Verpackungsrundschau 05/97

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Technisch-Wissenschaftliche Beilage · 48 · 1997 · N°5 NEUARTIGE BIOPOLYMERE AUS EXTRUDIERTEM GETREIDE Eine der Arbeitsrichtungen der IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH ist die Entwicklung verschiedener Materialien mittels Konversion durch Extrusion biopolymerer Rohstoffe. Diese Werkstoffe und Additive sind für die Verarbeitung in verschiedenen Industriebereichen geeignet. Im Vordergrund der Entwicklungen stehen ökologische Aspekte aber auch die Orientierung auf kostengünstige Rohstoffe. Die Entwicklung neuartiger Materialien auf der Basis von Biopolymeren ist national und international ein Forschungsschwerpunkt. Eine wesentliche Eigenschaft, nämlich die biologische Abbaubarkeit der Materialien, konnte bei den meisten anderen Werkstoffentwicklungen nicht erreicht werden. Mit dieser Eigenschaft ist den Biopolymeren eine ökologisch unbedenkliche Entsorgungsmöglichkeit gegeben. Im Institut für Getreideverarbeitung (IGV) GmbH werden auf dieser Rohstoffbasis verschiedene Werkstoffentwicklungen durchgeführt, die zu thermoplastischen Rohstoffen für die kunststoffverarbeitende Industrie, zu Dämmstoffen oder zu Additiven für Anwendungen in verschiedenen Industriebereichen (z.B. Papier- und Pappeherstellung) führen. Sie beruhen auf Erfahrungen bei der Verarbeitung landwirtschaftlicher Rohstoffe im Food-Bereich. Dabei ist es gelungen, mit nur geringfügig modifizierter Technik das bestehende Know-how für den Nonfood-Bereich anzuwenden. Nachwachsender Rohstoff Getreide Rohstoffverknappung, ökologische Ausgewogenheit hinsichtlich der Kohlendioxidbilanz und abfallwirtschaftliche Aspekte erfordern neue Werkstoffe. Bei Betrachtung der landwirtschaftlichen Rohstoffe weisen die stärkereichen Erntegüter eine Vielzahl von Eigenschaften auf, die sie für die Verarbeitung im technischen Bereich prädestinieren. Die Kartoffel und das Getreide sind seit Beginn der Industrialisierung ein fester Bestandteil der Rohstoffpalette für verschiedene Industriebereiche. Aus unserer Sicht besitzt das Getreide Eigenschaften, die eine vorteilhafte stoff- U. Lehrack; Bergholz-Rehbrücke liche Nutzung ermöglichen. Getreide ist eine natürliche Ressource, bei der sich die Inhaltsstoffzusammensetzung von Jahr zu Jahr nur unwesentlich ändert. Die Zusammensetzung wie auch die Qualität der Inhaltsstoffe sind für Konversionsprozesse wie z.B. durch Extrusion recht günstig. Die Lagerfähigkeit ist bei Aufrechterhaltung der Funktionalität der Inhaltstoffe gegenüber anderen landwirtschaftlichen Erntegütern, wie Kartoffeln oder Zuckerrüben, sehr gut. Für die technische Nutzung von Getreide stehen aus dem Bereich der anwendungsorientierten Forschung erst einige Insellösungen ohne durchgängige technologische Organisation zur Verfügung, die für die gewerbliche Nutzung noch zu einseitig und damit hinsichtlich der Marktvariabilität zu riskant sind. Die im Institut für Getreideverarbeitung verfolgte Kombination mehrerer alternativer Produktionsrichtungen mit der gleichen technischen Ausrüstung eröffnet im Nonfood-Bereich neue anwendungsfreundliche Möglichkeiten. Die Komplettierung durch ein betriebsgerechtes Kontrollverfahren trägt zusätzlich den aktuellen und den zukünftigen Anforderungen an die Werkstoffbranche Rechnung. Extrusion für Nonfood- Applikationen Die Extrusionstechnologie stammt ursprünglich aus der Kunststoffindustrie und wird seit rund 50 Jahren auch für andere Industriezweige genutzt. Neben dem wohl bekanntesten Erzeugnis, den Erdnußflips, hat sich die Extrusion in verschiedenen Bereichen der Lebensmittel- und Futtermittelherstellung einen bedeutenden Marktanteil gesichert. Sie wird beispielsweise als Alternative zu konventionellen Texturierungsprozessen und als Möglichkeit der hydrothermischen Behandlung eingesetzt. Auch kann der Extruder als Reaktionskammer für die thermo-mechanische Konversion dienen. Als Stärketräger sind für die Extrusion die Getreidepflanzen von vorrangiger Bedeutung. Von Vorteil für die im IGV durchgeführten Entwicklungsarbeiten, die sowohl Verfahren als auch Produkte betreffen, erweist sich die Palette der zur Verfügung stehenden Extruder. Die Kapazität der Extruder bewegt sich zwischen 50g/min bei Laborextrudern und 1000 kg/h bei Industrieextrudern. Die Arbeiten auf dem Gebiet der Nonfood- Applikationen, bei denen diese Extrusion angewendet wird, können in folgende Grundrichtungen unterteilt werden: ● Plastifizierung von Getreideprodukten zu kompakten Granulaten für die thermoplastische Weiterverarbeitung ● Plastifizierung und Aufschäumen von Getreideprodukten zu porösen Materialien geringer Dichte ● Thermo-mechanische bzw. chemische Modifizierung von Getreideprodukten ● Extrusion von anderen landwirtschaftlichen Rohstoffen als Getreide Im Gegensatz zu den vielfältigen Entwicklungen auf dem Gebiet der biologisch abbaubaren Werkstoffe, bei denen reine bzw. modifizierte Stärken als Ausgangsmaterial eingesetzt werden, verfolgt das Institut den Arbeitsgrundsatz, die stärkereichen Rohstoffe wie z. B. Getreide möglichst vollständig zu nutzen. Rohstoffe sind dementsprechend Schrote bzw. mühlentechnisch fraktionierte Mahlprodukte. Auf diese Weise werden: ● die Rohstoffpreise und damit die Gesamtkosten reduziert und ● der Energieeintrag in das Ausgangsmaterial und die Produkte verringert. Gleichzeitig können neben der Stärke andere Bestandteile der Rohstoffe als Modifikatoren genutzt werden. Aus den verschiedenen Entwicklungsarbeiten werden im folgenden Projekte beschrieben, deren industrielle Applikation schon realisiert bzw. in Vorbereitung ist. Thermoplastisches Granulat Unter dem Arbeitsnamen „GETREX“ wurde ein biologisch abbaubares Material entwickelt, das in seiner ersten Applikationsform mit Hilfe der Spritzgußtechnik verarbeitet werden kann. Als wesentliche Eigenschaften des Materials, insbesondere für die Spritzgußverarbeitung gelten folgende Parameter: ● Anwendungsform: Granulat ● Farbe: honigfarben bis braun, einfärbbar, beschichtbar, lackierbar ● Schüttdichte: 0,8 g/cm 3 Verpackungs-Rundschau 5/97 Seite 63
● Dichte: 1,4 g/cm 3 ● physikalische Eigenschaften: hart-elastisch bis gummiartig ● Stabilität: stabil gegenüber Luftfeuchtigkeit, bei Wasserkontakt quellend ● Schmelzverhalten: unter Scherbelastung bei ca. 140 °C fließfähig ● Anwendungsgebiete: technische Formteile und Bedarfsgegenstände mit kurzer Lebensdauer, mit Beschichtung für Lebensmittel zugelassen ● Umweltverträglichkeit: Ökologisch unbedenklich entsorgbar, kompostierbar Die Ermittlung der für eine Eignung als Verpackungsmaterial relevanten Parameter erfolgte noch nicht. Ziel der Materialentwicklung war es, aufbauend auf einer erprobten Verfahrensweise zur hydrothermischen Konversion des Roggenmehls, mit Hilfe der konventionellen Kunststofftechnik einen preiswerten Rohstoff für eine weitere Verarbeitung bereitzustellen. Die Spritzgußeignung der Materialien wurde zunächst im IGV durch Herstellen von Probekörpern mit einer Spritzgußmaschine vom Typ KuASY 100/25 erprobt. Danach folgte die Erprobung bei Industriepartnern. Durch einen kunststoffverarbeitenden Betrieb (Motzener Kunststoff- und Gummiverarbeitung GmbH) wurden mit einer weitestgehend den Materialeigenschaften angepaßten Spritzgußtechnologie als eine erste Produktserie Teile für ein „Wegwerfgeschirr“ (Teller, Schüsseln, Gabeln, Spieße, Messer) für den Fastfood-Bereich hergestellt (Abbildung 1). Daneben wurde das Material für die Herstellung verschiedener technischer Formteile erprobt. Anläßlich der Bundesgartenschau 1995 in Cottbus wurden die Erzeugnisse in großen Stückzahlen an verschiedenen Imbißständen vorgestellt und getestet. Nach dem sortierten Erfassen der benutzten Teile erfolgte die Entsorgung zusammen mit anderen biologisch abbaubaren Materialien in einer industriellen Kompostierungsanlage. Das Verhalten des Materials im Produktzyklus (Herstellung/Kompostierung) dokumentiert die Funktionalität und die grundsätzliche Verarbeitungseignung des Granulates, so daß auch die wesentlich komplizierteren Anwendungen im Verpackungsbereich sowie die Verarbeitungsmöglichkeiten auf Duroplastmaschinen in weiteren Tests berücksichtigt werden sollen. In einer Weiterentwicklung des Materials sollen die Fließeigenschaften des gelatinierten Roggenmehles beim anschließenden For- Seite 64 Verpackungs-Rundschau 5/97 Technisch-Wissenschaftliche Beilage · 48 · 1997 · N°5 mungsprozeß sowie die resultierenden Materialeigenschaften beeinflußt werden. Die Schwerpunkte der Optimierung für die technische Anwendung von GETREX sind seitens des Materials Festigkeit, Elastizität und Wasseraufnahme und seitens der Verarbeitbarkeit Fließ- und Schmelzverhalten sowie Homogenität beim kontinuierlichen Spritzguß. Mit Beginn der nationalen und internationalen Bearbeitung der Nutzung von Biopolymeren für technische Anwendungen kamen verschiedene biologisch abbaubare thermoplastisch verformbare Materialien auf den Markt. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, ein Material zu entwickeln, das bei ähn- licher Funktionalität, wie sie konventionelle Kunststoffe aufweisen, dem Preisniveau dieser Materialien entspricht. GETREX ist in der jetzigen Zusammensetzung auch teurer als Massenkunststoffe auf petrochemischer Rohstoffbasis, verglichen mit anderen Bio- Kunststoffen liegt es jedoch in einem günstigeren Bereich. Trotz dieser positiven Ausgangsposition ist es ein wesentliches Ziel der weiteren Entwicklungsarbeiten, die Herstellung von GETREX hinsichtlich der Rezeptur und der Produktion kostengünstiger zu gestalten. Das Material wird durch die IGV GmbH hergestellt und vertrieben. Füllstoffe Loose-fill Verpackungspolster aus Kunststoff werden als Schaumstoffe zur Direktumschäumung bzw. als vorgefertigte Form- teile oder als schüttbare Füll- und Polstermaterialien angewendet. Bei den schüttbaren Materialien (Loose-fill, Fillings) soll die geometrische Form bewirken, daß sich die einzelnen Teile ineinander verkeilen, aber bei Belastung ausweichen. Das Material selbst ist elastisch, und die Ausgangsmaterialien sind meist Polysterol, Polyethylen oder Polypropylen. Die Kurzlebigkeit von Verpackungsmaterialien und die damit verbundenen Entsorgungsprobleme (Müllvolumen) machen Biopolymere und zu einem hohen Grad bioabbaubare Verpackungsmaterialien zur interessanten Alternative zu den konventionellen Werkstoffen. Das Ziel besteht darin, insbe- Abbildung 1: Beispiele für die Verarbeitung des thermoplastischen Materials GETREX sondere Produkte auf Polystyrolbasis z. B. Styropor-Chips) durch Alternativmaterialien zu substituieren. In den letzten Jahren wurde national wie international die Entwicklungsarbeit auf diesem Gebiet intensiviert und eine Vielzahl von Materialien als Rohstoff für Verpakkungsmaterialien ausgewiesen. Ebenso vielfältig sind die Produkte, die auf den Markt gebracht wurden. Die Gebrauchswerteigenschaften dieser Produkte unterscheiden sich vielfach deutlich von konventionellen Materialien. Besonders einschränkend wirken sich eine große Klimaabhängigkeit, eine gegenüber dem Vergleichsprodukt Styropor erhöhte Dichte sowie erhöhte Rohstoff- und Herstellungskosten und damit ein teilweise nicht konkurrenzfähiger Preis auf die Marktfähigkeit aus. Die Naturprodukte sind im wesentlichen durch geringe Bruchfestigkeit, hohen Abrieb
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