生产模塑的纤维产品的方法和模塑的纤维产品与流程

1.本发明涉及通过纤维模塑生产三维的基于纤维素纤维的产品的方法。


背景技术：

2.对于生产基于纤维素的三维(3d)产品的关注越来越大，例如用作食品、技术产品、电子设备和/或消费者物品的包装应用。使用天然(例如纤维素纤维)用于制造包装关联有多个优点。作为可再生资源，天然纤维提供其他包装材料例如铝和塑料的可持续替代方案，并且进一步地天然纤维是可回收且可生物降解的。天然纤维包括任意天然来源的纤维素纤维，例如源自木浆和/或植物。
3.一种制造模塑的纤维产品的方式是通过热成型，例如其中成型模具浸入到浆料(pulp，纸浆)悬浮体中，然后在加热下进行压缩
‑
模塑，产生干纤维产品，其具有与模具的形状互补的形状。从纤维素纤维片材来热成型产品例如托盘也是已知的。然后使用压制工具通过对湿润的片材拉伸成型而进行成型。后一选项的缺点与纤维素片材材料的差的柔韧性和弹性相关，限制3d
‑
成型性和/或导致在成型时材料中出现裂缝的风险。
4.在us2013248130中，描述了压缩
‑
模塑的涂覆有可去除的膜的纤维材料的托盘，并且wo2006057610也呈现了通过从浆料原料而进行纤维模塑来制造纤维产品例如食物托盘的方法和机器。
5.用于制造包装产品的浆料材料的品质的要求通常较高，因为需要最终产品的高机械强度和化学纯度，例如如果旨在用于食品包装。通常，为了实现可接受的机械性质，需要增强浆料和强度化学品。还有，生产成本有时是昂贵的，并且当在模塑期间干燥产品时，还存在与高能量消耗相关的问题。
6.本发明的目标
7.本发明的目标是提供将适合用于包装应用的三维的基于纤维的产品模塑的方法，该方法与已知程序相比效率更高、较不昂贵且需要更少的能量。本发明的目标还在于提供基于模塑的纤维的产品，其具有低密度但具有高机械强度。


技术实现要素：

8.根据本发明，提供从纤维素浆料生产三维模塑的产品的方法，包括以下步骤：
9.‑
提供包含1
‑
30重量％木质素的纤维素纤维组合物，基于组合物的总纤维重量计，所述纤维素纤维组合物还具有0.1
‑
95％之间的固含量；
10.‑
提供具有包括成型表面的三维形状的成型工具，并且使所述成型表面与纤维素纤维组合物接触；
11.‑
在>200c的温度下挤压干燥与成型工具接触的纤维素纤维组合物至至少70％的干含量。
12.术语“纤维素纤维组合物”在本文中是指解释为包含基于天然纤维素的纤维的组合物。纤维素组合物中可使用本领域中已知的任意纤维素纤维，包括纤维素纤维如果是任
意天然来源的话，例如源自木浆的那些。适合用于本发明的纤维素纤维的非限制性实例为源自软木例如松树、冷杉和云杉的纤维素纤维，以及源自桉树、蔗渣、竹和其他木质和纤维来源的纤维。
13.取决于最终产品，可在一个或多个步骤中施用所述挤压干燥。还有，挤压干燥可通过两个将待干燥的纤维素纤维夹在中间并且压缩待干燥的纤维素纤维的互补的成型工具进行。
14.根据本发明的一个方面，所述纤维素纤维组合物为具有在0.1
‑
1重量％之间的稠度的纤维素纤维材料的浆料悬浮体的形式。根据本发明的该方面，所述成型工具与所述浆料悬浮体以这样的方式接触使得所述成型工具的成型表面覆盖有来自所述浆料悬浮体的浆料的层。成型工具可通过浸没到悬浮体中而与所述浆料悬浮体接触，然后来自悬浮体的纤维素纤维通过真空吸力被牵引到成型表面上。接着，所述成型表面上存在的浆料的层在升高的温度下被挤压干燥并且脱水至至少70％的干含量。
15.根据本发明的优选的方面，所述浆料为机械浆，其选自tmp、cmp、ctmp、ctmp、htctmp及其混合物。应理解其他纤维素材料，例如木材料或非木材料的化学或半化学浆可作为浆料原料的一部分而添加。
16.根据本发明的另一方面，所述纤维素纤维组合物是具有30
‑
95％的固含量的的基于纤维的片材材料。优选地，基于纤维的片材由机械浆制造，所述机械浆选自tmp、cmp、ctmp、ctmp、htctmp及其混合物。根据该方面，最终产品通过如下制造：使片材湿润使得其获得10
‑
40％之间的水含量，以及然后在升高的温度下使用压制工具对湿润的片材进行拉伸成型。所述“升高的温度”此处应解释为>200℃的温度。
17.根据本发明，含木质素的浆料用于制造最终产品。除了纤维素和半纤维素之外，木质素是纤维材料的主要成分。木质素具有疏水性质，其通常被认为对于造纸和板制造(在造纸的水环境中需要亲水特征用于氢结合(氢键))是不利的。如本领域技术人员已知的，化学浆料的强度通过从纤维基体中去除木质素而实现的，由此实现良好的结合。现在，令人惊奇地发现在升高的温度下，例如高于200℃、优选高于250℃或高于280℃的温度，例如在热成型模塑过程中被压缩在一起时，当湿纤维或具有充分的水分的纤维时，用富含木质素的纤维也可实现良好的结合。已经观察到在具有一定水分的含木质素的纤维素纤维的挤压模塑期间施加足够高的温度造成木质素的塑化，导致最终材料的改进的机械性质。
18.因此由于本发明，提供了使用具有木质素内容物的浆料使三维的基于纤维的产品成型的方法。与该发现相反，机械浆纤维传统上被视为不太适合于制造包装产品，因为机械强度低。然而，通过本发明的方法，机械浆纤维可用作纤维模塑制造中的主要组分而不需要添加增强浆料和强度化学品以实现可接受的机械性质。还有，与化学浆纤维相比，机械浆更便宜，导致更低的生产成本，以及改进的材料效率，因为与在化学浆原材料的情况中仅45
‑
50％可被使用相比，超过90％的原材料(木或非木)可被使用。
19.由机械浆纤维制造的产品也具有高松厚度，这意味着与具有低松厚度的化学浆相比，如果需要一定厚度的产品，则需要较低的定量。这导致更低的纤维成本和在干燥步骤中降低的能量消耗。
20.根据本发明的一个方面，用于所述纤维素纤维组合物的纤维选自木浆、非木浆、未漂白的化学浆、解纤化的纤维材料、蔗渣、秸秆、竹、云杉ctmp、桉树ctmp和云杉ht ctmp。
21.根据本发明的另一个方面，所述纤维素纤维材料的浆料悬浮体已经用氧化剂处理，用于在纤维素纤维分子中引入(inducing，引起，诱导)自由基以引起共价交叉结合。
22.根据本发明的另一个方面，所述氧化剂为臭氧气体或臭氧水。
23.根据本发明的另一个方面，所述纤维素纤维材料的浆料悬浮体已用漆酶处理，用于交联所述悬浮体中存在的木质素聚合物。
24.本发明还涉及能够通过前述方法获得的三维的基于纤维的产品。所述产品的基于纤维的材料具有小于650kg/m3的密度，和大于0.8nm7/kg3、优选大于1nm7/kg3的弯曲刚度。
25.根据本发明的一个方面，所述产品的基于纤维的材料具有大于1、优选大于1,5kpam2/g的耐破度(burst)。
26.根据本发明的一个方面，所述产品的基于纤维的材料具有大于200kpa、优选大于250kpa的z
‑
强度。
27.根据本发明的一个方面，所述产品的基于纤维的材料具有大于15nm/g、优选大于20nm/g的抗压强度。
28.根据本发明的一个方面，通过所述方法获得的产品用作食品包装产品。
具体实施方式
29.本说明书涉及从含木质素的纤维素纤维组合物制造模塑的浆料产品的热成型方法。“含木质素的纤维组合物”的实例是机械浆，例如热机械浆(tmp)、化学机械浆(cmp)、化学热机械浆(ctmp)、ctmp、高温化学热机械浆(htctmp)及其混合物。
30.其他纤维素材料，例如木材料或非木材料的化学或半化学浆也可作为纤维组合物的一部分而添加。
31.热成型是指一种纤维模塑方法，其中挤压成型与施加热相组合使得产品致密化和干燥。挤压成型(此处也称作挤压干燥)可通过如下进行：提供两个互补的成型工具，第一和第二工具，布置为基本上彼此匹配，并且将两个工具挤压在一起使得纤维素纤维组合物夹在第一和第二工具之间。取决于最终产品，挤压成型可在一个或多个相继步骤中施用。例如，为了获得具有两面光滑平面的产品，两步挤压成型可为有利的。
32.本发明涵盖至少两个进行热成型的选项：湿成型和干成型。
33.现在描述通过根据本发明的热成型使纤维产品湿成型的实例。
34.提供含机械浆的浆料悬浮体形式的纤维素纤维组合物，所述浆料悬浮体具有0.1
‑
1重量％之间的稠度。浆料悬浮体在本文是指“纤维素纤维组合物”的一个实例。布置在工具固定器上的三维成型工具浸没在所述悬浮体中，因此与其中的浆料接触，使得至少所述成型工具的成型表面覆盖有来自所述浆料悬浮体的浆料的层。工具上的浆料的层可以多种方式实现，例如当成型工具浸没在浆料悬浮体中时，借助于通过成型工具而施加吸力。然后，所述成型工具上存在的浆料的层在高于200℃或高于250℃，例如高于280℃的温度下挤压干燥，并且同时脱水至至少70重量％的干含量。
35.在该方法的挤压干燥步骤期间，浆料层经受高于200℃，例如高于250℃的高温，例如通过在一个或多个步骤中在两个热工具之间在真空和压缩空气的帮助下。这导致高效和快速的干燥，因为浆料中存在的水与被蒸发相结合地被挤压出来，这继而提供了更好的生产率。所施加的高温也导致浆料中的木质素塑化和交联，因此改进了最终产品中的强度性
质。
36.根据本发明，包含纤维素纤维材料的所述浆料悬浮体可用氧化剂预处理，用于在纤维素组分中引入自由基以引起共价交叉结合。合适的氧化剂为臭氧气体或臭氧水。另一种氧化浆料的方式是用漆酶预处理，用于交联木质素聚合物。浆料的氧化优选对所谓的具有3
‑
5重量％之间的稠度的起始制备浆料进行。随后，将该浆料稀释至0.1
‑
1重量％并且进料到模塑的纤维生产线的成型步骤。
37.现在描述通过根据本发明的热成型使纤维产品干成型的实例。
38.从含木质素的纤维素材料生产基于纤维的片材或幅材，例如由机械浆制造。基于纤维的片材材料在本文是指“纤维素纤维组合物”的一个实例。
39.所述片材材料可包含硬木或软木化学浆或机械浆，具有1
‑
30重量％的木质素含量，并且具有100
‑
900kg/m3的基本密度。使基于纤维的片材潮湿(dampened)使得其具有10
‑
40重量％之间的水分含量，并且随后被转移到成型站。提供布置在工具固定器上的三维成型工具并且使其与潮湿化的片材接触。然后通过在热处理下将成型工具挤压在片材而进行热模塑，使得片材根据成型工具的三维表面而成形。在挤压成型期间，可使用第二配对工具将片材层夹在中间。与湿成型类似，在该方法的挤压干燥步骤期间，片材经受高于200℃，例如高于250℃的温度。这导致高效和快速的干燥，因为浆料中存在的水与被蒸发相结合地被挤压出来。所施加的高温也导致浆料中的木质素塑化和交联，因此改进了最终产品中的强度性质。
40.通过本发明的模塑方法形成的产品因此可从含木质素的机械浆生产，其会具有低密度并且仍提供良好的强度并且表现出与从化学浆生产的材料一样好(或甚至更好)的材料性质。
41.测量和评估方法
42.以下方法和标准既适用于所附权利要求的定义，也适用于以下实施例中进行的测量。
43.排水阻力：scan c19:65
44.密度(浆料片材密度，表1)：iso 534:2011
45.密度(片材密度表2)：iso 534:2011
46.抗张指数：iso 1924
‑
3:2005
47.抗张挺度指数iso 1924
‑
3:2005
48.断裂伸长率：iso 1924
‑
3:2005
49.拉伸能量吸收指数：iso 1924
‑
3:2005
50.耐破度指数：iso 2758:2014
51.撕裂指数：iso 1974:2012
52.z
‑
强度：scan
‑
p 80:98
53.耐弯曲度：iso 2493
‑
1:2010
54.实施例
55.为了评估本发明的模塑的纤维产品的品质，进行一系列测试，其中由化学浆制造的热模塑的产品(ref 1和ref 2)与具有至少1重量％的木质素含量的热模塑的产品(样品a、b和c)进行比较。
56.评估对于不同浆料测试的浆料性质例如排水阻力、强度和密度(ref.1；ref.2；样品a；样品b；和样品c)。所有测试根据上述方法和标准进行并且所有分析在23℃，50％rh调节后根据可得的标准进行。
57.模塑的纤维样品中使用的浆料的性质呈现在表1中，并且模塑的纤维材料的测试性质呈现在表2中。
58.产品信息
59.分别为各个ref.1
‑
2，和样品a
‑
c提供浆。各浆的稠度在0.3
‑
0.6重量％之间。
60.将所述浆转移到成型部分，其中三维成型工具与所述浆接触。
61.所述成型工具具有三维的托盘状形状的成型表面，并且包括用于真空吸力的通道。通过真空吸力，在工具的成型表面上形成浆料层。
62.将包含浆的层的成型工具转移到挤压模塑单元，其中提供超过250℃的温度的热。在多个步骤中在加热下进行挤压干燥直到压缩
‑
模塑的纤维产品已达到至少70％的干含量。
63.浆料悬浮体以及所得模塑的纤维产品的测量的手抄纸性质分别呈现在
64.表1和2中。
[0065][0066]
表1.测试的浆料的浆料性质。*ft＝fibertester，用于纤维测试的设备；(>0.2mm)：在测试方法中排除小于0.2mm的级分的标准方法。ctmp＝化学热机械浆
[0067][0068]
表2.模塑的纤维的产品性质
[0069]
在表1中，示出了与均含有化学浆的ref 1和ref 2相比，样品a、b和c具有更低的机械强度，尤其是z
‑
强度、耐破强度和抗张挺度。
[0070]
然而，如图2中所见，由样品a、b和c制造的模塑的纤维产品具有显著改进的机械强度。不仅是z
‑
强度，耐破度和抗张挺度改进至与ref 1和ref 2相同的水平，产品还具有显著更高的弯曲刚度。在相似的机械强度下，尽管浆料材料的机械强度显著更低，但是样品c的弯曲刚度指数比ref 2高40％。样品c和ref 2两者都从作为原木材料的桉树生产。
[0071]
机械浆产品的强度性质与化学浆产品的性质相当，或甚至更高。这是因为在升高的温度下含木质素的纤维的固结和结合得到了改进。高温处理的效果是纤维结构的软化。这继而改进了固结和产品的结合z强度和拉伸强度。
[0072]
还有，由于机械浆纤维的高挺度，基于ctmp的产品具有更高的弯曲刚度，使得能够降低定量
–
即带来源的降低。
[0073]
已经关于优选实施例而描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文描述的本发明的范围的情况下可以做出许多变化和修改。