CN116081978A - 用于制造可再循环且可降解的物品的混合物、工艺和模具 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于制造可再循环且可降解的物品的混合物、工艺和模具。公开的主题涉及基于土壤的混合物、制备混合物的方法和形成制造的物品的工艺以及在模具中制造物品的工艺，该模具被配置用于压缩模制(热压模制)根据公开的主题的基于土壤的混合物，该基于土壤的混合物包括包含以下中的一种或更多种的混合物：沙、淤泥、粘土、矿物或其任何组合。

Description

用于制造可再循环且可降解的物品的混合物、工艺和模具

本申请是申请日为2015年5月13日，申请号为201580024320.3，发明名称为“用于制造可再循环且可降解的物品的混合物、工艺和模具”的申请的分案申请。

技术领域

本发明是在环境友好的混合物和由该混合物制造物品的方法的领域中。

背景技术

被认为与目前公开的主题有关的参考文献作为背景被列举在下文：

·US2013237633

·WO2005089181

·US6335089

·CN103496029

·Jaquin,Paul A.等人“Analysis of historic rammed earth construction."在进行的第5届国际历史建筑结构分析会议(Proc.5th Int.Conf.Structural Analysisof Historical Constructions)中，New Delhi,India,第2卷,第1091-1098页，2006。

·Ciurileanu,Gabriela-Teodora和Ildiko Bucur Horvath.“The Use ofCement Stabilized Rammed Earth for Building a Vernacular Modern House.",2012。

本文中上文的参考文献的承认不应被推断为意指，这些参考文献与目前公开的主题的专利性以任何方式是有关的。

背景

建筑材料工业和室内设计成品的工业通过常规的水泥、生石灰、石膏和烧粘土来控制。产生那些材料的方法是工业界中最污染环境的工艺中的一种。波特兰水泥(Portlandcement)的生产单独地对目前排放到大气中的温室气体排放物的6％负责。这种形式的污染通过烧制产生这种水泥的原材料来引起，由于碳酸盐原材料的分解和由于用于该水泥的生产所需要的高能耗导致二氧化碳的释放。烧制工艺导致另外的有害气体比如硫化物的释放。那些气体向大气的释放和产生的对臭氧层的影响被显著地感受到，并且其严酷后果可能已经在世界各地被看到。在混凝土工业中的另外的重要方面是，在达到它们的最终寿命之后或由于混凝土/建筑元件的早期的突然毁灭，处理破坏的混凝土/建筑元件的碎片的挑战。即使在再循环该碎片的发达国家中，被重复用于新的建筑元件的再循环材料的量被限制。剩余的再循环材料/非再循环材料被倾倒在国家的空旷陆地中，这引起土壤和地下水的污染并且使得这些空旷陆地不可用于任何农业或人口目的。

废弃材料重复用于产生新的产品已经在各个出版物中被提出。例如，US2013237633提到包括第一组分和第二组分的复合材料，第一组分包含有机元件和热塑性元件并且第二组分包含选自由硫化橡胶和轮胎帘布组成的组的至少一种元件。该出版物还公开了一种工艺，该工艺包括：在剪切力下将包含有机废弃物和热塑性废弃物的第一组分与包含选自由硫化橡胶和轮胎帘布组成的组的至少一种元件的第二组分混合同时加热，以获得熔化物；加工熔化物，所述加工包括至少冷却熔化物以获得复合材料，所述复合材料包含：有机元件、热塑性元件和选自由硫化橡胶和轮胎帘布组成的组的至少一种元件。

泥浆和稻草混合物作为原材料用于制作砖块和用于制作各种地面安装建筑物和/或墙壁安装建筑物的用途也是已知的。此类混合物仍在使用中，主要地被全世界偏远村庄中的不发达人口用于建筑砖房、寓所小屋和其内部建筑物比如嵌入墙壁中或植入农村的砖房和小屋的地面中的固定壁架和工作平面。泥砖通常通过将土壤与水混合、将混合物放置于根据期望的砖块成形且定尺寸的模具中并且将模制混合物脱水用于初始硬化、然后除去形成的砖块以用于最终的缓慢干燥来制作。稻草或相似的天然纤维经常以一定量被添加至混合物，用于改进强度和为了避免开裂。

现代文明中的明显趋势连同改进的生产能力已经导致某些工业的但环境友好的产品的发展，所述产品是比如由WO2005089181提出的压缩土块和通过夯实机产生的稳定化的压缩土块、如由US6335089提出的纤维-粘土板和根据CN103496029的稻草纤维板。所述US6335089专利公布涉及具有低透水性的纤维-增强粘土板。所述纤维-粘土板由粘土和由纸浆厂产生的初级澄清池回收的纤维、废料的混合物制作。混合物被压缩和干燥以形成具有与胶合板的刚度相似的刚度和低的导水系数的板。所述板可用于内衬和覆盖垃圾填埋场和废物处置点、防水地下室和相似应用。

CN 103496029涉及材料制备工艺，其中稻草被传送至涡流切碎机中，并且切碎成具有3cm-6cm长度的破碎条；破碎条被传送至液压草磨机中，添加水，温度升高至180-220摄氏度(DEG C)，研磨和摩擦被进行，每分钟进行150-450转，脱水被进行，湿泥状的材料被形成，被传送至纤维松砂机中以被摩擦，并且被传送至浆池中，添加再循环水以浸泡和洗涤材料，并且湿泥状的材料与再循环水的重量比是1:6-8；浸泡和洗涤被进行三次或四次，脱水和浓缩通过浓缩机(decker machine)来进行，杂质和厚纤维通过加压筛被除去，并且具有70-80％水分含量的湿的稻草纤维材料被获得。根据该公布，对湿的稻草纤维材料进行脱水，具有5-10％水分含量的干燥的稻草纤维材料被获得，垫料成型(mat formation)在上浆之后的干燥的稻草纤维材料上进行，并且所述干燥的稻草纤维材料在180-220摄氏度(DEGC)下通过热压缩机以按压模式被制造成稻草纤维板。

虽然所述三篇后面的公布涉及天然资源作为原材料的用途，但涉及开发牢固的稳定化的砌块的当代解决方案中的大多数应用水泥、聚合物和不可降解的材料。将这些材料添加至基于土壤的混合物导致相比于普通的基于水泥的解决方案具有有限的生态益处的不可生物降解的产品。

一般描述

公开的主题涉及基于土壤的混合物、制备混合物的方法和形成制造的物品的工艺，以及用于使用公开的主题的工艺压缩模制(热压模制)根据公开的主题的基于土壤的混合物的模具，所述基于土壤的混合物包括包含一种或更多种天然出现的矿物的混合物，矿物具有以下形式：沙、淤泥、粘土或其任何组合。

本申请提供混合物，混合物包含：(a)至少一种天然土壤材料，所述至少一种天然土壤材料起源于不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合；(b)至少一种类型的粘土材料；(c)至少一种类型的植物纤维；和(d)液体；所述混合物的特征是具有纤维混合物的总重量的至少约20％wt的液体含量。

公开的主题涉及混合物，混合物包含：

(a)至少一种干燥的天然土壤材料，所述至少一种干燥的天然土壤材

料选自不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合；

(b)至少一种类型的粘土材料；

(c)至少一种类型的植物纤维；和

(d)液体；

所述混合物的特征是具有纤维混合物的重量的至少约20％wt的液体含量。

以下特征和设计中的任一种或更多种，能够独立地或组合地应用于所述混合物，或应用于本申请的其它方面主题的任一个：

·液体含量是在纤维混合物的重量的约20％wt至50％wt之间。

·液体是水。

·至少一种天然土壤材料构成颗粒混合物的至少60％体积。

·至少一种干燥的天然土壤材料构成颗粒混合物的总体积的约60％体积至80％体积之间。

·至少一种粘土材料构成颗粒混合物的总体积的至少20％体积。

·至少一种粘土材料构成颗粒混合物的总体积的约20％体积至40％体积之间。

·至少一种粘土材料的特征是具有至多2微米的颗粒尺寸。

·至少一种粘土材料的特征是具有约0.01微米至约2微米之间的颗粒尺寸。

·至少一种类型的植物纤维构成纤维混合物的总体积的至少1％体积。

·至少一种类型的植物纤维构成纤维混合物的总体积的约1％体积至11％体积之间。

·还包括从植物中提取的至少一种油、从植物中提取的至少一种粘合剂、至少一种类型的水溶性盐和其任何组合中的至少一种。

·从植物中提取的至少一种油选自由干性油和其任何混合物组成的组。

·从植物中提取的至少一种粘合剂选自由植物提取物和其任何混合物比如丹宁、木质素、蛋白质和类似物组成的组。

·至少一种类型的盐选自由高水溶性盐和其任何混合物组成的组。

·能够被热模制成具有至少8MPa的压缩强度的最终的制造物品。

·能够被热模制成具有至少20MPa的压缩强度的最终的制造物品。

·能够被热模制成具有在约10MPa至30MPa之间的压缩强度的最终的制造物品。

·混合物是完全地可再循环的和可生物降解的。

根据公开的主题的另一个方面，提供用于制备制造产品的工艺，工艺包括以下步骤：

i)提供根据公开的主题的混合物；

ii)将所述混合物添加至模具；

iii)在所述模具中加工混合物；加工包括以下中的至少一种：(a)将混合物加热至60摄氏度至约140摄氏度之间的温度；(b)施加预先确定的压缩压力；和(c)干燥所述混合物，借此获得所述制造物品；

其中所述产品的特征是具有在约4MPa至约7MPa之间的弯曲强度。

根据另一个方面，工艺包括：

-使选自不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合的至少一种干燥的天然土壤材料；至少一种类型的粘土材料；至少一种类型的植物纤维经受至少一个加工步骤，以获得第一组分，该至少一个加工步骤选自由混合、干燥和/或加热组成的组；

-将第一组分与包括液体的第二组分混合，以获得混合物；以及

-加工所述混合物，所述加工包括以下中的至少一种：在压缩压力下将所述混合物加热至在60摄氏度至约140摄氏度之间的温度以及干燥所述混合物，借此获得制造物品。

其中制造物品的特征是具有在约4MPa至约7MPa之间的弯曲强度。

根据公开的主题的另一个方面，提供一种工艺，工艺包括：

-提供根据公开的主题的混合物；并且

-加工所述混合物，所述加工包括以下中的至少一种：在压缩压力下将所述混合物加热至在60摄氏度至约140摄氏度之间的温度以及干燥所述混合物，借此获得制造物品。

-其中所述物品的特征是具有约4MPa至约7MPa之间的弯曲强度。

以下特征和设计中的任一种或更多种，能够独立地或组合地应用于所述工艺，或应用于本申请的其它方面主题中的任一个：

·压缩压力是在约40巴至约100巴之间。

·压缩压力被连续地或不连续地施加。

·在压缩压力的施加期间，压缩压力被增大和/或减小。

·制造物品的压缩强度是至少约8Mpa。

·制造物品的压缩强度是至少约20Mpa。

·压缩压力被施加在混合物之上约5分钟至约30分钟之间。

·加热时间大体上对应于压缩压力的施加。

·所述工艺还包括在约60摄氏度至约100摄氏度之间的温度下在一段时间内干燥制造物品。

·所述工艺还包括在约80摄氏度的温度下在一段时间内干燥制造物品。

·所述工艺还包括在约60摄氏度至约100摄氏度之间的温度下在至少5小时内干燥制造物品。

·所述温度是约80摄氏度。

·施加于混合物的压缩压力是在40巴至约100巴之间。

·施加于混合物的压缩压力是约60巴。

根据另一个方面，公开的主题涉及用于产生制造物品的模具，模具包括流体可密封的腔，该流体可密封的腔配置成用于接收和保持混合物并且大体上对应于由此待被模制的制造物品的形状，其中模具包括至少一个流体导管，所述至少一个流体导管具有入口端和出口端，其中至少所述入口端与所述流体可密封的腔是流体连通的，并且其中至少一个流体导管中的至少一个被配置成用于从所述流体可密封的腔中流体抽出。

根据又一个方面，提供配置成用于压缩模制的模具，模具具有至少第一模具部件和第二模具部件，模具被配置为相互作用以便形成腔，腔大体上对应于由此待被模制的物品的形状，并且其中在形成所述腔后，间隙形成于其间。

以下特征和设计中的任一种或更多种，能够独立地或组合地应用于所述模具，或应用于本申请的其它方面主题中的任一个：

·还包括与至少一个流体导管相关联的真空发生器，其中真空有利于从流体可密封的腔中流体抽出。

·其中模具被配置成用于压缩模制。

·其中至少一个流体导管被配置成用于将混合物引入流体可密封的腔中。

·其中至少一个流体导管设置有沿着其至少一部分延伸的过滤构件。

·其中过滤构件被配置成允许不超过来自包含在模具腔内的混合物的蒸汽和/或水分子的尺寸的颗粒通过。

根据公开的主题的又另一个方面，提供用于模制制造物品的模制工艺，模制工艺包括：

-提供根据公开的主题的模具；

-提供根据公开的主题的混合物；

-将混合物引入模具；

-在模具内加工混合物，所述加工包括以下中的至少一种：在施加在模具的至少一部分上的在40巴至约100巴之间的压缩压力下、将混合物加热至60摄氏度至140摄氏度之间的温度；以及

-借此产生制造物品；

-干燥所述物品，借此制造物品的特征是具有约4Mpa至约7Mpa之间的弯曲强度。

以下特征和设计中的任一种或更多种，能够独立地或组合地应用于所述模制工艺，或应用于本申请的其它方面主题的任一个：

·工艺还包括将真空应用于包含在模具内的混合物以从其中抽出流体的步骤。

·模具的至少一部分在将混合物引入模具之前被预加热至约60摄氏度至约140摄氏度之间的温度。

·模具具有流体可密封的周边通道，在其密封之前允许从混合物中释放流体。

·加工混合物的步骤在预先确定的温度下被应用至少超过5分钟和至多30分钟之间。

·干燥物品的步骤在约80摄氏度下进行。

·工艺还包括涂覆物品的步骤。

·真空在加工步骤期间以预先确定的间隔应用。

·真空被定期地应用。

附图简述

为了更好地理解本文公开的主题并且为了图示该主题可以如何在实践中进行，现在将参考附图通过仅非限制性实施例的方式来描述实施方案，在附图中：

图1A至图1C图示根据公开的主题的实施例的模具，其中图1A图示呈侧面透视图的处于打开构型的模具，图1B图示呈俯视图的处于闭合构型的模具；并且图1C图示沿着图1B中的A-A截取的横截面中的模具。

图2A至图2C图示根据公开的主题的另一个实施例的模具，其中图2A图示呈分解透视图的模具，图2B图示呈俯视图的处于闭合构型的模具；并且图2C图示沿着图2B中的B-B截取的横截面中的模具。

图3图示根据公开的主题的实施例制造的瓷砖的俯视图；以及

图4图示根据公开的主题产生的多个制造物品；并且

图5图示在根据公开的主题的实施例的混合物的组分中的颗粒分布的图像显示。

实施方案的详细描述

公开的主题涉及基于土壤的混合物、制备混合物的方法和形成制造物品的工艺以及用于压缩模制(热压模制)基于土壤的混合物的模具，基于土壤的混合物包括包含一种或更多种天然出现的矿物的混合物，该矿物具有以下形式：沙、淤泥、粘土或其任何组合。

在整个说明书和权利要求书中所使用的各种术语可以被如下定义：

如本文所使用的术语“混合物”涉及至少如上文描述的组分(a)至(d)的组合。本发明的混合物可以以适合于所述混合物任何规模的生产的任何方式来形成。

术语“天然土壤材料”应被理解为涵盖起源于不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合的材料，其是在地球上的任何地理区域上发现的未加工的和/或预加工的(即研磨的或成粒的)天然存在的不溶性矿物。该术语定义不同于粘土材料颗粒的天然存在的土壤材料。

术语“颗粒混合物”指的是包含起源于不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合的至少一种天然土壤材料以及至少一种类型的粘土材料的混合物的干燥颗粒。

术语“纤维混合物”指的是与根据公开的主题的植物纤维组合的颗粒混合物。

术语“总混合物”指的是如上文讨论的混合物(a)至(d)的组分的组合。

下文指示的其中术语“约”随后是数字的所有量或测量应被理解为表示其中可能的偏差在高于指示数字约10％和低于该数字10％之间的指示数字。例如，术语“约10％”应被理解为涵盖9％至11％的范围；术语“约100℃”表示90℃至110℃的范围。

除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指示物。

在整个本说明书和随附的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括(comprise)”、和变体比如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”，将被理解为暗示包含所声明的特征或组分但不排除任何组分或特征。在这点上，术语“基本上由...组成”用于定义复合材料，复合材料包括叙述的特征或组分但排除在混合物、工艺或得到的物品上可能具有基本意义的任何其它要素。

在某些实施方案中，所述至少一种天然土壤材料构成颗粒混合物的至少60％体积。

在其它实施方案中，所述至少一种天然土壤材料构成所述颗粒混合物的总体积的约60％体积至80％体积之间。在另外的实施方案中，所述至少一种天然土壤材料构成所述颗粒混合物的总体积的约60％体积、65％体积、70％体积、75％体积、80％体积。

如本文所使用的术语“粘土材料”应被理解为涵盖细粒状天然岩石或土壤材料，该细粒状天然岩石或土壤材料将一种或更多种粘土矿物(是含水的层状硅酸铝(hydrousaluminium phyllosilicate)，有时具有在某些行星表面上或接近某些行星表面发现的可变量的铁、镁、碱金属、碱土金属、和其它阳离子)与痕量的金属氧化物和有机物质组合。粘土材料被认为诱发包含在公开的主题的混合物中的其它组分之间的粘附。粘土材料颗粒的颗粒尺寸可以根据制造物品的预先定义的机械性质(比如在没有故障的情况下承受应用的压缩、张力和弯曲负载的能力)来改变。

在某些实施方案中，所述至少一种粘土材料构成所述颗粒混合物的总体积的至少20％体积。

在其它实施方案中，所述至少一种粘土材料构成所述颗粒混合物的总体积的约20％体积至40％体积之间。在还另外的实施方案中，所述至少一种粘土材料构成所述颗粒混合物的总体积的约20％体积、25％体积、30％体积、35％体积、40％体积。

在其它实施方案中，所述至少一种粘土材料的特征是具有至多2微米的颗粒尺寸(即粘土的颗粒的最大尺寸是2微米)。在另外的实施方案中，所述至少一种粘土材料的特征是具有约0.01微米至约2微米之间的颗粒尺寸。

如本文所使用的术语“植物纤维”应被理解为涵盖衍生自植物的任何类型的纤维。在某些实施方案中，此类植物纤维可以通过将植物加工成纤维形式来形成。在其它实施方案中，植物纤维是从植物中天然提取的。此类植物的非限制实例包括亚麻、剑麻和大麻。植物纤维中的至少一种具有约400MPa的最小值的高的拉伸强度。根据公开的主题的实例，长度可以是约4-20mm。

在某些实施方案中，所述至少一种类型的高拉伸强度植物纤维构成纤维混合物的总体积的至少1％体积。

在其它实施方案中，所述至少一种类型的高拉伸强度植物纤维构成所述纤维混合物的总体积的约1％体积至5％体积之间。在还另外的实施方案中，所述至少一种类型的高拉伸强度植物纤维构成所述纤维混合物的总体积的约1％体积、2％体积、3％体积、4％体积、5％体积。在还其他实施方案中，植物纤维构成总纤维混合物的至少8％体积。在又一个实施方案中，植物纤维构成11％体积。

植物纤维提供增强，其能够改进由根据公开的主题的混合物产生的制造物品的机械性质，例如如本文公开所制造的物品的弯曲强度和拉伸强度。在某些实施方案中，所制造的物品的弯曲强度和拉伸强度的改进相比于缺乏此类纤维或其任何等同物的相应物品能够达到至多约500％。

在某些实施方案中，本发明的所述混合物的特征在于具有纤维混合物的重量(所有颗粒具有呈干燥状态的所有纤维)的约20％wt至50％wt之间的液体含量。在其它实施方案中，本发明的所述混合物的特征在于具有纤维混合物的重量的约20％wt、22％wt、24％wt、26％wt、28％wt、30％wt、32％wt、34％wt、36％wt、38％wt、40％wt、42％wt、44％wt、46％wt、48％wt、50％wt的液体含量。

在某些实施方案中，所述液体是水。在其它实施方案中，所述液体是植物提取粘合剂或其混合物。在某些其它实施方案中，本发明的混合物还包括以下中的至少一种：至少一种植物提取油、至少一种植物提取粘合剂、至少一种类型的可溶性盐和其任何组合。在某些实施方案中，粘合剂可以是树脂比如柯巴脂、松脂和类似物。在其它实施方案中，天然起源的所述至少一种植物提取粘合剂选自由植物提取物和任何混合物组成的组。在某些实施方案中，植物提取粘合剂选自丹宁、木质素、蛋白质(例如大豆蛋白)和其任何混合物。

在另外的实施方案中，所述至少一种类型的可溶性盐选自由以下组成的组：高溶解性盐比如氯化镁、氯化钙、氯化钠和其任何混合物。

在某些另外的实施方案中，本发明的混合物能够被热模制(即使用模具模制成最终形式并且加热至期望的温度和/或还施加压力)成具有至少8MPa的压缩强度的最终产品。

在某些其它实施方案中，本发明的混合物能够被热模制成具有至少20MPa的压缩强度的最终产品。

在某些另外的实施方案中，本发明的混合物能够被热模制成具有约10MPa至30MPa之间的压缩强度的最终产品。在某些其它实施方案中，本发明的混合物能够被热模制成具有约10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa的压缩强度的最终产品。

在某些实施方案中，本发明的混合物被定义为是完全可再循环的和可生物降解的(在被模制成最终产品之前或之后)。

如本文所使用的术语“可生物降解的”指的是本发明的混合物(在被模制成最终产品之前或之后)通过任何生物手段或非生物手段(生物手段包括但不限于细菌手段、真菌手段或其它的生物学手段，非生物手段包括但不限于UV暴露、大气侵蚀或其它的天然大气手段)的降解(部分或全部)。

为了在公开的主题的制造物品中获得期望的机械性质，公开的主题的混合物的粒度分布应当对应于能够提供此类机械性质的其它的非天然混合物(比如例如混凝土，其颗粒分布典型地通过将在下文参考图5讨论的A&A模型和/或富勒模型来定义)。

图5是在天然土壤材料的实施例中的颗粒分布的图像显示，其分布通过实线来表示。该表示图示，土壤混合物的颗粒分布等级线在粘土尺寸颗粒范围内的颗粒中是差的。应将理解的是，在本情况中，粘土颗粒将以足以升高所述颗粒的水平线的量被添加，以便拟合期望的材料例如混凝土的颗粒分布的曲线。

为了制备根据公开的主题的混合物，混合物的干燥的土壤材料组分和它们的粒度分布应当被确定。在此类分析之后，可以确定应该添加哪种具有特定的和预先定义的粒度的另外的组分以及是否应该添加具有特定的和预先定义的粒度的任何另外的组分。在某些情况中，粘土颗粒的添加可以被使用，以便使混合物达到一定的预先定义的粒度分布，从而提供对于制造物品所期望的机械性质。在某些情况中，粘土材料的此类添加应当以这样的方式来添加：粘土材料包括块状粘土和膨润土两者，具有1:2到至多1:4的膨润土：块状粘土之间的比率。

在分析干燥的天然土壤材料和任选地添加另外的颗粒(比如粘土)之后，混合物进一步提供有增强组分，比如植物纤维(例如，亚麻、元麻、大麻)。增强组分的添加可以是在纤维混合物的约1％体积至6％体积之间。在某些实施方案中，可以向混合物进一步添加其它纤维，例如具有明显独特品质比如隔热或隔音的天然植物纤维，比如洋麻或枣椰子棒。

在某些实施方案中，纤维混合物的总体积的1-10％体积可以是天然的粘合剂，或胶合/结合物质比如丹宁、木质素、蛋白质可以被用作混合物的一部分。

在某些实施方案中，混合物还包括高可溶性盐，比如氯化镁、氯化钙、NaCl，高可溶性盐在其与混合物的干燥组分混合之前被添加至液体。

在目前公开的混合物的上下文中，术语“粒度分布”指的是若干给定的尺寸范围的颗粒的混合物中的相对级分。例如，来自不同起源的土壤类型的所述部分可以包括尺寸范围在63μm和630μm之间的约50％大颗粒、尺寸范围在2μm和63μm之间的44.5％中等尺寸颗粒以及尺寸范围在0.02μm和2.00μm之间的5.5％小尺寸颗粒。

优化粒度分布涉及增加最终产品的强度和其经受应用的压缩、张力和弯曲力的能力。应当注意的是，当产生土壤混合物时，如果粒度分布不被恰当地计划或不被充分地考虑，则最终产品将非常可能在土壤颗粒之间包括空气腔。这将导致最终物品的材料强度和负载承受性质的严重下降。因此推荐，相对大尺寸范围的颗粒之间的空穴(free hollow)将被合适级分的相对中等尺寸范围的颗粒占据。然后，相对小范围尺寸的细颗粒将填满大尺寸范围的颗粒和中等尺寸范围的颗粒之间剩余的最小的穴，并且在小范围尺寸的颗粒内(或构成小范围尺寸的颗粒)的粘土含量将提供将整个混合物的颗粒一起结合成一个脱水且压实的块。此类脱水和压实可以在目前公开的模制工艺期间通过模具提供至混合物的压力和热下，或通过任何产生工艺来实现，在所述任何产生工艺期间，混合物被压缩和脱水至与在目前公开的模制工艺的描述中提出程度类似的程度)。

如果天然土壤混合物中的粒度分布不满足预期产品的强度要求，则此类混合物中的天然的内部结合品质可以通过利用细粘土比如膨润土和块状粘土增补混合物来增强和/或优化。

在目前公开的混合物的各个实施方案中，植物纤维被切成2mm至20mm之间的预先确定的长度，在某些实施方案中，在6-14mm的范围内。适合用于多种应用的纤维可以根据当地的可用性和设计考虑从例如亚麻、棕榈叶基质、小麦、竹子、椰子、大麻、枣椰子废弃物、小麦秸秆、洋麻(木槿红麻)纤维、柳条、剑麻或具有相似特性的其它纤维中提取。

此类增强将允许将产品的厚度对于比如轻型遮光屏(light shade)的物品最小化到例如3-4mm以及对于墙壁瓷砖最小化到例如10mm。

表1基于土壤的混合物-材料组成

将理解的是，混合物可以在任何合适的机器比如能够导致材料的均匀掺混的连续混合器中来混合。干燥材料相对于润湿的材料可能具有不同的混合方法。

在某些实施例中，天然土壤材料需要被粒化或颗粒化。材料的颗粒化可以通过常规的尺寸减小工艺包括但不限于撕碎机、研磨机、切碎机、制粒机通过捣碎、压碎、研磨、撕碎、切割、切丁、压碎、捏碎、剁碎来获得，当必要时，撕碎机、研磨机、切碎机、制粒机可以配备有刀片、锤子或平碟。相同的或相似的工艺可以应用于植物纤维以及或与已知的工艺组合应用于植物纤维处理。

另外，在混合之前，混合物的天然土壤组分的部分干燥或完全干燥可能发生。干燥可以通过任何手段例如通过在烘箱室中简单地允许物质静置、将物质放置在干燥空气的流下或如果适用通过将液体挤出来实现。

公开的主题还提供用于制备最终产品的工艺，工艺包括以下步骤：(ia)提供如上文和下文所公开的混合物；(ib)混合混合物组分；(ii)将所述混合物添加至模具；(iii)在所述模具中加工混合物；加工包括以下中的至少一种：(a)将混合物加热至60摄氏度至约140摄氏度之间的温度(b)应用预先确定的压缩压力和(c)从混合物中提取液体以及(iv)干燥得到的制造物品，由此所述最终产品被获得；其中所述产品的特征为具有约4Mpa至约7Mpa之间的弯曲强度。

根据公开的主题的实施例，工艺包括在干燥之后涂覆制造物品的步骤。在某些实施方案中，涂覆剂可以是天然的植物提取油或天然的植物提取粘合剂。所述至少一种植物提取油选自由干性油(例如，可以通过氧气的来源化学地反应或交联的油。此类油的实例是：胡桃油、梧桐油、亚麻籽油和其任何混合物。)组成的组。根据另一个实施例，涂覆剂可以是天然的提取树脂或基于树脂的混合物。根据又一个实施例，物品可以使用如本文公开的涂覆剂的组合来涂覆。

根据公开的主题的工艺可以使用模具来进行，以提供制造物品的期望的形状。

目前公开的用于形成制造物品的模制工艺包括：

-将如下文将讨论的目前公开的主题的模具加热至在50摄氏度和140摄氏度之间的范围内的期望的温度(在某些实施方案中，加热至80摄氏度)，并且在工艺期间将模具保持在所述范围内的温度下持续预先确定的时间；

-将目前公开的主题的混合物放置、倾倒或注射至模具的内部空间；

-将模具的模具部件按压在一起以在混合物上施加压力，以便利用40巴至120巴之间(在某些实施方案中60巴)的负载对混合物强加预先确定的形状，并且在工艺期间保持此类压力；并且压缩混合物以从中提取液体并且向混合物内的颗粒赋予结构改变，以便获得具有约4Mpa至约7Mpa的弯曲强度的物品；以及

-打开模具以释放所述制造物品。

在目前公开的主题的工艺的某些实施方案中，在工艺期间通过混合物的模具施加的压力在工艺期间至少沿着预先确定的时间间隔被逐渐地改变(增大或减小)。这是为了定制在工艺期间形成的制造物品的密度(由于各种因素比如流体损失或干燥，以及存在于公开的主题的混合物中的粘土颗粒由于所述混合物的其它组分的结构改变)。

在目前公开的工艺的某些实施方案中，工艺还包括通过公开的工艺形成的制造物品的涂覆步骤。此类涂层组分包括但不限于天然的提取油和天然的提取树脂。

是目前公开的主题的对象的制造物品和由此形成的产品包括但不限于建筑和设计工业中的材料，如例如在图3和图4中所看到的，图3和图4图示根据公开的主题的瓷砖和建筑组分。物品可以被配置用于用作室内和室外瓷砖、地面瓷砖、屋顶瓷砖、砌块(例如砖石建筑)、轻型建筑元件比如轻型遮光屏、室外家具、内衬、室内分隔系统、家具部件和具有任何期望的形状和尺寸的任何其它类型的物品。然而，混合物不限于前面提及的类型的产品，并且可以被用作用于任何期望的产品可以由此产生的原材料，而不偏离如通过权利要求所定义的寻求保护的范围。如在图4中所看到的，多个瓷砖T被布置以产生装饰性墙壁覆盖物。如在图3中所看到的，瓷砖可以具有各种颜色和纹理(六个实施例呈现在这些图中，然而，将理解的是，各种各样的颜色和阴影可以被另外制造，例如从天然土壤混合物或利用被有机彩色颜料影响的颜色)，所述颜色和纹理基于用于它们的制造的混合物来确定。将理解的是，植物纤维的几何学将影响制造物品的外部外观。

应理解的是，虽然目前公开的主题促动在达到物品的最终寿命之后，物品可以完全地或接近完全地被重复使用(再循环)并且可选地将天然地降解为它们的土壤营养组分，但为了满足当地标准的需求或由于其它的约束或要求而在目前公开的土壤混合物中使用少量的非天然的胶合材料/结合材料/胶粘材料，不应被认为偏离目前公开的主题的范围，只要此类使用不显著地改变在没有使用此类非天然材料的情况下由目前公开的主题可实现的品质。

制造物品的工艺

根据公开的主题，还提供用于形成特征为具有结构弯曲强度的物品的工艺。根据公开的主题，弯曲强度是在约4Mpa至约7Mpa之间。根据公开的主题的实施例，弯曲强度是约6Mpa。将理解的是，混合物的弯曲强度沿着工艺的阶段而变化。通过根据公开的主题的任何工艺产生的制造物品具有至少约8Mpa的压缩强度。根据公开的主题的另一个实施例，制造物品的压缩强度是至少约20Mpa。

根据公开的主题的一个实施方案的工艺包括：

-通过混合第一组分提供混合物，第一组分包含：

o至少一种天然土壤材料，其选自土壤不溶性矿物、淤泥和沙或其任何组合；

o至少一种类型的粘土材料；

o至少一种类型的植物纤维；和

o液体；

所述混合物的特征为具有纤维混合物的总重量的至少约20％wt的液体含量。

-加工混合物，所述加工包括以下中的至少一种：在预先确定的压缩压力下将混合物加热至60摄氏度至约140摄氏度之间的温度以及干燥混合物，由此获得制造物品。

根据另一个实施方案的形成物品的工艺包括：

-使选自土壤不溶性矿物、淤泥和沙或其任何组合的至少一种天然土壤材料、至少一种类型的粘土材料和至少一种类型的植物纤维经受至少一种加工步骤，以获得第一组分，至少一种加工步骤选自由混合、干燥和/或加热组成的组；

-将第一组分与包含液体的第二组分混合，以获得混合物；以及

-加工混合物，所述加工包括以下中的至少一种：在压缩压力下将混合物加热至60摄氏度至约140摄氏度之间的温度以及干燥混合物，由此获得制造物品。

加工根据公开的主题的实施例的混合物包括将混合物加热至约80摄氏度的预先确定的温度，同时向其施加压缩压力。根据公开的主题的实施例，压缩压力可以是在约40巴至约100巴之间。将理解的是，压力可以逐渐地施加，直到达到约40巴至约100巴之间的压缩压力。根据实施例，压缩压力是约60巴。压力的逐渐施加将允许控制压缩压力被施加至其的混合物的分布，允许流体从中释放并且避免损坏混合物。流体可以包括如添加至混合物的液体和/或从形成混合物的第一组分的组分中释放的液体。将理解的是，压缩压力可以在如讨论的工艺期间被增大和/或减小。根据实施例，压力可以取决于总的混合物的体积的变化被增大或减小。根据某些实施例，在工艺期间还监测从混合物中释放的流体的量。释放的流体的量可以在工艺期间并且通过比较例如在压缩下从混合物中释放的液体的体积(R)与在混合混合物时引入混合物的液体的量(I)来测量，其中R≤I，压缩压力在约40巴至约100巴之间被保持和增大。根据实施例，压力被增大至约60巴。

还将理解的是，压缩压力在预先确定的时间段内被施加。当压缩压力的施加逐渐地开始时，在达到如本文讨论的预先确定的和要求的压力之后，压缩混合物在预先确定的时间段内在恒压下被按压。

根据实施例，恒定的压缩压力被施加在混合物上约5分钟至约30分钟之间。根据特定实施例，压缩压力被施加约5分钟至约20分钟之间。根据又一个实施例，压力被施加5分钟至约10分钟之间。根据又另一个实施例，压力被施加持续约8分钟。虽然施加于混合物上的压力可以在工艺期间变化，但将理解的是，在约60摄氏度至约140摄氏度之间、或约80摄氏度至约100摄氏度之间、或80摄氏度的温度下加热混合物的工艺是连续的，并且与如本文讨论的施加压缩压力的工艺并行。

根据公开的主题的实施例的工艺还包括在由此释放压缩压力之后干燥制造物品。干燥根据实施例在一定时间段内在约60摄氏度至约100摄氏度之间、或约70摄氏度至90摄氏度之间、或约80摄氏度的温度下进行。干燥被进行持续至少5小时。

为了保护物品并且如上文所讨论的，物品可以使用涂覆剂比如干性油、树脂、植物提取物和类似物来进一步涂覆。将理解的是，涂层可以进一步增强物品的弯曲强度，导致物品的特征为具有如本文讨论的或甚至更高的弯曲强度。根据公开的主题的实施例的涂覆在干燥工艺之后并且在允许制造物品达到环境温度(即25摄氏度)之后来进行。

公开主题的混合物可以在各种工业工艺中被使用，以形成多种半完成的或完成的制造物品和产品。非限制性实例包括建筑材料、面板、长条木板、托盘、盆、植物生长基底的部件和许多其它物质。根据某些实例，预期的应用可以是预制元件，比如瓷砖(墙壁和地面)、分隔板、隔音板、砖、轻型模块结构、室外预制解决方案比如公共家具等。

在根据公开的主题的某些实施例中，工艺包括制备包含两种或更多种材料的物品，两种或更多种材料彼此粘合以形成层压制品和类似物，其中至少一层包含从如相对于公开的主题的实施例所讨论的混合物材料形成的物品。此类多层结构可以通过层压、共压缩、重叠模制(overmolding)来获得，以便形成多层产品。

公开的主题还涉及用于模制制造物品的模制工艺。根据一个实施例，模制工艺包括使用被配置用于压缩模制的模具，模具包括流体可密封的腔，该流体可密封的腔被配置成用于接收和保持根据公开的主题的混合物A，并且其中模具的至少一部分被配置成将压缩压力施加在接收在模具腔250内的混合物上。根据该实施方案的通常被指定为200的模具的实例在图2A至图2C中被图示。模具被配置用于模制大体上平面的、椭圆形的物品300。

模具200包括底部模具部分220和顶部模具部分240，各自被配置用于分别附接至底部壁表面245和顶部壁表面225。在图示的实施例中，模具部分被可拆开地附接至相应的壁表面，在该实施例中的顶部模具部分使用螺钉247类元件来附接。为了在附接点处提供密封，模具部分设置有相应的密封环222和密封环242。将理解的是，相应的模具部分220和240和壁表面225和245可以被整体地形成。模具还设置有周边壁270，周边壁270在该实施例中是矩形的。模具腔250(在图2C中以横截面看到)大体上对应于由此待被模制的制造物品300的形状。模具设置有至少围绕模具部分220和240中的一个的周边延伸的流体通道280，并且在该实施例中至少围绕底部模具部分220设置。如在图2C中更好地看到，通道280通过提供具有宽度w的底部模具部分被配置，宽度w窄于由在周边延伸的壁270的相对壁的内侧272之间的距离构成的宽度。

模具还包括至少一种活动流体导管260，在图示的实施例中，设置延伸通过模具200的周边延伸的壁270的四个流体导管260。每一个流体导管包括入口端262(见，例如在图2C中)和出口端264。流体导管260延伸通过模具，使得入口端与流体可密封的腔流体连通，并且当模具处于操作时被配置用于从流体可密封的腔中抽出流体。

根据公开的主题的实施例，流体导管260与通过管290可连接的真空发生器(例如真空泵)(未示出)相关联，管290被配置成用于通过相关联的密封构件295密封连接至导管的出口端264。该真空发生器被配置成有利于流体经由至少一个流体导管260从流体可密封的腔中抽出。

根据公开的主题的实施例，至少一个流体导管可以设置有过滤构件，过滤构件沿着其至少一部分延伸以从混合物中过滤液体物质，同时保持非液体物质(未示出)。根据另一个实施例，过滤构件被配置成允许不超过来自包含在模具腔内的混合物的蒸汽和/或水分子的尺寸的颗粒通过。将理解的是，仅仅选定数目的流体导管可以与真空泵相关联，在该情况中，剩余的导管将是流体密封的以保持流体密封腔250的密封性。

将理解的是，流体导管中的一个或更多个可以被配置用于将混合物引入流体可密封腔中。模具200还被配置用于压缩模制，在该情况中，顶部壁表面将被致动并且按压于包含在腔250内的混合物上。

根据公开的主题的另一个实施例的通常被指定为100的模具参考图1A至图1C来公开。图1A以分解图图示模具100。模具包括第一部分140和第二部分140，第一部分140和第二部分140被配置成彼此重叠地接合以便定义被配置用于接收和保持模制混合物A的腔160。模具100包括至少一个可移动部分，在本实施例中是第一部分120，第一部分120在移动后被配置成在模具腔160内接收的配料(charge mixture)A上施加压力。第一部分120可以例如与按压构件相关联，按压构件被配置用于其移动并且当按压部分120朝向基部部分140移动时在混合物A上施加压缩压力。如在图1C中更好地看到，基部部分140设置有配置成在其中接收配料A的腔以及另外可移动部分120的突出构件125，使得突出构件125的外部表面大体上对应于待被产生的物品的外部表面。模具部分重叠使得空隙在其间形成，该空隙构成流体通道。如在图1A中可以看到，突出构件125与基部构件140的内壁重叠，然而，其尺寸略微小于基部构件内的腔的尺寸(即突出物的宽度w窄于基部构件140的相对的侧壁之间的距离w’，即w<w’)。此外，突出物仅仅被底部模具腔部分地包围，以便形成在突出物的周边处的空隙和在两个模具部分之间的间隙，一起构成通道165。因此，流体通道165被形成，并且在突出物125的外表面127和腔160的内表面165之间延伸。该通道165在工艺期间将允许流体从模具腔中离开。

腔160通过两个模具部分120和140来界定，当处于闭合构型时，腔160大体上对应于待被模制的物品的形状，并且如在该实施例中，对应于弯曲的制造物品的形状。腔160是大体上可密封的，以防止混合物在模制工艺期间从中逸出，然而，允许流体通过如指示的通道165逸出。

模具还包括在基部部分120处延伸的凸模推杆(knock out pin)170，当模制工艺完成时，凸模推杆170被致动，并且物品可以被除去。

根据公开的主题的模具100和200被配置用于压缩模制。模具还被配置用于传热。根据公开的主题的模具可以从任何合适的材料或材料的组合来形成，所述任何合适的材料或材料的组合适合于承受如本文讨论的与模制工艺有关的压缩压力并且适合于传导和保持如本文进一步讨论的热。

模制工艺包括提供根据公开的主题的模具。模具被预加热至约60摄氏度至约140摄氏度的温度。根据公开的主题的混合物被引入流体可密封的腔，并且启动如讨论的根据公开的主题的工艺。模具内的混合物通过连续地加热模具来加工，并且因此，混合物在施加在模具的至少一部分上的40巴至约100巴之间的压缩压力下被加热至60摄氏度至140摄氏度之间的温度。如本文讨论的，根据公开的主题的实施方案，温度是约80摄氏度，并且施加至混合物的压力是约60巴。混合物被加热和压缩持续至少4分钟。根据实施例，混合物被加热和压缩持续约8分钟。在该工艺期间，允许流体从混合物中逸出，并且根据实施例，至少一个真空泵被致动，将从混合物中释放的液体抽出至腔中。虽然真空泵被配置成从混合物中抽出流体并且更具体地液体，但将理解的是，从混合物中释放的任何颗粒可以连同液体一起被抽出。

在模制工艺之后，物品从模具中释放并且被允许干燥。根据实施例，物品在约70-100摄氏度的温度下被干燥持续至少5小时。根据实施例，物品在约80摄氏度下被干燥持续至少6小时。

非限制性实施例的详细描述

实施例：制备如例如在图3和图4中看到的公开的主题的产品

A.制备根据公开的主题的混合物

1.基于示出如需要的最大粒度的初步测试，从适合于产品制造的选定的进口地区获得土壤材料。

2.使用颗粒分离器和/或通过研磨以获得预先确定的粒度分布并且干燥颗粒来制备土壤。

3.确定材料的粒度分布并且按需要添加所需要的粘土的量。

4.通过均匀地混合干燥颗粒来制备所有干燥颗粒的混合物(即“颗粒混合物”)。

5.例如基于最终制造物品的强度和可见性考虑，将植物纤维切成期望的尺寸并且在进一步使用之前干燥植物纤维。

6.将植物纤维添加至“颗粒混合物”中，通过小室混合，直到实现均匀(还被称为“纤维混合物”)。

7.计算用于混合物所需要的液体的量。

8.制备液体，如果需要，在将盐添加至“纤维混合物”以产生“总混合物”之前将盐溶解在液体中。

9.将模具预加热至期望的温度。

10.将液体添加至“纤维混合物”，混合直到可以实现均匀的混合物。

11.将“总混合物”倾倒至模具中。

B.模制本发明的混合物

12.闭合混合物上的模具，并且基于需要的性质和混合物的粘度，压力以恒定的速度逐渐地施加，直到实现期望的压力。

13.在达到预设置的压力阈值后，用于工艺的计时器被启动。

14.在模具压缩期间，压力应该被控制以便在整个工序期间保持恒定的压力。在压缩期间真空被交替地应用以从模具中抽出并且收集任何过剩的流体。

15.在压缩时间结束后，压力被卸去并且从模具中抽出样品。

16.干燥最终产品。

17.冷却产品。

18.在至少一层中应用合适的涂层以得到最终的产品。

Claims (11)

1.一种用于制备产品的工艺，所述工艺包括以下步骤：

i)提供混合物，所述混合物包括：

(a)至少一种干燥的天然土壤材料，所述至少一种干燥的天然土壤材料选自不溶性土壤矿物、淤泥和沙或其任何组合；

(b)至少一种类型的粘土材料；

(c)至少一种类型的植物纤维；以及

(d)液体；

所述混合物的特征为具有所述纤维混合物的重量的至少约20％wt的液体含量；

ii)将所述混合物添加至模具；

iii)通过以下从来自所述模具内的所述混合物中抽出所述液体：

(a)将所述混合物加热至60摄氏度至约140摄氏度之间的温度；和

(b)施加预先确定的压缩压力；

从而干燥所述混合物，借此获得所述产品；

其中所述产品的特征为具有约4MPa至约7MPa之间的弯曲强度。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述压缩压力是在约40巴至约120巴之间。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述压缩压力被连续地或不连续地施加。

4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述制造物品的所述压缩强度是至少约20Mpa。

5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述压缩压力被施加在所述混合物上约5分钟至约30分钟之间。

6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述工艺还包括在约60摄氏度至约100摄氏度之间的温度下在一段时间内干燥所述制造物品。

7.根据权利要求1所述的工艺，其中所述模具包括：

流体可密封的腔，所述流体可密封的腔被配置用于接收和保持混合物并且大体上对应于由此待被模制的所述制造物品的形状；至少一个流体导管，所述至少一个流体导管具有入口端和出口端，其中至少所述入口端与所述流体可密封的腔是流体连通的，并且其中所述至少一个流体导管中的至少一个被配置用于从所述流体可密封的腔中流体抽出。

8.根据权利要求7所述的工艺，其中所述工艺还包括将真空应用于包含在所述模具内的所述混合物以从其中抽出流体的步骤。

9.根据权利要求7所述的工艺，其中所述模具的至少一部分在将所述混合物引入模具之前被预加热至约60摄氏度至约140摄氏度之间的温度。

10.根据权利要求7所述的工艺，其中所述模具具有流体可密封的周边通道，在其密封之前允许流体从所述混合物中释放。

11.根据权利要求7所述的工艺，其中加工所述混合物的步骤在预先确定的温度下被应用至少超过5分钟和至多30分钟之间。

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