CN113260502A - 可成型纤维质片材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材，所述幅材适合于三维成型以形成包装产品，其中该幅材包括>40wt％软木化学浆和至少一种强度增强剂，其中该幅材具有小于400g/m2的克重，和其中所述软木化学浆的纤维素纤维具备>9％的纤维卷曲度。

Description

可成型纤维质片材及其制造方法
技术领域
本发明涉及源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材，其中所述幅材适合于三维成型以形成包装产品。
背景技术
对制造基于纤维素的三维(3D)产品、例如作为包装应用使用的产品的兴趣渐增。生产这样的产品的一种方式为通过将纤维幅材(web)或片材(sheet)深拉(deep draw)成形，也即其中将片材材料通过真空径向拉到成形模具中至特定形状。然而，基于纤维的幅材的3D成形性由于不足的断裂伸展率和伸长率性质而受到限制。作为一种实例，当使用常规的工具和系统时，由标准多层板来进行托盘(tray)的3D-成形受到限制。为改善纤维幅材或片材的3D-成形性，已经提出不同的解决方案，例如合成添加剂、合成纤维等的使用，但仍需要用于提供各种3D形状的基于纤维素的包装和产品的制造方式的更好解决方案。
发明目的
本发明目的在于提供源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材，所述幅材适合于例如借助深拉片材成形工艺而三维成型(模塑)为基于纤维的产品。
发明内容
根据本发明，提供源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材，所述幅材适合于三维成型以形成包装产品，其中该幅材包括>40wt％软木(针叶木，soft wood)化学浆和至少一种强度增强剂，其中该幅材具有小于400g/m2的克重，和其中所述软木化学浆的纤维素纤维具有>9％的纤维卷曲度。
使用具有高纤维卷曲度、例如>9％的纤维卷曲度的纤维使纤维质纤维素材料的幅材的伸展率提高。该伸展率在三维成型(本文中也称为三维成形)中是有用的。然而，虽然纤维卷曲度越高通常对于三维成型而言越好，但过高的纤维卷曲度可导致具有高絮凝的问题。因此，在一些实施方式中，软木化学浆的纤维素纤维的纤维卷曲度应保持在15％以下。例如，软木化学浆的纤维素纤维的纤维卷曲度可在9-15％之间。
具有一部分卷曲的纤维的浆料悬浮液例如可通过软木化学浆的高稠度精磨(精制)(HCR)或急骤(闪速)干燥而获得。本发明基于如下认识：尽管高的纤维卷曲度程度可在浆料悬浮液中实现，但在用于将浆料悬浮液成形为幅材所需的进一步的化学和/或机械加工步骤期间维持该高的纤维卷曲度程度是非常困难的。为改善浆料或纤维的结合(键合，bond)性质或其它性质而将卷曲纤维进一步处理(例如LC-精磨、疏解、混合等)将导致该纤维的拉直，当最终产品是用于3D成形时这是不期望的。因此，成品幅材(制成的幅材，finished web)中的纤维素纤维的纤维卷曲度程度将典型地显著低于浆料悬浮液中的纤维素纤维的纤维卷曲度程度。
本发明人认识到，若在成品幅材中还保留来自浆料悬浮液的高的纤维卷曲度程度会是可行的，则可改善所述幅材伸长率性质。
发明人已经发现，为了在不拉直纤维的情况下得到可接受的结合，可使用相对大量的强度增强剂。强度增强剂例如呈淀粉形式的天然粘结剂以比当强度增强剂在纸/板生产中使用时一般设想的量高得多的量加入到软木化学浆。
因此，在优选实施方式中，所述幅材包括强度增强剂。所述幅材中强度增强剂的量优选地高于当强度增强剂在纸/板生产中使用时常用的量。
强度增强剂可例如为合成或天然聚合物。可用作强度增强剂的合成聚合物或合成粘结剂的实例包括但不限于聚丙烯酰胺及其衍生物。可用作强度增强剂的天然聚合物或天然粘结剂的实例包括但不限于淀粉及其衍生物。
优选的强度增强剂为呈淀粉形式的天然粘结剂。发明人发现，通过将大量淀粉加入到浆料悬浮液可避免卷曲纤维在加工期间的拉直。淀粉的加入量优选地在5-75kg/tn范围内、和更优选地在10-75kg/tn范围内或在12-75kg/tn范围内。这些量比当淀粉在纸/板生产中使用时一般设想的淀粉量高得多。
向浆料悬浮液加入如此高的强度增强剂例如淀粉的量容许来自浆料悬浮液的较高的纤维卷曲度程度在幅材成品中也得到保留，并且结果是改善了幅材的伸长率性质。
在一些情形中，取决于浆料的类型和组成，还可将一定量的微原纤化纤维素(MFC)加入到浆料悬浮液，以提高浆料的强度增强剂装载容量。
一种可能的强度增强剂为淀粉。根据本发明的进一步方面，所述幅材以在5-75kg/tn之间、更优选地10-75kg/tn或12-75kg/tn的量包括至少一种呈淀粉形式的天然粘结剂。幅材可例如以在10-70kg/tn之间、10-60kg/tn、10-50kg/tn或7-30kg/tn的量包括至少一种呈淀粉形式的天然粘结剂。优选地，该幅材以10-50kg/tn之间的量包括至少一种呈淀粉形式的天然粘结剂。所述天然粘结剂可选自：天然(native)淀粉、蒸煮的(cooked)淀粉、阳离子淀粉、化学改性的天然淀粉、物理改性的聚合物接枝的淀粉、酶改性的淀粉、阴离子淀粉、两性淀粉、交联的淀粉、预胶凝的淀粉和溶胀的淀粉。根据本发明的优选方面，淀粉为预胶凝的淀粉或溶胀的淀粉。预溶胀的或溶胀的或预胶凝的淀粉意指，未蒸煮的淀粉粒料在溶剂中或例如在NaoH中溶胀使得颗粒尺寸例如直径增大至少5％或优选地大于10％。淀粉粒料的溶胀可从光学显微镜图像中确认。完全蒸煮的或溶解的淀粉粒料无法在常规光学显微镜中看到，因为颗粒边界和/或颗粒结晶度发生改变。
根据本发明的一个方面，该幅材包括0.3-10重量％、优选地0.3-5wt％的微原纤化纤维素，基于所述幅材的总纤维重量。微原纤化纤维素的加入使浆料的强度增强剂装载容量增大。这容许将比原本可能的更高量的强度增强剂例如淀粉加入到浆料并与其结合。
在一些实施方式中，该幅材包括5-75kg/tn之间、更优选地10-75kg/tn或12-75kg/tn的量的至少一种呈淀粉形式的天然粘结剂和0.3-10重量％的微原纤化纤维素两者。
根据本发明的一个方面，该幅材包括>50wt％、>60wt％、>70wt％、>80wt％或>90wt％的软木化学浆，其中所述软木化学浆的纤维素纤维具有>9％的纤维卷曲度。幅材的剩余组成可例如由具由9或更小的纤维卷曲度的纤维素纤维、或其它添加剂、或其组合构成。
根据本发明的一个方面，该幅材包括小于300、优选地小于220g/m2的克重。
为了适合于三维成型以形成包装产品，幅材优选地具有80g/m2以上、优选地100g/m2以上的克重。因此，幅材可例如具有80-400g/m2之间或100-300g/m2之间的克重。
根据本发明的另一方面，该幅材具有600–875kg/m3之间的密度。
已经预料不到地发现，包含卷曲纤维的木浆悬浮液的使用在使幅材材料成形时导致特定类型的内部结构，其继而导致改善的成型性质并且使得在所述材料的深拉成形时能够制造更先进的3D-成型体。由于本发明，可制造例如用于食物内容物的基于纤维的三维包装，其中可能的用途可包括：冷冻的加工海鲜或肉类、冷冻的肉类替代品、硬质乳酪和/或盒装什锦(assortment)。
本文中描述的“纤维质纤维素材料的幅材”也称为“纤维质片材材料”。
根据本发明的卷曲的纤维可为非织造的卷曲纤维。
根据本发明的另一方面，所述幅材已经经受疏水化施胶(上浆，size)。在此，幅材材料的吸收液体的趋势下降，若三维最终产品将用于容纳食品则这是一种优势。疏水性施胶剂可为松香、AKD、ASA施胶剂或其组合。也可想到本领域中知晓的其它施胶剂。
根据本发明的一个方面，纤维质片材材料的几何平均抗拉强度指数为>50Nm/g。抗拉指数为除以克重的以N/m计的抗拉强度并且表示在根据标准程序在23℃在50％RH的抗拉测试中在破裂前测试试样展现的最大拉力。
根据本发明的另一方面，所述纤维质片材材料具有>4％的几何伸展率。伸展率是指材料在破裂前的百分数伸长率。优选地，纤维质片材材料的幅材具有>4％的借助标准拉伸测试ISO 1924-2以20mm跨长和2mm/分钟的测试速度测量的几何平均伸展率，该几何平均伸展率是指所述幅材在破裂前的百分数伸长率。
根据本发明的另一方面，所述纤维质片材材料具有>6％、优选地>7％和更优选地>8％的在横向(CD)上的伸展率。优选地，纤维质片材材料的幅材具有>6.5％、优选地>7.5％、和更优选地>8.5％的借助标准拉伸测试ISO 1924-2以20mm跨长和2mm/分钟的测试速度测量的在横向(CD)上的伸展率，该伸展率是指所述幅材在破裂前的百分数伸长率。
根据又一方面，本发明涉及包括至少两层的多层层压体材料，所述至少两层的一层为如前描述的纤维质片材材料。所述层可分开制造并然后胶合在一起以形成所述多层层压体材料。
根据本发明的另一方面，所述多层层压体材料包括若干个如前描述的所述纤维质片材材料的层，它们胶合在一起以形成一体的层压结构体。
根据又一方面，所述多层层压体材料包括至少一种阻隔(屏蔽，barrier)层，例如形成对液体、气体、香味、或油脂、油和/或脂肪的阻隔的聚合物膜层。阻隔层可包括聚合物，例如聚烯烃、聚乳酸、聚酯、生物聚合物、基于淀粉的聚合物、分散体聚合物、塑性体、弹性体、乙烯乙烯基醇及其共聚物或其共混物。这样的阻隔层可挤出或层压到根据本发明的纤维质片材材料、或包含一个纤维质片材材料层的多层层压体的任意其它层上。
本发明还涉及成型的基于纤维的三维产品的制造方法，其包括至少如下步骤：
提供根据本发明的纤维质片材材料；
提供具有至少一个三维模具的成形工具；
使用所述成形工具由基于纤维的幅材形成三维产品。所述形成可为真空成形(例如深拉)、热成形、冷成形、压制或液压成形中的任一种。
由于本发明幅材材料特有的内部结构，可实现由所述片材至3D-产品的改善成型。本文中的“改善成型”意指由纤维质片材借助模具以3D形成制品和产品，其中所得最终产品不含裂纹和/或破裂。例如，由于本发明，可形成深度为3-5cm之间、优选地>4cm的在材料中不具有任何裂纹的基于纤维的三维产品(例如托盘或容器)。
本发明还涉及基于纤维的三维产品，其能够借助根据本发明的3D-成形方法获得。根据一个方面，根据本发明的基于纤维的三维产品包括具有多个层的层压体，所述多个层的至少一个层由根据本发明的纤维质片材材料制成。
本发明还涉及包括具有>9％纤维卷曲度的纤维素纤维的纤维质纤维素材料的幅材用于包装产品的三维成形的用途。
附图说明
图1显示由根据本发明的悬浮体制成的幅材材料的显微照片；
图2显示已经被拉开的幅材材料的显微照片；
图3显示图2中的幅材材料的透视图；和
图4说明纤维素纤维的扭折(kink)和卷曲。
具体实施方式
本说明书涉及源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材(即片材材料)，所述材料具有使其适合于基于纤维的产品例如托盘、食物包装和/或容器的3D成形的性质。本说明书还涉及由所述片材材料3D成形为所述基于纤维的产品。
本发明基于如下洞察：包含卷曲的纤维素纤维的浆料的使用导致对在由所述浆料制成的片材材料的三维成形时的改善。当片材成形时，浆料中存在的卷曲的纤维产生强的网络和絮凝，其继而导致所得的干燥的片材材料的改善的成型性。根据本发明，干燥的片材材料的纤维素纤维具有高于9％的纤维卷曲度。干燥的片材材料的纤维卷曲度借助将所述片材的一部分再制浆或离解、和之后通过标准方法例如在Valmet FS5图像分析仪中测量纤维卷曲度而测定。所述片材离解为浆料可通过标准方法例如通过由ISO 5263规定的描述实验室湿离解的程序而完成。
用一部分卷曲的纤维获得浆料悬浮液的一种方式为高稠度精磨(HCR)。其是用于生产原纤化的热机械浆料(TMP)的公知技术。“高稠度”是指高于20wt％的精磨的浆料悬浮液的卸料稠度。由于在HCR下的纤维间高的应力传递，赋予了微压缩，导致形成卷曲和扭折的纤维。卷曲纤维产生高絮凝，并且3D絮凝物由于机械联锁(interlock)而具有比刚性非卷曲纤维相对高的强度和絮凝物伸展性。
图1显示根据本发明的具有高于9％的卷曲度的干燥的基于纤维的片材材料的显微照片。图2和图3显示与图1相同的材料的实例，其已经经受伸展而导致破裂。图2中看出，幅材材料中的卷曲的纤维以如下取向：使得其与破裂部分重叠，由此扣留所述材料并且导致具有改善的对拉伸的容忍性的材料–即具有提高的伸展率的材料。
技术人员理解，“卷曲的”是指卷曲的纤维素纤维并且“扭折”是指在纤维素纤维轴向方向上的骤变。卷曲度％借助纤维图像分析仪器例如Valmet FS5测量，并且通过测量单独纤维轮廓和投影长度而测定。图4显示纤维卷曲和纤维扭折的图示。卷曲度％基于纤维素纤维的长度加权的卷曲度并且作为100％*(l/L)计算，其中l为纤维轮廓长度并且L为纤维的投影的端到端距离，即在纤维上相距最远的两个点之间的距离。
根据本发明的一个实施方式，将微原纤化纤维素(MFC)加入到浆料悬浮液以形成混合物，然后将所述混合物用于在传统造纸工艺(例如其中将浆料进料到造纸机，在造纸机中它作为纸幅成形并且通过压制或干燥从中除去水)中制造纤维质纤维素材料的幅材。MFC可例如在HC精磨步骤之前、期间或之后加入。微原纤化纤维素优选为由机械、热机械或化学浆料产生、优选地由牛皮(Kraft)浆产生的微原纤化纤维素。微原纤化纤维素优选地具有大于80的肖伯尔瑞格勒(Schopper Riegler)值(SR)。根据另一实施方式，MFC可具有大于93的肖伯尔瑞格勒值(SR)。根据又一实施方式，MFC可具有大于85的肖伯尔瑞格勒值(SR)。肖伯尔瑞格勒值可通过EN ISO 5267-1中定义的标准方法获得。该高的SR值是对于具有或不具有另外化学品的浆料测定的，因此纤维尚未固结成膜或开始例如角质化。本文中规定的SR值应理解为用于反映MFC材料本身的特性的指标而非限制。
优选地将天然粘结剂加入到意图用于制造幅材的浆料悬浮液，所述天然粘结剂优选地呈天然的、蒸煮的或溶胀的阳离子淀粉的形式。淀粉的溶胀可通过使淀粉交联、在溶剂中溶胀或部分(party)蒸煮而完成。
根据本发明的纤维质片材材料优选地用于意图用于容纳食品的产品的3D-成形。这样的产品除所述纤维质片材材料之外还可包括多个层。例如，所述产品可包括当产品在使用中时旨在与食品接触的阻隔层，其中这样的阻隔层可为例如聚合物阻隔层。这样的聚合物层可作为涂层施加到纤维质片材材料上、或在挤出工艺中挤出、或作为膜层压从而产生多层板，然后其可被3D成形为产品。如下也可被想到：在3D-成形步骤期间将阻隔层施加到产品上，在该情形中聚合物膜可与产品接触并且借助真空和热的组合与其粘附。
实施例
浆料悬浮液借助来自Scotts松木的HC精磨纤维素纤维以20wt％的稠度制备。参比样品(对应于表1中的样品编号1)借助来自Scotts松木的LC精磨纤维素纤维以3.5wt％的稠度制备。
使用HC精磨浆料悬浮液制备四个样品，它们对应于表1中的样品编号2-5。将呈溶胀的淀粉形式的天然粘结剂加入到样品2、4和5。淀粉通过如下制备：通过始于温度75℃蒸煮3分钟(最大85℃)、之后将其通过用冷水稀释到2％的稠度冷却而溶胀。
将各样品1-5用于制备克重为150g/m2的干燥的纤维质片材材料。
在几何抗拉指数、几何伸展率、在横向(CD)上的伸展率和纤维卷曲度％方面，对各片材材料(样品1-5)进行测试。
借助用Variovac Primus热成形生产线、使用恒定的预热和加热温度(两者均为90℃)的热成形还对各片材材料进行三维成形。加热时间和成形时间在0.5s和2s之间变化。所述成形在真空辅助的情况下完成。成形压力在0.4和1巴之间变化。使用了20mm模具深度，优化的模具几何形状。在一个成形周期中形成三个包装(3.1成形)。
片材的水分含量在5.4-7.3％之间(将样品预条件化)。
即便可施加真空，也可仅用通过温度和压力获得良好结果。成形可进一步用或不用电晕预处理进行。在成型后，可填充包装，其后将盖体封闭在包装上。
伸展率是借助标准拉伸测试(ISO 1924-2，以20mm跨长)测量的，其中待测试的片材以2mm/分钟的测试速度伸展直至其破裂的时刻。然后，伸展率对应于破裂时的百分比伸长率，即片材材料在经历伸展时形变而不断裂的以％计的程度。
在表1中，可转换性(Convertability)结果“差”意指3D-成形的产品具有在材料中可见的开放的裂纹；“中等”意指3D-成形的产品具有小的但可见的裂纹；并且“良好”意指在产品材料中看不见裂纹。
表1
Figure BDA0003143706620000081
结果
表1中可见，HC精磨提供比LC精磨处理更高的卷曲度％，并且进一步地，样品2-5具有比样品1更高的几何伸展率以及更高的在CD上的伸展率。与此一致地，可转换性测试也表明：所有样品2-5的3D成形性比样品1更好。用LC精磨制备的样品1具有良好的抗拉强度、但具有低纤维卷曲度，导致低伸展率。在用HC精磨但没有淀粉的情况下制备的样品3具有良好的伸展率但差的抗拉强度。根据本发明使用呈淀粉形式的强度增强剂制备的样品2、4和5展现良好的抗拉强度和导致高伸展率的高纤维卷曲度两者。

Claims (16)

1.源自木浆的纤维质纤维素材料的幅材，所述幅材适合于三维成型以形成包装产品，其中该幅材包括>40wt％软木化学浆和至少一种强度增强剂，其中该幅材具有小于400g/m2的克重，和其中所述软木化学浆的纤维素纤维具有>9％的纤维卷曲度。
2.根据权利要求1所述的幅材，其具有600-875kg/m3的密度。
3.根据权利要求1或2所述的幅材，其进一步包括0.3-10重量％、优选地0.3-5重量％的微原纤化纤维素，基于所述幅材的总纤维重量。
4.根据权利要求1、2或3所述的幅材，其中所述强度增强剂为以5-75kg/tn、优选地在10-75kg/tn范围内或在12-75kg/tn范围内的量的呈淀粉形式的天然粘结剂。
5.根据权利要求4所述的幅材，其中所述淀粉选自天然淀粉、蒸煮的淀粉、阳离子淀粉、化学改性的天然淀粉、物理改性的聚合物接枝的淀粉、酶改性的淀粉、阴离子淀粉、两性淀粉、交联的淀粉、预胶凝的淀粉和溶胀的淀粉。
6.根据权利要求1-5任一项所述的幅材，其中所述幅材已经经受疏水化施胶。
7.根据权利要求1-6任一项所述的幅材，其具有>50Nm/g的几何平均抗拉强度指数。
8.根据权利要求1-7任一项所述的幅材，其具有>4％的借助标准拉伸测试ISO 1924-2以20mm跨长和2mm/分钟测试速度测量的几何平均伸展率，该几何平均伸展率是指所述幅材在破裂前的百分数伸长率。
9.根据权利要求1-8任一项所述的幅材，其具有>6.5％、优选地>7.5％、和更优选地>8.5％的借助标准拉伸测试ISO 1924-2以20mm跨长和2mm/分钟测试速度测量的在横向(CD)上的伸展率，该伸展率是指所述幅材在破裂前的百分数伸长率。
10.多层层压体材料，其包括至少两层，所述至少两层的一层为根据权利要求1-9任一项所述的幅材。
11.根据权利要求10所述的多层层压体材料，其进一步包括至少一个阻隔层，例如形成对液体、气体、香味、或油脂、油和/或脂肪的阻隔的膜层。
12.成型的基于纤维的三维产品的制造方法，其至少包括如下步骤：
提供根据权利要求1-11任一项所述的纤维质纤维素幅材材料；
提供具有至少一个三维模具的成形工具；和
使用所述成形工具由基于纤维的材料形成三维产品。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述形成为真空成形、热成形、冷成形、压制或液压成形中的任一种。
14.基于纤维的三维产品，其能借助根据权利要求12或13所述的方法获得。
15.根据权利要求14所述的基于纤维的三维产品，其包括具有多个层的层压体，所述多个层的至少一个层由根据权利要求1-8任一项所述的纤维质纤维素材料的幅材制成。
16.纤维质纤维素材料的幅材用于包装产品的三维成形的用途，所述纤维质纤维素材料的幅材包括>40wt％软木化学浆和至少一种强度增强剂，其中该幅材具有小于400g/m2的克重，和其中所述软木化学浆的纤维素纤维具有>9％的纤维卷曲度。
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