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CN112088184A - 生物可降解泡沫 - Google Patents

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CN112088184A
CN112088184A CN201980030829.7A CN201980030829A CN112088184A CN 112088184 A CN112088184 A CN 112088184A CN 201980030829 A CN201980030829 A CN 201980030829A CN 112088184 A CN112088184 A CN 112088184A
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composite
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X·张
M·罗兰迪
J·费尔茨
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Cruz Foam Inc
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Abstract

复合材料包括具有聚合物的聚合物基质，所述聚合物具有D‑葡糖胺单体单元和50％或更少的N‑乙酰基‑D‑葡糖胺单体单元。盐可布置于所述聚合物基质中。分散相布置于具有所述盐的所述聚合物基质中，并且所述分散相和所述聚合物基质形成多孔复合泡沫。按重量计，相对于所述聚合物基质，所述多孔复合泡沫包括0.5到3倍的所述分散相，并且所述多孔复合泡沫的密度小于1g/cm3。

Description

生物可降解泡沫
相关申请的交叉引用
本申请案要求2018年5月7日提交的美国临时申请案第62/667,996号、2018年10月16日提交的美国临时申请案第62/746,223号、2018年10月16日提交的美国临时申请案第62/746,240号和2019年1月23日提交的美国临时申请案第62/795,659号的权益，所有所述申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及泡沫。
背景技术
石油基塑料泡沫在现代社会中普遍存在：其用于包装、漂浮等。然而，石油基塑料泡沫存在许多缺点。举例来说，海洋已变得充满石油基泡沫废物。这是因为许多石油基泡沫，例如聚苯乙烯泡沫要花费500年或更久的时间分解。此外，石油基塑料泡沫完全不可回收(因为其化学组成)，或其回收在经济上不可行，这是因为泡沫—石油基泡沫的低材料含量主要是空气。
石油基泡沫往往具有毒性，或通过有毒工艺制得。尽管石油基泡沫抵抗分解，但当泡沫进行分解时其可使得毒性化合物释放到环境中(例如降解的泡沫单体单元)。此外，聚苯乙烯(和其它石油基泡沫)使用例如苯和苯乙烯的毒性化学品制得，所述毒性化学品已展示为致癌的，并且缓慢浸出到与泡沫接触的环境和食品产品中。
附图说明
参见以下图式描述本发明的非限制性和非详尽的实施例，其中除非另外指定，否则各图中相同的参考标号指代相同的部件。在适当时，不一定标记元件的所有例项，以免使图式混乱。图式不必按比率绘制，而是重点在于说明所描述的原理。
图1说明根据本公开的实施例的复合泡沫样品。
图2说明根据本公开的实施例的甲壳素和壳聚糖的化学结构。
图3说明根据本公开的实施例的图1的有机复合泡沫上的涂层。
图4说明根据本公开的实施例制造泡沫的方法。
图5说明根据本公开的实施例的泡沫挤压系统和方法。
图6说明根据本公开的实施例的泡沫包装系统。
图7说明根据本公开的实施例的娱乐性水装置。
图8展示根据本公开的实施例的所测量泡沫特性的表。
具体实施方式
本文中描述了生物可降解泡沫、用于产生生物可降解泡沫的生物可降解泡沫装置和系统、装置以及方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有一或多个所述具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面混淆。
在整个本说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”意味着结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中不同位置出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必都是指同一个实施例。此外，在一或多个实施例中，特定特点、结构或特征可以任何合适的方式组合。
如上所陈述，石油基泡沫存在许多缺点。本文中描述了生物可降解泡沫、用于产生生物可降解泡沫的生物可降解泡沫装置、和系统、装置以及方法，这解决了与常规石油基泡沫相关的问题。本文描述的泡沫为生物可降解的、无毒的，并且利用无毒前体并且通过对环境友好的工艺产生。如将展示，这些生物可降解泡沫表示优于现有工业泡沫技术的显著进步，因为与石油基泡沫相比，生物可降解泡沫具有类似或更好的机械、化学和热特性，并且无负面环境影响。
图1说明根据本公开的实施例的复合泡沫样品101。左图为有机复合泡沫样品101的横截面视图，并且右图展示同一泡沫样品101的俯视图。复合(例如由两种或两种以上组分材料制得的材料)泡沫材料101包括有包括聚合物(例如壳聚糖)的基质，所述聚合物包括D-葡糖胺和N-乙酰基-D-葡糖胺的单体单元。在所描绘实施例中，聚合物可包括70％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺；然而，在其它实施例中，聚合物可包括60％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺、50％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺、40％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺、30％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺、20％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺或10％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺。分散相可安置于聚合物基质中，并且分散相和聚合物基质形成多孔复合泡沫101。在所描绘实施例中，多孔复合泡沫101包括0.5-3的分散相重量与聚合物基质重量的比率，并且具有小于1g/cm3的密度。对于一些复合泡沫实施例，使用约0.5到2.5的分散相重量与聚合物基质重量的比率。一般来说，比率应处于有效维持复合泡沫的结构完整性的水平。虽然在一些实施例中，聚合物基质包括壳聚糖，但甲壳素和壳聚糖寡糖两者都还可用作根据本公开的教示的聚合物基质中的聚合物。
在一些实施例中，分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。更具体来说，分散相的实例可包括(未加工或最低限度地加工的)贝壳、木粉、大麻、纸浆(例如包括分解回收的纸)、椰衣、玉米淀粉或木薯淀粉等中的至少一种。应了解，所描绘泡沫101已利用所有前述分散相制得，并且分散相不相互排斥(分散相可单独和以组合方式使用)。举例来说，所有上文提到的分散相可在同一片复合泡沫101中组合，或仅一些分散相可包括在同一片复合泡沫101中。
将壳聚糖相容性分散相添加到泡沫中的发现是生物可降解泡沫技术的显著进步，因为可针对多种应用调整泡沫的特性。在加热和改变模具内部的压力期间我们可例如通过使用封闭模具调整孔径。通过增大内压力，可产生孔径较小的泡沫。举例来说，通过1)改变分散相材料的量和起泡剂的量(更少分散相材料、更多起泡剂、更低泡沫密度)或2)优化封闭模具的内压力和温度(更低压力、更高温度、更低泡沫密度)，我们可调整泡沫的密度。实际上，分散相可通过承载部分所施加的负荷(例如在张力中，可将应变施加给泡沫中的分散相-例如纤维，并且不完全由聚合物基质承载)增强泡沫的机械特性。此外，使用可能是本地来源的生物可降解废产物来降低泡沫生产的成本。分散相可能不全部溶解在可用于制造泡沫的酸溶液中，并且可在所得泡沫中与聚合物基质分开(例如粘附到聚合物基质上但在聚合物基质中分离-不溶解)。
在一些实施例中，无毒(例如对于人类食用是安全的、对于人类皮肤接触是安全的并且通常不被视为致癌的等等)增塑剂可布置于基质材料中以将柔性特征施加给多孔复合泡沫。因此，有机复合泡沫样品101可能变形(例如压缩、弯曲、拉伸等等)并且在不断裂的情况下恢复成其原始形状。在一些实施例中，无毒增塑剂可包括低分子量聚合物、多元醇、醇等等。在一个实施例中，用作增塑剂的多元醇可为丙三醇，并且可根据目标泡沫柔性添加0.0001体积％到50体积％的丙三醇。在一个实施例中，可将染料添加到聚合物基质中，并且染料(例如食品着色剂或其它无毒染料)为多孔复合泡沫施加颜色(例如红色、绿色、蓝色、黄色、橙色等)。应了解，由于图式的黑色和白色性质，这一颜色不适用于图示。
为了产生图1中所示的泡沫样品101的具体实施例，用去离子水制备0.5M乙酸(CH3COOH)的溶液。将壳聚糖以4％w/v溶解于这一溶液中。搅拌溶液直到壳聚糖完全(或部分)溶解并且透明。将对应量的淀粉(例如分散相；相对于溶解于溶液中的壳聚糖0.1-0.2重量比率)、甲壳素粉末(例如分散相；相对于溶解于溶液中的壳聚糖0.5-2.5重量比率)和碳酸氢钠(NaHCO3)(相对于溶解于溶液中的壳聚糖0.5-1.5重量比率)添加到溶液中。混合物经历剧烈搅拌。然后将混合物倒入模具(其可为完全封闭或敞开的)中，并且取决于最终样品的厚度在200-400℉下加热(在模具中)1-1.5小时。在一些实施例中，模具可具有构建到其中的加热器。加热完成时，将泡沫转移到脱水烘箱中以去除剩余水分。然后将混合物放入真空腔室中12小时。真空之后，将泡沫转移到干燥容器中并且经历24小时的风干。在这一特定实施例中，分散相的所列举范围可能对于形成不会太粘而不起作用，并且不会太湿以免在干燥时塌陷的泡沫前体而言是至关重要的。
利用这一方法，完全干燥所得泡沫。在这一具体实施例中，泡沫的密度可在0.1-0.8g/cm3之间调整，并且孔径和孔隙率不同。这种泡沫包括甲壳素和残余量的乙酸钠(NaC2H3O2)和淀粉，其全部是无毒的、生物可降解的和可堆肥的。在其它实施例中，其它盐(例如不是乙酸钠)可留在泡沫中。如左侧所示，泡沫的横截面揭示均匀的多孔状结构。在所描绘实施例中，平均孔径可在200μm-800μm之间调整。在一些实施例中，取决于用作泡沫来源的壳聚糖的所期望机械特性和纯度，基质聚合物可基本上是壳聚糖(例如具有一些杂质的壳聚糖)、>90％壳聚糖、>80％壳聚糖、>70％壳聚糖、>60％壳聚糖、>50％壳聚糖等等。
图2说明聚合物的化学结构211，所述聚合物可取决于根据本公开的实施例的链(其可用于图1的泡沫中)中的嵌段X(具有乙酰基)和嵌段Y(具有氨基)的相对量，表征为甲壳素或表征为壳聚糖。去乙酰化用N-葡糖胺(Y嵌段)取代甲壳素中的N-乙酰基-葡糖胺基团(X嵌段)，产生更具亲水性和带正电的聚合物，其可被描述为部分去乙酰化的甲壳素。可替代地，壳聚糖的乙酰化可产生部分乙酰化的壳聚糖。当乙酰基与氨基之间的比率高于1:1(x>y；大于两个单体单元的50％/50％分割)时，部分去乙酰化的甲壳素聚合物可称为甲壳素，当比率较低时，部分乙酰化的壳聚糖聚合物可称为壳聚糖。换句话说，壳聚糖具有50％或更多的N-葡糖胺基团，而甲壳素具有超过50％的N-乙酰基-葡糖胺基团。可例如使用重政(Shigemasa)等人,“根据红外光谱法评估不同吸光率来分析甲壳素中的去乙酰化程度(Evaluation of different absorbance ratios from infrared spectroscopy foranalyzing the degree of deacetylation in chitin)”,《国际生物大分子杂志(International Journal of Biological Macromolecules)》18(1996)237-242中描述的技术测量聚合物中的乙酰基和氨基的相对浓度，所述文献以引用的方式并入，如同本文中完全阐述一般。
这些聚合物中的两种可衍生自海洋无脊椎动物壳(例如虾、龙虾和螃蟹壳)，是生物可降解的、无毒的，并且在结构上是稳定的。尽管壳聚糖可形成泡沫(例如图1中所描绘的泡沫)的聚合物基质，甲壳素可用于分散相，以及其它材料，例如天然存在的废料(例如纸浆)。受益于本公开的所属领域的普通技术人员应了解，壳聚糖基质材料的化学要求可能比分散相的材料要求更严格—所述分散相可以是任何生物可降解的产物(例如贝壳、木粉、纸浆、玉米淀粉、椰衣、木材/纸浆、木薯淀粉等)，其能够整合到壳聚糖基质中以形成复合物。
通过实验已经证明，对壳聚糖和甲壳素的加工有很大不同，并且在泡沫工艺中使用壳聚糖产生与具有甲壳素基质的泡沫不同的具有不同材料特性的结构。举例来说，甲壳素和壳聚糖在溶剂中的溶解度有差异，并且因此，起泡、添加分散相和加热/硬化的过程有很大不同。因此，最终壳聚糖泡沫不同于由甲壳素制得的泡沫，并且用于制造壳聚糖类泡沫的工艺可能并不适用于制造甲壳素泡沫。类似地，制造甲壳素泡沫的工艺可能并不适用于制造本文所公开的泡沫。
图3说明根据本公开的实施例的有机复合泡沫301(例如图1的泡沫)上的涂层303。在所描绘的横截面中，涂层303安置于多孔(所图示圆圈表示孔)复合泡沫的外部上，并且涂层基本上是非多孔的(例如其不含有大尺寸的孔以使水通过；然而，涂层仍可为微米多孔或纳米多孔的)。
在一些实施例中，可通过喷涂(参见例如喷嘴351)、刷涂(参见例如刷子353)、浸涂(参见例如浴355)将涂层303涂覆到泡沫301上。在一个实施例中，将基本上去乙酰化的甲壳素或壳聚糖溶液(例如1-4重量％于4％w/v乙酸溶液中)涂覆到所有表面上。涂覆之后，将样品在脱水器或烘箱中干燥。受益于本公开的所属领域的普通技术人员应了解，壳聚糖涂层改善泡沫在潮湿条件下的耐久性，并且也使泡沫具有光滑的表面光洁度。更具体来说，涂层303包封多孔复合泡沫301以防止水侵入多孔复合泡沫301中。应了解，在所描绘实施例中，涂层303包括与泡沫301的聚合物基质中的聚合物相同的化学组合物(即壳聚糖)。然而，在其它实施例中，可将其它聚合物涂层303(例如聚乳酸、聚乙交酯等等)涂覆到泡沫301上。
图4说明根据本公开的实施例制造泡沫的方法400。受益于本公开的所属领域的普通技术人员应了解，所描绘方框(例如方框401-413)可按任何次序并且甚至并行地进行。此外，根据本公开的教示内容，可将方框添加到方法400中或从方法400去除。
方框401说明将壳聚糖添加到溶液中，并且所述溶液包括酸。在一些实施例中，包括酸的溶液的pH为3-6(在添加碱之前)。在一些实施例中，优选地，可将pH保持为约4.6(一般范围为pH 4-5)—这优于涉及极端pH范围的工艺(其可能使用如氢氧化钠或氢氧化钾的碱)，因为本文中的工艺要安全得多(不会有灼伤和危险溢出的风险)。为了完全溶解壳聚糖，本文中所列举的pH范围可能是重要的。在一个实施例中，将壳聚糖以4％wt/v的浓度溶解于0.5M乙酸(CH3COOH)溶液中。然而，在一些实施例中，所述酸可包括乙酸、甲酸、乳酸、盐酸、硝酸、硫酸等等中的至少一种。在一个实施例中，溶液可包括水、沸点比水低的共溶剂(例如乙醇、甲醇等)和酸。因为承载泡沫材料的溶剂更快并且在更低温度下蒸发，低沸点共溶剂可有助于缩短干燥泡沫的时间。
方框403描绘将分散相(例如由分布在另一相—例如聚合物基质中的颗粒构成的相)添加到溶液中。在一些实施例中，分散相包括甲壳素、纤维素或淀粉中的至少一种。更具体来说，分散相可包括贝壳(例如最低限度加工的甲壳素)、木粉、纸浆、大麻、椰衣、玉米淀粉和/或木薯淀粉中的至少一种。在一些实施例中，将甲壳素分散相添加到混合物(例如相对于溶解于溶液中的壳聚糖0.5-2.5重量比率)中。在一些实施例中，泡沫可不包括分散相。
方框405展示将无毒增塑剂添加到溶液中，其中无毒增塑剂将柔性特征施加给泡沫。在一些实施例中，无毒增塑剂包括多元醇或低分子量聚合物(例如聚乙二醇等等)。丙三醇为具有三个羟基的多元醇。其为增强水吸收的无毒化合物。在一些实施例中，丙三醇可用作添加到壳聚糖类泡沫配制物中以改善壳聚糖泡沫柔性的增塑剂。使用增塑剂使泡沫对拉伸或压缩泡沫的力引起的降解更具抗性。在测量乙酸中的初始去乙酰化的甲壳素(壳聚糖)溶液(例如4％wt/v甲壳素于乙酸溶液中)时，可根据目标泡沫柔性添加一定体积百分比的丙三醇(例如0.0001体积％到50体积％的丙三醇)。在一些实施例中，根据关于混合物中的壳聚糖/丙三醇的量的特定配方，所得泡沫的密度可在0.03g/cc到0.3g/cc范围内。泡沫可能比不利用丙三醇制得的壳聚糖泡沫具有较低刚性，并且具有与柔性聚氨酯和膨胀型聚丙烯类似的柔性特性而无任何负面环境缺点。然而，如上所陈述，可根据本公开的教示内容使用优选无毒的其它增塑剂(例如除丙三醇外)。应了解，许多常规增塑剂可为内分泌干扰物质，并且可从其主塑料中浸出。本文中的增塑剂可为无毒的，因此这不是问题。
泡沫可用于例如冲浪板和包装(例如冷却器)的应用。塑化泡沫可压缩，并且在一些实施例中，可在压缩之后基本上弹性恢复成其原始形状。在一些实施例中，在压缩成约50％的原始厚度的厚度之后，泡沫可恢复成超过90％的其原始厚度。另外，可通过刷涂/喷涂/等将涂层(参见例如图3)涂覆到泡沫上，将去乙酰化的甲壳素(壳聚糖)溶液(1-4重量％于4％wt/v乙酸溶液或0.5M乙酸中)涂覆到所有表面上，并且在脱水器中干燥。壳聚糖涂层改善了泡沫在潮湿条件下的耐久性，并且也使泡沫具有光滑的表面光洁度。
方框407图解说明将碱添加到溶液(将壳聚糖和分散相添加到溶液中之后)中以使混合物(其包括壳聚糖和分散相)起泡。碱将与酸在溶液中反应以产生气体，并且使混合物起泡。在一些实施例中，碱包括碳酸氢钠、碳酸钠或碳酸钙中的至少一种。因此，盐可从所反应的酸和碱中产生泡沫。在一些实施例中，盐可包括钠盐或钙盐(例如乙酸钠、乙酸钙等等)。然而，受益于本公开的所属领域的技术人员应了解，盐可以是来自用于制备泡沫酸/碱组合的任何所得盐(例如由混合本文中所公开的实例性碱和实例性酸产生的任何盐)。在一个实施例中，碳酸氢钠(相对于溶剂系统中的乙酸1:1摩尔比率)可用作起泡剂并且用于中和混合物中的酸-不需要洗涤泡沫，因为起泡剂中和酸，因此减少加工步骤和成本。然而，受益于本公开的所属领域的技术人员应了解，可根据本公开的教示内容使用其它碱或起泡剂(例如在混合物中产生气体的任何化学系统)。
方框409描绘在添加碱之后，加热混合物，直到混合物硬化成泡沫。加热可在剧烈混合前述成分之后进行。在一些实施例中，加热工艺可包括在封闭或敞开模具中加热混合物。在一个实施例中，泡沫在恒温下加热—取决于模具大小和泡沫的最终应用，温度可在180℉到400℉的范围内。加热模具直到泡沫凝固和硬化(例如取决于模具大小和加热温度，这一加热时间可在10分钟到3小时的范围内)。
方框411展示将泡沫放入脱水器中以从泡沫中去除水。脱水器可以加热，并且可以甚至在泡沫上拉真空。可将泡沫放入脱水器中过夜以使水完全蒸发。
方框413描绘将涂层涂覆到泡沫上。可通过刷涂/喷涂/浸渍/等将涂层涂覆到泡沫上，同时将去乙酰化的甲壳素(壳聚糖)溶液(1-4％wt/v于0.5M乙酸溶液中)涂覆到所有表面上，并且在脱水器中干燥。
图5说明根据本公开的实施例的泡沫挤压系统500和方法。泡沫挤压系统500包括圆筒521、螺杆523、驱动电机525、输入端527(例如混合物的输入端；在本文中描绘为“漏斗”)、断路器板529、进料管531、模533、气缸535中的起泡剂、加热单元537、拉动器539和脱水器541。如所说明，(在输入端527中)提供混合物，并且混合物包括聚合物、酸、填充物材料和水。聚合物可包括D-葡糖胺和N-乙酰基-D-葡糖胺的单体单元，其中N-乙酰基-D-葡糖胺单体单元有70％或更少。在一些实施例中，混合物进一步包括增塑剂(优选无毒的，例如多元醇，如丙三醇)以将柔性特征施加给多孔复合泡沫，并且在一些实施例中，将弹性特征施加给多孔复合泡沫。类似地，在一或多个实施例中，分散相包括甲壳素、纤维素或淀粉中的至少一种(例如贝壳、木粉、纸浆、玉米淀粉、椰衣、木薯淀粉等等中的至少一种)。如稍后将更详细地讨论，在一些实施例中，混合物进一步包括醇(例如乙醇、甲醇、丁醇等等)。如图所示，将混合物插入挤压系统500的输入端527中，其中将其进料到圆筒521中。挤压系统500推动混合物穿过一或多个圆筒521—本文中仅描绘了一个圆筒521，但受益于本公开的所属领域的技术人员应了解，根据本公开的教示内容，额外的筒可与安置于一或多个圆筒521中的一或多个螺杆523串联耦接。如图所示，一或多个螺杆523与一或多个电机525耦接以转动一或多个螺杆523，其推送混合物前进。
在所描绘实施例中，将起泡剂(例如含于气缸535中)输入(经由起泡剂输入管)到挤压系统500中以由混合物接收，并且使分散相和聚合物基质起泡成为多孔复合泡沫。在一些实施例中，起泡剂包括碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钙或二氧化碳中的至少一种。在所描绘实施例中，加热单元537将热量(描绘为加热单元537上方的波浪线)施加到靠近挤压系统500的输入端处。因此，混合物靠近挤压系统500的输入端527处的温度和压力高于靠近挤压系统500的输出端(由拉动器539防治)处的温度和压力。
一旦泡沫达到挤压系统500的末端，就从模533输出多孔复合泡沫的形状。成形具有固定的横截面轮廓(例如环形、正方形、矩形、六边形等等)。拉动器539被定位成从模533接收泡沫，并且在从系统去除的泡沫上保持恒定张力。张力可通过使拉动器539的滚轮与电机接合以转动滚轮并且从模533拉泡沫来实现。脱水器541可接收泡沫，并且脱水器541可加热泡沫或在泡沫上拉真空(例如减小压力)以去除过量溶剂。
如上所陈述，在一些实施例中，乙醇可作为共溶剂引入，并且可促进用于挤压类泡沫制造工艺的溶剂的蒸气蒸发。将乙醇以1％-90％(VEtOH:VH2O＝1:99到1:9)的体积分数添加到水中。然后，可将乙酸添加到混合物中，以使pH保持为约4.6(一般范围为pH4-5)，这使去乙酰化的甲壳素(壳聚糖)(1-10％w/v)溶解于这一溶剂系统中。然后，将甲壳素(或其它)分散相与作为中和混合物中的酸的起泡剂的碳酸氢钠(相对于溶剂系统中的乙酸1:1摩尔比率)一起添加到混合物(例如相对于溶解于溶液中的壳聚糖0.5-2.5重量比率中。由于乙醇的蒸发性质(例如沸点比水低)，所以这一泡沫混合物具有较高粘度，并且可以挤压工艺的受控流速穿过加热的挤压管道。在从挤压机挤出泡沫之后，所述泡沫快速硬化，并且形成泡沫块。这个块可然后静置过夜以用于固化工艺，其使过量溶剂蒸发。乙醇在本文中作为与水的共溶剂是可行的选择，因为其可与水和乙酸混溶。这一配制物在泡沫制造期间促进蒸气蒸发，并且将增加生产周转期。此外，由于水在初始混合物中的体积减少，所以泡沫的多孔状结构可以得到改善，这是因为水蒸气蒸发的量减少，这使得工艺可控性增强。
为了概述一个实施例，可制得高粘性面团样混合物(例如包括壳聚糖)。可添加甲壳素或甲壳素/壳聚糖和纸浆、玉米淀粉、木薯淀粉、椰衣、木粉或任何其它分散相的组合。将高粘性面团样混合物在高温下移动到挤压系统500中，并且将碳酸氢钠(和/或其它形成剂；例如可视需要经由喷嘴添加CO2)输入到挤压系统500中。将混合物在高温和/或高压下从适当塑形的喷嘴挤压到常压(较低压力)中。因此，挤压材料将膨胀。可随后视需要将泡沫在高温/中等温度下固化(例如在脱水器541中)以去除过量水和其它溶剂。
图6说明根据本公开的实施例的泡沫包装系统600(包括主体681和盖子683)。如图所示，多孔复合泡沫(例如前述实施例中的任一个中描述的泡沫)被塑形成具有五个表面，所述表面围住被塑形成盛放材料(例如冷冻制品、罐头盒、热制品等)的凹槽(例如在主体681中)。在一些实施例中，泡沫的五个表面/薄片可被视为至少部分地连接；然而，在其它实施例中，薄片可能断开连接(例如保持在另一容器内以形成凹槽)。盖子683可由与主体681相同的泡沫制成。在所描绘实施例中，多孔复合泡沫的孔被结构化，以使得多孔复合泡沫的R因数(材料抵抗热量流过其的程度的测量值)为3-5.5。因此，将盖子683放在主体上时，多孔复合泡沫使主体881的内部充分隔热。在所描绘实施例中，盖子683具有凹槽以与主体681的边缘周围的突起对准，以使得盖子683与主体681对准并且将盖子683保持在适当位置。应了解，冷却器样泡沫包装系统600可用于使热制品保持热并且使冷制品保持冷。泡沫包装系统600可使用上文所讨论的方法/技术中的任一者和根据本公开的教示内容的其它方法形成。具有隔热特性的这种泡沫的潜在应用是冷链包装，包括新鲜食品递送、医药学、电子包装等等。
图7展示根据本公开的实施例的娱乐性水装置700。所描绘的娱乐性水装置700是冲浪板或卧式冲浪板，其包括主体791、鳍片793和纵梁795。上图描绘娱乐性水装置700的俯视图，显示鳍片793的位置和定向，并且下图描绘娱乐性水装置700的侧视图。如图所示，主体791具有长于宽度的长度，并且也具有后端和前端，其中前端呈凸形(由用户驱动时用以切穿水)。后端可为平坦的、呈凸形“v字”形(例如“鱼形”板)等等。主体791包括密度小于1g/cm3的多孔复合泡沫(例如前述实施例中的任一个中描述的泡沫)，并且多孔复合泡沫包括有包括D-葡糖胺和N-乙酰基-D-葡糖胺的单体单元的聚合物基质(聚合物基质包括50％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺)和安置于聚合物基质中的分散相(分散相和聚合物基质形成多孔复合泡沫)。
在所描绘实施例中，纵梁795(例如结构木材或其它材料的薄长片)纵向延伸穿过主体791，其中所述多孔复合泡沫安置于纵梁795的两侧上。涂层(例如上文结合图3描述的涂层)包覆多孔复合泡沫和纵梁795两者。如图所示，一或多个鳍片可靠近后端安置，并且放置成引导娱乐性水装置穿过水。在所描绘实施例中，存在中央较大鳍片，其中两个较小鳍片朝向主体791的中央偏移并且倾斜。在其它实施例中，根据本公开的教示内容，可存在更多或更少鳍片。如结合本文所述的其它实施例所陈述，分散相包括甲壳素、淀粉(例如包括通过糖苷键连接的许多葡糖单元的聚合碳水化合物)或纤维素中的至少一种，并且聚合物基质可包括无毒增塑剂以将柔性特征施加给多孔复合泡沫，并且在一些实施例中，将弹性特征施加给多孔复合泡沫。如图所示，主体可被塑形(自上而下或自下而上观察时)成基本上椭圆形，并且板的前端可向上略微逐渐变细(如侧视图中所示)。
图8展示根据本公开的实施例的所测量生物可降解泡沫特性的表800。所述特性来自根据本公开的教示内容产生的泡沫样品。如所描绘，在一些实施例中，分别地，不利用增塑剂产生的生物可降解泡沫的密度在0.15g/cm3-0.23g/cm3的范围内，并且压缩强度范围(10％变形)为0.2Mpa和0.48Mpa。另外，对于较不致密和较致密的泡沫，无增塑剂的泡沫的弹性模量分别在4.230Mpa-6.550Mpa的范围内。利用增塑剂(例如丙三醇)产生的生物可降解泡沫样品可具有0.25体积％的丙三醇和1体积％的丙三醇，并且分别具有0.20g/cm3和0.27g/cm3的密度。这些样品的压缩强度可分别为0.17Mpa和0.106Mpa。并且两个样品的弹性模量分别为3.4Mpa和2.01Mpa。表800中的数据证实，可按照本公开的教示内容产生具有广泛范围的材料特性的泡沫。
本发明的所说明的实施例的以上描述(包括摘要中描述的内容)不希望为详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述本发明的具体实施例和实例，但相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。
可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所公开的具体实施例。确切地说，本发明的范围应完全由所附权利要求书确定，应根据权利要求解释的已确立的原则来解释所附权利要求书。

Claims (66)

1.一种复合材料，其包含：
包括壳聚糖的聚合物基质；和
布置于所述聚合物基质中的分散相，其中所述分散相和所述聚合物基质形成多孔复合泡沫，其中按重量计，相对于所述聚合物基质，所述多孔复合泡沫包括0.5到2.5倍的所述分散相，并且其中所述多孔复合泡沫的密度小于1g/cm3。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其进一步包含布置在所述多孔复合泡沫外部上的涂层，其中所述涂层为基本上非多孔的，并且包括壳聚糖。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述涂层包封所述多孔复合泡沫以防止水侵入所述多孔复合泡沫中，并且其中所述聚合物基质包括90％或更多的壳聚糖。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其中施加在所述多孔复合泡沫上的负荷至少部分地从所述聚合物基质转移到所述分散相中。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其进一步包含布置于所述聚合物基质中以将柔性特征施加给所述多孔复合泡沫的增塑剂。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其中所述增塑剂包括多元醇。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述复合泡沫包括钠盐或钙盐中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其中所述分散相包括贝壳、木粉、纸浆、玉米淀粉、椰衣、大麻或木薯淀粉中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的复合材料，其进一步包含布置于所述聚合物基质中的染料，其中所述染料为所述多孔复合泡沫施加颜色。
11.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述多孔复合泡沫被塑形成具有五个表面，所述表面围住被塑形成盛放材料的凹槽，并且其中所述多孔复合泡沫的孔被结构化以使得所述多孔复合泡沫的R因数为3到5.5。
12.一种制造泡沫的方法，其包含：
将壳聚糖添加到溶液中，其中所述溶液包括酸；
将分散相添加到所述溶液中；
在将所述壳聚糖和所述分散相添加到所述溶液中之后，将碱添加到所述溶液中以使混合物起泡，其中所述混合物包括所述壳聚糖和所述分散相；
在添加所述碱之后加热所述混合物以将所述混合物硬化成所述泡沫，其中所述泡沫包括所述壳聚糖、布置于所述壳聚糖中的所述分散相和布置于所述壳聚糖中的盐。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含将增塑剂添加到所述溶液中，其中所述增塑剂将柔性特征施加给所述泡沫。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述增塑剂包括多元醇。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多元醇包括丙三醇。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述分散相包括贝壳、纸浆、木粉、椰衣、玉米淀粉、大麻或木薯淀粉中的至少一种。
18.根据权利要求12所述的方法，其中在添加所述碱之前，包括所述酸的所述溶液的pH是3到6。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述酸包括乙酸、甲酸、乳酸、盐酸、硝酸或硫酸中的至少一种。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述碱包括碳酸氢钠钠、碳酸钠或碳酸钙中的至少一种。
21.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含将所述泡沫放入脱水器中以从所述泡沫中去除水。
22.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含将壳聚糖涂层涂覆到所述泡沫上。
23.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶液包括水、沸点比所述水低的共溶剂和所述酸。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述共溶剂包括醇。
25.一种经由挤压制造多孔复合泡沫的方法，其包含：
提供包括聚合物、酸、分散相和水的混合物，其中所述聚合物包括D-葡糖胺，并且其中所述聚合物包括70％或更少的N-乙酰基-D-葡糖胺；
将所述混合物输入挤压系统的输入端中；
将起泡剂输入所述挤压系统中以由所述混合物接收，并且使所述分散相和所述聚合物起泡成为所述多孔复合泡沫；和
从所述挤压系统的模具中输出所述多孔复合泡沫的形状，其中所述形状具有固定的横截面轮廓。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述起泡剂包括碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钙或二氧化碳中的至少一种。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述混合物进一步包括将柔性特征施加给所述多孔复合泡沫的增塑剂。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述增塑剂包括多元醇。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述多元醇包括丙三醇。
30.根据权利要求25所述的方法，其中所述分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述分散相包括贝壳、木粉、纸浆、玉米淀粉、椰衣、大麻或木薯淀粉中的至少一种。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述混合物靠近所述挤压系统的所述输入端处的温度和压力高于靠近所述挤压系统的所述模具处的温度和压力。
33.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含从所述挤压系统输出的所述多孔复合泡沫中去除溶剂，其中去除溶剂包括在所述多孔复合泡沫上加热或拉真空。
34.根据权利要求25所述的方法，其中所述混合物进一步包括醇。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述醇包括乙醇。
36.根据权利要求25所述的方法，其中所述挤压系统利用一或多个螺杆推动所述混合物穿过一或多个圆筒，所述一或多个螺杆布置于所述一或多个圆筒中，其中所述一或多个螺杆与一或多个电机耦接以转动所述一或多个螺杆。
37.一种娱乐性水装置，其包含：
长度长于宽度的主体以及后端和前端，其中所述前端呈凸形，其中所述主体包括密度小于1g/cm3的多孔复合泡沫，所述多孔复合泡沫包括：
包括壳聚糖的聚合物基质；
布置于所述聚合物基质中的分散相，其中所述分散相和所述聚合物基质形成所述多孔复合泡沫。
38.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其进一步包含纵向延伸穿过所述主体的纵梁，其中所述多孔复合泡沫布置于所述纵梁的两侧上。
39.根据权利要求38所述的娱乐性水装置，其进一步包含包覆所述多孔复合泡沫和所述纵梁两者的涂层。
40.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其进一步包含一或多个鳍片，其靠近所述后端布置，并且经定位以引导所述娱乐性水装置穿过水。
41.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其中所述分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。
42.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其进一步包含无毒增塑剂，所述无毒增塑剂布置于所述聚合物基质中以将柔性特征施加给所述多孔复合泡沫。
43.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其中所述娱乐性水装置为冲浪板或卧式冲浪板。
44.根据权利要求37所述的娱乐水装置，其中所述聚合物基质为70％或更多的壳聚糖。
45.根据权利要求37所述的娱乐性水装置，其中所述复合泡沫包括钠盐或钙盐中的至少一种。
46.一种复合材料，其包含：
聚合物基质构件；和
布置于所述聚合物基质构件中的分散相构件，其中所述分散相构件和所述聚合物基质构件形成多孔复合泡沫，其中按重量计，相对于所述聚合物基质构件，所述多孔复合泡沫包括0.5到3倍的所述分散相构件，并且其中所述多孔复合泡沫的密度小于1g/cm3。
47.根据权利要求46所述的复合材料，其进一步包含布置于所述多孔复合泡沫上的涂布构件。
48.根据权利要求46所述的复合材料，其进一步包含布置于所述多孔复合泡沫中的增塑剂构件。
49.一种包装设备，其包含：
形成被塑形成盛放材料的凹槽的多孔复合泡沫的至少五个平面，其中所述多孔复合泡沫包括：
包括大部分壳聚糖的聚合物基质；；和
布置于具有盐的所述聚合物基质中的分散相，其中所述分散相和所述聚合物基质形成多孔复合泡沫，其中所述多孔复合泡沫的密度小于1g/cm3。
50.根据权利要求49所述的包装设备，其中按重量计，相对于所述聚合物基质，所述多孔复合泡沫包括0.5到2.5倍的所述分散相。
51.根据权利要求49所述的包装设备，其中所述多孔复合泡沫的孔被结构化以使得所述多孔复合泡沫的R因数为3到5.5。
52.根据权利要求49所述的包装设备，其中所述至少五个平面至少部分地彼此连接。
53.根据权利要求49所述的包装设备，其进一步包含多孔复合泡沫的第六平面，所述多孔复合泡沫的第六平面被塑形成在与所述多孔复合泡沫的至少五个平面一起装配时围住所述多孔复合泡沫的至少五个平面中的所述凹槽。
54.根据权利要求49所述的包装设备，其中施加在所述多孔复合泡沫上的负荷至少部分地从所述聚合物基质转移到所述分散相中。
55.根据权利要求49所述的包装设备，其进一步包含无毒增塑剂，所述无毒增塑剂布置于所述聚合物基质中以将柔性特征施加给所述多孔复合泡沫。
56.根据权利要求55所述的包装设备，其中所述无毒增塑剂包括多元醇。
57.根据权利要求49所述的包装设备，其中所述复合泡沫包括钠盐或钙盐中的至少一种。
58.根据权利要求49所述的包装设备，其中所述分散相包括甲壳素、淀粉或纤维素中的至少一种。
59.根据权利要求58所述的包装设备，其中所述分散相包括贝壳、木粉、纸浆、玉米淀粉、大麻、椰衣、大麻或木薯淀粉中的至少一种。
60.根据权利要求49所述的包装设备，其进一步包含布置于所述多孔复合泡沫上的涂层。
61.根据权利要求1至11和46至48中任一权利要求所述的复合材料，其中所述多孔复合泡沫包括盐。
62.根据权利要求37至45中任一权利要求所述的水装置，其中所述多孔复合泡沫包括盐。
63.根据权利要求49至60中任一权利要求所述的包装设备，其中所述多孔复合泡沫包括盐。
64.根据权利要求1至11和46至48中任一权利要求所述的复合材料，其中所述多孔复合泡沫具有弹性特征。
65.根据权利要求37至45中任一权利要求所述的水装置，其中所述多孔复合泡沫具有弹性特征。
66.根据权利要求49至60中任一权利要求所述的包装设备，其中所述多孔复合泡沫具有弹性特征。
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