CN109415131B - 通过压力模制设备制造纤维素产品的方法、压力模制设备以及纤维素产品 - Google Patents

通过压力模制设备制造纤维素产品的方法、压力模制设备以及纤维素产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过包括成形模具的压力模制设备制造具有扁平或非扁平产品形状的纤维素产品的方法。成形模具具有限定所述产品形状的成形表面，该方法包括以下步骤：在所述成形模具中布置含有小于45％重量水的纤维素坯料；将所述纤维素坯料加热到100℃至200℃范围内的成形温度；以及借助于所述成形模具以成形压力压制所述纤维素坯料，其中成形压力遍及成形表面作用在所述纤维素坯料上，所述成形压力在1MPa至100MPa的范围内。

Description

通过压力模制设备制造纤维素产品的方法、压力模制设备以 及纤维素产品
技术领域
本公开涉及由木浆制造纤维素产品的方法，用于制造这种纤维素产品的设备和纤维素产品。
背景技术
存在许多期望提供由可持续材料制成的二维(2D)或三维(3D)形状的物体的情形。一种这样的情形涉及敏感商品的包装，比如机械高精度商品，电子装备和其他家用和五金商品，其需要保护性包装以避免在运输，储存或其他处理过程中由于例如机械冲击、振动或压缩而引起的敏感商品的损坏。这种包装通常需要保护性插入件，该保护性插入件具有适合于所容纳的商品的形状，并因此将商品牢固地保持在包装中。这种插入件通常由发泡聚苯乙烯(EPS)制成，其是轻质石油衍生材料并且不被视为可持续材料。
通常用于包装插入件的低价材料是模制纸浆。模制纸浆具有被认为是可持续包装材料的优点，因为它由生物材料制成并且可以在使用后再循环。因此，对于初级和二级包装应用(紧挨着物品的包装和这种包装的组装)，模制纸浆在受欢迎程度方面已经快速增加。模制纸浆物品通常通过将抽吸模具浸入纸浆悬浮液中成形，同时施加抽吸，由此通过纤维沉积成形具有期望物品形状的纸浆本体。然后从悬浮液取出抽吸模具，并且通常继续抽吸以使沉积的纤维紧凑，同时排出剩余的液体。
所有湿法成形技术的共同缺点是需要干燥模制产品，这是耗费时间和能量的步骤。另一个缺点是，强纤维间结合(通常被解释为氢键结合)形成在材料中的纤维之间，这限制了材料的柔性。
此外，许多现代精益生产线需要在线按需包装或部件制造，其中湿法成形处理不是优选的。
最近，开发了新的基于纤维的材料，其目的是使得能够干燥地成形三维物体。WO2014142714A1公开了一种方法。WO 2014142714A1公开了一种干法成网的复合网状物，其是用于热成形三维形状的物体的中间产品，包括40-95％重量的CTMP纤维、5-50％重量的热塑性材料和0-10％重量的添加剂，其中干法成网的复合网状物浸渍有分散体、乳液或含有热塑性材料、聚合物的溶液，并干燥，得到50-250kg/m3的密度，或者，如果通过压延压缩得到400-1000kg/m3的密度。根据WO 2014142714A1，聚合物的结合通过在热成形处理中施加的较高温度而活化，并有助于热成形物体的最终强度。
尽管根据WO 2014142714 A1的聚合物可有助于最终强度并能够成形干法成网网状物，但这种热塑性成分将消除纤维素的可持续特征，因为该复合物将是不可再循环的。该缺点是可适用的，即使可再生和可堆肥的生物塑料，例如聚丙交酯(PLA)如WO 2014142714A1提出的那样使用，因为用于材料再回收利用的物流不可用。
最近的发现和政治决定，例如关于全球变暖2015的巴黎协定，规定消费品和包装的碳排放量，在所谓的生命循环分析(LCA)中，受到再循环和再使用材料的能力的高度影响。甚至可再生材料(如纤维素和PLA)必须被再循环以与多次再循环的不可再生材料(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))一起测量。
在世界上大多数地区，材料再循环正在慢慢地并且逐渐变得越来越成熟。欧洲拥有全球领先地位，再循环率约为30％，而美国仅达到10％，而且许多发展中国家尚未开展再循环利用。所有再循环工作的共同点聚焦于最常用的材料，诸如纸张、纸板、玻璃、铝、钢和PET。这些可再循环的级分代表大量的被浪费的商品，并且不太可能在可预见的将来将其他级分如生物聚合物建立为公共可用再循环物流。
全球对机械性质接近塑料的可再生和可再循环的材料的3D成形的包装、盒、杯、盘、碗、插入件和覆盖件的需求，因此是巨大的。
ISBN 978-91-7501-518-7(Helena Halonen，2012年10月)研究了一种方法-羟乙基纤维素(HEC)，用于通过压缩模制仅用水处理的商业化学木浆来制造新的全纤维素复合材料。目的是研究加工处理过程中的结构变化以及将最终生物复合材料的机械性质与纳米级结构相关联的复杂性。
在压缩模制期间高温(150-170℃)和高压(45MPa)的组合产生纤丝聚集的显着增加，可能包括纤维素-纤维素熔接结合，即纤维-纤维结合区域中的纤丝聚集。这种纤丝聚集导致生物复合材料相比于例如PET-强度(75MPa)和PET-模量(PET 3GPa)具有显著的机械性质，包括改善的强度(289MPa)、模量(12.5GPa)和粗糙度(6％)。
虽然WO2014142714A1提出了不可再循环的热塑性成分，并且ISBN978-91-7501-518-7提出了用于形成可再循环纤维素纤维的科学结果，以获得良好的机械性质，但是到目前为止，还没有发明任何实用或工业方法，能够以合理的循环时间商业生产呈纤维素形式的包装和商品，作为用于可以作为纸板再循环的塑料的替代品。
发明内容
本公开的目的是提供一种制造纤维素产品的方法，纤维素成形设备和纤维素产品，其中避免了前述问题。该目的至少部分地由独立权利要求的特征实现。从属权利要求包含制造纤维素产品的方法、纤维素成形设备和纤维素产品的进一步发展。
存在许多期望提供由可持续材料制成的扁平或基本上非扁平形状的物体的情形。扁平形状可指大体二维形状，诸如例如片材或坯料的形状，且基本上非扁平形状可指任何合适的三维物体形状。一种这样的情况涉及液体、干燥材料和不同类型的商品的包装，其中包装可以制成三维形状或者由二维片材成形为三维形状。
本发明涉及一种通过包括成形模具的压力模制设备制造具有扁平或非扁平的产品形状的纤维素产品的方法，该成形模具具有限定所述产品形状的成形表面，包括以下步骤：：
在所述成形模具中布置含有少于45％重量水的纤维素坯料；
将所述纤维素坯料加热到100℃-200℃范围内的成形温度；以及
借助于所述成形模具以成形压力压制所述纤维素坯料，所述成形压力遍及所述成形表面作用在所述纤维素坯料上，所述成形压力在1MPa到100MPa的范围内。
成形压力可以是等静压压力或非等静压压力。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有非扁平产品形状的纤维素产品的方法，包括以下步骤：提供等静压压力模制设备，其包括：成形模具和压力模具，所述成形模具具有限定所述产品形状的成形表面；将含有小于45％重量水的纤维素坯料布置在成形模具与压力模具之间；将所述纤维素坯料加热到100℃至200℃范围内的成形温度；以及借助于所述压力模具，以基本上相等的成形压力压制纤维素坯料抵靠成形模具，所述基本上相等的成形压力遍及成形表面作用在所述纤维素坯料上，所述成形压力在1MPa到100MPa的范围内。
加热步骤和压制步骤可以至少部分地同时发生，或者纤维素坯料可以被预先加热并且在压制过程中不供应额外的热量。
纤维素产品可以例如是容器或容器的一部分，其中使用根据本发明实施例的方法制造的纤维素产品可以例如代替更难以再循环的塑料产品。因此，使用本发明方法制造的纤维素产品可以例如是包装、用于包装的插入件、盒、碗、盘、杯、托盘或覆盖件。
术语“等静压压力”应当被理解为，在纤丝聚集期间，加热的生物复合材料的纤维上的体积压力在生产期间在最终3D物体的所有几何位置中基本上相等。
术语“非等静压压力”应理解为在纤丝聚集期间，加热的生物复合材料的纤维上的体积压力在生产期间在最终3D物体的所有几何位置中不相等。
所述纤维素坯料可以各种形式提供，例如作为网状物、毯、毡、松散纤维、泡沫、片材等，所述坯料可以含有小的物质(0-10％)的试剂以增加强度、降低吸湿性或使最终部件疏水、防火、着色所述部件或以其他方式改变所述最终材料的特征。然而，添加剂的量不应该损害本发明的目的，以使部件作为纸板可再循环。
坯料可以利用辊在纸浆转化装置中生产成毯。
本发明基于这样的认识：使用等静压压力模制设备可以使扁平或非扁平纤维素产品更均质并且具有更短的循环时间。特别地，本发明人已经发现，根据纤维素产品的期望形状，作用在纤维素坯料上的等静压压力可以显著降低所需获得最终产品的相同机械性质的保持时间。本发明人还发现，根据纤维素产品的期望形状，作用在纤维素坯料上的非等静压压力可提供纤维素产品的合适成形，从而获得最终产品的期望的机械性质。
在该上下文中，应当注意，获得最终产品的可接受的机械性质所需的处理时间与坯料的湿度和特定温度以及特定的等静压压力或非等静压压力相关。
优选在150-170℃之间的温度和优选在3-7MPa之间的压力可以产生不同的机械性质。例如，在50％相对湿度的空气湿度下，168℃的等静压温度和4.8MPa的等静压压力将在10秒的保持时间产生坚硬且刚性的部件。较低的温度和压力使部件更柔软并且更柔性。
坯料中过多的水也会增加许多保持时间。ISBN978-91-7501-518-7描述了20分钟的保持时间并且基本上使用湿纸浆进行研究。实验表明，在处理时纤维素坯料中的最佳含水量应当在0.5-10％重量的范围内。
在严重的情况下，压力变化很大，在结合期间的坯料中，不管任何保持时间，部件的部分都将永远不会被接受。
现有技术描述了使用具有液压缸的常规压力机的纸浆压缩装置，该液压气缸通过气缸的活塞将称为压力媒介的液压压力转换成工具或模具上的力。当形成非扁平物体(如中空3D物体)时，成形模具具有阳模具部分和阴模具部分，具有一腔体，其表示在其间的部件的期望厚度和形状，称为模具腔体，所述模具由来自活塞的力压缩。如果不执行对部件厚度与处理压力的补偿，则这种形状限定的压缩装置将导致在热处理期间坯料中的局部压力的大的变化。在没有用于获得等静压压力的补偿的情况下，任何形状限定的压缩装置可由此导致不均匀的部件质量，并且在大多数工业情况下导致不可接受的生产循环时间。
此外，本发明人已经发现，如果使用等静压压力方法，则所需的压力水平可以急剧降低。ISBN978-91-7501-518-7已使用中空半球作为用于在形状限定的压缩装置中使用45MPa和20分钟的研究的参考对象。模具腔体中的坯料的内部压力在顶部(通过极)非常高并且在底部(邻近赤道)处接近零。本发明人现在已经意外地发现，通过使用等静压压力，可以在以秒计数的保持时间内以十分之一的使用压力生产这样的物体。
根据本发明的各种实施例，纤维素坯料可以包含木浆。尽管所谓的机械纸浆可用于纤维素坯料，但已发现化学木浆产生产品的更好的材料性质。
在实施例中，纤维素坯料可以包括至少90％重量的木浆，并且因此几乎唯一地由容易再循环的材料制成。
根据各种实施例，压力模具可有利地包括柔性隔膜，并且压力模制设备进一步包括流体控制设备，用于控制流体经由流体不可渗透隔膜以将等静压压力施加在纤维素坯料上。
在本文中，应当注意，术语流体包括液体和气体。
在一些实施例中，模制设备可以包含在由隔膜部分地界定的闭合件中的压力流体。通过增加闭合件中的流体的量和/或减小闭合件的尺寸，流体压力将增加。增加的流体压力继而形成作用在纤维素坯料上的增加的等静压压力。
因此，上述流体控制装置可以是压缩流体的致动器或用于可控地允许加压流体进入压力室的流体流动控制装置，所述压力室具有作为其壁的一部分的柔性隔膜。
在一些实施例中，上述隔膜可以是设备的一体部分，并且可以在大量压制操作期间使用。
在其他实施例中，隔膜可以在压制期间例如通过粘合剂固定到纤维素坯料，并且该方法可以进一步包括在压制步骤之后提供新的隔膜的步骤。在这些实施例中，隔膜可以例如设置在辊上，并且可以添加到制造的产品以增加产品的功能性。
在更进一步的实施例中，可以在纤维素坯料上设置上述隔膜。
根据本发明的另一方面，提供一种等静压压力模制设备，用于从纤维素坯料开始制造具有扁平或非扁平产品形状的纤维素产品，该等静压压力模制设备包括成形模具，该成形模具具有限定产品形状的成形表面；和流体控制装置，用于控制流体以在纤维素坯料上施加等静压压力，以将纤维素坯料压靠在成形表面上。
成形模具可包括阴成形模具部分和阴压力模具部分。
成形模具可包括阴成形模具部分和阳压力模具部分。
本发明还涉及通过所述方法制造的纤维素产品。纤维素产品具有扁平或基本上非扁平的形状。
根据本发明的实施例，在力限定的压缩装置中获得等静压压力，其中，所述压缩装置包括柔性屏障或隔膜，所述柔性屏障或隔膜围绕并分开坯料与压力介质，例如气体、液压油、水、待包装的饮料、弹性体或膨胀材料。
根据本发明实施例的方法和装置涉及中空3D物体如瓶、牛奶包装、罐和广口瓶的吹气模制。用于乳制品和果汁的经典纤维素基包装经历了从吹气模制PET瓶的竞争。尽管纤维素基和纸基包装是可再生的和可再循环的，但是吹气模制PET的可模制性能已经约束了折叠纸包装的增长。
根据所述吹气模制实施例，装置包括围绕所述纤维素纤维的至少两个阴成形模具和单次使用的薄膜层屏障，以成为最终部件的集成部分，其中，所述纤维素纤维和所述薄膜层屏障以管形状提供到模具的腔体，并且其中所述薄膜层屏障在填充成所述管形状时将压力介质与纤维素纤维分开，并且其中，所述压力介质被加压以朝向所述成形模具在所述纤维素纤维的每个部分上产生等静压压力。
因此，本发明将提供一种方法、管状坯料、吹气模制装置和具有与热塑性塑料类似性质的可再生包装，其中所述包装作为纸和纸板是可再循环的。
这样的吹气模制装置可以优选地通过使用待包装的饮料或液体作为所述压力介质在乳制品厂、酿酒厂或果汁厂的现场构成填充装备。
根据其他实施例，在包括两个刚性模具(一个阳模具和一个阴模具)的形状限定的压缩装置中获得等静压压力，其中，闭合的模具之间的腔体限定最终三维物体的形状，并且其中所述腔体的厚度或所述坯料的厚度被设计为朝向所述模具在所述纤维素纤维的每个部分上产生等静压压力。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：
图1a-c示意性地示出了常规的压制方法，压缩装置和部件；
图2a-b示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的使用多次使用隔膜的压缩装置的替代构造，示出了初始阶段(a)和压缩阶段(b)；
图3a-b示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的包括单次使用材料集成屏障的压缩装置的替代构造，示出初始阶段(a)和压缩阶段(b)；
图4a-d示意性地示出了根据本发明的示例实施例的使用单次使用材料集成屏障和吹气模制的压缩装置和部件的替代构造，示出了初始阶段(a和b)和压缩阶段(c)；
图5a-b示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的使用多次使用隔膜的压缩装置的替代构造，示出了初始阶段(a)和压缩阶段(b)；
图6a-c示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的使用腔体补偿压力控制的压缩的替代构造，示出了初始阶段(a和b)和压缩阶段(c)；
图7a-b示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的使用坯料厚度补偿的压缩装置的替代构造，示出了初始阶段(a)和压缩阶段(b)；
图8a-c示意性地示出了使用块状柔性隔膜的压缩装置的替代构造；以及
图9a-c示意性地示出了使用块状柔性隔膜的压缩装置的另一替代构造。
具体实施方式
在下文中将结合附图来描述本公开的各个方面以说明而非限制本公开，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且所描述的方面的变型不限于具体示出的实施例，而是可应用于本公开的其他变型。
在本详细描述中，将描述制造纤维素产品的方法、压力模制设备和纤维素产品。
根据本公开的片材或坯料的各种实施例主要参考放置在用于在成形模具中成形的处于扁平形状的位置的纤维素坯料进行讨论。应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明的范围同样包括例如预成形为三维物体的坯料。例如，坯料可以以类似于物体的期望最终形状的形状呈现给成形模具。另一个实施例可以包括纤维素坯料，其在辊上以网状物的形式供应到模具。
扁平形状可以指通常的二维(2D)形状，诸如例如坯料或片材的形状，并且基本上非扁平形状可以指任何合适的三维(3D)形状。根据本公开的物体可以制成二维形状、三维形状或由二维坯料或片材成形为三维形状。
此外，通过示意性地示出纤维素纤维的连贯片，这将绝不限制本发明的范围，本发明的范围同样包括例如具有施加到成形模具的松散且分离的纤维的坯料。
在本详细描述中，主要参考具有主要均匀厚度的中空碗、中空杯或中空瓶来讨论根据本发明的待成形的三维物体和成形物体的模具的各种实施例。应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明的范围同样包括例如具有不同厚度、非中空部分或块状物体的复杂形状。例如，物体可以有利地包括加强件、折痕、孔、3D形状的文本、铰链、锁、螺纹、卡合件、支脚、把手或表面图案。
图1a-c示出了常规的压制方法、压缩装置、以及用非等静压力方法和装置生产的部件。
图1a是处于未压缩状态的现有技术压缩装置的示意性侧视图，该压缩装置具有阴上模具102b和阳下成形模具102a及一片纤维素纤维101a。
图1b是处于压缩状态的现有技术压缩装置的示意性侧视图，该压缩装置具有阴上压力模具102b和阳下成形模具102a及通过力F被部分压缩的一片纤维素纤维101a，以通过使用热和压力P形成期望的最终形状101b。
如通常的那样，最终部件101b的厚度是均匀的，并且因此两个模具102a和102b之间的腔体的厚度t1＝rb-ra是均匀的。由于用于压缩的常规工具由刚性金属或类似的非柔性材料制成，并且由于干燥的纤维素纤维不表现为压力均衡流体，所以所述腔体中的压力P将取决于当前坯料101的量和局部压力产生机制。
压力P2和P5处的局部压力产生原理由力F限定。P4处的局部压力产生机制由腔体的几何形状和当前坯料101的量限定。通过力和形状限定的压力产生机制的组合来确定局部压力P3。
与P4一样，形状限定的压力高度依赖于坯料101的实际当前的量。局部材料供应中的小的且通常随机的变化将显著地影响所获得的局部压力。力限定的压力具有线性增益并且对于工业使用而言是更稳健的处理。
图1c示出了用上述常规压缩方法制造的三维物体、部件、半球101b。由于当上压力模具102b在坯料101a上使工具闭合时，当坯料101a在下模具102a上弯曲时，一些坯料101a可能会被拉伸，因此在成品部件101b的位置101b P4处的机械性质不同于在位置101b P2处的机械性质。
现在将参考图2a-b描述根据本公开的示例实施例的力限定的压缩装置。在图2a中，以用于纤维素纤维的成形模具3形式的使用热量的压缩装置或压力模制设备的示意性侧视图示出为处于打开状态。压缩装置或成形模具可以被构造为使得在形成纤维素产品时施加等静压压力。施加的压力也可以是非等静压的，使得当形成纤维素产品时，在成形模具3的不同部分中施加不同的压力水平。成形模具3包括限定所述产品形状的至少一个成形表面。
本公开的该实施例的成形模具3使用放置在多次使用的隔膜4下方的一个刚性成形模具部分2a。隔膜4构成用于压力介质或流体5的密封件，诸如例如包含在压力室(图中未示出)中的液压油。隔膜4，也称为膜片，可以优选地由橡胶、硅树脂、弹性体或聚氨酯制成。
在完全不同的行业中，例如当成形用于飞行器的金属片或将金属粉末加工成均质材料时，发现类似的压制装置。例如，用于常规目的的等静压压制通常使用比如在1000-2000巴的范围内的非常高的压力。
主要包括具有一些添加剂和试剂的纤维素纤维的纤维素坯料1a，如图2a所示，已经被放置在隔膜4与刚性成形模具部分2a之间的间隙中，其在图2a中布置在隔膜4下方。纤维素坯料1a还可含有一定量的水，这例如可取决于周围大气的湿度。
为了从纤维素坯料1a成形为纤维素产品或纤维素产品的一部分，必须将纤维素坯料1a加热到成形温度T1，该成形温度T1可以在100℃至200℃的范围内。成形模具部分2a可以被加热到期望的温度T2，使得热量被传递到纤维素坯料1a，以便实现纤维素坯料1a的成形温度T1。成形模具3可以例如通过将加热的油泵送到成形模具部分2a的内部通道7中而被预热至150-170℃的温度。预热成形模具3的替代方式是使用未在图中示出的集成电阻器。也可以例如通过在工具进入之前使用红外线来预热纤维素坯料1a。将压力介质5加热到压力介质温度T5也可以是合适的替代方案。
在图2b中，液压油5已经被加压至至少1MPa的压力，并且隔膜4包绕加热的成形模具2a，其中压缩材料1b在其间形成纤维素产品。当成形纤维素产品时合适的压力P1可以在1-100MPa的范围内。通过施加合适的压力P1，纤维素纤维被压缩。施加的压力P1可以是均匀的或等静压的，以便均匀地压缩纤维素纤维，而不管它们在成形模具2a上的相对位置如何以及不管纤维的实际局部量如何。在替代实施例中，压力可替代地为非等静压的，使得成形模具3的不同部分中的不同压力水平用于成形纤维素产品。这可以例如在如果纤维素产品的不同部分中的不同结构性质是期望的的情况下使用。
压缩装置可以包括流体控制装置(图中未示出)，并且可以是压缩流体5的致动器或流体流控制装置，该流体流控制装置用于可控的允许加压流体5进入使得柔性隔膜4作为其一部分壁的压力室。该设备可以包括流体5，或者流体5可以是取自周围大气的空气。
本发明人已经发现，当形成纤维素产品时，在160℃的温度下4MPa(40巴)的压力P1使纤丝在纤维素纤维中聚集，其在10秒的保持时间后比得上许多热塑性塑料。
为了减少从压缩材料1b工业化生产纤维素产品的循环时间，可以例如通过将冷却油泵送到布置在成形模具部分2a中的内部通道7中或泵送到压力室中来实现所述压缩材料的冷却，其中，在纤维素纤维中纤丝聚集完成之后，成形模具部分2a的温度T2和压力介质5温度T5可以被快速地降低。
通过将压力介质5降低到大气压力P0，该处理和装置将返回到图2a所示的其打开状态，其中，所述隔膜4将或多或少的缩回到其扁平初始状态，并且其中成品纤维素产品可以被排出并且优选地从不需要的剩余压缩的或未压缩的纤维素纤维被切割出。
纤维素产品的最终厚度t1可以根据纤维素纤维的实际局部量而略微变化。
在替代实施例中，可以使用刚性成形模具部分来代替柔性或柔韧的隔膜4，如果在形成纤维素产品时，期望不同的压力水平，这可能是合适的。使用柔性隔膜4可以提供等静压压缩方法以产生具有高强度和短生产循环时间的均质纤维素产品。
在使用等静压压力时的图2a-b中的本发明的压缩方法和装置与图1a-b中的现有技术方法和装置之间的一个区别在于，使用柔性或柔韧的隔膜4代替刚性的上模具102b的构造。等静压压缩方法和装置产生具有高强度和短生产循环时间的均质部件。
以上，参考图2a-b描述了等静压压缩方法和装置的一个示例性实施例。应当理解，使用仅通过水处理的木浆的加热压缩模制在全纤维素复合材料中形成三维物体可以以其他方式获得，同时仍然实现等静压压力。
参考图3a-b，图2a-b中多次使用的隔膜4被包括薄膜屏障6的单次使用的隔膜所代替，其中，所述屏障6在纤维素坯料1a被生产时可以被预先施加到纤维素坯料1a，或其中薄膜屏障6被提供到压缩装置(例如从辊，图中未示出)，并且在纤维素坯料1a的等静压压制期间被施加到纤维素坯料1a。
所述薄膜屏障6可以由具有在1-700μm范围内的厚度的热塑性材料如PET或PLA制成。
图3a示意性地示出了包括处于其初始打开状态的压缩装置或成形模具3的方法，其中使用施加到纤维素纤维1a的薄膜屏障6，包括被预热到温度T2的下阴成形模具部分2b和容纳在压力室(图中未示出)中的优选在大气压下的气体或空气的压力介质或流体5。
图3b示出了处于压缩状态的图3a所示的相同装置和纤维素坯料1a，其中所述压力介质5，优选为压缩空气或作为水的非污染液体已被加压至压力P1，并且其中薄膜屏障6将压力介质与纤维素坯料1a的压缩材料1b分开并密封，并且其中，所述压力介质5和隔膜6遍及加热的成形表面形成作用在纤维素纤维上的相等压力，其中所述成形模具部分2b的温度为T2。
通过使相等压力P1在温度T1下保持一定时段X，纤维素纤维中的纤丝聚集将产生具有接近热塑性塑料的机械性质的压缩材料1b的生物复合材料部件。如果作为一个示例，压力P1为4MPa(40巴)，成形温度T1为140℃，成形模具部分2b的温度T2为160℃，并且时段X为10秒，则可实现具有接近热塑性塑料的机械性质的压缩材料1b的生物复合材料部件。
通过在时段X之后移除压力介质5并将压力降低到大气压力P0，由压缩材料1b形成的纤维素产品可以被排出，并且如果需要的话，被切割成其最终形状。
图3a-3b中讨论的方法的一个优点是薄膜屏障6还可以用作在使用期间朝向暴露于部件的其他介质的屏障。例如，如果设有薄膜屏障6的纤维素产品是用于正在准备沙拉的碗，则其被期望地具有屏障6以保护被压缩的材料1b中的纤维素纤维不与蔬菜接触并且减少碗的吸湿性特征。该方法还可用于生产用于液体商品的瓶子或容器，并且纤维素产品因此可适于包装包括碳酸液体的不同类型的液体或饮料。
转向图4a-d，成形模具3包括围绕具有薄膜屏障6的管状纤维素坯料1a的至少两个可打开和可闭合的阴成形表面或部分2a、2b，其中外层是未压缩的纤维素1a纤维及其添加剂，并且内层6是包括薄膜屏障6的单次使用的隔膜。坯料可以优选地用辊(图中未示出)以扁平形状的形式供应到压缩装置，其中坯料形成为围绕压力介质喷嘴8的管形状(图中未示出)。
在图4a中，将具有成形表面或部分2a、2b的成形模具3预热至成形模具温度T2，并且在成形处理方法的打开初始阶段示意性地示出。具有薄膜屏障6的管状纤维素坯料1a从围绕固定压力介质喷嘴8的顶部供应，这意味着具有薄膜屏障6的管状纤维素坯料1a在从上方到成形表面2a、2b中的方向上供应。
通过以闭合力Fc闭合预热成形模具3，该闭合力Fc高于由压力介质通过图4c所示的压力介质喷嘴8施加到成形模具3的内部的压力P1产生的打开力。具有成形表面2a、2b的成形模具3的闭合状态在图4b-4c中示意性地示出。闭合力Fc以及邻近腔体的顶部和底部的成形表面2a、2b的设计使纤维素坯料1a的内部容积与外部大气压P0密封隔离。在替代实施例中，当成形模具3闭合时，纤维素坯料可以通过成形模具从剩余材料切割下来。
图4c示出了本发明的方法的成形和纤丝聚集阶段，其中所述坯料的内部容积通过压力介质喷嘴8填充以压力介质9并且被加压到压力P1，其中压力介质9和单次使用的隔膜6遍及所述成形模具2a和2b的加热成形表面形成作用在纤维素纤维上的相等压力。
填充处理发生在图4b和4c所示的步骤之间，并且需要空气通道10以使成形模具3的腔体中的位于具有薄膜屏障6的纤维素坯料1a外部的空气能够在坯料膨胀处理期间被排出。
图4d示出一种以中空物体形式的由压缩材料1b和薄膜屏障6制成的三维纤维素产品，比如用于饮料的瓶子，其通过图4a-c中描述的方法填充以所述压力介质9而形成，其中薄膜屏障6使压力介质9与压缩的纤维素纤维1b分开。
根据本公开，压力介质9由旨在填充到纤维素产品中的饮料(诸如例如牛奶、果汁、水和碳酸饮料)构成。
薄膜屏障6可优选地由类似PET或PLA的薄热塑性材料制成，具有在1-700μm范围内的厚度，其中薄膜屏障6，常规地应用在用于饮料的纸包装中，还密封纤维素纤维1b以避免在纤维素产品的储存和使用期间与饮料9接触。
如果饮料9被冷却到温度T9，例如在1-20℃的范围内，并且优选在不到一秒的时间内快速填充，则可以减少图4c所示的处理步骤的循环时间。如果具有成形表面2a、2b的成形模具3被预热到例如200℃的模具温度T2，并且坯料被预热到例如140℃的温度T1，则压力介质温度T9能够使得填充的瓶子在几秒或甚至更少的循环时间内从成形模具3释放。
图5a-b示意性地示出本公开的另一个原理，其中压缩装置包括至少一个阳成形模具部分2a、至少一个阴压力模具部分2b和多次使用预成形隔膜4，其中，在围绕纤维素坯料1a的模具部分2a和2b闭合之后，压力介质5被加压到压力P1。
图5b中示出了在纤维素坯料1a的纤维素纤维中发生纤丝聚集的最终成形阶段。图5b所示的放大横截面示出了压力介质5如何渗透到上阴压力模具部分2b与隔膜4之间的成形模具3中，其中压力P1朝向预热的下阳成形模具2a的成形表面均匀地压缩纤维素坯料1a。压力介质5的渗透可以通过用作压力介质5的微通道的上阴压力模具部分2b的表面中的小凹陷(图中未示出)来促进。
与图2a-b中讨论的方法相比，根据图5a-b的压缩装置的实施例可能是有益的，其中较短的循环时间是优选的。隔膜4不必变形到在图5a-b所示的实施例中的相同的程度。
参考图2-5，上述压缩方法的示例包括柔性隔膜4，其可用于提供等静压压力。应当理解，使用仅用水处理的木浆的加热压缩模制在全纤维素复合材料中形成三维物体可以通过使用常规工具获得，同时仍实现等静压压力。
参考图6a-c，上预热的阴非柔性压力模具部分2b和下预热的阳非柔性成形模具部分2a围绕纤维素坯料1a，其中下预热的阳非柔性成形模具部分2a和上预热的负非柔性压力模具部分2b之间的腔体厚度t(P)偏离标称均匀厚度，其中，当模具部分通过力F被压在一起时，这种偏离在理论上和或实践中被建立以在纤维素坯料1a的每个部分上朝向模具部分2a和2b产生等静压压力P1。
图6a示意性地示出了处于初始打开状态的实施例，其中处于扁平状态的纤维素坯料以连续网状物1a的形式被进给到模具部分。图6c示意性地示出了处于闭合状态的实施例，其中纤维素坯料1a处于压缩的非扁平状态。图6b示意性地示出了处于打开和闭合之间的状态的实施例，处于未压缩非扁平状态。
图6a-c示出了用于中空碗的压缩装置的示例，其中阳成形模具部分2a具有标称的、优选的形状，并且其中阴压力模具部分2b具有补偿形状以便获得相等的压力P1。
如图6b所示，坯料通过两个模具部分2a、2b变形，其中纤维素坯料1a的厚度t由于纤维素坯料1a中的摩擦和变形约束而变化。在此示意性示例中，其可以以多种方式改变，纤维素坯料1a最终邻近压力模具2b的腔体入口具有最薄的厚度tmin，并且在成形模具2a的顶部上具有最厚的厚度tmax。
因此，借助于阴压力模具2b通过作用在纤维素坯料1a上的基本上相等的成形压力P1遍及成形表面将纤维素坯料1a压靠在成形的正模具2a上来补偿两个模具部分2a、2b之间的腔体厚度s，使得最狭窄的腔体厚度smin位于纤维素坯料是最薄的tmin位置附近，并且最宽的腔体厚度smax位于未压缩的纤维素坯料1a是最厚的tmax位置附近。
此外，纤维素坯料的厚度t与腔体厚度s和最终腔体形状之间的关系也与腔体的几何压力产生有关。力F确定阳成形模具部分2a的顶部上的压力P1，同时邻近最狭窄的腔体厚度smin的腔体的凸度、厚度和角度确定最终压力P1。
本发明的发明人已经发现，腔体的最终形状是复杂的算法t(P)，以便获得基本上等静压压力P1，其中需要数学上的、优选的FEM-分析和经验测试，优选地为试错法，以获得所有部件上的相等压力。
根据本发明的另一个实施例，在没有柔性隔膜的情况下，图6a-c中的几何压力补偿腔体可以用纤维素坯料的厚度补偿来代替。
图7a-b示意性地示出了传统的未补偿的压力阴成形模具部分2b和未补偿的阳成形模具部分2a，具有优选的相等且标称的腔体厚度t，其中坯料具有与关于图6a-c所讨论的实施例所描述的相同理论和相同方式建立的tmin-tmax之间的压力补偿厚度。
关于图6a-c和图7a-b给出的在不具有柔性隔膜的情形下产生等静压压力的方法的优选涉及用于压缩装置的较短循环时间和较低成本。然而，对于使用刚性模具的方法而言研发努力可能更昂贵。
相对于图6a-c所述的方法，使用关于图7a-b描述的方法的优点是实现了最终纤维素产品的均匀厚度t1。然而，在图7a-b中描述的方法中，坯料的生产成本可能更高。
作为替代方案，成形模具3也可以布置有被构造为块状柔性隔膜结构的隔膜。在图8a-c中，示意性地示出了具有阴成形模具部分2b和阳成形模具部分2a的替代成形模具3。阳成形模具部分2a在块状柔性隔膜4上施加成形压力F，在形成纤维素产品时，该块状柔性隔膜在纤维素坯料1a上施加等静压压力。其中块状柔性隔膜是指柔性结构，其具有与上述实施例中描述的隔膜结构相似的将等静压压力施加到纤维素坯料1a的能力，但是与较薄的隔膜结构相比具有更大的弹性变形区。块状柔性隔膜4可以构造有厚隔膜结构或甚至由柔性材料的均质本体制成。柔性材料可具有在压力施加到本体时使材料在成形模具部分之间浮出的性质。在图8a-c所示的实施例中，块状柔性隔膜4由柔性材料的均质本体构造。
在替代实施例中，块状柔性隔膜4可具有变化的厚度，其中块状柔性隔膜例如成形为或铸造成具有变化厚度的结构。具有变化厚度的块状柔性隔膜的较薄和较厚区域可以补偿成形模具部分中需要较小或较大的隔膜变形的区域，以使施加到纤维素坯料1a的压力均衡或均匀。通过使用块状柔性隔膜结构，成形模具在构造上可以更便宜且更简单。
块状柔性隔膜4被构造为使得当从成形模具部分施加压力F时，块状柔性隔膜4变形以提供等静压压力。块状柔性隔膜4可以由合适的弹性体材料制成，比如例如橡胶、硅树脂、聚氨酯或其他弹性体。由于块状柔性隔膜4的柔性性质，块状柔性隔膜4向纤维素坯料1a施加等静压压力。
在图8a中，纤维素坯料1a放置在阴成形模具部分2b与块状柔性隔膜4之间。如图8a-b所示，当成形压力F施加到成形模具部分时，阳成形模具部分2a将块状柔性隔膜4和纤维素坯料1a推入到阴成形模具部分2b中。当形成纤维素产品时，阴成形模具部分2b被加热到成形模具部分温度T2，并且在成形处理期间，纤维素坯料1a被加热到成形温度T1，参见图8a-c。
在图9a-c中，示意性地示出了具有阴成形模具部分2b和阳成形模具部分2a的另一替代成形模具3。阴成形模具部分2b在块状柔性隔膜4上施加成形压力F，在形成纤维素产品时，该块状柔性隔膜将等静压压力施加在纤维素坯料1a上。块状柔性隔膜4被构造为使得当从成形模具部分施加压力F时，块状柔性隔膜4变形以便提供等静压压力。块状柔性隔膜4可以具有与以上关于图8a-c所示的实施例描述的相同构造。在图9a-c所示的实施例中，块状柔性隔膜4具有变化的厚度以匹配阳成形模具部分2a的形状。由于块状柔性隔膜4的柔性性质，块状柔性隔膜4向纤维素坯料1a施加等静压压力。
在图9a中，纤维素坯料1a被放置在阳成形模具部分2a与块状柔性隔膜4之间。如图9a-b所示，当成形压力F施加到成形模具部分时，阳成形模具部分2a朝向块状柔性隔膜4将纤维素坯料1a推入到阴成形模具部分2b中。当形成纤维素产品时，阳成形模具部分2a被加热到成形模具部分温度T2，并且在成形处理期间，纤维素坯料1a被加热到成形温度T1，参见图9a-c。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一种(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
应当理解，以上描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、其应用或用途。虽然在说明书中已经描述和在附图中示出了特定示例，但是本领域普通技术人员应理解，在不脱离如权利要求中限定的本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。
因此，预期的是本公开不限于附图所示出的和在说明书中被描述的特定示例作为目前预期用于执行本公开的教导的最佳模式，但是本公开的范围将包括落入前述描述和所附权利要求中的任何实施例。
在权利要求中提及的附图标记不应被视为限制由权利要求保护的主题的范围，并且它们的唯一功能是使权利要求更容易理解。

Claims (10)

1.一种通过压力模制设备制造具有扁平或非扁平产品形状的纤维素产品的方法，所述压力模制设备包括成形模具(3)，所述成形模具(3)具有限定所述产品形状的成形表面，所述方法包括以下步骤：
在所述成形模具(3)中布置含有少于45％重量水的纤维素坯料(1a)，其中，所述成形模具包括柔性流体不可渗透隔膜(4)；
将所述纤维素坯料(1a)加热至100℃至200℃范围内的成形温度；以及
借助于所述成形模具(3)以成形压力压制所述纤维素坯料(1a)，所述成形压力遍及所述成形表面作用在所述纤维素坯料(1a)上，所述成形压力在1MPa至100MPa的范围内，其特征在于，所述成形压力是等静压压力，所述方法还包括以下步骤：
控制流体经由所述柔性流体不可渗透隔膜(4)以将等静压压力施加在所述纤维素坯料(1a)上，其中，所述柔性流体不可渗透隔膜(4)在压制期间固定到所述纤维素坯料(1a)；以及
在所述压制步骤之后向所述成形模具(3)提供新的柔性流体不可渗透隔膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维素坯料(1a)含有少于25％重量的水。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述纤维素坯料(1a)包括木浆。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热步骤至少部分地在所述压制步骤之前发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形模具包括成形模具部分(2a)和压力模具部分(2b)，并且所述成形模具部分和所述压力模具部分中的至少一个在所述压制步骤之前被加热。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述纤维素坯料(1a)包括在所述纤维素坯料(1a)的背向所述成形模具(3)的一侧上的所述柔性流体不可渗透隔膜(4)。
7.一种压力模制设备，其用于从纤维素坯料(1a)制造具有扁平或非扁平产品形状的纤维素产品，包括：
成形模具(3)，其具有限定所述产品形状的成形表面且包括柔性流体不可渗透隔膜(4)，其特征在于，所述压力模制设备包括用于控制流体经由所述柔性流体不可渗透隔膜(4)以将等静压压力施加在所述纤维素坯料(1a)上的流体控制装置，其中，所述柔性流体不可渗透隔膜(4)在压制期间固定到所述纤维素坯料(1a)，所述设备还包括隔膜供给装置，用于在连续的压制操纵期间供给新的柔性流体不可渗透隔膜。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，包括柔性流体不可渗透隔膜(4)的压力模具部分(2b)布置在所述流体控制装置与所述纤维素坯料(1a)之间。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述成形模具(3)包括阴成形模具部分和阳压力模具部分。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述成形模具(3)包括阴成形模具部分和阳压力模具部分。
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