專利名稱：由板材制得的有機(jī)粘結(jié)、無機(jī)填充的制品及其制造方法和系統(tǒng)的制作方法
本申請是申請日為94.02.17，申請?zhí)枮?4103235.3，題目為“生產(chǎn)包裝材料、容器及其他制品的方法和系統(tǒng)”的中國專利申請的分案申請。
本發(fā)明涉及用可水凝固化混合物和高比例無機(jī)填充組合物生產(chǎn)制品，特別是容器和包裝材料的方法和系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及經(jīng)濟(jì)地大批量地生產(chǎn)各種可水凝固化的或填充無機(jī)物的容器或包裝材料，而目前，這些制品是由紙、紙板、塑料。聚苯乙烯、玻璃、或金屬制造的。本發(fā)明的制品可以選擇地設(shè)計(jì)成重量輕、柔軟、便宜、防水、薄、隔熱和環(huán)境中性的制品。
A包裝材料和容器現(xiàn)有的加工和包裝技術(shù)使得各種各樣的液體和固體物品能被儲(chǔ)存、包裝、運(yùn)載而避免了有害因素的影響。包裝使得物品免于受到環(huán)境的影響和銷售時(shí)的損壞，特別是化學(xué)和物理的影響和損壞。包裝還給消費(fèi)者提供了傳播信息的媒介，例如，原產(chǎn)地、容量、廣告、說明、商標(biāo)和價(jià)格。包裝能避免氣體、水份、光線、微生物、害蟲、物理沖擊、壓力、振動(dòng)、泄漏或翻轉(zhuǎn)對各種各樣物品的影響。此外，食品或飲料制品可以使用特殊的包裝輔助來分裝，如一次性杯、盤、或盒(例如在飲料、三明冶和色拉的快速食品工業(yè)中經(jīng)常使用的“蛤殼”)。
通常，大多數(shù)容器和杯子(包括一次性容器)是由紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃和金屬材料做成。每一年，一千多億聽的鋁罐頭、數(shù)十億個(gè)玻璃杯、數(shù)千噸紙和塑料被用來儲(chǔ)存和分裝軟飲料、液汁和啤酒。在飲料工業(yè)之外的行業(yè)中，用這些材料制成的包裝容器特別是一次性容器隨處可見。
為了保持某些物品為熱的，使用聚苯乙烯制成容器。盡管紙或塑料包裹的容器制品可以裝有特殊的把手，但是在需要隔熱時(shí)，聚苯乙烯容器是一種可供選擇的優(yōu)良的一次性容器，這是因?yàn)榫郾揭蚁┑母魺嵝阅?、成本和穩(wěn)定性。
盡管目前更多的注意力集中在減少紙、紙板、塑料、聚苯乙烯和金屬材料的使用，但是，由于其強(qiáng)度性能和可批量生產(chǎn)，它們還在繼續(xù)使用。然而，對于任何設(shè)計(jì)給定的用途，這些材料相對便宜、重量輕、容易成模、強(qiáng)度好、耐用、在使用中抗降解。
B 紙、塑料、玻璃和金屬的沖擊最近，關(guān)于這些材料(例如紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃或金屬罐)對環(huán)境有很大的危害存在著爭論。提高意識的機(jī)構(gòu)已使很多人確信，從環(huán)境的觀點(diǎn)來說，用一種材料替代另一種材料更“正確”。這些爭論通常疏忽了這一點(diǎn)，即這些材料的每一種都有它自己的特殊的環(huán)境弱點(diǎn)。從某一特定的環(huán)境問題來看，一種材料相對另一種材料可能更好，但卻忽視了與所提出的優(yōu)選材料有關(guān)的一些不同的、往往是更大的問題。事實(shí)上，紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃和金屬材料都有自身的獨(dú)特的環(huán)境弱點(diǎn)。
例如，聚苯乙烯本身是一種相對惰性的物質(zhì)，但它的生產(chǎn)涉及到危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)和起始原料。未聚合的苯乙烯是很容易反應(yīng)的，因此，對那些必須處理它的人存在健康問題。因?yàn)楸揭蚁┦怯杀?一種已知的誘變劑和可能的致癌物質(zhì))生產(chǎn)的，在苯乙烯中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有殘留的苯。聚苯乙烯的降解十分緩慢，丟棄的容器能持續(xù)很長一段時(shí)間。
潛在的更大的損害是在“發(fā)泡”或“膨脹”聚苯乙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)中使用含氯氟烴(或“CFCs”)。這里由于CFCs與臭氧層的破壞有關(guān)。在泡沫(包括發(fā)泡)聚苯乙烯的生產(chǎn)中，CFCs(是一種揮發(fā)性很強(qiáng)的液體)用來使聚苯乙烯“膨脹”或“發(fā)泡”成泡沫材料，然后模制成杯子、板、盤子、盒子、“蛤殼”容器、墊板或包裝材料。即使用“環(huán)境損害”較小的發(fā)泡劑(例如HCFC、CO2、戊烷)來替代，還是很大的損害，減少它們的使用是有益的。
考慮到這些問題，某些環(huán)境組織贊成暫時(shí)返回來使用天然產(chǎn)品如紙、木材、確信它們更容易生物降解。然而，另一些環(huán)境組織卻持相反的觀點(diǎn)，以使樹木的砍伐和森林消耗最小。
盡管從表面上看，紙產(chǎn)品能生物降解與臭氧層的破壞無關(guān)，可是，最近的研究表明，與聚苯乙烯的生產(chǎn)相比，紙的生產(chǎn)可能更強(qiáng)烈地影響環(huán)境，事實(shí)上，木漿和造紙工業(yè)在美國被認(rèn)為是五大污染行業(yè)之一。例如用紙制成的產(chǎn)品與相當(dāng)?shù)木郾揭蚁┊a(chǎn)品相比，所需蒸汽為10倍、電為14-20倍、冷卻水為2倍。各種研究表明，從造紙廠排出的排放物中所含的污染物是生產(chǎn)聚苯乙烯泡沫中產(chǎn)生的污染物的10-100倍。
此外，造紙的副產(chǎn)物是影響環(huán)境的二噁星(dioxin)，它是一種有害的毒素。二噁星，準(zhǔn)確地說是2，3，7，8一四氯一二苯并[b，e][1，4]二噁星，是一種高毒性的污染物，即使量十分小也是很危險(xiǎn)的。造紙車間的排放水中二噁星的最高含量是約萬億分之0.5。然而從紙漿車間下游捕撈到的魚中二噁星的含量可能接近萬億分之200，而達(dá)到萬億分之50就是不正常的了。
由于需要把金屬原料熔化后才能單獨(dú)操作和成形為中間或最終產(chǎn)品，所以在金屬罐(特別是那些由鋁和錫制成的)、玻璃瓶和陶瓷容器的制造過程中要消耗很多的能量。這些高能耗和加工要求不僅需要利用寶貴的能源，而且對環(huán)境導(dǎo)致了明顯的空氣、水和熱污染。進(jìn)一步的是，盡管玻璃是可以回收的，但是最終落于地下的那一部分基本上是不能生物降解的。破碎的玻璃片是十分危險(xiǎn)的，而且能持續(xù)好多年。
即使是許多人堅(jiān)信能被生物降解的紙或紙板，也需要持續(xù)數(shù)年，甚至幾十年。它們被埋在地下，與空氣、陽光和水隔絕，所有這些過程都需要通常的生物降解活性。據(jù)報(bào)道，有人從被掩埋了數(shù)十年的垃圾桶中撿到電話號碼本和報(bào)紙。由于紙經(jīng)常被用各種保護(hù)材料處理、涂膜或浸漬，這些材料進(jìn)一步減緩或防止了降解，所以紙的這種耐久性進(jìn)一步復(fù)雜化了。
對于紙、紙板、聚苯乙烯還有一個(gè)問題，它們需要相對昂貴的起始原料，而且有些是不能再生的，例如在聚苯乙烯和塑料的生產(chǎn)中使用的石油。嚴(yán)格地說，盡管用于制造紙和紙板的樹木是可以再生的，但它們對大量土地的要求以及土地在世界上某些地方的快速消耗也削弱了這一想法。因此，在制造一次性容器中，使用基本上不能再生的原材料是不能持久的，從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看也是不明智的。進(jìn)一步地說，制造包裝品原材料(例如紙漿、苯乙烯、或金屬板)的工藝能耗大，引起大量的水和空氣污染，而且投資巨大。
從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，爭論應(yīng)該引導(dǎo)到這些材料對環(huán)境或多或少都有害，但是要問我們能否找到或開發(fā)另一種材料，即使不是全部，也可大部分地解決與目前使用的材料有關(guān)的各種環(huán)境問題？C 傳統(tǒng)的可水凝固化和無機(jī)的填充的材料數(shù)千年來，人們已經(jīng)大量利用了基本上不會(huì)枯竭的無機(jī)材料，例如粘土、天然礦物或石頭。由于粘土容易模制成各種物品，包括容器、瓦片及其它有用物品，但是粘土有一些缺點(diǎn)，包括需要時(shí)間使之硬化、需要燒結(jié)粘土使之具有最優(yōu)的強(qiáng)度，它通常大、重而且笨重。免燒粘土的抗拉強(qiáng)度特別低，特別脆、盡管如此，作為豐富、用不盡、低成本的填充物，粘土在其它材料的生產(chǎn)中還是找到了一些應(yīng)用，例如在紙或紙板的生產(chǎn)中。然而由于粘土作為填充物時(shí)的脆性和不能相互粘結(jié)性能，所以通常不能超過總紙材重量的20％。
在建造建筑物和制造工具，容器和其它大而笨拙的物品時(shí)，人們廣泛地應(yīng)用了石頭。然而石頭的明顯缺點(diǎn)是硬、脆、重、這就限制了它在相對質(zhì)量大、體積大且笨拙的物品中的應(yīng)用。盡管如此，較小的或破碎的石頭可以作為集材用在其它產(chǎn)品的制造上，如用在制造可水凝固化材料或粘結(jié)材料上。
可水凝固化材料，如那些含有水硬水泥或石膏(下文稱“可水凝固化的”、“水硬的”或“粘結(jié)的”組合物、材料或混合物)的材料，已經(jīng)應(yīng)用數(shù)千年，用來生產(chǎn)有用的、通常大而笨重的結(jié)構(gòu)，它們耐久、強(qiáng)度高，而且相對便宜。
例如，水泥是由粘土和石灰石得到的可水凝石灰石粘結(jié)劑，它基本上是用不盡的，相對前面討論的材料是十分便宜的。水硬水泥可以和水及集材(如破碎的石頭或礫石)混合，生成混凝土。由于對典型的粘結(jié)混合物要求高的流動(dòng)性以使之具有充分的可操作性，混凝土和其它可水凝固化混合物的應(yīng)用被限制在主要用于簡單的形狀，它們通常大、重而笨，而且需要機(jī)械力在延長的一段時(shí)間內(nèi)維持其形狀直至這些材料充分硬化。限制傳統(tǒng)粘結(jié)混合物或漿料的另一方面是它們只有很小或沒有形狀的穩(wěn)定性，通過將混合物注入有外部支撐的邊界或壁的空間以成型為最終形狀。
由于缺乏成型性能(可能是因?yàn)椴僮餍阅懿詈?或形狀穩(wěn)定性差的緣故)且單位重量的抗拉強(qiáng)度低，可水凝固化的材料傳統(tǒng)地只在尺寸和重量不是限制因素、而施加在混凝土上的力或負(fù)載通常限于壓力和負(fù)載的應(yīng)用場合下有用，如用在道路、基座、便道和墻壁上，這一點(diǎn)是無疑的。
而且，在歷史上，可水凝固化材料脆、堅(jiān)硬、不能折或彎曲，可塑性、抗撓和抗彎曲強(qiáng)度低。混凝土的脆性和抗拉強(qiáng)度差已被這樣一個(gè)事實(shí)普遍證明，即只要有很輕微的壓縮或彎曲混凝土就會(huì)破碎或斷裂，而不象其它材料，如金屬，紙、塑料或陶瓷。典型的粘結(jié)材料不適宜用來制造小的重量輕的物品，如容器或薄片，這些東西如果由與典型的可水凝固化材料相比具有高得多的單位重量的抗拉和抗彎強(qiáng)度的材料制成會(huì)更好。
傳統(tǒng)的、甚至是最近開發(fā)的高強(qiáng)度混凝土的另一問題是，普遍需要漫長的熟化期。由可流動(dòng)混合物形成的典型混凝土產(chǎn)品，在其能機(jī)械地自我支撐之前需要10-24小時(shí)的硬化時(shí)間，在混凝土基本達(dá)到最大強(qiáng)度之前需要一個(gè)多月，為了避免破碎，在直到它們具有足夠的強(qiáng)度能拆掉模之前要特別小心，避免移動(dòng)可水凝固化的物品。由于用來形成可水凝固化物品的模具在生產(chǎn)混凝土產(chǎn)品中通常是要再次使用的，即使對于熟化期最短的混凝土，也需要相當(dāng)長的一段時(shí)期，所以要經(jīng)濟(jì)地，工業(yè)化地大規(guī)模生產(chǎn)可水凝固化的產(chǎn)品是很困難的。
盡管認(rèn)為水或其它可水凝固化的粘結(jié)劑賦予了可水凝固化材料很高的強(qiáng)度，包括抗拉和(特別地)抗壓強(qiáng)度，但由于這些粘結(jié)劑用量較低，所以與其說它們起作粘結(jié)劑的作用，不如說起作聚集填充物的作用。因此，研究被引導(dǎo)到確定是否能生產(chǎn)不需使用可水凝固化粘結(jié)劑(或只使用少量的粘結(jié)劑，足夠使它主要作為一種集材)但摻入高濃度的無機(jī)材料和另外的粘結(jié)劑的制品上來了。
這里將水凝粘結(jié)劑在其中僅僅用作集材的材料稱作無機(jī)填充材料。用這些材料制成的物品與現(xiàn)有技術(shù)的紙、塑料、金屬材料相比，具有成本低，對環(huán)境影響小，原料豐富顯得等優(yōu)點(diǎn)。
人們已經(jīng)嘗試往紙中填充無機(jī)材料，如高嶺土和/或碳酸鈣，盡管摻入這些產(chǎn)品中的無機(jī)物的量有限(體積比約20-35％)。此外，人們還嘗試往某些塑料包裝材料中填充粘土，以增強(qiáng)這些產(chǎn)品的透氣性能，改善包裝材料對水果、蔬菜的保鮮能力。還有，人們通常往粘合劑和涂料中添加無機(jī)材料，以給處理過的產(chǎn)品賦予顏色或質(zhì)地等某些性能。
盡管如此，無機(jī)材料僅僅為制造這些產(chǎn)品的所有材料的一部分，而不構(gòu)成這些包裝品中的主要成份。因?yàn)楦弑壤裏o機(jī)填充材料主要包含這些對環(huán)境為中性的組份，如巖石、砂子、粘土和水。從生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)來看，它們十分適于代替紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、或金屬材料在這些方面的應(yīng)用。相對合成材料或深度加工過的材料來說，它們在成本上具有很大的優(yōu)勢。
由于最近意識到用紙、紙板、塑料、聚苯乙烯和金屬制造各種一次使用(主要是一次性)的物品如印刷品或容器對環(huán)境的巨大影響(沒有提及政治壓力)，所以迫切需要(從被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識至今已有很長時(shí)間)找到對環(huán)境來說是合理的替代材料。特別是在工業(yè)上已經(jīng)在為這些廢品率高的物品尋找開發(fā)可水凝固化和高比例無機(jī)填充材料。
盡管有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的壓力，廣泛的研究以及與主相關(guān)的長期需要，但至今還是不存在經(jīng)濟(jì)合理地生產(chǎn)能夠代替紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬薄片或由其制成的容器產(chǎn)品的可水凝固化和高比例無機(jī)填充有機(jī)聚合物粘結(jié)材料的技術(shù)。
這些材料不僅由用不盡的組份制成，而且不象紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃或金屬那樣影響環(huán)境?？伤袒牧弦约捌渌鼰o機(jī)材料的另一優(yōu)點(diǎn)是比紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬便宜得多。
與紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃和金屬制品相互比較來估價(jià)，它們比典型的可水凝固化材料和高比例無機(jī)填充材料昂貴得多。合理的商業(yè)行為不會(huì)忽視用較便宜的材料替代紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，之所以未能這樣做的唯一解釋是明顯缺乏制造這些替代品的可能的技術(shù)。
從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看，所需要的是除紙、紙板、塑料、聚苯乙烯、玻璃或金屬以外的新材料，它可用來生產(chǎn)儲(chǔ)存，分裝和包裝液體或固體的容器和包裝材料。如果它們不太依賴于使用樹木、石油或其它基本不能再生或緩慢再生的資源作為最初起始原料就能制造出來的話，那么這些材料在技術(shù)上具有巨大的進(jìn)步。
提供能生產(chǎn)與紙、紙板、聚苯乙烯、塑料或金屬性質(zhì)相類似的可水凝固化和無機(jī)填充物品的組合物，方法和系統(tǒng)在技術(shù)上將有巨大的進(jìn)步。如果這些物品可以使用與現(xiàn)在用來制紙、紙板、聚苯乙烯、塑料或金屬薄片相同或類似的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)來生產(chǎn)制品的話，在技術(shù)上也還有驚人的進(jìn)步。
如果這樣的可水凝固化和無機(jī)填充物品不會(huì)導(dǎo)致與生產(chǎn)紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬相關(guān)的廢物，那么在技術(shù)上是一重要的進(jìn)步。此外，如果很容易降解成在土壤中通常能找到的物質(zhì)，則在技術(shù)上是一顯著的改進(jìn)。
如果這些組合物和方法使得容器和包裝材料能夠以可比較的、甚至是以低于用現(xiàn)有材料以現(xiàn)有的方法生產(chǎn)容器和包裝材料的成本來生產(chǎn)，則從實(shí)用的觀點(diǎn)來看，將是顯著的改進(jìn)。特別地，希望用現(xiàn)有的材料生產(chǎn)制品而又能降低能耗和原始投資成本。
從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看，提供可水凝固化和填充無機(jī)填充的材料及用這些材料批量生產(chǎn)特別是容器和包裝材料的制品的方法，而這些制品能很快成型，且能在開始生產(chǎn)后的數(shù)分鐘內(nèi)干燥，那么這將是一個(gè)明顯的改進(jìn)。
本發(fā)明公開并要求保護(hù)用來生產(chǎn)包括包裝材料和容器制品的這些材料、方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明涉及由可水凝固化和無機(jī)填充的材料(以后統(tǒng)稱為“可模制材料、混合物或組合物”)生產(chǎn)制品的方法和系統(tǒng)。通過由材料科學(xué)和微結(jié)構(gòu)工程手段開發(fā)出的改進(jìn)的方法，可以由包括可水凝固化或無機(jī)的粘結(jié)劑的可模制材料容易且廉價(jià)地批量生產(chǎn)重量輕、強(qiáng)度大、與環(huán)境相容(如果必要，可以是柔軟或隔熱)的制品如容器和包裝材料。
本發(fā)明的材料科學(xué)及微結(jié)構(gòu)工程手段使得本發(fā)明的可模制組合物的微觀結(jié)構(gòu)成為所需物理特征和性質(zhì)不可分割的一部分，與此同時(shí)還注意保持大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)的成本和其它復(fù)雜性。在這樣做的同時(shí)，克服了許多長期限制應(yīng)用大多數(shù)可模制材料的難題。
正如下面將詳細(xì)討論的，材料科學(xué)和微結(jié)構(gòu)工程手段代替了傳統(tǒng)的試差法和混合及試驗(yàn)(mix-and-test)法，特別地允許根據(jù)對容器和包裝材料來說是必要的高抗拉強(qiáng)度、高抗彎強(qiáng)度、高絕熱性、低重量、低成本及對環(huán)境影響小的性質(zhì)來設(shè)計(jì)可模制材料?？赡Ｖ撇牧显谖⒂^結(jié)構(gòu)水平上的設(shè)計(jì)控制源于在物品成形過程中的如下發(fā)現(xiàn)(a)可以化學(xué)地改變組合物的流變學(xué)得到可模制性和快速成形穩(wěn)定性，或(b)通過處理或提供能量降低水與粘結(jié)劑的比例。
其結(jié)果是能以在工業(yè)上有生命力的規(guī)模由可模制材料批量生產(chǎn)各種各樣的容器和其它材料(其中許多是一次性的)，相應(yīng)于用其它材料，其成本是具有競爭性的、甚至是更低的。本發(fā)明的可模制材料中的主要組分包括水凝性粘結(jié)劑(象水泥或石膏)、有機(jī)粘結(jié)劑(多糖、蛋白質(zhì)或合成有機(jī)材料)、集材(如珍珠巖、砂子、玻璃、硅石、蛭石、粘土、云母、甚至是廢混凝土產(chǎn)品)，纖維(典型的是木材或植物)、水以及如分散劑和固化促進(jìn)劑一類的摻和劑。
正如前面所描述的，可模制材料包括可水凝固化材料和高比例無機(jī)填充材料。盡管這兩種材料包括相同的組分，但該混合物可以根據(jù)其濃度及某些組分的功能來區(qū)分。
本發(fā)明的可水凝固化材料包括可水凝固化粘結(jié)劑和水的混合物，其中可以選擇地?fù)饺肴缂?、纖維、分散劑和有機(jī)粘結(jié)劑等組分，以改進(jìn)混合物的性質(zhì)。對所選擇的組分，水凝性粘結(jié)劑作為的性質(zhì)。對所選擇的組分，水凝性粘結(jié)劑作為主要的粘結(jié)劑起作用。盡管可以將有機(jī)粘結(jié)劑添加到可水凝固化材料中，但有機(jī)粘結(jié)劑是作為一種流變改變劑起作用，而不是作為粘結(jié)劑起作用。
在可水凝固化材料中，有機(jī)組分如以纖維素為基礎(chǔ)的纖維和/或流變改變劑將構(gòu)成用來生產(chǎn)制品的材料總量中的一小部分。通常有機(jī)組分總量約小于未硬化可水凝固化混合物體積的30％，優(yōu)選地，這一部分約小于15％(體積)。
與其相反，高比例無機(jī)填充材料包括可水分散的有機(jī)粘結(jié)劑、水、纖維和無機(jī)集材的混合物，其中集材的濃度約占混合物總固體體積的40％-98％?？梢韵蜻@一混合物中選擇添加有機(jī)組分如有機(jī)集材、分散劑、可水凝固化粘結(jié)劑。在無機(jī)填充材料中，有機(jī)粘結(jié)劑作為主要粘結(jié)劑起作用。可水凝固化粘結(jié)劑作為填充物或吸收水份起作用。應(yīng)當(dāng)理解，雖然有機(jī)或水凝性粘結(jié)劑不作為主要粘結(jié)劑加入到材料中去，但它們?nèi)匀辉鰪?qiáng)一些粘結(jié)性質(zhì)，為了設(shè)計(jì)可模制混合物和/或某些特殊制品的硬化結(jié)構(gòu)的基質(zhì)的必要特殊功能性質(zhì)，可模制混合物中可以包括各種各樣添加劑如流變改變劑或有機(jī)粘結(jié)劑、分散劑、一種或多種集材、纖維、加氣劑、起泡劑或反應(yīng)金屬。添加劑的同一性及其量取決于可模制混合物及由此制成的最終硬化容器的必要性質(zhì)或性能規(guī)范。
有機(jī)粘結(jié)劑是簡單聚合物，當(dāng)其在一定條件下加入到水中時(shí)，就形成長鏈纏繞在一起并俘獲混合物中的組分。當(dāng)水被從混合物去掉時(shí)，這些長鏈就固化并粘結(jié)結(jié)構(gòu)的基質(zhì)。由于這些有機(jī)粘結(jié)劑的性質(zhì)，它們還起改變組合物流變的作用。
在說明書和所附的權(quán)利要求書中，語術(shù)“有機(jī)粘結(jié)劑”和“流變改變劑”是同義的。加入有機(jī)粘結(jié)劑或流變改變劑可以增加混合物的粘結(jié)強(qiáng)度、“類塑料”性能以及其在模制或擠出中維持形狀的能力。它們作為增稠劑以增加可模制混合物的屈服應(yīng)力，這就是使混合物變形所需的力的大小。這樣就產(chǎn)生了模制或擠壓產(chǎn)品的“未熟化時(shí)的強(qiáng)度”。合適的流變改變劑包括纖維素、淀粉及蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的材料(它們通常是強(qiáng)極性的)，它們都輔助將單個(gè)顆粒橋接在一起。
另一方面，分散劑通過分散單個(gè)集材和粘結(jié)顆粒，起降低混合物的粘度和屈服應(yīng)力的作用。這樣使得使用少量的水，同時(shí)又能維持充分的可操作水平。合適的分散劑包括任何可以吸附在水凝性粘結(jié)顆?；蚣谋砻娴牟牧?，它們通常是通過在顆粒表面或在接近膠體迭層的地方產(chǎn)生負(fù)載面起分散顆粒的作用。
在流變改變劑和分散劑都加入的情況下，最好是首先添加分散劑，接著再添加流變改變劑，以獲得較好的效果。否則，流變改變劑先會(huì)被集材或粘結(jié)劑顆粒吸附，這樣，將產(chǎn)生膠體保護(hù)層，妨礙分散劑被顆粒吸附，從而影響可模制混合物的有益效果。
在可模制混合物中優(yōu)選包括一種或多種集材，以增加體積和降低混合物的成本。集材通常能明顯影響強(qiáng)度性質(zhì)、改善操作性。這種集材的一個(gè)實(shí)例是普通砂子或粘土，它們對環(huán)境是十分安全的，而且特別便宜，基本上是取之不盡的。
在其它情況中，可以添加重量輕的集材，以生產(chǎn)較輕且經(jīng)常是隔熱的最終產(chǎn)品。重量輕的集材實(shí)例有珍珠巖、蛭石、多孔玻璃珠、氣凝膠、干凝膠、浮石及其它重量輕的類似巖石的材料。這些集材對環(huán)境是中性的，且相對便宜。
可以在可模制混合物中添加纖維，增加濕材及由此制成的硬化制品的抗壓、抗拉、抗彎和粘結(jié)強(qiáng)度。在制品是由混合物制成薄片的情形中，纖維的摻入可以使得薄片可以卷曲、刻痕或折成所需形狀。纖維優(yōu)選地具有高抗撕和抗沖擊強(qiáng)度(即高抗拉強(qiáng)度)，其實(shí)例包括蕉麻、南方松木、亞麻、甘蔗渣(甘蔗纖維)、棉花和大麻。有高縱橫比率的纖維能很好地影響模制材料的強(qiáng)度和韌性本發(fā)明的一個(gè)重要方面是本發(fā)明的制品可以經(jīng)濟(jì)地、大量地生產(chǎn)。在這里公開的制品不是以某次幾個(gè)的度手工生產(chǎn)，而是以每小時(shí)幾百、幾千或幾萬個(gè)的速度生產(chǎn)。在生產(chǎn)加工過程中利用下列手段之一方法可以快速生產(chǎn)某些新材料(類似于紙、塑料、金屬)(a)用化學(xué)方法改變可模壓混合物(如添加流變改變劑)來得到混合物的操作性能，然后快速成形穩(wěn)定；或(b)在成型過程中降低水的含量(如通過以熱量或壓力的形式提供能量)。通過如下的生產(chǎn)方法，這些原理的應(yīng)用將變得十分明顯。
有幾個(gè)步驟和幾種方法來生產(chǎn)本發(fā)明的制品。第一步對所有方法都是一致的，即制備可模制混合物。將所要求的粘結(jié)劑和水與選擇的材料如流變改變劑、分散劑、集材和纖維混合制備混合物，使混合物具有所要求的流變性質(zhì)及最終的強(qiáng)度、重量、隔熱性和紙成本性質(zhì)。組合物通常在高剪切攪拌下混合，然而，脆的或重量輕的集材通常在紙剪切攪拌下加入，以避免破碎集材。
第二步是使混合物成型或形成制品所需形狀?，F(xiàn)有的方法包括模壓、注射成型、吹塑成型、盤車?yán)?、濕片成型和干片成型。模壓過程包括將混合物放在具有互補(bǔ)形狀的陽模和陰模之間。然后將模相互配合使混合物成型為模的形狀。在注射成型中，將混合物在壓力下注射到密封的模具中，使混合物形成模具的形狀。一旦混合物形狀穩(wěn)定了，打開模具，取出物品進(jìn)行干燥。
有兩種吹塑成型方法，一種是注射吹塑成型，另一種是擠出吹塑成型。在注射吹塑成型中，將混合物放到一個(gè)芯棒上，然后再放入一個(gè)密封的模具中，通過芯棒吹入空氣，使混合物向模具壁膨脹，形成要求的形狀。擠出吹塑成型是通過混合物擠入到一管中，該管位于模具的兩半之間。然后將吹桿插入管中，空氣通過流管，使混合物向模具壁膨脹形成所要求的物品形狀。
拉坯類似于粘土成型，其中用到了陶輪。該方法中需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)的軸，其上放置一個(gè)開口的模具。然后用轉(zhuǎn)動(dòng)的輪頭向模具的側(cè)壁擠壓混合物，使混合物形成要求的制品。混合物成型后，從模具邊沿去除多余的材料，使制品獲得形狀的穩(wěn)定性。
濕片成型和干片成型方法類似，使混合物首先形成薄片。具有所要求特性的可模制混合物(按前面描述的方法制備)通過壓模擠出，例如，用螺旋式或活塞式擠出機(jī)擠成相對薄的有預(yù)定厚度的片材。在一個(gè)實(shí)例中，在螺旋鉆上施以真空，從混合物中去除多余的空氣。
擠出的片材在一套減薄滾柱之間通過壓延，形成厚度更加均勻、表面更加光滑的薄片。在一些情形中，選擇使片材通過幾套滾柱，各套滾柱之間距離進(jìn)一步變小，獲得厚度進(jìn)一步減少的壓延片材。
此外，使用一對在“Z”方向(或者垂直于片材表面方向)有不同取向的滾柱，例如使用一個(gè)園滾柱配以一個(gè)錐形滾柱，纖維的百分比在“X”方向(或?qū)挾确较?上取向。用這種方法，可以生產(chǎn)具有雙向取向的片材。這被認(rèn)為是由于錐形滾柱能使片材在“X”方向上變寬。用有在兩個(gè)方面排列的纖維的片材生產(chǎn)的容器具有更均勻的強(qiáng)度。
在濕片方法中，一部分片材可以加工成容器或制品的所需形狀。這最好是在具有要求形狀的陽模和基本上與陽模形狀相匹配的輪廓的陰模之間壓模來完成。其它可用的模具包括分裂模具和順序模具。容器也可以通過對片材利用許多真空成形技術(shù)中的一種來成形。
在干片成型方法中，前面討論過的濕片材再通過加熱的干燥滾柱，形成象干紙片一樣的產(chǎn)品。此外，片材可以在有點(diǎn)濕度的條件下在擠壓滾柱之間通過，除去結(jié)構(gòu)基體中的不必要的間隙，增加纖維的粘結(jié)，減少空隙率，和/或增加表面光滑度。通過小心控制含水量，可以保證擠壓滾柱僅壓縮和增加片材的密度，而不會(huì)進(jìn)一步將片材拉長。
當(dāng)在其有點(diǎn)水份時(shí)或甚至當(dāng)其在干燥條件下，片材可以任意地刻痕、劃掉，或打孔，使得在基體內(nèi)劃出一條線，片材可以沿該線折轉(zhuǎn)或折曲。此外，片材可以給一套規(guī)整的滾柱生產(chǎn)出規(guī)整的片材或板材。
一旦片材已經(jīng)形成，接下來可以通過多種在造紙工業(yè)中已知的方法來制造所要求的制品。這些方法包括折疊、盤卷、螺旋繞制、模制、組合以及成盒狀。
為了經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)容器和制品，制成的容器必須很快地獲得形狀的穩(wěn)定。在一個(gè)方案中，包括沖模、模具和滾柱的成型設(shè)備被加熱至預(yù)定的溫度，使之快速干燥容器的表面，從而得到形狀穩(wěn)定的容器。加熱成型設(shè)備還能起到形成蒸汽隔層使容器附著于成型設(shè)備到達(dá)最小的作用。其他方法，如冷卻成型設(shè)備或向混合物中添加能很快蒸發(fā)的非水液體，也可以用來快速影響容器的形狀穩(wěn)定性。還有另外一些方法也可以用來影響形狀的穩(wěn)定性，包括向混合物中添加石膏的半水化合物、碳酸鹽、促進(jìn)劑、甲基纖維素和淀粉，或限制混合物中水的含量。
一旦容器獲得了充分的形狀穩(wěn)定性，就可以把它們從模具中移出來。從模中移出是由氣力輸送或抽吸來完成?？梢栽诔尚偷闹破泛湍＞咧g吹氣輔助移出。此外還可以使用各種模板或脫模圈來提升容器脫離模具。
最后，使容器通過一個(gè)干燥設(shè)備，分離容器中的額外的水份，增加容器的強(qiáng)度，改進(jìn)形狀的穩(wěn)定性。加熱設(shè)備給予的熱量加快了水凝性水泥的水合和有機(jī)粘結(jié)劑的干燥的速度。一旦容器獲得了充分的強(qiáng)度，就可以包裝和運(yùn)輸了。
在上述成型過程之前，過程中或之后，可以因多種要求在基本干燥的片材或容器表面施以涂層，如使容器更防水，更柔軟或使表面更加光亮?；谌绱蠖购图谆w維素等材料的涂層可以單獨(dú)或與聚乙烯醇混合涂到表面上以持久地使片材或容器柔軟或在容器內(nèi)折轉(zhuǎn)。
不管潛藏的硬化了的結(jié)構(gòu)基體在折轉(zhuǎn)部位彎曲時(shí)是否斷裂，彈性體、塑料或紙的涂層都有助于維持折疊或折轉(zhuǎn)的整體性。用標(biāo)記、標(biāo)識(logos)或其它印制材料對片材或容器進(jìn)行印刷或壓花也是所希望的。
本發(fā)明的另一方案包括增加空氣間隙，從而使制品增強(qiáng)其隔熱性能。這些空氣間隙是用各種技術(shù)向粘結(jié)混合物中混入氣體而產(chǎn)生的。一種方法是在混合過程中機(jī)械混入空氣間隙，另一種方法是粘結(jié)材料糊狀物中現(xiàn)場產(chǎn)生氣體。
本發(fā)明的組合物根據(jù)所要生產(chǎn)的產(chǎn)品的不同特征而不同。例如能夠生產(chǎn)有剛性壁的非常輕的產(chǎn)品(類似于聚苯乙烯產(chǎn)品)。為方便起見，第一種產(chǎn)品在這里有時(shí)稱之為“類泡沫”制品。
此外，按本發(fā)明，可以生產(chǎn)其外觀更象陶器或陶瓷制品的產(chǎn)品。然而，本發(fā)明的產(chǎn)品輕得多，典型地，其特征堆積比重約小于1.5，而陶器或陶瓷產(chǎn)生的特征堆積比重典型地為2.0或更高。本發(fā)明第二種制品在這里有時(shí)稱之為“類粘土”制品，因?yàn)樗翘涠葹榱?、形狀穩(wěn)定的可模制材料，該材料還有優(yōu)良的可操作性能。
類泡沫和類粘土材料兩者都可以首先成型為片材(或連續(xù)的卷)，然后再?zèng)_、壓、刻痕、折疊或卷曲成所要求的容器或其它制品。第三種產(chǎn)品可以稱之為“類片”制品，在許多制品中它更象紙或紙板，它代替了紙或紙板。
本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是針對每一要求的性質(zhì)(包括使成本最小)的材料科學(xué)的最優(yōu)化。這僅僅是因?yàn)楸景l(fā)明的獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)工程能使粘結(jié)混合物可以成型為薄壁的、復(fù)雜的、重量輕的制品如食品和飲料容器，而且使其從初始狀態(tài)直到硬化狀態(tài)在沒有外部支持的情況下一直維持其形狀。
確實(shí)，用可模制材料大量生產(chǎn)象食品和飲料容器這樣的制品的經(jīng)濟(jì)可行性是因?yàn)檫@些混合物在其初始狀態(tài)是自支撐的，在其保養(yǎng)或干燥過程中能維持其成型的形狀。此外，本發(fā)明組合物提供的混合物能很快達(dá)到足夠高的抗拉、抗壓強(qiáng)度，使得成型的容器或其它制品能用傳統(tǒng)的方法來處理和操作。
從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，本發(fā)明折目的是提供生產(chǎn)可水凝固化和無機(jī)填充制品的改進(jìn)的組合物、方法和系統(tǒng)，這些制品目前是用如紙、紙板、聚苯乙烯、塑料或金屬制成的。
本發(fā)明的另一目的和特征是提供生產(chǎn)可水凝固化和無機(jī)填充制品的組合物、方法和系統(tǒng)，這些制品的性質(zhì)類似于用紙、紙板、聚苯乙烯、塑料或金屬制成的制品。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種可模制混合物，可以使用與目前用來生產(chǎn)如紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬制品相同或類似的生產(chǎn)設(shè)備來生產(chǎn)各種制品。
本發(fā)明的再一目的和特征是提供用可模制混合物生產(chǎn)制品的組合物、方法和系統(tǒng)，而不會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)紙、塑料、聚苯乙烯或金屬所生成的廢物。
另一目的和特征是制品容易降解成無毒的通常能在土壤中找到的物質(zhì)。
本發(fā)明的另一目的是提供組合物、方法和系統(tǒng)，使得與用已有的材料和已有的方法生產(chǎn)制品相比，以可比較的甚至是更低的成本生產(chǎn)制品成為可能。
本發(fā)明還有一個(gè)目的和特征是提供生產(chǎn)方法和系統(tǒng)，與用現(xiàn)有材料生產(chǎn)制品相比，能耗少、節(jié)約有價(jià)值的自然資源、原始投資少。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供含水較少的組合物，水能在生產(chǎn)過程中被除去(與紙的生產(chǎn)比較)，從而縮短加工時(shí)間、減少原始設(shè)備投資。
最后，本發(fā)明的另一目的和特征是提供用可模制混合物大量生產(chǎn)制品的組合物、方法和系統(tǒng)，可模制混合物容器能迅速成型并在從生產(chǎn)開始后的幾分鐘內(nèi)基本上被干燥。
本發(fā)明的這些及其它一些目的和特征將從下面的描述和所附的權(quán)利要求中變得更加明顯，或可從本發(fā)明的實(shí)施中了解到。
為了獲得本發(fā)明上述的方式以及其它優(yōu)點(diǎn)和目的，將通過參考實(shí)例來更詳細(xì)描述上文簡述的特征，這些實(shí)例由附圖給出。應(yīng)該理解，這些附圖僅僅是本發(fā)明的典型實(shí)施方案，而不應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明范圍的限定，通過使用下述附圖可以描述本發(fā)明另外的特性和細(xì)節(jié)。


圖1是本發(fā)明用來制備可模制混合物的系統(tǒng)全圖，包括一個(gè)混合器和一個(gè)雙螺旋擠出機(jī)；圖2是用于模壓法中的陽模和陰模的示意圖；圖2A是分裂模具的橫截面圖；圖2B是順序模具的橫截面圖；圖3是部分地地配合形成一間隙距離的陽模和陰模的示意圖；圖4是一個(gè)兩級注射的橫截面圖；圖5是一個(gè)往復(fù)螺旋注射機(jī)的橫截面圖；圖6是放在陽模和陰模之間的混合物示意圖；圖7A-B是用來設(shè)置可模制混合物的模板的示意圖；圖8是注射成型模具橫截面圖；圖9是用在注射吹塑成型的三級示意圖；圖10A-F描述了擠出吹塑成型的過程步驟；圖11A-D描述了拉坯的過程步驟；圖12是在濕片成型過程中用來生產(chǎn)片材的優(yōu)選系統(tǒng)的全圖，包括一個(gè)混合機(jī)、一個(gè)雙螺旋擠出機(jī)、模頭和多個(gè)減薄滾柱；圖13是一對減薄滾柱橫截面圖；圖14是用在濕片材成型為所要求的制品的陽模和陰模示意圖；圖15A-B是用在包模成型方法中的模具橫截面圖；圖16A-B是用在豎直真空成型中的模具橫截面圖；圖17是用在包模真空成型中的模具模截面圖；圖18A-B是用在快速反吸真空成型中的模具橫截面圖；圖19A-B是用在氣脹/氣脹包模真空成型上的模具橫截面圖；圖20A-B是用在氣脹/包模真空成型上的模具橫截面圖；圖21A-B是用在助壓模塞真空成型上的模具橫截面圖；圖22A-C是用在氣脹/助壓模塞/快速反吸成型中的模具橫截面圖；圖23A-C是用在雙片成型中的模具橫截面圖24是干片成型中生產(chǎn)片材的系統(tǒng)的全貌圖，包括一個(gè)混合器、一個(gè)擠出機(jī)、減薄滾柱、加熱滾柱、壓縮滾柱、硬滾柱、軟滾柱、卷筒；圖25是在一對壓縮滾之間穿過的片材的橫截面圖；圖26是在一個(gè)硬滾柱和一個(gè)軟滾柱之間穿過的片材；圖27是顯示了通過瓦楞滾柱的片材；圖28是用刀片刻痕的片材透視圖。
圖29是用連續(xù)模沖切口滾柱刻痕的片材透視圖；圖30是用模沖模片在片材上壓痕的透視圖；圖31是用打孔刀具穿孔的片材透視圖；圖32A是端部密封的箱子坯料的透視圖；圖32B是端部密封的箱子的中間殼體的透視圖。
圖32C是端部密封的箱子的透視圖。
圖33A是杯子坯料的透視圖。
圖33B是杯子的透視圖。
圖34是自動(dòng)制造杯子的設(shè)備示意圖。I.一般討論A.微結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)本發(fā)明涉及用來制造制品的新的可水凝固化和無機(jī)填充的材料、方法和系統(tǒng)?？伤袒蜔o機(jī)填充的材料以前限定為可模制材料，通常是多組份、多規(guī)模、纖維加強(qiáng)、微觀復(fù)合的材料。通過小心混合具有互不相同且又協(xié)同相關(guān)性質(zhì)的各種不同材料能得到具有顯著強(qiáng)度、韌性、環(huán)境堅(jiān)固性批量生產(chǎn)性和低成本的微觀復(fù)合材料。一個(gè)重要的方面是通過選擇集材顆粒的大小能夠生產(chǎn)具有高度均勻性的材料。
特別地，包含有可水凝固化粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑、纖維(有機(jī)的和無機(jī)的)、集材(有機(jī)的和無機(jī)的)及各種其它組份的材料可以成型生產(chǎn)制品包括容器和包裝材料，這些制品過去通常是由如金屬、塑料、玻璃、和紙制成的。本發(fā)明的新材料或混合物可以設(shè)計(jì)成具有常規(guī)材料的性質(zhì)，同時(shí)具有改進(jìn)的性質(zhì)，在生產(chǎn)和處理中對環(huán)境中性且價(jià)廉。正如將更詳細(xì)討論的一樣，本發(fā)明的制品可以通過各種方法如擠出、輥壓、壓制、模壓及其組合來生產(chǎn)。
正如上面提到的，用于制造本發(fā)明制品的組合物已從微結(jié)構(gòu)工程的觀點(diǎn)來開發(fā)，使可模制材料的微觀結(jié)構(gòu)具有某些要求的預(yù)定性質(zhì)，同時(shí)注意到其成本和其它制造的復(fù)雜性。與傳統(tǒng)的度試法和混合試驗(yàn)法相比，微結(jié)構(gòu)工程分析手段已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)具有強(qiáng)度、重量、隔熱、成本和環(huán)境中性等性質(zhì)的材料，這些性質(zhì)對于以明顯更加有效的方式生產(chǎn)制品是必要的。
相對于傳統(tǒng)的材料，可模制材料具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是它們在相對溫和無損害的條件下獲得其性能(其它材料需要高能耗、劇烈加熱，或顯著影響材料組分的苛刻化學(xué)過程)。如果適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)計(jì)，許多不同的材料都可以摻混到可模制材料中，獲得協(xié)同化性質(zhì)或結(jié)果。
本發(fā)明已經(jīng)開發(fā)出并限定了組合物的設(shè)計(jì)，首先由設(shè)計(jì)規(guī)定了主要約束條件，然后是由尋找材料的小類，這些材料使各組份的性能得到最大限度的利用。然而在整個(gè)教過程中，都要認(rèn)識到設(shè)計(jì)能以成本上有競爭性的方法來生產(chǎn)制品的必要性，這一點(diǎn)很重要。
在材料選擇方面的主要約束是來源于組份設(shè)計(jì)的特殊性，這一點(diǎn)對一個(gè)成功的制品是關(guān)鍵的。例如，就用來制造容器的片材而言，主要約束包括重量最輕、強(qiáng)度(抗壓、抗拉)及韌性的要求，同時(shí)保證其成本與紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬的類似物是可比的。
在過去，可模制材料的一個(gè)問題是在這些材料拆模之前需要長的保養(yǎng)時(shí)間。本發(fā)明的一個(gè)重要特征是，當(dāng)可模制材料已成型為所要求的制品時(shí)，不需要外部支撐就能維持其初始狀態(tài)的形狀(即，經(jīng)受較小的力如重力和通過設(shè)備時(shí)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力就能支撐自身的重量)。進(jìn)一步說，從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看，為了使生產(chǎn)較為經(jīng)濟(jì)，成型的制品很快(幾分鐘，甚至為幾秒鐘)具有足夠強(qiáng)度，以致于材料甚至還處于初始狀態(tài)及還沒有充分硬化時(shí)，能用普通的方法進(jìn)行處理。
在其簡單的形式中，由模制材料的微結(jié)構(gòu)工程和設(shè)計(jì)的材料科學(xué)的方法包括確定特征、分析和簡化(如有必要)(a)集材，(b)預(yù)定的顆粒填充物，(c)體系的流變學(xué)和(d)生產(chǎn)系統(tǒng)的過程和能量。在確定集材的特征時(shí)，要確定其顆粒的平均尺寸，顆粒的自然填充密度(它是顆粒實(shí)際尺寸的函數(shù))，還要確定顆粒的強(qiáng)度。(不反應(yīng)的水凝性粘結(jié)顆?？梢钥紤]為一種集材。)有了這些信息，可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型預(yù)測一種填充顆粒。已經(jīng)確認(rèn)，顆粒填充物是設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品所需要的主要因素，如操作性、形狀穩(wěn)定性、抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度、彈性、耐久性及成本最優(yōu)。顆粒填充物不僅被顆粒和集材的特性所影響，還被水量及其與填充集材中的空隙的關(guān)系所影響。
體系的流變是宏觀流變和微觀流變兩者的函數(shù)。宏觀流變是由顆粒填充物限定的固體顆粒之間的相互關(guān)系的函數(shù)。微觀流變是體系中潤滑組分的函數(shù)。通過改進(jìn)潤滑組份(可以是水、流變改變劑、增塑劑或其它材料)，可以化學(xué)地改進(jìn)粘度和屈服強(qiáng)度。還可以通過改變顆粒的形狀和大小來改進(jìn)微觀流變學(xué)，如使用切碎的纖維、片狀云母、圓形煅制硅石、或破碎、角形、顆粒狀水化粘結(jié)劑，它們會(huì)與潤滑組份不同地相互作用。
微結(jié)構(gòu)工程的概念在美國專利申請08/109,100中有進(jìn)一步的論述，該專利是1993年9月18日以Per Just Audersen and SimonK.Hodson的名字申請的，題目為“Design Optimized Compositionsand Processes For Microstructurally Engineering CementitiousMixtures”，在這里引入作為參考。
從下面的討論中，將會(huì)理解到可模制混合物中的各種組分的材料及工藝參數(shù)是怎樣影響生產(chǎn)中制品的主要設(shè)計(jì)限制的，使得它能經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)。在下面給出的實(shí)施例中將提出一些特別的組合物來描述怎樣最大限度地利用每個(gè)組分的性能完成所要求性質(zhì)的組合。
B制品的生產(chǎn)本發(fā)明涉及制品的生產(chǎn)，主要是容器和包裝材料。用在說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語“制品”或“制品生產(chǎn)”包括由這里所公開的方法形成的所有制品，所述方法有模壓、注射成型、吹塑成型、拉坯、濕片成型、干片成型。這些制品包括容器、包裝材料及通常用紙、塑料、聚苯乙烯泡沫、金屬、玻璃和復(fù)合材料生產(chǎn)的制品。
用在說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語“容器”包括用來包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、保護(hù)、分裝成分配各種產(chǎn)品或物品(包括固體和液體)的罐或器皿，這些應(yīng)用可以是長期的也可以是短期的。
本發(fā)明范圍內(nèi)的容器包括但并不限于下面這些紙板箱、盒、起皺的盒子、夾層容器、折轉(zhuǎn)的“蛤殼”容器(包括但不限于用于快餐食品三明冶如漢堡包的折曲的夾層容器和折曲的沙拉容器)、干燥谷物箱、冷凍食品盒、牛奶紙板箱、果汁容器、飲料容器的托架(包括但不限于包裹的托架、籃形托架、“六面包裹的”球形托架)、冰激淋紙箱、杯子(包括但不限于一次性飲料杯、二片杯(two piece cups)、一片褶形杯和錐形杯)、快餐食品出口處的法式油煎食品容器、攜帶快餐食品的盒子、包裝材料、如小吃食品袋的軟包裝材料袋(包括但不限于在一開口端的袋，如食品袋、放在如干燥谷物盒的紙板箱中的袋、多層袋)、囊、包裝盒、上面鋪有覆蓋物特別是塑料覆蓋物的產(chǎn)品支撐板(包括午餐肉產(chǎn)品、辦公用品、化裝品、硬物和玩具)、支撐托盤(用來支撐如餅干和糖果棒的產(chǎn)品)、罐頭、酸乳酪容器、纏繞或螺旋繞制容器(用來包裝冰凍果汁濃縮物、燕麥片、土豆片、冰激淋、鹽、洗滌劑和機(jī)油)、郵筒、用來包卷材料(如包裝紙、布料、餐巾紙和手紙)的片材卷筒、唱片盒、煙盒、糖果盒、化妝器盒、板盤、出售物品的板盤、餡餅盤、托盤、烘烤托盤、碗、早餐用大淺盤、微波透明的餐具托盤、盒裝便餐托盤、雞蛋紙板箱、包裝肉食的大淺盤、可以如杯子之類的容器一起利用的一次性襯里、包裹物(包括但不限于冰箱的包裹、服裝的包裹、屠宰時(shí)的包裹、肉食的包裹和香腸的包裹)、食品容器、基本上是球形的物品、瓶子、罐、箱殼、板條箱、碟子、蓋、麥桿吸管、信封、膠帶、刀具、明信片、三環(huán)式活頁封面、書皮、硬紙夾、玩具、醫(yī)用小瓶、安瓿、動(dòng)物籠子、無明火的煙火具貝殼、模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼、模型火箭以及數(shù)不盡的各種其它物品。
總之，這些容器不管是靜止或運(yùn)動(dòng)或使用時(shí)，都能容納其內(nèi)容物，同時(shí)維持其結(jié)構(gòu)的完整性或放在其中或其上的物品的完整性。這不意味著容器需要經(jīng)受住強(qiáng)的甚至是人為的外力。事實(shí)上在某些場合希望特殊的脆的或易腐壞的容器。然而，容器必須完成預(yù)定的功能。必要的性能可以預(yù)設(shè)計(jì)到材料和容器的結(jié)構(gòu)中去。
容器應(yīng)該能夠容納物品并在足夠的時(shí)間內(nèi)維持其完整性，以滿足需要。應(yīng)當(dāng)理解，在某些情況下，容器可以密封其內(nèi)容物與外界隔開，而另一些場合，只要容納或保持其內(nèi)容物。
與容器一起使用的外殼產(chǎn)品也包括在“容器”一詞中。這些產(chǎn)品包括如蓋、麥桿吸管、內(nèi)包裝如隔板和襯里、錨墊、彎頭支撐物、彎頭保護(hù)器、托盤、漏斗、包裹物、填料墊層以及用在包裝儲(chǔ)存、運(yùn)輸、分裝保鮮或在容器內(nèi)分隔物品的其它各種物品。
本發(fā)明可以如美國專利5,100,586中公開的那些類型的容器，該專利的題目為“Cementitious Hazardous Waste Containers andTheir Method of Manufacture”。其中公開和要求保護(hù)的水泥質(zhì)容器是用來儲(chǔ)存有害廢物的。上面引用的專利中公開的用途在這里作為參考。這種有害廢料的容器可以是空心球形的。
本發(fā)明范圍內(nèi)的容器可以或不可以歸于一次性之類。在某些情況下，需要較強(qiáng)的，更耐用的結(jié)構(gòu)，該容器能夠重復(fù)使用。另一方面，對于由經(jīng)濟(jì)方式制造的容器，可只使用一次，然后仍掉。本發(fā)明容器的成分使得它們可以作為一種環(huán)境中性物料(即不引起明顯的特別環(huán)境危害)容易地扔到常規(guī)的垃圾場。
在該說明書和所附的權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“坯件”包括一種準(zhǔn)備制成一容器的薄片。一個(gè)坯件是指已切成適當(dāng)形狀，具有適當(dāng)尺寸，帶有任何適當(dāng)?shù)目毯?、穿孔、洞、或縫，以可有利于制成或組裝成適當(dāng)容器的一種薄片。
本說明書和所附的權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“可模壓的薄片”或“薄片”包括任何基本上是平的、有刻痕的、切割的、穿孔的、用薄片迭成的、起波紋的、彎曲的、彎的、帶印痕的、帶涂層的、或具有某種結(jié)構(gòu)特征的薄片，或者是利用在此所述的方法和用于為形成容器或其它制品而儲(chǔ)存的網(wǎng)紋薄板。唯一的基本限制是該薄片包括這里所定義的可模壓材料制成的基質(zhì)。通過用由其它材料如紙、塑料或金屬制成的片覆蓋該薄片、通過將標(biāo)記印刻到該薄片上、通過利用連續(xù)的纖維制品作為該薄片的外部支承以及通過施加其它不可水凝固化的材料等。將其它材料結(jié)合到該薄片上，所有這些都應(yīng)該屬于本發(fā)明的范圍。
用于該說明書的和所附的權(quán)利要求書中的術(shù)語“基質(zhì)”或“結(jié)構(gòu)基質(zhì)”指的是已模壓成或形成所希望形狀的可模壓混合物。該術(shù)語將包括所有這樣的基質(zhì)，而不管基質(zhì)的水合和/或干燥程度。由此，基質(zhì)可包括處于未熟的、硬的、干的、凝固的、或熟化狀態(tài)的可模壓混合物。
本說明書和所附權(quán)利要求書中術(shù)語“可批量生產(chǎn)的”或以“商業(yè)”或以“經(jīng)濟(jì)”方式制造指的是這里所述的制品以與其它材料如紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬制成的制品可比的經(jīng)濟(jì)上的制造速度快速生產(chǎn)的能力。本發(fā)明公開了一種新的組合物，該組合物解決了以經(jīng)濟(jì)的或價(jià)值有效的方式模壓可模壓的材料中遇到的現(xiàn)有技術(shù)的問題。由可模壓的材料制得的容器在市場方面比由其它標(biāo)準(zhǔn)材料如紙、紙板、塑料聚苯乙烯、玻璃或金屬制得的現(xiàn)有的容器更有競爭力。
C可模壓的材料如前所定義的，本說明書和所附的權(quán)利要求中使用的術(shù)語“可模壓的材料”包括“可水凝固化混合物、物料或組合物”和“無機(jī)填充混合物、物料或組合物”。本說明書和所附權(quán)利要求中所用的術(shù)語“可水凝固化物料”包括主要由水凝粘合劑的硬化或熟化衍生的具有結(jié)構(gòu)基質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)的任何物料。粘合劑包括水泥、硫酸鈣(或石膏)、熟石膏、半水合物和其它暴露于水中后變硬的物質(zhì)。本發(fā)明中所用的可水凝固化粘合劑有別于其它水泥或粘合劑如可聚合的、不溶水的有機(jī)水泥、動(dòng)物膠或粘接劑。
本說明書和所述的權(quán)利要求中所用的術(shù)語“無機(jī)填充材料”指的是普通定義的具有高濃度無機(jī)填料或集材(至少約為干制品的固體體積總含量的40％)、水和結(jié)構(gòu)基質(zhì)特征的材料和組合物，其強(qiáng)度性能主要白使可分散到水中的有機(jī)粘合劑的干燥或硬化得到。
術(shù)語“可水凝固化、無機(jī)填充和可模壓混合物、物料或組合物”指該混合物，而不管已經(jīng)發(fā)生的干燥或熟化程度。這些混合物應(yīng)包括高度可塑的混合物，該混合物部分干燥或熟化以及已經(jīng)完全干燥或熟化(雖然一定量的水會(huì)通常保持在制品內(nèi)作為水凝和有機(jī)粘合劑內(nèi)的結(jié)合水)。
然而，可模壓混合物通?？珊邢嗤慕M分，這些組分將有不同的濃度和起不同的作用。例如，含有水凝粘合劑、有機(jī)粘合劑、集材、纖維材料和水的混合物可定義為一種可水凝固化混合物或有機(jī)填充混合物。
作為一種可水凝固化混合物，加入足夠濃度的水凝粘合劑用作該混合物的主要粘合劑，同時(shí)有機(jī)粘合劑雖然可能輔助地作為一種粘合劑，主要功能是作為一種流變緩和劑。相反，作為一種無機(jī)填充混合物，可水凝固化粘合劑加入最小的濃度，使它主要用作一種集材，而有機(jī)粘合劑用作主要粘合劑。上述可模壓混合物還可包括其它混合物如增塑劑、潤滑劑、分散劑和空隙形成劑。
1.可水凝固化粘合劑本說明書和所附的權(quán)利要求中所用的術(shù)語“可水凝固化粘合劑”或“水凝粘合劑”包括任何無機(jī)粘合劑如水凝水泥、石膏半水合物或氧化鈣，所述粘合劑通過與水和某些情況下與空氣和水中的二氧化碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)逐漸顯現(xiàn)出強(qiáng)度性質(zhì)和硬度。本說明書和所附的權(quán)利要求中所用的術(shù)語“水凝水泥”或“水泥”包括水泥熟料和壓碎的、磨碎的、碾碎的和加工過的水泥熟料，所述水泥熟料處于粉碎的各階段且具有各種粒子尺寸。
在本領(lǐng)域中已知的典型水凝水泥的例子包括系列卜特蘭水泥(包括無石膏的普通卜特蘭水泥)、MDF水泥、DSP水泥、Densite型水泥、Pyrament型水泥、鋁酸鈣水泥(包括無固化調(diào)節(jié)劑的鋁酸鈣水泥)、熟石膏、硅酸鹽水泥(包括β-硅酸二鈣、硅酸三鈣及其混合物)、石膏水泥、磷酸鹽水泥、高氧化鋁水泥、微粒水泥、渣狀水泥、氯氧化鎂水泥和覆蓋有微粒水泥粒子的集材。術(shù)語“水凝水泥”還包括其它本領(lǐng)域中已知的水泥如α-硅酸二鈣也在本發(fā)明范圍之內(nèi)，該水泥可在水合條件下水凝。
石膏也是一種可水凝固化的粘合劑，它可水合形成變硬的粘合劑。石膏的一種可水合形式是硫酸鈣半水合物，一般稱為“石膏半水合物”。石膏的水合形式是硫酸鈣二水合物，一般稱為“石膏二水合的”。硫酸鈣半水合物還可與硫酸鈣酐混合，一般稱為“無水石膏”或簡稱“硬石膏”。
雖然石膏粘合劑或其它水凝粘合劑如氧化鈣一般不象水凝水泥那樣強(qiáng)，但在某些應(yīng)用中，高強(qiáng)度可能不象其它特性(如硬化速度)那樣重要。在成本方面，石膏和氧化鈣相對水凝水泥有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冚^便宜。此外，在可水凝固化材料含相對高百分比的弱的、較輕重量的集材(如珍珠巖)中，該集材將經(jīng)常包括在可水凝固化基質(zhì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)的“弱連接”。從某種意義上說，加入一種較強(qiáng)的粘合劑可能是無效的，由于較弱集材含量高所述粘合劑不再起到其較高的潛在強(qiáng)度的作用。
術(shù)語如“水合的”或“熟化的”指的是基本上是水催化反應(yīng)的水平，該反應(yīng)足以產(chǎn)生可水凝固化產(chǎn)物，該產(chǎn)物具有大量潛在的或最終的最大強(qiáng)度。然而，可水凝固化材料可能在它們已得到顯著的硬度和大量的最終最大強(qiáng)度后的長時(shí)間內(nèi)連續(xù)水合。
術(shù)語“未熟的”或“未熟狀態(tài)”可與模壓混合物相連用，所述混合物尚未達(dá)到其大量的最終強(qiáng)度，而不管是否這樣的強(qiáng)度由人工干燥、熟化、或其它手段得到?？赡夯旌衔镌趧偙荒撼伤Ｍ男螤钪盎蛑蠓Q為“未熟的”或處于“未熟狀態(tài)”?？赡夯旌衔锊辉佟拔词臁被蛱幱凇拔词鞝顟B(tài)”的時(shí)刻并不一定有清楚的分界限，因?yàn)檫@樣的混合物一般只在一定時(shí)間內(nèi)逐漸得到其大量的總強(qiáng)度。當(dāng)然，可模壓混合物的“未熟強(qiáng)度”可表現(xiàn)出增加，但它仍是“未熟的”的。因此在此的討論常常指形成穩(wěn)定的未熟狀態(tài)的可模壓材料。
如上所示，優(yōu)選的水凝粘合劑包括自水泥、卜特蘭水泥、微粒水泥、高氧化鋁水泥、渣狀水泥、石膏半水合物和氧化鈣，主要是因?yàn)樗鼈兂杀镜鸵约坝糜诒景l(fā)明的加工過程中具有穩(wěn)定性。所列出的水泥無法窮舉，并不以任何方式限制粘合劑的類型，所述的用于制造可水凝容器的粘合劑均在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
為了形成容器的可水凝固化基質(zhì)，使用可水凝固化粘合劑的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是這樣的粘合劑一般抵抗或甚至不溶于水。然而，正如下面更充分地闡明的，一些其它成分包括如流變改變劑是可溶水的。通過調(diào)節(jié)可模壓混合物內(nèi)的可溶和不可溶成分之間的平衡，可以設(shè)計(jì)一種具有所希望的在水中的水抵抗力或降解性程度的容器。作為一般規(guī)則，加入更多的水凝水泥會(huì)降低容器的水中溶解度并增加其對水降解的抵抗力。反過來，通過加入較少的水凝水泥和更多的可溶水的成分如流變改進(jìn)劑，該容器會(huì)更易發(fā)生水降解。水抵抗力或降解的程度無疑是所討論的容器的性能參數(shù)。
在整個(gè)混合物內(nèi)的可水凝固化粘合劑的百分比可根據(jù)其它加入的成分的特性而改變。然而，水凝粘合劑的優(yōu)選加入量的范圍為占可模壓混合物的固體總體積的約2％至60％之間。由在此提出的例子和提示可以理解，這個(gè)重量的寬范圍的適用范圍包括了用于制造類泡沫或類粘土板或容器的可模壓混合物。
由前述應(yīng)當(dāng)看出，本發(fā)明范圍內(nèi)的實(shí)施例將從各種輕重量的“類泡沫”產(chǎn)品變到更高密度的“類粘土”產(chǎn)品。類泡沫或類粘土材料可容易地模壓成板，該板可象紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或甚至金屬板一樣運(yùn)用。在這些較廣泛的范圍內(nèi)，如其它改變和不同，則需要改變成分的量和特性。成分和其相對量可以主要根據(jù)要制備的特定的容器或其它產(chǎn)品而改變。
一般地，當(dāng)制造一種“類泡沫”容器時(shí)，它優(yōu)選包括在占可模壓混合物的固體總體積約2％至60％之間范圍內(nèi)的可水凝固化粘合劑，優(yōu)選在約4％至40％范圍，并最優(yōu)選在可模壓混合物的固體總量的約5％至30％。
2.可分散水中的有機(jī)粘合劑用于制造本發(fā)明的高比例無機(jī)填充制品的可模壓混合物通過干燥基本上成溶劑化物的“可分散于水的有機(jī)粘合劑”或“有機(jī)粘合劑”而顯現(xiàn)出強(qiáng)度性質(zhì)。通過向該混合物中加入一定量的水，水量足以潤滑固體無機(jī)集材顆粒和纖維，并足以使可分散于水中的有機(jī)粘合劑成溶劑化物或至少分散，所述可模壓混合物首先顯現(xiàn)出易加工性和流動(dòng)性。此后，通過如蒸發(fā)除掉水，使可分散于水中的粘合劑顯現(xiàn)出其最大的強(qiáng)度性質(zhì)。
例如，可以購買成粉末狀細(xì)粒的某些基于淀粉的物料。該基于淀粉的粘合劑通過在水中加熱該分散液至膠凝溫度以上而溶解并膠凝該淀粉粘合劑。除去水后，這樣的基于淀粉的物料可自身具有高達(dá)約40-50Mpa的抗拉強(qiáng)度。通過細(xì)致的微結(jié)構(gòu)工程，該高比例無機(jī)填充制品可有各種抗拉強(qiáng)度，甚至在某些情況接近40Mpa。
該可分散于水中的有機(jī)粘合劑不僅在干燥或硬化后(由此形成一種結(jié)構(gòu)的、或高比例無機(jī)填充的基質(zhì))在該混合物內(nèi)將單獨(dú)的集材顆粒和纖維粘到一起，而且它們還有影響該可模壓混合物的流變的一般傾向。從而，正如本說明書和所附權(quán)利要求中所用的，術(shù)語“流變改進(jìn)劑”與術(shù)語“有機(jī)粘合劑”是同義詞。關(guān)于可水凝固化混合物，這里所述的可分散到水中的粘合劑已被用于改進(jìn)該混合物的流變，雖然已理解，如果包含足夠大的量，它們還傳遞一定程度的粘合力至最終變硬的物料。
流變改進(jìn)劑或有機(jī)粘合劑的內(nèi)含物用于增加可水凝固化混合物的塑性或粘合性以使它的表現(xiàn)更象可模壓粘土。流變改進(jìn)劑趨于增加混合物的屈服應(yīng)力而不大量增加其粘度。增加相對于粘度的屈服應(yīng)力使物料更可塑并可模壓，同時(shí)大大增加模壓后物料的后續(xù)成形穩(wěn)定性和未熟強(qiáng)度。
本發(fā)明所期望的各種流變改進(jìn)劑或有機(jī)粘合劑可以大致分成下列各類(1)多糖類及其衍生物，(2)蛋白質(zhì)及其衍生物和(3)有機(jī)合成材料。多糖類流變改進(jìn)劑可以進(jìn)一步細(xì)分成(a)基于纖維素的材料及其衍生物，(b)基于淀粉的材料及其衍生物和(c)其它多糖類。
適宜的基于纖維素的流變改進(jìn)劑包括如甲基羥乙基纖維素、羥甲基乙基纖維素、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、羥乙基丙基纖維素等。可能排列的整個(gè)范圍是巨大的并且在此不能列出，但其它具有相同或相似特性的纖維素材料也可非常適用。
適宜的基于淀粉的物料包括如支鏈淀粉、直鏈淀粉、海膠、乙酸淀粉酯、淀粉羥乙基醚、離子淀粉、長鏈烷基淀粉、糊精、淀粉胺、磷酸淀粉和雙醛淀粉。
其它的基于天然多糖類的流變改進(jìn)劑包括如藻酸、藻膠、瓊脂、阿拉伯樹脂、爪耳膠、刺豆膠、刺槐梧桐樹膠和黃蓍膠。
適宜的基于蛋白質(zhì)的有機(jī)粘合劑包括如Zein(一種由玉米得到的醇溶谷蛋白)、由動(dòng)物的結(jié)締組織中提取出的膠原衍生物如動(dòng)物膠和明膠以及酪蛋白(牛奶中的主要蛋白)。
適宜的有機(jī)合成增塑劑包括如聚苯乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯甲基醚、聚丙烯酸、聚丙烯酸鹽、聚乙烯丙烯酸、聚乙烯丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺、環(huán)氧乙烷聚合物、聚乳酸、人造粘土和膠乳，所述膠乳是苯乙烯一丁二烯共聚物。
目前優(yōu)選的流變改進(jìn)劑或有機(jī)粘合劑是甲基羥乙基纖維素，它是TyloseFL15002和Tylose 4000的實(shí)例，兩者都可由德國，法蘭克福的Hoechst Aktiengesellschaft得到。另一種可用于代替或與Tylose結(jié)合的優(yōu)選的流變改進(jìn)劑是分子量在20,000和35,000之間的聚乙二醇。聚乙二醇更象一種潤滑劑，并使該混合物增加更光滑的一致性。由此原因，聚乙二醇要以更準(zhǔn)確地稱為“增塑劑”。此外，它使模壓后的可水凝固化物料的表面更光滑。最后，聚乙二醇可以圍繞著該混合物的可溶成分形成一覆蓋層，從而提供較難溶水的變硬的產(chǎn)品。
最后，基于淀粉的流變改進(jìn)劑是本發(fā)明范圍內(nèi)的特別感興趣的，因?yàn)榕c基于纖維素的流變改進(jìn)劑如Tylose相比成本相對較低。雖然一般淀粉需要加熱和/或加壓以膠凝，但淀粉通過和預(yù)反應(yīng)可以在室濕下膠凝。淀粉以及許多其它上面列出的流變改進(jìn)劑有各種溶解度、粘度和流變性，這樣允許仔細(xì)地進(jìn)行所希望性質(zhì)的混合物設(shè)計(jì)制作，以便使具體的制造和性能標(biāo)準(zhǔn)符合具體的容器。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，還包括利用基于纖維素材料、基于蛋白質(zhì)材料、基于淀粉材料和有機(jī)增塑劑的混合物的流變改進(jìn)劑。
本發(fā)明的可水凝固化物料內(nèi)的流變改進(jìn)劑可以包括其量在占可水凝固化混合物的固體總體積的約0.1％至30％的范圍。然而，一般優(yōu)選濃度在占可水凝固化混合物的固體總體積的約0.5％至15％的范圍流變改進(jìn)劑更優(yōu)選在約1％至10％，最優(yōu)選約2％至5％范圍。
本發(fā)明可模壓混合物內(nèi)的可分散到水中的有機(jī)粘合劑優(yōu)選包括其量如此使得由其制得的變硬的薄片含有占變硬的薄片內(nèi)固體總體積的約1％至50％有機(jī)粘合劑，更優(yōu)選在約2％至30％，最優(yōu)選從約5％至20％。
3.水關(guān)于無機(jī)填充物料，將水加入到可模壓混合物中以使混合物內(nèi)的可分散于水的有機(jī)粘合劑成溶劑化物或至少分散。在許多情況下，一些水實(shí)際上與有機(jī)粘合劑反應(yīng)并在有機(jī)粘合劑內(nèi)形成化學(xué)鍵。在其它情況下，它可能與有機(jī)粘合劑更松散地結(jié)合，常常借助于氫鍵結(jié)合。一定量的水還可以與該混合物內(nèi)的其它混合物反應(yīng)如與可水凝固化粘合劑或其它與水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的物料反應(yīng)。
水也是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的可水凝固化物料的一種基本成分?？伤袒澈蟿┖退g的水合反應(yīng)產(chǎn)生能給可水凝固化物料建立和顯現(xiàn)強(qiáng)度性質(zhì)的能力的反應(yīng)產(chǎn)物。
與可模壓混合物的類型無關(guān)，水還有產(chǎn)生具有所希望的流變性質(zhì)的混合物的作用，所述性質(zhì)包括粘合度和屈服應(yīng)力。這些性質(zhì)一般表示可模壓混合物的近似“可加工性”或流動(dòng)性的水平。
為使可模壓混合物具有適當(dāng)?shù)目杉庸ば?，水量一般必須足以使無機(jī)填充混合物中的有機(jī)粘合劑成溶劑化物或至少分散，并足以與可水凝固化物料中的可固化的粘合劑反應(yīng)并水合。此外，應(yīng)加入足夠的水以潤濕每個(gè)集材顆粒、纖維或其它固體顆粒，并至少部分填充顆粒之間的間隙或空隙。在某些情況下，如在加入分散劑或潤滑劑情況下，可以保持適當(dāng)?shù)目杉庸ば?，同時(shí)使用較少的初始水。
加到可模壓混合物中的水量必須仔細(xì)地權(quán)衡，以使該混合物足夠可加工，同時(shí)認(rèn)識到降低初始水含量會(huì)增加硬后產(chǎn)物的未熟強(qiáng)度和最終強(qiáng)度。較少的水導(dǎo)致較強(qiáng)的最終產(chǎn)品，因?yàn)樵谀哼^程中總的孔隙率降低。此外，如果最初包括在可模壓混合物中的水較少，必須除去較少的水以使模壓后產(chǎn)品或薄片變硬。
滿足這些需要的適當(dāng)流變可以以屈服應(yīng)力定義?？赡夯旌衔锏那?yīng)力優(yōu)選在約2Kpa至5Mpa范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約100KPa至1Mpa范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選在約200Kpa至700Kpa范圍內(nèi)。所希望的屈服應(yīng)力的水平可以調(diào)整并優(yōu)化，以針對用于形成所制的粒子的具體模壓過程。
在某些情況中，希望初始包括相對高的水量，這是由于過量的水可以通過模壓過程中或剛進(jìn)行完模壓過程后加熱該制品而在較后期除去。還應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)檎澈蟿┝Ｗ优c水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并減少粒子間空隙內(nèi)的游離水量，可水凝固化粘合劑對可水凝固化混合物有內(nèi)部干燥效果。該內(nèi)部干燥效果可以通過包括較快反應(yīng)的水凝粘合劑如在石膏半水合物和較慢反應(yīng)的水凝水泥而增加。
正如下面更詳細(xì)提出的，可以選擇單個(gè)的集材顆粒和纖維尺寸以增加所得的可模壓混合物的顆粒堆積密度。為得到具有特定流變或屈服應(yīng)力的可模壓混合物，必須加入的水量在很大程度上取決于顆粒堆積密度。例如，如果可模壓混合物的顆粒堆積密度是0.65，所包括的水量大約為35％(體積)以基本上充滿顆粒間的空隙。另一方面，顆粒堆積密度為0.95的可模壓混合物將只需約5％(體積)的水量以基本上充滿所述間隙。當(dāng)基本上充滿間隙所必須加入的水量降至七分之一時(shí)，該降低將會(huì)影響可模壓的混合物的流變和可加工性。
按照前述，應(yīng)當(dāng)加到該混合物中的水量將很大程度上取決于混合物內(nèi)的顆粒堆積密度水平、所加入的可分散到水中的粘合劑的量、所加入的可水凝固化粘合劑的量以及所得到的可模壓混合物所希望的流變。由此，為了形成可模壓的混合物，加入的水量范圍為占可模壓混合物體積的5％至50％。提取的水量將在很大程度上根據(jù)混合物內(nèi)其它成分以及混合物的體積和密度而改變。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能對于任何給定的制造過程調(diào)整水的量以得到適當(dāng)?shù)目杉庸ば浴?br> 基于前述限制條件，本發(fā)明范圍內(nèi)的典型的可水凝固化混合物中的水與水凝粘合劑的比例在約0.1至4的范圍內(nèi)，優(yōu)選約0.3至3.5，最優(yōu)選約1至3。甚至在已加熱除去水的表觀干燥的薄片或容器中，在干燥過程后總的水量保持在高達(dá)約10％(重量)的范圍。
在大多數(shù)情況下優(yōu)選包括為使可模壓混合物得到所希望的可加工性而加入最小量的水，從而降低必須從加工后的制品中除去的水量。降低必須除去的水量一般會(huì)降低制造成本，因?yàn)槌ニ枰芰?。然而，與一般含95％(體積)以上的水的用于制造紙制品的漿液相比，本發(fā)明的組合物的含水量即使在其范圍的上限時(shí)，其量也少得多。
4.集材一般用于造紙工業(yè)的無機(jī)材料以及用于混凝土工業(yè)的更細(xì)磨的聚集體材料可以用于本發(fā)明的可模壓混合物中。然而，聚集體或無機(jī)填料的尺寸常比用于造紙工業(yè)中無機(jī)填料大許多倍。用于造紙工業(yè)中的無機(jī)填料的顆粒平均尺寸通常小于2微米，而用于本發(fā)明中的聚集體材料的平均顆粒尺寸典型地高達(dá)100微米或更大，這取決于所得到的制品的壁厚，因而一般較便宜。
可以加到本發(fā)明的可模壓混合物中的無機(jī)集材的大范圍變化允許將各種性質(zhì)加到最終的制品上?？梢约尤胗糜诒景l(fā)明中的集材以增加強(qiáng)度(抗拉特別是抗壓強(qiáng)度)增加彈性模量和延伸率；通過利用一種便宜的填料降低成本、降低重量和/或增加所得到的制品的隔熱能力。另外可以使用板狀集材如云母片和高嶺土以在本發(fā)明的制品中產(chǎn)生光滑的表面。典型地，較大的集材如碳酸鈣產(chǎn)生一種不光滑表面，同時(shí)較小的顆粒產(chǎn)生一種玻璃狀表面。
有用的無機(jī)集材的實(shí)例包括珍珠巖、蛭石、沙子、礫石、巖石、石灰石、沙巖、玻璃珠、氣凝膠、干凝膠、海膠、云母、粘土、人造粘土、氧化鋁、二氧化硅、飄塵、氣相二氧化硅、熔凝硅石、平片狀氧化鋁、高嶺土、微球體、空心玻璃球、多孔陶瓷球、石膏半水合物、碳鈣、鋁酸鈣、軟木、種子、輕質(zhì)聚合物、硬硅鈣石(一種結(jié)晶的硅酸鈣膠)、輕質(zhì)多孔粘土、水合的或未水合的水凝水泥顆粒、浮石、片狀剝落的巖石、以及其它地質(zhì)材料。部分水合的和水合后的水泥以及氣相二氧化硅有高的表面積并且非常有益，如剛剛成形的制品具有很高的初始粘性。
即使是廢棄的無機(jī)填充材料如廢棄的薄片、容器或本發(fā)明的其它制品，也可以被用作集材填料和增強(qiáng)劑。還可以將本發(fā)明的薄片和其它制品簡單地加到新鮮可模壓混合物中作為一種集材填料而容易并有效地回收利用。
粘土和石膏是特別重要的聚集體材料，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀椎玫?，成本很低、易加工、易成形，而且，因?yàn)槿绻麑⑺鼈兗尤胱銐虼蟮牧窟€可以提供一定程度的粘性和強(qiáng)度。“粘土”是一個(gè)術(shù)語，指的是在地球上發(fā)現(xiàn)的有特定的化學(xué)成分和性質(zhì)的物料。主要的粘土包括二氧化硅和氧化鋁(用于制做陶器、瓦片、磚和管)以及高嶺土。高嶺土是蠕陶土，其化學(xué)式為Al2O3SiO2.H2O；高嶺土也是蒙脫土其化學(xué)式為Al2O3.SiO2.H2O。然而，粘土可以含有廣泛的其它物質(zhì)，如氧化鐵、氧化鈦、氧化鈣、氧化鋯和天然二硫化鐵。
另外，雖然粘土已使用了上千年，并可以甚至在沒有燒制情況下得到硬度，但這樣的未燒制的粘土易于發(fā)生水降解和暴露，是非常易損壞的，并具有低的強(qiáng)度。然而，粘土在本發(fā)明的可模壓材料內(nèi)成為一種好的、廉價(jià)的集材。
相似地，石膏半水合物也是可水合的并在水存在下形成硫酸鈣的二水合物。這樣，石膏可以根據(jù)加入到可模壓混合物中的半水合物或二水合物的形式(和濃度)而顯示出集材和粘合劑兩者的性質(zhì)。
即使是水凝水泥如卜特蘭水泥也可以作為無機(jī)填料加到本發(fā)明的可模壓混合物中。水凝水泥不僅相對廉價(jià)和豐富，而且它們還可將一定程度的粘性傳遞給無機(jī)填充基質(zhì)(如果包含有足夠大的量)。另外，水凝水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在可模壓混合物內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部干燥效果，有效地除去了混合物內(nèi)的至少一些水而無需蒸發(fā)。同樣對于石膏半水合物和焙燒后的粘土也是如此。還可以加入預(yù)先水合的水泥顆粒作為一種聚集體填料。未水合的和預(yù)先水合的水泥之間的一個(gè)不同是后者有可限定的板和小片狀體形。
另外，該水凝水泥可以至少部分通過與水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)影響可模壓混合物的流變，從而減少了可用于潤滑集材顆粒和纖維的水量。此外，已發(fā)現(xiàn)卜特蘭灰水泥增加了可模壓混合物的內(nèi)部粘合，這大概是由于該種水泥內(nèi)的鋁酸鹽量增加的結(jié)果。最后，雖然并不確切知道，但可能是水凝水泥在某種程度上與大量存在于許多有機(jī)聚合物粘合劑上的羥基相互作用。此粘合劑的羥基與高孔隙率的水凝水泥膠產(chǎn)物至少有氫鍵之類的相互作用，因?yàn)樗鼈円阎皆谒囝w粒的表面上。
由于可模壓混合物及其制品的性質(zhì)，可包含具有大量空隙空間的輕質(zhì)集材以使模壓后的薄片具有隔熱效果是可能的。加入使可模壓混合物具有輕質(zhì)性質(zhì)的集材的實(shí)例包括珍珠巖、蛭石、玻璃珠、中空玻璃球、碳酸鈣、合成材料(如多孔陶瓷球、平片狀氧化鋁等)、軟木、輕質(zhì)多孔粘土、沙子、礫石、巖石、石灰石、沙巖、浮石以及其它地質(zhì)材料。
除了常規(guī)用于造紙和水泥工業(yè)中的集材之外，本發(fā)明范圍內(nèi)的可模壓混合物中可加入各種其它集材，包括填料、增強(qiáng)劑，它們包括金屬和金屬合金(如不銹鋼、鋁酸鈣、鐵、銅、銀和金)、球或空心球狀材料(如玻璃、聚合物和金屬)、屑、團(tuán)、粉末(如二氧化硅微粒)、和纖維(如石墨、二氧化硅、氧化鋁、玻璃纖維、聚合物纖維、有機(jī)纖維以及其它典型地用于制備各種復(fù)合材料的纖維)。
除了這些無機(jī)集材之外，一些有機(jī)的、聚合的或彈性集材如種子、淀粉、凝膠、瓊脂型材料、軟木或塑料球也可以用作一種集材以使最終產(chǎn)品具有各種性質(zhì)如柔韌性。在本發(fā)明的某些應(yīng)用中，如需要結(jié)合輕質(zhì)以及高柔韌性和彈性的應(yīng)用場合。輕質(zhì)塑料球是特別有用的，所述應(yīng)用如在用于墊層、隔板、分離、包裹、線或空間的材料中。
一種優(yōu)選的聚合物球是由輕質(zhì)聚乙烯制成的，密度為0.01至0.3g/cm3，粒徑小于100微米，但在較大的包裝材料中可以優(yōu)選較大的球。
在使用輕質(zhì)塑料球的那些產(chǎn)品中，如在輕質(zhì)和柔性容器中、隔板或線材中，塑料球的量將優(yōu)選在約1％至10％(重量)的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約3％至6％的范圍內(nèi)。這樣，按照本發(fā)明制的含有塑料球的墊層材料遠(yuǎn)比由聚苯乙烯這種最普遍的墊層材料制得的那些更對環(huán)境中性。
聚苯乙烯產(chǎn)品是100％聚苯乙烯，而按本發(fā)明制得的墊層容器的優(yōu)選實(shí)例只含3％至6％的塑料。這樣，本發(fā)明的墊層材料比聚苯乙烯給環(huán)境帶來少得多的塑料。當(dāng)然，如果使用可水中降解的柔性集材如瓊脂或支鏈淀粉顆粒代替塑料球，該墊層材料將基本上是無污染的。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)工程法允許設(shè)計(jì)這樣的容器大多數(shù)塑料球(如果加入)集中在最需撓性的容器表面附近。相似地，在耐用性和剛性是更重要情況下，容器的芯附近可能很少有或沒有塑料球。
容器表面附近的塑料球濃度增加了容器的有效性，同時(shí)允許加入較少的塑料球，從而使本發(fā)明的容器甚至更附合環(huán)境要求。這樣的容器可能只含有低達(dá)1％(重量)的塑料球。
按照本發(fā)明，常常優(yōu)選包括多種不同尺寸等級的集材，能更完全地填充可模壓混合物中的集材顆粒和纖維之間的間隙。最佳的顆粒堆積密度減少至為通過消除間隙得到所希望的可加工水平所需的水量，所述間隙否則會(huì)用隙間水填充，所述水常稱為“毛細(xì)水”。
為了優(yōu)化堆積密度，可以使用不同尺寸的集材，其粒徑范圍小至約0.05微米，大至約2mm。(當(dāng)然，所制得產(chǎn)品的要求的目的和厚度會(huì)指示采用各種集材的適當(dāng)粒子尺寸)。為使未熟的可模壓混合物的達(dá)到所希望的流變性質(zhì)以及最終硬化的無機(jī)填充復(fù)合材料的最終強(qiáng)度和重量性質(zhì)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員一般知道所用集材特性和尺寸。
在本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例中，可能所希望的是使可模壓混合物內(nèi)集材量最大以使集材性質(zhì)和特性(如強(qiáng)度性能、低密度或高隔熱性)最大?？梢栽诟弑壤裏o機(jī)填充材料內(nèi)使用顆粒填密技術(shù)以使這樣的集材量最大。
顆粒填密的一種詳細(xì)的討論可以在下列文章中找到，由本發(fā)明的一個(gè)發(fā)明人共同寫作Johansen，V.& Andersen，P.J.，“ParticlePacking and Corcrete Properties?！盡aterials Science of Concrete IIat 111-147，The American Ceramic Society(1991)。更進(jìn)一步的信息可在Anderson，P.J.的博士論文中得到“Control andMonitoring of Concrete Production--A Study of ParticlePacking and Rheology?！盩he Danish Academy of TechnicalSciences。為公開起見，前述文章和博士論文在此結(jié)合作為特別參考。這樣的集材包裝的優(yōu)點(diǎn)可以通過參照下面的例子進(jìn)一步理解，所述例子中混合各種尺寸的空心玻璃球，從而使可模壓混合物內(nèi)的隔熱球的量最大。
在希望得到具有高隔熱能力的薄片(或由其制得的制品)的實(shí)施例中，可以優(yōu)選將輕質(zhì)集材結(jié)合入高比例無機(jī)填充的基質(zhì)中，所述集材有低的導(dǎo)熱性或“K系數(shù)”(定義為W/m.k)。K系數(shù)大概是通常美國所用的描述給定材料的熱阻或“R系數(shù)”的表示式的倒數(shù)，所述R系數(shù)的單位一般為hr.ft2°F/BTU。術(shù)語R系數(shù)是在美國最普遍使用的，描述給定材料的總熱阻而不管材料的厚度。然而，為比較起見，一般將R系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以描述所考慮的每英寸厚的材料的熱阻，或hr.ft2°F/BTU·in。
為本說明書起見，給定材料的絕熱能力在這里和后面只按描述熱導(dǎo)性即“K系數(shù)”的IUPAC法表達(dá)按英制單位(hr.ft2°F/BTU·in)表示的熱阻轉(zhuǎn)化成IUPAC單位，可以乘以6.9335，然后取該乘積的倒數(shù)。一般具有非常低的K系數(shù)的集材也含有大量間隙、空氣、氣體混合物或部分真空，所述真空也趨于大大降低如此集材的強(qiáng)度。這樣，絕熱和強(qiáng)度趨于對立，因此在設(shè)計(jì)一種具體的混合設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡。
優(yōu)選的絕熱的、輕質(zhì)的集材包括多孔或片狀剝落的蛭石、珍珠巖、焙燒過的硅薄土以及空心玻璃球，所有這些均趨于含有大量間隙。然而，該列舉是無法窮盡的，之所以選擇這些集材是因?yàn)樗鼈兂杀镜颓乙椎?。然而，任何具有低K系數(shù)的能使由其制得的薄片或其它制品具有足夠的絕熱性的集材都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
關(guān)于前述，加入到可模壓混合物中的集材的量將取決于各種因素，包括其它所加的組分的量和性質(zhì)，以及集材自身的顆粒堆積密度。優(yōu)選的包括在其中的無機(jī)集材的量約占硬化薄片中的固體總體積的40％至98％，更優(yōu)選的范圍約為50％至95％，最優(yōu)選約占固體總體積的60％至80％。
如上所提出的，可以加入各種量的不同尺寸集材以影響可模壓混合物的顆粒堆積密度。根據(jù)每種集材的自然堆積密度以及顆粒的相對尺寸，混合后的集材體積可能要比它們混合前的體積之和小。
5.纖維正如本說明書和所附的權(quán)利要求書中所用的，術(shù)語“纖維”和“纖維材料”包括無機(jī)纖維和有機(jī)纖維。纖維是可以加入到可模壓混合物中的具體種類的集材，所述加入能增加粘性、延伸性、挺度、撓性、斷裂能以及抗撓、抗拉和偶爾甚至抗壓強(qiáng)度。纖維材料減小了當(dāng)施加強(qiáng)的模截面力時(shí)，成品和容器損壞的可能性。
可以混入可模壓材料中的纖維優(yōu)選天然的纖維如從大麻、棉、植物葉、木或樹干中提取出的纖維素纖維，或由玻璃、二氧化硅、石墨、陶瓷或金屬制得的纖維。玻璃纖維優(yōu)選進(jìn)行預(yù)處理以耐堿。
所選的優(yōu)選纖維包括玻璃纖維、蕉麻、蔗渣、木纖維(硬木或軟木如南方松木)、陶瓷纖維(如氧化鋁、二氧化硅氮化物、二氧化硅碳化物、石墨)和棉?？梢允褂没厥盏募埨w維，但它們有些不令人滿意，因?yàn)樵谧畛醯脑旒堖^程中以及在回收過程中出現(xiàn)纖維降解。然而傳遞強(qiáng)度和柔韌性的任何等同的纖維都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。蕉麻纖維可從菲律賓的Isarog Inc.得到。玻璃纖維如Cemfill可由英格蘭的Pikington Corp.得到。
由于這些纖維成本低、強(qiáng)度高和易得而優(yōu)選用于本發(fā)明中。然而，任何傳遞抗壓和抗拉強(qiáng)度以及韌性和柔性(至所需的程度)的等同的纖維當(dāng)然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。唯一的限制條件是傳遞所希望的性質(zhì)的纖維不與可模壓材料中的其它成分發(fā)生不利反應(yīng)并且不污染所貯藏的物料(如食品)或污染由含該纖維的材料制得的制品中分散的物料。
用于制造本發(fā)明的制品和容器所用的纖維優(yōu)選有高的長寬比(或“縱橫比”)的纖維，因?yàn)檩^長、較細(xì)的纖維可以將更多的強(qiáng)度帶給結(jié)構(gòu)基質(zhì)而不會(huì)明顯增加復(fù)合材料的體積和質(zhì)量。纖維至少應(yīng)有約10∶1的平均縱橫比，優(yōu)選至少約100∶1，最優(yōu)選至少約200∶1。優(yōu)選的纖維應(yīng)還有幾倍于水凝粘合劑顆粒直徑的長度。
加入到可模壓材料中的纖維的量將根據(jù)最終產(chǎn)品的所希望的性質(zhì)(強(qiáng)度、韌性、柔性)和作為確定在任何混合設(shè)計(jì)中需加入的纖維的量的主要指標(biāo)成本而改變。大多數(shù)情況下，加入的纖維的量約在占有可模壓混合物的固體總體積的0.2％至50％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選約在1％至30％的范圍內(nèi)，最優(yōu)選約在占有可模壓混合物中固體總體積的5％至20％的范圍內(nèi)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在約20％(體積)纖維下稍微增加纖維濃度會(huì)趨于大大增加終制品的強(qiáng)度、韌性和粘接耐久性。在約20％(體積)以上增加纖維會(huì)使制品的強(qiáng)度和柔性較小程度地增加，盡管這種增加可以在某些情況下在經(jīng)濟(jì)上是正當(dāng)?shù)摹?br> 然而應(yīng)當(dāng)知道的是，在確定要用的纖維的量時(shí)，纖維的強(qiáng)度是非常重要的特性。纖維的抗拉強(qiáng)度越強(qiáng)，為在所得的產(chǎn)品中獲得相同水平的抗拉強(qiáng)度所必須用的纖維量越小。當(dāng)然，一些纖維有高的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)其它纖維具有較低的抗拉強(qiáng)度，但可以是更具塑性的。具有較小的縱橫比的纖維更容易放置，并產(chǎn)生具有較小缺陷的薄片，同時(shí)較大的縱橫比增加纖維的強(qiáng)度傳遞效果。因而，為得到具有最大的多重特性如高的抗拉強(qiáng)度、高塑性和較好的纖維放置的最終產(chǎn)品，可能是兩種或多種纖維的結(jié)合。
還應(yīng)理解，一些纖維如南方松木和蕉麻有高的撕裂強(qiáng)度和暴裂強(qiáng)度，同時(shí)其它纖維如棉纖維有較低的強(qiáng)度但有較大的柔性。在較好放置、較高柔性的情況下，高的撕裂和暴裂強(qiáng)度是所希望的，可以加入具有各種性質(zhì)的纖維的混合物到混合物中。
最后，公知的是某些纖維和無機(jī)填料能與某些基于淀粉和有機(jī)聚合物粘合劑進(jìn)行化學(xué)作用和鍵合，從而加入另一種尺寸到本發(fā)明的材料中。例如，公知的是許多纖維和無機(jī)填料是陰離子性質(zhì)的并有負(fù)電荷。因此為使有機(jī)粘合劑和陰離子纖維和無機(jī)材料之間的相互使用最大，加入帶正電荷的有機(jī)粘合劑如一種陽離子淀粉可能是有利的。
通過用松脂和明礬(Al2(SO4)3)或NaAl(SO4)2處理纖維可以獲得較好的防水性，松脂和明礬在纖維的表面上沉淀出松脂使它高度疏水。由明礬形成的鋁絮凝物在纖維表面上產(chǎn)生陰離子吸附點(diǎn)，這是由于帶正電荷的有機(jī)粘合劑如一種陽離子淀粉。
6.分散劑下文所用的術(shù)語“分散劑”是指這樣的一類材料，它可以加入后減小可模壓混合物的粘度和屈服應(yīng)力。所使用的分散劑的更詳細(xì)的描述可以在Anderson.P.J.的碩士論文，“Effects of OrganicSuperplasticizing Admixtures and Their Components on ZetaPotential and Related Properties of Cement Materials”(1987)中找到。為公開起見，上面引用的文章結(jié)合在此作為特別參考。
分散劑一般通過啄附在集材的表面上、水凝粘合劑顆粒上和/或進(jìn)入粘合劑顆粒的鄰近的膠態(tài)雙層中而起作用。這在顆粒的周圍產(chǎn)生負(fù)電荷，使它們相互排斥。顆粒的這種排斥通過減小“摩擦”或吸引力會(huì)引起顆粒有較大的相互作用。因此，最初可以加入較少的水而同時(shí)保持可模壓的混合物的可加工性。
在塑性、粘性、和/或成形穩(wěn)定性較不重要的場合下，可能所希望的是大大減小粘性和屈服應(yīng)力。加入分散劑有助于保持可模壓混合物可加工性，甚至加入非常少的水時(shí)也是如此。
然而，由于分散劑的覆蓋機(jī)理的性質(zhì)，分散劑加入到該混合物中的次序通常是關(guān)鍵的。如果使用某些可分散于水中的有機(jī)粘合劑(如Tylose)，那么首先應(yīng)將分散劑加入到含水和至少部分無機(jī)集材的混合物中，然后加入粘合劑。否則，分散劑會(huì)很難吸附到集材顆粒的表面上，這是因?yàn)門ylose首先會(huì)被不可逆地吸附，從而在表面上形成保護(hù)膠體，妨礙分散劑被吸附。
一種優(yōu)選的分散劑是磺化萘甲醛縮合物，其實(shí)例是商標(biāo)為WRDA 19的可由W.R.Grace Inc.得到的產(chǎn)品。其它還可以有好用的分散劑包括磺化蜜胺甲醛縮合物、磺化油和聚丙烯酸。
本發(fā)明中的分散劑在混凝土工業(yè)中有時(shí)指“超級增塑劑”。為了較好地區(qū)分分散劑與其它流變改進(jìn)劑(它們常用作增塑劑)，術(shù)語“超級增塑劑”并不被該說明書使用。
所加的分散劑的量將一般在占有水重的高達(dá)約5％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在約0.5％至4％的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約1％至2％范圍內(nèi)。
7.空氣隙在保溫而不是強(qiáng)度是至關(guān)重要的因素(即在所希望的是絕熱或冷的材料)時(shí)，除了使用輕質(zhì)集材外，可以在制品的結(jié)構(gòu)基質(zhì)內(nèi)結(jié)合有微小的空氣隙以增加制品的絕熱性質(zhì)。將空氣隙結(jié)合到可模壓的混合物中去時(shí)，應(yīng)仔細(xì)計(jì)算，傳遞所需的絕熱性質(zhì)而不會(huì)使薄片的強(qiáng)度降至不能用的程度。然而，一般地，如果絕熱不是具體制品的一個(gè)重要特，那就應(yīng)將任何空隙減至最小以使強(qiáng)度最大和體積最小。
在某些實(shí)例中，可以通過可模壓混合物與一種加到該混合物中幫助實(shí)現(xiàn)空隙的發(fā)泡劑或穩(wěn)定劑進(jìn)行高剪力、高速混合而引入不聚集的空氣間隙。為了達(dá)到這個(gè)目的，上面討論過的高剪切、高能攪拌器特別有用。適宜的發(fā)泡和攜氣劑包括常用的表面活性劑。目前優(yōu)選的表面活性劑是一種多肽烯化多羥基化合物，如MearlcreteFoam Liquid。
與表面活性劑連同，必須使用一種穩(wěn)定劑如Mearlcel 3532(一種液態(tài)陰離子可生物降解的溶液)，從而使材料內(nèi)所攜帶的空氣穩(wěn)定。Mearlcrete和Mearlcel都可以從新澤西州的Mearl公司得到。另一種發(fā)泡和攜氣劑是氧化松香樹脂。另外，有機(jī)聚合物粘合劑可以用于穩(wěn)定所攜帶的空氣。不同的攜氣劑和穩(wěn)定劑傳遞不同程度的泡沫穩(wěn)定性給無機(jī)填充混合物，因而應(yīng)當(dāng)選擇它們以傳遞最適于具體制造過程的性質(zhì)。
泡沫穩(wěn)定性幫助保持未硬化可模壓混合物內(nèi)空氣間隙的分散和防止空氣間隙的聚集。不能防止空氣間隙的合并實(shí)際上降低了絕熱效果，而且它還大大降低了硬化可模壓混合物的強(qiáng)度。通過增加PH值，增加可溶的堿金屬如鈉或鉀的濃度，加入一種穩(wěn)定劑如一種多糖類流變改進(jìn)劑、仔細(xì)調(diào)整可模壓混合物內(nèi)的表面活性劑的濃度和水的濃度，可有助于混合物的泡沫穩(wěn)定。
在模壓和/或硬化該可模壓混合物的過程中，常常希望加熱該可模壓混合物以增加空隙系統(tǒng)的體積。加熱還會(huì)有助于從可模壓混合物中迅速除去大量的水，從而增加模壓后產(chǎn)品的未熟強(qiáng)度。
如果一種氣體已混入可模壓混合物中，例如將混合物加熱至250℃會(huì)導(dǎo)致(按照理想氣體平衡)氣體體積增加約85％。當(dāng)加熱適當(dāng)時(shí)，已發(fā)現(xiàn)所希望的加熱是約在100℃至250℃的范圍內(nèi)。由在可模壓混合物只可能出現(xiàn)任何不利反應(yīng)來設(shè)定上限，所述反應(yīng)如纖維或有機(jī)粘合劑的燃燒。更重要的是，如果適當(dāng)控制，加熱將不會(huì)導(dǎo)致制品的結(jié)構(gòu)基質(zhì)的斷裂或在制品的表面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷。
另一種發(fā)泡劑是檸檬酸和碳酸氫鹽或是已被加工成小顆粒并覆蓋有石蠟、淀粉或可溶水的涂層的碳酸氫鹽混合物。這可以兩種方式用于空隙成形中(1)與水反應(yīng)并生成CO2氣以在無機(jī)填充基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生一種多孔泡沫結(jié)構(gòu)或(2)填充作為基質(zhì)的部分顆粒，并在基質(zhì)硬化物通過將產(chǎn)品加熱至約180℃以上而除去發(fā)泡顆粒，這樣引起顆粒吸熱分解，留下一個(gè)良好控制的多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在其它一些可模壓混合物的粘度高的應(yīng)用中(如在某些模壓過程中所要求的)，通過剪切混合得到適當(dāng)數(shù)目的空隙是非常困難的。在這種情況下，可以通過加入一種容易氧化的金屬如鋁、鎂、鋅或錫到混合物中而將空隙帶入可模壓混合物中，所述混合物是天然堿性的(如一種含有水凝水泥或氧化鈣的混合物)或者是已經(jīng)加入一種強(qiáng)堿如氫氧化鈉而被制成堿性的。該反應(yīng)導(dǎo)致在整個(gè)可模壓混合物中放出微小的氫氣泡。
進(jìn)一步為了啟動(dòng)該化學(xué)反應(yīng)并增加氫氣泡生成速率，加熱該混合物可以是需要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加熱模壓后的產(chǎn)品到約50℃至100℃的溫度范圍時(shí)，優(yōu)選約75℃至85℃，可以有效地控制該反應(yīng)，并且還可以擠除顯著量的水。另外，可以控制該加熱過程以便不會(huì)導(dǎo)致模壓后的產(chǎn)品的基質(zhì)斷裂。該第二種將空隙帶入結(jié)構(gòu)基質(zhì)中的方法可以與在較低粘度的可模壓混合物用于一些模壓過程的情況中的通過高速、高剪切混合引入空氣的方法結(jié)合使用，或代替它。
最后，通過將一種起泡劑加入到該混合物中可以在模壓過程中將空氣空隙引入到可模壓混合物中，所述混合物在加熱時(shí)會(huì)膨脹。起泡劑一般由低沸點(diǎn)液體和細(xì)分的吸附材料如碳酸鈣(白堊)組成。該滑石和起泡劑均勻混入可模壓的混合物中并在加熱時(shí)保持在加壓狀態(tài)下。液體起泡劑滲透入單個(gè)的白堊顆粒的孔中，該孔用作起泡劑在壓力突然降低而熱膨脹時(shí)可以蒸發(fā)的地方。
在模壓或擠壓過程中，混合物在加熱的同時(shí)受到壓縮。在加熱一般會(huì)引起起泡劑蒸發(fā)的同時(shí)，壓力的增加防止了該起泡劑的蒸發(fā)，從而暫時(shí)產(chǎn)生平衡。在模壓或擠壓材料后壓力釋放時(shí)，起泡劑蒸發(fā)，從而使可模壓材料膨脹或“起泡”。可模壓材料最終硬化，在整個(gè)結(jié)構(gòu)基質(zhì)中有非常細(xì)分散的空隙。水還可用作一種起泡劑，只要該混合物被加熱到水的沸點(diǎn)以上并保持在高達(dá)50bars的壓力下。
空隙增加了所制薄片和其它制品的絕熱性質(zhì)，并且還大大減小了堆積密度，從而減少了最終產(chǎn)品的重量。這樣可減少所得制品的總重，降低為制造該制品所需的材料的量，而且降低了在一次性制品情況下最終廢棄的材料量。
8.固化促進(jìn)劑在某些情況下所希望的可以是通過向該混合物中加入一種適當(dāng)?shù)墓袒龠M(jìn)劑而使可水凝固化混合物的最初固化加速。這些包括Na2CO3，K2CO3，KOH，NaOH，CaCl2，CO2、三乙醇胺、鋁酸鹽以及強(qiáng)酸如HCl，HNO3和H2SO4的無機(jī)堿式鹽。事實(shí)上，任何增加石膏和Ca(OH)2的溶解度的化合物會(huì)趨向于加速可水凝固化混合物特別是水泥混合物的最初固化。
可加入到具體可水凝固化混合物的固化促進(jìn)劑的量將取決于所希望的固化促進(jìn)的程度。這又反過來取決于各種因素，包括混合設(shè)計(jì)、混合該組分和模壓或擠壓可水凝固化混合物的步驟之間的時(shí)間間隔、混合物的溫度以及該固化促進(jìn)劑的特性。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員根據(jù)具體制造過程的參數(shù)能調(diào)整所加的固化促進(jìn)劑的量以使具體的可水凝固化混合物的固化時(shí)間最佳?；诳伤袒澈蟿┰跓o機(jī)填充混合物中的體積百分比，固化促進(jìn)劑還可以增加填充無機(jī)混合物的固化或硬化速率。
II、材料形成制品的具體應(yīng)用使本發(fā)明制得的制品得到強(qiáng)度的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)成分是可模壓材料的結(jié)構(gòu)基質(zhì)。在由水凝和有機(jī)粘合劑與水的反應(yīng)產(chǎn)物生成的基質(zhì)內(nèi)混有其它成分(如纖維、集材、空氣隙、流烴改進(jìn)劑、分散劑和甚至促進(jìn)劑)，這些成分增加了附加的性質(zhì)和特性，包括強(qiáng)度性質(zhì)。
A、成分對混合物流變的影響為使混合物有適當(dāng)?shù)目杉庸ば院土鲃?dòng)性，應(yīng)加入的水量將取決于無機(jī)填料或集材的濃度和顆粒堆積密度、纖維的量、有機(jī)粘接劑的特性和質(zhì)量、可水凝固化粘合劑的特性和質(zhì)量、其它混合物(如分散劑、增塑劑、或潤滑劑)的特性和質(zhì)量。然而一般地，加入的更多的水會(huì)增加可模壓混合物的粘度和屈服應(yīng)力，從而增加混合物的流動(dòng)性并降低由其模壓成的制品的成形穩(wěn)定性。
可分散于水中的有機(jī)聚合物粘合劑可以大大影響該混合物的流變，這取決于有機(jī)粘合劑的特性、濃度和膠凝程度。如上所提出的，優(yōu)選的有機(jī)聚合物粘合劑可大致分成下列各類基于纖維素的、基于淀粉的、基于蛋白質(zhì)的、基于多糖類的以及有機(jī)合成的。在這些較廣泛的各類中，都有大量的小類和細(xì)分類。各種材料的獨(dú)特的性質(zhì)是它們一般均溶于水或至少相當(dāng)充分地分散于水中。因此，它們需要適當(dāng)?shù)乃恳栽诳赡夯旌衔镏蟹稚⒑推鹱饔?包括膠凝)。
然而，有機(jī)聚合物粘合劑具有很不相同的水溶解度或分散性，其粘度和屈服應(yīng)力量也不相同。同類的有機(jī)聚合物可根據(jù)分子量的不同而具有不同的粘度。例如，TyloseFL15002的2％的溶液在20℃時(shí)約有15000CPS的粘度，同時(shí)Tylose4000的相似的溶液的粘度約為4000CPS。前者大大增加了可模壓混合物的屈服應(yīng)力和塑性，同時(shí)后者可用作一種潤滑劑或增塑劑。
其它有機(jī)聚合物以不同速率和不同溫度與水反應(yīng)。雖然許多有機(jī)聚合物粘合劑如Tylose加入到可模壓混合物中時(shí)聚合或解聚，但更會(huì)膠凝以及干燥以形成一種鍵合的基質(zhì)，加入可溶水的或可分散于水中的可聚合單元到可模壓混合物中是在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所述混合物后來原位聚合。通過調(diào)整混合物的溫度和/或加入一種催化劑或抑制劑可以調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)速率?？杉尤氲娇赡夯旌衔镏械目删酆蠁卧膶?shí)例包括Cellosize和乳汁生成的單體。
對于膠凝作用來說，大多數(shù)纖維素基聚合物(如Tylose)于室溫下易于在水中膠凝。其它的例如許多淀粉在水中僅在較高的溫度下膠凝。而一些改性淀粉可以在室溫下膠凝。因而，使用纖維素基和改性淀粉基聚合物粘合劑是有利的，由它們在室溫下可制備出可模壓的混合物。然而，與必須加熱膠凝的典型淀粉基聚合物相比，它們的價(jià)格一般顯著地高貴。優(yōu)選的淀粉基聚合物是National 51-6912，可購自National Starch。根據(jù)可模壓混合物的所需的流變性，包括在需要時(shí)，隨著時(shí)間或溫度的作用影響粘度或產(chǎn)生應(yīng)力，可優(yōu)選在可模壓混合物中添加若干種不同的有機(jī)聚合物粘合劑。纖維素基有機(jī)聚合物粘合劑一般幾乎立即產(chǎn)生它們的最大流變性影響，而可聚合粘合劑隨著時(shí)間的延長而硬化，淀粉基粘合劑在混合物升溫時(shí)才硬化。
水凝性可固化粘合劑例如水硬水泥、石膏半水合物和氧化鈣不僅做為水合程度的函數(shù)(它是時(shí)間函數(shù))影響可模壓混合物的流變性，而且它們還可以用做水的吸收劑?？晒袒澈蟿┡c水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由此減少可模壓混合物中水的有效量，而不必借助于加熱或干燥技術(shù)。此外，還發(fā)現(xiàn)水硬水泥能增加未干的無機(jī)填充混合物的粘合強(qiáng)度及由其制備的新制品的粘合強(qiáng)度。
可以添加的用來直接影響可模壓混合物流變性的其它摻和物包括分散劑、增塑劑、和潤滑劑。分散劑如磺酰-基物質(zhì)在保持水含量不變的情況下使可模壓混合物的粘度大大降低并使其可加工性大大增加。其結(jié)果是使用分散劑可允許水含量降低而仍保持相同程度的可加工性。優(yōu)選的增塑劑和潤滑劑是聚乙二醇。
如前面所討論的，凝聚體的數(shù)量、種類、和顆粒堆積密度對可模壓混合物的流變性和可加工性可產(chǎn)生很大影響。多孔或具有高比表面積的凝聚體與非多孔凝聚體相比趨向于吸收更多的水，因而減少了可用于潤滑顆粒的水的數(shù)量。這導(dǎo)致更硬、更粘的混合物。顆粒堆積密度也可對混合物的流變性產(chǎn)生驚人的影響，這是由于它確定了孔隙空間的數(shù)量，該空間一般必須被水、潤滑劑、有機(jī)聚合物、或其它液體充滿以使所述混合物流動(dòng)。
在可模壓混合物要經(jīng)受高壓處理如擠壓或其它高壓模壓加工的情況下，可以利用顆粒堆積與水缺乏原理間的相互作用在擠壓該混合物的過程中暫時(shí)增加或加要性和流動(dòng)性。對于本說明書及所附的權(quán)利要求書來說，術(shù)語“水缺乏”或“缺乏水”是指在可模壓的混合物中沒有足夠量的水(及其它液體)來完全占據(jù)顆粒間的孔隙空間。因?yàn)檫@個(gè)原因，沒有足夠量的水來適當(dāng)?shù)貪櫥w粒。
然而，在施加的壓力足夠在以至于暫時(shí)增加顆粒堆積密度時(shí)，顆粒間的孔隙空間的量減少。因而水是不可壓縮的，在壓力下仍保持相同的體積，增加的壓力使可用來潤滑顆粒的水的表觀數(shù)量增加，因而增加了所述混合物的可加工性和流動(dòng)性。在撤去壓力之后，通常在模壓過程結(jié)束之后，凝聚體顆粒趨向于恢復(fù)它們壓縮前的密度，因而增加了孔隙空間的數(shù)量并產(chǎn)生內(nèi)部壓力。這導(dǎo)致形狀穩(wěn)定性和未干的強(qiáng)度幾乎立即增加。
最后，混合物內(nèi)其它的固體組分如纖維也會(huì)以與凝聚體相似的方式影響混合物的流變性。一些纖維可根據(jù)它們的孔隙度和溶漲容量吸收水。此外，對一些纖維可以進(jìn)行處理以呈離子化荷電態(tài)，這使得它們可以與離子化荷電的有機(jī)增塑劑如離子淀粉進(jìn)行相互化學(xué)反應(yīng)。以這種方式纖維可在在某種程度上影響混合物的流變性。
B.各組分對最終性能的影響對最終干燥或硬化的產(chǎn)品來說，設(shè)計(jì)成這種薄壁制品的結(jié)構(gòu)基質(zhì)或用于制備這類物品的薄板所認(rèn)為總體上需要的一些性能包括高抗拉強(qiáng)度(總體上或沿某一特定向量)、抗彎強(qiáng)度、揉曲性、延展、偏斜或彎曲的能力。在某些情況下，可能希望所獲得的制品基本上包含了由紙制備的現(xiàn)有制品或硬板產(chǎn)品的性能。然而，在其它情況下可能希望獲得的結(jié)構(gòu)基質(zhì)具有使用傳統(tǒng)原料物質(zhì)不能得到的性能。這些性能可以包括增加的韌性、更高的模量、耐水性、或較低的堆積密度。
樹木紙或紙板，其板材及其后的制品的性能與所使用的紙漿的性能有極大的關(guān)系，與其相反，本發(fā)明的制品的性能與用于制備成形過程采用的可模壓混合物的纖維的性能基本上無關(guān)。退一步說，只是使用更長、更揉韌的纖維與較短、較硬的纖維相比使制品的揉曲性更大。然而，通過調(diào)整可模壓混合物中非纖維組分的濃度及使用的加工技術(shù)，可以將通用紙中與紙漿很相關(guān)的性能引入本發(fā)明的制品中。這些性能如勁度、剛性、表面加工性、孔隙度、及類似的性能一般與在目前的制品中添加的纖維的類型無關(guān)。
通過改變在可模壓混合物中的組分和組分的相對濃度，可以將揉曲性、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、或模量組合成板材、容器、或其它由其制備的物體特定的性能特征。在某些情況下，較高的抗拉強(qiáng)度可能是一個(gè)重要的特征。在其它情況下，它的重要性可能較小。某些制品應(yīng)優(yōu)選是更柔韌的，而其它的是硬化的。一些是相對密實(shí)的，其它的是更厚、更輕、和更絕緣的。重要的是獲得的物質(zhì)具有適宜特定用途的性能，而仍保持已認(rèn)知的成本和其它實(shí)際生產(chǎn)線參數(shù)。從性能的角度講，一特定性能“過多”或“過少”可能是不重要的，而從成本的角度講，提供該特定性能值可能是浪費(fèi)或無效的。
一般來說，增加有機(jī)聚合物粘合劑的數(shù)量會(huì)增加最終硬化制品的抗拉和抗彎強(qiáng)度，同時(shí)還大大增加了制品的揉曲性和彈性。多添加有機(jī)聚合物還降低了制品的勁度。相似地，增加混合物中纖維的濃度也增加了最終制品的抗拉強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度較高的纖維，例如陶瓷纖維，盡管這類纖維硬度較大，導(dǎo)致產(chǎn)生較硬化的制品。相反，添加揉性纖維如天然纖維素纖維，會(huì)大大增加制品的揉曲性，以及抗拉、撕裂強(qiáng)度和耐破度。
不同的纖維其撕裂強(qiáng)度和耐破度、揉曲性、抗拉強(qiáng)度、不產(chǎn)生斷裂條件下延展的能力、及勁度在很大的范圍內(nèi)的變化。為了獲得不同類型纖維的有利性能，在某些情況下優(yōu)選可以在可模壓混合物內(nèi)將兩種或多種不同類型的纖維結(jié)合。
還應(yīng)理解，某些制品的成型過程如擠壓和滾壓趨向于使纖維沿混合物延展的方向取向。這對于使制品或板材在某一方向上獲得最大抗拉強(qiáng)度可能是有利的。例如，當(dāng)需要構(gòu)成一制品的板材沿一鉸鏈彎曲時(shí)，優(yōu)選纖維以一定方式取向，使得鉸鏈的兩邊更有效的連接，或者按取向與折線垂直的方式來彎曲。在鉸鏈區(qū)域或需要增加韌性及強(qiáng)度的板材中集中更多的纖維是所希望的。
凝聚體的類型也可以影響最終硬化制品的性能。一般包括硬的、無韌性的、小顆粒的凝聚體如粘土、高嶺土、或白堊總體說會(huì)導(dǎo)致制品具有光滑的表面和具有增加的脆性。輕質(zhì)凝聚體如珍珠巖或空心玻璃球會(huì)導(dǎo)致制品密度降低、脆性降低及絕緣能力增大。例如粉碎的砂粒、二氧化硅、石膏、或粘土的凝聚體是極廉價(jià)的，可以使由它們制備制品的費(fèi)用大大降低。具有高比表面積的任何材料會(huì)增加干燥收縮率及收縮缺陷。比表面積較低的材料是有利的，因?yàn)樗鼈冋承孕。@有助于防止混合物粘附于模壓設(shè)備上。
水凝可固化粘合劑如水硬水泥、石膏半水合物及氧化鈣在硬化的制品內(nèi)根據(jù)這些水凝可固化粘合劑的添加的數(shù)量會(huì)提供從低到顯著程度的粘合作用。這類粘合劑增加最終制品的勁度和抗壓強(qiáng)度，并在一定程度上增加抗拉強(qiáng)度。水硬水泥還可以降低制品在水中的溶解性，因而增加了制品的耐水降解性。
最后，在可模壓混合物中的其它摻和物可以使最終產(chǎn)品附加了防水性，例如通過向混合物中添加松香和明礬。這些物質(zhì)相互作用在結(jié)構(gòu)基質(zhì)內(nèi)形成一種不同的耐水組分。在沒有顯著數(shù)量的這類防水齊時(shí)，可以用水使制品重新變濕并暫時(shí)增加柔韌性、彎曲能力及撕裂前的延展程度。這對于混合物先成形為板隨后成形為另一種制品如容器來說是特別有用的。當(dāng)然，在制品被丟充后水還可以促進(jìn)它的降解。通過用5-10％w/w淀粉溶液處理制品表面來密封表面孔隙可以引入耐水性。
做為一般的原則，具有一定濃度的有機(jī)聚合物粘合劑及纖維但具有高濃度的水凝可固化粘合劑的制品剛性更強(qiáng)。具有更高的絕緣能力，具有更高的抗壓強(qiáng)度，具有更低的粘結(jié)性，耐熱破壞，具有更低的抗拉強(qiáng)度，并耐水降解。
有機(jī)粘合劑濃度較低但纖維及水凝可固化粘合劑含量較高的制品會(huì)具有更高的抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度及韌性，但具有較低的抗彎強(qiáng)度和勁度，有中等程度的揉曲性，有相當(dāng)?shù)哪退到庑浴?br> 有機(jī)聚合物粘合劑濃度較高而纖維和水凝可固化粘合劑濃度較低的制品會(huì)更易溶于水及更易降解，更易于模壓(可制備出更薄的制品)，具有適度高的抗壓和抗拉強(qiáng)度，更高的韌性，中等程度的揉曲性，及較低的勁度。
最后，有機(jī)聚合物粘合劑及纖維濃度較高但水凝可固化粘合劑濃度較低的制品會(huì)具有與紙最相似的性能(樹木及植物紙)，會(huì)具有較高的抗拉強(qiáng)度、韌性、及耐折性，具有中等強(qiáng)度的抗壓強(qiáng)度，具有極低的耐水降解性。具有較低的耐熱性(特別是接近纖維的燃點(diǎn)或粘合劑的分解溫度的制品)，并具有較高的揉曲性和較低的勁度。
由本文敘述的組合物形成的制品優(yōu)選抗拉強(qiáng)度的范圍為約0.05MPa至約70MPa，更優(yōu)選為約5MPa至約40MPa。此外，制品優(yōu)選堆積密度為約0.6g/cm3至約2g/cm3。制品的密度是取該范圍的較低、中間、或較高值一般由給定用途的所需的性能特征來決定。按照前述，本發(fā)明的制品其抗拉強(qiáng)度與堆積密度的比值優(yōu)選為約2MPa-cm3/g至約200MPa-cm3/g，更優(yōu)選為約3MPa-cm3/g至約50MPa-cm3/g。
用于生產(chǎn)本發(fā)明制品的成形板的特定方向的強(qiáng)度特性應(yīng)當(dāng)與紙的對應(yīng)特性相反，紙的抗拉和撕裂強(qiáng)度分別具有強(qiáng)和弱的方向。通過紙的強(qiáng)的方向是機(jī)器的方向，而弱的方向是垂直于機(jī)器的方向。在強(qiáng)和弱方向上強(qiáng)度的比值在普通紙中為約3∶1，在本發(fā)明中該值為約2∶1，且根據(jù)所使用的特定成形方法可以使該值接近約1∶1。一般來說，降低成形速度的差別趨向于使纖維保持更隨機(jī)的取向。
術(shù)語“延展”在本說明書及所附的權(quán)利要求書中針對本發(fā)明的制品或板來使用時(shí)意義是指板或制品的結(jié)構(gòu)基質(zhì)能夠進(jìn)行拉伸而不破裂且仍具有完美的表面。換句話說，板的結(jié)構(gòu)基質(zhì)通過施加外力如拉或拉伸能夠變換或改變形狀而不發(fā)生破裂。在破裂前板或制品的結(jié)構(gòu)基質(zhì)延展的能力通過Instron拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力變形試驗(yàn)來測量。
通過對混合物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使制備出的板的結(jié)構(gòu)基質(zhì)在新制的板中于撕裂或破裂發(fā)生前能夠延展高達(dá)約20％，在干燥的板中能夠延展約0.5％至約8％。這通常通過優(yōu)化在可模壓的混合物中及得到的基質(zhì)中纖維及有機(jī)粘合劑的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)基質(zhì)能夠在特定范圍內(nèi)延展的板或制品的生產(chǎn)，可以通過在可模壓混合物中引入纖維來實(shí)現(xiàn)，使得最終的硬化板或制品中纖維的含量高達(dá)約50％(體積)。添加的纖維或有機(jī)粘合劑的量越多，或基質(zhì)與纖維連接的越好，一般可獲得更大的延展而不撕裂板。再有，通過向板中添加重量為干板重量的多達(dá)10％的蒸氣或水分可以增加干板的延展率。然而，這種重新變濕會(huì)暫時(shí)降低板的強(qiáng)度直到它被再次干燥。
應(yīng)理解，通過增加結(jié)構(gòu)基質(zhì)中纖維的數(shù)量一般可獲得較高的抗拉強(qiáng)度以及較高的延展率。這可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn)，即向可模壓混合物中添加更多的纖維，或者也可以在制品的表面或其內(nèi)部附著一層纖維(如紙板)，或者將具有不同強(qiáng)度和揉曲性特性的纖維結(jié)合在一起。
在本說明書及所附權(quán)利要求中針對用于制各本發(fā)明的制品的板而使用的術(shù)語“偏斜(deflect)”的意義是指板的結(jié)構(gòu)基質(zhì)能夠進(jìn)行彎曲及包卷而不會(huì)撕裂及改變完成的表面。板的偏斜的能力通過用現(xiàn)有技術(shù)公知設(shè)備測量板的彈性模數(shù)及斷裂能量來計(jì)量。與其它任何物質(zhì)一樣，按照本發(fā)明制備的板的彎曲能力與板的厚度有很大關(guān)系。
不考慮板的厚度來測量偏斜的一個(gè)途徑是將偏斜定義為板的一面與板的另一面相比較的相對延展率。當(dāng)板包卷或繞一軸彎曲時(shí)，板的外邊面長度延長，而板的時(shí)里邊面一般不會(huì)延長。因而，較薄的板可以大得多的程度彎曲，而在與內(nèi)面的延長相比較外面的相對延長與較厚板的對應(yīng)值大約相同的情況下，較厚的板幾乎不能進(jìn)行彎曲。
板的偏斜的能力與板的彈性能力相關(guān)，后者通過楊氏(Young’s)模量來計(jì)量；因而，為獲得所需偏斜范圍的混合物的最佳設(shè)計(jì)可以獨(dú)立于延展率來進(jìn)行優(yōu)化。然而，在將板成形為適當(dāng)容器或其它物體的過程中，可以通過使板重新變濕來暫時(shí)增加板的彎曲能力。水認(rèn)為被纖維、水可分散性有機(jī)粘合劑、及凝聚體顆粒間的空隙吸收。在干燥成形板時(shí)，彎曲能力一般會(huì)降低，而板的韌性及硬度一般會(huì)增加。
為了獲得具有所需強(qiáng)度、彎曲能力、絕緣性、韌性、重量、或其它性質(zhì)特征的特性的板，可以改變板的厚度，這可以通過調(diào)整后面將更全面敘述的輥的間距來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)厚度及所需的性質(zhì)特征，可以調(diào)整組分及它們的相對濃度以適應(yīng)特定的板厚度。本發(fā)明的板可以設(shè)計(jì)成具有在很大范圍內(nèi)變化的厚度；然而大多數(shù)產(chǎn)品需要的薄壁材料一般的厚度為約0.01mm至約3mm。但在應(yīng)用中當(dāng)絕緣能力或高勁度更重要時(shí)，板的厚度可以厚至約1cm。
本發(fā)明制品的優(yōu)選厚度根據(jù)板、容器或由此制備的物體的預(yù)定用途而改變。僅做為實(shí)施例來說，當(dāng)希望有高偏斜能力時(shí)，一般優(yōu)選較薄的板。相反的是，當(dāng)最優(yōu)先考慮強(qiáng)度、耐久性、和/或絕緣性而不是偏斜能力時(shí)，一般優(yōu)選較厚的板。但當(dāng)需要將板沿劃線彎曲、或至少將它們卷成容器時(shí)，優(yōu)選板的厚度為約0.05mm至約2mm或更厚，更優(yōu)選為約0.15mm至約1mm。
當(dāng)用板來印刷雜志或其它閱讀材料時(shí)，它的厚度應(yīng)與通用的紙產(chǎn)品相當(dāng)，這類紙產(chǎn)品典型的厚度為約0.05mm。要求有較大揉曲和較小勁度的可印刷板(例如雜志或小冊子的正規(guī)紙頁)的典型厚度為約0.025-0.075mm。要求較大強(qiáng)度、勁度和較小揉曲性的板(如雜志或小冊子封面)的厚度為約0.1-2mm。任何具體板的厚度和揉曲性取決于所考慮的閱讀或其它印刷材料的所希望的性質(zhì)特征。
本發(fā)明的另一方面是可模壓材料能具有高的濕強(qiáng)度。這通過調(diào)整向可模壓混合物中添加的水可分散性有機(jī)粘合劑及水凝可固化粘合劑的數(shù)量和/或種類以及調(diào)整水的含量來實(shí)現(xiàn)。雖然初始時(shí)水的添加量相對少會(huì)大大增加模壓材料的濕強(qiáng)度，但在初始時(shí)添加較多數(shù)量水是可行的且常常是希望的，因?yàn)檫@樣會(huì)增加加工性能及本文敘述的某些模壓方法通過施用熱量而快速除去過量水的能力。如本文后面更全面討論的，可模壓混合物通常通過加熱的模具或輥來成形，它們可除去顯著數(shù)量的水且有助于模壓具有高的濕強(qiáng)度的制品。
如前面所討論的，可模壓混合物在微觀組織上設(shè)計(jì)成使該混合物本身以及最終的硬化產(chǎn)品具有一些所希望的特性。從而，重要的是要精確計(jì)量在任何批量或連續(xù)混合組分過程中添加的物質(zhì)的數(shù)量。
C.加工技術(shù)和條件為簡單起見，術(shù)語“模壓”在本說明書及所附權(quán)利要求中使用時(shí)其意義包括本文討論的各種模壓、鑄造、加壓、滾壓和擠壓過程，或關(guān)于例如粘土、陶瓷、和塑料等物質(zhì)的現(xiàn)有技術(shù)公知方法，以及從模具中釋出(或“脫?！?制品的方法。術(shù)語“模壓”還包括當(dāng)可模壓混合物處于模具中時(shí)可能使用的附加方法，例如，加熱該混合物，該混合物與鋁或其它金屬反應(yīng)，釋放出混入該混合物中的氣泡，以及在模具中該混合物體積發(fā)生膨脹。
為了使本發(fā)明的可模壓混合物有效地進(jìn)行模壓，重要的是該組合物在濕狀態(tài)下應(yīng)具有形狀穩(wěn)定性；也就是說，模壓出的產(chǎn)品必須迅即能夠支撐其自身的重量。進(jìn)一步說，它必須硬化至足以使它能迅速地從模具中脫除。否則，模壓過程的費(fèi)用會(huì)使得該方法是不經(jīng)濟(jì)的。
獲得形狀穩(wěn)定性的模壓操作需要在少于1分鐘的時(shí)間內(nèi)完成，這樣才可以對典型的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。優(yōu)選地，這種形狀穩(wěn)定能力在少于10秒內(nèi)出現(xiàn)，最優(yōu)選少于1-3秒內(nèi)出現(xiàn)。還有，模壓制品的表面不應(yīng)太粘，因?yàn)檎扯却髸?huì)使得不能進(jìn)行脫模操作并會(huì)使模壓制品的手工操作及堆放變得困難。
本發(fā)明的制品還必須具有低的堆積密度(常常堆積比重小于約1g/cc)，得到的輕質(zhì)產(chǎn)品與由聚苯乙烯和紙制備的通用的一次性使用制品和容器相當(dāng)。
為了使材料表現(xiàn)出高抗拉強(qiáng)度、韌性和絕緣性的最佳性能，可以使纖維按照本發(fā)明在全部的結(jié)構(gòu)基質(zhì)內(nèi)以單一方向或兩個(gè)方向排列或堆積，而不是隨機(jī)分散。纖維常常優(yōu)選在一個(gè)平面內(nèi)排列，該平面與水凝可固化板或容器壁的兩個(gè)表面平行。
這些過程就相對大的、連續(xù)和不希望有的氣穴而言還導(dǎo)致近于零的孔隙度，而在一般的混凝土制造過程中通常會(huì)出現(xiàn)這樣的氣穴。這大大增加了可模壓材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度并在容器受到外部機(jī)械力作用時(shí)降低了基質(zhì)分裂或撕裂的傾向。在典型的水泥產(chǎn)品中的不希望的不連續(xù)性或空穴的不應(yīng)與故意引入的微細(xì)分散的微細(xì)空氣(或其它氣體)空穴相混淆。
應(yīng)按前面所討論的來設(shè)計(jì)可模壓混合物的流變或流動(dòng)性以優(yōu)化每個(gè)制備過程。優(yōu)化過程要求對混合物進(jìn)行設(shè)計(jì)使得所選擇的方法制備出的制品在功能上具有所需的性能并且能以最低的費(fèi)用盡可能迅速地制備出該制品。例如，模壓法、注模法和盤車?yán)鲀?yōu)選使用高粘性的混合物，這類混合物在壓力下成型可迅速制備出形狀穩(wěn)定的產(chǎn)品，而吹塑法要求使用可以吹動(dòng)而不產(chǎn)生破裂的高彈性混合物，為了使制備方法更易于進(jìn)行，對優(yōu)選采用的通用模壓過程進(jìn)行了若干種改進(jìn)。例如，常常希望用防粘劑處理模具以防止粘附。適用的防粘劑包括硅油、Teflon、Deleron、和UHW。優(yōu)選，模具本身是用不銹鋼制造或涂覆具有很光滑表面的材料，例如Teflon、Deleron或拋光至約0.1RMS的鍍鉻。
使用摩擦力可達(dá)到相同的效果。通過使模壓裝置的頭部相對于水泥材料的內(nèi)和/或外表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以解決任何化學(xué)和機(jī)械粘附(即粘貼)。
在混合物模壓和/或固化過程中，常常希望加熱該混合物，以便通過對容器孔隙度及體積的適當(dāng)控制來控制空氣空穴體系。再有，通過使表面迅速獲得強(qiáng)度，這一加熱過程還有助于使混合物在濕狀態(tài)下(模壓后即刻)具有形狀穩(wěn)定性。當(dāng)然，這種加熱有助于迅速從混合物中除去顯著數(shù)量的水。這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致使用加熱過程可以使本發(fā)明制品的制備更易于進(jìn)行。
1.混合過程在本發(fā)明容器和制品的制備中，各種可行的模壓途徑都可以使用，而優(yōu)選的方法包括“模壓法”、“注模法”、“吹塑法”、“盤車?yán)鳌薄ⅰ皾癜迥骸?、和“干板模壓”。雖然對于不同的模壓過程可模壓混合物的組成有變化，但混合方法基本上都是相同的，當(dāng)然，會(huì)使用不同的設(shè)備向模壓設(shè)備方便地提供原料。
如圖1所示，為了制備所需的可模壓混合物，將有機(jī)粘合劑、水凝粘合劑、纖維、水、及其它添加劑優(yōu)選在一高剪切力混合器中一起混合。高剪切力混合防止了纖維材料聚集成團(tuán)，生成了分散良好的均一混合物。這種混合改進(jìn)了濕混合物的一致性且增加了最終干燥或硬化產(chǎn)品的強(qiáng)度和均度。優(yōu)選還可以在高剪切力混合步驟添加一些較低濃度的聚集體如云母，以便于在盡可能最短的時(shí)間內(nèi)獲得均一的混合物。
如上所述，當(dāng)希望在可模壓混合物內(nèi)通過添加攜氣劑引入小的、非聚結(jié)氣穴時(shí)，高剪切力混合是特別有用的。在這些情況下，其中，在混合物中已添加水凝可固化粘合劑如水硬水泥或氧化鈣時(shí)，有利的是可使高剪切力混合器之上的氣氛中充滿二氧化碳以使二氧化碳與該混合物進(jìn)行反應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二氧化碳可以增加可模壓混合物的泡沫穩(wěn)定性，并造成水硬水泥早期假固化。它還是與氧化鈣發(fā)生反應(yīng)的組分，以便于產(chǎn)生做為不溶的粘合性沉淀物的碳酸鈣。
不同的混合器能夠?qū)赡夯旌衔锂a(chǎn)生不同的剪切作用。例如，與一般的水泥混合器相比，捏和機(jī)產(chǎn)生更高的剪切作用，但與EivichIntensive Mixer或雙螺旋食品擠壓機(jī)相比它的剪切作用是低的?？捎糜谏a(chǎn)本文所述更均一混合物的高剪切力混合器由以下專利文獻(xiàn)公開并要求保護(hù)U.S.專利No.4,225,247，標(biāo)題為“混合和攪拌裝置”；U.S.專利No.4,552,463，標(biāo)題為“制備膠體混合物的方法和設(shè)備”；U.S.專利No.4,889,428，標(biāo)題為“旋轉(zhuǎn)磨”；U.S.專利No.4,944,595，標(biāo)題為“生產(chǎn)水泥建筑材料的裝置”；和U.S.專利No.5,061,319，標(biāo)題為“生產(chǎn)水泥建筑材料的方法”。為了公開的目的，通過具體引用將前述的專利引入本文中。
使用低剪切力混合可將做為較高濃度組分的凝聚體(有時(shí)是水凝性粘合劑)混入混合物中。當(dāng)添加輕質(zhì)凝聚體時(shí)特別應(yīng)該如此，這些材料不能承受高剪切條件而不產(chǎn)生破壞，例如珍珠巖或空心玻璃球。優(yōu)選凝聚體的尺寸不超過制品最終厚度的約30％，因?yàn)檫^大尺寸的凝聚體會(huì)損壞輥或型模并在完成制品的表面產(chǎn)生裂紋。
在一實(shí)驗(yàn)室典型的混合方法中，使用高剪切力、高速混合器將適當(dāng)?shù)慕M分混合約1分鐘。之后，使用低剪切力、低速混合器用約5分鐘將剩余組分混入該混合物。每批材料總的混合時(shí)間因而為約6分鐘，但該時(shí)間根據(jù)可根據(jù)壓混合物的性質(zhì)可以進(jìn)行改變。在工業(yè)上，通過使用適當(dāng)?shù)幕旌掀骺梢詫⑦@種混合過程大大縮短；具體地說，目前優(yōu)選的混合方法是連續(xù)混合系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用能夠進(jìn)行高和低剪切力混合的水泥混合器以分批的方式來計(jì)量和混合材料。該混合器每批可處理多至350lb的材料，假定以6分鐘的混合周期，每小時(shí)能夠生成2,000kg的可模壓混合物(假定每立方英尺0.5g/cm3)。
在另一種實(shí)施方案中，可以使用前述的高速、高剪切力混合器對可模壓混合物的組分進(jìn)行初始混合。然后，將該混合物轉(zhuǎn)移到低速、低剪切力混合器中以完成該混合過程。混合步驟還可以與使用現(xiàn)代擠壓設(shè)備的擠壓步驟(在下面討論)結(jié)合，所述擠壓設(shè)備包括一個(gè)高剪切力混合室。
工業(yè)固化目前優(yōu)的實(shí)施方式是將引入可模壓混合物中的材料在設(shè)備中自動(dòng)并連續(xù)計(jì)量、混合、脫氣、并通過雙螺旋擠壓裝置進(jìn)行擠壓。圖1繪出了雙螺旋擠壓機(jī)12，它包括一進(jìn)料器14，該進(jìn)料器將可模壓混合物送入擠壓機(jī)12的第一內(nèi)室16。在第一內(nèi)室16之中的是第一螺旋螺桿18，它混合可模壓混合物并對其施加向前的壓力使其通過第一內(nèi)室16向真空室20前進(jìn)。典型的，使真空室20產(chǎn)生負(fù)壓或真空以利于除去可模壓混合物中的不希望有的氣穴。
之后，可模壓混合物被送入第二內(nèi)室22。第二螺旋螺桿24使該混合物向型模頭部26前進(jìn)。螺旋螺桿18和24可以具有不同的螺距和取向以有助于混合物的前進(jìn)并進(jìn)行低和高剪切能量混合。
雙螺旋擠壓機(jī)12可以用來獨(dú)立地混合可模壓混合物的組分，或者，如圖1所示，可以用一混合器給其進(jìn)料。優(yōu)選的雙螺旋擠壓機(jī)裝置采用勻速轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋其中螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同。反向轉(zhuǎn)動(dòng)雙螺旋擠壓機(jī)其中螺旋以相對的反向轉(zhuǎn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)相同的目的。還可以采用捏和碾磨機(jī)用于相同的目的。滿足這些說明條件的設(shè)備可以由位于Minneapolis，Minnesota的Buhler-Miag，Inc.得到。
混合器的內(nèi)部構(gòu)件可以由不銹鋼制備，因?yàn)橛捎谟休^高的水含量對混合器的摩擦不大。但混合器構(gòu)件可以涂覆碳化物以延長壽命，因而耐受任何摩擦及含凝聚體和水凝粘合劑的混合物可能產(chǎn)生的強(qiáng)堿性條件。
在本發(fā)明的可模壓混合物內(nèi)混合的各種組分物質(zhì)是容易得到的，且可以廉價(jià)大量購買。它們可以用袋、箱、或火車車箱裝運(yùn)及貯存，此后移送或用現(xiàn)有技術(shù)公知的通用手段卸貨。還有，所述材料可以貯存于大型貯藏室中，然后移出并通過運(yùn)送裝置運(yùn)輸?shù)交旌系攸c(diǎn)。
如前面所討論的，對可模壓混合物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以具有某些希望的性能。因而，在任何批量或連續(xù)混合組分過程中精確計(jì)量材料和添加數(shù)量是重要的。
2.模壓方法模壓方法有兩種普通的類型直接模壓和薄板模壓。直接模壓方法包括這樣的制品制造方法，其中可模壓混合物直接做成所需制品的形狀。這些方法包括模壓法、注模法、吹塑法、及盤車?yán)?。薄板模壓方法包括這樣的方法，其中可模壓混合物首先成形為薄板，然后再將薄板成形為所需制品的形狀。薄板模壓方法包括濕板和干板方法。
以下所述的方法可以使用造紙、塑料、金屬、及水泥工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的通用設(shè)備來進(jìn)行。但所述設(shè)備必須進(jìn)行獨(dú)特的組合和排布來構(gòu)成生產(chǎn)本發(fā)明制品的功能系統(tǒng)。再有，優(yōu)選對設(shè)備進(jìn)行少許的改進(jìn)以優(yōu)化并增加制品的大批生產(chǎn)。例如，塑料制品的注模要求對模具進(jìn)行冷卻以快速硬化模壓的制品。但在本發(fā)明中常常優(yōu)選加熱該模具以快速硬化制品。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本公開內(nèi)容使用通用的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明制品的制備所需要的對所述設(shè)備進(jìn)行的排布、改進(jìn)、和操作。
a.模壓方法模壓方法包括在兩個(gè)開口互補(bǔ)型模之間壓制所述混合物。其步驟包括定位、成形、賦予形狀穩(wěn)定性、移出、和硬化。
(1)定位在按照上述制備出可模壓混合物之后，下一步驟在模壓方法中是在一系列模具之間定位該混合物，以便隨后成形為制品。如圖2所示，所述模具包括具有一所需形狀的陽模28和具有與陽模28基本互補(bǔ)形狀的陰模30。陽模28和陰模30構(gòu)成模壓模具。當(dāng)可模壓混合物在模具之間被壓制時(shí)，該混合物成形為具有模具互補(bǔ)形狀的制品。
根據(jù)制品所需的形狀，可以使用替換形狀的模具。如圖2A所示的對開模31是一種多部件模具，其部件以不同的角度同時(shí)進(jìn)行擠壓以形成復(fù)雜的形狀，特別是有負(fù)角的形狀，有該形狀的制品可以容易地與模具脫離。相反，如圖2B所示的順序沖模33是一種這樣的多部件模具，其各部件以延遲順序方式一起擠壓，由此分段成形制品。使用順序沖模33有助于消除有深沖壓或復(fù)雜形狀的制品中的氣包。另外也可以使用通用的可拆模。各種模具可以組合使用來制成所需的制品。
本發(fā)明著眼于兩種將可模壓混合物定位于陽模28和陰模30之間的一般方法。在圖3所示的優(yōu)選實(shí)施例中，陽模28部分插入陰模30中使用得在該兩模之間產(chǎn)生縫距32?！翱p距32”定義為使模具相交時(shí)一個(gè)模具相對于另一模具必須運(yùn)行的距離。當(dāng)模具互相插入使得在模具之間形成模區(qū)時(shí)，模具是“相前態(tài)”的。“模區(qū)”限定了容器所需的形狀，并且是當(dāng)模具相交時(shí)將可模壓混合物推入的區(qū)域。
當(dāng)將模具定位使得具有一縫距時(shí)，在模具之間還存有空腔。該“空腔”包括模具之間的模區(qū)，以及對應(yīng)于縫距的模具之間第二區(qū)。一旦形成了空腔，就可以通過一個(gè)模具上的孔或通過縫距將可模壓混合物置入空腔、且處于模具之間。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，陰模30在陽模28之上垂直設(shè)備。所述混合物經(jīng)穿過陰模30的注射口34注入模具之間。將陰模30布置在陽模28之上是優(yōu)選的，因?yàn)樵谌萜鞒尚沃竽＞咭蛛x，而重力有助于使該容器保持在陽模28上。這是有益的，因?yàn)殡S后可以較容易地從陽模28上移出該容器而不會(huì)使容器變形。
在替換上列的實(shí)施例中，模具的設(shè)置可以使陽模28垂直處于陰模30之上。當(dāng)混合物具有低粘度時(shí)這種布置是優(yōu)選的，因?yàn)殛幠?0可以用為一種容器，在模具相交之前用來保護(hù)該可模壓混合物。
在使可模壓混合物定位之前，優(yōu)選將模具之間的縫距減至最小以限制在模具最終擠壓或相交過程中該混合物的移動(dòng)。使混合物的移動(dòng)減至最小降低了由于混合物不均勻流動(dòng)造成最終容器的規(guī)則的機(jī)會(huì)。
陽模28與陰模30之間的縫距32典型的范圍為約2mm至約5.0cm，優(yōu)選2mm至3cm，最優(yōu)選2mm至約1cm。但應(yīng)當(dāng)注意，對于大至不尋常的物體，縫距32可以相當(dāng)大以利于定位該混合物。
優(yōu)選通過真空擠壓機(jī)將可模壓混合物定位于模具之間，以便于排出該混合物夾帶的不需要的空氣，這類擠壓機(jī)例如雙螺旋擠壓機(jī)12不能排出這種空氣(除非空氣是所希望的，用來產(chǎn)生空穴以賦予絕緣性)會(huì)使得到的容器產(chǎn)生缺陷或結(jié)構(gòu)基質(zhì)不均勻。
可模壓混合物的實(shí)際注射通常由兩級注射器或往復(fù)式螺桿注射器來實(shí)現(xiàn)。如圖4繪出的，兩級注射器36具有分離的室用于混合或推進(jìn)及注射。混合物傳輸?shù)綌D壓螺桿40。，后者再將混合物送入分離的射出罐。當(dāng)射出罐42充滿后，注射活塞44將限定量的該混合物推入流道46網(wǎng)絡(luò)中，該流道將混合物送入部分封閉的模具中。如圖4所示，可以同時(shí)成形多個(gè)制品。
如圖5所示，往復(fù)式螺桿注射器38包括一個(gè)室48，其中縱向設(shè)置一個(gè)螺桿螺旋50?？赡夯旌衔锼腿胧?8并被螺桿螺旋50推進(jìn)。當(dāng)螺桿螺旋50轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它撤回和向螺桿螺旋50的注射端52送入混合物。當(dāng)在端部52堆積了所需數(shù)量的混合物時(shí)，螺桿螺旋50停止轉(zhuǎn)動(dòng)并如前所述向前移動(dòng)將混合物注入流道46中。
使可模壓混合物在模具間定位的第二種方法是當(dāng)模具仍完全分離時(shí)來進(jìn)行。如圖6所示，這種方法包括將一部分可模壓混合物成形為塊狀物54，該部分應(yīng)足夠制備出所需的制品，然后將塊狀物54置于模具之間，典型的是將塊狀物54置于陽模28的頂部。隨后，當(dāng)模具相交時(shí)，塊裝物54在模具之間被擠壓。
在圖7A-B所示的另一實(shí)施例中，使用一模板56來放置塊狀物54。在該實(shí)施例中，陽模28具有一個(gè)圓周的底58；模板56具有一通道60，其邊長與陽模28的底58的圓周基本互補(bǔ)。塊狀物54成形為直徑足夠大，以致跨過模板56的通道60。保持塊狀物54跨于通道60之上的狀態(tài)，將模板56置于陽模28和陰模30之間，使得通道60與模具互補(bǔ)對準(zhǔn)。從而，當(dāng)模具一起擠壓時(shí)，陽模28穿過模板56的通道60，以便在模具之間擠壓該可模壓混合物。
以上方法進(jìn)一步還包括將模板56放置在陽模28上的步驟，使得模板56位于陽模28的底58周圍，而塊狀物54獨(dú)立地放在陽模28上。隨后，當(dāng)模具一起擠壓時(shí)，塊狀物在模具之間再次被擠壓。與使用模板56相關(guān)的附加優(yōu)點(diǎn)將在本文后面針對從模具中移出容器的步驟進(jìn)行討論。
(2)成形和模壓在制備方法中的下一步驟是擠壓在陽模28和陰模30之間的可模壓混合物，以使可模壓混合物成形為所需形狀的制品或容器。
模具施加的壓力使可模壓混合物成形為容器的所需構(gòu)型。因此，該壓力必須足夠大，以確實(shí)將可模壓混合物模塑在模具之間。再有，優(yōu)選該壓力應(yīng)足夠大，以制備出有均勻且光滑的最終表面的容器。
施加于可模壓混合物上的壓力值還影響得到的容器的強(qiáng)度。研究還發(fā)現(xiàn)由粘合顆粒結(jié)合緊密的混合物得到的產(chǎn)品的強(qiáng)度增加。所使用的在模具之間擠壓可模壓混合物的壓力越大，粘合顆粒被堆擠的越緊密，從而增加了所得容器的強(qiáng)度。也就是說，可模壓混合物中的孔隙度越小，所得到的產(chǎn)品的強(qiáng)度越高。
當(dāng)高壓力施加于水濃度紙的可模壓混合物時(shí)，顆粒間的空間減小。這樣，存在于混合物中的水變得更有效包衰顆粒和減少它們的摩擦力。實(shí)際上，當(dāng)對可模壓混合物施加壓力時(shí)，該混合物變得更流體化或可操作性變得更大，這樣，需要添加的水的數(shù)量減少。這又增加了得到的產(chǎn)品的強(qiáng)度。在本發(fā)明的應(yīng)用中，模具施加的壓力越高，在混合物中所需添加的水的數(shù)量趙少。這一壓力原則還適用于注射方法。
雖然一般希望較高的壓力，但它也可以產(chǎn)生負(fù)作用。為制備輕質(zhì)容器，典型的是在混合物中添加低密度凝聚體(例如珍珠巖或空心玻璃球)。當(dāng)模具施加的壓力增加時(shí)，這些凝聚體可能會(huì)破碎，因而增加凝聚體及所得到的容器的密度，從而降低了凝聚體的絕緣作用。
因而，對由模具施加的壓力應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化以使得制品或容器有最大的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整性、和低的密度。在本發(fā)明內(nèi)，由陽模和陰模施加于可模壓混合物的壓力優(yōu)選為約50PSi至約20,000PSi，更優(yōu)選約100PSi至約10,000PSi，最優(yōu)選約150PSi至約2000PSi。但如下所討論的，壓力值應(yīng)根據(jù)模壓方法的溫度和時(shí)間進(jìn)行改變。
擠壓步驟還包括當(dāng)模具一起擠壓時(shí)從模具之間逐出空氣。不能移出這些空氣會(huì)導(dǎo)致水泥質(zhì)容器的結(jié)構(gòu)基質(zhì)中產(chǎn)生氣包或缺陷。典型的是，當(dāng)模具一起擠壓時(shí)，通過模具間的縫距來排除模具間的空氣。
在圖2所示的替代的實(shí)施例中，模具可具有多個(gè)穿過模具的排氣孔62以使得它們是可滲透的。從而，當(dāng)模具一起擠壓時(shí)，經(jīng)過排氣孔62排除模具間的空氣。由此，排氣孔62能防止在空腔內(nèi)形成氣穴。這些氣穴會(huì)使所述容器變形。
通過使空氣返回至空腔，排氣孔62還防止當(dāng)分離模具時(shí)在空腔內(nèi)產(chǎn)生真空。這種真空會(huì)對新生成的容器產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)牧Γ瑥亩茐乃慕Y(jié)構(gòu)完整性。再有，排氣孔62還允許在加熱過程中產(chǎn)生的過量蒸汽逸出，所述的加熱過程將在后面討論。排氣孔62可存在于模具之一中或兩者都有。
(3)賦予形狀穩(wěn)定性制備方法中的下一步驟是對成形的制品賦予形狀穩(wěn)定性。優(yōu)選通過對可模壓混合物加熱足夠長的時(shí)間來賦予形狀穩(wěn)定性，以使容器具有改進(jìn)的形狀穩(wěn)定性。加熱可模壓混合物的優(yōu)選方法包括在擠壓可模壓混合物之前將陽模和陰模各自加熱至一對應(yīng)的溫度。
在擠壓步驟之前升高模具的溫度有數(shù)種功能。為了使可模壓混合物模壓成容器的過程易于進(jìn)行而不會(huì)破碎凝聚體，在混合物中添加了過量的水。通過對混合物施用加熱的模具，可模壓混合物中的一部分水以蒸氣的形式蒸發(fā)，從而降低水的體積百分比，這樣增加了容器的最終強(qiáng)度。
還有，當(dāng)在容器的表面的水蒸發(fā)時(shí)，該部分可模壓混合物迅速變得干燥。在可模壓混合物中的干燥顆粒間的摩擦力構(gòu)成了圍繞容器的強(qiáng)的薄“殼”，這給容器提供了形狀穩(wěn)定性。
對可模壓混合物進(jìn)行加熱還增加了水凝粘合劑的老化速率及有機(jī)粘合劑的胺化或硬化速率。但如下面所討論的，模具對可模壓混合物保持?jǐn)D壓狀態(tài)的時(shí)間是這樣短，使得可模壓混合物僅有一部分反應(yīng)變得硬化。形狀穩(wěn)定性所需強(qiáng)度的大部分?jǐn)?shù)值因而是由干燥顆粒間的摩擦力產(chǎn)生的。所以，甚至在獲得的形狀穩(wěn)定性之后容器仍處于濕狀態(tài)。
對濕狀態(tài)的容器快速賦予形狀穩(wěn)定性的能力是重要的，因?yàn)檫@會(huì)允許大批量來生產(chǎn)容器。形狀穩(wěn)定性使得容器可以迅速從擠壓裝置中移出，這樣使用相同的擠壓或模壓設(shè)備可以成形新的容器。
升高模具溫度的另一個(gè)目的是使用可模壓混合物對模具的粘附性減至最小。當(dāng)蒸汽從可模壓混合物中釋出時(shí)，它在模具和可模壓混合物之間產(chǎn)生了“氣墊”。這一蒸汽邊界層產(chǎn)生了基本上均勻的力來推動(dòng)可模壓混合物離開模具，因而防止了可模壓混合物粘附于模具上。進(jìn)一步說，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定，如果改變陽模和陰模的溫度，當(dāng)分離模具時(shí)，可模壓混合物傾向于保持在溫度較低的模具上。因此，通過使所需模具處于較低的溫度，可以選擇當(dāng)分離模具對要將容器保持在其上面的模具。
為了使生產(chǎn)方法的速度達(dá)至最大，模具對應(yīng)的溫度是重要的，該溫度部分取決于模具與可模壓混合物接觸的時(shí)間長短。一般來說，希望該溫度盡可能的高——溫度越高，容器表面干燥的越快，可以移出容器的速度越快，單位時(shí)間內(nèi)可制備的容器越多。
但較高溫度產(chǎn)生的問題是，如果可模壓混合物變得過熱，可模壓混合物內(nèi)全部的水，而不僅是容器表面的水變得氣化，一旦分離模具脫模時(shí)壓力的突然釋放會(huì)使模壓的容器產(chǎn)生破裂、或甚至爆炸。然而，通過加快擠壓的關(guān)閉打開速度常?？梢钥朔@種破裂。
然而，可模壓材料老化的越快，由于不均勻流動(dòng)使容器內(nèi)生成缺陷的可能性越大。那就是說，當(dāng)模具一起擠壓時(shí)，可模壓材料流動(dòng)成所需的形狀。而一旦容器表面的可模壓混合物開始干燥時(shí)，干燥的部分具有與仍保持濕狀態(tài)的可模壓材料不同的流動(dòng)性能。這種流動(dòng)性能上的差別會(huì)導(dǎo)致容器結(jié)構(gòu)基質(zhì)中的缺陷如凝聚塊、空穴、裂紋、及其它不規(guī)則性。
因此，時(shí)間與溫度的相互關(guān)系是這樣的，隨著模具與可模壓混合物的接觸時(shí)間減少，可以增加模具的溫度。進(jìn)一步說，當(dāng)模具間縫距減小時(shí)，可以增加所述溫度。但是，對可模壓混合物發(fā)生損壞之前所述溫度可以達(dá)到多么高的值是有限制的。
為了實(shí)現(xiàn)上述所需的目的，優(yōu)選將陰模和陽模加熱至溫度為約50℃至約250℃，更優(yōu)選約75℃至約160℃，最優(yōu)選約120℃至約140℃。由于前述的原因，希望在分離模具后將容器保持在陽模之上。因此，優(yōu)選陽模的溫度低于陰模。陰模與陽模的溫度差值應(yīng)優(yōu)選為約10℃至約30℃。
加熱的陽模和加熱的陰模兩者同時(shí)與可模壓材料接觸的時(shí)間(即模具相交的時(shí)間)優(yōu)選為約0.05秒至約30秒之間，更優(yōu)選約0.7秒至10秒，最優(yōu)選約0.8秒至約5秒。
在另一實(shí)施例中，加熱容器的步驟還包括在分離模具之后，但在從模具移出容器之前，即容器支撐在陽模上時(shí)使可模壓容器經(jīng)受加熱空氣的作用。加熱空氣的作用保證容器在從模具中移出之前是形狀穩(wěn)定的。
通過冷卻模具也可以獲得形狀穩(wěn)定性。即，通過將模具的溫度降至室溫以下，成形的容器表面的水變得凝結(jié)，因而給容器帶來了形狀穩(wěn)定性。通過在擠壓之前加熱混合物并且然后將模具冷卻至室溫以下，以制品和模具之間可以凝聚一薄的水膜，因而防止制品粘附到模具上。在優(yōu)選的實(shí)施例中，僅冷卻容器的表面，因?yàn)檫@樣能允許混合物內(nèi)部繼續(xù)硬化，這樣在殼部升溫過程中獲得強(qiáng)度。
冷卻方法的優(yōu)化要求模具的溫度在約-20℃至約40℃之間，優(yōu)選-0℃至約35℃，最優(yōu)選-5℃至約30℃。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過快速蒸發(fā)可以建立形狀穩(wěn)定性。通過使可模壓混合物及其它所需添加劑與水合所需要的最少量的水混合，然后向該混合物中添加低氣化點(diǎn)的非水合性液體，能夠獲得易于模壓的混合物，這又導(dǎo)致產(chǎn)生高強(qiáng)度的制品。一旦混合物定位成所需的形狀，就可允許非水合液體迅速蒸發(fā)，從而生產(chǎn)出形狀穩(wěn)定的容器，并可將該容器從模中取出進(jìn)行隨后的老化。非水合液體必須是在水中高度可溶的且在混合物中均勻地分散。做為舉例而不是進(jìn)行限定，非水合液體包括醇、例如甲醇、乙醇、正-丙醇、正-丁醇和正-戊醇。這類非水合液體典型的添加量是水含量百分比的約2％至約50％。
有助于快速制備含有水凝可固化粘合劑的形狀穩(wěn)定的容器的其它添加劑包括各種碳源和其它促進(jìn)劑，如前面討論的，添加各種碳源如CO2和CO能使混合物獲得初期強(qiáng)度或形狀穩(wěn)定性。碳酸鈉和碳酸鉀也可以添加到混合物中，以使所需制品獲得初期形狀穩(wěn)定性。在混合物中碳酸鹽的典型的添加量為水摩爾濃度的約0.002％至約0.5％，優(yōu)選0.01％至約0.15％，最優(yōu)選0.1％至約0.15％。相似的，也可以將檸檬酸添加到混合物中來獲得得早期形狀穩(wěn)定性。檸檬酸的典型添加量為水泥重量的約0.01％至約5％，優(yōu)選0.05％至約1％，最優(yōu)選0.1％至約0.2％。
各種有機(jī)粘合劑也有增加容器形狀穩(wěn)定性的作用。在加熱到溫度高于60℃時(shí)纖維素混合物如甲基乙基纖維素、甲基纖維素、和乙基纖維素形成凝膠。因此，通過使纖維素與可模壓混合物相混合，然后通過加熱的模具或其它熱傳導(dǎo)手段進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的凝膠可有助于賦予容器形狀穩(wěn)定性。為了能有效地產(chǎn)生形狀穩(wěn)定性，與混合物相混合的甲基纖維素的數(shù)量應(yīng)是濕混合物重量的約0.1％至約10％。
淀粉也可以與甲基纖維素混合或單獨(dú)與混合物相混合來賦予容器形狀穩(wěn)定性。加熱含有淀粉的混合物至溫度高于100℃以熔化或溶解淀粉。然后使混合物冷卻，允許淀粉固化來粘合水泥顆粒并凝聚成形狀穩(wěn)定性增加了的狀態(tài)。為了有效地用做粘合劑，與混合物混合的淀粉的數(shù)量應(yīng)為濕混合物重量的約0.1％至約10％。淀粉與甲基纖維素混合使用在所述混合物加熱和冷卻過程中可增加形狀穩(wěn)定性。
如前面在應(yīng)用中所討論的，還有數(shù)種在混凝土領(lǐng)域使用的公知促進(jìn)劑可以在水凝可固化混合物中添加來限制成形制品獲得形狀穩(wěn)定性所需的時(shí)間。這些促進(jìn)劑在混合物中典型的添加量為水泥重量的約0.05％至約1％。
就所附的權(quán)利要求而言，術(shù)語“固化促進(jìn)劑”的意義在公知的促進(jìn)劑之外還包括上述的碳源、碳酸鈉、碳酸鉀、纖維素混合物和淀粉。
最后，應(yīng)注意在混合物中僅添加極少量的水或存在水缺乏情況時(shí)，使用濕度為室溫的模具可以獲得形狀穩(wěn)定的容器。另一方面，當(dāng)混合物中水濃度高或使用厚板時(shí)，要求在分離模具后容器達(dá)到形狀穩(wěn)定之前應(yīng)暫時(shí)保持支撐在一個(gè)模具上。為了促進(jìn)這些容器達(dá)到形狀穩(wěn)定，可以使用各種形式的熱傳導(dǎo)如吹熱風(fēng)或施用微波來干燥容器的暴露表面。
(4)移出在模壓的制品已獲得一定的形狀穩(wěn)定性之后，將新成形的容器從模具中移出。在優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)分離模具時(shí)，新成型的容器保持在陽模上。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)分離陽模和陰模時(shí)對它們進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以防止容器粘附到模具上。
如前面所討論的，一旦分離了模具，就可以用加熱的空氣在容器上吹掃數(shù)秒以進(jìn)一步增加形狀穩(wěn)定性。然后可以將容器從陽模中移出而不會(huì)變形。在優(yōu)選的實(shí)施例中，使用稱作氣動(dòng)運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方法來從陽模中移出容器。氣動(dòng)運(yùn)輸是這樣一種方法，其中對容器施以負(fù)壓，以將容器從模具中吸出。容器然后運(yùn)行通過一“U”形管，它將容器朝上放置下來。
氣動(dòng)運(yùn)輸方法是優(yōu)選的，由于它對形狀穩(wěn)定的容器有緩和的操作方式且運(yùn)行及設(shè)備費(fèi)用低。干燥容器用的加熱空氣可以用來提供總體氣動(dòng)運(yùn)輸，將容器載運(yùn)經(jīng)過所述管的長度。也可使用穿過陽模的空氣導(dǎo)管來在模具和制品間注入空氣以提供均勻力將容器推出陽模。
在一個(gè)實(shí)施例中，空氣導(dǎo)管和排氣孔可是同一個(gè)。注入空氣導(dǎo)管的空氣必須足夠低以不損傷容器。在優(yōu)選的實(shí)施例中空氣導(dǎo)管位于陽模上以利于將容器從陽模中移出并進(jìn)入所述管中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過簡單地將容器拿出而可以機(jī)械地從陽模中移出容器。但這種方法要求異常小心以不使容器變形。機(jī)械移出水泥質(zhì)容器的優(yōu)選方法包括使用模板56。
再次參照圖7A-8，模板56位于陽模28的底56的周邊并是可移動(dòng)的。通過提升或降低陽模28將容器經(jīng)容器口載于該模板上。
當(dāng)容器從模取出時(shí)，由于其干燥的表面，故容器形狀穩(wěn)定，但是容器在其壁之間仍含有濕混合物，因此它不會(huì)達(dá)到最大強(qiáng)度。在此條件下，沿容器的垂直軸壓縮的強(qiáng)度最大，故使用模板56的優(yōu)點(diǎn)是施于移動(dòng)容器上的力沿容器的最堅(jiān)固軸之方向，進(jìn)而把容器的可能變形減至最小。
b.注射成型方法與模壓法對比，注模法需要在高壓下把可模制混合物放入封閉塑模中，制品形狀穩(wěn)定后，打開塑模并移去制品使之完成硬化。注射成型法要求使用一注射裝置將混合物置入模壓裝置內(nèi)。注射裝置一般包括往復(fù)螺旋注射器38(在圖5中示意說明)或二級注射器36(在圖4中示意說明)，這與前面模壓法所討論的一樣。注射過程在預(yù)定速度和壓力下進(jìn)行以保證模具充填完全。
如圖8所示，可模制混合物經(jīng)過流動(dòng)槽46注入到模壓裝置中，該模壓裝置包括與模腔66匹配的芯64，模腔66是與芯64基本上互補(bǔ)的形狀。由于芯64和模腔66被壓在一起且被模壓活塞68持緊，故形成所需形狀的封閉注射成型模具70。模壓裝置可以形成適于批量生產(chǎn)所需制品的各種封閉模具。當(dāng)芯64和模腔66壓在一起時(shí)，安裝在模型70之間的鎖模圈72幫助它們對準(zhǔn)。
與注射模壓方法類似，當(dāng)混合物被注射時(shí)，它被外力作用通過流道74網(wǎng)絡(luò)經(jīng)口76進(jìn)入每個(gè)封閉模具70。氣道78也與每個(gè)封閉模型70連接，當(dāng)模具被充滿時(shí)使空氣逸出。一旦模型充滿，口76封閉以便讓成模制品得到穩(wěn)定形狀。
為保證所成形的制品質(zhì)量穩(wěn)定，模壓裝置應(yīng)平衡而使之在相同壓力下把混合物供給每一模腔。通過確保出自注射裝置的每一流道74具有相等長度和相等數(shù)目的回轉(zhuǎn)來獲得流動(dòng)平衡。含多至大約64個(gè)模腔的模具采用這種平衡方法能可靠地操作。
注射成型方法最常用于具有較大長厚比的薄壁型制品，如酸乳酪和人造奶油的薄壁容器。長度為模腔中的最大流動(dòng)長度，厚度為該部件的平均壁厚。此比例可高達(dá)400∶1。為批量生產(chǎn)制品并保證模恰當(dāng)?shù)爻涮钋一|(zhì)均勻，注射混合物的壓力范圍是約500psi-約40,000psi，優(yōu)選約10,000psi-約35,000psi，最優(yōu)選約25,000psi-約30,000psi。施加的壓力量部分地取決于混合物的粘度，粘度越大，所需壓力也越大。
正如在模壓法中討論的一樣，相同的原理、方法以及從混合物中排除空氣的參數(shù)，加壓下使混合物成型，對制品賦予形狀穩(wěn)定性，這些都與注射成型方法有關(guān)，例如，圖8所示加熱線路80能用于傳送熱液體而使封閉模70中的可模制混合物受熱，由此迅速賦予制品形狀穩(wěn)定性。
最后，部件注射有兩個(gè)基本方法機(jī)械的和空氣的。機(jī)械注射通常使用圍繞每一模芯的脫模圈以物理作用推動(dòng)部件脫離芯，而空氣注射則使用空氣噴氣來松馳部件并將它吹出芯。空氣注射是更慣用的方法，因?yàn)樗^少移動(dòng)部件，因此維修較少。此外，對空氣注射來說，部件能夠制得更薄并較早地在循環(huán)中注射，理由是它不需要機(jī)構(gòu)注射所需的側(cè)壁強(qiáng)度。
c.吹塑成型方法吹塑成型是用于制造主要為瓶類的空心物件的方法?？諝饣蛴袝r(shí)為氮?dú)庥脕戆逊Q作型坯的一些可模制混合物相對于陰模腔進(jìn)行膨脹。用在本發(fā)明可模制混合物的兩個(gè)基本吹塑成型方法包括注坯吹塑和擠坯吹塑。
(1)注坯吹塑注坯吹塑方法如圖9所示按三段方法實(shí)現(xiàn)。在第一階段，如前面討論的往復(fù)螺旋注射器38將混合物經(jīng)注射通道46注射入型坯模腔82且圍繞其中安裝的芯桿84。形成的注射成型“試管”狀型坯86轉(zhuǎn)移到芯桿84上進(jìn)入注坯吹塑模型88中，該模型88具有制品所需形狀。第二階段，空氣通過芯桿84吹入而使型坯86相對于模具88的模腔膨脹。再讓成型制品得到形狀穩(wěn)定性。最后，第三階段，把形成的模制品從模具取出，隨后從芯桿84上借助安裝在其附近的脫模板將制品剝落。
注坯吹塑通常用于小瓶，一般容量小于16fL OZ，該方法可自由剝削，具有極精確的部件重量控制和領(lǐng)部磨光細(xì)致。另一方法，部件的比例有點(diǎn)受限，手持容器不實(shí)用，用具成本也較高。
(2)擠吹成型如圖10A-F所示，擠出吹模中，一旦可模制混合物被制備，它隨管92擠出到自由空氣中。擠出可通過前述連續(xù)或間歇擠出機(jī)來完成，這取決于需要的制造方法。管92，亦稱作型坯，挾在模腔94中的擠坯吹塑模具96的兩半96a和96b之間，模具96具有所需形狀。吹塑銷98插入管92，通過它進(jìn)入空氣并使管92相對于模腔94膨脹。一旦混合物被吹成所需形狀，就讓制品得到形狀穩(wěn)定性，模96的兩半再分離，取出制品進(jìn)行硬化。不同于注吹成型，溢料是該過程中的副產(chǎn)品，必須修剪并回收。當(dāng)管92被模的兩半96挾在一起并密封時(shí)產(chǎn)生了多余部分。
對本發(fā)明的可模制混合物執(zhí)行上述吹塑成型方法時(shí)，混合物必須具有足夠高的粘度來保持自身型坯，同時(shí)還具有足夠的彈性使之在吹氣中膨脹成所需形狀的制品。按前面所討論，可模制混合物的流變學(xué)特性可通過加入各種混合物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而得到所需的性能。這樣一種混合物典型地含有高濃度有機(jī)粘合劑，它的作用是增加穩(wěn)定性和彈性。
在模壓方法中討論的相同原理、方法以及從混合物中排除空氣的參數(shù)、加壓下使混合物成型，賦予制品形狀穩(wěn)定性以及從模具中移去制品都與吹塑成型方法有關(guān)。例如，正如先前描述的其它過程，吹塑制品的形狀穩(wěn)定性可以通過加熱模頭，各種固化促進(jìn)劑，或缺乏水來獲得。
d.拉坯方法拉坯實(shí)際上是陶輪的機(jī)械翻譯，是用于制造開口對稱制品的方法，如碗、鍋和盤。如圖11A-D所示，該方法需要使用輥頭100，拉坯模具102，和芯軸104。一旦可模制混合物按前述而制備，適量混合物106制成盤并放置在模具102底上。將混合物106制成盤不是關(guān)鍵，但它用作均勻物件能夠更方便和均勻地成型。
放置于模具102中的混合物106，模具102放在芯軸104上且靠此轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)的輥頭100降低到模具102中以便相對于模具102的側(cè)壁壓制可模制混合物106。這種方法要求可模制混合物的流變性接近粘土，一旦材料在模具102的表面上均勻分布，則移走輥頭100，多余材料從模具102的邊緣刮除，讓成型制品獲得形狀穩(wěn)定性。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，輥頭100和模具102由拋光金屬制成以便制造表面光潔的制品，并且有助于防止成型混合物與輥頭100和模具102之間的粘結(jié)。另外，與模壓模具類似，優(yōu)選的輥頭100和模具102能夠被加熱從而迅速地使制品得到形狀穩(wěn)定性，同時(shí)產(chǎn)生流阻來限制制品粘結(jié)到模具102和輥頭100上。獲得形狀穩(wěn)定性后，通過在模具和制品之間吹入空氣或者借助機(jī)械方式將制品從模具中取出。
在模壓方法中討論的相同原理、方法以及從混合物中排除空氣的參數(shù)、加壓下使混合物成型、和賦予制品形狀穩(wěn)定性都與拉坯方法有關(guān)。
e.濕片成型方法濕片成型方法是兩步制作方法，其中可模制混合物首先定位成片材，該片材再成型為所需形狀，之后完成片材的硬化或固化。
(1)擠出一旦可模制混合物被適當(dāng)?shù)鼗旌?，就將其運(yùn)送到片材成型設(shè)備，其中一般包括有擠塑機(jī)和一系列輥。參考圖12，它示明了適于由可模制混合物制造片材現(xiàn)在所優(yōu)選的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括混合機(jī)10和雙螺鉆擠塑機(jī)12，如前所述，與壓薄輥108連接發(fā)生作用。在一個(gè)供選擇的方案中，通過去掉擠塑機(jī)12而將混合物直接送進(jìn)壓薄輥108可獲得同樣的過程。
在第一步中，通過首先把可模制混合物經(jīng)適宜的模頭擠出，再將擠出材料經(jīng)過一對或多對壓薄輥108而把可模制混合物成型為精確厚度的片材。
圖12表示螺鉆擠塑機(jī)12，它具有模頭26和?？p口110，其中包括模寬度112和模厚度114。?？p口110橫截面的形狀被成形而制造所需寬度和厚度的片材，綜們一般相應(yīng)于模寬112和模厚114。
螺鉆擠塑機(jī)12可由活塞擠塑機(jī)代替，如前述的兩段注射器36或往復(fù)螺旋注射器38。使用活塞擠塑機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)赡Ｖ苹旌衔锸┘痈髩毫?，但是，由于本發(fā)明典型使用的高塑性特征之混合物，一般不需要，或甚至不利于施加比運(yùn)用螺鉆擠塑機(jī)更大的壓力，此外，活塞擠塑機(jī)不能生產(chǎn)連續(xù)片材，而螺鉆擠塑機(jī)則能夠。
盡管模的優(yōu)選寬度和厚度取決于要制造的具體片材寬度和厚度，但擠出片材的厚度通常是最終壓延片材厚度的至少兩倍，有時(shí)是許多倍。減薄量(相應(yīng)地，厚度系數(shù))將取決于片材性能問題。因?yàn)闇p薄過程有助于控制纖維取向，故減薄量通常與所需取向程度一致。此外，厚度減少越大，片材的伸長越大。在一典型制造方法中，厚度約6mm的擠出片材可壓延成厚度約0.2mm-約0.5mm的片材。
除用來成型本片材的窄模縫口外，其它模頭形狀亦可用來成型其它種物件或形狀。例如，在某些情況下可能不需要擠出特別寬的片材。為完成該目的，管道被擠出，并利用模頭外的刀連續(xù)切割和鋪開。
為了使可模制混合物擠出，施加的壓力量通常取決于將混合物通過模頭所需壓力，以及需要的擠出速度。應(yīng)當(dāng)知道，擠出速度必須細(xì)他控制以便片材成型速度與片材在壓延步驟中經(jīng)過壓薄輥之速度一致。
決定擠出最佳速度或速率的一個(gè)重要因素是片材的最終厚度。較厚的片材含有更多的原料，要求較高的擠出速率來提供必須原料，相反，較薄片材含有較少原料并要求較低擠出速率以提供必須原料。
經(jīng)由模頭擠出可模制混合物的能力，以及其擠出的速率通常為混合物流變性、操作參數(shù)和機(jī)械性能的函數(shù)。水量、有機(jī)粘合劑、分散劑，或水硬粘合劑的最初水合量之類的因素都影響到混合物的流變性能。因此，擠出速率可借助控制混合設(shè)計(jì)和可模制混合物的固化或硬化速率得以控制。
如前文所述，當(dāng)混合物缺少水以及顆粒堆積程度最優(yōu)化的情況下，需要合適的壓力來臨時(shí)增加可模制混合物的易加工性。當(dāng)混合物在擠塑機(jī)中壓縮時(shí)，壓縮力使顆粒聚在一起，因此，減少了顆粒間的相互空間并增加了用來潤滑顆粒的表觀水量。按此方式，易加工性被增強(qiáng)直至混合物經(jīng)由模頭擠出，此時(shí)，降低的壓力使混合物在硬度和未熟強(qiáng)度方面幾乎立即增大。
根據(jù)上列每一因素，為了擠出可水凝固化混合物，擠塑機(jī)施加的壓力量優(yōu)選范圍是約50KPa-約70KPa，更優(yōu)選范圍約150KPa-約30KPa，最優(yōu)選約350KPa-約3.5KPa。
經(jīng)模頭擠出可模制混合物使得該混合物中的單纖維沿?cái)D出片材的長度方向取向。如下所述，當(dāng)片材進(jìn)一步在減薄過程中伸長時(shí)，壓延工序還將使纖維在長度或“Y”方向取向。此外，使用在“Z”方向上具有不同間隙的輥(如圓錐輥)，某些纖維還能沿“X”方向，即片材的寬度方向取向。因此，通過擠出和壓延能夠制成具有兩個(gè)方向取向的纖維的片材。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道擠出步驟不需前述使用“擠塑機(jī)”，該術(shù)語是用于本技術(shù)領(lǐng)域。擠出步驟的目的是連續(xù)、有規(guī)律地將可水凝固化材料供給輥。擠出步驟優(yōu)選地沿材料流動(dòng)方向取向。該特點(diǎn)亦可為了解本領(lǐng)域技術(shù)的其它機(jī)械師來完成，從而經(jīng)由一適當(dāng)?shù)拈_口來實(shí)施材料的“擠出”或流動(dòng)。致使可水凝固化混合物流動(dòng)所需外力可以是，例如由重力供給。
(2)壓延盡管本發(fā)明制品可直接從擠出片材而成型，但優(yōu)選將其通過至少一對輥之間來“壓延”擠出的片材，該目的是改進(jìn)片材的均勻性和表面質(zhì)量，多數(shù)情況下，是減少片材厚度。需極大地減小片材厚度的情況下，常常要用多步來減小片材厚度，其中片材經(jīng)過多對輥，每對輥之間的間隙距離逐漸縮小。
參考圖12，它表示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中在壓延步驟中采用了一系列輥。每一對輥中的輥具有類似的直徑，但某些情況下最好使用較小直徑的輥與較大直徑的輥聯(lián)合。如圖13所示，一組或一對輥116一般包括兩個(gè)單獨(dú)的輥118，它們互相鄰接安裝，其間有預(yù)定間隙距離120，當(dāng)壓薄片材經(jīng)過一組輥116之間后，兩個(gè)單獨(dú)輥118之間的間隙距離與該減薄的片材124所需要的厚度122一致。
當(dāng)經(jīng)過一對輥后片材的厚度減少時(shí)，它亦沿前移(或“Y”)方向拉長，片材拉長的一個(gè)結(jié)果是纖維沿“Y”方向進(jìn)一步取向或有序，按此方式，壓薄工序與最初擠出工序聯(lián)合作用使片材在“Y”，或長度方向具有基本上單方向取向的纖維。
片材拉長的另一結(jié)果是當(dāng)其在一對壓薄輥之間經(jīng)過時(shí)片材得以“加速”。再參考圖13說明，輥外表面的切向速度V1非常接近于壓薄拉長片材離開輥時(shí)的速度V1，而不是片材進(jìn)入輥間間隙之速度。
借助于實(shí)施例，如果片材厚度減小50％并假定在壓薄工序沒有變寬，則片材拉長到原始長度的兩倍。將片材進(jìn)入輥的速度與離開輥的速度相比，片材速度提高了一倍。因此，如圖13，如果片材厚度減小50％，則V1＝2×V0；從“a”點(diǎn)到“b”點(diǎn)的速度加倍。片材的加速和輥的減壓對片材引入了大量的剪切力，如果該力太大就會(huì)損壞可模制基質(zhì)。
施加過大的剪切力會(huì)破壞片材結(jié)構(gòu)基質(zhì)的整體性，由此產(chǎn)生內(nèi)部缺陷并削弱片材。正因?yàn)槿绱?，片材的厚度?yīng)多步減少，以能足以避免對片材的損壞。根據(jù)典型的生產(chǎn)參數(shù)(如使壓薄步驟數(shù)目最少、使纖維取向，和控制可模制混合物的流變)，片材的厚度減小在單個(gè)壓薄步驟中(即經(jīng)過任何一組輥之間)優(yōu)選不超過約75％，更優(yōu)選不大于約50％，最優(yōu)選不大于約30％。
每一輥的直徑根據(jù)可模制混合物的性能和片材的厚度減小量應(yīng)優(yōu)化選擇。當(dāng)優(yōu)化選擇輥直徑時(shí)應(yīng)考慮到兩個(gè)競爭因素。其一是，當(dāng)片材經(jīng)過輥之間時(shí)，較小直徑的輥趨向于對片材引入較大量的剪切力。這是因?yàn)楫?dāng)使用較小輥時(shí)比使用較大輥時(shí)，片材上的向下壓縮角(和平均加速度)總體上要大。
因此，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，較大直徑輥似乎比較小直徑輥更有利，因?yàn)檩^小的剪切力理應(yīng)對結(jié)構(gòu)基質(zhì)產(chǎn)生較少缺陷。
但是，較大直徑的輥也存在缺點(diǎn)，即可模制材料與輥接觸時(shí)間較長，因此，在壓延工序中導(dǎo)致片材加快變干，此情形下輥被加熱以防止粘結(jié)。(因?yàn)楦嗟钠呐c較大直徑輥相接觸，所以當(dāng)使用較大直徑輥時(shí)加熱更為重要以便防止粘結(jié))。盡管某種程度的干燥是有利的，但壓延工序中片材干燥過快會(huì)導(dǎo)致可水凝固化基質(zhì)破碎及其它缺陷。受同樣剪切力作用下，與較濕片材相比，較干片材較少可能不破壞結(jié)構(gòu)基質(zhì)而制成新形狀。因此，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，使用較小直徑輥有利于減少在壓薄輥中的干燥影響。
據(jù)此，輥直徑最好進(jìn)行優(yōu)化選擇，使之小到足以在壓延工序中防止材料的過分干燥，同時(shí)大到足以降低施予片材的剪切力量，由此在每一壓薄步驟中讓片材厚度較大地減小。通過使片材厚度減小量達(dá)到最大，壓薄步驟的數(shù)目能為最少。
如前文所述，最好對輥表面進(jìn)行處理以防止片材粘或附著到輥上。一種方法包括加熱輥，致使可模制混合物中的某些水蒸發(fā)并在片材和輥之間形成流阻。蒸發(fā)一些水會(huì)降低混合物中水量，故增加了片材的未熟強(qiáng)度。但輥的溫度不能太高以致于使片材表面干燥或硬化到產(chǎn)生殘留應(yīng)力、破碎，剝落或片材的其它變形或無規(guī)則性。因此，輥優(yōu)選加熱到溫度約50℃-約140℃，更優(yōu)選約70℃-約120℃，最優(yōu)選約85℃-約105℃。
當(dāng)混合物中水量增加時(shí)可模制混合物的粘性一般也增加。因而如果混合物含較多的水輥通常應(yīng)加熱到較高溫度，這樣做是有益的，因?yàn)楦吆康钠囊话沩毘ジ嗟乃畞慝@得合適的未熟強(qiáng)度。
最后，我們發(fā)現(xiàn)加熱本發(fā)明的可模制混合物增加了水硬粘合劑和有機(jī)粘合劑的硬化速率。由于受熱的輥能驅(qū)出大量水并改善形狀穩(wěn)定性，故當(dāng)片材變得較干時(shí)，每一連續(xù)的壓薄步驟中可接受的片材厚度減小量通常降低。這是因?yàn)槿毕輲虢Y(jié)構(gòu)基質(zhì)之前較干且硬的片材能承受較小剪切。
在另一實(shí)施方案中，通過冷卻輥到室溫或低于室溫來減少片材與輥之間的粘附。例如，擠塑機(jī)中把混合物加熱到較高溫度，再使片材表面冷卻而導(dǎo)致蒸發(fā)水冷凝，于是在片材和輥之間形成一水薄膜。輥應(yīng)冷卻到足以防止片材表面粘附在輥上，但不致太冷而使片材凍結(jié)或變得過硬或不柔韌，從而在壓延工序中片材破裂或破碎。
材料過冷還會(huì)極大地阻滯水合反應(yīng)，但在某些情形下可能需要這樣。因此，由于對受熱了的混合物冷卻決定了防止片材的粘附，把輥冷卻到所優(yōu)選的溫度是約-20℃-約40℃，更優(yōu)選約0℃-約35℃，最優(yōu)選約5℃-約30℃。相反地，一般優(yōu)選將擠出混合物加熱到溫度為約20℃-約80℃。該溫度與輥的溫度相關(guān)。
減小輥與片材之間的粘附量的另一方法是處理輥表面，從而使其較少。輥典型地由拋光不銹鋼制成，并用不粘性材料，如拋光鉻、鎳或聚四氟乙烯涂層。
(3)定型和成型一旦片材形成，下一步是將一部分片材制成容器或制品所需形狀。如圖14所示，該方法與模壓法類似，即片材在所需形狀的陽模28與陰模30之間受壓，陰模30基本上具有與陽模28互補(bǔ)的形狀。當(dāng)一部分片材壓于模之間時(shí)，混合物被成型為具有互補(bǔ)模形狀的制品。
盡管堅(jiān)固的單件膜(陽模和陰模每個(gè)都含有一固體件)是優(yōu)選的基于便利和經(jīng)濟(jì)的模，供選擇的模包括前述的拼合模，連續(xù)沖模以及組合模。
正如在模壓方法中一樣，由模施加到片材上的壓力量起幾種作用，當(dāng)確定要施加多少壓力時(shí)必須考慮這些作用。當(dāng)與直接注射材料相比較使用材料片時(shí)，在模壓方法中討論的參數(shù)和注意事項(xiàng)通常也適用于濕片成型方法。
從片材制成容器的另一方法中，如同常用于塑料工業(yè)一樣，可以采用各種真空成型法。真空成型利用大氣壓力(約14.7PSi)使片材順應(yīng)模具。陽模和陰模都可用于真空成型。
說明書和所附權(quán)利要求書中使用的“真空模具”一詞旨在包括用于真空成型的陽?；?或陰模。
圖15A-B所示的區(qū)域成型使用一個(gè)真空陽模具126，它具有與之連接的真空孔128。片材放置于模具126頂部之上，或者模具126放入片材。然后片材和模具126之間的空氣通過真空孔128抽出，使片材與模具126輪廓相符。形成的制品在中心部分最厚，在該處材料首先觸及到模具126。產(chǎn)品在周邊的高拉長區(qū)域最薄，該處與模具126接觸最遲。
圖16A-B所示的直接的真空成型使用一個(gè)真空陰模具130，它具有與之連接的真空孔132。片材沿陰模具130頂部密封。然后模腔通過真空孔132抽空，大氣壓力推動(dòng)材料緊貼模腔的側(cè)壁。這一成型工藝與由陽模126用區(qū)域成型制造的同樣部件相比，導(dǎo)致完全相反的材料分布(中間薄且邊緣厚)。
如圖17A-B所示，區(qū)域真空成型與區(qū)域成型相反而與直接的真空成型相似，不同之處是片材的邊緣全被壓到陰模130底部，之后膜腔被抽空。這為成型工序提供更好的真空條件。
快速反吸成型，氣脹/氣滑成型和區(qū)域氣脹成型(billow drape)是多步驟真空成型工藝，通過片材的預(yù)拉伸，之后與模具接觸，對在陽模上制造出的產(chǎn)品的壁厚均勻性加以改進(jìn)。使片材在空氣中不接觸任何東西的情況下自由拉伸能使材料均勻地變薄。因此，片材表面積增加使得它與模具更緊密配合。
快速反吸真空成型，如圖18A-B所示，采用真空箱134，其中箱孔136與真空陽模126連接。片材靠到真空箱134上密封，足以使片材伸長所需量的部分真空通過箱孔136施加于真空箱。然后推進(jìn)真空陽模具126形成凹片材。真空箱134與大氣相通，并在真空陽模具126上抽真空。然后大氣壓迫使材料緊貼真空陽模126。
圖19A-B示意的氣脹/氣滑真空成型采用真空箱134，其中可移動(dòng)地安裝有真空陽模具126。片材靠到真空箱134上密封。箱134用壓縮空氣加壓，且片材向上脹起以形成膜泡，它產(chǎn)生適宜的伸長。真空陽模126被推起進(jìn)到凸膜泡。真空箱134和真空陽模126被推起進(jìn)到凸膜泡。真空箱134和真空陽模126再抽空，片材被迫使緊貼真空陽模具126。
如圖20A-B所示，氣脹區(qū)域真空成型是逆向拉伸技術(shù)，它采用真空箱134在片材中吹一膜泡。與真空箱134相反安裝的真空陽模具126被推進(jìn)凸膜泡中。膜泡中的空氣接受控方式通向大氣。通過與通向由真空陽模具120代替的空氣量相匹配，片材相對真空陽模具126包裹或包膜。當(dāng)真空陽模具126完全深入片材時(shí)，對真空陽模具126施加真空，且將真空箱134向大氣排氣而完成成型操作。
模塞助壓和氣脹/模塞助壓/快速反吸是多步真空成型工藝，用來改進(jìn)由陰模制造的部件的壁厚均勻性。它們利用機(jī)械助壓(模塞)來迫使更多材料成為部件的高度干燥區(qū)域。
圖21A-B所示的模塞助壓真空成型用來與直接的真空或區(qū)域成型技術(shù)聯(lián)合。模塞140安裝在與真空陰模130相對的臺板142上。片材靠在真空陰模130上密封。且模塞140推動(dòng)材料進(jìn)入真空陰模130，之后抽真空。當(dāng)真空陰模130被抽真空時(shí)，材料脫出模塞140并向上緊貼模具腔。
如圖22A-C所示，氣脹/模塞助壓/快速反吸成型結(jié)合了幾種不同的成型技術(shù)。片材靠在真空陰模130上密閉。通過吹一模泡，模130受壓力而把片材伸長。模塞140與真空陰模130相對地安裝，它被迫使進(jìn)入凸泡中，模泡中替代的空氣受控制地排氣，這致使材料在模塞140上被包膜。當(dāng)模塞140完全擴(kuò)展時(shí)，真空陰模130被抽真空，材料被推出模塞140而到真空陰模130上。
壓力成型使用除大氣壓外的壓縮空氣。壓力范圍典型地是約40Pa-約200Pa。壓力成型要求具有壓力箱中的臺板和/或模之特殊設(shè)備，它能夠閉鎖和保持必須壓力。壓力成型能并入前述任何真空成型技術(shù)之中。
圖23A-C所示的雙片成型方法制造出空心部件。兩個(gè)片材放置在兩個(gè)壓力陰模144之間，其周邊相齊或表面相接觸。壓力陰模144的模腔輪廓可以相同或不同。當(dāng)模具相遇時(shí)，壓力陰模144合在一起將兩片材結(jié)合。兩片材既可同時(shí)壓力成型又可隨后利用傳統(tǒng)成型工藝進(jìn)行真空成型。
所附權(quán)利要求中使用的“真空成型方法”一詞旨在包括壓力成型和雙片成型方法，以及專門列舉的真空成型技術(shù)。在另一實(shí)施方案中，隨后壓制相應(yīng)形狀的堅(jiān)固。真空成型制品有益于改進(jìn)制品的表面光潔度。
(4)賦予形狀穩(wěn)定性在成型制品中得到初始形狀穩(wěn)定性可以按照模壓法中討論的基本上相同的方法來完成。
f.干片成型方法干片成型方法與濕片成型方法的類似之處在于混合物首先成型為片材。但相反的是，干片成型方法中，片材在成型為所需制品之前完全是干的。
(1)擠出和壓延同“干片成型”方法相關(guān)使用的擠出和壓延方法在所有材料方面，基本上與溫片成型方法優(yōu)選采用的那些相同。當(dāng)然，在操作線中運(yùn)用不同加工設(shè)備可能致使需要對擠出方法作些改進(jìn)，但根據(jù)前述說明，這種改進(jìn)包括在本技術(shù)領(lǐng)域之中。
(2)干燥盡管壓延步驟常導(dǎo)致可模制片材部分或甚至大部分干燥，但在干片成型方法中最好進(jìn)一步干燥法材以便獲得具有所需硬度、抗拉強(qiáng)度、和韌度性能的片材。干燥片材的優(yōu)選方法包括使用大直徑、加熱的干燥輥、有時(shí)在本領(lǐng)域稱為“Yomkee”輥，但也可使用一系列較小的干燥輥。
壓薄輥一般按成對輥來對準(zhǔn)，與之相反，干燥輥是單獨(dú)對準(zhǔn)以使片材按順序單獨(dú)地經(jīng)過每一輥的表面。依此方式，可模制片材的兩側(cè)分多步交替地干燥。壓延步驟中片材以線性路徑于壓薄輥之間經(jīng)過，而干燥步驟中當(dāng)包裹和通過干燥輥時(shí)，片材沿正弦曲線路徑。
參考圖24，當(dāng)片材從雙螺鉆擠塑機(jī)12擠出時(shí)，成型的片材經(jīng)過一對壓薄輥108，再經(jīng)過一系列干燥輥146。與第一個(gè)干燥輥鄰近的一側(cè)由干燥輥進(jìn)行加熱。而另一例暴露于空氣中。加熱的片材以蒸汽形式失去水，水可從輥的側(cè)面逸出或者從輥相對的片材表面逸出。蒸汽還可在片材和輥之間形成不粘性阻擋層。當(dāng)片材在其路徑上連續(xù)時(shí)，它被滾動(dòng)到第二個(gè)干燥輥上，在此，其另一側(cè)便與輥表面接觸并干燥。為了按所需量來干燥片材，此方法可根據(jù)需要連續(xù)進(jìn)行許多步驟。
干燥輥的溫度取決于許多因素，包括當(dāng)片材通過具體輥時(shí)片材的水份含量。無論怎樣，干輥的溫度應(yīng)低于約300℃。盡管可模制材料不應(yīng)加熱到250℃以上，從而防止有機(jī)成分(如流變改性劑或纖維)的破壞，但只要混合物內(nèi)存在充足的水當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)能夠冷卻材料，也可采用加熱到該溫度之上的輥。然而，當(dāng)干燥過程中水量減少時(shí)，輥的溫度應(yīng)降低以避免材料過熱。在某些情況下，優(yōu)選運(yùn)用與干燥輥相連接的干燥道或室。這種方法在說明書后面部分有非常詳細(xì)的討論。
某些情況下，上述干燥工序是片材用于成型為容器或者滾動(dòng)到卷筒或堆疊作為需用片材之前的最后步驟。在其它一些情況下，特別是要求片材具有較光滑、更象紙一樣的光潔度的情況下，這種干燥步驟后接著一個(gè)或多個(gè)下述附加步驟，包括壓實(shí)步驟和/或拋光步驟。就壓實(shí)來說，在供選擇的壓實(shí)步驟中，通常最好讓片材保留一定量水份以避免可模制基質(zhì)破裂。
(3)供選擇的拋光方法在許多情況下，為了獲得最終厚度、公差、和表面光潔度，可能要求將可模制片材壓實(shí)。此外，壓實(shí)工序能用來除去可模制基質(zhì)內(nèi)的不必要空隙。參考圖25，片材在干燥工序中基本上被干燥后可選擇性地經(jīng)過一對壓實(shí)輥148之間。壓實(shí)工序一般能得到較高密度和強(qiáng)度、較少表面缺陷和較薄厚度的片材。壓實(shí)輥的壓力量應(yīng)調(diào)節(jié)至與片材的具體性能相符合。
為了壓實(shí)片材而又不致于進(jìn)一步拉伸片材和破壞結(jié)構(gòu)基質(zhì)，重要的是控制干燥工序使得片材含水量在最優(yōu)范圍。如果片材含水太多，則壓實(shí)輥就如同壓薄輥類似的方式使片材伸長。
另一方面，如果片材含水太少，則壓實(shí)步驟會(huì)破壞結(jié)構(gòu)基質(zhì)，而制成劣質(zhì)片材。即使破裂是微觀且肉眼不可見的，但結(jié)構(gòu)基質(zhì)的破裂使片材的最終強(qiáng)度降低。
因?yàn)閴簩?shí)工序(包括單步或多步壓實(shí))常常涉及稍濕潤的片材，故在壓實(shí)步驟后最好按前敘干燥工序類似的方式對片材作進(jìn)一步干燥處理。供選擇的干燥步驟可使用供選擇的干燥輥149(如圖24所示)、干燥道、或兩者聯(lián)合來進(jìn)行。然而在某些情況下，片材勿需第二干燥步驟便可進(jìn)一步加工，如片材立即用來成型為容器或其它物件、片材要被刻線，或者稍含水份的片材更有利的情形。
還優(yōu)選將片材通過一對或多對上光輥150來進(jìn)一步改變可模制片材的表面。例如為了制造一面或兩面都為非常光滑或明亮表面的片材，片材可經(jīng)過一對硬式和軟式輥(圖26)之間。“硬式輥”一詞是指輥152，它具有非常光潔的表面，使片材面很光滑地與硬式輥接觸?！败浭捷仭币辉~是指輥154，它的表面能夠在軟式輥154和片材之間產(chǎn)生足夠的摩擦而拉動(dòng)片材通過硬式和軟式輥對。這是必需的，因?yàn)橛彩捷?52通常太滑以致不能拉動(dòng)干片材通過一對硬式輥。并且，為了讓顆粒在片材表面排成行，硬式輥的一定滑動(dòng)是有利的。拋光工序可選擇性地借助在片材表面噴水，和/或用粘土、硫酸鈣、或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它適宜涂層材料涂覆片材表面來促進(jìn)。
還優(yōu)選將可模制片材加工成半透明或全透明片材。降低不透明性并形成半透明或全透明片材的一種方法包括讓片材經(jīng)過一對或多對輥之間，該輥具有足夠壓力來減小片材內(nèi)空氣空隙體積，從而減少光的衍射。另一方法包括讓片材經(jīng)過一對硬式和軟式輥來形成非常光潔的表面之上述方法。片材的不透明度亦可通過加入二氧化硅、纖維和Tylose來降低。此外，可以利用這些降低片材不透明度方法的組合形式。
另一實(shí)施方案中，上光輥能獲得所需質(zhì)地，如網(wǎng)狀或有波折的表面。如果需要，輥可以在片材表面印上標(biāo)識或其它圖樣。能加上水印的特殊輥可單獨(dú)使用或與其它任何這類輥聯(lián)合使用。
一旦片材成型工序完畢，硬化的或半硬化的片材可立即用于本制造容器的地方?；蛘邔⑵浯娣挪葱柽\(yùn)輸或運(yùn)送到制造地，例如大型輥151(圖25)或卷筒，或單片材堆疊。
(4)片材的供選擇的加工根據(jù)上述方法制備的片材可進(jìn)行附加的加工步驟，這取決于片材所需性能，或換句話說，取決于片材的最終用途。這些供選擇的加工方法包括層壓、折皺、刻線、打孔、上縐紋、仿羊皮處理或它們的組合。
(a)層壓方法對片材層壓可使其賦予各種性能。按本說明書和所附權(quán)利要求書之目的，術(shù)語“層壓片材”或“層壓板”(當(dāng)用作名詞時(shí))是指至少一層是片材的至少有兩層的片材。“層壓材料”或“板坯”是指層壓片材的任何構(gòu)成層，包括一片材或其它材料。多層組合的層壓板包括在本發(fā)明范圍內(nèi)，即層壓板的一層是片材的范圍。層壓板可通過加入、粘結(jié)、或并入至少兩層在一起而形成。層壓板的厚度依據(jù)所預(yù)期的層壓板性能特征而不同。
粘結(jié)、粘附或并入到含片材層壓板層的層壓材料可包括另一片材，當(dāng)層壓在一起能賦予片材所需性能的材料，下述作為涂層或粘合劑的材料，或者它們之任意組合。增加片材性能的材料實(shí)例包括有機(jī)聚合物片、金屬箔片、離子交聯(lián)聚合物片、彈性體片、塑料片、纖維片或氈片、紙片、賽珞玢片、尼龍片、蠟片，以及敷金薄膜片。
常規(guī)層壓機(jī)可用來將片材與其它層結(jié)合。層壓板還可通過兩層或多層片材或一層片材與其它材料共擠出而制成。
本發(fā)明范圍內(nèi)的層壓板可使用或不使用粘合劑把片材和其它層或多層粘合起來而形成。片材和另一層之間(或?qū)訅喊宓钠渌鄬又g)的粘合程度可從稍微粘結(jié)到超過片材或被粘合材料之強(qiáng)度的結(jié)合。
只要片材處于足夠的“未熟狀態(tài)”(“green”)來實(shí)現(xiàn)單層板坯間的有效粘合，那么片材與另一層的粘合可以不使用粘合劑。含水溶性材料的層壓板層可以粘結(jié)到稍含水份或再潤濕的片材上。
用粘合劑形成粘合可通過許多不同的方法實(shí)現(xiàn)，包括濕法粘合層壓，干法粘合層壓、熱層壓和壓力層壓。使用的粘合劑包括水質(zhì)粘合劑(天然的和合成的)，熱熔粘合劑，以及溶劑型粘合劑。
片材和另一層的濕法粘合層壓包括使用任何液體粘合劑來粘合兩層。適用于濕法粘合層壓的天然水質(zhì)粘合劑包括植物淀粉基粘合劑，蛋白基粘合劑，動(dòng)物膠，酪素，和天然橡膠膠乳。實(shí)用的合成水質(zhì)粘合劑通常包括樹脂乳化液，如聚醋酸乙烯顆粒在水中的穩(wěn)定懸濁液。水質(zhì)粘合劑氣味小，顏色淡、毒性低，具有廣泛的粘合運(yùn)用范圍和優(yōu)良的老化性能。熱塑性聚合物是有用的熱熔性粘合劑，它在熔化狀態(tài)應(yīng)用而在冷卻下固化成型。熱熔性粘合劑一般比其它粘合劑固化快。實(shí)用的溶劑型粘合劑包括聚亞氨酯粘合劑、溶劑質(zhì)乙烯-醋酸乙烯體系和其它壓敏橡膠樹脂。
金屬箔燙印方法制造層壓板也在本發(fā)明范圍內(nèi)，金屬箔燙印包括使用熱和壓力把載體薄膜上的薄金屬或顏料涂層轉(zhuǎn)移到片材或容器表面以獲得圖案裝飾效果。該技術(shù)可與壓花法結(jié)合使用以得到具有反射的、具光澤的凸紋表面的層壓材料。
(b)波紋成型方法片材可能需要按照與波紋板相似的方式進(jìn)行波紋成型。讓片材，最好是半濕條件下經(jīng)過一對圖27所示的起皺輥而完成。片材的水份含量應(yīng)加以控制使得波紋成型工序不致毀壞可模制基質(zhì)，某些情況下甚至?xí)?dǎo)致片材撕裂或扯破，相反如果片材太濕，波紋片可能缺少必需保持波紋形狀的未熟強(qiáng)度。片材中水的體積百分?jǐn)?shù)優(yōu)選是約1％-20％，更優(yōu)選約3％-15％，最優(yōu)選約5％-10％。
波紋片材可單片運(yùn)用或如上述與其它片材結(jié)合形成層壓板。波紋片可與一單張平片材層壓或與從其它材料成型的片材層壓而形成“單面”波紋片。在兩張平片材料之間夾入一波紋片形成“雙面”片材。多層波紋片可通過交替平片和波紋層來制成。單面、雙面和多層波紋片特征是密度較小，硬挺度大，抗壓強(qiáng)度高。它們可用于需要這些性能的制品，如容器和包裝材料。
單張波紋片的強(qiáng)度和韌性可根據(jù)每線性英尺上不同數(shù)目的波紋或溝槽而改變。每線性英尺上溝槽數(shù)增加就形成較柔韌的片材，溝槽減少則得到有高度緩沖能力的強(qiáng)型片材。形成的多層波紋片可為兩張或多張具有不同每線性英尺溝槽數(shù)的波紋片。當(dāng)刻線，刻切和打孔(下文詳述)時(shí)，波紋片的每個(gè)溝槽產(chǎn)生片材更自然地彎曲或褶折的定位。但是，片材沿與溝槽行相垂直方向?qū)嶋H上特別硬和強(qiáng)。因此，容器或其它包裝材料一類的制品應(yīng)加以設(shè)計(jì)以使得需要時(shí)波紋片能承受最大韌性和最大硬挺度，如制品要被疊置時(shí)。
下文將詳細(xì)描述的涂層也能應(yīng)用作為波紋成型方法的一部分。涂層，特別是蠟或聚乙烯可以在波紋機(jī)上用熱輥涂布器進(jìn)行涂覆。涂層還可借助于把波紋毛坯進(jìn)行簾式淋涂布來涂覆，之后將其轉(zhuǎn)變成制品。其它涉及波紋片的有用的涂層方法包括將整個(gè)制品浸入涂層料中，如蠟，或者使這些涂料經(jīng)過波紋制品的溝槽其及附近成瀑布般落下。
(c)刻線和打孔方法某些情況下，為了使片材折疊成彎曲后成直線折痕要求交替地給片材刻線，刻切或打孔。刻切的形成是利用安裝在刻壓機(jī)上的刮刀片切刀156(圖28)，或者使用圖29所示的連續(xù)模切輥158來完成。或者，借助圓形刻痕模或刻度尺160(圖30所示)可將刻線(不是刻切)壓入片材中?？毯勰；蚩潭瘸呖蓡为?dú)使用或與刻線計(jì)量器聯(lián)合使用。這種刻線尺形狀使片材變形成刻線計(jì)量器的模形狀。最后，打孔可借助打孔切刀162(圖31所示)來完成。
當(dāng)片材具有較低纖維含量(小于總固體體積的15％)時(shí)，優(yōu)選采用對片材刻切而不采用刻壓。相反，如果片材具有較高纖維含量(大于總固體體積的15％)時(shí)，優(yōu)選采用刻壓而不采用刻切。最后，對任何纖維含量的片材，打孔通常都操作良好。
刻線、刻切或打孔的目的是在片材上形成片材可被彎曲或折疊的定位。這在片材內(nèi)形成一“折葉”，它比不刻線或不打孔的片材具有大得多的彎曲性和彈性。某些情況下，多重刻線或打孔可能是需要的?？叹€或打縐可用來制成更具彎曲性的片材，這些技術(shù)還用來形成折葉。
由于諸多原因，在片材上切成刻痕或打孔形成較好的折疊線或折葉。首先，它提供了片材更自然彎曲或折疊的地方。其次，切成刻痕使片材在刻痕處比片材其它處要薄，故當(dāng)把片材彎曲時(shí)便減少了表面縱向拉伸量。表面拉伸的減少使可模制基質(zhì)被彎曲或折疊時(shí)能減少基質(zhì)的破碎傾向。第三，刻切或打孔能控制可模制基質(zhì)內(nèi)的斷裂，如果發(fā)生可模制基質(zhì)破裂的活。
有時(shí)可能優(yōu)選將更多的纖維集中到刻切或打孔的地方。這通過如下方法完成把高纖維含量的第二層可模制材料在預(yù)定時(shí)間間隔中與刻切或打孔處一致的地方進(jìn)行共擠出。此外，為了在要求的地點(diǎn)獲得較高纖維濃度，擠出或壓延工序中纖維可放置于片材頂部或注入片材內(nèi)。當(dāng)給波紋片刻線時(shí)，一般優(yōu)選沿與溝槽垂直方向給波紋片刻線。
片材在刻痕或打孔工序中最好呈基本上干燥或半硬化狀態(tài)。通過將含水材料滲移到刻切處來防止刻線或打孔發(fā)生閉合。由于刻痕一般(打孔總是)通過可模制基質(zhì)的一部分而切割，所以片材甚至可以是完全干燥的，刻線或打孔工序不會(huì)損壞片材。但如果刻線是被壓入片材表面而不是切割，那么片材應(yīng)含足夠的水份以避免由于可模制基質(zhì)的位錯(cuò)而斷裂。
刻切深度一般取決于刻痕類型、片材厚度和沿刻痕所需彎曲程度?？叹€機(jī)理應(yīng)調(diào)節(jié)以提供所需深度之刻痕。當(dāng)然，模切機(jī)不應(yīng)太大以便通過片材能精確地切割或者讓其太薄而不能耐受預(yù)期外力(除非需要易裂開的刻痕)?？糖袃?yōu)選應(yīng)深至夠適合完成其目的。某些情況下，優(yōu)選將片材兩可選擇面上的刻切處相組合來增加彎曲運(yùn)動(dòng)范圍。
在很多情況下要刻切較薄的片材(＜1mm)，切割深度相對于片材總厚度而言為約10％-約50％，更優(yōu)選約20％-約35％。較厚片材的情況下，由于較厚片材的可彎曲性降低，故刻切一般較深。
應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明的片材要從刻切或打孔處彎曲，朝向壓入片材表面中的刻痕而彎曲。即是說，由刻切或打孔限定的片材面將按與刻切或打孔相反面靠近在一起。相反，象傳統(tǒng)紙或紙板制品，由壓入片材表面的刻痕所限定的可水凝固化片材面在刻痕面上封閉在一起。
(d)上縐和縐縮方法為了提供很高延伸性的片材以便突然受應(yīng)變時(shí)能吸收能量，片材還可以象傳統(tǒng)紙張一樣上縐。上縐的片材對生產(chǎn)運(yùn)輸袋日益重要。傳統(tǒng)上縐在造紙機(jī)的濕壓部分(濕法上縐)進(jìn)行或者在Yankee干燥機(jī)(干法上縐)上進(jìn)行。盡管無論濕法或是干法上縐工藝的精確參數(shù)，本發(fā)明片材與木材紙均有所不同，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道如何調(diào)節(jié)上縐工序來獲得上縐片材。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，為了讓片材基質(zhì)的纖維表面部分仿羊皮化，片材可用強(qiáng)酸處理。例如，用濃硫酸處理片材能使纖維素纖維極大地膨脹且部分地被溶解，在這種狀態(tài)下，塑化纖維關(guān)閉其氣孔，填充周圍的空隙并由于更大范圍的氫鍵作用而在其間取得更緊密的接觸。水清洗導(dǎo)致再沉淀和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化，形成濕比干強(qiáng)的纖維，無絨，無嗅、無味且抗油脂。將羊皮化的天然拉伸韌性和濕法上縐賦予的延展性結(jié)合起來，可制造出具有很大沖擊吸收能力的紙。
本發(fā)明中，當(dāng)片材的纖維含量增加時(shí)，縐縮工序可望操作得更好。增加的纖維含量促進(jìn)氣孔的封閉和增加纖維的氫鍵。但應(yīng)該知道，當(dāng)片材要被縐縮時(shí)，某些酸敏性聚集體，如碳酸鈣可能不應(yīng)使用。
(5)從片材制造的制品使用上文所述方法可以制造各種各樣具不同性能的片材。在要求極薄、柔韌和輕型片材的場合，片材可以薄至約0.1mm或以下。在要求較厚、強(qiáng)硬片材的場合，片材可以厚到約1cm。此外，片材密度范圍可低至約0.6g/cm3-高至約2g/cm3。通常，高密度片材更堅(jiān)固，而低密度片材更絕緣。具體片材的準(zhǔn)確厚度或密度應(yīng)預(yù)先設(shè)計(jì)以便生產(chǎn)具有所需性能的片材，并且按經(jīng)濟(jì)易行的方式制造片材。
本發(fā)明的片材能應(yīng)用于紙或紙板所使用的任何場合。除此，由于可模制材料的獨(dú)特性能，可以制造各種物件，這些物件目前要求使用塑料、聚苯乙烯或甚至金屬。具體地，本發(fā)明的片材可用來制造前文所限定的制品和容器。
把片材制作成適宜的制品通常包括把片材切割成適當(dāng)?shù)拿鞑⒚鬓D(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹圃煳锛ㄈ萜髟趦?nèi)。把毛坯轉(zhuǎn)變成要求的制品是借助于折疊、滾壓、卷繞、螺旋纏繞、模壓、裝配單個(gè)毛坯、小袋成形、及它們的組合實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)化方法還可包括應(yīng)用粘合劑、卷曲，加壓，密封，把一部分再潤濕并加壓，釘住，用膠布粘接、縫合，及它們的組合而把制品的一部分接合。制作工序中使片材再潤濕可有助于改進(jìn)柔韌性并避免片材撕裂。
將本發(fā)明片材制成制品所公開的方法，以及本文下述的制品之具體結(jié)構(gòu)形狀僅借助于實(shí)施例說明但并不受此限制。本發(fā)明范圍收編現(xiàn)有技術(shù)中已知的將片材轉(zhuǎn)變成制品的所有方法，包括從傳統(tǒng)片材，如紙、紙板、塑料、聚苯乙烯或金屬制造容器或其它包裝材料。利用傳統(tǒng)設(shè)備、自動(dòng)化方法和半自動(dòng)化方法屬本發(fā)明范圍。
把片材切割成適宜毛坯可以利用現(xiàn)有技術(shù)任何手段來完成，如安裝在壓臺上的刮刀切割器，連續(xù)模切輥、沖切模和剪切機(jī)。切割還適用于在某些容器上形成窗口。通過除去片材的某些部分而形成折板，切割還適用于波紋箱的成型。這一類型的切割被稱作“開槽”(“Slotting”)。
毛坯的接合旨在包括使片材或毛坯的至少兩部分接觸、應(yīng)用粘合劑、卷曲、加壓、密封、這些部分再潤濕并加壓、釘住、用膠帶粘接縫合或它們組合的方式把該部分連接、并入、結(jié)合、連結(jié)、環(huán)接、或封閉在一起。接合可以與任何轉(zhuǎn)化方法聯(lián)合使用，如折疊、卷繞、螺旋纏繞、模壓、裝配或膨脹成型。
(a)折疊將片材或毛坯轉(zhuǎn)化成所需制品的一種方法是“折疊”，旨在包括對片材或毛坯彎曲、折迭(雙重)、形成折葉、折縫、打褶、卷曲、聚集、打褶(plicating)或形成機(jī)構(gòu)連結(jié)的裝置。
經(jīng)過折疊從片材或毛坯制作的制品包括紙板箱、盒、波紋箱、帶折葉的“蛤殼”狀容器(包括帶折葉的夾層容器，用于快餐三明治，如漢堡包和帶折葉的色拉容器)、干谷類食物箱、牛奶盒、果汁容器、飲料容器的載體、冰淇淋盒、打褶杯、錐形杯、快餐店使用的法式油炸食品勺，外出快餐盒、端開袋和信封。需將片材或毛坯刻痕來幫助折疊。
把毛坯轉(zhuǎn)變成容器，如圖32C所示的封端盒的自動(dòng)化方法始于將毛坯裝入倉庫。毛坯，如圖32A所示的毛坯可在一定時(shí)間移走一個(gè)，由循環(huán)皮帶運(yùn)載到預(yù)破碎間。在破碎間，將一個(gè)或多個(gè)毛坯板移出原始平面對刻痕，借助于定弧形溝刨進(jìn)行破裂。
刻痕被預(yù)破裂后，當(dāng)毛坯沿皮帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，板條可被放回?？毯鄣念A(yù)破裂有利于把毛坯轉(zhuǎn)變成容器，因?yàn)閷㈩A(yù)彎曲刻痕進(jìn)行彎曲所需的外力大大地減少了。毛坯再被折疊，側(cè)面用任意接合方法接合便形成圖32B所示的中間殼或管。
(b)卷繞將片材或毛坯轉(zhuǎn)變成所需制品的另一方法是“卷繞”，它包括把毛坯卷成容器或其它物件，其中有限定內(nèi)部空間的壁。經(jīng)卷繞成型的制品具有各式各樣的橫截面，包括圓截面，橢圓截面，圓角的長方形截面和長方形截面。
由片材或毛坯通過轉(zhuǎn)繞可制成各種各樣的物品，例如杯類、罐類，下述產(chǎn)品的容器類如冷凍的果汁濃縮物、土豆片、冰淇淋、鹽、洗滌劑、和潤滑油的容器、郵寄用紙筒、用于卷制包裝紙、織物材料、紙巾、衛(wèi)生紙管和蠟紙管之類物料的薄板卷輥。
通過將毛坯繞心軸滾壓或纏繞來實(shí)現(xiàn)毛坯的轉(zhuǎn)曲，然后接合毛坯的搭接端。通過前述接合方法的任一種可以將搭接的兩端接合在一起。根據(jù)所需要的容器，可模壓的材料或其它材料的各種各樣的閉合方法都可以利用。
通過本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的任一方法都可制成杯類，它包括上述的用于轉(zhuǎn)曲而制成容器的一般方法。在本發(fā)明的箍圍內(nèi)制造一種兩片杯子的優(yōu)選方法包括用一片材切割如圖33A所示的兩個(gè)毛坯，一側(cè)壁毛坯163、和一底部毛坯165。如圖33B所示，側(cè)壁毛坯163轉(zhuǎn)曲形成杯的側(cè)壁，而底部毛坯成一定形狀，形成杯的底部部分。轉(zhuǎn)曲的杯的側(cè)壁是一平截頭圓錐體形狀管，而底部部分形成一閉合的部件。
自動(dòng)化的方法一般由下述步驟組成用片材切割側(cè)壁毛坯和底部毛坯；將底部毛坯放置在心軸的自由端上，該毛坯可釋放地夾持在心軸上；繞心軸纏繞側(cè)壁毛坯；搭接該側(cè)壁毛坯的兩直邊；接合或使搭接的邊牢固的結(jié)合在一起；使底部毛坯的邊緣與杯的轉(zhuǎn)曲的基面的底線接合或牢固的結(jié)合在一起。此外，通過形成凸緣的設(shè)備，繞杯的口可以形成凸緣。
圖34所示的制造杯子的自動(dòng)設(shè)備包括有許多心軸166的可旋轉(zhuǎn)移位轉(zhuǎn)動(dòng)架164的操作。心軸166從轉(zhuǎn)動(dòng)架164徑向向外延伸。心軸166的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)架164連接，而另一端向外突出，且常常為一平面。
該設(shè)備包括一底部毛坯送料器168，該加料器制成底部毛坯，并加入底部毛坯。底部毛坯加料器194使底部毛坯165位于心軸166的平面上。在轉(zhuǎn)動(dòng)架164通過使心軸適當(dāng)旋轉(zhuǎn)而使心軸166變位后，側(cè)壁毛坯加料器196將側(cè)壁毛坯163加到心軸166，夾緊件170將側(cè)壁毛坯163固定在心軸166上，以便后續(xù)工序制作。然后轉(zhuǎn)動(dòng)架變位移動(dòng)帶有側(cè)壁毛坯163的心軸166，到達(dá)用于接合的制備機(jī)172處，該機(jī)施加粘接劑，或施加涂料如聚乙烯使被搭接的側(cè)壁毛坯的邊弄濕。
隨后，轉(zhuǎn)動(dòng)架164移位，側(cè)壁毛坯轉(zhuǎn)曲器174繞心軸166轉(zhuǎn)曲側(cè)壁毛坯163，以形成容器的側(cè)壁。轉(zhuǎn)曲的側(cè)壁有一口和與該口相對應(yīng)的底邊，和制成的杯的底部。接著轉(zhuǎn)動(dòng)架移位到形成底的制備機(jī)176處，通過施加粘接劑或施加涂料將底部毛坯165的底部和/或該邊緣弄濕。然后轉(zhuǎn)動(dòng)架164移位到一底形成器178處，將該底邊與底部毛坯的邊緣牢固接合在一起。在底制好后，該杯射出，心軸166移位，以從底部毛坯加料器168接納底部毛坯165。然后重復(fù)操作循環(huán)。
該杯還可進(jìn)一步進(jìn)行其它的加工步驟，例如繞杯的口形成一凸緣。形成凸緣的一種方法是需將該杯定位使該杯的口向外伸出以圍繞口形成凸緣。在該方法中，在杯的底已經(jīng)形成進(jìn)入從另一個(gè)可移位的轉(zhuǎn)動(dòng)架182徑向地向外延伸的許多容器接收件180之一后，該杯從心軸射出。射出的杯進(jìn)入接收件180定位，結(jié)果該杯的口向外伸出，代替杯的底邊。隨后用凸緣形成裝置184形成凸緣并射出。形成凸緣的裝置184在接收件180上需要互補(bǔ)的外形，而陽?？梢园ū目?，以形成一卷邊。
(c)螺旋形的卷繞把片材或毛坯轉(zhuǎn)化成所需要物品的另一種方法是“螺旋形的卷繞”，該方法與轉(zhuǎn)曲相類似。螺旋形卷繞是將片材或毛坯螺旋形旋轉(zhuǎn)卷繞成一管形或錐形的制品。也可以利用連續(xù)的纖維或長絲的卷繞來提高強(qiáng)度。各種各樣的閉合裝置，例如在制造杯類中所利用的上述的閉合裝置，通過螺旋形的卷繞來形成容器是可采用的。
(d)模壓將片材或毛坯轉(zhuǎn)化成所需要物品的再一種方法是“模壓”，該方法包括通過施加一橫向的力使片材或毛坯成型?？梢酝ㄟ^模壓片材或毛坯制成的制品包括，板形類、叫賣板、餅形板、盤類、烤盤、碗、早餐的大淺盤、微波正餐盤、“TV”餐盤；雞蛋紙盒、肉包裝用的大淺盤、碟子和蓋類。
片材或毛坯可以在所需要形狀的陽模具和基本上是陽模具的互補(bǔ)形狀的陰模具之間模壓。由于毛坯或片材的一部分在模具之間模壓，片材就成形為與模具互補(bǔ)形狀的物品。按簡便和經(jīng)濟(jì)的原則，雖然堅(jiān)固的單片模具(陽模具和陰模具各自包括一個(gè)堅(jiān)固件)是優(yōu)選的模具，但是可供選擇的模具包括組合模、順序沖模和可拆模。本方法與濕片模壓法相似，只是由于現(xiàn)在片材是干的，只有淺拉伸的物品可以制備。
(e)組裝“組裝”是將可模壓的片材或毛坯轉(zhuǎn)化成制品的另一方法。通過折疊、轉(zhuǎn)曲、螺旋卷繞或模壓制成的各式各樣的物品還可包括組裝各種各樣的毛坯或片材，以生成圓滿的制品。由片材或毛坯通過組合毛坯初步地或完整地制成的物品包括堅(jiān)固的折疊箱、紋板包裝容器和插入容器的襯層。用片材制備的堅(jiān)固的折疊箱通常是不可折迭的，可以用薄的裝飾覆蓋片材包覆。這些包裝盒包括雪茄盒、糖果點(diǎn)心盒和化妝品包裝盒。
堅(jiān)固的盒子可以通過只切成適當(dāng)?shù)拿鞑⑵浣M裝在一起來制備。這些毛坯也可以刻痕以允許折疊它們。盒體毛坯的角或部分和毛坯的蓋可以用角切割器切口，因此，當(dāng)毛坯組裝時(shí)，通過盒體或蓋的底或邊就可以形成角。由毛坯所構(gòu)制成的角，通過放置小的由片材或其它材料切成的簿的支撐件然后繞每個(gè)角涂覆粘接劑來支撐。
紋板包裝盒對直觀的顯示出產(chǎn)品特別有用。本發(fā)明的紋板包裝容器可以通過組裝由片材切割成的基材片和由塑料或半透明的片材制成的封面而制成。紋板包裝容器可以利用來包裝和顯示出許多產(chǎn)品，例如食品，如午餐內(nèi)、辦公產(chǎn)品、化妝品、五金產(chǎn)品和玩具。紋板包裝容器有兩種變體，即起泡的包裝容器和蒙上覆蓋層的包裝容器。
(f)小袋成形“小袋成形”是將片材或毛坯轉(zhuǎn)化成所需物品的另一種方法，包括包裝工業(yè)中稱為“成形/充填/密封”的已知方法。用“成形/充填/密封方法制成小袋允許制成袋、用產(chǎn)品充填該小袋和將其密封的連續(xù)操作。小袋成形打算包括連續(xù)制成一系列的小袋、用產(chǎn)品充填小袋、通過接合封閉小袋和在小袋制成、充填和封閉后或在小袋制成后，切割小袋，使其相互分開。可通過制成小袋的方法由片材和毛坯制成的容器包括干的湯粉小袋、糖果包裝紙、各類食物袋、土豆片袋、粉劑包裝袋、片劑小袋、調(diào)味品小袋和餅混合物袋。
制成小袋的操作一般可以通過水平的、垂直的或兩片的小袋成形法來完成。水平的成形、充填和通過接合來密封通常包括沿連續(xù)片材的長度在其長度的 處折疊、相隔一定距離接合該片以生成一系列的小袋，然后充填和密封。該方法開始是通過使片材水平地前進(jìn)，穿過一犁形(Plow)組件，而使片材在 處折疊。折疊的片材在相隔一定距離處接合成小袋，以允許將產(chǎn)品充填在小袋內(nèi)。這種小袋可以通過重量法或其它的方法來充填。
垂直制成、充填和接合一般包括沿連續(xù)片材的長度方向，將其制成一管狀物、在相隔一定距離處將該管接合形成一系列的小袋、充填和通過接合封閉該小袋。通過使片材在犁形組件內(nèi)垂直地前進(jìn)將其制成一管狀物。然后相隔一定距離將該管狀物接合成小袋，并且與立式的制成小袋、填充和密封相似的方式充填。第三個(gè)方法包括通過將兩片材相結(jié)合，至少一塊片材是填充無機(jī)物的片材、可水凝固化的材料或?qū)雍系钠?。可模壓的片材或?qū)雍掀目梢耘c各種各樣的其它片材相結(jié)合，它們包括但是不限于一種填充無機(jī)物的片材、層合片材、紙片、鋁箔片、玻璃紙、塑料片和這些片材的層合制品。兩種片材可以垂直地接合，或者水平地接合，每個(gè)袋有四個(gè)接合邊。
應(yīng)當(dāng)理解，為增加整體形狀物的強(qiáng)度，上述的模壓方法可以和傳統(tǒng)的制作技術(shù)組合使用。例如，如果盒的壁是由可模壓的混合物制成，為了提高強(qiáng)度，那么各種結(jié)構(gòu)物(例如蜂窩狀物、角形的或方形增強(qiáng)桿、三角形的結(jié)構(gòu)、工橫桿、多孔材料、花生殼(Peanut)和波紋材料)可以摻入壁中。
3.后—模壓方法a.干燥關(guān)于論及的許多方法，物品一但制成，就必須干燥，以便在所需要形狀中得到一定的強(qiáng)度。但是，關(guān)于干的片材的模壓方法，在該物品制備之前，片材必須是干的。為經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)本發(fā)明的物品，該物品必須迅速地干燥到它們具有足夠強(qiáng)度的程度，所述強(qiáng)度足以進(jìn)行其余的制造過程，即印刷、上膠和包裝過程而不變形。而且，對該物品計(jì)劃中的使用，該物品或容器必須獲得足夠的強(qiáng)度。當(dāng)然，所要求的強(qiáng)度將隨所制備物品的類型而改變。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，容器或片的干燥是將該容器暴露于加熱過的空氣中，例如一般的隧道式烘爐中而實(shí)現(xiàn)的。該爐可以是間歇模式干燥或連續(xù)輸送模式干燥結(jié)構(gòu)。應(yīng)用加熱空氣排出了可模壓混合物中的部分水，由此提高了顆粒與有機(jī)粘接劑產(chǎn)生的接合膜之間的摩擦力，從而提高了所制得的容器的強(qiáng)度。
另外，對容器應(yīng)用加熱空氣提高了可水凝固化的粘接劑的水凝反應(yīng)的速率，這又對容器提供了初期的強(qiáng)度。因此，由于容器被干燥，該容器就從顆粒之間的摩擦力，有機(jī)粘接劑的干燥和可水凝固化混合物的熟化得到了它的強(qiáng)度。
為了提高從可模壓混合物中除去水的速率，在容器的上方鼓入加熱空氣。研究發(fā)現(xiàn)，空氣的流速越高，干燥的時(shí)間就越短。但是空氣的流速必須不能大到使生產(chǎn)過程遭到破壞的程度。理想地，容器只干燥到具有在生產(chǎn)和運(yùn)輸中不變形的足夠強(qiáng)度。由于允許容器保留少量未反應(yīng)的水，該容器繼續(xù)固化，這樣該盒在運(yùn)輸和貯存及它使用前的貯藏期間，在強(qiáng)度方面得到了提高。
迅速地固化容器的能力，能夠使得可能經(jīng)濟(jì)地完成它們的大量生產(chǎn)。容器的干燥受五個(gè)不同工藝參數(shù)的影響時(shí)間、溫度、空氣流速、表面積和材料的厚度。對這些工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究得到下面的結(jié)論1)溫度越高，干燥時(shí)間越短。
2)空氣流速越高，干燥時(shí)間越短。
3)一但從容器中除去大量的水分，容器暴露于250℃以上的溫度時(shí)，混合物中的纖維將燃燒，由此降低了纖維和容器的抗拉強(qiáng)度。
4)容器盒的材料的壁越簿，干燥的時(shí)間就越短。
5)溫度越高，容器的抗拉強(qiáng)度就越低。
6)空氣流速和在爐內(nèi)的總時(shí)間對容器的抗拉強(qiáng)度沒有影響。
根據(jù)上述的觀察結(jié)果，對一般的厚度為1-2mm的杯子所建議的干燥條件是，在爐中空氣的溫度為約100℃-約300℃，優(yōu)選為約140℃-約250℃，而最優(yōu)選為約150℃-約200℃。容器暴露到加熱空氣中的干燥時(shí)間可以高達(dá)約一小時(shí)，優(yōu)選小于15分鐘，更優(yōu)選小于1分鐘。但是，上述的工藝參數(shù)值將隨物品的大小、形狀和厚度及混合物的水含量而改變。
在另一個(gè)實(shí)施例中，由于混合物中的纖維在250℃以上不燃燒直至大量的水被除去，因此干燥過程也可以分兩步完成。首先該容器可以置于250℃以上，通常為約250℃-約500℃之間的爐中，迅速地除去一部分水。一但除去約60％-約80％的水，就將溫度降低到250℃以下，除去剩余的水。這個(gè)過程提高了容器的干燥速率，但是必須更仔細(xì)地調(diào)節(jié)，以便不使纖維燃燒。當(dāng)然，干燥容器的一般的方法(例如微波、紅外光等)也可以使用。
b.涂料和涂覆設(shè)備將涂料或涂層材料施加于物品上，或施用在制造物品所使用的片材上，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。采用許多方法，利用涂料來改變物品或片材的表面特征，這包括密封或保護(hù)片材或物品。涂層抗水分、堿、酸、潤滑脂、有機(jī)溶劑，可以提供保護(hù)。涂層還可以提供光滑的、光澤的或抗劃傷的表面，并有助于阻止纖維“飛出”。涂層也可以提供反射、導(dǎo)電或絕緣性質(zhì)。它們甚至可增強(qiáng)片材或物品，特別是在彎曲、折疊、邊和角處。一些涂料可以用作層合材料或用作粘合劑。
與涂層有關(guān)的概念是給片材或物品“上膠”，這主要指的是密封制作基材的孔。上膠可以利用來提高物品或片材的光滑度和耐水性。根據(jù)涂層的用量和組成，它們可提高或降低強(qiáng)度、模量和伸長率(或伸長度)。一些上膠或涂層可以軟化可模壓的基材，從而得到更有柔性的物品或片材。其它的上膠可以使物品更硬。
上膠過程的目的通常是在片材或物品的表面上得到最小缺陷的一均勻膜。涂層可以在制片過程期間、物品制備過程期間或在該物品制成后施加。根據(jù)一些基材(即片材)變化，以及涂層配方的變量，選擇具體的涂覆方法。基材的變量包括強(qiáng)度、潤濕性、孔隙率、密度、光滑度和片材及物品的均勻度。涂層配方的變量包括總用含量、溶劑基本性質(zhì)(包括水溶性和揮發(fā)度)、表面張力和流變學(xué)性能。
涂層可以施加于片材或物品上，使用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)制造下述材料已知的任何涂覆方法，這些材料是紙、硬紙板塑料、聚苯乙烯、金屬片，或其它的包裝材料，所述片材或物品包括刀片，膠土、氣刀(air-Knife)、印刷品、Dahlgren、凹印板和粉末涂料。涂料還可以通過噴灑施于片材上、物品上，或帶下述任一涂料的其它物體上，或通過將片材、物品或其它的物體浸入裝有適宜涂料的一槽中，施加于它們上。最后，涂料與片材共擠壓，以使涂覆過程和擠壓過程結(jié)合起來。有用的涂覆方法的更詳細(xì)地描述在Andersen-Hodson工藝字中提出。
適宜的有機(jī)涂料包括食用油、三聚氰胺、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、羥丙基甲基纖維素、聚乙二醇、丙烯酸酯、聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、Biopol(一種多羥基丁酸酯-羥基戊酸酯的共聚物)、淀粉、豆蛋白、聚乙烯和合成的聚合物，如可生物降解的聚合物、蠟(例如蜂蠟或石油蠟)、高彈性物和它們的混合物。BiopoL是由英國的ICI制備。適宜的無機(jī)涂料包括硅酸鈉、碳酸鈣、三氧化二鋁、二氧化硅、高嶺土、粘土、陶瓷涂料和它們的混合物。無機(jī)涂料也可以與上述的一種或幾種有機(jī)涂料混合。
在某些情況下，優(yōu)選使用高彈性的或可變形的涂料，特別是對通過折疊或轉(zhuǎn)曲制成的物品。也可以使用某些涂料加固片材嚴(yán)重彎曲的地方。例如片材劃痕的地方。在這樣的情況下，可優(yōu)選可塑的高彈性的涂料。除這些涂料之外，根據(jù)應(yīng)用的要求，任何適宜的涂料都可使用。
對打算與水接觸的物品，希望采用防水涂料。如果片材是用來制備打算與食品接觸的容器或其它產(chǎn)品，涂料優(yōu)選包括FDA-認(rèn)可的涂料。特別有用的一種涂料的實(shí)例是硅酸鈉，它耐酸。耐酸度是重要的，例如物品是一個(gè)置于高酸含量的食品或飲料的容器，例如軟包裝飲料或果汁。一般不需要保護(hù)包裝堿性物質(zhì)的物品，但是通過適宜的聚合物或蠟涂料，例如涂覆紙制容器所使用的那些可以提高耐堿性物質(zhì)的性能。
聚合物涂料在制備低密度如聚乙烯的薄層中是有用的。低密度聚乙烯在生產(chǎn)液密性容器和甚至在某種程度上耐壓的容器中是特別有用的。聚合物涂料在加熱密封時(shí)也可以用作粘接劑。
三氧化二鋁和二氧化硅是有用的涂料，特別是作為氧氣和水分的阻礙物時(shí)特別有用。涂料可通過本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何方法施加于片材上，這包括使用高能量電子束蒸發(fā)法、化學(xué)等離子體沉積法和噴鍍法。生成三氧化二鋁或二氧化硅涂層的另一種方法包括用適宜的PH值溶液處理片材，由于片材的組成，以使在片材上形成三氧化二鋁或二氧化硅的涂層。
蠟和蠟的摻合物，尤其是石油蠟和合成蠟提供了對水分、氧氣和一些有機(jī)液體例如潤滑脂或油的阻礙物。它們也允許物品例如容器被加熱密封。石油蠟在食品和飲料的包裝中是特別有用的一組蠟，它包括石蠟和微晶蠟。
在制片或產(chǎn)品模壓過程期間，某些涂料可施加于產(chǎn)品的表面，在此情況下，該過程是一種“機(jī)上”過程(on-machine)。在機(jī)上過程中，涂料可以一種液體、凝膠或甚至簿膜片的形式施加。優(yōu)選在水凝產(chǎn)物已經(jīng)形成并干燥到至少一定限度后施加涂料。在該情況下，該過程稱為“機(jī)外”過程。
c.堆積機(jī)/累積器在生產(chǎn)線的末端可以設(shè)置一般的自動(dòng)堆積機(jī)，以建立堆積物。堆積物載于旋動(dòng)桌子上，所述桌允許手動(dòng)的卸下堆積的杯子，然進(jìn)入下游的印刷工序。
d.印刷在物品或利用來制備物品的片材的表面上，可能希望印花或其它標(biāo)記，如商標(biāo)、產(chǎn)品信息、容器說明書或理念。這可以使用印刷紙或卡片產(chǎn)品領(lǐng)域中已知的任何一般的印刷工具或方法完成，它包括平版印刷、凸板印刷、凹板印刷、多孔印刷(Porous)和非擊打式印刷。通用的印刷機(jī)包括橡皮印刷機(jī)、Van Dam、激光印刷機(jī)、直接轉(zhuǎn)寫接觸式印刷機(jī)和自記溫度印刷機(jī)。但是，任何手動(dòng)或機(jī)械裝置基本上都可使用。再者，片材或制品可以壓花，或提供水印。由于制品像紙或硬紙板一樣有較高的孔隙率，施加油墨將會(huì)迅速干燥。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將會(huì)估計(jì)到，片材的孔隙率和油墨量必須相匹配。再者，使用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的已知方法，移畫印花、貼標(biāo)簽或其它的標(biāo)記都可以附在或粘貼在片材上。印刷的標(biāo)記可以施加于連續(xù)的片材、單個(gè)的片材、層合片材、毛坯或完成的制品上，這取決于所采用的印刷方法和制品的形狀。
e.裝袋/裝盒在運(yùn)輸容器前，它們必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌b。因此，完成堆積的杯子移開印刷機(jī)，并手動(dòng)地承載入多個(gè)袋中，然后載入盒內(nèi)。
f.碼垛堆積然后將完成的盒收集、密封、貼標(biāo)簽、堆積和用標(biāo)準(zhǔn)的盒加工/碼垛堆積設(shè)備打捆以便隨后的運(yùn)輸。III.優(yōu)選的制備方法的實(shí)例為了更詳細(xì)地描述按本發(fā)明制備物品的方法，提出了如下的實(shí)例。這些實(shí)例包括不同的混合設(shè)計(jì)，包括可水凝固化的和填充有機(jī)物的混合物以及所使用的許多不同的制備方法，以便生產(chǎn)本發(fā)明的物品。
首先，提出的實(shí)例是說明從可水凝固化的混合物制備物品所使用的各種直接模壓技術(shù)。
實(shí)例1由可水凝固化混合物制備的杯子的組成如下卜特蘭白水泥2.0Kg水 1.004Kg珍珠巖 0.702KgTylose4000 60g將卜特蘭水泥、TyLose和珍珠巖混合大約2分鐘；此后，加入水，該混合物摻和另外的10分鐘。生成的可水凝固化的混合物中水與水泥的比例大約為0.5。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為79.8％(wt)，含珍珠巖18.6％，和TyLose1.6％(wt)，以可水凝固化混合物的重量計(jì)。
生成的可水凝固化物料通過盤車?yán)髂Ｖ瞥梢粋€(gè)杯子的形狀。該杯壁厚為4.5mm，絕熱溫度為65℃，這個(gè)意思是指在該杯裝入熱水(88℃)時(shí)，它的外側(cè)的最大溫度為65℃。通過加入多孔的聚集物(在這種珍珠巖的情況下)使杯子設(shè)計(jì)成所預(yù)定的堆積密度。
可水凝固化混合物使用陽模和陰模也壓制成一個(gè)杯子的形狀，如在模具壓制法中所討論的那樣。作為模具施加壓力的結(jié)果，該杯有稍微較高的密度，因此，絕熱能力稍微降低。但是該杯確具有相似的結(jié)構(gòu)和完工特性。使用模具壓制生產(chǎn)的杯子證示了用不同生產(chǎn)方法的混合物的均勻性。
另外的多孔聚集物如硅酸鈣微球或空心玻璃球都可以使用(參見后面的實(shí)例)。由于多孔聚積物具有低比重，因此它們對容器內(nèi)的材料就提供了一定的絕熱能力。
本實(shí)例和后面的實(shí)例證明，從水泥可生產(chǎn)輕的容器，為特定的目的，它可以設(shè)計(jì)成具有足夠的絕熱性。由于提高了容器的絕熱效果，常常伴隨強(qiáng)度的降低，優(yōu)選設(shè)計(jì)的材料只必須在給定目的所要求絕熱的箍圍內(nèi)。再者，后面的實(shí)例將證明，為了得到一適宜的絕熱容器而不增加容器內(nèi)的材料的實(shí)際絕熱效果，該容器的設(shè)計(jì)可以改變。
在這第一個(gè)實(shí)例中，為試圖制備有較好絕熱性的杯子，而使得制成的杯子有較大的壁厚，不是由于為了使該杯子有足夠的強(qiáng)度，該厚度是必須的。但是，制成的可水凝固化杯有良好的完工表面，并且通過盤車?yán)骱湍喝菀椎刂瞥赡浩?。雖然該杯子較致密(堆積比重為約1.6)，但是證實(shí)了這一概念，即可水凝固化混合物可以設(shè)計(jì)成在新鮮狀態(tài)下有形狀穩(wěn)定性和通過一般方法仍然可以模制。
實(shí)例2通過直接模制含下述成分的可水凝固化的混合物來制杯
卜特蘭白水泥 2.0Kg水 1.645Kg珍珠巖 0.645KgTyLose4000 20gTyLoseFL 15002 15gCemfiLL玻璃纖維(4.5mm) 370g利用上述例1中提出的方法，制備可水凝固化的混合物，只是在水泥、水、TyLoseR和珍珠巖混合10分鐘后，加入纖維。然后將組合的混合物再混合10分鐘。制得的可水凝固化的混合物的水與水泥的比大約為0.82。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為77.6％(wt)、含珍珠巖13.7％、含TyLose4000和FL15002分別為0.43％和0.32％和玻璃纖維為7.9％，以可水凝固化混合物的重量計(jì)。
然后，通過盤車?yán)骰蚰簩⑸傻幕旌衔锶我獾啬Ｖ瞥杀男螤?。該與實(shí)例1的杯子相似，有良好的完工表面，但是與例1的杯子相比它們也有較高的韌度和斷裂能，這是由于加入了玻璃纖維的緣故。這樣制得的杯子已證明有足夠強(qiáng)度，當(dāng)該杯子從高達(dá)2米的高度落在水泥或大理石地板上時(shí)并不破碎，就象當(dāng)簿壁的可水凝固化的物體從這高度落下時(shí)所已經(jīng)預(yù)期到的那樣。
實(shí)例3通過盤車?yán)骰蚰褐苽浜率龀煞值目伤袒旌衔镏瞥杀诽靥m白水泥4.0Kg水 1.179Kg硅酸鈣微球 1.33Kg
TyLoseFL 15002 30gCemfiLL玻璃纖維(4.5mm；耐堿) 508g利用實(shí)例2中提出的方法制備可水凝固化混合物，只是用加入微球代替珍珠巖。得到的可水凝固化混合物的水與水泥的比大約為0.29，與實(shí)例1和2相比，大大地降低。這就證明了取決于聚集物體系，顯著不同的水與水泥比可以是設(shè)計(jì)成的組成。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為73.5％(wt)，含微球18.990、含TyLose0.43％和玻璃纖維為7.2％，以可水凝固化混合物的重量計(jì)。
制成的杯子與實(shí)例1和2相比，沒有良好的完工表面，但是較輕。可水凝固化的混合物容易盤車?yán)?、模壓、或擠壓成絕熱熱水到63℃的杯子。
雖然按實(shí)例1-3描述制備的杯子是本發(fā)明早期的原型，但是測試的結(jié)果是正常的。這些實(shí)例指出，只將多孔的質(zhì)輕的聚集物加入可水凝固化混合物中，通常不會(huì)得到和聚苯乙烯有相同絕熱能力的材料。在這些實(shí)例中所使用的混合設(shè)計(jì)內(nèi)加入珍珠巖、硅酸鈣微球都不能提供商業(yè)使用的咖啡和其它熱飲料所要求的絕熱度。因此，已經(jīng)探索與只將無機(jī)材料加入水泥基材中不同的提供絕熱的方法。
在下面一系列實(shí)例中，是將細(xì)分散的不連續(xù)的空氣空隙引入可水凝固化結(jié)構(gòu)基體中，這有大大提高杯子的絕熱能力的作用。
實(shí)例4從含如下成分的可水凝固化混合物制備杯子卜特蘭白水泥2.52Kg水 1.975Kg蛭石1.457Kg
VinsoL樹脂 2.5gTyLose4000 25gTyLoseFL15002 75gAbaca纖維 159g通過預(yù)濕潤蕉麻纖維(該纖維由生產(chǎn)者用NaOH預(yù)處理，因此纖維素的85％以上是α-羥基纖維素)然后將該纖維與除蛭石外的其它成分混合來制備可水凝固化混合物。這種混合物起初混合約10分鐘，在加入蛭石后再混合10分鐘。制得的可水凝固化混合物的水與水泥之比大約為0.78。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為72.3％(wt)，含蛭石23.4％，含TyLose4000和FL15002分別為0.40％和1.21％，含VinsoL樹脂(一種空氣夾帶劑)0.04％和蕉麻纖維2.6％，以可水凝固化混合物的重量計(jì)。
實(shí)例4中通過盤車?yán)髦频谋邮悄Ｗ樱诤駷榧s2.5mm，比實(shí)例1-3中制備的杯子的壁厚實(shí)質(zhì)上要簿。而且，實(shí)例4可水凝固化杯能夠絕熱達(dá)62℃以下(從降低壁厚來看，明顯的改進(jìn)了早期的杯子)。完工的表面很光滑，且有高的韌性和斷裂能。該杯子的容積約為390cc，重約95g。
通過模壓法將可水凝固化混合物也可壓制成一個(gè)杯子的形狀。制得的杯子與盤車?yán)鞣ㄖ苽涞谋酉啾容^，有相似結(jié)構(gòu)和完工特性，而絕熱能力稍低。
實(shí)例5從含下述成分的可水凝固化混合物制備杯子卜特蘭白水泥2.52Kg水 2.31Kg蛭石2.407KgVinsoL樹脂 2.5g
TyLose4000 25gTyLose15002 75gAbaca纖維 159g鋁(＜100目) 0.88g利用實(shí)例4提出的方法制備可水凝固化混合物。得到的可水凝固化混合物。水與水泥之比為約0.92。該混合物用盤車?yán)鞣ê湍悍ㄈ菀字瞥赡浩?，既使該混合物有較高的水與水泥之比時(shí)也是如此。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為64.4％(wt)，含32.1％的蛭石，含TyLose4000和15002分別為0.33％和1.0％，含VinsoL樹脂(一種空氣夾帶劑)為0.03％，蕉麻纖維為2.1％和鋁的量為約0.01％，以可水凝固化混合物重量計(jì)。
在可水凝固化混合物內(nèi)加入鋁產(chǎn)生細(xì)分散的氫氣泡。因此，制備的杯子與實(shí)例4的杯子相比更輕和更多孔，重僅為85g。而且該杯子有光滑的完工表面，韌性破裂能或絕熱能力沒有降低。
實(shí)例6從含下述成分的可水凝固化混合物制備杯子卜特蘭白水泥2.52Kg水 1.65Kg蛭石1.179Kg珍珠巖 0.262KgVinsoL樹脂 5.0gTyLose4000 12.5gTyLoseFL 15002 37.5gAbaca纖維 159g鋁(＜100目) 1.5g
利用實(shí)例4描述的方法制備可水凝固化混合物。生成的可水凝固化混合物中水與水泥之比大約為0.65。在該混合物中水泥糊狀物(水泥和水)的濃度為71.6％(wt)，含4.5％的珍珠巖、含蛭石20.2％、含TyLose4000和15002分別為0.21％和0.64％，含VinsoL樹脂(一種空氣夾帶劑)為0.086％，蕉麻纖維為2.7％、鋁量為約0.026％，以可水凝固化混合物的重量計(jì)。制備的可水凝固化混合物杯子的特性和特征與實(shí)例5制備的杯子的特性和特征基本相似。
與前述實(shí)例的杯子相比，在強(qiáng)度和特別是在絕熱能力這兩方面實(shí)例4-6的杯子都產(chǎn)生了較好的結(jié)果。在實(shí)例4-6制備的杯子能夠絕熱到62℃。這些實(shí)例證明摻入微觀空迄空隙能夠大大地提高容器的絕熱能力，而不會(huì)明顯地降低強(qiáng)度。這些實(shí)例還證示可以使用鋁產(chǎn)生空氣泡，它們夾在可水凝固化混合物內(nèi)。
這些和其它的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證示珍珠巖趨向降低容器的強(qiáng)度，而同時(shí)給予相同的絕熱值，不管如何混合或壓制水泥糊狀物。另一方面，由于蛭石是板—型，使單個(gè)顆粒在容器壁內(nèi)沿平行平面排成行在強(qiáng)度和絕熱性能方面都有利。這是通過盤車?yán)?、模壓、擠壓或滾壓該混合物來實(shí)現(xiàn)的。
同樣，為了加入最有效的纖維，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在可水凝固化結(jié)構(gòu)基體內(nèi)將它們排成行也是有利的。這也可以利用上述的模壓方法來實(shí)現(xiàn)。這樣的排列對制成的物品極大的增加強(qiáng)度和韌性。
還發(fā)現(xiàn)，采用較粘的可水凝的糊狀物，混合5-10分鐘，得到的水泥糊狀物有良好的絮凝性能，且產(chǎn)生了塑性。此外，TyLoseR與凝膠或水中的凝膠“反應(yīng)”約5分鐘，能夠給予該混合物增稠的效果。
實(shí)例7通過直接模壓含下述成分的可水凝固化混合物來制備絕熱杯卜特蘭水泥 1.0Kg
空心玻璃球(＜1mm) 1.1Kg纖維(Southern Pine)0.08KgTyLoseFL 15002 0.1Kg水 2.5Kg利用高剪切力的混合器將水泥、纖維、TyLose和水泥合5分鐘。此后，加入空心玻璃球，在低剪切力混合器中將生成的混合物再混合5分鐘。生成的混合物有像生面團(tuán)料樣的稠度，在新鮮狀態(tài)時(shí)，容易模壓并保持其形狀。
使用一對陽模和陰模將混合物模壓成杯形。模制的模加熱到110-130℃，以防止粘住。在脫模后，杯自維持新鮮狀態(tài)。新鮮的杯子允許干燥。
杯子的抗壓強(qiáng)度為1.1MPa，抗拉強(qiáng)度0.8MPa和K-因子為0.07w/m.k。
實(shí)例8重復(fù)實(shí)例7的混合設(shè)計(jì)和模壓方法，只是所使用的玻璃球尺寸仔細(xì)地分級，以便提高可水凝固化物料的顆粒堆積效率。具體說，對于1.1Kg的總量，包括細(xì)粒231克，中粒528g，和粗粒341g的空心玻璃球。稱為“細(xì)粒的”空心玻璃球的平均尺寸為30μm；“中?！睘?7μm；和“粗粒”為67μm。
由于減小了顆粒間的空隙空間，該混合物具有較好的易加工性能。制得的杯子表面光滑，且強(qiáng)度明顯較高。由于空隙空間減少和提高了材料的總密度，K-因子為0.083w/m.k(明顯高于實(shí)例7的)。
實(shí)例9重復(fù)實(shí)例7的混合物設(shè)計(jì)和模壓方法，只是玻璃球被1.1kg珍珠巖取代。制得的干的模制杯的抗壓強(qiáng)度為8.0MPa，抗拉強(qiáng)度為3.2MPa和K-因子為0.14w/m.k。這樣利用珍珠巖代替空心玻璃球生產(chǎn)的杯子不僅有更高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，而且導(dǎo)熱性的值也較高。
實(shí)例10利用盤車?yán)?、沖模壓制、噴射模制法或吹模法將實(shí)例1-9的任一組合物直接模制成杯、板、碗等。在后面的情況下，加入稍微多一點(diǎn)的水以生成低粘度的混合物。此外，將該混合物擠出成各種制品，例如棒、管、鉛筆盒、多室結(jié)構(gòu)、波紋板等。
實(shí)例11從如下組成的填充無機(jī)物的混合物中直接模制各種各樣的物品，如杯、板、碗和早餐淺盤植物淀粉 5Kg碳酸鈣 1.25Kg水 6.25Kg硬脂酸鎂 31.5gAgragum 31.5g填充無機(jī)物的混合物是用水使植物淀粉膠凝，然后加入其它的成分來制備。該淀粉是天然的，或是來自土豆、小麥或玉米的改性淀粉。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于玉米淀粉的較高的膜強(qiáng)度，所以制得最堅(jiān)硬的模制的最終制品。
該混合物有薄煎餅糊狀物的稠度和能夠直接注入加熱模子(140℃-240℃)中，所述模用不粘表面包覆。加熱模子驅(qū)逐出了大量的水，這又有助于減少混合物和模子表面之間的粘合。在1-3分鐘內(nèi)，制品可以完全穩(wěn)定的形狀脫膜。硬化的材料中無機(jī)材料的含量為約20％，以固體物料的重量中(不包括在結(jié)構(gòu)基體現(xiàn)人保留的任何殘留水)。
被加熱的模制品由于物料的膨脹量極輕，并且有均勻分布于整個(gè)硬化物料中的細(xì)分散的空氣空隙。模制產(chǎn)品的密度為0.1-0.6g/cm3，由于熱膨脹量的降低，密度就升高。由于所使用的模子較熱，空隙就較小且分散更均勻，而且制品脫模較快。增加混合物的pH值，就得到更高密度的產(chǎn)品。由于物料的密度降低，絕熱能力提高，雖然韌性和強(qiáng)度降低。
實(shí)例12在每個(gè)方面都重復(fù)實(shí)例11的方法，只是無機(jī)材料的含量增加到約30％。具體說，碳酸鈣增加到2.14Kg，這要求加7.1Kg水，36g硬脂酸鎂，和36g(agragum)以保持相同的流變學(xué)性能。生成的制品提高了韌性，而密度沒有成比例的增加，該密度也落在約0.15-0.6g/cm3的范圍內(nèi)。
實(shí)例13在每個(gè)方面重復(fù)實(shí)例11的方法，只是無機(jī)材料的含量增加到40％。具體講，碳酸鈣增加到3.3Kg，要求加入8.3kg水、42g硬脂酸鎂和42g(agragum)，以保持相同的流變學(xué)性能。得到的制品提高了韌性，而密度沒成比例增加，仍然落在約0.2-0.6g/cm3范圍內(nèi)。
實(shí)例14-17用下面的某一組分全部或部分代替碳酸鈣而改變實(shí)例11-13中的任一混合設(shè)計(jì)實(shí)例 無機(jī)填充物14 高嶺土15 蒙脫土16 云母17 熔凝硅石如果分散劑是三聚氰胺-甲醛的縮合物，萘-甲醛縮合物、聚丙烯酸和偏磷酸鹽；那么高嶺土、蒙脫土和云母各自起較好使用。它們的加力量為填充無機(jī)物的混合物內(nèi)的固體的1-2％。聚丙烯酸制備的混合物有搖溶性。使用分散劑允許降低水含量，有較好的流動(dòng)性，并減少烘烤時(shí)間，這就允許以較少的能量來強(qiáng)化過程。
這些實(shí)例制備的填充無機(jī)物的混合物的強(qiáng)度和重量特性都與實(shí)例11-13的制品的相似。
實(shí)例18從含10kg云母、3Kg水、0.5Kg淀粉和50g硬脂酸鎂的填充無機(jī)物的混合物制備各種各樣的制品。填充無機(jī)物的混合物是首先由淀粉和水在一起膠凝，然后將其余組分加入以生成像生面團(tuán)稠度的混合物而得到的。填充無機(jī)物的混合物可通過在模壓部分描述的方法模壓制成所需要的物品。
另外，填充無機(jī)物的混合物也能夠通過盤車?yán)?、噴射模制或吹?通常是稍多加一點(diǎn)水，以降低吹模這種情況下的混合物的粘度)來模制。
實(shí)例19-22各個(gè)方面重復(fù)實(shí)例18描述的方法，只是淀粉和硬脂酸鎂的量增加到下述量實(shí)例 淀粉硬脂酸鎂191Kg55g202Kg60g213Kg65g224Kg70g增加淀粉的量制成的產(chǎn)品提高了抗拉強(qiáng)度和韌性。此外，成型物料在濕的或未硬化狀態(tài)下，強(qiáng)度較高。
實(shí)例23-28從可模壓的包括下述成分的混合物中制備高比例填充無機(jī)物的制品實(shí)例CaCO3纖維 Tylose水236Kg0.25Kg0.1Kg1.8Kg245Kg0.25Kg0.1Kg1.7Kg254Kg0.25Kg0.1Kg1.6Kg263Kg0.25Kg0.1Kg1.5Kg272Kg0.25Kg0.1Kg1.4Kg281Kg0.25Kg0.1Kg1.3Kg在這些實(shí)例中的每一個(gè)所使用的纖維是南部松木纖維。水、TyloseFL15002和纖維在Hobart捏和一混合機(jī)的高剪切力F首先混合10分鐘。此后，將CaCO3加入混合物中，該混合物在低剪切力下再混合4分鐘。
在這些混合物中的每一個(gè)的CaCO3的顆粒堆積密度為約0.63，生成的混合物的百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚積物固體的總體積計(jì))分別如下89.7％、87.9％、85.3％、81.3％、74.4％和59.2％。這些相應(yīng)于下述的百分?jǐn)?shù)(以總固體重量計(jì))94.5％、93.5％、92.0％、89.6％、85.1％和74.1％。實(shí)例23-28的薄板含下述量(以總固體的體積百分?jǐn)?shù)計(jì))的纖維7.2％、8.5％、10.3％、13.1％、18.0％和28.7％。如果以重量百分?jǐn)?shù)測量，這些值被認(rèn)為是低的。
首先利用脫氣擠汲機(jī)(30cm×0.6cm模)將可成型混合物擠出，制成相應(yīng)寬度和厚度尺寸的連續(xù)的薄片。擠出的薄板然后在一對減薄輥之間通過，該減薄輥之間的間隙距離與制成的薄板的厚度相對應(yīng)。由于CaCO3有低的比表面積，因此這些混合物對輥的粘性較低。在這些實(shí)例中制成的薄板的厚度為1.0mm、1.25mm、1.5mm和1.75mm。仍然在濕的情況下，輥壓制的薄板在陽模和陰模之間壓制成碗的形狀。
由于所使用的CaCO3量較少，所以提高了薄板和制品的抗拉強(qiáng)度、撓性和成形持久性。但是，加入較多的CaCO3制得了光滑表面的薄板和物品，且通過輥的更易定位性，這就減少了內(nèi)部的損傷量，提高CaCO3的量影響到降低薄板的孔隙度，該孔隙率為37.4％-70.3％之間，以最后干的薄板的體積計(jì)。
實(shí)例29-24用包括下述成分的可成型混合物制備高比例填充無機(jī)物的物品實(shí)例 CaCO3纖維Tylose水 玻璃球291.0Kg0.2Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg301.0Kg0.3Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg311.0Kg0.4Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg321.0Kg0.5Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg331.0Kg0.6Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg341.0Kg0.7Kg0.1Kg2.1Kg0.5Kg在這些實(shí)例的每一個(gè)中所使用的纖維是南方松木纖維。首先在Hobart捏和一混合器中將水、TyloseFL15002和纖維混合10分鐘。此后，將空心玻璃球和CaCO3加入混合物中，該混合物在低剪切力下再混合6分鐘。在這些混合物中組合的CaCO3和空心玻璃球的顆粒裝填密度為0.73，而制成的混合物各為下列百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總體的體積計(jì))88.5％、85.3％、82.3％、79.6％、77.0％和74.5％。
利用脫氣擠汲機(jī)(30cm×0.6cm模)擠壓可成型混合物，制成連續(xù)的薄板，它具有相對應(yīng)的寬度和厚度。然后擠壓的薄板通過一對減薄輥之間，減薄輥間的間隙距與制成的薄板的厚度相對應(yīng)。由于CaCO3和玻璃球各有低的比表面積，因此這些混合物對輥的粘性較低。這些實(shí)例中制成的薄板的厚度為1.0mm、1.25mm、1.5mm和1.75mm。仍然在濕的情況下，使薄板在陽模和陰模間壓制成碗形。
當(dāng)所使用的CaCO3顆粒的平均粒徑為35μm(最大為100μm)時(shí)，制得薄板和物品具有無光粗糙的表面。但是，當(dāng)所使用的CaCO3的顆粒的平均粒徑很小(98％的顆粒小于2μm)時(shí)，制得的薄板和物品為有光澤的表面。
增加混合物中的纖維量，最終的硬化物品的抗拉強(qiáng)度和撓性及薄板的成型性都提高。
實(shí)例25在每個(gè)方面重復(fù)實(shí)例29-34，只是1Kg的高嶺土代表CaCO3。在所有其它各個(gè)方面，以基本相同的方式制備混合物。高嶺土基本上是天然存在的粘土，其中98％的顆粒小于約2μm。在這些混合物的每一個(gè)中的組合的高嶺土和空心玻璃球的顆粒填充密度為0.69，制備的混合物分別為如下百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總固體體積計(jì))88.5％、85.3％、82.3％、79.6％、77.0％和74.5％。高嶺土制成薄板和物品有的光澤完工表面。
實(shí)例36-41從包括下述成分的可成型混合物制備高比例填充無機(jī)物的物品實(shí)例 精細(xì)磨碎 纖維素 Tylose水 玻璃球的花崗石 纖維 FL15002361.0Kg0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg371.0Kg0.3Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg381.0Kg0.4Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg391.0Kg0.5Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg401.0Kg0.6Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg411.0Kg0.7Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg在這些實(shí)例中各自所使用的纖維是南方松木纖維。首先在Hobart捏和一混合機(jī)中將水、TyloseFL15002和纖維混合10分鐘，此后，將精細(xì)磨過的石英和空心玻璃球加入混合物，再在低剪切力下混合6分鐘。在這些混合物的每一個(gè)中結(jié)和的熔凝硅石和空心玻璃球的顆粒堆積密度為約0.73，且制備的混合物各個(gè)為下列百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總固體的體積計(jì))88.5％、85.3％、82.3％、79.6％、77.0％和74.5％。
使用脫氣擠汲機(jī)(30mm×0.6cm模)擠壓可成型混合物，以制成有相應(yīng)寬度和厚度尺寸的連續(xù)薄板。然后將擠制的薄片通過一對減薄輥之間，該輥之間的間隙距離相應(yīng)于制成的薄板的厚度。低比表面積的玻璃球使得這些混合物對減薄輥有較低的粘性。在這些實(shí)例中制成的薄板的厚度為0.85mm、1.0mm、1.2mm和1.4mm。濕的薄板在陽模和陰模之間壓制成碗的形狀。
增加混合物中的纖維，提高了薄板的成型性和最后硬化物品的抗拉強(qiáng)度和撓性。
實(shí)例42重復(fù)實(shí)例36-41的組合物，只是有1.0kg精細(xì)磨碎的石英代替精細(xì)磨碎的花崗石。在所有其它各個(gè)方面都以基本相同的方法制備混合物。在這些混合物中各自的組合的精細(xì)磨碎花崗石和空心玻璃球的顆粒堆積密度為約0.74，制得的混合物分別有如下百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總固體的體積計(jì))88.5％、85.3％、82.3％、79.6％、77.0％和74.5％。
減少聚集物的量，就提高了有機(jī)粘接劑和纖維的有效量。含較多聚集物制得更堅(jiān)硬的物品較易碎，且抗壓強(qiáng)度較高。增加纖維和有機(jī)粘接劑生產(chǎn)撓性較大的物品，且韌性和抗拉強(qiáng)度也較高。
實(shí)例43重復(fù)實(shí)例36-41的組合物，只是用1.0kg的精細(xì)研磨的玄武巖代替精細(xì)研磨的花崗石。在所有其它方面都以基本相同的方式制備混合物。這些混合物中每一個(gè)的組合的精細(xì)研磨的花崗石和空心玻璃球的顆粒堆積密度為約0.74，制得的混合的分別有如下的百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總固體的體積計(jì))88.5％、85.3％、82.3％、79.6％、77.0％和74.5％。
減少聚集物的量，就提高了纖維和有機(jī)粘接劑的有效量。含的聚集物越多，生產(chǎn)的物品就越硬，且更易碎，抗壓強(qiáng)度就越高。增加纖維和有機(jī)粘接劑的量，制得的物品就更有撓性和韌性，且抗拉強(qiáng)度就更高。
實(shí)例44-48從包括下述組分的可成型組合物制備高比例無機(jī)物填充的物品實(shí)例 CaCO3纖維 Tylose水玻璃球441.0Kg 0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 0.0Kg451.0Kg 0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 0.5Kg461.0Kg 0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 1.0Kg471.0Kg 0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 1.5Kg481.0Kg 0.2Kg 0.1Kg2.1Kg 2.0Kg在這些實(shí)例的每一個(gè)中所使用的纖維是南方松木纖維。首先在Hobart捏合一混合器中將水、TyloseFL15002和纖維混合10分鐘。此后，將CaCO3和空心玻璃球加入混合物中，該混合物在低剪切力F再混合6分鐘。在這些混合物的每一個(gè)中組合的CaCO3和空心玻璃球的堆積密度為約0.73，制得的混合物分別有如下百分?jǐn)?shù)(以無機(jī)聚集物的總固體的體積計(jì))62.8％、88.5％、93.2％、95.2％和96.6％。制得的物品的密度分別為2.0、0.87、0.66、0.57和0.52(以g/cm3表示)。
利用脫氣擠汲機(jī)(30cm×0.6cm模)擠壓可成型的混合物，制成有相應(yīng)寬度和厚度尺寸的連續(xù)薄板。然后使擠制的薄板通過一對減薄的輥之間，其間隙距離相應(yīng)于制成的薄板的厚度。薄板通過陽模和陰模之間壓制成碗。由于CaCO3和玻璃球都有低的比表面積，這些混合物對輥和模的粘性都較低。在這些實(shí)例中制成的薄板的厚度分別為0.5mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm。
可供選擇地，將可水凝固化的混合物擠壓制成各種制品，例如棒、圓柱形桿、管、空心棒、多室結(jié)構(gòu)等。在被擠出后，擠制物品立即或很短地時(shí)間穩(wěn)定其形狀。
實(shí)例49-53從含2.0Kg水、0.1kg TyloseFL15002和2％蕉麻纖維(以混合物的體積計(jì))及下述量的塑料球的填充無機(jī)物的混合物制備撓性減震物品實(shí)例 塑料球(Kg)491.12500.9213510.7225520.5238530.3251“塑料球”由聚丙烯制成，平均粒徑小于100μm，平均密度為0.02g/cm3。首先通過將水、Tylose和纖維混合在一起在高剪切力條件混合5分鐘來制備填充無機(jī)物的混合物，然后在低剪切力條件下，將塑料球混入該混合物。通過模擠壓成填充無機(jī)物的混合物，然后通過一對輥制成5mm厚的薄板。當(dāng)該板是濕的情況時(shí)，使其通過陽模和陰模之間制成碗形狀的包裝容器。填充無機(jī)物的物品與由聚苯乙烯制成的相似物料相比較，撓性好且強(qiáng)度較高。
可供選擇地，將可水凝固化的混合物擠壓制成各種物品，例如棒、圓柱形桿、管、空心棒、多室結(jié)構(gòu)等。在擠出后，擠制的物品立即或很短時(shí)間就穩(wěn)定其形狀。這些包裝材料可以物理加壓而不被壓碎，甚至當(dāng)施加的力大于聚苯乙烯材料的一般試驗(yàn)壓力時(shí)也是如此。
實(shí)例54-57按實(shí)例49-53制備撓性填充無機(jī)物的物品，只是在填充無機(jī)物的混合物中的蕉麻纖維的量增加到下述值(以體積百分?jǐn)?shù)表示)實(shí)例Abaca(蕉麻)纖維(％)5445565685710從上述物料中制備的填充無機(jī)物的物品與實(shí)例49-53相比較基本上有相同的密度和撓性，但是與蕉麻纖維相比，提高了抗拉強(qiáng)度。
實(shí)例58-61通過一對輥制備可水凝固化的板，各種可水凝固化混合物含作為聚集體的空心玻璃球(直徑＜100μm)。每個(gè)實(shí)例的成分如下實(shí)例 水泥 水(Kg)Tylose玻璃球(Kg)FL15002 (g)5842.182004455931.851505726021.571008576111.55100905首先，通過將可水凝的水泥、Tylose和水混合在一起，在高剪切力混合器中混合5分鐘來制備可水凝固化混合物。此后，加入玻璃球使用低剪切力混合器再混合5分鐘。在實(shí)例58-61中制得的可水凝固化的混合物的水與水泥之比分別為約0.55、0.62、0.79和1.58。甚至高水與水泥之比的實(shí)例61，可水凝固化混合物在新鮮狀態(tài)下形狀穩(wěn)定且易成型。在實(shí)例58-61的每一個(gè)中玻璃球的百分?jǐn)?shù)(wt)分別為6.5％、10.3％、18.9％和25.3％。這些材料極輕，密度在0.25-0.5范圍。
混合物使用上述的方法制成濕的薄板，然后在陽模和陰模之間壓制成凹面板、碗和大淺盤。這些物品很輕和非常絕熱。此外，把這些容器放在熱爐上后，能夠用手移走它們，這就證明它們有很低的比熱。
實(shí)例62-65通過在高剪切力混合期間加入可變量的蕉麻纖維，來改變實(shí)例58-61的可水凝固化的混合物。
實(shí)例相應(yīng)的實(shí)例Abaca纖維量(g)6258149635915264601806561181在實(shí)例62-65中得到的百分?jǐn)?shù)(以蕉麻纖維的重量計(jì))分別為2.1％、2.7％、3.8％和4.8％。這些可水凝固化的物料與實(shí)例58-61所制得的相比，同樣輕和同樣絕熱，但是非常不易磨損和有更高的破碎能量。此外，加的纖維越多，制得的產(chǎn)品越易彎曲，就像在容器中有活頁片或其它封閉機(jī)構(gòu)。因此，在這些特征所需要的情況下，特別希望使用這些蕉麻纖維和其它種類的纖維。
實(shí)例66-68這些實(shí)例的由可水凝固化混合物制成的板和杯是按照實(shí)例58的方法和使用的成分(例如使用4Kg波特蘭白水泥)制備，只是鋁粉(＜100目)，NaOH以下述量加入混合物中，制成的可成型板加熱到約80℃，持續(xù)30-60分鐘。
實(shí)例 鋁粉(g)NaOH(g)66 421.967 634.768 834.7將NaOH加入可水凝固化混合物，通過使pH值在約13.1-13.8的優(yōu)選范圍來活化鋁粉。提高可水凝固化混合物的孔隙率，就降了它的堆積密度。從而提高了絕熱能力，并且板和杯更輕。通過調(diào)節(jié)加入的鋁粉量和熱量，就可以改變金屬鋁的反應(yīng)速率和程度。每種加入的越多，材料就越輕、越疏松和越軟，就能制得良好的減震材料。
值得指出的是，在實(shí)例66-68的板中，沒有發(fā)現(xiàn)收縮破裂現(xiàn)象，即使加熱可水凝固化混合物并迅速地驅(qū)除大量水分也是如此。
實(shí)例69-71使可水凝固化混合物通過一對輥之間制成薄板，然后將該薄板在一對模之間壓制成板，來制備可水凝固化板，在每個(gè)實(shí)例中可水凝固化混合物組成如下實(shí)例鋁粉(g) NaOH(g) Abaca纖維(g)69 10.0 22.36070 15.0 22.36071 22.5 22.360在這些實(shí)例的每一個(gè)中，有波特蘭白水泥4Kg，水1.4Kg和TyloseFL15002 40g。首先將水泥、水和纖維混合在一起并在高能混合器中混合10分鐘，此后，加入Tylose該混合物在低剪切力下混合5分鐘而制得可水凝固化的混合物。此后，在低剪切力下將鋁粉和NaOH混合。與實(shí)例66-68的可水凝固化的混合物相似，由于空氣摻入到可水凝固化混合物中的緣故，這些物料極輕，且絕熱性很好。但是，由于加入了纖維，這此實(shí)例的可水凝固化混合物提高了韌性和破裂能。
實(shí)例72-75使可水凝固化混合物通過一對輥之間被制成薄板，然后將該薄板在一對模之間壓制成板，來制備可水凝固化的板，每個(gè)實(shí)例的可水凝混合物含下述成分實(shí)例玻璃球 鋁(g) NaOH(g)細(xì)(g) 中(g) 粗(g)72133317 207 4.0 19.7
731333172076.031.2741333172078.031.2751333172070.00在這些實(shí)例的每一個(gè)中，含4Kg波特蘭白水泥和1.96Kg水；因此水與水泥之比為0.49。TyloseFL15002的量為200g和蕉麻纖維的量為60g。按與實(shí)例62-65基本相似的方法制備可水凝固化混合物，只是使用三種不同直徑的空心玻璃球。所有的玻璃球都小于1mm(但是實(shí)例75不摻入鋁粉和NaOH)。
在實(shí)例72-75的可水凝固化混合物的每一種中的玻璃球總量的百分?jǐn)?shù)(wt)為2.1％。
利用陽模和陰模將可水凝固化混合物壓制成杯的形狀。該杯與板的性質(zhì)相似，并證實(shí)了將可水凝固化混合物可模制成容器形狀的壽命。
由于摻入混合物中的空氣和玻璃球的有效填充，所以這些材料極輕(密度＜0.7g/cm3)且很絕熱。這些可水凝固化的混合物證明了填充聚集物的值以便在生成物的組成中使它們的影響最大。雖然實(shí)例75的可水凝固化混合物在許多情況下有一良好的組成，但是它的絕熱容量不如實(shí)例72-74的可水凝固化混合物的大。
實(shí)施例76-79水凝可固化板是通過下述方法形成的將水凝可固化混合物流過一對滾柱之間而成形為板材，然后在一對塑模之間加壓而形成所需的板。對于每個(gè)實(shí)施例，水凝可固化混合物所含的組分如下玻璃球?qū)嵤├?xì)球 中間球 粗球鋁NaOH76171g 394g267g3.0g 16.7g77171g 394g267g4.5g 26.6g
78171g394g267g6.0g26.6g79171g394g267g0.0g0g在每個(gè)實(shí)施例中，均有3Kg卜特蘭(Portland)白水泥和1.67Kg水，水與水泥的比例為0.56。將150g TyloseFL 15002和60g蕉麻纖維分別加入到各混合物中去。在實(shí)施例76-79的各個(gè)水凝可固化混合物中，玻璃球總量的重量百分比為3.4％。此外，這些實(shí)施例中的水凝可固化混合物實(shí)質(zhì)上是按照實(shí)施例72-75的步驟制備的。
由于混合物中摻入了一定量的空氣并有效地填充了玻璃球，所以由這些實(shí)施例制得的材料質(zhì)量很輕且很絕緣。為了最大地發(fā)揮水凝可固化混合物在所得到的組合物中的作用，這些實(shí)施例的水凝可固化混合物指示了填料的填充量。盡管在許多情況下實(shí)施例79的水凝可固化混合物是一很好的組合物，但卻沒有顯示出與實(shí)施例76-78的水凝可固化混合物相同的絕緣能力。
與實(shí)施例72-75的板相比，實(shí)施例76-79的板更輕且更絕緣。但是這些板比含更多量水泥的板的強(qiáng)度要差些。
實(shí)施例80-83水凝可固化板是通過下述方法形成的將水凝可固化混合物通過一對滾柱之間而成形為板材，然后在一對壓模之間加壓而形成所需的板。對于每個(gè)實(shí)施例，水凝可固化混合物所含的成分如下玻璃球?qū)嵤├?xì)球 中間球 粗球 鋁NaOH80257g 591g 400g 2.1g 14.2g81257g 591g 400g 3.0g 22.5g82257g 591g 400g 4.0g 22.5g83257g 591g 400g 0.0g 0g
在每個(gè)實(shí)施例中，均有2Kg卜特蘭白水泥和1.41Kg水，水與水泥的比例為0.71。將100g TyloseFL 15002和60g蕉麻纖維分別加入到各混合物中去。在實(shí)施例80-83的各個(gè)水凝可固化混合物中，玻璃球總量的重量百分比為6.8％。此外，這些水凝可固化混合物實(shí)質(zhì)上是按照實(shí)施例72-75的步驟制備的。
由于混合物中摻入了一定量的空氣并有效地填充了玻璃球，所以這些實(shí)施例中制得的材料質(zhì)量很輕且很絕緣。為了最大地發(fā)揮水凝可固化混合物在所得到的組合物中的作用，這些實(shí)施例的水凝可固化混合物指示了填料的填充量。盡管在許多情況下實(shí)施例83的水凝可固化混合物是一很好的組合物，但卻沒有顯示出與實(shí)施例80-82的水凝可固化混合物相同的絕緣能力。
與實(shí)施例76-79的板相比，實(shí)施例80-83的板甚至更輕且更絕緣。但是這些板比含更多量水泥的板的強(qiáng)度要差些。
實(shí)施例84-87水凝可固化板是通過下述方法形成的將水凝可固化混合物流過一對滾柱之間而成形為板材，然后在一對壓模之間加壓而形成所需的板。對于每個(gè)實(shí)施例，水凝可固化混合物所含的成分如下玻璃球?qū)嵤├?xì)球 中間球 粗球 鋁NaOH84271g 624g 422g 1.0g 14.3g85271g 624g 422g 1.5g 22.6g86271g 624g 422g 2.0g 22.6g87271g 624g 422g 0.0g 0g在每個(gè)實(shí)施例中，均有1Kg卜特蘭白水泥和1.42Kg水，水與水泥的比例為1.42。將100g TyloseFL 15002和60g蕉麻纖維分別加入到各混合物中去。水凝可固化混合物實(shí)質(zhì)上是按照實(shí)施例72-75的步驟制備的。盡管這些水凝可固化混合物的水與水泥的比例很高，它們還是通過拉坯成形容易地?cái)D壓并造型。
在實(shí)施例84-87的各個(gè)水凝可固化混合物中，玻璃球總量的重量百分比為9.7％。
由于混合物中摻入了一定量的空氣并有效地填充了玻璃球，所以這些材料很輕且很絕緣。為了最大地發(fā)揮水凝可固化混合物在所得到的組合物中的作用，這些實(shí)施例的水凝可固化混合物指示了填料的填充量。盡管在許多情況下實(shí)施例87的水凝可固化混合物是一很好的組合物，但卻沒有顯示出與實(shí)施例84-86的水凝可固化混合物相同的絕緣能力。
與實(shí)施例80-83的板相比，實(shí)施例84-87的板還要更絕緣且更輕。然而這些板比含更多量水泥的板的強(qiáng)度要差些。
實(shí)施例88-89含下列組分的水凝可固化混合物被用來模制板材Tylose實(shí)施例 水泥水蕉麻纖維 表面活性劑FL150028810Kg23.0Kg300g 200g 300g8910Kg20.0Kg300g 200g 300g在這些實(shí)施例中，利用微細(xì)水泥來制造板材。水凝可固化混合物是通過在上文討論過的高能攪拌器中將組分?jǐn)嚢璐蠹s10分鐘制得的，該攪拌器可從E.Khashoggi Industries買到。此高能高速攪拌器將大量空氣引入到水凝可固化混合物中去；在水凝可固化混合物中，利用表面活性劑帶走空氣并利用Tylose穩(wěn)定。
所得的水凝可固化混合物通過一對滾柱，從而成形為板(1mm)。然后對薄板進(jìn)行刻痕、折疊成谷類箱的形狀并利用現(xiàn)有的粘合技術(shù)粘合在一起。通過將其穿過一熱通道交替地硬化這些產(chǎn)品，這樣有助于去除多余的水且增加其濕態(tài)強(qiáng)度。
實(shí)施例90-91利用含下列組分的水凝可固化混合物制得水凝可固化板Tylose石墨實(shí)施例水泥水 FL 15002纖維 表面活性劑90 4.23Kg 8.1Kg 120g 260g135g91 10.0Kg 20.0Kg300g 300g300g混合步驟和所用的水凝水泥與實(shí)施例88和89相同。但是，由于是石墨纖維，所以混合物不如不含石墨纖維的材料那樣容易發(fā)泡，也不象那樣質(zhì)輕和絕緣。所得的水凝可固化混合物流過一對滾柱，從而成形成板(1mm)，將其折疊成谷類箱的形狀并利用現(xiàn)有的粘合技術(shù)粘合在一起。通過將其穿過一熱通道交替地硬化這些產(chǎn)品，這樣有助于去除多余的水且增加其濕態(tài)強(qiáng)度。
得到的水凝可固化材料仍具有高的絕緣性，其堆積比重約在0.25-0.4范圍之內(nèi)。
實(shí)施例92采用實(shí)施例90中的步驟由水凝可固化混合物形成水凝可固化板，所不同的就是在水泥、水和Tylose的“泡沫”混合物中加入約1.2Kg的玻璃球。所得到的板的絕緣能力與標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯泡沫板相比沒有顯著的不同。在150℃下將本實(shí)施例的板置于一爐中3小時(shí)，而且仍然能用裸露的手指拿開。
下列的實(shí)施例是關(guān)于用于制造干薄板的水凝可固化組合物，然后再將其加工成所需的制品。
實(shí)施例93通過模壓水凝可固化混合物形成薄水凝可固化板，該混合物含下列成分卜特蘭白水泥1.0Kg水 2.5KgTyloseFL 15002 200g空心玻璃球(＜100微米) 1.0Kg蕉麻纖維5％(體積)水凝可固化混合物由下述方法制成預(yù)濕蕉麻纖維(該纖維由制造商預(yù)處理以使大于85％的纖維素為α-氧化纖維素)，然后將過量的水和纖維加入到Tylose和卜特蘭水泥的混合物中去。此混合物在相對高的速度下攪拌大約10分鐘，然后再在空心玻璃球加入后在相對低的速度下攪拌10分鐘。得到的水凝可固化混合物的水與水泥的比例約為2.5。
該混合物通過一對滾柱之間，形成約1mm厚的板。濕的板經(jīng)刻痕后折疊成一個(gè)箱子。然而，這樣會(huì)有明顯的裂縫，不能形成具有足夠強(qiáng)度和完好的箱子。
此后，薄板首先被硬化，然后再經(jīng)刻痕。折疊成箱的形狀并用文中公開的粘合方法粘合在一起。折疊時(shí)裂開的量可以忽略，這就表明優(yōu)選地在將板進(jìn)行一些硬化或固化處理之后再進(jìn)行刻痕和折疊。薄板被制成箱子，該箱子與當(dāng)今使用的由厚硬紙板厚料制成的干燥谷類箱子具有相同的形狀、外觀和重量。
實(shí)施例94在實(shí)施例93中形成的干燥薄板被切割成適當(dāng)?shù)男螤?，滾壓成一杯子，再用現(xiàn)有的粘合方法粘合。實(shí)施例93和94表明制造與當(dāng)今使用的由厚硬紙板、紙或塑料制成的具有類似形狀的箱子、杯子或其它容器是可能的。
下列的實(shí)施例說明能夠制造具有高韌性和強(qiáng)度的撓性水凝可固化材料。它們可用在制造容器中，其中的彈性和撓性是重要的判據(jù)。
實(shí)施例95-99撓性板是由含下列成分的水凝可固化混合物成形的實(shí)施例塑料球水泥水 Tylose950.12Kg1.0g2.0Kg0.1Kg960.1213Kg 0.8g2.0Kg0.1Kg970.1225Kg 0.6g2.0Kg0.1Kg980.1238Kg 0.4Kg 2.0Kg0.1Kg990.1251Kg 0.2g2.0Kg0.1Kg“塑料球”是由聚丙烯制成的，其平均粒徑小于100微米、平均密度為0.02g/cm3。根據(jù)實(shí)施例93中的步驟混合水凝可固化混合物，然后再成形板。與先前的混合設(shè)計(jì)相比，水凝可固化薄板強(qiáng)度相對高且很具撓性。由實(shí)施例95制得的板的抗壓強(qiáng)度為2MPa、抗拉強(qiáng)度為1MPa。令人驚奇的特征是其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為同一數(shù)量級，這對多數(shù)水泥制品來說是非常不一般的。一般地，抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。當(dāng)水泥的加入量減小時(shí)，抗壓和抗拉強(qiáng)度以一增量下降，實(shí)施例99的板的抗拉強(qiáng)度為0.5MPa。
這些包裝材料可以壓縮，而不象早先的實(shí)施例中的無撓性的水凝可固化相應(yīng)物那樣碎散，即使是承受比泡沫聚苯乙烯容器材料通常經(jīng)受的力更大。撓性水凝可固化材料可以交替地?cái)D壓成矩形成型棒材的形狀，這就更加說明了由該混合物制得的柔韌性是可以接受的。
由這些實(shí)施例制得的水凝可固化包裝材料的密度在0.1-0.6g/cm3之間，此密度隨著使用的水泥的減少而降低。
實(shí)施例100-104根據(jù)實(shí)施例95-99制造撓性水凝可固化容器材料，所不同的就是在水凝可固化混合物中以下列量加入預(yù)濕過的蕉麻纖維，以單位體積測量實(shí)施例 蕉麻纖維100 2％101 4％102 6％103 8％104 10％利用高剪切攪拌器在水凝可固化混合物中充分分散纖維。由此制得的水凝可固化板和矩形棒材與實(shí)施例95-99中的實(shí)質(zhì)上具有相同的密度和撓性，只是抗拉強(qiáng)度隨著蕉麻纖維的量的增加而增加。這里形成的材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)5MPa。
實(shí)施例105水凝可固化容器是利用實(shí)施例95-104中提出的任何一種組合物和步驟形成的，所不同的就是塑料球集中在水凝可固化混合物的表面附近，這樣就可以得到塑料球集中在最終硬化制品表面或其附近的模制材料。這樣形成的容器的水泥基體表面附近的塑料球濃度較高，表面附近的撓性更為重要；而包裝材料的中心實(shí)際上不含塑料球，中心的撓性不太重要。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)就在于在整個(gè)組合物中含相同數(shù)量或更少量的塑料球的情況下，其表面的撓性更大。與此同時(shí)，容器器壁中心的硬度使其與上述硬度更大的容器具有相同的耐用性和堅(jiān)韌性。
下面的實(shí)施例是利用比重相對高的水凝可固化混合物，只是該混合物形成了固體產(chǎn)品如多孔結(jié)構(gòu)，此固體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間很高。所述空間降低了最終產(chǎn)品的堆積比重，因此質(zhì)量更輕而又強(qiáng)度很高且非常耐用。
實(shí)施例106由含下列成分的水凝可固化混合物擠壓出一多孔包裝結(jié)構(gòu)卜特蘭白水泥 4.0Kg細(xì)沙 6.0Kg水 1.5KgTyloseFL 15002200g水凝可固化混合物是通過下述方法形成的利用高速攪拌器將這些成分混合在一起10分鐘，從而獲得非常均質(zhì)的混合物。然后水凝可固化混合物被擠壓形成具有很高抗壓強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)。由于是多孔結(jié)構(gòu)，凝固過的材料很輕，其塊密度僅有1.02g/cm3。進(jìn)一步地，凝固過的材料的抗壓強(qiáng)度約為75MPa。根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間量，任何地方的塊密度可在0.5-1.6g/cm3范圍內(nèi)變化。
這些材料能夠被用來形成許多制品的強(qiáng)度很高而又質(zhì)量很輕的壁，所述制品包括包裝和緩沖材料以及容器。
實(shí)施例107-109根據(jù)實(shí)施例106形成水凝可固化混合物，所不同的就是蕉麻纖維以下列含量包括在水凝可固化混合物中，其中含量是以水凝可固化混合物的體積百分比測量實(shí)施例蕉麻纖維107 1％108 2％109 3％由于多孔結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用，不論是生坯狀態(tài)還是它們凝固后，所得的多孔結(jié)構(gòu)均具有高強(qiáng)度。這些實(shí)施例形成的多孔結(jié)構(gòu)比實(shí)施例106更有延性，而其抗壓強(qiáng)度可望甚至更大。這些材料可被用來形成強(qiáng)度很高而又相對質(zhì)輕的更大食品和酒精飲料的包裝容器的器壁。
實(shí)施例110-112根據(jù)實(shí)施例106形成水凝可固化混合物，所不同的就是玻璃纖維以下列含量包括在水凝可固化混合物中，其中含量是以水凝可固化混合物的體積百分比測量實(shí)施例 玻璃纖維110 1％111 2％112 3％由于多孔結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用，不論是生坯狀態(tài)還是在它們凝固后，所得的多孔結(jié)構(gòu)均具有高強(qiáng)度。這些實(shí)施例形成的多孔結(jié)構(gòu)比實(shí)施例106更有延性，而其抗壓強(qiáng)度可望甚至更大。這些材料可被用來形成強(qiáng)度很高而又相對質(zhì)輕的更大食品和飲料的包裝容器的壁。
實(shí)施例113利用任何前述組合物可以形成在兩平板之間含有夾入的切槽內(nèi)結(jié)構(gòu)的成波紋狀的水凝可固化板。外平板是通過將一層材料板壓延成一適當(dāng)厚度的平板形成的。波紋或切槽的內(nèi)平板(與一般的厚硬紙板箱的切槽或波紋內(nèi)平板類似)是通過將適當(dāng)厚度的硬化或再濕水凝可固化平板通過一對具有網(wǎng)眼波紋表面或齒狀物的滾柱形成的。
在波紋板的表面上使用粘合劑，粘合劑夾在兩平板之間，然后再硬化。
實(shí)施例114利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物壓制或模制成紙板形。根據(jù)所用的組合物，紙板將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例115利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成板條箱形。這可通過擠壓多孔結(jié)構(gòu)或波紋板或者通過模制適當(dāng)強(qiáng)度的任何其它適宜的結(jié)構(gòu)而進(jìn)行。根據(jù)所用的組合物，板條箱將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例116利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制或壓制成蓋形。根據(jù)所用的組合物，蓋將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例117利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成隔板形。根據(jù)所用的組合物，隔板將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例118利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成襯板形。根據(jù)所用的組合物，襯板將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例119利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成箱形。這可通過擠壓和/或壓延和/或刻痕和/或折疊來完成。根據(jù)所用的組合物，箱子將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度。
實(shí)施例120利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成瓶形。根據(jù)所用的組合物，瓶子將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度。
實(shí)施例121利用任何前述組合物，將水凝可固化混合物模制成器皿的形狀。根據(jù)所用的組合物，器皿將會(huì)顯示出高強(qiáng)度、高耐用性、高撓性、低重量和/或低密度的特點(diǎn)。
實(shí)施例122-139由不同厚度的水凝可固化薄板制造食品和飲料容器，所述薄板是由含下列成分的水凝可固化混合物成形的卜特蘭水泥1.0Kg珍珠巖0.5Kg云母 0.5Kg纖維(南方松樹)0.25KgTyloseFL15002 0.2Kg水2.5Kg在高剪切攪拌器中將卜特蘭水泥、云母、纖維、Tylose和水一起混合5分鐘，然后加入珍珠巖，所得混合物再在低剪切攪拌器中混合5分鐘。接著將水凝可固化混合物置于螺旋擠壓機(jī)中，通過具有縫形開口的塑模擠壓。寬300mm、厚6mm的連續(xù)薄板被擠壓出來。
此后，將薄板通過一對或多對減速滾柱之間，從而分別獲得0.2mm、0.3mm、0.4mm和0.5mm的最后厚度的薄板。滾柱直徑為17cm且由拋光鎳鍍層的不銹鋼制成，這樣有助于防止水凝可固化混合物粘在滾柱上。另外，為了進(jìn)一步防止混合物和滾柱之間粘合，將滾柱加熱到110℃的溫度。
為了獲得所需厚度的薄板，使用滾柱之間的間距逐漸變小的壓延滾柱對一步一步地減薄擠壓薄板。薄板厚度以下列尺寸降低6mm2mm0.5mm0.4mm或0.3mm或0.2mm擠壓步驟與壓延步驟的組合得到了實(shí)質(zhì)上具有沿薄板長度方向(或延伸方向)的單向取向纖維的薄板。正因?yàn)榇?，薄板長度方向的抗拉強(qiáng)度(10-12MPa)要高于寬度方向的抗拉強(qiáng)度(5-6MPa)。
硬化水凝可固化薄板被拋光、上涂層，然后再成形為大量不同食品和飲料的容器。例如，“冷杯”(如快餐廳配制的冷軟飲料的容器)就是通過下述方法制造的從薄板切割適當(dāng)?shù)男螤睿痪沓杀瓲?；利用常?guī)的水基粘合劑粘合卷好的薄板的端部；在杯的端部放一圓片；為了使杯底能夠放得住，把卷好的杯壁部分的底部翻邊；將杯子邊緣卷邊，從而加強(qiáng)其邊緣并得到一個(gè)更為圓滑的飲用面。使用厚度為0.3mm及0.4mm的薄板。
當(dāng)在邊緣以下1英寸處施加一恒力時(shí)，其偏斜量與常規(guī)紙杯是相當(dāng)?shù)?。?dāng)將含亞甲藍(lán)和0.1％表面活性劑的水溶液置于未上涂層的水凝可固化杯中5分鐘時(shí)，杯子并不滲漏。當(dāng)然，任何可發(fā)生的滲漏均能由適當(dāng)?shù)耐繉觼眍A(yù)防。
“蛤殼”容器(如現(xiàn)在用在快餐食品工業(yè)中包裝漢堡包的容器)是通過下述方法制造的從薄板上剪下適當(dāng)?shù)男螤?；刻切板而形成所需的折疊線；將板折疊成蛤殼容器的形狀；粘合折疊過的薄板的端部(利用粘合和咬合折板方法)，從而保持容器的完整。使用厚度為0.4mm和0.5mm的板。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)板與其修剪一側(cè)相對的一側(cè)更容易彎曲或折合在一起。必須注意的是，常規(guī)材料的正?？毯垡话銜?huì)允許板被刻痕的一側(cè)更容易彎曲或折合在一起。與紙蛤殼相比，所得到的蛤殼容器顯示出相當(dāng)或更好的絕熱性能。
法式油煎食品容器(如用在快餐食品工業(yè)中烹調(diào)法式油煎食品容器)是通過下述方法制造的從薄板上剪下適當(dāng)?shù)男螤?；刻切薄板形成所需的折疊線；將薄板折疊成法式油煎食品容器的形狀；利用粘合方法將折疊過的薄板端部粘合，保持容器的完整。使用厚度為0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm和0.5mm的薄板來制造法式油煎食品容器。
冷凍食品箱(如超級市場用于包裝如蔬菜或法式油煎食品冷凍食品的容器)是通過下述方法制造的從板上剪下適當(dāng)?shù)男螤?；將板刻切成所需的折疊線；將板折疊成冷凍食品箱的形狀；利用粘合方法將折疊過的板端部粘合，維持容器的完整。使用厚度為0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm和0.5mm的板來制造冷凍食品箱。
低溫谷類箱是通過下述方法制造的從板上剪下適當(dāng)?shù)男螤?；刻切板而形成所需的折疊線；將板折疊成低溫谷類箱的形狀；利用粘合方法將折疊過的板端部粘合，保持容器的完整。使用厚度為0.3mm的板。
吸管(straw)是由下述方法制造的將0.25mm板卷成吸管，利用現(xiàn)有的粘合方法將其端部粘合起來。正如上述的制造各容器，制造吸管的優(yōu)點(diǎn)是為了使板暫時(shí)具有更高的撓性，可以將板再濕一些。這就使得板的裂縫和撕壞現(xiàn)象減小。盡管如此，在沒有可見的撕壞和裂縫的前提下，不再濕板卷制和翻邊也是可能的。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)所述容器在水存在一定時(shí)間下就會(huì)被破壞，破裂的平均時(shí)間為1天。制造容器的修剪板的多余廢料可通過簡單的破壞方式容易地再循環(huán)而混回至水凝可固化混合物中去。
制造的各種容器如下所列，包括用來制造各種容器的板的厚度實(shí)施例 容器 板厚122低溫杯0.3mm123低溫杯0.4mm124蛤殼 0.4mm125蛤殼 0.5mm126法式油煎食品箱0.25mm127法式油煎食品箱0.3mm
128法式油煎食品箱0.35mm129法式油煎食品箱0.4mm130法式油煎食品箱0.45mm131法式油煎食品箱0.5mm132令凍食品箱0.25mm133令凍食品箱0.3mm134令凍食品箱0.35mm135令凍食品箱0.4mm136冷凍食品箱0.45mm137冷凍食品箱0.5mm138低溫谷類箱0.3mm139飲用吸管 0.25mm實(shí)施例140可以用印制普通紙板的常規(guī)印制模壓來印制實(shí)施例122-139的容器所使用的水凝可固化板。與用普通紙板相比，油墨能很快或更快地干。之后印制過的板可與沒有印制過的板一樣被用來制造上文所列的任何容器。
實(shí)施例141根據(jù)實(shí)施例122中的步驟，將實(shí)施例140得到的印制過的水凝可固化板制成杯子的形狀，不同的是在杯頂翻邊步驟之前利用礦物油潤滑劑處理頂部邊緣。盡管如此，如上所述，在沒有礦物油的條件下，翻邊也是可能的。此杯子具有快餐食品工業(yè)中商用所必需的重量、強(qiáng)度和防水等性能，包括標(biāo)記信息。
實(shí)施例142用按實(shí)施例122-139制得的板制造蛤殼容器。測試板，從而確定最容易彎曲的允許的最大刻切深度，與此同時(shí)離開節(jié)點(diǎn)具有最大的強(qiáng)度和回彈能力。測試時(shí)的刻痕深度在20％至50％范圍，發(fā)現(xiàn)刻痕深度為25％時(shí)的結(jié)果最好。另外，還發(fā)現(xiàn)板越厚(0.4-0.5mm)，越好刻痕且得到的蛤殼容器強(qiáng)度越大、越硬實(shí)。
實(shí)施例143利用實(shí)施例122-139的板制造蛤殼，不同的是使用了三分反向節(jié)點(diǎn)(triple reverse hinge)。也就是在蛤殼容器的外表側(cè)切了一系列的三刻切痕(three score Cuts)。由于降低了各單個(gè)刻痕線必須彎曲的距離，所以所得到的節(jié)點(diǎn)可以在不被破壞的情況下比單個(gè)刻切節(jié)點(diǎn)能夠打開和關(guān)閉更多次。
實(shí)施例144將根據(jù)實(shí)施例122和123制得的低溫杯子通過一工業(yè)蠟涂層機(jī)，一均勻的蠟層施加到杯子表面上。蠟層使得杯子表面完全密封防潮并使其不透水。
實(shí)施例145利用細(xì)噴嘴將按實(shí)施例122和123制得的低溫杯涂上丙烯酸酯涂層。正如實(shí)施例144中蠟的作用，丙烯酸酯涂層使得杯子表面完全密封防潮并使其不透水。然而，丙烯酸酯涂層具有不象蠟涂層可見的優(yōu)點(diǎn)。由于丙烯酸酯涂層更薄是可能的，所以杯子看上去似乎沒有涂層。杯子的光澤度可由使用不同類型的丙烯酸酯涂層來控制。
實(shí)施例146利用細(xì)噴嘴將按實(shí)施例122和123制得的低溫杯涂上商用蜜胺涂層。正如實(shí)施例144和145，蜜胺涂層使得杯子表面完全密封防潮并使其不透水。然而，蜜胺涂層也具有不大可見的優(yōu)點(diǎn)，而且可以比蠟涂層涂得薄些。杯子的光澤度可由使用不同類型的蜜胺涂層來控制。
實(shí)施例147按實(shí)施例122和123制得的低溫杯周圍全部涂上了由聚乙二醇增塑的羥甲基纖維素混合物組成的優(yōu)質(zhì)涂層。此涂層使得杯子表面完全密封防潮并使其不透水。然而，與涂有蠟、丙烯酸酯或蜜胺的杯子相比，表面看上去更自然且光澤要小些。
實(shí)施例148-151按實(shí)施例124和125制得的蛤殼容器分別涂上與用在實(shí)施例144-147的低溫杯上的涂層相同的涂層材料。結(jié)果實(shí)質(zhì)上表明與杯子涂層所得到的結(jié)果相同。
實(shí)施例 涂層材料148 蠟149 丙烯酸酯150 蜜胺151 增塑羥甲基纖維素實(shí)施例152-155按實(shí)施例126-131制得的法式油煎食品容器分別涂上與用在實(shí)施例144-147的低溫杯上的涂層相同的涂層材料。結(jié)果實(shí)質(zhì)上與杯子涂層所得到的結(jié)果相同。
實(shí)施例 涂層材料152 蠟153 丙烯酸酯154 蜜胺155 增塑羥甲基纖維素實(shí)施例156-159按實(shí)施例132-137制得的冷凍食品容器分別涂上與用在實(shí)施例144-147的低溫杯上的涂層相同的涂層材料。結(jié)果實(shí)質(zhì)上與杯子涂層所得到的結(jié)果相同。
實(shí)施例涂層材料156 蠟157 丙烯酸酯158 蜜胺159 增塑羥甲基纖維素實(shí)施例160-163由實(shí)施例138制得的低溫谷類箱分別涂上與用在實(shí)施例144-147的低溫杯上的涂層相同的涂層材料。結(jié)果實(shí)質(zhì)上與杯子涂層所得到的結(jié)果相同。
實(shí)施例涂層材料160 蠟161 丙烯酸酯162 蜜胺163 增塑羥甲基纖維素實(shí)施例164-167按實(shí)施例139制得的飲用吸管分別涂上與實(shí)施例144-147的低溫杯上的涂層相同的涂層材料。雖然以此方法適當(dāng)?shù)赝可w吸管內(nèi)層更困難些，但對于其外表面來說，其結(jié)果實(shí)質(zhì)上與杯子涂層所得到的結(jié)果相同。
實(shí)施例 涂層材料164蠟165丙烯酸酯166蜜胺167增塑羥甲基纖維素實(shí)施例168利用實(shí)施例122-139中提出的相同攪拌方案來制造厚度在0.25mm至0.5mm之間不同的板。混合、擠壓和壓延過程均各自相同。每種厚度的干薄板被截成圓形，利用工業(yè)機(jī)械壓機(jī)將其變成紙板，此壓機(jī)上安裝有用于由紙料制造此類板的順序模。與普通紙板相比，模壓水凝可固化板的細(xì)節(jié)顯得很完美且其形狀、強(qiáng)度和外觀實(shí)質(zhì)上很相似。然而，水凝可固化板比普通紙板更硬實(shí)，因此當(dāng)將食品放在板上或板內(nèi)時(shí)具有更好的結(jié)構(gòu)完整性。
實(shí)施例169在將干板壓成板材前，先將由實(shí)施例168得到的干板浸水，使其再含有原始干板重量5％的水(應(yīng)記住即使是感覺到板已經(jīng)干燥并且具有最大的堅(jiān)硬性，所述的“干”板在其水凝可固化結(jié)構(gòu)基體中仍含有水)。加入的水有助于板變得更具撓性(即，破裂前更高的拉伸量)，這就使其比由相同方法得到的普通紙板具有更好的模槽和清晰度。壓機(jī)被加熱到200℃，在很短的壓制時(shí)間(＜1秒)時(shí)，多余的水就通過熱模的排氣孔中蒸發(fā)出去，從而獲得比紙具有更高堅(jiān)硬性的干燥制品。
實(shí)施例170在將干板壓成板材前，先將由實(shí)施例168得到的干板浸水，使其再含有原始干板重量10％的水。盡管模槽和清晰度能比得上實(shí)施例169的結(jié)果，但是加入的水有助于板變得更具撓性。加入多余水的結(jié)果會(huì)使模壓時(shí)要花去一點(diǎn)時(shí)間排去多余的水并形成實(shí)質(zhì)上是干燥的板材。結(jié)果發(fā)現(xiàn)模壓時(shí)間可通過升高模壓的溫度而減少。最后制品的挺度比所比較的紙板更高。
實(shí)施例171在將干板壓成板材之前，先將由實(shí)施例168得到的干板浸水，使其再含有原始干板重量20％的水。加入的水有助于板變得比實(shí)施例170的板更具撓性，從而使得模壓方法屬于濕板模壓法，而不是干板模壓法。由于壓制材料上沒有諸如此類的折疊線，所以得到的制品優(yōu)于紙模壓法。最后制品的挺度比所比較的紙板更高。
實(shí)施例172在將干板壓成板材之前，先將由實(shí)施例168得到的干板浸水，使其再含有原始干板重量30％的水。盡管模制過程和結(jié)果相似，但是所加入的水有助于板變得比實(shí)施例171的板還要更具撓性一些。由于壓制材料上沒有諸如此類的折疊線，所以得到的制品優(yōu)于紙模壓法。由于多余的水，所以模壓過程花費(fèi)的時(shí)間要比用少量水濕潤薄板的長一點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)將模子加熱到高一點(diǎn)的溫度會(huì)減少模壓時(shí)間。最后制品的挺度比所比較的紙板要高。
實(shí)施例173重復(fù)實(shí)施例168-172過程的各個(gè)步驟，不同的是在將板如上壓成板材前，將板的一面涂上工業(yè)丙烯酸酯涂層。在再濕板的情況下，水被噴在與涂有涂層一面相對的一面上。涂層使板材具有一更光澤的表面并使其更防水。
實(shí)施例174重復(fù)實(shí)施例168-172過程的各個(gè)步驟，不同的是在將板如上壓成板材之前，將板的一面涂上工業(yè)聚乙烯涂層。在再濕板的情況下，水被噴在與涂有涂層一面相對的一面上。涂層使板材具有一更光澤的表面并使其更防水。
實(shí)施例175-181重復(fù)實(shí)施例168-174中提出的過程，不同的是利用由紙料制造不回收紙碗的常規(guī)壓制法將板壓制成碗形。水凝可固化碗的直徑為15cm、深度為3cm。由于由板形成碗需要更深的模槽以及更大的彎曲和變形程度，加入水量少于10％的板就產(chǎn)生了一些缺陷。然而，與由紙制造的碗相比，使用至少10％的加水量可得到模槽更好、不需折疊且表面更光滑的好產(chǎn)品。
實(shí)施例加水量 涂層1750％ 無1765％ 無17710％無17820％無17930％無180變量丙烯酸酯181變量聚乙烯實(shí)施例182-188重復(fù)實(shí)施例168-174中提出的模制過程，不同的是板被壓成一兩部早餐大淺盤的形狀，所述兩部早餐大淺盤包括頂部和底部。頂部長20cm、深3.5cm，底部長21cm、深1.0cm。使用0.8mm厚的板，每個(gè)所述大淺盤的重量在12-15g之間。盡管它們與用在快餐食品工業(yè)中的現(xiàn)有早餐大淺盤的重量相似，但是它們更不容易損壞。
頂部和底部在尺寸上是互補(bǔ)的，它們可通過頂部一側(cè)的接頭和底部一側(cè)的溝槽絞接在一起而形成一閉合的容器。產(chǎn)品的撓性足以在壓碾時(shí)不會(huì)發(fā)生破碎失敗的現(xiàn)象。具有涂層的產(chǎn)品顯示出涂層與水凝可固化結(jié)構(gòu)基體之間的協(xié)合作用。由于彈性涂層的高延伸率，產(chǎn)品在被破壞前變得更結(jié)實(shí)、更具韌性且更具彈性。
實(shí)施例加水量 涂層1820％ 無1835％ 無18410％無18520％無18630％無
187變量丙烯酸酯188變量聚乙烯實(shí)施例189利用實(shí)施例182-188中提出的混合方案制造兩部早餐大淺盤，不同的是不是采用先干燥壓延板再重新濕潤壓延板，而是直接將濕的板模壓成早餐大淺盤的形狀。濕的板容易模制并且只能導(dǎo)致少量的表面和結(jié)構(gòu)缺陷。由本實(shí)施例制得的早餐大淺盤的厚度為0.5mm，所述大淺盤與先前實(shí)施例制得的大淺盤具有相似的重量和絕熱性能。
將上述的容器置于微波爐中測試其微波相容性；也就是說，當(dāng)容器和食品暴露在微波輻射下，測定容器本身或者裝在里面的食品能否變熱。
盡管水凝可固化結(jié)構(gòu)基體中含少量的水，容器可能會(huì)吸收一些射線并變熱，但事實(shí)上，容器本身仍然是保持涼的。由于材料的低介電常數(shù)，全部能量都吸入食品中而不是容器中。
由于相同的原因，微波烘烤初始階段凝縮到容器表面的蒸汽會(huì)在進(jìn)一步微波烘烤下很快地蒸發(fā)掉。因此，當(dāng)食品容器敝開時(shí)，在微波烘烤過程之后，容器表面不再有濃縮蒸汽存在。當(dāng)容器打開時(shí)，任何過量的蒸汽都蒸發(fā)出去；只留下外觀和味道都較好的食品。與聚乙烯容器形成顯明的對比，聚乙烯容器趨向于在容器表面上聚積大量的凝縮蒸汽，因此提供了一些“烘不透的”、不大需要的食品制品。另外，如果加熱時(shí)間過長，聚乙烯容器經(jīng)常會(huì)熔化。
本發(fā)明的水凝可固化材料的比熱相對較低，約為0.9J/g.k；其導(dǎo)熱系數(shù)也低，0.06-0.14W/m.k。這就可以在微波烘烤過程中只有少量的熱量由食品傳給容器。所以可在任何情況下將容器從微波爐中取出而不燙手。當(dāng)容器從微波爐中取出后，容器會(huì)慢慢變熱(通過吸收食品里的一些熱量)，但絕不會(huì)變得熱得不可摸。
實(shí)施例190從含下列成分的水凝可固化混合物制造用于形成各種食品和飲料容器的象紙一樣的平薄板卜特蘭水泥1.0Kg珍珠巖0.3Kg空心玻璃球(＜ 0.8Kg0.1mm)云母 0.5Kg纖維(南方松樹)0.25KgTyloseFL15002 0.2Kg水2.6Kg在高剪切攪拌器中將水泥、云母、纖維、Tylose和水一起混合5分鐘，然后加入珍珠巖和空心玻璃球，所得混合物在低剪切攪拌器中混合。利用螺旋擠壓機(jī)和塑模將此混合物擠壓成寬30cm、厚0.6cm的薄板。為了將薄板的厚度降低至0.1mm-2mm之間，薄板被一步一步地通過加熱過的滾柱對之間。
由于空心玻璃球的比表面積(200-250m2/Kg)比珍珠巖低，與實(shí)施例122-139的混合方案相比，實(shí)施例190的混合物得到的產(chǎn)品具有更均勻的厚度，其最后的表面也得到了改善。當(dāng)與熱的壓延滾柱相接觸時(shí)，減小了的聚積體比表面積會(huì)降低需除去的水分含量。因此使材料保持了更好的可模制性、最大的流變，從而在壓延過程中會(huì)引起更少的微缺陷以及更好的均勻性。
實(shí)施例191用制造工業(yè)紙杯的機(jī)器，將由實(shí)施例190制得的薄板截?cái)?、卷制及粘合?0盎司的飲用杯。為了保證更防水，將杯子交替地涂上蠟涂層。
實(shí)施例192重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是利用0.5Kg高嶺土代替云母。利用這種交替混合方案制得的板比使用云母制得的板的表面更光澤。更光澤的表面是這樣獲得的當(dāng)板一步一步地通過一對壓延滾柱時(shí)，更細(xì)的高嶺土顆粒在薄板表面上排列成行，所述壓延滾柱也起著一對光滑滾柱的作用。
實(shí)施例193重復(fù)實(shí)施例192的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是使用1.0Kg的高嶺土。使用此增加了的高嶺土量模制的板具有比僅使用0.5Kg高嶺土的板更光滑的表面。
實(shí)施例194重復(fù)實(shí)施例192的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是使用1.5Kg的高嶺土。使用此增加了的高嶺土量模制的板具有比僅使用0.5Kg和1.0Kg高嶺土的板更光滑的表面。然而，高嶺土的量增加會(huì)使得到的板更脆。另外，當(dāng)板通過壓延滾柱間時(shí)，由于比表面積增加，干燥缺陷會(huì)成為一些問題。
實(shí)施例195重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，不同的是珍珠巖包括在內(nèi)且云母的量增加到了1.5Kg。利用此交替混合方案制得的板更光滑。然而，水凝可固化結(jié)構(gòu)基體更密實(shí)且更脆。另外，干燥缺陷增加。板可以卷制成杯子，但具有裂紋的表面小缺陷。頂部的卷邊也不比實(shí)施例122和123那樣成功。
實(shí)施例196重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是珍珠巖的量增至1.0Kg。由此制得的板和容器具有稍低一些的密度，但其強(qiáng)度和韌性也要稍低一些。
實(shí)施例197重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是珍珠巖的量增至0.75Kg。由此制得的板和容器具有稍低一些的密度，但其強(qiáng)度和韌性也要稍低一些。但是，其強(qiáng)度特征要比實(shí)施例196中使用1.0Kg珍珠巖的強(qiáng)度特征稍好一些。
實(shí)施例198重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是珍珠巖的量減至0.25Kg。由此制得的板和容器具有更高的纖維含量、稍高的密度，但其強(qiáng)度和韌性更大。
實(shí)施例199重復(fù)實(shí)施例122-139的混合方案和模制過程的各個(gè)步驟，只是從原混合方案中去除了珍珠巖。由此制得的板和容器具有稍高的密度，但其強(qiáng)度和韌性更大。
下列的實(shí)施例是一些試驗(yàn)，目的是選擇能獲得具有優(yōu)選性能判據(jù)的產(chǎn)品的最佳混合方案。盡管在下列試驗(yàn)實(shí)施例中只是制得的板，但是，利用說明書中提出的任意方法(包括實(shí)施例)將此類板制成適當(dāng)?shù)氖称坊蝻嬃先萜鲬?yīng)當(dāng)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解的。另外，許多混合方案也能夠應(yīng)用于食品或飲料容器的直接模制或濕板模制。
實(shí)施例200-205由含有如下成分的水凝可固化混合物依照實(shí)施例122-139中提出的步驟制造厚度為0.4mm的水凝可固化板卜特蘭水泥 1.0Kg珍珠巖 變量云母0.5KgTyloseFL150020.2Kg纖維(南方松樹) 0.25Kg
水 變量為了確定材料性能(特別是硬化板的強(qiáng)度性能)的影響，本實(shí)施例研究了加入可變量珍珠巖的作用。由于珍珠巖的吸水性能，為了維持混合物的流變和可工作性能在同一水平，必須隨著珍珠巖量的降低而降低水量。各個(gè)實(shí)施例的珍珠巖量和水量如下實(shí)施例 珍珠巖水2000.5Kg2.15Kg2010.4Kg2.05Kg2020.3Kg1.85Kg2030.2Kg1.65Kg2040.1Kg1.50Kg2050.0Kg1.40Kg在實(shí)質(zhì)上是單向方法中，擠壓和壓延過程具有使纖維縱向取向的作用。因此，板具有一“強(qiáng)”的方向和一“弱”的方向。測量了板的兩個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度，0°方向定義為強(qiáng)方向，90°方向定義為弱方向。另外，對于每張板，測量了其破壞前的延伸率以及彈性楊氏模量。
還測試了板中間方向或45°方向上的強(qiáng)度，本實(shí)施例只給出了該方向上例子的測試結(jié)果。盡管按照一般規(guī)律，45°方向上測量結(jié)果更接近于弱方向上的相同性能測量結(jié)果，但是此方向上板的抗拉強(qiáng)度，延伸率和楊氏模量的測量結(jié)果一般介于強(qiáng)方向和弱方向上測量結(jié)果之間。結(jié)果如下強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L)模量(MPa)實(shí)施例 0° 90°0° 90°0° 90°20010.67 5.181.57％ 0.66％ 2297 1375
201 11.2 5.332.38％1.25％21561559202 13.456.272.22％1.00％29561548203 16.067.733.05％1.01％30061674204 17.9110.01.38％0.98％33752605205 13.876.761.03％0.48％30582434這些實(shí)施例揭示出當(dāng)珍珠巖的量減小(纖維的濃度增加)時(shí)，抗拉強(qiáng)度、延伸率和楊氏模量均增加，其中當(dāng)珍珠巖的量減少到一定數(shù)量之下應(yīng)該除外。正如實(shí)施例205，抗拉強(qiáng)度和楊氏模量都能繼續(xù)增加到珍珠巖含量為0。然而，當(dāng)珍珠巖減少(直至少于0.2Kg)時(shí)，材料的延伸能力增強(qiáng)；此后，延伸率將大大下降。在此混合方案中，珍珠巖的量減小到超過一定范圍會(huì)使板中的缺陷量增加，而板的強(qiáng)度、延伸率和彈性將下降。
然而，一般地，當(dāng)珍珠巖量減小時(shí)，纖維，流變調(diào)節(jié)劑以及水凝水泥的濃度將增加，這樣可以增加抗拉強(qiáng)度。另外，增加水泥濃度會(huì)使其挺度(模量)增加，而對產(chǎn)品的延伸能力具有副作用。
另一個(gè)興趣點(diǎn)是在這些板中，強(qiáng)方向和弱方向上的抗拉強(qiáng)度之比僅為約2∶1，而紙產(chǎn)品中的該比例一般地為3∶1。
盡管上面測試的板基本上是干燥的，但是為了獲得最大干燥度的板，將由實(shí)施例200-205制得的板進(jìn)一步在爐子上干燥。將板進(jìn)一步干燥的目的是為了在恒定條件下獲得板更精確的強(qiáng)度及其它性能。根據(jù)混合方案、測量過程中的濕度或者其它變量，板會(huì)吸收或保持一定量的水分。進(jìn)一步干燥過的板的強(qiáng)度、延伸率以及彈性模量結(jié)果如下所示強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L) 模量(MPa)實(shí)施例 0°90°0°90° 0°90°
200 14.01 N/A 1.53％N/A 2559N/A201 13.66.23 1.34％1％ 17992071202 16.81 8.11 1.76％1.08％26591587203 19.32 8.91 1.82％1.16％40021609204 20.25 11.23 1.41％0.63％34481536205 17.5N/A 0.81％N/A 3457N/A正如這些實(shí)施例所示，完全干燥板的延伸率下降了一些，而強(qiáng)度和彈性模量卻增加了。因此，從這些實(shí)施例可以看出，當(dāng)增加的強(qiáng)度和挺度重要時(shí)，板應(yīng)該完全干燥；而當(dāng)增加的延伸率重要時(shí)，可以通過板的濕度來控制延伸率。
實(shí)施例206-210由含下列成分的水凝可固化混合物依照實(shí)施例122-139中提出的步驟制造厚度為0.4mm的水凝可固化板卜特蘭水泥 1.0KgCaCO3(滑石) 變量TyloseFL 150020.20Kg纖維(南方松樹) 0.25Kg水 變量為了確定材料性能(特別是硬化板的強(qiáng)度性能)的影響，本實(shí)施例研究了加入可變量滑石的作用。由于滑石的吸水性能比珍珠巖差，所以為了維持相同水平的流變和可工作性能，無需在降低滑石含量的同時(shí)降低水量。各實(shí)施例中CaCO3和水的量如下實(shí)施例CaCO3水206 5.0Kg2.25Kg
2074.0Kg2.15Kg2083.0Kg2.05Kg2092.0Kg2.00Kg2101.0Kg1.96Kg由不同混合方案形成的各個(gè)完全干燥板的強(qiáng)度、延伸率和楊氏模量如下所示強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L)模量(MPa)實(shí)施例 0°90°0° 90° 0°90°206 11.59 N/A N/A N/A N/AN/A207 16.16 N/A 0.72％ N/A 4638 N/A208 14.82 5.220.97％ 0.42％4521 3521209 20.43 8.261.11％ 0.56％4301 2773210 18.43 7.981.13％ 0.51％3902 3320與使用珍珠巖相比，使用滑石得到的板表面更光滑、更無缺陷，而且微結(jié)構(gòu)更均勻。
實(shí)施例211-217由含下列成分的水凝可固化混合物依照實(shí)施例122-139中提出的步驟制造厚度為0.4mm的水凝可固化板卜特蘭水泥 1.0Kg珍珠巖0.5Kg云母 0.5KgTyloseFL15002 變量纖維(南方松樹)0.25Kg水變量改變Tylose的含量，其目的是為了確定增加水凝可固化混合物中Tylose含量的作用。為了溶解Tylose以及維持其相似的流變和可工作性能，增加混合物中Tylose的量需要添加更多的水。
實(shí)施例 Tylose水211 0.1Kg2.25Kg212 0.3Kg2.75Kg213 0.4Kg3.00Kg214 0.5Kg3.25Kg215 0.6Kg3.50Kg216 0.7Kg3.75Kg217 0.8Kg4.0Kg當(dāng)加入更多的Tylose時(shí)，抗拉強(qiáng)度和延伸率性能會(huì)增加到某一值，而楊氏模量卻會(huì)波動(dòng)。使用不同混合方案制得的經(jīng)爐子干燥的板的測試結(jié)果如下強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L) 模量(MPa)實(shí)施例 0°90°0° 90° 0° 90°211 N/AN/A N/A N/A N/A N/A212 13.84 7.251.41％ 0.75％29541692213 16.43 7.9 1.9％ 0.83％24002075214 21.31 11.58 3.64％ 1.06％33472370215 16.11 10.35 1.84％ 1.13％28161797216 15.73 9.561.81％ 0.93％26901851217 18.86 10.33 2.35％ 1.45％27901570由此可見，增加Tylose的濃度一般趨向于增加抗拉強(qiáng)度、模量以及破壞前的延伸率。延伸能力越高越有利于卷曲由板制成的杯子的邊緣，同時(shí)也提高薄板在刻切處的強(qiáng)度。然而，當(dāng)Tylose濃度增至某一量以上時(shí)，材料會(huì)變得可工作性下降且結(jié)構(gòu)基體中的缺陷變多，這樣板的強(qiáng)度、模量以及延伸率會(huì)降低。盡管如此，缺陷量(以及所得到的強(qiáng)度性能)可以通過優(yōu)化壓延過程而得到改善。
實(shí)施例218基于抗拉強(qiáng)度和延伸率一般會(huì)隨著混合方案中纖維和Tylose量的增加而增加的理解，得到了纖維和Tylose含量為最大的混合方案。水凝可固化混合物包含下列成分卜特蘭水泥 1.0Kg水 2.2Kg珍珠巖 0.1Kg纖維(南方松樹) 0.25KgTyloseFL150020.5Kg擠壓該混合物，然后將通過一連串滾柱對之間，從而得到厚度0.4mm的板。完全干燥的板被發(fā)現(xiàn)具有更大的強(qiáng)度和延伸率性能。強(qiáng)方向的抗拉強(qiáng)度測量為39.05MPa，而弱方向則為18.86MPa；強(qiáng)方向上的延伸率為1.97％，而弱方向則為1.23％；強(qiáng)方向上的彈性模量為3935，而弱方向則為2297，此彈性模量與一般的紙相當(dāng)。
實(shí)施例219-223由含下列成分的水凝可固化混合物依照實(shí)施例122-139中提出的步驟制造厚度為0.4mm的水凝可固化板卜特蘭水泥 1.0Kg空心玻璃球(400psi) 變量TyloseFL150020.2Kg纖維(南方松樹) 0.25Kg
水變量為了確定材料性能(特別是硬化薄板的強(qiáng)度性能)的影響，本實(shí)施例研究了加入可變量空心玻璃球的作用。盡管玻璃球不會(huì)吸收大量的水分，但是當(dāng)玻璃球量減少時(shí)，用來維持相同流變的水量也會(huì)減少，這是因?yàn)槲⒘Ｖg的空間也相應(yīng)減小。各個(gè)實(shí)施例中玻璃球和水的含量如下所示實(shí)施例 玻璃球水2190.5Kg1.6Kg2200.4Kg1.45Kg2210.3Kg1.40Kg2220.2Kg1.35Kg2230.1Kg1.25Kg由不同混合方案制得的各完全干燥板的強(qiáng)度、延伸率和楊氏模量如下所示強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L) 模量(MPa)實(shí)施例 0°90° 0° 90°0°90°219 10.34 3.69 2.2％ 1.52％ 1166 620220 11.1 4.79 2.02％ 1.49％ 1446 677221 12.38 5.71 1.58％ 1.15％ 1800 870222 14.52 6.89 1.5％ 1.1％ 1935 1220223 19.45 9.66 1.54％ 0.96％ 2660 1741由含有玻璃球的實(shí)施例可見，與其它的混合方案相比，彈性模量低得多，而延伸率頗高。因此，板更具韌性和彈性。實(shí)施例219-223中制得的板的絕熱性能很好，系數(shù)K在0.08-0.14W/m.k之間變化。
實(shí)施例224-227由含有如下成分的水凝可固化混合物依照實(shí)施例122-139中提出的步驟制造厚為0.4mm的水凝可固化板卜特蘭水泥 1.0Kg珍珠巖 0.5Kg云母 變量TyloseFL15002 0.2Kg纖維(南方松樹) 0.25Kg水 變量為了確定材料性能(特別是硬化板的強(qiáng)度性能)的影響，本實(shí)施例研究了加入可變量云母的作用。由于云母的吸水性能，為了維持其流變和可工作性能在同一水平，必須隨著云母量的增加而增加水量。各個(gè)實(shí)施例的云母量和水量如下實(shí)施例 云母 水2241.0Kg2.7Kg2251.5Kg2.9Kg2262.0Kg3.0Kg2272.5Kg3.2Kg由不同混合方案形成的各個(gè)完全干燥的板的強(qiáng)度、延伸率和楊氏模量如下所示強(qiáng)度(MPa) 延伸率(ΔL/L)模量(MPa)實(shí)施例 0° 90°0°90° 0°90°224 9.924.61 0.825％ 0.652％ 2127 1257225 9.375.3 0.71％0.49％3079 2188226 11.14 4.05 0.79％0.314％ 3100 1520227 11.41 4.76 0.58％0.32％2693 1282云母濃度增加會(huì)引起板強(qiáng)度增加，而其延伸能力降低。含更多量云母的板變得很脆。
實(shí)施例228-233由組成如下的水凝可固化混合物制得一種紙狀板材波特蘭白水泥 500g碳酸鈣 500g空心玻璃球 500g硬木纖維 500g纖基乙酸鈉(Tylose)FL-15002 300g水 可變量使用由3M制造的抗壓強(qiáng)度為4000psi的P38空心玻璃球。所用水的量取決于所需的流變學(xué)，其范圍為1800-2300g，這樣得到的混合物中水含量約為50％(重量)。若包含更多的水，所得混合物的應(yīng)力和粘度就會(huì)降低，使其更加塑性化和容易熔化或擠壓，但初始形狀的穩(wěn)定性也會(huì)降低。水的最佳用量取決于所采用的成型方法，包括擠壓抗模厚度、輥的咬合程度及輥的溫度。所用水量如下例水2281800g2291900g2302000g2312100g
2322200g2332300g按例122-139所述的步驟將這些可水力凝固的混合物成型為板材。另外，使混合物直接從一對擠壓輥之間通過，也可任選地使其再從一或多對壓延輥間通過，以成型為所需厚度的板材。通過將輥加熱到80℃至95℃之間的溫度，部分地干燥板材。對初始水含量較高的那些混合方案適合用較高的輥溫。加熱這些輥還可以在板材和輥之間形成一種蒸汽屏蔽，從而減少粘附現(xiàn)象。
通過使板材繞一系列加熱到150℃至250℃溫度范圍的干燥輥滾動(dòng)而對其進(jìn)行更徹底的干燥。此后，使板材由快速移動(dòng)的砑光輥間穿過對其進(jìn)行拋光，使板材表面拋光。即使在板材完全“干燥”后(在板材摸起來完全干燥的地方)，它們?nèi)院屑s為板材重量12％的水。
由于用波特蘭白水泥、碳酸鈣和玻璃球作無機(jī)成分，所制成的板材很白，就象常見的紙一樣。它仍非常柔軟，能夠用在可用紙的大多數(shù)場合。它仍可以用作紙板或用作制造許多制品用的紙料，包括制造容器，尤其是食品或飲料包裝物。
實(shí)施例234利用上述任何混合方案，通過用大體同樣量的石膏半水合物代替水硬水泥，制得一種水凝可固化混合物。這種水凝可固化的混合物的凝固時(shí)間較短，一般將形成具有類似強(qiáng)度、延伸率及硬度性能的板材。
實(shí)施例235利用上述任何混合方案，用氧化鈣代替水凝水泥，制得一種水凝可固化混合物。因?yàn)檠趸}與二氧化碳的反應(yīng)較慢，所以該水凝可固化混合物的凝固時(shí)間較長，但一般所制板材有類似的強(qiáng)度、延伸率及硬度性質(zhì)。然而，通過在成型過程中或其后脫去混合物中大量水分，有可能迅速達(dá)到一定的濕態(tài)強(qiáng)度。
實(shí)施例236制得一種組成如下的水凝可固化混合物石膏半水合物 1.0kg珍珠巖0.5kgTylose0.075kg纖維 0.25kg水2.6kg使石膏、Tylose、纖維和水在一個(gè)高剪切混合機(jī)中一起混合3分鐘，此后加入珍珠巖，再在一個(gè)低剪切混合機(jī)中混合3分鐘。
將該混合物擠壓成6mm厚的板材，然后分步壓延，將板厚降低到最終厚度為0.25mm至0.5mm。
利用本說明書中所述任何合適的方法，很容易將該板材制成合適的食品或飲料包裝物。其強(qiáng)度性能可與用水凝水泥制成的包裝物相媲美，可用來代替例如紙、紙板或聚苯乙烯包裝物。
實(shí)施例237任何水凝可固化混合方案采用的水硬水泥改變成包括約為水凝水泥重量25％的石膏半水合物。石膏起水吸收組分(或內(nèi)干燥劑)的作用，產(chǎn)生快速成形穩(wěn)定性。由其形成的包裝物的強(qiáng)度性能與不含石膏的混合物相類似。
實(shí)施例238使任何上述混合方案包括一種促凝劑，形成一種可更快地實(shí)現(xiàn)形狀穩(wěn)定性的水凝可固化混合物。該材料的最終強(qiáng)度可與不用促凝劑的材料相媲美。
實(shí)施例239將廢棄的水凝可固化包裝物和其它制品與廢食品一起堆作肥料。4周后，包裝完全分解，成為良好的混合肥料。
實(shí)施例240將廢棄的無機(jī)填充包裝物和其它制品與廢食品一起堆作肥料。4周后，包裝品完全分解，變成良好的混合肥料。
由上述可知，本發(fā)明提供了用于制造水凝可固化和無機(jī)填充制品的改進(jìn)的組合物、方法和系統(tǒng)，該制品可成型為目前由紙、紙板、聚苯乙烯、金屬、玻璃或塑料成型的各種物品。
本發(fā)明還提供了用于產(chǎn)生性能與紙、紙板、聚苯乙烯、金屬、玻璃和塑料相類似的水凝可固化和無機(jī)填充制品的組合物、方法和系統(tǒng)。利用與目前用來由紙、紙板、聚苯乙烯、金屬、玻璃或塑料成型的各種包裝品或其它物品相同或相似的制造設(shè)備具和技術(shù)，可將這些組合物成型為這些制品。
本發(fā)明進(jìn)而提供了用于制造水凝可固化和無機(jī)填充制品的組合物、方法和系統(tǒng)，這類制品不產(chǎn)生制造紙、紙板、塑料、金屬、玻璃或聚苯乙烯材料時(shí)的廢料。而且，這些制品以及由其制成的包裝物或其它物品很容易降解成通常在泥土中看到的物質(zhì)。
此外，本發(fā)明提供了組合物、方法和系統(tǒng)，從而有可能以相似或優(yōu)于現(xiàn)有制造紙或聚苯乙烯產(chǎn)品的方法的成本制造板材、包裝物和其它物品。
最后，本發(fā)明提供了用于批量生產(chǎn)水凝可固化和無機(jī)填充制品的組合物、方法和系統(tǒng)，它可以快速成型并在制造過程開始后幾分鐘內(nèi)即大體干燥。
本發(fā)明可以其它特定方式實(shí)施而不脫離其發(fā)明精神或基本特征。從各方面講，所述實(shí)施方式僅僅是為了詳細(xì)詳細(xì)說明本發(fā)明而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是由上述描述的限定。在權(quán)利要求等效的含義和范圍內(nèi)的所有改變都包括在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通過從無機(jī)填充混合物中蒸發(fā)除去大量水制得，并具有無機(jī)填充混合物的成型板材制品，該無機(jī)填充混合物含有水、水分散性有機(jī)聚合物粘合劑、纖維材料、和無機(jī)填充料，該無機(jī)填充料的濃度范圍為無機(jī)填充混合物的總固體重量的約20至約95％，該纖維材料基本上均勻地分散在無機(jī)填充基質(zhì)中，該可成型板材的厚度為0.01mm至約1cm，無機(jī)填料基質(zhì)在長時(shí)間暴露后降解為水。
2.一種通過從無機(jī)填充混合物中蒸發(fā)除去大量水制得，并具有無機(jī)填充混合物的成型板材制品，該無機(jī)填充混合物含有水、水分散性有機(jī)聚合物粘合劑、纖維材料、和無機(jī)填充料，該無機(jī)填充料的濃度范圍為無機(jī)填充混合物的總固體體積的約40至約98％，該纖維材料基本上均勻地分散在無機(jī)填充基質(zhì)中，該可成型板材的厚度為0.01mm至約1cm，無機(jī)填料基質(zhì)在長時(shí)間暴露后降解為水。
3.權(quán)利要求1所述的制品，其特征是所含的無機(jī)填充料的量為無機(jī)填充混合物總固體重量的20％至約50％。
4.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填充料包括多種不同的填充材料。
5.權(quán)利要求2所述的制品，其特征是無機(jī)填充料的濃度為混合物中總固體體積的約50％至約95％。
6.權(quán)利要求2所述的制品，其特征是無機(jī)填料的濃度為混合物中總固體體積的約60％至約80％。
7.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填料為散狀粒料，其大小為最佳粒度以達(dá)到預(yù)定的填料顆粒填充密度。
8.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填料是一種可降低密度和提高基質(zhì)絕熱性能的輕質(zhì)填料。
9.權(quán)利要求8所述的制品，其特征是輕質(zhì)填料選自珍珠巖、蛭石、空心玻璃球、多孔陶瓷球、膨化土、輕質(zhì)膨化地質(zhì)材料、浮石、微球、和它們的混合物。
10.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填料選自粘土、石膏、碳酸鈣、云母、硅石、礬土、金屬、砂、礫石、砂石、石灰石、和它們的混合物。
11.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是該無機(jī)填充混合物包括一種選自種子、淀粉、明膠、聚合物、軟木、瓊脂類材料、塑料球或其混合物的有機(jī)填料。
12.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填充混合物包含有一種水凝可固化粘合劑。
13.權(quán)利要求12所述的制品，其特征是水凝可固化粘合劑是波特蘭水泥。
14.權(quán)利要求12所述的制品，其特征是水凝可固化粘合劑選自礦渣水泥、鋁酸鈣水泥、熟石膏、硅石水泥、磷酸鹽水泥、微細(xì)水泥、白水泥、富礬土水泥、氯氧化鎂水泥、涂有微細(xì)水泥粉的填料、硫酸鈣半水合物、氧化鈣和上述物質(zhì)的混合物。
15.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料的濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約0.2％至約50％。
16.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料的濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約1％至約30％。
17.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料的濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約5至20％。
18.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料含有有機(jī)纖維，該有機(jī)纖維選自大麻、棉花、甘蔗渣、蕉麻、亞麻、南方松木、南方硬木纖維和它們的混合物。
19.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料含有無機(jī)纖維，該無機(jī)纖維選自玻璃、硅石、陶瓷、石墨、金屬纖維及它們的混合物。
20.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是纖維材料包括長徑比至少為100∶1的單個(gè)纖維。
21.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑含有纖維素基聚合物，該纖維素基聚合物選自甲基羥乙基纖維素、羥甲基乙基纖維素、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羧乙基纖維素、羥乙基丙基纖維素及其混合物或衍生物。
22.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑含有淀粉基聚合物，該淀粉基聚合物選自枝鏈淀粉、直鏈淀粉、海凝膠(Seagel)、淀粉醋酸酯、淀粉羧乙醚、離子淀粉、長鏈烷基淀粉、糊精、胺淀粉、磷酸酯淀粉、雙醛淀粉及它們的混合物或衍生物。
23.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑含有蛋白質(zhì)基材料，該蛋白質(zhì)基材料選自醇溶谷蛋白、膠原、白明膠、動(dòng)物膠、酪蛋白及它們的混合物或衍生物。
24.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑含有多糖，該多糖選自藻酸、藻膠類、瓊脂、阿拉伯樹膠、瓜耳豆膠、刺槐豆膠、刺梧桐樹膠、黃蓍膠、及它們的混合物或衍生物。
25.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑包括一種合成有機(jī)聚合物，該合成的有機(jī)聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯基甲基醚、聚丙烯酸類、聚丙烯酸鹽類、聚乙烯基丙烯酸類、聚乙烯基丙烯酸鹽類、聚丙烯酰亞胺類、聚乳酸、環(huán)氧乙烯聚合物、合成粘土、乳膠、及它們的混合物或衍生物。
26.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑的濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約1％至約50％。
27.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑的濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約5％至約20％。
28.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑和纖維材料的總濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約5％至約60％。
29.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是有機(jī)粘合劑和纖維材料的總濃度范圍為無機(jī)填充混合物中總固體體積的約5％至約30％。
30.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是無機(jī)填充混合物含有一種分散劑，該分散劑選自磺化萘-甲醛縮合物、磺化蜜胺-甲醛縮合物、木質(zhì)素磺酸鹽和聚丙烯酸。
31.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)還含有一種不連續(xù)的非聚集相，該不連續(xù)相中具有細(xì)微分散的空隙。
32.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)的厚度范圍為約0.01mm至約3mm。
33.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)的厚度范圍為約0.5mm至約2mm。
34.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)的堆積密度范圍為約0.1g/cm3至約1.5g/cm3。
35.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度∶堆積密度之比為約2MPa-cm3/g到約200MPa-cm3/g。
36.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度∶堆積密度之比為約3MPa-cm3/g至約50MPa-cm3/g。
37.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是制品包括一種板狀產(chǎn)品。
38.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是制品包括一種容器。
39.權(quán)利要求38所述的制品，其特征是容器為選自下列物體的形狀盒、板條箱、袋、管、杯、“蛤殼”、紙板箱、法國油炸食品包裝物、盤、碗、蓋子和波紋紙盒。
40.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是該制品還包括一層涂層。
41.權(quán)利要求40所述的制品，其特征是該涂層選自蜜胺、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、羥丙基甲基纖維素、聚乙二醇、丙烯酸酯類、聚氨基甲酸乙酯、聚乳酸、淀粉、大豆蛋白、聚乙烯、合成聚合物、蠟、高彈體及它們的混合物或衍生物。
42.權(quán)利要求40所述的制品，其特征是該涂層選自硅酸鈉、碳酸鈣、高嶺土、陶土及它們的混合物。
43.權(quán)利要求40所述的制品，其特征是涂層提高基質(zhì)抗水降解的能力。
44.權(quán)利要求1或2所述的制品，其特征是制品還包含有印刷標(biāo)記。
45.一種制造含有無機(jī)填充基質(zhì)的制品的方法，包括如下步驟混合有機(jī)聚合物粘合劑、無機(jī)填充物、水和纖維材料，形成無機(jī)填充可成型混合物，惰性無機(jī)填充物的濃度范圍為可成型混合物中總固體重量的約20％至約95％；將該可成型混合物成型為板材，而沒有從可成型混合物中明顯排出液態(tài)的水；將該板材成型為所需的制品形狀；以加快的方式從成型板材中蒸發(fā)除去大部分的水，以使有機(jī)聚合物粘合劑基本上干燥，并由此形成制品的無機(jī)填充基質(zhì)，這樣在成型為所需形狀后1分鐘或1分鐘以內(nèi)使制品的形狀穩(wěn)定，無機(jī)填充基質(zhì)的厚度小于2厘米。
46.一種制造含有無機(jī)填充基質(zhì)的制品的方法，包括如下步驟混合有機(jī)聚合物粘合劑、無機(jī)填充物、水和纖維材料，形成無機(jī)填充可成型混合物，惰性無機(jī)填充物的濃度范圍為可成型混合物中總固體體積的約40％至約98％；將該可成型混合物成型為板材，而沒有從可成型混合物中明顯排出液態(tài)的水；將該板材成型為所需的制品形狀；以加快的方式從成型板材中蒸發(fā)除去大部分的水，以使有機(jī)聚合物粘合劑基本上干燥，并由此形成制品的無機(jī)填充基質(zhì)，這樣在成型為所需形狀后1分鐘或1分鐘以內(nèi)使制品的形狀穩(wěn)定，無機(jī)填充基質(zhì)的厚度小于2厘米。
47.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是混合步驟包括將一種分散劑摻入混合物中。
48.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是混合步驟包括向混合物結(jié)合一種加氣劑，以便形成空氣泡不連續(xù)相。
49.權(quán)利要求48所述制造制品的方法，其特征是加氣劑包含一種表面活性劑。
50.權(quán)利要求48所述制造制品的方法，其特征是混合步驟包括將一種穩(wěn)定劑結(jié)合到混合物中，以便將空氣泡不連續(xù)相保留在混合物中。
51.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是以一種使所得混合物產(chǎn)生約5KPa至約5000KPa應(yīng)力的比例添加各組分。
52.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是用一種高剪切力混合機(jī)進(jìn)行混合步驟。
53.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是混合步驟和至少一部分成型步驟用一臺雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行。
54.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是混合步驟包括利用高剪切力混合將纖維材料分散到混合物中，其時(shí)間應(yīng)足以使纖維材料的單個(gè)纖維均勻地分散在整個(gè)混合物中；利用高剪切力混合將有機(jī)粘合劑混合到混合物中，以便將有機(jī)粘合劑均勻地分散在整個(gè)混合物中；和利用低剪切力混合使輕質(zhì)填充物與混合物結(jié)合。
55.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是混合步驟還包括將水凝可固化粘合劑混合在該混合物中。
56.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，還包括下列步驟將吸附材料結(jié)合到混合物中；在壓力下使一種發(fā)泡劑受到混合物作用，以使發(fā)泡劑被吸附到吸附材料中；和釋放加在混合物上的壓力，以使發(fā)泡劑膨脹，在混合物中形成空氣泡。
57.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是由選自模壓成型、注塑成型、吹塑成型、拉坯成型、濕板成型和干板成型的一種方法完成成型步驟。
58.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是將成型模具加熱到一種足以防止物品與模具粘結(jié)的溫度，進(jìn)行成形步驟。
59.權(quán)利要求58所述制造制品的方法，其特征是模具溫度為約50℃至約250℃。
60.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是用模具進(jìn)行成型步驟，其中先將混合物加熱到一高溫，在成型步驟前將模具冷卻到一低于該高溫的較低溫度，該較低溫度足以防止物品粘附到模具上。
61.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是成型步驟在低于30秒的一段時(shí)間內(nèi)完成，在該時(shí)間內(nèi)成型的制品實(shí)現(xiàn)形狀穩(wěn)定化。
62.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是成型步驟在低于10秒的時(shí)間內(nèi)完成，在該時(shí)間內(nèi)成型的制品實(shí)現(xiàn)形狀穩(wěn)定化。
63.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是該方法產(chǎn)生下列形狀之一的制品盒、板條箱、袋、管、杯、“蛤殼”、紙箱、法國油炸食品包裝物、盤、碗和蓋子。
64.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其中成型步驟包括使混合物在所需形狀的陽模和形狀大體與陽?；パa(bǔ)的陰模之間定位；擠壓陽模和陰模之間的混合物，將其成型為所需的制品形狀；和在成型制品實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定形狀，可以不依賴于陽模和陰模而自持時(shí)，使陽模和陰模與制品分開。
65.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是成型步驟采用選自下列至少一種模具組合模、順序沖模和可拆模。
66.權(quán)利要求64所述制造制品的方法，其特征是陽模和陰模在成型步驟期間對混合物施加的壓力范圍為約50PSi至約20000PSi。
67.權(quán)利要求64所述制造制品的方法，其特征是陽模和陰模在成型步驟期間對混合物施加的壓力范圍為約100PSi至約5000PSi。
68.權(quán)利要求64所述制造制品的方法，還包括向制品施加微波的步驟，以使在從陽模和陰模取出制品之前將其干燥成形狀穩(wěn)定的狀態(tài)。
69.權(quán)利要求64所述制造制品的方法，其特征是脫模步驟包括從陽模中通氣孔鼓入空氣，以利于從陽模脫去制品。
70.權(quán)利要求76所述制造制品的方法，其中成型步驟還包括用真空成型法將板材制成所需制品。
71.權(quán)利要求77所述制造制品的方法，其中真空成型法是選自區(qū)域成形、直接真空成型、區(qū)域真空成型、快反向真空成型、波濤/氣滑真空成型、波濤區(qū)域真空成型、芯棒輔助真空成型、波濤/芯棒輔助/快反向真空成型或雙板成型的方法。
72.權(quán)利要求76所述制造制品的方法，其中板材成型步驟包括使可塑性混合物在一對輥之間通過。
73.權(quán)利要求72所述制造制品的方法，其特征是加熱輥以降低可塑混合物對輥的粘附。
74.權(quán)利要求73所述制造制品的方法，其特征是加熱輥大幅度減少混合物中含水量。
75.權(quán)利要求73所述制造制品的方法，其特征是將輥加熱到溫度范圍為約60℃至約140℃。
76.權(quán)利要求73所述制造制品的方法，其特征是將輥加熱到溫度范圍為約80℃至約95℃。
77.權(quán)利要求72所述制造制品的方法，其特征在于它還包括加熱可塑性混合物到一個(gè)第一溫度并冷卻輥到一個(gè)明顯低于第一溫度的第二溫度的步驟，以減少加熱的可成型混合物與冷卻輥之間的粘附。
78.權(quán)利要求77所述制造制品的方法，其特征是第一溫度為約20℃至約80℃，第二溫度為約0℃至約40℃。
79.權(quán)利要求45劃46所述制造制品的方法，其特征還在于其中板材成型步驟包括擠壓可塑性混合物通過一個(gè)帶模縫的模，從而將混合物成型為板材。
80.權(quán)利要求79所述制造制品的方法，其特征是還包括使擠壓的混合物在一對壓延輥之間通過。
81.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征是通過使板材通過多套空隙距離逐漸變小的壓延輥來逐步減小板的厚度。
82.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于它還包括使板材從至少一個(gè)干燥輥上通過的步驟。
83.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于還包括使板材由至少一對壓實(shí)輥之間通過的步驟，由此減少板材中不希望的缺陷和孔隙體積，提高板材的密度。
84.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于它還包括使板材由一對包括一個(gè)硬輥和一個(gè)軟輥的壓光輥之間通過的步驟，該硬輥使所鄰的板材表面變光滑。
85.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于它還包括使板材在一對波紋輥之間通過的步驟，由此形成一種波紋板。
86.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于它還包括在干制品上固定印刷品的步驟。
87.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于它還包括在已硬化的制品上涂覆涂料的步驟。
88.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征還在于其中制品的厚度范圍為約0.05mm至約3cm。
89.權(quán)利要求45或46所述制造制品的方法，其特征在于其中制品的厚度范圍為約0.5mm至約1mm。
90.一種制品的制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如下裝置混合裝置，用于形成含有水分散性有機(jī)粘合劑、無機(jī)填充物、水和纖維材料的基本上內(nèi)聚和基本上均勻分散的無機(jī)填充混合物，無機(jī)填充物的濃度范圍為混合物中總固體重量的約20％至約95％；用于將該可成型混合物成型為生板材的板材成型裝置；用于將該生板材成型為所需制品形狀的成型裝置；干燥裝置，用于以加快的方式從生板材中除去大部分的水，以使在生板材成型為所需形狀后1分鐘以內(nèi)使制品的形狀穩(wěn)定，其中所述制品的無機(jī)填充基質(zhì)的厚度為0.01毫米至2厘米。
91.一種制品的制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如下裝置混合機(jī)，用于制備含有水分散性有機(jī)粘合劑、無機(jī)填充物、水和纖維材料的可成型混合物，其中所述無機(jī)填充物的濃度范圍為混合物中總固體體積的約40％至約98％；用于將該可成型混合物成型為生板材的板材成型裝置；用于將該生板材成型為所需制品形狀的成型裝置；干燥裝置，用于以加快的方式從生板材中除去大部分的水，以使在生板材成型為所需形狀后1分鐘以內(nèi)使制品的形狀穩(wěn)定，其中所述制品的無機(jī)填充基質(zhì)的厚度為0.01毫米至2厘米。
92.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，混合機(jī)包括一臺高剪切力混合機(jī)。
93.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，混合機(jī)和至少部分成型裝置包括一臺雙螺桿擠壓機(jī)。
94.權(quán)利要求93所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，雙螺桿擠壓機(jī)可對混合物抽真空以除去混合物中不需要的空氣。
95.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，混合機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得可進(jìn)行高能混合和低能混合。
96.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其中成型裝置包括一臺擠壓機(jī)。
97.權(quán)利要求96所述制造制品的系統(tǒng)，其中擠壓機(jī)為一螺桿擠壓機(jī)。
98.權(quán)利要求96所述制造制品的系統(tǒng)，其中擠壓機(jī)是一臺往復(fù)式螺旋注射器。
99.權(quán)利要求96所述制造制品的系統(tǒng)，其中擠壓機(jī)是一臺兩級注射器。
100.權(quán)利要求96所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，擠壓機(jī)有一個(gè)帶?？p的模頭，混合物通過該?？p被擠壓成板狀。
101.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，板材成型裝置包括一對壓延輥，擠壓的板由其間通過。
102.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，板材成型裝置包括一對擠壓輥，混合物可由其間通過以直接形成板材。
103.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，板材成型裝置包括一對波紋輥，板材由其間通過。
104.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其中板材成型裝置包括至少一個(gè)板材由其上通過的干燥輥。
105.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，板材成型裝置還包括至少一對壓實(shí)輥，板材由其間通過。
106.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，板材成型裝置還包括至少一個(gè)軟輥和至少一個(gè)硬輥，板材由其間通過。
107.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，成型裝置包括形狀互補(bǔ)的一個(gè)陽模和一個(gè)陰模，在陽模和陰模之間擠壓可塑性混合物，將混合物成型為所需制品形狀。
108.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其中干燥裝置包括一個(gè)能對成型后的制品提供熱空氣的爐子。
109.權(quán)利要求108所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，干燥裝置包括一臺能使空氣由爐子經(jīng)過制品循環(huán)的鼓風(fēng)機(jī)，由此提高混合物中水的蒸發(fā)速率。
110.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其中干燥裝置包括一個(gè)微波幅射源。
111.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，還包括將標(biāo)記印到已硬化的制品上用的印刷裝置。
112.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，還包括用涂料涂覆已硬化的制品用的涂覆裝置。
113.權(quán)利要求112所述制品的系統(tǒng)，其特征是，涂覆裝置包括一個(gè)選自刀式涂覆機(jī)、攪拌涂覆機(jī)、氣刀(air-knife)涂覆機(jī)、印刷涂覆機(jī)、照相凹板涂覆機(jī)、Dahlgren涂覆機(jī)和噴霧涂覆機(jī)的涂覆器具。
114.權(quán)利要求90或91所述制造制品的系統(tǒng)，其特征是，成型裝置涂有一層脫模劑，以防止成型的制品粘在模具上。
全文摘要
公開了由無機(jī)填料制造包括容器和包裝材料在內(nèi)用的組合物、方法和系統(tǒng)。通過混合有機(jī)粘合劑、水和合適的添加劑(如填充物和纖維)來制備合適的組合物,它賦予制品預(yù)定的性能,使成型后的制品具有所需的性能標(biāo)準(zhǔn)。然后將該混合物成型為板材,再將該板材成型為所需的制品。板材成型方法包括使用擠壓機(jī)或輥。制品一旦成型,馬上凝固。然后可以涂上印刷標(biāo)記和涂層。
文檔編號B29C51/08GK1250736SQ99123259
公開日2000年4月19日 申請日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月17日
發(fā)明者P·J·安德森, S·K·霍德林 申請人:E·卡休基工業(yè)有限公司