Die vorliegende Erfindung betrifft eine biologisch abbaubare Formmasse, die ein Fasermaterial pflanzlichen Ursprungs als Füllstoff enthält und sich zur Verarbeitung im Spritzgussverfahren eignet, sowie die Hersteilung dieser Formmasse.

Biologisch abbaubare Formmassen werden in verschiedenen Industriezweigen, wie in der Verpackungsindustrie aber auch in der Automobilindustrie zunehmend nachgefragt. Dafür geeignete Polymermaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe sind jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Polymermaterialien, die zum großen Teil fossilen Ursprungs sind, verhältnismäßig teuer. Durch den Einsatz von preisgünstigen Füllstoffen lässt sich hier ein Ausgleich schaffen. Allerdings ist nicht immer gewährleistet, dass sich die gefüllten Formmassen effizient verarbeiten Sassen und dabei Formteile mit den erforderlichen Eigenschaften ergeben.

Gefüllte Formmassen, in denen als Füllstoff Fasermaterialien pflanzlichen Ursprungs Verwendung finden, sind bekannt. Derartige Füllstoffe können für die biologische Abbaubarkeit der Formmasse förderlich sein. Überwiegend werden zur Verarbeitung solcher Massen jedoch vergleichsweise aufwändige Formverfahren, wie Pressformen, eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine biologisch abbaubare Formmasse bereitzustellen, die sich kostengünstig Flerstellen und mit Hilfe effizienter Verfahren zu Formgegenständen verarbeiten lässt.

Gelöst wird diese Aufgabe mithilfe der in den nachstehend angeführten Ansprüchen definierten Formmasse, die ein biologisch abbaubares thermoplastisches Bindemittel mit einem Fasermaterial pflanzlichen Ursprungs als Füllstoff kombiniert, wobei der Gehalt des Fasermaterials, bezogen auf die Gesamtmenge der Formmasse, nicht weniger als 50 Gew.-% beträgt. Überraschenderweise lassen sich derartige Formmassen mit Hilfe eines Spritzgießverfahrens zu qualitativ hochwertigen Formgegenständen verarbeiten.

Demzufolge ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formgegenstands, umfassend den Schritt des Spritzgießens der erfindungsgemäßen Formmasse, sowie ein Formgegenstand, der durch Spritzgießen dieser Formmasse erhältlich ist.

Ein biologisch abbaubares thermoplastisches Bindemittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann gleichzeitig auch kompostierbar sein, d.h. durch den Einfiuss von Feuchtigkeit, im Erdreich befindlichen Mikroorganismen und/oder Pilzen zu natürlichen Komponenten wie CO ₂ , Wasser, Humus und/oder Biomasse zersetzt werden können. Kompostierbarkeit lässt sich beispielsweise in Übereinstimung mit der Norm EN 13432 beurteilen.

Bevorzugt sollte der Bindemittelanteil der Formmasse zu mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mindestens 95 Gew.-% und insbesondere zu 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Bindemittels, aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sein. Demgemäß ist es auch bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Formmasse keinerlei Bindemittel auf Grundlage fossiler Rohstoffe enthalten.

Aus nachwachsenden Rohstoffen erhältliche bzw. gewonnene Bestandteile der erfindungs gemäßen Formmassen sind gewöhnlich solche, die aus Rohstoffen pflanzlichen oder tierischen, bevorzugt pflanzlichen Ursprungs stammen. Dabei kann es sich um Substanzen handeln, die unmittelbar aus pflanzlichem oder tierischem Material gewonnen werden können, oder aber um. Substanzen, die durch Verarbeitung eines pflanzlichen oder tierischen Materials gewonnen werden, wobei, bei der Verarbeitung keine synthetischen und/oder aus fossilen Rohstoffen gewonnene Bestandteile hinzugefügt werden sollten. Beispiele für derartige Verarbeitungsschritte sind die Reaktion mit anderen pflanzlichen oder tierischen Materialien, die Verarbeitung durch Mikroorganismen (z.B. Fermentation) und/oder die Polymerisation oder Poiykondensation von Substanzen, die aus pflanzlichem oder tierischem Material gewonnen werden. Auch Bindemittel, die aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sind, können beispielsweise als solche in pflanzlichen oder tierischen Materialien vorliegen (z.B. Stärke), oder können durch eine Verarbeitung von Substanzen erhalten werden, die in pflanzlichem oder tierischem Material vorliegen (z.B. Celluloseacetat). Sie können darüber hinaus auch durch Polymerisation von Monomeren erhalten werden, die in pflanzlichen oder tierischen Materialien vorliegen, oder die durch Verarbeitung, z.B. Fermentation, von derartigen Materialien gewonnen werden (z.B. Polymilchsäure).

Bevorzugte biologisch abbaubare thermoplastische Bindemittel zur Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ausgewählt aus Polysacchariden, Polyestern, Ligninen, Gelatine und Gemischen aus mindestens zwei dieser Bindemittel.

Polysaccharide können in ihrer natürlichen Form eingesetzt werden, oder in Form von Derivaten, beispielsweise Substanzen, bei denen Hydroxylgruppen des natürlichen Polyestersaccharids einer Ether- oder Esterbildung unterzogen wurden. Ein bevorzugtes Polysaccharid, das sich als biologisch abbaubares thermopJastisches Bindemittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung eignet, ist Stärke, insbesondere thermoplastische Stärke. Letztere ist unter anderem beschrieben in WO 90/05161. Stärke wird bevorzugt in ihrer natürlichen Form eingesetzt, wie sie beispielsweise aus Mais, Weizen oder Kartoffeln gewonnen wird. Sie kann im Bedarfsfall mit einem Weichmacher und/oder Plastifizierungsmittel, insbesondere natürlichen Materialien wie Glycerin, gemischt werden. Ein weiteres erfindungsgemäß geeignetes Polysaccharid ist ein Celluioseester, z.B. Celluloseacetat, Celluloseacetopropionat oder Celluloseacetobutyrat. Celluloseacetat ist unter diesen Substanzen bevorzugt.

Im Rahmen der Erfindung verwendbare Polyester sind beispielsweise Polymüchsäure, eine Polyhydroxyfettsäure, Polyglycolsäure sowie Gemische aus mindestens zwei dieser Polyester oder Copolymere, die aus Monomeren von mindestens zwei der genannten Polyester bestehen. Als Copolymer kann insbesondere ein Copolymer aus Milchsäure- und Giycolsäuremonomeren genannt werden. Als Polyhydroxyfettsäure ist insbesondere Polyhydroxybutyrat (auch als PHB oder Polyhydroxybuttersäure bezeichnet), Polyhydroxyvaierat oder ein Copolymer aus Hydroxybutyrat- und Hydroxyvalerateinheiten zu nennen. Besonders bevorzugt als thermoplastische Bindemittel sind Stärke, insbesondere thermoplastische Stärke, Polymilchsäure und Polyhydroxybuttersäure.

Dem biologisch abbaubaren thermoplastischen Bindemittel können im Bedarfsfall Additive zugesetzt werden, wie z.B. Weichmacher oder andere Verarbeitungshilfsmittel. Auch hier ist es bevorzugt, Additive zu verwenden, die aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sind.

Der Schmelzpunkt des thermoplastischen Bindemittels ist im Allgemeinen kleiner als 240°C, bevorzugt kleiner als 220°C. Er liegt bevorzugt im Bereich von 100 bis 200°C.

Die Menge des Bindemittels in der erfindungsgemäßen Formmasse beträgt im allgemeinen mindestens 10 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Formmasse. Im Hinblick auf den Gehalt des Füllstoffs liegt sie unterhalb von 50 Gew.-%.

Ein weiterer Hauptbestandteil der erfindungsgemäßen Formmasse, der in einer Menge von nicht weniger als 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Fomimasse, vorliegt, ist ein Fasermaterial pflanzlichen Ursprungs. Derartige Fasermaterialien sind in der Regel kompostierbar. Es sollte daher klar sein, dass eine biologische Abbaubarkeit, wie vorstehend in Bezug auf das thermoplastische Bindemittel näher erläutert wurde, für die gesamte Formmasse gewährleistet ist. Als Fasermaterial pflanzlichen Ursprungs eignen sich Pflanzen oder Pflanzenteile, die, beispielsweise nach einer entsprechenden Zerkleinerung, unmittelbar eingesetzt werden können, aber auch Fasermaterialien, die aus Pflanzen oder Pflanzenteilen durch Extraktion gewonnen werden.

Beispiele geeigneter Fasermaterialien sind Holz (z.B. Holzspäne oder Holzmehl), Getreideabfälle (z.B. Kornhülsen, die auch als Spelzen bezeichnet werden, insbesondere Dinkel- oder Reisspelzen), Palmfasern, Kokosfasern, Schilf, Hanf, Jute, Bast, Baumwolle, Hagasse, Stroh aus Getreide oder anderen Gräsern oder Kombinationen aus mindestens zwei dieser Materialien, Vorzugsweise werden Spelzen, insbesondere Dinkel- oder Reisspelzen, eingesetzt. Die Länge der Fasern im Fasermaterial pflanzlichen Ursprungs liegt vorzugsweise unterhalb von 30 mm, besonders bevorzugt unterhalb von 20 mm. Die Fasern sind bevorzugt länger als 1 mm.

Der Gehalt des Fasermaterials in der erfindungsgemäßen Formmasse beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht der Formmasse, nicht weniger als 50 Gew.-%, bevorzugt nicht weniger als 55 Gew.-% und besonders bevorzugt nicht weniger als 60 Gew.-%. Der Gehalt des Fasermaterials liegt in der Regel unterhalb von 90 Gew.-%, und bevorzugt unterhalb von 80 Gew.-%.

Insbesondere bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung Kombinationen aus Stärke, Polymilchsäure oder Polyhydroxybuttersäure als thermoplastisches Bindemittel und Dinkeloder Reisspelzen als Füllstoff.

Prinzipiell können den erfindungsgemäßen Formmassen konventionelle Additive wie Schlagzähigkeitsmodifikatoren, Flammverzögerungsmittel, Wärme- und UV-Stabilisatoren, Antioxidationsmittel, Farbstoffe und/oder Formtrennmittel zugesetzt werden. Um eine gute Umweltverträglichkeit und biologische Abbaubarkeit zu gewährleisten sollten die eingesetzten Mengen solcher Zusätze jedoch möglichst gering sein, ihr Gehalt in der erfindungsgemäßen Formmasse sollte 5 Gew.-%, bevorzugt 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Formmasse, nicht übersteigen bzw. es sollte ganz auf sie verzichtet werden. Auch für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Zusatzstoffe gilt, dass sie in der Regel aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sein sollten. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Formmasse bevorzugt frei von Zusätzen wie Harzsäuren oder modifizierten, z.B. mit Polyolen veresterten, Harzsäuren oder von natürlichen Hartharzen, Weichharzen und/oder Schleimharzen, welche derartige Harzsäuren als Hauptkomponenten enthalten.

Im Rahmen der der Erfindung sind Formmassen bevorzugt, deren organische Bestandteile (insbesondere das Fasermaterial und das Bindemittel) zu 100 % aus Bestandteilen biologischen Ursprungs bestehen bzw. deren organische Komponenten vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sind. Besonders sind im Rahmen der Erfindung Formmassen bevorzugt, die zu 100 % aus Bestandteilen biologischen Ursprungs bestehen bzw. deren Komponenten vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen erhältlich sind.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formmasse werden die genannten Bestandteile gemischt, vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Bindemittels liegt. Bevorzugt findet dieser Mischvorgang in einem Extruder, vorzugsweise in einem Doppelschneckenextruder, statt. Nach einem beispielhaft bevorzugten Verfahren wird das Rohmaterial im Doppelschneckenextruder in mehreren Stufen aufgeschmolzen, gemischt und entgast.

Nach dem Mischen kann das Material unmittelbar zum Spritzgießen verwendet werden, bevorzugt wird jedoch zunächst durch Extrusion ein Granulat der erfindungsgemäßen Formmasse hergestellt. Für das Granulat kommen alle dem Fachmann bekannten Granulatformen mit kugelartiger oder zylinderartiger Form in Betracht. Die Granulatgröße, die beispielsweise mit Siebanalyse bestimmt werden kann, liegt für mindestens 70 Gew.-%, bevorzugt 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-% der Granulatteilchen im Bereich von 0,1 bis 5 cm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 cm. Insbesondere bevorzugt sind Granulate mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form der Granalien, wobei der bevorzugte Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 mm, und die Länge im Bereich von 5 bis 20 mm liegt.

Das Spritzgießen der erfindungsgemäßen Formmasse erfolgt gewöhnlich bei Temperaturen im Bereich von 130 bis 250°C, bevorzugt 150 bis 230°C. Der Einspritzdruck Hegt in der Regel im Bereich von 1300 bis 2000 bar, bevorzugt im Bereich von 1500 bis 1800 bar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, bei der Herstellung der fasergefüllten Formmasse den Wassergehalt in der Mischung des Fasermaterials und des Bindemittels zu kontrollieren. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung eines Polyesters, wie z.B. Polymilchsäure, als thermoplastisches Bindemittel. So können Fasermaterialien typischerweise bis ca. 10 Gew.% Wasser enthalten. Das Wasser kann beim Extrudieren und Vermischen des Fasermaterials mit einem hydrolysierbaren Bindemittel eine Auflösung der Molekülketten im Bindemittel verursachen. Dies kann im Endprodukt zu einer Versprödung des Materials und einer Verminderung der Schlagzähigkeit führen. Um dies zu verhindern kann es hilfreich sein, ein Fasermaterial mit einem geringen Wassergehalt einzusetzen oder den Wassergehalt des Fasermaterials zu reduzieren, bevor es mit dem Bindemittel vermischt wird. Beispielsweise kann ein Fasermaterial eingesetzt werden, das einen geringen Wassergehalt von 0 - 5 Gew.%, vorzugsweise von 0 - 3 Gew. %, insbesondere von 0 - 2 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials, aufweist. Der Wassergehalt des Fasermaterials kann z.B. durch Vortrocknung des Fasermaterials vor dem Vermischen mit dem Bindemittel auf entsprechende Werte eingestellt werden.

In vorteilhafter Weise kann z.B. beim Extrusionsvorgang das Fasermaterial durch einen vorgeschalteten Extruder, oder auch eine Seitenbeschickung, bei Temperaturen von typischerweise 90 - 140°C, vorgetrocknet werden. Dies ermöglicht eine Produktion der erfindungsgemäßen Formmasse in einem Prozessschritt ohne zusätzliche Zwischenschritte (wie z.B. Trocknen und Zwischenlagern des getrockneten Materials). Das vorgetrocknete Fasermaterial mit reduziertem Wassergehalt kann nach Trocknung in einem vorgeschalteten Extruder anschließend zusammen mit dem Bindemittel, das üblicherweise in Form eines Granulats vorliegt, in dieselbe Fütteröffnung des eigentlichen Mischextruders gefördert werden. Alternativ kann das vorgetrocknete Fasermaterial mit reduziertem Wassergehalt auch durch Seitenbeschickung dem bereits aufgeschmolzenen Bindemittel im Extruder zugeführt werden.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Kontrolle des Wassergehalts, die alternativ zum Einsatz eines Fasermaterials mit geringem Wassergehalt oder ergänzend dazu zur Verfügung steht, ist die Zugabe eines Trockenmittels zu der Formmasse. Hier kommen typischerweise pul verförmige Trockenmittel zum Einsatz, wie z.B. hygroskopische Salze. Beispielhaft können hier Halogenide oder Nitrate von Erdalkalimetallen, wie Magnesiumchlorid, Calciumchlorid oder Calciumnitrat genannt werden, bevorzugt wird Calciumchlorid eingesetzt. Das Trockenmittel kann Wassermoleküle binden, so dass es nicht zu einer Reaktion des Wassers mit den Bindemittelmolekülen kommen kann. Das Trockenmittel, wie z.B. Calciumchlorid, ist bereits in geringen Mengen wirksam und kann der Formmasse in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.% in Bezug auf das Gewicht des Fasermaterials, vorzugsweise 0,025 bis 1 Gew.%, insbesondere 0,025 bis 0,5 Gew.% zugegeben werden. Die erfmdungsgemäßen Formmassen sind in vielen Bereichen einsetzbar. Sie eignen sich beispielsweise zu Herstellung von Verpackungsmaterialien, für die insbesondere eine weitgehend CO ₂ -neutrale Herstellung und eine problemlose Entsorgung von Vorteil sind. Ein weiteres Einsatzgebiet ist im Bereich des Gärtnereibedarfs zu sehen, da die Formgegenstände nach Einsetzen in das Erdreich ohne Verbleib schädlicher Rückstände zerfallen bzw. von Bodenorganismen zersetzt werden. Hier sind beispielsweise Pflanzgefäße zu nennen. Die Formmassen eigenen sich jedoch auch für die Herstellung langlebigerer Komponenten, wie beispielsweise Bauteile von Kraftfahrzeugen, die Umweltverträglichkeit mit guten physikalischen Eigenschaften verbinden.