阻隔组合物及其使用方法与流程

本公开一般涉及一种组合物，该组合物包括与纳米纤维素配制的一种或多种功能助剂的水分散体。功能助剂可以是施胶剂、阻隔剂及其组合。纳米纤维素可以选自例如微纤化纤维素(mfc)、纳米纤化纤维素(nfc)、微晶纤维素(mcc)、纳米晶纤维素(ncc)及其组合。该组合物可以被施加或布置在基材的表面上，从而使得基材具有更好的功能助剂保留、反应性或分布，在基材上提供具有增强的纤维素纤维反应性、增加的功能助剂保留和/或改善的油、脂、气体、水和水蒸气阻隔性能的涂覆制品。

背景技术：

1、来自干法模塑工艺的干态纤维素纤维缺乏与施胶剂(例如，烷基烯酮二聚体(akd)、烯基烯酮二聚体(ankd)和烯基琥珀酸酐(asa))的相互作用和反应性。因此，在将施胶剂施加到干纤维素纤维之后，在干法模制品中观察到akd、ankd或asa与纤维的结合不良以及akd、ankd或asa的分布不均匀。这反过来降低了施胶剂和其他添加剂在用作功能阻隔组合物时的性能。此外，干法模制品中未结合的akd、ankd或asa的高比例使得最终产品不符合法规要求，例如，当制品被用于食品接触应用时。

2、为了改善功能助剂(例如施胶剂或阻隔剂)在基材上的保留，开始着手提高用于干法模塑工艺等应用中的组合物与基材的相互作用和反应性。很快便发现，含有纳米纤维素的组合物可以用作干法模塑工艺中施胶剂的载剂。

3、事实上，已经观察到，通过将一种或多种纳米纤维素(例如微纤化纤维素(mfc)、纳米纤化纤维素(nfc)、微晶纤维素(mcc)、纳米晶纤维素(ncc)及其组合)与功能助剂组合，该组合物提供了功能助剂在基材上改善的保留、反应性和/或分布。

4、微纤化纤维素(mfc)和纳米纤化纤维素(nfc)通过机械研磨从纤维素浆制得，并且具有极高的表面积和独特的互穿网络结构。微晶纤维素(mcc)和纳米晶纤维素(ncc)也是精制的木浆，并且可以通过组合不同的工艺(例如反应性挤出、机械研磨、超声处理、蒸汽爆破，以及酶解和/或酸水解技术)来合成。上述工艺可以通过纤维素酶(例如内切-1,4-d-葡聚糖酶、葡萄糖苷酶、外切-1,4-d-葡聚糖酶)或通过使用无机酸(例如h2so4、hcl和hbr)以及离子液体来执行。这些试剂的作用在于破坏非晶区，同时保留结晶域。在纤维的制浆、处理和精浆过程中，所获得的纳米纤维素通常以高表面积、丰富的反应性羟基(-oh)以及阴离子表面电荷(例如r-coo-，或r-o-so3-)的存在为特征。就本申请而言，使用术语“纳米纤维素”意指包括被定义为微纤化纤维素(mfc)或纤维素微纤(cmf)、纳米纤化纤维素(nfc)或纤维素纳米纤维(cnf)、微晶纤维素(mcc)或纤维素微晶(cmc)、纳米晶纤维素(ncc)或纤维素纳米晶(cnc)的纤维素，以及它们的组合。

5、尽管不受理论约束，但认为具有丰富反应性羟基(-oh)和阴离子表面电荷(例如r-coo-，或r-o-so3-)的纳米纤维素，其纤维表面上的阴离子电荷和反应性羟基与功能助剂相互作用和/或反应，从而在干法模塑工艺中为基材上的纤维提供功能助剂更均匀的分布和/或更多共价结合的功能助剂。认为阴离子表面电荷与阳离子施胶剂或阻隔剂相互作用，以改善功能助剂在基材上的保留，同时纤维表面上的反应性羟基确保对施胶剂和/或阻隔剂具有高反应性，从而在纤维与功能助剂之间形成更多共价键。

6、通过大量研究发现，在包含一种或多种功能助剂的水分散体中存在纳米纤维素，可显著改善功能助剂的保留、反应性和/或分布。

7、该组合物在以下应用中是有用的：在该应用中，一种或多种功能助剂的水分散体被用于赋予基材和制品阻隔性能，例如耐水性、耐水蒸气性、耐油性和耐脂性、气体(例如氧气)阻隔性，或其他阻隔性能，所述基材和制品用于干法模塑或干法成型工艺等应用。

8、因此，一个目标是提供具有在基材上增强的功能助剂保留、反应性和/或分布的阻隔组合物、涂层和配制物，例如在干法模塑应用中，从而提供比当前可用的更好的阻隔性能。

9、此外，本公开的其他期望特征和特性将从后续的详细描述、所附权利要求和本背景技术中变得显而易见。

技术实现思路

1、本概述部分以简化形式提供以介绍以下概念，这些概念在下面的详细描述中进一步描述。本概述部分并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用于确定所要求保护的主题的范围。

2、提供一种阻隔组合物，该阻隔组合物改善功能助剂在基材表面上的保留、反应性或分布。该组合物包括一种或多种纳米纤维素，例如微纤化纤维素(mfc)、纤维素微纤(cmf)、纳米纤化纤维素(nfc)、纤维素纳米纤维(cnf)、微晶纤维素(mcc)、纤维素微晶(cmc)、纳米晶纤维素(ncc)、纤维素纳米晶(cnc)及其组合；一种或多种功能助剂的水分散体；以及水。

3、还提供一种由干纤维素纤维构成、具有改善的阻隔性能的基材，该基材包括具有纤维素纤维的三维(3d)结构的基材，该三维结构具有彼此相对布置的第一表面和第二表面，并且阻隔层布置在三维结构中的纤维素纤维上，和/或与基材的最外表面、最内表面或两个表面直接接触。

4、阻隔层包括一种组合物，该组合物包含一种或多种功能助剂的水分散体以及一种或多种纳米纤维素，例如选自微纤化纤维素(mfc)、纤维素微纤(cmf)、纳米纤化纤维素(nfc)、纤维素纳米纤维(cnf)、微晶纤维素(mcc)、纤维素微晶(cmc)、纳米晶纤维素(ncc)、纤维素纳米晶(cnc)及其组合的那些。

5、此外，提供一种用于改善功能助剂在基材上的保留、反应性或分布的方法。该方法包括提供具有纤维素纤维的三维(3d)结构的基材，该三维结构具有彼此相对布置的最外表面和最内表面，并且将阻隔组合物施加或否则布置在基材的三维结构中的纤维素纤维上，和/或基材的最外表面、最内表面或两个表面上。该阻隔组合物包含一种或多种功能助剂的水分散体以及一种或多种纳米纤维素。

6、最后，提供由本文所述的组合物和方法制成的制品。

1.阻隔组合物，包括：

2.根据权利要求1所述的阻隔组合物，其中所述一种或多种功能助剂中的每一种选自施胶剂、阻隔剂及它们的组合。

3.根据权利要求1或2所述的阻隔组合物，其中所述功能助剂是选自烷基烯酮二聚体(akd)、烯基烯酮二聚体(ankd)、烯基琥珀酸酐(asa)、松香及它们的组合的施胶剂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的阻隔组合物，其中所述施胶剂以约0.01重量百分比至约50重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中，或者以约0.01重量百分比至约15重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的阻隔组合物，其中所述功能助剂是选自蜡分散体、乳胶、天然聚合物溶液、聚合物分散体及它们的组合的阻隔剂。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔组合物，其中所述阻隔剂以大于0重量百分比至约50重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中，或者以约0.5重量百分比至约30重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素选自微纤化纤维素(mfc)、纤维素微纤(cmf)、纳米纤化纤维素(nfc)、纤维素纳米纤维(cnf)、微晶纤维素(mcc)、纤维素微晶(cmc)、纳米晶纤维素(ncc)、纤维素纳米晶(cnc)及它们的组合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素以约5重量百分比至约99.9重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中，或者以约10重量百分比至约85重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中，或者以约20重量百分比至约70重量百分比的量存在于所述阻隔组合物中。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素存在于悬浮液或糊料中，其ph值为约5至约10或约5.5至约8.5。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素具有至少约5平方米/克的bet比表面积，或者至少约10平方米/克的bet比表面积。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素的平均纤维宽度小于约1微米，或者小于约0.1微米。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素存在于悬浮液或糊料中。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的阻隔组合物，其中所述纳米纤维素和所述功能助剂以基于干物质的质量比分别大于约1:1或大于约10:1至1:10存在。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的阻隔组合物，进一步包括选自烃树脂、聚丙烯和丙烯共聚物、聚乙烯和乙烯共聚物、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚酯、苯乙烯-马来酸酐共聚物及其盐以及它们的组合的热塑性聚合物。

15.用于改善布置在纤维表面和/或基材上的功能助剂的保留、反应性和/或分布的方法，该方法包括以下步骤：

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述基材是干法模制品和/或包括用于干法模塑或干法成型工艺中的原材料和/或中间材料。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述组合物通过喷涂、浸渍、刷涂或任何其他技术被布置在所述纤维表面和/或所述基材上，以将所述阻隔组合物施加到所述基材上。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述基材选自非纤维素和基于纤维素纤维的材料。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的基材，其中所述基材包括纤维、原纤和/或纸的三维(3d)结构，其中所述纤维、原纤和/或纸存在于限定多个空气孔隙的网络中。

20.根据权利要求15所述的方法所制成的制品。