TWI751026B - 植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法 - Google Patents

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Abstract

一種植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法,其係將由植物纖維粉、澱粉、天然黏合劑、水溶性高分子膠、改性劑及滑劑混合製成目數400~800目的植物纖維原料粒,將原料粒利用一熱烘機降低原料粒所含的水分後,再經由混煉室將該原料粒混煉加熱成料條,再將料條向外押出一預定長度,之後利用自動化設備將一模具的公母模移動至該料條二側定位合模,將該料條夾持於模穴的中間,接著將一進氣管外端插入於該料條內輸送氣體,令該料條於該模穴內膨脹成型,當模具開模後即可將瓶罐成品取下,據以製成纖維材質的瓶罐。

Description

植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法
本創作係隸屬一種天然維纖材料領域,特別係指一種以天然植物的纖維、澱粉及黏合劑等為原料製成的原料粒,以及利用該纖維原料粒製成瓶罐的成型方法。
按,隨著人類科技文明的發展,現代人類的生活中充斥著越來越多的塑膠製品,製程便宜、輕巧又便利的塑膠無疑使人類的生活越來越方便,然而塑膠製品無法自然分解,且常隨胡亂丟棄而流進海洋,隨著洋流漂流至世界各地,造成各式各樣的海洋生物誤食塑膠而死亡,或是被塑膠製品纏住,而造成運動受限或無法進食,不僅對海洋生態造成衝擊,並隨著食物鏈的累積而使人類受到傷害。為了改善塑膠製品氾濫的問題,一習用案係CN1299238專利,其揭露一種生物可降解的蛋白質/澱粉基熱塑膠性組成物,該組合物含有:10~50重量%蛋白質;20~50重量%澱粉、5~25重量%天然纖維素纖維、8~20重量%水,以及0.5~5重量%金屬鹽水合物。此一習用案主要成為是蛋白質和澱粉,並加入至少8%的水作為發泡劑,屬於一種發泡成型用的原料;其於說明書第12頁第11行揭露,澱粉產品脆、物理耐老化性能差,但通過蛋白質混合和化學改性可改善澱粉的這性性能,借助於增塑劑和化學改性可改進蛋白質/澱粉組合物的柔韌性。該習用案為了改善蛋白質和澱粉基塑料耐水性和耐老化性差的問題,故而在其組成物中增加了增塑劑,如其說明書第16頁第1行所載:『水即可用作本發明的增塑劑,也可用作發泡劑,有效含量的水,即可改善組成物的加二流動性,也可提高低倍率膨脹泡沫塑料產品的物理性能』,發泡是使塑膠產生微孔結構的過程,目前有熱固性和熱塑性發泡塑料,習用案所揭露的發泡型天然原料粒僅適用於發泡成型,也就是原料粒融融後只能在模具中成型,無法適用吹塑、吸塑或押出成型等加工來成型產品,主要係因為其原料粒加熱融融後並不具備拉伸的延展性,故而無法適用其它的加工方式。
另一先前技術係本案申請人先前創作,即申請案號108102795號,可生物分解之植物纖維原料的組成物及其製造方法發明專利(以下簡稱第二習用案),該第二習用案係揭露一種植物纖維製成的原料粒,該原料粒的成分完全不需要水分,包含:植物纖維粉40~60%、澱粉20~30%、澱粉發酵的植物膠粉末10~20%、水溶性高分子膠5~10%,以及纖維素蛋白質3~5%。而其製程主要係將上述配方依製造方法的不同將比例作適當調整後,接著分別將纖維粉、澱粉及天然黏合劑各自用一混煉機旋轉混煉10~40分鐘,再將全部配方利用一第四混煉機綜合攪拌混煉為綜合原料;之後將該綜合原料置於一成型裝置內成型若干料條,再利用一切削單元將該等料條切削呈顆粒狀並經過冷卻後,即可製成原料粒。習用案所揭露的原料粒係利用澱粉加熱糊化後 與植物膠混合產生的聚合性結合 纖維粉,然而習用案配方中的植物膠只是澱粉中加入菌種發酵而成,缺乏改性的機制,同時其添加的纖維素蛋白質只能用於增加單向黏度,當其與植物膠及加熱糊化後的澱粉及纖維粉混合後,雖然可以達到聚合的效果,但此種聚合只是假性結合,無法將澱粉及纖維粉達到長久性的聚合效果,混煉後產生的延展性有限,無法作為吸管、瓶罐或袋體等物品的生產原料,有加以改良的必要。 有鑑於此,本創作人乃針對前述習用創作問題深入探討,並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗,積極尋求解決之道,經過長期努力之研究與發展,終於成功的開發出本創作『植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法』,以改善習用創作之問題。
本發明之主要目的,係提供一種『植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法』,其係令天然植物的纖維、澱粉利用黏合劑等成分製成原料粒,再利用該纖維原料粒透過加工設備製成瓶罐能盛裝液體的瓶、罐,以減少塑膠製品對環境的破壞。
緣於達成上述之目的,本發明『植物纖維原料粒的組成及其應用之纖維瓶罐成型方法』其係利用純天然的植物原料配方製成纖維原料粒(10)後,再將該纖維原料粒(10)作為加工用的原料,利用不同的加工機進行製作纖維吸管、袋體或瓶罐,該纖維原料粒(10)的成份包括:植物纖維粉41~59%、澱粉21~29%、天然黏合劑8~28%,該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、改性劑3~5%,以及滑劑0.01~0.2%。其製程主要係將上述配方將比例作適當調整後,再分別將纖維粉、澱粉及天然黏合劑各自用一混煉機旋轉混煉10~40分鐘,再將全部配方利用一第四混煉機綜合攪拌混煉為綜合原料;之後將該綜合原料置於一成型裝置內成型若干料條,再利用一切削單元將該等料條切削呈顆粒狀的原料粒,經過冷卻後,即可將原料粒成品包裝。方便後續利用該纖維原料粒加工製作產品,當要利用該纖維原料粒生產瓶罐成品時,其製程包含A.取得原料粒,該原料粒係目數400~800目的植物纖維原料粒;B.原料粒乾燥,將原料粒置於一熱烘機中進行乾燥作業,以降低原料粒所含的水分;C.混煉料條,將原料粒置於一押出單元的入料筒內,再經由混煉室將該原料粒混煉加熱後,由一端之出料部將料條押出; D.合模夾料,利用自動化設備將一模具的公母模移動至該料條二側定位後,再合模將該料條夾持於模穴的中間;E.進氣成型,將一進氣管外端插入於該料條內,再輸送氣體令該料條於該模穴內膨脹成型;F.開模取件,模具開模後即可將瓶罐成品取下。達到以植物纖維為原料,利用改良既有機器設備創造出新的生產製程,能生產出純纖維材質的瓶罐,減少塑膠製品對環境的危害,具有環保價值。 有關本創作所採用之技術、手段及其功效,茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於后,相信本創作上述之目的、構造及特徵,當可由之得一深入而具體的瞭解。
請先參閱圖1~圖3所示,本發明『纖維原料粒組成物及其應 用之纖維瓶罐成型方法』,其係利用純天然的植物原料配方製成纖維原料粒(10)後,再將該纖維原料粒(10)作為加工用的原料,利用不同的加工機進行製作纖維吸管、袋體或瓶罐,本發明係以該纖維原料粒加工製成纖維瓶罐為說明的實施例:
該纖維原料粒(10)的配方比為:植物纖維粉41~59%、澱粉21~29%、天然黏合劑8~28%,該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、改性劑3~5%,以及滑劑0.01~0.2%,其中:該植物纖維粉係以天然植物的莖幹、樹皮、葉子或果皮、等作為纖維原料,經過碎化、乾燥處理後,加工為含水率20%以下的粉末,其尺寸大約100~200目左右。
該澱粉是植物體內貯藏的高分子碳水化合物,它可以分解成葡萄糖、麥芽糖等成分,係可來自銀杏、竹子、小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木薯、蓮藕、米或藻類、豆類等植物的種子(如銀杏、板栗、花生、豌豆、綠豆、紅豆等)、果實(如野燕麥、薏苡等)、莖(如馬鈴薯、魔芋、南瓜等)、葉(如須蕊忍冬)、根(如甘薯、木薯等)。
該天然黏合劑係當該澱粉與菌種及二羧酸混合發酵後,澱粉分子結構會產生改性作用,將原本澱粉加熱糊化後不具有太大聚合黏性的狀態,改變澱粉分子使其易於接近聚合而大幅增進其聚合力,而能將澱粉和植物纖維粉作長久性的聚合。又其使用的澱粉係可來自小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木薯、蓮藕、米或藻類等植物的種子或果實或根、莖、葉。其添加的二羧酸是指含有兩個羧基官能團的有機化合物,可為乙二酸、戊二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸或十一烷二酸。而其及發酵用的菌種可為麴菌或酵母菌或乳酸菌或醋酸菌。上述成分混合發酵完成後,係再將其乾燥、研磨製成粉狀,利於日後的保存及使用。
該水溶性高分子膠係用於調合天然黏合劑的黏度,可由天然植物原料提取而得,如澱粉類、纖維素或植物膠,也可為化學改性天然聚合物,如羧甲基澱粉、醋酸澱粉。或者也可為合成聚合物,有聚合類樹脂和縮合類樹脂兩類,如聚丙烯酰胺(PAM)、水解聚丙烯酰胺(HPAM))、聚乙烯吡囉烷酮(PVP)等。
該改性劑可為偶聯劑,且係一種多功能用途的偶聯劑,通過化學反應,作為有機物質和無機物質之間結合的架橋,並能增加該天然黏合劑聚合澱粉和植物纖維粉的強度、韌性與結合時黏性的多向性。
該滑劑可為一級醯胺、二級醯胺或乙撑二硬脂酸醯胺,用於增加該等原料混煉及加工輸送時的潤滑度。
其次,該纖維原料粒(10)的製造設備包含:若干混煉機 (11、12、13、14)、一成型裝置(20)、第一冷卻系統(30)、切削單元(40),以及第二冷卻系統(50),其製程包含以下步驟:
A.纖維粉混煉,將纖維粉置於第一混煉機(11)中10~30分鐘,以40~60℃,以及600~1200RPM高速旋轉混煉,使纖維粉軟化。必要時可加入竹醋液2~5%,用以分解植物纖維中殘留的農藥。
B.澱粉混煉,將澱粉及偶聯劑置於第二混煉機(12)中10~20分鐘,以600~1200RPM高速旋轉混煉,以活化粉末顆粒的流動性。
C. 天然黏合劑混煉,將天然黏合劑置於第三混煉機(13)中10~40分鐘,以100RPM以下的轉速旋轉混煉,使其達到黏稠狀態。
D.綜合混煉,將步驟B、C、D分別混煉後的纖維粉、澱粉與天然黏合劑、水溶性高分子膠及滑劑置於第四混煉機(14)中攪拌10~40分鐘,溫度設定為40~80℃,將綜合原料混煉均勻。
E. 成型原料條,將綜合原料置於該成型裝置(20)內,該成型裝置(20)一端設有一入料口(21),另端設有一出料口(22),該入料口(21)可供該綜合原料倒入,而該出料口(22)處設有一成型用的擠料盤(23),該擠料盤(23)上形成有若干通孔(231)。又該入料口(21)與出料口(22)之間設一輸送單元(24),該輸送單元(24)可將綜合原料由入料口(21)一端往出料口(22)一端旋轉攪拌輸送並同時加熱,令其通過該擠料盤(23)後,向外擠壓成 型若干呈長條狀的原料條。
其次,該輸送單元(24)可由二動力螺桿(25)組成, 各該動力螺桿(25)可由四支輸送桿(251、252、253、254)分段組成,每一輸送桿(251、252、253、254)外緣設有葉片(255),且位於該入料口(21)的第一輸送桿(251)的葉片(255)尺寸,係大於其他輸送桿(252、253、254)的葉片(255),而位於該出料口(22)的第四輸送桿(254)的葉片(255)尺寸,係小於其他輸送桿(251、252、253)的葉片(255),也就是該等輸送桿(251、252、253、254)外緣的葉片(255),係由該入料口(21)一端往該出料口(22)方向呈逐漸縮小的變化;又每一輸送桿(251、252、253、254)所在的溫度利用不同的溫控器(圖中未顯示)控制在140~180℃之間。再者該成型裝置(20)對應該第一、第二輸送桿(251、252)的位置設若干排氣管(26),該等排氣管(26)係連接一真空機(27),令該第一、第二輸送桿(251、252)攪拌、輸送綜合原料時,其所含的濕氣、水蒸氣能經由該等排氣管(26)向外排出;藉此,當該輸送單元(24)輸送該綜合原料時,先利用第一、第二輸送桿(251、252)將綜合原料均勻攪拌後,再透過該第三、第四輸送桿(253、254)逐步將綜合原料向外擠壓,以成型長條狀的原料條。
F.切削造粒,將該等原料條先利用該第一冷卻系統(30)冷卻降溫後,再利用切削單元(40)將該等原料條切削呈顆粒狀的原料粒。該第一冷卻系統(30)包括一輸送平台(31)、一設於該輸送平台(31)末端之動力組(32),以及若干設於該輸送平台(31)上方的風扇(33);該輸送平台(31)上設有若干滾筒(311),可供該等原料條設置於上後移動,也可以輸送帶方式輸送原料條,而該動力組(32)係用以帶動該等原料條移動之動力來源,可由二上下相對之輥輪(321)組成,該二輥輪(321)相隔一預定距離,可透過一動力源(322)帶動旋轉。輸送時,該等原料條擠出成型後係置於該輸送平台(31)上,並令原料條的外端被該二輥輪(321)夾持,當該等原料條持續擠出成型,該動力源(322)亦同時啟動,而帶動該動原料條在輸送平台(31)上位移,在原料條移動過程中,利用該等風扇(33)吹風進行降溫冷卻。
其次,該切削單元(40)係設於相鄰該二輥輪(321)外側,其係一刀座(41)上設一馬達(42),該馬達(42)可帶動一刀片(43)轉動,該刀片(43)的半徑長度大於該輸送平台(31)的台面寬度,當該等原料條通過該二輥輪(321)後,就會被旋轉的刀片(43)切削成原料粒。又該馬達(42)底部與刀座(41)之間係設一滑軌(44),可供移動該馬達(42)而調整該刀片(43)切削的位置。
G.原料粒冷卻,原料粒切削完成後,再利用一第二冷卻系統(50)一邊輸送一邊冷卻,該第二冷卻系統(50)包括一集料桶(51)、第一鼓風機(52)、第一冷卻桶(53)、第二冷卻桶(54)、第二鼓風機(55),以及一儲存桶(56),該集料桶(51)與第一冷卻桶(53)間設有一第一管路(57),該第一冷卻桶(53)與第二冷卻桶(54)間第一第二管路(58),而該第二冷卻桶(54)與儲存桶(56)間設有一第三管路(59),又該第一鼓風機(52)係設於該第一管路(57)適當處,而該第二鼓風機(55)設於該第三管路(59)適當處;當該等原料粒經切削成型後,係落入或倒入該集料桶(51)內,先利用該第一鼓風機(52)將原料粒抽送至該第一冷卻桶(53),再利用該第二鼓風機(55)將位於該第一冷卻桶(53)內的原料粒抽送至該儲存桶(56)內,該儲存桶(56)底部設有一落料口(561),可將包裝袋置於落料口(561)下方進行包裝作業。藉此,利用上述的配方及製程,僅需將配方的百分比例作調整,便可以同一製程生產不同加工機使用的植物纖維原料粒,增進植物原料粒生產製造的效率,並有助提昇產業的發展。
請再參閱圖4,上述植物纖維原料粒(10)製成後,可將其使用製作不同的纖維材料製品,如吸管、袋體或瓶罐,而不同的製品會有不同的加工成型方式及粒度尺寸大小的差異,例如將纖維原料粒(10)用於加工成型瓶罐時,係利用熱烘機(60)、吹塑成型機(圖中未完整顯示)的押出單元(71)、模具單元(76)、進氣單元(72)等設備的輔助,依序施以下列步驟:A.取得原料粒、B.原料粒乾燥、C.混煉料條、D.合模夾料、E.進氣成型、F.開模取件,製成纖維材質的瓶罐成品(80),減少塑膠製品對自然環境的破壞,其詳細製程如下:
A.取得纖維原料粒(10), 該纖維原料粒(10)目數400~800目,配方比為:植物纖維粉41~59%、澱粉21~29%、天然黏合劑8~28%,該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、改性劑3~5%,以及滑劑0.01~0.2%。
B.纖維原料粒乾燥,將纖維原料粒(10)置於該熱烘機(60)中進行乾燥作業,用以將纖維原料粒(10)所含的水分降低至千分之2以下。
C.混煉料條(101),將纖維原料粒(10)置於該押出單元(71)一側的入料筒(73)內,再經由中段的混煉室(74)將該纖維原料粒(10)分三段式加熱混煉後,由另側之出料部(75)將料條(101)擠製而出;進一步說明的是,該混煉室(74)三段式加熱之第一段加熱溫度為120~140℃、第二段加熱溫度為145~155℃、第三段加熱溫度為160~180℃。
D.合模夾料,該模具單元(76)設於該吹塑成型機對應該出料部(75)的下方,由一公、母模(761、762)組成,該公、母模(761、762)內設有模穴(763),可利用自動化設備將該公、母模(761、762)移動至該料條(101)二側定位後,再合模將該料條(101)夾持於模穴(763)的中間。
E.進氣成型,該進氣單元(72)設於該吹塑成型機對應該模具單元(76)的上方適當處,當該模具單元(76)的模穴(763)夾持料條(101)後,該自動化設備係將該模具單元(76)移動至該進氣單元(72)的下方,令該進氣單元(72)將一進氣管(721)外端插入於該料條(101)內,再輸送氣體令該料條(101)於該模穴內膨脹成型。
F.開模取件,當該料條(101)於該模具單元(76)內膨脹成型並固化後,即可開模將瓶罐成品取下。
上述熱烘機(60)、吹塑成型機、押出單元(71)、模具單元(76)及進氣單元(72)等設備乃已知的機器設備,不詳加贅述,本發明以植物纖維製成的纖維原料粒(10)為原料,利用改良既有機器設備創造出新的生產製程,能生產出純纖維材質的瓶罐成品(80),減少塑膠製品對環境的危害,具有環保價值。 綜上所述,本創作在同類產品中實有其極佳之進步實用性,同時遍查國內外關於此類結構之技術資料、文獻中亦未發現有相同的構造存在在先,是以本創作實已具備新型專利要件,爰依法提出申請。 上述實施例,僅用以舉例說明本創作,據以在不離本創作精神之範圍,熟習此項技藝者憑之而作之各種變形、修飾與應用,均應包括於本創 作之範疇者。
(10):纖維原料粒 (101):料條 (11):第一混煉機 (12):第二混煉機 (13):第三混煉機中 (14):第四混煉機中 (20):成型裝置 (21):入料口 (22):出料口 (23):擠料盤 (231):通孔 (24):輸送單元 (25):動力螺桿 (251):第一輸送桿 (252):第二輸送桿 (253):第三輸送桿 (254):第四輸送桿 (255):葉片 (26):排氣管 (27):真空機 (30):第一冷卻系統 (31):輸送平台 (311):滾筒 (32):動力組 (321):輥輪 (322):動力源 (33):風扇 (40):切削單元 (41):刀座 (42):馬達 (43):刀片 (44):滑軌 (50):第二冷卻系統 (51):集料桶 (52):第一鼓風機 (53):第一冷卻桶 (54):第二冷卻桶 (55):第二鼓風機 (56):儲存桶 (561):落料口 (57):第一管路 (58):第二管路 (59):第三管路 (60):熱烘機 (71):押出單元 (72):進氣單元 (73):入料筒 (74):混煉室 (75):出料部 (76):模具單元 (761):公模 (762):母模 (763):模穴 (721):進氣管 (80):瓶罐成品
圖1:係本發明原料配方混煉並加工成原料條之示意圖。 圖2:係本發明第一冷卻系統及切削單元之示意圖。 圖3:係本發明第二冷卻系統之組成架構及使用示意圖。 圖4:係本發明將纖維原料粒製作瓶罐之製程實施示意圖。
(11):第一混煉機
(12):第二混煉機
(13):第三混煉機中
(14):第四混煉機中
(20):成型裝置
(21):入料口
(22):出料口
(23):擠料盤
(231):通孔
(24):輸送單元
(25):動力螺桿
(251):第一輸送桿
(252):第二輸送桿
(253):第三輸送桿
(254):第四輸送桿
(255):葉片
(26):排氣管
(27):真空機

Claims (10)

  1. 一種植物纖維原料粒的組成,其配方包含:植物纖維粉41~59%、澱粉21~29%、天然黏合劑8~28%,該天然黏合劑由澱粉添加二羧酸及發酵用的菌種製成、水溶性高分子膠6~12%、改性劑3~5%,以及滑劑0.01~0.2%。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成,其中該植物纖維粉係可以天然植物的莖幹、樹皮、葉子或果皮作為纖維原料,經過碎化、乾燥處理後,加工為含水率20%以下的粉末。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成物,其中該澱粉係可來自竹子、小麥、馬鈴薯、玉米、番薯、木薯、蓮藕、米或藻類植物。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成,其中該天然黏合劑可經乾燥後製成粉末,而其菌種可為麴菌或酵母菌或乳酸菌或醋酸菌。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成,其中該水溶性高分子膠可為化學改性天然聚合物,該化學改性天然聚合物可為羧甲基澱粉或醋酸澱粉。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成,其中該其中該滑劑可為一級醯胺、二級醯胺或乙撑二硬脂酸醯胺。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之植物纖維原料粒的組成,其中該改性劑可為偶聯劑。
  8. 一種纖維瓶罐之成型方法,其製程包含:A.取得纖維原料粒,該纖維原料粒的成分係如請求項1所述,其目數為400~800目的植物纖維原料粒; B.纖維原料粒乾燥,將纖維原料粒置於一熱烘機中進行乾燥作業,以降低纖維原料粒所含的水分;C.混煉料條,將纖維原料粒置於一押出單元的入料筒內,再經由混煉室將該纖維原料粒混煉加熱後,由一端之出料部將料條押出;D.合模夾料,利用自動化設備將一模具的公母模移動至該料條二側定位後,再合模將該料條夾持於模穴的中間;E.進氣成型,將一進氣管外端插入於該料條內,再輸送氣體令該料條於該模穴內膨脹成型;F.開模取件,模具開模後即可將瓶罐成品取下。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之纖維瓶罐之成型方法,其中該原粒料進行步驟B纖維原料粒乾燥時,最佳的效果係將其所含水分降至千分之2以下。
  10. 依據申請專利範圍第8項所述之纖維瓶罐之成型方法,其中該纖維原料粒經由該混煉室內混煉加熱時,其混煉程序係可分三段加熱,其第一段加熱溫度為120~140℃、第二段加熱溫度為145~155℃、第三段加熱溫度為160~180℃。
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