[发明专利]制造颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备包括含纤维素纤维和生物复合物（biocomposite）的颗粒的方法，由本发明的方法制造的颗粒，以及所述颗粒在用于制造包含破碎纤维的生物复合物的方法中的应用。

背景技术

生物复合物是来源于石化产品的普通复合物的绿色替代物，其通常由作为基质材料的可生物降解聚合物和作为强化材料的可生物降解填料组成。淀粉是用于替代基于石油的塑料最有前途的多糖聚合物之一，并且由于其具有丰富性和可生物降解能力的期望特性，因而一般用作基质聚合物。另外，当淀粉与水及另外的增塑剂（通常为甘油）混合时，它能够作为热塑性淀粉（TPS）被熔融处理。尽管淀粉具有人们感兴趣的物理和化学特征，但是当在工业生产中利用淀粉时，仍出现了许多复杂的问题。

与其他碳水化合物和可食用聚合物不同，淀粉作为离散的半晶质亲水颗粒出现，由直链淀粉和支链淀粉组成，称作淀粉颗粒。直链淀粉组分具有高熔融粘度，这对它的可加工性具有消极影响。另外，淀粉是易吸湿的并且对老化敏感，在含淀粉产品的长期储存期间引起不希望发生的结构变化和发生解晶作用（decrystallization），导致较差的性质。因此，传统的工艺技术通常不适用于作为在聚合物进入熔化状态之前就发生热降解的淀粉。然而，虽然仍显示非常窄的处理窗口，但是利用高温、剪切、和水的特定组合，也能够像热塑性材料一样来处理淀粉。通过加入各种类型的增塑剂，能够调节所得的TPS材料的物理和化学性质。

用作生物复合物强化材料的可生物降解填料相对经常地来源于构成植物细胞壁主要部分的纤维素、线性β-(1,4)-葡聚糖。在实际的任何技术领域中，纤维素纤维通常被用于许多应用，而不仅限于造纸业、制浆业和纺织业，在药学和药物加工业中也经常发现这些应用。因此，纤维素的物理和化学性质是基本研究努力的重点，而这种多糖的结构组成和特性是众所周知的。植物细胞壁包含纤维素纤丝，而纤维素纤丝又由来源于个体纤维素链的纳米纤丝组成。这些纳米纤丝具有非常引人注目的机械性能并且它们具有的高纵横比（具有长度达到几个微米和宽度约为5-100nm的量级）使得聚合物称为合成纤维的有希望的替代品。与传统的纤维质纤维相比，与在复合物材料中作为填料/强化剂的纳米级纤维（例如，纳米纤丝）有关的最重要优势在于，即使在低填料含量下也能使材料的机械性质得到改善。

基于植物细胞壁的机械破碎来提取纤维质纳米纤丝是一种固有困难的过程。尽管应用显著的机械力和各种化学预处理，例如强水解，但破碎过程几乎总是产生成束的纳米纤丝，而不是非常希望得到的个别的纳米纤丝（Saito et al.,Communications,Biomacromolecules,Vol.7,2006）。

对于大多数工业而言，熔融处理和其他传统的处理途径是主力技术，尤其是对于汽车业和家具业。复合物，尤其是纳米复合物，组成熔融处理有吸引力的原材料。然而，纳米复合物具有较高的熔融粘度，这暗示了填料含量变得无法接受的低。这种现象的原因在于，纳米纤维的高纵横比和较大的比表面导致了较高的熔融粘度。进一步地，通常利用的工艺条件，旨在能够利用可行的反应系统，进一步暗示了纳米纤维含量通常很低，即例如，大约0.5%，这是不能显著改善所得复合物性能的含量。

例如，溶剂浇注（solvent casting）是主要的实验室方法，此外还具有絮凝问题，这暗示了它的工业实用性目前受到限制（Svagan et al.,Biomacromolecules,Vol 8,2007）。

生产纤维素纳米复合物的其他方法包括干燥的纤维素纳米纤维网络的浸渍（Nakagaito et al,Applied Physics A,Vol 80,2005）和在两层热塑性片材之间压缩模塑干燥纤维素纳米纤维网络；这两种方法都具有固有的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题并满足现有的需求，即，首先，能够使用廉价的生物复合物作为传统工艺技术的有效破碎环境，尽管大多数普通基质聚合物（淀粉）的不希望具有的特征，第二，使得能够从含纤维素的纤维获得包含高比例具有微纤丝的纤维素的纤维质的纳米复合物材料，其中与现有技术相比，该纳米复合物材料具有增加的强度和劲度（stiffness），以及，第三，提供一种用于制备颗粒的新技术，使得能够制造具有存在于聚合物基质中的同质分散的纳米纤维的纳米复合物。因此，本发明涉及用于制备包括含纤维素的纤维的颗粒的方法，以便将所述颗粒进一步加工成期望的（纳米复合物）产物。