TW202206659A - 可生物分解的材料及可生物分解的食品材料 - Google Patents

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Abstract

本發明的實施例通過注入原纖化形式的奈米纖維素來增強纖維素漿的特性，克服了現有技術的缺陷。 例如，這些特性可包括機械和阻隔特性，即拉伸強度、液體和氣體，諸如氧氣、二氧化碳、和油 之不滲透性，可被實質上地改善。 本發明的一些實施例進一步提供了原纖化纖維素複合材料，包括作為強度增強劑、寡聚物、羧酸、增塑劑、抗菌劑、防水劑和／或透明複合材料的特性。

Description

可生物分解的材料及可生物分解的食品材料
本發明的態樣一般涉及更新和可回收材料。 更具體地說，本發明的實施例涉及用於製造消費品的原纖化纖維素或其他天然材料。
對環境危機—塑膠廢物污染—的日益增加之關注引發了對永續和可再生材料的廣泛調查。為了避免石油衍生聚合物的使用，一種天然生物聚合物、植物基纖維素纖維為材料研究界提供了替代品。由於其無處不在的來源、永續及可再生性，更重要的是，它使最終產品在自然界中具有100%的生物分解性，纖維素纖維越來越受到關注。
然而，許多基於纖維素纖維的現有可生物分解的產品未能達到期許。 例如，生產這些纖維素纖維產品的成本在經濟上不利於大規模生產。 此外，由於需要抗水性、抗油性或不黏性，許多纖維素纖維產品嚴重依賴合成化學組成物來達到這些特性或效果。 例如，許多現有產品需要在將與食品或飲料接觸的表面施用一層氟碳化合物。 此外，其中一些氟碳基化學品，如全氟辛烷磺酸（PFOA或C8），可對健康和環境造成長期負面影響。
此外，目前的作法並未創造出兩層或多層的原纖化纖維素材料。習知作法反而僅嘗試由纖維素漿溶液進行單層之生產。
本發明的實施例通過注入原纖化形式（fibrillated form）之奈米纖維素以增強纖維素漿的特性，藉以克服現有技術的缺陷。 例如，這些特性可包括機械和阻隔特性， 即拉伸強度、液體和氣體諸如氧氣、二氧化碳及油之不滲透性，其可被實質上地改善。
本發明的一些實施例進一步提供了原纖化纖維素複合材料，其包括原纖化纖維素的層或混合物，用以產生作為強度增強劑、寡聚物、羧酸、增塑劑、 抗菌劑、防水劑和／或透明複合材料的特性。該複合材料進一步可一般不包含用以增強上述特性之化學添加劑。在再一些實施例中，該複合材料可進一步包括諸如漿料之基材或諸如纖維化纖維素的其他層。
實施例現在可更充分地參考所附圖式而被描述，這些圖式構成實施例的一部分，且藉由圖式顯示可實踐的具體示範實施例。這些圖式和示範性實施例可在本揭露內容是一個或多個實施例原則的範例，不得用於限制所說明的任何實施例的理解之下被提供。實施例可以以許多不同的形式實施，不應被解釋為僅限於此處規定的實施例；相反的是，提供這些實施例是以便本揭露內容可以是徹底和完整的，並可以充分傳達實施例的範圍給所屬領域具有通常知識者。因此，以下詳細說明不得以限制意義被理解。
本發明的實施例包括一種材料，如綠色複合材料（GCM™），該材料可包括原纖化纖維素作為核心材料（core material）而不具有任何其他材料，在一實施例中，該複合材料可包括漿料及原纖化纖維素。在一些實施例中，該複合材料通常可不含化學添加劑或製劑。在再一些實施例中，該複合材料可獨立地衍生自植物纖維。在一實施例中，該化學添加劑或製劑可為有毒的、潛在性地有毒的（potentially toxic）、基於天然物或無毒的。 在一些實施例中，該化學添加劑或製劑可以由實驗室製造。在一些實施例中，這些植物纖維可衍生自蔗渣（bagasse）、竹子、馬尼拉麻（abaca）、瓊麻（sisal）、大麻（hemp）、亞麻（flax）、啤酒花（hop）、黃麻（jute）、洋麻（kenaf）、棕櫚、椰殼纖維（coir）、玉米、棉花、木材及其任何組合。 在其他實施例中，植物纖維可以為預加工或半加工纖維素。在其他實施例中，可藉由經由加工程序，諸如高壓均質機或精製機（refiner）來加工植物纖維以獲得具有原纖化纖維素的綠色複合材料。在進一步的實施例中，通過細菌菌株獲得具有纖維化纖維素的複合材料（不具產生纖維素之微生物)。在替代實施例中，可以從海洋來源獲得具有原纖化纖維素的材料。
在一實施例中，纖維素的形狀和大小可取決於纖維的原始來源或纖維的組合與製作過程。儘管如此，原纖化纖維素一般有直徑和長度，如下所述。原纖化纖維素，在一實施例中，可有約1至5000奈米（nm）的直徑。 在再一些實施例中，原纖化纖維素可具有約5至150奈米或約100至1000奈米的直徑。在再一些實施例中，原纖化纖維素可具有約5000至10000奈米的直徑。
在進一步的實施例中，該材料可具有在無需有毒化學添加劑或製劑下提高、增強或改善各種特性的增強特性。在一些實施例中，該材料具有適合裝載通常不含化學添加劑或製劑的食物或液體物品的各種特性。 例如，如現有技術所示，各種有毒化學添加劑或製劑在製造過程中被添加至材料或塗覆於其上以提供所欲的抗拉強度，無論是乾抗拉強度還是濕抗拉強度、增強的油阻（oil barrier）、氣體和／或液體不滲透性。 本發明的各個態樣，係取代了將各種有毒化學添加劑或製劑添加到材料中，而包括通常不含這些添加劑或製劑之具有原纖化纖維素的複合材料。
例如，原纖化纖維素可具有約 0.1至1000微米、約10至500 微米、約1至25微米，或約0.2至100微米的長度。在一些實施例中，具有不同直徑的原纖化纖維素的材料，係例如具有1:100的重量比。在一些實施例中，原纖化纖維素可具有1:50的重量比。在進一步的實施例中，具有混合原纖化纖維素之材料可具有例如改善之抗拉強度，無論是乾抗拉強度或濕抗拉強度、增強的油阻、氣體和／或液體不滲透性以及成本節約等優點。
在一些實施例中，具有原纖化纖維素的材料可具有約8000立方公分每平方公尺每24小時（cm3 m-2 24 h-1 ）或更少的氧氣穿透率之特性。在一些實施例中，氧氣穿透率是約5000立方公分每平方公尺每24小時或更少。在另一些實施例中，氧氣穿透率是約1000立方公分每平方公尺每24小時或更少。
此外，在再一些實施例中，該材料可具有約3000克每平方公尺每24小時（g m-2 24 h-1 ）或更少的水蒸氣穿透率的特性。 此外，對於另一些實施例，水蒸氣穿透率可為約1500克每平方公尺每24小時或更少。
在一些實施例中，材料可具有約 30 兆帕（MPa）或以上的乾拉伸強度的特性。  在一些實施例中，乾拉伸強度可以是約70兆帕。  在另一些實施例中，乾拉伸強度可以是約100 兆帕或更高。在一些實施例中，該材料可具有約4吉帕（GPa） 或以上的乾拉伸模量的特性。在一些實施例中，約6吉帕或以上的乾拉伸模量。
在一些實施例中，該材料可具有約45 Nmg-1 或以上的乾拉伸指數（dry tensile index）的特性。在一些實施例中，該特性可以是約 80 Nm g-1 或更高。
在一些實施例中，該材料可具有約5MPa或更高的濕拉伸強度（wet tensile strength）的特性。 在一些實施例中，濕拉伸強度可以是約20 MPa或更高。
在一些實施例中，該材料可具有約0.4 MPa或更高之濕拉伸模量的特性。 在一些實施例中，濕拉伸模量可以是約1.0 MPa或更高。
在一些實施例中，該材料可具有約 5 Nm g-1 或更高的濕拉伸指數的特性。 在一些實施例中，濕拉伸指數可以是約20 Nmg-1 或更高。
在一個替代實施例中，該材料可包括黏合劑，以增強乾和／或濕強度（dry and/or wet strength）。在一個實施例中，黏合劑可包括聚合物。在其他實施例中，黏合劑可包括金屬鹽。在一些實施例中，黏合劑可包括寡聚物。在另一實施例中，黏合劑可包括羧酸。在再一替代實施例中，黏合劑可包括增塑劑。 在一些實施例中，本發明中原纖化纖維素與黏合劑的重量比可為約33：1至1：1。
例如，聚合物可包括聚酯、明膠、聚乳酸、幾丁質（chitin）、藻酸鈉、熱塑性澱粉、聚乙烯、幾丁聚醣（chitosan）、幾丁葡聚醣（chitin glucan）、聚乙烯醇或聚丙烯。在一個實施例中，該聚合物可包括可被施用於本發明之態樣的複合材料之化學添加劑。舉例而言，該化學添加劑可被包埋於該材料本身中或可被噴灑或塗覆於其上。
在再一些實施例中，黏合劑可包括金屬鹽。例如，金屬鹽可包括碳酸鋯鉀（potassium zirconium carbonate）、硫酸鋁鉀（potassium aluminum sulphate）、碳酸鈣和磷酸鈣。在一些實施例中，本發明中原纖化纖維素與黏合劑的重量比可為約33：1至1：1。
在一些實施例中，黏合劑可包括寡聚物。 在一個實例中，寡聚物可包括寡核苷酸、寡聚肽和聚乙烯乙二醇。在一些實施例中，本發明中原纖化纖維素與黏合劑的重量比可為約33：1至1：1。
在再其他實施例中，黏合劑可包括羧酸。例如，羧酸可包括檸檬酸、己二酸和戊二酸。在一些實施例中，本發明中原纖化纖維素與黏合劑的重量比可為約33：1至1：1。
在實施例中，具有增塑劑的黏合劑可以減少黏附之複合材料的脆性（brittleness）和氣體滲透性。在一些實施例中，增塑劑可包括聚醇。在一個實施例中，聚醇可包括甘油。在一個實施例中，聚醇可包括山梨醇。在一個實施例中，聚醇可包括新戊四醇（pentaerythritol）。在一些實施例中，聚醇可包括聚乙烯乙二醇。在一些實施例中，增塑劑與複合材料與黏合劑的重量比為約5：33：1至約1：1：1。
在一些實施例中，增塑劑可包括分支多醣、蠟、脂肪酸、脂肪和油。
本發明的態樣可進一步包括一種防水劑作為化學添加劑，以排斥氣體和／或液態水。 在一些實施例中，防水劑包括動物基蠟（animal-based wax）、動物基油（animal-based oil）或動物基脂肪（animal-based fat）。在一個實施例中，防水劑包括石油衍生蠟或石油基蠟。在其他實施例中，防水劑包括植物基蠟、植物基油或植物基脂肪。
在一些實施例中，動物基防水劑可包括蜂蠟、蟲膠（shellac）和鯨油。
在一些實施例中，石油基蠟防水劑可包括石蠟、石蠟油和礦物油。
在一些實施例中，植物基防水劑可包括棕櫚蠟、大豆油、棕櫚油、棕櫚蠟（palm wax）、巴西棕櫚蠟（carnauba wax）和椰子油。
在一些實施例中，防水劑可包括諸如碳酸鋯鉀、硫酸鋁鉀、碳酸鈣和磷酸鈣等黏合劑。
在進一步的實施例中，該材料可包括原纖化纖維素，進一步可選地，可包括抗菌劑。在一些實施例中，抗菌劑可包括茶多酚（tea polyphenol）。在一些實施例中，抗菌劑可包括吡硫鎓鋅鹽（pyrithione salts）、對羥苯甲酸酯類、對羥苯甲酸酯類鹽類、四級銨鹽、咪唑鹽（imidazolium）、苯甲酸山梨酸（benzoic acid sorbic acid）和山梨酸鉀（potassium sorbate）。
此外，本發明的一些實施例可包括具有原纖化纖維素的材料，進一步可擇地，可包括透明複合材料，以增加從約300奈米到800奈米之波長的光的穿透性。在一些實施例中，材料可以包括分支多醣。在一些實施例中，材料與透明複合材料的重量比之範圍不同，這可取決於所需的透明度，例如，約 99：1至約1：99。
在一些實施例中，分支多醣可包括澱粉、聚葡萄醣（dextran）、黃原膠（xantham gum）及半乳甘露聚醣（galactomannan）。這些分支多醣的來源包括但不限於玉米、豆類、蘆筍、球芽甘藍（brussels sprouts）、豆科植物（legumes）、燕麥、亞麻籽、雙子葉植物（dicots）、禾草類（grasses）、咖啡渣及咖啡豆膜（coffee silverskin）。
在一些實施例中，聚葡萄糖可包括洋菜糖（agarose）、   聚三葡萄糖（pullulan）及姜丹（curdan）。
在某些態樣，此處提供的產品是由此處揭露的材料製造，並容易形成指定的形狀，例如，無論是平面或立體形狀。例如，平面的實例可以是平面板（planar sheet），其中平面板可用於分解以形成最終產品。 在另一個實例中，材料可存在於溶液中，以便隨時用於形成最終產品。 在另一些實施例中，立體實例可以是最終產品。
在一個態樣，在一些實施例中，最終產品可包括用於可食用或可被消化物品的容器，諸如圖5至圖7所示者。 例如，體現本申請案所述材料的終端產品可包括食品容器或包裝。作為實例而非限制，食品容器或包裝可包括飛機或航空餐容器、一次性杯子、即食食品容器、膠囊、冰淇淋盒或容器以及巧克力容器。 在一些實施例中，產品可以包括可進一步含有香料的速食容器，例如泡麵、即食湯等。 在這種情況下，對於消費者消化或食用放在體現本發明各個態樣的容器中可被食用或被消化的物品時，容器可與高溫下（如約攝氏100度）的水或液體接觸。
在一些實施例中，本發明的態樣可被用於飛機餐和飲料容器。 目前，飛機餐容器由各種形式的塑膠製成，為了具有輕量、剛性（rigidity）、耐油性等特性。此外，現有的塑膠容器可以通過烤箱進行加熱。加熱可能會將致癌物質從塑膠容器釋放到可食用或可消化的物品。 因此，此效果是不欲的。 本發明的實施例以及上述特性，可表現出防水、高耐熱性、耐油性等特性，但不釋放致癌物質。
在一些實施例中，膠囊的實例可以是用於熱飲之機器的膠囊。例如，該膠囊可包含咖啡、茶、草本植物（herbs）或其他飲料。 例如，膠囊可為一次性膠囊（disposable capsule）。 在另一個實例中，膠囊可為一次性咖啡包或袋。在這種情況下，電動飲料機可在高溫或高壓下向膠囊沉積（deposit）或注入水，以便啓動飲料製作過程，且咖啡可從膠囊或袋中滴到消費者的杯子中。 由於膠囊或袋包括具有上述一種或多特性的可生物分解和可持續材料，因此膠囊或袋體易於回收，而不會對環境產生負擔。
在一個實施例中，膠囊可以具有厚度約為500微米的側壁。 在一實施例中，膠囊可包括厚度為約500微米的頂部或蓋子。在又一些實施例中，膠囊可包括約300微米的底部厚度。 在又一個實施例中，膠囊可以在單次行程（one pass）中自成型器（former）形成／生產（將於以下敘述），且頂部，側壁和底部具有不同的厚度。
在一些實施例中，產品可包括一個過濾器來分離流體中的顆粒或分子，無論是永久的、半不透水，還是輕微不透水。例如，該產品可包括具有固體-液體分離、液體-液體分離或氣體-液體分離效果等的遮罩或過濾膜。
在一些實施例中，產品可包括化妝品或護膚容器產品、醫療產品，例如粉盒、彩盤、保護玻璃或醫療級消耗品（medical-grade disposals）。在一些實施例中，產品可包括醫療裝置、汽車、電子裝置和建築材料（作為強化材料）的一部分。
總體而言，在一實施例中，體現本發明材料的容器可以是容器、平面板、托盤、板（plates）、卷軸、板體（board）或薄膜的形式。在此實施例中，材料的寬度或長度可介於約0.01毫米到10000毫米或以上。在一實施例中，寬度或長度可介於約0.01毫米至1000毫米之間。在薄膜可以是薄層膜的實施例中，其厚度可為約0.01至3.0 毫米。在一實施例中，厚度可為約0.02毫米到0.20毫米。在再其他實施例中，產品可包含食品包裝，其含有約100：1至約1：100之油水重量比。
在一些實施例中，本發明的態樣可以提供製造、生產或產生包含具有上述特性的原纖化纖維素之材料的方法。範例 1
除上述材料外，本發明的態樣可包括纖維素原纖化過程或方法。
現在參照圖8，流程圖可示出根據一個實施例的用於產生這種材料的方法。在一實施例中，以下所示之範例一般不含有用以改善複合材料之機械特性的有毒化學添加劑。例如，將纖維素紙板（約3.0重量比％）撕成碎片，例如A4尺寸的紙。切碎的碎片被扔進碎漿機（pulping machine，圖8中未顯示）。製漿過程可花費約20分鐘。接下來，例如，可使用精製機802來開始該過程。例如，精製機802可以是均質機、研磨機、化學精煉室／浴、機械及化學纖維精煉裝置之組合等。在一實施例中，在研磨機的示例中，精製機802可包括彼此面對的兩個砂輪。可根據期望的最終產品來調節兩個砂輪之間的間隔或距離。在一些實施例中，可根據期望的最終產品來調節表面凹槽或圖案。這樣，漿料懸浮液806接著被進料到精製機802中，任選進行約1-10次左右。在其他情況下，可將漿料懸浮液806進料到精製機（未示出）中，例如，膠體粉碎機（colloid mill）、雙盤研磨機（double disk grinder），以在進入精製機802之前進一步精製纖維素漿。
在一實施例中，圖1a至1d示出了通過次數增加的原纖化纖維素的狀態。例如，圖1a可表示具有0個循環或通過次數的纖維素纖維水性懸浮液。換句話說，如圖1a所示之漿料懸浮液806的含量中，漿料未形成達到本發明各態樣的質量和性能之原纖化。
在一個實施例中，圖1b可示出磨後物（post-refinement）808，其中漿料懸浮液806在經過1次之後已經通過精製機802。例如，磨後物808現在可包括原纖化纖維素纖維水性懸浮液。在另一個例子中，圖1c示出了在經過2次或2個循環之後已經通過精製機802的磨後物808的圖像。在一個實例中，磨後物808中的原纖化纖維素纖維比圖1b中所示的原纖化纖維素纖維還細。圖1d可示出3個循環　／通過之後的磨後物808的圖像。在這樣的實施例中，磨後物808可包括比圖1c中的纖維更細的原纖化纖維素纖維。
在一實施例中，不同纖維素起始濃度已被評估及測試。例如，磨後物808可包括原纖化纖維素及水，原纖化纖維素之濃度為約2.5重量比（wt.%）之纖維素（及97.5%之水）、約3.0重量比之纖維素、約3.6重量比之纖維素，及約4.0重量比之纖維素被測試和使用。
例如，約2.5重量比之纖維素的纖維素濃度顯示未充分研磨的情況，且特性未作測試。換句話說，具有約2.5重量%之原纖化纖維素纖維濃度，或甚至一般漿料懸浮液對於達到本發明之態樣的特性為不足的。具有約3.0重量比、約3.6 重量比和約4.0 重量比之磨後物808的原纖化纖維素在此於圖5中分別命名為L028、L029及L030。
在一實施例中，測試了原纖化纖維素的各種特性。 例如，在表1中，顯示了機械、水蒸氣和氣體滲透性的特性。表 1
原纖化纖維素 纖維素漿之大約濃度 乾 拉伸強度 (MPa) 乾 拉伸指數 (Nm/g) 濕拉伸 強度 (MPa) 濕拉伸 指數 (Nm/g) 水蒸氣穿透率 ， WVTR (g/m2 .h) 氧氣穿透率 ， OTR (cm3 / m2 24h)
5 % RH 50% RH
L028 3.00% 86.89 ± 4.60 102.73 ± 5.70 7.24 ± 0.69 7.78 ± 0.72 918.96 0.0260 0.010
L029 3.60% 90.62± 4.55 95.20 ± 3.39 8.02 ± 2.00 5.54 ± 0.73 924.48 0.0243 0.0345
L030 4.00% 78.00± 5.72 91.63 ± 10.68 8.10 ± 1.62 6.45 ± 1.29 1013.76 1.002 0.350
於一實施例中，圖2可顯示濃度約為3重量比之原纖化纖維素的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。範例 2
在一個實例中，代替在上面的實例1中使用在磨後物808處直接得到的漿料溶液，可從市場上獲得半加工的纖維素纖維。這樣，將半加工的纖維素纖維（例如約3wt.%）進料到膠體粉碎機中並研磨約1分鐘。可擇地，原纖化纖維素纖維可進一步在精製機802中進行處理。
在一個實例中，圖3 可顯示將半加工纖維透過交體粉碎 1 分鐘後的SEM圖像。例如表 2 顯示了來自不同來源的不同原纖化纖維素的特性。表 2
原纖化 纖維素 乾拉伸強度 (MPa) 濕拉伸強度 (MPa) 氧氣穿透率 OTR (cc/m2 ·24h) 水蒸氣穿透率 WVTR (g/m2 .24h)
Y 52.09 ± 7.75 6.99 ± 1.91 0.019 (5%RH) 0.011 (50%RH) 864.72
B 30.57 ± 3.64 2.01 ± 0.29 - 1075.68
F 38.97 ± 2.29 3.43 ± 0.20 115.44 (5% RH) 92.98 (50% RH) 1094.4
例如，圖 3 可顯示其中a-b 是表2中之Y纖維素纖維的SEM影像，c-d是表2中B-纖維素纖維的 SEM 影像。
在一些實施例中，圖4 顯示了半加工纖維進行機械研磨1循環／次後的 SEM 影像。例如，圖 4中a-b用於Y纖維素纖維，圖 4中c-d 用於 B 纖維素纖維。
在一態樣，混合器804可提供纖維素漿在水中的漿料806的懸浮液，該懸浮液包含纖維素漿在水中的混合物，其中纖維素與水的重量比為約0.01至100。 在一些實施例中，重量比可為約0.03至0.10。在一些實施例中，來自精製機802的磨後物808可以被保留，如果它可以被用於精製機802再次研磨的話。例如，如上所述，磨後物808經過精製機802的次數可以是1-100。在一些實施例中，次數或循環的數量可進一步限制為1-10。
在一些實施例中，原纖化纖維素與水的重量比和／或通過精製機802的次數可為最終產品理想特性的函數。 例如，如果最終產品需要低水蒸氣傳輸和低氧氣傳輸，則磨後物808可具有接近約0.03-0.04，即3-4%之纖維素對水的重量比（如L28b-L30b所證實）和/或通過次數可能增加。 在另一些實施例中，相對低水蒸氣傳輸和相對低氧傳輸可表示儲存壽命較高，而相對高水蒸氣傳輸和相對高氧傳輸可表示儲存壽命較低。
在一實施例中，可通過成型器810來處理磨後物808。例如，成型器810可基於磨後物808生成具有原纖化纖維素的期望材料的中間物（intermediate）818。例如，中間物818的原纖化纖維素與液體（例如水）的重量比可為約0.001至99。在一些實施例中，該比率可為約0.001至0.10。在一實施例中，成型器810可包括網（mesh）或纖維網路（fibrous network）。例如，成型器810可包括負壓和／或正壓或其任何組合。在一實施例中，成型器810可施加壓力以將磨後物808中的原纖化纖維素與液體分離以形成中間物818。由於原纖化纖維素纖維的原纖化性質並且通過精製機802的過程，如圖2-4和7中的各種SEM圖像所示，具有不同長度的纖維可形成中間物818。
在一些實施例中，基層（base layer）812可以與磨後物808一同用於形成中間物818。在一個實施例中，本發明的態樣的GCM™可包括具有漿料之基材層（例如，基層812）和原纖化纖維素層（例如，來自磨後物808）的複合材料816。例如，成型器810可以使基層812經受網、模具或框架處理以形成用於中間物818的建構（construct）。例如，基層812可以首先是呈水和漿料材料的溶液或泥漿之形式。泥漿可以在槽中，而網也可以在槽中。通過諸如真空的負壓，可以去除或減少槽中的水，從而在網上形成基層812。
隨後，在一個實施例中，成型器810可包括用於將磨後物808噴塗或施加到基層812上以形成中間物818的噴霧器或施加器。基於在基層812及磨後物808之間的不同尺寸之纖維，磨後物808被注入有基層812。在一實施例中，該磨後物808可被施加或噴灑在承載可食用物品的中間物818的表面上。例如，假設最終產品是碗，磨後物808可被施加或噴灑到最終產品的內表面上。
在一實施例中，中間物818可以在其外表面上顯示網狀或纖維網路的圖案，如502或504所示。
在再一些實施例中，成型器810可將中間物818噴灑在平坦的表面上，以天然程序乾燥或成形。
在一些實施例中，可進一步提供乾燥器 814 以乾燥或除濕中間物818。 在一實施例中，乾燥機814可提供攝氏30度至200度的乾燥條件。在一些實施例中，乾燥機814可包括經加熱表面，如紅外線加熱方式。在一些實施例中，微波加熱或空氣加熱可在不偏離實施例的精神和範圍的情況下使用。在再一些實施例中，乾燥機814也可由負壓和／或正壓輔助。範例 3
在可體現本發明各個態樣的最終產品的一個示例中，採用前面所述的材料和方法的組合，成功生產了基於纖維素的碗。在一實施例中，本例中基於纖維素的食物容器的功能可用於證明將典型的食用油填充到容器中，如圖5所示。在本例中，食用油和基於纖維素的食物容器可以 800瓦（W）的微波爐加熱 4 分鐘並觀察 10 天，如圖 5 所示。在這樣的圖示中，圖5中的容器可代表由原纖化纖維素L28b、L29b、L30b和Y製成者。在一個實施例中，圖5中的每個實例都可以將油承載約10天。
在一些實施例中，另一組測試也通過將泡麵（加入熱水烹煮後）裝入實施根據一實施例之複合材料的容器中而進行。觀測結果在第二天被記錄下來。 圖6A顯示了容器，如食品容器中原纖化纖維素結構的示例。例如，圖6A展示了一系列裝入沸水且放置約5分鐘之原纖化纖維素的圖像。
在一些實施例中，圖6B展示了裝入沸水並以800瓦微波爐加熱約2分鐘的原纖化纖維素之一系列圖像。
圖7是顯示根據一實施例，針對圖6A和6B中食品容器中之原纖化纖維素之結構的SEM圖像之另一圖像。範例 4
現在參考圖9a至圖9c，圖像示出了根據實施例的範例4的膜。
在一實施例中，根據本發明各態樣的複合材料可以是在基於原纖化纖維素的透明複合膜中。在一個示例中，可通過將原纖化纖維素和聚三葡萄糖粉末（pullulan powder）溶解在水中以分別產生包含約1重量%的溶質的溶液來製備膜。在聚三葡萄糖粉末溶解中，可向其逐漸添加粉末，並且可通過微波爐以800W的功率將溶液加熱1分鐘。在一實施例中，該過程可以重複約4-5次，直到形成澄清溶液。
在一實施例中，為了生產複合膜，原纖化纖維素，例如磨後物808與聚三葡萄糖的比例可為約1：1，例如約250 g的磨後物808（例如，約1%的原纖化纖維素）可與約250 g之聚三葡萄糖溶液混合以產生具有約0.5%溶質的溶液。然後，將約100 g的混合溶液倒在疏水表面例如矽酮（silicone）表面上，並允許在室溫下乾燥。
在一些實施例中，可將原纖化纖維素與聚三葡萄糖的比例為2：1，250 g的磨後物808（例如，約2%的原纖化纖維素）與約250 g的聚三葡萄糖溶液混合以產生具有約1%溶質的溶液。然後，將約100 g的混合溶液倒在疏水表面例如矽酮表面上，並在50℃下乾燥12小時。
如圖所示，圖9a至9c可示出基於纖維素的膜的圖像，其中原纖化纖維素與聚三葡萄糖的比例為a.)0：1，b.)1：1和c.)2：1。
在一實施例中，聚三葡萄糖的添加可強化成膜過程以使膜的表面平滑，其中由原纖化纖維素製成的膜（例如，磨後物808），以下命名為L41b的膜為高度起皺的。然而，其他具有聚三葡萄糖的薄膜則提供了更光滑且更均勻的表面。在一實施例中，具有原纖化纖維素和聚三葡萄糖的複合材料的膜通常可免於成為不平坦的表面。
在再另一些實施例中，透明複合膜的機械性能如下所示，其中原纖化纖維素標示為L41b，聚三葡萄糖表示為B。
表3　添加聚三葡萄糖的原纖化纖維素膜的特性
樣品 100B L41b:B 1:1 L41b:B 1:1 L41b:B 2:1 L41b:B 1:1, 6% WSA
重量 (g)   0.75 1 1g 1
厚度 (mm) 0.025 0.035 0.06 0.05 0.06
乾 拉伸強度 (MPa) - 33.54 ± 5.49 42.07 ± 11.13 50.055 ± 6.98 60.9 ± 5.17
乾 楊氏模量 (MPa) - 1176.01 ± 1469.73 6062.55 ± 886.95 13481.95 ± 13055.80 8203.87 ± 588.09
乾 拉伸 指數 (MPa) (Nm/g) - 38.95 ± 5.58 39.94 ± 6.23 51.54 ± 8.07 54.73 ± 6.67
溼 拉伸強度 (MPa) N.A N.A N.A   4.64 ± 1.11
溼 楊氏模量 (MPa) N.A N.A N.A   185.97 ± 228.53
溼 拉伸 指數 (Nm/g) N.A N.A N.A   3.98 ± 0.81
OTR (cm3 / m2 24h) 5% RH     0.055  
50% RH     0.137    
WVTR (g/m2 h) 103.16 76.57 67.09 69.01  
範例 5
具有防水劑的原纖化纖維素
在一實施例中，本發明的態樣可包括具有防水劑的原纖化纖維素。 在一實例中，混合物可包含正確比例的纖維素和防水劑，並使用機械攪拌器混合3分鐘。 可將混合物進一步稀釋至4000 mL，然後倒在成型器810上。在一態樣，成型器810可施加負壓和／或正壓以產生乾燥度為25-35％的濕預成型件。 混合物的機械性能和阻隔性能可顯示於表4。
表4　說明具有不同防水劑的原纖化纖維素膜的特性
樣品名稱 M055+10% 棕梠蠟 M055+20% 棕梠蠟 M055+10% Canola oil
重量 (g) 5g GCM™+0.5g 蠟 5g GCM™+1g 蠟 5g GCM™+0.5g油
厚度 (mm) 0.156 0.168 0.154
乾 拉伸強度 (MPa) 78.96 ± 26.68 76.215 ± 14.75 86.47 ± 4.8
乾 楊氏模量 (MPa) 7611.49 ± 788.28 7485.75 ± 332.20 8045.41± 742.03
乾 拉伸 指數 (Nm/g) 88.85 ± 27.80 86.69 ± 21.71 96.34 ± 2.72
溼 拉伸強度 (MPa) 11.14 ± 2.48 15.10 ± 2.29 9.03 ± 1.48
溼 楊氏模量 (MPa) 1258.27 ± 203.63 1720.10 ± 407.88 949.51 ± 61.29
溼 拉伸 指數 (Nm/g) 12.10 ± 2.27 16.82 ± 2.81 9.69 ± 1.52
GTR (cm3 /m2 · 24h ·atm) 0% RH 　 　 75.88
50% RH 　 　 4701.98
OTR (cm3 /m2 · 24h) 5% RH 0.047 0.104 0.009
50% RH 0.044 0.022 0.040
WVTR (g/m2 ·24h) 　 614.4 411.6 905.52
整體而言，本發明之各態樣克服現有方案中有毒化學品（例如，氟化聚合物及其衍生物）被添加之缺點。本發明之各態樣亦克服現有方案使用漿料作為基層或多層的缺點。被了解的是漿料纖維之直徑是介於10至50微米（µm）之間。然而，本發明之各態樣具有更微小的尺寸，諸如低於1 µm之範圍。
上述說明具有說明性，沒有限制性。在檢閱本揭露內容時，實施例的許多變化對所屬技術具有通常知識者而言可變得明顯。因此，實施例的範圍不應參照上述說明而決定，而應參照申請專利範圍之其完整範圍或等效範圍來決定。
任何實施例中的一個或多個特徵可在不偏離實施例之範圍下與任何其他實施例的一個或多個特徵結合使用。對於「一個」、「一」，或「該」意在表達「一或多個」，除非特別指出相反的陳述。「和／或」之記載意在代表該術語中最具包容性的意義，除非有相反的明確說明。
雖然本揭露內容可以以許多不同的形式體現，但圖式和討論是在了解本揭露內容是一或多項發明之原則的體現，且無意將任何一個實施例限制於所說明的實施例的前提下被提供。
本揭露內容為上述長期需求提供了解決方案。特別是，本發明的各態樣克服了依賴現有使用化學配方為纖維素材料提供增強特性的做法的挑戰。
上述系統和方法的進一步優點和修改，對於所屬技術領域具有通常知識者為可輕易思及的。
因此，本揭露內容在更廣泛的態樣並不限於具體細節、代表性系統和方法，以及上述說明性實例。可對上述說明內容作出各種修改和變更，而不偏離本揭露內容的範圍或精神，且本揭露內容應涵蓋所有此類修改和變更，前提是這些修改和變更屬於下列申請專利範圍及其等效的範圍。
802:精製機 804:混合器 806:漿料懸浮液 808:磨後物 810:成型器 812:基層 814:乾燥器 816:複合材料 818:中間物
所屬技術領域具有通常知識者可領會到圖式中的元件是用來簡單明瞭地進行說明，所以並非所有的連接方式和選項都表現出來。例如，在商業上可行的實施例中有用或必要的常見但廣為人知的元件通常未加以描述，以便對本揭露內容的這些各種實施例呈現較少阻礙的視圖。可以進一步理解的是，某些動作及／或步驟可以按特定發生的順序描述或描述，而所屬技術領域具有通常知識者可理解對順序方面的這種特定性並非實際上需要的。也可以理解此處使用的用語和表達方式可就其相應的調查和研究領域作出定義，除非此處另有規定具體含義。
圖1A至1D顯示根據一個實施例之纖維素纖維水性懸浮的材料。
圖2是根據一個實施例的具有纖維化纖維素（3 wt.%）的材料之掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖3A至3D是根據一個實施例的半加工纖維素纖維的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其中a-b是Y纖維素纖維的SEM圖像而c-d是B纖維素纖維的SEM圖像。
圖4A至4D 是根據一個實施例的機械性接地半加工纖維的SEM 圖像，其中 a-b 是 Y 纖維素纖維，而c-d 表示 B 纖維素纖維。
圖5顯示根據一個實施例之由原纖化纖維素L28b、L29b、L30b和Y製成的容器的圖像，這些容器能夠貯存油品10天。
圖6A顯示根據一個實施例的含有沸水的食物在材料中約5分鐘的圖像。
圖6B是顯示根據一個實施例的食品與沸水在以800 瓦微波加熱2分鐘的圖像。
圖7是根據一個實施例用於食品容器的原纖化纖維素之結構的材料的另一SEM影像。
圖8是根據一個實施例之生成材料的方法的流程圖。
圖9描繪顯示根據一個實施例的膜的三個圖像。
802:精製機
804:混合器
806:漿料懸浮液
808:磨後物
810:成型器
812:基層
814:乾燥器
816:複合材料
818:中間物

Claims (20)

  1. 一種可生物分解的食品材料，包含： 含有具有獨立衍生之植物纖維的原纖化纖維素之一複合材料，該複合材料一般不含有毒化學添加劑，該有毒化學添加劑是用於改善乾抗強度、增強的油阻、氣體和／或液體不滲透性、乾拉伸模量、或乾拉伸指數； 其中該複合材料包含下列特性： 約8000立方公分每平方公尺每24小時（cm3 m-2 24h-1 ）或更少的氧氣穿透率； 3000克每平方公尺每24小時（gm-2 24 h-1 ）或更少的水蒸氣傳輸速率； 約 30 MPa 或更高的乾拉伸強度； 約4 GPa 或更高的乾拉伸模量；和 約45 Nm g-1 或更高的乾拉伸指數。
  2. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包括具有重量比為1：100或1：50之不同直徑的原纖化纖維素。
  3. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包括直徑約1-10000奈米的原纖化纖維素。
  4. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包括長度為約0.1至1000微米，約10至500微米，約1至25微米，或約0.2至100微米的原纖化纖維素。
  5. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料還包含下列特性： 約5 MPa 或更高的濕拉伸強度； 約0.4 MPa 或更高的濕拉伸模量；和 約5 Nm g-1 或更高的濕拉伸指數。
  6. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料為一平面板。
  7. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包含用於可食用物件的容器。
  8. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包含一原纖化纖維素混合物。
  9. 如請求項1所述之可生物分解的食品材料，其中該複合材料包括厚度為約0.01至3.0毫米（mm）的薄膜。
  10. 如請求項6所述之可生物分解的食品材料，其中該平面版的長度為從0.01毫米到10000毫米。
  11. 一種可生物分解的材料，包含： 含有具有獨立衍生之植物纖維的原纖化纖維素之一複合材料，該複合材料一般不含有有毒化學添加劑，該有毒化學添加劑是用於改善乾拉伸強度、增強的油阻、氣體和／或液體不滲透性、乾拉伸模量，或乾拉伸指數； 其中該複合材料包含下列特性： 約8000立方公分每平方公尺每24小時（cm3 m-2 24h-1 ）或更少的氧氣穿透率； 約3000克每平方公尺每24小時（gm-2 24 h-1 ）或更少的水蒸氣傳輸速率； 約5 MPa 或更高的濕拉伸強度； 約0.4 MPa 或更高的濕拉伸模量；和 約5 Nm g-1 或更高的濕拉伸指數。
  12. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料還包含下列額外特性： 約 30 MPa 或更高的乾拉伸強度； 4 GPa 或更高的乾拉伸模量；和 約45 N mg-1 或更高的乾拉伸指數。
  13. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包括具有重量比為1：100或1：50之不同直徑的原纖化纖維素。
  14. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包括直徑約1-10000奈米的原纖化纖維素。
  15. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包括長度為約0.1至1000微米、約10至500微米、約1至25微米，或約0.2至100微米的原纖化纖維素。
  16. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包含一平面板。
  17. 如請求項16所述之可生物分解的材料，其中該平面版的長度為從0.01毫米到10000毫米。
  18. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包含一原纖化纖維素混合物。
  19. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包括厚度約為0.01至3.0毫米（mm）的薄膜。
  20. 如請求項11所述之可生物分解的材料，其中該複合材料包括用於可食用物件的的容器。
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