CN1230288C - 可生物降解的组合物以及由其制备的产品 - Google Patents

可生物降解的组合物以及由其制备的产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可用于形成木材替代品的组合物。该组合物包括30～70%体积的高分子量脂族聚酯和粉碎的含纤维素的植物材料，其中所述的脂族聚酯包括与己二酸和/或琥珀酸缩合的1，4-丁二醇。本发明还涉及由该组合物生产木材替代品的方法。木材的替代品具有天然木材的特性。由木材替代品制成的制品可生物降解并且当燃烧时不产生有毒的烟雾。

Description

可生物降解的组合物以及由其制备的产品
                     技术领域
本发明涉及可用作木材替代品的合成材料。更具体地说，本发明涉及可模塑成木状材料的聚合物/纤维素组合物。
                     背景技术
在历史上木材或木料是最丰富的可用自然资源之一。木材为人类并还在继续为我们提供作为建筑的材料，作为其它材料例如纸的原料和作为燃料。的确没有木材的地方就几乎不会有人类的活动。
人类利用木材是与对森林的破坏紧密联系在一起的，它导致某些类型树木的短缺或完全匮乏。连续的使用极有可能导致几乎所有的木材供应短缺。因此，更有效的使用建筑上的木材是人们要考虑的重点。例如，不同于将树木加工成木料的传统方法，现在通常是“切削”整棵树，所得到的碎料用于制造木板等。由木材的碎料制成的木板通常称为“碎料板(clip board)”，它需要使用粘结剂将板成形为一个整体。
生产这种碎料板的木制产品的缺点在于当材料燃烧时，有毒的烟雾会释放出来。而且不是所有制造的木制品都很容易生物降解或者生物降解会导致有毒残余物的形成。
因此，人们需要得到一种木材的替代品，在强度和耐用性方面它基本上与天然的木材性能相同，而它却是可生物降解的并且不会留下有毒的残余物，在燃烧时它也不会释放出有毒的烟雾。
                     发明概述
本发明的目的是提供一种木材的替代品，它保留了天然木材用于建筑物的性能，它能生物降解成无毒的残余物或者在燃烧时不会释放出有毒的烟雾。
本发明的另一个目的是提供一种生产该木材替代品的组合物，本发明还提供生产这种木材替代品的方法。
在一个实施方案中，本发明提供一种用于形成木材替代品的组合物，该组合物含有30-70％(体积，以体积计)的高分子量脂族聚酯和剩余为粉碎的含纤维素的植物材料，其中所述的脂族聚酯包括与己二酸和/或琥珀酸缩合的1，4-丁二醇。
在另一实施方案中，本发明提供一种生产木材替代品的方法，该方法包括如下步骤：
a)在110～180℃下加热组合物以得到可流动的材料，所述的组合物包括30～70％(体积，以体积计)的高分子量脂族聚酯和剩余为粉碎的含纤维素的植物材料，其中所述的脂族聚酯包括与己二酸和/或琥珀酸缩合的1，4-丁二醇。
b)将由步骤(a)得到的加热材料成形成所需的制品；和
c)让所述制品冷却到至少为室温。
在本发明的其它实施方案中，提供了用本发明的组合物形成的木材的替代品。
发明人发现，由含有粉碎的植物材料和作为粘合剂的特定高分子量脂族聚酯的组合物制备的材料具有木材的所有性能。由该组合物形成的产品是生物降解的并且在燃烧时不会产生有毒的烟雾。
组合物中的关键成分是高分子量脂族聚酯。所谓“高分子量”指的是聚酯的数均分子量(Mn)至少为5000，重均分子量(Mw)至少为30000。脂族聚酯的分子量(Mw)一般在40000～300000的范围内。
正如上面本发明实施方案所述，脂族聚酯包括1，4-T二醇和脂族二羧酸，例如琥珀酸和己二酸。这些聚酯以及制备它们的方法公开在US5310782和US5436056中，其内容在这里作为参考被引入。聚酯的性能包括它们的生物降解性在Takashi Fujimaki的文章Po1ymerDegradatiion and stability，第59卷，第209-214页，1998年中讨论，其内容在这里也作为参考资料被引入。前面出版物中提到的聚酯可由日本，东京Showa Highpolymer Co.，Ltd制造，其销售的商品名为Bionolle”。两种系列的聚酯均可商购，它们是聚琥珀酸丁二醇酯聚酯，代码为#1000系列和聚琥珀酸己二酸丁二醇酯共聚物，代码为#3000系列。
本发明组合物中含纤维素的植物材料可以是任何合适的植物材料，它们包括但不限于，植物的表皮和外皮，以及其它材料，例如种皮。适合的植物材料的具体实例是：坚果壳，例如山核桃壳，花生壳等以及其它含纤维素的废弃物，例如甘蔗渣。
植物材料用本领域技术人员已知的任何工序来粉碎。粉碎的颗粒大小在至多约5mm的细粉的范围内。
考虑到视觉效果以及使重量降低到最小程度，组合物可包括其它的添加剂。例如飞灰，滑石，颜料等化合物可加入以改善视觉效果，同时微球，中空玻璃球，发泡剂等也可包含在组合物中用以使重量降低到最小程度。添加剂可占最终组合物的2～5％体积，而不会影响生物降解性能。
在一种应用中，木材的替代品用作植物容器，例如籽苗托盘或盆栽植物。在这种应用中，木材替代品组合物可与植物生长化合物(合成的或天然的)和/或植物纤维相结合。由本发明木材替代品组合物制成的植物容器具有如下优点：它们象塑料植物容器一样硬同时也是易于生物降解的。它们还适合于自动化栽培。
脂族聚酯和粉碎的植物材料的混合可用任何合适的方法来实施。例如，原料聚合物，粉碎的植物材料以及任何其它的添加剂可用双螺杆挤出机进行混合。挤出法通常是在160～240℃的聚酯液化的温度范围内进行的。之后将挤出机的熔融产物压实并形成合适的大小以用于形成木材的替代品。
或者，木材的替代品组合物通过将聚酯材料预研磨来制备，所述的聚酯材料一般是用液氮通过低温处理而得到的颗粒形式。之后将粉状的聚酯与粉碎的植物材料和任何其它的添加剂用适合混合干材料的机器相结合。在组合物混合后，所形成的材料被分隔成适当的大小用以最终制备木材的替代品。
上述第一实施方案的组合物可在加工成木材替代品之前进行储存，只要储存是在干燥的环境下就行。
在生产木材替代品的过程中，被认为与热固性塑料材料相类似的组合物受到充分的加热以得到高分子整体(polymeric whole)。在上面描述的成形步骤(b)可以是本领域技术人员所熟知的任何方法。例如，压塑，真空成型，注射，挤出或滚塑均可用来形成产品。产品也可以为片材用于接下来的成型模塑或者也可以为粉末用于接下来的滚塑。
如果需要的话，步骤(c)的冷却可在低于室温下进行。在此情况下，冷却是机械辅助的。由机械辅助的冷却还可以将产品的温度快速的降低到室温或所需要的更低温度。
使用本发明的木材替代品可形成由木材制成的普通产品，例如家具部件，农用模制品，包括板，装饰制品在内的建筑构件以及家用或办公用品例如灰盘，储存容器，托盘等。木制替代品可通过挤出法形成适于包装的波纹材料板。这些木制替代品的板或固体板还可用作建筑模板。
木材替代品特别适合用于生产丧葬品，例如棺材或骨灰盒，骨灰坛，墙板和棺材装饰物。该材料之所以适合于生产丧葬品是因为它易于生物降解并且在燃烧时不产生有毒烟雾。
为了更好的描述本发明现提供组合物和该方法应用的非限制性实施例。
                     本发明的最佳实施方式
                     实施例1
在该实施例中，我们描述本发明的组合物。
加热总共402g来自于Showa Highpolymer Co.Ltd的Bionolle#3020直至液化，之后加入125g粉碎的山核桃壳并通过手工混合形成均匀的混合物。山核桃壳用电动混合器粉碎成粉末。所形成的组合物为红褐色的橡皮泥状糊。
                     实施例2
在该实施例中，我们描述一下由实施例1所述的组合物生产简单的碗的过程。
将500g前述实施例的组合物立即压塑成约直径70mm的碗，模塑品在流水下冷却到室温。产品具有木材一样的外观，手感和重量，并且比澳大利亚硬木还要结实。当产品掩埋或暴露于土壤和其它堆肥材料中时，发现其可生物降解。当其燃烧时，它不会释放出有毒的烟雾或者任何有害的产物到环境中。
                     实施例3
用双螺杆挤出机在160～220℃下混合等体积的来自ShowaHighpolymer的Bioholle#1903和粉碎的山核桃坚果壳。山核桃壳用研磨和分选法(milling and sizing process)粉碎成大小为0.25～2.0mm的颗粒。由此形成的组合物保持了山核桃坚果壳浓厚的巧克力色。
现已发现，组合物的颜色可通过对山核桃壳进行选择来改变或通过将混合物焦化和/或加入着色剂来使其颜色加深。
用不锈钢模具将750g组合物的部分立即压塑成直径200mm的碗。所采用的步骤已在上面的实施例2中进行了描述。如此生产的制品与实施例2的制品具有相同的性能。
                     实施例4
在该实施例中，我们描述一下用实施例3中所述的类似的组合物来生产片材。
向有效预热(220℃)的双辊开炼机中加入总共375gBionolle#1903，在达到熔融后加入250g粉碎的山核桃壳，从而得到复合物的比为60/40。从开炼机上取下的片状复合物具有的性能适合于批量生产。复合物的MFI(熔体流动指数)增加到4.8，高于MFI为4.5的纯的Bionolle#1903。该特性使得该化合物适于注射成型，压塑，团料模塑，挤塑和用易于得到的塑料制造机械成型为片材。
                     实施例5
在该实施例中，我们描述一下用于植物的可生物降解的自施肥罐的制备。形成该罐的组合物是由下面成分组成的，以重量计：
60％的聚酯(来自于#1000系列的Bionolle)
10％动物粪
2％的化肥
3％植物纤维
25％粉碎的植物材料
组合物中的组分按上面所述进行混合，并将该组合物模塑成适当的形状和大小的罐。
所用的植物纤维是甘蔗的废弃物(例如甘蔗渣)，大麻状产品和其它纤维物质。粉碎的植物材料是山核桃壳或锯屑。
由前述组合物制备的罐可用于任何植物的生长。将壁厚为1～2mm的罐在高效堆肥的条件进行掩埋，罐的降解在约4个月内完成。
                     实施例6
测定本发明木材替代品组合物的特性和由其制备的木材替代品。下面的组合物基本上是由上述实施例1中描述的Bionolle#3020和粉碎的山核桃壳或杉木制备的。该组合物为：
70％的Bionolle/30％山核桃坚果填料(70B/30PF)
60％的Bionolle/40％山核桃坚果填料(60B/40PF)
50％的Bionolle/50％山核桃坚果填料(50B/50PF)
50％的Bionolle/50％杉木填料(50B/50CF)
通过注射成型将组合物形成狗骨头状的试样。每个试样的长度为150mm，在端部的宽度为20mm，厚度为4mm。在其最窄部分处的宽度为10mm。
为了便于比较，标准的碎料形成相同大小的试样。
a)拉伸特性
试样用Instron5584试验机以5mm/min恒定速率拉伸直至破坏。记录在整个应变范围内所得的应力并计算每个组合物的机械性能。该试验的结果列于表1中。
                           表1
                      拉伸试验的结果
  材料   断裂时的应变(％)   在最大载荷下的拉伸应力(Mpa)   杨氏模量(Mpa)
  70B/30PF   4.35   14.27   649.97
  60B/40PF   2.17   12.59   1066.19
  50B/50PF   2.63   14.38   897.45
  50B/50CF   3.27   30.02   1559.75
  碎料板   0.86   3981.47   -
结果表明，由本发明组合物制备的木材替代品的拉伸强度优于碎料板的拉伸强度。
b)洛氏硬度
使用具有60kg主载荷的12.7mm的球形压头。记录球深入试样的深度，并在R刻度盘测定出标准的洛氏硬度值(alpha)。下面是所获得的结果：
  试验材料   洛氏硬度值
  708/30PF   110
  60B/40PF   124
  50B/50PF   112
  50B/50CF   138
  碎料板   -14
结果表明，本发明的木材替代品具有远远优于碎料板的硬度
c)流动性
人们惊奇的发现本发明的组合物比聚酯本身有更好的流动性能。在190℃时，Bionolle#1903聚酯的MFI为4.5。在160℃，60B/40PF组合物上所进行的试验，MFI为4.8。当组合物用于注射成型时其增强的MFI是非常有利的。
d)可燃性
在Whyte Island Academy，Queenland由Queensland Fire &Rescue Authority进行燃烧试验。用50％Bionolle/50％山核桃坚果填料组合物形成的13mm壁厚的200mm直径的盘子进行试验。试验包括将制品放在实验室的长椅上，该实验室要进行充分的不可控的燃烧试验。在试验期间的温度至少为300℃。
由制品占据的长椅的面积没有烧毁到比剩余部分更大的程度。这表明液体从制品中流出，但没有看出该液体对燃烧有促进作用。
制品的火焰试验显示，虽然材料在供给足够热量的情况下会燃烧，但火焰会自动熄灭。所进行的火焰试验还表明当材料燃烧时没有明显的烟产生。
本领域技术人员可以理解，可以对组合物以及上面举例的制备产品的方法进行改变而不脱离本发明的界限和范围。
在这里使用的术语“包括”和其变体例如“含有”和“包含”指的是包括所述的全部，除非需要在上下文中对该术语作另外的解释。

Claims (22)

1、一种用于形成木材替代品的组合物，该组合物包括30～70％体积的作为唯一粘合剂物质的高分子量脂族聚酯和剩余为粉碎的含纤维素的植物材料，其中所述的脂族聚酯包括与己二酸和/或琥珀酸缩合的1，4-丁二醇并且所述粉碎的含纤维素的植物材料为干材料。
2、根据权利要求1的组合物，其中所述的脂族聚酯的重均分子量(Mw)为40000～300000。
3、根据权利要求1的组合物，其中所述脂族聚酯是聚琥珀酸丁二醇酯。
4、根据权利要求1的组合物，其中所述的脂族聚酯是聚琥珀酸/己二酸的丁二醇酯。
5、根据权利要求1的组合物，其中所述含纤维素的植物材料是植物的表皮或外皮或是种皮材料。
6、根据权利要求5的组合物，其中所述的含纤维素的植物材料为坚果壳材料。
7、根据权利要求6的组合物，其中所述的坚果壳为山核桃壳。
8、根据权利要求5的组合物，其中所述的含纤维素的植物材料是锯屑或甘蔗渣。
9、根据权利要求1的组合物，其中所述粉碎的含纤维素的植物材料的颗粒尺寸在至多约5mm的细粉的范围内。
10、根据权利要求1的组合物，其中所述组合物还包括着色剂和/或减重剂。
11、根据权利要求10的组合物，其中所述的着色剂选自飞灰，滑石和着色颜料。
12、根据权利要求10的组合物，其中所述减重剂为微球，中空玻璃球，或发泡剂。
13、根据权利要求1的组合物，其中所述组合物还包括植物生长化合物和/或植物纤维。
14、根据权利要求13的组合物，其中所述的植物生长化合物为粪肥和/或化肥。
15、一种生产木材替代品的方法，该方法包括下述步骤：
a)在110～180℃下加热组合物以得到可流动的材料，所述的组合物包括30～70％体积的作为唯一粘合剂物质的高分子量脂族聚酯和剩余为粉碎的含纤维素的植物材料，其中所述的脂族聚酯包括与己二酸和/或琥珀酸缩合的1，4-丁二醇并且所述粉碎的含纤维素的植物材料为干材料；
b)将由步骤(a)得到的加热材料成形成所需的制品；和
c)使所述制品冷却到至少为室温。
16、根据权利要求15的方法，其中在步骤(b)形成的产品是通过压塑，真空成型，注射或滚塑得到的。
17、根据权利要求15的方法，其中所述步骤(b)中形成的产品是通过挤出获得的。
18、根据权利要求15的方法，其中所述步骤(c)的冷却是机械辅助的。
19、一种木材替代品，它是由权利要求1的组合物形成的。
20、一种木材替代品，它是根据权利要求15的方法制备的。
21、一种用于形成木材替代品的组合物，该组合物包括50～70％体积的作为唯一粘合剂的重均分子量(Mw)在40000～300000的聚琥珀酸丁二醇酯和剩余为干燥的粉碎的含纤维素的植物材料。
22、根据权利要求21的组合物，其中所述粉碎的含纤维素的植物材料是粉碎的山核桃壳。
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