KR20230047956A - 피브릴화 나노셀룰로스 재료의 방법, 장치, 및 시스템 - Google Patents

피브릴화 나노셀룰로스 재료의 방법, 장치, 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 구현예는 나노셀룰로스를 피브릴화 형태로 주입하여 셀룰로스 펄프의 특성을 향상시킴으로써 이전 기술의 단점을 극복한다. 이들 특성은 예를 들어 기계적 및 장벽 특성을 포함할 수 있으며, 즉, 인장 강도, 액체 및 산소, 이산화탄소, 및 오일과 같은 기체 불투과성이 실질적으로 개선될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예는 강도-향상제, 올리고머, 카르복실산, 가소제, 항미생물제, 방수제, 및/또는 투명한 복합체의 특성을 포함하는 피브릴화 셀룰로스 복합 재료를 추가로 제공한다.

Description

피브릴화 나노셀룰로스 재료의 방법, 장치, 및 시스템
본 발명의 측면은 일반적으로 재생 및 재활용가능한 재료에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명의 구현예는 소비재를 위해 만들어진 피브릴화 셀룰로스 재료에 관한 것이다.
플라스틱 폐기물 오염과 같은 환경 위기에 대한 우려가 증가하면서 지속가능하고 재생가능한 재료에 대한 광범위한 조사가 촉발되었다. 석유 유도성 중합체를 피하기 위한 노력으로, 자연 발생 생물중합체인 식물 기반 셀룰로스 섬유가 재료 연구 커뮤니티에 대안을 제공한다. 셀룰로스 섬유는 유비쿼터스 공급원, 지속가능하고 재생가능함으로 인해 관심을 끌고 있으며, 보다 중요하게는 자연에서 100% 생분해가능성을 가진 최종 제품을 제공한다.
그러나, 셀룰로스 섬유를 기반으로 한 많은 기존의 생분해성 제품은 기대에 부응하지 못한다. 예를 들어, 이러한 셀룰로스 섬유 제품을 생산하는 비용은 대량 생산에 경제적으로 도움이 되지 않는다. 게다가, 내수성, 내유성 또는 비점착 특성에 대한 요구로 인해, 많은 셀룰로스 섬유 제품은 이러한 특성 또는 효과를 달성하기 위해 합성 화학 조성물에 크게 의존한다. 예를 들어, 많은 기존 제품은 식품 또는 음료 품목과 접촉하는 표면 상에 적용될 플루오로카본 코팅을 필요로 한다. 더욱이, 퍼플루오로옥탄산(PFOA 또는 C8)과 같은 이러한 플루오로카본 기반 화학물질 중 일부는 장기간 부정적인 건강 및 환경 효과를 야기할 수 있다.
또한, 현재 관행은 피브릴화 셀룰로스 재료의 2 개의 층 또는 층을 생성하지 않는다. 오히려, 이전 관행은 단지 셀룰로스 펄프 용액으로부터 하나의 층을 생산하려고 시도한다.
본 발명의 구현예는 나노셀룰로스를 피브릴화 형태로 주입하여 셀룰로스 펄프 특성을 향상시킴으로써 이전 기술의 단점을 극복한다. 이들 특성은 예를 들어 기계적 및 장벽 특성을 포함할 수 있으며, 즉, 인장 강도, 액체, 및 산소, 이산화탄소, 및 오일과 같은 기체 불투과성이 실질적으로 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 강도-향상제, 올리고머, 카르복실산, 가소제, 항미생물제, 방수제, 및/또는 투명한 복합체 특성을 생성하기 위해 피브릴화 셀룰로스의 층 또는 혼합물을 포함하는 피브릴화 셀룰로스 복합 재료를 추가로 제공한다. 복합 재료는 또한 일반적으로 상기 특성을 향상시키기 위해 화학 첨가제가 없을 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 복합 재료는 펄프와 같은 베이스 기재 및 피브릴화 셀룰로스와 같은 또 다른 층을 추가로 포함할 수 있다.
당업자는 도면의 요소가 단순성 및 명확성을 위해 예시되어 모든 연결 및 옵션을 나타내는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어, 상업적으로 실행가능한 구현예에 유용하거나 또는 필요한 공통적이지만 잘 이해된 요소는 본 개시내용의 이러한 다양한 구현예의 덜 차단된 시야를 용이하게 하기 위해 종종 도시되지 않을 수 있다. 특정 행위 및/또는 단계가 특정한 발생 순서로 기재되거나 또는 도시될 수 있지만 당업자가 서열에 대한 이러한 특이성이 실질적으로 요구되지 않는다는 것을 이해할 수 있다는 것이 추가로 인식될 수 있다. 또한 본원에 사용된 용어 및 표현은 구체적 의미가 달리 본원에 제시된 경우를 제외하고 상응하는 각각의 탐구 및 연구 영역에 관해 정의될 수 있음이 이해될 수 있다.
도 1a 내지 1d는 일 구현예에 따른 셀룰로스 섬유 수성 현탁액의 재료를 예시한다.
도 2는 일 구현예에 따른 피브릴화 셀룰로스(3 wt. %)를 함유하는 재료에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 3a 내지 3d는 일 구현예에 따른 반가공된 셀룰로스 섬유에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이며 여기서 a-b는 Y-셀룰로스 섬유에 대한 SEM 이미지이고 c-d는 B-셀룰로스 섬유에 대한 SEM 이미지이다.
도 4a 내지 4d는 일 구현예에 따른 기계적으로 균질기된 반가공된 섬유에 대한 SEM 이미지이며, 여기서 a-b는 Y-셀룰로스 섬유이고, c-d는 B-셀룰로스 섬유에 대한 것이다.
도 5는 일 구현예에 따라 10 일 동안 오일을 보유할 수 있었던 피브릴화 셀룰로스 L28b, L29b, L30b, 및 Y로 만들어진 용기의 이미지를 예시한다.
도 6a는 일 구현예에 따라 약 5 분 동안 재료에서 끓는 물을 사용한 식품 항목을 나타내는 이미지이다.
도 6b는 일 구현예에 따라 끓는 물을 사용하고 2 분 동안 전자레인지에서 800 W로 가열된 식품 항목을 나타내는 이미지이다.
도 7은 일 구현예에 따른 식품 용기에서 사용되는 피브릴화 셀룰로스의 구조를 위한 재료의 또 다른 SEM 이미지이다.
도 8은 일 구현예에 따라 재료를 생성하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 9는 일 구현예에 따른 필름을 나타내는 3가지 이미지를 예시한다.
도 10a 내지 도 13은 일 실시예에 따른 장치를 예시한다.
도 14a 내지 도 14d는 실시예의 측면에 의해 생성된 예시적인 최종 제품을 예시한다.
구현예는 이제 이의 일부를 형성하고, 실행될 수 있는 구체적인 예시적 구현예를 예시의 방식으로 나타내는 첨부 도면을 참조하여 보다 완전하게 기재될 수 있다. 이러한 예시 및 예시적 구현예는 본 개시내용이 하나 이상의 구현예의 원리에 대한 예시이고 예시된 구현예 중 임의의 하나로 제한하도록 의도되지 않을 수 있다는 이해와 함께 제시될 수 있다. 구현예는 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고 본원에 제시된 구현예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며; 오히려, 이들 구현예는 본 개시내용이 철저하고 완전할 수 있도록 제공되고, 당업자에게 구현예의 범위를 완전히 전달할 수 있다. 따라서, 하기 상세한 설명은 제한의 의미로 취해지지 않을 수 있다.
본 발명의 구현예는 임의의 재료 없이 코어 재료로서 피브릴화 셀룰로스를 포함할 수 있는 Green Composite Material™(GCM™)과 같은 재료를 포함한다. 일 구현예에서, 복합 재료는 펄프 및 피브릴화 셀룰로스를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 복합 재료는 일반적으로 화학 첨가제 또는 제제가 없을 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 복합 재료는 독립적으로 유래된 식물 섬유일 수 있다. 일 구현예에서, 화학 첨가제 또는 제제는 자연 기반 또는 무독성일 수 있다. 다른 구현예에서, 화학 첨가제 또는 제제는 실험실에서 생성될 수 있다. 일부 구현예에서, 이들 식물 섬유는 버개스, 대나무, 마닐라삼, 사이살마, 대마, 아마, 홉, 황마, 양마, 팜, 코이어, 옥수수, 목화, 목재, 및 이의 임의의 조합으로부터 유래될 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 식물 섬유는 사전 가공되거나 또는 반가공된 셀룰로스일 수 있다. 다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스가 있는 녹색 복합 재료는 고압 균질기 또는 정제기와 같은 정제 공정을 통해 식물 섬유를 가공함으로써 수득될 수 있다. 추가 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스가 있는 복합 재료는 박테리아 균주(셀룰로스 생산 미생물 없음)를 통해 수득된다. 대안적인 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스가 있는 재료는 해양 공급원으로부터 수득될 수 있다.
일 구현예에서, 셀룰로스의 모양 및 크기는 섬유의 원래 공급원 또는 섬유의 조합 및 이를 만드는 공정에 따라 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 피브릴화 셀룰로스는 일반적으로 하기 기재된 바와 같은 직경 및 길이를 갖는다. 피브릴화 셀룰로스는 일 구현예에서 약 1-5000 나노미터(nm)의 직경을 가질 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스는 약 5-150 nm 또는 약 100-1000nm의 직경을 가질 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스는 약 5000-10000nm의 직경을 가질 수 있다.
또한 추가의 구현예에서, 재료는 독성 화학 첨가제 또는 제제 없이 다양한 특성을 고조시키거나, 향상시키거나 또는 개선시키는 향상된 특성을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 해당 식품 또는 액체 품목을 운반하기에 적합한 다양한 특성을 갖는 재료는 일반적으로 화학 첨가제 또는 제제가 없다. 예를 들어, 선행 기술에 나타낸 바와 같이, 다양한 독성 화학 첨가제 또는 제제가 제조 공정 동안 재료에 첨가되거나 또는 그 위에 코팅되어 바람직한 건조 또는 습윤 인장 강도, 향상된 오일 장벽, 기체 및/또는 액체 불투과성을 제공한다. 본 발명의 측면은 재료에 첨가되는 다양한 독성 화학 첨가제 또는 제제 대신에 일반적으로 이들 첨가제 또는 제제가 없는 피브릴화 셀룰로스가 있는 복합 재료를 포함한다.
예를 들어, 피브릴화 셀룰로스는 약 0.1 - 1000 마이크로미터, 약 10 - 500 마이크로미터, 약 1 - 25 마이크로미터, 또는 약 0.2 - 100 마이크로미터의 길이를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 1:100의 중량비와 같이 상이한 직경의 피브릴화 셀룰로스가 있는 재료. 다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스는 1:50의 중량비를 가질 수 있다. 추가의 구현예에서, 혼합된 피브릴화 셀룰로스가 있는 재료는 개선된 건조 또는 습윤 인장 강도, 향상된 오일 장벽, 기체 및/또는 액체 불투과성, 및 비용 절감과 같은 이점을 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스가 있는 재료는 약 8000 cm3 m-224 h-1 이하의 산소 투과율 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 약 5000 cm3 m-2 24 h-1 이하의 산소 투과율. 또한 다른 구현예에서, 약 1000 cm3 m-2 24 h-1 이하의 산소 투과율.
또한, 추가의 일부 구현예에서, 재료는 약 3000 g m-2 24 h-1 이하의 수증기 투과율 특성을 보유할 수 있다. 더욱이, 다른 구현예의 경우, 수증기 투과율은 약 1500 g m-2 24 h-1 이하일 수 있다.
일부 구현예에서, 재료는 약 30 MPa 이상의 건조 인장 강도 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 건조 인장 강도는 약 70 MPa일 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 건조 인장 강도는 약 100 MPa 이상일 수 있다. 일부 구현예에서, 재료는 약 4 GPa 이상의 건조 인장 탄성률 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 약 6 GPa 이상의 건조 인장 탄성률.
일부 구현예에서, 재료는 약 45 Nm g-1 이상의 건조 인장 지수 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 특성은 약 80 Nm g-1 이상일 수 있다.
일부 구현예에서, 재료는 약 5 MPa 이상의 습윤 인장 강도 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 습윤 인장 강도는 약 20 MPa 이상일 수 있다.
일부 구현예에서, 재료는 약 0.4 MPa 이상의 습윤 인장 탄성률 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 습윤 인장 탄성률은 약 1.0 MPa 이상일 수 있다.
일부 구현예에서, 재료는 약 5 Nm g-1 이상의 습윤 인장 지수 특성을 보유할 수 있다. 다른 구현예에서, 습윤 인장 지수는 약 20 Nm g-1 이상일 수 있다.
대안적인 구현예에서, 재료는 건조 및/또는 습윤 강도를 향상시키기 위해 접착제를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 접착제는 중합체를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 접착제는 금속 염을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 접착제는 올리고머를 포함할 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 접착제는 카르복실산을 포함할 수 있다. 또한 대안적인 구현예에서, 접착제는 가소제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 발명에서 피브릴화 셀룰로스 대 접착제의 중량비는 약 33:1 내지 1:1일 수 있다.
예를 들어, 중합체는 폴리에스테르, 젤라틴, 폴리락트산, 키틴, 알긴산나트륨, 열가소성 전분, 폴리에틸렌, 키토산, 키틴 글루칸, 폴리비닐 알코올, 또는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 중합체는 본 발명의 측면의 복합 재료에 적용될 수 있는 화학 첨가제에 포함될 수 있다. 예를 들어, 화학 첨가제는 재료 자체에 끼워 넣을 수 있거나 또는 그 위에 분무되거나 또는 코팅될 수 있다.
또한 다른 구현예에서, 접착제는 금속 염을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 염은 칼륨 지르코늄 카보네이트, 칼륨 알루미늄 술페이트, 탄산칼슘, 및 인산칼슘을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 발명에서 피브릴화 셀룰로스 대 접착제의 중량비는 약 33:1 내지 1:1일 수 있다.
다른 구현예에서, 접착제는 올리고머를 포함할 수 있다. 일 예에서, 올리고머는 올리고뉴클레오티드, 올리고펩티드, 및 폴리에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 발명에서 피브릴화 셀룰로스 대 접착제의 중량비는 약 33:1 내지 1:1일 수 있다.
또한 다른 구현예에서, 접착제는 카르복실산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 카르복실산은 시트르산, 아디프산, 및 글루타르산을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 발명에서 피브릴화 셀룰로스 대 접착제의 중량비는 약 33:1 내지 1:1일 수 있다.
구현예에서, 가소제를 함유하는 접착제는 접착된 복합체의 취성 및 기체 투과성을 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 가소제는 폴리올을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 폴리올은 글리세롤을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 폴리올은 소르비톨을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 폴리올은 펜타에리트리톨을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 폴리올은 폴리에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 가소제 대 복합 재료 대 접착제의 중량비는 약 5: 33: 1 내지 약 1: 1: 1이다.
다른 구현예에서, 가소제는 분지형 폴리사카라이드, 왁스, 지방산, 지방 및 오일을 포함할 수 있다.
본 발명의 측면은 기체 및/또는 액체 상태 물을 반발하기 위한 화학 첨가제로서 방수제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 방수제는 동물 기반 왁스, 동물 기반 오일 또는 동물 기반 지방을 포함한다. 일 구현예에서, 방수제는 석유 유래 왁스 또는 석유 기반 왁스를 포함한다. 다른 구현예에서, 방수제는 식물 기반 왁스, 식물 기반 오일 또는 식물 기반 지방을 포함한다.
일부 구현예에서, 동물 기반 방수제는 밀랍, 셸락 및 경유를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 석유 기반 왁스 방수제는 파라핀 왁스, 파라핀 오일 및 미네랄 오일을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 식물 기반 방수제는 카르나우바 왁스, 대두 오일, 팜 오일, 팜 왁스, 카르나우바 왁스 및 코코넛 오일을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 방수제는 칼륨 지르코늄 카보네이트, 칼륨 알루미늄 술페이트, 탄산칼슘 및 인산칼슘과 같은 접착제를 포함할 수 있다.
추가의 구현예에서, 재료는 피브릴화 셀룰로스를 포함할 수 있으며 또한 임의적으로 항미생물제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 항미생물제는 차 폴리페놀을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 항미생물제는 피리티온 염, 파라벤, 파라벤 염, 4차 암모늄 염, 이미다졸륨, 벤조산 소르브산 및 칼륨 소르베이트를 포함할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 다른 구현예는 피브릴화된 셀룰로스를 갖는 재료를 포함할 수 있으며, 또한 임의적으로 약 300 내지 800nm 파장으로 광 전송을 증가시키는 투명한 복합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 재료는 분지형 폴리사카라이드를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 요구되는 투명성에 따라 달라질 수 있는 재료 대 투명한 복합체의 중량비는 상이한 범위, 예를 들어, 약 99: 1 내지 약 1:99이다.
일부 구현예에서, 분지형 폴리사카라이드는 전분, 덱스트란, 크산탄검, 및 갈락토만난을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 덱스트란은 아가로스, 풀루란, 및 쿠르단을 포함할 수 있다.
일부 측면에서, 본원에는 본원에 기재된 재료에 의해 만들어진 제품의 제조가 제공되고, 지정된 모양, 예를 들어, 2 차원 또는 3-차원으로 용이하게 형성된다. 예를 들어, 2-차원 예는 최종 제품을 형성하기 위해 분해되는 데 사용될 수 있는 평면 시트일 수 있다. 또 다른 예에서, 재료는 최종 제품을 형성할 준비가 된 용액 내에 있을 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 3-차원 예는 최종 제품일 수 있다.
일 측면에서, 일부 구현예에서, 최종 제품은 도 5 내지 도 7에 나타낸 것들과 같이 소화가능 또는 식용 품목을 위한 용기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 기재된 바와 같이 재료를 구현하는 최종 제품은 식품 용기 또는 포장을 포함할 수 있다. 이를 제한이 아니라 예로서 사용하여, 식품 용기 또는 포장은 비행기 또는 기내식 용기, 일회용 컵, 즉석 섭취용 식품 용기, 캡슐, 아이스크림 상자 또는 용기, 및 초콜릿 용기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제품은 향신료, 예를 들어, 인스턴트 컵 라면, 인스턴트 수프 등을 추가로 함유할 수 있는 인스턴트 식품 용기를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 소비자가 본 발명의 측면을 구현하는 용기에 함유된 소화가능 또는 식용 품목을 소화시키거나 또는 소비하기 위해, 용기는 약 100℃와 같은 고온에서 물 또는 액체로 적용될 수 있다.
다른 구현예에서, 하나의 기내식 및 음료 용기를 사용할 수 있는 제품에 대해. 현재, 기내식 용기는 경량, 강성, 내유성 등의 특성을 위해 다양한 형태의 플라스틱으로 만들어진다. 또한, 기존 플라스틱 용기는 오븐을 통해 가열될 수 있다. 가열은 플라스틱 용기로부터 발암성 물질을 소화가능 또는 식용 품목으로 방출할 수 있다. 이와 같이, 이러한 효과는 바람직하지 않다. 본 발명의 구현예는 상기 기재된 특성과 함께 발암 물질을 방출하지 않으면서 내수성, 내열성, 내유성 등의 특성을 나타낼 수 있다.
다른 구현예에서, 캡슐 예는 뜨거운 음료용 기계를 위한 캡슐일 수 있다. 예를 들어, 캡슐은 커피, 차, 허브, 또는 다른 음료를 함유할 수 있다. 예를 들어, 캡슐은 일회용 캡슐일 수 있다. 또 다른 예에서, 캡슐은 일회용 커피 배 또는 파우치일 수 있다. 이러한 예에서, 전기 음료 기계는 음료 제조 공정이 시작될 수 있고 커피가 캡슐 또는 파우치에서 소비자의 컵으로 떨어질 수 있도록 고온 또는 고압에서 캡슐에 물을 침착시키거나 또는 주입할 수 있다. 캡슐 또는 파우치는 상기 기재된 바와 같은 하나 이상의 특성을 갖는 생분해성 및 지속가능한 재료를 포함하므로, 캡슐 또는 파우치는 환경에 대한 부담을 만들지 않고 용이하게 재활용될 수 있다.
일 구현예에서, 캡슐은 약 500 미크론의 두께를 갖는 측벽을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 캡슐은 약 500 미크론의 두께를 갖는 상단 또는 뚜껑을 포함할 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 캡슐은 약 300 미크론의 바닥 두께를 포함할 수 있다. 또한 추가의 구현예에서, 캡슐은 포머(former)(하기에서 논의될)로부터 단번에 형성/생성될 수 있고 상단, 측벽 및 바닥의 두께는 상이한 두께를 갖는다.
일부 구현예에서, 제품은 유체 내 입자 또는 분자를 영구적으로, 반-불투과성, 또는 약간 불투과성이든 분리하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제품은 고체-액체 분리, 액체-액체 분리, 또는 기체-액체 분리 효과 등이 있는 페이스 마스크 또는 필터 막을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 제품은 화장품 또는 피부 관리 용기 제품, 의료 제품, 예를 들어, 분말 케이스, 팔레트, 보호 유리, 또는 의료-등급 처리물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제품은 의료 장치, 자동차, 전자 장치, 및 건축 재료(보강 재료로서)의 일부를 포함할 수 있다.
전반적으로, 일 구현예에서, 본 발명의 재료를 구현하는 용기는 용기, 평면 시트, 트레이, 플레이트, 릴, 보드, 또는 필름 형태일 수 있다. 이러한 구현예에서, 재료의 폭 또는 길이는 약 0.01 mm 내지 10000 mm 또는 그 이상 범위일 수 있다. 일 구현예에서, 폭 및 길이는 약 0.01 mm - 1000 mm 범위일 수 있다. 일 구현예에서, 필름은 약 0.01 - 3.0 mm의 두께의 박층 필름일 수 있다. 일 구현예에서, 두께는 약 0.02 - 0.20 mm일 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 제품은 약 100:1 내지 약 1:100의 오일 대 물 중량비를 함유하는 식품 포장을 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 본 발명의 측면은 상기의 특성을 갖는 피브릴화 셀룰로스를 포함하는 재료를 제조, 생성, 또는 만드는 공정을 제공할 수 있다.
실시예 1
상기 제공된 재료 이외에도, 본 발명의 측면은 셀룰로스 피브릴화 공정 또는 방법을 포함할 수 있다.
이제 도 8을 참조하여, 흐름도는 일 구현예에 따른 이러한 재료를 만드는 방법을 예시한다. 일 구현예에서, 하기 제시된 실시예는 일반적으로 복합 재료의 기계적 특성을 개선하기 위한 독성 화학 첨가제가 없다. 예를 들어, 셀룰로스 종이 보드(약 3.0 wt. %)를 A4 크기 종이와 같은 조각으로 찢었다. 잘게 조각난 조각을 펄프화 기계로 던졌다(도 8에 제시되지 않음). 펄프화 공정은 약 20 분이 소요될 수 있다. 다음으로, 예를 들어, 정제기(802)를 사용하여 공정을 시작할 수 있다. 예를 들어, 정제기(802)는 균질기, 그라인더, 화학 정제 챔버/욕, 기계적 및 화학적 섬유 정제 장치의 조합 등일 수 있다. 일 구현예에서, 그라인더의 예에서, 정제기(802)는 서로 직면하는 2 개의 숫돌을 포함할 수 있다. 2 개의 숫돌 사이의 분리 또는 거리는 원하는 최종 제품의 기능으로서 조정될 수 있다. 다른 구현예에서, 표면 홈 또는 패턴은 원하는 최종 제품의 기능으로서 조정될 수 있다. 그런 다음, 이와 같이 펄프 현탁액(806)은 임의적으로 약 1 - 10 회 통과 동안 정제기에 공급된다. 다른 경우에, 펄프 현탁액(806)은 정제기(802)에 들어가기 전에 셀룰로스 펄프를 추가로 정제하기 위해 정제기(제시되지 않음), 예를 들어, 콜로이드 밀, 이중 디스크 그라인더에 공급될 수 있다.
일 구현예에서, 도 1a 내지 1d는 통과 수의 증가에 따른 피브릴화 셀룰로스의 상태를 나타낸다. 예를 들어, 도 1a는 0 사이클 또는 통과의 셀룰로스 섬유 수성 현탁액을 나타낼 수 있다. 다시 말해서, 펄프가 본 발명의 측면의 품질 및 특성을 달성하기 위해 피브릴화를 형성하지 않는 도 1a에 제시된 바와 같은 펄프 현탁액(806)의 함량.
일 구현예에서, 도 1b는 펄프 현탁액(806)이 1 회 통과 후 정제기(802)를 통과한 후-정제물(808)을 예시할 수 있다. 예를 들어, 후-정제물(808)은 이제 피브릴화 셀룰로스 섬유 수성 현탁액을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 도 1c는 2 회 통과 또는 2 사이클 후 정제기(802)를 통과한 후-정제물(808)의 이미지를 예시한다. 일 예에서, 후-정제물(808)의 피브릴화 셀룰로스 섬유는 도 1b에 제시된 것보다 더 미세하다. 도 1d는 3 사이클/통과 후 후-정제물(808)의 이미지를 예시할 수 있다. 이러한 구현예에서, 후-정제물(808)은 도 1c에서보다 훨씬 더 미세한 피브릴화 셀룰로스 섬유를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상이한 셀룰로스 출발 농도를 평가 및 테스트하였다. 예를 들어, 후-정제물(808)은 피브릴화 셀룰로스 섬유를 포함할 수 있고 약 2.5 wt.%의 셀룰로스(및 97.5% 물), 약 3.0 wt.%의 셀룰로스, 약 3.6 wt.%의 셀룰로스, 및 약 4.0 wt.%의 셀룰로스에서 피브릴화 셀룰로스의 농도를 갖는 물을 테스트 및 사용하였다.
예를 들어, 약 2.5 wt.%의 셀룰로스의 셀룰로스 농도에 대해 불충분한 정제를 발견하였고, 특성은 테스트하지 않았다. 다시 말해서, 약 2.5 wt.%의 피브릴화 셀룰로스 섬유 농도 또는 심지어 정규 펄프 현탁 용액은 본 발명의 측면의 특성을 달성하기에 불충분할 것이다. 약 3.0 wt.%, 약 3.6 wt.%, 및 약 4.0 wt.%의 후-정제물(808)을 함유하는 피브릴화 셀룰로스는 도 5에서 각각 L028, L029, 및 L030으로 본원에서 명명된다.
일 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스의 다양한 특성을 테스트하였다. 예를 들어, 표 1에서, 기계적, 수증기 및 기체 투과성의 특성이 제시되어 있다.
표 1
Figure pct00001
일 구현예에서, 도 2는 약 3 wt. % 농도에서 피브릴화 셀룰로스의 SEM 이미지를 예시할 수 있다.
실시예 2
일 예에서, 후-정제물(808)에서 유도하기 위해 직접 펄프 용액을 사용하는 대신에, 상기 실시예 1에서, 반가공된 셀룰로스 섬유를 시장 공급원으로부터 수득할 수 있다. 이와 같이, 반가공된 셀룰로스 섬유(예를 들어, 약 3 wt. %)를 콜로이드 밀에 공급하고 약 1 분 동안 분쇄한다. 임의적으로, 피브릴화 셀룰로스 섬유는 정제기(802)에서 추가로 가공될 수 있다.
일 예에서, 도 3은 1 분 동안 콜로이드 밀링 후 반가공된 섬유에 대한 SEM 이미지를 예시할 수 있다. 예를 들어, 표 2는 상이한 공급원으로부터의 상이한 피브릴화 셀룰로스의 특성을 제시한다.
표 2
Figure pct00002
예를 들어, 도 3은 a-b가 표 2에서 Y-셀룰로스 섬유에 대한 SEM 이미지이고 c-d가 B-셀룰로스 섬유에 대한 SEM 이미지인 경우를 예시할 수 있다.
다른 구현예에서, 도 4는 1 사이클/통과 동안 기계적으로 연마된 후 반가공된 섬유에 대한 SEM 이미지를 나타낸다. 예를 들어, 도 4의 a-b는 Y-셀룰로스 섬유에 대한 것이고, 도 4의 c-d는 B-셀룰로스 섬유에 대한 것이다.
일 측면에서, 믹서(804)는 물 중 셀룰로스 펄프의 펄프(806) 현탁액을 제공할 수 있고 물 중 셀룰로스 펄프의 혼합물을 포함하며, 여기서 셀룰로스 대 물의 중량비는 약 0.01 대 100이다. 다른 구현예에서, 중량비는 약 0.03 대 0.10일 수 있다. 일부 구현예에서, 정제기(802)로부터의 후-정제물(808)은 정제기(802)에 의해 다시 분쇄되는 데 사용될 수 있는 경우에 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 기재된 바와 같이, 후-정제물(808)이 정제기(802)를 통과하는 통과 수는 1 - 100일 수 있다. 다른 구현예에서, 통과 또는 사이클 수는 1 - 10으로 추가로 제한될 수 있다.
다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스 대 물의 중량비 및/또는 정제기(802)를 통한 통과 수는 최종 제품의 원하는 특성의 함수일 수 있다. 예를 들어, 최종 제품이 낮은 수증기 투과율 및 낮은 산소 투과율을 필요로 하면, 후-정제물(808)은 약 0.03-0.04 3-4%(L28b - L30b에 의해 입증된 바와 같음)에 가까운 셀룰로스 대 물의 중량비를 가질 수 있고/있거나 통과 수는 증가할 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 상대적으로 낮은 수증기 투과율 및 상대적으로 낮은 산소 투과율은 높은 저장 수명을 나타낼 수 있지만 상대적으로 높은 수증기 투과율 및 상대적으로 높은 산소 투과율은 낮은 저장 수명을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 후-정제물(808)은 포머(810)에 의해 가공될 수 있다. 예를 들어, 포머(810)는 피브릴화 셀룰로스를 함유하는 원하는 재료에 대해 후-정제물(808)에 기초하여 중간체(818)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 중간체(818)는 약 0.001 내지 99의 피브릴화 셀룰로스 대 액체(예를 들어, 물)의 중량비로 있을 수 있다. 다른 구현예에서, 비율은 약 0.001 내지 0.10일 수 있다. 일 구현예에서, 포머(810)는 메시 또는 섬유망을 포함할 수 있다. 예를 들어, 포머(810)는 음압 및/또는 양압 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 포머(810)는 압력을 가하여 후-정제물(808)의 피브릴화 셀룰로스를 액체로부터 분리하여 중간체(818)를 형성할 수 있다. 피브릴화 셀룰로스 섬유의 피브릴화 특성에 기인하고 정제기(802)의 공정을 통해, 도 2-4 및 7의 다양한 SEM 이미지에 의해 나타낸 바와 같이 상이한 길이의 섬유가 중간체(818)를 형성할 수 있다.
다른 구현예에서, 베이스 층(812)을 후-정제물(808)과 함께 사용하여 중간체(818)를 형성할 수 있다. 일 구현예에서, 본 발명의 측면의 GC은 펄프의 기재 층(예를 들어, 베이스 층(812)) 및 피브릴화 셀룰로스 층(예를 들어, 후-정제물(808)로부터)을 갖는 복합 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 포머(810)는 베이스 층(812)을 메시, 몰드, 또는 프레임에 적용하여 중간체(818)를 위한 구조물을 형성할 수 있다. 예를 들어, 베이스 층(812)은 먼저 물 및 펄프 재료의 용액 또는 슬러시 형태일 수 있다. 슬러시는 탱크에 있을 수 있고 메시 또한 탱크에 있을 수 있다. 진공과 같은 음압을 통해, 베이스 층(812)이 메시에 형성되도록 탱크로부터 물을 제거하거나 또는 감소시킬 수 있다.
이후에, 일 구현예에서, 포머(810)는 후-정제물(808)을 베이스 층(812)에 분무하거나 또는 도포하여 중간체(818)를 형성하기 위한 분무기 또는 도포기를 포함할 수 있다. 베이스 층(812) 및 후-정제물(808) 사이의 상이한 크기의 섬유로 인해, 후-정제물(808)은 베이스 층(812)과 함께 주입된다. 일 구현예에서, 후-정제물(808)은 식용 품목을 운반하는 중간체(818)의 표면 상에 도포되거나 또는 분무될 수 있다. 예를 들어, 최종 제품이 보울(bowl)이라고 가정하면, 후-정제물(808)은 최종 제품의 내부 표면에 도포되거나 또는 분무될 수 있다.
일 구현예에서, 중간체(818)는 502 또는 504에 나타낸 바와 같이 이의 외부 표면 상에 메시 또는 섬유망 패턴을 나타낼 수 있다.
또한 다른 구현예에서, 포머(810)는 자연 공정에 의한 건조 또는 형성을 위해 평평한 표면 상에 중간체(818)를 퍼트릴 수 있다.
다른 구현예에서, 중간체(818)를 건조시키거나 또는 제습하기 위해 건조기(814)가 추가로 제공될 수 있다. 일 구현예에서, 건조기(814)는 30℃ 내지 200℃의 건조 조건을 제공할 수 있다. 다른 구현예에서, 건조기(814)는 적외선 가열과 같은 가열된 표면을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 마이크로파 가열 또는 공기 가열이 구현예의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 건조기(814)는 또한 음압 및/또는 양압에 의해 도움받을 수 있다.
실시예 3
본 발명의 측면을 구현할 수 있는 최종 제품의 일 예에서, 셀룰로스 기반 보울은 이전에 기재된 재료 및 방법의 조합을 채택함으로써 성공적으로 생산될 수 있다. 일 구현예에서, 이 실시예에서 셀룰로스 기반 식품 용기의 기능성은 도 5에 제시된 바와 같이 전형적인 식용유를 용기에 채우는 것을 입증하기 위해 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 셀룰로스-기반 식품 용기의 식용유는 4 분 동안 800W에서 마이크로파에 의해 가열되어 10 일 동안 관찰될 수 있으며, 이는 도 5에 제시된 바와 같다. 이러한 예시에서, 도 5의 용기는 피브릴화 셀룰로스 L28b, L29b, L30b, 및 Y로 만들어진 것을 나타낼 수 있다. 일 구현예에서, 도 5의 것 중 각각은 약 10 일 동안 오일을 보유할 수 있다.
다른 구현예에서, 인스턴트 국수(뜨거운 물이 첨가된 후 조리된 후)를 일 구현예에 따른 복합 재료를 구현하는 용기에 채움으로써 또 다른 테스트 세트를 또한 수행하였다. 관찰은 둘째 날에 기록하였다. 도 6a는 식품 용기와 같은 용기의 피브릴화 셀룰로스 구조의 예를 제시한다. 예를 들어, 도 6a는 끓는 물로 채워진 피브릴화 셀룰로스의 일련의 이미지를 예시하고 이를 약 5 분 동안 방치하였다.
다른 구현예에서, 도 6b는 끓는 물로 채워지고 약 2 분 동안 800 W에서 마이크로파 가열된 피브릴화 셀룰로스의 일련의 이미지를 예시한다.
도 7은 일 구현예에 따른 도 6a 및 6b에서 식품 용기의 피브릴화 셀룰로스 구조에 대한 SEM 이미지를 제시하는 도 다른 이미지이다.
실시예 4
이제 도 9a 내지 9c를 참조하여, 이미지는 구현예의 실시예 4에 따른 필름을 예시한다.
일 구현예에서, 본 발명의 측면에 따른 복합 재료는 피브릴화 셀룰로스를 기반으로 한 투명한 복합 필름일 수 있다. 일 예에서, 필름은 피브릴화 셀룰로스 및 풀루란 분말을 물에 용해시켜 약 1 wt.%의 용질을 함유하는 용액을 별도로 생산함으로써 생산될 수 있다. 풀루란 분말 용해 시, 분말은 이에 점진적으로 첨가될 수 있고, 용액은 1 분 동안 800W의 전력에서 마이크로파를 통해 가열될 수 있다. 일 구현예에서, 이 공정은 투명한 용액이 형성될 때까지 약 4-5회 반복될 수 있다.
일 구현예에서, 복합 필름을 생산하기 위해, 후-정제물(808)과 같은 피브릴화 셀룰로스 대 풀루란은 약 1:1의 비율을 가질 수 있으며, 예를 들어, 약 250 g의 후-정제물(808)(예를 들어, 약 1%의 피브릴화 셀룰로스)을 약 250 g의 풀루란 용액과 혼합하여 약 0.5% 용질을 갖는 용액을 생산할 수 있다. 그런 다음, 약 100 g의 혼합된 용액을 소수성 표면, 예를 들어 실리콘 표면 위에 붓고 실온에서 건조시켰다.
다른 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스 대 풀루란의 비율이 2:1이면, 250 g의 후-정제물(예를 들어, 약 2%의 피브릴화 셀룰로스)을 약 250 g의 풀루란 용액과 혼합하여 약 1% 용질을 갖는 용액을 생산할 수 있다. 그런 다음, 약 100 g의 혼합된 용액을 소수성 표면, 예를 들어, 실리콘 표면 위에 붓고 50℃에서 12 시간 동안 건조시켰다.
예시된 바와 같이, 도 9a 내지 9c는 피브릴화 셀룰로스 대 풀루란의 비가 a.) 0:1, b.) 1:1, 및 c.) 2:1인 셀룰로스 기반 필름의 이미지를 예시할 수 있다.
일 구현예에서, 풀루란의 첨가는 필름의 표면을 매끄럽게 하는 필름 형성 공정을 향상시킬 수 있으며, 여기서 본원에서 하기에 L41b로 명명된 피브릴화 셀룰로스(예를 들어, 후-정제물(808))로 만들어진 필름은 매우 주름진다. 반면에 풀루란을 함유하는 다른 필름은 더 매끄럽고 고른 표면을 제공한다. 일 구현예에서, 피브릴화 셀룰로스 및 풀루란을 함유하는 복합 재료의 필름은 일반적으로 고르지 않은 표면이 없을 수 있다.
또한 다른 구현예에서, 투명한 복합 필름의 기계적 특성이 하기 제시되어 있으며, 여기서 피브릴화 셀룰로스는 L41b로 표기되고, 풀루란은 B로 표시된다.
표 3 풀루란이 첨가된 피브릴화 셀룰로스 필름의 특성.
Figure pct00003
실시예 5
방수제를 함유하는 피브릴화 셀룰로스
일 구현예에서, 본 발명의 측면은 방수제를 함유하는 피브릴화 셀룰로스를 포함할 수 있다. 일 예에서, 혼합물은 정확한 비율의 셀룰로스 및 방수제를 포함할 수 있고, 기계적 블렌더를 사용하여 3 분 동안 블렌딩할 수 있다. 혼합물을 4000 mL로 추가로 희석하고 포머(810)에 부을 수 있다. 일 측면에서, 포머(810)는 음압 및/또는 양압을 인가하여 25-35%의 건조도를 갖는 습윤 예비형태를 생산할 수 있다. 혼합물의 기계적 및 장벽 특성은 표 4에 제시되어 있을 수 있다.
표 4는 상이한 방수제를 함유하는 피브릴화 셀룰로스 필름의 특성을 예시한다.
Figure pct00004
또한, 상기 구현예는 도 10a 내지 13에 도시된 장치를 사용하여 이루어질 수 있다. 도 10a의 단순화된 다이어그램으로부터, 1000 컴포넌트는 용기로 간주될 수 있다. 펄프가 적재된 후, 종이 섬유는 진공 원리를 사용하여 펄프를 함유하는 물 탱크로부터 1001에 의해 수용된다. 예를 들어, 1001은 섬유 캐쳐(catcher)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 물 탱크의 종이 섬유가 메시 본체에 머물 수 있고, 액체가 메시를 통해 통과하기 때문에, 섬유 접속부는 메시일 수 있다. 진공 원리는 먼저 물 탱크의 물을 펌핑 및 배출한 다음, 진공 환경을 1001 컴포넌트에 단단히 수용하게 하여 제1 재료를 만드는 것을 포함한다. 일 구현예에서, 컴포넌트(1001)는 최종 제품을 형성하기 위해 용기(1000)에 들어가도록 컴포넌트가 위쪽 또는 아래쪽을 향하도록 회전될 수 있다. 컴포넌트(1001)는 임의의 남아있는 수분 또는 물 또는 액체가 추출될 수 있도록 다시 회전될 수 있다(예를 들어, 180도).
또 다른 구현예에서, 컴포넌트(1004)는 컴포넌트(1002)에 연결될 수 있고, 컴포넌트(1004)는 진공 흡입 기능을 위, 아래, 왼쪽, 및 오른쪽으로 움직일 수 있으며, 컴포넌트(1004)는 컴포넌트(1002)와 함께 설치 및 구성될 수 있다. 일 구현예에서, 컴포넌트(1002)는 요소(1001)에 제1 재료를 수용하도록 사용될 수 있다. 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 컴포넌트(1002 및 1004)는 제3 유닛 또는 수분 제거 장치로 이동될 수 있다. 유사하게, 일 구현예에서, 컴포넌트(1002)는 물이 제거되도록 회전될 수 있다. 또한, 컴포넌트(1000, 1002, 1004, 1006, 및 1008)에서 본 발명의 배열은 선형 배열을 필요로 하지 않는다. 컴포넌트(1004)는 여러 방향으로 이동할 수 있으므로, 1000, 1006 또는 1008은 원형, 삼각형, 위, 아래 및 다른 상대 위치일 수 있다. 또한, 컴포넌트(1004)는 로봇 팔 또는 이동 장치를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 컴포넌트(1004)는 수동으로 이동될 수 있고, 기계적, 회전 디스크에 의해, 또는 수동으로 또는 전동식 보조(예를 들어, 예컨대 로봇 팔의 사용)를 사용한 레일 보조를 사용하여 1006 또는 1008로 이동될 수 있다. 일부 구현예에서, 컴포넌트(1004)는 다수의 컴포넌트(1004)가 이용될 수 있을 때 개별적으로 또는 집합적으로 이동될 수 있다.
일부 구현예에서, 하나의 제품 품목 또는 몰드 적재 공정과 같은 단일 제조 공정에서, 제2 재료는 1002 및 1004를 통해 수용될 수 있다. 이러한 구현예에서, 제2 재료는 컴포넌트(1002 및 1004)에 의해 제1 재료에 효과적으로 첨가된다. 예를 들어, 제2 재료는 컴포넌트(1006)를 통해 제1 재료에 결합될 수 있고, 상기 예에서와 같이, 제1 및 제2 재료는 밀접하게 혼합되어 제3 재료를 형성한다. 또 다른 구현예에서, 제3 재료는 제1 재료 및 제2 재료가 상이한 층을 나타냄을 보여줄 수 있다.
또 다른 구현예에서, 다중 스테이션 구성이 이용되는 경우, 컴포넌트(1000 및 1001)는 제1 재료를 수용할 수 있다. 컴포넌트(1001 및 1006)는 제2 재료를 수용할 수 있다. 이와 같이, 이러한 다중 스테이션 구성은 2 개의 상이한 제품을 생산할 수 있다. 컴포넌트(1002 및 1004)가 재료를 다음 스테이션으로 이동시킴에 따라, 2 개의 상이한 제품이 동시에 또는 실질적으로 동시에 생산될 수 있다. 이러한 구현예에서, 상이한 제품을 생산하는 데 필요한 시간은 크게 줄어들고 장비에 필요한 공간이 또한 줄어들 수 있다.
일부 구현예에서, 제2 재료를 저장하는 용기 또는 워크스테이션은 열 또는 가열 공급원을 추가로 첨가한다. 예를 들어, 컴포넌트(1002 또는 1004) 자체 또는 추가 가열 공급원은 용기를 보유하거나 또는 가열하는 기능을 수행할 수 있어서, 제2 재료는 제1 재료와 혼합될 수 있거나 또는 제2 재료가 제1 재료와 혼합되기 전에 약 40℃ 이상에서 최고의 가장 효율적인 제품의 최종 제품 효율을 수득할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 가열 공급원은 전기 가열, 스팀, 액체 등에 의해 가열될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 기재된 바와 같이 제1 및 제2 재료가 혼합된 후, 컴포넌트(1002 및 1004)는 수분 제거 또는 수분 감소 단계를 수행하기 위해 컴포넌트(1008) 탈수화 스테이션으로 이동된다. 예를 들어, 컴포넌트(1002 및 1004)에 대한 제1 및 제2 재료를 혼합한 후, 제3 재료는 컴포넌트(1006)에서 컴포넌트(1008)로 이동될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 제3 재료는 제3 재료의 혼합 동안 컴포넌트(1002, 1004, 1006, 및 1008)의 혼합 공정 중에 진공 밀봉 상태로 있고, 그런 다음 양압 기능 또는 가압 기능을 컴포넌트(1008)에 사용하여 재료를 조합하기 위한 공간에 적재한다. 압력이 증가함에 따라, 제3 재료의 수분 또는 물이 제거되고, 1002 및 1004의 원래 음압 설계는 조합 재료를 추가로 펑핑하거나 또는 조합 재료의 건조 습도를 줄인다. 일부 구현예에서, 컴포넌트(1008)는 회전될 수 있다.
마지막으로, 재료를 성형 단계에서 조합하여 최종 제품을 만든다.
또 다른 구현예에서, 제2 재료는 또한 도 10b에 도시된 바와 같이 제3 재료의 주요 본체로서 직접적으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 도 10b의 제2 요소에 들어간 후, 제2 재료는 제1 재료와 혼합되지 않는다.
본 발명의 장치는 도 11a에 도시된 바와 같이 자동화 장치일 수 있으며, 즉, 제1 유닛, 제2 유닛, 및 제3 유닛은 간섭 장치 세트이다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 도 11b, 11c, 및 11d에 도시된 바와 같이, 제3 재료는 컴포넌트의 조합으로 탈착가능하게 만들고 분리될 수 있다.
또한, 도 11a 내지 d는 컴포넌트(1004)가 트랙에 의해 이동되지만, 관련 기술의 숙련자는 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않고 컴포넌트(1004)를 이동시키는 다른 방법을 용이하게 사용할 수 있으며, 동일한 평면에서 이동하기 위해 이동을 제한할 필요가 없음을 나타낸다.
또한, 본 발명의 구현예는 또한 파라미터 정보를 전송하기 위해 컴포넌트(1000, 1001, 1002, 1004, 1006, 1008 등)에서 센서를 포함하는 본 발명의 장치를 작동시키기 위한 소프트웨어 시스템을 포함한다. 소프트웨어 시스템은 또한 중앙집중식 인터페이스이든 상이한 인터페이스를 포함할 수 있거나 또는 네트워크를 통해 모바일 장치에 표시될 수 있다. 심지어 도 11b 내지 11d에 도시된 바와 같이, 상이한 구현예에서, 개별 컴포넌트는 유닛 또는 컴포넌트의 작업을 통신하고 작동시키기 위한 연속적 또는 개별 인터페이스 및 소프트웨어를 가질 수 있다. 소프트웨어 시스템은 또한 관리자에게 생산 공정의 효율적인 관리를 제공하기 위해 알림 및 경고 기능을 보고할 수 있다.
몰드 및 트랜스퍼 몰드는 일부 구현예에서 회전 특징을 갖는다. 예를 들어, 컴포넌트(1001)(예를 들어, 몰드)는 축을 통한 회전 또는 플립 능력을 포함할 수 있다. 몰딩 공정 동안, 몰드 표면은 진공 또는 흡수 메커니즘을 사용하여 1000 슬러리 용기 또는 버킷으로 위쪽 또는 아래쪽일 수 있다. 일 예에서, 컴포넌트(1001)을 전달하는 컴포넌트(1002)는 또한 회전 기능을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 컴포넌트(1001)는 제품이 전달된 후 회전될 수 있고, 물 또는 수분은 진공 또는 중력에 의해 배출될 수 있다.
그라우팅: 일 예에서, 1001 및 1002가 짝을 이루거나 또는 결합될 때, 주입 캐비티는 컴포넌트(1001) 내부에 있을 수 있고, 펌프를 사용하여 용기(1000) 내 재료를 컴포넌트(1001)의 캐비티로 공급한 다음, 그 안에 있는 물을 진공 또는 다른 힘에 의해 빼내거나 또는 제거할 수 있다. 일단, 제1 재료가 완료되면, 동일한 방식으로 컴포넌트(1006)를 적용함으로써 제2 재료가 완료될 수 있다. 일 예에서, 컴포넌트(1000 및 1006)를 사용할 때, 슬러리 버킷(예를 들어, 용기(1000))은 장비 아래 또는 위의 임의의 위치에 설치될 수 있다.
도 12a 및 b는 이제 장치의 또 다른 구현예를 예시할 수 있으며, 이는 또한 도 10a-11d의 확장이다. 예를 들어, 종이 형성 공정은 다음을 포함할 수 있다: 1. 펄프화 시스템을 통해 판지를 펄프로 분해한다. 펄프는 형성 시스템에 들어가기 전에 펄프에 필요한 다른 재료와 혼합될 수 있다. 2. 진공 또는 흡입력을 힘으로 사용하여 펄프 재료를 몰드 표면에 부착한 다음, 몰드 표면 상의 배수 시스템을 사용하여 과량의 물을 배출시켜, 젖은 초기 재료의 얇은 층이 몰드 표면 상에 형성되도록 한다. 3. 몰딩 후, 제품 표면은 수분을 많이 필요로 한다. 자연 공기 건조, 열기, 기압, 몰드 가열 및 다른 방법을 사용하여 열간 압착을 보조하여 재료의 나머지 수분을 배출시킨다.
상기 설명은 하기 몰딩 공정을 제공한다:
(A) 슬러리 몰딩 방법-몰딩 방법은 몰드의 내부를 사용하여 진공 캐비티를 만드는 것이다. 진공 작용 하에, 펄프의 섬유는 균일하게 층을 이루고 몰드 표면 상의 몰딩 막에 부착될 수 있고, 몰드 표면은 펄프로 위쪽을 향한다. 탱크에서, 다량의 물이 진공 흡입에 의해 제거된다. 제품이 특정 두께에 도달하면, 제품 몰드를 펄프 탱크에서 빼내고, 몰드 표면 상의 젖은 초기 펄프를 탈수한다.
(B) 그라우팅 방법-몰드 표면은 위쪽을 향하고, 펄프 탱크가 몰드 주위에 만들어지며, 펄프는 펄프 파이프라인에 의해 펄프 탱크에 연결되고, 펄프는 제품의 두께에 따라 펄프의 양이 주어지며, 몰드 내부에서 만들어진다. 진공 캐비티에서, 펄프 섬유는 균일하게 층을 이루고 진공 작용 하에 몰드 표면 상의 형성 망에 부착될 수 있고, 다량의 물이 진공 흡입에 의해 제거되며, 몰드 표면 상에 젖은 초기물을 형성한다. 그런 다음 펄프를 탈수한다.
(C) 역 흡입 몰딩 방법-몰드 표면은 펄프 탱크로 아래로 향하고, 다량의 물이 진공 흡입에 의해 제거된다. 제품이 특정 두께에 도달하면, 제품 몰드를 펄프 탱크에서 빼내고, 몰드 표면 상의 젖은 기초 펄프를 탈수한다.
일 측면에서, 본 발명의 구현예는 섬유 자체 및 피브릴화 셀룰로스의 특성을 통해 적어도 2 개의 재료를 효과적으로 조합하고, 공정에서 특이적 배열을 사용하여, 2 개 이상의 층은 보다 밀접하게 조합되거나 또는 결합된다.
일 예에서, 도 12a 및 b는 수평, 선형 또는 실질적으로 선형 시스템을 예시하며, 여기서 1204, 1204' 및 1204"는 고정 유닛일 수 있고, 1202, 1202', 1202"는 전달 요소일 수 있고, 1201, 1201'은 몰드 또는 메시이고, 1200은 재료의 제1 층일 수 있고; 1206은 제2 재료일 수 있고; 1208은 탈수 또는 양압 컴포넌트일 수 있다. 이 장비의 특징은 수평 또는 선형 시스템(최종 제품의 흐름 측면에서), 멀티스테이션 시스템, 또는 조립 라인일 수 있고, 1202 또는 1201은 회전될 수 있고, 1201'이 또한 회전될 수 있다.
또는 도 13에 기재된 바와 같은 수직 시스템. 수직 시스템은 고정 유닛으로 1304, 몰드로 1301, 제1 재료로 1300, 제2 재료로 1306, 및 탈수, 탈수화, 양압, 열기, 압축, 가열, 및 다른 기계를 위한 1308을 포함하다. 이들 중에서, 1301 몰드가 회전을 위해 설계될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 도 12a 및 b 및 도 13의 시스템이 부분적으로 조합될 수 있다.
상기 구현예로부터, 제1 재료의 용기 1 및 제2 재료의 용기 2를 형성하는 방법은 다음 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다:
수직 시스템에서, 동시에 2 개의 몰딩 몰드를 완료하려는 경우, 회전 동작과 협조할 수 있다. 몰딩 워크스테이션은 사출 + 흡입 또는 흡입 + 사출을 사용할 수 있다. 상기 회전 동작은 다음을 사용할 수 있다: 1. 몰드를 회전시키는 모터 구동 메커니즘, 2. 몰드의 수직 이동은 연결 막대, 랙 또는 기계 구조 장비가 회전하도록 구동한다.
또한, 본 발명은 과거에는 불가능했던 공정을 달성하기 위해 하기 조합을 추가로 가능하게 할 수 있다:
Figure pct00005
따라서, 상기 표는 본 발명의 장비가 몰딩 단계 동안 다중(하나 초과) 슬러리가 장착될 수 있으며, 다른 상이한 제품 요건을 충족시키기 위해 상이한 몰딩 공정을 생성할 수 있음을 나타낸다:
2mm 이상의 두꺼운 재료 완제품:
형성 스테이션이 완료된 후, 1008 탈수 공정에 연결되거나 또는 전달될 수 있다. 이 장비의 탈수 장비는 양압 및 압축 장치가 장착되어 있고, 펄프 배수 및 형성 시간을 가속화할 수 있으며, 두꺼운 제품을 형성하는 데 유리하다.
다층 전달 적층 몰딩(복합 재료 포함)
선형 전달 시스템 또는 수직 회전 시스템을 사용하면 재료의 제1 층 및 재료의 제2 층의 연결을 동시에 완료할 수 있다. 1002 및 1004 전달 제품은 2 개 이상의 동일한 재료를 함께 적층하여 두껍고 얇은 복합 재료를 만드는 데 사용될 수 있다.
다색 몰딩
선형 전달 시스템 또는 수직 회전 시스템을 사용하면 다색 재료의 몰딩을 동시에 완료하고, 단일 제품에서 상이한 펄프 색으로 블리스터 공정을 완료할 수 있다.
염색 및 몰딩
펄프 블리스터 몰딩 공정에서, 펄프 염색은 다른 색으로 대체되어야 한다. 파이프라인을 세정하는 것은 시간이 많이 걸리는 업무이다. 다중 펄프 버킷을 사용하여 펄프 염료를 별도의 몰딩 버킷에 넣을 수 있다. 재료의 제1 층이 형성된 후, 플라스틱 염료를 흡수하도록 염료의 제2 층으로 이동시킬 수 있어서, 펄프 표면이 색상에 부착된 다음, 염색 공정으로 전달되게 한다. 이 시스템은 펄프화 시스템을 세정할 필요 없이 상이한 색상의 염료로 교체하는 시간을 단축할 수 있다.
첨가제 최적화
펄프 몰딩에서 펄프 첨가제의 시기는 매우 중요하다. 첨가제를 첨가하고 별도의 몰딩 배럴에 넣을 수 있다. 본 발명자들은 펄프 섬유와 조합하는 첨가제의 능력을 증가시키기 위해 첨가제를 첨가하는 적절한 시기를 선택할 수 있다. 독립적인 첨가제도 또한 줄일 수 있다. 펄프 배수가 다른 시스템에서 첨가제에 의해 오염될 가능성은 배수의 품질을 개선시킬 것이다.
다층 재료 몰딩
이에 따라, 제1 층 재료 및 제2 층 재료의 형성 공정은 동시에 완료될 수 있다. 전달 제품(1002 및 1004)은 2 개 이상의 동일한 재료를 함께 적층하여 복합 재료를 만드는 데 사용될 수 있다.
도 14a에서, 용기 요소의 특별한 특징은 이러한 사용을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 비행기 음식 용기는 가볍고 내구성이 있고 재가열 또는 가열이 가능하여야 한다. 또한, 상업용 비행기에 탑재된 오븐 또는 찜기는 식사를 데우는 데 사용될 수 있다. 또한, 식사 품목은 소스, 수프, 또는 다른 액체 또는 유체를 사용할 수 있고 이들 식사 품목 중 일부는 따뜻하거나 또는 뜨겁게 제공된다.
이와 같이, 상기 예시된 기계적 특성에 따라, 본 발명의 측면의 요소를 구현하는 용기는 또한 주방으로부터 용기의 포장을 수용할 필요가 있다. 따라서, 도 14a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 측면은 용기용 뚜껑을 포함할 수 있고 뚜껑은 또한 본 출원에 예시된 재료로 만들어진다. 또한, 뚜껑 및 용기는 용기 및 식사의 안전한 수송을 가능하게 하는 잠금 메커니즘을 포함할 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 곡면 단부의 끝에 있는 용기 외부 가장자리의 텅(tongue) 요소는 뚜껑 끝에 의해 생성된 틈에 들어갈 수 있다. 이 구현예에서, 뚜껑 끝은 용기 쪽으로 구부러질 수 있는 팁을 포함할 수 있으며, 따라서 용기로부터 멀어지는 대신에 틈을 생성할 수 있다. 팁은 텅 요소가 뚜껑 틈의 상단과 맞물리도록 용기의 곡면 단부로 밀어내는 충분한 길이를 포함할 수 있다. 재료는 상기 기재된 인장 강도를 가지며, 팁 및 곡면 단부, 뿐만 아니라 텅 및 뚜껑 상단의 맞물림은 수송 및 가열/재가열 동안 뚜껑을 온전히 유지하도록 강하다.
또 다른 구현예에서, 도 14b에 도시된 바와 같이, 용기 및 뚜껑 사이에 마찰 결합이 있으므로, 텅은 뚜껑 끝에 의해 꽉 조여있는 틈에 삽입될 수 있다.
또한 또 다른 구현예에서, 뚜껑의 외부 표면 및 용기 바닥은 상보적 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 14c에 도시된 바와 같이, 식사 용기는 적층가능하여야 한다. 뚜껑 아래에서 용기의 미끄러짐을 방지하거나 또는 완화하기 위해, 뚜껑은 낮아진 중앙 부분 또는 낮아진 중앙 부분과 뚜껑 표면을 연결하는 굽었거나 또는 오목한 곡면 가장자리가 있는 오목부를 포함할 수 있다. 유사하게, 용기의 지지돌기(footer)는 각 지지돌기(예를 들어, 4 개)와 함께 낮아진 중심 내부에 위치되어 낮아진 부분의 4 개 모서리 및 굽어진/오목한 곡면 가장자리를 맞물릴 수 있다.
더욱이, 지지돌기는 도 14d에 도시된 바와 같이 용기 바닥으로부터 돌출되어 있다. 일 구현예에서, 지지돌기는 적층된 위치에서 용기 및 뚜껑 사이에 공간을 생성함으로써 추가의 기류를 생성하도록 구성되어 열 또는 증기가 용기 및 뚜껑 사이에 흐를 수 있도록 한다. 일 측면에서, 이러한 특징은 용기의 습윤 인장 강도를 추가로 유지할 수 있다.
전반적으로, 본 발명의 측면은 독성 화학물질(예를 들어, 플루오로중합체 및 이의 유도체)이 첨가되는 이전 접근법의 단점을 극복한다. 본 발명의 측면은 또한 펄프를 베이스 층 또는 층들로 사용하는 이전 접근법의 단점을 극복한다. 펄프 섬유는 직경이 10 내지 50 마이크로미터(μm) 범위에 있음이 이해되어야 한다. 반면에 본 발명의 측면은 1 μm 미만의 범위에서와 같이 크기가 더 미세하다.
상기 설명은 예시적이며 제한하는 것은 아니다. 구현예의 많은 변경이 개시내용의 검토 시 당업자에게 명백해질 수 있다. 따라서, 범위 구현예는 상기 설명을 참조하여 결정되어야 하는 것이 아니지만, 대신에 전체 범위 또는 등가물과 함께 계류중인 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.
임의의 구현예로부터의 하나 이상의 특징은 범위 구현예를 벗어나지 않고 임의의 다른 구현예의 하나 이상의 특징과 조합될 수 있다. 단수형의 설명은 달리 반대로 구체적으로 지시되지 않는 한 "하나 이상"을 의미하는 것으로 의도된다. "및/또는"의 설명은 달리 반대로 구체적으로 지시되지 않는 한 용어의 가장 포괄적인 의미를 나타내는 것으로 의도된다.
본 개시내용은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있지만, 도면 및 논의는 본 개시내용이 하나 이상의 발명의 원리의 예시이고 임의의 하나의 구현예를 예시된 구현예로 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 이해와 함께 제시된다.
본 개시내용은 상기 기재된 오랫동안 필요를 느껴온 해결책을 제공한다. 특히, 본 발명의 측면은 셀룰로스 재료에 대한 향상된 특성을 제공하기 위해 화학식을 사용하는 기존 관행에 의존하는 문제를 극복한다.
상기 기재된 시스템 및 방법의 추가의 이점 및 변형은 당업자에게 용이하게 발생할 수 있다.
따라서 개시내용은 광범위한 측면에서 상기 제시되고 기재된 구체적 세부사항, 대표적인 시스템 및 방법, 및 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 다양한 변형 및 변경이 본 개시내용의 범위 또는 취지를 벗어나지 않고 상기 명세서로 이루어질 수 있으며, 본 개시내용은 모든 이러한 변형 및 변경이 하기 청구범위 및 그의 등가물의 범위 내에 있다면 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 생분해성 재료를 생성하기 위한 장치로서,
    제1 재료에서 섬유의 일부를 잡기 위한 섬유 캐쳐를 포함하는, 제1 재료를 수용하기 위한 제1 유닛;
    상기 섬유의 일부를 맞물리기 위한 제2 유닛;
    제2 재료를 섬유의 일부와 맞물려서, 제2 재료 및 섬유의 일부가 제3 재료를 형성하기 위한 제3 유닛; 및
    상기 제3 재료에서 수분 함량을 줄이기 위한 수분 제거 유닛을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수분 제거 유닛 뒤에 제3 재료를 성형하기 위한 성형기를 추가로 포함하며, 여기서 성형기는 제3 재료에 열 및 압력을 인가하는 것인, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료가 펄프 현탁액을 포함하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 재료가 연마 후 피브릴화 셀룰로스 슬러시를 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제3 유닛이 제2 재료를 보유하기 위한 용기를 포함하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3 유닛이 가열 요소를 포함하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가열 요소가 제2 재료의 온도를 적어도 약 40℃로 유지하도록 구성되는, 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 가열 요소가 표면 재료가 제1 재료와 맞물릴 때 제2 재료의 온도를 적어도 약 40℃로 가온하도록 구성되는, 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료에 일반적으로 인장 강도, 향상된 오일 장벽, 기체 및/또는 액체 불투과성, 인장 탄성률, 또는 인장 지수를 개선하기 위해 채택된 화학 첨가제가 없는, 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 하기 특성을 포함하는, 장치:
    약 8000 cm3 m-224 h-1 이하의 산소 투과율,
    3000 g m-2 24 h-1 이하의 수증기 투과율,
    약 30 MPa 이상의 건조 인장 강도,
    약 4 GPa 이상의 건조 인장 탄성률, 및
    약 45 Nm g-1 이상의 건조 인장 지수.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 하기 추가 특성을 포함하는, 장치:
    약 5 MPa 이상의 습윤 인장 강도,
    약 0.4 MPa 이상의 습윤 인장 탄성률, 및
    약 5 Nm g-1 이상의 습윤 인장 지수.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 1: 100 또는 1: 50의 중량비를 갖는 상이한 직경의 피브릴화 셀룰로스를 포함하는, 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 약 1-10000 나노미터(nm) 직경의 피브릴화 셀룰로스를 포함하는, 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 약 0.1 - 1000 마이크로미터, 약 10 - 500 마이크로미터, 약 1 - 25 마이크로미터, 또는 약 0.2 - 100 마이크로미터를 갖는 피브릴화 셀룰로스를 포함하는, 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 평면 시트를 포함하는, 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 식용 품목을 위한 용기를 포함하는, 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 피브릴화 혼합물을 포함하는, 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료가 약 0.01 - 3.0 밀리미터(mm) 두께의 필름을 포함하는, 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 평면 시트가 0.01 mm 내지 10000 mm 범위의 길이를 포함하는, 장치.
  20. 생분해성 재료를 생성하기 위한 장치로서,
    제2 재료를 맞물리기 위한 제2 유닛;
    진공 상태에서 제2 재료를 맞물려 제3 재료를 형성하기 위한 제3 유닛; 및
    제3 재료에서 수분 함량을 줄이기 위한 수분 제거 유닛을 포함하는, 장치.
  21. 생분해성 재료를 생성하는 방법으로서,
    제2 재료를 맞물리는 단계;
    진공 상태에서 제2 재료를 맞물려 제3 재료를 형성하는 단계; 및
    제3 재료에서 수분 함량을 줄이는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 생분해성 재료를 생성하는 방법으로서,
    제1 재료에서 섬유의 일부를 잡기 위해 섬유 캐쳐에서 제1 재료를 수용하는 단계;
    제2 재료를 맞물리는 단계;
    진공 상태에서 제2 재료를 맞물려 제3 재료를 형성하는 단계; 및
    제3 재료에서 수분 함량을 줄이는 단계를 포함하는, 방법.
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