CN102985475A - 用于形状体的均质可生物降解的混合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种均质的可生物降解的用于生产形状体的混合物的制备方法。增强填料为选自多种天然来源的纤维，尤其是来自各种生产制品的废弃物。通过对竹子废弃物的纵向的磨蚀获得细长的纤维。将该纤维在pH8的水中煮20分钟，弃去上清有助于去除叶绿素。还将纤维研磨至2-4mm的优选的长度。该处理的纤维与所有的其他成分在转动体中混合，该转动体以1,800-2,000rpm的转速在环境温度转动5-10分钟。淀粉颗粒和其他成分渗透并在纤维基质中充分混合。渐进地加入水并捏合以形成易于生产需要的形状体的理想的团块。

Description

用于形状体的均质可生物降解的混合物及其制备方法

技术领域及工业实用性

本发明涉及用于制备用于形状体（shape-bodies）的混合物的组合物和方法，该混合物能使纤维组分在整个基质中均匀分散而不使用高粘度流体且具对于混合有较少的能量消耗。

技术领域

一种用于制备用于形状体的混合物的方法，其中该形状体在稳定的制品的基质中具有均匀分散的纤维组分，且具有改进的机械性能。

相关技术描述

本发明涉及一种使纤维在用于形状体的淀粉基的组合物中均匀分散的方法。而且，本发明提供一种显著减少能量的方法并使得生产成本最小化，这具有商业竞争力。

背景技术

目前对于环境的关注使得人们努力尝试使用较少的合成的不可降解的一次性的制品。很多人已经尝试生产可生物降解的、环境友好的且可再生的材料制成的用品，其中最常用的物品之一是淀粉，淀粉资源丰富、天然且可再生。可食用的食物容器例如托盘、锥体和杯子已经制成为包括防潮、食品级且隔离的涂层。通常添加脂肪或油类以帮助去除来自烘焙模具的形状体。这些脂肪的氧化导致这些容器变得腐臭。而且，这些淀粉基的容器通常太脆且非常易碎，因为它们具有不完全的低断裂能和低的弹性强度，而这些性质对于大多数包装材料是非常重要的。有效地使用这些制品的其他薄弱点是，它们在过于干燥或过于潮湿的条件下具有相当差的保质期，该条件将导致腐烂和腐败。

因此生产者试图通过用各种长度的纤维填充淀粉基制品以提高强度（Anderson等，美国专利号5,618,341;5,679,145;和6,168,857的专利）。使用纤维的一个主要问题是不能使纤维合适且均匀地分散在整个形状体中，从而导致该淀粉基容器具有非常差的质量。为防止纤维结块，已使用更多的液体组分以获得更好的纤维分散度。然而，即使在这样的淀粉基材料中添加大量的高达80％的水，也不会得到如Anderson等人（美国专利号5,679,145的专利）所提到的任何长度的纤维充分分散。不仅在分散上（甚至对于较短长度的纤维）不充分，而且加入如此大量的水会导致该制品的生产成本有较大的增加，因为需要增加时间和能量来从制得的产品中去除过量的水。因此，整体上，需要有纤维以增强淀粉基的制品的强度将是有商业竞争力的，但实现可生物降解的容器的最优成本-效益生产的最关键步骤是使纤维均匀地分散在整个形状体中。这样的问题已在许多用于制造淀粉基制品的发明中被强调。已经有人进一步尝试将少量的惰性无机填料加入至淀粉基组合物中以削减材料的成本。然而，仅加入少量的无机填料，即，小于10％（体积）是可能的，因为在这类填料的量增加时该模塑制品的机械性能和强度急剧下降。大多数尝试都失败了。所有这些都是在淀粉基的制品可用于商业上并在全世界范围使用之前有待解决的非常重要的问题。

王（Wang）（美国专利申请公开号US2009/0255639的专利申请）公开了一种用于制造可生物降解的纤维材料组合物的方法，该方法将软化的竹纤维、粘合剂、固化剂、防水剂、淀粉和水的混合物在1,000至1,800rpm/min的速度下搅拌。然而，使用25％-35％wt的水，与竹子粉末在1,000-1,800rpm/min的速度搅拌，如所述的，在35-45°C搅拌5-30分钟使竹纤维软化，这导致纤维在混合物中不均匀的分布。这导致在形状体制品中具有不需要的性能。

安德森(Anderson)和霍德森（Hodson）（美国专利号5,618,341和5,679,145的专利）尝试使用两步混合工艺使纤维均匀地分散在淀粉-粘合多孔基质中，其中通过使一部分淀粉基粘合剂或其他增稠剂在水中凝胶化形成预共混的混合物，以形成具有高的屈服应力的液相，并将这些纤维将基本均匀地分散在该液相中。然后，将剩余的淀粉基粘合剂、水和其它组分如脱模剂、无机填料、流变性改性剂、增塑剂、整体的涂层或密封材料、以及分散剂，加入到预共混的混合物以形成一可成型的淀粉基组合物。然而，这显然要消耗相当的时间和能量以使纤维均匀地分散在任何粘性液相中。因此，他们公开的方法需要很多昂贵的设备和更多的工作，并且难以实现该制品的有效生产。生产成本大大增加，并且不具有商业竞争力且该产品将是不可接受的。此外，在其公开中提到的，加入较大长度的纤维(>2mm)以用于提高模塑制品的强度不利地导致性能没有改进，甚至因为非常差的分散、结块、和/或纤维与初始组合物的淀粉基的液体组分的隔离而产生较差的制品。使用他们的分散方法生产形状体因此是不可能的。

田中（Tanaka）（美国专利申请公开号US2005/0158541的专利申请）尝试使用水溶性多糖并将植物纤维粉末分散于其中。在他公开的方法中，该植物纤维材料（60-200目）在高温使用150-180℃的蒸汽洗涤和消毒，其中酶的作用被终止并保持了植物纤维材料的天然颜色。他的发明将淀粉粉末、胶状物质粉末和水混合以形成植物纤维成型材料，该材料易于喷射成型。该植物纤维成型材料为滋润的粉末并且不具有流动性，直到它从喷嘴被注入到模具中。高温控制在60到130℃，因此需要使淀粉成胶状，并使得该材料流能填满模具。在该范围外的较低或较高的温度会导致在该模具中缺少填充，因为在前一种情况下该材料没有从注塑机的注射喷嘴排出。在后一种情况下，在高于130℃的温度，注塑成型机的喷嘴吹出的蒸汽体积增加使得该模具的腔体的端部被气体填充，从而导致填充的缺乏。因此，田中描述的方法是不理想的，且不具有制造上的竞争力，因为它是不一致的且具有低重现性。

总体来说，已进行这么多的尝试，用于使不同长度的纤维均匀地分散在整个淀粉基基质中以增加制品的强度。到目前为止，使用具有更大粘度的水或液相并没有帮助解决结块的问题，因此导致不可接受的性能非常差的产品，并且使其消耗相当的时间和能量，因此商业上并不可行。

Poovarodom和Praditdoung（美国专利号7,067,651的专利）公开了一种非合成的可生物降解的淀粉基组合物和将该组合物转化成各种泡沫类的产品的方法。该方法现已经被成功的改进，以通过添加天然纤维增加形状体的强度，该纤维均匀地分散在整个淀粉基质中，且最小地利用了时间和能量。

在本领域中，提供一种理想的制造均质的可生物降解的用于形状体的混合物的方法将是一个巨大的改进。该方法相对于现有技术在生产工艺的成本-效益和其重现性方面有巨大的改进，其中在混合过程中不需添加水。所有的组分与纤维混合，并以适当的速度离心，该速度可以使淀粉颗粒与其它颗粒组分一起渗透并与该纤维组分均匀混合，产生易于使用的均质的大的（bulky）物质块。在混合过程中不需要增稠剂或任何粘性液相。在最终混合物的基质中未检测到结块。通过添加最佳量的水，并捏合，得到一种易于转化成所需的形状体的理想的团块（dough）。

发明内容

本发明描述了一种用于制备均质的可生物降解的混合物的方法，该混合物用于生产形状体。需要加强填料以增加容器的强度，使其在商业上是可接受的。来源于不同的天然来源的纤维，尤其是来自各种制造业的废弃物的纤维可作为填料。所使用的纤维材料是来源于竹制品生产的废弃物。可获得细长的纤维。处理是将纤维在pH8的水中煮20分钟，其中将上清液倒掉以去除叶绿素。进一步将纤维研磨至优选为2-4mm的长度。该处理的纤维与所有其他成分在转动体中混合，该转动体以1,800-2,000rpm的转速在环境温度转动5-10分钟。淀粉颗粒和其他成分渗透并与纤维材料混合均匀。向该干混合物中逐渐加入水同时捏合，产生用于生产形状体的具有最佳性能的团块。该干混合物可在使用前在室温下保存至少6个月。

具体实施方式

本发明描述了一种用于将用于形成可生物降解的形状体的多种成分与天然纤维混合以获得均质的混合物的方法，该混合物在其整个基质中基本上没有纤维组分的结块。该混合物易于进行进一步的处理。另一较大的优势是该干混合物与适量的水（0.5-1.0倍）一起揉捏之前具有相当长的保质期，长达6个月。这对于现有技术中描述的使用液体分散剂的所有混合物是不可能实现的，而且，这些混合物不可能进行甚至是短的时间的存储，如果存储，这将占用太大的空间。

在本公开文件中，用于增加形状体强度的天然纤维，可以是来自制造业，如家具和木材或食品制造业的废弃物，例如，果肉，果皮，米糠，坚果壳，木薯浆料等。最佳的是，来自竹子或禾本科（Poaceae）的其他植物的废弃物，合适的莎草科植物的废弃物。任何具有40％以上的纤维素的纤维都是最可取的，其中半纤维素和外部物质可作为连续基质内部的纤维素的粘合剂。纤维是通过对来自制造业的竹废弃物的研磨通过纵向磨蚀（abrasion）获得，这些竹废弃物否则需要被烧掉并使全球变暖问题恶化。纤维在pH8的水中煮20分钟，弃上清液以去除叶绿素和色素。这些具有20-30％wt的水分的纤维进一步被研磨至2-4mm的最终长度，且具有8-12％wt的水分。该处理过的纤维与所有其它成分在转动体中很好地混合，该转动体在1,800-2,000rpm的转速在环境温度转动5-10分钟。

不使用水，利用离心力使得淀粉颗粒和其他成分令人满意地均匀地渗透且与纤维部分充分混合。这是一种干混合，这与所有的现有技术有显著区别并且在时间和能量上非常有效率的，这使得该工艺具有较大再现性以具有商业竞争力，使得在最终产品混合物具有最好的性能。逐渐加入适量的水，约0.5-1.0倍（重量），优选为0.6倍（重量），同时捏合以形成用于制造所需的形状体的理想的团块。使用来自不同行业的废弃物来制造有用的产品，在环保节能方面有帮助，否则处置这些废弃物可能会花费巨大，并且这在当前是一个很大的环境问题。

实施例1用于形状体的组合物（重量百分比）

淀粉可以由木薯，大米，糯米，红薯，玉米，马铃薯，高粱或西米制备，可以单独使用，或作为混合物使用，以面粉或淀粉或改性淀粉的形式使用。塑化剂选自以下多元醇：甘油或山梨糖醇，或糖类，该糖类为糖，葡萄糖，果糖，葡萄糖糖浆和蜂蜜;或脂类或其衍生物，该衍生物为脂肪酸，脂肪酸酯，单甘油酯，二甘油酯，蒸馏的(distrilled)乙酰化单酸甘油酯或磷脂，它们可单独使用或作为混合物使用。增强填料选自：天然纤维材料，如来自竹子的纤维，或禾本科或莎草科的草，木薯浆料和惰性的多孔粉末，如石灰石，硅藻土，膨润土，沸石，滑石，它们可以单独使用或作为混合物使用。使用的粘合剂选自：水胶体，该水胶体为藻酸盐，树胶，琼脂，角叉菜胶，和魔芋粉，它们可以单独使用或作为混合物使用。碱或盐选自：氢氧化钙，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钙，碳酸钠，碳酸钾，碳酸铵，碳酸氢钠，碳酸氢铵，它们可以单独使用或作为混合物使用，它们的加入使该混合物的pH接近中性或微碱性。

该形状体的连续基质为30-70％的淀粉或面粉，其中来自制造业废弃物的木薯浆料可以替换这些淀粉或面粉，这有助于降低生产成本。

本发明公开的用于制备均匀的可生物降解的用于生产形状体的混合物的方法的最大的改进是干混合，这相对于使用液体分散剂的现有技术得到了更好的产品。液体分散剂的使用为试图克服纤维材料结块（clumping）的问题，这不利地导致非常差的具有不可接受的性能的产品。因此，本发明提供一种简便的使纤维材料在形状体的连续基质中完全分散的方法，该方法无需昂贵或高级的设备并使操作成本最小化并使生产过程中发生的不一致最小化，从而使该形状体的生产是最优的且最有效的。该混合物在环境温度下可以使用最小的空间存储直至使用，且该混合物具有长达至少6个月的保质期，这对于削减生产成本是非常有帮助的，其中存储一段时间对于使用液体分散剂的那些产品则是不可能的。

本公开的发明生产的具有均匀分散的纤维材料的强化的容器或制品完全不包含任何合成的不可降解的聚合物或树脂。因此它们在自然环境中为环境友好的，因为它们是可生物降解的，能分散并成为土壤的一部分。因此，它们可作为普通的有机废弃物被处理掉而不会违反容器回收法。

本发明提供了一种用于制备均质的可生物降解的混合物的方法，其中该混合物用于生产形状体，且具有适当的长度纤维均匀地分散在整个连续的基质中。该工艺消耗最少的时间和能量，但获得最好性能（特别是强度）的最终产品。本发明可以其它特定形式体现而不脱离本领域的普通技术人员利用本发明的范围。因此应理解在上面的说明书中包含的所有的物质应被解释为描述性的而非限制性的意义。

还应当理解的是，所附的权利要求书用于覆盖本发明的所有的一般和具体的特征，如本文所述，其中，作为表述的主题，本发明的范围内的所有陈述可认为是处于本发明范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种制备均质的可生物降解的混合物的方法，其中所述混合物用于生产具有所需的强度的形状体，所述方法包括以下步骤：在离心机的转动体中利用离心力将纤维与所有其他成分混合以使纤维增强填料均匀分散，然后通过添加水并捏合进行湿混合的进一步处理步骤，且其中纤维分散的均匀性是将最终产品对着明亮的光束视觉观察获得。

2.如权利要求1所述的制备均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料由竹子或其他禾本科的草或莎草科的草制成，或者由来自木材工业或食品工业的废弃物制成，其中所述纤维通过纵向磨蚀获得。

3.一种用于制备如权利要求2所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料长度为2-4mm。

4.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，使用的离心力为1,800-2,000rpm，且在环境温度持续5-10分钟。

5.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所有其他成分为：

其中所述淀粉具有水分12-14%。

6.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料占所述组合物的5-30%。

7.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述增强填料可将天然纤维材料，例如来自竹子、或禾本科或莎草科的草的纤维，木薯浆料单独使用或作为混合物使用，其中也可添加选自惰性多孔粉末例如石灰石，硅藻土，膨润土，沸石，滑石的其他非纤维增强填料，这些非纤维增强填料可单一使用或作为混合物使用。

Claims (7)

1.一种制备均质的可生物降解的混合物的方法，其中所述混合物用于生产具有所需的强度的形状体，所述方法包括以下步骤：利用离心力将纤维与所有其他成分干混合以使纤维增强填料均匀分散。

2.如权利要求1所述的制备均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料由竹子或其他禾本科的草或莎草科的草制成，或者由来自木材工业或食品工业的废弃物制成，其中所述纤维通过竹子的纵向磨蚀获得。

3.一种用于制备如权利要求2所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料长度为2-4mm。

4.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，使用的离心力为1,800-2,000rpm，且在环境温度持续5-10分钟。

5.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所有其他成分为：

6.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述纤维增强填料占所述组合物的5-30%。

7.一种用于制备如权利要求1所述的均质的可生物降解的混合物的方法，其特征在于，所述增强填料选自：天然纤维材料，例如来自竹子、或禾本科或莎草科的草的纤维，木薯浆料和惰性多孔粉末例如石灰石，硅藻土，膨润土，沸石，滑石，这些增强填料可单独使用或以混合物使用。