TWI516533B

TWI516533B - 包含纖維素之生物可降解組成物，該組成物之製造方法及使用該組成物之防水劑及物品

Info

Publication number: TWI516533B
Application number: TW103125486A
Authority: TW
Inventors: 朴贊五
Original assignee: 朴贊五
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-01-11
Also published as: JP6224243B2; US20160168362A1; TW201512268A; KR20150013055A; US9783659B2; EP3015600A4; WO2015012626A1; JP2016532015A; EP3015600A1; CN105637146A

Description

包含纖維素之生物可降解組成物，該組成物之製造方法及使用該組成物之防水劑及物品

本發明係關於一種包含纖維素之生物可降解組成物、一種該組成物之製造方法及使用該組成物製造之防水性質及強度極好的防水劑及模製品。

習知地，拋棄式製品(例如紙杯、拋棄式尿布、塑膠袋、紙午餐盒或其類似物)已由多家公司及服務公司以各種方式製造及使用。然而，該等拋棄式製品主要由合成塑膠作為原料製成，且由此，其在使用後之拋棄方法已引起許多問題，諸如環境污染及其類似問題。

為了解決該等問題，已使用諸如玉米澱粉之天然材料研發出一種在使用後可生物降解的生物可降解物質(例如聚乳酸(PLA))。然而，製造此類生物可降解物質花費很高成本。因此，此類生物可降解物質不適於工業大批量生產，且由此，其應用受到限制且未廣泛使用。

由此，需要具有生物可降解性質且在一定時間段內防水性質及強度極好的替代物質。

本發明之目標為藉由提供生物可降解組成物及該組成物之製造方法及使用該組成物之防水劑及模製品，來解決先前技術中之問題。生物可降解組成物係使用纖維素(其為地球上最豐富的有機物質)製造，且由此，可降低材料成本，且生物可降解組成物在使用之後可生物降解而不破壞自然環境，且由於其防水性質及強度極好而適用作防水劑，且亦可替代習知材料，諸如紙或塑膠。

圖1為由本發明之組成物製備之樣品的抗張強度測試結果；及圖2為由習知塑膠(高密度聚乙烯(HDPE))製備之樣品的抗張強度測試結果。

為了實現以上目標，本發明之生物可降解組成物包含纖維素、紙漿及水。

本發明之生物可降解組成物可包含其他水溶性類纖維材料或植物纖維(諸如果膠、海藻酸、瓜爾膠(guar gum)、瓊脂及其類似物)中之一或多者。

在本發明之生物可降解組成物中，視最終製品之用途而定，纖維素及紙漿可在漂白或染色之後使用。

在本發明之生物可降解組成物中，纖維素及紙漿之含量比係指纖維素(或該纖維素及其他纖維之總和)與紙漿之重量比，其為1：99至 99：1，較佳10：90至90：10，更佳30：70至70：30，且最佳50：50。以組成物之總重量計，水含量為50重量%至99重量%且較佳60重量%至90重量%。

用於本發明之纖維素為構成諸如進行光合作用之植物或海洋植物的生物體之主要組份。在本發明中，可視最終製品之用途而調節欲用於製造組成物之纖維素之尺寸，且例如纖維素之直徑較佳可為300μm至1nm，或10μm至5nm。

在本發明之生物可降解組成物之較佳具體實例中，在直徑為300μm至1nm之纖維素當中，兩種或兩種以上直徑不同的纖維素可混合。

本發明之生物可降解組成物之製造方法包含以下步驟：第一步驟，製備粉碎之纖維素；第二步驟，製備紙漿；第三步驟，製備水；及第四步驟，藉由混合分別在第一至第三步驟中製備之纖維素、紙漿及水來製造組成物。

在下文中，將詳細說明根據本發明之生物可降解組成物之製造方法。

第一步驟：製備粉碎之(分離之)纖維素之步驟

在根據本發明之生物可降解組成物之製造方法中，在第一步驟期間，藉由將纖維素粉碎(分離)使其具有較佳300μm至1nm之直徑來製備磨碎之纖維素。視最終製品之用途而定，纖維素可在漂白或染色之後使用。在本步驟期間，可將一或多種其他水溶性類纖維材料或植物纖維(諸如果膠、海藻酸、瓜爾膠、瓊脂及其類似物)與纖維素混合。

在本步驟期間，研磨纖維素之方法不受特定限制，且可包括例如使用機器(諸如研磨機或均質機)之機械研磨方法，或使用酸(諸如硫酸、鹽酸、磷酸及其類似酸)之化學方法，諸如酸水解。

可藉由適當調節欲用於本發明之組成物之纖維素的尺寸或適當混合不同尺寸之纖維素來調節將纖維素分散於水中之時間及使用該組成物製造之成品之防水時間及強度。隨著欲使用之纖維素之尺寸減小，成品之防水時間及強度增加。因此，可視成品之用途而調節欲用於製造組成物之纖維素的尺寸。舉例而言，為了製造防水製品或由輕結構物質製成之半永久性製品，較佳可使用經研磨至奈米尺寸之纖維素，且為了製造需要在相對較短時間內降解之製品，較佳可使用尺寸為1μm至300μm之纖維素。

第二步驟：製備紙漿之步驟

紙漿係由藉由機械及/或化學方法自木材或其他纖維植物獲得之纖維素組成，且係指用於製造紙之主要材料。紙漿包括使用木材(諸如針葉樹或闊葉樹)製備之木漿及非木漿。用於本發明之紙漿在種類上不受特定限制，且可使用所有種類之紙漿。為了製造需要有彈性及抗張強度之製品，較佳可使用具有較長長度及較高抗張強度之紙漿，且為了製造難以模製之製品，較佳可使用具有較短長度之紙漿。

此外，視最終製品之用途而定，紙漿可在漂白或染色之後使用。

第三步驟：製備水之步驟

在本發明中，水為用於在纖維素分子之間形成氫鍵之基本元素。然而，因為當製造製品時應進行排流(脫水)或乾燥，較佳可在可形成氫鍵之限度內或在模製最終製品所需之限度內使用最少量之水，以便減少製造製品之時間。此外，視研磨方法而定，在粉碎(分離)步驟期間，纖維素可以水懸浮液狀態存在。若在本發明之第三步驟期間，粉碎之纖維素處於水懸浮液狀態，則可能不額外混合水，或可以經調節適用於所製造且隨後經混合之最終製品之用途的濃度來混合一定量的水。

第四步驟：混合之步驟

在本發明之混合步驟中，藉由混合分別在第一步驟至第三步驟中製備之纖維素、紙漿及水來製造組成物。混合並不需要特定方法，且可容易地使用習知機器(諸如混合機、摻混機或捏合機)進行。在本文中，纖維素與紙漿之混合比不受限制，且可考慮所製造之製品之用途或生物降解之時間而自由調節該比率。考慮到生物可降解性質、防水性質及強度，較佳重量比為1：99至99：1，或30：70至70：30，且特定地為50：50。以組成物之總重量計，水含量可為50重量%至99重量%。

若將本發明之生物可降解組成物[亦即作為經分離至奈米尺寸之纖維素、紙漿及水之混合物的組成物]塗覆或塗佈於目標物件上且隨後乾燥，則可形成具有極好防水作用之塗層薄膜。因此，本發明之生物可降解組成物可有效地用作防水劑。

此外，本發明提供使用本發明之生物可降解組成物製造之模製品。模製品在種類上不受限制，只要其係使用本發明之生物可降解組成物製造即可且可包括例如紙、拋棄式製品及塑膠或其類似物之替代物。各製品之製造方法不受特定限制，且可應用各製品之典型製造方法。若藉由應用典型製造方法來製造各種用於不同用途之模製機器，則可使用其製造各種製品。

作為特定實施例，若使用本發明之組成物製造紙，則可使用用於製造紙之習知方法。造紙方法包括手工造紙方法及機械造紙方法(例如長網機造紙方法、圓網機型造紙方法及其類似方法)，且可使用所有此等方法。特定而言，將本發明之組成物(纖維素+紙漿+水)轉移至可透水金屬網目以排水，且纏結纖維素及紙漿之混合物以便形成層。隨後，將該混合物之層壓縮且乾燥成均勻的。經由此製程，可製造生物可降解紙及防水紙(替代乙烯之具有高耐油性及高耐水性的紙)。

作為另一特定實施例，若使用本發明之組成物製造拋棄式製品，則可使用用紙漿製造拋棄式製品之通用方法。特定而言，在具有欲製造之形狀之模製框架(例如藉由較小雌式(gynecomorphous)排流孔而具有排流功能之框架)上，放置具有相同形狀之可透水金屬網目，且隨後，將本發明之組成物轉移至可透水金屬網目以排水，且纏結纖維素及紙漿之混合物以便形成層。隨後，藉由與模製框架形狀相同之雄式(andromorph)模製框架(比雌式模製框架小一個製品之一個層的厚度)壓縮混合物之層且使該層乾燥，以便製造製品。

在本文中，與以上實施例相反，在模製框架中，可將雌式排流孔改變成雄式排流孔，且在此情況下，可將具有相同形狀之可透水金屬網目插入雄式模製框架中。此外，在上述方法中，可同時進行排流及壓縮，或可將壓縮過程重複一或多次以製造製品。宜在壓縮該層時同時將該層乾燥，因為可使成品之應變最小化。

作為另一實施例，若使用本發明之組成物製造替代塑膠之模製品，則可藉由製造模製機(模製框架)來製造模製品，其中將本發明之組成物混合成糊漿狀態且放入具有排流孔之模製框架，且隨後藉由力壓縮該組成物以排水，且當進行壓縮時，在模製框架中使欲經模製之物質乾燥直至完成壓縮，從而逐漸減小製品之體積(即藉由加熱來排水且留下具有高密度之纖維)且由此製造模製品。在本文中，在壓縮期間產生之水或在乾燥期間產生之蒸汽可經由可透水金屬網目或過濾器(作為較佳實施例，使用纖維或紙漿製造之過濾器)來排出，或可使用可透水金屬網目及過濾器兩者來排出。此外，在使用過濾器之情況下，較佳將用於排流之非織物或其他輔助材料連接在過濾器與模製品之間，以便易於分離過濾器與模製品。

使用本發明之組成物製造之模製品的密度為測定該模製品之生物降解時間、防水時間及強度的重要因素。藉由調節纖維素之含量或製品之製造過程期間用於壓縮之壓力，可藉由調整製品之密度來製造製品。成品之體積或質量與已減少一定量之水的模製前混合物之體積或質量相同，且由此，可藉由在模製之前調節混合物之量來調整成品之體積或質量。

實施例

在下文中，將參考實施例詳細說明本發明，但提供此等實施例僅用於說明而並非限制本發明。

實施例1至實施例5

如以下表1至表5中所說明，使用在不同的纖維素與紙漿之間的含量比及不同的纖維素尺寸情況下製備的生物可降解組合物，藉由手工造紙方法製備各紙片(平均基本重量：76.47g/m²)。進行所製備之各紙片之防水性質測試及強度測試。其結果如表1至表5中所說明。藉由向紙傾倒水且量測水自後表面滲出之時間來進行防水性質測試。根據KS M ISO 1924-2「紙及紙板之抗張強度之測試方法(Testing Method of Tensile Strength of Paper and Paperboard)」進行強度測試，且在平均5.29KN/m之MD及2.18KN/m之CD下，根據負載法之恆定速率進行抗張強度測試。作為參考，普通紙(不含木材的紙)典型地具有在10秒至30秒範圍內之防水時間。

自以上如表1至表5中所說明之結果可確定，本發明之生物可降解組成物具有極好的防水性質且亦具有比習知材料高很多的強度。因此，可見本發明之生物可降解組成物適於用作防水劑或需要有防水性質之製品之材料。

此外，如表1至表5中所說明之結果涉及藉由手工造紙方法製備紙之情況。若藉由機械造紙方法增加紙之密度，則可進一步增加防水時間及強度。

此外，使用實施例3-3之組成物製造樣品且使用習知塑膠(高密度聚乙烯(HDPE))作為對照物。隨後，根據KS B 0802(金屬材料之抗張強度之測試方法(Testing Method of Tensile Strength of Metallic Material))量測各樣品之抗張強度。其結果說明於圖1(使用本發明之實施例3-3之組成物製造之樣品)及圖2(作為對照物之塑膠樣品)中。

如自圖1及圖2中可見，可確定使用本發明之組成物製造之樣品具有極好的抗張強度且可有效用於替代習知塑膠。

工業實用性

本發明之生物可降解組成物係使用纖維素及紙漿(其為天然材料)製造，而不使用黏著劑。因此，生物可降解組成物對入類無害且在製造之後在一定時間段內具有防水作用，且因此，其在實踐上可以各種方式使用且可回收。此外，當拋棄生物可降解組成物時，其可生物降解且由此易於回歸自然。此外，可視磨碎之纖維素之尺寸及成品之密度而定，藉由調整防水時間、強度及生物降解時間來製造生物可降解組成物。又，本發明之生物可降解組成物防水作用極好，且由此可有效地用作防水劑，且使用本發明之組成物製造之模製品係使用纖維素(其為地球上最豐富的有機物質)製造，且因此其與塑膠或使用玉米澱粉之PLA相比可以較低的成本製造。

Claims

一種生物可降解組成物，其包含：直徑為300μm至1nm之纖維素；紙漿；及水，其中該纖維素與該紙漿之含量比為該纖維素與該紙漿之重量比，該比率在1：99至99：1範圍內，且以該組成物之總重量計，該水之含量為50重量%至99重量%。
如申請專利範圍第1項之生物可降解組成物，其中在直徑為300μm至1nm之該纖維素當中，一或多種直徑不同的該纖維素可經混合。
如申請專利範圍第1項之生物可降解組成物，其中將選自果膠、海藻酸、瓜爾膠(guar gum)及瓊脂之其他水溶性類纖維材料或植物纖維添加至該纖維素中。
如申請專利範圍第1項之生物可降解組成物，其中該纖維素及該紙漿係在漂白或染色之後使用。
一種如申請專利範圍第1項之生物可降解組成物之製造方法，其包含以下步驟：第一步驟，製備粉碎之纖維素；第二步驟，製備紙漿；第三步驟，製備水；及第四步驟，藉由混合分別在該第一步驟至該第三步驟中製備之該纖維素、該紙漿及該水來製造該組成物。
如申請專利範圍第5項之生物可降解組成物之製造方法，其中在該第一步驟中，藉由將纖維素研磨(分離)至直徑為300μm至1nm來製備該粉碎之纖維素。
如申請專利範圍第5項之生物可降解組成物之製造方法，其中在該第一步驟中，在直徑為300μm至1nm之該纖維素當中，一或多種直徑不同的該纖維素可經混合。
如申請專利範圍第5項之生物可降解組成物之製造方法，其中在該第一步驟及該第二步驟中，將該纖維素及該紙漿中之每一者漂白或染色。
如申請專利範圍第5項之生物可降解組成物之製造方法，其中在該第一步驟中，將選自果膠、海藻酸、瓜爾膠及瓊脂之其他水溶性類纖維材料或植物纖維添加至該纖維素中。
一種防水劑，其包含如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之生物可降解組成物。
一種模製品，其係使用如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之生物可降解組成物製造。
如申請專利範圍第11項之模製品，其中該模製品包括紙、拋棄式製品或塑膠替代物。