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Die Erfindung betrifft einen Stift mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft im Weiteren einen Schaft für Schreibgeräte, Malgeräte, Zeichengeräte und/oder Kosmetikstifte nach Anspruch 12 und ein Verfahren zur Herstellung des Stifts und/oder des Schafts mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Holzgefasste Stifte, bei denen die Mine von natürlich gewachsenen Holz umgeben bzw. ummantelt ist, sind seit Langem bekannt. In den letzten Jahren steigt aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von Holz der Preis für qualitativ hochwertige Hölzer, was sich direkt auf die Herstellungskosten der Stifte auswirkt. Zudem werden zur Herstellung von Stiften vergleichsweise große natürliche Holzvorkommen gebraucht.
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Als Reaktion hat sich die Herstellung von Bleistiften bzw. Minenumhüllungen und Minen mittels Extrusion aus Polymeren verbreitet. Als Basispolymer des Schaftgrundmaterials wird z. B. Polystyrol (PS) verwendet. Polystyrol hat den Vorteil der guten Verfügbarkeit, der einfachen Verarbeitbarkeit und guter mechanischer Eigenschaften des resultierenden Schafts.
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Vor diesem Hintergrund schlägt die Druckschrift
DE 10 2008 034 013 B4 die Verwendung eines Holzersatzstoffes für den Schaft eines Stiftes vor, wobei der Holzersatzstoff auf einem polymeren Bindemittel beruht.
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Ein derartiger extrudierter Stift ist beispielsweise auch aus der
EP 0 505 262 B1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, bekannt. Der darin beschriebene Stift besteht aus geschäumten Polystyrolen in der Umhüllung und einer flexiblen polystyrol-gebundenen Mine.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stift vorzuschlagen, welcher eine nachhaltige Alternative für den Stand der Technik darstellt, wobei zugleich die Gebrauchseigenschaften des Stifts, insbesondere die Spitzbarkeit und Biegefestigkeit erhalten bleiben soll. Diese Aufgabe wird durch einen Stift mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Schaft für Schreibgeräte, Malgeräte, Zeichengeräte und/oder Kosmetikstifte nach Anspruch 12 und ein Verfahren zur Herstellung des Stifts und/oder des Schafts mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten Figur.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Stift, wobei der Stift einen Schaft aufweist.
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Optional weist der Stift eine Mine auf, wobei der Schaft die Mine bevorzugt konzentrisch und/oder koaxial umgibt und wobei die Mine mit dem Schaft relativ zueinander verschiebefest und/oder unverschiebbar angeordnet ist. Insbesondere ist die Mine im Schaft dauerhaft unlösbar festgelegt und/oder nicht zerstörungsfrei lösbar. Beispielsweise ist die Mine gegebenenfalls über Zwischenschichten mit dem Schaft stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden.
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Der Stift ist insbesondere als ein gerader Zylinder ausgebildet, wobei die Zylindergrundfläche oder die Querschnittsfläche beispielsweise rund, oval, 3-eckig, 4-eckig, 5-eckig, 6-eckig oder mehreckig ausgebildet sein kann. Alternativ kann der Stift verdrillt oder verdreht gestaltet sein.
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Der Stift ist insbesondere spitzbar ausgebildet. Beispielsweise kann dieser mit einem Stiftspitzer, beispielsweise einem Buntstiftspitzer, Bleistiftspitzer, Spitzmaschinen oder Kosmetikstiftspitzer, gespitzt werden, wobei durch trennenden Materialabtrag vom Schaft und von der Mine eine kegelförmige Spitze des Stifts geschaffen oder überarbeitet werden kann.
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Der Schaft weist ein Schaftgrundmaterial auf, wobei der Schaft bevorzugt mindestens zu 60 Gew.-%, vorzugsweise mindestens zu 80 Gew.-% und insbesondere zu mindestens aus 98 Gew.-% oder sogar zu 100 Gew.-% aus dem Schaftgrundmaterial besteht. Alternativ oder ergänzend weist die Querschnittsfläche des Schaftes das Schaftgrundmaterial bevorzugt mindestens zu 80 % der Querschnittsfläche, vorzugsweise mindestens zu 90 % der Querschnittsfläche und insbesondere mindestens aus 98 % der Querschnittsfläche oder sogar zu 99 % der Querschnittsfläche auf. Insbesondere liegt das Schaftgrundmaterial in geschäumter, poröser Form vor.
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Insbesondere weist der Schaft einen Schaftkörper aus dem Schaftgrundmaterial auf. Der Schaftkörper ist in einem Querschnitt ringförmig, beispielsweise kreisringförmig, ausgebildet. Insbesondere kann die innere Kontur kreisförmig und/oder die äußere Kontur beliebig, z. B. rund, oval, 3-eckig, 4-eckig, 5-eckig, 6-eckig oder mehreckig ausgebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Schaftgrundmaterial in zwei Schritten hergestellt wird. In einem ersten Schritt werden die Bestandteile der Grundrezeptur gemischt. Es entsteht ein Grundgemisch mit der Grundrezeptur. In einem zweiten Schritt wird das Grundgemisch mit der Grundrezeptur mit einem Schäumungsadditiv gemischt. Es entsteht ein Herstellungsgemisch. Das Herstellungsgemisch wird thermisch über die Zersetzungstemperatur der Schäumungsadditive erhitzt und in die Form des Schafts gebracht. Es entsteht das Schaftgrundmaterial. Das Schaftgrundmaterial ist aufgeschäumt und weist Poren auf. Die gasförmigen Bestandteile des Schaftgrundmaterials können am Gesamtgewicht des Schaftgrundmaterials vernachlässigt werden. Das Verhältnis der Bestandteile der Grundrezeptur bleibt im Schaftgrundmaterial weitgehend bestehen.
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Die Grundrezeptur umfasst:
| 50 bis 80 | Gew.-% | PLA und/oder PLA-Copolymer |
| 20 bis 50 | Gew.-% | weitere Polymere, Weichmacher, Wachse/Gleitmittel, |
| sonst. Additive wie Haftvermittler, Stabilisatoren etc., Farbmittel, insbesondere |
| Pigmente, organische und/oder anorganische Füllstoffe. |
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Unter weitere Polymere kann neben Olefin auch Polybutylensuccinat (PBS) enthalten sein. Insbesondere ist der Anteil an PBS kleiner als 8 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 5 Gew.-% im Speziellen 0 Gew.-%. Die Grundrezeptur kann PBS-frei sein.
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Insbesondere umfasst die Grundrezeptur die folgenden Anteile der Bestandteile:
| 50 bis 80 | Gew.-% | PLA und/oder PLA-Copolymer |
| 0 bis 10 | Gew.-% | Polybutylensuccinat (PBS) |
| 0 bis 25 | Gew.-% | weitere Polymere |
| 0,1 bis 25 | Gew.-% | Weichmacher |
| 0 bis 10 | Gew.-% | Wachse/Gleitmittel |
| 0,1 bis 10 | Gew.-% | sonst. Additive wie Haftvermittler, Stabilisatoren etc. |
| 0 bis 10 | Gew-% | Farbmittel, insbesondere Pigmente |
| 0 bis 40 | Gew.-% organische und/oder anorganische Füllstoffe als |
| Schaftfüllstoffe |
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Zur Herstellung des Schafts des Stifts oder des Schreibgeräts, Malgeräts, Zeichengeräts und/oder Kosmetikstifts werden die Bestandteile der Grundrezeptur gemischt und als Grundgemisch der Grundrezeptur mit Schäumungsadditiven gemischt und als Herstellungsgemisch aufgeschäumt und in Form gebracht. Das Schaftgrundmaterial ist entstanden. Die Schäumungsadditive werden dabei bevorzugt in der finalen Extrusion in situ dem Grundgemisch der Grundrezeptur zugesetzt, um gezielt erst hier bei der Ausformung des Endproduktes ihre Wirkung zu erzielen.
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Zur Herstellung des Schaftgrundmaterials wird ein Herstellungsgemisch eingesetzt. Das Herstellungsgemisch weist folgende Bestandteile auf:
| 90 bis 99 Gew. % | Grundgemisch mit der Grundrezeptur |
| 1 bis 10 Gew. % | Schäumungsadditive |
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Der verwendete Anteil an Schäumungsadditiven ist einerseits vom Gehalt der mindestens einen Reaktivkomponente im Additiv abhängig, andererseits von der gewünschten Dichtereduktion im Endprodukt. Des Weiteren bestimmen spezifische Verfahrensparameter (Temperatur, Druck, Schmelzviskosität, Polymerverweilzeit im Extruder oder Spritzgussanlage, usw.) diesen Gehalt noch zusätzlich.
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Die Schäumungsadditive sind im Endprodukt in ihrer ursprünglichen Form nicht mehr enthalten, da sich diese gezielt thermisch zersetzen und ein expandierendes Gas freisetzen, das das Grundgemisch der Grundrezeptur aufschäumt. Somit werden Poren in der Kunststoffmasse hinterlassen, die auf einen Einsatz von Schaumadditiven zurückschließen lassen. Das gesamte Grundgemisch der Grundrezeptur wird aufgeschäumt, so dass durch die Schäumung die Angaben der Verhältnisse in Gewichtsprozent der Bestandteile der Grundrezeptur keine weitgehenden Veränderungen erfahren.
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PLA / PLA-Copolymer
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PLA ist eine Bezeichnung für polylactic acid, das insbesondere als Polylactid und/oder Polymilchsäure bezeichnet werden kann. Im Speziellen ist das PLA im Chemical Abstracts Service auch unter der Nummer CAS: 9051-89-2 registriert. Je nach Anzahl der Monomere im Polymer können die Eigenschaften des PLA als Polymer etwas variieren. Das PLA kann auch als PLA-Copolymer oder PLA-Blend vorliegen. Das PLA-Copolymer hat als ersten Bestandteil PLA und hat als zweiten Bestandteil ein Polymer mit dem das PLA copolymerisiert ist. Der zweite Bestandteil kann einzeln oder ein Gemisch aus z.B. Polyvinylalkohle (PVA), Polycaprolactone (PCL), Polyethylenglykol (PEG) etc. umfassen. Ergänzend können PLA-Blends verwendet werden, bei denen PLA als ein Polymer mit anderen Polymeren z.B. Polyolefine z.B. Polyethylen gemischt werden als PLA Blend. Das PLA kann als PLA, PLA-Copolymer, PLA-Blend und Gemische dieser vorliegen.
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Das PLA, PLA-Copolymer und/oder PLA-Blend liegt im Bereich 50 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 55 bis 70 Gew.-% bezogen auf das Schaftgrundmaterial vor.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass die bislang verwendeten Basispolymere, insbesondere das Polystyrol bzw. polystyrolbasierte Polymere aus erdölbasierten Edukten hergestellt sind. Gegen die Verwendung derartiger erdölbasierte Edukte vergrößern sich die Vorbehalte der Verbraucher, da zum einen Erdölressourcen dafür genutzt werden müssen und zum anderen das daraus resultierende Material nicht bzw. kaum kompostierbar ist. Beide Eigenschaften widersprechen dem aktuellen Trend, nachhaltige und/oder umweltbewusste Produkte zu fördern. Dagegen schlägt die Erfindung vor, als Basispolymer PLA (Polylactid-Polymere) zu verwenden, so dass der Einsatz von erdölbasierenden Rohstoffen in dem Stift deutlich gesenkt oder komplett vermieden wird. PLA, allgemein auch Polymilchsäure genannt, wird beispielsweise aus nachwachsenden natürlichen Rohstoffen, wie beispielsweise Mais, gewonnen und gehört als synthetisches Polymer zu den Polyestern. Somit ist das reine PLA bevorzugt aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und basiert nicht auf fossilen Rohstoffen, wie zum Beispiel Erdöl.
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Zudem ist das PLA kompostierbar und kann, insbesondere in einer industriellen Kompostieranlage, innerhalb von einem überschaubaren Zeitraum von insbesondere weniger als z. B. 12 Wochen in unbedenkliche Endstoffe zersetzt werden kann, insbesondere nach der Norm EN 14995 oder EN 13432, wobei andere ähnliche Normen andere Bedingungen und Zeiträume definieren können. Für die Kompostierung oder den Abbau von PLA sind industrielle Kompostierungsbedingungen notwendig, d. h. kontrollierte Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen, in Gegenwart von Mikroorganismen. Beispielsweise müssen hierbei die Temperaturen bei 55 bis 70 °C liegen. Mittels der industriellen Kompostierung ist es möglich, den Schaft des Stiftes laut Norm in unbedenkliche Endstoffe zu zersetzen und dieses als biologisch abbaubar zu bezeichnen. Spezielle Copolymere des PLA und/oder zusätzliche Polymere können das biologische Abbauverhalten dabei noch gezielt beeinflussen.
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Die mechanischen Eigenschaften von PLA können durch Additive an die des bekannten Polystyrols angeglichen werden. Die vorgeschlagene Zusammensetzung des Schaftgrundmaterials erlaubt die Herstellung eines Schafts, der die für Stifte nötigen Eigenschaften der Spitzbarkeit, Griffigkeit, mechanischen, thermischen und chemischen Stabilität aufweist. Damit bildet das PLA eine nachhaltige Alternative zu den bislang verwendeten Basispolymeren für die Herstellung des Stiftschaftes.
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Besonders vorteilhaft bei der Wahl des PLA hat sich gezeigt, dass, insbesondere im Vergleich zu anderen Kunststoffen, sich die originären Eigenschaften, wie z. B. Spitzbarkeit, Bruchfestigkeit, Haptik gegenüber den Polymeren aus dem Stand der Technik nicht negativ verändert werden. Damit stellt das PLA in der genannten und geschäumten Rezeptierung eine vollwertige, nachhaltige Substitution der bisher bekannten Polymere dar.
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Insbesondere ist das Schaftgrundmaterial als ein PLA-Blend- und/oder PLA-Copolymer ausgebildet. Beim PLA-Blend wird das PLA mit einem oder weiteren Polymeren gemischt. Beim PLA-Copolymer wird das PLA mit einem weiteren Polymer polymerisiert.
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PLA-Blends können kompatible Mischungen mit z. B. Polyethylenglykol (PEG) und Polypropylenglykol (PPG) sein, die in diesem Fall die Flexibilität des an sich spröden PLAs erhöhen. Es bieten sich aber auch inkompatible Mischungen mit z. B. Polyolefinen (Polyethylen PE, Polypropylen PP) an, um gezielte Eigenschaften zu erlangen. Diese bevorzugt aus biologischen, nachhaltigen Quellen hergestellt, wie z. B. aus Bioethanol oder hydrierten Pflanzenölen.
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Ebenso kann das Biopolymer Polybutylensuccinat (PBS) mit den obigen, weiteren Polymeren dem PLA/PLA-Copolymer beigemischt werden. Der Gehalt an PBS liegt dabei bei 0 bis 10 Gew.-%, bevorzugt mit einem Anteil von kleiner oder gleich 5 Gew.- %, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 Gew.-% und im speziellen kleiner oder gleich 1 Gew.-% bezogen auf das Schaftgrundmaterial. Das hat den Vorteil, dass die spröden Eigenschaften des PLA durch eine Zumischung von PBS etwas reduziert werden. Damit kann der Anteil von Weichmacher reduziert werden.
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Die weiteren Polymere des PLA-Blends oder PLA-Copolymers liegen im Bereich 0 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 20 Gew.-% besonders bevorzugt 7 bis 15 Gew.-% bezogen auf das Schaftgrundmaterial vor.
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Weichmacher
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Insbesondere weist das Schaftgrundmaterial einen oder mehrere Weichmacher auf. Die Weichmacher können neben der Co-Polymerisierung in einem Polymer (innere Weichmachung), auch in fester, polymerer Form oder als spezifische, ölartige, viskose Substanz in die Grundrezeptur eingebracht werden (äußere Weichmachung). Die weichmachende Wirkung wird dabei in der Regel durch die Temperaturbehandlung während der Granulierung bzw. Extrusion eingestellt.
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Insbesondere sind polymere Weichmacher auf Polyadiapatbasis (z. B. Polybutylenadipatterephthalat (PBAT) (CAS: 60961-73-1), aber auch andere elastische Polymertypen wie z. B. Polyethylentypen oder generell TPEs zu nennen.
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Weitere äußere Weichmacher sind u. a. epoxidierte Pflanzenöle wie z. B. epoxidiertes Sojaöl (ESBO) (CAS: 8013-07-8), aber auch Citratester wie Acetyltributylcitrat (ATBC) (CAS: 77-90-7). Des Weiteren können auch Glycerintriacetat (GTA) und Diethylhexyladipat (DOA) einzeln, oder die genannten Weichmacher in Kombination eingesetzt werden. Die Weichmacher liegen im Bereich 0,1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 7 bis 15 Gew.-% bezogen auf das Schaftgrundmaterial vor.
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Wachse, Gleitmittel
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Zur Erreichung einer geeigneten Prozessfähigkeit und zur Einstellung materialspezifischer Eigenschaften werden optional verschiedene Wachse und Gleitmittel als Gemisch eingesetzt. Das können u. a. sein, PE-Wachse (z. B. mit Maleinsäureanhydrid-Pfropfung), Amidwachse, Fettsäuren wie z. B. Stearinsäure und Palmitinsäure, Montanwachse, Stearate (z.B. Ca- Stearat), Fettsäureester, Paraffinwachse, aber auch Öle und Fette wie z. B. Palmöl. Der Gehalt an diesen Hilfsmitteln bewegt sich zwischen 0 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 5 Gew.-%.
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Für die Spitzbarkeit vorteilhaft ist es, dass das mindestens eine Wachs aus der Gruppe der Wachse umfassend Amidwachse, Fettsäuren wie z. B. Stearinsäure und Palmitinsäure, Montanwachse, Stearate, Fettsäureester, Paraffinwachse ausgewählt ist. Zusätzlich umfasst das Wachs Ethylen-Bis-Stearamid, Stearinsäure, Calcium-Stearat, Polyethylen-Wachs, Maleinsäureanhydrid - gepfropftes Polyethylen-Wachs.
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Sonstige Additive
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Sonstige Additive werden je nach Restrezeptierung für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. So werden Haftvermittler zur Anbindung inkompatibler Polymere untereinander, aber auch zu etwaigen Füllstoffen verwendet. Beispielsweise sei hier die Kopplung des PLAs mit Hilfe eines Maleinsäureanhydrit gepfropften Polyesters aufgeführt. Des Weiteren können diverse Stabilisatoren und/oder auch Nukleierungsmittel zugegeben werden. Der Gehalt an sonstigen Additiven richtet sich nach qualitativ und quantitativ nach den restlichen Komponenten und liegt zwischen 0 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 5 Gew.-%.
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Farbmittel
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Farbmittel dienen der Einstellung der gewünschten ästhetischen Farbwirkung und sollten das Schaftgrundmaterial einerseits natürlich, holzähnlich (Brauntöne) oder andererseits auch gezielt kontrastierend (schwarz bei Kosmetikstiften) einstellen. Bevorzugt werden dabei entsprechend thermisch stabile und physiologisch geeignete organische und/oder anorganische Pigmente wie z.B. Titandioxid, Eisenoxid, Azo-Pigmente etc. verwendet. Für das Aufhellen des Farbtons erwies es sich als vorteilhaft, wenn das Weißpigment aus Titandioxid (TiO2) gebildet ist. Für die Einstellung des gewünschten Farbtons ist es von Vorteil, wenn das Schaftgrundmaterial 0,1 bis 10 Gew.-% buntes Farbpigment z.B. Eisenoxidpigment als Teil des Farbmittels enthält. Der genaue Gehalt richtet sich nach der gewünschten Farbgebung und den bereits vorhandenen, farbgebenden Komponenten (z.B. Füllstoffen).
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Es gibt Farbmittel, die gleichzeitig einen Füllstoff darstellen, wie z.B. Graphit oder Russ. Für farbige Füllstoffe gelten die Anteile der Schaftfüllstoffe.
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Füllstoffe
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Bei einer bevorzugten Alternative oder Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaftfüllstoff zumindest teilweise aus einem anorganischen Füllstoff gewählt ist. Durch die Wahl des anorganischen Füllstoffes können beispielsweise die Festigkeit, Sprödigkeit und die Gleiteigenschaften beim Spitzen eingestellt werden, aber auch die Materialkosten entsprechend gesenkt werden. Es ist bevorzugt, dass der mindestens eine anorganische Füllstoff aus der Gruppe der Schichtsilikate, insbesondere Speckstein, Talkum, Ton, Kaolin, Kalziumcarbonat, aber auch aus Kreide, Bornitrid, Graphit gebildet ist, oder einer Mischung daraus. Organische Füllstoffe wie Holz- und/oder Cellulosemehle sind bevorzugt einzusetzen, da sie zum einen günstig sind und die Holzähnlichkeit fördern, zum anderen aber auch den Anteil an biologisch abbaubaren und nachwachsenden Komponenten in der Rezeptierung erhöhen.
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Der Schaftfüllstoff liegt im Bereich 0 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 20 Gew.-% besonders bevorzugt 4 bis 13 Gew.-% bezogen auf das Schaftgrundmaterial vor.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Schaftfüllstoff zumindest größtenteils oder sogar vollständig als ein organischer Füllstoff gewählt. Damit der Schaft einen holzähnlichen Charakter erhält, ist es bevorzugt, dass der organische Füllstoff aus der Gruppe umfassend Holz und/oder Cellulose gewählt ist. Beispielsweise kann bei der Fertigung Holzmehl verwendet werden. Für die Spitzbarkeit ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der mindestens eine organische Füllstoff aus Füllstoffpartikeln mit einer maximalen Partikelgröße von 250 µm, insbesondere von maximal 100 µm, gebildet ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Schaftfüllstoff zumindest größtenteils oder sogar vollständig als ein Gemisch aus dem vorherig beschriebenen anorganischen und organischen Füllstoff gewählt.
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Insbesondere ist das Schaftgrundmaterial farbmittelfrei. Alternativ weist das Schaftgrundmaterial zum Aufhellen des Farbtons des Schaftgrundmaterials 1 bis 3 Gew.-% Weißpigment als Teil des Farbmittels auf.
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Schaumadditive
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Durch die Schäumungsadditive wird die Grundrezeptur, insbesondere das PLA und die polymere Phase mit den weiteren Additiven aufgeschäumt. Damit weist das geschäumte Schaftgrundmaterial im Endzustand Poren auf, die den Schaftgrundkörper leicht und spitzbar machen.
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Die Schäumungsadditive werden dabei insbesondere beim Extruder oder Spritzguss in die Grundrezeptur eingemischt und homogen verteilt. Während des gemeinsamen Aufschmelzens im Extruderzylinder wird bei Erreichung des jeweiligen Zersetzungspunktes des Schäumungsadditives, eine definierte Gasmenge freigesetzt, die in der flüssigen Phase der Kunststoffmischung dispergiert wird. Mit dem Austreten der geschmolzenen Kunststoffmasse aus der Maschine und dem Eintreten des extrudierten Stranges in eine Kühl- und Kalibriervorrichtung, friert die Kunststoffmatrix ein und fixiert die Gasblasen im Schaftgrundmaterial.
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Bevorzugt wird der Prozess so geführt, dass sich die Poren homogen im gesamten Schaftgrundmaterial, insbesondere im PLA und gegebenenfalls weiteren Polymeren, ausbilden und die Poren nicht an der Schaftoberfläche zu sehen sind. Alternativ dazu wird das mit Schäumungsadditiven versetzte Schaftgrundmaterial mit einer Dekorschicht ohne Schäumungsadditive ummantelt, damit die Oberfläche des Schaftgrundmaterials porenfrei ist. Die Dekorschicht ist dabei idealerweise aus identischen oder zumindest kompatiblen Polymeren zum Schaftgrundmaterial ausgebildet, so dass es zu einer ausreichenden Haftung kommt.
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Zum einen wird durch die Poren das Gewicht und der Polymerverbrauch reduziert. Zum anderen wird das Schaftgrundmaterial des PLA elastischer, so dass der Einsatz von Weichmacher reduziert werden kann. Weiterhin kann das Schaftgrundmaterial des resultierenden Stifts durch die Poren mit herkömmlichen Spitzern leichter angespitzt werden. Weiterhin wird durch die Dichtereduzierung der Materialeinsatz an Schaftgrundmaterial reduziert und die Kosten gesenkt. Es werden dabei Dichten unterhalb von 1 g/cm3 erreicht. Das Vorhandensein von Poren im extrudierten Schaftgrundmaterial lässt auf die Zugabe von Schaumadditiven schließen. Die notwendige Menge an Schäumungsadditiven hängt von vielen Faktoren, wie z. B. dem Polymeranteil, Füllstoffmenge, Verweilzeit und -Temperatur des Schaftgrundmaterials im Extruder etc. ab und wird zwischen 1 und 10 Gew.-% eingestellt, bevorzugt zwischen 2 und 6 %. Die Schäumungsadditive werden dabei in der Regel als sogenannte Masterbatches (Wirkstoff/e bzw. Reaktivstoff/e eingebettet in ein Trägermaterial, meist ein Polymer) der Grundrezeptur zugegeben, um eine adäquate Mischbarkeit zu gewährleisten. Zum Einsatz kommen dabei bevorzugt physiologisch unbedenkliche Wirkstoffe aus der Gruppe der Carbonate und/oder Citrate zum Einsatz, die überwiegend CO2 als Gas abspalten und keine gefährlichen und/oder gesundheitsschädlichen Reaktionsrelikte hinterlassen. Die Schaumadditive umfassen dabei Carbonate oder Citrate. Als Carbonate können z. B. Ammoniumcarbonat Alkalicarbonat, wie Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat verwendet werden. Ammoniumcarbonat kann auch durch Zugabe von Calciumcarbonat zusammen mit Ammoniumsulfat hergestellt werden. Als Citrate können Ammoniumcitrat, Alkalicitrate wie z. B. Natriumcitrat, Kaliumcitrat verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Großteil der Bestandteile, unter den Randbedingungen der beschriebenen industriellen biologischen Kompostierbarkeit des PLA ebenfalls mitkompostierbar oder von vornherein biobasiert sind oder auch natürlichen Ursprungs sind, so dass diese nicht kompostiert werden müssen. Damit wird erreicht, dass das Schaftgrundmaterial in seiner Gesamtheit zumindest industriell biologisch abgebaut oder schadstoffneutral entsorgt werden kann. Besonders bevorzugt unterliegen alle Komponenten des Stiftes dieser Bedingung.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Mine und dem Schaft eine Haftvermittlerschicht angeordnet. Durch die Haftvermittlerschicht wird der Verbund aus Schaft und Mine verbessert, so dass zum einen die Spitzbarkeit verbessert und zum andern eine Fixierung der Mine in dem Schaft gewährleistet wird. Insbesondere wird diese Option verwendet, wenn in Schaft und Mine zueinander inkompatible Polymere verwendet werden. Bevorzugt wird als Haftvermittler in der Haftvermittlerschicht Maleinsäureanhydrid - gepfropftes Polylactic acid-Wachs und/oder eine identische Pfropfung mit einem anderen Polyester verwendet.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist auch die Mine auf Basis von PLA hergestellt. Insbesondere weist die Mine als Bindemittel PLA auf. Bevorzugt ist die Mine aus den Bestandteilen ausgebildet, wie diese in der Druckschrift
DE 10 2013 016 355 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt via Referenzierung in die Beschreibung eingebracht wird („incorporated by reference“).
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Insbesondere weist die Mine ein Minengrundmaterial auf. Das Minengrundmaterial ist bestimmend für die industrielle Kompostierung. Das Minengrundmaterial weist mindestens ein Bindemittel mit 10 - 40 Gew.-% PLA auf. Insbesondere weist das Minengrundmaterial die folgenden Bestandteile auf:
| 10 - 40 | Gew.-% | PLA |
| 30 - 80 | Gew.-% | Minenfüllstoff |
| 0-20 | Gew.-% | Wachse/Gleitmittel |
| 0-10 | Gew.-% | Additive wie z.B. Weichmacher, Stabilisatoren, |
| Haftvermittler |
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Der Polylactid-Anteil an der Minenzusammensetzung liegt im Bereich von 10 - 60 Gew.-%, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 40 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 10 - 25 Gew.-%.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die polymergebundene Mine
| 10 bis 60 Gew.-% | Polylactid |
| 2 bis 25 Gew.-% | Wachs |
| 15 bis 70 Gew.-% | Minenfüllstoffe |
| 0 bis 5 Gew.-% | Palmöl |
| 0 bis 30 Gew.-% | Farbmittel |
aufweist.
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Es hat sich bewährt, wenn das mindestens eine Wachs der Mine mindestens eines aus der Gruppe umfassend Fettsäuren, Stearate, Montanwachse, Amidwachse und Paraffine ist. Auch Mischungen aus zwei oder mehreren Wachsen sind einsetzbar.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das mindestens eine Wachs Calcium-Stearat und/oder ein Ethylen-Bis-Stearamid (EBS) und/oder PE-Wachs ist. Sehr gute Ergebnisse beim Einsatz von Ethylen-Bis-Stearamid (EBS) wurden bei Farbminen erzielt. Bei Verwendung von Calcium-Stearat in Bleiminen wurden sehr gute Ergebnisse erzielt.
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Vorteilhafter Weise ist der mindestens eine Minenfüllstoff der Mine aus mindestens einem Füllstoff der Gruppe umfassend Graphit, hexagonales Bornitrid, Talkum, Speckstein, Schichtsilikate (Tone, Kaoline), Kreide.
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Für Bleistiftminen als Mine ist dabei insbesondere Graphit oder Graphit in Kombination mit Ruß als farbgebender Füllstoff bevorzugt, der aufgrund des hohen Gehaltes auch zugleich den Füllstoff darstellt. Für Farbstiftminen haben sich Kombinationen aus weißen oder farblosen Füllstoffen, wie Talkum, Schichtsilikate, hexagonales Bornitrid usw., mit farbgebenden Pigmenten, wie z.B. Azo-Pigmente, Phthalocyanine, Dioxazine, Chinacridone, Eisenoxide, Ruß, Graphit, Ultramarin, Eisen-Cyankomplexe bewährt.
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Es gibt Farbmittel, die gleichzeitig einen Minenfüllstoff darstellen. Für farbige Minenfüllstoffe gelten die Anteile der Minenfüllstoffe.
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Beispielsweise ist der Füllstoff für die Mine aus der Gruppe umfassend Schichtsilikat und Talkum (Farbstift) und Graphit (Bleistift) gewählt.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind das Schaftgrundmaterial und das Minengrundmaterial unmittelbar miteinander verbunden. Insbesondere sind diese stoffschlüssig miteinander verbunden. Durch die Wahl des PLA für die beiden Grundmaterialien kann auf eine Zwischenschicht vorteilhafterweise verzichtet werden, da diese gleichartigen Polymere aneinander ohne weitere Maßnahmen haften können. Somit kann durch die Wahl von gleichartigen Grundmaterialien die Haftvermittlerschicht eingespart werden und zudem ein stabiler Verbund aufgebaut werden.
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Insbesondere sind die Bestandteile der Mine unter den Randbedingungen der industriellen biologischen Kompostierbarkeit des PLA ebenfalls mitabbaubar oder sind biobasiert, wie dies bereits zuvor beschrieben wurde.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Stift als ein Schreibstift und/oder Malstift und/oder Kosmetikstift ausgebildet. Insbesondere kann dieser als ein Bleistift oder als ein Buntstift realisiert sein.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Schaft für Schreibgeräte, Malgeräte, Zeichengeräte und/oder Kosmetikstifte. Die Zeichengeräte sind beispielsweise als Stifthalter ausgebildet. Zu den Schreibgeräten zählen auch Kugelschreiber oder Fallstifte mit beweglicher Mine, deren Schaft aus den Schaftgrundmaterial mit der Grundrezeptur hergestellt werden kann.
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Insbesondere kann das Schaftgrundmaterial für Zeichengeräte so ausgebildet sein, wie dies zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist die Grundrezeptur des Schaftgrundmaterials gleich ausgebildet und/oder hergestellt.
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Insbesondere weist der Schaft für Schreibgeräte, Malgeräte, Zeichengeräte und/oder Kosmetikstifte ein Schaftgrundmaterial mit einer Grundrezeptur auf, wobei die Grundrezeptur
| 50 bis 80 | Gew.-% | PLA, PLA- Copolymer und/oder PLA- Blend |
| 20 bis 50 | Gew.-% | weitere Polymere, Weichmacher, Wachse/Gleitmittel, |
| sonst. Additive wie Haftvermittler, Stabilisatoren etc., Farbmittel, insbesondere |
| Pigmente, organische und/oder anorganische Füllstoffe als Schaftfüllstoffe, umfasst. |
| Das Schaftgrundmaterial ist aufgeschäumt und/oder weist Poren auf. |
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Der Schaft für Schreibgeräte, Malgeräte, Zeichengeräte und/oder Kosmetikstifte weist ein Schaftgrundmaterial mit den gleichen Eigenschaften wie das vorherig beschriebene Schaftgrundmaterial auf.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Stiftes und/oder des Schafts, wie dieser zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Schaft urformend auf die Mine aufgebracht wird. Als urformende Formgebungsverfahren können insbesondere Extrusion, Spritzguss oder Pressen eingesetzt werden.
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Eine Herstellung mittels Extrusion kann sowohl einstufig, als auch zweistufig erfolgen. Bei der einstufigen Herstellung werden alle Stiftkomponenten (Mine, ggf. Haftvermittlerschicht, Schaftgrundmaterial und Dekore) in einem einzigen Werkzeug endkonturnah, thermoplastisch ausgeformt und in nachfolgenden Kühlprozessen die Geometrie eingefroren.
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Bei der zweistufigen Extrusion erfolgt zuerst die Ausformung der Mine und - sofern notwendig - ggf. bereits der konzentrisch auf der Mine befindliche Haftvermittler. Letzterer kann in einer weiteren Variation auch mit dem Schaftgrundmaterial erst aufgebracht werden. Der so erhaltene Minenstrang wird dann in einem 2. Schritt und in einem zusätzlichen Werkzeug mit dem Schaftgrundmaterial und den Dekoren umhüllt. Danach ist der verfahrenstechnische Ablauf wieder identisch zu der einstufigen Variante.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Stifts als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Stifts als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt von einem Stift 1, wobei der Stift 1 beispielsweise als ein Schreibstift, Malstift, Kosmetikstift, Bleistift oder dergleichen ausgebildet ist.
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Der Stift 1 weist eine Mine 2 und einen Schaft 3 auf, wobei die Mine 2 in dem Schaft relativ zu dem Schaft 3 verschiebefest angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel ist die Mine 2 koaxial und/oder konzentrisch in dem Stift 1 angeordnet. Der Stift 1 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei dessen Grundfläche oder Querschnittsfläche beispielsweise kreisrund, mehreckig, oval etc. ausgebildet sein kann. Die Mine 2 ist im Querschnitt beispielsweise kreisrund ausgebildet. Der Schaft 3 weist die Außenkontur von dem Stift 1 und die Innenkontur von der Mine 2 auf.
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Der Stift 1 ist spitzbar ausgebildet und weist an einer Seite einen Spitzkonus 4 auf, wobei ein Schaftkonusabschnitt 5 von dem Schaft 3 in einen Minenkonusabschnitt 6 von der Mine 2 übergeht. Der Minenkonusabschnitt 6 bildet die Spitze des Stifts 1. Die Erzeugung des Spitzkonus 4 kann beispielsweise über eine trennende bzw. spanende Bearbeitung durch einen Spitzer erfolgen.
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Der Schaft 3 weist ein Schaftgrundmaterial auf, wobei der Schaft 3 zum größten Teil aus dem Schaftgrundmaterial gebildet ist. Optional kann der Stift 1 weitere Schichten aufweisen, insbesondere kann zwischen der Mine 2 und dem Schaft 3 in dem Stift 1 eine Haftvermittlerschicht 7 angeordnet sein, welche eine Zwischenschicht bildet. Alternativ oder ergänzend kann auf dem Außenumfang des Schafts 3 eine Dekorschicht 8 angeordnet sein.
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Es ist vorgesehen, dass das Schaftgrundmaterial auf Basis von PLA hergestellt ist. Beispielhafte Zusammensetzungen sind nachfolgend aufgeführt: Beispiel 1: Stift oder Schaft mit Schaftgrundmaterial, das folgende Grundrezeptur aufweist:
| 80 | Gew.-% | PLA | |
| 2,5 | Gew.-% | Calcium-Stearat | als Wachs |
| 1 | Gew.-% | PE-Wachs | als Wachs |
| 15 | Gew.-% | Epoxidiertes Pflanzenöl | als Weichmacher |
| 0,5 | Gew.-% | Eisenoxidpigment | als Farbmittel |
| 1 | Gew.-% | TiO2 | als Farbmittel |
Zur Schäumung wird zugesetzt:
| 5 | Gew.-% | polymeres Compound, beinhaltend als Reaktivkomponenten |
| Natrium bicarbon at / Zitronensäure als Schäumadditive auf Carbonatbasis |
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Bsp. 1 zeigt einen füllstofffreien Schaft hoher Porosität und einer ebenso hohen Kompostierbarkeit bzw. mit einem hohen Anteil an nachhaltigen Rohstoffen. Beispiel 2: Stift oder Schreibgeräteschaft mit Schaftgrundmaterial, das folgende Grundrezeptur als PLA-Blend aus PLA und PE aufweist:
| 65 | Gew.-% | PLA | |
| 5 | Gew.-% | PE | als weiteres Polymer |
| 5 | Gew.-% | PBAT | als Weichmacher |
| 10 | Gew.-% | ATBC | als Weichmacher |
| 2,5 | Gew.-% | MAH grafted PE-Wachs | als Haftvermittler |
| 1 | Gew.-% | MAH grafted PLA | als Haftvermittler |
| 10 | Gew.-% | Holzmehl | als organischer Füllstoff als |
| Scha ftfüllstoff |
| 1,5 | Gew.-% | TiO2 | als Farbmittel |
Zur Schäumung wird zugesetzt:
| 2 | Gew.-% | polymeres Compound, beinhaltend als Reaktivkomponenten |
| Natriu mbicarbon at/Zitronensäure als Schäumadditive auf Carbonatbasis |
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Bsp. 2 ist ein holzähnlicher Schaft mit mittlerer Porosität. Der Holzanteil von 10 Gew.- % unterstützt die Spitzbarkeit und den Anteil natürlicher, nachwachsender Rohstoffe in der Rezeptierung. Beispiel 3: Stift oder Schaft mit Schaftgrundmaterial, das folgende Grundrezeptur als PLA-Blend aus PLA und PBS aufweist:
| 69 | Gew.-% | PLA | |
| 6 | Gew.-% | PBS | als weiteres Polymer |
| 4 | Gew.-% | Talkum | als Schaftfüllstoff |
| 5 | Gew.-% | Epoxidiertes Pflanzenöl | als Weichmacher |
| 10 | Gew.-% | ATBC | als Weichmacher |
| 2,2 | Gew.-% | Stearinsäure | als Wachs |
| 2,2 | Gew.-% | Calcium-Stearat | als Wachs |
| 0,3 | Gew.-% | Eisenoxidpigment | als Farbmittel |
| 1,3 | Gew.-% | TiO2 | als Farbmittel |
Zur Schäumung wird zugesetzt:
| 2 | Gew.-% | polymeres Compound, beinhaltend als Reaktivkomponenten |
| Natri umbicarbon at als Schäumadditive auf Carbonatbasis |
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Bsp. 3 gibt einen höher elastischen Schaft mit mittlerem Schäumungsgrad wieder. Beispiel 4: Stift oder Schaft mit Schaftgrundmaterial, das folgende Grundrezeptur aufweist:
| 55 | Gew.-% | PLA | |
| 10 | Gew.-% | PBAT | als Weichmacher |
| 7 | Gew.-% | Epoxidiertes Pflanzenöl | als Weichmacher |
| 2 | Gew.-% | Ethylen-bis-Stearamid | als Gleitmittel |
| 2 | Gew.-% | PE-Wachs | als Wachs |
| 2,5 | Gew.-% | MAH grafted PLA | als Haftvermittler |
| 20 | Gew.-% | Holzmehl | als anorganischer Füllstoff als |
| Schaf tfüllstoff |
| 0,1 | Gew.-% | Eisenoxidpigment | als Farbmittel |
| 1,4 | Gew.-% | TiO2 | als Farbmittel |
Zur Schäumung wird zugesetzt:
| 4 | Gew.-% | polymeres Compound, beinhaltend als Reaktivkomponenten |
| Natri umbicarbo nat/Zitronensäure als Schäumadditive auf Carbonatbasis |
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Bsp. 4 stellt einen deutlich höher gefüllten Schaft mit hoher Porosierung dar. Beispiel 5: Kosmetikstift oder Schaft mit Schaftgrundmaterial, das folgende Grundrezeptur als PLA-Blend mit PE aufweist:
| 45 | Gew.-% | PLA | |
| 15 | Gew.-% | PE | als weiteres Polymer |
| 20 | Gew.-% | PBAT | als Weichmacher |
| 4 | Gew.-% | Epoxidiertes Pflanzenöl | als Weichmacher |
| 2 | Gew.-% | ATBC | als Weichmacher |
| 2 | Gew.-% | Ethylen-bis-Stearamid | als Gleitmittel |
| 1 | Gew.-% | Calcium-Stearat | als Wachs |
| 10 | Gew.-% | Kreide | als anorganischer Füllstoff als |
| Schaf ftfüllstoff |
| 1 | Gew.-% | Russ | als Farbmittel |
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Zur Schäumung wird zugesetzt:
| 4,5 | Gew.-% | polymeres Compound, beinhaltend als Reaktivkomponenten |
| Natriumbicarbonat / Zitronensäure als Schäumadditive auf Carbonatbasis |
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Bsp. 5 stellt einen schwarz gefärbten und spitzbaren Kosmetikstift mit hoher polymerer Weichmachung dar.
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Während in der 1 ein Stift 1 mit einem PLA-basierten Schaft 3 und einer konventionellen Mine 2 dargestellt ist, wobei zwischen der Mine 2 und dem Schaft 3 die Haftvermittlerschicht 7 angeordnet ist, zeigt die 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in der 2 ist die Mine 2 ebenfalls auf Basis von PLA hergestellt, wobei diese ein Minengrundmaterial aufweist, welches mindestens 10% PLA aufweist.
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Beispielhafte Zusammensetzungen sind nachfolgend dargestellt: Beispiel 1: Bleistiftmine
| 10 bis 60 Gew.-% | Polylactid |
| 2 bis 25 Gew.-% | Wachs |
| 0 bis 5 Gew.-% | Palmöl |
| Graphit | Rest |
Als Farbmittel für Bleistiftminen wird wie in den Beispielen dargestellt Graphit eingesetzt. Ebenso kann jedoch auch eine Kombination von Graphit und Ruß eingesetzt werden.
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Eine Zusammensetzung für eine Farbstiftmine umfasst:
| 10 bis 60 Gew.-% | Polylactid |
| 2 bis 25 Gew.-% | Wachs |
| 1 bis 30 Gew.-% | Farbmittel |
| Rest | Füllstoffe |
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Als farbgebendes Mittel bei Farbminen können bunte und/oder unbunte Pigmente eingesetzt werden. Als Beispiele für derartige Pigmente seien u. a. Azo-Pigmente, Phthalocyanine, Dioxazine, Chinacridone, Eisenoxide, Russ, Graphit, Ultramarin und Eisen-Cyankomplexe genannt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in der 2 kann vorteilhafterweise auf die Haftvermittlerschicht 7 verzichtet werden, da beide Grundmaterialien PLA-basiert sind und aufgrund der gleichartigen Bestandteile sich ohne Haftvermittlerschicht 7 ausgezeichnet stoffschlüssig und/- formschlüssig verbinden können.
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Bei dem Stift 1 in der 1 ist zumindest der Schaft 2 kompostierbar. Auch wenn die weiteren Komponenten möglicherweise schwerer kompostierbar sind, so bildet dieses Ausführungsbeispiel einen großen Schritt zu einer nachhaltigen Alternative für den Stift 1. Bei dem Ausführungsbeispiel in der 2 sind sowohl der Schaft 2 als auch die Mine 3 kompostierbar ausgebildet, so dass dieser Stift 1 eine nachhaltige Alternative darstellt.
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Die 3 zeigt schematisch einen Schaft 3 aus dem Schaftgrundmaterial mit einem Hohlraum 9. In den Hohlraum kann eine austauschbare, bewegliche Mine eingeführt werden. Bevorzugt kann sich die Mine im Hohlraum bewegen, wie z.B. bei einem Kugelschreiber. Der Schaft 3 kann einen Abschnitt darstellen. An den Enden des Schafts 3 können zusätzliche funktionale Enden zur Bewegungsbegrenzung der Mine wie z.B. eine Spitze oder ein Druckkopf montiert sein. Der Schaft 3 kann beispielsweise als ein Teil eines Schafts 3 eines Schreibstifts, Malstifts, Kugelschreibers, Kosmetikstifts, Bleistifts, Druckfallstift oder dergleichen ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann auf dem Außenumfang des Schafts 3 eine Dekorschicht 8 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stift
- 2
- Mine
- 3
- Schaft
- 4
- Spitzkonus
- 5
- Schaftkonusabschnitt
- 6
- Minenkonusabschnitt
- 7
- Haftvermittlerschicht
- 8
- Dekorschicht
- 9
- Hohlraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034013 B4 [0004]
- EP 0505262 B1 [0005]
- DE 102013016355 A1 [0050]