固定方法与流程

本申请涉及一种用于将表面固定到彼此的方法，特别是纸张或纸板物体的表面，以及通过这种方法获得的系统。

背景技术：

纸张和纸板是可以用作包装的产品，在欧洲的回收率大于70％。然而，通常使用聚合物(例如薄膜或聚乙烯基涂覆的组合物)组装和热封或胶合包装，这可以使纸张和纸板的回收利用方法复杂化，并且损害可生物降解或可用作堆肥包装的寿命终止。

希望将表面固定到彼此，特别是纸张或纸板物体的表面，其产品易于回收，可生物降解并且来自可再生资源。

技术实现要素：

实施例的目的是克服如上所述的用于将表面固定到彼此的方法以及由此获得的系统的全部或部分缺点。

实施例的另一个目的是用于固定表面的产品是天然的或可生物降解的来源。

实施例的另一个目的是用于固定表面的产品易于回收。

实施例的另一个目的是固定方法可以以工业规模实施。

因此，一个实施例提供了一种系统，包括第一表面和第二表面、第一区域和围绕第一区域的第二区域，第一表面在第一区域固定到第二表面，第一表面在第二区域未固定到第二表面，第一区域包括固定到第一表面的第一层纳米纤维素，第一层纳米纤维素与第二表面接触并固定到第二表面(第二表面含有纤维素)，或者与第二层纳米纤维素接触并且固定在第二层纳米纤维素上，第二层纳米纤维素固定在第二表面上。

根据一个实施例，纳米纤维素含有至少80重量％的可能在表面上官能化的纳米晶体纤维素、可能在表面上官能化的原纤化纤维素或可能在表面上官能化的纳米晶体纤维素和原纤化纤维素的混合物。

根据一个实施例，纳米纤维素含有80重量％的可能在表面上官能化的纳米晶体纤维素。

根据一个实施例，第一层纳米纤维素的厚度介于0.5μm至20μm之间。

根据一个实施例，第一表面属于第一物体，第二表面属于第二物体，第一物体和/或第二物体含有纤维素。

根据一个实施例，第一物体和第二物体中的至少一个是纸张或纸板。

另一实施例提供了一种将第一表面固定到第二表面的方法，包括以下步骤：

在第一表面上沉积第一层纳米纤维素；

使第一层纳米纤维素与第二表面接触或与沉积在第二表面上的第二层纳米纤维素接触；以及

将第一层纳米纤维素固定到第二表面，第二表面含有纤维素，或固定到第二层纳米纤维素，这产生含有第一层纳米纤维素的第一区域和围绕第一区域的第二区域，第一表面在第一区域固定到第二表面，第一表面在第二区域未固定到第二表面。

根据一个实施例，纳米纤维素含有至少80重量％的纳米晶体纤维素、原纤化纤维素或纳米晶体纤维素和原纤化纤维素的混合物。

根据一个实施例，纳米纤维素含有至少80重量％的纳米晶体纤维素。

根据一个实施例，将第一层纳米纤维素固定到第二表面或第二层纳米纤维素包括超声波焊接步骤。

根据一个实施例，第一层纳米纤维素的厚度为0.5μm至10μm。

根据一个实施例，第一表面属于第一物体，第二表面属于第二物体，第一物体和/或第二物体含有纤维素。

根据一个实施例，第一物体和第二物体中的至少一个是纸张或纸板。

附图说明

这些特征和优点以及其他特征和优点将在以下以非限制性方式根据附图对特定实施例的描述中详细描述，在附图中：

图1部分地和示意性地表示包括固定到彼此的两个物体的系统的一个实施例；

图2部分地和示意性地表示包括固定到彼此的两个物体的系统的另一个实施例；

图3是用于产生图1所示系统的方法的实施例的框图；

图4示出了图3中所示方法的一个步骤；以及

图5示出了图3中所示方法的另一步骤。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件由相同的附图标记命名，并且另外，各种附图未按比例绘制。为清楚起见，仅表示并详述了对于理解所述实施例有用的元件。除了任何相反的说明书之外，表述“大致”(approximately)、“基本上(substantially)”和“大约(around)”表示10％以内，优选5％以内。

纤维素是在生物质中、特别是在植物细胞的壁中大量存在的聚合物。它由线性连接的葡萄糖链(连接β-1，4)构成，形成自然排列在原纤维中的大分子。原纤维本身与纤维连接并形成植物纤维的壁。

已知由自然纤维素形成原纤化纤维素。当纤维直径小于1μm时，原纤化纤维素通过首字母缩写词nfc(纳米原纤化纤维素)或首字母缩略词mfc(微原纤化纤维素)而为人所知。原纤化纤维素中含有的纤维通常具有0.5至2μm的长度和5-70nm的直径。原纤化纤维素由结晶区域和非晶区域构成。应注意，根据描述，术语“原纤化纤维素”同样用于纳米原纤化纤维素(nfc)或微原纤化纤维素(mfc)。

纤维素也可以转化为纤维素晶体，更为人所知的是缩写cnc(结晶纳米纤维素)或ncc(或“晶须”或纳米晶体纤维素)。纳米晶体纤维素(ncc)是纤维素晶体，其至少一个尺寸小于100nm。纳米晶体纤维素通常具有100nm至500nm之间的长度，例如等于约300nm，并且最常见的直径为5nm至20nm。

根据描述，含有至少80重量％的可能在表面上官能化的纳米晶体纤维素、可能在表面上官能化的原纤化纤维素(nfc，mfc)或可能在表面上官能化的纳米晶体纤维素和原纤化纤维素的混合物的材料称为纳米纤维素。优选地，纳米纤维素含有至少90重量％的纳米晶体纤维素。“在表面上官能化的纳米晶体或原纤化纤维素”意味着化学基团接枝在纳米晶体或原纤化纤维素的表面上。

发明人强调的是，可以通过使用纳米纤维素来固定两个表面。发明人特别强调的是，沉积在第一表面上的第一层纳米纤维素可以固定到沉积在第二表面上的第二层纳米纤维素，或者在第二表面属于含有纤维素的物体的情况下可以直接固定到第二表面上。

图1表示系统10的实施例，系统10包括第一物体12和第二物体14，第一物体12包括第一表面13，第二物体14包括第二表面15。根据一个实施例，第一物体12和第二物体14是扁平物体，即它们对应于比物体的其他尺寸小至少10倍的最小尺寸的物体。根据一个实施例，第一物体12和/或第二物体14含有纤维素，优选至少50重量％的纤维素，更优选至少80重量％的纤维素。在一个变型中，第一物体12和/或第二物体14不能含有纤维素并且可以是任何固体材料，例如由塑料材料制成。在这种情况下，可以在每层纳米纤维素16、18和相关物体12、14之间提供表面(电晕或等离子体类型)或界面层(未示出)的预处理，以促进纳米纤维素层16、18粘附在相关物体12、14上。

作为示例，第一物体12是纸张或纸板，第二物体14是纸张或纸板。作为示例，第一物体12和/或第二物体14的厚度在10μm和350μm之间。根据一个实施例，第一物体12和第二物体14形成同一物体的一部分，例如信封、纸板箱、密封包装等。

该系统包括在第一表面13的一部分上的第一层纳米纤维素16和在第二表面15的一部分上的第二层纳米纤维素18，第一层纳米纤维素16与第一表面13接触并固定到第一表面13，第二层纳米纤维素18接触第二表面15并固定到第二表面15。第一表面13和第二表面15至少在纳米纤维素层16、18处具有互补的形状。根据一个实施例，第一表面13和第二表面15至少在纳米纤维素层16、18处是基本上平坦的。第一层纳米纤维素16与第二层纳米纤维素18接触并固定在第二层纳米纤维素18上。第一层纳米纤维素16和第二层纳米纤维素18可以至少部分地互相渗透。根据一个实施例，沿垂直于第一表面13或第二表面15的方向测量的每层纳米纤维素16、18的最大厚度为0.5μm至20μm，优选0.5μm至10μm。

第一层纳米纤维素16和第二层纳米纤维素18在第一物体12和第二物体14之间形成固定区域20。每层纳米纤维素16、18的尺寸取决于第一表面13和第二表面15之间的固定区域20的尺寸。根据一个实施例，固定区域20在与固定区域20处的第一和第二表面13、15平行的平面中的最小尺寸大于500μm。作为示例，固定区域20在平行于第一和第二表面13、15的平面中的最大尺寸小于5cm。在固定区域20周围，第一物体12没有机械地连接到第二物体14，并且在第一物体12和第二物体14之间可以存在例如填充有空气的间隙22。

图2表示系统30的另一个实施例，系统30包括系统10的所有元件，不同之处在于不存在第二层纳米纤维素18。因此，固定区域20对应于第一层纳米纤维素16和第二表面15之间的接触面。在该实施例中，第二物体14至少含有纤维素，优选至少50％重量的纤维素，更优选至少80％重量的纤维素。

图3是用于产生图1中表示的系统10的方法的实施例的框图，该方法包括连续的步骤40、42和44。

在步骤40中，该方法包括形成纳米纤维素。纳米晶体纤维素(ncc)可以使用化学处理获得，例如通过用硫酸处理水解纤维素。原纤化纤维素(nfc或mfc)可以通过在悬浮(纸浆)的纤维素纤维(例如木材)的混合物上进行的机械处理步骤获得。该步骤是通常在均化或摩擦机器中例如通过纤维摩擦进行的纤维素纤维的机械分解。

可以在步骤40中或在步骤40和42之间进行另外的处理以获得在纳米纤维素表面上官能化的纳米纤维素。处理是例如酶处理或化学处理，对应于例如酯化、醚化、硅烷化、表面聚合或氨基甲酸酯形成反应。例如，使纤维素的羟基(-oh)部分或全部与不同的化学试剂反应，得到纤维素酯或纤维素醚。为了获得纤维素酯，试剂可以是有机酸或酸酐，例如脂肪链羧酸。为了获得纤维素醚，试剂可以是卤代烷烃，例如脂肪链环氧化物。

在步骤40结束时，含有纳米纤维素的组合物可以是流体或粘性悬浮液的形式，例如以凝胶的形式。作为示例，含有纳米纤维素的组合物含有0.1％至20％重量的纳米纤维素，优选2％至10％。溶剂通常是水，并且可以是水/醇混合物或任何其他溶剂，其中可能被官能化的纳米纤维素悬浮液是稳定的，即它易于分散并且可以进行均匀沉积。

在步骤42中，在第一物体12上形成第一层纳米纤维素16，在第二物体14上形成第二层纳米纤维素18。纳米纤维素层16的形成可以通过借助于称为添加剂的方法(例如通过任何表面涂覆技术，称为纸张涂层，例如棒涂或刮涂甚至幕涂以及借助于在所需位置直接印刷含有纳米纤维素的组合物(例如，通过喷墨印刷、日光印刷、绢网印刷、柔性版印刷、喷涂或滴铸))在第一物体12上沉积含有纳米纤维素的组合物来制备。因此可以提供干燥步骤以使沉积的组合物的溶剂蒸发。例如，含有纳米纤维素的组合物可以以0.5g/m²至10g/m²的量和0.5μm至10μm的厚度沉积。纳米纤维素层18可以以与纳米纤维素层16相同的方式形成。

图4表示在步骤42之后获得的结构实例，其中纳米纤维素层16已经形成在物体12上。

步骤44对应于在系统10的情况下在物体14上沉积的纳米纤维素层18处固定沉积在物体12上的纳米纤维素层16，或者在系统30的情况下直接固定在物体14的表面15上。

步骤44可以包括在系统10的情况下使纳米纤维素层16与纳米纤维素层18接触以及至少部分局部加热接触的纳米纤维素层16和18，并且包括在系统30的情况下使纳米纤维素层16与表面15接触以及至少部分局部加热纳米纤维素层16。可以通过外部热源和/或在系统10的情况下纳米纤维素层16和18彼此的机械摩擦以及在系统30的情况下纳米纤维素层16和物体14的机械摩擦来完成。步骤44可包括在固定区域中局部压缩物体12和14，例如在大于0.25mpa、优选大于0.28mpa、特别是在0.5mpa和20mpa之间的压力下。

根据一个实施例，步骤44包括在系统10的情况下将纳米纤维素层16、18彼此超声焊接的步骤和在系统30的情况下将纳米纤维素层16超声焊接到物体14的步骤。通过称为超声波发生器或焊接头的振动工具将高频振动施加到两个物体12和14上。使用在待固定部件的界面处产生的热量和/或机械振动的热量来完成焊接。焊接步骤的持续时间可以在0.005s和10s之间。优选地，步骤44期间纳米纤维素层16中的局部最高温度低于350℃。

图5部分地和示意性地表示超声波焊接装置50的示例。装置50包括：

发电机52，用于提供电振荡控制信号s；

电磁换能器或转换器54，用于将控制信号转换成机械振荡运动；

用于保持物体12的装置，物体12上已经沉积了待焊接的部件，即，在图1所示的系统10的情况下，沉积有纳米纤维素层16的物体12和沉积有纳米纤维素层18的物体14，纳米纤维素层16和18彼此接触，以及在图2所示的系统30的情况下，沉积有纳米纤维素层16的物体12和物体14，纳米纤维素层16与物体14接触；以及

超声波发生器58，构造成将振荡运动从转换器54传递到待焊接的部件。

根据材料的类型和待组装部件的形状，通常使用的频率在20khz和70khz之间并且振动的幅度在10μm和120μm之间变化。焊接操作的持续时间可以大于0.8秒，优选大于0.9秒。

在系统10和系统20的情况下，发明人进行了剥离测试。纳米纤维素层16和18含有至少90重量％的纳米晶体纤维素并且对应于宽度为4mm(+/-1毫米)和长度为28毫米(+/-1毫米)的条带。剥离角度为180°。最大剥离载荷对应于将两个物体12和14分开所需的力除以固定区域20的宽度。发明人已经获得了宽度为25mm的大于0.8牛顿的剥离力，同时在没有纳米纤维素层的情况下，表面之间的粘附力为零。在某些情况下，当两个纸张表面之间的剥离载荷不为零时，最大载荷可达到两倍高，例如每25毫米10牛顿而不是每25毫米5牛顿。

已经进行了测试。对于这些测试，所使用的纸板是由木材内部的纸板或由斯道拉恩索公司生产的300g/m²的多层fbb纸板(折叠箱板)。对于某些测试，该纸板已在其纤维面上涂覆有纳米纤维素。已经使用了两种类型的纳米纤维素：纳米原纤化纤维素(nfc)或纳米晶体纤维素(ncc)，其分别以2质量％和12质量％悬浮在水中。使用endupap型涂布机进行涂布，该涂布机是一种自动机器，可以使用meyer棒进行涂布。纳米纤维素在一个或多个通道中沉积的量可以在0.5g/m²至5g/m²之间变化。然后通过在100℃下接触10分钟来完成纸板的干燥。超声波焊接使用由mécasonic公司以商品名omegaiiidg-mcx商业化的超声波装置完成。超声频率为20khz，超声波振幅为90μm。

示例1

对于第一个例子，使用了第一对、第二对和第三对fbb纸板。

对于第一对纸板，第一对纸板上没有沉积纳米纤维素。第一对纸板施加到彼此上，并且已经进行了超声波焊接操作。没有观察到第一对纸板彼此之间存在粘附。

对于第二对纸板，没有纳米纤维素沉积在第二对中的一个纸板上，并且纳米纤维素已经沉积在第二对中的另一个纸板上。第二对纸板已经在纳米纤维素层的一侧彼此接触并且已经进行了超声波焊接操作。已经观察到第二对纸板彼此粘附。

对于第三对纸板，纳米纤维素已经沉积在第三对的每个纸板上。第三对纸板已经在纳米纤维素层的一侧施加到彼此，并且已经进行了超声波焊接操作。已经观察到第三对纸板彼此粘附。

第一个例子强调的是，没有纳米纤维素时没有观察到两个纸板之间有粘附，而当在其中一个纸板上存在至少一层纳米纤维素时，观察到粘附。

示例2

对于第二个例子，使用了几对fbb纸板。对于每对纸板，纳米纤维素已经沉积在该对的每个纸板上。每对的纸板已经在纳米纤维素层的一侧施加到彼此，并且已经进行了超声波焊接操作。在超声波焊接操作期间修改了两个参数：焊接持续时间和施加在纸板上的压力。测试了几个压力/持续时间扭矩。当观察到纸板的焊接时，进行了180°的剥离测试。

表i将测试结果组合在一起。表中的非空框表示进行的测试。当在剥离测试期间无法获得或量化焊接时，术语“nd”被添加到表中。列出的值(以n/m表示)是在180°剥离试验期间获得的值。

表1。