制造纤维素生物塑料的方法技术

本发明专利技术包括生物塑料和制造生物塑料的方法，所述方法包括以下步骤：将低质量纤维素生物质溶解在溶剂中，其中低质量被定义为具有很小至没有纺织价值；通过除去溶剂再生纤维素纤维；在多元醇存在下将纤维素纤维塑化成塑化的膜；以及将塑化的膜热压成生物塑料。以及将塑化的膜热压成生物塑料。以及将塑化的膜热压成生物塑料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造纤维素生物塑料的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年6月1日提交的第63/033,084号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]专利技术的

[0004]本专利技术总体上涉及纤维素加工领域，并且更具体地涉及制造纤维素生物塑料的新系统和新方法。
[0005]联邦资助的研究的声明
[0006]无。
[0007]专利技术背景
[0008]在不限制本专利技术范围的情况下，结合石油基塑料描述其背景。
[0009]石油基塑料材料被广泛用于建筑、汽车和航空航天行业。玻璃纤维在1940年被引入，其是最耐用和最轻的塑料材料之一。第二次世界大战之后，石油基塑料的使用变得广泛(Geyer等人，2017)。塑料的大规模生产始于20世纪40年代(Hernandez等人，2017)。对一次性塑料容器的兴趣加速了塑料在全球的增长。这导致塑料的市场份额的增加以及城市固体废物中塑料废物百分比的增加(Geyer等人，2017)。每年生产数百万公吨塑料材料(Thompson等人，2004)。大量的塑料材料作为不可降解的废物被处置到环境中(Park等人，2004)。据报道，每年使用超过2.4亿吨的塑料材料，而丢弃的塑料材料的回收是非常有限的(Rillig，2012)。如果当前的塑料生产趋势继续，到2050年，在垃圾填埋场中或在环境中将积累约12000公吨(Mt)的塑料废物(Geyer等人，2017)。最常用的塑料是不可生物降解的，因为这些塑料的组成单体源自化石烃类，诸如乙烯和丙烯。这导致塑料在垃圾填埋场中或在环境中的积累。只有破坏性热处理，诸如燃烧或热解，可以永久性地消除塑料废物(Geyer等人，2017)。通过焚烧进行的塑料废物管理与负面影响相关，将温室气体释放到大气中(Park等人，2004)。
[0010]不可降解的石油基塑料在环境中的积累是日益关注的问题。塑料海洋垃圾已经达到临界点(Peters和Bratton，2016)。这种海洋垃圾来自内陆来源，并且然后被自然地运输到世界的河流和海洋。海洋垃圾进一步被风和水流扩散(Geyer等人2017；Free等人2014)。塑料废料也被有意地切碎成小碎片，并且然后被丢弃。它们的存在是如此广泛，使得它们可见于所有主要的海洋盆地和偏远的岛屿海岸(Barnes等人，2009)。塑料废物的存在如此普遍，使得其已在淡水和深海环境中都存在(Hirai等人，2011；Wagner等人，2014；Rillig 2012)。最近，被称为微塑料的小的破碎塑料颗粒的影响已经成为环境问题的日益增长的焦点(Wright等人，2013)。
[0011]由于两个主要原因，微塑料引起广泛的问题：(1)生物群可以容易地摄入小塑料颗粒，将它们置于食物链中，和(2)微塑料颗粒可以通过将污染物吸附至它们的表面上而变得富含污染物。塑料本身造成化学危害。它们对周围的化学污染物具有亲和力。微塑料本质上是相对疏水的，并具有大的表面积。微塑料性质使得它们吸附持久性有机污染物。由低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯组成的塑料材料可在微塑料上积累更多的有害化学物质，
然后微塑料可被海洋动物摄取。在塑料碎片中也已检测到较高浓度的有机微污染物、多环芳烃和多氯联苯的存在。单体、添加剂和吸附的污染物从塑料中浸出，导致许多对环境的负面后果。
[0012]最近在29个五大湖支流中进行的研究发现，在107个样品的每个中存在浓度范围为0.05至32个颗粒/m3的塑料(Baldwin等人，2016)。Baldwin等人报道，98％的颗粒在微塑料尺寸范围内，其中72％在0.355mm至0.99mm的最小尺寸范围内。塑料颗粒的最主要类型是纤维，其见于71％的样品(Baldwin等人，2016)。Ling等人评估了来自42个沿海和河口地点的海洋沉积物样品中塑料碎片的浓度，并公布了类似的结果(Ling等人，2017)。他们在所有沉积物样品中检测到微塑料，其中84％的碎片是尺寸在0.038mm至0.250mm范围内的细丝。Miller等人报道了在整个哈德逊河(Hudson River)中，甚至在偏远地区人为微纤维的存在(Miller等人，2017)。根据他们的研究，他们证明在2016年6月的每天可能有2亿至8亿根纤维流过哈德逊河。Yu等人在从美国多个沿海地区收集的沙子样品中观察到不同形状的微塑料的存在(Yu等人，2018)。他们报道了纤维状微塑料为主要类型。
[0013]关于来自合成纤维和合成材料的微塑料积累的日益增加的环境问题导致迫切需要找到石油基产品(纤维，诸如聚酯、尼龙、膜、塑料、一次性材料等)的替代品。这些石油基产品由于其持久性而臭名昭著，因为当在垃圾填埋场中处置时它们不是可生物降解的。它们具有积累而不是分解的趋势，并且它们的或者借助于机械降解或者借助于光氧化的降解或分解的动力学是非常长的。例如，据报道，纤维素纤维(微晶纤维素和棉)的生物降解速率高。然而，石油基材料(例如聚酯)不是可生物降解的。因此，从环境的角度来看，开发可以代替石油基材料的基于纤维素(在这种情况下为棉)的材料是非常重要的。这就为低级棉纤维(低马克隆值(micronaire)纤维)创造了新的利基市场。
[0014]生物塑料是石油基塑料的较安全的替代品。生物塑料是从可再生的生物质来源获得的，所述可再生的生物质来源包括植物脂肪和油、淀粉、纤维素等。生物塑料很大程度上是可生物降解的，但不是所有的生物塑料都是可生物降解的。塑料的可生物降解性取决于原材料、聚合物的化学结构、最终产品的结构以及环境。生物塑料分为两类：1)生物基塑料和2)可生物降解的塑料。塑料应当满足特定的标准而被认为是可生物降解的。考虑到在可生物降解塑料的生命周期期间的能量消耗、废物产生和温室气体排放，可生物降解的塑料提供明显的优势(Rujnic
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Sokele和Pilipovic，2017)。根据ASTM(美国材料与试验协会，American Society of Testing and Materials)和ISO(国际标准化组织)，在某些环境条件下，可生物降解的塑料的化学结构发生显著变化，这导致机械和物理性质的损失。微生物，诸如真菌、细菌和藻类引起生物塑料的降解。生物降解过程产生作为最终产物的CO2和H2O以及有机材料。通过植物释放的CO2的量显著低于其生命周期期间的消耗量。将生物质与可生物降解的聚合物共混可以使所得的生物基塑料可生物降解。可生物降解的聚合物经历微生物诱导的断链，这可以改变聚合物，导致光降解、矿化、水解和氧化。
[0015]天然纤维基生物塑料材料具有广泛的应用，包括建筑、汽车、航空航天、运动和休闲行业。生物塑料材料的具体用途可以是用于包装托盘、帽架、仪表板、门板、后背箱衬垫、内置发动机罩、座椅靠背、油/空气过滤器和外部地板下镶板。生物材料作为支架的用途显示出对于软组织生长的优异性。绿色材料的生物医学应用与合成材料的区别在于它们的生物相容性、生物活性和可生物降解性的性质。棉纤维素在生物医学应用中的用途已经被研<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造生物塑料的方法，其包括以下步骤：将低质量纤维素生物质溶解在溶剂中，其中低质量被定义为具有很小至没有纺织价值；通过除去所述溶剂再生纤维素纤维；在多元醇存在下将所述纤维素纤维塑化成塑化的膜；以及将所述塑化的膜热压成生物塑料。2.权利要求1所述的方法，其中所述纤维素源自棉、木材、大麻、细菌纤维素、微生物纤维素，被囊动物、藻类或草纤维素。3.权利要求1所述的方法，其中所述低质量纤维素是具有以下值中的一个或多个的低质量棉纤维素：(1)等于或小于2.5的马克隆值；等于或小于1.14的长度；等于或小于77％的均匀度；等于或小于29的强度克/特克斯；等于或小于7％的伸长率，31
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3的色级，或等于或小于2的叶屑。4.权利要求1所述的方法，其还包括以下中的至少一个的步骤：在溶解于所述溶剂中之前，洗涤或漂白所述低质量纤维素生物质。5.权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是碱金属/有机溶剂，所述有机溶剂选自二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、丁氧基乙醇、1
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丙醇、甲醇、乙醇、2
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丙醇、丙酮、二甲亚砜、脲或环丁砜。6.权利要求1所述的方法，其还包括向所述溶剂中添加离子盐，其中所述离子盐是以下中的至少一种：LiCl、NaOH、NaCl、LiF、KCl或LiBr。7.权利要求1所述的方法，其中所述低质量纤维素生物质以0.1
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2％的重量与体积比溶解于所述溶剂中。8.权利要求1所述的方法，其中所述溶解步骤在至少100℃或更高的温度下持续至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12小时。9.权利要求1所述的方法，其中所述多元醇是甘油、聚(氯乙烯)、聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(乙酸乙烯酯)、聚丙二醇、聚乙二醇、乙二醇或山梨醇。10.权利要求1所述的方法，其中将所述低质量纤维素生物质溶解在有机溶剂中持续第一预定时间段，然后添加离子盐持续第二预定时间段。11.权利要求1所述的方法，其还包括使所述生物塑料形成膜、纤维，纺成纱、基体、垫、网或功能化的步骤。12.权利要求1所述的方法，其中所述多元醇为10
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99％的体积与体积比。13.权利要求1所述的方法，其还包括在脂肪酸、油酸、亚油酸或选自月桂酸乙烯酯、硬脂酸乙烯酯、癸酸乙烯酯和戊酸乙烯酯的脂肪族化合物的存在下用等离子体功能化所述生物塑料的步骤。14.权利要求1所述的方法，其中所述生物塑料是在土壤中可生物降解的、部分可生物降解的或不可生物降解的。15.权利要求1所述的方法，其还包括在溶解所述低质量纤维素生物质的步骤之前水解所述低质量纤维素生物质的步骤。16.一种制造生物塑料的方法，其包括以下步骤：洗涤、漂白、或者漂白和洗涤低质量纤维素生物质；
将洗涤和/或漂白的低质量纤维素生物质溶解在溶剂和离子盐中，其中低质量被定义为具有很小至没有纺织价值；通过除去溶剂再生纤维素纤维；在多元醇存在下将所述纤维素纤维塑化成塑化的膜；以及将所述塑化的膜热压成生物塑料。17.权利要求16所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：得克萨斯技术大学联合体，
类型：发明
国别省市：