[发明专利]可堆肥的或基于生物的发泡物、制造和使用方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及可堆肥的或基于生物的材料组合物，以及涉及用于产生轻质的、可堆肥的或基于生物的发泡物的新方法，具体地涉及利用熔体加工技术来混合可堆肥的或基于生物的材料和起泡剂以生产发泡物的方法，在某些特别优选的实施方式中，所述起泡剂并不包含任何挥发性有机成分（VOC）如戊烷。所述组合物和方法可用于生产各种产品。

背景技术

聚合物发泡物包括在聚合物基质中的多个空隙，也称为单元。通过用空隙替代固体塑料，对于给定体积，聚合物发泡物使用比固体塑料更少的原料。因此，通过使用聚合物发泡物来代替固体塑料，在许多应用中，可以降低材料成本。另外，发泡物是非常好的绝缘体，其可以密封建筑结构，以避免空气和湿气的侵入，节省水电费（utility bills），并增加建筑的强度。

相比于常规聚合物发泡物，微孔发泡物具有更小的单元尺寸和更高的单元密度。在一些情况下，发泡过程将成核剂，其中一些是无机固体颗粒，加入聚合物熔体（在加工过程中）。这些试剂可以具有多种组合物，如滑石和碳酸钙，并加入聚合物熔体中，通常用来促进泡核作用。在形成均匀单元结构中，成核剂在聚合物混合物内的分散经常是关键的。

用于可膨胀聚苯乙烯（EPS）的材料通常是无定形聚合物，其呈现约95℃的玻璃化转变温度和约240℃的熔化温度。将EPS树脂转化成膨胀的聚苯乙烯发泡制品的过程需要三个主要阶段：预膨胀、熟化、和模制。制备由聚苯乙烯和起泡剂产生的可膨胀珠粒，然后在预膨胀器中借助于蒸汽加以膨胀。预膨胀的目的是产生对于特定应用所期望的密度的发泡物颗粒。在预膨胀期间，将EPS珠粒供给到预膨胀器容器中，其包括搅拌器和受控蒸汽以及空气供应。蒸汽引入预膨胀器会产生两种效应：EPS珠粒软化以及将起泡剂（其分散在EPS珠粒内，通常为戊烷）加热至高于它的沸点的温度。这两种情况引起EPS珠粒体积膨胀。颗粒的直径增加同时树脂的密度降低。预膨胀颗粒的密度是约1000kg/m³，而膨胀珠粒的密度则为20至200kg/m³；其取决于过程，可以实现密度5至50倍降低。

熟化具有多种目的。它允许在预膨胀期间在发泡物颗粒的单元内产生的真空与周围的大气压力达到平衡。它允许蒸发在发泡物颗粒表面上的残余水分。以及，它提供过量残余起泡剂的消散。熟化时间取决于许多因素，包括原始树脂的起泡剂含量、预膨胀密度、和环境因素。未适当熟化的预膨胀珠粒对物理和热冲击是敏感的。在熟化以前，所述珠粒的模制可以引起颗粒内的单元破裂，从而产生不希望的模制发泡物部件。

在已熟化预膨胀珠粒以后，将它们转移至模制机，该模制机包括一个或多个空腔，所述空腔针对一个或多个所期望的模制发泡制品成型。模制的目的是将发泡物颗粒一起融合成单一发泡部件。EPS的模制可以遵循简单顺序：首先用预膨胀珠粒填充模制腔；通过引入蒸汽来加热模具；冷却在模制腔内的模制发泡制品；以及从模制腔中取出成品件。引入模制机的蒸汽引起珠粒软化以及甚至进一步膨胀，这是由于残余起泡剂所致，如戊烷或浸渍的CO₂。在封闭腔中这两种效应的组合允许单个颗粒融合在一起成为单一固体发泡物部件。

对于用于包装的许多塑料制品越来越需要是可生物降解的，例如在饼干和糖果包装中的托盘。一段时间来，淀粉膜已被提议作为生物可降解的替代品。美国专利号3,949,145描述了淀粉/聚乙烯醇/甘油组合物用作可生物降解的农用地膜。

用来产生可生物降解产品的常见方法是结合聚乳酸（PLA）和淀粉以产生可水解降解的组合物。在生产淀粉类聚合物（尤其是通过热熔挤出）中已经遇到困难。淀粉的分子结构受到为塑化淀粉并使它通过挤出模具所需要的剪切应力和温度条件的不利影响。

通常将起泡剂引入聚合物材料以制造聚合物发泡物（以两种方式之一）。根据一种技术，使化学起泡剂与聚合物混合。在聚合物材料中，通常在其中聚合物被熔化的条件下，化学起泡剂经历化学反应，从而引起气体形成。化学起泡剂通常是低分子量有机化合物，其在特定温度下分解并释放气体如氮气、二氧化碳、或一氧化碳。根据另一种技术，将物理起泡剂，即在环境条件下为气体的流体，注入熔融聚合物流，以形成混合物。使混合物经受压力降低，从而引起起泡剂在聚合物中膨胀并形成气泡（单元）。数个专利和专利出版物描述了微孔材料和微孔过程的一些方面。