sie üblicherweise
zueinander sehr ähnlich, und.....
-
Die
Bezeichnung "Faser-verstärkt" ist selbsterklärend, obgleich
die Schlüsselbezeichnung "verstärkt" ist, was die erfindungsgemäß hergestellten
Folien eindeutig von herkömmlichem
Papier oder von herkömmlichen
Papierprodukten unterscheidet. Das herkömmliche Papier ist auf der
Basis der "Gewebe"-Physik oder dem
Verweben von Fasern aufgebaut, um die Strukturmatrix und die Masse
sowie die Bindung des Papiers zu ergeben. Jedoch beinhaltet die
Bindungsmatrix in den erfindungsgemäß hergestellten Folien eine
Wechselwirkung zwischen dem Stärkebindemittel,
den Fasern und optionalen anorganischen mineralischen Füllstoff-Komponenten (und
bis zu einem gewissen Ausmaß dem
Celluloseether). Die Fasern wirken primär als eine Verstärkungskomponente,
um speziell eine Zugfestigkeit und Flexibilität zuzuführen, sind jedoch nicht durch
Gewebephysik in einem wesentlichen Ausmaß miteinander verbunden.
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Schließlich bedeutet
die Bezeichnung "Mikroverbundmaterial" die Tatsache, dass
die Folienzusammensetzung nicht lediglich ein Gemenge oder ein Gemisch,
sondern eine designierte Matrix von speziellen diskreten Materialien
auf einem Mikroniveau ist, die verschiedene Größen, Gestalten und chemische
Ergänzungen
haben. Die Materialien sind genügend
gut gebunden und interaktiv, so dass die einzigartigen Eigenschaften
der jeweiligen Materialien in dem Endverbundmaterial vollständig zum
Ausdruck kommen (z.B. die Zugfestigkeit der Matrix hat eine direkte
Beziehung zu der Zugfestigkeit der Fasern und des Stärke-Bindemittels).
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Im
Lichte dieser Definitionen und Prinzipien können Materialien, die ein Stärke-Bindemittel, Fasern (sowohl
organische als auch anorganische) und gegebenenfalls ein anorganisches
Aggregat enthalten, kombiniert und zu einer Vielzahl von Produkten
verformt werden, mit Einschluss von Folien, deren Eigenschaften ähnlich sind,
wie diejenigen von herkömmlichem
Papier oder Pappe. Die erfindungsgemäß hergestellten und stärkegebundenen
Folien können
auch einen Ersatzstoff für
Folien, hergestellt aus Kunststoff, Polystyrol, und sogar Metall,
darstellen. Die Folien können
geschnitten und verformt werden (z.B. durch Biegen, Falten oder Rollen)
zu einer Vielzahl von Behältern
und anderen Erzeugnissen. Das erfindungsgemäße Verfahren, mit Einschluss
der daraus hergestellten Folien, ist besonders gut geeignet für die Masseproduktion
von Wegwerfbehältern
und Verpackungsmaterialien, z.B. für die Fastfood-Industrie.
-
I. Allgemeine Diskussion
-
A. Herkömmliche
Papierprodukte
-
"Papier" ist die allgemeine
Bezeichnung für
einen weiten Bereich von zu Matten verarbeiteten oder gefilzten
Geweben von Pflanzenfasern (meistens Holz), die auf einem Sieb aus
einer Wassersuspension gebildet worden sind. Die Folienprodukte
bzw. Blattprodukte, die die meisten Leute als "Papier" oder "Pappe" bezeichnen, sind im Allgemeinen "Baumpapier", da sie aus Holzpulpe
hergestellt worden sind, die von Bäumen erhalten worden ist. Obgleich
Baumpapier anorganische Füllstoffe
oder Extender, Stärken
oder andere geringfügige Komponenten
enthalten kann, weist es typischerweise einen relativ hohen Gehalt
an Holzfasern von im Allgemeinen von etwa 80 Vol.-% bis so hoch
wie 98 Vol.-% des Papierblatts auf. Dies deswegen, weil die Fasern immer
eine genügend
hohe Konzentration habe müssen,
damit sie sich durch die Gewebephysik miteinander verbinden.
-
Um
die gut bekannten Eigenschaften zu erhalten, die für Papier
typisch sind, wird als Ersatzstoff ..... eine Vielzahl von Pflanzenfasern
(die als sekundäre
Fasern bekannt sind), wie Stroh-, Flachs-, Abaca-, Hanf- und Bagassefasern,
verwendet. Das resultierende Papier wird oftmals als "Pflanzenpapier" bezeichnet. Die breite
Kategorie der Papiere auf Cellulose-Basis, hauptsächlich Pflanzen-,
Gemüse-
oder Baumpapier, wird hierin kollektiv als "herkömmliches
Papier" bezeichnet.
-
Bei
der Herstellung von herkömmlichem
Papier wird entweder ein Kraft- oder ein Sulfit-Prozess typischerweise
dazu verwendet, um das Pulpeblatt zu bilden. Bei dem Kraft-Prozess
werden die Pulpefasern in einem NaOH-Prozess "gekocht", um die Fasern aufzubrechen. Bei dem
Sulfit-Prozess wird Säure
beim Faser-Aufschlussprozess verwendet. Bei beiden Prozessen werden
die Fasern zuerst bearbeitet, um die Lignine freizusetzen, die in
den Wänden
der Fasern eingeschlossen sind. Wenn jedoch die Lignine aus den
Fasern entfernt worden sind, dann ist ein großer Teil der Festigkeit der
Fasern verloren gegangen. Weil der Sulfit-Prozess noch strenger
ist, ist die Festigkeit eines Papiers, das durch den Sulfit-Prozess
hergestellt worden ist, im Allgemeinen nur etwa 70% der Festigkeit
des Papiers, das durch den Kraft-Prozess hergestellt worden ist.
-
Wenn
das Holz einmal zu der Holzpulpe, entweder durch den Kraft- oder
den Sulfit-Prozess,
verarbeitet worden ist, dann wird es weiter in einer Schlageinrichtung
bearbeitet, um Lignine und Hemicellulose in den Fasern freizusetzen,
und auch deswegen, um die Fasern durchzuscheuern. Die resultierende
Aufschlämmung,
die im Allgemeinen etwa 99,5% Wasser und nur etwa 0,5% Holzpulpe
enthält,
wird einem schweren Schlagen unterworfen, um genügend Hemicellulose freizusetzen
und um die Fasern genügend
durchzuscheuern, damit ein faserförmiges Gemisch gebildet wird,
welches im Wesentlichen durch einen Verschlingungsgewebeeffekt bzw.
Verwebungseffekt zwischen den Fasern, mit Einschluss von Wasserstoffbindungen,
selbstverbindend ist. Jedoch ist der Nachteil einer solchen scharfen
Behandlung derjenige, dass die Fasern erhebliche Risse entlang der
gesamten Länge
der Faser entwickeln, was zu einem Verlust eines großen Teils
ihrer Zugfestigkeit, ihrer Reißfestigkeit
und ihrer Berstfestigkeit führt.
Weil die Herstellung von Papier notwendigerweise auf der Gewebephysik
aufgebaut ist, um die notwendige Bindung und strukturelle Integrität zu erhalten, die
für ein
Papierblatt erforderlich ist, muss eine relativ hohe prozentuale
Menge von Fasern (gewöhnlich
mindestens 80% oder mehr) zu dem Papierblatt gegeben werden.
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Die
hochwässrige
Aufschlämmung
oder der Eintrag wird dann im Wesentlichen entwässert, indem die Aufschlämmung zuerst
auf ein poröses
Sieb oder ein Drahtsieb aufgebracht wird und dann das Wasser unter Verwendung
eines Walzenspalts "herausgedrückt" wird. Dieser erste
Entwässerungsprozess
führt zu
einer Folie bzw. einer Bahn mit einem Wassergehalt von etwa 50–60%. Zu
keinem Punkt einer Herstellung eines herkömmlichen Papiers befindet sich
die faserartige Aufschlämmung
oder der Eintrag in einem "verformbaren" Zustand, dahingehend,
dass sie bzw. er wie erfindungsgemäß verformt werden kann. Nach
der anfänglich
erfolgenden Entwässerung
wird die teilweise getrocknete Papierbahn durch Erhitzen der Bahn
oftmals unter Verwendung von geheizten Walzen weiter getrocknet.
Wegen des Papier-Herstellungsprozesses sowie der durch die Gewebephysik
aufgelegten Einschränkungen
hat es eine obere Grenze der Menge der anorganischen Aggregatfüllstoffe
gegeben, die in eine herkömmliche
Papierbahn hineinimprägniert
werden kann.
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Im
scharfen Kontrast hierzu basiert die vorliegende Erfindung nicht
auf der Gewebephysik zur Bindung ..... Komponente und zu einem bestimmten
Grad die Celluloseether-Komponente
stellen den Hauptteil der Zug- und Biegefestigkeit der Bahnen zur
Verfügung.
Das Stärke-Bindemittel
geht mit sich selbst als der Bindungsmatrix sowie mit den Fasern
und den anderen festen Komponenten bis zu einem gewissen Ausmaß eine Wechselwirkung
ein.
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Das
Resultat ist die Fähigkeit,
erheblich weniger Fasern in die Blätter bzw. Bahnen einzuarbeiten,
während
der günstige
Effekt hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Reiß- und Berstfestigkeit und
der Flexibilität,
die durch die Fasern verliehen wird, aufrecht erhalten wird. Die
Verwendung von weniger Fasern und der Aufrechterhaltung der guten
Festigkeitseigenschaften gestattet, ein Blatt bzw. eine Bahn, einen
Behälter
oder einen anderen Gegenstand wirtschaftlicher herzustellen (im
Vergleich zu Papier), weil (1) die Fasern teurer sind als der anorganische
Füllstoff
und sogar das Stärke-Bindemittel,
(2) die Kapital-Investitionskosten für die Prozesseinrichtung erheblich
geringer sind, und (3) die Minimierung des Fasergehalts auch die
Menge der Verschmutzungsstoffe verringert, die mit der Herstellung
von Fasern in die Umgebung abgegeben werden.
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten
Blätter
bzw. Bahnen haben Eigenschaften, die denjenigen von Baum- oder Pflanzenpapier ähnlich sind,
z.B. hinsichtlich der Zug-, Biege- und der Kohäsionsfestigkeit, obgleich nur
etwa 1/50 bis etwa 1/3 soviel Fasern erfindungsgemäß verwendet
werden. Dies ist zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen, dass die erfindungsgemäß verwendeten
Fasern eine weitaus geringere Verarbeitung erfahren als die Fasern,
die zur Her stellung von Papier eingesetzt werden. Der Vorteil ist
auch auf die Einarbeitung von relativ großen Mengen von Stärke als
Bindemittel und strukturelle Komponente zurückzuführen.
-
Neben
der optionalen Einarbeitung von erheblich höheren Konzentrationen von anorganischen
Aggregatfüllstoffen,
unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den herkömmlichen
Papier-Herstellungsprozessen in einer Anzahl von Wegen. Zuerst wird
weitaus weniger Wasser in den formbaren Gemischen (gewöhnlich weniger
als etwa 50 Gew.-%) gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen
Papieraufschlämmungen,
die typischerweise Wasser in einer Menge von mindestens 97 Gew.-%,
und sogar so hoch wie 99,9 Gew.-%, enthalten, verwendet. Was noch
wichtiger ist, die erfindungsgemäß hergestellten
Bahnen werden aus einem stark zusammenhängenden, jedoch immer noch
verformbaren Gemisch anstelle aus einer wässrigen Aufschlämmung gebildet,
so dass sie, wenn sie einmal in eine Gestalt gebracht worden sind, im
Allgemeinen ihre Gestalt beibehalten, es sei denn, es wird eine
weitere Verformung durchgeführt
oder es finden Einwirkungen darauf statt.
-
B. Folien, Behälter und
andere Gegenstände
-
Die
in dieser Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Folie" soll alle beliebigen,
im Wesentlichen flachen, gewellten, kurvenförmigen, gebogenen oder texturierten
Folien bezeichnen, die unter Verwendung der hierin beschriebenen
Zusammensetzungen und Verfahren hergestellt worden sind. Die einzig
wesentliche Zusammensetzungsbegrenzung besteht darin, dass die bindende
Matrix Stärke umfasst,
die durch die Gelatinierung von Stärkekörnern während des Folien-Herstellungsprozesses
gebildet worden sind. Die stärkegebundenen
Folien können
organische Beschichtungsmittel enthalten, bedruckt sein oder mit
anderen Folien laminiert sein, etc.
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten
Folien haben stark variierende Dicken, entsprechend der jeweiligen
Anwendung, für
die die Folie vorgesehen ist. Die Folien können so dünn wie etwa 0,01 mm und so
dick wie 1 cm oder dicker sein, wenn die Festigkeit, die Dauerhaftigkeit
und die Voluminität
wichtige Erwägungen sind.
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Die
in dieser Beschreibung angefügten
Ansprüchen
verwendete Bezeichnung "Behälter" soll alle beliebigen
Gegenstände,
Aufnahmegefäße oder
Gefäße, verwendet
für die
Lagerung, die Abgabe, die Verpackung, die Portionierung oder den
Transport von verschiedenen Typen von Produkten oder Objekten (mit
Einschluss, jedoch ohne Einschränkung
darauf, Nahrungsmittel- und Getränkeprodukte)
einschließen.
Spezifische Beispiele für
solche Behälter
werden nachstehend im Detail beschrieben, und sie schließen unter
anderen Kästen,
Tassen bzw. Becher, "faltbare
Behälter", Krüge, Flaschen,
Platten, Schalen, Tabletts, Kartons, Kisten, Körbe, Schachteln für Getreideprodukte,
Schachteln für
gefrorene Nahrungsmittel, Milchkartons, Träger für Getränkebehälter, Geschirr, Eierkartons,
Deckel, Strohhalme, Umschläge
oder andere Arten von Haltern ein. Zusätzlich zu integral gebildeten
Behältern
sollen auch Eindämmungsprodukte,
die in Verbindung mit Containern verwendet werden, unter die Bezeichnung "Behälter" fallen. Solche Gegenstände schließen z.B.
Deckel, Auskleidungsmaterialien, Trennmateria lien, Einwickelmaterialien,
Dämpfungsmaterialien,
Utensilien und alle beliebigen anderen Produkte ein, die zum Verpacken,
zum Lagern, zum Transportieren, zum Portionieren, zum Servieren
oder zum Verabreichen eines Objekts innerhalb eines Behälters verwendet
werden.
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Zusätzlich zu
Folien und Behältern
könne alle
beliebigen Gegenstände
unter Verwendung der hierin beschriebenen stärkegebundenen Folien gebildet
werden, die gleichfalls unter den Rahmen der vorliegenden Erfindung
fallen. Diese schließen
solche verschiedenen Gegenstände,
wie z.B. Flugzeugmodelle, Buchumschläge, Platten für Spiele,
Spielzeug, Jalousien, Versendungsrohre, Hemdverpackungsformen, Sets
für Tische
und zeitweilige Schattenspender für die Fenster von Kraftfahrzeugen,
ein.
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Die
Ausdrücke "massenproduzierbar" oder in "kommerzieller" oder "ökonomischer" Art und Weise sollen in der Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
auch die Fähigkeit
der hierin beschriebenen Folien beschreiben, rasch mit einer Geschwindigkeit
produzierbar zu sein, die ihre Herstellung ökonomisch vergleichbar mit
der Herstellung von Folien aus anderen Materialien, wie Papier,
Pappe, Polystyrol oder Metall, macht. Die vorliegende Erfindung
betrifft innovative Zusammensetzungen, die die Probleme des Stands
der Technik, die Einarbeitung einer hohen prozentualen Menge von
Stärke
in massenproduzierte Folien, die unter Verwendung von erhitzten
Formwalzen hergestellt worden sind, lösen.
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Die
Bezeichnungen "Feststoffe" oder "Gesamtfeststoffe" soll alle beliebigen
Mischungszusätze
einschließen,
die vor dem Vermischen mit dem Wasser fest sind. Sie schließen Fasern,
anorganische Füllstoffe, Stärke oder
Celluloseether, etc., ein.
-
Ein
Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten
stärkegebundenen
Folien (sowie der daraus hergestellten Behälter, bedruckten Materialien
oder anderen Gegenständen)
besteht darin, dass ihre Entsorgung die Umwelt weitaus weniger belastet
als Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas oder Metallprodukte.
Die erfindungsgemäßen Folien
und Gegenstände
sind beide ohne weiteres recycelbar, und selbst wenn sie nicht recycelt
werden, bauen sie sich rasch ab und zersetzen sich, wenn sie Feuchtigkeit,
Druck und anderen Umweltkräften
ausgesetzt werden, zu Komponenten, die komplementär sind zu.....
Wasser und dann rasch durch mikrobielle Einwirkungen abgebaut werden.
Die Fasern werden gleichfalls rasch abgebaut und sind im Vergleich zu
Papier in weitaus geringeren Mengen zum Beginn vorhanden. Der anorganische
Füllstoff
ist inert und mit der Erde in jedem Fall verträglich.
-
Im
Gegensatz dazu besteht eine Polystyrol-, Kunststoff- oder Metalltasse
oder -dose, die in einen See oder einen Fluss geworfen worden ist, über Dekaden,
vielleicht sogar über
Jahrhunderte, weiter. Selbst Papier- oder Pappegegenstände können über Monate,
sogar Jahre, weiterbestehen, wenn die Bedingungen für eine Zersetzung
nicht perfekt sind. Dazu im Gegensatz zersetzen sich Folien oder
Behälter
oder andere Gegenstände,
die aus den erfindungsgemäßen Folien
hergestellt worden sind, rasch, was eine Sache von Stunden oder
Tagen, entsprechend der Menge des vorhandenen Wassers, ist.
-
C. Formungszusammensetzungen
-
Die
Bezeichnungen "Formungszusammensetzung", "formbares Gemisch" oder "Gemisch auf Stärke-Basis" haben austauschbare
Bedeutungen, und sie sollen sich auf ein Stärkegefülltes Gemisch beziehen, das
zu den hierin offenbarten Folien verformt werden kann. Solche Gemische
sind dadurch charakterisiert, dass sie eine signifikante Menge von
nicht-gelatinierten Stärkekörnern, eine
geringere Menge eines Celluloseethers, variierende Mengen von Fasern
und mineralischen Füllstoffen
und Wasser aufweisen, um ein Gemisch zu bilden, das eine verformbare,
plastikartige Konsistenz hat. Wie hierin in der Beschreibung und
den angefügten
Ansprüchen
verwendet, schließt
die Bezeichnung "Gesamtfeststoffe" alle Feststoffe
ein, ob sie nun in der wässrigen
Phase des Gemisches suspendiert oder aufgelöst sind. Das formbare Gemisch
kann auch andere Gemischzusätze,
wie Weichmacher, Schmiermittel, Dispergierungsmittel, hydraulisch
härtbare
Materialien und Poren bildende Mittel enthalten.
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Die
formbaren Gemische sind dadurch charakterisiert, dass sie eine relativ
hohe Fließgrenze
haben, was sie hochbearbeitbar und kohäsiv macht, wobei sie jedoch
unmittelbar oder kurz nach dem Verformen zu der gewünschten
Gestalt formstabil sind. Die Bezeichnungen "Formungszusammensetzung", "formbares Gemisch" oder "Gemisch auf Stärke-Basis" soll weiterhin ein
Gemisch, ungeachtet des Ausmaßes
des Trocknens, das stattgefunden hat, bezeichnen. Solche Gemische
sollen Gemische einschließen,
die hochbearbeitbar sind, solche die teilweise getrocknet sind und
solche, die vollständig
getrocknet sind (obgleich eine bestimmte Menge von Wasser gewöhnlich innerhalb
der Folien als gebundenes Wasser in dem Stärke-Bindemittel zurückbleibt).
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Nach
der Verformung der Formungszusammensetzung zu einer Folie erfolgt
ein Erhitzen zur Gelatinierung der Stärkekörnchen, und es erfolgt eine
mindestens zum Teil erfolgende Trocknung, und die daraus hergestellten
Folien oder Gegenstände
haben eine "stärkegebundene
strukturelle Matrix" oder
eine "anorganisch
gefüllte,
stärkegebundene
Matrix".
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D. Organische polymere
Bindemittel
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Die
Formungszusammensetzungen, die zur Herstellung der stärkegebundenen
Folien und von anderen Gegenständen
verwendet werden, entwickeln Festigkeitseigenschaften während des
Austrocknens eines im Wesentlichen solvatisierten, in Wasser dispergierbaren,
organischen polymeren Bindemittels, vorwiegend der Stärke .....
eine Menge von Wasser zu dem Gemisch, die ausreichend ist, um ein
Gemisch zu bilden, das plastikartige Eigenschaften hat. Danach entwickelt
das in Wasser dispergierbare organische Bindemittel seine maximalen
Festigkeitseigenschaften durch Entfernung des Wassers durch Abdampfen.
Das organische Bindemittel beeinflusst die Rheologie des formbaren
Gemisches, insbesondere des Celluloseethers, der sich in Gegenwart
von kaltem Wasser auflöst
oder geliert.
-
Die
in Wasser dispergierbaren organischen polymeren Bindemittel, die
durch die Erfindung in Betracht gezogen werden, können allgemein
in die folgenden Kategorien eingeordnet werden: (1) Stärken, im
Allgemeinen nicht-modifizierte Stärkekörnchen, (2) Celluloseether
mit thermischen Ausfällungs-
und filmbildenden Fähigkeiten,
und (3) andere organische Verdicker und/oder Bindemittel, die mit
den Stärken
und den Celluloseethern verträglich
sind, wie z.B. Polysaccharide, Proteine und synthetische organische
Materialien.
-
1. Stärke
-
Die
erfindungsgemäßen Folien
entwickeln den größten Teil
ihrer Festigkeit durch die Gelierung der Stärke eines Bindemittels auf
Stärke-Basis
in Wasser, gefolgt von einer durch Abdampfen erfolgenden Entfernung
des Wassers. Die Stärke
besteht aus einer natürlichen
Kohlehydratkette, umfassend polymerisierte Glucosemoleküle. Stärke wird
in der Natur in Form von Körnern
gefunden. Stärkekörnchen schließen zwei
unterschiedliche Typen von Glucoseketten ein: unverzweigte, einkettige
Amylose und verzweigtes mehrwertiges Amylopektin.
-
Im
Allgemeinen sind die Stärkekörnchen in
kaltem Wasser unlöslich,
doch können,
wenn die äußere Membrane
der Körner
aufgebrochen worden ist, z.B. durch Vermahlen, die Körner in
kaltem Wasser unter Bildung eines Gels quellen. Wenn intakte Körner warmem
Wasser ausgesetzt werden, dann quellen die Körner, und ein Teil der löslichen
Stärke
(Amylose) diffundiert durch die Wand des Korns, um eine Paste zu
bilden. In heißem
Wasser quellen die Körner
bis zu einem derartigen Ausmaß,
dass sie bersten, was zu einer Gelierung des Gemisches führt. Die
exakte Temperatur, bei der das Bindemittel auf Stärke-Basis
quillt und geliert, hängt von
dem Typ der Stärke
ab.
-
Die
Gelierung ist das Ergebnis der linearen Amylosepolymeren, die anfänglich in
den Körnern
komprimiert sind, sich herausstrecken und mit anderen und mit den
Amylopektinketten verschlingen. Nach der Entfernung des Wassers
bildet das resultierende Maschengebilde von miteinander verbundenen
Polymerketten ein festes Material, das eine Zugfestigkeit von bis
zu etwa 50–50
MPa haben kann. Die faserverstärkten,
stärkegebundenen
Folien können
variierende Zugfestigkeiten von bis zu etwa 100 MPa, in Abhängigkeit
von den Typen und den Konzentrationen der Stärke und der Fasern in den Folien,
haben.
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Obgleich
Stärke
in vielen Pflanzen produziert wird, sind doch die wichtigsten Quellen
Samen von Getreidekörnern,
wie Mais, Wachsmais, Weizen, Sorghum, Reis und Wachsreis. Diese
können
auch im Zustand eines Mehls oder im gespaltenen Zustand verwendet
werden. Andere Quellen für
Stärke
schließen
Knollengewächse
..... Pfeilwurz und das Mark der Sagopalme ein. Kartoffelstärke und
Wachssmaisstärke
sind derzeit bevorzugte Stärkesorten.
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Verschiedene
native Stärken
haben signifikant variierende Gelierungstemperaturen. So hat z.B.
die Kartoffelstärke
typischerweise eine Gelierungstemperatur von etwa 65°C. Maisstärke hat
eine Gelierungstemperatur von etwa 95°C, und Wachsmaisstärke hat
eine Gelierungstemperatur von etwa 70°C. Jede beliebige nicht-modifizierte
Stärke
kann erfindungsgemäß fungieren.
Im Allgemeinen ist es so, dass jedoch die Adhäsion von neu gebildeten Folien
stark verringert wird, solange der Typ der Stärke, der verwendet wird, eine
Gelierungstemperatur hat, die höher
ist als die thermische Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers, der in den gleichen Formmassen verwendet wird.
Dies gestattet die Verwendung einer Formwalze, die eine Temperatur bei
der thermischen Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers oder darüber
hat, wobei jedoch die Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur
der Stärke
liegt. Dies gestattet seinerseits die vorteilhafte Erzeugung einer
Haut aus Celluloseether auf der Oberfläche der neu gebildeten Grünfolie aufgrund
der thermischen Ausfällung
des Celluloseethers und des teilweise erfolgenden Trocknens der
Oberfläche
der Folie, wenn sie zwischen den Formwalzen geführt wird.
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Nicht-modifizierte
Bindemittel auf Stärke-Basis
werden im Allgemeinen gegenüber
modifizierten Bindemitteln auf Stärke-Basis bevorzugt, weil nicht-modifizierte
Stärken
signifikant billiger sind. Was noch wichtiger ist, nicht-modifizierte
Stärken
werden nicht gelatiniert, bis zum Punkt bei dem Folien-Herstellungsprozess, bei
dem die Folie auf den Gelierungspunkt der Stärke erhitzt wird. Modifizierte
Stärken
oder Stärken,
die vor der Bildung des nicht-klebrigen
Films durch Austrocknen des Celluloseethers gelatinieren, können bewirken, dass
die Grünfolie
an den Formwalzen anklebt.
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Eine
reine Stärkezusammensetzung
kann Umgebungsfeuchtigkeit aus der Luft absorbieren, so dass beim
Gleichgewicht das Wasser im Allgemeinen in einer Menge von etwa
10–12
Gew.-% der Zusammensetzung vorhanden ist. Wenn anorganische Aggregate
und Fasern in der Stärkezusammensetzung
enthalten sind, wie es erfindungsgemäß der Fall ist, dann ist das
Wasser in einer Menge von etwa 3–6 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung
beim Gleichgewicht enthalten wegen der geringeren Gesamtstärke in der
Zusammensetzung. Der Endwassergehalt in dem geformten Produkt beträgt etwa
10 bis 15 Gew.-% der Stärke.
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Die
Konzentration des Bindemittels auf Stärke-Basis in den erfindungsgemäßen formbaren
Gemischen liegt im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%
der Gesamtfeststoffe, vorzugsweise von etwa 15 Gew.-% bis etwa 75
Gew.-%, und mehr bevorzugt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%.
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2. Celluloseether
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Die
erfindungsgemäß verwendeten
Celluloseether werden dem formbaren Gemisch in erheblich geringeren
Mengen zugesetzt im Vergleich zu dem Stärke-Bindemittel. Während die
Cellulose ..... die Kosten der Verwendung nur des Celluloseethers
als Bindemittel sind erheblich höher
als im Falle, dass Stärke
das primäre Bindemittel
ist. Es ist daher wirtschaftlicher, einen hohen Gehalt von Stärke bei
einer relativ niedrigen Menge von Celluloseether zu verwenden, um
ein Ankleben zu verhindern. Das Ergebnis ist eine Folie mit höherer Qualität, die eine
größere Flexibilität und eine
höhere
Zugfestigkeit hat. Jeder beliebige Celluloseether mit thermischen
Ausfällungseigenschaften
kann eingesetzt werden.
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Geeignete
Celluloseether schließen
z.B. Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylethylcellulose, Carboxymethylcellulose,
Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose und
dergleichen, sowie Gemische oder Derivate davon ein. Der Gesamtbereich
von möglichen
Permutationen ist enorm und braucht hier nicht aufgelistet zu werden,
jedoch können
auch andere Celluloseether, die thermische Ausfällungseigenschaften haben,
eingesetzt werden.
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Ein
bevorzugter Celluloseether ist Methocel® (erhältlich von
der Firma Dow Chemical), das ein Methylcellulose-Produkt ist. Das
Methocel hat eine thermische Ausfällungstemperatur von etwa 70°C. Ein weiterer bevorzugter
Celluloseether ist Tylose® FL 15002, der eine thermische
Ausfällungstemperatur
von etwa 85°C hat.
Ein Gemisch von Celluloseethern mit variierenden Eigenschaften und
variierenden thermischen Ausfällungstemperaturen
kann verwendet werden. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird wissen,
wie ein Celluloseether auszuwählen
ist, der eine thermische Ausfällungstemperatur
hat, die niedriger ist als die Gelierungstemperatur der Stärkekörnchen,
um die Adhäsion
zwischen den Walzen und der grünen
Folie während
des Folien-Bildungsprozesses zu verringern.
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Einige
Bindemittel auf Cellulose-Basis können auch in Lösung vernetzungspolymerisiert
werden. Ein Beispiel hierfür
ist das Produkt Cellosize®, ein Hydroxyethylcellulose-Produkt, erhältlich von
der Firma Union Carbide. Cellosize® kann
in Wasser mit Dialdehyden, Methylolharnstoffen oder Melamin-Formaldehydharzen vernetzt
werden, wodurch ein weniger wasserlösliches Bindemittel gebildet
wird.
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Die
in den erfindungsgemäßen formbaren
Gemischen verwendeten Celluloseether sind vorzugsweise in einem
Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der gesamten Feststoffe,
vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%,
und am meisten bevorzugt von etwa 2 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-%, enthalten.
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3. Andere organische Bindemittel
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Obgleich
in der Zusammensetzung Stärke-Bindemittel
und Celluloseether-Bindemittel bevorzugt werden, können auch
andere organische Bindemittelmaterialien zusätzlich zum Einsatz kommen.
Z.B. schließen weitere
Bindemittel auf Polysaccharid-Basis, die verwendet werden können, Alginsäure, Phycocolloide,
Agargummi, Gummi arabicum, Guargummi, Locustbohnengummi, Karayagummi
und Traganthgummi sowie Gemische oder Derivate davon ein. Geeignete
Bindemittel auf Protein-Basis schließen z.B. das Material Zein® (ein Prolamin,
abgeleitet von Mais), Collagen (aus Tierbindegewebe und Knochen
extrahiert) und Derivate davon, wie Gelatine und Leim, Casein, ein
(die .....
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Synthetische
organische Bindemittel, die in Wasser dispergierbar sind, können verwendet
werden, und sie schließen
z.B. Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyvinylmethylether,
Polyacrylsäuren,
Polyacrylsäuresalze,
Polyvinylacrylsäuren,
Polyvinylacrylsäuresalze,
Polyacrylimide, Ethylenoxidpolymere, Polymilchsäure, Latex (was eine breite
Kategorie ist, die eine Vielzahl von polymerisierbaren Substanzen,
gebildet in wässriger
Emulsion, einschließen,
wobei ein Beispiel hierfür
ein Styrol-Butadiencopolymeres ist) und Gemische oder Derivate davon
ein.
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Der
Gesamtgehalt des organischen Bindemittels in der gehärteten Folie,
ist vorzugsweise in einem Bereich von etwa 6 Gew.-% bis etwa 90
Gew.-% der Gesamtfeststoffe in der gehär teten Folie, mehr bevorzugt in
einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, und am meisten
bevorzugt in einem Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%.
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4. Charakteristische Eigenschaften
des organischen Bindemittels während
der Folienbildung
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Während von
den benannten Erfindern erkannt worden ist, dass Celluloseether
(z.B. Methocel) eine optimale Performance ergeben, wenn Folien unter
Verwendung von Extrudierungs- und Walzprozessen hergestellt werden,
haben die Celluloseether doch den Nachteil, dass sie im Vergleich
zu den anderen bei der Herstellung der Folien verwendeten Komponenten
sehr teuer sind. Stärke
ist ein gutes Bindemittel und erheblich billiger als Celluloseether,
hat aber den Nachteil, dass sie sehr klebrig oder anhaftend ist,
wenn sie als einziges organisches Bindemittel bei Folien-Bildungsprozessen
verwendet wird, was oftmals bewirkt, dass die Folien an den Walzen
ankleben, was die Massenproduktion der Folien problematisch macht.
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Die
vorliegende Erfindung stellt die Verwendung von Stärke anstelle
einer großen
Menge von Celluloseether zur Verfügung. Die Kombination aus einer
kleinen Menge Celluloseether mit einem Stärke-Bindemittel ergibt die
Vorteile, dass die Kosten für
die Herstellung der Folien erheblich verringert werden, während verhindert
wird, dass die Stärke
an den Walzen während
des Folien-Bildungsprozesses anklebt. Dazu kommt noch, dass der
Zusatz von relativ großen
Mengen von Stärken
zu Folien führt,
die stärker
sind und weniger brüchig sind
als Folien, die eine große
Menge von Celluloseether-Bindemittel enthalten.
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Bei
einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bildung von Folien werden Körner
von nicht-modifizierter, ungelatinierter Stärke zu dem formbaren Gemisch
vor dem Erhitzen und während
des Folien-Bildungsprozesses, der untenstehend genauer beschrieben
werden wird, zugesetzt. Das formbare Gemisch wird zwischen einem
Satz von erhitzten Walzen geführt,
die erhitzt sind, um eine thermische Ausfällung des Celluloseethers (was
bei Methocel bei etwa 70°C
erfolgt) zu bewirken. Dies bewirkt ihre Ausfällung unter Bildung einer klebfreien
Haut auf der Oberfläche
der gebildeten Folien. Die Stärkekörnchen sind
von dem ausgefällten
Film aus Celluloseether-Bindemittel an der Oberfläche der
Folie eingekapselt, wodurch verhindert wird, dass das Stärke-Bindemittel
an den Walzen bei der Gelierung der Stärkekörnchen anklebt. Der Celluloseether
wirkt daher als Film-Bindemittel in der gebildeten Folie. In dem
Maß, wie
die Stärke
im Inneren der Folie gelatiniert wird und dann durch die durch Verdampfung
erfolgende Entfernung des Wassers getrocknet wird, wird sie zu dem
primären
Bindemittel, das den anderen Feststoff bindet .....
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Beim
Zusammenmischen der Komponenten des formbaren Gemisches ist es von
Wichtigkeit, dass das Bindemittel auf Stärke-Basis nicht Scherkräften unterworfen
wird, die groß genug
sind, um die nicht-modifizierten Stärkekörnchen zu brechen oder aufzureißen. Dies
könnte
eine vorzeitige Gelierung und ein Ankleben des Gemisches an den
Walzen bewirken. Aus dem gleichen Grund ist es auch von Wichtigkeit,
das Gemisch bei einer Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur
des Bindemittels auf Stärkebasis
zu halten. Bevorzugte Binde mittel auf Stärke-Basis schließen nicht-modifizierte
Stärken
ein, die bei einer Temperatur bei der thermischen Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers oder darüber
gelieren, um die Bildung einer Haut aus Celluloseether an der Oberfläche der
Folie vor der Gelatinierung der Stärkekörnchen zu bilden.
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E. Wasser
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Wasser
wird zu dem formbaren Gemisch gegeben, um das organische Bindemittel
in dem Gemisch aufzulösen
oder mindestens zu dispergieren. Das Wasser trägt auch dazu bei, die anderen
festen Komponenten, wie Fasern und anorganische Füllstoffe,
durch das formbare Gemisch hindurch zu dispergieren. Als solches
hat das Wasser die Funktion der Erzeugung eines formbaren Gemisches
mit den gewünschten
rheologischen Eigenschaften, mit Einschluss der Viskosität und der
Fließgrenze.
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Damit
das formbare Gemisch eine adäquate
Verarbeitbarkeit aufweist, muss das Wasser im Allgemeinen in genügenden Mengen
zugesetzt werden, dass jedes der anorganischen Aggregatteilchen,
jede Faser oder alle anderen festen Partikel befeuchtet werden,
um das organische Bindemittel zu solvatisieren oder zumindest zu
dispergieren und um zumindest teilweise die Zwischenräume oder
Hohlräume
zwischen den Teilchen aufzufüllen.
In einigen Fällen,
z.B. wenn ein Dispergierungsmittel oder ein Schmiermittel zugesetzt
wird, kann eine adäquate
Verarbeitbarkeit unter Verwendung von anfänglich weniger Wasser aufrecht
erhalten werden.
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Die
Menge von Wasser, die zu dem formbaren Gemisch gegeben wird, sollte
sorgfältig
ausbalanciert werden, so dass das Gemisch genügend bearbeitbar ist, während zur
gleichen Zeit aber beachtet werden sollte, dass eine Erniedrigung
des anfänglichen
Wassergehalts die Wassermenge verringert, die entfernt werden muss,
um eine gehärtete
Folie zu bilden. Die geeigneten rheologischen Eigenschaften, um
diesen Erfordernissen zu genügen,
können,
ausgedrückt
als Fließgrenze,
definiert werden. Die Fließgrenze
des formbaren Gemisches liegt vorzugsweise in einem Bereich von
etwa 2 kPa bis etwa 5 MPa, mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa
100 kPA bis etwa 1 MPa, und am meisten bevorzugt in einem Bereich
von etwa 200 kPa bis etwa 700 kPa. Der gewünschte Wert der Fließgrenze
kann entsprechend dem jeweiligen Verfahren, das zur Bildung der
Folie verwendet wird, entsprechend eingestellt und optimiert werden.
In einigen Fällen
kann es zweckmäßig sein,
am Anfang eine relativ hohe Menge von Wasser zuzusetzen, da überschüssiges Wasser
durch Abdampfen entfernt werden kann. Trotzdem besteht eines der
wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der
Herstellung von herkömmlichem
Papier darin, dass die Menge von Wasser, die am Anfang in dem formbaren
Gemisch vorliegt, weitaus kleiner ist als die Menge, die normalerweise
in faserhaltigen Aufschlämmungen,
die bei der Herstellung von herkömmlichem
Papier verwendet werden, gefunden wird. Dies resultiert in einem
Gemisch, das eine weitaus größere Fließgrenze
hat und eine Stabilität
bildet im Vergleich ..... formbares Gemisch zum Erhalt eines selbsttragenden
und kohärenten
Materials (d.h., um ein stabiles Material zu bilden) ist erheblich
kleiner im Falle der erfindungsgemäß verwendeten Gemische im Vergleich
zu den Aufschlämmungen, die
bei der Herstellung von herkömmlichem
Papier verwendet werden. Weiterhin haben die Grünfolien-Zwischenprodukte gemäß der vorliegenden
Erfindung eine weitaus größere innere
Kohäsionsfähigkeit
und Kohärenz
im Vergleich zu nass-gelegten faserhaltigen Aufschlämmungen.
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Die
Menge von Wasser, die zu dem Gemisch gegeben werden sollte, hängt zu einem
großen
Ausmaß von
der Menge der Stärke
oder der anderen wasserabsorbierenden Komponenten, der Fasern, der
anorganischen Füllstoffe
und der Partikelpackdichte der Füllstoffe
ab. Sie hängt
auch von der gewünschten
Rheologie des formbaren Gemisches ab. Die Menge von Wasser, die
zugegeben wird, um die formbaren Gemische gemäß der vorliegenden Erfindung
zu bilden, liegt in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 80
Gew.-% des formbaren Gemisches, mehr bevorzugt in einem Bereich
von etwa 10 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% des formbaren Gemisches, und
am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa
50 Gew.-%. Der Fachmann wird dazu imstande sein, den Wassergehalt
in geeigneter Weise einzustellen, um eine adäquate Verarbeitbarkeit für jeden
beliebigen gegebenen Herstellungsprozess zu erhalten.
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In
den meisten Fällen
wird es zu bevorzugen sein, die minimale Menge von Wasser zuzusetzen,
die erforderlich ist, dem formbaren Gemisch den gewünschten
Grad der Bearbeitbarkeit zu verleihen, wodurch die Menge von Wasser
verringert wird, die aus den prozessierten Folien entfernt werden
muss. Eine Verminderung der Menge des Wassers, das im Allgemeinen
entfernt werden muss, verringert die Kosten der Herstellung, da die
Entfernung von Wasser durch Abdampfen eine Energiezuführung erfordert.
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F. Anorganische Füllstoffe
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Anorganische
Materialien, die üblicherweise
in der Papierindustrie verwendet werden, sowie fein gemahlene Aggregatmaterialien,
die in der Betonindustrie verwendet werden, können gegebenenfalls in den
erfindungsgemäßen formbaren
Gemischen verwendet werden. Trotzdem wird oftmals die Größe der Aggregat- oder
der anorganischen Füllstoffmaterialien
vielfach größer sein
als diejenige der anorganischen Füllstoffmaterialien, die in
der Papierindustrie verwendet werden. Während der mittlere Durchmesser
der Partikel bzw. Teilchen in den anorganischen Füllstoffen
der Papierindustrie zum Einsatz kommen, gewöhnlich kleiner als 2 Mikrometer
ist, kann der mittlere Partikeldurchmesser der erfindungsgemäß verwendeten
Aggregatmaterialien in manchen Fällen
bis zu 100 Mikrometer oder größer, je
nach der Wanddicke der resultierenden Folie, sein, und die Aggregatmaterialien
sind daher allgemein billiger und haben eine größere spezifische Oberfläche.
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Die
in der Papierindustrie verwendeten anorganischen Füllstoffmaterialien
sind im Allgemeinen gleichförmiger
hinsichtlich der Größe verteilt
im Vergleich zu den erfindungsgemäß verwendeten Füllstoffen.
Es wird oftmals allgemein bevorzugt, einen weiten Bereich von Teilchengrößen der
Füllstoffe
erfindungsgemäß einzusetzen,
um die natürliche
Partikel-Packungsdichte
des Füllstoffs
in dem Gemisch zu erhöhen.
Unter Verwendung von Partikeln mit im Allgemeinen höherer und
variierender Größe wird
eine weitere Verringerung der Kosten der anorganischen Füllstoff-Komponente
im Vergleich zu den anorganischen Füllstoffmaterialien erreicht, die
in der Papierindustrie verwendet werden ..... Es wird auch eine
allgemeine Gleichförmigkeit
der Teilchengröße bzw.
Partikelgröße aufrecht
erhalten.
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Der
stark erhöhte
Bereich der Teilchengrößen gestattet
auch eine erheblich größere Vielzahl
von anorganischen Aggregatmaterialien bei der vorliegenden Erfindung
zu verwenden im Vergleich zu der Herstellung von herkömmlichem
Papier. Daher können
die Aggregatmaterialien, die erfindungsgemäß verwendet werden, so ausgewählt werden,
dass sie der fertigen Folie eine größere Vielzahl von Eigenschaften
verleihen. Weiterhin ergeben Partikel-gepackte Aggregatfüllstoffe
ein besser verformbares Gemisch im Vergleich zu typischen Aufschlämmungen,
die zur Herstellung von herkömmlichem
Papier verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichem Papier können erheblich
mehr anorganische Aggregate optional in die erfindungsgemäßen Materialien
eingearbeitet werden, da ein organisches Bindemittel anstelle der
Gewebephysik die Folie zusammenhält.
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Beispiele
für geeignete
Aggregate schließen
Perlit, Vermiculit, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, Glasperlen,
Aerogele, Xerogele, Meeresgele, Glimmer, Ton, synthetischen Ton,
Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Flugasche, aus der Dampfphase abgeschiedenes
Siliciumdioxid, geschmolzenes Siliciumdioxid, tafelförmiges Aluminiumoxid,
Kaolin, Mikrokügelchen,
Hohlglaskügelchen,
poröse
Keramikkügelchen,
Gips, Gipsdihydrat, Calciumcarbonat, Calciumaluminat, Kork, Samen,
leichte Polymere, Xonolit (ein kristallines Calciumsilicatgel),
leichte expandierte Tone, hydratisierte oder nicht-hydratisierte
hydraulische Zementpartikel, Betonabfallprodukte, Bimsstein, exfoliiertes
Gestein und andere geologische Materialien ein. Teilweise hydratisierter und
hydratisierter Zement sowie aus der Dampfphase abgeschiedenes Siliciumdioxid
haben eine hohe spezifische Oberfläche und ergeben ausgezeichnete
Vorteile, wie eine hohe anfängliche
Kohäsionsfähigkeit
der neu gebildeten Folie.
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Verschiedene
anorganische Aggregate verleihen der Folie ihre ihnen eigenen, einzigartigen
Oberflächeneigenschaften,
und sie können
dementsprechend ausgewählt
werden. So gibt z.B. das Kaolin ein glatteres, weniger poröses Endprodukt,
während
plattenartige Materialien, wie Glimmer und andere Tonsorten, eine funkelnde
Oberfläche
ergeben. Typischerweise erzeugen größere Aggregate, wie Calciumcarbonat,
eine matte Oberfläche,
während
kleinere Teilchen eine glasartige Oberfläche erzeugen. Der Vorteil der
vorliegenden Erfindung gegenüber
der Herstellung von herkömmlichem
Papier besteht darin, dass alle beliebigen dieser Aggregatmaterialien
direkt in die Matrix eingegeben werden können.
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Ein
bevorzugtes Aggregatmaterial für
die erfindungsgemäße Verwendung
ist Calciumcarbonat. Trocken vermahlenes Calciumcarbonat wird besonders
bevorzugt, da es zu einem Drittel der Kosten von Calciumcarbonat,
das durch Nassvermahlen erhalten wird, hergestellt werden kann.
Ein bevorzugtes Calciumcarbonat ist das Produkt R040, das eine Teilchengröße im Bereich
von etwa 10 bis 150 Mikrometer bei einer mittleren Teilchengröße von etwa
42 Mikrometer und eine niedrige spezifische Oberfläche hat.
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Sowohl
Ton als auch Gips sind besonders gut geeignete Aggregatmaterialien
wegen ihrer leichten Verfügbarkeit,
ihrer extremen Billigkeit, ihrer Verarbeitbarkeit, ihrer leichten
Verformungsfähigkeit
und auch deswegen, weil sie einen Grad der Bindung, der Kohäsionsfähigkeit
und der Festigkeit ergeben können,
wenn sie hoch genug zugesetzt werden ..... in Gegenwart von Wasser,
das eine Klasse eines hydraulisch härtbaren Bindemittels ist. Nach
der Hydratisierung erhärtet
der Gips zu einer starren Struktur, je nach seiner Konzentration, wodurch
dem Endprodukt eine verzögerte
zusätzliche
Bindungsfestigkeit verliehen wird.
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Hydraulischer
Zement, wie Portland-Zement, kann als anorganisches Füllstoffmaterial
zu den erfindungsgemäßen formbaren
Gemischen zugesetzt werden. Hydraulische Zemente sind relativ billig
und in großen
Mengen vorhanden, und sie können
der stärkegebundenen
Matrix einen Bindungsgrad verleihen, wenn sie in Mengen zugesetzt
werden, die hoch genug sind. Weiterhin setzen sich hydraulische
Zemente chemisch mit Wasser um, wodurch ein innerer Trocknungseffekt
in dem formbaren Gemisch bewirkt wird, durch den wirksam mindestens
ein Teil des Wassers in dem Gemisch entfernt wird, ohne dass die
Notwendigkeit eines Abdampfens besteht. Das gleiche trifft für Gipshemihydrat
und calcinierten Ton zu. Prähydratisierte
Zementpartikel können
gleichfalls als Aggregatfüllstoff
zugesetzt werden.
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Wegen
der Natur der formbaren Gemische und der daraus hergestellten Folien
ist es möglich,
Aggregate mit geringem Gewicht mit einem hohen Ausmaß von interstitiellen
Hohlräumen
zuzusetzen, um den geformten Folien einen Isolierungseffekt zu verleihen.
Beispiele für
Aggregate, die der Folie ein geringes Gewicht und isolierende Eigenschaften
verleihen können,
schließen
Perlit, Vermiculit, Glasperlen, Hohlglaskügelchen, synthetische Materialien
(z.B. poröse
Keramikkügelchen,
tafelförmiges
Aluminiumoxid, etc.), Kork und expandierte Tonsorten mit geringem
Gewicht, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, Bimsstein und
andere geologische Materialien ein.
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Zusätzlich zu
den herkömmlichen
Aggregaten, die in der Papier- und Zementindustrie verwendet werden,
kann eine weite Vielzahl von anderen Aggregaten zu den formbaren
Gemischen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zugegeben werden,
wie z.B. Verstärkungsmittel,
wie Metalle und Metalllegierungen (z.B. Edelstahl, Eisen und Kupfer),
kugelförmige
oder hohlkugelförmige
Materialien (z.B. Glas, Polymermaterialien und Metalle), Füllstoffe,
Pellets und Pulver (wie Mikrosiliciumdioxid). Selbst Materialien,
wie Samen, Gelatine, und Materialien vom Agar-Typ können in
die Aggregate eingearbeitet werden. Obgleich diese letztgenannten Aggregate
organischer Natur sind und ohne weiteres biologisch abbaubar sind,
werden sie aber deswegen zugesetzt, weil sie primär als Füllstoff
und nicht als ein Bindemittel wirken.
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Eine
weitere Klasse von Aggregaten, die den Formungszusammensetzungen
zugesetzt werden kann, schließt
anorganische Gele und Mikrogele, wie Siliciumdioxidgel, Calciumsilicatgel,
Aluminiumsilicatgel, und dergleichen ein. Diese Materialien können in
fester Form zu gesetzt werden oder sie können in situ ausgefällt werden.
Da Gele und Mikrogele dazu neigen, Wasser zu absorbieren, können sie
deswegen zugesetzt werden, um den Wassergehalt des formbaren Gemisches
zu verringern, wodurch die Fließgrenze
des Gemisches erhöht
wird. Dazu kommt noch, dass die hochhygroskopische Natur der Gele
auf Siliciumdioxid-Basis und der Mikrogele es gestattet, diese Materialien
als Regulierungsmittel für
die Feuchtigkeit innerhalb der am Schluss erhaltenen gehärteten Folie
zu verwenden. Durch Absorption von Feuchtigkeit aus der Luft bewirken
die Gele und Mikrogele, dass die Folien eine vorbestimmte Menge
von Wasser unter normalen Umgebungsbedingungen beibehalten. Naturgemäß ist die
Rate ..... Die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Folien gestattet
eine sorgfältigere
Kontrolle der Dehnung, des Moduls der Elastizität, der Biegefähigkeit,
der Faltbarkeit, der Flexibilität
und der Duktilität
der Folien.
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Es
liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, polymerisierbare
anorganische Aggregatmaterialien, wie polymerisierbare Silicate,
zu dem formbaren Gemisch zuzusetzen. Diese Materialien können zu dem
Gemisch als übliches
Siliciumdioxid oder als Silicate zugesetzt werden, die dann so behandelt
werden, dass eine Polymerisationsreaktion in situ bewirkt wird,
um ein polymerisiertes Silicataggregat zu erzeugen. Polymerisierte
anorganische Aggregate sind oftmals für bestimmte Anwendungszwecke
von Vorteil wegen ihrer erhöhten
Flexibilität
im Vergleich zu den meisten anderen anorganischen Aggregatmaterialien.
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Erfindungsgemäß wird es
im Allgemeinen besonders bevorzugt, eine Mehrzahl von Aggregaten
mit unterschiedlicher Größe und Graduierung
zuzusetzen, die dazu imstande sind, eine vollständigere Auffüllung der
Zwischenräume
zwischen den Aggregatteilchen und den Fasern in dem formbaren Gemisch
zu bewirken. Die Optimierung der Partikel-Packungsdichte verringert
die Menge von Wasser, die erforderlich ist, um den gewünschten
Grad der Verarbeitbarkeit zu erhalten, indem Räume eliminiert werden, die
ansonsten mit interstitiellem Wasser, das oftmals auch als "Kapillarwasser" bezeichnet wird,
gefüllt
würden.
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Um
die Packungsdichte zu optimieren, können Aggregate mit unterschiedlicher
Größe mit Partikelgrößen in einem
Bereich von so wenig wie etwa 0,05 Mikrometer bis zu so groß wie etwa
2 mm eingesetzt werden. Der gewünschte
Zweck und die Dicke des resultierenden Produkts diktieren die geeignete
Teilchengröße der verschiedenen
Aggregate, die verwendet werden sollen. Es liegt innerhalb des Wissens
des Fachmanns, die Identität
und die Größen der
Aggregate, die verwendet werden sollen, allgemein zu identifizieren,
um die gewünschten
rheologischen Eigenschaften der formbaren Grüngemische sowie die Endfestigkeit
und die Gewichtseigenschaften der fertigen gehärteten Folie oder des Gegenstands
zu erhalten.
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Bei
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann es zweckmäßig sein, die Menge der Aggregate
in dem formbaren Gemisch zu maximieren, um die Eigenschaften und
Charakteristiken der Aggregate (z.B. Qualitäten, wie Festigkeit, niedrige
Dichte oder hohe Isolierung) zu maximieren. Die Anwendung von Partikel-Packtechniken
kann in den Formungszusammensetzungen angewendet werden, um die
Menge solcher Aggregate zu maximieren.
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Ein
detaillierte Diskussion der Partikelpackung kann in dem folgenden
Artikel gefunden werden, von dem einer der benannten Erfinder ein
Co-Autor ist: Johansen, V. & Andersen,
P.J., "Particle
Packing and Concrete Properties",
Materials Science of Concrete II, 111–147, The American Ceramic
Society (1991). Weitere Information ist in der Doktorarbeit von
Anderson, P.J., "Control
and Monitoring of Concrete Production -- A Study of Particle Packing
and Rheology", The
Danish Academy of Technical Sciences. Für Offenbarungszwecke werden
der vorstehende Artikel und die Doktorarbeit .....
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Bei
Ausführungsformen,
wo es zweckmäßig ist,
eine Folie (oder einen daraus hergestellten Gegenstand) mit hoher
Isolierungsfähigkeit
zu erhalten, kann es zu bevorzugen sein, in die stärkegebundene
Matrix ein Aggregat mit geringem Gewicht einzuarbeiten, das eine
niedrige thermische Leitfähigkeit
oder einen niedrigen "k-Faktor" (definiert als W/m·K) hat.
Im Allgemeinen enthalten Aggregate, die einen sehr niedrigen k-Faktor
haben, große
Mengen von eingeschlossenem interstitiellen Raum, von Luft, Gemischen
von Gasen oder ein partiales Vakuum, das ebenfalls dazu neigt, die
Festigkeit von solchen Aggregaten stark zu verringern. Daher neigen
Befürchtungen
hinsichtlich der Isolierungsfähigkeit
und der Festigkeitseigenschaften dazu im Wettbewerb zu stehen, und
es sollte eine sorgfältige
Ausbalancierung erfolgen, wenn das jeweilige Mischdesign ausgewählt wird.
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Im
Lichte der vorstehenden Ausführungen
wird die Menge des Aggregats, das zu dem formbaren Gemisch der Erfindung
zugesetzt wird, von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, mit
Einschluss der Menge und der Identität der anderen zugesetzten Komponenten,
sowie der Partikel-Packdichte der Aggregate selbst. Demgemäß wird vorzugsweise
die Konzentration der Aggregate in den erfindungsgemäßen Folien
in einem Bereich von 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, mehr bevorzugt
in einem Bereich von etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, und am meisten
bevorzugt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, liegen.
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G. Fasern
-
Es
kann ein weiter Bereich von Fasern erfindungsgemäß mit guten Ergebnissen zum
Einsatz kommen. Wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet,
schließen
die Bezeichnungen "Fasern" und "faserartiges Material" sowohl anorganische
Fasern als auch organische Fasern ein. Die Fasern können dem
formbaren Gemisch zugesetzt werden, um die Flexibilität, die Duktilität, die Biegefähigkeit,
die Kohäsion,
die Elongationsfähigkeit,
die Deflektionsfähigkeit,
die Zähigkeit
und die Bruchenergie sowie die Biege- und Zugfestigkeit der resultierenden
Folien und Gegenstände
zu erhöhen.
Faserartige Materialien verringern die Wahrscheinlichkeit, dass
die stärkegebundenen
Folien oder die daraus hergestellten Gegenstände unter Einwirkung von Querschnittskräften zersplittern.
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Fasern,
die in die stärkegebundene
Matrix der Folien oder Gegenstände
eingearbeitet werden können, schließen natürlich vorkommende
organische Fasern, wie Cellulosefasern, ex trahiert aus Hanf, Baumwolle, Pflanzenblättern, Holz
oder Stängeln,
ein. Alle beliebigen, im Überschuss
vorkommenden Fasern, die in der Landwirtschaft gepflanzt und geerntet
werden können,
können
erfindungsgemäß eingesetzt
werden. Die Verwendung von solchen faserartigen Materialien würde den
zusätzlichen
günstigen
Effekt haben, dass unsere schwindenden Wälder bewahrt werden. Dazu können auch
anorganische Fasern, hergestellt aus Glas, Graphit, Siliciumdioxid,
Keramik oder Metallmaterialien, ebenfalls verwendet werden.
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Fasern,
wie Baumwoll-, Holzfasern (sowohl Hartholz- als auch Weichholzfasern,
Beispiele hierfür schließen Südhartholz
und Südpinien
ein), Flachs-, Abaca-, Hanf- und Bagassefasern werden bevorzugt,
weil sie sich bei normalen Bedingungen ohne weiteres zersetzen.
Jedoch können
andere Fasern, wie Glasfasern, je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck
und den Performancekriterien der Folie oder des Gegenstands, bevorzugt
werden. Sogar die recycelten Papierfasern können verwendet werden, die
extrem billig und in großen
Mengen vorhanden sind.
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Die
Fasern, die zur Herstellung der Folien und der anderen Gegenstände der
Erfindung verwendet werden, haben vorzugsweise ein hohes Verhältnis von
Länge zu
Breite (oder "Aspektverhältnis" bzw. Dimensionsverhältnis),
weil längere
und engere Fasern der stärkegebundenen
Matrix eine höhere
Festigkeit verleihen können,
ohne dass in signifikanter Weise eine Voluminosität und Masse
der Matrix verliehen wird. Die Fasern sollten ein Aspektverhältnis von
mindestens etwa 10:1, mehr bevorzugt mindestens etwa 100:1, haben.
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Die
Menge der Fasern, die zu den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen zugesetzt
werden, wird variieren entsprechend den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts,
wobei die Zugfestigkeit, die Zähigkeit,
die Flexibilität
und die Kosten Hauptkriterien für
die Festlegung der Fasermenge, die einem beliebigen Mischkonzept
zugesetzt werden soll, sind. Demgemäß liegt die Konzentration der
Fasern in den erfindungsgemäßen Folien
in einem Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Gesamtfeststoffe,
vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%,
und mehr bevorzugt von etwa 7 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%.
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Naturgemäß ist die
Festigkeit der Fasern ein sehr wichtiges Merkmal zur Festlegung
der zu verwendenden Menge der Fasern. Je größer die Zugfestigkeit der Fasern
ist, desto weniger Fasern müssen
zugesetzt werden, um dem resultierenden Produkt eine gegebene Zugfestigkeit
zu verleihen. Während
einige Fasern hohe Werte der Zugfestigkeit, der Reißfestigkeit
und der Berstfestigkeit haben, können
andere Typen von Fasern mit einer niedrigeren Zugfestigkeit elastischer
sein. Die Einarbeitung einer relativ hohen Konzentration von Fasern
ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Folie eingekerbt werden
soll und wenn zu erwarten ist, dass sie über einen größeren Winkel
verbogen wird.
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Fasern
mit einem kleineren Aspektverhältnis
werden leichter in der Folie platziert, und sie ergeben eine Folie
mit größerer Gleichförmigkeit
und weniger Defekten, während
ein größeres Aspektverhältnis den Festigkeits-verleihenden
Effekt der Fasern erhöht.
Einige Fasern, wie solche aus Südpinie
und Abaca, haben hohe Reiß-
und Berstfestigkeiten, während
andere, wie Bauwollfasern, eine niedrigere Festigkeit, jedoch eine größere Flexibilität haben.
In den Fällen,
bei denen eine bessere Platzierung, eine höhere Flexibilität und eine höhere Reiß- und Berstfähigkeit
gewünscht
werden, kann eine Kombination von Fasern mit variierenden Aspektverhältnissen
und Festigkeitseigenschaften zu dem Gemisch gegeben werden. So gestattet
z.B. ein Gemisch aus Südhartholz
und Südpinie
eine bessere Dispersion der Fasern durch das formbare Gemisch hindurch,
wodurch eine Folie erhalten wird, die eine gute Faserdispersion
und eine ausgezeichnete Faltbeständigkeit
hat. In jedem Fall werden die erfindungsgemäß verwendeten Fasern vorzugsweise
nicht den intensiven Bearbeitungsvorgängen der Fasern unterworfen,
die zu der Herstellung der herkömmlichen
Papiere verwendet werden, und sie halten daher weitaus mehr ihrer
ursprünglichen
Festigkeit aufrecht. Sie erfordern auch eine geringere chemische
Bearbeitung.
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Eine
bessere Wasserbeständigkeit
kann dadurch erhalten werden, dass die Fasern mit Kolophonium und
Alaun (Al2(SO4) 3 ) oder (NaAl(SO4) 2 ), der aus dem Kolophonium sich auf
der Faseroberfläche
niederschlägt,
behandelt werden, .....es wird eine anionische Absorptionsstelle
auf der Oberfläche
der Faser für
ein positiv geladenes organisches Bindemittel, wie kationische Stärke, erzeugt.
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H. Dispergierungsmittel
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Die
hierin verwendete Bezeichnung "Dispergierungsmittel" bedeutet eine Klasse
von Materialien, die zugegeben werden können, um die Viskosität und die
Fließgrenze
des formbaren Gemisches zu verringern. Dispergierungsmittel wirken
dahingehend, dass sie die Viskosität des Gemisches verringern,
indem die individuellen anorganischen Aggregatteilchen oder die
Fasern dispergiert werden. Dies gestattet die Verwendung von weniger
Wasser, während
adäquate
Grade der Bearbeitbarkeit aufrecht erhalten werden. Dispergierungsmittel
wirken in entgegengesetzter Art und Weise im Vergleich zu den organischen
Bindemitteln, die die festen Komponenten zusammenbinden, selbst
dann, wenn sie sich noch im nassen Zustand befinden.
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Dispergierungsmittel
wirken im Allgemeinen dadurch, dass sie auf der Oberfläche der
Aggregatpartikel und/oder in der nahen Kolloiddoppelschicht der
Partikel adsorbiert werden. Dies erzeugt eine negative Ladung auf
den Oberflächen
der Partikel oder darum herum, wodurch bewirkt wird, dass diese
sich gegenseitig abstoßen,
was eine Agglomeration der Teilchen verhindert. Diese Abstoßung der
Teilchen fügt
eine "Schmierung" zu, indem die Reibungs- oder Anziehungskräfte verringert
werden, die ansonsten bewirken, dass die Teilchen eine größere Wechselwirkung
haben. Dies erhöht
die Packdichte des Materials etwas und gestattet die Zugabe von
weniger Wasser, während
die Verarbeitbarkeit bzw. Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches
aufrecht erhalten wird. Die Dispergierungsmittel sollten vor der
Zugabe des Celluloseethers zugesetzt werden.
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Eine
genauere Beschreibung der Verwendung der Dispergierungsmittel kann
in der Doktorarbeit von Andersen, P.J.; "Effects of Organic Superplasticizing
Admixtures and their Components on Zeta Potential and Related Properties
of Cement Materials" (The
Pennsylvania State University Materials Research Laboratory, 1987),
gefunden werden. Zu Offenbarungszwecken wird auf die vorstehende
Doktorarbeit hierin speziell Bezug genommen.
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Ein
bevorzugtes Dispergierungsmittel ist ein sulfoniertes Naphthalin-Formaldehyd-Kondensat, von dem
ein Beispiel mit dem Warenzeichen WRDA 19 vertrieben wird. Das Produkt
ist von der Firma W.R. Grace, Inc., verfügbar. Andere Dispergierungsmittel,
die gleichfalls verwendet werden können, schließen sulfonierte Melamin-Formaldehyd-Kondensate,
Lignosulfonate und Polyacrylsäure
ein.
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Die
Menge des zugegebenen Dispergierungsmittels liegt im Allgemeinen
im Bereich von bis zu etwa 5 Gew.-% des Wassers in dem formbaren
Gemisch, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis
etwa 4 Gew.-%, und am meisten bevorzugt von etwa 1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-%.
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I. Andere Mischungszusätze
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Eine
Vielzahl von anderen Komponenten kann gegebenenfalls zu dem formbaren
Gemisch gegeben werden, um den fertigen Folien und Gegenständen gewünschte Eigenschaften
zu verleihen. Die Flexibilität kann
dadurch erhöht
werden, dass zu dem formbaren Gemisch Weichmacher gegeben werden.
Die Weichmacher schließen
Materialien ein, die durch die Bindemittel auf Stärke-Basis
absorbiert werden können,
um die strukturelle Matrix der geformten Folie zu erweichen oder
..... aus der Matrix erfolgt während
des Formprozesses keine Verdampfung, und die Stabilität nach der
Formung der Folie des Gegenstands bleibt vorzugsweise erhalten.
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Geeignete
Weichmacher zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung schließen
Polyethylenglykole (unterhalb eines Molekulargewichts von 600),
Glycerin und Sorbit ein, die dazu neigen, den Ort des Wassers einzunehmen
und als Weichmacher bei einer Feuchtigkeit von so niedrig wie 5%
zu wirken. Bevorzugte Weichmacher verdampfen während des Formungsprozesses
nicht, sondern bleiben in den geformten Folien und Gegenständen zurück, um die
stärkegebundene
Matrix weich zu machen.
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Glycerin,
von dem gefunden wurde, dass es mit dem Wasser während des Wasserentfernungsprozesses
entfernt wird, kann alternativ auf die Folien als eine Nach-Folienbildungs-Behandlung aufgebracht
werden, um den Folien eine erhöhte
Flexibilität
zu verleihen und als Befeuchtungsmittel zu wirken. Die Behandlung
mit Glycerin neigt auch dazu, die Folien so zu stabilisieren, dass
sie gegenüber
einem Verwerfen beständiger
sind, wenn sie kleinen Mengen von Wasser ausgesetzt werden, beispielsweise
dann, wenn ein Beschichtungsmittel auf Wasser-Basis auf die Folien aufgebracht wird.
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Vernetzende
Beimischungen, wie Dialdehyde, Methylharnstoffe und Melaminformaldehydharze
können
zu dem Gemisch gegeben werden, um eine weniger wasserlösliche stärkegebundene
Matrix zu produzieren. Die Vernetzungsgemische binden die Hydroxylionen
des Bindemittels auf Stärke-Basis,
was die Reabsorptionsgeschwindigkeit des Wassers des Bindemit tels
auf Stärke-Basis
verlangsamt. Als Ergebnis erhalten die fertigen Gegenstände die
Formstabilität
mit schnellerer Geschwindigkeit, und sie haben auch eine höhere Festigkeit.
Sie sind also imstande, Flüssigkeiten
länger
zu halten, bis sie versagen (z.B. kann eine Tasse bzw. ein Becher
Wasser länger
halten, bevor ein Aussickern des Wassers beginnt).
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J. Interstitielle Hohlräume bzw.
Poren
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Wenn
die Isolierung und nicht die Festigkeit der überragende Faktor ist (d.h.,
wenn es gewünscht
wird, heiße
oder kalte Materialien zu isolieren), dann kann es zweckmäßig sein,
in die strukturelle Matrix der Folien winzige interstitielle Hohlräume zusätzlich zu
den Aggregaten mit geringem Gewicht einzuarbeiten, um die Isolierungseigenschaften
der Folie oder des daraus hergestellten Gegenstands zu erhöhen. Die
Einarbeitung von Hohlräumen
wird sorgfältig
kalkuliert, um die erforderlichen Isolierungseigenschaften und Eigenschaften
des geringen Gewichts ohne eine unziemliche Verringerung der Festigkeit
der Folie zu verleihen. Wenn die Isolierung nicht wichtig ist, dann
ist es zweckmäßig, die
Hohlräume
zu minimieren, um die Festigkeit zu maximieren und das Volumen zu
minimieren.
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Lufthohlräume können durch
ein Hochscher-Hochgeschwindigkeitsmischen des formbaren Gemisches
eingeführt
werden, wobei ein Schaummittel oder ein Stabilisierungsmittel zu
dem Gemisch gegeben wird, um die Einarbeitung und die Retention
der Lufthohlräume
zu unterstützen.
Geeignete Schaummittel und Lufteinschlussmittel schließen üblicherweise
verwendete Tenside ein. Ein Schaummittel und Lufteinschlussmittel
ist ein Vinsolharz.
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Während des
Prozesses der Formung des formbaren Gemisches zu einer Folie ist
es zweckmäßig, das
formbare Gemisch zu erhitzen, um Wasser zu entfernen. Diese Maßnahme kann
auch eine Porosität
zurücklassen,
wenn die Folie nicht kompaktiert wird, wodurch die Dichte der Folie
verringert wird.
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Ein
weiteres Schaummittel, das verwendet werden kann, ist ein Gemisch
aus Citronensäure
und Bicarbonat oder Bicarbonat, das zu kleinen Körnern oder Partikeln bearbeitet
worden ist, und mit Wachs, Stärke oder
anderen wasserlöslichen
Beschichtungsmitteln beschichtet worden ist. Diese Materialien können bei
der Hohlraumbildung auf zwei Wegen verwendet werden: (1) sie setzen
sich mit Wasser um und bilden CO2-Gas, um
eine zelluläre
Schaumstruktur in der stärkegebundenen
Matrix zu erzeugen, oder (2) sie packen die Partikel als Teil der
Matrix und entfernen nach der Härtung
der Matrix die Schaumpartikel, indem das Produkt auf eine Temperatur
oberhalb 180°C
erhitzt wird, was eine endotherme Zersetzung der Partikel bewirkt,
wobei eine gut kontrollierte, zellförmige Struktur mit geringem
Gewicht zurückbleibt.
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Schließlich können Lufthohlräume in das
formbare Gemisch während
des Formprozesses eingeführt werden,
indem zu dem Gemisch ein Treibmittel gegeben wird, das expandiert,
wenn das Gemisch erhitzt wird. Treibmittel bestehen typischerweise
aus einer Flüssigkeit
mit niedrigem Siedepunkt und fein verteiltem Calciumcarbonat. Diese
Materialien werden gleichförmig
in das formbare Gemisch eingemischt und unter Druck gehalten, während sie
erhitzt werden. Das flüssige
Treibmittel dringt in die Poren der einzelnen Calciumcarbonatpartikel
ein, die als Punkte wirken, von denen das Treibmittel bei der thermischen
Expansion des Treibmittels verdampft werden kann, wenn der Druck
plötzlich
verringert wird.
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II. Herstellung von Folien
aus formbaren Gemischen
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Die
stärkegebundenen
Folien werden dadurch hergestellt, dass ein formbares Stärkegefülltes Gemisch
bei Temperaturen verformt wird, die progressiv ansteigen, damit
zum Ersten die Bildung einer Haut aus Celluloseether bewirkt wird,
zum Zweiten die Stärkekörnchen gelatiniert
werden und zum Dritten Wasser durch Abdampfen entfernt wird.
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Eine
detaillierte Beschreibung eines Folien-Bildungsprozesses kann in
der anhängigen
US-Patentanmeldung Serien-Nr. 08/152 354 mit dem Titel "Sheets Having A Highly
Inorganically Filled Organic Polymer Matrix" und eingereicht am 19. November 1993,
im Namen von Per Just Andersen, Ph. D. und Simon K. Hodson, gefunden
werden. Für
Zwecke der Offenbarung, mit Einschluss der Herstellung von anorganisch
gefüllten Folien,
wird auf diese Anmeldung hierin ausdrücklich Bezug genommen.
-
Eine
umfangreiche Herstellungssequenz, die zur Herstellung der stärkegebundenen
Folien, die zu Behältern
oder anderen Gegenständen
verformt werden können,
ist in 1A angegeben. Sie schließt eine
Vorrichtung zur Durchführung
der folgenden Herstellungsstufen ein: (1) die Herstellung und die
Vermischung der Formungszusammensetzung; (2) die Extrudierung des
Gemisches zu einer Folie oder zu einer anderen Gestalt durch eine
geeignete Düse;
(3) das Durchführen
..... die gewünschte
Dicke; und (4) das Führen
der Folie zwischen weiteren Sätzen
von Walzen, die die Stärke
gelatinieren und mindestens einen Teil des Wassers aus dem Gemisch
entfernen, und weiteres Trocknen der Folie durch Walzen auf einer
oder mehreren erhitzten Trocknungswalzen mit größerem Durchmesser; (5) die
optional erfolgende Kompaktierung der Folie, während sie sich noch in einem
geringfügig
feuchten Zustand befindet, um unerwünschte Hohlräume zu eliminieren
und die Festigkeit der Folie zu erhöhen; (6) die optionale Trocknung
der Folie, nachdem sie kompaktiert worden ist; (7) die optionale
Finish-Behandlung der Folie durch Führen zwischen einem oder mehreren
Paaren von Finishing-Walzen; und (8) die optionale Aufwickelung
der im Wesentlichen getrockneten Folie auf eine Spule, um eine Rolle
zu bilden, die gelagert und, wenn erforderlich, verwendet werden
kann. Alle diese Herstellungsstufen werden untenstehend genauer
beschrieben.
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Wie
in 1B gezeigt wird, kann das formbare Gemisch alternativ
direkt zwischen die Folien-bildenden Walzen eingespeist werden.
Die 1C stellt eine "wig wag"-Extrudierungsvorrichtung
dar, die rasch eine Perle des Materials entlang der Länge der
Folien-bildenden Walzen zurück-
und vorbewegt, als ein weiteres bevorzugtes Verfahren.
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Ein
zweites Verfahren, das für
die meisten Gestaltungen des Gemisches geeignet ist, schließt Folgendes
ein: (1) das Vermischen des formbaren Gemisches in einer Kneteinrichtung
und die anschließende
Entfernung der Luft im Vakuum; (2) die Extrudierung und das anschließende Zerschneiden
des Gemisches zu individuellen Einheiten mit entsprechender Gestalt
(z.B. als Zylinder); (3) die Übertragung
der extrudierten Einheiten in einen Trichter; (4) das Führen der
extrudierten Einheiten zwischen einem Paar von selbstbeschickenden
Extrudierungswalzen, um eine Folie zu bilden; und (5) die optional
erfolgende Trocknung oder auf sonstige Weise erfolgende Finish-Behandlung
der Folie. Die Extrudierungsstufe trägt zur Entlüftung des formbaren Gemisches
bei, und die individuell extrudierten Einheiten liefern eine gleichförmigere
Zuführung
des formbaren Gemisches am Eingang der Extrudierungswalzen.
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A. Herstellung des formbaren
Gemisches
-
Die
erste Stufe der Herstellung der Folien beinhaltet die Bildung eines
geeigneten formbaren Gemisches mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich
der Bearbeitbarkeit und der Grünfestigkeit
sowie der Festigkeit, der Flexibilität, der Zähigkeit und der Abbaubarkeit
der am Schluss erhaltenen, gehärteten
Folie. Einige der Eigenschaften, die allgemein bezüglich des
formbaren Gemisches als wünschenswert
angesehen werden, sind eine adäquate
Bearbeitbarkeit, plastikartige Qualitäten und eine Grünfestigkeit
für einen
gegebenen Extrusions-, Walz- und/oder
Formprozess. Wie oben zum Ausdruck gebracht wurde, bestimmen die
Gehalte von Wasser, organischem Bindemittel und (optional) Dispergierungsmittel
den Grad der Bearbeitbarkeit und der Extrudierbarkeit des Gemisches,
wie es auch die anderen Komponenten in dem Gemisch, wie Aggregate,
Fasern, Weichmacher, Luftmitreißmittel,
etc., tun. Jedoch bestimmt keine einzige Komponente vollständig die
Rheologie und die anderen Eigenschaften des formbaren Gemisches.
Stattdessen wirken alle Komponenten in einer miteinander in Beziehung
stehenden Art und Weise zusammen.
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1. Effekt
der Komponenten auf die Rheologie des Gemisches
-
Die
Menge des Wassers, die zugegeben werden sollte, um ein Gemisch mit
adäquatem
..... des anorganischen Füllstoffs,
der Menge von Fasern, Identität
und Menge des organischen Bindemittels und der Identität und der
Menge von anderen Mischzusätzen
(z.B. Dispergierungsmitteln, Weichmachern oder Schmiermitteln).
Im Allgemeinen verringert jedoch die Zugabe von mehr Wasser die
Viskosität
und die Fließgrenze
des Gemisches, wodurch die Fließfähigkeit
des Gemisches erhöht
wird und die Formstabilität
des daraus geformten Gegenstands verringert wird.
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Das
organische Bindemittel kann die Rheologie des Gemisches in Abhängigkeit
von der Identität,
der Konzentration und dem Ausmaß der
Gelierung oder der Auflösung
des organischen Bindemittels in dem nassen Gemisch stark beeinflussen.
Der Celluloseether löst
sich im Allgemeinen in Wasser auf oder wird zumindest ziemlich gründlich in
dem Wasser dispergiert. Die Stärkekörnchen bleiben
vorzugsweise in dem nassen Gemisch bis zum Verformen nicht-gelatiniert.
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Die
Celluloseether haben stark variierende Werte der Wasserlöslichkeit
oder der Wasserdispergierbarkeit sowie variierende Werte der Viskosität und der
Fließgrenze.
So hat z.B. eine 2%ige Lösung
von Tylose® FL
15002 (eine Methylhydroxyethylcellulose) bei -20°C eine Viskosität von etwa
15000 cPs, während
eine ähnliche
Lösung
von Tylose® 4000
eine Viskosität
von etwa 4000 cPs hat. Das erstgenannte Material erhöht die Fließgrenze
und die plastikarti gen Eigenschaften des formbaren Gemisches, während das
letztgenannte Material mehr als Schmiermittel oder Weichmacher wirken
kann.
-
Die
Stärkekomponente
geliert später
während
des Folien-Bildungsprozesses. Obgleich viele organische Polymer-Bindemittel,
wie Stärke,
weder polymerisieren noch depolymerisieren, wenn sie zu dem formbaren
Gemisch gegeben werden, jedoch eher gelieren und dann austrocknen,
um eine bindende Matrix zu bilden, liegt es doch im Rahmen der vorliegenden
Erfindung, wasserlösliche
oder in Wasser dispergierbare, polymerisierbare Einheiten zu dem
formbaren Gemisch zuzusetzen, die danach in situ im Laufe der Zeit
polymerisieren. Die Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion
kann dadurch reguliert werden, dass die Temperatur des Gemisches
eingestellt wird und/oder dass ein Katalysator oder Inhibitor zugesetzt
wird. Beispiele für
polymerisierbare Einheiten, die zu dem formbaren Gemisch zugesetzt
werden, schließen
Cellosize und Latex-bildende Monomere ein.
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Was
die Gelierung betrifft, so gelieren die meisten Celluloseether rasch
in Wasser bei Raumtemperatur. Andere, wie viele Stärken, gelieren
nur in Wasser bei höheren
Temperaturen. Bestimmte modifizierte Stärken können jedoch bei Raumtemperatur
gelieren. Celluloseether verleihen im Allgemeinen fast sofort ihren maximalen
rheologischen Effekt, während
polymerisierbare Bindemittel sich im Verlauf der Zeit versteifen,
und Bindemittel auf Stärke-Basis
versteifen sich im Allgemeinen in dem Maß, wie die Temperatur des Gemisches erhöht wird.
-
Andere
Mischzusätze,
die zugegeben werden können,
um direkt die Rheologie des formbaren Gemisches zu beeinflussen,
schließen
Dispergierungsmittel, Weichmacher und Schmiermittel ein. Dispergierungsmittel,
wie Materialien auf Sulfonyl-Basis, verringern die Viskosität und steigern
die Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches, während die Menge des Wassers
konstant gehalten wird. Die Verwendung eines Dispergierungsmittels
gestattet .....
-
Die
Menge, die Identität
und die Partikel-Packdichte des anorganischen Aggregatfüllstoffs
können stark
die Rheologie und die Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches beeinflussen.
Anorganische Aggregate, die porös
sind oder die eine hohe spezifische Oberfläche haben, neigen dazu, mehr
Wasser zu absorbieren als nicht-poröse Aggregate, wodurch die Menge
des Wassers verringert wird, die zur Schmierung der Teilchen verfügbar ist.
Dies führt
zu einem steiferen, stärker
viskosen Gemisch. Die Partikel-Packdichte kann auch einen äußerst starken
Einfluss auf die Rheologie des Gemisches haben, indem die Menge
des interstitiellen Raums bestimmt wird, der im Allgemeinen durch
Wasser, Schmiermittel, organische Polymere oder andere Flüssigkeiten
gefüllt
werden muss, damit das Gemisch strömen kann.
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Beispielsweise
erfordert ein Aggregatsystem mit einer natürlichen Packdichte von 0,65
etwa 35 Vol.-% Flüssigkeiten
(mit Einschluss von Wasser), damit der interstitielle Raum zwischen
den Teilchen im Wesentlichen gefüllt
wird. Andererseits erfordert ein Aggregatsystem mit einer natürlichen
Packdichte von 0,95 im Allgemeinen nur etwa 5 Vol.-% Flüssigkeiten,
um die Hohlräume
im Wesentlichen aufzufüllen.
Daher steht die Partikel-Packdichte in direkter Beziehung zu den
rheologischen Eigenschaften, mit Einschluss des Grads der Bearbeitbarkeit des
Gemisches. Die Größe und die
Morphologie der Aggregatteilchen kann auch die Rheologie und die
Fließeigenschaften
des formbaren Gemisches bis zu einem bestimmten Ausmaß beeinflussen.
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Hydraulisch
härtbare
anorganische Aggregate, wie hydraulischer Zement, Gipshemihydrat
und Calciumoxid, können
als Wasserabsorptionsmechanismus verwendet werden. Diese Materialien
setzen sich chemisch mit dem Wasser um, wodurch der effektive Gehalt
von Wasser in dem formbaren Gemisch verringert wird, ohne dass auf
Erhitzung- oder Trocknungstechniken zurückgegriffen werden muss. Solche
Materialien können
die Rheologie der formbaren Gemische als Funktion des Ausmaßes der
Hydration, was eine Funktion der Zeit ist, stark beeinflussen. Zusätzlich ist
gefunden worden, dass hydraulischer Zement die Kohäsionsfestigkeit
des grünen,
formbaren Gemisches erhöht
und der daraus hergestellten frischen Folien. Die Kohäsion hält das geformte
Material zusammen, so dass die Folie durch die Walzen gezogen werden
kann und doch ihre Form bis zum genügenden Trocknen aufrecht erhält, um eine
genügende
Zugfestigkeit zu erhalten.
-
Schließlich beeinflussen
andere feste Komponenten in dem Gemisch, wie Fasern, die Rheologie
des Gemisches in ähnlicher
Weise wie die anorganischen Aggregate. Bestimmte Fasern können Wasser
in Abhängigkeit
von ihrer Porosität
und ihrer Quellfähigkeit
absorbieren. Weiterhin können
bestimmte Fasern dahingehend behandelt werden, dass sie ionisch
aufgeladen werden, was es gestattet, dass sie eine chemische Wechselwirkung
mit ionisch geladenen organischen Weichmachern eingehen. Auf diese
Weise können
die Fasern die Rheologie des Gemisches bis zu einem gewissen Ausmaß beeinflussen.
-
2. Effekte
der Komponenten auf die Endeigenschaften
-
Was
das fertige getrocknete oder gehärtete
Produkt betrifft, so schließen
einige der Eigenschaften, die im Allgemeinen erwünscht sind, um die strukturelle
Matrix der Folie zu gestalten, hohe ..... Ablenkung oder Biegung
ein. In einigen Fällen
kann es zweckmäßig sein,
Folien zu erhalten, die im Wesentlichen die Eigenschaften von herkömmlichen
Papier- oder Pappeprodukten aufweisen. Jedoch kann es in anderen
Fällen
erwünscht sein,
eine strukturelle Matrix mit Eigenschaften zu erhalten, die bei
Verwendung von üblicher
Holzpulpe oder anderen Ausgangsmaterialien für die herkömmliche Papierherstellung nicht
erhältlich
sind. Diese Eigenschaften können
eine erhöhte
Zähigkeit,
einen höheren
Modul der Elastizität,
eine höhere
Wasserbeständigkeit
oder eine niedrige Schüttdichte
einschließen.
-
Im
Gegensatz zu herkömmlichem
Papier oder herkömmlicher
Pappe, bei welchen Materialien die Eigenschaften der Folien extrem
stark von den Eigenschaften der verwendeten Pulpematerialien abhängig sind, sind
die Eigenschaften der stärkegebundenen
Folien im Wesentlichen von den Eigenschaften der Fasern unabhängig, die
zur Herstellung der Folien zum Einsatz kommen. Um sich auf der sicheren
Seite zu befinden, die Verwendung von längeren, flexibleren Fasern
wird im Allgemeinen der Folie mehr Flexibilität verleihen als kürzere und
steifere Fasern. Jedoch können
Eigenschaften, die in herkömmlichen
Papieren stark von den Pulpen abhängig sind, in die stärkegebundenen
Folien eingearbeitet werden, indem die Konzentrationen der nicht-faserartigen
Komponenten des formbaren Gemisches sowie die verwendete Prozesstechnik
entsprechend eingestellt wird. Derartige Eigenschaften, wie die
Steifheit, die Starrheit, der Oberflächenfinish, die Porosität und dergleichen,
sind im Allgemeinen von dem Typ von Fasern nicht abhängig, der
in den stärkegebundenen
Folien zum Einsatz gekommen ist.
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Die
Flexibilität,
die Zugfestigkeit oder der Modul der Elastizität kann auf die besonderen Performancekriterien
der Folie, des Behälters
oder des anderen daraus hergestellten Gegenstands dadurch zugeschnitten werden,
dass die Komponenten und die relativen Konzentrationen der Komponenten
in dem formbaren Gemisch verändert
werden. In einigen Fällen
kann eine höhere
Zugfestigkeit ein wichtiges Merkmal sein. In anderen Fällen kann
diese weniger signifikant sein. Einige Folien sollten vorzugsweise
flexibler sein, während andere
starrer sein sollten. Einige werden relativ dicht sein, während andere
dicker, leichter oder stärker
isolierend sein werden. Die wichtige Sache ist, ein Material zu
erhalten, das Eigenschaften hat, die für den jeweiligen Verwendungszweck
angemessen sind, während
Kosten und anderen praktische Parameter der Produktionslinie in
Betracht gezogen werden sollen. Während es sein kann, dass "zuviel" oder "zuwenig" einer bestimmten
Eigenschaft vom Standpunkt der Performance inkonsequent sein kann,
kann es vom Standpunkt der Kosten verschwenderisch oder ineffizient
sein, die jeweilige Eigenschaft zur Verfügung zu stellen.
-
Im
Allgemeinen ist es so, dass eine Erhöhung der Menge des organischen
polymeren Bindemittels die Zugfestigkeit der am Schluss erhaltenen,
gehärteten
Folien erhöht,
während
auch die Flexibilität
und die Rückstellfähigkeit
der Folie erhöht
wird und während
auch der Modul der Elastizität
verringert wird.
-
Gleichermaßen erhöht eine
Erhöhung
der Konzentration der Fasern in dem Gemisch im Allgemeinen die Zugfestigkeit,
die Flexibilität,
die Reißfestigkeit
und die Berstfestigkeit der Endfolie. Verschiedene Fasern haben
stark variierende Werte der Reiß-
und Berstfestigkeit, der Flexibilität, der Zugfestigkeit, der Fähigkeit, ohne
Bruch gedehnt zu werden, und der Steifheit. Um vorteilhafte Eigenschaften
von verschiedenen Typen von Fasern zu erhalten, kann es in einigen
Fällen
bevorzugt sein .....
-
Es
sollte auch verstanden werden, dass bestimmte Folien-Bildungsprozesse,
wie die Extrudierung und das Verwalzen, dazu neigen, die Fasern
in Richtung der Elongation des Gemisches oder der Folie zu orientieren.
Dies kann vorteilhaft sein, um die Zugfestigkeit der Folie in einer
bestimmten Richtung zu maximieren. Wenn es z.B. erforderlich ist,
dass die Folie um ein Scharnier gebogen werden kann, dann wird es
bevorzugt, dass die Fasern in einer Art und Weise orientiert sind,
dass sie wirksamer die zwei Seiten des Scharniers überbrücken, indem
sie senkrecht zu der Faltungslinie orientiert werden, um das Scharnier
in der Folie zu verstärken.
Dazu kann es auch zweckmäßig sein,
mehr der Fasern in dem Bereich des Scharniers zu konzentrieren oder
dort, wo die Folie eine gesteigerte Zähigkeit und Festigkeit benötigt.
-
Der
Typ des Aggregats kann gleichfalls die Eigenschaften der fertigen
gehärteten
Folie beeinflussen. Aggregate, die im Allgemeinen harte, nicht-flexible,
kleine Teilchen umfassen, wie Ton, Kaolin oder Talk, führen im
Allgemeinen zu glatteren Folien mit erhöhter Sprödigkeit. Aggregate mit geringem
Gewicht, wie Perlit oder Hohlglaskügelchen, führen zu Folien mit einer niedrigeren
Dichte, einer niedrigeren Sprödigkeit
und einem größeren Isolierungsvermögen. Aggregate,
wie zerkleinerter Sand, Siliciumdioxid, Gips oder Ton, sind extrem
billig, und sie können
die Kosten der Herstellung einer Folie daraus stark reduzieren.
Jedes beliebige Material mit einer hohen spezifischen Oberfläche liefert
eine erhöhte
Schrumpfung beim Trocknen und Schrumpfungsdefekte. Materialien mit
niedriger spezifischer Oberfläche
sind deswegen von Vorteil, weil sie weniger klebrig sind, was gestattet,
dass die Folie auch bei niedrigeren Temperaturen der Walzen verarbeitet
werden, ohne dass ein Ankleben erfolgt.
-
Hydraulisch
härtbare
Aggregate, wie hydraulischer Zement, Gipshemihydrat und Calciumoxid,
können einen
kleinen bis zu einem signifikanten Grad der Bindung innerhalb der
gehärteten
Folie in Abhängigkeit
von der Menge ergeben, in der solche hydraulisch härtbaren
Aggregate zugesetzt werden. Sie können die Steifheit und die
Kompressionsfestigkeit der fertigen Folie, und bis zu einem gewissen
Grad auch die Zugfestigkeit, erhöhen.
Hydraulischer Zement kann auch die Löslichkeit der Folie in Wasser
erhöhen,
wodurch die Beständigkeit
der Folie gegenüber
einem Abbau durch Wasser erhöht
wird.
-
Schließlich können andere
Mischzusätze
zu den formbaren Gemischen dem Endprodukt Wasserbeständigkeitseigenschaften
verleihen, was beispielsweise durch die Zugabe von Kolophonium und
Alaun zu dem Gemisch erfolgen kann. Diese Materialien gehen miteinander
eine Wechselwirkung unter Bildung einer sehr wasserbeständigen Komponente
in der stärkegebundenen
Matrix ein. In Abwesenheit von signifikanten Mengen von solchen
Mitteln zur Erzielung einer Wasserfestigkeit kann das Wasser dazu
eingesetzt werden, um die Folie wieder zu befeuchten und die Flexibilität, die Biegefähigkeit
und die Dehnung vor dem Bruch der Folie zu erhöhen, und zwar insbesondere
dann, wenn die Folie zu einem anderen Erzeugnis, wie beispielsweise
einem Behälter,
verformt wird. Naturgemäß kann das
Wasser auch den Abbau der Folie nach dem Verwerfen erleichtern.
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Als
allgemeine Regel ist es so, dass stärkegebundene Folien, die niedrigere
Konzentrationen von organischen polymeren Bindemitteln und von Fasern
haben, starrer sind, eine höhere
Isolierungsfähigkeit
haben, niedrigere haben ..... (insbesondere dann, wenn sie hydraulischen
Zement enthalten, dessen Einschluss auch die Kompressionsfestigkeit
des fertigen Produkts erhöhen
kann).
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Folien,
die niedrigere Konzentrationen von organischen Bindemitteln, jedoch
einen höheren
Fasergehalt haben, haben im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Zähigkeit,
und sie haben eine niedrigere Druck- und Biegefestigkeit. Sie sind
auch gegenüber
einer Zersetzung durch Wasser ziemlich beständig.
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Folien,
die höhere
Konzentrationen von organischem polymeren Bindemittel und niedrigere
Konzentrationen von Fasern haben, sind stärker wasserlöslich und
zersetzbar. Sie sind leichter zu verformen (was die Herstellung
von dünneren
Folien gestattet), und sie haben mäßig hohe Kompressions- und
Zugfestigkeiten, eine höhere
Zähigkeit,
eine moderate Flexibilität
und eine niedrigere Steifheit.
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Schließlich haben
Folien, die höhere
Konzentrationen von organischem polymeren Bindemittel und von Fasern
haben, Eigenschaften, die denjenigen von herkömmlichem Papier äußerst ähnlich sind.
Sie haben eine höhere
Zugfestigkeit, eine höhere
Zähigkeit
und eine höhere
Beständigkeit
gegenüber
dem Falten. Sie besitzen eine mäßig hohe
Kompressionsfestigkeit, weisen jedoch eine sehr niedrige Beständigkeit
gegenüber einem
Abbau durch Wasser auf. Sie haben eine niedrigere Beständigkeit
gegenüber
Hitze (insbesondere, wenn eine Annäherung an den Entzündungspunkt
der Fasern oder die Zersetzungstemperatur des Bindemittels erfolgt),
und sie haben schließlich
eine höhere
Flexibilität
und eine niedrigere Steifheit.
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Die
stärkegebundenen
Folien, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Zusammensetzungen gebildet
worden sind, haben vorzugsweise eine Zugfestigkeit im Bereich von
etwa 0,05 MPa bis etwa 100 MPa, und mehr bevorzugt im Bereich von
etwa 5 MPa bis etwa 80 MPa. Weiterhin haben die Folien vorzugsweise eine
Schüttdichte
von kleiner als etwa 2 g/cm3, und mehr bevorzugt
eine solche in einem Bereich von etwa 0,4 g/cm3 bis
etwa 1,5 g/cm3. Ob eine Folie eine Dichte
am unteren oder höheren
Ende dieses Bereiches oder dazwischen hat, wird im Allgemeinen von
den gewünschten
Performancekriterien für
einen gegebenen Verwendungszweck abhängig sein. Im Lichte der vorstehenden
Ausführungen
haben die stärkegebundenen
Folien gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise ein Verhältnis
von Zugfestigkeit zu Schüttdichte
von etwa 2 MPa·cm3 bis etwa 500 MPa·cm3,
und mehr bevorzugt im Bereich von etwa 5 MPa·cm3 bis
etwa 150 MPa·cm3.
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Die
richtungsspezifischen Festigkeitseigenschaften der stärkegebundenen
Folien gemäß der vorliegenden
Erfindung sollten zu denjenigen von Papier in Kontrast gesetzt werden,
von dem bekannt ist, dass es eine starke und schwache Richtung bezüglich der
Zug- und Reißfestigkeit
hat. Die starke Richtung bei herkömmlichem Papier ist die Maschinenrichtung,
während
die schwache Richtung die Quermaschinenrichtung ist. Während das
Verhältnis
der Festigkeiten in der starken und der schwachen Richtung bei herkömmlichem Papier
etwa 3:1 ist, kann die Folie gemäß der vorliegenden
Erfindung so hergestellt werden, dass sie eine gleichförmig verteilte
Festigkeit (d.h., ein Verhältnis
der Festigkeiten von etwa 1:1) in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten
Formprozess hat.
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Die
hierin und in den angefügten
Ansprüchen
verwendete Bezeichnung "elongieren" bzw. "dehnen" ..... gestreckt
ohne Brechen und haben immer noch eine fertiggestellte Oberfläche. Mit
anderen Worten, die stärkegebundene
Matrix der Folie ist dazu imstande, die Gestalt zu bewegen oder
zu verändern,
ohne dass ein Bruch erfolgt, durch Anlegen einer Kraft, wie einer
ziehenden Kraft oder einer Streckkraft. Die Fähigkeit der strukturellen Matrix
der Folie zur Elongierung bzw. Dehnung vor dem Bruch wird durch
ein Instron-Zugtestgerät und
einen Stressspannungstest gemessen.
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Durch
Optimierung der Gemischgestaltung ist es möglich, eine Folie herzustellen,
die eine strukturelle Matrix hat, die dazu imstande ist, bis zu
etwa 30% gedehnt zu werden, wenn sie frisch und feucht ist, bevor ein
Reißen
oder Brechen erfolgt, und von etwa 0,5% bis 12%, wenn die Folie
trocken ist. D.h., die Folie ist dazu imstande, sich innerhalb dieser
Bereich auszudehnen, ohne dass ein Bruch bzw. Reißen in zwei
Stücke
erfolgt. Weiterhin kann die Dehnung einer trockenen Folie dadurch
erhöht
werden, dass die Folie der Einwirkung von Wasserdampf oder Feuchtigkeit
in der Größenordnung
von bis zu etwa 20 Gew.-% des Trockengewichts der Folie ausgesetzt
wird. Jedoch verringert diese Wiederbefeuchtungsstufe die Festigkeit
der Folie nur temporär, bis
sie erneut wiederum getrocknet worden ist.
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Die
in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Ablenkung" bzw. "Biegen" bezüglich der
stärkegebundenen
Folie bedeutet, dass die Folie eine strukturelle Matrix hat, die
dazu imstande ist, gebogen, gefaltet oder gerollt zu werden, ohne
dass ein Bruch oder eine Veränderung
der fertiggestellten Oberfläche
erfolgt. Die Fähigkeit
der Folie zu einem Biegen wird dadurch gemessen, dass der Elastizitätsmodul
und die Bruchenergie der Folie unter Verwendung von im Stand der
Technik bekannten Einrichtungen bzw. Maßnahmen gemessen wird. Wie
bei jedem beliebigen Material, hängt
die Biegefähigkeit
der erfindungsgemäß hergestellten
Folie stark von der Dicke der Folie ab.
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Um
eine Folie mit den gewünschten
Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, der Biegbarkeit, der
Isolierung, der Zähigkeit,
des Gewichts oder anderer Performancekriterien zu erhalten, kann
die Dicke der Folie dadurch verändert
werden, dass der Raum zwischen den Walzen eingestellt wird, wie
es nachstehend genauer beschrieben werden wird. In Abhängigkeit
von der Dicke und den gewünschten
Performancekriterien können die
Zusammensetzungen und die relativen Konzentrationen dahingehend
eingestellt werden, dass eine Anpassung an eine jeweilige Dicke
der Folie erfolgt. Die erfindungsgemäßen Folien können so
gestaltet werden, dass sie stark variierende Dicken haben, jedoch
haben die meisten Produkte, die ein dünnwandiges Material erfordern,
im Allgemeinen eine Dicke von kleiner als etwa 1 cm, vorzugsweise
weniger als etwa 5 mm, mehr bevorzugt weniger als etwa 3 mm, und
am meisten bevorzugt von weniger als etwa 1 mm. Trotzdem kann bei Anwendungszwecken,
wo die Isolierungsfähigkeit
oder eine höhere
Festigkeit oder Steife wichtiger ist, die Schichtdicke sich bis
zu etwa 1 cm bewegen. Naturgemäß können die
Zusammensetzungen auch zu Folien mit 10 cm oder mehr verformt werden.
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In
angelsächsischen
Einheiten ausgedrückt,
haben die zur Verwendung von gewellten Kästen verwendeten Folien vorzugsweise
eine Dicke von etwa 0,010".
Milchkartons haben eine Dicke von etwa 0,020", und Schachteln für Säfte haben eine Dicke von etwa
0,010".
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Wenn
die Folie dazu verwendet werden soll, Magazine oder andere Lesematerialien
zu drucken, dann wird ..... eine Dicke von etwa 0,05 mm. Bedruckbare
Folien erfordern eine grö ßere Flexibilität und eine
niedrige Steifheit (wie reguläre
Seiten eines Magazins oder einer Broschüre), und sie haben typischerweise
eine Dicke von etwa 0,025–0,075
mm. Solche Materialien, die eine größere Festigkeit, eine größere Steife
und eine niedrigere Flexibilität
benötigen
(wie Magazin- oder Broschürenumschläge), haben
eine Dicke von etwa 0,1–2
mm. Die Dicke und die Flexibilität
einer beliebigen jeweiligen Folie hängt von den gewünschten
Performancekriterien des Lesers oder des anderen betreffenden gedruckten
Materials ab.
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Wie
im Detail untenstehend genauer beschrieben werden wird, wird das
formbare Gemisch gewöhnlich
durch eine Reihe von erhitzten Walzen geführt, die eine signifikante
Menge von Wasser wegtreiben und die Verformung zu einer Folie unterstützen, wie
eine hohe Grünfestigkeit.
Trotzdem kann der Fachmann den Wassergehalt so einstellen, dass
das formbare Gemisch eine entsprechende Rheologie hat, dass es leicht
und wirksam durch die jeweilige Düse extrudiert werden kann und
trotzdem eine ausreichende Formstabilität hat, damit die Integrität der Folie
aufrecht erhalten wird, wenn sie durch eine Reihe von Walzen während weiterer Prozessstufen
geleitet wird.
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Die
derzeit bevorzugte Ausführungsform
zur Herstellung eines geeigneten formbaren Gemisches in einer technischen
Anlage schließt
eine Einrichtung ein, in der die in das formbare Gemisch eingearbeiteten Materialien
automatisch und kontinuierlich dosiert, gemischt (oder verknetet),
entlüftet
und durch einen Auger-Extruder extrudiert werden. Es ist auch möglich, einige
der Komponenten in einem Gefäß, wie erforderlich, vorzumischen
und die vorgemischten Komponenten in die Knetmischvorrichtung einzupumpen.
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Ein
Doppelwellen-Knetmischer mit Sigma-Rührer mit einem Auger-Extruder
für die
Extrudierung ist der bevorzugte Typ des Mischers. Der Mischer kann
so eingestellt werden, dass er verschiedene Umdrehungswerte hat,
und daher unterschiedliche Scherwirkungen für unterschiedliche Komponenten.
Typischerweise werden die formbaren Gemische über ein Maximum von etwa 10
Minuten vermischt und danach nach maximal etwa 3 Minuten aus dem
Mischer durch Extrudieren herausgenommen.
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In
bestimmten Fällen
kann es erwünscht
sein, einige der Komponenten in einem Hochschergemisch zusammenzumischen,
um ein besser dispergiertes, homogenes Gemisch zu bilden. So können z.B.
bestimmte Fasern ein derartiges Mischen erforderlich machen, um
sie völlig
zu disagglomerieren oder voneinander wegzubrechen. Das Hochschermischen
führt zu
einem stärker
gleichförmig
zusammengemischten Gemisch, was die Konsistenz des nicht-gehärteten,
formbaren Gemisches verbessert sowie die Festigkeit der am Schluss erhaltenen,
gehärteten
Folie steigert. Dies deswegen, weil das Hochschermischen die Fasern,
die Aggregatpartikel und das Bindemittel durch das Gemisch hindurch
gleichförmiger
dispergiert, wodurch eine homogenere strukturelle Matrix in den
gehärteten
Folien erzeugt wird.
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Unterschiedliche
Mischer sind dazu imstande, verschiedene Scherwirkungen auf das
formbare Gemisch auszuüben.
Z.B. verleiht eine Knetvorrichtung eine höhere Scherwirkung im Vergleich
zu einem normalen Zementmischer, jedoch ist .....
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Es
sollte jedoch beachtet werden, dass ein Hochscher-, Hochgeschwindigkeitsmischen
bei Materialien nicht angewendet werden soll, die die Tendenz haben,
bei solchen Bedingungen zusammenzubrechen oder sich zu desintegrieren.
Stärkekörnchen können unter
Hochscherbedingungen vorzeitig gelatinieren. Bestimmte Aggregate
mit geringem Gewicht, wie Perlit oder Hohlglaskügelchen, haben die Tendenz,
unter dem Einfluss von Hochscherbedingungen zu zerspringen oder
zu zerbrechen. Dazu kommt noch, dass ein Hochschermischen durch
Propeller nur im Allgemeinen dann wirksam ist, wenn das Gemisch
eine relativ niedrige Viskosität hat.
In solchen Fällen,
wo es wünschenswert
ist, eine stärker
kohäsive,
plastikartige Mischung zu erhalten, kann es zweckmäßig sein,
einige der Bestandteile, mit Einschluss von Wasser, in einem Hochschermischer
zu vermischen und danach die Konzentration der Feststoffe, z.B.
der Fasern oder der Aggregate, unter Verwendung eines Knetmischers
mit niedrigerer Scherkraft zu erhöhen. Das Hochscherkraftmischen
ist insbesondere dann geeignet, wenn es gewünscht wird, kleine, nicht-agglomerierte
Lufthohlräume
durch Zugabe eines Lufteinschlussmittels zu dem formbaren Gemisch
einzuarbeiten.
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Hochschermischer,
die für
die Erzeugung von homogeneren Gemischen, wie hierin beschrieben,
geeignet sind, sind in der US-PS Nr. 4 225 247 mit dem Titel "Mixing and Agitating
Device"; US-PS Nr.
4 552 463 mit dem Titel „Method
and Apparatus for Producing a Colloidal Mixture"; US-PS Nr. 4 889 428 mit dem Titel "Rotary Mill"; US-PS Nr. 4 944
595 mit dem Titel "Apparatus
for Producing Cement Building Materials"; und US-PS Nr. 5 061 319 mit dem Titel "Process for Producing
Cement Buliding Material",
beschrieben. Zu Offenbarungszwecken wird auf die vorstehenden Patentschriften
hierin speziell Bezug genommen. Hochschermischer im Rahmen dieser
Patente sind von der Firma E. Khashoggi Industries in Santa Barbara,
Californien, erhältlich.
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B. Formung von Folien
aus dem formbaren Gemisch
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Wenn
einmal das formbare Gemisch in richtiger Weise zusammengemischt
worden ist, dann wird es in die Folien-bildende Vorrichtung transportiert,
die typischerweise einen Extruder und eine Reihe von Walzen umfasst.
In einigen Fällen
kann eine Vorrichtung verwendet werden, die dazu imstande ist, das
formbare Gemisch sowohl zusammenzumischen als auch zu extrudieren,
um den Vorgang geradliniger zu machen und um die Koordination der
verschiedenen Komponenten im Inneren des Systems zu minimieren.
Nunmehr wird auf 1A Bezug genommen, die ein derzeit
bevorzugtes System für
die Herstellung von Folien aus einem formbaren Gemisch illustriert.
Das System schließt
eine Mischvorrichtung 10, einen Auger-Extruder 20,
ein Paar Folien-bildender Walzen 40, einen ersten Satz
Trocknungswalzen 50, ein Paar Kompaktierungswalzen 60 (optional),
einen zweiten Satz Trocknungswalzen 70 (optional), eine
Reihe von Finish-Behandlungswalzen 80 (optional) und eine
Aufwicklungseinrichtung 90 (optional) ein.
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Bei
der ersten, derzeit bevorzugten Stufe der Folienbildung wird das
formbare Gemisch zu einer Folie verformt, indem das Material durch
die Düse
eines geeigneten Extruders geleitet wird und dann das extrudierte Material
durch mindestens ein Paar Reduktions- oder Formwalzen (1A)
geleitet wird ..... wie in 1B bildlich
dargestellt ist. In der 2B ist
auch ein "wig wag"-Extrusionssystem
dargestellt, das eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Beschickung
der Formungszusammensetzung zwischen die Folien-bildenden Walzen
darstellt.
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Die 2A ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Auger-Extruders 20, der eine Beschichtungseinrichtung 22 einschließt, die
das formbare Gemisch in eine erste innere Kammer 24 einspeist,
die sich in dem Extruder 20 befindet. Innerhalb der inneren
Kammer 24 befindet sich eine erste Auger-Schnecke 26,
die einen Vorwärtsdruck
ausübt
und das formbare Gemisch durch die innere Kammer 24 in
Richtung auf eine Evakuierungskammer 28 befördert. Typischerweise
wird ein negativer Druck oder ein Vakuum an die Evakuierungskammer 28 angelegt,
um unerwünschte
Lufthohlräume
in dem formbaren Gemisch zu entfernen.
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Danach
wird das formbare Gemisch in eine zweite innere Kammer 30 eingespeist.
Eine zweite Auger-Schnecke 32 befördert das Gemisch weiter in
Richtung auf einen Düsenkopf 34 mit
einem Querschlitz 36 mit einer Düsenbreite 38 und einer
Düsendicke 39.
Die Querschnittsgestalt des Schlitzes 36 ist so konfiguriert, dass
eine Folie mit der gewünschten
Breite und Dicke, die im Allgemeinen der Düsenbreite 38 und der
Düsendicke 39 entspricht,
erzeugt wird.
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Alternativ
kann, wie in 3 bildlich dargestellt wird,
der Extruder einen Kolben-Extruder 20' anstelle eines
Auger-Extruders umfassen. Der Kolben-Extruder 20' verwendet einen
Kolben 22' anstelle
einer Auger-Schnecke, um einen Vorwärtsdruck auf das formbare Gemisch
auszuüben
und dieses in eine innere Kammer eines Arms 24' hineinzubefördern. Ein
Vorteil der Verwendung eines Kolben-Extruders besteht in der Fähigkeit,
erheblich größere Drücke auf
das formbare Gemisch auszuüben.
Trotzdem ist aufgrund der hochplastikartigen Natur der Gemische,
die typischerweise erfindungsgemäß verwendet
werden, ein solcher im Allgemeinen nicht notwendig oder er kann
sogar von Nachteil sein, um Drücke
auszuüben,
die größer sind
als diejenigen, die unter Verwendung eines Auger-Extruders erzielt
werden.
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Obgleich
die bevorzugte Breite und Dicke der Düse von der Breite und der Dicke
der jeweils herzustellenden Folie abhängig sind, ist die Dicke der
extrudierten Folie gewöhnlich
mindestens zweimal, und manchmal sehr viele Male größer als
die Dicke der fertigen Folie. Das Ausmaß der Reduktion (und entsprechend
die Vervielfachung der Dicke) hängt
von den Eigenschaften der fraglichen Folie ab. Da der Reduktionsprozess dazu
beiträgt,
die Faserorientierung zu kontrollieren, entspricht das Ausmaß der Reduktion
oftmals dem Grad der gewünschten
Orientierung. Schließlich
ist es so, dass, je größer die
Reduktion der Dicke ist, desto größer die Dehnung der Folie ist.
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Es
wird ersichtlich, dass, wenn die Differenz zwischen dem Walzenspalt
und der Foliendicke, bevor die Folie zwischen den Reduktionswalzen
geführt
wird, klein ist, der Faserorientierende Fluss des Materials dazu
neigt, an oder nahe an der Oberfläche der Folie lokalisiert zu
sein, wobei das Innere dem Faser-orientierenden Fluss nicht unterworfen
wird. Dies gestattet die Produktion von Folien, die eine signifikante
Orientierung der Fasern in einer Rich tung oder in zwei Richtungen
bei oder nahe ..... Folie haben. Jedoch durch Verminderung des Spalts
relativ zu der anfänglichen
Dicke der Folie ist es möglich,
die Orientierung der Fasern im Innern der Folie dadurch zu erhöhen, dass
der Faser-orientierende Fluss des Materials im Innern der Folie
erhöht wird.
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Zusätzlich zu
einer Verengung der Düsenschlitze,
um flache Folien zu bilden, können
auch andere Düsen
eingesetzt werden, um andere Gegenstände oder Gestalten zu bilden,
wobei das Kriterium das jenige ist, dass die Extrudiergestalt dazu
imstande sein muss, danach zu einer Folie verformt zu werden. So
kann es in einigen Fällen
beispielsweise nicht erwünscht
sein, eine extrem breite Folie zu extrudieren. Demgemäß kann ein
Rohr oder eine Leitung extrudiert und kontinuierlich geschnitten
werden und unter Verwendung einer Rakel entfaltet werden, die gerade
außerhalb
des Düsenkopfs
angeordnet ist.
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Die
Stärke
des Drucks, der angelegt wird, um das formbare Gemisch zu extrudieren,
hängt im
Allgemeinen von dem Druck ab, der benötigt wird, das Gemisch durch
den Düsenkopf
zu pressen, sowie von der gewünschten
Geschwindigkeit der Extrusion. Es sollte beachtet werden, dass die
Geschwindigkeit der Extrusion sorgfältig kontrolliert werden muss,
damit die Geschwindigkeit der Folienbildung derjenigen Geschwindigkeit
entspricht, mit der die Folie danach durch die Walzen während der
Walzstufe geleitet wird. Wenn die Geschwindigkeit der Extrusion
zu hoch ist, dann besteht die Tendenz, dass sich überschüssiges Material
hinter den Walzen aufstaut, was eventuell die Verstopfung des Systems
bewirken kann. Wenn umgekehrt die Geschwindigkeit der Extrusion
zu niedrig ist, dann neigen die Walzen dazu, die extrudierte Folie
zu strecken, was zu einer gebrochenen oder nicht-gleichmäßigen strukturellen
Matrix, oder noch schlimmer, zu einem Bruch oder einem Zerreißen der
Folie führen
kann. Das Letztgenannte kann auch zu einem vollständigen Ausfall
bzw. Stillstand des kontinuierlichen Folien-Bildungsprozesses führen.
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Weil
es manchmal nicht möglich
ist, alle Variablen, die die Geschwindigkeit der Extrusion beeinflussen können, zu
kontrollieren, kann es bevorzugt sein, ein integriertes System von
Wandlern zu haben, die die Geschwindigkeit der Extrusion messen
oder die irgendeinen Aufstau von überschüssigem Material hinter den Walzen
erkennen können.
Diese Information kann dann in einen Computerprozessor eingespeist
werden, der dann Signale zu dem Extruder senden kann, um den Druck
und die Geschwindigkeit der Extrusion so einzustellen, dass eine
Feinsteuerung des Gesamtsystems erhalten wird. Wie untenstehend
beschrieben werden wird, ist ein in richtiger Weise integriertes
System auch dazu imstande, genauso gut auch die Walzengeschwindigkeit
zu überwachen
und einzustellen.
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Es
sollte beachtet werden, dass der Druck, der auf das formbare Gemisch
während
des Extrusionsprozesses ausgeübt
wird, nicht so groß sein
sollte, dass die Aggregate mit geringem Gewicht, aber mit niedriger
Festigkeit bei ihrer Verwendung zerschlagen oder zerbrochen werden.
Ein Zerschlagen oder ein sonstiges Zerstören der strukturellen Integrität der Aggregate
mit geringem Gewicht, die eine große Menge von Hohlräumen enthalten,
vermindert ihren isolie renden Effekt, indem die Hohlräume eliminiert
werden. Trotzdem ist, weil Perlit, aufgeblättertes Gestein oder andere
derartige Materialien relativ billig sind, ein gewisser Grad der
Zerschlagung oder Zerbrechung der Aggregatteilchen akzeptabel. Zu
hohe Drücke
und Scherwirkungen können auch
bewirken, dass die Stärkekörnchen vorzeitig
gelatinieren.
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Die
Eigenschaften, die den gehärteten
Folien durch die Fasern verliehen werden, können durch ein in einer Richtung
oder in zwei Richtungen erfolgendes Orientieren der Fasern in der
Folie gesteigert werden. In Abhängigkeit
von ..... besteht die Tendenz zu einer in einer Richtung erfolgenden
Orientierung der individuellen Fasern in dem formbaren Gemisch entlang
der "Y"-Achse oder der Maschinenrichtung
der extrudierten Folie. Der Walzprozess, der im Detail untenstehend
beschrieben wird, orientiert weiterhin die Fasern in der "Y"-Richtung, wenn die Folie während des
Reduktionsprozesses weiter gedehnt wird. Weiterhin können durch
Verwendung von Walzen mit variierenden Spaltabständen in der "Z"-Richtung (wie konische Walzen) einige
der Fasern auch in der "X"-Richtung, d.h.,
entlang der Breiten- oder Quermaschinenrichtung der Folie, orientiert
werden. Es ist daher möglich,
eine Folie durch Extrudierung, gekuppelt mit einem Verwalzen, zu
erzeugen, die in zwei Richtungen orientierte Fasern hat.
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Zusätzlich zu
der Verwendung der traditionellen Extrudierungsverfahren, wie sie
oben beschrieben worden sind, kann es in einigen Fällen zu
bevorzugen sein, entweder individuelle Massengemische, die zu einem
Fülltrichter
befördert
werden, der unmittelbar oberhalb der zwei horizontal orientierten
Extrudierungswalzen angeordnet ist, oder in einfacher Weise das
formbare Gemisch zu dem Fördertrichter
zu transportieren. Dies eliminiert die Notwendigkeit einer anfänglichen
Extrudierung des formbaren Gemisches zu einer Folie vor dem Walzprozess.
Eine Fördermethode
verwendet einen Auger-Beförderer,
der Variationen des Beschickungsdrucks des formbaren Gemisches durch
die Walzen gestattet.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die Extrudierungsstufe formal nicht
die Verwendung eines "Extruders" als Bezeichnung,
wie sie im Stand der Technik verwendet wird, einzusetzen braucht.
Der Zweck der Extrudierungsstufe ist es, eine kontinuierliche, gut
regulierte Zuführung
der Formungszusammensetzung zu den Walzen zu ergeben. Dies kann
auch durch andere Mechanismen geschehen, die dem Fachmann bekannt sind,
um die "Extrudierung" oder den Fluss des
Materials durch eine geeignete Öffnung
zu beeinflussen. Die Kraft, die benötigt wird, um zu bewirken,
dass ein formbares Gemisch fließt,
kann z.B. durch die Schwerkraft zugeführt werden.
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Es
wird auf 1B verwiesen, die eine alternative
bevorzugte Ausführungsform
illustriert, gemäß der das
formbare Gemisch direkt von dem Mischer 10 zu einem Paar
von Extrudierungs-Reduktionswalzen 40 befördert wird,
die das amorphe formbare Gemisch direkt zu einer Folie, ohne die
Verwendung einer Extruderdüse,
umwandeln. Wie in dem in 1A gezeigten
System, wird die durch die Formwalzen 40 gebildete Folie durch
einen ersten Satz Trocknungswalzen 50, ein Paar Kompaktierungswalzen 60 (optional),
einen zweiten Satz Trocknungswalzen 70 (optional), eine
Reihe von Fertigstellungswalzen 80 (optional) geführt und
wird dann auf eine Spule 90 (optional) aufgewickelt. Die
Formwalzen 40 werden auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend
ist, um eine anfängliche
Filmbildung durch den Celluloseether zu bewirken, gefolgt von einer
Gelatinierung der Stärkekörnchen.
Sie können
auch einen Teil des Wassers durch Verdampfen entfernen. Es werden
keine signifikanten Mengen von Wasser in einem flüssigen Zustand
entfernt, wenn die bevorzugten Folienbildungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden.
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Es
wird nunmehr auf 1A Bezug genommen, die eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Folien-Formprozesses
zeigt. Es wird eine Reihe von erhitzten Folien-Bildungswalzen verwendet ..... ist in 4 bildlich
dargestellt. Die Reduktionswalzen 40 schließen zwei
individuelle Walzen 42 ein, die angrenzend aneinander mit
einem vorbestimmten Spaltabstand (oder Walzenspalt) 44 dazwischen
positioniert sind. Der Spaltabstand 44 zwischen den individuellen
Walzen 42 entspricht der gewünschte Dicke 44' einer reduzierten Folie 46,
die zwischen den Walzen 42 läuft.
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In
dem Maß,
wie die Dicke der Folie beim Durchleiten durch ein Paar Walzen verringert
wird, dehnt sie sich in der Vorwärtsbewegungs-
(oder "Y"-)-Richtung, die
ansonsten als "Maschinenrichtung" bekannt ist, aus. Eine
Konsequenz der Ausdehnung der Folie besteht darin, dass die Fasern
weiterhin mindestens teilweise in Maschinenrichtung orientiert oder
aufgereiht werden. Auf diese Art und Weise kann der Reduktionsprozess
in Kombination mit dem anfänglichen
Extrudierungsprozess eine Folie erzeugen, die im Wesentlichen in
einer Richtung orientierte Fasern in der Maschinenrichtung hat.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit der
Reduktionswalzen eine bessere Randomisierung der Fasern durch die
Folie hindurch erzeugt.
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Ein
weiterer Weg zur Aufrechterhaltung der Randomorientierung der Fasern
innerhalb der Folie besteht darin, die Differenzial-Bildungsgeschwindigkeit
der Walzen zu verringern. D.h., wenn das formbare Gemisch zwischen
den Extrudierungswalzen unter niedrigen Drücken geleitet wird, werden
eine plötzliche
Erhöhung
der Geschwindigkeit in Maschinenrichtung und eine begleitende Scherwirkung,
wenn das Gemisch zwischen den Rollen läuft, dazu neigen, die Fasern
in der Maschinenrichtung zu orientieren. Jedoch ist es durch Erhöhung des
Drucks des Gemisches, wie es zwischen den Walzen durchläuft, möglich, die
Intensität
der Scherwirkung in Maschinenrichtung zu verringern, wodurch eine
Folie mit stärker
randomisierter Orientierung der Fasern resultiert.
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Eine
weitere Konsequenz der Dehnung der Folie besteht darin, dass die
Folie sich "beschleunigt", wenn sie zwischen
dem Paar der Reduktionswalzen durchläuft. Es wird erneut auf die 4 verwiesen,
um zu illustrieren, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit v1 der Walzen der Geschwindigkeit v1 der reduzierten, gedehnten Folie, wie sie
aus den Walzen austritt, entspricht, und nicht der Geschwindigkeit
v0 der Folie, wenn sie in den Spalt zwischen
den Walzen eintritt. Beispielsweise, wenn die Dicke der Folie um
50% reduziert worden ist und unter der Annahme, dass keine Verbreiterung
der Folie während
des Reduktionsprozesses erfolgt, wird sich die Folie auf ihre zweifache
ursprüngliche
Länge ausdehnen.
Dies entspricht einer Verdopplung der Geschwindigkeit der Folie,
bevor sie in die Walzen eintritt, im Vergleich zu derjenigen, wenn
die Folie aus den Walzen austritt. D.h., wenn die Dicke der Folie
um 50% verringert wird, dann gilt die Beziehung v1 =
2 × v0.
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Die
Folie "beschleunigt
sich", während sie
zwischen einem Paar von Walzen durchläuft, indem sie durch die rotierenden
Walzen zusammengequetscht oder zu einer dünneren Folie verpresst wird.
Dieser Prozess des Quetschens oder Pressens der Folie sowie die
Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der eintretenden Folie und den
Walzen kann variierende Scherkräfte
auf die Folie erzeugen. Die Anwendung von zu hohen Scherkräften kann
die Integrität
der strukturellen Matrix der Folie zerstören und Fehlstellen innerhalb
der Folie erzeugen, wodurch die Folie geschwächt wird. Trotzdem ist gewesen
..... Kunststoff kann es möglich
sein, die extrudierte Folie zu der Enddicke in gerade einer Stufe
unter Verwendung eines Paars Walzen mit relativ großem Durchmesser
zu reduzieren.
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Der
Durchmesser jeder der Walzen sollte in Abhängigkeit von den Eigenschaften
der formbaren Gemische und des Ausmaßes der Dickereduktion der
stärkegebundenen
Folien optimiert werden. Wenn der Durchmesser der Walzen optimiert
wird, dann sollten zwei miteinander in Konkurrenz stehende Interessen
in Betracht gezogen werden. Das erste betrifft die Tatsache, dass
Walzen mit kleinerem Durchmesser dazu neigen, eine größere Scherkraft
auf die Folie auszuüben,
wenn sie zwischen den Walzen durchläuft. Dies deswegen, weil der
nach unten gerichtete Winkel der Kompression auf die Folie ein Mittelwert
ist, der größer ist
als bei Verwendung einer Walze mit größerem Durchmesser.
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Jedoch
hat die Verwendung von Walzen mit einem größeren Durchmesser den Nachteil,
dass die Formungszusammensetzung mit der Walze über eine größere Zeitspanne in Kontakt
kommt, wodurch eine erhöhte
Trocknung der Folie während
des Folien-Bildungsprozesses, und insbesondere dann, wenn die Temperatur der
Walzen erhöht
wird, resultiert. Obgleich ein gewisses Trocknen von Vorteil ist,
könnte
ein zu rasch erfolgendes Trocknen der Folie während des Walzprozesses zu
der Einführung
von Bruchstellen und anderen Fehlstellen in der strukturellen Matrix
führen.
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Die
Optimierung der Durchmesser der Walzen, um das größte Ausmaß der Reduktion
der Dicke der Folien zu erreichen, während zur gleichen Zeit ein Übertrocknen
der geformten Folie verhindert wird, wird bevorzugt, um die Anzahl
der Reduktionsstufen bei dem Herstellungsprozess zu verringern.
Neben der Verringerung der Anzahl der Arbeitsteile eliminiert eine
Verringerung der Anzahl der Reduktionsstufen auch die Anzahl der
Walzen, deren Geschwindigkeit sorgfältig synchronisiert werden
muss, um einen Aufstau der Folien hinter den Walzen (im Falle, dass
die Walzen zu langsam rotieren) oder ein Reißen der Folie (im Falle von
Walzen, die zu schnell rotieren) zu verhindern.
-
Es
ist zu bevorzugen, die Oberflächen
der Walzen zu behandeln, um ein Ankleben oder ein Anhaften von stärkegebundener
Folie an den Walzen zu verhindern. Ein Verfahren umfasst in einfacher
Weise ein Erhitzen der Walzen, was bewirkt, dass etwas Wasser in
dem formbaren Gemisch verdampft, wodurch eine Wasserdampfschranke
zwischen der Folie und den Walzen erzeugt wird. Die Abdampfung von
etwas Wasser verringert auch die Menge von Wasser in dem formbaren
Gemisch, wodurch die Grünfestigkeit
der Folie erhöht wird.
Die Temperatur der Walzen darf jedoch nicht so hoch sein, dass die
Oberfläche
der Folie zu einem Punkt getrocknet oder erhärtet wird, bei dem Restspannungen,
Brüche,
Verflockungen oder andere Deformationen oder Unregelmäßigkeiten
in der Folie erzeugt würden.
-
Im
Allgemeinen hat die Walze, die zur anfänglichen Formung der Folie
verwendet wird, vorzugsweise eine Temperatur, die ähnlich der
thermischen Ausfällungstemperatur
des Celluloseethers ist. Im Falle von Methocel ist es zu bevorzugen,
eine Walze zur Bildung der Folie mit einer Temperatur von etwa 70°C zu verwenden;
bei Verwendung von Tylose FL 15002 hat die Walze zur Bildung der
Folie vorzugsweise eine Temperatur von etwa 85°C. Die Temperatur der Folien-bildenden
Walze kann höher
sein als die ..... Gelierungstemperatur der Stärkekörnchen in der Zusammensetzung,
um die Anhaftung der Grünfolie
an den Walzen zu verringern. Nach der Bildung der Haut aus dem Celluloseether
auf der Oberfläche
der Grünfolie
wird die Folie vorzugsweise zwischen ein oder mehreren Walzen laufen
gelassen, die auf die Gelierungstemperatur der Stärke oder
darüber
erhitzt worden sind. In Abhängigkeit
von der Gelierungstemperatur der Stärke und der Temperatur der späteren Walzen
wird es bewirkt, dass mehr oder weniger Stärke an irgendeinem Punkt während des
Folien-Bildungsprozesses geliert wird. Dies ist besonders dann möglich, wenn
zwei oder mehr unterschiedliche Stärken mit unterschiedlichen
Temperaturen bei der Gelierung eingesetzt werden. Der Fachmann ist
dazu imstande, die Temperatur der Walzen so einzustellen, dass der
Folien-bildende Prozess in Abhängigkeit
von dem Typ bzw. den Typen des Celluloseethers und der Stärke, welche
in der Formungszusammensetzung verwendet worden sind, optimiert
wird.
-
Im
Allgemeinen wird die Klebrigkeit des formbaren Gemisches in dem
Maße erhöht, wie
die Menge von Wasser in dem Gemisch gesteigert wird. Daher sollten
die Walzen allgemein auf eine höhere
Temperatur in Fällen
erhitzt werden, dass das Gemisch mehr Wasser enthält, um ein
Ankleben zu verhindern. Dies ist deswegen von Vorteil, weil bei
Folien, die einen höheren
Wassergehalt aufweisen, im Allgemeinen mehr Wasser entfernt werden
muss, um eine angemessene Grünfestigkeit
zu erhalten. Weiterhin gestattet eine Erhöhung der Geschwindigkeit der
Walze eine entsprechende Erhöhung
der Temperatur der Walzen oder kann sie sogar notwendig machen,
um eine Anklebung der Folie an den Walzen zu verhindern. Ein anderer
Weg zur Verringerung des Ausmaßes
der Verklebung zwischen den Walzen und der stärkegebundenen Folie besteht
darin, die Oberflächen
der Walzen zu behandeln, um sie gegenüber einer Anklebung weniger
anfällig
zu machen. Walzen werden typischerweise aus poliertem Edelstahl
hergestellt und mit einem nicht-klebenden Material, wie poliertem
Chrom, Nickel oder Teflon®, beschichtet.
-
Schließlich sollte
beachtet werden, dass aufgrund der plastischen Natur und des relativ
hohen Grades der Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches der Walzprozess
gewöhnlich
nicht zu einer großen
Komprimierung der Folie führt.
Mit anderen Worten ausgedrückt,
die Dichte der Folie bleibt durch den Walzprozess hindurch im Wesentlichen
konstant, obgleich eine gewisse Kompaktierung erwartet werden würde, und
zwar insbesondere dann, wenn die Folie während des Durchlaufs zwischen
den Reduktionswalzen signifikant getrocknet worden ist. Wenn eine
Kompaktierung gewünscht
wird, dann kann die Folie zwischen einem Paar Kompaktierungswalzen 60 (1A)
durchgeführt
werden, gefolgt von einer Trocknungsstufe, wie untenstehend näher beschrieben.
-
Es
ist somit gefunden worden, dass wichtige Parameter bei dem Walzprozess
den Durchmesser, die Geschwindigkeit und die Temperatur der Walzen
einschließen,
sowie die "Schlitzhöhe" (oder Spaltabstand). Eine
Erhöhung
des Durchmessers der Walzen sowie der Schlitzhöhe tendieren jeweils dahingehend,
die Scherrate zu verringern, die von den Walzen, dem formbaren Gemisch
und der Folie während
des Folien-Bildungsprozesses verliehen wird, wobei eine Erhöhung der
Geschwindigkeit der Walzen die Scherrate erhöht.
-
C. Der Trocknungsprozess
-
Obgleich
die Folien-bildenden Walzen teilweise und sogar im Wesentlichen
die Folien trocknen können,
kann es doch zu bevorzugen sein, die Folie weiter zu trocknen, um
eine Folie mit den gewünschten
Eigenschaften hinsichtlich der Zugfestigkeit und der Zähigkeit
zu erhalten. Obgleich die Folie im Verlauf der Zeit auf natürlichem
Wege trocknet, kann es nicht möglich
sein zu warten, bis die Folie auf natürlichem Weg an der Luft getrocknet
ist. Ein beschleunigtes Trocknen kann durch eine Anzahl von Wegen
erzielt werden, wobei ein jeder das Erhitzen der Folie beinhaltet,
um überschüssiges Wasser
abzutreiben.
-
Im
Gegensatz zu den Reduktionswalzen, die im Allgemeinen paarweise
ausgerichtet sind, sind die Trocknungswalzen individuell ausgerichtet,
so dass die Folie über
einen großen
Bereich jeder Oberfläche
der Walzen individuell der Reihe nach läuft (vergleiche Trocknungswalzen 50 in 1A und 1B).
Auf diese Weise werden die zwei Seiten der Folie abwechselnd in
Stufen getrocknet. Während
die Folie zwischen den Reduktionswalzen während der Stufe der Verwalzung
in einem im Allgemeinen linearen Weg läuft, folgt die Folie einem
im Allgemeinen sinusförmigen
Weg, wenn sie aufgewickelt wird und durch die Trocknungswalzen während der
Trocknungsstufe läuft.
Bevorzugte Trocknungswalzen schließen Walzen mit großem Durchmesser,
die auf diesem Gebiet auch als "Yankee"-Walzen bezeichnet
werden, ein, obgleich alternativ auch eine Reihe von kleineren Walzen
eingesetzt werden kann.
-
Die
Temperatur der Trocknungswalzen hängt von einer Anzahl von Faktoren
ab, mit Einschluss des Feuchtigkeitsgehalts der Folie, wenn sie über eine
bestimmte Walze läuft.
In jedem Fall sollte die Temperatur der Trocknungswalzen niedriger
als etwa 300°C
sein. Obgleich das formbare Gemisch nicht auf eine Temperatur oberhalb
von 250°C
erhitzt werden sollte, um eine Zerstörung der organischen Bestandteile
(wie der organischen Bindemittel oder der Cellulosefasern) zu verhindern,
können
auch Walzen eingesetzt werden, die auf eine Temperatur oberhalb
dieser Temperatur erhitzt worden sind, solange wie eine angemessene
Wassermenge sich in dem Gemisch befindet, um das Material abzukühlen, wenn
das Wasser verdampft. Trotzdem kann es erforderlich sein, wenn die
Menge des Wassers sich während
des Trocknungsprozesses verringert, die Temperatur der Walzen zu
verringern, um ein Überhitzen
des Folienmaterials zu verhindern.
-
In
manchen Fällen
kann es zu bevorzugen sein, einen Trocknungstunnel, -ofen oder eine
-kammer in Verbindung mit den Trocknungswalzen einzusetzen. Um den
vollen Effekt eines Hitzekonvektionstrocknens zu erhalten, ist es
oftmals zu bevorzugen, die erhitzte Schicht zirkulieren zu lassen,
um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Die Temperatur im Innern
des Trocknungstunnels sowie die Verweilzeit der Folie in dem Tunnel
bestimmt das Ausmaß und
die Geschwindigkeit der Verdampfung des Wassers in dem Folienmaterial. Die
Temperatur des Trocknungstunnels sollte gewöhnlich nicht über 250°C hinausgehen,
um eine Zerstörung der
Cellulosefasern und des organischen Bindemittels zu verhindern.
Der Trocknungstunnel wird vorzugsweise auf eine Temperatur in einem
Bereich von etwa 100°C
bis etwa 250°C
aufgeheizt.
-
In
einigen Fällen
ist der oben beschriebene Trocknungsprozess die Endstufe, bevor
die ..... Spule (1A und 1B) oder
als Folien bis zum Bedarf aufgestapelt werden (8).
In anderen Fällen,
insbesondere wenn eine Folie mit einem glatteren Papier stärker ähnlichen
Finish gewünscht
wird, kann die Trocknungsstufe von einer oder mehreren zusätzlichen
Stufen gefolgt werden, die nachstehend genauer beschrieben werden,
mit Einschluss einer Kompaktierungsstufe und/oder einer Finish-Stufe
bzw. Endverarbeitungsstufe.
-
E. Fakultative Finish-Prozesse
bzw. Endbearbeitungsprozesse
-
In
vielen Fällen
kann es zweckmäßig sein,
die stärkegebundene
Folie zu kompaktieren, um die Enddicke, die Endtoleranz und einen
Oberflächen-Finish
zu erzielen. Weiterhin kann der Kompaktierungsprozess dazu eingesetzt
werden, um unerwünschte
Hohlräume
im Innern der Strukturmatrix zu entfernen. Wie in 5 gezeigt
wird, kann die Folie gegebenenfalls zwischen einem Paar Kompaktierungswalzen 60 geführt werden, nachdem
sie während
des Trocknungsprozesses durch die ersten Trocknungswalzen (1A und 1B) im
Wesentlichen getrocknet worden sind. Der Kompaktierungsprozess ergibt
im Allgemeinen eine Folie mit höherer
Dichte und Festigkeit und mit weniger Defekten der Oberfläche sowie
mit einer verringerten Dicke. Er fixiert auch die kompaktierten
Teilchen innerhalb der Oberfläche
der Folie und richtet sie aus. Das Ausmaß der Kompressionskraft der
Kompaktierungswalzen sollte so eingestellt werden, dass es den jeweiligen
Eigenschaften der Folie entspricht.
-
Die
Kompaktierungsstufe verbessert die Festigkeit der am Schluss erhaltenen,
gehärteten
Folie, indem eine dichtere und gleichförmigere strukturelle Matrix
erzeugt wird, wobei die Folie mit einem glatteren Finish zurückbleibt.
Die Kompaktierungsstufe wird im Allgemeinen im Falle von dünneren Folien,
bei denen die Festigkeit pro Einheit der Dicke maximiert werden sollte
und bei denen die Isolierungsfähigkeiten
von geringerer Bedeutung sind, bevorzugt. Die Kompaktierung ist
im Allgemeinen nicht für
dickere Folien erforderlich, die dazu vorgesehen sind, hohe Isolierungs-
und/oder niedrige Dichtecharakteristiken zu haben. Tatsächlich kann es
unerwünscht
sein, Folien mit schwächeren
Aggregaten, wie Hohlglaskügelchen,
zu kompaktieren, da diese beim Zerstoßen ihre Isolierungsfähigkeit
verlieren würden.
-
Der
Kompaktierungsprozess wird vorzugsweise durchgeführt, ohne dass eine signifikante
Dehnung der Folie bewirkt wird und ohne dass in negativer Weise
die strukturelle Matrix zerstört
oder geschwächt
wird. Um eine Kompaktierung ohne Dehnung der Folie und ohne Schwächung der
strukturellen Matrix zu erzielen, ist es von Wichtigkeit, den Trocknungsprozess
so zu kontrollieren, dass die Folie eine geeignete Menge von Wasser
enthält,
um eine leicht formbare Rheologie der Folie aufrecht zu erhalten.
Durch Kontrolle des Wassergehalts und des Walzenspaltes ist es möglich zu
gewährleisten,
dass die Kompaktierungswalzen in erster Linie die Folie komprimieren
und ihre Dichte erhöhen,
ohne dass die Folie in signifikanter Weise gedehnt wird. Wenn die
Folie zuviel Wasser enthält,
dann dehnen die Kompaktierungswalzen die Folie in ähnlicher
Weise wie entweder bei den Formungs- oder Reduktionswalzen. Tatsächlich sind
die Kompaktierungswalzen im Wesentlichen die gleichen wie die Formungs- oder Reduktionswalzen,
wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass die Kompaktierung
unähnlich
der Dehnung erfolgt, wenn die Folie trocken genug ist und die Reduktion
der Dicke der Folie geringer ist als die gesamte zurückbleibende
Porosität
..... Porosität
von 25%, dann sollte der Spalt der Kompaktierungswalze mindestens
75% der Dicke der vorkompaktierten Folie entsprechen).
-
Da
der Kompaktierungsprozess (der ein oder mehrere Kompaktierungsstufen
einschließt)
gewöhnlich eine
geringfügig
feuchte Folie beinhaltet, ist es oftmals zu bevorzugen, die Folie
nach der Kompaktierungsstufe in ähnlicher
Weise wie bei dem oben beschriebenen Trocknungsprozess unter Verwendung
von fakultativen Trocknungswalzen 70 weiter zu trocknen.
Diese optionale Trocknungsstufe kann unter Verwendung von Trocknungswalzen,
eines Trocknungstunnels oder einer Kombination der zwei Vorrichtungen
durchgeführt
werden. Trotzdem kann in manchen Fällen die Folie ohne eine zweite
Trocknungsstufe weiter bearbeitet werden, z.B. dann, wenn die Folie
sofort dazu verwendet wird, um einen Behälter oder einen anderen Gegenstand
zu bilden, wenn sie eingekerbt wird oder wenn es ansonsten von Vorteil
ist, eine leicht feuchte Folie zu haben.
-
Es
kann auch zu bevorzugen sein, die Oberfläche der stärkegebundenen Folie weiter
zu verändern, indem
die Folie zwischen einem oder mehreren Paaren Finishing- bzw. Fertigstellungs-
(oder "Kalandrierungs"-)-Walzen 80,
wie in 6 gezeigt, geführt wird.
Beispielsweise zur Erzeugung einer Folie mit einer sehr glatten
Oberfläche
auf einer Seite oder auf beiden Seiten kann die Folie zwischen mindestens
zwei Paaren von harten und weichen Walzen 82, 84 hindurchgeführt werden.
Die Bezeichnung "harte
Walze" bezeichnet die
Walze 82 mit einer sehr stark polierten Oberfläche, die
die Seite der Folie in Kontakt mit der harten Walze sehr glatt lässt. Die
Bezeichnung "weiche
Walze" bezieht sich
auf eine Walze 84 mit einer Oberfläche, die dazu imstande ist,
genügend
Reibung zwischen der weichen Walze und der Folie zu erzeugen, dass
die Folie durch das Paar aus der harten und der weichen Walze hindurchgezogen
wird. Dies ist deswegen erforderlich, weil die harte Walze 82 gewöhnlich zu
glitschig ist, um die trockene Folie durch ein Paar von harten Walzen
hindurchzuführen.
Ein signifikantes Gleiten der harten Walze 82 ist von Vorteil,
um die Teilchen innerhalb der Oberfläche der Folie auszurichten.
Die Verwendung einer schnell angetriebenen, stark polierten, harten
Walze zu einer "Superkalandrierung" der Folie führt zu einer
Folie, die einen sehr glatten Oberflächen-Finish hat. Der Finishing-Prozess kann
gegebenenfalls durch ein Aufsprühen
von Wasser auf die Oberfläche
der Folie und/oder durch Beschichten der Oberfläche mit Ton, Calciumcarbonat
oder anderen geeigneten Beschichtungsmaterialien, die dem Fachmann
bekannt sind, erleichtert werden.
-
Gemäß weiterer
Ausführungsformen
können
die Finishing-Walzen bzw. Endbearbeitungswalzen eine gewünschte Textur,
beispielsweise eine maschenartige, gescheckte oder waffelartige
Oberfläche,
verleihen. Alternativ oder in Verbindung mit irgendwelchen anderen
Finishing- bzw. Endverarbeitungsprozessen können die Folien mittels Walzen,
die Wellen erzeugen, gewellt werden, wie in 7 gezeigt
wird. Gewünschtenfalls können Walzen
dazu verwendet werden, um die Oberfläche der Folie mit einem Logo
oder einem anderen Muster zu bedrucken. Spezielle Walzen, die dazu
imstande sind, Wassermarken zu verleihen, können entweder allein oder in
Verbindung mit beliebigen dieser anderen Walzen eingesetzt werden.
Die Extrudierungswalzen, die Reduktionswalzen oder die Kompaktierungswalzen
können
Einrichtungen für
die Produktion einer Wassermarke durch Produktion entweder eines
erhöhten
oder eines vertieften Bereichs in der Folie, die hindurchläuft, zu
erzeugen.
-
III. OPTIONALE BEARBEITUNG
VON TROCKENEN STÄRKE-GEBUNDENEN
FOLIEN
-
stärkegebundene
Folien, die gemäß den oben
beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, können sein
..... Folien, die ihrerseits von dem für die Folien vorgesehenen Endzweck
abhängig
sind. Diese optionalen Prozesse können eine Laminierung, eine
Wellung, die Aufbringung von Beschichtungen, das Aufdrücken von
Indices bzw. Freimachungsvermerken, die Einkerbung, die Perforation,
die Erzielung eines Kreppeffekts, die Erzeugung eines Pergamenteffekts
oder eine Kombination dieser Maßnahmen
umfassen.
-
A. Laminierungsprozesse
-
Eine
Vielzahl von Eigenschaften kann der stärkegebundenen Folie durch Laminierung
verliehen werden. Für
die Zwecke dieser Beschreibung und der angefügten Ansprüche sollen die Bezeichnungen "laminierte Folie" oder "Laminat" (wenn sie als Substantiv
verwendet werden sollen) eine Folie bezeichnen, die mindestens zwei
Schichten hat, wobei mindestens eine der Schichten die stärkegebundene
Folie ist. Die Bezeichnungen "laminierendes
Material" oder "Lamina" soll jede Bestandteilsschicht
der laminierten Folie, mit Einschluss sowohl der stärke gebundenen
Folie als auch derjenigen aus dem anderen Laminierungsmaterial,
bezeichnen. Laminate mit irgendeiner Kombination von Schichten liegen
im Rahmen dieser Erfindung, bis zu dem Ausmaß, dass mindestens eine Schicht
des Laminats eine stärkegebundene
Folie ist. Das Laminat kann dadurch gebildet werden, dass mindestens
zwei Schichten miteinander verbunden oder auf sonstige Art und Weise
miteinander vereinigt werden. Die Dicke des Laminats kann in Abhängigkeit
von der Natur der vorgesehenen Eigenschaften des Laminats variieren.
-
Das
laminierende Material, das mit der stärkegebundenen Folie verbunden,
daran angeheftet oder auf sonstige Art und Weise verbunden wird,
kann eine weitere stärkegebundene
Folie, ein Material, das der stärkegebundenen
Folie eine gewünschte
Eigenschaft verleiht, wenn die zwei Materialien miteinander laminiert werden,
ein Material, das untenstehend als Beschichtungsmittel oder als
Klebstoff beschrieben wird, oder jede beliebige Kombination davon,
einschließen.
Beispiele für
Materialien, die die Eigenschaften der stärkegebundenen Folien verstärken oder
verändern,
schließen
Folien aus organischen polymeren Materialien, Metallfolien, Ionomerfolien,
elastomere Folien, Kunststofffolien, faserartige Folien oder Matten,
Papierfolien bzw. Blätter,
Zellophanfolien, Nylonfolien, Wachsfolien, hydraulisch härtbare Folien,
Folien, die in hohem Ausmaß anorganisch
gefüllt
sind, und Folien aus metallisierten Filmen ein.
-
Laminate
im Rahmen dieser Erfindung können
dadurch gebildet werden, dass eine stärkegebundene Folie und eine
weitere Schicht oder weitere Schichten mit oder ohne Klebstoff miteinander
verbunden werden. Die Bindung zwischen der stärkegebundenen Folie und der
anderen Schicht (oder zwischen den anderen Schichten des Laminats)
kann im Bereich eines geringfügigen
Klebens bis zu einer Bindung, die die Festigkeit der verbundenen
Folien oder Materialien überschreitet,
liegen.
-
Stärkegebundene
Folien können
ohne Verwendung von Klebstoffen mit einer anderen Schicht verbunden
werden, solange wie die Folie genügend "grün" ist, um eine wirksame
Bindung zwischen den individuellen Laminat-Komponenten zu bewirken.
Leicht feuchte Stärke
kann als Klebstoff wirken. Schichten eines Laminats, das wasserlösliche Materialien
umfasst, können
an eine leicht feuchte oder wiederbefeuchtete stärkegebundene Folie angeklebt
werden.
-
Bindungen
können
mit den Klebstoffen auf dem Wege über viele unterschiedliche
Verfahren gebildet werden, mit Einschluss einer Nass-Bindungslaminierung,
einer Trocken-Bindungslaminierung,
einer thermischen Laminierung und einer Drucklaminierung. Geeignete
Klebstoffe umfassen Klebstoffe auf Wasser-Basis (sowohl natürliche als
auch synthetische), Heißschmelz
.....
-
Die
Nass-Bindungslaminierung einer stärkegebundenen Folie und einer
anderen Schicht beinhaltet die Verwendung eines beliebigen flüssigen Klebstoffs,
um die zwei Schichten miteinander zu verbinden. Geeignete natürliche Klebstoffe
auf Wasser-Basis für
die Nass-Bindungslaminierung
schließen
Klebstoffe auf Pflanzenstärke-Basis,
Klebstoffe auf Protein-Basis,
tierische Leime, Casein und natürliche
Kautschuklatices ein. Geeignete synthetische Klebstoffe auf Wasser-Basis
schließen
im Allgemeinen Harzemulsionen, wie stabile Suspensi onen von Polyvinylacetat-Partikeln
in Wasser, ein. Klebstoffe auf Wasser-Basis haben niedrige Eigenschaften
hinsichtlich des Geruchs, des Geschmacks, der Farbe und der Toxizität, und sie
haben einen breiten Bereich der Adhäsion. Sie weisen auch ausgezeichnete
Alterungseigenschaften auf.
-
Thermoplastische
Polymere sind geeignete Heißschmelzkleber,
die im geschmolzenen Zustand aufgebracht werden können und
die beim Abkühlen
zu einer Form aushärten.
Heißschmelzkleber
härten
im Allgemeinen schneller als andere Klebstoffe. Geeignete Klebstoffe
auf Lösungsmittel-Basis
schließen
Polyurethanklebstoffe, Ethylen-Vinylacetat-Systeme auf Lösungsmittel-Basis
und andere Kautschukharze, die druckempfindlich sind, ein. Die Stärke im Innern
der stärkegebundenen
Folien kann auch als thermoplastisches Material wirken. Ein Erhitzen
der stärkegebundenen
Folien auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Stärke gestattet
das Aufschmelzen und die Reformierung der Folien. Das Abkühlen bewirkt
eine Verfestigung der Folie oder des Gegenstands in neuer Konformation.
Die geschmolzene und abgekühlte
Stärke
kann auch als Klebstoff verwendet werden, der eine Adhäsion und
ein Versiegeln der Folien gestattet, wenn sie zu einem gewünschten
Gegenstand, beispielsweise durch Aufwickelung auf eine Spirale zur
Bildung eines Rohrs oder einer Dose, verformt worden sind.
-
Es
liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, ein Laminat durch
Folienstempeln zu erzeugen. Das Folienstempeln beinhaltet die Anwendung
von Hitze und Druck, um einen dünnen
metallischen oder pigmentierten Überzug
von einem Trägerfilm
auf die stärkegebundene
Folie oder eine Containeroberfläche
zu übertragen,
um gemusterte dekorative Effekte zu erhalten. Diese Technik kann
in Kombination mit einer Prägetechnik
eingesetzt werden, um ein Laminat mit einer reflektierenden, glänzenden
und erhobenen Oberfläche zu
bilden.
-
B. Wellungsprozesse
-
Es
kann erwünscht
sein, eine getrocknete, stärkegebundene
Folie in ähnlicher
Weise wie Wellpappe wellenförmig
zu machen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Folie
vorzugsweise im halbfeuchten Zustand zwischen einem Paar von gewellten
Walzen 86, wie in 7 gezeigt,
geführt
wird. Der Feuchtigkeitsgehalt der Folie sollte so kontrolliert werden,
dass der Wellungsprozess die stärkegebundene
Matrix nicht beschädigt.
Wenn die Folie zu trocken ist, dann kann der Wellungsprozess die
Matrix beschädigen,
und in manchen Fällen
kann sogar ein Reißen
oder Zersplittern der Folie erfolgen. Wenn umgekehrt die Folie zu feucht
ist, dann kann die notwendige Grünfestigkeit,
um die gewellte Gestalt beizubehalten, der Folie fehlen. Vorzugsweise
ist die Menge von Wasser in der stärkegebundenen Folie, die in
Wellenform gebracht werden soll, etwa 1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%,
mehr bevorzugt etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, und am meisten bevorzugt
etwa 7 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%.
-
Die
gewellte Folie kann als einzige Folie verwendet werden oder sie
kann kombiniert werden mit ..... einer einzigen flachen stärkegebundenen
Folie oder einer Folie, gebildet aus anderen Materialien, wodurch eine
einseitig gewellte Folie erhalten wird. Die Sandwich-artige Anordnung
einer gewellten Folie zwischen zwei flachen Folien führt zu einer "Doppelseiten"-Folie. Gewellte Folien mit mehreren
Wänden
können
dadurch erzeugt werden, dass flache und gewellte Schichten sich
abwechseln lassen. Einseitige, doppelseitige und gewellte Folien
mit mehreren Wänden
sind durch eine relativ niedrige Dichte und eine relativ hohe Steife
und Kompressionsfestigkeit charakterisiert. Sie können dazu
verwendet werden, wenn Gegenstände,
wie Behälter und
Verpackungsmaterialien, solche Eigenschaften erfordern.
-
Die
Festigkeit und die Flexibilität
einer einzigen gewellten Folie können
dadurch verändert
werden, dass die Anzahl der Wellungen oder der Rillen pro linearem
Foot variiert werden. Die Rillen pro linearem Foot können erhöht werden,
um flexiblere Folien zu erzeugen, oder die Rillen können vermindert
werden, um eine starke Folie mit einem hohen Grad einer Dämpfungsfähigkeit
zu erhalten. Gewellte Folien mit Mehrfachwänden können auch mit zwei oder mehreren
gewellten Folien, die unterschiedliche Mengen von Rillen pro linearem
Foot haben, erzeugt werden. Wie im Falle der Einkerbung, des Kerbschneidens
und des Perforierens (welche untenstehend genauer beschrieben werden),
erzeugen die individuellen Rillen der gewellten Folien Stellen,
wo die Folie natürlich
leichter gebogen oder gefaltet werden kann. Jedoch ist die Folie
tatsächlich
erheblich steifer und stärker
in einer Richtung, die zu der Reihe der Rillen senkrecht ist. Daher
sollte ein Gegenstand, wie ein Behälter oder ein anderes Verpackungsmaterial,
so konstruiert werden, dass die gewellte Folie eine maximale Flexibilität, wenn
benötigt,
und eine maximale Steifheit, wenn benötigt, beispielsweise dann,
wenn die Gegenstände
aufeinandergestapelt werden sollen, erhält.
-
Beschichtungsmittel
können
ebenfalls als Teil des Wellungsprozesses aufgetragen werden. Bestimmte
Beschichtungsmaterialien, insbesondere Wachse oder Polyethylen,
können
mit Heißwalzen-Beschichtungseinrichtungen
auf der Einrichtung zur Erzeugung von Wellen aufgebracht werden.
Beschichtungsmittel können auch
durch Vorhangbeschichten des gewellten Rohprodukts, bevor es zu
einem Gegenstand umgewandelt wird, aufgebracht werden. Andere geeignete
Beschichtungsprozesse für
gewellte Folien schließen
das Eintauchen der vervollständigten
Gegenstände
in Beschichtungsmittel, wie Wachse, oder eine Kaskaden-förmige Aufbringung
von solchen Beschichtungsmitteln auf und um die Rillen des gewählten Gegenstands
ein.
-
C. Beschichtungsmittel
und Beschichtungsprozesse
-
Es
liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, Beschichtungsmittel
oder Beschichtungsmaterialien auf die stärkegebundenen Folien oder aus
solchen Folien hergestellte Gegenstände aufzubringen. Beschichtungsmittel
können
dazu verwendet werden, um die Oberflächeneigenschaften der stärkegebundenen
Folie auf eine Anzahl von Wegen abzuändern, mit Einschluss eines
Versiegelns und eines Schützens
der Folie oder des daraus hergestellten Gegenstands. Beschichtungen
können
einen Schutz gegenüber
Feuchtigkeit, gegenüber
Basen, gegenüber
Säuren,
gegenüber
Fetten und gegenüber
organischen Lösungsmitteln
ergeben. Sie können
auch eine glattere, flexiblere, stärker glänzende oder abnutzungsbeständige Fläche ergeben,
und die Verhinderung des "Wegfliegens" der Fasern unterstützen. Die
Beschichtungen können
auch reflektierende, elektrisch leitende oder isolierende Eigenschaften
ergeben. Sie können
sogar die stärkegebundene
Folie, insbesondere an einer Biegungs- oder Faltungslinie, verstärken.
-
Einige
Beschichtungen bzw. Beschichtungsmittel können die stärkegebundene Matrix erweichen,
wodurch eine flexiblere Folie erhalten wird. So können z.B.
Beschichtungsmittel auf der Basis von Materialien, wie Sojabohnenöl oder Methocel® (erhältlich von
der Firma Dow Chemical), entweder allein oder in Kombination mit
Polyethylenglykol, auf die Oberfläche der Folie aufgebracht werden,
um die Folie oder den Scharnierbereich der Folie permanent weich
zu machen. Andere Beschichtungsmaterialien können dazu verwendet werden,
die Folie steifer zu machen. Weiterhin können elastomere, kunststoffartige
oder papierartige Beschichtungsmittel dazu beitragen, die Integrität eines
Scharniers beizubehalten, ob die darunter liegende gehärtete Strukturmatrix
beim Biegen an dem Ort des Scharniers aufbricht oder nicht. Einige
Beschichtungsmittel können
dazu verwendet werden, um Stellen zu verfestigen, wo die stärkegebundenen
Folien stark gebogen werden, z.B. im Falle, dass die Folie gekerbt
wird. Es kann zu bevorzugen sein, dass der Überzug elastomer oder deformierbar
ist, und zwar insbesondere für
Gegenstände,
die durch Falten oder eine Aufwickelung gebildet werden. Einige
Beschichtungsmittel können
auch als Laminierungsmaterialien oder als Klebstoffe verwendet werden.
-
Die
Aufgabe des Beschichtungsprozesses ist es gewöhnlich, einen gleichförmigen Film
mit minimalen Defekten auf der Oberfläche der Folie zu erreichen.
Die Beschichtungsmittel können
während
des Folien-Bildungsprozesses, des Prozesses zur Bildung des Gegenstands
oder nach der Bildung des Gegenstands aufgebracht werden. Die Auswahl
des jeweiligen Beschichtungsprozesses hängt von einer Anzahl von Substrat (d.h.
Folien)-Variablen sowie Variablen der Beschichtungszusammensetzung
ab. Die Substratvariablen schließen die Festigkeit, die Befeuchtbarkeit,
die Porosität,
die Dichte, die Glätte
und die Gleichförmigkeit
der Folie ein. Die Beschichtungsformulierungsvariablen schließen den
Gesamtfeststoffgehalt, die Lösungsmittelbasis (mit
Einschluss der Wasserlöslichkeit
und der Flüchtigkeit),
die Oberflächenspannung
und die rheologischen Eigenschaften ein.
-
Die
Beschichtungsmittel können
auf die Folien unter Verwendung von allen beliebigen Beschichtungsmitteln
bzw. -einrichtungen aufgebracht werden, die auf dem Gebiet der Herstellung
von Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol-, Metallfolien- oder
anderen Verpackungsmaterialien aufgebracht werden, mit Einschluss
des Klingenbeschichtens, des Puddelbeschichtens, des Rakelbeschichtens,
des Aufdruckens, des Dahlgren-Beschichtens, des Tiefdruckbeschichtens
und des Pulverbeschichtens. Die Beschichtungsmittel können auch
durch Besprühen
der Folie, des Gegenstands oder eines anderen Objekts mit einem
beliebigen der oben angegebenen Beschichtungsmaterialien aufgebracht
werden oder indem die Folie, der Gegenstand oder das andere Objekt
in eine Wanne eingetaucht wird, die ein geeignetes Beschichtungsmaterial
ent hält. Schließlich können die
Beschichtungsmittel zusammen mit der Folie coextrudiert werden,
um den Beschichtungsprozess mit dem Extrusionsprozess zu integrieren.
-
Geeignete
organische Beschichtungsmaterialien schließen genießbare Öle, Melaminharze, Polyvinylchlorid,
Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyacrylate, Polyamide, Hydroxypropylcellulose,
Polyethylenglykol, Acrylharze, Polyurethan, Polethylen, Polymilchsäure, Biopol® (ein
Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymeres), Latices, Stärken, Sojabohnenprotein,
Sojabohnenöl,
Celluloseether (z.B. Methocel)-Polyethylen, synthetische Polymere,
mit Einschluss von biologisch abbaubaren Polymeren, Wachse (wie
Bienenwachs, Wachs auf Erdöl-Basis ein, oder .....
Chemical Industries (ICI) im Vereinigten Königreich. Geeignete anorganische
Beschichtungsmaterialien schließen
Natriumsilicat, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Kaolin,
Ton, Keramik und Gemische davon ein. Die anorganischen Beschichtungsmittel
können
auch mit einem oder mehreren der oben angegebenen organischen Beschichtungsmittel
vermischt werden. Neben diesen Beschichtungsmitteln kann jedes beliebige
geeignete Beschichtungsmaterial in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Anwendungszweck
eingesetzt werden.
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Ein
wasserbeständiger Überzug ist
für viele
Gegenstände
erwünscht,
von denen vorgesehen ist, dass sie in Kontakt mit Wasser kommen.
Wenn die Folien zur Herstellung von Behältern oder von anderen Produkten
verwendet werden, bei denen beabsichtigt ist, dass sie in Kontakt
mit Nahrungsmitteln kommen, dann umfasst das Beschichtungsmaterial
vorzugsweise ein von der FDA zugelassenes Beschichtungsmittel. Ein
besonders gut geeignetes Beschichtungsmittel ist Natriumsilicat,
das säurebeständig ist.
Die Beständigkeit
gegenüber
sauren Bedingungen ist von Wichtigkeit, und z.B. dann, wenn der
Gegenstand ein Behälter
ist, der Nahrungsmitteln oder Getränken ausgesetzt ist, die einen
hohen Säuregehalt
haben, wie z.B. Softdrinks oder Säfte. Es ist im Allgemeinen
nicht notwendig, den Gegenstand vor basischen Substanzen zu schützen, jedoch kann
eine erhöhte
Beständigkeit
gegenüber
basischen Substanzen durch ein geeignetes Polymer- oder Wachsbeschichtungsmittel,
wie zur Beschichtung von Papierbehältern verwendet, erhalten werden.
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Polymere
Beschichtungsmittel, wie Polyethylen, sind dazu geeignet, um im
Allgemeinen dünne Schichten
mit niedriger Dichte zu bilden. Polyethylen mit niedriger Dichte
ist besonders gut dazu geeignet, Behälter zu erzeugen, die flüssigkeitsdicht
und sogar bis zu einem bestimmten Ausmaß druckdicht sind. Polymere
Beschichtungsmittel können
auch als Klebstoff verwendet werden, wenn eine Heißversiegelung
erfolgt.
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Aluminiumoxid
und Siliciumoxid sind einsetzbare Beschichtungsmittel, und zwar
insbesondere als Schranke gegenüber
Sauerstoff und Feuchtigkeit. Diese Beschichtungsmittel können auf
die stärkegebundenen
Folien durch alle im Stand der Technik bekannten Maßnahmen,
mit Einschluss der Verwendung eines Verdampfungsprozesses mit Elektronenstrahlen
mit hoher Energie, einer chemischen Plasmaabscheidung und einer
Zerstäubungsbehandlung
aufgebracht werden. Eine andere Methode der Bildung einer Aluminiumoxid- oder
Siliciumoxid- beschichtung
beinhaltet die Behandlung einer stärkegebundenen Folie mit einer
wässrigen Lösung, die
einen geeigneten pH-Wert hat, um die Bildung von Aluminiumoxid oder
von Siliciumoxid auf der Folie aufgrund der Zusammensetzung der
Folie zu bewirken.
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Wachse
und Wachsgemische, insbesondere Erdölwachse und synthetische Wachse,
bilden eine Schranke gegenüber
Feuchtigkeit, Sauerstoff und einigen organischen Flüssigkeiten,
wie Fetten oder Ölen. Sie
gestatten auch, dass ein Gegenstand, wie ein Behälter, heißversiegelt wird. Erdölwachse
sind eine besonders gut geeignete Gruppe von Wachsen beim Verpacken
von Nahrungsmitteln und Getränken,
und sie schließen
Paraffinwachse und mikrokristalline Wachse ein.
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D. Kerbungs- und Perforierungsverfahren
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In
manchen Fällen
kann es wünschenswert
sein, die Folie alternativ zu kerben, auszukerben oder zu perforieren,
um eine Linie zu definieren, an der die Folie gefaltet oder gebogen
werden kann. Kerbungen, Kerbungsschnitte und Perforationen können in
den Folien unter Verwendung von Einrichtungen bzw. Maßnahmen gebildet
werden, die auf dem Gebiet der Folienverformung bekannt sind. Kerbungsschnitte
können
auch unter Verwendung von kontinuierlichen Düsenschnittwalzen hergestellt
werden. Alternativ, ..... oder ein Lineal. Die Kerbungsdüsen oder
das Lineal können
bzw. kann allein oder in Verbindung mit einem Kerbungszähler eingesetzt
werden. Die Konfiguration der Kerbungsschablone übt auf die Folie dahingehend
Kräfte
aus, dass sie sich in die Rille des Kerbungszählers hinein deformiert. Schließlich kann
eine Perforation auch mittels eines Perforationsschneidgeräts hergestellt
werden.
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Der
Zweck der Kerbung, des Kerbungsschnitts oder der Perforation besteht
darin, in der stärkegebundenen
Folie einen Ort zu erzeugen, wo die Folie leichter gebogen oder
gefaltet werden kann. Dies erzeugt ein "Scharnier" innerhalb der Folie mit einer erheblich
größeren Biegbarkeit
und Rückelastizität, als es
mit einer nicht-gekerbten oder nicht-perforierten Folie der Fall
ist. In einigen Fällen
können
mehrfache Kerbungsschnitte oder Perforationen zweckmäßig sein.
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Der
Einschnitt einer Kerbungslinie oder einer Perforation in die Folie
erzeugt eine bessere Faltungslinie oder ein besseres Scharnier aufgrund
einer Anzahl von Gründen.
Zuerst wird ein Ort zur Verfügung
gestellt, wo die Folie natürlich
leichter gebogen oder gefaltet werden kann. Zweitens macht das Einschneiden
oder das Einkerben die Folie an der Kerbungslinie dünner als
am Rest der Folie, was das Ausmaß der in Längsrichtung erfolgenden Dehnung
der Oberfläche
während
der Biegung der Folie verringert. Die Verringerung der Oberflächendehnung
verringert die Tendenz der stärkegebundenen
Matrix, beim Falten oder Biegen zu brechen. Drittens gestattet der
Kerbungsschnitt oder die Perforation eine kontrollierte Rissbildung
innerhalb der stärkegebundenen
Matrix in dem Fall, dass ein Bruch der Matrix erfolgt.
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Es
kann manchmal zu bevorzugen sein, mehr Fasern an dem Ort zu konzentrieren,
wo der Kerbungsschnitt oder die Perforation hergestellt wird. Dies
kann dadurch bewerkstelligt werden, dass eine zweite Schicht eines
Formmaterials, enthaltend einen höheren Fasergehalt, an vorbestimmten
Zeitintervallen so coextrudiert wird, dass es dem Ort des Kerbungsschnitts
oder der Perforation entspricht. Weiterhin können Fasern auf die Oberseite
der Folie oder in die Folie hinein injiziert werden während der
Extrusions- oder Walzprozesse, um eine höhere Faserkonzentration an
der gewünschten
Stelle zu erzielen.
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Die
stärkegebundene
Folie befindet sich vorzugsweise in einem im Wesentlichen trockenen
oder halbgehärteten
Zustand während
des Kerbungs- oder Perforationsprozesses. Dies ist zweckmäßig, um
zu verhindern, dass sich die Kerbung oder die Perforation durch
Wanderung von feuchtem Material in den Kerbungsschnitt zuschließt. Da das
Einkerben im Allgemeinen (und die Perforation immer) ein Einschneiden
durch einen Teil der stärkegebundenen
Matrix beinhaltet, kann die Folie sogar vollständig trocken sein, ohne dass
der Kerbungs- oder Perforationsprozess die Folie beschädigt. Jedoch
in Fällen,
wo eine Kerbung eingepresst wird, anstatt in die Oberfläche eingeschnitten
zu werden, sollte die Folie genügend
feucht sein, um einen Bruch aufgrund einer Verschiebung der stärkegebundenen
Matrix zu verhindern.
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Die
Tiefe des Kerbungsschnitts hängt
im Allgemeinen von dem Typ der Kerbung, der Dicke der stärkegebundenen
Folie und dem gewünschten
Biegegrad entlang der Kerbungslinie ab. Der Kerbungsmechanismus
sollte so eingestellt werden, dass eine Kerbung mit gewünschter
Tiefe zur Verfügung
gestellt wird. Naturgemäß sollte
das Düsenschneidwerkzeug
nicht so groß sein,
dass es tatsächlich
durch die Folie hindurchschneidet oder dass es diese zu dünn macht,
um den erwarteten Kräften
zu widerstehen (es sei denn, es wird eine leicht reißbare Kerbung
erwünscht)
..... Kombination der Kerbungsschnitte auf gegenüberliegenden Seiten der Folie
können
in einigen Fällen
bevorzugt sein, um den Bereich der Biegungsbewegung zu erhöhen.
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E. Verkreppungs- und Pergamentisierungsprozesse
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Die
stärkegebundenen
Folien können
gegebenenfalls ziemlich ähnlich
wie herkömmliches
Papier verkreppt werden, um eine hochausdehnbare Folie zur Verfügung zu
stellen, die dazu imstande ist, Energie bei plötzlichen Spannungsraten zu
absorbieren. Verkreppte Folien sind mit steigendem Ausmaß bei der
Produktion von Transportsäcken
geeignet. Die herkömmliche
Verkreppung wird entweder im Nasspressabschnitt einer Papiermaschine
(Nasskrepp) oder einem Yankee-Trockner (Trockenkrepp) durchgeführt. Obgleich
die exakten Parameter entweder eines Nass- oder Trocken-Verkreppungsprozesses
zwischen den erfindungsgemäßen stärkegebundenen
Folien und dem Baumpapier unterschiedlich sind, wird für den Fachmann
ersichtlich werden, wie der Verkreppungsprozess eingestellt werden
muss, um verkreppte stärkegebundene
Folien zu erhalten. Die Verkreppung kann eingesetzt werden, um eine
biegsamere Folie zu erzeugen, und auch dazu, um ein Scharnier zu
bilden.
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Es
ist gefunden worden, dass stärkegebundene
Folien mit starken Säuren
behandelt werden können, um
den Teil der faserartigen Oberfläche
der Folienmatrix zu pergamentisieren. Die Behandlung der Folie mit z.B.
konzentrierter Schwefelsäure
bewirkt, dass die Cellulosefasern ganz erheblich quellen und teilweise
aufgelöst
werden. In diesem Zustand schließen diese weichgemachten Fasern
ihre Poren, und sie füllen
die umgebenden Hohlräume
und sie erzielen einen innigeren Kontakt mit anderen Fasern zu einer
extensiveren Wasserstoffbindung. Ein Spülen mit Wasser bewirkt eine
Wiederausfällung
und eine Konsolidierung des Netzwerks, was Fasern ergibt, die feuchter
als trocken, fusselfrei, geruchsfrei und geschmacksfrei sind, und
die gegenüber
Fetten und Ölen
beständig
sind. Durch die Kombination der natürlichen Zugzähigkeit
des Pergaments mit der durch die Nasskreppbehandlung verliehenen
Ausdehnungsfähigkeit
können
Folien mit hoher schockabsorbierender Fähigkeit hergestellt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann gesehen werden, dass erwartet werden könnte, dass
der Pergamentisierungsprozess besser arbeitet, wenn der Fasergehalt
der Folien erhöht
ist. Erhöhte
Fasergehalte erleichtern die Verschließung bzw. Versiegelung der
Poren und eine erhöhte
Wasserstoffbindung der Fasern. Es sollte jedoch beachtet werden,
dass bestimmte, gegenüber
sauren Chemikalien empfindliche Aggregate, wie Calciumcarbonat,
wahrscheinlich dann nicht verwendet werden sollten, wenn die Folie
pergamentisiert werden soll.
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F. Drucken und damit verwandte
Prozesse
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Es
kann erwünscht
sein, Drucke oder andere Angaben, wie Warenzeichen, Produktinformationen,
Behälterspezifikationen
oder Logos auf die Oberfläche
der stärkegebundenen
Folie aufzubringen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass
herkömmliche
Druckeinrichtungen oder -prozesse verwendet werden, die auf dem
Gebiet des Bedruckens von Papier- oder Pappeprodukten bekannt sind,
mit Einschluss eines planographischen, Relief-, Intaglio-, porösen und
schlaglosen Druckens. Zusätzlich
können
die Folien oder Gegenstände
geprägt
oder mit einem Wasserzeichen versehen werden. Weiterhin können Abziehbilder,
Markierungen oder andere Freimachungsvermerke an die stärkegebundene
Folie angefügt
oder damit verklebt werden, wobei im Stand der Technik verwendete
Methoden eingesetzt werden. Gedruckte Freimachungsvermerke können auf
kontinuierliche Folien, individuelle Folien, laminierte Folien,
Rohlinge oder fertige Gegenstände,
je nach dem betreffenden Druckverfahren und der Gestalt des Gegenstands,
aufgebracht werden.
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IV. AUS STÄRKE-GEBUNDENEN
FOLIEN HERGESTELLTE GEGENSTÄNDE
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Unter
Anwendung der oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, eine
weite Vielzahl von Folien herzustellen, die stark variierende Eigenschaften
haben. Die Folien können
so dünn
wie etwa 0,1 mm oder kleiner in dem Falle sein, dass dünne, flexible
und Folien mit geringem Gewicht erforderlich sind. Die Folien können so
dick wie etwa 1 cm in dem Fall sein, dass relativ dicke, starke
und steife Folien erforderlich sind. Weiterhin können die Dichten der Folien
im Bereich von so niedrig wie etwa 0,6 g/cm3 bis
so hoch wie etwa 2 g/cm3 liegen. Im Allgemeinen
sind Folien mit höherer
Dichte stärker,
während
Folien mit niedriger Dichte isolierender sind. Die exakte Dicke
oder Dichte der jeweiligen Folie kann zuvor festgelegt werden, um
eine Folie zu ergeben, die die gewünschten Eigenschaften bei Kosten
aufweist, die es gestatten, die Folie in wirtschaftlich vernünftiger
Art und Weise herzustellen.
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Die
bei Papier und Pappe angewendeten Schneidmechanismen können ebenfalls
dazu verwendet werden, um eine kontinuierliche stärkegebundene
Folie in individuelle Folien zu zerschneiden. Wie in 8 gezeigt
wird, kann die Folie unter Verwendung eines Rakelklingen-Schneidgeräts, das
auf einer Presse montiert ist, zu individuellen Folien zugeschnitten
werden. Das Schneiden kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass
kontinuierliche Düsenschneidwalzen
verwendet werden, wobei eine Schneiddüse in die Folie eingepresst
wird, oder durch andere im Stand der Technik bekannte Verfahren.
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Die
Folien können
für alle
beliebigen Anwendungszwecke eingesetzt werden, bei denen herkömmliches
Papier oder herkömmliche
Pappe bislang verwendet worden sind. Weiterhin ist es aufgrund der
einzigartigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen stärkegebundenen Materialien möglich, eine
Vielzahl von Gegenständen
herzustellen, die derzeit immer noch die Verwendung von Kunststoffen,
Polystyrol oder sogar von Metall erfordern.
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Insbesondere
können
die Folien für
die Herstellung der folgenden beispielhaften Gegenstände verwendet
werden: Behälter,
mit Einschluss von Wegwerfbehältern
und Nicht-Wegwerfbehältern für Nahrungsmittel
oder Getränke,
wie Schachteln für
Cerealien, Behälter
für Sandwich, "Falt"-Behälter (mit
Einschluss, jedoch ohne Einschränkung
darauf, von mit einem Scharnier versehenen Behältern, die für Fastfood-Sandwich
verwendet werden, wie Hamburger), Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel,
Milchkartons, Behälter
für Fruchtsäfte, Behälter für Joghurt,
Getränketräger (mit
Einschluss, jedoch nicht beschränkt
darauf, umwickelte Träger vom
Korbtyp und "Sechs-Packungs"-Träger vom
Ringtyp), Kartons für
Eiscreme, Tassen bzw. Becher (mit Einschluss, jedoch nicht darauf
beschränkt,
von Wegwerf-Tassen bzw. -Bechern, Doppelstück-Tassen bzw. -Bechern, gefalteten
Einstück-Tassen
bzw. Bechern und konischen Tassen bzw. Bechern, Behälter für Pommes frites,
wie sie von Fastfoot-Outlets verwendet werden, und Schachteln für die außer Haus
erfolgende Lieferung von Fastfood; Verpackungsmaterialien, wie Einwickelpapier,
Abstandsmaterial, flexible Verpackungen, wie Beutel für Nahrungsmittelsnacks,
Beutel mit einem offenen Ende, wie Einkaufstüten in Lebensmittelgeschäften, Beutel
innerhalb von Kartons, wie Kästen
für trockene
Cerealien, mehrwandige Beutel, Säcke,
Umwicklungsbehälter,
Trägerkarten
für Produkte,
die mit einer Abdeckung ausgestellt werden (insbesondere Plastikabdeckungen,
die auf Nahrungsmittelprodukte, wie Fleischmahlzeiten für das Mittagessen,
aufgebracht sind, Büroprodukte,
Kosmetika, Werkzeuge und Spielzeuge), Trägertablett für die Unterstützung .....
begrenzt auf, Gefrierbeutel, Reifenbeutel, Einwickelmaterialien
in Metzgereien, Einwickelmaterialien für Fleisch und Einwickelmaterialien
für Wurst);
eine Vielzahl von Kartons und Kästen,
wie gewellte Kästen,
Zigarrenschachteln, Schachteln für
Pralinen und Schachteln für
Kosmetika; aufgewickelte oder spiralgewickelte Behälter für verschiedene
Produkte (wie gefrorene Saftkonzentrate, Hafermehl, Kartoffelchips,
Eiscreme, Salz, Tenside und Motoröl), Versendungsrohre, Folienrohre
für das
Aufrollen von Materialien (wie Einwickelpapier, Tuchmaterialien,
Papierhandtücher
und Toilettenpapier) und Buchsen; bedruckte Materialien und Büroartikel,
wie Bücher, Magazine,
Broschüren,
Um schläge,
gummierte Bänder,
Postkarten, Dreiringhefter, Buchumschläge, Akten und Bleistifte; verschiedene
Essgeräte
und Lagerungsbehälter,
wie Teller, Deckel, Strohhalme, Messerwaren, Flaschen, Krüge, Kisten,
Körbe,
Tabletts, Backtabletts, Schalen, Mikrowellen-Abendessen-Tabletts, "TV"-Abendessen-Tabletts,
Eierkartons, Platten zum Abpacken von Fleisch, Wegwerfplatten, Verkaufsplatten, Kuchenplatten
und Frühstücksplatten;
sowie eine Vielzahl von verschiedenen Gegenständen, wie Aufnahmegeräte für ein Noterbrechen
(d. h. Spucktüten),
im Wesentlichen kugelförmige
Gegenstände,
Spielzeuge, Fläschchen
für Arzneimittel,
Ampullen, Käfige
für Tiere,
nicht-entflammbare Feuerwerkhüllen,
Hüllen
für die Motoren
von Raketenmodellen, Raketenmodelle, und eine endlose Vielzahl von
anderen Gegenständen.
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V. BEISPIELE FÜR BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgenden Beispiele werden dazu angegeben, um die erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bildung der stärkegebundenen
Folien genauer zu beschreiben. Die Beispiele schließen verschiedene
Mischungsgestaltungen sowie Verfahren zur Herstellung der Folien
von Behältern
und anderen Erzeugnissen mit variierenden Eigenschaften und Abmessungen
aus den Folien ein.
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Beispiel 1
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Folien
mit einem hohen Gehalt an Stärke
wurden aus formbaren Gemischen hergestellt, die die folgenden Komponenten
in den angegebenen Mengen enthielten: Anteil, Vol.-(%)-trocken
-
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Die
bei diesem Beispiel verwendeten Fasern stammen von der Südkiefer
bzw. der südlichen
Föhre ab. Die
nicht-modifizierte Stärke
bestand aus Maisstärke,
die bei der Zugabe zu dem Gemisch nicht gelatiniert war. Das Wasser,
das Methocel und die Fasern wurden zuerst 10 Minuten lang unter
hoher Scherkraft in einen Hobart-Knet-Mischgerät vermischt. Danach wurde die
Stärke
zu dem Gemisch gegeben, und dieses wurde weitere 4 Minuten lang
unter niedriger Scherkraft weiter gemischt.
-
Das
Gemisch wurde unter Verwendung eines entlüfteten Auger-Extruders durch
eine Düse
mit den Abmessungen 30 cm × 0,6
cm extrudiert, um kontinuierliche Folien zu bilden, die die entsprechenden
Abmessungen der Breite und der Dicke hatten. Die extrudierte Folie
wurde dann zwischen einem Paar Reduktionswalzen mit einem Spaltabstand
dazwischen, der der Dicke der gebildeten Folie entsprach, und die
auf eine Temperatur von etwa 70°C
erhitzt waren, geführt.
Danach wurde die Grünfolie
zwischen Walzen mit einer höheren
Temperatur als etwa 100°C
geführt,
um die Maisstärke
zu gelatinieren und das Wasser aus der Grünfolie durch Abdampfen zu entfernen.
Das Methocel bildete eine Haut auf der Oberfläche der Folie, die verhinderte, dass
die Stärke
an den Walzen während
des Folien-Bildungsprozesses anklebte. Die resultierenden stärkegebundenen
Folien hatten variierende Dicken von 0,1 mm bis 1 mm.
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Beispiel 2
-
Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Formungszusammensetzung hergestellt.
-
-
Das
Wasser, Methocel und die Fasern der Südkiefer wurden zuerst 10 Minuten
lang unter der Einwirkung einer hohen Scherkraft in einem Hobart-Knet-Mischgerät vermischt.
Danach wurden das Calciumcarbonat und die Maisstärke zu dem Gemisch gegeben,
und dieses wurde weitere 4 Minuten unter niedriger Scherwirkung
gemischt.
-
Das
Gemisch wurde unter Verwendung eines entlüftenden Auger-Extruders extrudiert
durch ein 30 cm × 0,6
..... Walzen mit einem Spaltabstand dazwischen, der der Dicke der
gebildeten Folien entsprach.
-
Da
das Calciumcarbonat eine niedrige spezifische Oberfläche hatte,
hatte das Gemisch eine niedrige Klebfähigkeit an den Walzen. Weiterhin
verhinderte das Methocel, dass die Stärke an den Walzen während des
Folien-Bildungsprozesses anklebte. Die Walzentemperaturen waren ähnlich wie
diejenigen, die im Beispiel 1 verwendet wurden. Die Folien dieser
Beispiele hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 3
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
-
Beispiel 4
-
Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und ......
-
Beispiel 5
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 6
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 7
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 8
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
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Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 9
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
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-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 10
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
-
-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
-
Beispiel 11
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Anorganisch
gefüllte
Folien mit einem hohen Gehalt an Stärke wurden aus der folgenden
Zusammensetzung hergestellt.
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-
Die
Zusammensetzung und die Folien wurden in der in Beispiel 2 angegebenen
Art und Weise hergestellt. Die in diesem Beispiel gebildeten Folien
hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38 mm und 0,5 mm.
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Beispiel 12
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Folien
mit einem hohen Gehalt an Stärke
wurden aus einem formbaren Gemisch hergestellt, das die folgenden
Komponenten in den angegebenen Mengen enthielt:
-
-
Das
Wasser, das Methocel und die Fasern wurden zuerst 10 Minuten lang
unter der Einwirkung einer hohen Scherkraft in einem Hobart-Knet-Mischgerät vermischt.
Danach wurde die Stärke
zu dem Gemisch gegeben, und das Gemisch wurde weitere 4 Minuten
lang unter niedriger Scherkraft gemischt. Die Folien wurden in der
in Beispiel 2 angegebenen Art und Weise hergestellt. Die in diesem
Beispiel gebildeten Folien hatten Dicken von 0,23 mm, 0,3 mm, 0,38
mm und 0,5 mm.
-
Beispiel 13
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Folien,
enthaltend eine signifikante Menge von Stärke, wurden aus einer Formungszusammensetzung hergestellt,
die 8000 g Wasser und die folgenden Komponenten enthielt:
-
-
Die
Folien wurden wie oben beschrieben hergestellt. Die Folien hatten
Dicken im Bereich von 0,010'' bis 0,050'' und eine Dichte von 1,11 g/cm3.
-
Folien
mit einer Dicke von 0,010'' wurden zu Tassen
bzw. Bechern verarbeitet, die Tassen bzw. Bechern ähnelten,
die aus üblichem
Baumpapier hergestellt worden waren. Übliche Papierbecher kosten
1,10 ¢ pro
unbeschichtete Tasse bzw. unbeschichteter Becher und 1,410 ¢ pro Tasse
bzw. Becher, die mit Wachs in einer Papiermasse beschichtet ist.
Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien verwendeten Zusammensetzungen
kosteten 1,270 ¢ pro
unbeschichtete Tasse bzw. unbeschichteter Becher und 1,455 ¢ pro mit Wachs
beschichtete Tasse bzw. beschichteter Becher. Die Kosten der nicht-beschichteten
erfindungsgemäßen Tassen
bzw. Becher waren 115% der Kosten der Papiertassen, während die
Kosten der beschichteten erfindungsgemäßen Tassen bzw. Becher nur
103% der Kosten von Papiertassen betrugen. Dies ist auf die Fähigkeit
zurückzuführen, bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen Tassen bzw. Becher weit
weniger Beschichtungsmaterial zu verwenden.
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Die
folgende Tabelle vergleicht die Kosten der verschiedenen Komponenten,
die dazu verwendet wurden, die Folien herzustellen, die zu Tassen
bzw. Bechern verformt wurden. Die Tabelle gibt die Gesamtkosten, die
Einheitskosten pro Tasse bzw. Becher und die prozentualen Kosten
jedes Bestandteils in der trockenen Charge wider (es wird angenommen,
dass die Kosten für
Wasser vernachlässigbar
sind).
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Die
vorstehenden Tabellen zeigen, dass, obgleich die Formungszusammensetzung,
die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien nur 5,9% Methocel
240, bezogen auf das Tro ckengewicht von ..... enthielt. Andererseits,
während
der Anteil der Maisstärke
43,3% des Trockengewichts der Formungszusammensetzung betrug, waren
ihre Kosten nur 9% der gesamten Materialkosten. Die Kosten für Methocel
240 sind $2,75/lb., während
die Maisstärke
nur $0,09/lb. kostet, was anzeigt, dass der Ersatz von Methocel
durch Stärke die
Materialkosten für
die Herstellung der erfindungsgemäßen Folien stark verringert.
-
Beispiel 14
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Zu
Vergleichszwecken wurden Folien aus der folgenden Zusammensetzung
hergestellt, die keine Stärke,
jedoch Methylcellulose in erhöhter
Menge enthielt. Weiterhin enthielt die Zusammensetzung eine große Menge
von anorganischem Füllstoff,
der im Allgemeinen das billigste Material von allen Komponenten
ist. Das Wasser war in einer Menge von 11 kg enthalten.
-
-
Trotz
der Einarbeitung einer großen
Menge von anorganischem Füllstoff
erhöhte
die Verwendung von 800 g Methocel 240, das 70% der Materialkosten
verursachte, die Einheitskosten für jede unbeschichtete Tasse
auf 1,509 ¢ und
für jede
beschichtete Tasse bzw. jeden beschichteten Becher auf 1,694 ¢. Der anorganische Füllstoff
erhöhte
die Dichte der Folien auf 1,70/g·cm3.
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Beispiel 15
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Die
in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder
Hinsicht der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung ähnlich,
jedoch mit der Ausnahme, dass ein 50/50-Gemisch von Hartholz- und
Weichholzfasern in diesem Beispiel verwendet wurde. Die resultierenden
Folien waren ähnlich
wie diejenigen des Beispiels 14. Die Materialkosten der Herstellung
von Tassen bzw. Bechern aus den Folien dieses Beispiels waren praktisch
mit den Kosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien
des Beispiels 13 tatsächlich
identisch.
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Beispiel 16
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Die
in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder
Hinsicht mit der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung identisch,
jedoch mit der Ausnahme, dass Abacafasern in diesem Beispiel verwendet
wurden. Die Materialkosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern
aus den Folien dieses Beispiels waren praktisch mit den Kosten der
Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien des Beispiels
13 tatsächlich
identisch.
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Beispiel 17
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Die
in diesem Beispiel verwendete Formungszusammensetzung war in jeder
Hinsicht mit der in Beispiel 13 verwendeten Zusammensetzung identisch,
jedoch mit der Ausnahme, dass nur 1200 g Weichholzfasern in diesem
Beispiel verwendet wurden. Die Materialkosten der Herstellung von
Tassen bzw. Bechern aus den Folien dieses Beispiels waren geringfügig höher als
die Kosten der Herstellung von Tassen bzw. Bechern aus den Folien
des Beispiels 13.
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Beispiel 18
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Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 hergestellt, jedoch mit
der Ausnahme, dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde,
die 7000 g Wasser enthielt.
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Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,37 g·cm3. Die Kosten pro Einheit der unbeschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
betrugen 0,970 ¢,
und diejenigen von beschichteten Tassen bzw. Bechern betrugen 1,155 ¢, was 88%
bzw. 82% der Kosten der beschichteten und nicht-beschichteten Tassen
bzw. Becher aus Papier entspricht.
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Beispiel 19
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Folien
wurden unter Verwendung einer Zusammensetzung hergestellt, die der
Zusammensetzung des Beispiels 18 mit der Ausnahme ähnlich war,
dass die Menge von CaCO3 auf 3000 g erhöht wurde,
während der
Anteil der anderen Komponenten konstant gehalten wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,49 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der aus den Folien dieses Beispiels hergestellten,
nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher waren 0,846 ¢ und für beschichtete
Tassen bzw. Becher 1,031 ¢,
was 77% bzw. 73% der Kosten für
die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus
Papier entspricht.
-
Beispiel 20
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,53 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,760 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,945 ¢,
was 69% bzw. 67% der Kosten für
die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus
Papier entspricht.
-
Beispiel 21
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 20 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass weiterhin 300 g Glycerin zugesetzt worden waren. Die resultierende
Folie hatte eine Dichte von 1,49 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,846 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,031 ¢,
was 77% bzw. 73% der Kosten für
die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Bechernn aus
Papier entspricht.
-
Beispiel 22
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 20 ähnlich war, jedoch mit der
Ausnahme, dass die Konzentration der Maisstärke auf 2500 g erhöht wurde
und dass die Menge des Wassers auf 9500 g erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,51 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,729 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,914 ¢, was
66% bzw. 65% der Kosten für
die beschichteten und nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher aus
Papier entspricht. Eine Erhöhung
der Menge der Stärke
hatte den Effekt, dass die Kosten pro Einheit der Tassen bzw. Becher
geringfügig
verringert wurden.
-
Beispiel 23
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 22 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Konzentration von Methocel 240 auf 100 g verringert wurde
und dass die Menge des Wassers auf 9000 g verringert wurde. Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,52 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,620 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,850 ¢,
was 56% bzw. 57% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht. Die Verringerung der Menge von Methocel 240 .....
-
Beispiel 24
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 9000 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,44 g·cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,636 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,821 ¢, was 58% bzw. 58% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 25
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 24 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 100 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien
hatten eine Dichte von 1,43 g/cm3. Die Kosten
pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt
aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,667 ¢ und diejenigen für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,852 ¢,
was 61% bzw. 60% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 26
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 25 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass der Gehalt von Glycerin auf 200 g erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,42 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,696 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,881 ¢,
was 63% bzw. 63% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 27
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 26 sehr ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass der Gehalt von Glycerin weiter auf 300 g erhöht wurde.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,41 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,725 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,910 ¢, was 65% bzw. 65% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 28
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 hergestellt, mit der
Ausnahme, dass die folgende Zusammensetzung, die 9000 g Wasser enthielt,
verwendet wurde.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,55 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,695 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,880 ¢,
was 63% bzw. 62% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 29
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 28 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass der Glyceringehalt auf 400 g erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,54 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,723 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,908 ¢,
was 66% bzw. 64% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 30
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 28 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass das Glycerin weggelassen wurde. Die resultierenden Folien hatten
eine Dichte von 1,59 g/cm3. Die Kosten pro
Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt
aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,605 ¢ und diejenigen für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,790 ¢,
was 55% bzw. 56% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 31
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 30 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge des in der Zusammensetzung verwendeten Methocels
240 auf 200 g erhöht
wurde und dass die Menge des Wassers auf 10 kg erhöht wurde.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,58 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,714 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,899 ¢, was 65% bzw. 64% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 32
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 31 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass der Gehalt von Wasser auf 9000 g verringert wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,58 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,714 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,899 ¢,
was 65% bzw. 64% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht. Der Wassergehalt war auf der Basis der Eigenschaften
der neu gebildeten Folie optimal.
-
Beispiel 33
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 300 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien
hatten eine Dichte von 1,54 g/cm3. Die Kosten
pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt
aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,797 ¢ und diejenigen für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,982 ¢,
was 72% bzw. 70% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 34
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 400 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien
hatten eine Dichte von 1,53 g/cm3. Die Kosten
pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt
aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,822 ¢ und diejenigen für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,007 ¢,
was 75% bzw. 71% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 35
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 32 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 500 g Glycerin verwendet wurden. Die resultierenden Folien
hatten eine Dichte von 1,52 g/cm3. Die Kosten
pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher, hergestellt
aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,847 ¢ und diejenigen für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,032 ¢,
was 77% bzw. 73% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 36
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 9000 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,14 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,762 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,947 ¢,
was 69% bzw. 67% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 37
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,65 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,644 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,829 ¢,
was 59% bzw. 59% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 38
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8000 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,12 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,827 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,012 ¢,
was 75% bzw. 72% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 39
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 38 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die verwendete Menge von Glycerin auf 400 g erhöht wurde.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,11 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,886 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,071 ¢, was 80% bzw. 76% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 40
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 8500 g Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,22 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,711 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,896 ¢,
was 65% bzw. 64% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 41
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von CaCO3 auf ..... g/cm3 erhöht
wurde. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw.
Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,688 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,873 ¢,
was 62% bzw. 62% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete
Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 42
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von CaCO3 auf 2000 g erhöht wurde.
Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,29 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,667 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,852 ¢, was 61 % bzw. 60% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 43
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von CaCO3 auf 3000 g erhöht wurde,
dass die Menge von Methocel 240 auf 150 g erhöht wurde und dass die Menge
von Wasser auf 9500 g erhöht
wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,36 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen
bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren
0,680 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,866 ¢, was 62% bzw. 61 % der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 44
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von Wasser auf 10 kg erhöht wurde, was als optimal für den Folien-Bildungsprozess
erschien.
-
Beispiel 45
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 40 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von CaCO3 auf 3000 g erhöht wurde,
dass die Menge von Methocel 240 auf 200 g erhöht wurde und dass die Menge
von Wasser auf 10,5 kg erhöht
wurde. Die resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm3. Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen
bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren
0,732 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,917 ¢, was 66% bzw. 65% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 46
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 200 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser
in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,34 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,735 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,920 ¢, was
67% bzw. 65% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 47
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 400 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser
in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,32 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,787 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 0,927 ¢, was
71% bzw. 69% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 48
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 43 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass 600 g Glycerin verwendet wurden und dass die Menge von Wasser
in der Formungszusammensetzung auf 10 kg erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,30 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,835 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,020 ¢, was
76% bzw. 72% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 49
-
Folien
wurden nach dem Verfahren des Beispiels 13 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die folgende Zusammensetzung verwendet wurde, die 11 kg Wasser
enthielt.
-
-
Die
resultierenden Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,832 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,017 ¢,
was 76% bzw. 72% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
Beispiel 50
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 49 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von Methocel 240 auf 250 g verringert wurde und dass
die Menge von Wasser auf 10 kg verringert wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,35 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,782 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 0,967 ¢, was 71% bzw. 69% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 51
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 36 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von Methocel 240 auf 150 g erhöht wurde und dass die Menge
von Wasser auf 8500 g verringert wurde. Die resultierenden Folien
hatten eine Dichte von 1,14 g/cm3. Die Kosten
pro Einheit der nicht-beschichteten
Tassen bzw. Becher, hergestellt aus den Folien dieses Beispiels,
waren 0,825 ¢ und
diejenigen für
beschichtete Tassen bzw. Becher waren 1,010 ¢, was 75% bzw. 72% der Kosten
für beschichtete
und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier entspricht.
-
Beispiel 52
-
Folien
wurden aus einer Zusammensetzung hergestellt, die in jeder Hinsicht
der Zusammensetzung des Beispiels 36 ähnlich war, mit der Ausnahme,
dass die Menge von Methocel 240 auf 200 g erhöht wurde. Die resultierenden
Folien hatten eine Dichte von 1,14 g/cm3.
Die Kosten pro Einheit der nicht-beschichteten Tassen bzw. Becher,
hergestellt aus den Folien dieses Beispiels, waren 0,888 ¢ und diejenigen
für beschichtete
Tassen bzw. Becher waren 1,073 ¢,
was 81% bzw. 76% der Kosten für
beschichtete und nicht-beschichtete Tassen bzw. Becher aus Papier
entspricht.
-
In
den folgenden Beispielen werden sehr dünne Folien gebildet, die viele
Charakteristiken und Eigenschaften haben, die sie für ähnliche
Verwendungszwecke, wie für
Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Polystyrol- oder Metallfolien ähnlicher
Dicke und ähnlichen
Gewichts, machen. Die gewünschten
Eigenschaften werden den Folien unter Verwendung eines mikrostrukturellen
Konstruktionsansatzes verliehen. Dies gestattet die Herstellung
von Folien mit einer Vielzahl von erwünschten Eigenschaften, mit
Einschluss von Eigenschaften, die im Allgemeinen bei durch Massenproduktionsverfahren
hergestellten, folienartigen Gegenständen, die derzeit aus den vorstehend
beschriebenen, herkömmlichen
Materialien hergestellt wurden, nicht möglich sind.
-
Beispiele 53–58
-
Folien,
die dazu imstande sind, zu einer Vielzahl von Gegenständen (mit
Einschluss von Behältern
für Nahrungsmittel
oder Getränke)
verformt zu werden, wurden nach den in den Beispielen 1–52 beschriebenen Verfahren
hergestellt. Die gehärteten
Folien wurden einer Finish-Behandlung
bzw. einer Endbehandlung unterworfen, gegebenenfalls beschichtet
und dann zu einer Anzahl von verschiedenen Behältern für Nahrungsmittel und Getränke verformt.
-
So
wird z.B. eine "kalte
Tasse" bzw. ein "kalter Becher" (z.B. eine solche
bzw. ein solcher, in der/den kalte Softdrinks in Fastfood-Restaurants
abgegeben werden) dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus
einer Folie herausgeschnitten wird, dass der Rohling zu der Gestalt
der Tasse bzw. des Bechers verwalzt wird und dass die Enden des
so gewalzten Rohlings unter Verwendung eines herkömmlichen
Leims auf Wasser-Basis miteinander verklebt werden. Eine Scheibe
wird an den Boden der Tasse bzw. des Bechers platziert, und der
Boden des gewalzten Wandteils wird gebördelt, um den Boden der Tasse
bzw. des Bechers an Ort und Stelle zu halten. Der Rand der Tasse
bzw. des Bechers wird gekräuselt
bzw. gebördelt,
um den Rand zu verfestigen und um eine glattere Trinkoberfläche zu erzeugen.
Folien mit einer Dicke von 0,3 mm können zur Herstellung der Tasse
bzw. des Bechers eingesetzt werden.
-
Ein "Zweischalen"-Behälter (ein
solcher, wie er derzeit in der Fastfood-Industrie verwendet wird,
zu ..... der Rohling zur Bildung der gewünschten Faltlinien, Falten
des Rohlings zu der Gestalt eines Zweischalen-Behälters und
Anheften oder miteinander Verschließen der Enden des gefalteten
Rohlings, um die Integrität
des Behälters
zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,4 mm können dazu verwendet werden,
den klappbaren Behälter
bzw. Zweischalen-Behälter herzustellen.
-
Ein
Behälter
für Pommes
frites (ein solcher, wie er dazu verwendet wird, frisch gebackene
Pommes frites in der Fastfood-Industrie zu servieren) wird dadurch
hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie hergestellt
wird, dass der Rohling einem Kerbschneiden unterworfen wird, um
die gewünschten
Faltlinien zu bilden, dass der Rohling in die Gestalt eines Behälters für Pommes
frites gefaltet wird und dass die Enden des gefalteten Rohlings
mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden, um die Integrität des Behälters aufrecht
zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,4 mm können zur Herstellung des Behälters für Pommes
frites verwendet werden.
-
Eine
Schachtel für
gefrorene Nahrungsmittel (z.B. eine solche, wie sie in Supermärkten zum
Abpacken von gefrorenen Nahrungsmitteln verwendet werden) wird dadurch
hergestellt, dass ein geeigneter Rohling aus einer Folie herausgeschnitten
wird, dass der Rohling einer Einkerbungsschneidbehandlung unterworfen
wird, um die gewünschten
Faltungslinien zu bilden, dass der Rohling zu der Gestalt einer
Schachtel für
gefrorene Nahrungsmittel gefaltet wird und dass die Enden des gefalteten
Rohlings unter Verwendung eines Klebstoffs miteinander verklebt
werden, um die Integrität
der Schachtel aufrecht zu erhalten. Folien mit einer Dicke von 0,5
mm können
zur Herstellung der Schachteln für
gefrorene Nahrungsmittel verwendet werden.
-
Eine
Schachtel für
kalte Cerealien wurde dadurch hergestellt, dass ein geeigneter Rohling
aus einer Folie mit einer Dicke von 0,3 mm herausgeschnitten wurde,
dass der Rohling einer Einkerbungsschneidbehandlung unterworfen
wurde, um die gewünschten
Faltlinien zu bilden, dass der Rohling in die Gestalt einer Schachtel
für kalte
Cerealien verformt wurde und dass die Enden des gefalteten Rohlings
unter Verwendung eines Klebstoffs miteinander verklebt wurden, um
die Integrität
der Schachtel für
Cerealien beizubehalten.
-
Ein
Trinkstrohhalm wurde dadurch hergestellt, dass ein Stück Folie
mit 0,25 mm in die Form eines Strohhalms gerollt wurde und dass
die Enden miteinander verklebt wurden. Bei der Herstellung des Strohhalms,
wie bei der Herstellung aller oben angegebenen Behälter, ist
es von Vorteil, den Feuchtigkeitsgehalt der Folie zu kontrollieren,
um den höchsten
Grad der Flexibilität
der Folie aufrecht zu erhalten. Ein höherer Grad der Flexibilität minimiert
ein Zersplittern und ein Reißen
der Folie.
-
Die
so hergestellten Behälter
sind nachstehend wie folgt angegeben, mit Einschluss der Dicke der
Folie, die zur Herstellung jedes Behälters verwendet wurde:
-
-
Beispiel 59
-
Kalte
Tassen, hergestellt gemäß Beispiel
43, wurden durch eine herkömmliche
Wachsbeschichtungsmaschine hindurchgeleitet, wodurch eine gleichförmige Schicht
von Wachs auf die Oberfläche
aufgebracht wurde. Die Schicht aus Wachs versiegelte vollständig die
Oberfläche
der Tasse bzw. des Bechers gegenüber Feuchtigkeit
und machte sie wasserdicht.
-
Beispiel 60
-
Kalte
Tassen bzw. Becher, hergestellt gemäß Beispiel 53, wurden unter
Verwendung einer feinen Sprühdüse mit einer
Acrylharzbeschichtung beschichtet. Ähnlich wie im Falle des Wachses
des Beispiels 59, versiegelte die Schicht des Acrylharzüberzugs
vollständig
die Oberfläche
der Tasse bzw. des Bechers gegenüber
Feuchtigkeit und machte sie wasserdicht. Der Acrylharzüberzug hat
den zusätzlichen
Vorteil, dass er nicht sichtbar ist, wie es bei einem Wachsüberzug der
Fall ist. Da ein dünnerer
Acrylüberzug
möglich
ist, sieht die Tasse bzw. der Becher fast so aus, als ob sie/er
unbeschichtet wäre.
Der Glanz der Tasse bzw. des Bechers kann dadurch kontrolliert werden,
dass unterschiedliche Typen von Acrylbeschichtungsmitteln verwendet
werden.
-
Beispiele 61–62
-
Faltbare
bzw. klappbare Behälter,
hergestellt gemäß dem Beispiel
54, wurden alternativ mit den gleichen Beschichtungsmaterialien,
wie zur Beschichtung der kalten Tassen in den Beispielen 59–60 verwendet, beschichtet.
Die Ergebnisse sind im Wesentlichen mit denjenigen identisch, die
im Falle der beschichteten Tassen erhalten wurden.
Beispiel | Beschichtungsmaterial |
61 | Wachs |
62 | Acrylharz |
-
Beispiel 63
-
Folien
variierender Dicken zwischen 0,25 mm und 0,5 mm wurden gemäß den Verfahren
der Beispiele 1–52
gebildet. Trockene Folien jeder Dicke wurden zu kreisförmigen Gestalten
zugeschnitten und zu Wegwerfplatten verformt, wobei eine handelsübliche mechanische
Presse verwendet wurde, die mit einer progressiven Düse ausgestattet
war, die für
die Herstellung von solchen Platten aus einer Papiermasse verwendet
wird. Die geformten Platten hatten eine im Wesentlichen ähnliche
Gestalt, eine ähnliche
Festigkeit und ein ähnliches Aussehen
wie herkömmliche
Platten aus Papier. Jedoch sind die Platten, die aus den stärkegebundenen
Folien hergestellt worden sind, starrer als herkömmliche Papierplatten, und
sie besitzen daher eine größere strukturelle
Integrität,
wenn Nahrungsmittel auf die Platten aufgebracht werden oder in diese
eingegeben werden.
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Beispiel 64
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Stärkegebundene
Folien, hergestellt unter Verwendung von beliebigen der oben beschriebenen Mischgestaltungen,
wurden zur Herstellung von gedruckten Lesematerialien, wie Magazine
oder Broschüren, verwendet.
Solche Magazine und Broschüren
enthalten sowohl dünnere,
flexiblere Folien als auch dickere, weniger flexible Folien. Die
dünneren,
flexibleren Folien haben eine Dicke von etwa 0,025–0,05 mm,
während die
dickeren, weniger flexiblen Folien eine Dicke von etwa 0,1–0,2 mm
haben.
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Beispiel 65
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Unter
Verwendung beliebiger der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungen
wurden gewellte Folien, enthaltend eine gerillte Innenstruktur,
die Sandwich-artig zwischen zwei flachen Folien angeordnet war, gebildet.
Die flachen äußeren Folien
wurden dadurch gebildet, dass das Material zu einer flachen Folie
mit geeigneter Dicke verwalzt wurde. Die gewellten oder gerillten
inneren Folien (die einer gewellten oder gerillten inneren Folie
einer üblichen
Pappschachtel ähnlich
ist) wurde dadurch gebildet, dass entweder eine gehärtete oder
eine wiederbefeuchtete, flache, stärkegebundene Folie mit geeigneter
Dicke durch ein Paar Walzen mit ineinander greifenden gewellten
Oberflächen
oder Zähnen
geführt
wurden.
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Ein
Leim wurde auf die Oberflächen
der gewellten Folie aufgebracht, und diese wurde dann Sandwich-artig
zwischen zwei flachen Folien angeordnet und härten gelassen. Die gewellte/Sandwich-Folien-Konstruktion
hat überlegene
Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, der Zähigkeit und der Starrheit im
Vergleich zu herkömmlichen
gewellten Pappefolien.
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VI. ZUSAMMENFASSUNG
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Aus
dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung
Verfahren zur Herstellung von billigen, umweltfreundlichen Folien
zur Verfügung
stellt, die ähnliche
Eigenschaften wie Papier-, Pappe-, Polystyrol-, Kunststoff- oder
Metallfolien haben.
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Weiterhin
stellt die Erfindung der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Herstellung
von Folien zur Verfügung,
die zu einer Vielzahl von Behältern
oder anderen Gegenständen
unter Verwendung von bereits vorliegenden Herstellungseinrichtungen
oder Techniken, die derzeit zur Bildung von Gegenständen aus
Papier-, Pappe-, Polystyrol-, Kunststoff- oder Metallfolien verwendet
werden, verformt werden können.
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Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung Zusammensetzungen und Verfahren
zur Herstellung von umweltfreundlichen Folien zur Verfügung, die
zu verformbaren Zusammensetzungen verformt werden können, die
nur einen Bruchteil des Wassers enthalten, das in typischen Aufschlämmungen
vorhanden ist, die zur Herstellung von herkömmlichen Papieren verwendet
werden. Erfindungsgemäß wird weiterhin
keine extensive Entwässerung
während
des Folien-Bildungsprozesses
benötigt.
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Weiterhin
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung Folien sowie Behälter
und andere daraus hergestellte Gegenstände zur Verfügung gestellt,
die ohne weiteres biologisch abbaubar und zu Substanzen, die nur in
der Erde gefunden werden, zersetzbar sind.
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Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verfügung, die
die Herstellung von Folien, Behältern
und anderen Gegenständen
daraus bei Kosten gestatten, die vergleichbar mit den Kosten von
existierenden Verfahren zur Herstellung von Papier-, Kunststoff-
oder Metallprodukten sind oder sogar noch niedriger sind.
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Speziell
verringert die vorliegende Erfindung die Energieerfordernisse und
die Anfangskapital-Investitionskosten für die Herstellung von Produkten
mit erwünschten
Eigenschaften, die in Papier, Kunststoffen oder Metallen gefunden
werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin Verfahren zur Verfügung, die
die Einarbeitung von relativ hohen Mengen von Stärken in Folien gestatten, während die
Probleme überwunden
werden, die mit dem Ankleben von Stärke, insbesondere gelatinierter
Stärke,
an der Verformungs- oder Folien-bildenden Vorrichtung verbunden
sind.
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Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verfügung, die
die optionale Einarbeitung von signifikanten Mengen von natürlichen
anorganischen mineralischen Füllstoffen
in die oben genannten Folien gestatten.
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Schließlich stellt
die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung von anorganisch
gefüllten
Folien zur Verfügung,
die eine größere Flexibilität, eine
höhere
Zugfestigkeit, eine höhere
Zähigkeit,
eine höhere
Verformbarkeit und eine höhere
Fähigkeit
zur Massenproduktion im Vergleich zu primären Materialien, die einen hohen
Gehalt an anorganischem Füllstoff
aufweisen, haben.