利用纸张和淀粉制造泡沫隔热材料的方法

摘要

泡沫隔热材料及其制造方法，该泡沫隔热材料由纸张、淀粉和聚合物树脂(具体为聚丙烯)制成。该方法包括：提供纸张粉末、淀粉、和聚丙烯作为泡沫隔热材料的主要组分，将淀粉的重量设置为高于纸张粉末的重量，将聚丙烯的重量比设置为不大于该主要组分的约50重量百分比(％)，将聚丙烯的熔体流速设置为约1和约15g/10分钟之间；和通过将水加入挤出机使该主要组分泡沫化。

说明书

技术领域

本发明涉及可降解泡沫，尤其涉及由淀粉和聚合物构成的泡沫，其在自然环境中具有可降解特性。

背景技术

具有高隔热性的聚合物泡沫材料可用于多种用途。它们经常用作建筑、包装、缓冲、或保温材料。然而，聚合物泡沫材料在被抛弃时产生的体积大，因而增大填埋体积。另外，常规的聚合物泡沫材料在自然环境中无法生物降解或经历缓慢降解过程，因此，当埋在地下时可长期留在土壤中。当转而将常规的聚合物泡沫材料焚化以填埋沉积时，聚合物泡沫材料产生高热或焓，因而经常损害焚化炉。特别地，由焚化时的聚合物或火产生的煤烟和毒气必须适当地排出，否则它们将引起危险的健康问题。因此，已尝试研究开发可生物降解并耐热的泡沫，近年来持续发展。

发明内容

本发明的实施方案的旨在提供无论通过填埋废品还是焚化而抛弃时都对环境友好的泡沫材料，及其生产方法。该泡沫材料可生物降解，并包括淀粉、纸张粉末和可生物降解的树脂的混合物。该材料的生产方法可在蒸气压下完成，以有效且以商业大规模的方式得到泡沫特性。

在一个实施方案中，生产泡沫材料的制造方法包括在蒸汽压下使泡沫复合材料泡沫化。该泡沫复合材料在挤出机中混合，加热，并通过模具挤出以形成泡沫材料。该泡沫复合材料可由纸张粉末，比如细木粉、淀粉、研磨茶叶叶片、和聚合物树脂组成。可用水产生足够的蒸气压和/或改变泡沫复合材料的粘度。

在一个实施方案中，该方法包括提供纸张粉末、淀粉、和聚丙烯作为隔热材料的主要组分(或泡沫复合材料)，将淀粉的重量设置为高于纸张粉末，将聚丙烯的重量比设置为不大于该主要组分的约50重量百分比(％)，并将聚丙烯的熔体流速设置为约1和约15g/10分钟之间；将水加入该主要组分以形成湿混合物，和使该湿混合物泡沫化以提供泡沫隔热材料。在另一实施方案中，可加入植物纤维以形成泡沫隔热材料。植物纤维可选自以下组中：木材、甘蔗的主干或果核、水稻茎秆、大麦主干、和它们的组合。每股植物纤维的平均长度可在约50和约300μm之间，平均厚度可在约10和约30μm之间。

在一个实施方案中，上述材料通过挤出机挤出。挤出机可具有不同的模具形状或类型以生产泡沫材料块或其中嵌入了线股的泡沫材料块。

在一个实施方案中，纸张粉末和淀粉的重量比在约1∶4和约2∶3之间。在另一实施方案中，聚丙烯的重量比在主要组分的约40重量％和约50重量％之间。淀粉组分可以是玉米淀粉。聚丙烯的熔体流速可以设置在约3和约13g/10分钟之间。纸张粉末的最大粒径可不大于约0.3mm。

在一个实施方案中，生产的泡沫隔热材料的热导率不大于约0.035W/m-K，密度不大于约0.07g/cm³。

根据本发明的再一实施方案，泡沫隔热材料的制造方法包括：由纸张原料形成纸张粉末；通过将纸张粉末和淀粉混合，并将淀粉的重量设置为高于纸张粉末而形成纸张颗粒混合物；将该纸张颗粒混合物和聚丙烯引入挤出机，将聚丙烯的重量比设置为不大于纸张颗粒混合物和聚丙烯的混合物的约50重量百分比(％)，并将聚丙烯的熔体流速设置在约1和约15g/10分钟之间；将水加入纸张颗粒混合物和聚丙烯的混合物以形成湿混合物；和使该湿混合物泡沫化以提供泡沫隔热材料。在一个实施方案中，纸张粉末的最大粒径不大于约0.3mm。

在一个实施方案中，形成纸张颗粒混合物的步骤包括将纸张粉末和淀粉混合以形成混合粉末；将聚乙烯醇溶液加入该混合粉末，并用聚乙烯醇湿法处理混合粉末以形成湿法形成的颗粒；和干燥该湿法形成的颗粒以形成纸张颗粒混合物。

附图说明

图1是根据本发明实施方案的泡沫材料块的示意图；

图2是根据本发明另一实施方案的具有泡沫线股的泡沫材料块的示意图；和

图3是根据本发明实施方案的泡沫材料生产过程的示意图。

具体实施方式

在下列详细描述中，仅通过示意图显示并描述了本发明特定的示例性实施方案。本领域技术人员可以理解，本发明可以按照许多不同的形式实施，不应理解为仅限于此处阐述的实施方案。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。

下面详细描述可生物降解的泡沫材料及其生产过程。根据本发明实施方案的可生物降解的泡沫材料含有纸张粉末、淀粉、和可生物降解的树脂作为泡沫材料(或泡沫复合材料)的主要组分或主要部分。泡沫材料的热导率和密度特性对于建筑中的隔热应用是重要的。低热导率保证良好的绝缘能力，低密度使泡沫材料轻并易于操作。泡沫材料中的热导率和密度受内部泡沫结构的影响，特别受泡沫百分比或泡沫化程度的影响，或者换言之，受气泡存在的影响。泡沫化程度越高，热导率和密度越低。泡沫化程度可通过原材料的熔体粘度确定，原材料的熔体粘度可通过改变挤出工艺条件而控制。

在一个实施方案中，泡沫材料是由纸张粉末、淀粉、和聚合物树脂组成的混合物的反应产物。在一个实施方案中，淀粉的量优选为高于纸张粉末的量。在一个实施方案中，纸张粉末和淀粉的重量比在1∶4和2∶3之间。在一个实施方案中，当纸张粉末的量高于淀粉的量时，气泡的形状不令人满意，因此形成泡沫的能力可能降低。在另一实施方案中，当淀粉的量过高时，泡沫材料的可塑性可能降低，同时泡沫材料的耐热性和耐水性也会降低。因此，当比值在上述指定范围内，特别是当纸张粉末和淀粉的比值降低时，泡沫材料的弹性可以改进。泡沫材料的良好弹性是令人满意的，因为它增强材料用作隔热材料时的构造性能。

在多个实施方案中，纸张粉末从粉碎的纸张、纸板获得，或从分解的纸张或纸板获得。有时候优选废纸，因为原材料成本降低。通常，废纸用于生产再循环纸张，同时低质量的废纸转变成纸张粉末用于复合材料，比如在本发明实施方案中的复合材料。任何尺寸的纸张粉末均可使用。在一个特定的实施方案中，纸张粉末的最大粒径为0.3mm。在其他实施方案中，纸张粉末的粒径优选小于0.3mm。

淀粉充当形成泡沫的材料并充当填料。同时，淀粉和植物纤维的结合力良好，因此可以充当用于结合植物纤维的结合剂。可用于淀粉的合适的材料的非限制性实例包括玉米、小麦、稻米植物、木薯、马铃薯、和它们的组合。

聚合物树脂用于改进泡沫的机械强度，同时改进耐热性。合适的聚合物树脂的非限制性实例包括可生物降解的热塑性树脂、聚丙烯、聚乳酸、琥珀酸酯聚合物(比如聚琥珀酸乙二酯和聚琥珀酸丁二酯)、聚己酸内酯、聚羟基烷烃酸酯(比如聚羟基丙酸酯、聚羟基丁酸酯、和聚羟基戊酸酯)、和包括芳香族组分的共聚酯、及它们的组合。在一个实施方案中，聚合物树脂是聚丙烯。基于泡沫复合材料的总干重，聚丙烯的量可调节至低于50重量％。

如之前所述，泡沫材料的泡沫结构或泡沫化程度对材料隔热能力具有重要影响。然而，泡沫化程度实践中几乎不可能测量。因此，在多个实施方案中，基于在挤出工艺条件(例如挤出温度)下测量的树脂熔体粘度选择合适的聚合物树脂。因此，在一个实施方案中，基于其熔体流速(MFR)值，聚丙烯用作主要成分。

MFR值用作聚合物树脂的熔体粘度的指标。在多个实施方案中，MFR值用于限定聚丙烯的所需的物理性质。用于确定MFR值的测量方法描述于International Standard ISO 1133(Japanese Industrial Standard JIS K7210，在此以引用的方式将其整体并入)。确定MFR值可有两种方法。第一种方法包括测量每单位时间的树脂挤出量，第二种方法包括测量挤出特定量的树脂的时间。通常，第一种方法用于MFR值低的材料，第二种方法用于MFR值高的材料。在一个实施方案中，由于聚丙烯的MFR值相对低，因此优选第一种方法，但第二种方法也可使用。

在本发明的一个实施方案中，聚合物树脂的MFR值，或具体的聚丙烯的MFR值，优选为小于15g/10分钟，或特定地在1和15g/10分钟之间，或更特定地在3和13g/10分钟之间。在一个实施方案中，如果聚丙烯的MFR值高(例如，大于15g/10分钟)或材料的熔体粘度低，则气泡形成可能不足，或者气泡可能容易破裂。当许多气泡破裂时，相邻的气泡可能尺寸变大。然而，泡沫结构中的大气泡使热导率和绝缘能力差。在另一实施方案中，如果聚丙烯的MFR值低(例如低于1g/10分钟)或材料的熔体粘度高，则可能发生蒸气压下的泡沫形成能力不足，也将使绝缘能力变差。

聚合物树脂的熔体粘度可通过调节挤出工艺温度而控制。特别地，通过增大加热或工艺温度可以降低熔体粘度。相似地，通过降低工艺温度可以增大熔体粘度。然而，工艺温度下降可以降低形成泡沫所需的蒸气压，从而降低泡沫形成能力。相似地，工艺温度增大也可以产生其他负面问题，特别地，当增大工艺温度以减小粘度时，高温可以分解耐热低的淀粉，从而使淀粉的粘合性变差。因此，在本发明的实施方案中，优选MFR值在上述指定范围内的聚丙烯，从而可以实现足够的泡沫形成能力，而不过度改变工艺条件。

聚丙烯可以按照基于泡沫复合材料的总干重小于50重量％的量并入泡沫复合材料。聚丙烯的量可以在40到50重量％之间。在一个实施方案中，如果聚丙烯的量高于指定范围，可能无法实现泡沫材料对环境的积极影响和生物降解能力。在另一实施方案中，如果聚丙烯的量低于指定范围，泡沫形成能力可能减小。

可加入植物纤维以提供体积并充当泡沫复合材料的填料。另外，植物纤维可以促进泡沫材料的生物降解能力、杀菌、和耐热特性的增大。植物的几乎任何部分，特别是植物种子、叶子、茎、干、或表皮均可用作植物纤维。在某些实施方案中，植物废弃物比如种皮或提取废料也可使用。例如，稻米、小麦、荞麦、大豆、咖啡、和花生的种皮；或栗子、橙子、苹果、梨等的果皮；及它们的果实残余物。合适的植物纤维的其他非限制性实例包括木材、甘蔗的主干或果实、水稻茎秆、大麦主干、和它们的组合。

植物纤维可处理或改性至设定或所需的尺寸范围。在一个实施方案中，植物纤维的平均长度在约50和约300μm之间。在另一实施方案中，植物纤维的平均厚度或直径在10到30μm之间。

使用上述组合物生产的泡沫材料的热导率小于0.35W/m-K，密度小于0.07g/cm³。因此，它可用于泡沫隔热材料。根据本发明多个实施方案的泡沫隔热材料的重量轻且具有良好的隔热能力。在本发明的一个实施方案中，泡沫隔热材料具有超过50重量％的纸张粉末和淀粉，因此整个材料的生物降解能力增大，并对环境具有积极影响。另外，泡沫隔热材料的热焓低于常规材料，因此可以减少甚至防止对焚化炉的损坏。

现在描述可生物降解的泡沫的生产方法。现在参考图3。在一个实施方案中，植物纤维16通过干燥并通过球磨等将纤维材料(比如甘蔗的部分)粉碎成最大厚度(或颗粒直径)为300μm或以下，优选为30μm或以下而获得。植物纤维16连同纸张粉末12、淀粉13、和聚合物树脂14形成主要组分或泡沫复合材料18。将蒸汽溶液15(比如水)连同泡沫复合材料18放进料斗，以形成湿混合物。在过程中由水产生的水蒸汽辅助形成泡沫。然后通过2轴圆筒21加热、捏和湿混合物，并从挤出机20的模具部分22挤出。从模具22产生的材料泡沫化并形成泡沫材料块10′，其中形成了泡沫线股11(图2)。或者，不使用挤出机加热并捏和主要组分或泡沫复合材料，将可选量的水置于塑模中以得到没有泡沫线股的块状泡沫材料10(图1)。具有泡沫线股的泡沫材料的种类可使用不同的模具22提供。根据所选的模具22的种类，可提供直径尺寸不同的泡沫线股11。

在一个实施方案中，选择MFR值在1和15g/10分钟之间(优选在3和13g/10分钟)之间的聚丙烯。纸张粉末从纸张产品(例如，由粉碎工艺生产的经过处理的废纸，描述于日本专利No.3738367，在此以引用的方式将其整个内容并入)获得。在一个实施方案中，纸张粉末的最大粒径小于0.12mm。

在一个实施方案中，将淀粉和纸张粉末混合以形成混合物颗粒状混合物。然后将颗粒状混合物连同聚丙烯引入料斗。聚丙烯的熔体流速(MFR)设置在1和15g/10分钟之间。纸张粉末和淀粉的重量比为2∶3，聚丙烯基于总复合材料重量的重量比在40和50干重量％之间。然后将水加入混合物以形成泡沫。水量可根据所需的泡沫化程度确定。在一个实施方案中，将水量调节至获得足够的蒸汽压，以形成足够的内部泡沫结构，且在挤出后没有任何残余的水剩下。

聚合物的蒸气压和熔体流速通过调节挤出工艺温度而控制。可以控制挤出机的不同区域，比如模具22和/或圆筒21的加热温度，从而可以获得特定的混合物流动，且淀粉不会在高热下分解。挤出机20可以是2轴挤出机，用水构建蒸气压。按此方式，当熔融的复合材料通过模具22挤出时，复合材料将通过蒸气压泡沫化并膨胀，并通过热蒸发几乎瞬间固化。

下面将参考下列实施例更详细地描述本发明。然而，这些实施例仅用于说明的目的，不旨在限制本发明的范围。

实施例1

分解废纸包装材料(使用日本专利No.3738367所述的粉碎器，在此以引用的方式将其整体并入)以提供最大粒径小于0.12mm直径的纸张粉末。将40重量％的纸张粉末和60重量％的玉米淀粉的混合物放进混合器以提供混合粉末。对于每个100重量％的混合粉末，加入60重量％的3.75％聚乙烯醇溶液并彻底混合以形成湿颗粒混合物。将湿颗粒混合物干燥至15重量％的水分含量以形成“纸张颗粒”混合物。

将纸张颗粒混合物注入2轴挤出机(型号MTE77，可从TSP Co.，LTD获得)的第一进料斗，将粉末状聚丙烯混合物加入第二进料斗。尽管本发明实施方案使用了两个进料斗的挤出机，但也可使用一个进料斗的挤出机。挤出机的温度调节为使得聚丙烯的流速为10g/10分钟。也调节第一进料斗的流速，使得纸张颗粒和聚丙烯的重量百分比分别是45和55重量％。然后将水加入挤出机的圆筒，将模具温度设置于175℃，将挤出机设置于270rpm。使混合物经过模具并生产厚50mm，宽265mm的挤出泡沫材料。在泡沫材料沿着运输带通过时每两米切割泡沫材料。然后通过将泡沫材料放置储存，在环境条件下冷却泡沫材料两天。

生产的泡沫材料是由约18重量％的纸张粉末，37重量％的淀粉，和45重量％的聚丙烯组成的泡沫复合材料的反应产物。该泡沫材料的密度约为0.020g/cm³，热导率为0.335W/m-K。

实施例2

使用和实施例1相同的材料和工艺，除了聚丙烯的选择。实施例2中使用的聚丙烯具有颗粒形状和3g/10分钟的MFR值。

生产的泡沫材料是由约18重量％的纸张粉末，37重量％的淀粉，和45重量％的聚丙烯组成的泡沫复合材料的反应产物。该泡沫材料的密度约为0.018g/cm³，热导率为0.333W/m-K。

比较实施例

使用和实施例1相同的材料和工艺，除了选择不同种类的聚丙烯。比较实施例中使用的聚丙烯具有颗粒形状和20g/10分钟的MFR值。

生产的泡沫材料是由约18重量％的纸张粉末，37重量％的淀粉，和45重量％的聚丙烯组成的泡沫复合材料的反应产物。该泡沫材料的密度约为0.019g/cm³，热导率为0.368W/m-K。

由实施例可知，实施例1和2的泡沫材料具有更好的耐热性，因为热导率更小。使用3或10g/10分钟MFR的类型的聚丙烯生产了更好的隔热材料。注意比较实施例具有更高的热导率但密度没有显著增大。

考虑到上面的描述，本发明的多个实施方案提供了由纸张、淀粉和聚合物树脂制成的泡沫隔热材料及其制造方法。该方法包括：提供纸张粉末、淀粉、和聚丙烯作为泡沫材料的主要组分，将淀粉的重量设置为高于纸张粉末，将聚丙烯的重量比设置为不大于该主要组分的约50重量百分比(％)，并将聚丙烯的熔体流速设置为约1和约15g/10分钟之间；将水加入该主要组分以形成湿混合物，和使该湿混合物泡沫化以形成隔热材料。

尽管已联系特定的示例性实施方案描述了本发明，但应理解，本发明不局限于公开的实施方案，相反，本发明旨在覆盖权利要求及其等价的精神和范围之内所包括的各种改变和等价设置。