納米纖維素的涂料組合物、其用途及其制造方法
【專利說明】納米纖維素的涂料組合物、其用途及其制造方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及納米纖維素的水性涂料組合物，其特征在于所述組合物具有按組合物 的重量計(jì)為2%至12%的納米纖維素干物質(zhì)的濃度，并且包含至少一種陽(yáng)離子型表面活性 劑。
[0002] 本發(fā)明還涉及該組合物作為涂層、特別是作為氧氣阻隔層或平滑層的用途。本發(fā) 明還涵蓋了涂布有該組合物的基材，例如板、卡紙板、印刷用紙或液體包裝板。此外，公開了 該組合物的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003] Turbak等[1]和Herrick等[2]在20世紀(jì)80年代描述了納米纖維素例如來自木 纖維的某些類型的微原纖維化纖維素的制造和表征。通過迫使纖維素纖維懸浮體在高壓下 經(jīng)過機(jī)械粉碎裝置獲得納米纖維素。該工序?qū)е庐a(chǎn)生了具有1% w/w或更低的納米纖維素 濃度、具有高長(zhǎng)徑比的類凝膠水分散體[1-3]。
[0004] 由于納米纖維素原纖維的獨(dú)特特性，例如非常高的比表面積和形成高度多孔的類 凝膠網(wǎng)狀物，在過去的30年中對(duì)納米纖維素進(jìn)行了大量研宄。一些最近的出版物展示了納 米纖維素如何可以在材料領(lǐng)域中用于各種用途，例如在納米復(fù)合材料分散穩(wěn)定劑中構(gòu)成增 強(qiáng)物、在食品和醫(yī)藥應(yīng)用中構(gòu)成抗微生物膜、過濾介質(zhì)和氧氣阻隔材料[4, 5]。
[0005] W02010/003860公開了包含納米纖維素和表面活性劑的液體清潔組合物，但不涉 及涂料。
[0006] US2012/0205065公開了將水性納米纖維素加入紙漿中用于制備具有高的干強(qiáng)度 的紙張。該文件不涉及涂料。
[0007] US 2010/0272980涉及一種用于基材的纖維復(fù)合材料。公開了微原纖維化纖維素 纖維的分散體，其中分散介質(zhì)可以是水，并且分散介質(zhì)還可以包含表面活性劑。
[0008] WO 2008008576公開了一種包含水基聚合物和纖維（其可以是微原纖維化纖維素 纖維）的水基制劑。該制劑還可以包含表面活性劑。
[0009] US2011/0081554公開了一種包含1%至90%納米纖維素分散體的納米纖維素涂 料組合物，但沒有公開使用任何表面活性劑。同樣，W02011/056130公開了納米纖維素在涂 料中的使用，但沒有公開任何表面活性劑的使用。
[0010] 低的透水性和透氣性對(duì)于很多食品包裝物是至關(guān)重要的，并且低的氧氣傳遞是主 要要求之一。為滿足該要求，紙基包裝物層合有鋁或擠出涂布有一個(gè)或幾個(gè)薄層形式的合 成聚合物例如乙基乙烯醇（EVOH)。
[0011] 在包裝業(yè)的一個(gè)新興趨勢(shì)是在包裝紙和包裝板上通過使用一種或更多種可生物 降解的涂層產(chǎn)生阻隔物。納米纖維素的氧氣阻隔性能對(duì)于紙基包裝物來說令人特別感興 趣，并且開辟了基于可再生和可持續(xù)來源的新的包裝解決方案。
[0012] 由于納米纖維素的類凝膠行為、其與基材的化學(xué)相容性和在水中分散納米纖維素 的可能性，可以施涂納米纖維素作為涂層，而以紙張或紙板作為基材。相比于層合應(yīng)用，納 米纖維素的涂層應(yīng)用具有良好的粘合性和不需要粘合劑的優(yōu)勢(shì)，這意味著成本降低。
[0013] 然而，盡管納米纖維素懸浮體的流變特性對(duì)于其在材料和食品工業(yè)中的可能應(yīng)用 (例如在涂層中，作為增稠劑，在擠出方法中）是基礎(chǔ)，但很少被發(fā)表。Herrick等[2]首先 研宄了納米纖維素的流變特性，發(fā)現(xiàn)了納米纖維素的2%水分散體的假塑性（剪切變稀）行 為。
[0014] Iotti等（2010) [6]的一篇文章研宄了在25 °C至60 °C之間的溫度下不同濃度 (1%至4% w/w)的納米纖維素水分散體。顯示納米纖維素在低濃度下在水中形成凝膠，并 且對(duì)剪切顯示出伴隨粘度降低的剪切稀化行為。
[0015] 已知用納米纖維素分散體涂布紙基基材在低透氧方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且基 于纖維素，是環(huán)境友好的。
[0016] JP58191296公開了一種包含乙烯基聚合物的水性分散體和/或含微原纖維化纖 維素的樹脂的涂料組合物。該組合物還可以包含表面活性劑。
[0017] 在Xhanari [7]的文章中描述了表面活性劑CTAB與納原纖維化纖維素或微原纖維 化纖維素結(jié)合的用途。在原纖維化之前兩批纖維懸浮體的濃度是〇. 4% w/v。
[0018] 由于納米纖維素的特性，納米纖維素分散體非常難以在不獲得原纖維的聚集體的 情況下被濃縮。此外，濃縮的納米纖維素分散體通常具有高粘度，使其在工業(yè)上難以處理。
[0019] 納米纖維素水分散體的高網(wǎng)狀物形成能力依賴于溫度和納米纖維素濃度。粘度隨 溫度升高而減小，并且隨納米纖維素濃度增加而增加[6]。
[0020] 在更高的納米纖維素濃度水平下納米纖維素原纖維聚集的出現(xiàn)，使得獲得高粘度 和低濃度的納米纖維素分散體成為挑戰(zhàn)。
[0021] 在工業(yè)中存在高粘度和低濃度的問題，并且強(qiáng)烈需要高度濃縮的納米纖維素水基 涂料及其使用方法，以允許干燥處理步驟中更低的能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，通過用某一種或某些種陽(yáng)離子型表面活性劑處理納米 纖維素材料（例如微原纖維化纖維素），可以提高納米纖維素分散體的濃度并且仍然獲得 穩(wěn)定的分散體。還證實(shí)了可以降低納米纖維素分散體的粘度，使得降低的粘度和增加的納 米纖維素濃度的組合將允許直接在基材上的高效涂布。本發(fā)明的納米纖維素分散體在紙張 或紙板上干燥之后保持良好的氧氣阻隔性能。
[0023] 本發(fā)明涉及納米纖維素的水性涂料組合物，其特征在于所述組合物具有按組合物 的重量計(jì)為2%至12%的納米纖維素的干物質(zhì)濃度，并且包含至少一種陽(yáng)離子型表面活性 劑。所有上文的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)都沒有公開這樣的組合物。
[0024] 本發(fā)明還涉及該涂料組合物作為涂層的用途，和涂布有該組合物的基材，例如板、 卡紙板、印刷用紙和液體包裝板。
[0025] 最后，本發(fā)明還涉及制備該組合物的方法。
【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明通過以下附圖來例示：
[0027] 圖1示出分別針對(duì)2% w/w納米纖維素（實(shí)心三角形）；添加有20% w/w的CTAB 的4. 59% w/w納米纖維素（空心方形）；和添加有10% w/w的CTAB的5. 55% w/w納米纖 維素（空心圓圈）而言相比于剪切速率的粘度。
[0028] 圖2示出分別針對(duì)2% w/w納米纖維素（實(shí)心三角形）；添加有15% w/w的OCTAB 的2. 99% w/w納米纖維素（空心方形）；和添加有5% w/w的OCTAB的3. 84% w/w納米纖 維素（空心圓圈）而言相比于剪切速率的粘度。
[0029] 圖3示出分別針對(duì)2% w/w納米纖維素（實(shí)