CN102458803B - 木材替代品 - Google Patents

Abstract

包含基质的可挤压的融合固体，该基质包含淀粉和增塑剂并具有在基质内布置的处于张力下的连续纤维。此外，用于制备所述融合固体的方法以及至少部分由所述融合固体组成的托盘。

Description

木材替代品

相关申请的描述

该申请要求2009年6月25日提交的题目为“材料及其制备方法”的第2009902956号澳大利亚临时专利申请的优先权，其整体内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及合成木材替代材料及制备所述材料的方法。所述材料在托盘、板条箱、板箱和其它包装材料中具有特殊应用。

背景技术

在货物运输领域，托盘、木垫台或滑动衬木是平板式运输结构，其以稳定的方式支持货物的同时能够由叉车或其它顶撑设备提升。板条箱、箱体和板条室是包装容器，其可用于连接托盘或用作能够以与托盘相同的方式被提升和运输的个别物品。托盘和板条箱可由木材、塑料、聚苯乙烯、复合塑料、硬纸板、金属或复合材料制成。

按照产品体积的顺序可将托盘和板条分为三种主要类别，包括最大量的单独使用托盘出口的单程运输的产品、较少数的“国内”可变仓库的可再利用的循环托盘和最少量的诸如医学或食品专用托盘的产品专用托盘。缺少针对托盘和板条箱的型号和形状的单一国际标准导致国际贸易中的大量和持续的损失。用于所有托盘的国际标准难于执行，这是因为标准托盘必须满足各种要求，包括能够通过不同标准尺寸的门、适合标准容器和允许低劳动力以及针对各个国家的装卸费。

因此，当产品从其它国家进口时，其需在出口型号的托盘或板条箱上或为产品专门制备的托盘或板条箱上运输。通常，在船运至客户或储存在仓库中之前，一旦货物进入所述国家即将它们转移至国家特定的托盘。在大多数情况下，原始出口托盘不用于储存目的，因为其未经过认证用于储存目的，例如因为其不符合当地安全标准。因此，在多数情况下，出口托盘或板条箱没有其它用途，并且如果可能的话进行回收，或破碎并送至垃圾填埋场作为废物。

木材托盘和板条箱制造工业占来自原始森林或生长缓慢的再植森林的天然木材的世界消耗量的40％以上。每年全球生产和销售六十亿单程单次使用的木材出口托盘或板条箱，结果每年大量的木材变成废物。

由于国际植物保护公约(IPPC)，跨国界船运的大多数木材托盘或板条箱必须由非昆虫或植物病害入侵物种的携带者的材料制成。由未处理的木材制成的托盘必须根据国际标准进行处理并在出口或抵达之前必须通过热处理或化学烟熏法获得认证。这些处理将新的特征引入至未处理的木材中并对托盘随后的再使用或处理产生另外的不利因素。

因此，亟需使上述缺点中至少一些缺点最小化或减少的木材的替代品。

发明概述

在本文第一方面中提供的是包含基质的融合固体，所述基质包含淀粉和增塑剂，其中在所述基质内布置有处于张力下的连续纤维。在某些实施方案中，所述基质还包含一种或多种选自聚酯、不连续纤维、非纤维填充物、发泡剂和油的组分。在特定的实施方案中，所述基质是充气的。

在某些实施方案中，所述淀粉为玉米淀粉或来源于玉米淀粉的热塑性淀粉。

在某些实施方案中，所述增塑剂选自二元醇、三元醇、多元醇、卵磷脂、柠檬酸三乙酯、乙二醇、丙二醇、甘油、甘油酯、赤藓糖醇、季戊四醇、山梨醇、聚甘油和聚甘油酯中的任何一种或多种。

在某些实施方案中，所述连续纤维由诸如来自大麻纤维或黄麻纤维的纺织纤维组成。

在特定的实施方案中，所述融合固体是生物可降解的。

在另一实施方案中，提供的是用于制备融合固体的方法，其包括：提供包含淀粉和增塑剂的可固化的液体基质，以及挤压所述液体基质并在其中布置连续纤维使得所述连续纤维由所述液体基质所围绕，其中所述连续纤维物质处于张力下，以及使其中布置有处于张力下的的连续纤维的液体基质固化以制备所述融合固体。

在某些实施方案中，通过拉挤成型在所述液体基质内布置有处于张力下的所述连续纤维。

在某些实施方案中，提供可固化的液体基质的步骤包括淀粉和增塑剂混合并加热以制备液体基质，例如使用螺旋挤压机。

在另一实施方案中，提供的是托盘，其包含多个顶铺板条、多个底铺板条和多个纵梁，其中所述多个顶铺板条、所述多个底铺板条和所述多个纵梁中的至少一个由第一个实施方案的融合固体组成。

附图简述

现在描述本发明的某些实施方案，包括通过实施例并参考其中的附图：

图1是例示用于在制备融合固体的方法中使用的挤压螺杆(10)的图。

图2是例示托盘(270)的构造模式的图，该托盘(270)包含由融合固体构造的各个顶铺板条(200)、底铺板条(210)和纵梁(220)。

实施方案的描述

本文描述的是包含基质的可挤压的融合固体，使用处于张力下的连续纤维将融合固体强化，能将融合固体制备成为单体(monolith)并特别适用于出口托盘工业。本文还描述的是制备所述融合固体的方法以及制造包含由融合固体制成的组件的托盘的方法。

融合固体

在第一方面中，提供了包含基质的融合固体，该基质包含淀粉和增塑剂，其中在该基质内布置有处于张力下的连续纤维。

本文涉及的“融合固体”是包含基质和连续纤维的固体材料。基质可为当将基质组分混合并承受高压和/或高温时发生的化学反应的产物。在基质形成中发生的化学反应包括但不一定限于醚化、酯化、乙酰化、水解和缩合中的任何一种或多种。

可以诸如具有各种横截面的厚板、平板或板、杆的形式或其它形式的单体形式提供本文描述的融合固体。单体形式可具有恒定的横截面。通常，通过包括挤压单体而不主要通过压力成形技术的方法制备单体形式的融合固体。

在某些实施方案中，融合固体的基质是充气的基质。在充气的固体中，通过在融合固体的生产过程中引入遍及至少部分融合固体基质分布的多个气泡来降低固体基质材料的整体密度，使得融合固体基质的结构与泡沫相似。泡沫可为闭孔泡沫(closedcellfoam)。泡沫可为开孔泡沫(opencellfoam)。如本文描述或本领域已知的，气泡可为空气或可为一种或多种其它气体。

在某些实施方案中，融合固体是可降解的。如本文使用的，术语“可降解的”是指通过环境因素的作用分解融合固体的能力。环境因素可为诸如细菌和/或真菌的活有机体，或通常为由这种有机体分泌或从这种微生物获得的酶，在该情况下，融合固体是生物可降解的。在某些实施方案中，融合固体比固体木材更可生物降解，例如可更迅速地生物降解。在某些实施方案中，融合固体可为可水生物降解或/或可光生物降解的。在某些实施方案中，经与海水接触或经暴露于活性污泥，融合固体可为可腐化的或可降解的。在某些实施方案中，融合固体为完全生物可降解的，即可生物降解而此后不残留非生物可降解的残留物。

可使用表面处理来对融合固体进行处理以修饰融合固体的表面性质。例如，可将融合固体的表面密封或使用防水剂或耐水材料浸渍以降低水渗透融合固体表面的速率，由此延长融合固体在可预料的水分暴露的环境中的寿命。可将融合固体的表面密封或使用耐油涂料浸渍以减少诸如机器残留的油残留物的可能有毒疏水材料的吸收，而这样的吸收可降低融合固体生物降解成为无毒残留物的能力。

表面处理可为表面涂覆，例如颜料涂覆或聚合物涂覆。在某些实施方案中，表面处理为使用诸如植物油的生物可降解的油的油处理。适合的油包括达马酯油、亚麻籽油、芥花籽油、蓖麻油、向日葵油、橄榄油、棉花籽油等。

基质

本文描述的融合固体基质包含淀粉。淀粉包含聚合物的混合物，包括非支链聚合物直链淀粉和支链聚合物支链淀粉。可从多种植物来源获得淀粉，例如木薯淀粉、土豆淀粉、禾本科淀粉、玉米或玉蜀黍淀粉、小麦淀粉、大米淀粉、豆科淀粉或其两种或多种的组合。在某些实施方案中，淀粉的直链淀粉含量大于50重量％、大于60重量％、大于70重量％、大于80重量％或大于90重量％。在某些实施方案中，淀粉是化学改性的。例如，可通过本领域已知的常规方法将淀粉衍生或改性。这些方法可包括酯化、醚化、氧化、酸水解、交联和酶转化。通常，改性的淀粉包括：酯，诸如二羧酸的醋酸酯和半酯，特别是琥珀酸烷基酯；醚，诸如羟乙基和羟丙基淀粉和诸如使用2-二乙基氨基氯乙烷(DEC)改性的淀粉以及使用诸如3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的季铵盐试剂改性的淀粉的阳离子淀粉；使用次氯酸盐氧化的淀粉；与诸如三氯氧膦、表氯醇和通过与钠或钾正磷酸盐或三聚磷酸盐及其组合反应制备的磷酸盐衍生物的交联剂反应的淀粉。淀粉的这些和其它常规改性在诸如“Starch：ChemistryandTechnology(淀粉：化学和技术)”，第二版，RoyL.Whistler等人编辑，第X章；M.W.Rutenberg等人的StarchDerivations：ProductionandUses(淀粉衍生物：生产和用途)，AcademicPress，Inc.，(1984)的公开中进行描述。

通常，淀粉是热塑性淀粉。热塑性淀粉是随着加热时淀粉晶体结构分解而液化的淀粉，并随后当充分冷却时其固化成为柔韧和可变形的固体材料。对于热塑性淀粉可能有利的是处于淀粉的高级直链淀粉形式。通常，热塑性淀粉是天然淀粉的改性形式。通过凝胶化可使天然淀粉具有更大的热塑性，例如通过加热和任选地施加压力。通过加入增塑剂以提高熔化和固化材料的柔韧性和/或通过淀粉分子的直接化学改性可使天然淀粉具有更大的热塑性。在某些实施方案中，如果非热塑性淀粉在融合固体的形成过程中变为热塑性的，那么可将其用于制备融合固体。可从多种商业来源获得热塑性淀粉，例如Cereloy(^TM)可从Cerestech，Inc获得。形成热塑性淀粉的淀粉直接化学改性的实例包括但不一定限于羟丙基化。称为A939的羟丙基化的高级直链淀粉淀粉由GoodmanFielder商业提供。形成热塑性淀粉材料的淀粉的其它改性在例如整体内容通过引用并入本文的第7,384,993号美国专利(PlanticTechnologies，Inc)中进行描述，所述热塑性淀粉材料具有改性以包含羟烷基C2-6基团、或使用羟乙基或羟丁基形成的羟基醚取代基或使用诸如顺丁烯邻苯二甲酸酐或辛烯基琥珀酸酐的酸酐制备的酯衍生物的淀粉。取代度(取代单元中羟基的平均数)优选为约0.05至2。

通常，以比融合固体基质的总反应物混合物高约10％(即比包括加入至起始组分的任何水的融合固体基质的所有起始组分的总重量高约10％)且更常规以重量计比融合固体基质的总反应物混合物高约50％的浓度提供热塑性淀粉。在某些实施方案中，以比形成融合固体基质的总反应物混合物高约60％的浓度提供淀粉或热塑性淀粉。

通常，以粉末或颗粒形式，或悬浮液或浆液形式向反应物混合物提供淀粉。

本文描述的融合固体基质包含一种或多种可用于控制融合固体的机械性能的增塑剂，例如用于降低融合固体基质的脆性和/或提高融合固体基质的均匀性，和/或提高熔化的融合固体基质的流动性和/或提高融合固体基质的柔韧性。在某些实施方案中，增塑剂为生物可降解的。

典型的增塑剂为二元醇、三元醇或多元醇及其衍生物。适合的增塑剂的实例为卵磷脂、柠檬酸三乙酯、乙二醇、丙二醇、甘油、甘油酯、赤藓糖醇、季戊四醇和山梨醇或诸如聚甘油和聚甘油酯的具有较高分子量的增塑剂中的任何一种或多种。适合的甘油酯的实例包括甘油单乙酸酯、二乙酸酯和三乙酸酯。

以总反应物混合物的重量计，提供的增塑剂的量可为0.5％至30％；即融合固体基质的所有起始组分的总重量的0.5％至30％，包括任何加入至起始组分的水。通常，以总反应物混合物的重量计，以15％至30％提供增塑剂。

在某些实施方案中，融合固体的基质可包含聚酯。加入的聚酯可增加融合固体基质的可降解性和/或可充当基质的粘结剂和/或可提供其它组分的交联以提供对融合固体强度增加的影响。聚酯可为脂肪族聚酯。聚酯可为芳香族聚酯。在某些实施方案中，聚酯为生物可降解的聚酯。许多聚酯容易生物降解并在最佳条件下能达到接近100％的生物降解。在某些实施方案中，脂肪族聚酯选自在水中可溶的脂肪族聚酯，例如聚乳酸、聚乙醇酸、聚丁烯琥珀酸酯或其组合。

适合的聚酯的实例包括选自聚(己内酯)(PCL)、聚(乳酸)或聚乳酸(PLA)、聚(乙醇酸)或聚乙二醇(PGA)、聚(β羟基烷酸酯)(PHA)和诸如聚己二酸丁二醇聚三邻苯二甲酸酯(polybutyleneadipatecoterphthalate)(PBAT)的脂肪族-芳香族共聚酯及其两种或多种混合物的聚酯。

通常，以总反应物混合物的重量计，以0％至约30％的量提供聚酯。

在某些实施方案中，本文描述的融合固体基质是充气的基质，且融合固体是充气的融合固体。如本文使用的，术语充气的是指在基质形成过程中将气泡引入至融合固体基质中的融合固体基质的结构。当与非充气融合固体比较时，在融合固体基质内引入气泡制备具有更小的密度的融合固体，并通过增加融合固体的表面积还有助于融合固体的降解性，其可通过降解酶或其它降解刺激物侵蚀获得。在某些实施方案中，通常，充气的融合固体的密度为约200kg/m³至1100kg/m³。更常规地，充气的融合固体的密度为约400kg/m³至800kg/m³。在某些实施方案中，当与非充气的融合固体材料相比时，充气的融合固体基本上不具有不利的机械性能。基本上并非不利影响的机械性能可包括抗压缩性、抗冲击性、抗拉性或弯曲恢复性中的任何一种或多种。

通过本领域可使用的各种技术可实现融合固体基质的充气。这些包括但不一定限于在暴露于特殊的条件下产生气体的分解性发泡剂的使用，例如在暴露于酸的条件下产生二氧化碳气体的碳酸氢钠。分解性发泡剂可为碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、碱性硼氢化物、过氧化物、脲或偶氮化合物。发泡剂可为引入至基质并在加热和/或减压下蒸发或膨胀成为气体的挥发性发泡剂。在某些实施方案中，发泡剂选自但不限于水或水蒸气、二氧化碳、氮气或其任意组合。在某些实施方案中，挥发性发泡剂包括与C1至C5化合物、正戊烷、异戊烷、正丁烷和丙烷或卤代烃且特别是氟化烃中的任何一种或多种组合的气体。挥发性发泡剂可为诸如甲烷、乙烷和丁烷、碳氟化合物和或诸如乙醇或甲醇的有机溶剂的挥发性烃。

充气的融合固体的制备可包括应用加热、压力、酸或真空以引起发泡剂均匀起泡并在融合固体基质中产生气泡。通过改变发泡剂的浓度和/或通过在加入试剂或将试剂活化的情况下控制诸如温度和/或压力的处理步骤可改变气泡的大小和密度。

在用于制备融合固体的方法的不同阶段，融合固体组分可包含不同量的水。通过在方法的一个或多个步骤下加入或排放水或通过在融合固体的形成过程中使用加热和应用水蒸气控制蒸发，可控制在融合固体中存在的水的量。在融合固体的制备过程中，可以液态水形式、水蒸气形式或诸如甲基丙烯酸酯水凝胶的含水水凝胶的形式将水加入至融合固体基质组分。融合固体基质中水的最终浓度可为0％至约15％，更常规为约1％至10％，且甚至更常规为约1％至5％。

在某些实施方案中，融合固体基质包含油。在融合固体形成之前，油可降低组成液体基质的组分的混合物的粘度并且当其通过融合固体制备过程时可减少液体基质和/或融合固体的摩擦。油可选自但不一定限于植物油或动物来源的油。在某些实施方案中，油是生物可降解的油，通常为芥花籽油。其它适合的油可包括达马酯油、亚麻籽油、蓖麻油、葵花油、橄榄油、棉籽油等。

在某些实施方案中，除连续纤维外，融合固体基质包含不连续纤维。不连续纤维可充当增加融合固体体积的填充物，同时降低基质的较昂贵组分的比例，并还可帮助降低脆性、提高刚度或修饰融合固体的其它机械性能。可以总反应物混合物的重量计的0％至约80％并通常以总反应物混合物的重量计的约20％至40％的量提供不连续纤维。通常，可用于融合固体的不连续纤维物质的密度可为400kg/m³。

不连续纤维可为纺织纤维。纺织纤维可为与用于形成连续纤维的纺织纤维相同的材料，或其可为不同的材料。不连续纤维可为植物来源的材料，包括棉花、木材、亚麻、马尼拉麻、剑麻、苎麻、黄麻或大麻来源。不连续纤维可为大麻韧皮纤维或麻浆(麻干(hurd))纤维。术语“麻干”是指可从大麻植物的皮质韧皮纤维分离的大麻植物的内纤维核。术语“韧皮”是指大麻植物皮质树皮的纤维。在某些实施方案中，不连续纤维是诸如玻璃纤维或碳纤维或合成的有机纤维的合成纤维。

融合固体可包含不同材料的纤维和/或不同长度的纤维的混合物的不连续纤维，例如诸如棉花、木材、亚麻、马尼拉麻、剑麻、苎麻、黄麻、洋麻(Hibiscuscannabininus)或大麻来源的植物来源的纤维中的任何两种或多种的混合物。例如，不连续纤维可包含大麻韧皮和大麻麻干纤维，或大麻韧皮和/或麻干纤维与其它不连续纤维的混合物。大麻韧皮和/或麻干纤维的使用可为有利的，因为它们容易生物降解，并可帮助降低融合固体材料的最终密度，并可以相对低的成本获得。

通常，在随机方向上在基质内布置不连续纤维。在某些实施方案中，至少使不连续纤维部分定向，例如在梳理(comb)基质之后。

通常，不连续纤维的纵横比(aspectratio)为至少约3∶1，更常规至少约10∶1，更常规至少约20∶1且更常规至少约30∶1。不连续纤维的最大纵横比可为100∶1，且更常规为50∶1。在某些实施方案中，不连续纤维的长度为约3mm至25mm。在某些实施方案中，不连续纤维的长度为约4mm至12mm。

除不连续纤维外或代替不连续纤维，融合固体基质可包含一种或多种填充物。填充物可为非纤维填充物。非纤维填充物可包括本领域已知的粘土、二氧化硅、碳酸钙、碳黑或其它填充物。在某些实施方案中，填充物是生物可降解的填充物或否则其对基质的生物降解性没有不利影响。

融合固体的连续纤维

融合固体包含连续纤维，其中在基质内布置有处于张力下的连续纤维。通常，连续纤维发挥作用以强化融合固体并可为融合固体提供其它改善的结构性质。

通常，连续纤维包含布置的多个较小纤维以使它们形成连续的线(string)、纱线(yarn)或绳子(cord)。通常，将纤维纺织形成连续纤维的线或绳子。连续纤维可为单股(ply)或可为多股。可将连续纤维排列成线、纱线或绳子，其反过来在一些实施方案中可排列成更大的结构。例如，连续纤维可排列成为编织物或排列成为纺织物或排列成为针织物或排列成为有结物(knottedmaterial)。例如可以网格或网的形式提供连续纤维。

通常，组成连续纤维的纤维为纺织纤维，例如诸如羊毛的动物纺织纤维或诸如棉花、大麻、苎麻、亚麻、黄麻、洋麻(Hibiscuscannabininus)、马尼拉麻、剑麻或其两种或多种的任意组合的植物纺织纤维。在一个实施方案中，连续纤维包含大麻纤维，通常为来自印度大麻(Cannabissativa)的大麻纤维。大麻纤维通常可为大麻韧皮纤维和/或麻浆(麻干)纤维。用于融合固体的大麻纤维的有利特征包括它们的重量轻(密度低)、硬度高、耐热性和生物降解性高。在其它实施方案中，特别在不需要降解性的实施方案中，连续纤维包含诸如芳纶、人造丝、尼龙、碳纤维、玻璃纤维或矿物纤维的合成纤维。

通常，连续纤维的各个线的横截面积为约0.5mm²至10mm²，更常规为1mm²至10mm²。通常，连续纤维的密度为约400kg/m³至1200kg/m³。通常，在连续纤维包含针织、编织、机织、纺织线或有节的线的情况下，各个线的横截面积为约15mm²至60mm²。

连续纤维是“连续的”，这是因为纤维以沿着所述材料的至少一个总尺寸的连续长度布置，例如沿着融合固体的总长度或宽度或高度中的至少一个。在某些实施方案中，例如在以网格或网的形式或织物形式提供连续纤维的情况下，沿着至少二维的总长度布置连续纤维。在某些实施方案中，沿着所有三维的总长度布置连续纤维。在某些实施方案中，沿着一个维度的总长度而非完全沿着融合固体的一个或两个其它维度的长度布置连续纤维。

融合固体可包含沿着融合固体内的一个维度布置的连续纤维的单线。融合固体可包含沿着一个维度布置的连续纤维的多条线。通常，连续纤维的线与融合固体的一个维度平行。当检查垂直于连续纤维的长度的融合固体的横截面时，连续纤维可能位于一个深度或可能位于多个深度并间隔。连续纤维可由融合固体基质完全包围。连续纤维可在融合固体表面上部分暴露。

通常，在融合固体的横截面内布置连续纤维的多条线。例如，在整个融合固体的横截面上，从相邻的线的中心点测量，连续纤维的多条线可间隔约18mm至22mm的距离。

例如，具有125mm×18mm的横截面尺寸的融合固体在各个横截面上通常包含约5条连续纤维的线。当在横截面中测量时，各个连续纤维的这些线的中心通常与融合固体的表面相距至少9mm。在具有125mm×18mm(2250mm²的横截面积)的横截面尺寸的例示性融合固体中，其中连续纤维的各个线的截面直径为约8mm，有约250mm²的总连续纤维横截面积。

当基质处于液体形式时，在融合固体基质内布置有处于张力下的连续纤维。在某些实施方案中，在将连续纤维布置进入基质之前，使连续纤维通过液体溶液以将纤维物质变湿，例如以促进连续纤维与液体形式的融合固体基质之间更紧密结合。液体溶液可为融合固体基质组分的液体溶液。

在某些实施方案中，在融合固体基质内布置连续纤维之前，使连续纤维基本上脱水。例如可使用烘箱或微波炉或通过使用干燥剂实现显著脱水。因为组成连续纤维的纤维可高出(standproudof)连续纤维的表面，连续纤维的显著脱水可促进连续纤维产生较大的表面积，因此可提供与液体形式的基质增强的相互作用。

在某些实施方案中，使用拉挤成型(pultrusion)在融合固体基质内布置连续纤维。

在融合固体内布置有处于张力下的连续纤维。可通过滑轮系统将张力应用于连续纤维。通常，设计装有弹簧的轮轴以控制张力。在某些实施方案中，通过张紧链轮起作用的水压操作的撞锤(ram)在连续纤维的每条线上保持恒定的张力。通过向连续纤维应用张力，可帮助它们在融合固体内平行排列并排成直线(alignment)。当连续纤维处于张力下时，通过使液体基质熔化，融合固体可具有较大的硬度和强度。制备融合固体的方法

在第二方面中，提供了用于制备包含基质和在基质内布置有处于张力下的连续纤维的融合固体的方法，所述方法包括：

提供包含淀粉和增塑剂的可固化的液体基质，挤压所述液体基质并在其中布置连续纤维使得所述连续纤维由所述液体基质围绕，其中所述连续的纤维物质处于张力下，以及

使其中布置有处于张力下的连续纤维的所述液体基质固化以形成所述融合固体。

液体基质包含淀粉和增塑剂。所述淀粉和增塑剂如在本发明的第一方面中描述的。

在某些实施方案中，如本发明的第一方面中描述的，液体基质包含聚酯。在某些实施方案中，如本发明的第一方面中描述的，液体基质包含不连续纤维。在某些实施方案中，如本发明的第一方面中描述的，液体基质包含油。

在某些实施方案中，如本发明的第一方面中描述的，液体基质包含水。在某些实施方案中，如本发明的第一方面中描述的，液体基质包含发泡剂。

通常，当以固体形式提供用于融合固体基质的各个组分时，以粉末或颗粒形式并结合其它组分来提供它们。在加入水之后，可以干燥形式或以浆液形式将组分混合。在使用除淀粉和增塑剂之外的组分的情况下，可将这些与淀粉和增塑剂混合或在混合淀粉和增塑剂之后且在加热这些材料之前加入这些以形成液体基质。

在加热组分之前，可在捏合机或混合器中将组分预混合以制备液体基质或可将它们混合而不进行预混合。通过将一种或多种组分熔化，液体基质可变成液体。通过加入液体组分，液体基质可变成液体。

可使融合固体基质的组分承受压力和高温以形成液体基质。通常，液体基质是剪切增稠(膨胀的)的液体，其为固有足够粘性的使得其在离开挤压机时基本上以单体形式保持其形状，从而允许挤压的液体基质随后的成形或成型，同时还保持足够的液体以允许在液体基质内布置连续纤维。理想地，将液体基质组分均匀熔化并均匀混合。

通常，使用螺旋挤压机，在压力下将基质组分混合并熔化。通常，螺旋挤压机具有多个温度控制区和一个或多个通过配置调节在组分上施加的压力的一个螺杆或多个螺杆设置的区域。螺旋挤压机可为单螺旋挤压机或双螺旋挤压机。对于双螺旋挤压机，螺杆可为对转的或同向旋转的。螺杆可为互相啮齿的。螺杆可为非互相啮齿的。螺杆设计可提供向前和/或反方向的运输元件。螺杆设计可提供捏合元件。在制备包含基质的淀粉中使用的螺旋挤压机的实例在例如题目为“淀粉-植物油接枝共聚物及其生物纤维组合物，以及它们的制备方法”的第EP1719797A1号欧洲专利申请公开中进行描述。

通常螺旋挤压机具有容纳沿着内桶部分的轴可旋转安装的螺旋形螺杆的外壳。在挤压机桶部分的后端有开口用于向螺杆的后面部分供给待挤压的基质组分。可从给料漏斗将组分供给进入螺杆的后面部分。在压力和控制的温度下，内桶部分内螺杆的旋转使组分混合，并逐渐向可挤压液体基质的螺杆的前端供给混合的组分。

公开挤压机螺杆的专利的实例包括第4,357,291号美国专利(Miller等人)，其公开了具有供给部分、测量部分和第二测量部分的挤压机螺杆。在各个部分中提供了不同、基本上恒定深度的通道。第4,173,445号美国专利(McKelvey等人)公开了具有从供给部分至测量部分的不断减小的通道深度的挤压机螺杆并且其能在高温下使用更长的时间，同时能够使熔化的产物在高温下保留期望的机械性能。

挤压机螺杆在第4,000,884号(Chung)美国专利中进行公开。该专利公开了包含与熔化部分连接的供给部分的挤压机螺杆，所述熔化部分具有不断减小的固体通道轮廓和不断增大的熔体通道轮廓的双螺旋设计，以及不断降低最终熔体通道深度至在测量部分保持恒定的相对小的深度的过渡部分。

在内容通过引用并入本文的上述专利中的任何一个中描述的螺旋挤压机类型可适用于本文描述的用于制备融合固体的方法。例示了适用于融合固体用液体基质的制备的特征的螺旋挤压机在下文进行描述，并在图1中进行说明。尽管下文的描述提供了适用于在液体基质的形成中使用的挤压螺杆的特殊实例，但应当理解，与本文的基本挤压机螺杆设计参数一致的其它挤压机螺杆设计也可能是适合的。

本挤压机使用挤压机螺杆高速的旋转速度结合通过压缩部分的相对低的压缩比和高体积比的流量从而以充气的形式有效挤压低熔化、高粘度的液体基质以制备具有制备的比重为约0.5至0.8的融合固体。可将螺旋挤压机的一些参数优化以制备液体基质，包括通道深度、压缩比和挤压机螺杆的旋转速率的控制。

挤压机螺杆(10)包含供给部分(20)、屏障部分(30)、过渡部分(130)、安全部分(120)、包含桶外部的排气孔(未显示)的排气部分(40)、压缩部分(50)和位于桶内的测量部分(60)。理想地，除非规定，使液体基质沿着挤压机螺杆通道一致移动而基本上不逆流或不在螺杆叶片(80)上流动以便制备可接受的挤压压力和恒流的液体基质。

可通过入口将融合固体基质组分的混合物传送至供给部分并以已知的和控制的方式通过适合的发动机旋转螺杆逐渐通过所述部分。在供给部分(20)中将基质组分供给至挤压机螺杆(10)，在螺杆的屏障部分(30)中熔化并在排气部分(40)中将诸如从熔化的组分中产生的挥发物或水蒸气的蒸气排出桶。然后，在压缩(50)和测量(60)部分中将熔化的组分压缩。在融合固体是充气的融合固体的实施方案中，液体基质的充气发生在压缩部分(50)中。

最后，从测量部分的出口端(70)传送液体基质通过模具(未显示)用于形成期望的形状。可能有利的是在校准和成形之前如果通过挤压机获得高压输出从而迫使液体基质通过模具头。

在本文描述的实施方案中，挤压机螺杆的公称直径(nominaldiameter)为25mm。螺杆的供给部分包含宽度为12mm且与垂直位置的角度为约18°的螺旋形叶片。叶片直径为25mm。在整个螺杆的长度上该叶片直径和角度保持恒定。通常，通道的根圆直径与外部叶片直径(flightdiameter)的同轴度在0.15mm内，更常规在0.12mm内。在供给部分中，通道深度保持恒定为5mm。通常，供给部分的温度为约120℃至150℃。供给部分与熔化基质组分的屏障部分连接。

在本文描述的实例中，螺杆的屏障部分由双螺旋组成，其具有恒定深度的熔化通道(100)和邻近熔化通道的减小深度的固体通道(110)。屏障部分的熔化和固体通道之间的叶片允许所述材料从固体通道流向熔化通道。通常，熔化通道的恒定深度为5mm用于确保用于挤压液体基质的挤压机螺杆的适当操作。屏障部分中的温度可为约150℃至180℃。屏障叶片(140)伸出屏障部分(30)使得剩余在熔化通道和固体通道中的所述材料共同混合。通常从屏障叶片伸出至下游部分之后开始的过渡部分(130)中，熔化通道从5mm逐渐变细至4mm。在该位置，熔化和固体通道的混合通道伸出至安全部分(120)中。在安全部分中，混合通道深度从4mm逐渐增至5mm，在排气部分中后面的深度保持恒定。在安全和排气部分中，使液体基质承受压环境压力以去除挥发物并确保液体基质的适当排放。

例如，如图1例示的，为提供基质的适当熔化，双螺旋设计可能是有利的。然而，应当理解，如果屏障部分的长度实质上增加，可能有效熔化基质组分而不需双螺旋设计。还应当理解，可设计屏障部分的尺寸和配置以符合液体基质的流变学并适当推动液体基质以适合的速率流动通过屏障部分。

优选严格控制屏障部分内的尺寸并机器加工表面至具有的偏差范围为规定尺寸的0.01％+/-的精确尺寸以适当排放液体基质并确保所述材料平稳、连续流动通过挤压机螺杆通道。通常，排气部分的温度为约180℃至200℃。通过小心控制从屏障部分至排气部分的过渡，进一步增强熔化组分的均匀和持续运动。

将排气部分(40)与压缩部分(50)连接。通常，压缩部分的温度为约160℃至180℃。压缩部分中通道的相对深度可具有规定偏差的0.01％+/-的偏差以影响挤压机螺杆的操作。压缩部分的初始通道深度为螺杆外半径的约40％。压缩部分的最终通道深度为外部螺杆半径的约16％。在某些实施方案中，初始通道深度为5mm且最终通道深度为2mm。通常，挤压机螺杆的相对小压缩的比为约2.0∶1至2.5∶1，且最优选为约2.5∶1。理想地，使压缩部分中通道的初始深度尽可能大而不影响挤压机螺杆的强度，并相对于标准挤压机螺杆设计可较大。通过压缩部分提供与常规挤压机相比相对大体积的流动。通过在压缩部分中提供相对大深度的初始通道并且在所述部分中还提供相对低的压缩比同时在高速率下旋转螺杆获得大体积流动。在某些实施方案中，流动体积为约4000cm³至50000cm³每分钟。在某些实施方案中，流动体积为约6750cm³至11250cm³每分钟。在压缩部分中提供的压缩部分的初始部分中的深通道深度和通常为2.5∶1的相对小的压缩比共同增强液体基质向前移动，同时较少向后流动或在挤压机螺杆叶片上流动。如果压缩比太大，那么可能发生喘振。

在从压缩部分经过之后，压缩的材料传送通过恒定通道深度为2mm的测量部分(60)。通常，测量部分中的温度为约150℃至170℃。在传送通过测量部分之后，所述材料传送通过多孔板和模具。

理想地，从挤压机螺杆流出的液体基质处于足够的高压以传送通过模具而在测量部分中不导致过度的反向压力。发现在某些实施方案中约500kg/m²至约900kg/m²的压力和在特定的实施方案中约800kg/m²至约900kg/m²的压力是足够的。为获得这些压力以及在压缩部分中使用的相对低的压缩比，有利的是在基本上比用于塑料聚合物材料的挤压机螺杆的旋转速率高的速率下旋转螺杆。

在足以制备离开压缩和测量部分的高压释放的液体基质的速率下旋转挤压机螺杆。提供电动机驱动装置用于旋转螺杆。变速程序化逻辑控制的变速箱可控制旋转螺杆的速率。变速对于对控制待挤压的体积可能有利并可通过待挤压的液体基质的横截面积控制速率。在某些实施方案中，在约50rpm至250rpm下旋转挤压机螺杆。通常，在约100rpm至140rpm，且更常规在120rpm的速率下旋转螺杆。较低的操作速率降低产量但认为是经济上可行的。在某些实施方案中，螺杆表面必须光滑以便沿着螺杆通道有效移动液体基质。通常，机械加工螺杆表面至精细研磨的镜面光洁度。螺杆表面是硬的镀铬自动剥线器以增强液体基质流动通过螺旋挤压机。

其为确保聚合物在屏障部分中的均匀熔化和运动以及提供相对低的压缩比和相对大体积的流动以及在产生高压和有效挤压液体基质的高速率下旋转螺杆的组合。

在螺杆的前端，将液体基质挤压通过挤压机机头。如本文使用的，术语“多孔板”是指刚好在挤压模具之前在挤压机机头内部的板。通常，为获得完全混合，通过多孔板将混合的组分包含在螺杆区域内。多孔板可用于形成融合固体的形状并在非限制性实例中可包含梯形、三角形、四边形和长方形或其任意组合中的任何一种的孔.

可将液体基质传送通过挤压模具以产生具体的产物形状。产物形状可由多孔板确定。产物形状可由挤压模具确定。产物形状可由多孔板和挤压模具确定。挤压模具可包含允许同时挤压两种或多种相同或不相同形状部分的导引装置和/或模板。模具的内表面可为Teflon^TM涂覆的以降低液体基质的摩擦。挤压机的挤压模具区域的温度可为约160℃至180℃。在其它实施方案中，挤压机的挤压模具区域的温度可为约90℃至180℃，例如90℃至120℃。挤压和成形物品表现出光滑表面特性，其可能由于供给部分中通道的深度和过渡部分中不断降低深度的通道。

可以用于胶溶和干燥基质材料的细圆柱体的形式挤压液体基质。当形成最终的挤压物品时，可在螺旋挤压机中储存并再熔化粒状基质。或者，可以诸如厚木板或板的用于生产物品的单体形式挤压液体基质。在以单体形式挤压液体基质的情况下，挤压的液体基质的厚度通常为5mm至300mm的深度和通常为约5mm至300mm的宽度。

拉挤成型

在以单体形式挤压液体基质之后，在其中布置处于张力下的连续纤维。在某些实施方案中，本文描述的方法使用拉挤成型用于生产具有恒定横截面的期望长度的融合固体，或其具有在沿着产物长度的任何轴位置引入的局部变化的横截面形状，并具有在其中布置的处于张力下的连续纤维。

在某些实施方案中，通常，通过拉挤成型制备融合固体以形成具有长方形横截面的物品。然而，应当理解所述方法可用于制备具有任何期望横截面形状的物品，包括具有正方形、圆形、三角形、直角梯形、X-形、T-形、J-形、l-形或其它规则或不规则横截面形状或外形的管和杆。除非另外规定，本文使用的横截面形状或外形是指当其从拉挤成型模具中形成时，垂直于拉挤成型物品的横截面的拉挤成型物品的形状。

通常，在以线的形式提供连续纤维的情况下，拉挤成型装置包括多个提供拉紧的连续纤维的筒子架、织机或线轴。随后，可将离开筒子架、织机或线轴的连续纤维拉出穿过定位和可聚集多条连续纤维的线的导引装置。在某些实施方案中，将筒子架、织机或线轴安装于可在容纳第一线轴和第二线轴的托架系统上安装的可调节的装有弹簧的轮轴。当第一线轴变空时，来自第二线轴的连续纤维的线可与来自第一线轴的连续纤维的线连接。然后，第二线轴变为第一线轴，同时重新装载具有连续纤维的线的前面的第一线轴。

可将拉紧的连续纤维通过例如可包含一个或多个机器加工的板、片状金属导引装置等的成形导引装置。导引装置使连续纤维的线固定成为在液体基质内布置的连续纤维的模式。通常，将连续纤维的拉紧的线穿过在基质内布置纤维进入其位置的波形插入管。在一个实施方案中，插入管在一端可包含V-形球状结构。V-形球状结构可用于在基质内产生用于插入连续纤维的拉紧的线的通道。

优选地，将连续纤维的各个线拉紧至等于应用约1kg、1.5kg、2.0kg、2.5kg、3.0kg、3.5kg至4.0kg负载的量。可通过液压滑轮系统应用张力。通常，将装有弹簧的轮轴计算机编程以控制张力。在某些实施方案中，通过张力链齿轮的液压操作的撞锤在纤维上保持恒定的张力。连续纤维的线这样的张力帮助保持其在融合固体中平行排列并排成直线。此外，通过与连续纤维一起熔化液体基质同时连续纤维仍处在张力下，融合固体可具有更大的硬度和强度。

在拉挤成型中，可抽出液体基质和在其中布置的连续纤维通过能够经历温度循环的可控温的拉挤成型模具。根据需要，可提供加热装置和冷却装置以选择性加热和冷却模具。拉挤成型模具可包含诸如电加热器电阻丝的加热装置。或者，能提供诸如外部滚筒加热器、红外加热器、筒式加热器、石英加热器、在模具部分中提供的用于循环加热的流体的管道或通道等的其它常规加热装置。适合的冷却装置可包括本领域已知的常规冷却装置，例如用于移动冷空气的风扇、鼓风机等或通过模具外表面的其它冷却气体。应当理解，优选地，加热装置和冷却装置分别由多个单独控制的加热和冷却装置组成以促进沿着模具整个长度的最佳温度控制。通常，在拉挤成型模具的入口点的温度为约170℃至190℃。在其它实施方案中，在拉挤成型模具的入口点的温度为约90℃至190℃，例如90℃至120℃。通常，在拉挤成型模具的出口点的温度为约25℃至50℃。

在一个实施方案中，通过抽出基质和连续纤维物质，线轴启动拉挤成型过程。通常，拉挤成型模具的第一区域为锥形的。逐渐变细的模具将应用压力以将连续纤维物质的线放入基质中。

通过抽出基质通过模具的力可从基质中抽出在液体基质中存在的水分。

通常，拉挤成型模具的第二区域包含固定装置或抽出装置。通常，使用一个或多个固定装置或抽出装置以传送所述材料通过拉挤成型模具。固定装置或抽出装置可包括常规往复式夹紧型抽出器，其包括相对于抽出器的框架静止的下部夹子和可移动的上部夹子。或者，可使用静止的上部夹子和可移动的下部夹子设计。往复式夹紧型抽出器可为在机器方向上可移动的以抽出拉挤材料通过拉挤成型装置。相似或相同的往复式固定或抽出装置可直接位于第一固定装置或抽出装置之后使得伴随交替循环通过拉挤成型模具抽出的产物经历基本上连续的移动。更常规地，固定或抽出装置是连续的抽出机装置。抽出机装置可包含齿形辊。通常，齿形辊在模具的所有侧面上存在。在某些实施方案中，模具具有4个齿形辊。通常，齿形辊产生防滑表面。

可在约2.5cm至约600cm每分钟或更常规为约300cm至约500cm每分钟的线速度下从拉挤成型模具中抽出融合固体。

在传送通过固定或抽出装置之后，可通过切割装置将融合固体切割成为期望长度的各个物品。切割装置可为适用于切割融合固体的任何已知装置，例如圆锯、带锯、激光器等。

所述方法允许从拉挤成型模具中抽出包含连续纤维物质的任何期望长度的融合固体。装置可为手动控制的。在某些实施方案中，装置为计算机控制的。

通过包括但不限于自然环境干燥条件或通过传送拉挤的材料通过加热室或微波炉的方法可控制拉挤成型之后的融合固体的水含量。

在某些实施方案中，可进行融合固体随后的加工，包括但不限于涂覆融合固体、在融合固体的表面上印刷或堆垛融合固体。

对本领域技术人员明显的是，在不违背其基本原理的情况下可对本发明的上述实施方案的细节进行改变。

实施例

实施例1-以融合固体制备的托盘

下面阐述使用上述融合固体制备的适用于出口海运的托盘。在图2中例示典型托盘(270)的设计。在图2中例示的托盘尺寸并非按比例绘制。

本文描述的托盘的外部尺寸为1140mm的宽度(280)、150mm的深度(290)和1140mm的长度(300)。然而，应当理解容易构造其它尺寸的托盘。

为形成顶铺板条(200)和底铺板条(210)，以连续长度的形式挤压融合固体并剪切以形成长度为1140mm的厚板，其最终横截面尺寸为125mm×18mm。通常，在每个托盘中使用6个顶铺板条和4个底铺板条。可能在一个托盘中使用不同尺寸的板条。通常，例如可提供具有较大宽度的外部顶铺板条和底铺板条的托盘，例如通过挤压具有175mm×18mm的最终横截面尺寸的融合固体。

为形成纵梁(220)，以连续长度的形式挤压融合固体，其横截面尺寸为具有114mm×114mm，并剪切以形成长度为1140mm的纵梁。通常，每个托盘使用3个纵梁，尽管可使用另外的纵梁。

除前面和后面的入口之外，有利的是在纵梁中提供刻槽以使托盘升降机使用托盘的一侧或两侧的入口。可在纵梁的挤压成形之后或在将纵梁切割至长度之前或之后产生这些刻槽。

为形成托盘，通过固定装置将顶铺板条和底铺板条固定于纵梁。固定装置可选自但不一定限于螺杆、钉子、加压钉或粘合剂或胶水。在其使用结束时将托盘降解的情况下，可能期望使用容易去除或本身可降解的固定装置。

在本文描述的示例性托盘中，各个顶铺板条之间的板条间距(230)为78mm，内部两层底铺板条之间的板条间距(240)为78mm并且内部和外部底铺板条之间的板条间距(250)为281mm。纵梁之间的板条跨度(260)为399mm。托盘中所有上述间距测量均为边缘至边缘。

如果用于托盘的融合固体是表面经处理的，那么可在组装托盘之前或组装之后使融合固体进行表面处理。

若需要，可使用不同材料的相似组分代替上述托盘的某些融合固体组分。例如，可使用木制纵梁代替托盘的纵梁。

在本说明书的上下文中，术语“包含”意思是“包括但不一定仅限于”。此外，“包含”的变型，诸如“包括”和“含有”的词语，具有相应变化的含义。

Claims (13)

1.融合固体，其包含基质，所述基质包含热塑性淀粉和增塑剂，其中在所述基质内布置有处于张力下的连续纤维，其中

所述连续纤维处于等于1kg至4.0kg负载的张力下；

所述连续纤维包含植物纺织纤维；并且

在被布置于所述基质内之前将所述连续纤维脱水。

2.如权利要求1所述的融合固体，其中所述基质还包含一种或多种选自聚酯、不连续纤维、非纤维填充物、发泡剂和油的组分。

3.如权利要求1所述的融合固体，其中所述基质为充气的。

4.如权利要求1所述的融合固体，其中所述热塑性淀粉来源于玉米淀粉。

5.如权利要求1所述的融合固体，其中所述增塑剂选自多元醇、甘油酯、聚甘油和聚甘油酯中的任何一种或多种。

6.如权利要求1所述的融合固体，其中所述增塑剂选自卵磷脂、柠檬酸三乙酯、乙二醇、丙二醇、甘油、赤藓糖醇、季戊四醇和山梨醇中的任何一种或多种。

7.如权利要求1所述的融合固体，其中所述植物纺织纤维为大麻纤维或黄麻纤维。

8.如权利要求1所述的融合固体，其中所述植物纺织纤维为大麻韧皮纤维。

9.如权利要求1所述的融合固体，其中所述融合固体为生物可降解的。

10.如权利要求1所述的融合固体，其中所述连续纤维包含多个更小的纤维，所述更小的纤维排列以形成连续的线，并且其中所述连续的线的横截面积为0.5mm²至10mm²。

11.如权利要求10所述的融合固体，其中所述连续的线为纺织的以形成横截面积为15mm²至60mm²的线。

12.如权利要求11所述的融合固体，其中所述连续的线为针织的、编织的或机织的。

13.托盘，其包含多个顶铺板条、多个底铺板条和多个纵梁，其中所述多个顶铺板条中的至少一个、所述多个底铺板条中的至少一个和所述多个纵梁中的至少一个由权利要求1至12中任一权利要求所述的融合固体组成。