CN102712400A - 可生物降解的泡沫状包装材料以及空隙填充支架 - Google Patents

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Abstract

本发明提供由获得自回收纸废料的淀粉和纤维素纤维制备的包装材料。所述方法包括将纸浆和淀粉的水悬浮液引入到模具中，并且同时从位于模具中的悬浮液抽取水。根据本发明制备的泡沫状包装材料和支架被设计用作为用于易碎品或者不规则形状物品的装运的缓冲器。当暴露在环境中的水时，所述包装是可生物降解的。

Description

可生物降解的泡沫状包装材料以及空隙填充支架
技术领域
本发明涉及100％来源于消费后的废纸的模制的纸浆纤维泡沫状(bubble)包装材料以及空隙填充支架。所述包装材料以及所述支架可用作为易碎品或不规则形状的物品的装运的减震设备。
背景技术
由高密度聚乙烯(HDPE)制成的塑料泡沫薄膜是通常用于包装易碎品的柔软塑性材料。直径为大约6-26mm的有规律地间隔排列的填充了空气的凸起的半球(“泡沫”)为珍贵物品或易碎物品提供了减震作用。可采用多层来防冲击和防震。单层可用作为表面保护层。
Bubble Wrap是由两位工程师，阿尔弗雷德·菲尔丁和马克·夏凡纳(Alfred Fielding and Marc Chavannes)，于1957年创建。该术语是新泽西州Elmwood公园的Sealed Air公司的注册商标。泡沫状包装材料以及其它产品是由包装供应商出售，包装供应商有例如U-lineShipping Supplies，芝加哥IL；Geami，Morrisville NC；Robins Paper Bag Co.Ltd.，坎特伯雷，肯特，英国；Nobisco Ltd，伯明翰，英国；PilloPak B.V.，Eerbeek，荷兰；Wholesale PackagingLtd.，多伦多，加拿大；Doverco Inc，蒙特利尔，加拿大；以及Lion ShippingSupplies Canada Inc.，米西索加，加拿大。
将根据定制的设计和形状而定制的置于容器内的物品装运并不总是可能的。在物品被装入在一较大的箱子时，可能有必要填充空隙以防止在装运期间移动或损坏。通常的空隙填充产品，例如所谓的包装填充颗粒，在装运之前和之后占用的空间与它们在装运容器中所占用的空间一样多。这对于承运人和包装接受人而言是不方便的。
然而，尽管广泛使用HDPE泡沫状包装材料和Styrofoam空隙填充物进行包装，但是根据现有的技术这些材料是不容易回收的。废弃的包装产生大量的废料并添加到垃圾填埋地。显然，需要保护生态环境的并100％生物可降解的比较便宜的包装材料。
附图说明
图1是本发明的纤维泡沫状物原型的图。左上角的图是俯视图；右上角的图是侧视图；下面的图是仰视图。
图2显示了另一纤维泡沫状物原型，所述纤维泡沫状物原型具有带有位于侧边并沿着中间向上的实心圆形支撑结构的大致半球结构。
图3显示了所述纤维泡沫状物的五种其它设计。
图4显示了将来自于生产线而以阵列形式包装的方形泡沫状物。
图5显示了所述泡沫状包装材料的制备方法。通过真空将纸浆引入到所述模具中，然后随着圆筒旋转至顶部时将所述纸浆挤出，从而将其粘到纸坯件(backing)上。
图6显示了根据所述制备方法制成的实际的纤维泡沫状物。
图7显示了用于空隙填充物包装的可生物降解的可堆叠的支架。其在配送和储存时可紧密堆叠，但是在所述交替的波浪形状不再对齐排成一行时，其分成共同占用更大空间的各单元。
发明内容
本发明提供适于包装并保护被包装物品的包装材料。本发明提供一种泡沫状包装材料，其可以与传统的泡沫状包装材料相同的方式应用。本发明提供一种具有交替的波形的支架，其可用于填充装运容器内的空隙。
本发明的所述材料具有相当大的改进，这是由于它们是可高效生物降解的并且是环境相容的。尤其是，通过简单的廉价方法由纤维和淀粉结合制备的泡沫状包装材料和支架，给予读者用于包装行业中的更环境友好的标准。
起始原料
用于制造本发明的泡沫状包装材料的纤维素纤维和淀粉可从各种来源获得。
用于纤维内容物中的适当的纤维包括人造纤维聚合物，例如聚酰胺尼龙、聚酯、酚醛树脂、聚乙烯醇纤维、聚氯乙烯纤维、聚烯烃类、丙烯酸纤维、碳素纤维、聚氨酯以及其它树脂基纤维。优选纤维素纤维，其是初生细胞壁以及绿色植物的结缔组织的天然结构成分。所有植物物质的大约33％是纤维素。工业应用的纤维素可从木质纸浆和棉物质获得(棉物质的纤维素含量为90％，而木质纸浆的纤维素含量为50％)。
特别是纤维素纤维被提供为作为纸浆的本发明的材料的起始成分。这涉及通过化学或机械方法将纤维从木材或纤维作物中分离出来而制备的纤维材料。包括有机械纸浆、化学热机械纸浆(chemithermomechanical pulp)、由硫酸盐制纸浆法(Kraft process)或由亚硫酸盐制纸浆法制备的化学纸浆，以及从工业和生活垃圾回收的纸浆。
由再生纸通过在温水浴中打浆，然后采用搅拌器分散纤维，制备得到用于图6中所示的泡沫状包装材料的原材料。
淀粉是由通过糖苷键连接在一起的葡萄糖单体组成的多糖碳水化合物。所有的绿色植物产生淀粉作为能量储备。纯的淀粉是白色的，并由直链淀粉、螺旋状直链淀粉、支链淀粉或它们的任意组合构成。根据植物的来源，淀粉通常包含20-25％的直链淀粉和75-80％的支链淀粉。每一种植物物种具有独特的淀粉颗粒大小：大米淀粉相对小(大约2μm)，马铃薯淀粉具有较大的颗粒(高达100μm)。
适用于本发明的淀粉源是工业玉米淀粉。可从目前由Akzo Nobel N.V.拥有的National Starch and Chemical Company(NACAN)，宾顿，安大略省，获得。他们提供湿部淀粉添加剂(wet-end starch additives)，以改善强度以及在酸性、中性或碱性纸和板生产中的产率，以及表面淀粉强度和印刷适性添加剂用于诸如无涂层的办公用纸、食品包装纸以及无涂层的书籍用纸等纸和纸板。
还可采用一些改性淀粉。
通过由食品添加剂的国际编码系统(INS)建立的系统对以下改性淀粉的列表进行分类：
●1401 酸处理的淀粉
●1402 碱处理的淀粉
●1403 漂白的淀粉
●1404 氧化的淀粉
●1405 酶处理的淀粉
●1410 单淀粉磷酸酯
●1411 甘油双淀粉
●1412 用三偏磷酸钠酯化的双淀粉磷酸酯
●1413 磷酸盐化的双淀粉磷酸酯
●1414 乙酰化的双淀粉磷酸酯
●1420 用乙酸酐酯化的淀粉醋酸酯
●1421 用醋酸乙烯酯酯化的淀粉醋酸酯
●1422 乙酰化的己二酸双淀粉
●1423 乙酰化的甘油双淀粉
●1440 羟丙基淀粉
●1442 羟丙基二淀粉磷酸酯
●1443 羟丙基二淀粉甘油酯
●1450 辛烯基琥珀酸淀粉钠
可根据需要在纸浆浆料中或者在制备工艺期间采用其它材料：例如，一种或多种表面活性剂、强化剂(strengtheners)、粘结剂、分散剂、亲微生物剂或抗微生物剂等等。然而，所述成分通常不是必要的，在这种情况下，它们可以被省略，以改善所述产品的保护环境性能。
具体实施方式
泡沫状包装材料的制造
图5描述了可以用于生产本发明的泡沫状包装材料的方法。首先将纤维素或者其它纤维和淀粉在液态介质(通常是水)以约2∶1至10∶1之间的比例配制形成悬浮液或浆料，具体比例取决于所需的硬度和降解性，通常为3∶1。该浆料被放置在容器中，并且被注入具有泡沫状物外形的模具。
图1显示了使用在本发明的工作实例中的泡沫状物的形状。该泡沫状物是圆顶形的，并且基本上呈正方形。支撑所述圆顶的是在对角之间延伸的拱形结构。四个圆形凹陷(每一侧各有一个)也能提供支撑。该正方形的优点是其允许多个泡沫状物紧密地排列在一薄片内，如图4所示。
图2显示了另一个适于使用在本发明中的泡沫状物设计。在此，所述圆顶的结构是圆形的并且具有五个支撑每个屋顶结构的实心支撑物(solidsupports)：一个在中心，其它的围绕圆周平均间隔分布。图3显示了可以单独使用或者可与前述形状的泡沫状物中的任一个或者两个结合使用的五种其它的泡沫状物设计。这些泡沫状物在其内部可以是实心的，但是通常是薄壁的，以在泡沫状物外壳和衬板(backing)之间能形成空气空间。
一旦所述浆料被注入到模具中，则继续维持真空直到所有的水基本上被去除。然后压力被反向施加，使得泡沫状物从模具退出。以这种方法形成的泡沫状物的样品如图6所示。这些泡沫状物然后通常被粘附到合适的可降解材料(通常由纸制成)的衬板上。用于涂覆到该纸的设置泡沫状物的一侧的胶水通常选择环境友好型的胶水，例如淀粉基或者乳剂基(milk-based)的胶水。
本发明的泡沫状包装材料的缓冲性能、弹性以及日常耐用性可以通过改变纤维与淀粉之间的比例、通过将淀粉的植物来源改变成具有不同性能的植物来源以及通过对不同组分进行调整而进行调节以适合使用者可想到的目的。所述泡沫状物的设计、壁的厚度、支撑结构的种类以及浆料的组成可以选择以使得该泡沫状物能抵抗压挤且具有所需的抗震度。
填充空隙的支架的制造
图7描述了本发明的可降解的可堆叠的支架(brace)，该支架能够使用在填充空隙的包装中。该产品被称为“支架”，因为其被设计成通过支撑被运送的货物、装运容器的壁、其它支架或者容器中的其它物体来填充包装空间中的空隙。该支架具有“波纹状的”型材(sections)，这意指在该型材中纸浆和淀粉板(pulp and starch board)带在该支架的中间平面规则地上下波动或折叠。该支架具有两个或更多的并排设置的波纹状型材(在图中显示了每个支架中具有三个这样的波纹状型材)。该波纹是交替的，即当一条带状物大体上向上折叠时，在另一侧的相邻的带状物大体上向下折叠。该支架是可堆叠的，即在成套的所有的支架具有基本上相同的折叠或者波纹样式，以允许这些支架以最小化该套支架占据的空间的方式相互叠在一起，而且只有当以这种方式堆叠时才能最小化其占据的体积。
该波纹状带状物以某种方式交联以形成单一部件。在图7中，该些带状物在其各自端部交联。可选择地或者另外，这些带状物可以在它们相交的地方交联。该交联可以在该带状物产生和折叠的时候实施，或稍后实施。
该可堆叠的支架能通过将纤维和淀粉浆料注入到两部件的模具(其中这两部件是互补的)中来形成。这可通过当所述两部件的模具穿过在水中的浆料和淀粉液时使真空穿过所述模具的一个或优选两个部件从而在每一个部件上聚集一层涂层来完成。然后将这两个部件压在一起，为所述支架留有足够的空间。然后通过真空将模具中的浆料中的水排出，然后将该模具的两个部件分开以移除支架。
一种可选择的制造方法使两种原料的浆料通过一系列的辊子对其进行挤压来制造纤维和淀粉薄片。参见加拿大专利公开2,638,232。将该薄片切成需要数量的波纹排，并在该薄片仍然具有延展性(malleable)时将其折叠成最终的形状。在所述支架被铸模成期望的形状后，进行最后干燥。
用途
本发明的泡沫状包装材料可以与传统的泡沫状包装材料一样的方式投入使用。将易碎的或者不规则形状的货物包在一层或多层本发明的包装材料中，然后将其放入合适的容器中进行装运。还可以考虑的是包括与泡沫状包装材料相匹配的外部容器(例如外壳或箱子)的结合的包装材料。
一旦货物被包装以用于运送并放在运送容器中，那么本发明的一个或多个可堆叠的支架能够被使用以填充所述被包装的货物与该容器的侧部和/或顶部之间的空间。因为这些支架是由纸浆和淀粉做的，所以如果需要调整尺寸以适合更小的空间，可以对这些支架很容易地进行切割。本发明的支架的一个特别的优点是在用于填充空隙前，通过将波纹相互对应而对齐(如图7的“层叠的”设置所示)，这些支架可以紧密地堆在一起以用于配送和存储。然后这些支架可被单个地或者结合地用于填充装运容器中的空隙。通过排列这些支架以使得所述波纹不再对齐，每个支架将占据由其波纹的顶部和底部所限定的体积的大部分。与在存储中或在使用中基本上占据相同的体积的填充花生状物(peanuts)或颗粒不同，本发明的支架以紧凑的对齐形式存储，但是以不对齐的形式用于填充空隙，从而相当大地扩张了占据的体积。
本发明材料被设计成“可生物降解的(biodegradable)”，其意味着当暴露户外的自然环境(特别是水)中时，这些材料可容易地降解。水会很快地移除淀粉，从而使纤维处于非压紧状态。这会在暴露于水后的几天或几星期内发生。当所述纤维是由纤维素(cellulose)制成时，该纤维也是自然产品，其基本与由植物制成的纤维素一样，可以相同的过程降解。因为空隙是由于盐的损失而形成的，所以降解是很快的。通常在一个月或更少的时间内，泡沫状包装材料的泡沫状组分会那么少到一次的大的降水事件中消失成看不见的微粒。该纸衬板(paper backing)消失的不会这么快，但其在自然环境中也是可降解的。用户需注意的是应通过检查当地的法律法规以及从小的试验样品开始来确保丢弃所述材料的地点的兼容性，以防附近的植物、动物或其它环境物体(environmental features)对降解的成分或副产品中的任何一种敏感。
在不背离下面的权利要求所体现的发明精神范围的情况下，本发明公开的材料可通过常规的优化进行有效地改性。

Claims (18)

1.用于包装的可生物降解的保护性包装材料，其包括主要由纤维素纤维和淀粉组成的粘附在衬板上的多个圆顶状结构。
2.根据前述权利要求所述的保护性包装材料，其中，所述纤维素纤维来自于回收的废纸制成的纸浆。
3.根据任一前述权利要求所述的保护性包装材料，其中，所述衬板是纸。
4.根据任一前述权利要求所述的保护性包装材料，其中，所述圆顶状结构是用基于淀粉的粘胶粘附到衬板上。
5.根据权利要求1-6中任一项所述的保护性包装材料，其中，所述圆顶状结构是方形的，其每边有一个圆形压痕。
6.根据权利要求1-6中任一项所述的保护性包装材料，其中，所述圆顶状结构是圆形的，并且有支撑每个圆顶的5个实心支持物。
7.制备任一前述权利要求所述的保护性包装材料的方法，包括：
a)把纸浆和淀粉在水中形成的悬浮液汲取到根据所述圆顶状结构外表面成形的模具中；
b)在模具中抽干所述悬浮液中的水份；
c)把在模具中干燥的源于所述纸浆和淀粉的圆顶结构脱模；和
d)把已脱模的所述圆顶结构粘到纸衬板上。
8.用于保护物品免受在装运中的可能的损坏的方法，包括把物品包裹在根据权利要求1-6所述的保护性包装材料中。
9.用于以减少物品损坏风险的方式装运所述物品的方法，包括装运在根据权利要求1-6所述的保护性包装材料中的所述物品。
10.用于处置根据权利要求1-6所述的保护性包装材料的方法，包括把它放置在会实质上暴露于潮气中的地方。
11.在空隙填充的包装中使用的可生物降解的可堆叠支架，包括多个交联交错的波形，其中，所述交错的波形基本上由纤维素纤维和淀粉组成。
12.根据权利要求12所述的保护性包装材料，其中所述纤维素纤维来自于回收的废纸制成的纸浆。
13.制备权利要求11-12所述的可生物降解的可堆叠支架的方法，包括：
a)把纤维和淀粉的浆料汲取到由两部件组成的模具中；
b)把该模具的两部件压缩在一起；
c)从所述模具中的所述浆料抽吸水份；并且接着
d)分离所述模具的两部件以移除所述支架。
14.用于保护物品免受在装运中可能的损坏的方法，包括把物品包装在装运容器中，在该装运容器中，使用了根据权利要求11-12所述的支架填充一个或者多个空间。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括把所述物品包裹在根据权利要求1-6所述的保护性包装材料中。
16.用于以减少物品损坏风险的方式装运所述物品的方法，包括装运容器中的所述物品，在所述容器中，使用了根据权利要求11-14所述的支架填充一个或者多个空间。
17.用于处置根据权利要求11-12所述的可生物降解的可堆叠支架的方法，包括将其放置在会实质上暴露于潮气中的地方。
18.用于制备一个或多个物品装运的套件，包括权利要求1-6所述的可生物降解的保护性包装材料；和根据权利要求11-12所述的可生物降解的可堆叠支架。
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