专利名称：用于从麸皮制备可生物降解的模塑制品的材料及其方法
技术领域：
本发明涉及一种制备可生物降解的模塑制品特别是餐具和包装材料的材料，和制备此种可生物降解的模塑制品特别是餐具和包装材料的方法。
包装工业长期以来一直试图发现能够取消使用塑料材料的替代方案。这个问题在塑料包装容器和一次性餐具方面变得特别突出。尽管由于制备方法的简单性和可保持性而具有不可争议的优点，但是一次性餐具和包装容器现在存在有关处理它们的废物的极严重的问题。由于缺乏针对废塑料材料的有效回收方法和一次性塑料餐具的大规模使用导致非生物降解的和环境污染塑料废物的全球产量的雪崩式增长。
在生产可生物降解的包装容器和一次性餐具中的越来越高兴趣使得有望在本领域中逐步取消使用塑料。
作为在生产包装容器和一次性餐具使用的熟知材料的纸张可被视为在一定程度上是环境友好的。纸张废物对环境是无害的，但是纸张用作包装容器和一次性餐具的材料不能解决废纸问题和纸张生产过程引起相当程度的污染和自然环境的污染的本质。
可生物降解的包装容器构成了各种包装。已公知能够得到可生物降解的包装容器和一次性餐具的各种方法和材料。由此制得的产品在各种环境因素例如氧气、湿气、光和微生物体的影响下经历了自然降解。这种类型的包装容器是被更经常地使用，因为在一些欧洲国家环境法规已经生效并对常规的包装容器生产设定了直接的限制或对它们的生产商征收专门的税收。然而，它们的生产成本仍然比常规的包装容器的成本高约15％。
已知有包含淀粉和纤维素作为组分的可生物降解的包装材料。含有6-11％玉米淀粉的聚乙烯基包装材料容易经历由细菌和淀粉酶引起的生物降解。为了加速它们的生物降解过程，目前使用促进聚乙烯氧化的特定添加剂。然而，这个方案仍然要求使用生物降解辅助系统和采用各种补充措施例如废料的分离。
通过在压力下加热其中含有增塑剂的含水淀粉而制得淀粉基热塑性材料。由这类材料制得的制品是通过采用类似于在制备塑料挤出模塑制品中使用的常规工具的挤出方法制得。例如两个德国公司“Biopack”和“Sandoz”开发了淀粉基包装材料。这种材料是通过添加各种可模塑性改进剂和纤维素至淀粉粉末而制得。由此制得的该混合物是用于在190℃于压力下通过挤出模塑所需的产品。在此种工艺条件下实施的挤出工艺并没有能够实现在离开挤出口模后的模塑材料产生的形状的准确重复，因为压力和环境的温度的突然改变而使得形状易于膨胀。所得产品具有有熔融的蛋白质单纤维束形成的蜂窝状结构。由于整个过程在挤出机中进行，因为高温和压力的联合效应，重要的物理化学变化以不可控制的方式发生，由此影响了材料性能的重复性。另外，挤出工艺具有连续的性质且它的进程不是完全可控的。
含有淀粉和从石油中得到的水溶性聚合物的材料也属于公知的现有技术材料。在该材料中包含的淀粉的量是10-70％。该材料的一种可能的应用是用于包装动物饲料。此种包装在倒空后可被分解并添加至动物饲料中以作为可充分消化的饲料。
薄饼面团是熟知和通常使用的一种生物来源的环境友好材料。其主要用于制备盛装冰淇淋的一次性杯子。此种杯子的生产包括在专门的模具中由小麦粉和水制得的稀浆液状面团焙烤制得。然而，此种薄饼杯容易吸收水分且逐渐变软和不结实，这大大地限制了它们的应用潜力。
在波兰专利No.171872中公开了一种材料，其包含30-85重量％的多糖基可生物降解的合成材料和15-70重量％的淀粉或非改性纤维素作为可生物降解添加剂以及少量的辅助成分。这种材料是通过熔融它的多糖基体和向其中添加淀粉或纤维素而制得的。这种混合物主要具有水分含量不超过25％的淀粉在它的多糖基体中的分散体的形式或纤维素在它的多糖基体中的分散体的形式。然后将这个混合物粉碎成颗粒并将颗粒体用于模塑所需的产品。这个方法是较复杂的一个并包括了许多阶段。
还从EP 051589公知一种方法，其中由含有马铃薯淀粉、少量谷物淀粉、蔬菜油、稳定剂、乳剂和水分的面团以单步法制得包装容器。这个包装容器通过在合适的模具中压制成形并在65-105℃下保持模塑制品60-120秒而制得。此后缓慢地冷却模具并从该模具中取出由此制得的模塑制品。所得的包装容器是极其耐受液体的且适于存放冷和热的食品。
波兰专利No.167 213中公开了一种制备薄壁的可生物降解的模塑制品的方法。该方法包括将包含30-63重量％水、27-69重量％淀粉基料、防粘合剂、增稠剂、至多为16重量％的富纤维素原材料、至多10％的非纤维填料、水分保持剂、着色剂、结构硬化剂、防腐剂和抗氧化剂的混合物在模具于145-230℃下焙烤25-230秒并随后进行调节以致于在所得的模塑制品中水分含量为6-22重量％。该方法可用于制备一次性杯子、快餐盒/包装盒、食品包装衬垫以及纸张或卡纸状片材或纸幅。由这种方法制得的产品的壁厚一方面足以(厚至)确保对破裂和开裂(当从预定的使用方向观察时)的所需耐受力，且另一方面，又是足以(薄至)在普通的自动薄饼焙烤机中使用的常规模具的两个半模之间能够有效的焙烤。
在另一个波兰专利说明书No.174 592中，公开了一种环境友好的材料和一种制备一次性餐具和包装容器的方法。所述材料的干混合物含有干物质量的50-95重量％的谷类磨碎产物、干物质量的0-90重量％的磨碎马铃薯、大豆和其它植物和含有干物质量的0-30重量％的动物蛋白质作为粘合剂以及香味和芳香赋予剂、防腐剂和着色剂。上述的组分是混合在一起并与水混合且捏合直至得到均匀的面团，然后挤出面团并以常规的方式焙烤几分钟。在焙烤过程中，在面团中包含的水蒸发导致模塑制品的非均匀纤维结构破坏。由此最终制品表现出大量裂纹和同一尺寸，这使得这种材料和方法不适于制备薄壁包装容器和一次性餐具，因为此种制品必须满足极其严格的标准化要求。
本发明旨在避免上述的现有可生物降解材料的上述缺点。
这个目的通过本发明的制备可生物降解的材料、特别是餐具和包装容器和制备此种可生物降解的模塑制品的方法而实现。
制备此种可生物降解的模塑制品的这种方法包括通过熟知的分离方法从干麸皮中选取尺寸为0.01-2.80毫米的级分，将所选取的麸皮级分混合在一起并与所需的干添加剂混合，并将必需量的混合物放置到合适的预热模具中；将放置到模具中的定量混合物随后在20-450℃的温度范围内和5-450kg/m2的压力下在最多为5秒期间的连续循环中暴露1-25秒，在相邻的两个循环之间的间隔期间压力交替释放。干混合物在制成之后和放置到模具之前优选是暴露在20-450℃的温度范围内和5-450kg/m2的压力下且此后，在保持在压力下的同时，将该混合物引入至预热的模具中。
用于制备可生物降解的模塑制品、特别是一次性餐具和包装容器的本发明的材料包含95-100重量％的松散麸皮、特别是麦麸，和可能高达5重量％的为浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂。在本发明的材料中使用的松散麸皮构成了谷类磨碎过程的副产品。在熟知的面粉制备过程中，为了从谷类中分离麸皮，通常最后一道工艺是用水润湿。因为麸皮具有纤维状结构，它能够以至多为其重量的45％的量按结构键合湿气的形式吸收水分而不失去其松散的形式。同时，本发明的材料不应包含低于7％的结构键合湿气。如果它的湿气含量是不足够的，则麸皮应当被进一步潮化以致于保持它的水分含量在7-45％之内。剩余的添加剂组分是选择性组分，这些组分根据实际需要和最终产品的预期用途可以被添加或可以不被添加。用作本发明的材料的主要成分的麸皮、特别是麦麸是尺寸为0.01-2.80毫米的特定选择的麸皮级分。本发明的材料不含有将使其必须焙烤长时间的任何添加剂，例如面粉。
在本发明的方法的改进中，含有为湿气形式的7-45％的结构键合水的颗粒尺寸为0.01-2.80松散麸皮、特别是麦麸以95-100重量％的量是和至多为5重量％的浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂的混合物干混合；将定量称量的所得到的模塑材料放置在多件式，优选两件式模件的模具上，闭合模具，同时将所放置的模塑材料暴露于20-450℃的温度、和1-10Mpa压力下和/或在由模具闭合活塞在高达320Mpa的压力下施加的至多100MT/cm2的压缩力下几十秒。如果要使用1-10Mpa的压力，则可通过在完全闭合模具之前密封模具且此后完全闭合模具以在其中产生压力而实现。压缩力的施加优选是通过使用液压机、机动压机、液压锤或为此用于专门设计的指定系统而实现的。材料混合物在制成之后但在放置到模具中之前优选暴露在20-450℃的温度范围内和1-10Mpa的压力下。模具的所有部分均被预热且上模和下模的温度优选是不同的以致于能够控制所产生的水蒸气的流动方向。这也能够选择所述的模塑制品的哪个表面(上表面或底表面)是较少孔状的。持续暴露材料至温度和压力或压缩力几十秒的过程可通过单个循环或多个循环完成，每个循环是几秒钟长，并在任何相邻的两个循环之间释放压力。如果所述模具具有小狭缝、筛眼或开孔口以使得能够排出在暴露至高温期间所产生的水蒸气，单个循环模式地完成本发明的方法是可能的。最终产品优选是用成膜物质以公知的方法涂覆。在将所述材料放入至模具中之前也优选将其粉碎或压成团块。选择进行压块的情况下，优选每个团块的重量等于制备所定模塑制品所需的材料或者等于它的整数分之一，这大大地促进了生产工艺。工艺变量的实际的数字例如温度、压力、压缩力、麸皮的水分含量以及所使用的麸皮的颗粒尺寸根据模塑制品尺寸、最终产品的壁厚和形状而在它们各自的特定范围内选择。
已发现，含有湿气形式的结构水的麸皮，特别是形成小麦粒的麸皮，当通过本发明的方法加工时，能够得到结构完全不同于由使用麸皮与水混合的面团形式制得的材料且然后以常规方式焙烤而得到的模塑制品。结构水分的突然蒸发导致最终产品结构形成与在含有麸皮和不含有键合水的同类材料的情况下观察到的产品结构形成完全不同的机理。最后应当提及的是，本发明的方法能够得到十分新的天然材料的模塑制品。
就尺寸和强度参数而言，本发明的方法能够实现最终产品的相当高的重复性。由此制得的最终产品具有高的和均匀的机械强度，无裂纹，表现出极低的产品不合格率，是耐受水浸泡，当用作受热餐具时表现出极好的绝热性。同时，当用作颗粒状物质的包装容器时，它们相对于任何现有的包装材料表现出极好的容器内容物排气性能，这是因为最终产品的特定结构。
相比于现有的常规塑料包装容器或由部分可生物降解的塑料制得的包装容器，本发明的模塑制品的特征是不超过30天的极高生物降解速度。另一方面，相比于可完全生物降解的现有模塑制品，由本发明的材料和使用本发明的方法制得的模塑制品具有远远更好的机械性能、实用性和美学性能。本发明的方法没有增加生产废料且使得可以使用完全天然原材料。另外，本发明的材料和方法使得实际上可得到任何的一次性模塑制品。这些模塑制品的应用领域可大大超出现有技术所公知类型的最终产品的典型应用。本发明的材料和方法可成功地用于制备包装用模塑制品(而实际上不论包装容器的总体尺寸和包装容器的目的)，许多商品和以这个词最广义包含的一次性器具，诸如医疗容器之类。
实施例I从由小麦颗粒磨碎方法得到的结构键合水分含量达到17％的松散麸皮，筛选含量如下述的下列粒度级分0.1/0.2-33重量％，0.2/0.4-25重量％，0.4/0.8毫米-40％。用于制备可生物降解的模塑制品的模塑材料是通过将99重量％的所选麸皮和0.3重量％的山梨糖醇、0.4％的炒砂糖和0.3重量％的准用食用色素混合而制得。
实施例II制备与实施例I相类似的模塑材料，唯一例外之处是在麦麸中的水分含量是7％。在将麸皮与其余组分混合之前，将其进一步润湿以将水分含量达到28％的最终含量而不影响麸皮的易碎性。
实施例III从由小麦颗粒磨碎方法得到的结构键合水分含量达到17％的松散麸皮，筛选含量如下述的下列粒度级分0.1/0.2-35重量％，0.2/0.4-25重量％，0.4/0.8毫米-40％。用于制备可生物降解的模塑制品的模塑材料是通过将96.6重量％的所选麸皮和0.3重量％的甘油、0.4％的粉末状鸡蛋白、0.7重量％可可粉和0.2重量％的浸渍物质混合而制得。
实施例IV从由小麦颗粒磨碎方法得到的结构键合水分含量达到12％的松散麸皮，筛选含量如下述的下列粒度级分0.1/0.2-40重量％，0.2/0.4-40重量％，0.4/0.8毫米-20％。用于制备可生物降解的模塑制品的模塑材料是通过将麸皮进一步润湿以将水分含量达到18％的最终含量而不影响麸皮的易碎性。
实施例V将在实施例I中制得的定量材料放置到安装在液压机上的下半模中。在放入材料之前，已将模具的两个半模预热至430℃。在放入材料之后，将材料在所述温度下和75MT/cm2的压缩力下(施加到闭模活塞上的压力达到240MPa)暴露15秒。模塑过程分三个压缩循环进行、每个循环持续5秒钟，在每个循环之间的间隔期间释放压力。随后用酪蛋白涂布如此制得的浅盘形式的模塑制品。
实施例VI通过在200℃的温度下和4Mpa的压力下暴露20秒钟而将在实施例I中制得的材料整体经受预处理。从如此预处理材料中取出一定量部分并放置在先已预热至350℃的下半模上。该模具的上半模被预热至380℃。放置到模具中的材料在单个循环中在上述的温度下和50MT/cm2的压缩力下(施加到闭模活塞上的压力达到60MPa)暴露10秒。所制得的模塑制品是直径为350毫米的一次性盘。
实施例VII将在实施例III中制得的材料放置到具有杯形模腔的模具的下半模上。将模具的两个半模预热至430℃并在该温度下保持。在完全闭合模具之前，模具的内部通过套环密封和通过将上模压紧至下模上而在模具内部产生7Mpa的压力。所制得的一次性杯子用白蛋白涂布。
实施例VIII将实施例中所制得的材料使用典型的挤出模塑机挤出压块。得到重量为25克的压块，其占模塑直径为235毫米的盘所必需材料重量的1/3。其它步骤是与实施例VI相同，唯一的例外之处是在模塑之前将3个压块放在下半模上。
实施例IX整个步骤基本上与实施例VII相同，但是材料在放入至模具中之前，使用典型的造粒机造粒。
实施例X将在实施例I中制得的一定量材料放置到安装在液压机上的下半模中。在放入材料之前，已将模具的两个半模预热至430℃。在放入材料之后，将材料在所述温度下和75MT/cm2的压缩力下(施加到闭模活塞上的压力达到240MPa)暴露20秒。模塑过程分四个压缩循环进行、每个循环持续5秒钟，在每个循环之间的间隔期间释放压力。
实施例XI在包装工业的中心研究和开发研究所(Central Research andDevelopment Institute)测试从本发明的材料和使用本发明的方法制得直径为235毫米的圆盘。这个测试包括水和油吸收测试、轴向压缩强度测试和感官评价。
—水和油的吸收测试是按照研究所的自创方法进行。两个测试是以下列方式进行将放置在吸墨纸上的圆盘分别在20±2℃和80±2℃下用200毫升水和在20±2℃的温度下用食用油分别填充，然后测量在将圆盘放置到吸墨纸上的瞬时和观察到有液体泄漏至吸墨纸上之间的时间。按照波兰标准专利说明书PN-92/P-50067“纸张、卡纸和纤维材料。标准化调节条件”，在测试之前，通过将圆盘在23±1℃的温度下和周围空气的湿度达到50±2％下保持48小时而将其调节。
—按照所述研究开发研究所的内部测试方法No.PBn/DOJ/03.11“轴向压缩强度的测定”(该测定方法是基于波兰标准专利说明书PN-75/O-79172而开发出来的)进行轴向压缩强度的测定。该测试是使用TM-M型强度试验机INSTRON对按上述制得的四个圆盘进行。在每个测试期间，记录载荷对形变的图象，直到被试验的材料发生破坏。
—按照所述研究开发研究所的内部测试方法No.PBn/DOJ/04.05“在直接接触中气味和味道转移的测定”(该测定方法是基于波兰标准专利说明书PN-87/O-79114“在直接接触中气味和味道转移的测定”而开发出来的)进行感官评价。该感官测试通过使用糖粉和面粉作为标准物质的三点试验方法而进行。
水和油吸收性的结果是总结在表1中，而关于轴向压缩强度和感官评价的结果是总结在表2中。附图
显示了在上述盘的轴向压缩强度测试期间得到的压缩力对形变关系的图形。
表1 测试由麦麸制得的浅盘的结果
表2 轴向压缩强度测定试验和感官评价
权利要求
1.一种使用麸皮、特别是麦麸作为主要原材料制备可生物降解的材料、特别是餐具和包装容器的方法，包括通过将上述的麸皮根据需要同合适的添加剂混合并将此种混合物暴露在高温下而从麸皮制得一种模塑材料，其特征在于，通过熟知的分离方法从干麸皮中选取尺寸为0.01-2.80毫米的级分，将所选取的麸皮级分混合在一起并与所需的干添加剂混合，并将必需量的混合物放置到合适的预热模具中；随后将放置到模具中的定量称量的混合物随后在20-450℃的温度范围内和5-450kg/m2的压力下在最多为5秒期间的连续循环中暴露1-25秒，在相邻的两个循环之间的间隔期间压力交替释放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，模塑材料混合物在制成之后和放置到模具之前是暴露在20-450℃的温度范围内和5-450kg/m2的压力下且此后，在保持在压力下的同时，将该混合物引入至预热的模具中。
3.一种用于制备可生物降解的模塑制品、特别是一次性餐具和包装容器的材料，其包含谷类磨碎产品和可能高达5重量％的为浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂的混合物，其特征在于，其包含95-100重量％的松散麸皮、特别是麦麸，其是颗粒尺寸为0.01-2.80毫米的特定选择的麸皮级分，以湿气的形式包含7％-45％的结构键合水。
4.制备可生物降解的模塑制品特别是餐具和包装容器的方法，其特征在于，将含有为湿气形式的7-45％的结构键合水的且颗粒尺寸为0.01-2.80毫米的松散麸皮、特别是麦麸以96-100重量％的量与高达5重量％的为浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂的混合物干混合；将定量称量的所得到的模塑材料放置在多件式，优选两件式模件的模具上，闭合模具，同时将所放置的模塑材料暴露于20-450℃的温度、和1-10Mpa压力下和/或由模具闭合活塞在高达320Mpa的压力下施加的至多100MT/cm2的压缩力下几十秒。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，模塑材料的混合物是同时暴露在高温和压力和/或压缩力下5-25秒。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具在完全闭合之前，将其密封并此后迫使它们的两个半模相互压紧以在模腔之内产生合适的压力。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具的上半模和下半模是被预热至不同的温度。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，放置到模具中的材料是以单个循环或以几个连续循环暴露至高温和压力和/或压缩力下，每个循环为几秒钟，且在所述每个循环之间的期间内释放压力。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，最终成品是用成膜物质按任何公知的方式涂布。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模塑材料混合物在制成之后但在放入至模具之前，被暴露至20-450℃的温度范围内和1-10Mpa的压力范围内几十秒。
11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模塑材料在放入至模具中之前被粉碎造粒。
12.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模塑材料在放入至模具中之前被压成团块。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，团块的重量等于模塑单个模塑制品所需的材料部分的重量或者等于此种材料部分的整数分之一。
全文摘要
一种用于制备可生物降解的模塑制品、特别是本发明的餐具和包装容器的材料，其包括95－100重量％的松散麸皮、特别是麦麸，和可能高达5重量％的为浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂的混合物，所述麸皮含有为7－45％的湿气形式的结构键合水的且颗粒尺寸为0.01－2.80毫米的经选择的麸皮级分。一种使用谷类磨碎产品制备可生物降解的模塑制品特别是餐具和包装容器的方法，其包括将含有为湿气形式的7－45％的结构键合水的且颗粒尺寸为0.01－2.80毫米的松散麸皮、特别是麦麸以96－100重量％的量与高达5重量％的为浸渍物质和/或香味和/或芳香赋予剂和/或非纤维填料和/或水分保持剂和/或着色剂的混合物进行干混合；将定量称量的所得到的模塑材料放置在多件式，优选两件式模件的模具上，闭合模具，同时将所放置的模塑材料暴露于20－450℃的温度、和1－10MPa压力下和/或在由模具闭合活塞高达320MPa的压力下施加的至多100MT/cm
文档编号A23P1/08GK1407858SQ00816784
公开日2003年4月2日 申请日期2000年11月23日 优先权日1999年12月6日
发明者耶日·维索茨基 申请人:耶日·维索茨基