CN107949473A - 大型轻质模制材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大型轻质3‑D形模制纸浆材料，例如容器，包括衬有增强芯部间隔件材料的大型纸浆模制外部壳体以及由模制纸浆或柔性纸基材料制成的内部壳体，该增强芯部间隔件材料贴合并附着到所述壳体。用于制造这种轻质材料的方法涉及在用弹性体材料[6]覆盖的第一凸形半模[5]和第二凹形半模[3]之间挤压浆化的纸浆，以形成模制纸浆外部壳体[17]，并且将增强芯部间隔件材料[18]粘合到所述模制纸浆壳体[17]的内部，并将内部壳体粘合到所述间隔件材料。

Description

大型轻质模制材料及其制造方法
技术领域
整体上，本文的实施例涉及大型轻质模制材料，并且涉及制造这样的模制材料的方法。
更具体地，本申请的不同实施例尤其涉及通过使用衬垫衬里材料制成的不同的3-D形轻质材料。
背景技术
纸浆模制在本领域中已知用于生产小型包装，例如蛋盒、一次性食物盘、盒插入物和其他保护包装材料等。
US6245199描述了一种纸浆模制托盘的方法，其中起始材料是含有纤维素纤维的悬浮液。将凸形半模浸入悬浮液浴中，然后在加热和加压下将半模压合在一起。
SE529897C2描述了一种托盘的纸浆模制，其中使用脱水容器来成形纸浆托盘，然后将纸浆托盘转移到压缩工具，在该压缩工具处托盘经受压力和热。它涉及转移步骤，不容易适用于大型容器。
EP0466653描述了一种由模制纸浆制成的棺材，没有任何增强间隔件衬里。
WO06016072描述了一种大型容器，在这种情况下，棺材由面板构成，该面板由具有纸板面的蜂窝层构成。
然而，相关领域都没有公开或暗示如何实现本文实施例所提供的解决方案。
发明内容
这里的实施例旨在解决在现有技术的设计中仍存在的难以协调的相互关联的问题的复杂性：
使用现有的纸浆模制方法来生产非常大的三维物体是非常困难的。这部分是由于压机中纸浆压缩所使用的两个金属半模的热膨胀和收缩问题造成的。如果半模的尺寸变化，那么由于在压缩过程期间不可避免地变得更冷和更热，而使得容器的强度受到损害，并且表面将不平滑和均匀。如果成品的表面质量和强度不重要，例如对于包装材料或一次性餐具而言，那么这不是问题，但是在成品的强度和表面光洁度非常重要的情况下，这是一个问题。通常难以实现纸浆模制产品中的强度和表面均匀性，特别是在这种薄的产品中。
现在可以使用我们共同未决的专利申请No.1550864-1中描述和要求保护的半模和设备来制造具有改进的强度和光滑度的模制纸浆的大体积轻质壳体，该专利申请的名称为“Pulp Molding Apparatus and Molds for Use Therein(纸浆模制设备及其所用的模具)”。
迄今为止，提供一种轻质、非常坚固、具有光滑且均匀的外表面、并且首先制造容易且便宜的大型纸浆模制3-D形材料已经证明是非常困难的。
上面列出的问题的整个复合体在如所附主要专利权利要求中所限定的实施例中找到其解决方案。
在第一方面中，提供一种大型轻质三维模制材料，其包括外部壳体、增强间隔件和内部壳体，所述外部壳体由模制纸浆制成，所述增强间隔件贴合并附着到所述外部壳体的内部，所述内部壳体由模制纸浆或柔性纸基材料制成，附着到所述间隔件衬里。
在实施例中，间隔件可以是六边形单元的蜂窝片材。
在实施例中，增强间隔件和内部壳体可以由具有单个覆盖纸片材的Re-制成。
在实施例中，Re-间隔件可以仅具有单个内部覆盖片材。
在实施例中，增强间隔件衬里可以包括由基本上垂直于所述壳体的壁分开的中空单元。
在实施例中，增强间隔件可以包括由纸制成的蜂窝结构。
在实施例中，增强间隔件可以由模制纸浆制成的间隔件结构制成。
在实施例中，由模制纸浆制成的所述部件可以借助于功能性添加剂制成，所述功能性添加剂为例如阻燃剂、疏水化添加剂、干强度添加剂和/或湿强度添加剂。
在实施例中，材料覆盖物还可以包括模制纸浆的外部壳体和增强间隔件衬里。
在实施例中，材料可以具有至少1m的长度。
在另一方面，提供了一种生产3-D形模制材料的方法。该方法包括：
a.在覆盖有弹性体材料的第一凸形半模和第二凹形半模之间挤压水基纸浆浆料，并且在升高的温度下、在压力下干燥该材料以形成模制纸浆壳体，
b.提供芯部间隔件结构并将所述增强间隔件结构粘合到所述模制纸浆壳体的内部，
c.提供由模制纸浆或另一种柔性纸基材料制成的内部壳体，并将所述内部壳体粘合到芯部间隔件结构。
在实施例中，所述挤压可以是在框架中进行的，其中一个所述半模安装在用于朝向另一个半模平移运动的装置、用于压缩和保持成对的所述半模相互配合的装置和纸浆浆料浴中，并且用于平移运动的所述装置适于将第一半模浸入所述纸浆浆料浴中，并使所述第一半模运动至压靠配合所述第二半模。
在又一方面，提供了一种大型轻质三维物体。该物体包括弯曲的外部壳体、柔性增强间隔件和内部壳体，所述外部壳体由模制纸浆制成，所述柔性增强间隔件贴合并附着到所述外部壳体的内部，所述内部壳体由模制纸浆或柔性纸基材料制成，附着到所述间隔件衬里。
在实施例中，柔性增强间隔件可以是六边形单元的蜂窝片材。
在实施例中，柔性增强间隔件可以是波纹芯部结构。
在实施例中，柔性增强间隔件和内部壳体可以由具有单个覆盖纸片材的Re-带槽纸板制成。
在实施例中，Re-柔性间隔件可以仅具有单个内部覆盖片材。
在实施例中，增强间隔件衬里可以包括由基本上垂直于所述壳体的壁分开的中空单元。
在实施例中，柔性增强间隔件可以包括由纸制成的蜂窝结构。
在实施例中，柔性增强间隔件可以由模制纸浆制成的间隔件结构制成。
在实施例中，由模制纸浆制成的所述部件可以借助于功能性添加剂制成，所述功能性添加剂为例如阻燃剂、疏水化添加剂、干强度添加剂和/或湿强度添加剂。
在实施例中，物体可以具有至少1m的长度。
另一方面，提供了一种生产3-D形模制物体的方法。该方法包括：
a.在覆盖或浇铸有弹性体材料的第一金属凸形半模和第二金属凹形半模之间挤压水基纸浆浆料，并且在升高的温度下、在压力下干燥纸浆浆料，以形成所述弯曲的模制纸浆壳体，
b.提供芯部间隔件结构并将所述增强间隔件结构粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体的内部，
c.提供由模制纸浆或另一种柔性纸基材料制成的内部壳体，并将所述内部壳体粘合到芯部间隔件结构。
在实施例中，步骤b和c通过将单面粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体的内部而被执行。
在实施例中，可将单面的单个片材粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体的整个内部。
在实施例中，所述挤压可以是在框架中进行的，其中一个所述半模安装在用于朝向另一个半模平移运动的装置、用于压缩和保持成对的所述半模相互配合的装置和纸浆浆料浴中，并且用于平移运动的所述装置适于将第一半模浸入所述纸浆浆料浴中，并使所述第一半模运动至压靠配合所述第二半模。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本文的实施例，其中：
图1示出了根据本文实施例的由轻质材料制成的容器的横截面图。
图2示出了图1中所示的轻质容器的透视图。
图3示意性地示出了在可用于制造根据本文实施例的材料的壳体的方法中使用的一对半模。
图4a-f示出了可以与这种半模一起使用来制造根据本文实施例的材料的壳体的框架。
具体实施方式
根据本文中的实施例的大型轻质3-D形纸浆模制材料(例如物体)在图1中以横截面图并且在图2中以透视图示出为容器的形式。根据本文的实施例的材料中的轻质示例性容器通过三个不同的部件构成为夹层结构，这三个不同的部件包括：
由3-D形模制纸浆制成的外部壳体17。这是材料的表面，并且通过例如使用在我们的共同未决的、名称为“Pulp Molding Apparatus and Molds for Use Therein(纸浆模制设备及其所用的模具)”的专利申请No.1550864-1中描述的用于生产大型模制纸浆物体的新颖方法，将
i)具有光滑且均匀的表面，并且使复杂的3-D形设计成为可能。
ii)由柔性间隔件结构组成的芯部18，所述柔性间隔件结构可以是但不限于ReBoardTM的芯部、纸蜂窝结构、模制芯部结构(如在国际专利申请WO2010138066A1中所述)、或者用于波纹板的通过开槽制成的波纹状芯部结构。
iii)由模制纸浆或柔性纸基材料(如衬板或纸板)制成的内部壳体19。
通过使用如上所述的夹层结构，可以在材料中使用复杂的3D形设计，同时获得高强度材料。
在本文的一个实施例中，壳体17由模制纸浆制成，并且在具有ReBoard(TM)的所示实施例中在其暴露的内表面上内衬有仅仅单个衬板。然后，ReBoardTM组成上面的芯部结构(ii)和上面的内部壳体(iii)。由于其中一块衬板已经从普通的reboard材料上取下，所以ReBoardTM18可以弯曲而不会断裂，以便在粘合到壳体上之前与模制纸浆壳体17的内侧相贴合，然后将缺少的衬板替换为增强ReBoardTM间隔件结构。
当然也可以使用其他芯部材料作为间隔件材料来为模制纸浆壳体17提供衬里，这些芯部材料能够贴合模制纸浆壳体的内部曲率。具有与壳体17的表面垂直地延伸的壁的蜂窝结构也是一种可能的间隔件材料，和波纹板中所用的波纹芯部或者如上所述的纸浆模制间隔件材料一样，然后覆盖有另一个由纸基材料的模制纸浆制成的内部壳体，以产生高强度轻质材料。
为了进一步改善材料的性能，当生产材料的模制部件时，可以使用各种功能添加剂。可用于增加材料功能的添加剂可以是阻燃剂、疏水化添加剂、干强度添加剂和湿强度添加剂。这可以添加到用于制造模制材料或物体的纸浆浆料中，或者可以通过例如喷涂或涂覆作为表面处理而添加。
模制3-D形材料的特征在于具有均匀且光滑的表面以及良好的机械性能。为了获得适当的硬度，模制材料的密度需要为至少100kg/m3，但是根据在模制过程期间使用的压力可能甚至更高。
模制材料或物体可以由来自各种纤维的纸浆制成，例如原生木纤维(例如化学热机械纸浆、化学纸浆或机械纸浆)、回收木纤维、由粘胶、棉花或其它纤维素纤维制成的纺织纤维，但也可以由包含纤维的纸浆制成，所述纤维与热塑性纤维例如聚乳酸(如在例如专利EP2171154A1中所述)混合以产生复合材料。
图4中示出了一种装置，该装置可用于制造根据本文实施例的模制纸浆壳体以形成容器，并且在我们的共同未决的、名称为“Pulp Molding Apparatus and Molds for UseTherein(纸浆模制设备及其所用的模具)”的专利申请No.1550864-1中进行了描述。
它包括框架1，该框架保持固定平台和其下方的可移动平台12，该固定平台保持凹形半模3，该可移动平台保持凸形半模5。
六个长螺杆4上的六个同步马达驱动的螺母将来自浆料浴16(在25-30℃下，99.5％的水和0.5％的纸浆纤维)的凸形半模5移动到接合在被加热的凹形半模3中。
图3以纵向剖视图示出了用于制造本文实施例的增强容器的壳体17的一对半模3、5。凸形半模5由中空的铝制成，并涂覆有大约30mm厚的弹性体6。该弹性体优选地喷涂到铝半模上。也可以将弹性体浇注到铝半模上。典型的弹性体应该是疏水性的，但不经受水解。有利的硬度，特别是在弹性体上喷涂而言，为70A-肖氏硬度，以提供最佳的弹性性能。相互间隔15mm的5mm直径的通孔覆盖弹性体层并连接到凸形半模5的铝本体中的通孔8。在凸形半模内产生0.5-0.9巴的真空。在弹性体层的顶部上有丝网。在这种情况下，它是100目(即每英寸100线)的，厚度约为1mm。丝网也可以铺设成多层，这将进一步有助于使真空力更均匀地分布。凹形半模3由铝制成并且在这个例子中具有700kg的重量。例如通过嵌入在凹形半模3的材料中的加热棒将其加热到大约200℃。这是加热凹形半模的最节能的方法。其内表面将产生产品的外表面。两个半模或诸如插入件的半模的一部分可以由多孔铝制成，以增加烧结材料的强度并增加导热性。在浸入浆料浴6(见图4a)后，凸形半模5通过真空使浆料脱水至大约20％的干度(80％的水)，然后将凸形半模5压入凹形半模3，直到两个半模之间的间隙为大约1mm。对于这个特定的产品，该间隙可以在大约0.8至大约1.2mm之间变化而没有不利影响。然后将材料在升高的温度(>100度，优选150度)下加压干燥。由于吸收来自凸形半模3(大约250℃的温度)的冷却，继而使得热铝凹形半模5(最初大约2000℃)在压缩过程中又下降大约13℃。这种温度变化导致凹形半模在其大约7-8mm的长度上收缩，在其宽度(2.5毫米)和高度(1.5毫米)上相应收缩。这由弹性体层6补偿。凸形和凹形半模两者的温度在压缩过程中上下变化，因此模具的尺寸反复轻微地变化。在常规的纸浆模制工艺中，这些尺寸变化会导致成品中的应力和不均匀，甚至可能导致破裂。在该具体示例性产品中，没有弹性体层，凹形半模的温度必须相当精确，即在该实例中在大约1950至2040℃之间。在这种类型的工业过程中，这种精度难以实现和保持。甚至在制造较小的纸浆模制产品时也经历了这些问题，并且需要精确调节温度以避免这些问题。大多数纸浆模制产品(例如蛋盒)为若干毫米厚，因此更多孔，这种产品是否表面粗糙没有区别。具有粗糙表面的产品不能在许多应用中使用。对于大型产品来说，尺寸热膨胀/收缩的问题会大大增加。迄今为止，这些问题使得不可能制造具有合理废品率和光滑表面的大型纸浆模制产品。
本文的实施例被开发用于生产大型容器的壳体，其具有极少废品并且不需要精确地监测和连续地调节两个半模的温度。由于弹性体用于吸收凸形半模和凹形半模的大部分尺寸变化，所以它们可以做得比其他方式更轻更薄，原因在于它们不需要大的质量来防止温度变化。例如，在这个例子中，凹形半模重约750kg。如果其必须保持更恒定的温度，则可能必须具有数吨的质量，需要更多的能量来加热如此大的质量并保持热量。
例如，棺木通常具有弯曲的侧面，这在以胶合板或木板生产时是昂贵的。根据本文的实施例，可以生产厚度为大约1-2mm的壳体，其提供最大刚度。大于或小于此厚度(1-2mm)的厚度提供较小的刚度。
这些问题是通过用弹性体材料涂覆凸形半模的表面然后在其上施加一个或多个丝网来解决的。该弹性体材料在压缩/加热过程期间连续补偿两个半模的变化尺寸。
对于模制壳体而言还有利的是，将固定半模(在这种情况下为凹形半模)安装成稍微可水平移动(±25mm)，以确保任何加热膨胀不会妨碍在压制操作过程中凸形和凹形半模之间的正确水平对准。
还有利的是，为纸浆模制设备配备机械千斤顶，与用于压缩步骤的更多增量最终阶段相结合。该最后阶段也可以借助液压活塞来完成。
从图3中可以看出，凸形半模5在弹性体层6下面设置有通道14和大孔8，以防止保持纸浆浆料的真空的任何下降，并使其在丝网表面上脱水。
本文的其他实施方式进一步描述了生产上述3-D形模制轻质材料的方法。生产材料的步骤包括：
i)用上述设备提供3-D形模制材料17或物体，在夹层材料中添加或不添加用作外壳的功能添加剂
ii)提供在夹层材料中用作芯部的间隔件材料18，并将所述芯部间隔件材料粘合到3-D形模制材料或物体
iii)提供由附着到间隔件材料的3-D形模制材料或物体或者柔性纸基材料制成的内部壳体19。
现在将参照附图并且特别参照图4a-4f来描述提供三维模制材料或物体的方式。实现此目的的一种设备包括框架1，该框架保持固定平台2和其下方的可移动平台12，在该固定平台上安装有凹形半模3，该可移动平台保持凸形半模5。图4a、4b和4f示出了处于模具分离位置的设备，图4c、4d和4e示出了处于用于形成模制纸浆壳体的模具压缩位置的设备。在所有附图中对于相同部件使用相同的附图标记。该设备在图4a中以透视图示出，处于模具分离位置中，凸形半模5浸没在浆料浴16中。液体浆料本身未在图中示出。图4b中的竖直截面显示了相同的模具分离位置。
将凸形半模5浸没在纸浆浆料浴16(在25-30℃下，99.5％的水和0.5％的纸浆纤维)中，抽吸系统17连接到凸形模具的中空内腔15，由此将纸浆的涂层吸附到凸形半模5的表面上。
六个长螺杆4上的六个同步马达驱动的螺母将来自浆料浴16的凸形半模5移动到与在图4c、4d和4e所示的模具的压缩位置中被加热的凹形半模3压力接合。
这里的实施例的大型模制材料或物体可以具有任何尺寸。当材料的尺寸大于常规模制技术可以制造的尺寸时，本文的实施例的方法特别适用。这里的实施例的3-D模制材料或物体可以例如具有1m或更长的长度，或者在另一个示例中具有1m或更大的直径。

Claims (26)

1.一种大型轻质三维模制材料，其包括：
外部壳体(17)、增强间隔件(18)和内部壳体，所述外部壳体由模制纸浆制成，所述增强间隔件贴合并附着到所述外部壳体的内部，所述内部壳体由模制纸浆或柔性纸基材料制成，附着到所述间隔件衬里。
2.根据权利要求1所述的模制材料，其特征在于，所述间隔件是六边形单元的蜂窝片材。
3.根据权利要求1所述的模制材料，其特征在于，所述增强间隔件(18)和所述内部壳体由具有单个覆盖纸片材的制成。
4.根据权利要求3所述的模制材料，其特征在于，所述间隔件仅具有单个内部覆盖片材(19)。
5.根据权利要求1所述的模制材料，其特征在于，所述增强间隔件衬里包括由基本上垂直于所述壳体的壁分开的中空单元。
6.根据权利要求1所述的成型材料，其特征在于，所述增强间隔件包括由纸制成的蜂窝结构。
7.根据权利要求1所述的成型材料，其特征在于，所述增强间隔件由模制纸浆制成的间隔件结构制成。
8.根据权利要求1所述的成型材料，其特征在于，由模制纸浆制成的所述部件借助于功能性添加剂制成，所述功能性添加剂为例如阻燃剂、疏水化添加剂、干强度添加剂和/或湿强度添加剂。
9.根据权利要求1所述的模制材料，其特征在于，所述材料包括材料覆盖物，所述材料覆盖物还包括模制纸浆的外部壳体和增强间隔件衬里。
10.根据前述权利要求中任一项所述的模制材料，其中所述材料具有至少1m的长度。
11.一种生产根据权利要求1-10中任一项所述的3-D形模制材料的方法，其特征在于：
a.在覆盖有弹性体材料(6)的第一凸形半模(5)和第二凹形半模(3)之间挤压水基纸浆浆料，并且在升高的温度下、在压力下干燥该材料以形成模制纸浆壳体(17)，
b.提供芯部间隔件结构并将所述增强间隔件结构(18)粘合到所述模制纸浆壳体(17)的内部，
c.提供由模制纸浆或另一种柔性纸基材料制成的内部壳体，并将所述内部壳体粘合到芯部间隔件结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述挤压是在框架[1]中进行的，其中一个所述半模[5]安装在用于朝向另一个半模平移运动的装置、用于压缩和保持成对[3，5]的所述半模相互配合的装置和纸浆浆料浴[10]中，并且用于平移运动的所述装置适于将第一半模浸入所述纸浆浆料浴中，并使所述第一半模运动至压靠配合所述第二半模。
13.一种大型轻质三维物体，其包括：
弯曲的外部壳体[17]、柔性增强间隔件[18]和内部壳体，所述外部壳体由模制纸浆制成，所述柔性增强间隔件贴合并附着到所述外部壳体的内部，所述内部壳体由模制纸浆或柔性纸基材料制成，附着到所述间隔件衬里。
14.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述柔性增强间隔件是六边形单元的蜂窝片材。
15.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述柔性增强间隔件是波纹芯部结构。
16.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述柔性增强间隔件(18)和所述内部壳体由具有单个覆盖纸片材的带槽纸板制成。
17.根据权利要求16所述的物体，其特征在于，所述柔性间隔件仅具有单个内部覆盖片材(19)。
18.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述增强间隔件衬里包括由基本上垂直于所述壳体的壁分开的中空单元。
19.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述柔性增强间隔件包括由纸制成的蜂窝结构。
20.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，所述柔性增强间隔件由模制纸浆制成的间隔件结构制成。
21.根据权利要求13所述的物体，其特征在于，由模制纸浆制成的所述部件借助于功能性添加剂制成，所述功能性添加剂为例如阻燃剂、疏水化添加剂、干强度添加剂和/或湿强度添加剂。
22.根据权利要求13-21中任一项所述的物体，其中所述物体的长度为至少1m。
23.一种生产根据权利要求13至22中任一项所述的3-D形模制物体的方法，其特征在于：
a.在覆盖或浇铸有弹性体材料(6)的第一金属凸形半模(5)和第二金属凹形半模(3)之间挤压水基纸浆浆料，并且在升高的温度下、在压力下干燥纸浆浆料，以形成所述弯曲的模制纸浆壳体(17),
b.提供芯部间隔件结构并将所述增强间隔件结构(18)粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体(17)的内部，
c.提供由模制纸浆或另一种柔性纸基材料制成的内部壳体，并将所述内部壳体粘合到芯部间隔件结构。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤b和c通过将单面粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体的内部而被执行。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，将单面的单个片材粘合到所述弯曲的模制纸浆壳体的整个内部。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述挤压是在框架(1)中进行的，其中一个所述半模(5)安装在用于朝向另一个半模平移运动的装置、用于压缩和保持成对(3，5)的所述半模相互配合的装置和纸浆浆料浴(10)中，并且用于平移运动的所述装置适于将第一半模浸入所述纸浆浆料浴中，并使所述第一半模运动至压靠配合所述第二半模。
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