Projekt 09194/01

Hydrophobierung und biologische Abbaubarkeit von Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen

Projektträger

Technische Universität DresdenInstitut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik
Bergstr. 120, Zi. 8
01062 Dresden
Telefon: 0351/463-4985

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Substitution von Kunststoffen durch umweltfreundliche, biologisch abbaubare Materialien erfolgt nur sehr zögernd, da z. B. Produkte auf Stärkebasis u. a. eine geringe Feuchtigkeitsstabilität besitzen. Durch gezielte Hydrophobierungsmaßnahmen soll dieser Mangel behoben werden, wobei jedoch die Kompostierbarkeit bzw. biologische Abbaubarkeit gewährleistet bleiben muß. Somit sollte eine schadstofffreie Rückführung der nicht mehr benötigten Produkte in den natürlichen Stoffkreislauf möglich sein.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenStärke läßt sich druckthermisch zwischen erhitzen Platten zu Formkörpern für Verpackungszwecke verfestigen (Waffelbacktechnik). Zur Veränderung der Produkteigenschaften mit dem Ziel der Hydrophobierung müssen verschiedene Möglichkeiten untersucht und überprüft werden.
Hierzu werden von der UCT in Absprache mit der TUD entsprechende Zusatz- und Oberflächenbehandlungsstoffe ausgewählt und vorbereitet. Die TUD wird die Verarbeitbarkeit dieser Stoffe sowie die Festigkeitseigenschaften und das Wasseraufnahmeverhalten hergestellter Produkte überprüfen. Parallel dazu laufen Untersuchungen zur biologischen Abbaubarkeit. Nach entsprechender Rückkopplung sind die verschiedenen Zusätze und Verfahren einzugrenzen und zu optimieren.
Zur Beschreibung des druckthermischen Formgebungsprozesses werden die thermodynamischen und rechentechnischen Erfahrungen der TUP zur Prozeßberechnung und -auslegung genutzt. Experimentelle Untersuchungen werden an der TUP nicht durchgeführt. In Absprache mit der TUP stellt die TUD Meßdaten zur Verfügung. Mathematische Ergebnisse und experimentelle Daten müssen laufend überprüft und korrigiert werden.
TUD und IBN entwickeln gemeinsam eine Technologie zur Herstellung von Formkörpern in Umsetzung der ermittelten Lösungswege. Durch das IBN wird für die praktische Überführung das optimale technologische Verfahren bestimmt und die Kooperation zu Industriepartnern aufgebaut.
Im Ergebnis der Untersuchungen sind für Verpackungsprodukte Lösungen zu finden, die eine hinreichende Feuchtigkeitsstabilität bei noch akzeptabler biologischer Abbaubarkeit besitzen.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Erhöhung der Feuchte- und Wasserbeständigkeit der Formkörper sind grundsätzlich zwei Wege möglich:
1. Hydrophobierung von innen, d. h. Zusatz von hydrophoben bzw. reaktiven Stoffen,
2. Hydrophobierung von außen, d. h. Aufbringen einer weitgehend wasserundurchlässigen Barriereschicht.
Zunächst wurde versucht, die Feuchte- und Wasserstabilität durch Zugabe von hydrophoben und reaktiven Stoffkomponenten zu erhöhen. Zahlreiche Stoffe wurden durch die TUD und das IBN getestet. Es zeigte sich, daß die Wirkung der verwendeten Stoffe begrenzt ist. Mit ausgewählten Stoffen kann eine geringe Hydrophobierungswirkung erzielt werden, die für begrenzte Anforderungen, z. B. kurzzeitigen Wasserkontakt, ausreichend ist. Jedoch sind die Einsatzmengen an hydrophoben bzw. reaktiven Ma-terialien, mit denen noch eine gute Produktqualität erzielt werden kann, so limitiert, daß das Anlösen der Formkörperoberfläche bei Wasserkontakt nicht verhindert werden kann. Die Verwendung dieser Stoffe führte teilweise schon bei geringen Konzentrationen zu einer schlechteren Produktqualität. Der Einsatz von reaktiven Stoffen ergab, daß der notwendige Reaktionsablauf unter den gegebenen Prozeßbedingungen nicht möglich ist.
Durch eine geeignete Beschichtung können hingegen die Wasser- und Feuchtebeständigkeit deutlich verbessert werden. Eine günstige Möglichkeit zum Beschichten bietet dabei die Verwendung einer Lösung oder Dispersion. Durch die Art und Konzentration des film-bildenden Stoffs können die Auftragsmenge bemessen und die Produkteigenschaften variiert werden. Die Beschichtung mit einem Copolyamid, welches an der UCT hergestellt wurde, lieferte positive Ergebnisse. Bereits bei einer sehr geringen Beschichtungsmenge ist eine sehr gute Wasserresistenz erzielbar.
Die Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit erfolgte mittels Screening-Tests. Demnach sind die Stärkeformkörper gut biologisch abbaubar. Für das Copolyamid, welches sich als schwer abbaubar erwies, ist noch zu klären, ob die biologische Abbaubarkeit dieses Materials der gültigen DIN-Norm ent-spricht.
Im Rahmen des Projektes wurde weiterhin ein thermophysikalisches Modell zur mathematischen Beschreibung des Prozesses der druckthermischen Verfestigung und Formgebung erarbeitet. Dieses Modell und zahlreiche Messungen zum Prozeßablauf ermöglichen, bestimmte Prozeßparameter im voraus zu bestimmen. Dies ist besonders für die praktische Prozeßgestaltung von Bedeutung.
Für die Einführung der erforderlichen Technologie in die Praxis und die Vermarktung dieser Produkte wurden Kontakte mit Interessenten aus verschiedenen Bereichen geknüpft, die auch nach Projektabschluß fortgeführt und präzisiert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Publikationen (in Vorbereitung)
- Möglichkeiten der Hydrophobierung von Formkörpern auf Stärkebasis.
- Bewertung der funktionellen Eigenschaften von Formkörpern auf Stärkebasis.
- Untersuchungen zum Prozeß der druckthermischen Verfestigung zur Herstellung von Stärkeformkörpern.
Vorträge
- Verfahren zur Herstellung poröser Formkörper auf Stärkebasis Arbeitssitzung des GVC-Fachausschusses Lebensmittelverfahrenstechnik in Zürich, März 1999
- in Vorbereitung: Thermal Pressure Forming of Starch Based Packaging Materials 2nd European Congress of Chemical Engineering ECCE-2 in Montpellier, Frankreich, Oktober 1999
Poster
- II. Internationale Fachkonferenz des Forschungsverbundes Mittel- und Osteuropa in Dresden, September 1998
- TERRATEC in Leipzig, März 1999
- Tagung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt in Dresden, Juli 1999
- Pressemitteilung und Veröffentlichungen in Tageszeitungen, Rundfunk- und Fernsehsendern


Fazit

Mit den Projektergebnissen können neue Einsatzfelder für Formkörper auf Stärkebasis abgesteckt werden. So ist sowohl ein Einsatz im Lebensmittelbereich z. B. als Verpackungsschale oder Geschirr für den Catering-Bereich als auch die Verwendung als Transportschutz im technischen Bereich möglich. Jedoch ist bei einer Produktionseinführung eine gezielte Optimierung der Produkteigenschaften bezogen auf den speziellen Anwendungsfall erforderlich. Aufgaben, die sich bei der Überführung in den technischen Maßstab ergeben, sind entsprechend der anzuwendenden Verfahren noch zu lösen.