纳米纤维素的涂料组合物、其用途及其制造方法
【专利说明】纳米纤维素的涂料组合物、其用途及其制造方法 发明领域
[0001] 本发明涉及纳米纤维素的水性涂料组合物，其特征在于所述组合物具有按组合物 的重量计为2%至12%的纳米纤维素干物质的浓度，并且包含至少一种阳离子型表面活性 剂。
[0002] 本发明还涉及该组合物作为涂层、特别是作为氧气阻隔层或平滑层的用途。本发 明还涵盖了涂布有该组合物的基材，例如板、卡纸板、印刷用纸或液体包装板。此外，公开了 该组合物的制造方法。
【背景技术】
[0003] Turbak等[1]和Herrick等[2]在20世纪80年代描述了纳米纤维素例如来自木 纤维的某些类型的微原纤维化纤维素的制造和表征。通过迫使纤维素纤维悬浮体在高压下 经过机械粉碎装置获得纳米纤维素。该工序导致产生了具有1% w/w或更低的纳米纤维素 浓度、具有高长径比的类凝胶水分散体[1-3]。
[0004] 由于纳米纤维素原纤维的独特特性，例如非常高的比表面积和形成高度多孔的类 凝胶网状物，在过去的30年中对纳米纤维素进行了大量研宄。一些最近的出版物展示了纳 米纤维素如何可以在材料领域中用于各种用途，例如在纳米复合材料分散稳定剂中构成增 强物、在食品和医药应用中构成抗微生物膜、过滤介质和氧气阻隔材料[4, 5]。
[0005] W02010/003860公开了包含纳米纤维素和表面活性剂的液体清洁组合物，但不涉 及涂料。
[0006] US2012/0205065公开了将水性纳米纤维素加入纸浆中用于制备具有高的干强度 的纸张。该文件不涉及涂料。
[0007] US 2010/0272980涉及一种用于基材的纤维复合材料。公开了微原纤维化纤维素 纤维的分散体，其中分散介质可以是水，并且分散介质还可以包含表面活性剂。
[0008] WO 2008008576公开了一种包含水基聚合物和纤维（其可以是微原纤维化纤维素 纤维）的水基制剂。该制剂还可以包含表面活性剂。
[0009] US2011/0081554公开了一种包含1%至90%纳米纤维素分散体的纳米纤维素涂 料组合物，但没有公开使用任何表面活性剂。同样，W02011/056130公开了纳米纤维素在涂 料中的使用，但没有公开任何表面活性剂的使用。
[0010] 低的透水性和透气性对于很多食品包装物是至关重要的，并且低的氧气传递是主 要要求之一。为满足该要求，纸基包装物层合有铝或挤出涂布有一个或几个薄层形式的合 成聚合物例如乙基乙烯醇（EVOH)。
[0011] 在包装业的一个新兴趋势是在包装纸和包装板上通过使用一种或更多种可生物 降解的涂层产生阻隔物。纳米纤维素的氧气阻隔性能对于纸基包装物来说令人特别感兴 趣，并且开辟了基于可再生和可持续来源的新的包装解决方案。
[0012] 由于纳米纤维素的类凝胶行为、其与基材的化学相容性和在水中分散纳米纤维素 的可能性，可以施涂纳米纤维素作为涂层，而以纸张或纸板作为基材。相比于层合应用，纳 米纤维素的涂层应用具有良好的粘合性和不需要粘合剂的优势，这意味着成本降低。
[0013] 然而，尽管纳米纤维素悬浮体的流变特性对于其在材料和食品工业中的可能应用 (例如在涂层中，作为增稠剂，在挤出方法中）是基础，但很少被发表。Herrick等[2]首先 研宄了纳米纤维素的流变特性，发现了纳米纤维素的2%水分散体的假塑性（剪切变稀）行 为。
[0014] Iotti等（2010) [6]的一篇文章研宄了在25 °C至60 °C之间的温度下不同浓度 (1%至4% w/w)的纳米纤维素水分散体。显示纳米纤维素在低浓度下在水中形成凝胶，并 且对剪切显示出伴随粘度降低的剪切稀化行为。
[0015] 已知用纳米纤维素分散体涂布纸基基材在低透氧方面表现出优异的性能，并且基 于纤维素，是环境友好的。
[0016] JP58191296公开了一种包含乙烯基聚合物的水性分散体和/或含微原纤维化纤 维素的树脂的涂料组合物。该组合物还可以包含表面活性剂。
[0017] 在Xhanari [7]的文章中描述了表面活性剂CTAB与纳原纤维化纤维素或微原纤维 化纤维素结合的用途。在原纤维化之前两批纤维悬浮体的浓度是〇. 4% w/v。
[0018] 由于纳米纤维素的特性，纳米纤维素分散体非常难以在不获得原纤维的聚集体的 情况下被浓缩。此外，浓缩的纳米纤维素分散体通常具有高粘度，使其在工业上难以处理。
[0019] 纳米纤维素水分散体的高网状物形成能力依赖于温度和纳米纤维素浓度。粘度随 温度升高而减小，并且随纳米纤维素浓度增加而增加[6]。
[0020] 在更高的纳米纤维素浓度水平下纳米纤维素原纤维聚集的出现，使得获得高粘度 和低浓度的纳米纤维素分散体成为挑战。
[0021] 在工业中存在高粘度和低浓度的问题，并且强烈需要高度浓缩的纳米纤维素水基 涂料及其使用方法，以允许干燥处理步骤中更低的能耗。
【发明内容】
[0022] 本发明人出乎意料地发现，通过用某一种或某些种阳离子型表面活性剂处理纳米 纤维素材料（例如微原纤维化纤维素），可以提高纳米纤维素分散体的浓度并且仍然获得 稳定的分散体。还证实了可以降低纳米纤维素分散体的粘度，使得降低的粘度和增加的纳 米纤维素浓度的组合将允许直接在基材上的高效涂布。本发明的纳米纤维素分散体在纸张 或纸板上干燥之后保持良好的氧气阻隔性能。
[0023] 本发明涉及纳米纤维素的水性涂料组合物，其特征在于所述组合物具有按组合物 的重量计为2%至12%的纳米纤维素的干物质浓度，并且包含至少一种阳离子型表面活性 剂。所有上文的现有技术文献都没有公开这样的组合物。
[0024] 本发明还涉及该涂料组合物作为涂层的用途，和涂布有该组合物的基材，例如板、 卡纸板、印刷用纸和液体包装板。
[0025] 最后，本发明还涉及制备该组合物的方法。
【附图说明】
[0026] 本发明通过以下附图来例示：
[0027] 图1示出分别针对2% w/w纳米纤维素（实心三角形）；添加有20% w/w的CTAB 的4. 59% w/w纳米纤维素（空心方形）；和添加有10% w/w的CTAB的5. 55% w/w纳米纤 维素（空心圆圈）而言相比于剪切速率的粘度。
[0028] 图2示出分别针对2% w/w纳米纤维素（实心三角形）；添加有15% w/w的OCTAB 的2. 99% w/w纳米纤维素（空心方形）；和添加有5% w/w的OCTAB的3. 84% w/w纳米纤 维素（空心圆圈）而言相比于剪切速率的粘度。
[0029] 图3示出分别针对2% w/w纳米纤维素（实