Neue Wege bei der stofflichen Verwertung von expandiertem Maisschrot
New ways in the material processing of expanded corn grit
by Miriam Siedenburg
Date of Examination:2023-09-15
Date of issue:2024-08-20
Advisor:Prof. Dr. Alireza Kharazipour
Referee:Prof. Dr. Alireza Kharazipour
Referee:Prof. Dr. Ursula Kües
Referee:Prof. Dr. Kai Zhang
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10674
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Abstract
English
The dissertation deals with a material based on expanded corn grits. In three work packages, various methods for adapting or improving the properties of this material are presented and discussed. The first work package deals with the further development of the physical-technological material properties. First, the influence of different granule size fractions on the particle composite was investigated. Here it was found that for a bulk density of 200 kg/m³, particle sizes between 3 mm and 4 mm with a bulk density of about 84 g/l are optimal for the production of popcorn composites. To improve stiffness, two different mesh reinforcements as well as an HPL were used. By inserting the meshes, significantly higher flexural strengths could already be achieved. By applying the fabrics to the outer sides of the panels, even higher bending strengths could be achieved. Coating the material with High pressure laminate (HPL) achieved flexural strengths of about 14.5 N/mm² at a bulk density of the core layer of 200 kg/m³. The third element of the first work package deals with the adaptation of a binder designed as close as possible to nature to the conditions specified by the starch containing granules. It was found that highest transverse tensile strengths can be achieved with the protein hemoglobin by adding 10 % glycerol and 60 % water. The second work package deals with the influence of climatic changes on the granules and the granule composite. For orientation, climate change tests with alternating storage of the specimens in the drying oven at 100 °C and a climate of 23 °C and 65 % were absolved. The tests already showed a strong influence of the climatic conditions on the volume and moisture content of the specimens. A second series of tests with ascending and descending relative humidities from 30 % to 90 % at a constant room temperature of 20 °C showed a clear hysteresis effect of the different popcorn composites. It was also shown that the volume of the test specimens was already subject to strong changes at the first increasing humidity from 30 % to 90 %. As bulk density, also the transverse tensile strength increased by three to four times depending on the binder and initial bulk density. For a more detailed investigation of the raw density changing effect, the relative humidity was increased from 65 % to 90 % in 5 % increments in a third series of experiments. The test showed, that longer stability of the popcorn composite is given with the use of UF resin. Here, the sharp increase in bulk density is observed at a higher relative humidity of 90 %, while the bulk density of hemoglobin-bonded popcorn composites shows a sharp increase already at 85 %. The transverse tensile strengths of UF resin-bonded popcorn composites was shown to be higher than the hemoglobin-bonded variants. Here, a stronger retrogradation of the material is assumed. This effect ensures higher cohesive forces within the sheet composite due to the accumulation of the amylose and amylopectin chains of the starch. In the fourth series of climatic tests, the influence of climatic changes on hemoglobin-bonded popcorn composites with different binder compositions and on popcornboards with different bulk densities is investigated. Both the reduction of the glycerol content in the binder from 25 % to 10 % and an increase in the bulk density from 100 kg/m³ to 300 kg/m³ resulted in a decreasing equilibrium moisture content of the material. However, there was no direct correlation between the equilibrium moisture content and the development of the board bulk density. The material with the lowest binder-related equilibrium moisture content showed the greatest increase in bulk density. Also, no linear correlation could be found between initial bulk density and final bulk density. The increased bulk density after air conditioning resulted in a three- to fourfold increase in transverse tensile strength. The fifth and final series of tests in this work package dealt with the influence of the climatic change on the pure granules. Three granule variants (unglued, glued with hemoglobin resin and glued with UF resin) were investigated. It was found that gluing can change the bulk density after air conditioning at 90 %: gluing with hemoglobin resulted in a slightly increased bulk density compared to the unglued granules. Gluing with UF resin, on the other hand, resulted in a lower bulk density compared to the unglued granules. In the third work package, packaging-specific properties are addressed. First, biophysical methods are tested to protect the material from insect infestation. In addition to quartz dust, diatomaceous earth is added to the binder liquor to prevent feeding pests from decomposing the material. There was no effect of the powdered insecticides on the development of three beetle species (Stegobium paniceum, Lasioderma serricorne and Tribolium castaneum). In contrast, other insecticides, such as Wolsit® T-33 or Diffusit® S from BASF Wolman GmbH, lead to a significantly reduced insect population. Besides pest control, options for coloring the granules were evaluated. With powdered food coloring, very good color results can be achieved. In the final section of the work, possibilities for the industrial production of popcorn composites were investigated. It was shown that the Pflugschar® mixer from Gebrüder Lödige offers uniform and time-efficient possibilities for pre-drying the popcorn granules. Also, a gluing of the pre-dried popcorn granules in this machine is possible. As a further method for curing the binder, radio wave technology was investigated. For this purpose, the use of the WaveFoamer® from Kurtz Ersa was investigated. The advantage of this technology in comparison to conventional processes results primarily from short cycle times and thus high productivity. In addition, a cost-efficient production of very voluminous material pieces is possible. Another advantage is that the curing temperature is generated in the center of the board, which enables good curing of the middle layer and transport of the moisture from the center to the outer layers of the material. So, the removal of this vapor is possible. This increases the choice of binder, since binders with very low solid contents can also be used. In addition to these technologies, the last work package also deals with the processing of popcorn composites on machines commonly used in the packaging industry. It was found that many of the shaping machines, such as the bridge die cutter or the CNC router, can also be used for popcorn composites without any problems. Labeling of the packaging material with a labeling laser could also be realized without major effort. In summary, it can be stated that by using the protein-based binder, a material can be produced on an exclusively renewable basis. Through the use of targeted reinforcements, it is possible to fulfill a wide range of material properties depending on the requirements profile. By adjusting the bulk density, the production of a very material-efficient material is possible. The economic efficiency of the material depends mainly on the development of the raw material price. Production costs can be kept low by using established process technology.
Keywords: Lightweight material; starch; near-natural; popcorn
German
Die Dissertation beschäftigt sich mit einem Werkstoff auf Basis von expandiertem Maisgrieß, sog. Popcorngranulat. In drei Arbeitspaketen wurden verschiedenen Methoden zur Anpassung bzw. Verbesserung der Eigenschaften dieses Werkstoffes vorgestellt und diskutiert. Das erste Arbeitspaket beschäftigte sich mit der Weiterentwicklung der physikalisch technologischen Werkstoffeigenschaften. Zuerst wurde der Einfluss verschiedener Granulatgrößenfraktionen auf den Partikelverbund untersucht. Hier stellte sich heraus, dass für eine Rohdichte von 200 kg/m³ Korngrößen zwischen 3 mm und 4 mm mit einer Schüttdichte von etwa 84 g/l optimales Ausgangsmaterial für die Herstellung von Popcornverbundwerkstoffen sind. Zur Verbesserung der Steifigkeit wurden zwei verschiedene Gitterverstärkungen, eines aus Flachs, das andere aus Glasfasern, sowie ein HPL (engl. High Pressure Laminate) eingesetzt. Durch das Einsetzen der Gewebe konnte die Biegefestigkeit auf 1,2 N/mm² bzw. 2,1 N/mm² um das fast zwei- bzw. dreifache gesteigert werden. Durch ein Aufbringen der Gewebe auf die Außenseiten der Platten konnten Biegefestigkeiten von 2,0 N/mm² (Flachs) bzw. 3,3 N/mm² (Glasfaser) erreicht werden. Die Beschichtung des Werkstoffes mit HPL erzielte bei einer Rohdichte der Kernlage von 200 kg/m³ Biegefestigkeiten von etwa 14,5 N/mm². Das dritte Element des ersten Arbeitspaketes beschäftigte sich mit der Anpassung eines möglichst naturnah gestalteten Bindemittels an die durch das stärkehaltige Granulat vorgegebenen Bedingungen. Es stellte sich heraus, dass mit dem tierischen Protein Hämoglobin durch Beimischung von 10 % Glycerin und 60 % Wasser bei einer Dichte von 200 kg/m³ sehr hohe Querzugfestigkeiten von 0,30 N/mm² bis 0,38 N/mm² erreicht werden. Das zweite Arbeitspaket behandelte den Einfluss klimatischer Schwankungen auf das Granulat und den Granulatverbund. Bei orientierenden Klimawechseltests mit abwechselnder Lagerung der Probekörper im Trocknungsschrank bei 100 °C und einem Klima von 23 °C und 65 % rH konnte bereits ein deutlicher Einfluss der klimatischen Bedingungen auf Volumen und Feuchtegehalt der Probekörper verzeichnet werden. Durch eine zweite Versuchsreihe mit auf- und absteigenden relativen Luftfeuchten von 30 % bis 90 % rH bei gleichbleibender Raumtemperatur von 20 °C konnte ein deutlicher Hysterese-Effekt der verschiedenen Popcornverbundwerkstoffe beobachtet werden. Der Unterschied zwischen Ad- und Desorption betrug hierbei etwa 2 % Materialfeuchte. In derselben Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass das Volumen der Probekörper bereits bei der ersten ZUSAMMENFASSUNG - ARBEITSPAKET 3: FORTENTWICKLUNG VERPACKUNGSSPEZIFISCHER EIGENSCHAFTEN 156 ansteigenden Luftfeuchte von 30 % auf 90 % rH starken Veränderungen unterlag. Auch der Vergleich der Querzugfestigkeiten, die je nach Bindemittel und Ausgangsrohdichte von 0,27 N/mm² auf bis zu 2,35 N/mm² anstiegen, zeigen deutliche Veränderungen des Popcornverbundwerkstoffs durch klimatische Veränderungen. In einer dritten Versuchsreihe wurde für eine nähere Untersuchung des rohdichteverändernden Effektes die relative Luftfeuchte in 5 %-Schritten von 65 % auf 90 % erhöht. Es konnte beobachtet werden, dass mit der Verwendung von UF-Harz eine längere Stabilität des Popcornverbundwerkstoffes einhergeht. Hier wurde die starke Rohdichtezunahme erst bei einer höheren relativen Luftfeuchte von 90 % beobachtet, während die Rohdichte von hämoglobinverleimten Popcornverbundwerkstoffen bereits bei einer niedrigeren relativen Luftfeuchte von 85 % rH einen deutlichen Anstieg verzeichnet wurde. Durch die spätere Volumenreduzierung der UF Harz verleimten Varianten kann mehr Feuchtigkeit in die Mittelschicht der Probekörper eindringen, wodurch eine höhere Volumenreduktion erreicht wird. Auch die Zunahme der Querzugfestigkeiten war bei UF-Harz verleimten Popcornverbundwerkstoffen deutlicher ausgeprägt als die hämoglobinverleimten Varianten. Hier wird von einer stärkeren Retrogradation des Werkstoffes ausgegangen. Dieser Effekt sorgt durch die Anlagerung der Amylose- und Amylopektinketten der Stärke für höhere kohäsive Kräfte innerhalb des Plattenverbundes. Hierdurch steigt der Kristallisationsgrad der Stärke, wodurch es zu einem Anstieg der Zugfestigkeiten des Werkstoffes kommt. In der vierten Reihe der Klimatisierungsversuche hämoglobingebundene wurde der Einfluss klimatischer Veränderungen auf Popcornverbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Bindemittelzusammensetzungen und auf Popcornverbundwerkstoffe mit unterschiedlicher Rohdichte untersucht. Sowohl die Senkung des im Bindemittel enthaltenen Glycerinanteils von 25 % auf 10 % als auch eine Erhöhung der Rohdichte von 100 kg/m³ auf 300 kg/m³ führte hierbei zu einer sinkenden Ausgleichsfeuchte des Werkstoffes. Zwischen der Ausgleichsfeuchte und der Entwicklung der Plattenrohdichte zeigte sich hingegen keine direkte Korrelation. Der Werkstoff mit der bindemittelbedingt niedrigsten Ausgleichsfeuchte zeigte die größte Rohdichtesteigerung. Auch zwischen Ausgangsrohdichte und Endrohdichte konnte kein linearer Zusammenhang ermittelt werden. Die erhöhte Rohdichte nach der Klimatisierung führte allerdings zu einer um das Drei- bis Vierfache gesteigerte Querzugfestigkeit. Die fünfte und letzte Versuchsreihe dieses Arbeitspaketes beschäftigte sich mit dem Einfluss der klimatischen Veränderung auf das reine Granulat. Es wurden drei Granulatvarianten (unbeleimt, mit Häm I beleimt und mit UF-Harz beleimt) untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Beleimung die Schüttdichte nach der Klimatisierung bei 90 % rH ZUSAMMENFASSUNG - ARBEITSPAKET 3: FORTENTWICKLUNG VERPACKUNGSSPEZIFISCHER EIGENSCHAFTEN 157 verändert werden kann: durch die Beleimung mit Hämoglobin ergab sich eine im Vergleich zum unbeleimten Granulat etwas erhöhte Schüttdichte. Durch die Beleimung mit UF-Harz hingegen fiel die Schüttdichte im Vergleich zum unbeleimten Granulat geringer aus. Im dritten Arbeitspaket wurden verpackungsspezifische Eigenschaften thematisiert. Zu Beginn wurden biophysikalische Methoden zum Schutz des Werkstoffes vor Insekten getestet. Neben Quarzstaub wurde Kieselgur in die Bindemittelflotte hinzugegeben, um Fraßschädlinge an der Zersetzung des Werkstoffes zu hindern. Es zeigte sich kein Effekt der pulverförmigen Insektizide auf die Entwicklung von drei verschiedenen Käferarten (Stegobium paniceum, Lasioderma serricorne und Tribolium castaneum). Andere Insektizide, wie Wolsit® T-33 oder Diffusit® S der Fa. BASF Wolman GmbH, hingegen führten zu einer deutlich verringerten Insektenpopulation. Neben dem Schutz der Verpackung vor Insekten wurden auch Möglichkeiten zur Einfärbung des Granulates evaluiert. Hier stellte sich heraus, dass mit handelsüblicher, pulverförmiger Lebensmittelfarbe sehr gute Farbergebnisse erzielt werden können. Im letzten Abschnitt der Arbeit wurden Möglichkeiten zur industriellen Herstellung von Popcornverbundwerkstoffen untersucht. So zeigte sich, dass der Pflugschar®-Mischer der Fa. Gebrüder Lödige gleichmäßige und zeiteffiziente Möglichkeiten zur Vortrocknung des Popcorngranulates offeriert. Auch ein Beleimen des vorgetrockneten Popcorngranulates in dieser Anlage ist möglich. Als weiteres Verfahren zur Aushärtung des Bindemittels wurden Radiowellen untersucht. Hier zeigte sich, dass die Verwendung des WaveFoamers® der Fa. Kurtz Ersa für die Herstellung des Werkstoffes möglich ist. Der Vorteil dieser Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ergibt sich vor allem aus kurzen Taktzeiten und somit einer hohen Produktivität. Außerdem ist die Verwirklichung sehr voluminöser Werkstoffstücke kosteneffizient möglich. Ein weiterer Vorteil lag in der Generierung der höchsten Temperatur in der Plattenmitte, wodurch eine gute Aushärtung der Mittelschicht und der Transport der Feuchtigkeit aus der Plattenmitte heraus in die äußeren Lagen des Werkstoffes ermöglicht werden. Somit ist der Abtransport dieser Feuchte möglich. Hierdurch vergrößert sich die Auswahl des Bindemittels, da so auch Bindemittel mit sehr niedrigen Feststoffgehalten eingesetzt werden können. Neben diesen Technologien wurde im letzten Arbeitspaket auch auf die Bearbeitung von Popcornverbundwerkstoffen auf branchenüblichen Maschinen der Verpackungsindustrie eingegangen. Es zeigte sich, dass viele der formgebenden Maschinen, wie die Brückenstanze oder die CNC-Fräse, ohne Probleme auch für Popcornverbundwerkstoffe eingesetzt werden können. Auch die Beschriftung des Verpackungsmaterials mit einem Beschriftungslaser konnte ohne größeren Aufwand verwirklicht werden. ZUSAMMENFASSUNG - ARBEITSPAKET 3: FORTENTWICKLUNG VERPACKUNGSSPEZIFISCHER EIGENSCHAFTEN 158 Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch den Einsatz des proteinbasierten Bindemittels ein Werkstoff auf ausschließlich nachwachsender Basis produziert werden kann. Durch den Einsatz von gezielten Verstärkungen ist es möglich, eine breite Spanne von Materialeigenschaften je nach Anforderungsprofil zu erfüllen. Durch die Anpassung der Rohdichte lässt sich ein sehr materialeffizienter Werkstoff generieren. Die Wirtschaftlichkeit des Werkstoffes hängt im Wesentlichen von der Entwicklung des Rohstoffpreises ab. Die Produktionskosten können durch den Einsatz von etablierter Verfahrenstechnik niedrig gehalten werden.
Schlagwörter: Leichtbau; Stärke; naturnah; Popcorn
