CN114269824B - 可生物降解可堆肥的模塑物料组合物、模塑制品和制造方法 - Google Patents

可生物降解可堆肥的模塑物料组合物、模塑制品和制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的特征在于可生物降解、可堆肥的模塑物料组合物、模塑物料、模塑制品、涂布溶液以及用于其制造的系统和方法。

Description

可生物降解可堆肥的模塑物料组合物、模塑制品和制造方法
关于联邦资助研究或开发的声明：不适用。
发明背景
数量不断增加的废物流是日常生活中许多产品的处理和分配的特征。例如，在食品分配和服务行业中，数十亿多的不可生物降解的制品最终成为各大洲的废物流。基于涂有聚合物的纸盒或基于聚苯乙烯泡沫塑料(Styrofoam)的产品的预期使用寿命为10-100年。这样的制品由无公害的成本优化、技术成熟的大规模生产方法来生产。
特别是当我们以从生产到处置(即从摇篮到坟墓)的角度来考虑这些材料时，越来越多的公众意识到与这些不可生物降解材料相关的环境成本。例如，这些环境成本可能显著高于例如其可生物降解或环境友好的替代品。
然而，不可生物降解材料的取替是复杂的。现代加工、包装、储存、分配、服务和消费需要足够的包装材料来包装各种流体和固体物品。分配以及食品和饮料消费需要各种一次性容器，包括但不限于碗、蚌壳式容器(clamshells)、容器、杯子、烤盘、盘子、托盘或本领域已知的其他有用结构。包装必须防止环境影响、变劣和损坏，尽管在短期应用中使用长期包装越来越被认为是对环境不负责任的。
每年，生产了由涂塑纸或纸板；各种塑料材料诸如聚乙烯即PE、聚丙烯即PP、聚苯乙烯和发泡聚苯乙烯；玻璃；和金属制成的一次性容器用于食品和非食品应用。在相对短暂的使用寿命之后，数十亿个一次性容器进入废物流，其中许多都不易降解。此外，虽然广泛的注意力集中在使此类制品更轻质，但使用数百万吨原材料来制造此类“轻质”制品会产生环境成本。
例如，发泡聚苯乙烯是轻质、稳定的且针对当前应用对无公害成本进行了优化。发泡聚苯乙烯的制造涉及危险化学品包括用于聚苯乙烯的苯和苯乙烯，以及用于发泡的传统发泡剂和膨胀剂。然而，近年来，人们一直在努力开发危害更小的发泡剂。
一次性容器材料的回收体现出其自身的环境和政治复杂性。
应对上述挑战，在过去25年中，越来越多地讨论了基于粉体、纤维和惰性无机填料的可生物降解模塑制品。然而，现有技术的可生物降解制品似乎不具有广泛的应用。这些挑战包括确保能够在大规模工业制造的情况下实现可靠的热模塑加工、后热加工和处理的模塑物料组合物。此外，对于最终用户来说，足够方便和用户友好的材料或制品对于激发消费者用可历时制品替代现有的不可历时制品的意愿是必要的。
现有技术教导了流体或半液态糊膏状或“面糊”状模塑物料，或相对较硬的面团状模塑物料。模塑物料和模具的表面性能以及模塑过程的温度和压力条件可能需要使用脱模剂，这会导致模具残留物。此类模具残留物在连续使用后会改变模具的表面性能。例如，在脱模期间施用于模具上的脱模脂的热降解和聚合会导致模具上有残留物。模具残留物会产生不太光滑和钝化的模具表面并可能改变传热性能，这进而影响模塑制品表面的光滑性和光泽。脱模盐和脂肪酸会产生矿物残留物，它们需要经由化学和/或物理强力清洁来定期去除，这需要生产线停工并且随着时间的推移会损坏模具表面。
此外，如现有技术中所教导，包括流体或半液态“面糊”或糊膏的模塑物料的热加工产生大量蒸汽。释放的蒸汽进而影响模塑制品中空隙的数量、大小和分配。热模塑制品通常可包括至少一些空隙，这些空隙在制品中心较大并且朝向制品边缘尺寸减小并且在制品表面处在光学上不存在。在热模塑步骤期间经由释放蒸汽来控制内部孔的尺寸和数量以及分配会导致模塑制品具有改进的机械性能，例如包括更大的抗断裂稳定性和/或改进的弯曲角而不断裂。所得模塑制品的重量会更轻，从而节省材料。然而，释放的蒸汽太多导致太大和/或太多内部空隙以不均匀的方式分配。这样的不受控制的内部空隙的产生折损了模塑制品的内部内聚力。
如现有技术中所教导，硬面团状模塑物料会导致不规则的分份以及不完全的模塑。在脱模步骤中，硬面团状物料会导致模具挤出排气孔堵塞、挤出的模塑材料出现问题包括起泡和/或边缘磨损。
需要改进由天然材料(诸如粉体、纤维和其他组分)制成的完全可生物降解的一次性用品诸如包装容器、托盘、盘子和碗的性能。
发明概述
本发明的特征在于基于水、淀粉和纤维的改进的特定组合物。淀粉组分可包括可以为粉体或粉末形式的天然和预胶凝化淀粉的组合。所述特定组合物可包括为热模塑后的新无残留物的脱模制品所选定的脱模剂。制备所述组合物用于具有第一塑性-弹性质地和稠度的非流体模塑物料。配制所述模塑物料用于工业制造具有第二塑性-弹性质地和稠度的可生物降解且可堆肥的模塑制品。本发明的模塑物料组合物、模塑物料以及制备和加工方法能够形成具有各种形状和结构的模塑制品和/或制品部件。本发明的特征还在于用于形成整饰制品和制品部件的后热模塑加工和处理方法。
为了本申请的目的，定义了以下术语：
术语“塑性”是指材料响应于选定施用力而经历不可逆形状变化且不破裂的变形能力。
术语“塑性材料”是指能够响应于包括中等大小应力的选定施用力而经历不可逆形状变化且不破裂的材料。
术语“弹性”是指材料响应于选定施用力而经历可逆形状变化且不破裂的变形能力。
术语“弹性材料”是指能够响应于包括中等大小应力的选定施用力而经历可逆形状变化且不破裂的材料。
术语“塑性-弹性质地和稠度”是指包括至少一些塑性和至少一些弹性的材料性能。
术语“可堆肥”是指符合ASTM(以下简称“ASTM”，先前称作美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials))国际标准的可堆肥材料。ASTM D6400将可堆肥塑料定义为“在堆肥期间通过生物过程以与其他已知可堆肥材料一致的速率经历降解，以产生二氧化碳(CO2)、水、无机化合物和生物质并且不留下可见、可区分或有毒残留物的塑料”。ASTM D6400-Test for Compostability(可堆肥性测试)涵盖了塑料和由塑料制成的产品，这些塑料和产品设计成待在市政和工业有氧堆肥设施中进行堆肥。ASTMD6400-Test for Compostability(可堆肥性测试)确立了将材料和产品(包括由塑料制成的包装)标记为“可在市政和工业堆肥设施中堆肥”的要求。在ASTM D6400-Test forCompostability(可堆肥性测试)中测试得到的性能确定了塑料和由塑料制成的产品是否能令人满意地堆肥，包括以与已知可堆肥材料相当的速率进行生物降解。此外，该标准中的这些性能需要确保这些材料的降解不会降低由堆肥过程产生的堆肥的价值或效用。ASTMD6868-17标准定义了Standard Specification for Labeling of End Items thatIncorporate Plastics and Polymers as Coatings or Additives with Paper andOther Substrates Designed to be Aerobically Composted in Municipal orIndustrial Facilities(设计成待在市政或工业设施中有氧堆肥的包括塑料和聚合物作为涂层或添加剂与纸和其他基材的成品的标签的标准规范)。该标准涵盖了可生物降解塑料和产品(包括包装)，其中塑料膜或片附着在基材上(通过层压或直接挤出在纸上)且整个产品或包装设计成待在市政和工业有氧堆肥设施中堆肥。该标准旨在建立将使用可生物降解塑料涂层的材料和产品(包括包装)标记为“在市政和工业堆肥设施中可堆肥”的要求。在该标准中的这些性能是确定使用塑料膜或片的产品(包括包装)是否能够令人满意地堆肥(包括以与已知可堆肥材料相当的速率进行生物降解)所需要的那些性能。此外，该标准中的这些性能需要确保这些材料的降解不会降低由堆肥过程产生的堆肥的价值或效用。
术语“可堆肥”也指符合ISO『国际标准化组织(International Organization forStandardization，以下简称“ISO”)](国际)标准的可堆肥材料。ISO 17088：2012标准描述了以下特征：a)可生物降解；b)堆肥期间的崩解；c)对堆肥过程和设施的负面影响；和d)对产生的堆肥质量的负面影响，包括高水平的受管制金属和其他有害组分的存在。
术语“可堆肥”还指符合CEN『欧盟标准化委员会(European Committee forStandardization for the European Union)，以下简称“CEN”]标准的可堆肥材料。CEN-EN13432可堆肥性标准描述了以下特征：化学测试，包括所有成分的披露，以及重金属阈值；在受控堆肥条件下的可生物降解性(氧气消耗和CO2产生)：必须证明至少90％的有机物质在6个月内转化为CO2；崩解：在3个月的堆肥并随后用2mm筛进行筛分后，与原始物料相比，可保留的残留物不超过10％；在半工业(或工业)堆肥设施中进行可堆肥性的实际测试：不允许对堆肥过程产生负面影响；和生态毒性试验：检查所得堆肥对植物生长的影响(农艺学测试)。
术语“生物降解”是指通过微生物(诸如细菌和真菌)或其他生物学活动自然发生的材料分解。作为自然发生的过程的生物降解与堆肥不同，堆肥是一种人为驱动的过程，其中生物降解在一组特定的环境下发生。术语“生物降解”与以下标准一致：ASTM D5526-18标准，包括Standard Test Method for Determining Anaerobic Biodegradation ofPlastic Materials Under Accelerated Landfill Conditions(在加速填埋条件下确定塑料材料的厌氧生物降解的标准测试方法)；ASTM D5511-18标准，包括Standard TestMethod for Determining Anaerobic Biodegradation of Plastic Materials UnderHigh-Solids Anaerobic-Digestion Conditions(在高固体厌氧消化条件下确定塑料材料的厌氧生物降解的标准测试方法)；和ASTM D5338-15标准，包括Standard Test Methodfor Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials Under ControlledComposting Conditions，Incorporating Thermophilic Temperatures(在受控堆肥条件下确定塑料材料的需氧生物降解的标准测试方法，结合嗜热温度)。
术语“制品”是指完整制品和/或可随后用于组装相应完整制品的该相应完整制品的部件。
术语“模塑制品”是指已经历热模塑的制品和/或完整制品的部件，但其可任选地进行后热模塑处理以形成整饰完整制品和/或该完整制品的部件。
术语“整饰制品”是指为充分整饰以待使用和/或以待组装使用的制品和/或制品部件。
术语“水合物”是指水与模塑物料组合物的非液体可溶性固体组分的结合。
术语“孔”是指在热模塑步骤期间在例如但不限于模塑制品内受控地产生的空隙。
术语“空隙”是指在不然的话为实心的制品内的，填充有空气、蒸汽、气体、水和/或液体中的任何类型的孔洞。
本发明能够实现可生物降解且可堆肥的模塑制品的工业规模的大批量制造。描述了特定或选定的模塑物料组合物，其包含水、含淀粉粉体、纤维和其他任选的或次要的组分。提供了一种新的脱模系统。本发明的特征在于通过混合和捏合生产的基本上不含空气的、非流体的、塑性-弹性的模塑物料。提供了用于将所述模塑物料热模塑为可生物降解制品以及用于进一步后热加工和处理的工艺要求。所述可生物降解且可堆肥的模塑制品包括例如但不限于不同类型的容器，诸如碗、蚌壳式容器、容器、杯子、蛋托盘、肉托盘、烤盘、盘子、用于任何物品的托盘或本领域已知的其他有用物品结构。
所述可生物降解且可堆肥的模制制品的组成是这样的，即使在以常规方式将其丢弃在废物焚烧或填埋场的情况下，它们也是环境中性的，不会造成额外的环境危害。
因此，本发明克服了如上所述的在可生物降解制品的工业制造中的问题。
本发明的一个目的包括提供可生物降解且可堆肥的模塑物料组合物，其包含水、含淀粉粉体、纤维和次要或任选的组分，用于稳定连续的热模塑加工和可能的进一步后热模塑加工以实现或提供模塑制品和最终整饰制品的压缩、拉伸、弯曲和内聚强度；孔隙率、劲度、刚度和表面性能要求。
本发明的一个目的包括提供一种脱模系统，其在约200℃至最高225℃、优选至最高215℃并且在185℃至225℃的范围内、优选在190℃至215℃的范围内，且更优选190至210℃的范围内的热模塑温度下，避免对相应模具的任何显著弄脏。避免模具被聚合物和/或矿物残留物弄脏，能够避免在连续操作中相应模具表面发生不希望的改性。
本发明的一个目的包括通过为多种选定的淀粉颗粒和纤维选择分选或筛分系统，来提供一种具有改进的内部内聚力和预定的疏水性能的模塑物料。
本发明的一个目的包括提供一种模塑物料，其可以制备成具有基本上光滑的第一塑性-弹性质地和稠度，其中所述模塑物料然后可以被分开成和/或分成选定且基本上精确的多份进入相应目标模具中，同时基本上减少或消除相应目标模具填充不足或填充过度的风险或可能性。
本发明的一个目的包括提供一种模塑物料，其可以例如通过使用用于模塑物料的选定分选系统(select sizing system)来基本上均匀地填充相应目标模具。模塑物料分选系统消除和/或避免了大的纤维夹杂物，否则这些纤维夹杂物将不均匀地嵌入模塑制品的基质中，和/或堵塞相应目标模具的挤出排气孔。同时，在脱模步骤期间制品边缘处磨损的风险也显著降低。
本发明的一个目的包括提供一种模塑物料，其避免了在热加工期间产生过多和/或过量的蒸汽，从而在模塑制品的结构基质内产生具有受控尺寸分配的孔，并在模塑制品中减少和/或消除形成尺寸过大、过量的空隙和/或不均匀的空隙分配模式的风险。
本发明的目的包括提供一种具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料，所述模塑物料用于在约200℃至最高225℃、优选至最高215℃、更优选地190℃-210℃的范围内的温度下进行相对快速的热模塑，其中所述模塑物料的特征可在于在目标模具中相对容易且基本上均匀分配所需的质地和稠度，并且避免可能由于热褐变或焦糖化反应导致模塑制品颜色变化的成分或特性。
本发明的一个目的包括提供一种用于混合、分份和精确沉积所述模塑物料的方法。
本发明的目的包括提供用于模制和整饰制品的连续在线批量生产的专用设备。
本发明的一个目的包括模塑制品的形成，所述模塑制品在规定的处理后适用于包括可降解性和可历时性标准的应用。
一方面，本发明的特征在于一种模塑物料组合物，其包含：液体组分；其中所述液体组分包含水组分；和非液体可溶性固体组分；其中所述非液体可溶性固体组分包含淀粉组分和纤维组分；其中基于模塑物料组合物的总质量，模塑物料组合物中的总液体含量在57重量％％至65重量％的范围内；其中淀粉/纤维重量％的比率在94重量％淀粉组分：6重量％纤维组分至49重量％淀粉组分：51重量％纤维组分的范围内；其中所述淀粉组分包括多种淀粉颗粒，所述淀粉颗粒具有包括颗粒直径下限和颗粒直径上限的选定的颗粒直径尺寸范围；并且其中所述纤维组分包含多种纤维，所述多种纤维中的每一种具有为颗粒直径上限的1-250倍的范围内的纤维长度。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述纤维组分具有在10至2500微米的范围内的尺寸分散(size dispersion)。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述淀粉组分具有在1μm至120μm的范围内的尺寸分散。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述淀粉组分是选自以下的淀粉组分：天然淀粉、化学改性天然淀粉、物理改性天然淀粉、基因改性天然淀粉以及上述淀粉组分中的至少两种的组合。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述淀粉组分包括天然马铃薯淀粉。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述淀粉组分包括具有预胶凝化形式的物理改性淀粉。
在一个实施方案中，所述模塑物料组合物还包含脱模剂。
在一个实施方案中，所述脱模剂包括链长包括最少十二个碳原子的饱和长链脂肪酸。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述脱模剂包括选自月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和花生酸的酸。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述脱模剂为具有多个脱模颗粒的粉末形式，每个颗粒具有小于80目的筛目尺寸。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中基于模塑物料组合物中非液体可溶性固体组分的总质量，所述脱模剂的比率为0.1至2.4重量％。
在一个实施方案中，所述模塑物料组合物还包含质地化剂(texturizer)。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述质地化剂选自反应性无机组分、非反应性无机组分和上述两种组分的组合。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述模塑物料组合物包含含有无机组分的质地化剂；并且其中基于模塑物料组合物的总非液体可溶性固体组分，所述无机组分在模塑物料组合物中的含量在大于0至16.5重量％的范围内。
在一个实施方案中，所述模塑物料组合物还包含增塑剂添加剂；其中所述增塑剂是尿素。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中基于淀粉组分的总质量，所述尿素的浓度在大于0重量％至9重量％的范围内。
在一个实施方案中，所述模塑物料组合物还包含浓度在大于0至2mmol硼酸盐/千克淀粉组分的范围内的多个硼酸根离子。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述模塑物料组合物，其中所述模塑物料组合物经历混合和捏合过程以形成具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料。
在另一方面，本发明的特征在于一种用于制备模塑物料的方法，其包括以下步骤：选择液体组分；其中所述液体组分包含水组分；选择非液体可溶性固体组分；其中所述非液体可溶性固体组分包含淀粉组分和纤维组分；其中淀粉/纤维重量％的比率在94重量％淀粉组分：6重量％纤维组分至49重量％淀粉组分：51重量％纤维组分的范围内；其中所述淀粉组分包括多种淀粉颗粒，所述淀粉颗粒具有包括颗粒直径下限和颗粒直径上限的选定的颗粒直径尺寸范围；并且其中所述纤维组分包含多种纤维，所述多种纤维中的每一种具有为颗粒直径上限的1-250倍的范围内的纤维长度；使用制备系统混合和捏合液体组分和非液体可溶性固体组分，以形成具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料，其特征在于基于模塑物料组合物的总质量，所述模塑物料中的总液体含量包括在57至65重量％的范围内的总液体含量。
在一个实施方案中，本发明的特征在于用于制备模塑物料的方法，其中所述混合和捏合步骤包括在混合和捏合步骤期间将液体组分逐步添加到非液体可溶性固体组分的步骤。
在一个实施方案中，所述用于制备模塑物料的方法还包括在制备系统中产生真空以基本上去除气体或防止气体进入模塑物料的步骤。
在一个实施方案中，所述用于制备模塑物料的方法还包括以下步骤：提供以开放构造形式的目标模具；和将模塑物料的选定份沉积到目标模具中以填充模具的细部(detail)；其中所述选定份具有小于目标模具体积的选定份体积。
在一个实施方案中，所述用于制备模塑物料的方法还包括以下步骤：根据需要关闭目标模具；和将填充有模塑物料的目标模具加热到在185℃至225℃的范围内的选定的固化温度，并历时选定的固化时间段来热固化模塑物料，以形成具有第二塑性-弹性质地和稠度的模塑制品，其特征在于基于模塑制品的总质量，模塑制品的残留液体含量≤6重量％；其中在热固化之后，在模塑制品的结构基质中基本上没有蒸汽压力残留；并且其中在热固化之后，模塑物料在超出模塑制品的结构基质的玻璃点(glass point)下固化。
在一个实施方案中，所述用于制备模塑物料的方法还包括以下步骤：将模塑制品送入关闭的加湿工段或腔室；并将湿空气流提供到加湿工段或腔室中，直到模塑制品的水活性在0.45至0.70的范围内；其中在关闭的加湿工段或腔室中保持安全的微生物条件。
在另一方面，本发明的特征在于一种用于模塑制品的可生物降解、可堆肥的涂布溶液，其包含可堆肥的液体溶剂基料部分和可堆肥的固体部分。
在一个实施方案中，本发明的特征在于所述可生物降解、可堆肥的涂布溶液，其中所述可堆肥的液体溶剂基料包括水。
在又一方面，本发明的特征在于一种可生物降解、可堆肥的涂布系统，其包括涂布区，所述涂布区包括喷雾装置和加热装置。
通过参考以下说明书、权利要求和附图，本领域技术人员将进一步理解和领会这些和其他方面、特征、优点和目的。
附图简述
这些附图支持本发明的详细描述并且涉及示例性实施方案。认为这些附图决不限制本发明的全部范围。
在这些附图中：
图1示出了根据本发明的示例性非限制性实施方案的包括托盘的模塑制品的透视图；
图2示出了根据本发明的非限制性实施方案的模塑制品的透视图和俯视图；
图3示出了根据本发明的一个示例性实施方案的模塑制品包括托盘的底部的透视图；
图4示出了根据本发明的一个示例性非限制性实施方案的用于制造模塑制品的方法的步骤的框图；
图5示出了根据本发明的一个示例性非限制性实施方案的用于制备模塑物料的方法的步骤的框图；
图6示出了根据本发明的一个示例性非限制性实施方案的方法的步骤的框图，所述方法包括后热加工和处理步骤；
图7示出了根据本发明的一个示例性实施方案的空底模具部件的透视图；
图8示出了根据本发明的一个示例性实施方案的具有铰接盖的空模具的透视图；
图9示出了根据本发明的一个示例性实施方案的用于对模塑物料进行热固化的热固化系统的透视图；
图10示出了根据本发明的一个示例性实施方案的用于将模塑制品运输到涂层喷涂区的传送带；
图11示出了如发明详述的实施例6中所述的热阻测试组件的示意图；和
图12示出了对照堆肥样品和三个测试样品的有机碳转化成二氧化碳的百分比。
发明详述
在现有技术中，存在基于水介导的形成面团或面糊状模塑物料制造可生物降解模塑制品的不同方法。
一些现有技术方法教导了以纤维材料为主的组合物。粉体组分提供了一种胶水，所述胶水将湿纤维预制件连接成稳定的基质。在模塑阶段纤维材料提供了机械稳定性和内聚力。将模塑物料塞入目标模具中。模具中保留有狭窄的无物料空间以在热干燥和成型过程中允许蒸汽逸出或离开，其中与模塑制品相比，模塑物料的密度更高。
这种方法的实例包括E.Helou等人的公开文献WO 2005/021633和E.Helsel等人的WO 2010/118249 A1。该现有技术主要教导了用于模塑物料的中、长或超长纤维。此外，该现有技术教导了至多20％的含量的蜡乳液和有机或无机交联成分。该现有技术教导了该高纤维组合物能够确保将模塑物料沉积到目标模具中，该目标模具包括无物料间隙以便在模具中没有任何挤出排气孔的情况下逸出或排放蒸汽。模塑物料材料通过纤维保持在模具中。
其他现有技术教导了主要为高百分比的无机材料粉末作为填料的组合物。该组合物含有低得多百分比的纤维和含淀粉粉体组分。该含淀粉粉体组分将湿的预模塑件连接和/或胶合成稳定的基质。
这种方法的实例包括公开文献WO 9419172 A1、WO 9412328 A1、WO 9605254 A1、WO 9612606 A1和WO 9723333 A1以及US 5705239。该现有技术基本上教导了包括将无机组合物压制成制品的模制。
还有其他现有技术教导了基于片材或锥形华夫饼型物品制造原理的模塑制品。未胶凝化的淀粉粉体是模塑物料的主要组分。模具包括用于材料和蒸汽二者逸出或卸料的专用开口。在初始汽蒸和发泡阶段，模塑腔室容纳了用于基本上完全填充和用于少量材料挤出的足够材料。在最初的汽蒸和发泡阶段期间，最初形成多孔轻质制品。在进一步的干燥时间之后，进行脱模。模塑制品的基质主要包括胶凝化的淀粉粉体。任选地通过添加其他材料例如较低百分比的纤维或填料来增强制品。
该现有技术的实例包括Tiefenbacher等人的公开文献US 5,376,320。该现有技术教导了根据华夫饼型物品烘焙原理，由基本上不含脂肪的流体淀粉面糊制造的薄壁可堆肥成型体的制造。其主要成分包括淀粉和水。该现有技术教导了额外施用相对小百分比的脂肪酸金属盐和用于脱模的其他脱模剂。
进一步的现有技术教导了将水状胶体与淀粉粉体；具有不确定的尺寸、纤维长度和纤维厚度的纤维材料；以及矿物填料一起用于制造可生物降解制品的应用。该现有技术的实例包括Donald W.Renn的公开文献CA 2654771；US 2007/0292643 A1和US 2009/0263601 A1以及US 7,618,485 和US 7,700,172。该现有技术教导了在加热阶段后用于稳定制品的水状胶体的选择。该现有技术进一步教导了，为了使水状胶体形成可模塑物料，需要高比率的水。因此，该现有技术缺乏与工业大规模制造一致的用于生产最终干燥制品的技术上可行且相对快速的方法。此外，该现有技术的添加发泡助剂的教导(诸如表面活性剂)可能存在问题，因为发泡助剂促进水分快速转移到模塑制品中，并且高于特定百分比的水分含量会使模塑制品的结构软化和不稳定。因此，用任何现有技术的水基涂料进行涂布都会导致制品严重变形。此外，这种涂层在存在热液体的情况下会失效，此时高温会增加转移到制品中的水分。
本发明的特征在于可生物降解且可堆肥的模塑物料组合物、模塑物料以及模塑和整饰制品，非限制性实施方案包括模塑托盘，如图1中模塑托盘(2、4、6、8和10)的透视图中所示。参照图2，本发明的可生物降解且可堆肥的模塑和整饰制品包括具有不同尺寸和形状的不同类型的容器，非限制性实施方案诸如碗(12)、如以打开(14)和合上(16)构造所示的蚌壳式容器、盘子(18)、杯子(20)、餐盘(22，24)和/或其他物品(26)、肉盘(28)、蛋盘(30)、烤盘(32)以及本领域已知的用于相对短期容纳货物的其他一次性容器。图3示出了根据本发明的一个非限制性实例性实施方案的模制托盘(36)的底部(34)的透视图。
本发明的制品包括具有较高光滑度、稳定性和柔韧性的均质模塑和整饰制品。本发明的特征还在于用于制造本发明的可生物降解且可堆肥的模塑和整饰制品的方法。
如图4的框图所示的本发明的制造方法(40)包括以下步骤：制备模塑物料(42)、将其分成多份并卸料，从而将所制备的模塑物料沉积到目标模具中(44)、热固化模塑物料(46)以形成模塑制品，以及进行后热加工和处理步骤(48)。参考图5的框图，模塑物料制备步骤(50)包括选择用于模塑物料组合物的组分(52)，混合和捏合用于制备模塑物料的组合物(54)，和将经混合和捏合的模塑物料静置(56)选定的时间，然后沉积在目标模具中。参考图6，后热加工和处理步骤(60)可包括从目标模具中卸下模塑制品(62)，任选地调适模塑制品包括主动控制模塑制品中的水分(64)，任选地通过涂布和/或密封、浸渍和/或层压处理改变模塑制品的性能(66)并卸下整饰制品(68)以根据需要进行进一步加工和/或分配。在替代性实施方案中，在后热加工之前不将模塑制品从目标模具中卸下。该制造方法适合大规模生产，在制造和环境成本方面具有成本效益，并且模塑和整饰制品具有环境可持续性。
可以根据模塑整饰制品的所需最终用途或应用对热模塑的技术参数进行选择和/或改变，所述技术参数包括固化、脱模后模塑制品的后热处理加工，以及用于改变稳定性参数的附加组分。用于根据本发明的模塑物料组合物的制剂包括一组所需或不可缺少的成分或组分，这些成分或组分基于它们的物理和化学性能对模塑和/或整饰制品的所需材料参数以及在线制造的容易性以协同方式起作用。此外，作为非限制性实例，描述了用于改变表面性能、重量、柔韧性和颜色的附加的任选成分和/或组分。
本发明的模塑物料组合物的主要成分或组分包含液体组分(包括水组分)和非液体可溶性固体组分(包括淀粉组分和纤维组分)。
选择包括水组分的液体组分的量使得在混合和捏合后能够实现第一塑性-弹性质地和稠度。第一塑性-弹性质地和稠度能够确保在目标模具中将模塑物料相对容易且精确地分成多份以便快速分配，同时避免在非液体可溶性固体组分之间形成大量间隙空隙。液体组分使非液体可溶性固体组分水合。在水合期间，液体组分附着在非液体可溶性固体组分上。这种液体附着的非限制性实例包括用最少的液体组分层基本上覆盖所有非液体可溶性固体组分。水合液体附着的其他非限制性实例包括液体组分和非液体可溶性固体组分之间的一种或多种化学相互作用、氢键反应和/或毛细管抽吸相互作用。
与水合相关的液体附着是非液体可溶性固体组分的孔隙率或溶胀能力的函数。在与水合相关的液体附着期间，液体组分会填充非液体可溶性固体组分中存在的间隙空隙，包括作为非限制性实例，非液体可溶性组分中的间隙空隙。
在将水组分添加到非液体可溶性固体组分中并与非液体可溶性固体组分混合后，产生具有面团状质地和稠度的模塑物料。使用连续混合器和/或间歇混合器进一步捏合模塑物料，导致模塑物料具有光滑的第一塑性-弹性质地和稠度。进行混合和捏合步骤历时选定的平衡时间，直到模塑物料具有基本上光滑的外观，并且固体组分基本上均匀分配，并且模塑物料基本上没有填充有空气的空隙。
根据本领域普通技术人员已知的混合和捏合原理进行混合和捏合，作为非限制性实例，考虑模塑物料的组成、密度、粘度和体积；混合和捏合工具的类型，作为非限制性实例，包括叶轮类型、罐尺寸、设备配置、混合强度和历时时间；以及相对于经由混合工具引入的能量的混合器质量负载。在非限制性实例性实施方案中，选定的平衡时间在5至50分钟的范围内，优选在8至35分钟的范围内。在混合和捏合后，模塑物料的水分含量将等于其组分的水分含量。需要最少的时间和混合强度来使模塑物料组合物的主要的纤维组分以及淀粉组分基本相等地水合。温度的升高可以改善相等的水合。模塑物料组合物的温度可以通过升高模塑物料组合物的组分中的一种或多种的温度和/或通过引入经由混合和捏合工具传输的能量来升高。模塑物料组合物的温度不得超过45℃，优选不超过40℃，以避免模塑物料组合物中的淀粉组分过早胶凝化。
除了水组分之外，液体组分还可包括可溶性和/或经乳化组分和/或添加剂。水组分可以基本上均匀地分散并溶解任何可溶性经乳化组分。因此，针对任何所需的溶解和/或分散，针对在选定混合和捏合之后调节或确保具有第一塑性-弹性质地和稠度的软模塑物料来选择水组分的量。
在一个优选的实施方案中，相对于或基于模塑物料组合物的总质量，模塑物料组合物中的总液体含量(包括添加的水组分，以及淀粉和纤维成分或组分的水分含量，和/或任何其他可溶性和/或经乳化组分的液体含量)在57％至65重量％的范围内，并且优选在57.8至64.9重量％的范围内，且更优选在59至64重量％的范围内且最优选在59.3至63.4重量％的范围内。
模塑物料组合物的淀粉组分包括选自以下的淀粉：天然淀粉、化学改性天然淀粉、物理改性天然淀粉、基因改性天然淀粉以及上述淀粉中的至少两种的组合。淀粉组分可包括具有粉末和/或粉体形式的淀粉，也称为淀粉粉体，其由多种淀粉颗粒组成。在一个非限制性实施方案中，淀粉颗粒可以源自研磨或磨细的淀粉源，诸如作为非限制性实例，小麦源和/或玉米源。
天然淀粉组分基于源植物或源植物的一部分，该源植物与其他植物或源植物的一部分与相应源植物的其他部分相比，淀粉含量相对较高。天然来源的植物的非限制性实例包括小麦、玉米、大米、豌豆、马铃薯和木薯。天然来源的植物部分的非限制性实例包括块茎、根、种子和/或果实。下表1示出了用于本发明的天然淀粉植物的非限制性实例的典型淀粉含量。
表1
植物淀粉
植物 淀粉含量(净淀粉百分比)
马铃薯 80
玉米 79
大米 76
木薯 74
小麦 72
CULTIVATED PLANTS，PRIMARILY AS FOOD SOURCES Vol.I Starch BearingCrops as Food Sources-Krisztina.R.Végh，Encyclopedia of Life Support Systems(EOLSS)，STARCH BEARING CROPS AS FOOD SOURCES，2011；G.Fuleky(编辑)Cultivatedplants，primarily as food sources，出版商EOLSS，2009,pp.253-287：K.R.Végh Starchbearing crops as food sources
因此，本发明的模塑物料组合物中的淀粉组分可以由小麦淀粉、玉米淀粉、大米淀粉、豌豆淀粉、马铃薯淀粉、木薯型木薯淀粉以及两种或更多种上述淀粉组成。淀粉是形成1-140μm颗粒的葡萄糖的聚合物，可以在大多数植物中找到。下表列出了可用于本发明的模塑物料组合物的淀粉组分中的各种淀粉类型。在将其用于本发明中之前，淀粉加工的技术或制造根据淀粉所基于的原材料而不同。
表2：食用淀粉的技术参数
数据：Technology of Wafers and Waffles，2017
在一个优选的实施方案中，模塑物料组合物包含淀粉组分，所述淀粉组分包括天然马铃薯淀粉。在一个更优选的实施方案中，模塑物料组合物包含淀粉组分，基于固体组分的总质量，所述淀粉组分包括至少50重量％的天然马铃薯淀粉。
在一个优选的实施方案中，淀粉组分包含作为构成淀粉组分的天然淀粉的特征的水分含量。作为非限制性实例，基于淀粉组分的总质量，包括马铃薯淀粉的淀粉组分具有在18重量％至21重量％的范围内的水分含量。在另一个非限制性实例中，基于淀粉组分的总质量，包括玉米淀粉的淀粉组分具有在10至15重量％的水分含量。
在一个实施方案中，淀粉组分的胶凝化温度在50℃至70℃的范围内、优选在52℃至66℃的范围内。
淀粉组分可以使用本领域普通技术人员已知的方法制备，包括但不限于研磨、提取、干燥和/或磨细方法。淀粉组分可包括多种淀粉颗粒，这些淀粉颗粒具有在1至120μm的范围内并且优选在2-100μm的范围内的尺寸分散(sizing dispersion)。
淀粉组分可包括在胶凝化期间提供相对高的粘度增加的淀粉，诸如，作为非限制性实例，基于马铃薯的淀粉、基于木薯的淀粉和/或具有一定交联度的淀粉。胶凝化期间天然或交联淀粉的优选的粘度增加等于或大于木薯型木薯淀粉的粘度增加。优选的交联利用双或多官能试剂来诱导淀粉颗粒内相邻淀粉链之间的分子内和/或分子间交联的形成。在胶凝化时淀粉交联反应可以加强溶胀颗粒的结构，赋予抗粘度破坏能力。优选的交联淀粉每100-3000个葡萄糖基单元具有一个交联。相对低水平的交联稳定了颗粒结构，在加热期间允许更高的颗粒溶胀并观察到更高的糊膏峰值粘度。尽管逐渐地实现更高交联水平是可能的，但在本发明中通常不是优选的，因为较高的交联水平导致减少的颗粒溶胀。
作为非限制性实例，化学改性天然淀粉可包括酯化淀粉、醚化淀粉、二醛淀粉、离子型淀粉、高直链淀粉、高支链淀粉、具有约100重量％支链淀粉的蜡质淀粉，以及两种或更多种上述化学改性淀粉的组合。用于本发明的化学改性淀粉的取代度(DS)在0.005至0.2的范围内并且优选在0.02至0.18的范围内。基于淀粉组分的总质量，用于本发明的包括支链淀粉的化学改性淀粉包括在70重量％至99重量％且优选75重量％至99重量％的范围内的支链淀粉。
作为非限制性实例，物理改性淀粉组分可包括预胶凝化淀粉、糊精、挤出淀粉、预煮淀粉和再干燥淀粉。当在水分存在下加热时，预胶凝化淀粉将基本上不能胶凝化和/或被液体溶胀。
在一个优选的实施方案中，淀粉组分包括预胶凝化淀粉。观察到淀粉组分中的预胶凝化淀粉导致改进的表面质量、稳定性和在模塑和/或整饰制品中不存在空隙。假设预胶凝化淀粉的水结合和/或溶胀性能将水固定，然后，在包括热模塑步骤的热处理期间，水有利地可用于更有效地使未预胶凝化淀粉组分胶凝化。此外，溶胀的预胶凝化淀粉有助于形成更具弹性和内聚力的模塑物料，这进而有助于模塑物料在整个模具中基本上均匀地分配，同时在模塑物料沉积过程期间限制或避免空隙的出现。
在替代性实施方案中，基于淀粉组分的总质量，淀粉组分包含在0至30重量％的范围内、优选在2重量％至26重量％的范围内、更优选在4重量％至26重量％的范围内，且最优选在5重量％至22重量％的范围内的预胶凝化淀粉。
纤维组分包含多种纤维。所述纤维可以选自来自非基因改性植物来源的纤维、来自基因改性植物来源的纤维、合成纤维和上述纤维的组合。合成纤维可包括源自碳基材料的纤维。所述多种纤维可包括多种纤维素纤维。所述纤维素纤维可包括选自木材、灌木和草的纤维。纤维素纤维可包括基于木材、棉花、大麻、黄麻、亚麻、竹子、苎麻、剑麻、蔗渣、香蕉、谷物秸秆、纤维状植物的纤维以及至少两种上述纤维素纤维的组合。
在其他实施方案中，纤维组分可包括纤维，所述纤维包括天然纤维材料、精制天然纤维材料、经加工的天然纤维材料、合成纤维材料、基因改性纤维材料和上述纤维的组合。本发明的纤维组分的纤维可包括天然、精制和/或经加工的天然纤维材料，包括木质素、半纤维素或其他副产物。作为其他非限制性实例，纤维组分可包括天然、精制和/或经加工的纤维材料，包括麸皮和/或来自谷物、豆类和其他种子的材料。在其他非限制性实例中，本发明的纤维组分可包括纤维材料，包括精制、经加工和/或合成的纤维材料(包括从天然纤维素、碳纤维、聚丙交酯基纤维、聚羟基链烷酸酯基纤维产生或再生的纤维和/或其他合成纤维)。
如作为非限制性实例在E.Helou的先前参考公开文献中所述的，其教导了包括短、中和长尺寸纤维的组合以实现所谓的纤维增强效果的可生物降解制品的现有技术，相比之下，本发明的纤维组分包含多种纤维，每种纤维的长度在包括在本发明的淀粉组分中的所述多种淀粉颗粒中的淀粉颗粒直径的约1至250倍的范围内、优选在约2至100倍的范围内，且最优选在约2至40倍的范围内。纤维长度与淀粉颗粒直径的选定比率确保纤维嵌入并因此增强模塑和/或整饰制品的基质。
在一个非限制性实例中，假设淀粉颗粒的直径为10微米，则纤维组分包含多种纤维，每种纤维的长度在约10至2500微米的范围内、优选在约20至1000微米，且最优选在约20至400微米的范围内。
现有技术教导了长、中尺寸和短纤维的组合对于包括弯曲强度、冲击强度和拉伸强度的纤维增强效果而言是最佳的。参见非限制性实例，公开文献WO 2005/021633，该公开文献定义了长至非常长纤维的相应长度在4至25mm的范围内，中等长度纤维的相应长度在0.5至5mm的范围内且短纤维的相应长度在小于或短于0.5mm的范围内。
令人意外地发现，使用如现有技术中所定义的非常长、长或甚至中等尺寸的纤维会产生对模塑和/或整饰制品不太有利的基质。据推测或假设，较大或较长的纤维嵌入在制品基质内导致不太均匀的结构。此外，纤维越长，则在模具的挤出排气孔处堵塞的机会就越大。在挤出排气孔周围的基质中长纤维的嵌入会增加脱模步骤期间物品边缘磨损的风险。在本发明中选择较短的纤维长度使脱模期间制品边缘处的磨损风险最小化。
根据制品结构性基质所需的弯曲、冲击和拉伸强度来选择或改变包括在纤维组分中的纤维的百分比。选择淀粉组分的量以获得所需的内部内聚力和表面质量，其中假定淀粉组分至少部分地连接、胶合和/或嵌入模塑组合物中的纤维组分的纤维和任何任选的填料组分。
本发明的特征在于一种模塑物料组合物，其具有在94重量％淀粉：6重量％纤维至49重量％淀粉：51重量％纤维的范围内；优选88重量％淀粉：12重量％纤维至55重量％淀粉：45重量％纤维的范围内；且更优选83∶17至57∶43的范围内的淀粉/纤维重量％比率。
可以选择具有以下纤维性能的纤维组分的纤维，作为非限制性实例，高拉伸强度、高柔韧性、改进的嵌入特性和/或根据模制和/或整饰制品的所需特性选择的其他具体纤维性能。可以选择具有特定性能或特性的特定集合的数量或百分比以改变(即增加或减少、增强或最小化)相应的特性，诸如，作为非限制性实例，模塑和/或整饰制品的柔韧性、刚性和/或冲击强度。
淀粉组分与纤维组分的选定重量百分比比率确保了这两种组分的协同作用以获得更均匀的模塑物料和改进的纤维嵌入。改进和/或增加的模塑物料均匀性和纤维嵌入有助于改进模塑和/或整饰制品的结构稳定性。
在一个非限制性实例中，在纤维组分中选择具有相对较短纤维长度性能的纤维或纤维集合可导致淀粉颗粒在模塑物料中并最终在模塑和/或整饰制品中更容易装填或更均匀地组装。
除了水和包括淀粉和纤维组分的固体组分，模塑物料组合物还可包括以下附加的任选的成分或组分。
现有技术教导了包含天然蛋白质或其他天然胶乳的组合物。在现有技术中应用的蛋白质或胶乳的非限制性实例包括小麦蛋白(面筋)、玉米蛋白(玉米醇溶蛋白)、基于动物的明胶或橡胶胶乳。然而在本发明中，优选不向模塑物料组合物中添加天然蛋白质或任何天然胶乳，原因是此类蛋白质或天然胶乳会干扰模塑物料的热处理，作为非限制性实例，产生模具残留物。
现有技术教导了脱模剂的使用，但现有技术的脱模剂各有其缺点或局限性。例如，现有技术教导了在可食用蛋筒型物品或片状华夫饼型物品的制造中包括源自动物或植物来源的脂肪和/或油的脱模剂。这样的脱模剂具有固有的热不稳定性。使用这样的脱模剂会导致模具残留物的形成。这样的模具残留物不利地需要定期清洁和/或从模具中去除。否则模具残留物会积聚并导致模具表面不太光滑，这相应地降低了用该模具形成的模塑制品表面的光滑度。
现有技术还教导了在可生物降解制品的制造中包括硬脂肪(包括全氢化油或其他脂肪)的脱模剂。现有技术教导了这样的脱模剂通常为薄片、粉末或在水中的乳液(包括各种乳化剂)的形式。乳化剂会增加吸湿性，这增加了模塑制品的柔软度和/或柔韧性，同时降低其冲击强度。
现有技术还教导了包括蜡的脱模剂。在水基模塑物料中，蜡基脱模剂的均匀分配可能需要对液态蜡和/或蜡粉进行乳化。如上所述，乳化剂增加了吸湿性。包括剂量为总模塑物料重量的百分之几的蜡脱模剂的模塑物料不会为模塑制品提供任何防潮性。包括剂量甚至高于总模塑物料重量的百分之几的蜡脱模剂的模塑物料在热模具中的分配期间会增加模塑物料的滑移并且会干扰模塑过程。当蜡的剂量增加到超过总模塑物料重量的百分之几时，在模塑物料表面上会出现因蜡过剩而产生的光亮表面。光亮的表面会导致材料滑移、材料过度或过量地通过挤出排气孔挤出，并最终会导致在靠近挤出排气孔的制品区域中形成孔洞。现有技术教导了包括基于天然来源的蜡乳液的脱模剂，但所需的额外的乳化剂再次折损了模塑制品的水分稳定性。
现有技术教导了包括脂肪、油和/或蜡的脱模剂为模塑和/或整饰制品提供了防潮保护，原因是这些脱模剂是疏水的。这种教导从根本上未能理解诸如淀粉粉体和纤维的亲水性材料的混合物的动力学。亲水性材料诸如胶凝化淀粉和嵌入纤维与强疏水性脂肪或蜡的混合物导致相分离。此外，相对于热模塑操作中的总模塑物料，疏水相的百分比必须较低。否则，可能发生材料滑移、蒸汽逸出干扰和其他操作问题，从而阻碍了优异的模塑工艺。低疏水相百分比不会为模塑制品提供任何实质性的防潮保护。此外，任何水分扩散或吸收都将通过亲水性主要相转移并轻松绕过小疏水区域。高百分比的亲水性纤维和淀粉材料能够将水分转移到模塑制品。此外，添加到蜡脱模剂中的任何乳化剂都会进一步增加水分向模塑制品的转移。如上所述，水分转移降低了模塑制品的冲击强度。
现有技术还教导了包括乳化剂的脱模剂，所述乳化剂包括脂肪酸的甘油单酯或甘油二酯、脂肪酸的柠檬酸酯、卵磷脂和/或具有亲水-亲油平衡或HLB值朝向亲脂一侧的其他乳化剂(即从零至约7)。现有技术教导了应用于华夫饼型物品配方中的卵磷脂会导致模具污染问题。如上所述，乳化剂介导水分扩散和水分转移的能力对于水分敏感制品是不利的。
现有技术教导了包括无机粉末诸如滑石和类似硅酸盐的脱模剂。这样的试剂缓慢地积聚形成残留物，这些残留物由一些胶凝化淀粉介导而粘附在模具表面。由于与滑石相关的疑似癌症潜在风险，存在潜在的安全问题。现有技术还教导了其他无机粉末脱模剂，其包括金属氧化物和碳酸盐诸如镁的氧化物、氢氧化物和碳酸氢盐，它们可以应用于华夫饼型物品配方，但也会导致模具污染问题。
现有技术进一步教导了在制造基于淀粉、纤维和类似材料的可生物降解制品中包括金属硬脂酸盐诸如硬脂酸镁的脱模剂。在这样的应用中优选的脱模剂包括锌、钙或铝的硬脂酸盐。随着时间的推移，模具残留物会产生并需要定期清洁和/或从模具表面去除。在多次模塑循环期间，在高模塑温度下金属抗衡离子与模具表面的反应对于连续工业制造来说仍然至关重要的。金属抗衡离子可以插层到铸铁中并改变模具表面处的模具金属组成，和/或可以与模塑物料的带电基团连接从而在相对较少次数的模塑周期内使模具残留物积累。这样的模具的特征则是模糊的白色样表面。
与现有技术相比，本发明的特征在于一种用于连续热模塑工艺(包括热模塑，即在190℃或更高的温度下)的特定脱模剂。本发明的脱模剂提供了优异的脱模而不形成模具残留物。本发明的脱模剂包括饱和长链脂肪酸，优选碳链长度为12个或更高的饱和长链脂肪酸，包括例如月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸或花生酸和类似的12+C长链脂肪酸。在一个优选的实施方案中，脱模剂包括纯的饱和长链脂肪酸。在另一个优选的实施方案中，饱和长链脂肪酸脱模剂具有粉末形式。粉末可以容易地整合到模塑物料中。优选地，饱和长链脂肪酸脱模剂粉末包括各自具有小于80目且更优选小于100目的筛目尺寸的颗粒，后者对应于149μm的颗粒标称直径。
在本发明中，基于本发明的脱模剂的闪点和平衡蒸汽压力，通过在高模塑温度下闪蒸来去除由于该脱模剂引起的任何潜在的模具残留物。由于脱模剂的饱和长链脂肪酸在90至100℃下的挥发，因此即使在超剂量的情况下，模具也能保持基本上清洁。因此避免了粘连和/或模具残留物累积的风险。在连续操作中避免模具残留物累积是特别有利的，原因是避免了现有技术特有的繁琐的生产线停工和相关清洁程序。
本发明的特征在于一种模塑物料组合物，基于模塑物料组合物中固体成分的总重量，其包含在0.1至2.4重量％的范围内、优选在0.1至1.4重量％的范围内，并且更优选在0.1至1.0重量％的范围内的饱和长链脂肪酸脱模剂。在一个优选的实施方案中，模塑物料组合物包含饱和长链脂肪酸脱模剂，所述脱模剂包括选自棕榈酸、硬脂酸和花生酸的酸。
优选的饱和长链脂肪酸脱模剂为粉末形式以便于应用，在模塑过程中基本上完全熔化，在热模塑期间通过闪蒸去除由于脱模剂造成的任何模具残留物，这与现有技术脱模剂残留物不同，现有技术脱模剂残留物在蒸汽释放和/或脱模后残留在热模具表面。本发明的长链脂肪酸脱模剂可用于其他种类的热模塑或热烘烤应用并且不限于热模塑操作。
与现有技术形成对照，在闪蒸之后，不会留下模具残留物包括例如金属氧化物或聚合的脂质。与现有技术使用金属硬脂酸盐形成对照，较高的剂量不会导致发白的模具残留物的积累。与现有技术形成对照，将饱和长链脂肪酸粉末施用或添加到模塑物料组合物中不需要任何用于分配的乳化剂，因此避免了由现有技术中使用的乳化剂介导的负面的吸湿作用。
此外，与现有技术中教导的许多脱模剂形成对照，即使在本发明的长链脂肪酸脱模剂以大于2.4重量％且至最大10重量％的量过量配给(基于模塑物料组合物中非液体可溶性固体成分的总重量)的情况下，在模具表面滑移方面基本上没有变化。
无模具表面滑移确保连续可重复的工业制造。相比之下，现有技术的模具表面滑移快速且显著地改变模塑制品的表面性能和特征，从而使相关现有技术脱模剂的使用不适合连续可重复的工业制造。
然而，本发明的长链脂肪酸脱模剂的选定剂量是优选的，因为剂量是昂贵的，并且会不必要地增加热处理期间的冒蒸汽。
在一个实施方案中，本发明的模塑物料组合物包含质地化剂。如本领域普通技术人员已知的那样，质地化剂可包括反应性或非反应性无机添加剂。可用于本发明的质地化剂的非限制性实例包括石膏、碳酸钙、碳酸镁、硅酸盐、氧化钛、粘土添加剂和上述质地化剂的组合。在如上所述由于与滑石相关的疑似癌症潜在风险而存在潜在安全问题的情况下，以低水平包括滑石添加剂的质地化剂是一种选择，但不是优选的。
在替代性实施方案中，基于固体组分的总质量，模塑物料组合物包含质地化剂，所述质地化剂包括在0至16.5重量％、优选0至12.5重量％、更优选0至10重量％的无机添加剂。
模塑物料不需要气体释放剂并且因此模塑物料组合物在模塑加工条件下不包括气体释放剂，作为非限制性实例，所述气体释放剂包括碳酸氢盐或其他气体释放碳酸盐或其他气体释放剂。由于其在模塑加工条件下的稳定性，包括上述作为任选的质地化剂的碳酸钙和碳酸镁的任选的质地化剂是不释放气体的碳酸盐。
在一个实施方案中，模塑物料组合物包含施胶剂(sizing agent)。施胶剂可以选自基于松香的施胶剂、基于烷基烯酮二聚体的施胶剂，以及上述施胶剂的组合。选定的施胶剂的使用可导致制品结构基质的改进的内部内聚力。因此，在湿气暴露或接触湿气情况下制品稳定性得到改善。
在一个优选的实施方案中，模塑物料组合物包含施胶剂，基于模塑物料组合物的非液体可溶组分的总质量，所述施胶剂包括浓度在0.15至0.3重量％的范围内的基于松香的施胶剂。
在另一个优选的实施方案中，模塑物料组合物包含施胶剂，基于模塑物料组合物中非液体可溶组分的总质量，所述施胶剂包括浓度在0.1至0.2重量％的范围内的基于烷基-烯酮二聚体的施胶剂。
模塑物料组合物可包括用于直接影响模塑过程和/或模塑和/或整饰制品的稳定性和柔韧性的附加的改性剂或添加剂。
在一个实施方案中，除了水组分之外，模塑物料组合物还包含增塑剂，即基本上第二或非水增塑剂。在一个优选的实施方案中，第二增塑剂包括尿素。尿素的作用与水组分不同。据推测，尿素促进了淀粉组分链的至少一些运动，从而减少了模塑制品的任何开裂。在选定的相对于淀粉组分的尿素浓度下，模塑和/或整饰制品具有改进的光滑度和稳定性。在替代性实施方案中，模塑物料组合物包含第二或非水增塑剂，基于淀粉组分的总质量，所述第二或非水增塑剂包括浓度优选在0至6重量％的范围内、更优选在0至4.5重量％的范围内且最优选在0至3重量％的范围内的尿素。
在一个实施方案中，模塑物料组合物可包括含有多个硼酸根离子的改性剂。相对于淀粉组分以选定浓度将硼酸盐添加到模塑物料组合物中会影响模塑和/或整饰制品的重量和孔结构。然而，硼酸盐的添加也会影响淀粉组分的胶凝化温度。因此，可以选定的量添加硼酸盐以优化模塑制品和/或整饰制品的一个或多个所选性能并影响淀粉组分的胶凝化温度。在替代性实施方案中，模塑物料组合物包含改性剂，所述改性剂包括其浓度优选在0至2mmol硼酸盐/千克淀粉组分的范围内并且更优选在0至0.2mmol硼酸盐/千克淀粉组分的范围内的多个硼酸根离子。
现有技术教导了树胶的使用，所述树胶包括但不一定限于来自植物、动物或微生物来源的多糖作为食品和化学工业中的增稠剂、稳定剂、胶凝剂和乳化剂。因为树胶的特定性能诸如粘度、特性粘度、稳定性、胶凝性能和乳化性能，树胶结构决定了其应用和目的。在由流体面糊制造模塑制品中，现有技术教导了使用树胶来控制面糊均匀性和防止模塑物料在预模制阶段崩解。
与现有技术形成对照，本发明的模塑物料的第一塑性-弹性特性可以使树胶的使用不太理想。然而，在本发明的一个实施方案中，模塑物料组合物可包括改性剂，所述改性剂包括聚合物。将聚合物选择性地添加到模塑物料组合物中可以选择性地影响模塑物料的质地、在热模具内的物料分配、模塑物料通过挤出排气口的挤出控制以及模塑制品的性能。
在一个实施方案中，模塑物料组合物可包括改性剂，所述改性剂包括聚合物，所述聚合物包括纤维素衍生物。纤维素衍生物可包括纤维素酯和纤维素醚中的至少一种。纤维素衍生物可任选地包含一个或多个额外的离子基团。在替代性实施方案中，模塑物料组合物可包括改性剂，所述改性剂包括选自纤维素衍生物、纤维素酯、纤维素醚、琼脂、藻酸、藻酸盐、角叉菜胶、壳聚糖、可得然胶(curdlan)、瓜尔胶、魔芋、魔芋衍生物、刺槐豆胶、高酯果胶、低酯果胶、酰胺化果胶和黄原胶的聚合物。
在一个实施方案中，模塑物料组合物的非液体可溶性固体组分可包括改性剂，所述改性剂包括聚乙烯醇。聚乙烯醇具有优异的成膜和粘合性能用于选择性改变模塑和/或整饰制品的稳定性和柔韧性。模塑物料组合物可包括改性剂，基于模塑物料组合物中非液体可溶性固体组分的总质量，所述改性剂包括浓度在0至12重量％的范围内、优选在0至6重量％的范围内的聚乙烯醇。
模塑物料组合物可包括改性剂，所述改性剂包括着色剂。着色剂可包括选自包括选自以下的着色剂：在联邦食品药品和化妆品(Federal Food Drug and Cosmetic)清单中所包括的着色剂、由联邦食品和药物管理局(Federal Food and Drug Administration)监管的FD&C着色剂、由欧盟(European Union)监管的E编号的着色剂、天然着色剂、磁铁矿着色剂和上述着色剂中的两种或更多种的组合。
在一个实施方案中，着色剂可包括添加剂，所述添加剂包括磁铁矿。磁铁矿可以为粉末形式。磁铁矿的使用可以使模塑制品更适合静电工艺。
在其他实施方案中，模塑物料组合物可包括添加剂，所述添加剂包括经历美拉德褐变反应的试剂，作为非限制性实例诸如蛋白质；经历延长的美拉德褐变反应的试剂，诸如大多数糖和氨基酸；经历焦糖化反应的试剂；在选定的糖浓度下的一种或多种选定的糖；在选定的氨基酸浓度下的一种或多种选定的氨基酸；和/或在选定的蛋白质浓度下一种或多种选定的蛋白质。基于模塑物料组合物的固体组分的总质量，选定的糖浓度小于1.5重量％且优选小于1重量％。基于模塑物料组合物的固体组分的总质量，选定的氨基酸浓度小于2重量％且优选小于1重量％。基于模塑物料组合物的固体组分的总质量，选定的蛋白质浓度小于16重量％且优选小于11重量％。
在选择包括液体和非液体可溶性固体组分的组分之后，如上所述，可以由模塑物料组合物制备模塑物料。模塑物料的制备包括例如用混合和捏合系统进行的混合和捏合步骤。混合和捏合步骤可以间歇型方法或在连续型混合和捏合系统中进行，以制备具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料，包括均匀掺入纤维并且在模塑物料中基本上没有填充有空气或其他填充有空气的空隙。
在混合和捏合过程的第一步期间，将非液体可溶性固体组分基本上均匀地分配在液相中。非液体可溶性固体组分吸收大部分液相。所述组合物变得越来越可塑。在混合和捏合过程的第二步中，对组合物进行捏合以进一步混合各组分。
混合和捏合过程可以使用本领域普通技术人员已知的程序进行。这样的程序包括将纤维与淀粉颗粒以及任何其他非液体可溶性固体组分彻底混合，同时进行强力捏合，包括在液体组分(包括水组分和任何溶解的溶质或分散的乳液)的掺入期间或掺入下任选地进行高剪切混合。混合和捏合过程可包括逐步添加液体组分以将纤维均匀地掺入到模塑物料中。根据普通技术人员已知的方法逐步添加液体组分可以促进高剪切混合中剪切力的增加并且可以分解或破坏纤维的任何巢网。
所述方法可包括用于基本上防止将空气或其他气体引入模塑物料和/或将其从模塑物料中去除的步骤。在一个实施方案中，排除和/或去除空气或其他气体包括在混合/捏合系统中产生真空的步骤。在一个非限制性实例中，可以在连续混合和捏合过程期间或结束时使用连续混合器来完成产生真空的步骤。使用连续混合器可以确保根据添加组分的重量或质量或体积百分比或比例实现精确的组分剂量。
可采用间歇型、连续型和/或挤出型设备系统来进行自动计量，用于混合、脱气和制备具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料。可以使用本领域普通技术人员已知的现有技术的混合器、捏合机和/或挤出机。然后可以将模塑物料分成多份或施用于多份系统以沉积到目标模具中。
混合和捏合过程所需的时间段取决于混合器的类型、相应混合和捏合工具的几何形状、填充体积和混合器的转速。在非限制性实例性实施方案中，混合和捏合过程的时间段在4分钟至16分钟的范围内。调整和/或优化混合和捏合时间段以生产具有均匀分配的纤维并具有第一塑性-弹性质地和稠度的相对柔软的模塑物料。
在制备具有第一塑性-弹性质地和稠度的所需模塑物料之后，如本文所述，模塑物料经历任选的静置期，所述静置期可以根据模塑物料的组成和制备方法而变化。在非限制性实例性实施方案中，静置期包括最少15分钟、优选最少10分钟且更优选最少5分钟。
选择和制备本发明的模塑物料组合物的各组分用于具有塑性-弹性、非流体质地和稠度的相对软的模塑物料。本发明的模塑物料的组成和制备具有若干优点：
通过使用包括优选具有粉末形式的多个颗粒、粒子、微粒和/或细粒的淀粉组分使带入模塑物料混合物的残留空气内含物最小化。淀粉组分的粉末形式避免了形成和/或转移到模塑制品的结构基质的不一致的填充有空气的空隙。
尽管明显地为非流体，但本发明的模塑物料的第一塑性-弹性质地和稠度可以流动和膨胀以完全填充模具。令人意外地发现，本发明的模塑物料可以相对快速地且基本上没有空隙地填充相应模具并且挤出废料的百分比相对较低。因此，使将模塑物料在模具中分成多份时的重量变化最小化，从而降低了通过模具的挤出排气孔挤出废料的百分比。
本发明的模塑物料组合物适用于在高于190℃的温度下快速热模塑以使每个模具的输出最大化。在这样高的模塑温度下，由于热褐变或焦糖化反应而导致褪色或变色的可能性显著降低。选择固化时间使得没有内部蒸汽压力保留在模塑物料中并且超越本领域中某些人称为过程中制品基质的玻璃点(glass point)。对于完整的操作周期，制品的固化时间通常在60秒至155秒的范围内、优选在75秒至140秒的范围内、更优选在85秒至125秒的范围内，其中固化时间根据模塑物料的组成和模塑制品的所需目标壁厚或壁厚范围来选择。85秒至125秒的固化范围对于壁厚相对较厚的制品更为典型。相比之下，由现有技术的流体、基于面糊的模塑物料形成制品的固化时间通常约为两分钟或更长。最高固化温度为225℃、优选215℃且更优选在190℃至210℃的范围内。
与现有技术相对照，本发明的模塑物料无显著量的游离水并且相应的模塑和/或整饰制品无外部填充有蒸汽的空隙、裂缝或类似的不规则部。
一旦制备好并根据需要静置，就可以将模塑物料分成多份。分份步骤包括使用本领域普通技术人员已知的塑性-弹性材料分份系统将模塑物料分成选定的多份。可根据本发明使用的分份设备的非限制性实例包括线切割机、面包分割器和/或基于活塞的容积式面团分割器。在一个优选的实施方案中，分份设备具有将本发明的模塑物料分到最小±1克的精度的能力。
本发明包括根据选定的一份或多份将模塑物料沉积到一个或多个模具中的步骤。沉积到相应目标模具中的选定的体积小于相应目标模具的体积。在热固化过程期间会出现一定程度的蒸汽介导的膨胀，这取决于模塑物料组成或为模塑物料组成的函数。
分份步骤可以在连续操作的模具附近进行。在卸下先前模塑的制品并去除与自动机械刮削装置和/或鼓风机的作用相关的任何多余材料后，模具立即准备就绪。通过将分好的块引导到相应的空的或打开的模具的底部中心，将模塑物料的分好的块以有序的方式引入模具中。
在全自动模塑机内的模具可以布置在烤钳内。模具(70)的一个非限制性实例性空基料部分在图7中示出。在一个替代性非限制性实例中，目标模具可在一侧铰接并在沉积模塑物料的分好的块后立即在相对侧锁定。具有铰接盖(74)的目标模具(72)的非限制性实例示于图8中。这样的示例性模具例如可以90度角打开以进行脱模和再填充。在一个替代性非限制性实例中，模具的顶部不铰接，而是可以水平地打开。后一种非限制性模具的实例优选用于模制相对不浅的制品。不浅的制品包括最短尺寸大于一英寸的物品。
模具精确地反映了预期或目标制品的形状。制品的壁厚优选在0.9至3.5mm的范围内、更优选在1.2至3.0mm的范围内并且最优选在1.5至2.8mm的范围内。制品内不同厚度的区域可用于形成外缘、结构加强元件或标志。
用于热模塑工艺的模具可包括金属材料，作为非限制性实例诸如钢、铸铁、铝、黄铜以及两种或更多种上述金属材料的混合物。全部或整个模具可以由单一金属材料制成或由不同金属材料制成，在钢或铸铁框架内使用插件。
模具的外缘可包括一个或多个挤出排气孔或孔洞(76)的阵列，如图8所示的非限制性实例性目标模具(72)所示。这些挤出排气孔为蒸汽逸出和小百分比的固体材料任选地通过挤出排气孔挤出提供了通道。挤出排气孔优选地按照具有不同部件的模具(作为非限制性实例，包括单件式、两件式和三件式模具)的闭合外缘以对称模式布置。对于任何具有小于或等于一英寸的尺寸厚度的制品，两件式模具是优选的。对于任何具有大于一英寸的尺寸厚度的制品，三件式或更多件式模具是优选的。
每个模具都可以连接到承载链条循环机构，用于使模具连续通过沉积阶段：将模塑物料沉积到模具中，关闭模具，并填充模具的细部；热固化阶段：在选定的固化温度下对填充模具进行热固化；卸料阶段：打开经热固化的模具并卸下模塑制品；和清理阶段：去除残留在模具上的挤出固体。
在沉积阶段，将模塑物料沉积到模具中，并且根据需要关闭模具。模塑物料的第一塑性-弹性材料基本上均匀地分配在模具空间或外壳内。通过机械挤压和一些初始汽蒸可以增强均匀分配。少量多余的模塑物料材料可能挤出或通过模具的挤出排气孔。
现有技术教导了模具的直接单次或多次重新打开和重新闭合(也称为呼吸操作)。例如，在涉及流体模塑物料的可生物降解制品或食品华夫饼型物品的制造中，现有技术教导了这样的呼吸操作以快速降低一些水分含量从而缩短总模塑时间并提高这些制品的最终稳定性。
与现有技术相比，由于模塑物料的第一塑性-弹性质地和一致性产生的优异分配，这种呼吸操作在本发明中不是强制性的。猜想或假设在固化温度下靠近模塑物料表面布置并容易熔化的那部分选定的脱模剂有助于该令人意外且预料不到的在模具中的良好分配以及用模塑物料基本上完美地填充模具。因此，通过本发明的模塑物料的在模具中良好分配以及用模塑物料基本上完美地填充模具的能力是本发明的特征并且支持本发明的基本原理。
在热固化阶段期间，将填充好的模具放入或送入热固化系统并在选定的固化温度下对模具加热选定的固化时间。图7示出了在用制备好的模塑物料填充之前的示例性空模具(70)。在一个替代性非限制性实施方案中，将空模具放在热固化系统内部或送入热固化系统中并随后用所制备的模塑物料填充。图9示出了包括布置在其中的空模具(80)的热固化系统(78)。
储存在模具的厚金属部件中的热量经由模具表面传递到模塑物料。与模具热表面直接接触的模塑物料表面几乎立即固定。几乎没有时间在模塑物料表面处形成充蒸汽的空隙。模塑物料中的水分迅速蒸发成制品的结构基质中的发泡蒸汽。发泡蒸汽与任何非预胶凝化淀粉组分的胶凝化非常接近地同时发生。蒸汽经由模塑物料的仍然柔软的内部结构转导或穿过到模具的挤出孔。模具内会产生一些压力，这可以通过在固化过程的前三分之一内听到嘶嘶声来证明。
制品形式包括模具的细部，诸如，作为非限制性实例，诸如模具的外缘或标志的细部。内部的充蒸汽的孔基本上以受控分配模式形成，直到淀粉组分的胶凝化以及水分的快速流失将结构固定成稳定的内部基质。内部蒸汽孔确保模塑制品更轻。
将模塑物料加热至约200℃至高至225℃的温度提供了相对快速且基本上完整或完全的淀粉组分的胶凝化、由释放的蒸汽吹出的内部孔的均匀分配和快速固定以及最终结构硬化。本发明通常包括作为模塑物料的组成以及模塑制品的壁厚或壁厚范围的函数的优选在75秒至140秒的范围内且更优选在85秒至125秒的范围内的固化时间。相对较快的固化时间有助于热固化过程的效率并最终有助于有效的制造过程。如上所述，现有技术的流动性更好的面糊状模塑物料的固化时间通常需要两分钟或更长的固化时间。将模塑制品的任何内部部分干燥至残留水分为百分之几。因此，在热固化阶段完成时，基本上没有蒸汽压力留在模塑制品的结构基质中。模塑制品的结构基质的固化超出本领域中某种被称为结构基质的玻璃点。在干燥和固化过程的同时，模塑制品的结构基质收缩，这有助于在制品卸下阶段期间的后续脱模。继续热固化阶段，直到模塑制品具有第二塑性-弹性质地和稠度，其特征在于，基于模塑制品的总质量，具有6至1重量％、优选3.5至1.5重量％的范围内的残留水分。任何过度的固化都可能导致过度收缩和/或出现微裂缝或可能导致制品有缺陷的可见裂缝。特定制品的固化停止点可以根据本领域普通技术人员已知的原理来选择。
在连续工艺中，热固化可以在模具循环通过加热室的同时进行，在此模具温度在185℃至225℃的范围内、优选在190℃至215℃的范围内且更优选在190至210℃的范围内。该模具温度是指模具表面处的实际有效温度。选择理想的热固化温度以保持高产量同时避免有机材料的降解，作为非限制性实例包括热褐变或甚至分解。作为非限制性实例，可以通过气体燃烧器、电感应和本领域普通技术人员已知的其他加热系统来提供用于热固化过程的热量。
模具的顶部和底部处的模具温度之间的温差可以在小于或等于10℃的范围内。
对于完整的操作周期或热固化阶段，制品的固化时间通常在60至155秒的范围内、优选在75至140秒的范围内且更优选在优选85至125秒的范围内，取决于或根据制品的模塑物料的组成以及其壁厚度或厚度范围。选择热固化时间使得在制品的结构基质中无残留蒸汽压力并且所述制品的固化超过了有时称为其结构基质的玻璃点。
所述方法可包括热模塑所述模塑物料。热模塑步骤包括采用一步法的与热固化内在相关的模塑。热模塑可在全自动热模塑机内进行。全自动热模塑机可包含至少一个、优选多于一个简单模具，每个模具具有目标模塑和/或整饰制品的形状或形式。在热模塑之后，根据需要可以将模塑制品和/或制品部件分开或连接在一起。
当模塑制品具有足够的稳定性或处于足够稳定的形式并且制品的残留水分含量在6至1重量％的范围内、优选在3.5至1.5重量％的范围内、更优选在3至1.5重量％的范围内(基于模塑制品的总质量)时，可以开始卸料阶段。残留水分的选择控制对于避免模塑制品中的结构缺陷很重要。作为非限制性实例，当吹出的蒸汽以高于可容许残留水分含量的百分比保留在制品的内部结构中时，可导致制品中的结构开口。当制品在低于可容许残留水分含量下干燥或固化时，则会发生过度收缩。过度收缩继而会导致模塑制品中出现微裂纹或可见的裂纹缺陷。
当模具的顶部或第一部分打开时，模塑制品可保留在模具的底部或第二部分中或上，或者，模塑制品可在模具打开期间略微上升。略微上升可能与空气流入模具和/或与根据本发明选择的脱模剂的脱模机制有关。鼓风机可用于帮助脱模。
然后可以从相应的模具中安全地取出或卸下制品。作为非限制性实例，可以通过一个或多个枢转机器人臂来完成卸料，每个臂都带有一个或多个真空杯。可以为每件物品引入单个机器人臂，或者可以引入一系列机器人臂以便从多个模具中基本上同时取出多个物品。然后，每个机器人臂可以根据需要将相应的取出物品存放到选定的设备中，以便进一步运输。用于有序运输的设备的非限制性实例包括传送带、具有专用接收外壳或空腔的运输系统或本领域普通技术人员已知的用于有序运输和/或传送的其他设备。
替代地，在涉及自动脱模的应用中，在模具或模具的顶部被打开之后，优选地可以使用真空抽吸装置来提升、移除或以其他方式从模具中卸下制品。这种卸料方法具有安全优势。
可以使用制造可生物降解包装或华夫饼型物品烘焙制造领域中的普通技术人员已知的其他脱模和有序运输方法。
在模塑阶段，在运输和/或传送之前或与之同时，可以进行适当的鼓风以去除任何气泡包括残留在模具中和/或周围的挤出模塑材料。
然后可以通过暴露于户外环境或通过强制冷却机制将脱模制品冷却至25至45℃的范围内的温度。
模塑后，可以进行任选的进一步模塑后加工步骤。在一个非限制性实例中，本发明的特征在于主动控制模塑制品中的水分以确保模塑制品具有选定的柔韧性和断裂强度。
包括碳水化合物聚合物(包括纤维和淀粉)的模塑制品从环境中吸收和解吸水分。作为非限制性实例，此类水分的来源可包括空气的相对湿度和/或与分别具有相应不同水活性的含有不同百分比的水分的湿或液体内容物的接触。由基于碳水化合物的制品吸收和/或解吸的水分百分比根据可称为材料的吸附等温线进行物理调节。制品的水分量会影响模塑制品的机械性能。
作为非限制性实例，基于制品的总质量，具有相对较低水分含量的基于碳水化合物的模塑制品可能是脆的，具有相对中等范围的水分含量的制品可能是柔性的，并且具有大于15重量％且有时甚至大于10重量％的相对较高水分含量的制品可能是柔软的且甚至是湿透的。与大多数种类的不可生物降解且不可堆肥的基于塑料的制品相比，碳水化合物制品的这种吸附和/或解吸可能是缺点，可以根据需要使用水分吸附的选择控制来实现和/或增强生物降解性和/或可堆肥性。
在相对湿度从零至100％的湿度的范围内，基于碳水化合物的模塑制品的吸附等温线具有S形。在干燥条件下，当相对湿度较低时，基于碳水化合物的模塑制品会失去水分。在潮湿条件下，当相对湿度较高时，基于碳水化合物的模塑制品获得水分。尽管水分增加可以实现生物降解性和堆肥性能，但水分增加过多会对模塑制品的物理稳定性产生负面影响。
因此，根据制品的组成，基于碳水化合物的模塑制品的机械性能可随着环境的相对湿度而变化。对于本发明的模塑组合物，在高达50℃的温度下，在小于45％的相对湿度下，制品可能是脆的，在45％至约75％的相对湿度下，制品可能是柔韧的，在等于或大于80％的相对湿度下，制品可能是柔软的。尽管与热模塑制品所在地的相对湿度相比，温度的影响不那么显著，但是随着温度升高到超过环境温度，除非相对湿度足够高(在约45％至70％的范围内)，否则可能会发生水分损失。
此外，制品的尺寸可以随着水分的吸收和/或解吸而改变，由此制品可以随着水分的增加而膨胀，并且随着水分的损失而收缩。制品的水分含量变化为1％时，基于碳水化合物的制品的最大长度/宽度收缩率为约0.1％。作为非限制性实例，水分每增加/减少1％则长度为200mm的制品可能经历2mm的增加/减少(即0.1％)。
与现有技术相比，本发明的特征在于，根据此类制品的许多应用的需要对可生物降解且可堆肥的模塑制品的水分含量进行主动控制。在一个实施方案中，本发明的特征在于包括调适过程的后热固化处理。这样的调适包括主动控制模塑制品中的水分含量。模塑制品可以在模塑后或在模塑并冷却后以有序的方式放入和送入密闭的加湿工段或腔室中。在该密闭的加湿工段中，物品受到潮湿空气流的影响。通过湿空气流提供给制品的水蒸气量通过控制温度、相对湿度以及进入的湿空气流的流速和分配来控制，同时保持加湿工段或腔室中受控、安全的微生物条件。此外，模塑制品中水分的主动控制进一步通过选择制品尺寸包括例如模塑制品的厚度和表面积来控制。模塑制品中水分的主动控制进一步通过选择加湿时间(即处理密闭在加湿工段或腔室中的制品的时段)来控制。进入的湿空气的相对湿度越高，进入的湿空气的温度越高，模塑制品的总质量和壁厚越小，则模塑制品能够吸收水并在模塑制品中实现所需水分水平越快。
在一个非限制性实施方案中，基于模塑制品的总质量，模塑制品在热固化后具有在3至1.5重量％的范围内的水分含量。这样的制品通常可以在15至60分钟的范围内、优选在20至50分钟的范围内并且最优选在20至45分钟的范围内经历加湿。在加湿后，模塑制品的水活度(包括模塑制品的吸水能力)优选在0.45至0.70的范围内。更优选地，在加湿后，模塑制品的水活度在0.50至0.70的范围内。根据制品相应的目标应用来选择制品的目标水活度。改性室中的相对湿度优选保持在80％至99％且更优选保持在85％至98％，以便确保相对快速地加湿模塑制品。选择较高的相对湿度确保制品暴露于更大的湿度，并且可以更快地达到目标水活度。必须排除任何水滴在模塑制品上的凝结。
其他后模塑步骤可包括通过涂布和/或密封、浸渍和/或与可堆肥涂层层压来选择改变制品的性能。可选择涂布和/或层压步骤以使制品更光滑、有光泽、柔韧和/或防水。
在一个实施方案中，为了改变表面性能和/或为了某些应用的制品稳定性，后模塑步骤包括在模塑制品的至少一部分(例如壁)上形成可生物降解、可堆肥的涂层和/或密封和/或将其渗透。作为非限制性实例，用可生物降解、可堆肥层涂布和/或密封制品可以提高表面光滑度、光亮度和光泽度，可以防止水分和/或油的吸收，和/或可以提高制品的机械强度性能诸如冲击强度、柔韧性或抗断裂性。在其他非限制性实例中，可生物降解、可堆肥的涂层和/或密封可为外表面的至少一部分或外表面的侧面和/或模塑制品的内部提供斥水或防水性能。
涂布和/或密封步骤可以根据本领域普通技术人员已知的不同涂布和密封方法和材料来完成。作为非限制性实例，涂布和/或密封步骤可包括通过用所述溶液喷涂、幕涂、浸渍和/或浸渍模塑制品的内部基质将可生物降解、可堆肥的涂层和/或密封件施用于模塑制品。
涂布和/或密封步骤可以使用涂布流体来施用。涂布流体可为水基溶剂或非水基溶剂或两者的组合，其中非水基溶剂可与水混合。可用于本发明的涂布流体的非限制性实例包括在作为非限制性实例的公开文献WO 2014105641、WO 2010085569和US 5,576,049中所述的涂层。
本发明的特征在于一种独特的可生物降解、可堆肥的涂布溶液。可生物降解的可堆肥涂布溶液包括选定的比例的选定的液体溶剂基料和选定的固体部分。在一个优选的实施方案中，选定的液体溶剂基料包括水。
本发明的特征还在于一种用于将可生物降解、可堆肥的涂布溶液施用于模塑制品的新系统和方法。所述系统包括涂布区，所述涂布区包括喷涂装置和加热装置。所述方法包括首先用可生物降解、可堆肥的涂布溶液喷涂模塑制品，然后将经喷涂的模塑制品加热到选定的温度历时选定的干燥时间。在一个替代性实施方案中，喷射和加热可以同时发生。
喷射装置包括雾化器。雾化器将可生物降解、可堆肥的涂布溶液的多个液滴喷射到模塑制品。
加热装置包括红外线干燥装置。红外线加热装置用于将经喷射的模塑制品加热至选定的温度以实现经涂布的模塑制品的目标水活性。
在施用可生物降解、可堆肥的涂布溶液后，经涂布的模塑制品具有目标水活性。
在一个示例性非限制性实施方案中，图10示出了传送带，其中可以将模塑制品输送到本发明的涂布区，在此可以将可生物降解、可堆肥的涂层施用于模塑制品。
在另一个实施方案中，后模塑步骤可包括将可生物降解、可堆肥的膜施用于制品。施用膜的步骤可包括将可生物降解、可堆肥的膜层压到制品外表面的至少一部分上。在一个优选的实施方案中，层压膜包括具有足够厚度的基本上均匀且无缺陷的膜以实现制品表面性质方面的至少一个选定的变化。
施用膜的步骤可包括将至少一个附加层与模塑制品外表面的至少一部分连接。可以通过热介导的粘合、施用压力、抽吸、湿粘合、干粘合、使用粘合剂以及两种或更多种上述粘合方法的组合将膜粘合于模塑制品。粘附方法可以基于层材料、待覆盖制品的形状和数量、所需层厚和本领域普通技术人员已知的其他参数来选择。
可用于本发明的层压膜的非限制性实例可见述于公开文献US 2015/0337094和US6573340 B。
作为非限制性实例，其他后模塑步骤可包括通过印刷和/或贴纸的附着来修饰制品表面。
在模塑和任何后模塑步骤之后，可以根据需要将制品堆叠、密封、标记和/或包装。然后可以根据本领域普通技术人员已知的程序，根据需要将制品装载到托盘上和/或以其他方式已备储存和/或分配。
以下实施例更具体地说明了根据本发明的模塑物料组合物及其制备、模塑制品以及模塑方法包括任选的后模塑步骤。
以下实施例1-12中的每一个均参考在本申请附件A中包括的相应的表3-14中提供的数据。
实施例1
参考表3，总共进行了8次试验，每次试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。术语“WF”是指来自德国Rettenmaier的小麦纤维，WF数是指纤维长度的选定分布。
实验程序：对于每次试验，首先根据表1制备可溶相。计量添加冷水。将包括例如施胶盐(例如硼酸盐、明矾)、尿素、着色剂等的可溶性组分溶解在水中。将所述一种或多种施胶剂分散在可溶相或水相中。
对于每次试验，然后根据表1制备固相。使用带有捏合臂的厨房辅助型混合器以约30rpm的低速将纤维、淀粉粉体和脱模剂粉末简单混合。
将可溶相混合到装有固体相的容器中并基本上均匀地共混。在混合和共混约1分钟后，混合物的质地和稠度变得可塑。捏合臂的强度随着混合器中包含的体积增加到约300至600rpm的范围，并且捏合进行约3分钟。
将混合物在环境温度下静置5分钟至30分钟。
将60克±0.5克的份分配到相应模具中。
在22℃至26℃的范围内的固化温度下将模塑物料固化在5分钟至25分钟的范围内的固化历时时间。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例2：
参考表4，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例3：
参考表5，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。术语E133是指根据欧盟食品添加剂编号系统包括E编号命名的一种水溶性食用色素。术语“TC”是指来自德国Jeluwerk的纤维素纤维产品。有关纤维长度的详细信息，请参见https：//www.jelu-werk.com/de/technische-industrie/produkte/funktionelle-cellulose/jelucel-tc/i elucel-tc/。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例4：
参考表6，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例5：
参考表7，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例6：
参考表8，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。术语“DS”是指取代度，其中紧跟在术语“DS”之后的数字表示表征所使用的改性淀粉的取代度。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例7：
参考表9，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。术语“预胶凝化粉末”是指预胶凝化的粉末。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例8：
参考表10，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例9：
参考表11，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例10：
参考表12，总共进行8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例11：
参考表13，总共进行8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例12：
参考表14，总共进行了8次试验，这些试验包括各种组分，这些组分包含在“成分”列中所列出的施胶分散体。每次试验的每种组分的重量(以克为单位)提供在相应的列中。
遵循实施例1中阐述的实验程序。
提供每次试验的最终颜色、模塑质量和任何模具残留物迹象。
实施例13：
对聚苯乙烯泡沫塑料(Styrofoam)杯、纸杯和本发明的原型可生物降解且可堆肥杯进行压溃强度和耐热性测量。
在两个不同方向上对每种杯子类型进行压溃强度测试。关于第一方向测试，通过在垂直于杯子底部和外缘的方向上施力来对每种杯子类型进行测试。聚苯乙烯泡沫塑料和原型杯二者都在有棱纹区域失败。纸杯超过了测试机可以施用的力。针对第二方向测试，通过向杯子的侧面施力来对每种杯子类型进行测试。杯子在第二方向测试中无一失败，而响应所施用的力的仅仅是发生了弯曲。
记录使每种杯子类型弯曲所需的峰值力。
测量每种杯子类型的热阻。参考图11，在每个杯子中，将热电偶安装在杯子的内侧和外侧表面上。内部热电偶的每个探头直接安装在相应外部热电偶的探头的对面。每个杯子里装填有沙子并在沙子的中心插入了一个4.5瓦的加热元件。每个杯子的该组件的整个周边都是隔绝的。对每个杯子的加热元件通电并记录这两个热电偶之间的温差。使用以下公式计算热阻：
R＝ΔT/Qa
其中R为热阻，ΔT为材料厚度上的温差且Qa为每单位面积的热流，R以ft2 hr°F/Btu为单位进行测量或计算。这些值以实际材料厚度和每英寸为基础提供。表13提供了这些结果的汇总。
表15：测试结果
表15表明了，与聚苯乙烯泡沫塑料和纸杯相比，本发明的可生物降解且可堆肥的杯子具有更高的侧压溃强度，并且具有虽然低于纸杯的端压溃强度但高于聚苯乙烯泡沫塑料杯的端压溃强度的两倍的端压溃强度。虽然本发明的可生物降解且可堆肥的杯子的热阻小于泡沫聚苯乙烯杯的热阻，但达到了与纸杯相同的热阻。
实施例14
根据附件A中所包括的表15制备对照堆肥样品和三个测试样品A、B和C。然后使用ASTM D5538评估每个对照和测试样品的生物降解潜力。附件A中所包括的表16中提供了测试结果的汇总并显示在图12的图表中。
虽然在此已经根据某些优选的实施方案详细描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以对其进行修改和改变。因此，仅旨在受所附权利要求范围的限制，而不受描述本文所示实施方案的细部和手段的限制。
应当理解，在不脱离本发明的概念的情况下，可以对组合物、制品、装置、系统和方法进行变化和修改，并且应当理解，除非这些权利要求在语言上另有明确说明，否则这样的概念旨在由以下权利要求所涵盖。
在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，宽范围的本发明的另外的实施方案是可能的。在此讨论的实施方案应被视为在所有方面仅为说明性的而非限制性的。下面的权利要求而不是前面的说明书指出了本发明的范围。
附件A
表3：水松香
表4：小麦马铃薯玉米木薯
表5：Fib Col Leav
表6：CaCO3白土
表7：淀粉
表8：改性淀粉
2018年3月6日
表9：纤维预凝胶
2018年3月06/07/20日
表10：纤维var
2018年3月20/21日
表11：脱模剂
6月13-16日
11月5-8日
表12：磁铁矿
11月5-8日
表13：改性淀粉
11月5-8日
表14：纤维，预胶凝化淀粉
11月5-8日
表15
初步分析
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表15(续)
初步分析
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Claims (27)

1.一种模塑物料组合物，其包含：
液体组分；
其中所述液体组分包含水组分；和
非液体可溶性固体组分；
其中所述非液体可溶性固体组分包含淀粉组分和纤维组分；
其中基于所述模塑物料组合物的总质量，所述模塑物料组合物中的总液体含量在57重量％至65重量％的范围内；
其中淀粉/纤维重量％的比率在94重量％淀粉组分：6重量％纤维组分至49重量％淀粉组分：51重量％纤维组分的范围内；
其中所述淀粉组分包括多种淀粉颗粒，所述淀粉颗粒具有包括颗粒直径下限和颗粒直径上限的选定的颗粒直径尺寸范围；
其中所述纤维组分包括多种纤维，所述多种纤维中的每一种具有为所述颗粒直径上限的1-250倍的范围内的纤维长度；并且
其中所述淀粉组分包括具有预胶凝化形式的物理改性淀粉，基于所述淀粉组分的总质量，所述预胶凝化淀粉的量为2重量％至26重量％；
其中基于包含所述预胶凝化淀粉的所述模塑物料组合物的模塑物料是弹性和内聚的，这进而有助于所述模塑物料在整个模具中基本上均匀地分配，同时在模塑物料沉积过程期间限制或避免空隙的出现而不需要往复机构调节。
2.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其中所述纤维组分具有10至2500微米的范围内的尺寸分散。
3.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其中所述淀粉组分具有1μm至120μm的范围内的尺寸分散。
4.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其中所述淀粉组分是选自以下的淀粉组分：天然淀粉、化学改性天然淀粉、物理改性天然淀粉、基因改性天然淀粉以及上述淀粉组分中的至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其中所述淀粉组分包括天然淀粉。
6.根据权利要求5所述的模塑物料组合物，其中所述天然淀粉包括天然马铃薯淀粉。
7.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其还包含脱模剂。
8.根据权利要求7所述的模塑物料组合物，其中所述脱模剂包括链长包括最少十二个碳原子的饱和长链脂肪酸。
9.根据权利要求8所述的模塑物料组合物，其中所述脱模剂包括选自月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和花生酸的酸。
10.根据权利要求7所述的模塑物料组合物，其中所述脱模剂为具有多个脱模颗粒的粉末形式，每个颗粒具有小于80目的筛目尺寸。
11.根据权利要求7所述的模塑物料组合物，其中基于所述模塑物料组合物中非液体可溶性固体组分的总质量，所述脱模剂的比率为0.1至2.4重量％。
12.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其还包括质地化剂。
13.根据权利要求12所述的模塑物料组合物，其中所述质地化剂选自反应性无机组分、非反应性无机组分和上述两种组分的组合。
14.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，
其中所述模塑物料组合物包含含有无机组分的质地化剂；并且
其中基于所述模塑物料组合物的总非液体可溶性固体组分，所述无机组分在所述模塑物料组合物中的含量在大于0至16.5重量％的范围内。
15.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其还包含增塑剂添加剂，其中所述增塑剂是尿素。
16.根据权利要求14所述的模塑物料组合物，其中基于所述淀粉组分的总质量，所述尿素的浓度在大于0重量％至9重量％的范围内。
17.根据权利要求1所述的模塑物料组合物，其还包含浓度在大于0至2mmol硼酸盐/千克淀粉组分的范围内的多个硼酸根离子。
18.一种用于制备模塑物料的方法，其包括以下步骤：
选择液体组分；
其中所述液体组分包含水组分；
选择非液体可溶性固体组分；
其中所述非液体可溶性固体组分包含淀粉组分和纤维组分；
其中淀粉/纤维重量％的比率在94重量％淀粉组分：6重量％纤维组分至49重量％淀粉组分：51重量％纤维组分的范围内；
其中所述淀粉组分包括多种淀粉颗粒，所述淀粉颗粒具有包括颗粒直径下限和颗粒直径上限的选定的颗粒直径尺寸范围；并且
其中所述纤维组分包括多种纤维，所述多种纤维中的每一种具有为所述颗粒直径上限的1-250倍的范围内的纤维长度；
使用制备系统混合和捏合所述液体组分和所述非液体可溶性固体组分，以形成具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料，其特征在于，基于所述模塑物料组合物的总质量，所述模塑物料中的总液体含量包括在57至65重量％的范围内的液体含量；并且
其中所述淀粉组分包括具有预胶凝化形式的物理改性淀粉，基于所述淀粉组分的总质量，所述预胶凝化淀粉的量为2重量％至26重量％；
其中包含所述预胶凝化淀粉的所述模塑物料是弹性和内聚的模塑物料，这进而有助于所述模塑物料在整个模具中基本上均匀地分配，同时在模塑物料沉积过程期间限制或避免空隙的出现而不需要往复机构调节。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述混合和捏合步骤包括在混合和捏合步骤期间，将所述液体组分逐步添加到所述非液体可溶性固体组分的步骤。
20.根据权利要求18所述的用于制备模塑物料的方法，其还包括以下步骤：
在制备系统中产生真空以基本上去除气体或防止气体进入所述模塑物料。
21.根据权利要求18所述的用于制备模塑物料的方法，其还包括以下步骤：
提供以开放构造形式的目标模具；和
将所述模塑物料的选定份沉积到目标模具中以填充模具的细部；
其中所述选定份具有小于所述目标模具体积的选定份体积。
22.根据权利要求21所述的用于制备模塑物料的方法，其还包括以下步骤：
根据需要关闭所述目标模具；和
将填充有所述模塑物料的目标模具加热到在185℃至225℃的范围内的选定的固化温度并历时选定的固化时间段，来热固化所述模塑物料以形成具有第二塑性-弹性质地和稠度的模塑制品，其特征在于，基于所述模塑制品的总质量，模塑制品残留液体含量≤6重量％；
其中在热固化之后，在所述模塑制品的结构基质中基本上没有蒸汽压力残留；并且
其中在热固化之后，所述模塑物料在超出所述模塑制品的结构基质的玻璃点下固化。
23.根据权利要求22所述的用于制备模塑物料的方法，其还包括以下步骤：
将所述模塑制品送入关闭的加湿工段或腔室；并且
将湿空气流提供到所述加湿工段或腔室中，直到所述模塑制品的水活性在0.45至0.70的范围内；
其中在所述关闭的加湿工段或腔室中保持安全的微生物条件。
24.一种包含根据权利要求1所述的模塑物料组合物的模塑物料，其中所述模塑物料组合物经历混合和捏合过程以形成所述具有第一塑性-弹性质地和稠度的模塑物料。
25.一种适用于由权利要求1所述的模塑物料组合物形成的模塑制品的可生物降解、可堆肥的涂布溶液，其包含：
可堆肥的液体溶剂基料；和
可堆肥的固体部分。
26.根据权利要求25所述的可生物降解、可堆肥的涂布溶液，其中所述可堆肥的液体溶剂基料包含水。
27.一种可生物降解、可堆肥的涂布系统，其包括：
涂布区，所述涂布区包括喷雾装置和加热装置，所述喷雾装置配置为用于喷涂权利要求25所述的可生物降解、可堆肥的涂布溶液。
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