KR100309418B1 - 유기결합되고무기물충전된물품및그러한물품을제조하기위한방법과시스템 - Google Patents

Abstract

수경성 및 무기물 충전된 물질로부터 용기 및 포장재를 포함하는 제품을 만들기 위한 조성물, 제법 및 시스템이 개시된다. 제조될 제품이 원하는 성능을 갖도록 소정의 성질을 부여하는 수경성 결합재 또는 유기 결합재, 물 및 적절한 첨가제, 즉 혼합재, 섬유 및 레올로지-조절제를 함께 혼합함으로써 적절한 조성물을 제조한다. 상기 혼합물로부터, 다이 압축, 사출 성형, 취입 성형, 지거링, 습윤 시이트 성형 및 건조 시이트 성형을 포함하는 다양한 성형 공정에 의해 원하는 제품을 성형할 수 있다. 시이트 형성 과정은 먼저 압출기(12) 또는 롤러 등을 이용하여 혼합물을 시이트로 형태형성시키고, 시이트를 형성시킨 다음 경화시키는 것이 필요하다. 그후, 인쇄된 표시나 피복이 가해질 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

수경성 혼합물

[발명의 배경]

[1. 본 발명의 분야]

본 발명은 수경성 혼합물과 고도로 무기물 충전된 조성물로 부터 제품, 특히 용기와 포장 물질을 제조하는 방법과 시스템에 관한 것이다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속 같은 물질로 부터 일반적으로 만들어지는 다양한 종류의 수경성 또는 무기물 충전된 용기 또는 포장 물질을 경제적으로 대량 생산하는 방법과 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 물품은 경량이고, 다루기 쉬우며 값싸고 내수성이 있으며, 얇고 단열이 되고 환경에 영향을 주지 않도록 선택적으로 고안될 수 있다.

[2. 관련 기술]

A. 포장재 및 용기

근래의 발달된 가공 및 포장 기술은 매우 다양한 액상 및 고형 제품을 유해 요인으로부터 보호하면서 보관, 포장 또는 운송할 수 있게 한다. 포장은 특히 화학적 그리고 물리적 영향과 유해성같은 주위 영향과 유통시 손상으로부터 상품을 보호한다. 또한, 포장재는 소비자에게 제조원, 내용물, 광고, 사용법, 상표, 가격 같은 정보를 알리는 매개체 역할도 한다. 포장은 다양한 종류의 상품을 가스, 습기, 빛, 미생물, 해충, 물리적 충격, 분쇄력, 진동, 누출 또는 엎질러짐으로부터 보호하는데 도움을 준다. 또한, 일회용 컵, 접시 또는 상자(패스트 푸드 산업에서 버거, 샌드위치, 샐러드에 자주 사용되는 "조개 모양(clam-shell)"같은) 특별한 포장 보조재를 사용하여 식품 또는 음료제품을 분배할 수 있다.

일반적으로 대부분의 용기와 컵(일회용 용기 포함)은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 그리고 금속 재료로 만들어진다. 해마다 청량 음료, 쥬스, 가공 식품, 곡물, 맥주 등을 보관하고 보급하는데 천억개의 알루미늄 캔, 수십억개의 유리병 및 수천톤의 종이와 플라스틱이 사용된다. 식품과 음료산업 외에도 상기 물질로 만드는 포장 용기(특히 일회용 용기)는 산재해 있다.

특정 품목을 뜨겁게 보관하기 위하여 폴리스티렌으로 만든 용기가 사용되어 왔다. 종이 또는 플라스틱으로 코팅된 봉쇄제품(containment product)은 특별한 손잡이를 장치할 수 있지만, 단열성이 요구되는 경우에는 폴리스티렌 용기가 단열성, 가격, 그리고 안정성 때문에 일회용기로써 우월한 위치이다.

종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 그리고 금속물질의 사용을 줄이기 위한 최근의 노력에도 불구하고 이것들은 강도 특성과 대량 생산성 때문에 계속 사용되고 있다. 더욱이 이것들이 고안된 특정 용도에서 상기 물질들은 상대적으로 값싸고 가벼우며, 성형이 쉽고, 강하고 내구성이 있으며, 사용중 분해가 잘 되지 않는다.

B. 종이, 플라스틱, 유리 그리고 금속의 영향

최근에 어떤 물질(예를 들어 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속)이 환경에 가장 해로운가에 대한 논란이 있었다. 의식있는 단체에서는 환경을 바르게 하기 위해서는 대체 물질을 사용해야 하는 것을 많은 사람들에게 깨닫게 했다. 종종 논란에서는 이들 각각의 물질이 자체의 독특한 환경적인 결함을 갖는 점을 간과하곤 한다.

다른 면은 무시하고 특정한 환경 문제에서 생각했을 때 다른 것에 비해 우수한 물질이 때로는 이와 연결된 더 큰 문제를 야기한다. 실제로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 그리고 금속 물질은 각각의 독특한 환경적인 결함이 있다.

예를 들면, 폴리스티렌 자체는 상대적으로 안정한 물질인 반면, 이의 제조에는 여러 종류의 해로운 화학 물질과 출발 물질이 사용된다. 중합하지 않은 스티렌은 반응성이 크며 따라서 이를 취급하는 사람들에게 건강상의 문제를 나타낸다. 스티렌은 벤젠(돌연변이 유발원으로 알려졌으며 발암 물질로 추정됨)으로부터 제조되며, 벤젠의 잔여량이 스티렌에서 발견될 수 있다. 폴리스티렌은 분해가 매우 느려, 폐기된 용기가 장기간 잔존한다.

더욱 해로운 것은 발포(blown) 또는 팽창된(expanded) 폴리스티렌 제품의 제조에 클로로플루오로카본(또는 "CFC")이 사용되는 것이다. CFC는 오존층의 파괴에 관련되어 있기 때문이다. 부풀린 폴리스티렌을 포함한 발포체의 제조에서 CFC(휘발성이 큰 액체)는 폴리스티렌을 발포체 물질로 "팽창" 또는 "발포시키는"데 사용되며, 발포체는 컵, 판, 접시, 상자, 클램쉘(clam-shell) 용기, 스페이서(spacer) 또는 포장재 형태로 성형된다. 환경에 덜 해로운 발포제(예를 들어, HCFC, CO₂그리고 펜탄)로 대체하여도 여전히 해로우며 이를 제거하는 것이 바람직하다.

이런 문제점들을 고려하여 일부 환경 단체들은 더 많이 생분해되는 것으로 여겨지는 종이, 또는 나무같은 "자연(natural)" 제품의 사용으로 일시적으로 되돌아 가는 것을 선호하여왔다. 그럼에도 불구하고, 다른 환경 단체들은 벌목과 숲의 고갈을 줄이기 위하여 반대 의견을 내세웠다.

종이 제품은 외면상 생분해되고 오존층의 파괴에 연관되지 않지만, 최근 연구는 종이 제조가 폴리스티렌의 제조보다 환경에 더 강한 영향을 주는 것을 보여준다. 실제로 나무 펄프와 종이 산업은 미국에서 상위 5개 오염원의 하나로 여겨진다. 예를 들어 종이로 만드는 제품은 동량의 폴리스티렌 제품과 비교하여 10배의 증기, 14 내지 20배의 전기, 그리고 2배의 냉각수를 필요로 한다. 여러 연구에서 종이 제조시 나오는 폐기물에는 폴리스티렌 발포체 제조시 만들어지는 것 보다 10 내지 100배의 오염 물질이 포함된 것을 보여 준다.

더우기, 종이 제조의 부작용은 해로운 독소인 디옥신에 의해 환경이 영향받는다는 것이다. 디옥신, 정확하게 2,3,7,8-테트라클로로디벤조[b,e][1,4]디옥신은 강한 독성의 오염물질로 아주 적은 양일지라도 매우 위험하다. 종이 제작기로부터 배출수에 허용되는 디옥신의 최고량은 1조당 약 0.5 부의 비율이나 종이 펄프제작기로부터 하류에서 발견되는 물고기는 거의 1조당 200부의 비율의 디옥신을 함유하며, 1조당 50부의 비율수준은 일상적인 것이 아니다.

금속캔(특히 알루미늄과 주석으로 만들어진), 유리병, 그리고 세라믹 용기의 제조공정은 원료를 중간물질, 또는 최종 생성물로 녹인 다음 별도로 작업하고 성형하여야 하므로 많은 양의 에너지를 사용한다.

금속 캔(특히 알루미늄과 주석으로 만들어진), 유리병, 세라믹 용기의 제조과정은 원료를 녹이고 다음에 이를 중간물질 또는 최종 생성물로 작업 성형해야 하므로 에너지를 많이 사용한다. 이러한 높은 에너지와 제조 여건들은 귀중한 에너지 자원을 사용하는 것 뿐만 아니라 환경에 심각한 공기, 물 그리고 열 오염을 일으킨다. 더우기 유리는 재활용할 수 있지만 쓰레기 매립지로 가는 분량은 영구히 분해되지 않는다. 깨진 유리 파편은 위험하며 수년간 그대로 남아 있는다.

많은 사람들이 생분해된다고 믿는 종이 또는 판지조차 정상적인 생분해 활동에 필요한 공기, 빛 그리고 물로부터 차단된 채 매립지에서 수년, 심지어는 수십년간 남아있다. 쓰레기더미에서 수십년간 묻혀 있는 전화책과 신문이 발견되기도 한다. 이러한 종이의 수명은 종이의 생분해를 늦추거나 방해하는 여러 가지 보호 물질로 처리, 코팅 또는 침투시키기 때문에 더욱 연장된다.

종이, 판지, 폴리스티렌 그리고 플라스틱의 또 다른 문제점은 이들이 상대적으로 비싼 유기 출발물질을 필요로하고 이중 일부는 폴리스티렌과 플라스틱 제조에서 사용하는 석유같이 재생되지 않는 것이다. 종이와 판지를 만드는데 사용되는 나무는 재생될 수 있지만 넓은 땅을 필요로 하고 세계에서 숲의 빠른 파괴가 이를 어렵게 한다. 따라서 일회 용기를 만드는데 근본적으로 재생되지 않는 출발 물질을 대량으로 계속 사용할 수 없으며 장기적인 측면에서 현명치 못하다.

더우기 원료(종이 펄프, 스티렌 또는 금속 시이트)를 포장하는데 쓰이는 과정에서 에너지가 많이 필요하므로 물과 공기 오염을 일으키고 상당한 추가 경비가 들게 된다.

전술한 바에 의해 어떠한 물질이 환경에 덜 해로운가에 대해 논의하기 보다는 지금 사용하고 있는 물질과 관련된 여러 가지 환경 문제를 전부는 아니라도 많이 해결할 수 있는 대체 물질을 발견 또는 개발할 수 있는지를 물어야 할 것이다.

C. 전통적인 수경성 물질과 무기물 충전된 물질

인간은 수천년간 흙, 천연 광물 또는 돌과 같은 근본적으로 고갈되지 않는 무기 물질을 사용하였다. 흙은 용기, 타일 그리고 다른 유용한 물건을 포함한 다양한 종류로 쉽게 만들어질 수 있으므로 널리 사용되었다. 그러나 흙의 단점은 굳는데 시간이 걸리며, 적당한 강도와 이의 일반적인 크고 무거우며 거대한 성질을 갖기 위해서 흙을 굽거나 소결할 필요가 있는 것이다. 특히 굽지 않은 흙은 장력이 약하고 깨지기 쉽다. 그럼에도 흙은 종이 또는 판지의 제조에서와 같이 풍부한 양의 값이 싼 충전재로 다른 물질의 제조에 사용되곤 하였다. 그러나 충전재로 사용되었을 때 흙의 깨지기 쉽고 붙지 않는 성질 때문에 보통 질량비로 전체 종이 물질의 약 20% 이상 포함될 수 없다.

사람들은 또한 건물, 도구, 용기 그리고 다른 크고 거대한 물건의 제조에 돌을 널리 사용하였다. 그러나 돌의 눈에 띄는 결점은 매우 단단하고, 깨지기 쉽고 무겁기 때문에 상대적으로 중량이 큰 크고 거대한 물건에 사용이 제한되는 것이다. 그럼에도 작거나 분쇄된 돌은 수경성 물질 또는 시멘트 같은 다른 물질의 제조에서 혼합재로 사용될 수 있다.

수경 시멘트 또는 석고를 포함하는 수경성 물질(이하 "물속에서 경화되는", "수경(水경)" 또는 "시멘트" 조성물, 물질 또는 혼합물이라 함)은 수천년간 일반적으로 크고 거대하며 유용한 구조물을 만드는데 사용되었으며, 이것은 오래가고, 튼튼하며 상대적으로 비싸지 않다.

예를 들어 시멘트는 흙과 석회로 만드는 수경성 결합재로 무진장하며 전술한 다른 물질에 비해 매우 저렴하다. 수경 시멘트는 물 그리고 분쇄된 돌 또는 자갈같은 혼합재와 섞여 콘크리트를 만든다. 그러나, 통상의 시멘트 물질이 적당한 작업 용이성을 갖는데 필요한 높은 준위의 레올로지로 인해 콘크리트와 다른 수경성 혼합물은 일반적으로 크고 거대한 단일 형태로 한정되었는데, 이것은 물질의 충분한 경화가 일어나기전 상당한 시간 동안 이의 형태를 지탱하는데 기계적 힘을 필요로 한다. 기존의 시멘트성 혼합물 또는 슬러리의 또 다른 제약점은 형태 안정성이 거의 또는 전혀 없으며, 외부에서 지지되는 경계 또는 벽을 갖는 공간에 혼합물을 넣음으로써 최종 형태로 경화된다.

단위 질량당 낮은 인장 강도와 함께 전술한 성형가능성의 결핍(낮은 작업 용이성 및/또는 낮은 형태 안정성을 초래할 수도 있는)으로 인해 수경성 물질은 크기와 질량이 문제되지 않고, 콘크리트에 가해지는 힘 또는 하중이 일반적으로 압축력 또는 하중으로 제한되는, 예를 들어 길, 건물, 보도와 벽 같은 제한된 용도로만 통상적으로 사용되어 왔다.

더우기, 수경성 물질은 깨지기 쉽고, 고정되며, 접혀지거나 구부려지지않고, 낮은 탄성, 굴절과 굽힘 강도를 갖는다. 콘크리트에서 깨지기 쉬운 본성과 인장 강도의 부족(약 1-4 MPa)은 금속, 종이, 플라스틱 또는 세라믹같은 다른 물질과는 달리 적은 양의 수축 또는 구부림에도 콘크리트가 쉽게 금이가거나 파열되는 것을 잘 설명한다. 결과적으로 기존의 시멘트성 물질은 용기와 얇은 시이트 같은 작고, 가벼운 물건을 만드는데 적절하지 못하며, 상기 물건들은 기존의 수경성 물질에 비하여 단위 질량당 높은 인장강도와 굽힘 강도를 갖는 물질로 만들면 훨씬 좋다.

기존의 그리고 심지어 최근에 개발된 고 강도 콘크리트의 다른 문제점은 대부분의 콘크리트에 거의 보편적으로 요구되는 긴 경화 시간이다. 유동의 혼합물로 만들어진 기존의 콘크리트 제품은 콘크리트가 역학적으로 자립하는데 10-24 시간의 경화 기간, 그리고 콘크리트가 이의 최대 강도에 상당히 근접하는데는 한달 정도를 필요로 한다. 금이 가는 것을 피하기 위하여 수경성 물품이 이형되기에 충분한 강도를 얻을 때까지 이동을 하지 않기 위해 세심한 주의가 이루어져야 한다. 수경성 물건을 성형하는데 사용되는 주형은 콘크리트 제품의 제조시 일반적으로 재사용되며 콘크리트의 최소한의 숙성에도 상당한 시간이 요구되므로, 수경성 물건을 경제적으로 대량생산하기는 어렵다.

시멘트 또는 다른 종류의 수경성 결합재는 전술한 수경성 물질에 장력과 (특히) 압축 강도를 포함하여 상당한 강도를 부여하는 것으로 여겨지지만, 이런 결합재들은 소량인 경우 결합재로서보다는 혼합 충전재로 작용하는 것으로 알려졌다. 결과적으로 수경성 결합재를 필수적으로 사용하지 않으면서 (또는 결합재를 주로 혼합재(混合材)로 작용하도록 소량만을 사용하는) 대체 결합재와 함께 고 농도의 무기 물질을 배합한 물품이 제조될 수 있는가에 관한 연구가 행해졌다. 수경 결합재가 혼합재로만 사용된 물질을 이하, 무기물 충전된 물질이라고 한다. 이런 물질로 만들어진 물품은 이전의 종이, 플라스틱 그리고 금속 물질에 비해 낮은 가격과 적은 환경 영향 및 풍부한 출발 물질을 쉽게 구할 수 있는 점에서 수경성 물품의 장점을 갖는다.

종이를 고령토 및/또는 탄산칼슘 같은 무기물 물질로 충전시키려는 시도가 있었으나 이러한 제품에 넣을 수 있는 무기물의 양에 한계(부피비로 약 20∼35%)가 있다. 더우기, 제품의 활력을 증가시키고, 그 안에 보관되는 과일 또는 야채를 신선하게 보관할 수 있는 포장 물질의 성질을 개선하기 위하여 특정 플라스틱 포장 물질을 흙으로 충전하는 시도가 있었다. 그 외에 경화된 물품의 색 또는 감촉에 특정 성질을 부여하기 위해 접착제와 피복제에 통상적으로 무기 물질을 첨가한다.

그럼에도 무기 물질은 포장 중량의 대부분을 차지하기보다는 상기 제품을 만드는데 사용된 총 물질의 일부만을 차지한다. 고도로 무기물 충전된 물질은 바위, 모래, 흙 그리고 물 같은 환경에 영향을 주지 않는 성분들을 필수적으로 포함하므로, 이것들은 상기 용도의 선택 물질로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 물질을 대체하기에 생태학 견지에서 이상적으로 적합하다. 무기 물질은 합성 또는 고도로 가공된 물질에 비해 가격면에서 매우 유리하다.

최근에 인쇄지 또는 이로부터 만들어지는 용기같은 여러가지 단일 용도 특히 일회용품으로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌과 금속을 사용하는 것이(정치적 압력을 언급하지 않아도) 환경에 막대한 영향을 준다는 자각에 의하여 환경에 좋은 대체 물질을 발견하는 것이(이 분야의 전문가들에게는 오래전부터 인식되었음) 절박해졌다. 특히 산업계에서는 이러한 큰 쓰레기 부피를 갖는 물건에 수경성 물질과 고도로 무기물 충전된 물질을 개발하고자 했다.

이러한 경제적 그리고 환경적 압력, 광범위한 연구 및 관련된 간절한 필요에도 불구하고 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 시이트 또는 이로부터 만들어지는 용기제품을 대체할 수 있는 수경성이고 고도로 무기물 충전된 유기 중합체 결합 물질을 경제적으로 쉽게 제조하는 기술이 없었다.

상기 물질들은 고갈되지 않는 성분들로 만들어질 뿐 아니라 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속만큼 환경에 많은 영향을 주지 않는다. 수경성 물질과 다른 무기물 물질의 또 다른 장점은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속보다 훨씬 싸다는 것이다.

종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 그리고 금속제품은 서로 비슷한 가격이지만 이들은 전형적인 수경성 물질과 고도로 무기물 충전된 물질 보다는 훨씬 비싸다. 합리적인 사업에서는 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속을 상당히 값이 덜드는 물질로 대체함으로써 필연적으로 생기는 경제적 이익을 무시할 수 없으므로, 그렇게 할 수 없다는 것은 단지 이런 대체를 가져올 유용한 기술이 없기 때문이라는 것으로만 설명할 수 있다.

전술한 견지에서 필요한 것은 액체 또는 고체를 보관, 분배, 포장하는데 쓰이는 용기와 포장물질의 제조에 사용될 수 있는 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리, 또는 금속이외의 새로운 물질이다. 주요 출발물질의 원료로 나무, 섬유 또는 기본적으로 재생할 수 없거나 또는 천천히 재생하는 자원을 주로 사용하지 않고서 이러한 물질을 만들 수 있다면 본 분야에서 상당한 진보가 이루어진 것이다.

종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속과 유사한 성질을 갖는 수경성이고 무기물 충전된 물품을 만들 수 있는 조성물, 제법 그리고 시스템을 제공한다면 이 분야에서 상당한 진보가 될 것이다. 또한 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 시이트에서 물품을 만드는데 현재 사용되고 있는 것과 같거나 유사한 제조 장치와 기술을 사용하여 상기 물품을 만들 수 있다면 당 분야에서 큰 발전이 될 것이다.

상기 수경성이고 무기물 충전된 물품이 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속의 제조에 관련된 쓰레기 발생을 야기하지 않는다면 본 분야의 큰 발전이 될 것이다. 그 외에 상기 물품이 땅에서 흔히 발견되는 물질로 쉽게 분해된다면 당 분야의 상당한 진보가 될 것이다.

실제에서, 상기 조성물과 제법으로, 기존 물질로부터 용기와 포장재를 제조하는 기존 방법과 비슷하거나 또는 훨씬 유리한 가격으로 시이트, 용기와 포장재를 제조하는 것이 가능하다면 상당한 진전일 것이다. 특히, 기존 물질을 사용하여 제품을 만드는데 요구되는 에너지 필요량과 초기 투자 자본을 줄일 수 있다면 바람직할 것이다.

제조 측면에서 신속하게 형태를 만들 수 있으며, 제조과정이 시작된 후 수분안에 충분히 건조되는 수경성이고 무기물 충전된 물질과 이로부터 물품을 대량 생산할 수 있는 방법을 제공한다면 큰 발전이 될 것이다.

상기 물질과 제법 그리고 포장 물질과 용기를 포함한 제품을 제조하는데 사용되는 시스템을 발견하여 이에 청구한다.

[본 발명의 개요와 목적]

본 발명은 수경성이고 무기물 충전된 물질(이하 총체적으로 성형 가능한 물질, 혼합물, 또는 조성물로 나타냄)로 부터 제품을 제조하는 신규의 방법과 시스템에 관한 것이다. 용기와 포장 물질 같은 가볍고 강하며 환경에 해롭지 않는(그리고 더한다면 유연하거나 단열성인) 제품을 재료과학과 미소기술적 접근을 통해 개발된 혁신적인 공정으로 수경성 또는 무기물 결합재를 포함하는 성형가능한 물질로부터 쉽고 값싸게 대량생산할 수 있다.

일반적으로 본 발명의 재료 과학과 미소구조 기술적 접근은 본 발명의 성형가능한 조성물의 미소구조에 원하는 특성과 성질을 부여하였으나 동시에 대량 제조 체계에서의 가격과 다른 복잡한 문제는 그대로 남아 있다. 상세히 후술되둣이 전통적인 시행 착오적 접근 대신에 이러한 재료 과학과 미소구조 기술적 접근은 특히 용기와 포장 물질을 포함한 물품에 요구되는 높은 장력과 휨 강도, 높은 단열, 적은 무게, 낮은 가격 그리고 적은 환경 영향을 갖는 성형가능한 물질을 설계할 수 있게 한다.

미소구조적 수준에서 성형가능한 조성물의 설계를 조절하는 것이 부분적으로는 물품의 제조중에 (a) 성형성과 신속한 형태 안정성을 주기위해 조성물의 레올로지가 화학적으로 조절되거나 또는 (b) 조성물의 물의 농도가 가공 또는 에너지를 가함에 따라 감소된다는 사실을 발견함으로써 가능해졌다. 그 결과 성형가능한 물질로부터 다양한 종류의 용기와 다른 물품(일회용 포함)을 다른 물질로 사용하였을 때와 통상적으로 경쟁이 되고, 대부분의 경우 더 유리한 가격으로 상업적으로 실행가능한 규모로 대량생산 할 수 있다. 본 발명의 성형가능한 물질의 주요 성분으로는 수경성 결합재(시멘트, 혹은 석고 같은), 유기물 결합재(다당류, 단백질 또는 합성 유기물질), 혼합재(펄라이트, 모래, 유리, 실리카, 질석, 점토, 운모, 심지어는 콘크리트 폐기물) 섬유(주로 나무 또는 식물), 물, 그리고 분산제와 경화 촉진제같은 혼합제를 포함한다.

성형가능한 물질은 수경성 물질과 고도로 무기물 충전된 물질을 둘다 포함한다. 이 두 물질은 같은 성분을 함유하지만, 혼합물의 특정성분의 농도와 기능에 의해 구별된다.

수경성 물질은 수경성 결합재와 물을 함유하며, 여기에 혼합재, 섬유, 분산제, 그리고 유동성 물질과 같은 성분들을 혼합물의 성질을 조정하기 위해 첨가할 수 있다. 수경성 결합재는 선택된 성분들의 주결합재로 작용한다.

수경성 물질에서 셀룰로오스-기재 섬유 및/또는 레올로지 조절제 같은 유기물 성분은 물품을 제조하는데 쓰이는 물질의 총 질량의 작은 부분을 차지한다. 또한 유기물 성분은 통상적으로 경화되지 않은 수경성 혼합물의 부피비로 약 30% 미만이며; 바람직하게는 이 비율은 부피비로 약 15% 미만이다.

이와 반대로 고도로 무기물 충전된 물질은 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 40%에서 약 98% 범위의 농도로 물-분산성 유기물 결합재(수경성 혼합물내에서 레올로지 조절제로 사용되는 물질과 유사함), 물, 섬유, 그리고 무기물 혼합재의 혼합물을 포함한다. 이 혼합물에 유기물 혼합재, 분산제, 그리고 수경성 결합재와 같은 다른 성분들을 선택적으로 첨가할 수 있다. 반면 수경성 결합재는 일반적으로 (있다하더라도) 소량으로 첨가되어 무기물 충전재로 작용하고 일부의 물과 반응한다. 물론 수경성 결합재와 유기물 결합재 둘다를 결합분량으로 갖는 혼합물은 "수경성 혼합물"과 "무기물 충전된 혼합물" 둘다의 정의를 만족시킬 수도 있다. 둘 사이의 차이는 단지 정도의 차이일 뿐이다.

성형가능한 혼합물 및/또는 특정 물품용의 경화된 구조 매트릭스에 원하는 특정한 기능성을 설계하기 위하여 레올로지 조절제, 또는 유기물 결합재, 분산제, 하나 이상의 혼합재 물질, 섬유, 공기 연행제, 발포제, 또는 반응성 금속과 같은 다양한 첨가제를 성형가능한 혼합물내에 포함시킬 수 있다. 첨가제 종류의 양은 성형가능한 혼합물 뿐만 아니라 이로 부터 만들어지는 물품 둘다의 원하는 성질 또는 실행기준에 따라 변한다.

유기물 결합재는 단순한 중합체로 특정조건하에서 물에 첨가되었을 때 긴사슬을 이루고, 이것들이 서로 꼬여 혼합물의 성분들을 잡는다. 혼합물에서 물이 제거되면 이 긴사슬들은 굳어져 구조 매트릭스에 결합한다. 그러나, 또한 이러한 유기물 결합재의 성질 때문에 이것들은 조성물의 레올로지를 조정하는 작용을 한다.

명세서에 첨부된 첨구범위에서 사용되는 "유기물 결합재"와 "레올로지 조절제" 용어는 같은 의미로 사용된다. 유기 물질이 결합재인지 또는 레올로지에 주로 영향을 준다. "레올로지 조절제"가 더 첨가됨에 따라, 레올로지에도 영향을 주지만 입자들을 함께 결합하도록 돕는 능력이 증가되어 "유기물 결합재"로 불리는 것이 공평할 수도 있다.

유기물 결합재 또는 레올로지 조절제는 접착강도, 플라스틱 같은 성향, 그리고 혼합물이 성형 또는 사출될 때 이의 형태를 유지할 수 있는 능력을 증가시키기 위해 첨가될 수도 있다. 이것들은 농축제, 농조화제(thickener)로 작용하며, 혼합물을 변형시키되 필요한 힘의 양인 성형가능한 혼합물의 항복응력을 증가시킨다. 이것은 성형 또는 사출된 제품의 높은 "가공 전 상태에서의 강도"를 준다. 적당한 유조로는 다양한 셀룰로오스-, 전분-, 그리고 단백질-기재물질(일반적으로 극성이 큼)을 포함하며, 이들 모두 각각의 입자를 함께 연결하는데 도움을 준다.

다른 한편으로, 분산제는 각각의 혼합재와 결합입자를 분산시킴으로써 혼합물의 점도와 항복 응력을 감소시킨다. 이것은 적당한 수준의 작업 용이성을 유지하면서 적은 양의 물을 사용할 수 있게 한다. 적절한 분산제로는 수경성 결합재 입자 또는 혼합재의 표면에 흡착할 수 있고, 통상적으로 입자 표면상 또는 콜로이드 이중층 가까이에 하전 부위를 만듬으로써 입자를 분산시키는 물질이면 된다.

혼합물의 부피를 더하고 가격을 낮추기 위해 성분내에 하나 이상의 혼합재 물질을 포함시키는 것이 바람직할 수도 있다. 혼합재는 종종 상당한 강도 특성을 부여하고 작업 용이성을 증진시킨다. 이러한 혼합재로는 환경에 완전히 안전하고 매우 값싸고, 기본적으로 양이 많은 보통의 모래 또는 점토를 예로 들 수 있다.

어떤 경우에는 무게가 가벼운 혼합재를 더 가볍고 때로는 더 단열이 잘되는 최종 제품을 만들기 위해 첨가할 수 있다. 가벼운 혼합재로는 펄라이트, 질석, 중공(中空) 유리구(球), 에어로겔(aerogel), 건조겔, 발연(發煙) 실리카 그리고 다른 가벼운 바위같은 물질을 예로 들 수 있다. 이러한 혼합재들은 환경에 무해하며 상대적으로 값이 싸다.

습윤 물질뿐만아니라 이로 부터 만들어지는 경화된 물품의 압축, 장력, 휨, 그리고 접착강도를 증가시키기 위해 섬유를 성형가능한 혼합물에 첨가할 수도 있다. 혼합물로 부터 만들어진 시이트로 제조된 물품의 경우, 원하는 형태의 물품으로 둘둘 말거나, 새김 선을 긋거나, 접을 수 있다. 섬유는 높은 인열 및 파열강도(즉, 높은 인장강도)를 갖는 것이 바람직하며, 마닐라산, 남부소나무, 아마, 바가스(사탕수수 섬유), 면 그리고 삼을 예로 들 수 있다. 종횡비가 높은 섬유가 성형가능한 물질에 강도와 인성을 부여하는데 좋다.

본 발명의 중요한 한가지 측면은 본 발명의 물품이 경제적이고 대량생산 방식으로 제조될 수 있다는 것이다. 여기에 개시된 물품은 한번에 몇 개씩 수공으로 만들어지는 것이 아니라, 시간당 수백, 수천 또는 수만개씩 만들어지기 위한 것이다. 후술하는 제조 공정중의 하나를 이용하여 상기 방식으로 신속히 가공될 수 있는 새로운 물질 (즉, 종이, 플라스틱, 또는 금속과 유사한)을 만들 수 있다 : (a) 혼합물의 작업용이성과 이후의 신속한 형태 안정성을 주기 위하여 성분을 화학적으로 조절하는 것(레올로지-조절제 첨가와 같은), 또는 (b) 성형 공정중 수분 함량비를 감소(열 또는 압력 형태의 에너지 첨가와 같은)시키는 것이다. 이런 원리의 응용은 하기의 제조 방법으로 더 분명해질 수 있다.

본 발명의 물품을 제조하는데는 몇가지 단계의 방법이 있다. 첫 단계는 모든 방법에 공통적인 것으로 성분을 준비하는 것이다. 원하는 결합재의 물을 레올로지 조절제, 분산제, 혼합재, 그리고 섬유같은 선택된 물질과 혼합하여 원하는 유동 특성 뿐만 아니라 최종강도, 질량, 단열성과 낮은 가격을 특징으로 하는 혼합물을 제조한다. 성분들은 통상 고전단 혼합으로 배합되지만 깨지기 쉽거나 가벼운 혼합재는 혼합재의 분쇄를 막기 위하여 종종 저전단 혼합으로 첨가된다.

두 번째 단계는 혼합물을 원하는 형태의 물품으로 성형 또는 형태를 만드는 것이다. 바람직한 가공으로는 다이 압축, 사출 성형, 취입 성형, 지거링, 습윤 시이트성형, 건조 시이트 성형등이 있다. 다이 압축 가공은 상보적 형태를 갖는 수 다이와 암 다이사이에 혼합물을 위치시키는 것을 포함한다. 다음 혼합물을 다이의 형태로 성형하기 위해 다이를 짝 짓는다. 사출 성형에서 혼합물은 폐쇄된 주형안으로 주입되어 주형의 형태대로 혼합물의 모양을 만든다. 일단 혼합물이 형태 안정성을 갖게 되면, 주형을 열고 물품을 꺼내 건조시킨다.

취입 성형 가공에는 2 종류가 있다: 사출 취입 성형과 압출 취입 성형이 있다. 사출 취입성형에서 혼합물을 심형 막대기위에 위치하게한 다음, 이것을 폐쇄된 주형안에 놓는다. 다음에 혼합물을 주형의 벽에 대해 팽창하도록 심형 막대를 통해 공기를 불면 원하는 물품의 형태가 된다. 압축 취입 성형은 주형의 두 반쪽 사이에 둘러싸인 튜브안으로 혼합물을 압출시킴으로써 이루어진다. 다음에 블로우 핀을 공기가 지나가는 튜브안으로 주입시킴으로써 혼합물을 주형의 벽에 대해 팽창시켜 원하는 형태의 물품으로 만든다.

지거링은 도자기 물레가 사용되는 진흙의 성형과 유사하다. 이 공정은 개구부 주형에 위치한 회전 축을 필요로 한다. 일정량의 혼합물을 스피닝 주형의 바닥에 놓는다. 스피닝 롤러 헤드를 주형의 옆면 벽에 대해 혼합물을 누르는데 사용하여 혼합물을 원하는 물품으로 만든다. 일단 혼합물이 만들어지면 과량의 물질을 주형의 가장자리로 부터 제거하고 물품이 형태 안정성을 갖도록 한다.

습윤 시이트와 건조 시이트 성형 가공은 혼합물이 먼저 시이트로 만들어 진다는 점에서 유사하다. 원하는 특성을 갖는 성분(전술한 과정에 따라 제조된)을, 예로 들어 오거 또는 피스톤형 압출기의 다이를 통해 미리 정한 두께의 상대적으로 얇은 시이트로 압출한다. 한 구체화한 예에서 혼합물로부터 과도한 공기를 제거하기 위해 오거에 진공 장치를 붙인다.

압출된 시이트는 다음 감축한 세트의 롤러 사이를 통과시켜 더욱 균일한 두께의 매끄러운 표면을 갖는 시이트로 만들어지도록 압연된다. 어떤 경우에 점진적으로 얇은 두께를 갖는 압연된 시이트를 얻기 위해 롤러 세트 사이가 점진적으로 작은 간격을 갖는 일련의 롤러 세트에 시이트를 통과시키는 것이 바람직할 수도 있다.

또한, 원뿔 롤러와 짝은 이룬 평편한 롤러를 사용하는 것처럼 Z 방향(또는 시이트 표면에 수직)에서 다른 방위를 갖는 한 쌍의 롤러를 사용하여, 일정 비율의 섬유를 "X" (또는 넓이 방향) 방향으로 향하게 한다. 이런 방법으로 양쪽 방향으로 배향된 섬유를 갖는 시이트를 제조한다. 이것은 원뿔 롤러가 시이트를 "X" 방향으로 넓히기 때문에 일어난다고 생각된다. 섬유들이 양 방향으로 정렬된 시이트는 더욱 균일한 강도를 갖는 물품을 만든다.

습윤 시이트 가공에서, 시이트의 일부가 원하는 형태의 용기 또는 물품으로 만들어진다. 이것은 바람직하게는 원하는 형태의 수다이와 수다이 형태와 실질적으로 상보적인 형상을 갖는 암다이 사이에 시이트를 압축시킴으로써 수행된다. 다른 사용되는 다이의 종류로는 스플릿 다이와 전진 다이가 있다. 또한 많은 진공 성형 기법의 하나를 시이트에서 행하여 물품을 만들 수 있다.

건조 시이트 가공에서, 전술한 습윤 시이트를 계속하여 가열된 건조 롤러에 통과시켜 시이트를 생성물같은 건조 종이 시이트로 만든다. 또한, 구조 매트릭스내의 불필요한 공극을 제거하고, 섬유의 흡착을 증가시키고, 다공성을 감소시키고 및/또는 표면의 매끄러움을 증가시키기 위하여 아직도 약간 축축한 상태에서 시이트를 압착 롤러사이에 선택적으로 통과시킨다. 수분 함량을 조심스럽게 조절하여, 압착 롤러가 압착만 함으로써 시이트를 더 연장시키지 않고서 시이트의 밀도를 증가시키는 것이 가능하다.

또한 시이트는 구조 매트릭스내에 이후에 시이트에 경첩이 만들어지거나 구부려지는 선을 만들기 위하여, 약간 축축하거나 또는 건조한 상태에서 선택적으로 새김눈을 긋거나, 새김눈을 새기거나 또는 천공될 수 있다.

건조 시이트가 성형된 이후, 이것은 종이 산업에서 공지된 수 많은 방법으로 원하는 물품으로 만들어진다. 상기 방법으로는 접기, 회선감기, 나선형 감기, 성형, 조립, 그리고 행낭 만들기가 있다.

물품을 경제적으로 생산하기 위하여 만들어진 물품은 신속히 형태 안정성을 얻어야 한다. 구체적인 예에서, 다이, 주형과 롤러를 포함하는 성형 장치를 물품의 표면을 신속히 건조시키기 위하여 예정된 온도로 가열한 다음, 형태 안정한 물품을 만든다. 또한 성형 장치의 가열은 물품의 성형 장치에의 흡착을 최소화하는 증기 장애물을 만드는 기능을 한다. 성형 장치의 냉각 또는 신속히 증발되는 혼합물에 수화되지 않는 액체의 첨가같은 이외의 방법을 물품에 형태 안정성을 신속히 부여하기 위하여 사용할 수 있다. 물품에 형태 안정성을 부여하는 또 다른 방법으로는 반수 석고, 탄산염 원료, 촉진제, 메틸 셀룰로오스와 전분을 혼합물에 첨가하는 것 또는 혼합물내의 물의 양을 제한하는 것이 있다.

물품이 충분한 형태 안정성을 얻으면 다이로부터 이탈시킨다. 다이로부터의 이탈은 통상적으로 에어베잉(airveying), 또는 주형에서 물품을 빨아내는 것으로 수행된다. 이탈을 보조하기 위하여 성형된 물품과 다이사이에 공기를 취입시킨다. 다른 방법으로 주형에서 물품을 들어올리기 위해 다양한 형판 또는 스트립퍼(stripper) 고리를 사용할 수 있다.

마지막으로, 물품을 건조 장치를 통과시켜 물품내의 물의 잉여량을 몰아냄으로써 강도를 증가시키고 물품의 형태 안정성을 증진시킨다. 건조 장치에 의해 부여된 열은 수성 시멘트의 수화 비율과 유기물 결합재의 건조를 증가시킨다. 물품이 충분한 강도를 얻으면 물품을 포장하고 선적한다.

상기 성형 가공의 전, 도중, 또는 후에 물품에 방수성을 더욱 좋게하고 더 유연하게 하거나 광택이 있는 표면을 만드는 것과 같은 여러가지 이유로 상당히 건조된 시이트 또는 물품의 표면에 피복을 실시한다. 코기름 또는 메토셀같은 물질 기재의 피복제를 단독으로 또는 폴리에틸렌 글리콜과 조합하여 시이트, 물품, 또는 물품 내의 경첩을 영구히 연화시키기 위하여 표면에 바를 수 있다.

탄성 중합체 또는 종이 피복제는 경첩에서 구부러짐에 따라 밑에 있는 경화된 구조 매트릭스가 파열되는지에 관계없이 접힘 또는 경첩의 원래 모습을 보존시키는데 도움을 준다. 또한, 표시, 상표 또는 다른 인쇄 물질을 갖는 시이트 도는 물품을 인쇄 또는 돋을 새김하는 것이 바람직할 수도 있다.

본 발명의 다른 구체적인 예는 물품에 단열 특성을 추가하기 위하여 공기 공극을 첨가하는 것이다. 상기 공기 공극은 수경성 혼합물내에 여러가지 방법으로 기체를 들여보냄으로써 만들어진다. 혼합 공정 중에 공기 공극을 기계적으로 배합시키는 방법과 수성 페이스트내에서 같은 곳에서 화학적으로 발생된 기체를 배합시키는 방법이 있다.

본 발명의 조성물은 실질적으로 다른 특성의 생성물을 만들도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 고정된 벽을 갖는 매우 가벼운 생성물(폴리스티렌 거품 생성물과 유사한)을 제조할 수 있다. 이하, 상기 첫번째 종류의 생성물을 편리하게 "거품같은" 생성물로 지칭하기도 한다.

다른 방법으로 도기 또는 세라믹 제품같은 외형의 제품을 본 발명에 따라 만들 수 있다. 그러나, 본 발명의 제품은 더 가볍고, 도기 또는 세라믹 제품이 통상적으로 2 이상의 부피 비증을 갖는 반면, 약 1.5 미만의 부피 비증을 갖는다. 본 발명의 상기 두번째 종류의 생성물을 "진흙같은" 생성물로 지칭하는데, 이것은 제로-슬럼프(zero-slump)이고 여전히 탁월한 작업 용이성을 갖는 형태 안정한 성형가능한 물짐이기 때문이다.

거품같은 물질과 진흙같은 물질 둘다 시이트 (또는 연속 두루마리)로 먼저 성형되고, 이후에 원하는 용기 또는 다른 제품으로 스탬프되고, 압축되고, 새김눈을 긋고, 접히거나 둘둘 말려진다. 상기 세번째 종류의 생성물을 "시이트같은" 생성물이라 칭하는데, 이것은 많은 제품에서 종이 또는 판지와 외관이 거의 같고, 대체사용된다.

본 발명의 미소구조적 기술 설계의 중요한 점은 원하는 특성(가격의 최저화를 포함하여)의 물질 과학적 최적화이다. 수경성과 무기물 충전된 혼합물을 포함하는 성형가능한 혼합물이 식품과 음료 용기같은 얇은 벽의 복합적인 가벼운 생성물로 성형될 수 있고 그리고 경화가 이루어지기전, 가공전 상태에서 외부의 지지없이 여전히 이의 형태를 유지할 수 있는 것은 본 발명의 미소구조적 기술의 독특함 때문이다.

실제로 성형가능한 물질로부터 식품과 음료 용기같은 물품을 대량생산하는 경제적인 실행가능성은 혼합물이 가공전 상태에서 자립성이며, 경화 또는 건조 공정을 통하여 이의 성형된 상태를 유지할 수 있기 때문에 가능하다. 한편, 본 발명의 조성물은 성형된 용기와 다른 물품이 기존의 방법을 사용하여 취급되고 조작되도록, 충분히 높은 인장과 압착 강도에 빨리 도달하는 혼합물을 제공하는 것이다.

전술한 바에 따라, 본 발명의 목적은 현재, 예를 들어, 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속으로 만들어지는 수경성이고 무기물 충전된 제품들을 제조하는 개선된 조성물, 제법, 그리고 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱, 또는 금속으로 만들어진 것과 유사한 특성을 갖는 수경성이고 무기물 충전된 물품을 만드는 조성물, 제법, 그리고 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 예를 들어, 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속으로 상기 물품을 만들 때 사용되는 것과 같거나 또는 유사한 제조 장치와 기법을 사용하여 다양한 물품으로 성형될 수 있는 성형가능한 혼합물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속 물질의 제조에 관련된 폐기물 발생을 일으키지 않는, 성형가능한 물질로부터 물품을 제조하는 조성물, 제법, 그리고 시스템을 제공하는 것이다.

그 이외의 목적은 무독성이고 지구상에서 흔히 발견되는 물질로 쉽게 분해되는 물품이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 물질로 물품을 제조하는 기존의 제법과 비슷하거나 또는 유리한 가격으로 물품을 제조하는 것이 가능한 조성물, 제법, 그리고 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 물질로 물품을 만드는데 사용되는 것과 비교하여 에너지 집중과 보존 가치가 있는 천연 자원을 덜 필요로 하고, 초기 자본 투자가 적게 드는 제조의 방법과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가공 시간과 초기의 설비 자본 투자를 줄이기 위하여 제조 공정 (종이 제조와 비교하여)중 제거되어야 하는 물을 적게 함유하는 조성물을 제공하는 것이다.

끝으로, 본 발명의 그 외의 목적은 제조 공정 시작 이후 수분 이내에 신속하게 성형되고 실질적으로 건조되는, 성형가능한 혼합물로부터 물품을 대량 생산할 수 있는 조성물, 제법, 그리고 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 전술된, 그리고 그 이외의 목적은 후술하는 설명과 첨부된 청구범위로부터 더욱 명료해지고, 또한 발명의 실시로 배울 수도 있다.

[도면의 간단한 설명]

본 발명의 전술한 방법과 다른 장점 그리고 목적을 얻기 위하여, 앞서 간략히 특징화된 본 발명의 더 구체적인 설명을 첨부된 도면에 나타낸 이의 특정한 실시예를 참고하여 한다. 이 도면들은 본 발명의 하나의 전형적인 실시예를 나타낸 것이며 따라서 본 발명에 이것에 한정되는 것이 아님을 고려하면서, 본 발명을 첨부된 도면을 사용하여 부가적 특이성과 세부 사항으로 설명한다. :

제1도는 혼합기의 이중 오거 압출기를 포함한 본 발명의 성형 가능한 혼합물을 제조하는데 쓰이는 시스템의 개괄적인 종합 도면이다.

제2도는 다이 압축공정에 사용되는 수다이와 암다이의 도면이다.

제2A도는 스플릿 다이의 단면도이다.

제2B도는 진행 다이의 단면도이다.

제3도는 간격 차를 만들기 위해 부분적으로 짝지워진 수다이와 암다이의 도면이다.

제4도는 2단계 사출기의 단면도이다.

제5도는 왕복 나사 사출기의 단면도이다.

제6도는 수다이와 암다이 사이에 위치한 혼합물의 도면이다.

제7A-B도는 성형가능한 혼합물의 위치를 잡기 위해 쓰이는 주형의 도면이다.

제8도는 사출 성형 주형의 단면도이다.

제9도는 사출 취입 성형에 쓰이는 3단계의 도면이다.

제10A-F도는 압출 취입성형에서 가공단계를 나타낸 것이다.

제11A-D도는 지거링에서 가공단계를 나타낸 것이다.

제12도는 혼합기, 이중 오거 압출기, 다이 헤드, 그리고 복수의 감축 롤러를 포함하는 습윤 시이트공정에서 시이트를 제조하는데 사용되는 바람직한 시스템의 종합도면이다.

제13도는 한쌍의 감축 롤러의 단면도이다.

제14도는 습윤 시이트를 원하는 물품으로 성형하는데 사용되는 수다이와 암다이의 도면이다.

제15A-B도는 드레이프(drape) 성형 가공에서 사용되는 주형의 단면도이다.

제16A-B도는 직선 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제17도는 드레이프 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제18A-B도는 스냅백(snapback) 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제19A도는 빌로우/에어슬립 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제20A-B도는 빌로우/드레이프 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제21A-B도는 마개 보조 진공 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제22A-C도는 빌로우/마개 보조/스냅백 성형에 사용되는 주형의 단면도이다.

제23A-C도는 이중 시이트 형성에 사용되는 주형의 단면도이다.

제24도는 혼합기, 압출기, 감축 롤러, 건조 롤러, 압착 롤러, 단단한 롤러, 부드러운 롤러, 그리고 스풀(spool)을 포함하는 건조 시이트 성형 가공에서 시이트를 제조하는데 사용되는 시스템의 종합도이다.

제25도는 한 쌍의 압착 롤러사이를 통과를 시이트의 단면도이다.

제26도는 단단한 롤러와 부드러운 롤러를 통과한 시이트이다.

제27도는 파상형 롤러들 사이를 통과하는 시이트를 나타낸 것이다.

제28도는 칼날-재단기에 의해 새김선을 새긴 시이트의 투시도이다.

제29도는 연속적인 다이 재단 롤러에 의해 새김선이 새겨진 시이트의 투시도이다.

제30도는 새김눈 다이에 의해 시이트에 새김눈이 압축되는 투시도이다.

제31도는 천공 재단기에 의해 시이트에 구멍을 내는 투시도이다.

제32A도는 끝이 봉인된 종이 상자 용지의 투시도이다.

제32B도는 끝이 봉인된 종이상자 중간 형태의 투시도이다.

본 발명은 신규의 수경성과 무기물 충전된 물질, 제법 그리고 제품을 제조하는 시스템에 관한 것이다. 성형가능한 물질로 이미 정의된 수경성과 무기물 충전된 물질은 일반적으로 다-성분, 다양한 크기, 섬유 강화된 미소-합성물로 표현될 수 있다. 구별되면서도 공동으로 관련된 성질들을 부여할 수 있는 다양한 다른 물질을 주의깊게 배합함으로써 강도, 인성, 환경에 무해함, 대량 생산과 낮은 가격의 탁월한 특성을 갖는 미소-합성물을 만드는 것이 가능하다. 중요한 일의 하나는 혼합재 입자의 크기를 세심하게 선택함으로써 고도로 균일한 물질을 제조할 수 있는 것이다.

특히, 수경성 결합재, 유기물 결합재, 섬유(유기물과 무기물 둘다), 혼합재(유기물과 무기물 둘다)와 다양한 다른 성분들을 함유하는 물질은 종래 금속, 플라스틱, 유리 그리고 종이 같은 물질로 만들어지던 용기와 포장 물질을 포함한 제품으로 성형될 수 있다. 본 발명의 신규 물질 또는 혼합물은 종래 물질의 특성들을 갖으면서 동시에 제조와 폐기시 환경에 무해하고 값이 저렴한 개선된 특성을 갖도록 설계될 수 있다. 상세히 후술되는 바와 같이, 본 발명의 물품은 압출, 압연, 프레싱, 성형 그리고 이것들의 조합 같은 다양한 공정으로 제조될 수 있다.

[Ⅰ. 일반적 논의]

A. 미소구조적 기술 설계

전술한 바대로, 본 발명의 물품을 제조하는데 사용된 조성물은 가격과 다른 제조상의 문제점을 동시에 인식하면서 성형가능한 물질의 미소 구조에 어떤 원하는, 예측되는 특성을 부여하기 위하여 미소구조 기술적 견지에서 개발되었다. 더우기, 종래의 시행착오식 접근과는 대조적으로 상기 미소구조 기술적인 분석 접근은 물품을 제조하는데 필요한 강도, 질량, 단열성, 가격과 환경에 무해한 특성을 갖는 물질을 실제로 더 효율적인 방법으로 설계할 수 있는 능력을 갖게 하였다.

성형가능한 물질은 상대적으로 온화하고 해가 없는 조건에서 이들 특성을 얻는다는 점에서 다른 종래의 물질에 비해 유리하다.(다른 물질은 물질 성분에 심각한 영향을 주는 높은 에너지, 과도한 열 또는 격한 화학적 가공을 필요로 한다) 따라서, 적절히 설계되고 처리된다면 많은 다른 물질을 놀랄만한 상승적인 특성 또는 결과로 성형가능한 물질에 배합될 수 있다.

본 발명의 조성물의 설계는 우선 계획에 의해 일차적인 제약을 논의한 다음, 성분의 성능을 최대화하는 물질들의 부분 집합을 구함으로써 개발되고 구체화되었다. 그러나, 모든 공정에서 가격 경쟁력 있는 공정으로 제품을 제조하도록 설계할 필요성을 인식하는 것이 중요하다. 물질 선택에서 일차적인 제약은 성공적인 제품에 결정적인 성분의 설계로 특징된다. 예를 들어 용기를 만드는데 쓰이는 시이트의 경우, 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 대응품에 비교될만한 가격을 동시에 유지하면서 최소 질량, 강도(압축과 인장 둘다), 그리고 인성이 요구되는 조건이 이러한 일차적인 제약에 포함된다.

과거에 성형가능한 물질에서의 문제점의 하나는 상기 물질이 성형틀에서 제거되는데 경화 시간이 길다는 것이다. 본 발명의 중요한 면은 성형가능한 혼합물이 원하는 물품으로 성형될 때, 가공전 상태에서 외부의 도움없이 이의 형태(즉 중력과 가공 장치를 통한 이동같은 사소한 힘에 대해 자체의 질량을 지지하는)를 유지할 수 있다는 것이다. 더우기 생산이 경제적이기 위해서는 제조적 견지에서 물질이 여전히 젖어있거나 완전히 경화되지 않은 상태일지라도 통상의 제조 과정을 사용하여 취급될 수 있도록, 성형된 물품이 신속히(수분 또는 수초이내에) 충분한 강도를 갖는 것이 중요하다.

가장 간단한 형태로 미소구조적 기술에서의 재료 과학을 이용하여 성형가능한 혼합물을 설계하는 공정은 (a)혼합재, (b)예측된 입자 충전, (c)시스템 레올로지, 그리고 (d)제조 시스템의 공정과 에너지를 특성화, 분석 그리고(필요하다면) 변형하는 것을 포함한다. 혼합재 특성화에서는 평균 입자 크기를 정하고, 입자의 자연적인 충전 밀도(실제의 입자 크기들의 함수임)를 정하고 입자의 강도를 확인한다(반응하지 않은 수경성 결합재 입자를 혼합재로 간주할 수도 있다).

이러한 정보로 입자 충전을 수학적 모델에 따라 예측할 수 있다. 입자 충전이 작업 용이성, 형태 안정성, 수축, 부피 밀도, 단열성, 인장, 압축과 굴곡 강도, 탄성, 내구성 그리고 가격의 적절함 같은 최종 생성물의 원하는 요건들을 설계할 수 있는 주요요인임이 확증되었다. 입자 충전은 입자와 혼합재 특성 뿐만 아니라 물의 양과 충전된 혼합재의 틈새의 공극부피에 대한 이의 관계에 의해서도 영향받는다.

시스템 레올로지는 거시적-레올로지와 미시적-레올로지 둘다의 함수이다. 거시적-레올로지는 입자 충전으로 정의되는 고형 입자의 서로간에 대한 관계이다. 미시적-레올로지는 시스템의 윤활마찰의 함수이다. 윤활제(물, 레올로지 조절제, 가소제 또는 다른 물질일 수도 있음)를 변경시킴으로써, 점도와 항복 응력을 화학적으로 변형시킬 수 있다. 미시적-레올로지는 또한 입자의 형태 또는 크기를 변화시킴으로써 즉, 잘게 썬 섬유, 판상 운모, 원형 실리카 발연체를 사용함으로써 물리적으로 변형될 수 있고 또한 분쇄된, 각진, 과립의, 수화된 결합재 입자들은 윤활제와 다르게 상호작용한다.

미소구조적 기술의 개념은 페르 저스트 앤더슨(Per Just Andersen)과 사이몬 K. 허드슨(Simon K. Hodson)의 이름으로 1993년 8월 18일에 출원된 미소구조적으로 기술설계된 시멘트 혼합물용 최적 설계된 조성물 및 공정 제목으로 미합중국 특허 출원 제 08/109,100호에 개시되어 있으며 여기서 특별 참조 목록으로 쓰인다.

후술하는 논의로부터, 어떻게 성형가능한 혼합물내의 각각의 성분 물질들 뿐만 아니라 가공 변수들이 경제적으로 대량 생산될 수 있도록 제품의 주요 설계상 제약이 되는지 알 수 있다. 각 성분의 성능의 최대화가 어떻게 원하는 특성의 배합을 이루는지 증명하기 위하여 후술하는 실시예에서 특정 조성물을 공표한다.

B. 제조 물품

본 발명은 우선적으로 용기와 포장물질의 제품을 제조하려는 것이다. 명세서와 첨부된 청구범위에서 쓰이는 "물품" 또는 "제조 물품" 용어는 설명된 성형가능한 혼합물을 사용하여 여기에 개시된 공정, 예를 들어 다이 압축, 사출 성형, 취입 성형, 지거링, 습윤 사이트 성형과 건조 시이트 성형에 의해 만들어지는 모든 상품을 포함하는 것이다. 상기 물품은 종이, 플라스틱, 스티로폼, 금속, 유리와 합성물로부터 널리 만들어지고 있는 용기, 포장 물질 그리고 다른 상품들을 포함한다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "용기" 또는 "용기들"이란 용어는 사용이 단기간 또는 장기간 이든지 간에 다양한 종류의 제품 또는 (고체와 액체 둘다 포함)을 포장, 보관, 운송, 서빙(serving), 분할 또는 분배하는데 사용되는 그릇 또는 용기를 포함하는 것이다.

본 발명의 범주내의 용기는 후술하는 것에 한정되지 않는다 ; 종이 상자, 박스, 주름진 상자, 샌드위치 용기, 경첩된 "클램 쉘"(clamshell) 용기 (햄버거 같은 패스트 푸드 샌드위치에 쓰이는 경첩된 샌드위치 용기와 경첩된 샐러드 용기를 포함하나 이에 한정되지 않음), 건조 씨리얼 상자, 냉동 식품 상자, 우유팩, 과일쥬스 용기, 음료 운반용 용기(곡면 운송기, 바구니형 운반기와 "6개들이" 고리형 운송띠를 포함하나 이에 한정되지 않음), 아이스크림 상자, 컵(일회용 음료 컵, 투피스형 컵, 원피스형 주름진 컵과 콘 컵을 포함하나 이에 한정되지 않음), 패스트 푸드 판매점에서 쓰이는 감자 튀김 용기, 패스트 푸드 포장상자, 포장, 스낵 음식용 백 같은 구부릴 수 있는 포장재, 백(야채 백같은 끝이 봉인되지 않은 백, 건조 씨리얼 상자 같은 종이 상자내의 백과 다중벽 백을 포함하나 이에 한정되지 않음), 배낭, 자동차 앞창 케이스, 덮개가 있는 진열된 제품용 보조 카드, 특히 플라스틱 덮개들(점심용 식육제품, 사무실 용품, 화장품, 철물용기와 장난감등을 포함하나 이에 한정되지 않음), 보조 접시(과자와 사탕 바 같은 제품을 보조함), 캔, 요구르트 용기, 회선(回旋)형 또는 원통형 용기(농축 냉동 쥬스, 오트밀, 감자칩, 아이스크림, 소금, 세제, 자동차 오일같은 제품을 위한), 우편용 관, 물질을 감기 위한 시이트 두루마리(포장지, 옷감, 종이 타월과 화장지 같은), 레코드 쟈겟, 담배곽, 과자상자, 화장품 상자, 접시 판매용 접시, 파이 접시, 쟁반, 제과용 쟁반, 대접, 아침 식사용 쟁반, 마이크로웨이브용 저녁 식사 쟁반, "TV" 시청용 저녁식사 쟁반, 달걀 팩, 식육 포장 접시, 컵 같은 용기에 쓰일 수 있는 일회용 라이너9liner), 포장지(냉동 포장, 타이어 포장, 식육점용 포장, 소세지 포장을 포함하나 이에 국한되지 않음), 식품용기, 실제로 구형인 물건, 병, 항아리, 케이스, 크레이트, 접시, 뚜껑, 빨대, 봉투, 접착용 테이프, 식탁용 칼, 엽서, 삼공 바인더, 책 표지, 서류철, 장난감, 물약병, 앰플, 동물용 장, 비연소성 불꽃놀이 껍질, 모형 로켓 엔진 껍질, 모형 로켓과 무한히 다양한 다른 제품들이다.

간단히 말해, 물품은 정지 또는 이동 상태에서 이의 내용물을 유지하거나 또는 이의 구조적 원상 또는 이 안 또는 위에 함유된 물질의 구조적 원상을 유지할 수 있어야 한다. 이것은 물품이 강하거나 심지어 최소 힘을 견딜 수 있어야 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로 어떤 경우 특정 물품은 쉽게 깨지거나 없어져 버리는 것이 바람직할 수 도 있다. 그러나 물품은 이것이 의도하는 기능을 수행할 수 있어야 한다. 필요한 특성은 언제나 물품의 물질과 구조내에 미리 설계될 수도 있다.

물품은 또한 이의 사용 목적을 만족시키기 위해 충분한 시간동안 이의 상품을 함유하고 이의 원래 상태를 유지할 수 있어야 한다. 특정 환경에서는 물품이 외부 환경으로부터 내용물을 봉할 수 있고 다른 환경에서는 단순히 내용물을 담거나 보관할 수 있다는 사실을 인식하여야 한다.

또한 용기와 함께 사용되는 격납 제품은 "용기" 용어에 포함되는 것으로 간주된다. 이러한 제품으로는 뚜껑 ; 빨대 ; 칸막이, 라이너 같은 내부 포장재 ; 고정 패드, 코너죔쇠, 코너 보호기, 틈새 패드, 금이 그어진 시이트와 쟁반 ; 깔대기, 포장, 완충 물질과 용기 내의 물건을 포장, 보관, 운송, 분할, 서빙 또는 분배하는데 쓰이는 다른 물건을 예로 들 수 있다.

본 발명은 미 합중국 특허 제 5,100,586 호 (Cementitious Hazardous Waste Containers and Their Method of Manufacture)에서 논의된 물품의 특정 형태를 포함할 수도 있다. 이 특허는 해로운 폐기물을 보관하기 위한 시멘트 용기를 개시하고 청구한다. 발명의 목적을 위해 상기 특허를 특별 참고 자료로 여기에 수록한다. 상기 해로운 폐기물 용기는 속이 빈 심이 있는 구형 일 수 있다.

본 발명의 범위내의 물품은 일회용으로 분류될 수도 있고 분류되지 않을 수도 있다. 어떤 경우에 강하고 더 오래가는 구조물이 요구될 때, 물품은 반복 사용할 수 있어야 한다. 다른 한편, 물품을 단지 한번 사용하고 나서 버리도록 경제적이기 위해서는 이러한 방법으로 제조될 수도 있다. 본 물품은 환경에 무해한 물질(즉, 심각한 비정상적 환경 재해를 일으키지 않고서)로 종래의 쓰레기 매립지에 쉽게 버려지거나 던져질 수 있는 조성을 갖는다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "블랭크(blank)" 용어는 물품으로 만들 준비가 된 시이트를 포함하는 의미이다. 블랭크는 적절한 크기와 적당한 물품으로의 이의 형성 또는 조립을 용이하게 할 수도 있는 적당한 금, 천공, 구명 또는 홈 구멍이 있는 적당한 형태로 잘려진 시이트이다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "성형가능한 시이트" 또는 "시이트" 라는 용어는 여기에 개시된 방법을 사용하고 용기 또는 다른 물품을 만드는데 원료로써 유용한 어떠한 실제로 평평하고, 금이 그어지고, 잘리고, 바늘 구멍 점선이 있고, 적층된, 주름진, 곡면이 있는 구부려진, 인쇄된, 피복된 또는 직물 감촉의 시이트를 포함하는 의미이다. 유일한 근복적인 제한점은 시이트가 여기에 정의된 성형가능한 물질로부터 만들어진 매트릭스를 함유한다는 것이다. 종이, 플라스틱, 또는 금속 같은 다른 물질로 만들어진 시이트로 시이트를 적층하고, 시이트를 피복하고, 시이트에 인쇄를 하고, 시이트용 외부 지지로 연속 섬유를 사용하고, 다른 비수경성 물질을 사용하여 시이트에 다른 물질을 배합하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "매트릭스" 또는 "구조 매트릭스"라는 용어는 원하는 형태로 성형 또는 만들어질 수 있는 성형가능한 혼합물을 의미한다. 이 용어는 매트릭스의 수화 및/또는 건조 정도에 관계없이 모든 상기 매트릭스를 포함한다. 그러므로 젖은, 경화된, 건조, 세트 또는 교정된 상태의 성형가능한 혼합물을 함유할 수도 있다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 쓰인 "대량 생산되는" 또는 "상업적" 또는 "경제적 방시기으로 제조되는"이란 어구는 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 같은 다른 물질로 만들어진 물품에 비교될 만큼 경제적인 제조가 되는 속도로 여기 개시된 물품이 신속히 제조되는 성질을 의미하는 것이다. 본 발명은 성형가능한 물질을 경제적 또는 가격 경쟁력이 있는 방식으로 성형하는 것에 관련된 이전의 기술상의 문제를 해결하기 위하여 혁신적인 조성물을 목표로 한다. 성형가능한 물질로 만든 물품은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속 같은 다른 표준 물질로 통상적으로 만들어지던 물품과 시장에서 경쟁하기 위한 것이다.

C. 성형가능한 물질

상기 정의도니 바대로 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용되는 "성형가능한 물질" 이란 용어는 "수경성 혼합물, 물질 또는 조성물"과 "무기물 충전된 혼합물, 물질 또는 종성물"을 포함하는 의미이다. 본 명세서와 첨부된 청구에서 쓰인 "수경성 물질"이란 용어는 구조 매트릭스와 수경성 결합재의 경화 또는 숙성으로부터 주로 생긴 강도를 갖는 물질을 포함한다. 결합재로는 시멘트, 황산 칼슘(또는 석고), 소석고, 반수석고와 물에 노출된 후 경화되는 다른 물질이 포함된다. 본 발명에 사용되는 수경성 결합재는 중합성의 물에 녹지 않는 유기물 시멘트, 아교 또는 접착제 같은 다른 시멘트 또는 결합재와 구별되는 것이다.

명세서와 처무된 청구범위에 쓰이는 "무기물 충전된 물질"이란 용어는 고농도의 무기물 충전재 또는 혼합재 (건조된 물품의 전체 고형물의 부피비로 적어도 약 40%), 물과 수 분산성 유기물 결합재의 건조 또는 경화로부터 주로 생긴 강도 특성의 구조 매트릭스를 갖는 것을 특징으로 하는 물질과 조성물을 광범위하게 정의하고자 하는 것이다.

"수경성 무기물 충전된 그리고 성형가능한 혼합물, 물질 또는 조성물"이란 용어는 건조 또는 숙성이 일어난 정도에 관계없이 혼합물을 의마하는 것이다. 이들 혼합물들은 부분적으로 건조 또는 숙성되고 그리고 완전히 건조되고 숙성된 (일정량의 물이 수경성과 유기물 결합재내에 결합된 물로 물품내에 통상적으로 남아있지만) 작업성이 매우 용이한 혼합물을 포함한다.

성형가능한 혼합물은 종종 동일한 성분들을 함유할 수도 있으나, 성분들은 다른 농도에서 다른 기능으로 작용한다. 예를 들어, 수경성 결합재, 유기물 결합재, 혼합재, 섬유성 물질과 물을 포함하는 혼합물은 수경성 혼합물 또는 유기물 충전된 혼합물로 정의될 수도 있다.

수경성 혼합물에서, 수경성 결합재는 혼합물의 주결합재로 작용하도록 충분한 농도로 첨가되고, 반면 유기물 결합재는 결합재로서 보조작용을 할지라도 주로 레올로지 조절제로 작용한다. 대조적으로, 무기물 충전된 조성물에서, 수경성 결합재는 혼합재로 주로 작용되도록 최소의 농도로 첨가되고, 반면 유기물 결합재는 주결합재로 작용한다. 상기 논의된 성형 가능한 혼합물은 가소제, 윤활제, 분산제 외 공기 형성제 같은 다른 혼합제를 포함할 수도 있다.

1. 수경성 결합재

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "수경성 결합재" 또는 "수성 결합재"라는 용어는 물과 어떤 경우에는 공기와 물 중의 이산화탄소와 화학 반응하여 강도 특성과 경도를 개발하는 수경 시켄트, 반수 석고 또는 산화 칼슘 같은 무기물 결합재를 포함하는 의미이다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용된 "수경(水경(硬) 시멘트" 또는 "시멘트"는 클링커(clinker)와 다양한 분쇄 단계와 다양한 입자 크기의 부스러지고, 으깨지고, 가루로 만들어지고, 가공된 클링커를 포함하는 의미이다.

이 분야에 알려진 전형적인 수경 시멘트로는 넓은 범위의 포틀랜드 시멘트(석고가 없는 일반적인 포틀랜드 석고를 포함한), MDF 시멘트, DSP 시멘트, 덴시트(Densite) - 형 시멘트, 피라멘트(Pyrament)-형 시멘트, 알루미늄산칼슘 시멘트 (경화 조절제가 없는 알루미늄산칼슘 시멘트를 포함), 석고, 실리케이트 시멘트 (β-디칼슘 실리케이트, 트리칼슘 실리케이트와 이의 혼합물을 포함), 석고 시멘트, 인산 시멘트, 고 알루미나 시멘트, 마이크로화인(microfine) 시멘트, 슬래그 시멘트, 마그네슘 옥시클로라이드 시멘트와 마이크로화인 시멘트 입자로 피복된 혼합재를 예로 들 수 있다. 또한 "수경 시멘트" 용어는 본 발명의 범주내의 수화 조건에서 수경으로 되는 -디칼슘 실리케이트 같은 당 분야에 공지된 다른 시멘트를 포함한다.

석고는 또한 수화되어 경화된 결합제를 형성하는 수경성 결합재이다. 석고의 수화 가능한 형태의 하나는 보통 "반수 석고"로 알려진 황산 칼슘 헤미하이드레이트이다. 석고의 수화된 형태는 보통 "이수 석고"로 알려진 황산 칼슘 디하이드레이트이다. 황산 칼슘 헤미하이드레이트는 또한 보통 "경석고"로 알려진 황산 칼슘 무수물과 혼합될 수 있다.

석고 결합재와 산화 칼슘 같은 다른 수성 결합재가 일반적으로 수경 시멘트만큼 강하지는 않지만, 어떤 용도에서는 높은 강도가 다른 특성(예를 들면 경화 속도) 만큼 중요하지 않을 수도 있다. 가격면에서 석고와 산화 칼슘은 약간 덜 비싸므로 수경 시멘트에 비해 유리하다. 더우기, 수경성 물질이 상대적으로 높은 비율의 약하고, 가벼운 혼합재(펄라이트 같은)를 함유하는 경우, 혼합재는 종종 수경성 매트릭스의 구조내에 "약한 결합 (weak link)"을 갖는다. 어떤 점에서 더 강한 결합재를 첨가하는 것이 비효율적일 수도 있는데 이것은 약한 혼합재의 높은 함량으로 인해 결합재가 더이상 이것의 더 높은 잠재적인 강도를 줄 수 없기 때문이다.

"수화된" 또는 "숙성된" 같은 용어는 충분한 양의 잠재적 또는 최종의 최대 강도를 갖는 수경성 생성물을 제조하기에 충분한 실제로 물-촉매된 반응의 수준을 나타내나 그럼에도 불구하고 수경성 물질은 중요한 경도와 상당량의 최종적인 최대 강도를 얻은 한참 이후에 수화를 계속할 수도 있다.

"미숙" 또는 "미숙한 상태" 같은 용어는 강도가 인공 건조, 숙성 또는 다른 방법에 의한 것인지에 관계없이 최종 강도의 상당량을 얻지 못한 성형가능한 혼합물과 함께 사용된다. 성형가능한 혼합물은 원하는 형태로 성형되기 직전과 이후에 "미숙" 또는 "미숙한 상태"에 있다고 말해진다. 성형가능한 혼합물이 더이상 "미숙" 또는 "미숙한 상태"에 있지 않은 순간은 근본적으로 명확하게 경계지울 수 없는데, 이것은 일반적으로 상기 혼합물이 시간에 따라 점차적으로 이의 전체 강도의 상당량을 획득하기 때문이다.

성형가능한 혼합물은 물론 "미숙 강도"에서의 증가를 나타낼 수 있고 여전히 "미숙"하다. 이런 이유로, 여기서의 논의는 종종 미숙한 상태에서의 성형가능한 물질의 형태 안정성을 논한다.

전술한 바대로, 바람직한 수성 결합재로는 백 시멘트, 포틀랜드 시멘트, 마이크로 화인 시멘트, 고 알루미나 시멘트, 스래그 시멘트, 반수 석고와 산화 칼슘이 있는데 이것들은 값이 ㅆ고 본 발명의 제조 공정에 적합하다. 이 시멘트 목록은 결코 완전한 것이 아니며 첨부된 청구범위의 범주내의 수경성 물품을 만드는데 유용한 결합재의 종류로 제한하는 것이 아니다.

물품의 수경성 매트릭스를 형성하기 위하여 수경성 결합재를 사용하는 중요한 잇점은 상기 결합재들이 일반적으로 물에 내성이 있거나 또는 불용성이라는 것이다. 그럼에도 불구하고 상세히 전술한 바와 같이, 예를 들어 레올로지 조절제를 포함하는 특정 다른 요소들은 물에 용해된다. 성형가능한 혼합물내의 수용성과 불용성 성분사이의 균형을 조절함으로써, 원하는 준위의 내수성 또는 물에서의 분해성을 갖는 물품을 설계할 수 있다. 대체적으로, 수경 시멘트를 더 첨가하면 물에서의 물품의 용해성을 감소시키고 물 분해에 대한 저항성을 증가시킨다. 역으로, 수경 시멘트를 덜 첨가하고 레올로지 조절제 같은 수용성 성분을 더 첨가함으로써, 물품은 물 분해에 대해 훨썬 더 민감할 수 있다. 물에 대한 저항성 또는 분해의 정도는 물론 문제되는 물품의 실행 기준의 함수이다.

전체 혼합물내의 수경성 결합재의 비율은 다른 첨가된 성분의 종류에 따라 변한다. 그러나, 수경성 결합재는 성형가능한 혼합물의 전체 고체에 대해 부피비로 약 2% 내지 60% 범위의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 여기에 기재된 설명과 실시예로부터 이러한 넓은 질량 범위가 거품같은 또는 진흙같은 시이트와 물품을 제조하는데 사용되는 성형가능한 혼합물을 포함하는 것을 이해할 수 있다.

전술한 바로부터 본 발명의 범주내의 실시는 매우 가벼운 "거품 같은" 제품에서부터 약간 높은 밀도의 "진흙 같은" 제품까지 다양하다는 것을 인식할 것이다. 거품 같은 또는 진흙 같은 물질은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스트렌과 매우 비슷하게 취급될 수 있는 시이트 또는 심지어는 금속 시이트로 쉽게 성형될 수 있다. 이런 광범위한 범주내에서 성분의 다양한 양과 종류를 필요로 하는 다른 변화와 차이가 있다. 성분들과 이것들의 상대적 양은 만들어지는 특정 품목에 따라 실질적으로 변할 수도 있다.

일반적으로 "거품 같은" 물품을 만들때 바람직하게는 성형가능한 혼합물의 전체 고체에 대해 부피비로 약 3% 내지 약 60% 범위내로, 더욱 바람직하게는 약 10% 내지 약 30% 범위내로 수경성 결합재를 포함한다.

"진흙 같은" 물품을 만들때, 성형가능한 혼합물의 전체 고체에 대해 부피비로 약 2% 내지 약 60% 범위내로, 바람직하게는 약 4% 내지 약 40%의 범위내로, 그리고 가장 바람직하게는 약 5% 내지 약 30%의 범위내로 수경성 결합재를 포함한다.

2. 물-분산성 유기물 결합재

성형가능한 혼합물에 첨가되는 수경성 결합재의 양이 실질적으로 감소되거나 완전히 제거된 경우, 통상적으로 레올로지 조절제가 유기물 결합재로도 작용할 수 있는 점까지 이것의 양을 증가시키는 것이 필요하다. 이 경우, 성형가능한 혼합물은 실제적으로 용매로 둘러싸인 "물 분산성 유기물 결합재" 또는 "유기물 결합재"를 건조시킴으로써 강도 특성을 나타내게 된다(물론 수경성 결합재가 사용된 경우에도 어떤 경우에는 최종 경화된 물질의 인장 강도와 유연성을 증가시키기 위해서 다량의 유기물 결합재를 포함하는 것이 유리할 수도 있다. 통상적으로 유기물 결합재가 수경성 결합재보다 훨씬 더 비싸기 때문에 주어진 물품을 제조하는 경제성에 따라 종종 결정이 된다.)

성형가능한 혼합물은 고체 무기물 혼합재 입자와 섬유를 윤활시키고 물 분산성 유기물 결합재를 또는 적어도 분산시키기에 충분한 양의 물을 혼합물에 첨가함으로써 작업 용이성과 유동 특성을 우선 발달시킨다. 이후 증발 같은 방법으로 물을 제거하여 물 분산성 결합재가 이의 최대 강도 특성을 나타내게 한다.

예를 들어, 특정 전분 기재 물질은 분말 같은 형태로 된 아주 작은 과립으로 구입할 수 있다. 전분 기재 결합재는 분산액을 겔화 온도 이상으로 가열하여 물에 있는 전분 결합재를 용해시키고 겔화하여 "활성화"된다. 물을 제거한 후, 상기 전분 기재 물질은 스스로 약 40~50MPa에 이르는 인장 강도를 갖는다. 세심한 미소구조적 기술로, 고도로 무기물 충전된 물품은 어떤 경우에는 4CMPa에 이르는 다양한 인장 강도를 갖는다.

물 분산성 유기물 결합재는 건조 또는 경화시 혼합물 내의 각가의 혼합재 입자와 섬유에 함께 결합할 뿐만 아니라 (따라서 구조 또는 고도로 무기물 충전된 매트릭스르 형성), 성형가능한 혼합물의 레올로지에 영향을 주는 일반적 경향을 갖는다. 따라서 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "레올로지 조절제"라는 용어는 특정 물질을 확인했을 때 "유기물 결합재" 용어와 같은 의미이다. 차이는 단지 상기 물질이 성형가능한 혼합물에 첨가되는 양이다.

레올로지 조절제 또는 유기물 결합재의 함유는 수경성 혼합물이 더욱 성형가능한 진흙같이 행동하도록 이것의 가소성 또는 접착 본성을 증가시키는 작용을 한다. 레올로지 조절제는 점도를 크게 증가시키지 않고서 혼합물의 항복 응력을 증가시키는 경향이 있다. 점도에 대해 항복 응력을 높이는 것은 물질을 더욱 플라스틱 같고 성형 가능하게 하면서 반면 성형된 물질의 이후의 형태 안정성과 미숙상태에서의 강도를 크게 높인다.

본 발명에 의해 연구된 다양한 레올로지 조절제 또는 유기물 결합재는 다음 범주로 대략 분류할 수 있다 : (1) 다당류와 이의 유도체, (2) 단백질과 이의 유도체, 그리고 (3) 유기 합성 물질이다. 다당류 레올로지 조절제는 (a) 섬유소 기재 물질과 이의 유도체, (b) 전분 기재 물질과 이의 유도체, 그리고 (c) ㅣ타 다당류로 다시 나뉠 수 있다.

적당한 섬유소 기재 결합재로는 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시에틸프로필셀룰로오스 등을 예로 들 수 있다. 가능한 순열의 전체 범위는 크고 여기에 적지 않았으나 같거나 또는 유사한 특성을 갖는 다른 섬유소 물질 또한 잘 쓰일 수 있다.

적당한 전분 기재 결합재로는 아밀로펙틴, 아밀로스, 시겔(seagel), 녹말 아세테이트, 녹말 히드록시 에틸 에테르, 이온성 전분, 장쇄 알킬 녹말, 덱스트린, 아민 녹말, 인산염 전분 그리고 디알데히드 녹말을 예로 들 수 있다.

다른 천연의 다당류 기재 결합재로는 알긴산, 피코콜로이드, 한천, 아라비아 고무, 구아르 고무, 로커스트 빈 고무, 카라야 고무 그리고 트라가칸트 고무를 예로 들 수 있다.

적당한 단백질 기재 결합재로는 제인^(R)(옥수수에서 유래된 프롤아민), 젤라틴과 아교 같은 동물 연결 조직에서 추출된 콜라겐 유도체, 그리고 카제인 (우유의 주 단백질)을 예로 들 수 있다.

적당한 합성 유기 물질로는 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리비닐 아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산염, 폴리아크릴이미드, 에틸렌 옥시드 중합체, 폴리 젖산, 합성 진흙과 스티렌-부타디엔 공중합체인 라텍스를 예로 들 수 있다.

현재 바람직한 레올로지 조절제 또는 유기물 결합재는 메틸히드록시에틸셀룰로오스로 이것의 예는 틸로즈^(R)FL 15002와 틸로즈^(R)400 (독일 프랑크푸르트의 Hoechst Aktiengesellschaft사 제품)이다. 틸로즈^(R)대신 또는 함께 사용할 수 다른 바람직한 레올로지 조절제는 분자량이 20,000 내지 35,000 인 폴리에틸렌 글리콜이다. 폴리에틸렌 글리콜은 윤활제로 더 잘 작용하고 혼합물에 더 평활한 경점성(硬粘性)을 더한다. 이런 이유로 폴리에틸렌 글리콜은 "가소제"로 더 정확하게 언급될 수도 있다. 그 외에 이것은 성형된 수경성 물질에 평활한 평면을 갖게 한다. 최종적으로 폴리에틸렌 글리콜은 혼합물의 용해성 성분 주위에 피막을 형성함으로써 경화된 제품을 수용성이 적게 한다.

끝으로 전분 기재 레올로지 조절제는 특히 본 발명의 범주내에서 관심이 되는데 이것은 틸로즈^(R)같은 섬유소 기재 레올로지 조절제에 비해 상대적으로 저렴하기 때문이다. 전분이 겔화되기 위해서는 통상적으로 열 및/또는 압력이 필요하지만, 전분은 실온에서 겔화되도록 변형되고 미리 반응될 수도 있다. 전술한 많은 다른 레올로지 조절제 뿐만 아니라 전분도 다양한 용해성, 점도와 레올로지를 갖는 사실은 특정 물품의 특별한 제조와 실행 기준에 일치되도록 혼합 설계에 원하는 특성을 조심스럽게 맞출 수 있게 한다.

또한 섬유소 기재 물질, 단백질 기재 물질, 전분 기재 물질과 유기 합성 물질의 혼합물을 함유하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.

본 발명의 수경성 물질내의 레올로지 조절제는 수경성 혼합물의 전체 고체의 부피비로 약 0.1% 내지 약 30% 범위내의 양으로 포함된다. 그러나, 일반적으로 바람직한 농도는 수경성 혼합물의 전체 고체의 부피비로 약 0.5% 내지 약 15% 범위내이다. 레올로지 조절제는 더욱 바람직하게는 약 1% 내지 약 10% 그리고 가장 바람직하게는 약 2% 내지 약 5% 범위내인 것이다.

본 발명의 성형가능한 혼합물내의 물 분산성 유기물 결합재는 이로부터 제조된 실제 경화된 물품이 경화된 시이트내의 전체 고체에 대한 부피비로 약 1% 내지 약 50%, 더욱 바람직하게는 약 2% 내지 약 30%, 그리고 가장 바람직하게는 약 5% 내지 약 20%의 유기물 결합재를 함유할 수 있는 양으로 포함되는 것이 바람직하다.

3. 물

무기물 충전된 물질에 대해 혼합물내의 물 분산성 유기물 결합재를 수화시키거나 또는 적어도 분산시킬 수 있도록 성형가능한 혼합물에 물을 첨가한다. 많은 경우, 일부의 물은 실제로 유기물 결합재와 반응하여 유기물 결합재내에 화학적으로 결합하게 된다. 다른 경우에는 이것은 종종 수소 결합같은 방법으로 유기물 결합재에 더 약하게 결합될 수도 있다. 일정량의 물은 또한 수경성 결합재 또는 물과 화학 반응할 수 있는 다른 물질 같은 혼합물내의 다른 혼합재와 반응할 수도 있다. 수경성 결합재와 물 사이의 수화 반응은 수경성 물질에 강도 특성을 부여하고 나타낼수 있는 능력을 주는 반응생성물을 만든다.

성형가능한 혼합물의 종류에 관계없이, 물은 또한 점도와 항복 응력을 포함한 원하는 레올로지 특성을 갖는 성형가능한 혼합물을 만드는 기능으로 작용한다. 이들 특성은 성형가능한 혼합물의 "작업용이성" 또는 유동 특성을 접근시키는 일반적인 방법이다.

성형가능한 혼합물이 적절한 작업 용이성을 갖기 위해서 물은 일반적으로 무기물 충전된 혼합물내의 유기물 결합재를 용매화 또는 적어도 분산시키고, 수경성 물질내의 수경성 결합재와 처음에 반응하기에 충분한 양으로 포함될 수도 있다. 더우기 각각의 혼합재 입자, 섬유 또는 다른 고체 입자를 습윤시키고 입자들 사이의 간격 또는 공극을 적어도 부분적으로 채우기 위해서 충분한 양의 물이 첨가되어야 한다.

성형가능한 혼합물에 첨가되는 물의 양은 초기 물의 함량을 낮추는 것이 미숙한 상태에서의 강도와 경화된 제품에서의 최종 강도 모두를 증가시킨다는 사실을 동시에 인식하면서 혼합물이 충분히 작업 용이하도록 주위깊게 맞추어져야 한다. 적은 양의 물은 총 기공율이 성형 공정중에 줄어드는 이유로 더 강한 최종 생성물을 만든다. 더우기 처음에 적은 양의 물이 성형가능한 혼합물에 포함되면 성형된 제품 또는 시이트를 경화시키기 위해 적은 양의 물만 제거되어야 한다.

이러한 요구에 부응하는 적절한 레올로지는 항복 응력으로 나타낼 수 있다. 성형가능한 혼합물의 항복 응력은 바람직하게는 약 2KPa 내지 약 5MPa, 더욱 바람직하게는 약 100KPa 내지 약 1MPa, 그리고 가장 바람직하게는 약 200KPa 내지 약 700KPa의 범위이다. 항복 응력의 원하는 수준은 이로부터 만들어지는 물품을 만들기 위해 사용되는 특정한 성형 공정에 따라 조절되고 최적화된다.

어떤 경우에는 성형과정 도중 또는 잠시 후에 성형된 물품을 가열함으로써 과량의 물을 이후에 제거한다는 사실을 고려하여 상대적으로 높은 함량의 물을 초기에 함유하는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 결합재 입자들이 물과 화학 결합하여 입자들 사이의 틈새내의 자유로운 물의 양을 감소시키기 때문에 수경성 결합재가 수경성 혼합물에 내부건조 효과를 갖는다는 것을 이해하여야 한다. 이 내부 건조 효과는 천천히 반응하는 수경 시멘트와 함께 반수 석고 같은 천천히 반응하는 수경성 결합재를 함유함으로써 증가될 수 있다.

자세히 후술하는 바대로 개개의 혼합재 입자와 섬유의 크기는 얻어지는 성형가능한 혼합물의 입자 충전밀도를 증기시키기 위해 선택한다. 특정 레올로지 또는 항복 응력을 갖는 성형가능한 혼합물을 얻기 위하여 첨가되어야 할 물의 양은 입자 충전 밀도에 크게 의존한다. 예를 들어 성형가능한 혼합물의 입자 충전 밀도가 0.65이면 입자 사이의 간격의 공극을 충분히 채우기 위하여 부피비로 대략 35% 양의 물이 포함되어야 한다. 한편, 입자 충전 밀도가 0.95인 성형가능한 혼합물은 간격의 공극을 충분히 채우기 위하여 부피비로 약 5% 양의 물만을 필요로 한다. 이것은 성형가능한 혼합물의 레올로지와 작업용이성에 영향을 주는 틈새의 공극을 충분히 채우기 위하여 첨가해야될 물의 양에서 7배 감소한 것이다.

전술한 바와 같이, 혼합물에 첨가되어야 할 물의 양은 혼합물내의 입자 충전 밀도의 수준, 첨가되는 물 분산성 결합재의 양, 첨가되는 수경성 결합재의 양과 얻어지는 성형가능한 혼합물의 원하는 레올로지에 크게 좌우된다. 따라서, 성형가능한 혼합물을 형성하기 위해 첨가되어야 하는 물의 양은 부피비로 성형가능한 혼합물의 적게는 55에서 많게는 50% 범위이다. 물의 정확한 양은 혼합물내의 다른 성분과 혼합재의 부피와 종류에 따라 크게 변한다. 본 분야의 전무가는 주어진 제조 공정의 적절한 작업 용이성을 얻기 위하여 물의 정도를 조정할 수 있다.

대부분의 경우 성형가능한 혼합물에 원하는 작업 용이성의 수준을 주기 위하여 요구되는 최소량의 물을 포함함으로써 가공된 물품으로부터 제거되어야 하는 물의 양을 줄이는 것이 바람직하다. 제거되어야할 물의 양을 줄이는 것은 물의 제거에 에너지가 쓰이므로 일반적으로 제조단가를 낮춘다. 그럼에도 불구하고 본 발명의 조성물은 가장 높은 정도의 물을 포함하는 경우에서조차 일반적으로 부피비로 95%이상의 물을 포함하는 종이를 만드는 데 쓰이는 슬러리와 비교하여 훨씬 적은 물을 포함한다.

그럼에도 불구하고 성형된 물품으로부터 물을 제거할 때, 건조 공정 후에 남아있는 물의 총량은 질량비로 약 10%에 달한다.

4. 혼합재

콘크리트 산업에서 사용되는 더 미세하게 같아진 혼합재 물질 뿐만 아니라 종이 산업에서 공통적으로 사용되는 무기 물질을 본 발명의 성형가능한 혼합물에 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 혼합재 또는 무기물 충전재 물질의 크기는 종이 산업에서 사용되는 무기물 충전재 물질보다 종종 여러배 더 크다. 종이 산업에서 사용되는 무기물 충전재 내의 입자의 평균 지름이 통상적으로 2 미크론 미만인 반면, 본 발명에 사용되는 혼합재 물질의 평균 입자 지름은 만들어지는 물품의 벽 두께에 따라 어떤 경우에는 100 미크론에 이르거나 그 이상이므로 일반적으로 덜 비싸다.

본 발명의 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 혼합재 물질의 큰 다양성은 최종 물품에 다양한 특성을 부여할 수 있다. 본 발명에 사용되는 혼합재 물질은 강도(인장과 특히 압축강도)를 증가시키고, 탄성률과 신장률을 증가시키고, 값싼 충전재로 작용함으로써 비용을 낮추고 무게를 줄이고 및/또는 만들어지는 제품의 단열 능력을 증가시키기 위하여 첨가된다. 더우기, 운모와 고령토 같은 판모양의 혼합재는 본 발명의 물품에 표면 마감을 부드럽게 하기 위하여 사용된다. 통상적으로, 탄산 칼슘 같은 큰 혼합재는 무광택 표면을 만들고, 작은 입자는 광택있는 표면을 만든다.

유용한 무기물 혼합재로는 펄라이트, 질석, 모래, 자갈, 바위, 서회석, 사암(沙岩), 유리구슬, 에어로겔, 건조겔, 시겔, 운모, 점토, 합성점토, 알루미나, 실리카, 플라이 애쉬(fly ash), 발연 실리카, 용융 실리카 얇은 판 알루미나, 고령토, 미소구(微小球), 속빈 유리공, 다공성 세라믹 공, 이수석고, 탄산칼슘, 알루미늄산 칼슘, 콜크, 씨, 가벼운 중합체, 조노트라이트(xonotlite, 결정형 규산칼슘 겔), 가벼운 부풀린 진흙, 수화 또는 수화되지 않는 수경(水硬) 시멘트 입자, 경석, 박리된 바위 그리고 다른 지질 물질을 예로 들 수 있다. 발연실리카뿐만 아니라 부분적으로 수화되거나 수화된 수경(水硬) 시멘트는 높은 표면적과 새로 만들어진 물품의 높은 초기 접착력 같은 탁월한 우수성을 부여한다.

본 발명의 폐기된 시이트, 용기 도는 다른 물품같은 폐기된 무기물 충전된 물질조차 혼합 충전재와 강화재로 쓰일 수 있다. 또한 본 발명의 시이트와 다른 물품은 새로운 성형가능한 혼합물에 이들을 혼합 충전재로 간단히 첨가함으로써 쉽게 효과적으로 재활용된다고 여겨진다.

점토와 석고는 둘다 구입의 용이성, 아주 낮은 가격, 작업용이성, 성형이 용이한 것과 또한 충분히 많은 양으로 첨가되었을 때 어느 정도의 결합과 강도를 주기 때문에 특히 중요한 혼합재 물질이다. "점토"는 특정한 화학적 조성과 성질을 갖는 대지에서 발견되는 물질을 말한다. 널리 알려진 점토로는 실리카와 알루미나(그릇, 타일, 벽돌 그리고 파이프를 만드는데 사용되는) 그리고 고령석이 있다. 고령토 진흙은 화학식이 Al₂O₃ㆍSiO₂ㆍH₂O인 아녹자이트와 화학식이 Al₂O₃ㆍSiO₂ㆍH₂O인 몬모릴로나이트가 있다. 그러나 진흙은 산화철, 산화티탄, 산화칼슘, 산화지르코늄 그리고 황철광 같은 다양한 종류의 다른 물질을 함유할 수도 있다.

또 점토는 수천년간 사용되어 왔고 굽지 않은 경우에도 경도를 갖을 수 있지만, 이러한 굽지 않은 진흙은 물 분해와 노출에 약점이 있으며 매우 부서지기 쉬우며 낮은 강도를 갖는다. 그럼에도 진흙은 본 발명의 성형가능한 물질내에서 양호하고 값싼 혼합재가 된다.

비슷하게 반수 석고는 또한 수화되고 물이 있으면 황상칼슘의 이수화물을 만든다. 따라서 반수 또는 이수 형태중 어느 것이 성형가능한 혼합물에 첨가되는가(그리고 농도)에 따라 석고는 혼합재와 결합재 둘다의 특성을 나타내기도 한다.

포틀랜드 시멘트 같은 수경(水硬) 시멘트는 상대적으로 값이 싸고 양이 풍부할 뿐만 아니라 충분히 많은 양이 포함되는 경우 무기물 충전된 매트릭스에 어느 정도의 결합을 부여할 수 있다. 또 수경(水硬)시멘트와 물의 화학 반응는 증발시킬 필요없이 혼합물 내의 최소한 일부의 물을 효과적으로 제거하는 성형가능한 혼합물내에서의 내부 건조 효과를 야기한다.

미리 수화된 시멘트 입자를 혼합 충전재로 또한 첨가할 수도 있다. 수화되지 않은 시멘트와 미리 수화된 시멘트 사이의 한가지 차이점은 후자는 판과 소판의 한정된 형태를 같는 것이다.

또 수경 시멘트는 최소한 물과 부분적으로 화학반응함으로써 혼합재 입자와 섬유를 윤활시킬 수 있는 물의 양을 감소시켜 성형가능한 혼합물의 레올로지에 영향을 준다. 또한 포틀랜드 회색 시멘트는 성형가능한 혼합물의 내부 점착력을 증가시킨다. 끝으로 분명히 않으나, 수경시멘트는 많은 유기 중합체 결합재에 존재하는 수많은 히드록실기와 어느정도 상호작용하는 것이 가능하다. 상기 결합재들의 히드록실기는 최소한 시멘트 입자의 표면에 흡착되어 있는 것으로 알려진 극성이 큰 수경 시멘트 겔 생성물과 수소 결합 비슷한 상호작용을 한다.

성형가능한 혼합물과 이로부터 만드는 물품의 본질때문에 성형된 시이트에 단열 효과를 주기 위하여 많은 양의 틈새 공간을 갖는 가벼운 혼합재를 포함하는 것이 가능하다. 성형가능한 혼합물에 가벼운 특성을 더할 수 있는 혼합재료는 펄라이트, 질석, 유리구슬, 속빈 유리공, 탄산칼슘, 합성물질(예를 들어 다공성 세라믹공, 얇은 판 알루미나 등), 콜크, 가벼운 부풀린 점토, 모래, 자갈, 바위, 석회석, 사암(沙岩), 경석 그리고 다른 지질 물질을 예로 들 수 있다.

종이와 시멘트 공업에서 사용되는 종래의 혼합재에 더하여 충전재, 강화제, 금속과 금속합금(스테인레스 강, 알루미늄산 칼슘, 철, 구리, 은 그리고 금 같은), 공 또는 속빈 구형 물질(유리, 중합체 그리고 금속같은), 줄밥, 펠렛, 분말(마이크로실리카 같은), 그리고 섬유(흑연, 실리카, 알루미나, 유리섬유, 중합체, 유기섬유 그리고 여러 종류의 복합체를 제조하는데 통상적으로 사용되는 다른 섬유같은)를 포함하는 다양한 종류의 다른 혼합재를 본 발명의 범위내에서 성형가능한 혼합물에 첨가할 수도 있다.

상기 무기물 혼합재이외에 씨, 전분, 젤라틴, 한천 종류의 물질, 콜크 또는 플라스틱 공 같은 특정의 유기성, 중합체성 또는 탄성체성 혼합재를 최종 생성물에 유연성같은 다양한 특성을 부여하기 위해 혼합재 물질로 사용할 수 있다. 가벼운 플라스틱 공은 쿠션, 칸막이, 분책, 랩, 안감 또는 공간에 사용되는 물질같은 적은 질량, 높은 유연성과 탄성 에너지의 배합이 요구되는 경우에 특히 유용하다.

바람직한 중합체성 공은 밀도가 0.01 내지 0.3g/㎤이고 입자 크기가 100 미크론 미만인 가벼운 폴리에틸렌으로 만들어지며 반면 큰 공은 커다란 포장 물질에서 바람직할 수도 있다.

가볍고 유연한 용기, 칸막이 또는 안을 대는 재료같은 가벼운 플라스틱 공이 사용된 제품에서 플라스틱 공의 양은 바람직하게는 질량비로 약 1% 내지 약 10%의 범위이고, 가장 바람직하게는 약 3% 내지 약 6%의 범위 내이다. 따라서 플라스틱 공을 함유하며 본 발명에 따라 만들어진 쿠션 물질은 폴리스티렌으로 만든 것보다 훨씬 환경에 영향이 없고 거의 세상의 선택되는 쿠션 물질은 100% 폴리스티렌을 함유한다. 본 발명의 쿠션 물질은 이의 폴리스티렌 대응품보다 환경에 훨씬 더 적은 변형을 준다. 예를 들어, 한천 또는 아밀로펙틴 과립 같은 물 분해성 유연한 혼합재가 플라스틱 볼 대신에 사용된다면 쿠션 물질은 근본적으로 오염을 일으키지 않는다.

유연성의 필요가 최대인 물품의 표면 가까이에 플라스틱 볼의 대부분을 모으는 것이 유리할 수도 있다. 유사하게, 내구성과 단단함이 더욱 중요한 물품의 속 가까이에는 플라스틱 볼이 거의 또는 전혀 없을 수도 있다. 물품 표면 가까이의 플라스틱 볼의 집중은 이것들의 효용성을 증가시키면서 이것들의 양을 감소시켜 본 발명의 물품의 제조가 더욱 환경에 건전할 수 있게한다. 상기 물품은 질량비로 1% 만큼의 적은 플라스틱 볼을 함유할 수도 있다.

본 발명의 성형가능한 혼합물 내의 혼합재 입자의 섬유사이의 틈새를 더 완전히 채울 수 있는 다수의 다른 크기와 등급의 혼합재를 포함하는 것이 종종 바람직하다. 입자 충전 밀도의 최적화는 모세관수로 종종 언급되는 틈새의 물로 채워지는 공간을 없앰으로써 원하는 수준의 작업 용이성을 얻는데 요구되는 물의 양을 감소시킨다.

충전 밀도를 최적화하기 위하여 입자크기가 작게는 약 0.05 미크론에서 크게는 약 2mm에 이르는 범위의 다른 크기의 혼합재를 사용할 수도 있다 (물론 만들려는 생성물의 원하는 목적과 두께가 사용되는 다양한 혼합재의 적당한 입자 크기를 정할 것이다). 최종 경화된 무기물 충전된 복합체의 최종 강도와 질량 특성뿐만 아니라 가공 전 상태의 성형가능한 혼합물의 원하는 레올로지 특성을 이루기 위하여 사용되는 혼합재의 종류와 크기는 본 분야의 전문가라면 일반적으로 알고 있다.

특정의 구체적인 경우에는 혼합재의 성질과 특성(강도의 성질, 낮은 밀도 또는 높은 단열성 같은)을 최대로 하기 위하여 성형가능한 혼합물내의 혼합재의 양을 최대로 하는 것이 바람직할 수도 있다. 각각의 혼합재 물질의 본래의 충전밀도와 입자의 상대적 크기에 따라 함께 섞인 혼합재의 최종부피가 그들이 혼합되기 전의 혼합재들의 부피의 합보다 작을 수도 있다.

입자 충전에 대한 자세한 논의는 본 발명의 발명자들중의 한사람에 의해 공저된 다음 논문에서 알아볼 수 있다 ;

요한센, V & 엔더슨,P.J., "입자 충전과 콘트리트 성질", 콘크리트의 재료과학 Ⅱ p.111~147, 미국 세라믹 학회(1991) (Johansen,V.& Andersen,P.J., "Particle Packing and Concrete Properties." Materials Science of Concrete Ⅱ at 111~147, The American Ceramic Society(1991)) 더 자세한 내용은 앤더슨, P.J.의 박사학위 논문인 "콘크리트 제조의 조절과 감시-입자충전과 레올로지 연구" 덴마크 기술 과학 아카데미에서 알 수 있다. 명세서에서는 전술한 논문과 박사학위 논문을 특정 참고자료로 여기에 사용하고 있다. 상기 혼합재 충전의 장점은 성형가능한 혼합물내의 단열구의 양을 최대로 하기 위하여 여러가지 크기의 속빈 유리공을 혼합시키는 후술의 실시예를 참고로 하면 더 잘 이해될 수 있다.

높은 단열 능력을 갖는 물품을 얻기 위하여, 바람직한 구체적인 경우에 낮은 열전도성 또는 "k-계수(K-factor)"(W/mㆍK로 정의됨)를 갖는 가벼운 혼합재를 고도로 무기물 충전된 매트릭스 내로 배합시키는 것이 바람직할 수도 있다. k-계수는 대략 주어진 물질의 전체 열 저항을 나타내는 미국에서 일상적으로 사용되는 표현, 또는 R-계수(R-factor)의 역수로 R계수는 일반적으로 hrㆍft²ㆍF/BTU 단위로 정의된다. R-계수라는 용어는 주로 미국에서 일반적으로 사용되며 물질의 두께에 관계없이 주어진 물질의 전체 열 저항을 나타낸다. 그러나 비교하기 위해서 문제의 물질의 인치두께당 열 저항 또는 hrㆍft²ㆍF/BTUㆍin로 나타내기 위해 R-계수를 표준화하는 것이 일상적이다.

본 명세서에서는 주어진 물질의 단열 능력은 이후로 열 전도성을 나타내는 IUPAC방법, 즉 k-계수[영국단위(hrㆍft²ㆍF/BTUㆍin로 표시되는 열 저항을 IUPAC단위로 변환시키는 것은 표준화된 숫자에 6.935를 곱한 다음 이의 역수를 취함으로써 이루어진다.]로만 표현한다. 이반적으로 낮은 k-계수를 갖는 혼합재는 또한 많은 ㅇㅇ의 갇힌 틈새공간, 공기, 기체 혼합물 또는 부분적인 진공을 포함하는데, 이것들은 또한 상기 혼합재의 강도를 크게 감소시키는 경향이 있다. 따라서 단열과 강도의 관계는 경쟁적이므로 특정한 혼합설계를 계획할 때는 조심스럽게 균형을 맞추어야 한다.

바람직한 단열성의 가벼운 혼합재로는 부풀린 또는 박리된 질석, 펄라이드, 구운 규조도, 그리고 속빈 유리공이 있으며 이것을 모두 다량의 섞인 틈새 공간을 포함하는 경향이 있다. 그러나, 이 목록은 소비를 의도하는 것이 아니며 상기 혼합재들은 낮은 가격과 구입의 용이함으로 선택할 것이다. 그럼에도 k-계수가 낮은 어떠한 혼합재로 시이트 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품에 충분한 단열성을 부여하는 것은 본 발명의 범주에 속한다.

전술한 바에 따라, 무기 혼합재는 경화된 시이트의 전체 고형 내용물의 부피비로 적게는 약 40%에서 많게는 약 98%의 양으로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 50% 내지 95%의 범위, 그리고 가장 바람직하게는 약 60% 내지 80%의 범위이다.

5. 섬유

명세서와 첨부된 청구범위에 사용되듯이 "섬유" 그리고 섬유성 물질이란 용어는 무기 섬유와 유기 섬유를 포함한다. 섬유는 성형된 물품의 신장력, 편향력, 인성(靭性), 파쇄에너지, 그리고 굽힘. 인장 강도를 증가시키는 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 혼합재의 특정한 종류이다. 섬유서 물질은 만든 물품과 용기에 강한 단면 힘이 가해졌을 때 부서지는 가능성을 감소시킨다.

성형가능한 물질에 배합될 수 있는 섬유로는 바람직하게는 삼, 면, 식물 잎, 나무 또는 줄기로부터 추출된 섬유소성 섬유 같은 자연산 유기 섬유, 또는 유리, 흑연, 실리카, 세라믹 또는 금속 물질로부터 만들어지는 섬유를 들 수 있다.

바람직하게 선택할 수 있는 섬유로는 유리 섬유, 마닐라 삼, 사탕수수, 목재섬유(단단한 목재 또는 남부 소나무같은 연한 목재 둘다), 세라믹 섬유(알루미나, 실리카질화물, 실리카 탄화물, 흑연), 그리고 면(綿)이 포함된다. 재활용된 종이 섬유로 사용될 수 있으나 이것들은 본래의 종이 제조 공정 중에서 일어난 섬유 분열때문에 약간 덜 바람직하다. 그러나 강도와 유연성(柔軟性)을 줄 수 있는 임의의 동등한 섬유 또한 본 발명의 범주에 속한다. 실례로 필리핀의 이사로그 주식회사(Isarog Inc.)로 부터 구입할 수 있는 마닐라삼 섬유와 영국의 필킹톤 회사(Pilkington Corp.)로 부터 구입할 수 있는 셈필^(R)(Cemfill^(R)) 같은 유리 섬유가 있다.

이들 섬유들은 낮은 가격, 높은 강도 그리고 구입의 용이성 때문에 본 발명에서 사용이 바람직하다. 그럼에도, 인성(靭性)과 유연성(柔軟性)(원하는 정도까지)뿐만 아니라 압축과 인장강도를 줄 수 있는 임의의 동등한 섬유 또한 본 발명의 범주에 분명히 속한다. 한가지 제한 기준은 섬유가 성형된 물질의 다른 성분과 해가 되게 반응하지 않으며, 이 섬유를 포함하는 물질로부터 제조된 물품내의 보관 또는 분배되는 물질(예를 들면 음식)을 오염시키지 않고서 바람직한 성질을 부여하는 것이다.

본 발명의 물품과 용기를 만드는데 사용되는 섬유는 바람직하게는 높은 길이 대 넓이 비(또는 "종횡비")를 갖는 것이 바람직하다. 길고 폭이 좁은 섬유는 복합 물질에 크기와 무게를 상당히 증가시키지 않고서도 구조 매트릭스에 더 많은 강도를 부여할 수 있다. 섬유는 최소한 약 10:1의 평균 종횡비를 가져야 하며, 바람직하게는 최소한 약 100:1, 그리고 가장 바람직하게는 약 200:1보다 큰 것이다.

성형가능한 혼합물에 첨가되는 섬유의 양은 최종 생성물의 바람직한 성질에 딸 변하며 강도, 인성(靭性), 柔軟性) 그리고 가격이 혼합 설계에서 첨가되는 섬유의 양을 결정하는 주요 기준이다. 대부분의 경우 섬유는 성형가능한 혼합물의 전체 고체의 부피비로 바람직하게는 약 0.2%에서 약 50%이며, 더욱 바람직하게는 약 1%에서 약 30%, 그리고 가장 바람직하게는 약 5%에서 약 20%이다.

부피비로 약 20% 아래의 섬유 농도를 약간 증가시키기면 최종 물품의 강도, 인성(靭性) 그리고 굽힘 내구성이 눈부시게 증가하는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다. 부피비로 약 20%를 넘는 섬유를 첨가하는 것은 물품의 강도와 유연성(柔軟性)에서 덜 눈부시게 증가하나, 이런 류의 증가는 어느 경우에는 경제적으로 정당화가 될 수도 있다.

그러나 섬유의 강도가 사용되는 섬유의 양을 결정하는 매우 중요한 요소임을 인식하여야 한다. 섬유의 인장강도가 더 강할수록 만들어지는 생성물에서 일정한 인장강도를 얻기 위하여 사용되어야 하는 섬유의 양은 적어진다. 물론 어떤 섬유들은 높은 인장 강도를 갖으며, 인장강도가 낮은 다른 종류의 섬유는 탄성이 더 클 수도 있다. 종횡비가 작은 섬유는 더욱 쉽게 자리를 잡고 결함이 적은 시이트를 만드는 반면 종횡비가 크면 섬유의 강도부여 효과가 증가한다. 따라서 2가지 이상의 섬유를 조합시키는 것이 높은 인장 강도, 높은 탄성과 더 나은 섬유 배열 같은 여러가지 특성이 최대화된 최종 생성물을 얻기 위해서는 바람직할 수도 있다.

또한 남부 소나무와 마닐라삼 같은 어떤 섬유들은 높은 인열(引裂) 및 파열(破劣) 강도를 가지며 면 같은 것들은 강도는 낮으나 큰 유연성(柔軟性)을 갖는 것을 이해하여야 한다. 더 나은 배열, 높은 유연성(柔軟性) 그리고 높은 인열(引裂)과 파열(破裂) 강도가 요구되는 경웅는 다양한 특성을 갖는 섬유의 혼합물들을 혼합물에 첨가할 수 있다.

마지막으로 특정 섬유와 무기물 충전재는 특정의 전분 기재 유기 중합체 결합재와 화학적으로 상호작용하고 결합할 수 있으므로 따라서 본 발명의 물질에 또 다른 중요함을 더해준다. 예를 들어, 많은 섬유와 무기물 충전재는 본래는 음이온으로 음전하를 갖는 것으로 알려진다. 따라서 유기물 결합재와 음이온의 섬유, 그리고 무기 물질의 상호작용을 최대로 하기 위하여 양이온성 전분 같은 양(陽)으로 하전된 유기물 결합재를 첨가하는 것이 유리할 수도 있다.

섬유를 송진과 백반(Al₂(SO₄)₃) 또는 NaAl(SO₄)₂으로 처리함으로써 더 나은 내수성을 얻을 수 있으며, 송진은 섬유 표면상에 송진을 침전시킴으로써 이것을 더욱 소수성으로 만든다. 백반으로 형성된 알루미늄 플록은 양이온성 전분 같은 양하전의 유기물 결합재에 대해 섬유 표면에 음이온의 흡착위치를 만든다.

6. 분산제

이 이후에 사용되는 "분산제" 용어는 성형가능한 혼합물의 점도와 항복 응력을 감소시키기 위해 첨가되는 물질의 종류를 의미한다. 분산제 사용에 대한 더 자세한 논의는 앤더슨,P.J.의 석사논문인 "제타 전위에서의 유기 초가소화 혼합물제와 이들 성분의 효과 및 시멘트 물질의 관련 성질"(펜실바니아 주립 대학교 물질 연구소,1987)["Effects of Organic Superplasticizing Admixtures and Their Components on Zeta Potentical and Related Properties of Cement Materials"(The Pennsylvania State University Materials Research Laboratory, 1987)]를 참고할 수 있다. 본 명세서에서 상기의 논문을 특별 참고자료로 함께 인용한다.

일반적으로 분산제는 혼합재, 수성 결합재 입자의 표면상 및/또는 결합재 입자의 콜로이드 이중 층 가까이에 흡착됨으로써 작용한다. 이것은 입자의 표면 주위에 음전하를 만들어 서로간에 반발하게 한다. 입자들의 이러한 반발은 그렇지 않은 경우 입자들에 더 큰 상호작용을 갖게하는 "마찰" 또는 인력을 감소시킴으로써 "윤활"을 더해준다. 이런 이유로, 성형가능한 혼합물의 작업용이성을 유지하면서 적은 양의 물을 포함할 수 있게 한다.

점도와 항복응력을 크게 감소시키는 것이 플라스틱 같은 특성, 접착력 및/또는 형태 안정성이 덜 중요한 경우에는 바람직할 수도 있다. 분산제의 첨가는 아주 소량의 물이 첨가된 경우에는 성형가능한 혼합물의 작업용이성을 유지하는데 도움을 준다.

그럼에도 분산제의 코팅기전(mechanism)의 본성으로 분산제를 혼합물에 첨가하는 순서가 종종 결정적일 수도 있다. 특정의 물 분산성 유기 결합제(Tylose^(R)같은)가 사용되는 경우, 분산제가 물과 적어도 일부의 무기 혼합재를 포함하는 혼합물에 먼저 첨가된 다음 결합재가 두번째로 첨가되어야 한다. 그렇지 않으면, 틸로즈^(R)가 우선 비가역적으로 흡착된 다음, 표면위에 보호 콜로이드를 형성하여 분산제가 흡착되는 것을 방해하기 때문에 분산제가 혼합재 입자의 표면상에 흡착될 수 있는 능력이 적어진다.

바람직한 분산제는 술폰화된 나프탈렌-포름알데히드 축합체로 W.R.그레이스 주식회사(W.R.Grace, Inc.)에서 구입할 수 있는 WRDA 19 상표로 판매되는 것을 에로 들 수 있다. 또 다른 작용을 잘하는 분산제로는 술폰화된 멜라민-포름알데히드 응축물, 리그노술폰산염 그리고 폴리아크릴산이 있다. 분산제의 농도는 일반적으로 물의 질량비로 약 5%에 이르는 범위로, 더욱 바람직하게는 약 0.5%에서 약 4%의 범위로 그리고 가장 바람직하게는 약 1%에서 약 2%의 범위로 한다.

본 발명에서 고려되는 분산제는 때로는 콘크리트 산업에서 "초가소제"로 언급된다. 분산제를 때로 가소제로 작용하는 다른 레올로지 조절제와 더 잘 구별하기 위해서 "초가소제"라는 용어는 본 명세서에서 사용하지 않는다.

7. 공기 공극

강도가 아니라 단열이 가장 중요한 요인인 경우(즉 뜨겁거나 차가운 물질을 단열하는 것이 요구되는 경우), 물품의 단열성을 증가시키기 위해 가벼운 혼합재이외에 물품의 구조 매트릭스 내에 작은 공기 공극을 섞는 것이 바람직할 수도 있다. 성형가능한 혼합물내로 공기 공극을 주입하는 것은 효용성이 없을 정도로 물품의 강도를 낮추지 않고서도 요구되는 단열 특성을 부여하도록 조심스럽게 계산되어야 한다. 그러나 일반적으로 단열이 특정 생산물의 중요한 특질이 아닌 경우, 강도를 최대로 하고 부피를 최소로 하기 위하여 공기 공극을 최소로 하는 것이 바람직하다.

특정 실시예에서는 공기 공극의 혼합에 도움을 주기 위해 혼합물에 발포 또는 안정화제를 첨가하고서 성형가능한 혼합물의 고 전단(剪斷), 고속 혼합에 의해 미세하게 분산된 공기 공극을 도입할 수도 있다. 전술한 고 전단(剪斷), 고 에너지 혼합기는 상기 요구되는 목적을 이루는 데 특히 유용하다. 적당한 공기연행제는 통상적으로 쓰이는 게면활성제와 빈솔 수지를 들 수 있다. 널리 쓰이는 바람직한 계면활성제는 멀크리트(Mearlcrete), 발포액같은 폴리펩티드 알킬렌 폴리올이 있다.

계면활성제와 함께 합성 액체 음이온성 생분해 용액인 Mearlcel 3532 같은 안정화제를 이용하여 물질내의 연행된 공기를 안정시키는 것이 필요하다. 멀크리트(Mearlcrete^(R))와 멀셀(Mearlcel^(R))은 뉴저지의 멀상사(Mearl Corporation)에서 구입할 수 있다. 한편, 유기중합체 결합재는 연행된 공기를 안정화하는 작용을 한다.

기포 안정성은 경화되지 않은 성형가능한 혼합물 내의 공기 공극의 분산을 유지하고 응집을 막는데 도움을 준다. 공기 공극의 병합을 막는데 실패하면 실제로 단열 효과가 감소하고 또한 경화된 성형가능한 혼합물의 강도가 크게 감소한다. pH의 증가, 나트륨 또는 칼륨 같은 용해성 알칼리 금속의 농도의 증가, 다당류 레올로지 조절제 같은 안정화제의 첨가, 그리고 성형가능한 혼합물내의 계면활성제와 물의 농도를 조심스럽게 조정하는 것 모두가 혼합물의 기포 안정성을 증가시키는데 도움을 준다.

성형가능한 혼합물의 성형 및/또는 경화 공정중에 공기공극 시스템의 부피를 증가시키기 위하여 성형 가능한 혼합물을 가열하는 것이 종종 바람직하다. 가열은 또한 성형가능한 혼합물로부터 상당량의 물을 신속히 제거함으로써 성형된 생성물의 가공전 상태에서의 강도를 증가시키는데 도움을 준다.

기체가 성형가능한 혼합물 내에 섞이면, 예를 들어 혼합물을 250℃로 가열하면 기체의 부피는 약 85% 증가(이상기체 방정식에 따라)하는 결과가 생긴다. 가열이 적절한 경우, 약 100℃에서 약 250℃의 범위내에서 가열하는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 상한선은 섬유 또는 유기물 결합재의 연소같은 성형가능한 혼합물내에서 일어날 수 있는 유해작용에 의해 정해진다. 더욱 중요하게는 적절히 조절된다면 가열은 물품의 구조매트릭스의 분쇄를 야기하거나 또는 물품의 표면 조직에 결함을 만들지 않을 것이다.

다른 발포제로는 시트르산과 중탄산염의 혼합물, 또는 작은 과립 또는 입자로 가공되어 왁스, 전분 또는 수용성 코팅으로 피막된 중탄산염이 있다. 이것은 2가지 방법으로 공극 형성에 사용된다. ; (1) 구조 매트릭스내에 다공성 기포 구조를 만들기 위하여 물과 반응하여 CO₂기체를 만들거나, 또는 (2) 입자를 매트릭스의 일부로 충전시키고 매트릭스를 경화시킨 다음 입자의 흡열분해를 일으키는 180℃ 이상으로 생성물을 가열하여 기포 입자를 제거하여 잘 조절된 다공성 경량 구조를 만든다.

다른 용도에서, 특정 성형 공정에서 요구되는 것과 같이 성형가능한 혼합물의 점도가 높은 경우 고 전단(剪斷) 혼합으로 적절한 수의 공기공극을 얻는 것이 더욱 힘들 수도 있다. 이 경우 공기 공극은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 주석 같은 쉽게 산화하는 금속을 본래 알칼리성(수경시멘트 또는 산화칼슘을 포함하는 혼합물 같은)이거나 또는 수산화나트륨 같은 강한 염기를 첨가하여 알칼리성으로 만들어진 혼합물에 더함으로써 성형가능한 혼합물에 대신 도입될 수도 있다. 이 반응으로 성형가능한 혼합물 전체에 걸쳐 조그만 수소 기포가 방출된다.

화학반응을 개시하고 수소 기포의 생성 속도를 증가시키기 위하여 혼합물을 가열하는 것이 바람직할 수도 있다. 성형된 생성물을 약 50℃에서 약 100℃, 바람직하게는 약 75℃에서 약 85℃의 범위의 온도로 가열하는 것은 반응을 효과적으로 조절하고 또한 상당량의 물을 방출하게 한다. 한편 이 가열 공정은 성형된 생성물의 매트릭스내에 갈라진 틈이 만들어지지 않도록 조절될 수 있다. 구조 매트릭스내에 공기 공극을 주입하는 상기 두번째 방법은 낮은 점도의 성형가능한 혼합물의 경우 고속, 고 전단(剪斷) 혼합으로 공기를 도입하는 방법과 함께 또는 대체하여 사용할 수 있다.

마지막으로 공기 공극은 열이 혼합물에 가해졌을 때 팽창하는 발포제를 혼합물에 첨가함으로써 성형 공정중에 성형가능한 혼합물내로 도입될 수도 있다. 발포제는 전형적으로 끓는점이 낮은 액체와 탄산칼슘(백묵) 같은 미세하게 나뉘어진 흡착 물질로 이루어진다. 백묵과 발포제는 성형가능한 혼합물에서 균일하게 혼합되고 가열시 압력하에도 보존된다. 액체 발포제는 각각의 백묵 입자의 기공에 침투하며, 이것은 압력의 갑작스러운 감소에 따른 발포제의 열 팽창시 발포제가 증발될 수 있는 장소로 작용한다.

성형 또는 압출 공정중에 혼합물은 압축하면서 동시에 가열된다. 열이 보통은 발포제의 증발을 야기하지만, 압력의 증가가 발포제의 증발을 방해함으로써 일시적으로 평형을 이룬다. 물질의 성형 또는 압출 후에 압력이 업어지면 발포제는 증발하고 따라서 성형가능한 물질을 팽창 또는 "부풀리기(blowing)" 시킨다. 또한 물은 혼합물이 물의 끓는점 이상으로 가열되고 50 바앙(bar)에 이르는 압력하에서 유지되는 한 발포제로 작용할 수 있다.

공기공극은 시이트와 이로부터 만들어지는 다른 물품의 단열성을 증기시키고 또한 부피밀도, 따라서 최종 생성물의 중량을 크게 감소시킨다. 이것은 만들어지는 생성물의 총 질량을 감소시키며, 이것은 물품의 제조에 필요한 물질의 양을 감소시키고, 일회용 물품의 경우 궁극적으로 버려지는 물질의 양을 감소시킨다.

8. 경화 촉진제

어떤 경우에 혼합물에 적당한 경화 촉진제를 첨가함으로써 수경성 혼합물의 초기 경화를 촉진시키는 것이 바람직할 수도 있다. 여기에는 Na₂CO₃, KCO₃, KOH, NaOH, CaCl₂, CO₂, 트리에탄올아민, 알루미늄산염과 HCl, HNO₃와 H₂SO₄같은 강산의 무기 알칼리 염이 포함된다. 실제로 석고와 Ca(OH)₂의 용해도를 증가시키는 임의의 화합물은 수경성 혼합물, 특히 시멘트 혼합물의 초기 경화를 촉진시키는 경향이 있다.

특정 수경성 혼합물에 첨가되는 경화 촉진제의 양은 원하는 경화 촉진 정도에 좌우된다. 이것은 차례로 혼합 방식, 성분 혼합과 수경성 혼합물의 성형 또는 압출 단계사이의 시간 간격, 혼합물의 온도와 경화 촉진제의 종류같은 다양한 요인에 좌우된다. 본 분야의 전문가라면 수경성 혼합물의 세팅(setting) 시간을 최적화 하기 위하여 특정 제조 공정의 변수들에 따라 첨가되는 경화 촉진제의 양을 조정할 수 있어야 한다. 무기물 충전된 혼합물내의 수경성 결합재의 부피 비율에 근거하여 경화 촉진제는 또한 무기물 충전된 혼합물의 세팅 도는 경화 속도를 증가시킬 수도 있다.

[Ⅱ. 물질의 물품으로의 특별한 응용]

본 발명의 제품에 강도를 부여하는 중요한 구조 성분은 물과 수경성 결합재 및/또는 유기 중합체 결합제의 상호작용으로 만들어진 구조 매트릭스이다 구조 매트릭스내에는 물질에 부가적인 특성과 성질을 더하는 다른 성분 (섬유, 혼합재, 공기 공극, 레올로지 조절제, 분산제와 심지어 촉진제 같은)이 있다.

A. 혼합물 레올로지에 대한 성분의 효과

적당한 작업 용이성과 흐름성을 갖는 혼합물을 얻기 위하여 첨가되어야 하는 물의 양은 무기물 충전재 또는 혼합재의 농도와 입자 충전 밀도, 섬유의 양, 유기물 결합재의 종류와 양, 수경성 결합재의 종류와 양 그리고 다른 혼합제(분산제, 가소제, 또는 윤활제 같은)의 종류와 양에 따라 좌우된다. 그러나 일반적으로 더 많은 물을 첨가하면 점도와 혼합물의 항복응력을 감소시킴으로써 혼합물의 흐름성이 증가하고 이로부터 성형되는 물품의 형태 안정성이 감소한다.

물 분산성 유기 중합체 결합재는 유기 중합체의 종류, 농도, 그리고 겔화 정도에 따라 혼합물의 레올로지에 큰 영향을 준다. 전술한 바와 같이, 바람직한 유기 중합체 결합재는 다음 범주로 대략 분류할 수 있다 ; 섬유소 기재, 전분 기재, 단백질 기재, 다당류 기재, 그리고 합성 유기물이다. 이들 광범위한 각각의 범주에는 수많은 하위 범주와 분류가 있다. 이들 각 물질의 공통된 면은 일반적으로 물에 용해되거나, 또는 최소한 아주 고르게 물에 의해 분산된다는 것이다. 따라서 이것들은 성형가능한 혼합물 내에서의 이것들의 분산과 활성화(겔화를 포함하여) 하는데 적당한 수준의 물을 필요로 한다.

그럼에도 유기 중합체 결합재는 점도와 항복응력의 준위를 변화시킬 뿐만 아니라 물 용해성 또는 분산성의 준위를 크게 변화시킨다. 같은 종류의 유기물 결합재는 분자량에 따라 점도를 크게 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 20℃에서 틸로즈^(R)FL 15002의 2% 용액은 약 15000cps의 점도를 갖으며, 틸로즈^(R)4000의 같은 용액은 약 4000cps의 점도를 갖는다. 전자는 성형가능한 혼합물의 항복응력과 플라스틱 같은 특성을 크게 증가시키고, 반면 후자는 윤활제 또는 가소제로서 더 작용할 수도 있다.

다른 유기 중합체는 물에서 다른 속도와 다른 온도에서 반응한다. 틸로즈^(R)같은 많은 유기 중합체 결합재는 성형가능한 혼합물에 첨가되었을 때 중합하거나 또는 탈중합하지 않고 오히려 겔화한 다음 건조하여 결합 매트릭스를 이루지만, 물 용해성 또는 물 분산성 중합가능한 단위를 성형가능한 혼합물에 첨가하여 이후 시간이 지남에 따라 같은 용기내에서 중합하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 중합화 반응의 속도는 혼합물의 온도를 조절하거나 및/또는 촉매 또는 억제제를 첨가함으로써 조절될 수 있다. 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 중합가능한 단위로는 셀로사이즈(Cellosize)와 유액 형성 단량체를 예로 들 수 있다.

겔화에 대해, 대부분의 섬유소 기재 중합체 (틸로즈^(R)같은)는 실온에서 물에서 쉽게 겔화한다. 많은 전분같은 다른 것들은 오직 높은 온도에서 물에서 겔화한다. 그러나 특정 변형된 전분은 실온에서 겔화한다. 따라서 섬유소 기재 그리고 변형된 전분기재 중합체 결합재는 실온에서 이로부터 성형가능한 혼합물을 만들 수 있으므로 유리하다. 그럼에도 이것들은 가열하여야만 겔화하는 전형적인 전분 기재 중합체보다 일반적으로 훨씬 비싸다. 바람직한 전분 기재 중합체는 내쇼날 스타치(National Starch)로부터 구입할 수 있는 내쇼날 51-6912이다.

시간 또는 온도의 기능에 따라 점도 또는 항복응력에 영향을 주는 것이 요구되는 경우를 포함하여 성형가능한 혼합물의 바람직한 레올로지에 따라, 수 많은 다른 유기 중합체 결합재를 성형가능한 혼합물에 첨가하는 것이 바람직할 수도 있다. 섬유소 기재유기 중합체 결합재는 일방적으로 거의 즉시 이것들의 최대 레올로지 영향을 나타내고, 반면 중합가능한 결합재는 시간이 지남에 따라 경화되고 그리고 전분 기재 결합재는 혼합물의 온도가 증가함에 따라 경화한다.

수경 시멘트, 반수 석고, 그리고 산화 칼슘같은 수경성 혼합재는 이것들이 성형가능한 혼합물내의 물과 반응하여 특히 시간에 따라 성형가능한 혼합물의 레올로지에 영향을 줄 수 있다. 수경성 결합재는 물과 화학적으로 반응함으로써 가열 또는 건조 기법에 의지하지 않고서 성형가능한 혼합물 내의 물의 유효 준위를 감소시킨다. 또한, 수경 시멘트는 가공전 무기물 충전된 혼합물과 이로부터 만드는 갓 만들어진 물품의 점착 강도를 증가시킨다.

성형가능한 혼합물의 레올로지에 직접 영향을 주기 위해 첨가될 수 있는 다른 혼합제로는 분산제, 가소제, 그리고 윤활제가 있다. 술포닐 기재 물질같은 분산제는 물의 양을 일정하게 유지하면서 성형가능한 혼합물의 점도를 크게 감소 시키고, 그리고 작업 용이성을 증가시킨다. 결과는 분산제를 사용하는 것이 동일한 수준의 작업 용이성을 유지하면서 적은 물을 포함하는 것이다. 바람직한 가소제와 윤활제는 폴리에틸렌 글리콜이다.

혼합재의 양, 종류 그리고 입자 충전 밀도는 성형가능한 혼합물의 레올로지와 작업용이성에 크게 영향을 준다. 다공성 또는 높은 비표면(比表面)을 갖는 혼합재는 비다공성 혼합재보다 많은 물을 흡수하는 경향이 있으며 따라서 입자를 윤활시키기에 유효한 물의 양을 감소시킨다. 이것은 더 경화되고 점성이 있는 혼합물을 만든다. 입자 충전 밀도는 또한 일반적으로 혼합물이 흐르기 위해서 물, 윤활제, 유기 중합체 또는 다른 액체로 채워져야 하는 틈새 공간의 양을 결정함으로써, 혼합물의 레올로지에 막대한 영향을 준다.

성형가능한 혼합물에 압출 또는 다른 고압의 성형공정같은 높은 압력을 가해야 하는 상황에서는 혼합물을 압축시키면서 일시적으로 작업용이성과 흐름성을 증가시키기 위해서 입자 충전과 물 결핍 원리 사이에서 상호 작용의 이점을 취하는 것이 가능할 수도 있다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 "물 결핍" 또는 "물의 결핍"이란 용어는 입자 사이의 틈새 공간을 충분히 채우기에 물(그리고 다른 액체)이 불충분한 성형가능한 혼합물을 나타낸다. 이런 이유로 이 경우 입자를 적절하게 윤활시키기에는 물이 충분치 못하다.

그럼에도 일시적으로 입자 충전 밀도를 증가시키기에 아주 충분한 압력을 가했을 경우, 입자 사이의 틈새 공간의 양은 감소한다. 물이 압축되지 않고 가압하에서도 같은 부피를 유지하므로, 증가된 압력은 입자를 윤활시키기에 이용할 수 있는 물의 양을 뚜렷이 증가 시키며 이로써 혼합물의 작업용이성과 흐름성이 증가한다. 압력을 제거한 후, 통상적으로 성형 공정을 끝낸 후 혼합재 입자는 약간 팽창하여 틈새 공간의 양이 증가되고 부분적인 내부 진공이 생긴다. 이것은 거의 즉시 형태 안정성과 가공전 상태에서의 강도를 증가시킨다.

마지막으로 섬유같은 혼합물내의 다른 고체 성분도 혼합재와 유사한 방식으로 혼합물의 레올로지에 영향을 준다. 특정 섬유들은 이것들의 다공성과 팽윤 능력에 따라 물을 흡수할 수도 있다. 한편 특정 섬유들은 이온 하전을 띠도록 처리될 수 있으며 이것들은 이온성 전분같은 이온 하전된 유기 가소제와 화학적으로 상호작용할 수 있게 한다.

B. 최종 특성에 대한 성분들의 효과

최종의 건조된 또는 경화된 생성물에 대해, 물품의 구조 매트릭스를 설계하는데 일반적으로 바람직하다고 여겨지는 특성으로는 높은 인장 강도(일반적으로 또는 특정 벡터를 따라서), 굽힘 강도, 유연성(柔軟性) 그리고 늘이거나 굴절시키거나 도는 구부리는 농력이 포함된다. 어떤 경우에는 종이, 판지 또는 플라스틱 물질로 만든 기존 제품의 특성이 충분히 가미된 물품을 얻는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나 다른 경우에는 종래의 물질을 사용하여 얻을 수 없는 특성을 갖는 구조 매트릭스를 획득하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것들은 증가된 인성(靭性), 높은 탄성율, 내수성 또는 낮은 부피 밀도를 포함할 수도 있다.

시이트와 이로부터의 물품의 특성이 사용된 펄프의 특성에 따라 과도하게 좌우되는 종래의 종이 또는 판지와는 대조적으로, 본 발명의 물품의 특성은 제조용 성형가능한 혼합물을 제조하는데 사용된 섬유의 특성에 실질적으로 무관하다. 확실히 길고 더 굴절되는 섬유를 사용하면 짧고 뻣뻣한 섬유를 사용하는 것보다 물품에 더 많은 굴절성을 부여한다. 그러나 종래의 종이에서 크게 펄프 의존적인 특성들은 사용되는 가공 기법 뿐만 아니라 성형가능한 혼합물의 비섬유성 성분의 농도를 조정함으로써 본 물품으로 설계될 수 있다. 강성(剛性), 단단함, 표면 마감, 다공성 등과 같은 특성들은 일반적으로 통상의 물품에 사용되는 섬유의 종류에 좌우되지 않는다.

굴절성, 인장 강도, 굴곡 강도 또는 탄성율은 성형가능한 혼합물내의 성분들과 성분들의 상대적인 농도를 바꿈으로써 시이트, 용기 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품의 특정 성능 기준에 맞출 수 있다. 어느 경우에는 높은 인장 강도가 중요한 특징일 수도 있다. 다른 경우에는 이것이 덜 중요할 수 있다. 어떤 물품은 바람직하게는 더 굴절되어야 하는 반면 다른 것은 뻣뻣해야 한다. 어느 것은 상대적으로 밀집되어 있으며 다른 것들은 더 두껍고, 더 가볍고 그리고 더욱 단열성이 있을 수 있다. 중요한 것은 가격과 다른 생산 라인에서의 변수를 인식하면서 특정 용도에 적합한 특성을 갖는 물질을 얻는 것이다. 특별한 성질을 "너무 많이" 또는 "너무 조금" 갖는 것이 성능면에서는 중요하지 않는 반면, 가격을 고려하면 특별한 성질을 제공하는 것이 낭비 또는 비효율적일 수도 있다.

일반적으로, 유기 중합체 결합재 양의 증가는 최종 경화된 물품의 인장 및 굴곡 강도를 증가시키고 한편으로는 또한 물품의 유연성(柔軟性)과 탄성 에너지를 크게 증가시킨다. 그 이상의 유기 중합체의 첨가는 또한 물품의 강성(剛性)을 감소시킨다. 유사하게 혼합물내의 섬유 농도의 증가는 또한 최종 물품의 인장 강도를 증가시키고, 특히 세라믹 섬유같은 고 인장 강도의 섬유는 이 섬유들이 뻣뻣하므로 상대적으로 뻣뻣한 경화된 물품을 만든다. 역으로 천연 섬유소성 섬유같은 유연한 섬유를 첨가하면 물품의 인장, 인열(引裂) 강도뿐만 아니라 유연성(柔軟性)을 크게 증가시킨다.

다른 섬유는 인열과 파열 강도, 유연성, 인장강도, 부러지지 않고 신장되는 능력과 강성이 크게 다르다. 다른 종류의 섬유의 이로운 특성을 얻기 위하여 어떤 경우에는 성형가능한 혼합물내에 두가지 이상의 다른 섬유를 배합하는 것이 바람직할 수도 있다.

또한 압출과 압연같은 특정 물품 형성 공정은 혼합물의 신장 방향으로 섬유를 배향하는 경향이 있다. 이것은 물품 또는 시이트의 인장 강도를 특정 방향에서 최대로 하는데 유리할 수도 있다. 예를 들어 물품을 경첩을 따라 구부려야 되는 물품을 만드는 시이트의 경우 경첩 또는 굽은 곳의 양 쪽을 더욱 효과적으로 연결시키기 위하여 접는 선에 대해 수직으로 배향되는 방식으로 섬유들이 방향을 짓는 것이 바람직하다. 경첩 또는 시이트에서 증가된 인성(靭性)과 강도가 필요되는 부위에 더 많은 섬유를 응집시키는 것이 바람직할 수도 있다.

혼합재의 종류도 최종 경화된 물품의 특성에 도한 영향을 줄 수 있다. 점토, 고령토 또는 백묵같은 일반적으로 단단하고 유연하지 않으며 작은 입자를 함유하는 혼합재는 일반적으로 깨지기 쉬운 성질이 커진 더 매끄러운 표면을 갖는 물품을 만든다. 펄라이트 또는 속빈 유리공 같은 가벼운 혼합재는 밀도가 낮고, 깨지기 쉬운 성질이 적어지며 그리고 더 큰 단열성을 갖는 물품을 만든다. 분쇄된 모래, 실리카, 석고 또는 점토 같은 혼합재는 매우 저렴하므로 이로부터 만들어지는 물품의 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 높은 비표면(比表面)을 갖는 물질은 증가된 건조 수축과 수축 결함을 준다. 낮은 비표면(比表面)을 갖는 물질은 이것들은 덜 끈적거리므로 혼합물이 성형 장치에 흡착되는 것을 억제하는데 도움이 되므로 유리하다.

수경 시멘트, 반수 석고 그리고 산화 칼슘 같은 수경성 혼합재는 상기 수경성 혼합재의 첨가량에 따라 경화된 물품내의 결합의 정도에 영향을 준다. 상기 결합재들은 최종 물품의 강성(剛性)과 압축 강도 그리고 어느 정도까지의 인장 강도를 증가 시킨다. 수경 시멘트는 또한 물에서의 물품의 용해성을 감소시킴으로써 물품의 물 분해에 대한 저항성을 증가시킨다.

마지막으로 혼합물에 송진과 백반을 첨가하는 것처럼 성형가능한 혼합물내의 다른 혼합제는 최종 제품에 방수성을 더할 수 있다. 이것들은 상호작용하여 구조 매트릭스내에서 내수성 성분을 형성한다. 충분한 양의 상기 방수제가 없는 경우, 물품을 촉촉하게 하고 파쇄이전에 일시적으로 유연성(柔軟性), 굽힘성, 그리고 신장성을 증가시키기 위해 물을 사용할 수 있다. 이것은 혼합물이 시이트로 먼저 만들어진 다음 용기같은 다른 제품으로 만들어지는 경우에 특히 유용하다. 물론 물은 폐기된 후 물품의 분해를 또한 용이하게 한다. 내수성은 표면의 기공을 막기 위하여 5~10% w/w 전분 용액으로 물품 표면을 처리함으로써 도입할 수 있다.

일반적인 규칙으로, 고 농도의 수경성 결합재와 유기 중합체 결합재 그리고 섬유의 농도를 갖는 무기물 충전된 물품은 더욱 단단하며, 높은 단열성을 갖고, 압축 강도가 높으며, 점착성이 낮으며, 열 손상에 내성이 있으며 낮은 인장 강도를 갖고 그리고 물분해에 대한 내성을 갖는다.

유기물 결합재의 농도는 낮으나 섬유와 수경성 결합재의 함량이 높은 물품은 높은 인장 강도, 압축 강도와 인성(靭性), 낮은 굽힘 강도와 강성, 적당한 유연성(柔軟性)을 갖으며 그리고 물 분해에 대해 상당한 내성이 있다.

높은 농도의 유기 중합체 결합재와 낮은 농도의 섬유와 수경성 결합재를 갖는 물품은 더 물에 잘 용해되고 분해되며 성형하기 쉽고 (더 얇은 물품을 제조할 수 있게 하는), 적당히 높은 압축강도와 인장 강도, 높은 인성(靭性), 적당한 유연성(柔軟性) 그리고 적은 강성(剛性)을 갖는다.

마지막으로 높은 농도의 유기 중합체 결합재와 섬유 그리고 낮은 농도의 수경성 결합재를 갖는 물품은 종이(나무와 식물 제지 둘다)와 매우 유사한 특성을 갖으며, 높은 인장 강도, 인성(靭性) 그리고 접힘 내구성을 갖고 적당한 압축 강도와 물 분해에 대한 매우 낮은 내성을 갖으며 낮은 내열성을 갖고(특히 섬유의 연소점 또는 결합재의 분해 온도에 접근하였을 때) 그리고 높은 유연성(柔軟性)과 낮은 강성(剛性)을 갖는다.

여기 개시된 조성물을 사용하여 만든 물품은 바람직하게는 약 0.05MPa에서 약 70MPa, 그리고 더욱 바람직하게는 약 5MPa에서 약 40MPa 범위의 인장 강도를 갖는다. 한편 물품은 약 0.6g/㎤에서 약 2g/㎤ 범위의 부피 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 물품이 이 범위에서 낮은 쪽, 중간 또는 높은 쪽의 밀도를 갖는 것은 일반적으로 주어진 용도의 바람직한 실행 기준에 좌우된다. 전술한 내용에서 본 발명의 물품은 인장가도 대 부피 밀도의 비가 바람직하게는 약 2MPa-㎤/g에서 200MPa-㎤/g, 그리고 더욱 바람직하게는 약 3MPa-㎤/g에서 약 50MPa-㎤/g의 범위를 갖는다.

본 발명의 물품을 제조하는데 사용되는 생성된 시이트의 특정 방향 강도 특성은 인장 강도와 인열(引裂) 강도에서 강한 방향과 약한 방향을 갖는 것으로 알려진 종이의 특성과 대조될 수 있다. 종래의 종이에서 강한 방향은 기계 방향이고, 반면 약한 방향은 기계와 교차하는 방향이다. 종래의 종이에서 강한 방향과 약한 방향에서의 강도의 비율이 약 3:1인 반면, 본 발명에서는 약 2:1이고 사용되는 특정 형성 공정에 따라 약 1:1에 접근할 수 있다. 일반적으로 차등(差等)형성 속도를 감소시키면 섬유가 더욱 임의의 방향으로 남아 있는 경향이 있다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 본 발명의 물품에 대해 사용되는 "신장"이란 용어는 물품의 구조 매트릭스가 파열(破裂)되지 않고서 늘여질 수 있는 것을 뜻한다. 파열 이전에 물품의 구조 매트릭스가 신장할 수 있는 능력은 인스트론(Instron) 인장 시험과 응력 변형도 시험으로 측정할 수 있다.

혼합 방식을 최적화함으로써, 인열(引裂) 또는 파열(破裂)이 생기기 전에 약 20%에 이르도록 그리고 건조시에는 약 0.5%에서 8%까지 신장할 수 있는 구조 매트릭스를 갖는 새로 성형된 물품을 제조하는 것이 가능하다. 이것은 성형가능한 혼합물과 만들어지는 매트릭스내의 섬유와 유기물 결합재의 양을 최적화함으로써 통상적으로 이루어진다. 특정 범위내에서 신장할 수 있는 구조 매트릭스를 갖는 물품을 제조하는 것은 최종 경화된 물품에 부피비로 약 50%에 이르는 양으로 섬유를 포함시킴으로써 이루어진다. 첨가되는 섬유 또는 유기물 결합재의 양이 더 많을수록 또는 매트릭스와 섬유의 접촉면이 더 좋을수록, 물품을 파열시키지 않고서 일반적으로 더 많은 신장이 이루어진다. 한편, 건조 시이트의 신장은 시이트의 건조 질량에 대해 질량비로 10%까지의 상태에서 증기 또는 습기를 사이트에 첨가함으로써 증가 될 수 있다. 그러나 상기의 재습윤(再濕潤)화는 사이트가 다시 건조될 때까지 시이트의 강도를 일시적으로 감소시킨다.

더 큰 신장성 뿐만 아니라 더 높은 인장 강도는 구조 매트릭스내의 섬유의 양을 증가시킴으로써 일반적으로 얻어진다. 이것은 성형가능한 혼합물에 더 많은 섬유를 첨가하거나 또는 다른 방법으로, 물품의 표면 위 또는 내부안에 섬유를 한 층 (종이 시이트 같은) 붙이거나 또는 다양한 성질의 강도와 유연성(柔軟性)을 갖는 섬유들을 함께 사용함으로써 이루어질 수 있다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 무기물 충전된 시이트에 대해 쓰이는 "굴절"이란 용어는 마감된 표면에 파열(破裂)과 변화없이 구부리고 압연할 수 있는 건조된 시이트 또는 물품의 능력을 뜻한다. 물품의 굴절하는 능력은 본 분야에 알려진 방법을 사용하여 탄성 계수 그리고 파쇄 에너지를 측정함으로써 측정된다. 어느 물질이든 간에 본 발명에 따라 제조되는 물품의 구부러짐 능력은 물품의 두께에 크게 의존한다.

벽 두께에 관계없이 굴절을 측정하는 한가지 방법은 다른 면과 비교하여 벽의 한쪽면의 상대적인 신장으로 굴절을 정의하는 것이다. 벽이 축 주위로 압연 또는 구부려짐에 따라, 벽의 바깥 면의 길이는 증가하고 반면 안쪽 면은 일반적으로 그렇지 않을 것이다. 결과적으로 안쪽 면의 신장에 대한 바깥 면의 상대적인 신장이 거의 동일할지라도 얇은 벽의 물품은 더 큰 정도로 구부릴 수 있으며 두꺼운 시이트는 거의 구부려지지 않는다.

건조된 시이트를 적절한 물품으로 만드는 공정중에 시이트의 구부러짐성은 물로 재습윤시킴으로써 일시적으로 증가될 수 있다. 물은 섬유, 물 분산성 유기물 결합재, 그리고 혼합재 입자 사이의 틈새에 의해 흡수되는 것으로 믿어진다. 만들어진 시이트를 건조시키면 구부림성 수준은 일반적으로 감소하고 반면 시이트의 인성(靭性)과 경도는 일반적으로 증가한다.

바람직한 강도, 구부림성, 단열, 인성(靭性), 중량 도는 다른 성능 기준 특서을 갖는 시이트를 얻기 위하여, 시이트의 두께는 롤러들 사이의 공간을 조정함으로써 바꿀 수 있다. 두께와 바람직한 성능 기준에 따라, 특정한 시이트 두께에 맞추기 위하여 성분과 이들의 상대적인 농도를 조정할 수 있다. 본 발명의 시이트는 매우 다양한 두께를 갖도록 설계할 수도 있다 ; 그러나 얇은 벽 물질을 필요로 하는 대부분의 제품은 일반적으로 약 0.01mm에서 약 3mm 범위의 두께를 갖는다. 그럼에도 단열 능력 또는 높은 강도 또는 강성(剛性)이 더욱 중요한 용도에서는, 시이트 두께가 약 1cm에 이르는 범위일 수도 있다.

본 발명의 시이트의 바람직한 두께는 시이트, 용기 도는 이로부터 만들어지는 물품의 의도하는 용도에 따라 변한다. 단지 한 예로서 높은 굴절성이 요구되는 경우 얇은 시이트가 일반적으로 바람직하다. 역으로 굴절성이 아니라 강도, 내구성 및/또는 단열성이 최우선의 관심사인 경우, 두꺼운 시이트가 일반적으로 바람직하다. 그럼에도 새긴 자국을 따라서 시이트를 구부리거나 또는 적어도 이것들을 둘둘 말아 용기로 만드는 것이 바람직한 경우, 무기물 충전된 시이트는 바람직하게는 약 0.05mm 에서 약 2mm 또는 그 이상의 범위내에서 그리고 더욱 바람직하게는 약 0.15mm에서 약 1mm범위의 두께를 갖는다.

전술한 바에 따라 성형가능한 혼합물은 최종 경화된 제품뿐만 아니라 혼합물 자체 모두에 특정의 바람직한 성질을 갖도록 미소구조적으로 처리될 수 있다. 따라서 성분들의 어느 배치(batch) 또는 연속의 혼합 도중에 첨가되는 물질의 양을 정확하게 계량하는 것이 중요하다.

[Ⅲ. 가공 기술과 조건]

기본적인 가공 기술과 조건은 (1) 적당한 성형가능한 혼합물을 준비(수경성 혼합물 또는 무기물 충전된 혼합물)하고; (2) 성형된 전구체로부터 물품을 만드는 것을 포함하여 원하는 물품으로 성형하고; (3) 물품의 형태 안정성을 증가시키고; (4) 물품을 성형틀로부터 제거하고; (5) 가속 방식으로 성형된 물품을 건조시키고, 피복시키고, 인쇄하고, 물품의 표면 질감을 바꾸는 등과 같이 성형된 물품을 임의로 가공하는 것을 포함한다.

A. 성형가능한 혼합물의 준비

본 발명의 범주내에서 매우 다양한 성형 공정과 혼합 방식이 물품의 제조에 사용되지만, 혼합 공정은 실질적으로 같다. 물론 성형 장치에 편리하게 원료 공급을 하기 위해 다른 장치를 사용할 수도 있다.

적당한 성형가능한 혼합물을 만드는데 사용되는 성분들의 적어도 일부는 고 전단 혼합기를 사용하여 바람직하게는 함께 섞는다. 고 전단 혼합은 수경성 결합재, 유기물 결합재, 물, 분산제, 섬유, 내구성 혼합재와 다른 혼합재를 고르게 분포하게 한다. 고 전단 혼합은 혼합물의 레올로지를 개선히키고, 최종 경화된 물품의 강도와 균일성을 증가시킨다.

고전단 혼합은 성형가능한 혼합물내에 공기 연행제를 첨가함으로써 작고 분산된 공기 공극을 주입할 수도 있다. 수경 시멘트 또는 산화 칼슘 같은 수경성 물질이 혼합물에 첨가된 경우, 이산화탄소가 혼합물과 반응을 일으키도록 고전단 혼합기 위에 이산화탄소로 대기를 가득하게 하는 것이 유리할 수도 있다. 이산화탄소는 성형가능한 혼합물의 기포 안정성을 증가시키고 수경 시멘트의 조기 잘못된 세팅을 야기하는 것으로 밝혀졌다. 또한 이것은 불용성 결합 침전물인 탄산 칼슘을 만들기 위하여 산화 칼슘과 반응하는 성분이다.

여기 기술된 더욱 균일한 혼합물을 제조하는데 유용한 고 전단 혼합기는 "혼합 및 교반 장치" 제목의 미국 특허 제 4,225,247호 ; "콜로이드성 혼합물을 생산하는 제법과 장치" 제목의 미국 특허 제 4,552,463호 ; "회전 분쇄기" 제목의 미국 특허 제 4,889,428호 ; "시멘트 건축 물질 생산 장치" 제목의 미국 특허 제 4,944,595호 ; 그리고 "시멘트 건축 물질 생산 공정" 제목의 미국 특허 제 5,061,319호에 개시되고 청구되어 있다. 개시를 위하여, 전술한 특허들은 특별 참고 자료로 여기에 기술한다.

다른 혼합기는 성형가능한 혼합기에 다른 전단을 부여 할 수 있다. 에를 들어 제 1도에 나타낸 반죽기는 보통의 시멘트 혼합기에 비하여 높은 전단을 부여할 수 있으나 그러나 아이리히 집중 혼합기(Eirich Intensive Mixer) 또는 이중 오거 음식 압출기에 비해서는 낮다.

가벼운 혼합재 뿐만 아니라 고 농도로 함유된 혼합재는 일반적으로 저 전단 혼합을 사용하여 혼합물로 섞여진다. 펄라이트와 속 빈 유리공 같은 많은 가벼운 혼합재는 파쇄되지 않고서는 고 전단 조건을 견뎌낼 수 없다.

실험실에서의 전형적인 혼합 공정에서 적당한 성분들을 고 전단, 고속 혼합기를 사용하여 약 1분 동안 섞는다. 이후 남은 성분들을 저 전단, 저속 혼합기를 사용하여 약 5분 동안 혼합물내로 섞는다. 따라서 한 배치의 물질당 총 혼합 시간은 약 6분이다. 공업적으로는 상기 혼합 공정은 적절한 혼합기를 사용하여 상당히 짧아질 수 있다. 특히 통상의 바람직한 혼합 방법은 연속 혼합 시스템이다.

한 구체적인 예로 고 전단과 저 전단을 둘다 할 수 있는 시멘트 혼합기가 배치 방식에서 물질을 계량하고 혼합하는데 사용된다. 다른 구체적인 예에서, 고 전단 혼합기가 성형가능한 혼합물의 성분들을 처음 혼합하는데 사용된다. 이후 혼합 공정을 완결하기위해 혼합물을 저 전단 혼합기로 옮긴다. 또 다른 구체적인 예에서, 혼합 단계는 고 전단 혼합실을 포함하는 현대적 압출 장치를 사용하여 압출 단계와 결합시킬 수 있다.

널리 쓰이는 바람직한 구체적 예는 성형가능한 혼합물내로 배합되는 물질들이 자동적이고 연속적으로 계량되고, 혼합되고(또는 반죽하고), 탈기하고 그리고 이중 오거 압출 장치로 압출되는 장비이다.

제 1도는 압출기 12의 첫번째 내실 16으로 성형가능한 혼합물을 공급하는 공급기 11를 포함하는 이중 오거 압출기 12의 도면이다. 첫번재 내실 16 내부에 있는 첫번째 오거 나사 10는 혼합하고 전방으로 압력을 가하여 성형가능(成形可能)한 혼합물을 첫번재 내실 16을 통과시켜 진공실 20로 전진시킨다. 보통, 성형가능한 혼합물 내의 불필요한 공극(孔隙)을 제거하기 위하여 네가티브 압력 또는 진공상태가 진공실 28에 적용된다. 그 다음, 성형가능한 혼합물을 두번째 내실 22로 공급한다. 두번째 오거나사 24는 다이 헤드 26으로 혼합물을 전진시킨다. 오거 나사 18과 24는 혼합물의 전진을 보조하고, 부여된 전단량을 높이거나 낮추기 위하여 다른 비행(flight) 피치와 방향을 갖는다.

이중 오거 압출기 12는 독립적으로 성형가능한 혼합물의 성분들을 혼합시키거나 제 1도에 나타낸 바와 같이 혼합기로 주입시키는데 사용될 수 있다. 바람직한 이중 오거 압출 장치는 오거들이 같은 방향으로 회전하는 균일한 회전 오거를 사용한다. 오거들이 반대 방향으로 회전하는 역회전 이중 오거 압출기도 같은 목적을 수행한다. 토련기(pugmil)도 같은 목적으로 사용될 수 있다. 본 명세서의 장치는 미네소타주 미네아폴리스에 위치한 Vuhler-Miag사에서 구입할 수 있다.

혼합기의 내부 부품은 상대적으로 높은 물의 함량으로 인한 혼합기의 마모가 크지 않으므로 스테인레스강으로 만들 수 있다. 그러나 혼합기의 부품은 수명 연장과 임의의 마모와 혼합재와 수경성 결합재를 함유하는 혼합물로부터 예상되는 강한 염기성 조건에 내성이 있도록 카바이드 피복될 수 있다.

성형가능한 혼합물은 특정 원하는 특성을 가도록 미소구조적으로 만들어질 수 있으므로 통상적으로 성형가능한 혼합물에 첨가되는 각 물질의 양을 정확히 계량하는 것이 중요하다.

B. 일반적인 성형 공정

1. 초기 성형 공정

본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 "성형"이란 용어는 진흙, 세라믹과 플라스틱 같은 물질에 대해 당 분야에 잘 알려진 것 뿐만 아니라 실시예로 여기에 기술된 특정 성형 기법을 포함하는 것이다. 바람직한 성형 기법으로는 "다이 압축 성형", "사출 성형", "취입 성형", "지거링", "습윤 시이트 성형"과 "건조 시이트 성형"을 예로 들 수 있다. 상기 방법들을 자세히 후술한다. "성형"이란 용어는 또한 확장 및/또는 물품의 형태 안정성을 증가시키고 물품을 주형으로부터 떼어내기 ("이형(demolding)"이라고도 함)위하여 성형된 물품을 가열하는 것을 포함한다.

적절한 성형 공정내에서 혼합물 또는 무기물 충전된 혼합물로 만들어진 시이트에 원하는 형태를 부여하는데 필요한 압축은 기계적 압력, 진공 압력, 공기 압력 또는 이의 조합에 의해 이루어진다. 물품은 다이 압축, 사출 성형, 취입 성형과 지거링에 의해 일단계로 성형될 수 있다. 물품은 또한 혼합물을 우선 시이트로 성형한 후, 시이트를 원하는 물품으로 성형하는 이 단계 생성 공정에 의해서 성형될 수 있다.

후술하는 공정은 종이, 흘라스틱, 금속과 시멘트 공업 분야의 전문가에게 잘 알려진 종래의 장치를 사용하여 수행한다. 그러나 장치는 본 물품을 제조하는 기능적인 시스템을 이루기 위하여 잘 결합되고 배치되어야 한다. 더우기, 장치를 약간 변형시키는 것이 물품의 대량 생산의 최적화와 증가에 바람직하다. 예를 들어 플라스틱 물품의 사출 성형은 성형된 물품을 빨리 경화시키기 위해 틀을 냉각시킬 필요가 있다. 그러나 본 발명에서는 종종 물품을 신속히 경화시키기 위해 주형에 열을 가하는 것이 바람직하다. 본 발명의 물품의 제조에 필요한 장치의 배치, 변형과 작동은 본 설명으로 종래의 장치를 사용하는 분야의 전문가에 의해 수행될 수 있다.

성형 공정이 가격에서 효율적이기 위해서 성형된 물품이 성형 공정 후 즉시 또는 잠시 후에 형태가 안정되는 것이 중요하다. "형태 안정"이란 용어는 이의 자체 질양을 지지하고 중력과 사용된 공정 기법에 관련된 부수적인 힘에 대해 이의 형태를 유지할 수 있는 성형된 물품의 능력을 뜻한다. 형태 안정성은 주형으로부터 나온 물품에 중요하며성형 공정 후 1분 이내에 얻어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 10초 이내에 그리고 가장 바람직하게는 약 1∼3초 이내이다. 또한, 성형된 물품의 표면은 너무 끈적거리지 않아야 하는데, 끈적거림은 이형, 조작과 쌓는 공정을 더욱 어렵게 한다.

성형가능한 혼합물의 레올로지 또는 흐름 특성은 사용되는 특징 제조 공정에 따라 최적화되어야 한다. 원하는 특성을 부여하는 것이 상기 특성을 이루는데 드는 가격과 균형을 이루어야 한다. 다이 압축, 사출 성형과 지거링은 예를 들어 일반적으로 압력하에서 형태가 만들어져 신속히 형태 안정한 제품을 제조하는 고 점도의 혼합물을 필요로 하는 반면, 취입 성형은 파열없이 발포될 수 있는 고탄성의 혼합물을 필요로 한다.

제조 공정을 용이하게 하기 위하여 바람직하게 쓰이는 종래의 성형 공정의 몇 가지 변형이 있다. 예를 들어, 점착을 방지하기 위하여 주형을 방출제로 처리하는 것이 종종 바람직하다. 적당한 방출제로는 실리콘 유, 테플론^(R)(Teflon^(R)), 데레론(Derelon^(R))과 UHW^(R)가 있다. 바람직하게는 주형 자체가 스테인레스강으로 만들어지거나 및/또는 테플론^(R), 델레론^(R)같은 매우 매끄러운 마감의 물질 또는 약 0.1RMS로 연마된 크롬 도금으로 피복되는 것이다.

마찰력을 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있다. 성형 장치의 헤드를 성형가능한 혼합물 내부 및/또는 외부 표면에 대해 스피닝(spinning)함으로써 주형에 대한 어떠한 화학적, 기계적 흡착(즉, 점착)을 극복할 수 있다.

혼합물의 성형 및/또는 숙성 공정 중에 물품내의 다공성과 부피를 적당히 조절할 수 있는 공기 공극 시스템을 조절하기 위하여 혼합물을 가열하는 것이 종종 바람직할 수 있다. 그러나 상기 가열 공정은 표면이 신속히 강도를 갖도록 함으로써 가공전 상태(성형 후 즉시)에서 혼합물이 형태 안정되는데 또한 보조를 한다. 물론 가열은 혼합물로부터 상당량의 물을 신속히 제거하는 것을 돕는다. 이러한 잇점의 결과는 가열 공정의 사용이 본 물품의 제조를 용이하게 하는 것이다.

2. 형태 안정성의 증가

본 발명의 새로운 면은 형성시 거의 즉시 형태가 안정되는 물품을 만들 수 있는 능력이다. 물품의 형태 안정성은 물품의 형태 안정성을 증진시키기 위하여 가열된 다이를 사용하여 충분한 시간동안 성형가능한 혼합물을 가열함으로써 증가된다. 적당한 레올로지 또는 흐름 특성을 얻기 위하여 다양한 양의 물이 성형가능한 혼합물에 첨가된다. 적어도 일부의 물은 증발에 의해 신속히 제거됨으로써 물의 부피 비율을 감소시키고 성형된 물품의 형태 안정성을 증가시킨다.

더우기, 성형된 물품의 표면상의 물을 제거하는 것은 표면에 부분적인 건조를 야기하는데 이것은 성형가능한 혼합물의 점착성을 감소시킬 뿐만 아니라 물품 주위에 상당히 강한 얇은 "껍질"을 형성하며, 이것은 또한 가공전 강도를 증가시킨다. 성형가능한 혼합물의 가열은 유기물 결합재의 겔화 또는 경화 속도뿐만 아니라 수경성 결합재의 숙성속도를 또한 증가시킨다.

가공 전 상태의 물품의 형태 안정성을 신속히 증사키는 능력은 물품의 대량 생산을 가능케하므로 중요하다. 형태 안정성은 물품이 성형 장치로부터 신속히 제거되게함으로써 새로운 물품이 동일한 압축 또는 성형 기기를 사용하여 형성될 수 있게 한다.

다이의 온도를 증가시키는 또 다른 목적은 성형가능한 혼합물의 다이에의 흡착을 최소화하는 것이다. 성형가능한 혼합물로부터 증기가 방출되면서, 이것이 다이와 성형가능한 혼합물 사이에 "쿠션"을 만든다. 이 증기 경계 층은 성형가능한 혼합물을 다이로부터 밀어내고 다라서 성형가능한 혼합물이 다이에 점착되는 것을 억제하는 실제적으로 일정한 힘을 제공한다. 수다이와 암다이가 다른 온도를 갖는 경우 성형가능한 혼합물은 다이 분리시 낮은 온도의 다이에 남아있는 경향이 있다는 것이 또한 알려져 있다.

다이의 각각의 온도는 제조 공정의 속도를 최대로 하도록 조정되는 것이 바람직하며, 부분적으로는 다이가 성형가능한 혼합물과 접촉하는 지속기간에 좌우된다. 일반적으로 온도는 가능한 한 높은 것이 바람직하다 : 온도가 높을수록, 성형가능한 혼합물의 표면상의 건조가 더 빠르고 물품이 더 빨리 이형되고 단위시간당 많은 물품이 제조될 수 있다.

그러나 일정한 온도 이상으로 증가시키는 것은 물품의 표면 위만이 아니라 성형가능한 혼합물의 전체에 퍼진 물을 증기로 변하게 할 수도 있다. 이형과 관련되어 압력을 갑자기 줄이는 것은 다이가 분리될 때 성형된 물품의 파쇄, 또는 심지어 폭발을 일으킨다. 그러나 높은 온도의 부정적인 영향은 프레스의 더 빠른 폐쇄와 개방 속도에 의해 종종 피할 수 있다.

더우기, 성형가능한 혼합물의 숙성이 빠를수록, 차동 흐름의 결과인 물품내의 결합 형성의 가능성은 커진다. 즉 다이들이 함께 압축됨에 따라 성형가능한 물질이 원하는 형태로 나온다. 그러나 일단 물품의 표면상의 성형가능한 혼합물이 건조되기 시작하면 더 건조된 부위는 남아 있는 습윤된 성형가능한 물질과 다른 흐름 특성을 갖는다. 흐름 특성의 차이는 성형된 물품의 구조 매트릭스내에, 응집, 빈 공간, 균열과 다른 변이 같은 결함을 야기한다.

일반적으로 시간과 온도의 상관관계는 다이가 성형가능한 혼합물과 접촉하는 시간이 감소함에 따라 다이의 온도는 증가한다. 또한 성형가능한 혼합물내의 물의 양이 증가됨에 따라 온도가 증가한다.

상기 원하는 목적을 성취하기 위하여 수다이와 암다이를 약 50℃ 내지 약 250℃, 더욱 바람직하게는 약 75℃ 내지 약 160℃, 그리고 가장 바람직하게는 약 120℃ 내지 약 140℃의 범위내의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 이형을 쉽게 하기 위하여, 다이의 분리후에 물품이 수다이에 남아있는 것이 통상적으로 바람직하다. 따라서, 수다이는 암다이보다 낮은 온도를 갖는 것이 바람직하다. 암다이와 수다이의 온도차는 약 10℃ 내지 약 30℃의 범위인 것이 바람직하다.

가열된 수다이와 가열된 암다이가 둘다 성형가능한 혼합물과 접촉 지속 시간(즉, 다이가 짝을 이루고 있는 시간)은 바람직하게는 약 0.05초 내지 약 30초, 더욱 바람직하게는 약 0.7초 내지 약 10초, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.8초 내지 약 5초의 범위내이다.

다른 구체적인 예에서, 물품의 가열 단계에 다이가 분리되고 물품이 다이로부터 제거되기 전, 즉 물품이 수다이에 붙어있는 동안 성형된 물품을 가열된 공기에 노출시키는 것을 더 포함한다. 가열된 공기에 노출시키는 것은 물품이 다이로부터 제거되기 전 물품의 형태 안정성을 증가시킨다.

특정 레올로지 조절제는 실온 근처에서 액화되고 냉각되면 빳빳해질 수도 있다. 따라서 원래의 혼합 온도 이하로 충분히 냉각된다면 특정 성형가능한 혼합물의 항복 응력은 증가할 수도 있다. 그런 경우, 성형된 물품의 형태 안정성은 다이를 냉각시킴으로써 증가된다. 또한, 압축 이전에 혼합물을 가열한 다음 다이를 냉각시킴으로써 얇은 막의 물이 물품과 다이 사이에 응축되어 물품이 다이에 고착되는 것을 억제한다. 이 경우, 약 -20℃ 내지 약 40℃, 더욱 바람직하게는 약 -5℃ 내지 약 35℃, 그리고 가장 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 30℃의 범위내의 온도로 다이를 냉각시킨다.

또 다른 구체적인 예에서, 수화도지 않는 휘발성 용매의 신속한 증발을 통해 형태 안정성이 이루어질 수 있다. 성형가능한 물질과 다른 바람직한 첨가제와 결합재의 수화에 필요한 최소량의 물을 혼합한 다음 적당한 휘발성 용매를 혼합물에 첨가함으로써 쉽게 성형되고 높은 강도의 물품을 만드는 혼합물을 얻을 수 있다. 일단 혼합물이 원하는 형태로 위치를 잡으면 휘발성 용매를 증발에 의해 신속히 제거한 다음 주형으로부터 빨리 제거될 수 있는 형태 안정한 물품을 제조한다. 휘발성 용매는 물에 용해되고 혼합물에 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 실시예와 한정되지 않는 방법에서 휘발성 용매로는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부탄올과 n-펜탄올 같은 알코올이 있다. 상기 용매는 물에 대해 부피비로 약 @% 내지 약 50% 범위로 통상적으로 첨가된다.

수경성 결합재를 함유하는 형태 안정한 물품을 신속히 제조하는데 도움을 주는 다른 첨가제로는 다양한 탄산염 원천과 촉진제가 있다. 전술한 바대로 CO₂같은 다양한 탄산염 원천의 첨가는 초기 강도와 형태 안정성을 얻은 혼합물을 만든다. 탄산 나트륨과 탄산 칼륨은 또한 물품의 초기 형태 안정성을 획득하기 위하여 혼합물에 첨가될 수 있다. 통상적으로 탄산염은 물에 대해 질량비로 약 0.002% 내지 약 0.15% 범위로 혼합물에 첨가된다. 유사하게 초기 형태 안정성을 획득하기 위하여 시트르산을 또한 혼합물에 배합할 수 있다. 시트르산은 시멘트에 대해 질량비로 약 0.01% 내지 약 5%, 바람직하게는 약 0.05% 내지 약 1%, 그리고 가장 바람직하게는 0.1% 내지 약 0.2% 범위로 통상적으로 첨가된다.

다양한 유기물 결합재 또한 물품의 형태 안정성을 증가시키는 기능을 한다. 메틸에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스와 에틸셀룰로오스 같은 셀룰로오스 혼합재는 약 60℃ 이상 온도로 가열됨에 따라 겔을 형성한다. 셀룰로오스 혼합재를 성형가능한 혼합물에 배합한 다음 가열된 다이 또는 다른 열전달 방법을 통해 혼합물을 가열함으로써, 얻어지는 겔은 성형된 물품의 형태 안정성을 부여하는데 보조를 한다. 형태 안정성을 만드는데 효과적이기 위해서 메틸셀룰로오스를 성형가능한 혼합물에 대해 질량비로 약 0.1% 내지 약 10% 범위로 혼합물에 배합하여야 한다.

전분은 또한 메틸셀룰로오스와 배합되거나 단독으로 혼합물과 배합되어 성형된 혼합물에 형태 안정성을 부여한다. 전분을 함유하는 혼합물을 100℃ 이상의 온도로 가열하면 전분을 녹이거나 용해시킨다. 혼합물을 냉각시키면 전분이 고체화되어 시멘트 입자와 혼합재와 결합하여 증진된 형태 안정 여건을 만든다. 결합재로 효과적이기 위해 전분은 성형가능한 혼합물에 대해 질량비로 약 0.1% 내지 약 10% 범위로 혼합물에 배합되어야 한다. 다라서 전분과 메틸셀룰로오스의 배합은 성형공정의 가열과 냉각 모두의 단계 중에 형태 안정성을 증가시킨다.

전술한 바와 같이, 콘크리트 분야에서 사용되는 경화 촉진제를 수경 시멘트의 수화반응을 가속하기 위하여 수경성 혼합물에 첨가할 수 있다. 이것들은 성형된 물품의 형태 안정성을 증가시키는데 사용될 수도 있다.

경화된 물품의 최종 강도에 대해, 종래의 구조적 기술을 성형된 물품의 궁극적인 강도를 증가시키는데 사용할 수도 있다. 예를 들어 성형된 물품의 상대적으로 얇은 벽은 더해진 강도를 위해 다양한 구조물(벌집, 각진 또는 사각의 강화 막대, 삼각형 모양의 형태, Ⅰ-빔과 주름진 물질 같은)을 사용하여 강화될 수도 있다.

3. 성형된 물품의 이형

성형된 물품은 충분한 형태 안정성을 획득할 때 다이로부터 제거될 수도 있다. 바람직한 구체적인 예에서, 성형된 물품은 다이가 분리될 때 수다이에 남아있는다. 또한 수다이와 암다이가 물품이 다이에 흡착되는 것을 억제하기 위하여 분리시 반대 방향으로 회전하는 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이, 일단 다이가 분리되면 형태 안정성을 더 증가시키기 위해 가열된 공기를 물품에 수 초 동안 불어댄다. 다음 물품을 결함없이 수다이로부터 제거할 수 있다. 바람직한 구체적인 예에서, 에어베잉(airveying)으로 알려진 표준 공정을 수다이에서 물품을 제거하는데 사용한다. 에어베잉은 다이로부터 물품을 빨아내기 위하여 네가티브 압력이 물품에 가해지는 공정이다. 그 다음 물품은 "U" 형태의 튜브를 통과하여 물품을 오른쪽에 적재한다.

에어베잉 공정은 형태 안정한 물품을 온화하게 취급하고 적은 작동 비용과 자본 때문에 바람직하다. 물품을 건조하기 위한 공기의 가열은 튜브의 길이를 따라 물품을 운반하는 거대한 공기 수송을 하는데 사용될 수도 있다. 수다이에 위치한 공기 관은 또한 주형과 물품사이에 물품을 수다이로부터 밀어내는 일정한 힘을 제공하기 위해 공기를 주입하는데 사용될 수 있다. 공기 관을 통해 삽입된 공기는 성형된 물품에 피해를 주지 않기 위해 압력이 충분히 낮아야 한다.

다른 구체적인 예에서, 물품을 간단히 집어 올림으로써 물품을 수다이로부터 기계적으로 제거할 수 있다. 그러나 상기 공정은 성형된 물품이 변형되지 않도록 특별한 주의가 필요하다.

4. 선택 공정

물품은 가속 방식으로 선택적으로 건조되고, 피복되고 인쇄 표식을 수용할 수 있다. 또한 물품의 일부를 적층하고, 주름지게 하고, 새김눈을 하고 또한 천공하는 것이 바람직할 수도 있다.

(a) 가속된 건조

본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용된 "건조"라는 용어는 기화에 의해 물을 제거하는 것을 포함하며 액체 물의 상당한 배수 (종이 제조에서처럼)를 포함하지 않는다. 따라서 비휘발성이나 수용성이 성분은 본래의 충전된 매트릭스내에 남아있다. 물품은 주위 온도에서 건조되고 건조를 계속하면서 제조 라인의 끝에서 통상의 자동 적재기에 의해 형성후에 적재도 된다. 물품은 건조 공정을 계속하면서 이후의 출하를 위해 표준 종이 상자 취급/조립 장치로 모으고, 봉인하고, 표시하고 적재되어 포장된다.

건조 공정은 성형된 물품의 강도를 증가시키기 위해 선택적으로 촉진될 수 있다. 일반적으로 일단 물품이 만들어지면 원하는 형태에서 강도를 얻기 위하여 건조되어야만 한다. 그러나 건조 시이트 성형 공정에서 시이트는 물품 형성 이전에 건조되어야만 한다. 본 발명의 물품을 경제적으로 생산하기 위하여, 인쇄, 피복과 포장 같은 남은 제조공정을 결함없이 진행하기에 충분한 강도를 갖는 정도까지 물품을 신속히 건조시켜야 한다. 더우기, 물품은 의도하는 용도에 충분한 강도를 얻어야 한다. 물론 요구되는 강도는 제조되는 물품의 종류에 따라 변한다.

바람직한 구체적인 예에서, 물품 또는 시이트의 건조는 종래의 건조 터널에서와 같이 물품은 가열된 공기에 노출시킴으로써 성취된다. 건조 터널은 배치식 건조 또는 연속 컨베이어 공정용으로 구성될 수 있다. 가열된 공기의 사용은 성형가능한 혼합물내의 일부의 물을 내보냄으로써 입자들 사이의 마찰력을 증가시키고 유기물 결합재의 결합필름을 만들고 만들어지는 물품의 강도를 증가시킨다. 또한, 열은 수경성 결합재의 수화 속도를 증가시키고 그 결과 물품에 더 일찍 강도를 부여한다.

물이 성형가능한 혼합물로부터 제거되는 속도를 증가시키기 위해, 가열된 공기를 물품에 불어댄다. 그러나 공기 속도는 성형된 물품을 변형시킬 만큼 커서는 안된다. 이상적으로, 물품은 병형 없이 생산되고 운송되기에 충분한 강도를 갖는 정도로만 건조된다. 수경성 결합재를 갖는 물품에 소량의 물이 남아있게 함으로써 숙성되고 따라서 사용 전 운송되고 보관되는 기간동안 강도가 증가되는 것이 계속된다.

물품을 신속히 경화시키는 능력은 대량 생산을 경제적으로 완결시키는 것을 가능케 한다. 물품의 건조는 5가지 다른 변수에 의해 영향받는다 : 시간, 온도, 공기 속도, 표면적과 물질의 두께이다. 실험적 연구로 이들 변수들에 대해 후술의 결론을 얻었다:

1) 높은 온도와 공기 속도는 건조 시간을 단축시킨다.

2) 물품에서 대분의 물을 제거할 때 물품을 250℃ 이상의 온도에 노출시키는 것은 섬유와 유기물 결합재를 연소시킴으로써 물품의 강도를 감소시킨다.

3) 더 얇은 벽의 물품은 더 짧은 건조 시간을 필요로 한다.

4) 높은 온도는 물품의 인장 강도를 낮추는 결과를 야기한다.

5) 공기 속도와 오븐에서의 전체 시간은 물품의 인장 강도에 영향을 주지 않는다.

상기 관찰에 근거하여, 약 1mm 내지 약 2mm 범위의 두께를 갖는 성형된 물품에 대해 추천되는 건조 조건은 약 100℃ 내지 약 300℃, 바람직하게는 약 140℃ 내지 약 250℃, 그리고 가장 바람직하게는 약 150℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도로 오븐의 공기를 가열하는 것을 포함한다. 물품이 가열된 공기에 노출되는 시간은 약 1시간 정도, 더욱 바람직하게는 약 15분 미만으로, 가장 바람직하게는 약 1분 미만이다. 그러나 상기 수치는 물품의 크기, 형태, 두께와 수분 함량에 따라 변할 수도 있다.

다른 구체적인 예에서, 250℃ 이상의 온도에서 대부분의 물이 제거될 때까지 섬유가 혼합물내에서 연소하지 않으므로, 건조 공정은 또한 2단계로 성취될 수 있다. 처음 일부의 물을 신속히 제거하기 위하여 250℃ 이상, 통상적으로 약 250℃ 내지 약 500℃ 범위내의 온도에 물품을 노출시킨다. 일단 약 60% 내지 약 800%의 물이 제거되면 온도를 250℃ 이하로 낮추어 남은 물을 제거한다. 이 공정은 물품이 건조되는 속도를 증가시키나 섬유를 태우지 않도록 세심한 주위로 조절되어야 한다. 물론 다른 종래의 물품 건조 수단 (예를 들어, 전자레인지, 적외선 빛 등)을 사용할 수도 있다.

(b) 피복

물품 또는 경우에 맞는 물품을 만드는데 사용되는 시이트에 피복 또는 피복물질을 분사하는 것은 본 발명의 범주에 속한다. 피복은 시이트 또는 물품의 밀봉과 보호를 포함하는 몇가지 방법을 사용하여 물품 또는 시이트 표면의 특성을 바꾸어 준다. 피복은 수분, 염기, 산, 유지, 또는 유기 용매로부터의 보호막을 제공한다. 또하 ㄴ부드럽고, 광택이 나며, 긁히지 않는 표면을 제공하며, 섬유질이 "날아가는" 것을 방지한다. 피복은 굴절성, 전기 전도성 또는 단열 특성을 제공할 수도 있다. 피복은 시이트 또는 물품의 굴곡 또는 주름, 가장자리 또는 구석 부분을 강화시키기도 한다. 또한 일부 피복은 층상 물질 또는 접착제로 사용되기도 한다.

본래는 구조 매트릭스의 동극을 메꾸는 것을 지칭하는 시이트 또는 물품의 "푸먹일" 도 피복의 개념과 관련이 있다. 풀먹임은 시이트 또는 물품의 매끄러움과 방수성을 강화하기 위해서 사용된다. 이러한 공정은 그 구성과 사용량에 따라서 강도, 탄성율, 그리고 신장성(또는 확장성)을 증가시키기도 하고 감소시키기도 한다. 풀먹임과 피복은 성형가능한 매트릭스를 부드럽게 하여 시이트 또는 물품의 평활성을 더해주는 경우도 있다. 시이트를 더 뻣뻣하게 하는 경우도 있다.

피복 공정의 목적은 시이트 또는 물품 표면의 결점들을 극소화 시키는 균일한 막을 형성하는 것이다. 피복은 시이트 형성 공정, 물품의 형성 공정 도중 또는 물품이 형성된 후에 실시된다. 피복 형성 변수들과 더불어 몇가지의 기질(즉, 시이트 또는 물품) 변수들에 따라 피복 공정을 선택한다. 기질 변수들은 시이트의 강도, 습윤성, 다공성, 밀도, 평활성, 그리고 균일성등을 포함한다. 피복 형성 변수들은 고체의 전량, 용매 기재 (수용성과 휘발성 포함), 표면 장력, 그리고 레올로지를 포함한다.

칼날, 정련, 기도, 인쇄, 달그렌, 사진 요판과 분말 피복등을 포함하는 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 시이트 금속, 또는 다른 포장재들의 제조에서 알려진 모든 피복 수단을 사용해서 시이트에 피복하는 것이 가능하다. 시이트 또는 물품에 하기 서술되는 피복재료들을 분사하거나, 시이트 또는 물품을 적합한 피복재료를 담은 큰통에 담그어 피복을 입힌다. 끝으로, 피복 공정과 압출 공정을 결합시키기 위해서 시이트와 함께 피복을 압출시키기도 한다.

적합한 유기 피복제로는 식용유, 멜라민, 폴리염화비닐, 폴리알코올 비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴산염, 폴리아미드, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리젖산, 바이폴^@(폴리히드록시부티레이트-히드록시발레레이트 공중합체), 전분, 콩 단백질, 폴리에틸렌과 생분해성 중합체를 함유하는 합성 중합체, 밀랍들 (밀랍 또는 페트롤리움계의 왁스), 탄성 중합체와 그들의 혼합물을 포함한다. 바이폴^@은 영국의 ICI에 의하여 제조된다. 적합한 무기 피복제로는 탄산 칼슘, 규산 나트륨, 고령토, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 진흙, 세라믹, 그리고 그들의 혼합물을 포함한다. 무기 피복제는 한가지 또는 그 이상의 유기 피복제와 혼합하는 것이 가능하다.

탄성, 변형을 목적으로 특히 접힘 또는 돌돌 말려서 형성되는 물품의 경우, 피복하는 것이 바람직한 경우도 있다. 경첩에서와 같이 심한 굴곡이 있는 물품의 부분을 강화하기 위해서 탄성 피복이 사용이 가능하다.

방수 피복은 물과 접촉이 되는 물품의 경우 요구된다. 시이트가 식품에 접하는 물품의 제조를 위하여 사용될 경우라면, FDA 승인 피복에 해당하는 피복제를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 유용한 피복의 예로서 산에 강한 규산 나트륨이 있다. 예를 들어, 탄산 음료 또는 쥬스와 같은 강산성의 식품 또는 음료수에 포장기가 노출되는 경우, 산성에 대한 저항력이 중요할 것이다. 염기 물질에 대한 증가된 저항력은 포장기를 종이 물품의 피복에 사용되는 적합한 중합체 또는 밀랍으로 피복하여 얻는다.

중합체성 피복은 폴리에틸렌같은 저 밀도의 일반적으로 얇은 막을 형성하는데 유용하다. 저 밀도 폴리에틸렌은 특히 어느 범위까지 액체가 스미지 않고 심지어 내압인 물품을 만드는데 유용하다. 중합체성 피복은 또한 열 봉인시 접착제로 유용하다.

알루미늄 산화물과 규소 산화물은 특히 산소와 습기에 대한 장애로서 유용한 피복이다. 피복은 고에너지 전자 빔 증발 공정, 화학적 플라즈마 석출과 스퍼터링(sputtering)의 사용을 포함한 당 분야에 공지된 임의 수단으로 시이트 또는 물품에 도포한다. 알루미늄 산화물 또는 규소 산화물 피복을 형성하는 다른 방법은 시이트를 적당한 pH 준위를 갖는 수용액으로 처리하여 시이트상에 알루미늄 산화물 또는 규소 산화물의 형성을 야기하는 것이다.

밀랍과 밀랍 혼합물, 특히 석유와 합성 밀랍은 습기, 산소와 유지 또는 기름 같은 일부 유기 액체에 대해 장벽을 제공한다. 이것들은 또한 용기같은 물품을 열 봉인할 수 있게 한다. 석유 밀랍은 음식과 음료 포장에 특히 유용한 밀랍의 무리로 파라핀 밀랍과 미정질(微晶質) 밀랍을 포함한다.

(c) 인쇄

물품과 이것을 만드는데 사용된 시이트의 표면에 상표, 제품 정보, 물품 명세 또는 로고 등의 인쇄 또는 표시가 요구되기도 한다. 이것은 평면인쇄, 양각세공, 음각, 포러스, 무충격 인쇄를 포함하는 종이 또는 판지 제품을 인쇄하는데 당 분야에 공지된 종래의 인쇄 수법 또는 공정을 사용하여 수행될 수 있다. 종래의 인쇄기로는 옵셋, 반담(Van Dam), 레이저, 직접 전사 접점(direct transfer contact)와 융기인쇄용 인쇄기가 있다. 그러나 근본적으로 임의의 수공 또는 기계 수법을 사용할 수 있다. 한편 시이트 또는 물품은 엠보싱 인쇄되거나 비침 무늬(watermark)를 할 수도 있다. 물품이 종이 또는 판지와 같이 상대적으로 높은 다공성을 갖으므로 분사된 잉크가 신속히 마르는 경향이 있다. 당 분야의 전문가는 시이트 다공성과 잉크의 양이 일치되어야 하는 것을 알 것이다. 또한, 전사화(decal), 가격표 또는 다른 표시를 당 분야에 공지된 방법을 사용하여 시이트에 부착 또는 접착시킬 수 있다.

[Ⅳ. 특정 성형 공정들]

A. 다이 압축 공정

다이 압축은 2개의 상보적인 형태의 다이 사이의 혼합물을 압축하는 것을 포함한다. 단계로는 위치잡이(positioning), 형성, 형태 안정성 부여, 제거와 경화가 있다.

1. 위치잡이

전술한 바대로 성형가능한 혼합물을 준비한 후, 이것을 원하는 형태의 물품으로 성형하기 위해 일련의 다이 사이에 위치하게 한다. 제2도에 나타낸 바와 같이, 다이는 원하는 형태를 갖는 수다이 28과 수다이 28에 대해 실제로 상보적인 형태를 갖는 암다이 30으로 이루어진다. 수다이 28과 암다이 30은 함께 다이 압축 주형을 구성한다. 성형가능한 혼합물이 다이들 사이에서 압축되면 수다이와 암다이 사이의 공간에 상응하는 형태를 갖는 물품으로 만들어진다.

물품의 원하는 형태에 따라, 다른 형태의 다이가 사용될 수도 있다. 제2도에서 같이 스플릿 다이 31은 멀티 구성분의 다이로 구성분들이 다른 각도에서 동시에 함께 압축되어 특히 네가티브 각을 갖으며 다이로부터 쉽게 분리되는 복합 형태를 만든다. 대조적으로 제2B도의 전진 다이 33은 멀티 구성분의 다이로, 다양한 구성분들이 지연 순차 (delayed sequential) 방식으로 함께 압축됨으로써 절편으로 물품을 만든다. 전진 다이 33의 사용은 깊은 드로우(draw) 또는 복합 형태의 물품안의 공기 덩어리를 제거하는데 도움을 준다. 다른 방법으로, 종래 조립 다이를 또한 사용할 수 있다. 다양한 다이를 원하는 물품을 얻기 위하여 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명은 수다이 28과 암다이 30 사이에 성형가능한 혼합물을 위치잡게 하는 2가지 일반적 방법들을 그려본다. 제3도에 나타낸 바람직한 구체적인 예에서, 다이들 사이에 간격 차 32가 만들어지도록 수다이 28을 암다이 30에 부분적으로 끼운다. "간격 차 32"는 다이를 짝짓기 위하여 하나의 다이가 다른 다이에 의해 움직여야 하는 거리로 정의된다. 다이들 사이의 주형 영역을 만들기 위하여 다이들이 서로간에 끼워질 때 다이들이 "짝지운"것이다. "주형 영역"은 물품의 원하는 형태로 정의되며 성형가능한 혼합물이 다이가 짝지워질 때 밀어들어가는 영역이다.

다이들이 간격 차를 갖기 위해 위치를 잡을 때, 다이들 사이에 빈 공간이 남는다. 이 "공동(空洞)"은 다이들 사이의 주형 영역과 또한 간격차에 해당되는 다이들 사이의 두번째 영역을 포함한다. 일단 공동이 생성되면, 성형가능한 혼합물은 다이의 하나에 있는 구멍 또는 간격차를 통해서 주입됨으로써 공동안, 따라서 다이들 사이에 위치한다.

바람직한 구체적인 예에서, 암다이 30은 수다이 28 위에 수직으로 위치한다. 다음 암다이 30을 통해 뻗어 있는 주입구 34를 통해 다이들 사이로 혼합물을 주입한다. 수다이 28 위에 암다이 30이 있는 배치는 물품 형성후 다이가 분리되어 중력힘이 물품이 수다이 28 위에 남아 있는 것을 보증하는데 보조를 하므로 바람직하다. 이것은 물품을 변형시키지 않고 수다이 28로부터 물품을 연속 제거하는 것이 더 용이하므로 이롭다.

그러나, 다른 방법으로 수다이 28이 암다이 30 위에 수직으로 있도록 다이들을 또한 배치할 수 있다. 이런 배치는 혼합물이 낮은 점도를 갖을 때 바람직한데, 왜냐하면 다이들의 짝짓기에 앞서 암다이 30이 성형가능한 혼합물을 붙잡는 용기로 작용할 수 있기 때문이다.

성형가능한 혼합물의 위치잡기 전에, 최종 압축 또는 다이들의 짝짓기 동안에 혼합물의 움직임을 제한하기 위하여 다이들 사이의 간격차 32를 최소화하는 것이 바람직하다. 혼합물의 움직임을 최소화하는 것은 혼합물내의 자동 흐름의 결과로 생기는 최종 물품 내의 변칙의 가능성을 줄인다.

수다이 28과 암다이 30 사이의 간격차 32는 통상적으로 약 2mm 내지 약 5cm, 바람직하게는 약 2mm 내지 약 3cm, 그리고 가장 바람직하게는 2mm 내지 약 1cm의 범위이다. 그러나, 비정상적으로 큰 물건의 경우, 성형가능한 혼합물의 위치잡기를 용이하게 하기 위하여 간격차 32는 훨씬 더 클 수도 있다.

성형가능한 혼합물내에 있는 원치 않는 공기가 제거되도록 이중 오거 압출기 12 같은 진공 압출기에 의해 성형 가능한 혼합물을 다이들 사이에 위치 잡는 것이 바람직하다. 상기 공기 제거의 실패 (공기가 단열 특성을 부여하는 공극을 만들도록 요구되지 않는 경우)는 결함 또는 비균질의 구조 매트릭스를 갖는 물품을 만든다.

성형가능한 혼합물의 실제 분사는 이단계 분사기 또는 왕복 나사 분사기에 의해 통상적으로 수행된다. 제4도에 나타낸 바와 같이, 이단계 분사기 36는 혼합 또는 전진과 분사용의 별개의 구획을 갖는다. 혼합물은 압출 나사 40으로 이동시키면 혼합물이 차례로 별개의 발사 포트(shooting pot) 42로 공급된다. 발사 포트가 채워지면, 분사 피스톤 44이 일정량의 혼합물을 부분적으로 폐쇄된 다이로 공급되는 흐름 채널 망 46으로 밀어낸다. 제4도에서와 같이 복수의 물품이 동시에 만들어진다.

제5도에 나타내듯이, 왕복 나사 분사기 38은 이 안에 길이로 위치한 나사 오거 50이 있는 실(chamber) 48을 포함한다. 성형가능한 혼합물은 실 48로 공급되어 나사 오거 50에 의해 앞으로 나아간다. 나사 오거 50이 회전하면서 이것은 나사 오거 50의 분사 엔드(end) 52로 혼합물을 수축시켜 공급한다. 필요한 부피의 혼합물이 엔드 52에 축적되면 나사 오거 50이 회전을 멈추고 전술한 바대로 혼합물을 흐름 채널 46으로 분사하기 위하여 앞으로 움직인다.

성형가능한 혼합물을 다이들 사이에 위치잡게 하는 두번째 방법은 다이들이 여전히 완전히 분리된 채로 수행된다. 제6도에 나타낸 바와 같이 이 방법은 일부의 성형가능한 혼합물을 원하는 물품을 만들기에 충분한 양인 덩어리 54로 만든 다음, 통상적으로 덩어리 54를 수다이 28 위에 놓음으로써 덩어리 54를 다이들 사이에 위치잡게 하는 것을 포함한다. 이후 다이들이 짝지울 때 덩어리 54는 다이들 사이에서 압축된다.

제7A-B도에 나타낸 다른 구체적인 예에서 형판 56은 덩어리 54가 위치잡는데 사용된다. 수다이 28은 원주의 기저(基底) 58를 갖으며 형판 56은 수다이 28의 기저 58의 원둘레에 실제로 상보적인 줄레를 갖는 통로 60을 갖는다. 덩어리 54는 형판 56의 통로 60에 걸치기에 충분히 큰 지름을 갖도록 만들어진다. 통로 60위에 놓이는 덩어리 54를 갖고, 형판 56은 통로 60이 다이와 상보적으로 일렬로 되도록 수다이 28과 암다이 30 사이에 위치한다. 따라서 다이가 함께 압축되면서 다이들 사이의 성형가능한 혼합물을 압축하기 위하여 수다이 28은 형판 56의 통로 60을 따라 움직인다.

상기 방법은 덩어리 54는 수다이 28위에 별개로 놓여 있으면서 형판 56이 수당이 28의 기저 58 주위에 위치되도록 형판 56을 수다이 28 위에 쌓아놓는 단계를 포함한다. 이후 다이들이 함께 압축되면서 덩어리 54가 다이들 사이에서 다시 압축된다.

성형된 물품을 기계적으로 제거하는 바람직한 방법은 형판 56의 사용을 포함한다. 형판 56을 들어올리거나 수다이 28을 낮춤으로써 물품이 물품의 가장자리를 따라서 형판위에 놓인다. 물품이 다이들로부터 제거될 때, 물품은 이것의 건조된 표면 덕택에 형태 안정하다. 그러나 물품은 여전히 이의 벽들 사이에 습윤 혼합물을 갖으며 따라서 최대 강도에 이르지 못했다. 상기 조건에서 물품은 이의 수직 축을 따라 압착되면 강해진다. 따라서 형판 56을 사용할 때의 잇점은 물품을 제거하기 위해 가해지는 힘이 물품의 가장 강한 축을 따라 가해짐으로써 물품의 가능한 변형을 최소로 하는 것이다.

2. 성형

제조 공정의 다음 단계는 성형가능한 혼합물을 원하는 형태의 물품으로 성형하기 위하여 수다이 28과 암다이 30사이에 성형가능한 혼합물을 압축하는 것이다. 다이에 의해 행사된 압력은 성형가능한 혼합물을 원하는 형상의 물품으로 만든다. 따라서, 압력은 다이들 사이의 성형 가능한 혼합물을 실제로 성형하기에 충분하여야 한다. 더우기 압력은 균일하고 매끄러운 표면 마감을 갖는 물품을 제조하기에 충분한 것이 바람직하다.

성형가능한 혼합물에 가해지는 압력의 양은 또한 만들어지는 물품의 강도에 영향을 준다. 연구에 의해 만들어지는 제품의 강도는 입자들이 함께 더 밀집해 있는 혼합물의 경우 증가한다는 사실이 밝혀졌다. 다이들 사이의 성형가능한 혼합물을 압축하기 위해 사용된 압력이 클수록 입자들 모두 더 가까이 밀어짐으로써 얻어지는 물품의 강도가 증가한다. 즉, 성형가능한 혼합물 내의 다공성이 적을수록 얻어지는 물품의 강도가 더 크다.

낮은 농도의 물을 갖는 성형가능한 혼합물에 높은 압력이 가해지면 입자들 사이의 공간이 줄어든다. 따라서 혼합물 내에 존재하는 물은 입자들을 감싸고 이들의 마찰력을 감소시키는데 더 효과적이 된다. 본질적으로 압력이 성형가능한 혼합물에 가해지면 혼합물은 더욱 유동적이거나 작업용이하게 되므로 첨가되어야 될 물의 양이 적어진다. 차례로 얻어지는 제품의 강도가 증가된다. 본 발명의 실행에서 다이에 의해 행사된 압력이 높을수록 혼합물에 첨가되어야 할 물의 양은 적어진다. 이 압력의 원리는 또한 사출 공정에도 적용된다.

일반적으로 높은 압력이 바람직하지만 이것은 또한 부정적인 효과를 갖는다. 가벼운 물품을 제조하기 위하여 저 밀도 혼합재(필라이트 또는 속빈 유리공 같은)가 통상적으로 혼합물에 첨가된다. 다이에 의해 행사되는 압력이 증가하면, 혼합재와 얻어지는 물품의 밀도가 증가하고 따라서 혼합재의 단열효과는 감소한다.

따라서 다이에 의한 압력은 물품 또는 용기의 강도, 구조적으로 온전한 상태와 낮은 밀도를 최대화하기 위해 최적화되어야 한다. 본 발명내에서 수다이와 암다이에 의해 행사된 성형가능한 혼합물에의 압력은 바람직하게는 약 50psi 내지 약 20,000psi, 더욱 바람직하게는 약 100psi 내지 약 10,000psi 그리고 가장 바람직하게는 약 150psi 내지 약 2,000psi의 범위내이다. 그러나 압력의 양은 성형 공정의 온도와 시간에 따라 변한다.

압축 단계는 다이가 함께 압축되었을 때 다이들 사이의 공기를 몰아내는 것을 더 포함한다. 상기 공기 제거에 실패하면 물품의 구조 매트릭스 내에 에어 포켓(air pocket)또는 결함이 생긴다. 통상적으로 다이들 사이의 공기는 다이들이 함께 압축됨에 따라 다이들 사이의 간격 차를 통하여 몰아내진다.

제2도에 나타낸 다른 구체적인 예에서, 다이를 침투성으로 만들기 위하여 다이를 통해 뻗어 있는 다수의 통기 구멍 62가 다이에 있을 수도 있다. 따라서 다이가 함께 압축되면 다이들 사이의 공기가 통기 구멍 62를 통해서 배출된다. 따라서 통기 구멍 62는 물품을 변형시키는 공동내에서의 에어 포켓의 형성을 억제한다.

또한 통기 구멍 62는 다이가 분리될 때 공기를 공동내로 돌아가게함으로써 공동내에 진공이 발생하는 것을 억제한다. 상기 진공은 새로 형성된 물품에 과도한 힘을 행사하여 이의 구조적 온전한 상태를 파괴한다. 더우기 통기 구멍 62는 가열 공정에 의해 싱긴 과도한 증기의 방출을 허용한다. 통기 구멍 62은 다이의 한쪽 또는 양쪽에 있을 수 있다.

혼합물을 성형하는데 필요한 압력의 양은 또한 와플 철판에서의 반죽과 유사하게 주형을 채우기 위해 팽창하고 흐를 수 있는 혼합물을 설계함으로써 최소화될 수 있다. 상기 혼합물은 공기 공극을 배합함으로써, 혼합물의 온도를 조절하고 및/또는 물 함량을 증가시킴으로써 혼합물의 레올로지에 근거하여 설계될 수 있다. 주형의 형태와 일치되도록 팽창하고 흐를 수 있는 혼합물의 사용은 복합적인 형태의 물품을 제조하는데 특히 유용하다.

B. 사출 성형 공정

다이 압축과 비교하여, 사출 성형은 성형가능한 혼합물을 고압하에 폐쇄된 다이안에 위치하게 한다. 물품이 형태 안정성을 획득한 후 다이를 열고 물품을 제거하여 경화를 완성시킨다. 사출 성형은 혼합물을 클램핑 유닛(clamping unit) 안에 위치하게 하는 사출 유닛의 사용을 필요로 한다. 사출 유닛은 다이 압축에서 전술된 바와 같이 통상적으로 왕복 나사 분사기 38 (제5도에 체계적으로 묘사됨) 또는 이단계 분사기(제4도에 체계적으로 묘사됨)을 포함한다. 사출은 주형의 완전한 충진을 확실하게 하기 위해 일정 속도와 압력에서 실행한다.

제8도에 나타내듯이, 성형가능한 혼합물을 코아(core) 64에 실제로 상보적 형태를 갖는 공동 66과 일렬로 있는 코아 64를 포함하는 클림핑 유닛으로 흐름 채널 46을 통하고 주입된다. 코아 64와 공동 66이 함께 압축되어 클림핑 피스톤 68에 의해 단단하게 붙들려 있으면, 원하는 형태의 폐쇄된 사출 성형 주형 70이 만들어진다. 클림핑 유닛은 원하는 물품을 대량 생산하는 다수의 폐쇄된 주형들을 이룰 수도 있다. 주형 70 사이에 위치한 로킹(locking) 고리 72는 코아 64와 공동 66이 함께 압축될 때 일렬로 되는 것을 돕는다.

사출 다이 압축 공정과 유사하게, 혼합물이 주입되면, 혼합물이 흐름 채널 및 74를 통하여 밀어내져 주입구 76을 통하여 각각의 폐쇄된 주형 70으로 공급된다. 또한 각 폐쇄된 주형 70에 연결된 공기 채널 78은 주형이 충전될 때 공기가 달아나도록 한다. 일단 주형이 충전되면 주입구 76을 닫아 성형된 물품이 형태 안정성을 획득하게 한다.

생성된 물품의 일정한 품질을 보증하기 위하여 클림핑 유닛은 혼합물을 각각의 공동에 동일한 압력으로 공급하도록 균형을 이루어야 한다. 사출 유닛으로부터 각각의 흐름 채널 74이 동일한 길이와 동일한 수의 선회를 갖는 것을 확실히 함으로써 흐름 균형이 이루어진다. 약 64개에 이르는 공동을 작는 주형들은 상기 균형잡힌 접근으로 확실하게 작동한다.

사출 성형 공정은 상대적으로 큰 길이/두께 비율을 갖는 얇은 벽의 물품, 예를 들어 얇은 벽 요구르트와 마아가린 용기 등에 매우 자주 사용된다. 길이는 공동에서의 최대 흐름 길이이고 두께는 부품의 평균 벽 두께이다. 상기 비율은 400:1로 높다. 물품을 대량 생산하고 주형이 적당하게 충전되고 매틀릭스가 균일하다는 것을 보증하기 위해서는 혼합물은 약 500psi 내지 약 40,000psi, 바람직하게는 약 10,000psi 내지 약 35,000psi 그리고 가장 바람직하게는 약 25,000psi 내지 약 30,000psi 범위의 압력하에 분사된다. 가해지는 압력의 양은 부분적으로는 혼합물의 점도에 좌우되며, 점도가 높을수록 필요한 압력이 크다.

전술한 바와 같은 혼합물로부터 공기를 제거하고, 압력하에 혼합물을 성형하고, 물품에 형태 안정성을 부여하기 위한 동일한 원리, 방법과 변수들이 사출 성형 공정에 적용된다. 예를 들어 제8도에 나타내듯이, 가열 라인(line) 80은 폐쇄된 주형 70안의 성형가능한 혼합물을 가열하기 위한 가열된 액체를 운송함으로써 물품에 신속히 형태 안정성을 부여하기 위해 사용된다.

마지막으로 부품 방출의 2가지 기본적인 방법은 기계적 그리고 공기 방출이다. 기계적 방출은 부품을 코아에서 물리적으로 밀어내기 위해 각각의 주형 코아 주위에 스트리퍼(stripper) 고리를 통상적으로 사용한다. 공기 방출은 부품을 코아로부터 느슨하게 하고 불어내는데 공기 송풍을 사용한다. 공기 방출은 적은 이동 부품을 포함하여 유지비가 적으므로 더욱 바람직한 방법이다. 또한 기계적 방출에 비해 공기 방출의 경우 적은 측벽 강도가 필요하므로 부품을 얇게 만들고 사이클에서 더 일찍 방출될 수 있다.

C. 취입 성형 공정

취입 성형은 속이 빈 물품, 주로 병을 제조하는데 사용되는 공정이다. 공기 또는 가끔 질소를 사용하여 파리손(parison)이라 불리우는 일정량의 성형가능한 혼합물을 암주형 공동에 대해 확장시킨다. 본 발명의 성형가능한 혼합물에 사용할 수 있는 두가지 근본적인 취입 성형공정으로 사출 취입 성형과 압출 취입 성형이 있다.

1. 사출 취입 성형

사출 취입 성형은 3단계 공정으로 수행되는 것으로 제9도에 나타낸다. 첫 단계에서 전술한 바와 같이 왕복 나사 주입기 38이 주입 통로 46을 통하여 파리손 공동 82와 이안에 위치한 코아 막대 84 중위안으로 혼합물을 주입한다. 만들어진 사출 성형된 "시험관" 형태의 파리손 86은 다음 코아 막대 84 위에서 물품의 원하는 형태를 갖는 사출 취입 성형 주형 88로 옮겨진다. 둘째 단계에서 코아 막대 84를 통하여 공기를 취입하여 파리손 86을 주형 88의 공도에 대해 확장시킨다. 다음 성형된 물품이 형태 안정성을 얻게 한다. 끝으로 세번째 단계에서 물품을 주형에서 제거하고 이후 코아 막대 84 주위에 위치한 스트리퍼 판 90에 의해 코아 막대 84로부터 벗겨낸다.

사출 취입 성형은 통상적으로 1/2 리터 미만 용량의 작은 병에 일반적으로 사용된다. 이 공정은 극도의 정밀한 부분-질량 조절과 병목-마감 세부기술로 스크랩(scrap)을 하지 않아도 된다.

2. 압출 취입 성형

제10A-F도에 나타내듯이, 압출 취입 성형에서 일단 성형가능한 혼합물이 준비되면, 혼합물을 관 92로 대기 중으로 압출한다. 압출은 전술된 바와 같이 원하는 제품 공정에 따라 연속 또는 간헐적 압출기를 통하여 수행된다. 또한 파리손이라 불리는 관 92는 원하는 형태를 갖는 압출 취입 성형 주형 96의 두 반쪽인 96a와 96b사이의 공동 94 내에 사로잡혀 있다. 다음 취입 핀 98을 공기가 통해 들어가는 판 92 내로 삽입하고 관 92를 주형 공동 94에 대해 부풀린다. 일단 혼합물이 원하는 형태로 부풀려지면, 물품이 형태 안정성을 획득하게 한다. 다음 주형 96의 두개의 반쪽을 분리하고 물품을 제거하여 경화한다. 사출 취입 성형과 달리, 섬광이 없어지고 교정되어야 할 공정의 부작용이다. 섬광은 관 92이 함께 죄어져 주형 96의 두개의 반쪽에 의해 봉인될 때 생긴다.

본 발명의 성형 가능한 혼합물이 전술한 취입 성형 공정을 수행하기 위하여, 혼합물은 파리손을 자기 지지하기 위한 충분히 높은 점도를 갖으면서 한편으로는 동시에 취입하에 원하는 형태의 물품으로 팽창되기에 충분한 탄성을 가져한 한다. 전술한 바대로 성형가능한 혼합물의 레올로지는 원하는 특성을 갖는 다양한 혼합제의 첨가로 미소구조적으로 설계된다. 상기 혼합물은 안정성과 탄성을 둘다 증가시키는 작용을 하는 유기물 결합재를 통상적으로 고농도로 갖는다.

전술한 바와 같은 혼합물로부터 공기를 제거하고 압력하에 혼합물을 성형하고 물품에 형태 안정성을 부여하기 위한 동일한 원리, 방법과 변수들이 취입 성형공정에 적용된다. 전술한 다른 공정에서와 같이 예를 들어 취입 성형된 물품의 형태 안정성은 다이의 가열, 다양한 경화 촉진제 또는 물 결핍을 통해 이루어진다.

D. 지거링 공정

지거링은 기본적으로 도공의 물레의 기계화된 변형으로 예를 들어 대접, 항아리와 판같은 개구부의 대칭적인 물품을 만드는데 사용되는 공정이다. 제11A-D도에 나타내듯이, 이공정은 롤러 헤드100, 지거링 주형 102와 스핀들(spindle)104의 사용을 필요로 한다. 전술한 바에 따라 혼합물이 준비되면, 적당한 양의 혼합물 106은 원반으로 만들어져 주형 102의 바닥에 놓인다. 혼합물 106을 원반으로 만드는 것은 중요하지는 않으나 더 쉽고 균일하게 성형될 수 있는 균일한 물체로 작용한다.

혼합물 106은 주형 102안에 놓이고, 주형 102는 스핀들 104 위에 놓임으로써 회전한다. 또한 회전하는 롤러 헤드 100이 성형가능한 혼합물 106을 주형 102의 측면에 대해 압축하기 위하여 주형 102내로 낮추어진다. 상기 공정은 진흙에 가까운 레올로지를 갖는 성형가능한 혼합물을 요구한다. 물질이 주형 102의 표면 주위에 균일하게 분산되면 롤러 헤드 102를 제거하고, 과다한 물질을 주형 102의 가장자리로부터 긁어내고 성형된 물품이 형태 안정성을 얻게 한다.

바람직한 구체적인 예에서 롤러 헤드 100와 주형 102는 매끄럽게 마감된 표면을 갖는 물품을 제조하고 성형된 물품과 롤러 헤드 100과 주형 102 사이의 흡착을 억제하는데 도움을 주도록 연마된 금속으로 만들어진다. 또한, 물품에 형태 안정성을 신속히 부여하면서 동시에 물품의 주형 102와 롤러 헤드 100에의 흡착을 제한하는 증기 장벽을 만들도록 다이 압축 주형과 유사하게 롤러 헤드 100와 주형 102이 가열될 수 있는 것이 바람직하다. 형태 안정성을 얻은 후 주형과 물품사이에 공기를 취입하거나 또는 기계적인 방법으로 주형으로부터 물품을 제거한다.

전술한 바와 같은 혼합물로부터 공기를 제거하고, 압력 하에 혼합물을 성형하고 물품에 형태 안정성을 부여하기 위한 동일한 원리, 방법과 변수들이 지거링 공정에 적용된다.

E. 습윤 시이트로부터의 물품의 성형

습윤 시이트 성형 공정은 먼저 성형가능한 혼합물이 시이트로 성형되는 이단계 수행 공정이다. 시이트의 요구되는 규격에 해당하는 폭과 두께를 갖는 다이를 통해 성형가능한 혼합물을 압출함으로써 시이트는 만들어질 수 있다. 다른 방법으로, 한쌍의 롤러들 사이에 성형가능한 혼합물을 통과시킴으로써 시이트를 형성할 수 있다. 이들 두가지 시이트 형성 공정의 조합이 종종 바람직하다. 새로 만든 시이트는 다음 시이트의 경화 또는 숙성을 완결시키기 이전에 원하는 형태로 성형된다.

1. 압출

바람직한 구체적인 예에서, 적당한 성형가능한 혼합물 압출기와 세트 또는 일련의 롤러들을 포함하는 시이트 형성 장치로 옮긴다. 혼합기 10과 감출 롤러 108과 연결되어 작동하는 이중 오거 압출기 12를 포함하는 통상의 바람직한 시스템을 나타내는 제12도를 참조한다. 다른 구체적인 예에서 압출기 12를 없애고 혼합물을 감축 롤러 108들 사이에 직접 공급함으로써 시이트를 만들 수도 있다. 시이트를 만드는데 압출기가 사용되면, 감축 롤러들은 더욱 정밀한 두께의 시이트를 만드는데 도움이 된다.

제12도에는 다이폭 112과 다이 두께 114를 갖는 다이를 포함하는 다이 슬릿 110이 있는 다이 헤드 26을 갖는 오거 압출기 12를 나타낸다. 다이 슬릿 110의 단면 형태는 다이폭 112와 다이두께 114에 일반적으로 상응하는 원하는 폭과 두께의 시이트를 만들도록 형태를 이룬다.

오거 압출기 12는 또한 전술한 바대로 이 단계 주입기 36 또는 왕복 나사 주입기 38 같은 피스톤 압출기로 대체될 수 있다. 피스톤 압출기는 큰 압력이 요구되는 경우에 유리할 수도 있다. 그럼에도 본 발명에서 통상적으로 사용되는 혼합물의 높은 플라스틱 같은 본질 때문에, 오거 압출기를 사용하여 이룰 수 있는 것보다 더 큰 압력을 나타내는 것이 일반적으로 필요하지는 않으나 유리할 수도 있다. 더우기 피스톤 압출기는 오거 압출기보다 연속적으로 시이트를 만드는데 덜 유용하다.

다이의 바람직한 폭과 두께는 제조되는 특정 시이트의 폭과 두께에 좌우되지만, 압출된 시이트의 두께는 통상적으로 최종 압연된 시이트의 두께의 적어도 두 배 그리고 경우에 따라서는 몇 배이다. 감축량(그리고 따라서 두께 승수)는 문제의 시이트의 특성에 좌우된다. 감축 공정은 섬유 배향을 조절하는데 도움이 되므로 감축량은 요구되는 배향의 정도에 종종 대응한다. 또한, 두께 감축이 클수록 시이트의 신장이 커진다. 통상의 제조 공정에서, 약 6mm 두께의 압출된 시이트는 약 0.2mm와 약 0.5mm 사이의 두께를 갖는 시이트로 압연될 수도 있다.

편평한 시이트를 형성하기 위해 좁은 다이 슬릿 이외에 다른 물건 또는 형태를 만들기 위해 다른 다이 형태를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 어떤 경우에는 매우 넓은 시이트를 압출하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 이를 실행하기 위하여 파이프 형태의 물건은 압출하여 다이 헤드의 바로 바깥쪽에 위치한 칼을 사용하여 연속적으로 절단되어 펼쳐진다.

성형가능한 혼합물을 압출하기 위해 가해지는 압력의 양은 일반적으로 원하는 압출률뿐만 아니라 다이 헤드를 통해 혼합물을 밀어내는데 필요한 압력에 좌우된다. 압출률은 시이트 형성율이 감축 단계 도중에 시이트가 감축 롤러들을 계속하여 통과하는 속도에 상응하도록 조절되어야 한다는 것을 인식하여야만 한다.

압출의 최적 속도 또는 비율을 결정하는 중요한 요인은 시이트의 최종 두께인 것을 이해할 수 있다. 두꺼운 시이트는 더 많은 물질을 함유하고 필요한 물질을 제공하기 위하여 더 높은 압축률을 필요로 할 것이다. 역으로 얇은 시이트는 적은 물질을 포함하고 필요한 물질을 제공하기 위하여 낮은 압출률을 필요로 할 것이다.

압출되는 비율 뿐만 아니라 다이 헤드를 통해 압출되는 성형가능한 혼합물의 능력은 일반적으로 기계의 작동 변수들과 특성들 뿐만 아니라 혼합물의 레올로지에 대한 함수이다. 물, 유기물 결합재, 분산제의 양 또는 수경성 결합재의 초기 수화준위 같은 요인들은 모두 혼합물의 레올로지 특성들에 영향을 준다. 따라서 압출률은 혼합 방식과 성형가능한 혼합물의 세팅 또는 경화 비율을 조절함으로써 조절될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 혼합물이 물 결핍이고 입자 충전 최적 상태인 경우 성형가능한 혼합물의 작업 용이성을 일시적으로 증가시키기 위해서 적당한 압력이 필요하다. 혼합물이 압출기내에서 압착되면, 압착력으로 입자들이 모이게 되고 입자들 사이의 틈새 공간이 감소되어 입자들을 윤활시키는데 사용할 수 있는 물의 양을 명백히 증가시킨다. 이런 방법으로, 혼합물이 다이 헤드를 통하여 압출될 때가지 작업용이성이 증가하고, 이 시점에서 감소된 압력은 혼합물로 하여금 강성과 가공적 강도에서 거의 즉각적인 증가를 나타내게 한다.

전술한 각 요인을 고려하여 수경성 혼합물을 압출하기 위하여 압출기에 의해 가해지는 압력의 양은 바람직하게는 약 50KPa 내지 약 70MPa, 더욱 바람직하게는 약 150KPa 내지 약 30MPa, 그리고 가장 바람직하게는 약 350KPa 내지 약 3.5MPa의 범위내이다.

다이 헤드를 통한 성형가능한 혼합물의 압출은 압출된 시이트의 세로 방향으로 성형가능한 혼합물내의 각각의 섬유들을 배향시킨다. 후술하는 바대로, 압연 공정은 시이트가 감축 공정중에 더 신장됨에 따라 섬유들을 세로 방향 또는 "Y" 방향으로 더 비향시킨다. 한편 "Z" 방향(원추형 롤러 같은)으로 다양한 간격차를 갖는 롤러들을 사용함으로써, 섬유들의 일부가 또한 "X" 방향, 즉 시이트의 폭을 따라서 배향될 수 있다. 따라서 압출과 압연을 조합하여 양 방향으로 배향된 섬유를 갖는 시이트를 만드는 것이 가능하다.

당 분야의 일반 전문가라면 압출 단계가 본 분야에서 사용되는 용어로서의 "압출기"의 사용을 원래는 필요로 하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 압출 단계의 목적은 수경성 물질을 롤러들에 연속적으로 잘 조절하여 공급하기위한 것이다. 압출 단계는 바람직하게는 물질의 흐름 방향으로 섬유들을 배향시킨다. 이것들은 적절한 오프닝(opening)을 통하여 물질의 "압출" 또는 흐름을 효과적으로 하기 위하여 당 분야의 전문가에게 알려진 다른 기전으로 수행될 수도 있다. 예를 들어 수경성 물질을 흐르게 하는데 필요한 힘은 중력에 의해 공급될 수 있다.

2. 암연

본 발명의 물품은 압출된 시이트로부터 직접 만들 수 있지만, 압출된 시이트를 적어도 한쌍의 롤러들 사이에 통과시키는 것이 바람직한데 그 목적은 시이트의 균일성과 표면질감을 개선하고, 대부분의 경우 시이트의 두께를 줄이기 위해서다. 시이트의 두께를 크게 감소시키는 것이 요구되는 경우, 시이트가 몇 쌍의 롤러들을 통과하고 각 쌍은 점진적으로 이들 사이의 좁은 간격차를 갖는 단계를 통해 시이트의 두께를 감소시키는 것이 필요할 수도 있다.

본 발명의 구체적인 예를 나타내는 제12도를 참조하면, 일련의 롤러들이 압연 단계중이 사용된다. 어떤 경우에는 적은 직경의 롤러들을 큰 직경의 롤러들과 조합하여 사용하는 것이 바람직할 수도 있으나, 각 롤러 쌍내의 롤러들은 비슷한 직경을 갖는다. 제13도에서 보듯이 한 세트 또는 한쌍의 롤러 116는 롤러들 사이의 정해진 간격 차120로 서로간에 인접하여 위치하는 두개의 개별적인 롤러들을 포함하는 것이 일반적이다. 두개의 각각의 롤러 118 사이의 간격차 120은 롤러들의 세트 116사이를 통과한 후 감축된 시이트 124의 원하는 두께 122에 해당한다.

시이트의 두께는 한쌍의 롤러들을 통과하면서 감소되고, 이것은 전진(또는 "Y") 방향으로 또한 신장된다. 시이트 신장의 한 가지 결과는 섬유들이 "Y"방향으로 더욱 배향되거나 또는 정렬된다는 것이다. 이런 방법으로 초기 압출 공정과 조합된 감축 공정은 "Y" 또는 세로 방향으로 섬유들이 실제로 한쪽 방향으로 배향된 시이트를 만든다.

시이트 신장의 다른 결과는 시이트가 한쌍의 감축 롤러들 사이를 통과하면서 "가속"된다는 것이다. 제13도를 참고로 하여 설명하면 롤러 바깥면의 접선 속도 V₁은 시이트가 롤러들 사이의 간격으로 들어갈 때의 속도가 아니라 감축되고 신장된 시이트가 롤러를 빠져나갈 때의 속도 V₁에 밀접하게 상응한다.

그 예로, 시이트의 두께가 50%로 감소되고 감축 공정중 시이트의 폭의 증가가 없다고 가정한다면 시이트가 본래 길이의 2배로 되는 것에 해당한다. 따라서 제13도에서와 같이 시이트의 두께가 50%로 감소되면 V₁= 2 × V₀이며 따라서 속도는 "a"와 "b" 사이에서 두 배가 된다. 시이트의 가속화와 롤러들의 하향 압력은 시이트에 다량의 전단력을 부여하며 이 힘은 너무 과하면 성형가능한 혼합물에 해를 준다.

과다한 전단력의 사용은 시이트의 구조 매트릭스의 원래 상태를 망가뜨림으로써 시이트내에 결함을 만들고 시이트를 약화시킨다. 이 때문에 시이트의 두께는 시이트에 해를 주는 것을 억제하기에 충분할 정도의 적은 단계들로 감소되어야 한다. 통상의 제조 변수들을 고려하여(예를 들어, 감축 단계 수의 최소화, 섬유의 배향과 성형 가능한 혼합물의 레올로지 조절 같은) 시이트 두께의 감축은 임의 단일 감축 단계 중에(즉 임의의 한 세트의 롤러들 사이를 통과하면서) 약 80%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

각각의 롤러들의 지름은 성형가능한 혼합물의 특성과 시이트의 두께 감축량에 따라서 최적화되어야 한다. 롤러들의 지름을 결정할 때 서로 상반된 두가지 잇점을 고려하여야 한다. 첫번째는 적은 직경의 롤러는 시이트가 롤러들 사이를 통과할 때 시이트에 다량의 전단력을 부여하는 경향이 있다. 이것은 시이트 위로의 압착의 하향각(그리고 평균 가속)이 큰 직경의 롤러들을 사용할 때보다 작은 롤러들을 사용할 때 평균적으로 더 크기 때문이다.

결과적으로, 이런 이유에서 적은 전단력은 구조 매트릭스내에 더 적은 흠집을 만드는 것으로 예측되므로 큰 직경의 롤러가 작은 직경의 롤러보다 유리하다.

그러나 직경이 큰 롤러의 사용은 롤러와 더 긴 시간 동안 접촉하는 데서 생기는 성형 가능한 물질의 결함을 갖게 되고 다라서 흡착을 방지하기 위해 롤러를 가열하는 경우 압연 공정 중 시이트의 건조 증가를 야기한다(많은 시이트가 큰 직경의 롤러와 접촉하므로 큰 직경의 롤러를 사용할 때 흡착을 방지하기 위하여 가열이 훨씬 더 중요하다). 약간의 건조가 유리한 반면 압연 공정중 시이트를 너무 빠르게 건조시키는 것은 수경성 매트릭스내에 파열과 다른 흠집들을 만들어지게 한다. 건조한 시이트는 같은 준위의 전단력이 가해졌을 때 더 습윤된 시이트에 비하여 구조 매트릭스내에서 파열 없이 새로운 형태를 만드는 능력이 떨어진다. 그 결과 작은 직경의 롤러를 사용하는 것이 감축 롤러들이 건조 효과를 감소시키는데 유리하다.

이런 점에서 롤러의 직경은 바람직하게 최적화되고 압연 공정중 물질의 고도한 건조를 방지하기 위해 충분히 작아야 하며, 또한 시이트에 부여되는 전단력의 양을 감소시킴으로써 각 감축 단계중 시이트 두께가 최대로 감소되도록 충분히 커야 한다. 시이트 두께의 감축량을 최대로 함으로써 감축 단계의 수를 최소화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 시이트의 롤러에의 스티킹(sticking) 또는 흡착을 방지하기 위하여 롤러 표면을 처리하는 것이 바람직하다. 롤러를 가열하는 한 방법은 성형가능한 혼합물 내의 일부 물을 증발시키고 시이트와 롤러들 사이에 증기 장애를 만든다. 또한 일부 물의 증발은 혼합물내의 물의 양을 감소시킴으로써 시이트의 가종전 강도를 증가시킨다. 그러나 롤러의 온도는 시이트에 스트레스, 파열, 플레이킹(flaking), 또는 다른 결함 또는 불규칙한 것을 만드는 정도로 시이트의 표면을 건조 또는 경화할 만큼 높아서는 안된다. 따라서 롤러는 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 140℃, 더욱 바람직하게는 약 70℃ 내지 약 120℃, 그리고 가장 바람직하게는 약 85℃ 내지 약 105℃의 버위내의 온도로 가열한다.

일반적으로, 혼합물내의 물의 양이 증가함에 따라 성형가능한 혼합물의 점착성은 증가한다. 따라서 롤러는 혼합물이 많은 물을 함유한 경우 일반적으로 더 높은 온도로 가열되는데 이것은 물 함량이 높은 시이트에서 적당한 가공전 강도를 획득하기 위하여 일반적으로 많은 물을 제거해야 하므로 유리하다.

가열된 롤러는 상당량의 물을 내보내고 형태 안정성을 개선시키므로, 용인될 수 있는 시이트 두께의 감축량은 시이트가 더 건조해짐에 따라 각각의 연속적인 감축 단계에서 일반적으로 감소한다. 이것은 더 건조하고 뻣뻣한 시이트는 적은 전단으로 흠집이 구조 매트릭스내에 도입되기 때문이다.

다른 구체적인 예에서 시이트와 롤러들 사이의 흡착은 롤러를 실온 또는 그 이하로 냉각시킴으로써 감소된다. 압출기내의 혼합물을 상대적으로 높은 온도로 가열한 다음, 예를 들어, 시이트 표면을 냉각시키는 것은 증발된 물을 응축시키는데, 이것은 시이트와 롤러들 사이에 물의 얇은 막을 만드는 것으로 생각된다. 롤러는 시이트 표면이 롤러에 흡착되는 것을 방지하는데 충분한 정도로 냉각되어야 하나 시이트가 얼거나 또는 뻣뻣해지거나 구부려지지 않게 되어 압연 공정중에 파열 또는 분쇄를 야기할 정도로 냉각되어서는 안된다.

또한 물질을 과도하게 냉각하는 것은 어떤 경우에는 바람직할 수도 있으나 수화 반응을 크게 방해한다. 따라서 가열된 혼합물의 냉각이 시이트의 흡착을 억제하는 것에 의존하므로 롤러를 약 -20℃ 내지 약 40℃, 더욱 바람직하는 약 0℃ 내지 약 35℃, 그리고 가장 바람직하게는 약 5℃ 내지 약 30℃ 범위의 온도로 냉각시킨다. 역으로, 압출된 혼합물을 약 20℃ 내지 약 80℃ 범위의 온도로 가열하는 것이 일반적으로 바람직하다. 온도는 롤러의 온도와 상관있다.

롤러와 시이트 사이의 흡착의 준위를 감소시키는 다른 방법은 롤러 표면을 연마된 스테인레스강, 크롬, 니켈 또는 테플론 같은 비점착성 피복제로 처리하는 것이다.

3. 성형

시이트가 형성되면 다음 단계는 일부의 시이트를 원하는 형태의 물품으로 만드는 것이다. 제14도에 나타내듯이, 이 공정은 시이트가 원하는 형태의 수다이 28과 수다이 28에 실제로 상보적인 형태를 갖는 암다이 30 사이에서 압축된다는 점에서 다이 압축과 유사하다. 일부의 시이트가 다이들 사이에서 압축되면서, 혼합물은 다이의 상보적인 형태를 갖는 물품으로 만들어진다.

고체 단편 다이 (수다이와 암다이 각각이 하나의 고체 조각을 포함하는)가 용이성과 경제적인 면에서 바람직한 다이이지만, 다른 다이로는 전술한 바와 같은 스플릿 다이, 전진 다이와 조립 다이가 있다.

다이 압축 공정에서와 같이, 시이트상에 다이에 의해 가해진 압력의 양은 얼마만큼의 압력을 가해야하는지 결정할 때 고려되어야 할 몇가지 기능을 수행한다. 물질의 직접적인 주입과 비교하여 물질의 시이트가 사용되지만, 다이 압축 공정에서 논의된 변수들과 주의 사항들이 일반적으로 습윤 시이트 성형 공정에 적용된다.

시이트로부터 물품을 만드는 다른 방법으로는 플라스틱 공업에서 통상적으로 상용되는 여러가지 진공 성형 방법들이 있다. 진공 성형은 시이트가 주형에 일치되게 하기 위해 대기압 (약 14.7psi)을 사용한다. 수다이와 암다이 모두 진공 성형에 사용된다. 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용되는 "진공 주형"이란 용어는 진공 성형에 사용된 수다이와 암 다이 각각 또는 둘다를 포함하는 의미이다.

제15A-B도에 나타낸 드레이프(drape) 성형은 수 진공 주형 126을 사용하는데 이것은 바로 통하는 진공 포트 128을 갖는다. 시이트가 주형 126의 상단위에 놓여지거나 또는 주형 126이 시이트 내로 위치한다. 시이트와 주형 126 사이의 공기는 진공 포트 128을 통해 배기된 다음 주형 126 주위의 시이트의 윤곽을 그린다. 만들어지는 제품의 재료는 주형 126에 먼저 접촉하는 부분품의 중아에서 가장 두껍다. 생성물은 주형 126에 마지막으로 접촉하는 바깥 둘레 주위의 고-인장 지역에서 가장 얇다.

제16A-B도에 나타낸 직접 진공 성형은 암 진공 주형 130을 사용하는데 이것은 바로 통하는 진공 포트 132를 갖는다. 시이트는 암주형 130의 상단에 대해 압인된다. 주형 공동은 이후 진공 포트 132를 통해 배기되고 대기압이 물질을 공동의 측벽에 대해 밀어낸다. 이 성형 기법은 동일한 부분품이 수 주형 126상에서의 드레이프 성형에 의해 제조될 때 얻어지는 것과 근본적으로 반대인 물질 분포(가운데가 얇고 가장자리가 두꺼운)를 야기한다.

제17A-B에 나타내듯이, 드레이프 성형과 대조적으로 드레이프 진공 성형은 공동이 배기되기 전에 시이트의 가장 자리가 암 주형 130의 기부에 모두 압축되는 것을 제외하고 직접 진공 성형과 유사하다. 이것은 성형 공정에 더 나은 진공을 제공한다.

스냅백(snapback), 빌로우/에어 슬립(billow/air slip)과 빌로우 드레이프(billow drape)는 시이트가 주형과 접촉하기 이전에 시이트를 예비신장시킴으로써 수 주형상에서 만들어지는 제품의 벽 두께 균일성을 개선시키도록 설계된 다단계 진공 성형 기법이다. 아무것도 건드리지 않고서 공기중에서 시이트를 자유로이 늘이는 것은 물질을 균일하게 얇아지게 한다. 그 결과 시이트의 표면적이 주형의 표면에 더욱 근접하게 일치하도록 또한 증가한다.

제18A-B도에 나타낸 바와 같이 스냅백 진공 성형은 수 진공 주형 126에 연결된 상자 포트 136이 있는 진공 상자 134를 사용한다. 시이트는 진공상자 134에 대해 압인되고 시이트를 원하는 양으로 늘이기에 충분한 부분 진공이 상자 포트 136을 통하여 진공 상자 134로 실행된다. 수 진공 주형 126은 이후 오목한 시이트로 밀어진다. 진공 상자 134는 대기로 배출되고 진공이 수 진공 주형 126에 끌어 당겨진다. 다음 대기압이 수 진공 주형 126에 대해 물질을 밀어낸다.

제19A-B도에 묘사된 빌로우/에어-슬립 진공 성형은 수 진공 주형 126이 그 안에 움직일 수 있게 위치한 진공 상자 134를 사용한다. 시이트를 진공 상자 134에 대해서 압인한다. 상자 134는 압축된 공기로 눌려지며 시이트가 위로 물결쳐서 적절한 신장을 제공하는 방울을 만든다. 수 진공 주형 126을 볼록한 방울 속으로 밀어낸다. 진공 상자 134와 수 진공 주형 126이 이후 진공이 되고 시이트는 수 진공 주형 126에 대해 내몰린다.

빌로우 드레이프 진공 성형은 제20A-B도에 나타낸 바와 같이 방울을 시이트안으로 발포시키는 진공 상자 134를 사용하는 역(逆) 인장 기법이다. 진공 상자 134 반대편에 올려진 수 진공 주형 126이 볼록한 방울로 밀어내진다. 방울중의 공기가 조정된 방식으로 대기로 통기된다. 통기되는 공기의 양과 수 진공 주형 126에 의해 대체되는 공기의 양을 일치시킴으로써, 시이트 물질이 수 진공 주형 126에 대해 문지르거나 걸치게 된다. 수 진공 주형 126이 완전히 시이트를 관통할 때 수 진공 주형 126에 진공이 가해지고 진공 상자 134가 대기로 통기되어 성형 조작을 완결시킨다.

마개-보조와 빌로우/마개-보조/스냅 백은 암 주형으로 제조되는 부분품의 벽 두께의 균일성을 개선하기 위하여 설계된 다단계 진공 성형기법이다. 이것들은 더 많은 물질을 부분품의 고 건조 지역으로 몰아내는데 기계적 보조(마개)를 사용한다.

제21A-B도에 나타낸 마개 보조 진공 성형은 직접 진공 또는 드레이프 성형 기법과 함께 사용된다. 마개 140를 암 진공 주형 130 반대편의 금속판 142 위에 탑재한다. 시이트를 암 진공 주형 130에 대해 압인하고 진공을 끌어당기기에 앞서 마개 140가 암진공 주형 130으로 물질을 밀어낸다. 암 진공 주형 130이 진공이 될 때 물질이 마개 140에 의해 힘을 받아서 주형 공동에 대해서 몰아내진다.

빌로우/마개-보조/스냅 백 성형은 제22A-C도에 나타낸 바와 같이 몇가지 다른 성형 기법들을 조합한 것이다. 시이트는 암 진공 주형 130에 대해서 압인된다. 시이트를 신장시키기 위해 방울을 발포함으로써 주형 130이 눌려진다. 암 진공 주형 130 반대쪽에 탑재된 마개 140는 볼록한 방울 안으로 힘이 가해지고 방울중의 대체된 공기의 조절된 통기로 물질이 마개 140에 걸쳐지게 된다. 마개 140가 완전히 확장되면 암 진공 주형 130이 진공이 되고 물질이 마개 10에 의해 밀어내져 암 진공 주형 130 상으로 밀어진다.

압력 성형은 대기압 이외에 압축 공기를 사용한다. 압력은 통상적으로 약 40Pa 내지 약 200Pa 범위이다. 압력 성형은 필요한 압력을 가두어 두고 견딜 수 있는 압력 상자 안에 금속판 및/또는 주형을 갖춘 특별한 장치를 필요로 한다. 압력 성형은 전술한 임의의 진공 성형 기법에 사용할 수 있다.

제23A-C도에 나타낸 이중 시이트 성형 공정은 중공(中空) 부분품을 만든다. 두개의 시이트는 둘레 또는 접촉 표면이 일치하는 두개의 암 압력 주형 144 사이에 위치한다. 압 압력 주형 144를 둘러싼 공동은 동일할 수도 있고 또는 그렇지 않을 수도 있다. 암 압력 주형 144를 함께 모으고 주형이 만나는 곳에서 두개의 시이트를 함께 결합시킨다. 두개의 시이트는 종래의 성형 기법을 사용하여 동시에 압력 성형되거나 또는 연속적으로 진공 성형될 수도 있다.

첨부된 청구범위에서 사용된 "진공 성형 공정"이란 용어는 특별히 열거된 진공 성형 기법 이외에 압력 성형과 이중 시이트 성형 공정을 포함하는 의미이다. 다른 구체적인 예에서, 또한 물품의 표면 마감을 개선하기 위하여 상응하는 형태의 고체 다이들 사이에서 진공 형태의 물품을 연속하여 압축하는 것이 유리할 수도 있다.

F. 건조 시이트 성형 공정

건조 시이트 성형 공정은 혼합물이 시이트로 먼저 성형된다는 점에서 습윤 시이트 성형 공정과 유사하다. 그러나 건조 시이트 성형 공정에서 원하는 물품의 형성 이전에 시이트가 충분히 건조된다.

1. 압출과 압연

"건조 시이트 성형" 공정과 함께 사용되는 압출과 압연 방법은 모든 물질적인 면에서 습윤 시이트 성형 공정에서 바람직하게 사용되는 방법과 실제로 동일하다. 물론 공정 라인을 따라 다른 가공 장치를 사용하는 것이 압출 공정에서 약간의 변형을 필요로 할 수도 있으나, 이러한 변형은 전술한 내용에 비추어 당분야의 기술내에서 이루어진다.

2. 건조

압연 단계가 종종 성형가능한 시이트의 부분적인 또는 매우 상당한 건조를 일으키지만, 건조 시이트 성형 공정에서는 원하는 건조, 인장 강도와 인성 특성들을 얻기 위하여 시이트를 더 건조시키는 것이 바람직하다. 시이트를 건조시키는 바람직한 방법으로는 "양키" 롤러라고 당 분야에서 알려진 일련의 큰 직경의 가열된 건조 롤러를 사용하는 것이 있다.

일반적으로 한 쌍의 롤러가 정렬되어 있는 감축 롤러와 달리, 건조 롤러는 시이트가 각각의 롤러 표면을 차례로 통과할 수 있도록 개별적으로 정렬되어 있다. 이런 방법으로 성형가능한 시이트의 양면이 단계별로 번갈아 가며 건조된다. 시이트가 압연 공정중에 일반적으로 직선 경로로 감축 롤러들 사이를 통과하는 반면, 건조 단계에서는 시이트가 건조 롤러를 감싸고 통과할 때는 굴곡이 있는 경로를 따르는 것이 일반적이다.

제24도를 참조하면 시이트가 이중 오거 압출기 12로부터 압출될 때 형성된 시이트는 한 쌍의 감축 롤러 108를 통과한 다음 일련의 건조 롤러 146들을 지나간다. 첫번째 건조 롤러에 인접한 면은 다른 쪽이 공기에 노출된 반면 건조 롤러에 의해 가열된다. 가열된 시이트는 증기 형태로 물을 잃는데, 이것은 롤러의 옆면들 또는 롤러 반대편의 시이트의 표면에서 빠져나간다. 또한 증기는 시이트와 롤러 사이에 비접착성의 장애를 만든다. 시이트가 이의 경로를 따라 진행하면서, 두번째 건조 롤러상에 압연되는데 어기에서는 다른 면이 롤러 표면과 접촉하게 되고 건도된다. 이 공정은 시이트를 원하는 정도로 건조시키기 위하여 필요한 단계만큼 계속될 수도 있다.

건조 롤러의 온도는 특정 롤러를 통과할 때의 시이트의 습기 함량을 포함한 수 많은 요인에 좌우된다. 어느 경우에든, 건조 롤러의 온도는 약 300℃ 미만이어야 한다. 유기 성분(레올로지 조절제 또는 섬유같은)의 파괴를 방지하기 위하여 성형가능한 혼합물은 250℃이상으로 가열되어서는 안되나, 물이 증발되면서 물질을 냉각시킬 수 있는 혼합물내의 적당한 물이 있는 한 상기 온도 이상으로 가열된 롤러를 사용할 수도 있다. 그럼에도 건조 공정중에 물의 양이 감소됨에 따라 물질의 과열을 방지하기 위하여 롤러의 온도를 낮추어야 한다. 어떤 경우에는 건조 롤러와 함께 적외선 건조 장치를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.

일부의 경우, 전술한 건조 공정이 시이트가 원하는 물품을 만드는데 사용되거나 또는 다른 방법으로 스풀(spool)에 감기거나 또는 필요할 때까지 시이트로 적재되기 이전의 마지막 단계이다. 다른 경우 특히 더 부드럽고, 더 종이같은 마감이 요구되는 시이트에서, 상기 건조 공정에 압착 단계 및/또는 마감 단계를 포함하는 자세히 후술되는 하나 이상의 추가 단계가 뒤따른다. 압착의 경우, 선택적인 압착 단계중에 성형가능한 매트릭스의 파열을 방지하기 위하여 시이트에 약간량의 수분을 남겨주는 것이 일반적으로 바람직하다.

3. 선택적인 마감 공정

많은 경우, 최종 두께, 내성과 표면 마감을 얻기 위하여 성형가능한 시이트를 압착하는 것이 바람직할 수도 있다. 또한 압착 공정은 성형가능한 매트릭스 내의 원치않은 공극을 제거하는데 사용된다. 제25도를 참조하여 시이트가 건조 공정중 충분히 건조된 후 한쌍의 압착 롤러 148 사이를 임의로 통과할 수도 있다. 압착 공정은 일반적으로 높은 밀도와 강도, 적은 표면 결함과 더 작은 두께의 시이트를 만든다. 압착 롤러의 압착력의 양은 시이트의 특정 특성에 대응하도록 조절될 수 있다.

시이트를 더 연장시키지 않고 그리고 구조 매트릭스를 망가뜨리지 않고서 압착을 수행하기 위하여 시이트가 최적 범위내의 물을 함유하도록 건조 공정을 조절하는 것이 중요하다. 시이트에 너무 많은 물이 함유되면, 압착 롤러는 감축 롤러와 유사한 방식으로 시이트를 연장시킨다.

다른 한편으로 시이트에 너무 적은 물이 함유되면 압착 단계에서 구조 매트릭스가 파쇄됨으로써 약한 시이트가 만들어진다. 파열이 미세하고 육안으로 보이지 않을지라도 구조 매트릭스의 파열은 시이트의 최종 강도를 감소시킨다.

압착 공정(하나 이상의 압착 단계를 포함하는)은 통상적으로 약간 축축한 시이트에서 수행되므로, 압착 단계 후에 전술한 건조 공정과 유사한 방식으로 시이트를 더 건조시키는 것이 통상적으로 바람직하다. 상기 임의의 건조 단계는 선택적인 건조 롤러 149(제24도에 나타낸 바와 같이), 건조 채널 또는 이들 두가지를 조합하여 사용함으로써 수행될 수도 있다. 그럼에도 시이트가 물품을 만드는데 즉시 사용되거나 새김 눈을 긋거나 또는 약간 축축한 시이트를 갖는 것이 유리한 경우와 같이 일부 경우에서는 시이트를 두번째 건조 단계를 거치지 않고서 더 가공할 수도 있다.

또한 한 쌍 이상의 마감 (또는 "광택") 롤러 150 사이로 시이트를 통과시킴으로써 성형가능한 시이트의 표면을 더 변화시키는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어 한면 또는 양쪽 면이 매우 부드럽거나 광택이 있는 시이트를 만들기 위해서 시이트가 한쌍의 단단한 롤러와 부드러운 롤러 사이를 통과할 수도 있다(제26도). "단단한 롤러"라는 용어는 잘 연마된 표면을 갖으며 단단한 롤러와 접촉하는 시이트의 면을 매우 부드럽게 하는 롤러 152를 지칭한다. "부드러운 롤러"라는 용어는 시이트가 단단한 롤러와 부드러운 롤러 쌍을 통하여 끌려올 수 있도록 부드러운 롤러 154와 시이트 사이에 충분한 마찰을 일으킬 수 있는 표면을 갖는 롤러 154를 지칭한다. 이것은 단단한 롤러 152가 통상적으로 건조된 시이트를 한 쌍의 단단한 롤러를 통해서 끌어내기에는 너무 매끄러우므로 필수적이다. 그 외에 단단한 롤러 152의 약간의 미끄러짐은 시이트 표면상의 입자들을 정렬시키는데 유리하다. 마감 공정은 시이트 표면에 물을 분무하고 및/또는 표면을 점토, 탄산칼슘 또는 당분야의 일반 기술자들에게 공지된 다른 적절한 피복 물질로 피복함으로써 임의로 용이하게 할 수 있다.

또한 성형가능한 시이트를 반 투명 또는 투명한 시이트로 가공하는 것이 바람직할 수도 있다. 불투명성을 감소시키고 반투명 또는 투명 시이트를 만드는 한가지 방법은 시이트내의 공기 공극 부피를 감소시켜 빛의 굴절을 감소시키기에 충분한 압력으로 한쌍 이상의 롤러들 사이에 시이트를 통과시키는 것이다. 다른 방법은 시이트가 한쌍의 단단한 롤러와 부드러운 롤러를 통과하는 전술한 방법으로 잘 연마된 표면을 만든다. 또한 시이트의 불투명성을 감소시키는 상기 방법들을 조합하여 사용할 수 있다.

다른 구체적인 예에서, 마감 롤러는 그물 모양 또는 체크 무늬의 표면 같은 원하는 질감을 부여한다. 원하는 경우 롤러는 시이트의 표면에 상표 또는 다른 디자인을 새길 수 있다. 비치는 무늬를 낼 수 있는 특별한 롤러는 단독으로 또는 상기 다른 롤러들과 조합하여 사용될 수 있다.

시이트 성형 공정이 완성되면, 경화된 또는 반경화된 시이트는 문제의 물품을 제조하는 장소에서 즉시 사용된다. 한편, 시이트들은 필요에 따라 예를 들어 커다란 두루마리 151(제25도) 또는 스풀, 또는 각 시이트를 적재한 더미로 물품을 제조하는 장소에 보관된 다음 선적 또는 운송될 수도 있다.

4. 시이트의 선택적 가공

전술한 방법에 따라 준비된 실질적으로 건조된 시이트는 시이트의 원하는 특성에 따라, 차례로 시이트의 궁극적인 사용 의도에 따라 추가의 단계를 거칠 수도 있다. 이들 선택적인 공정들은 박판, 파상, 새김눈, 천공, 크레이프 가공, 양피질화 또는 이들의 조합을 포함한다.

(a) 라미네이팅(laminating)가공

시이트를 라미네이팅함으로써 다양한 특성들이 부여될 수 있다. 본 명세서와 청구범위에서 "층상 시이트" 또는 "층상"(명사로 사용)이라는 용어는 적어도 한 층이 시이트인, 두 개 이상의 층을 갖는 시이트를 의미한다. "박층물질" 또는 "박층"이라는 용어는 시이트 또는 다른 물질 둘다를 포함하는 층상 시이트의 임의의 구성층을 의미한다. 층이 임의로 조합된 층상은 층상의 한개의 층이 시이트인 버위에서 본 발명의 범주에 속한다. 층상은 적어도 두 개의 층을 함께 더하고, 결합시키거나 또는 다른 방법으로 접합시켜 만든다. 층상의 두께는 층상의 의도하는 특성의 본질에 따라 변할 수도 있다.

시이트를 포함하는 층상의 층에 결합, 접착 또는 다른 방법으로 접합된 박층물질로는 다른 시이트, 두 개가 함께 적층되었을 때 시이트에 바람직한 특성을 부여하는 물질, 피복제 또는 접착제로 후술되는 물질, 또는 이것들을 조합한 것이 포함된다. 시이트의 특성을 증진시키는 물질로는 유기 중합체 시이트, 금속 포일 시이트, 탄성 중합체성 시이트, 플라스틱 시이트, 셀로판 시이트, 나일론 시이트, 밀랍 시이트, 그리고 금속화된 필름 시이트를 들 수 있다.

종래의 라미네이터는 시이트를 다른 층과 결합시키는 데 사용된다. 또한 두개 이상의 시이트 또는 다른 물질을 갖는 시이트를 함께 압축시킴으로써 층상을 만들 수도 있다. 본 발명의 범주내의 층상은 시이트를 다른 층 또는 층들과 접착제를 사용 또는 사용하지 않고서 결합시킴으로써 형성된다. 시이트와 다른 층 사이(또는 층상의 다른 층들사이)의 결합은 약간 매달린 상태에서 부터 시이트 또는 물질이 결합되는 강도를 초과하는 결합에 까지 이른다.

개개의 박층사이의 효과적인 결합을 성취하기에 시이트가 충분히 "가공전"인한, 시이트는 접착제를 사용하지 않고서 다른 층에 결합될 수 있다. 수용성 물질을 함유하는 층상의 층들은 약간 축축한, 또는 다시 축축하게한 시이트에 접착될 수도 있다. 결합은 습윤-결합 라미네이팅, 건조-결합 라미네이팅, 열 라미네이팅과 압력 라미네이팅을 포함한 다른 공정을 통해 접착제를 사용하여 형성된다.

시이트와 다른 층의 습윤-결합 라미네이팅은 두 개의 층을 함께 결합시키는데 임의의 액체 접착제를 사용한다. 습윤-결합 라미네이팅에 쓰이는 유용한 천연 수용성 접착제로는 식물성 전분-기재 접착제, 단백질-기재 접착제, 동물성 아교, 카제인과 천연 고무라텍스가 있다. 유용한 합성 수용성 접착제는 일반적으로 물에서의 폴리(비닐 아세테이트)입자의 안정한 현탁액같은 수지 에멀션을 포함한다. 수용성 접착제는 향, 맛, 색과 독성이 적으며, 접착력이 광범위하고, 탁월한 숙성 특성을 갖는다. 열가소성 중합체는 용융된 상태에서 도포되고, 냉각되면서 경화되는 열성-용융(hot-melt)접착제로서 유용하다. 열성-용융 접착제는 일반적으로 다른 접착제보다 빨리 경화된다. 유용한 용매-용해성 접착제로는 폴리우레탄 접착제, 용매-용해성 에틸렌-비닐 아세테이트 시스템과 압력에 민감한 다른 고무 수지가 있다.

또한, 포일 인박(foil stamping)에 의해 층상을 만드는 것은 본 발명의 범주에 속한다. 포일 인박은 도안된 장식효과를 얻기 위하여, 운반체 필름으로 부터 시이트 또는 물품으로 얇은 금속의, 또는 색소를 띤 피복제를 전달하는데 열과 압력을 사용한다. 상기 기법은 반사되고, 광택이 있으며 융기된 표면의 층상을 얻기 위해 엠보싱과 조합하여 사용할 수 있다.

(b) 파상가공

골판지와 유사한 방식으로 시이트를 주름지게 하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 바람직하게는 반 건조 상태에서의 시이트를 제27도에 나타낸 한쌍의 파상 롤러사이에 통과시킴으로써 수행된다. 시이트의 수분 함량은 파상 가공이 성형가능한 매트릭스에 해를 주지 않도록 조절되어야 한다. 시이트가 너무 건조하면, 파상 가공은 성형가공한 매트릭스에 해를 주고, 심지어 경우에 다라서는 시이트의 찢어짐과 갈라짐을 야기할 수도 있다. 역으로, 시이트가 너무 수분이 많으면, 주름진 시이트는 주름진 형태를 유지하는데 필요한 가공전 강도가 부족할 수도 있다. 시이트내의 물은 바람직하게는 부피비로 약 1%와 20% 사이, 더욱 바람직하게는 약 3%와 15% 사이, 그리고 가장 바람직하게는 약 5%와 10% 사이이다.

주름진 시이트는 단일 시이트로 사용되거나 또는 전술한 층상을 만들기 위하여 다른 시이트와 조합하여 사용할 수도 있다. 주름진 시이트는 단일 평면 시이트 또는 다른 물질로 부터 형성된 시이트와 적층됨으로써 "단일면(single-face)"주름진 시이트를 만든다. 두 개의 평면 시이트 사이에 주름진 시이트를 끼워 넣음으로써 "이중-면"시이트를 만든다. 다중벽 주름진 시이트는 평면과 주름진 층을 번갈아 있게 함으로써 만들어질 수 있다. 단일면, 이중면 다중벽 주름진 시이트는 상대적으로 밀도가 낮고, 상대적으로 강성과 압축강도가 높다. 이것들은 상기 특성들을 필요로하는 용기와 포장물질 같은 어떤 물품에든지 사용할 수 있다.

단일 주름진 시이트의 강도와 유연성은 직선 길이당(피트) 주름 또는 홈의 수를 바꿈으로써 변화될 수 있다. 직선 길이당 홈은 더 유연한 시이트를 만들기 위해서 증가될 수도 있고, 또는 완충능력이 높은 강한 시이트를 얻기 위해서 홈이 감소될 수 있으며, 또한 다중벽 주름진 시이트는 직선 길이당 홈의 수가 다른, 두 개 이상의 주름진 시이트로 만들어질 수 있다.

새김눈, 새김선과 천공(자세히 후술됨)에 대해 주름진 시이트의 각각의 홈은 시이트가 더욱 자연스럽게 구부려지거나 접혀지는 위치가 된다. 그러나 시이트는 홈의 열에 대해 직각인 방향에서 실제로 더 뻣뻣하고, 강하다. 따라서 용기 또는 다른 포장 물질같은 물품은 주름진 시이트에 필요한 경우 최대의 유연성과 물품이 쌓이는 것과 같은 경우 최대의 강성을 주도록 만들어져야 한다.

또한, 자세히 후술되는 피복이 파상 가공의 일부로 실시될 수도 있다. 특히 밀랍과 폴리에틸렌같은 피복제는 파상기에서 뜨거운 롤 제피기로 도포될 수 있다. 또한, 물품으로 전환되기 이전에 파상된 공백면(blank)을 커어튼 피복함으로써 피복제를 도포할 수 있다. 주름진 시이트와 관련된 다른 유용한 피복 공정으로 밀랍같은 피복제에 완성된 물품을 담금질하거나, 또는 주름진 물품 홈을 통해서 그리고 주위에 상기 피복제를 캐스케이드(cascade)하는 것이 포함된다.

(c) 새김눈과 천공공정

어떤 경우에는 시이트가 접히거나 굽혀지는 선을 명시하기 위해서 시이트에 새김눈을 긋거나, 새김선을 새기거나, 또는 천공하는 것이 바람직할 수도 있다. 새김선을 새길 때는 스코어 프레스(score press)에 장착된 칼날 재단기 156(제28도)를 사용하거나 제29도에 나타낸 연속 다이 재단 롤러 158을 사용한다. 다른 방법으로, 새김눈(새김선을 새기는 것이 아니라)은 제30도에 나타낸 원형 새김눈 다이, 또는 자 160을 사용하여 시이트에 눌려진다. 새김눈 계수기의 홈 안으로 변형시킨다. 마지막으로, 천공은 제31도에 나타낸 천공 재단기를 사용하여 이루어진다.

시이트의 섬유 함량이 상대적으로 낮은 경우 (전체 고체에 대한 부피의 15% 미만), 시이트에 새김눈 압착을 하기 보다는 새김선을 새기는 것이 바람직하다. 역으로, 시이트의 섬유함량이 상대적으로 높은 경우(전체 고체에 대한 부피비로 15% 이상), 시이트에 새김눈을 긋는 것보다는 새김눈 압착을 하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 천공은 일반적으로 섬유함량에 관계없이 시이트에 잘 이루어진다.

새김눈, 새김선 또는 천공의 목적은 시이트상에서 구부려지거나 접혀지는 위치를 만드는 것이다. 이것은 새김눈이나 천공이 되지 않는 시이트보다 훨씬 굽히기 쉽고, 탄력이 있는 시이트내의 "경첩"을 만든다. 어떤 경우에는 다수의 새김선 또는 천공이 바람직할 수도 있다. 또한 새김눈 또는 크레이핑은 더 구부리기 쉬운 시이트를 만드는데 사용된다. 상기 기법들은 또한 경첩의 형성에도 사용된다.

시이트내에 새김선을 새기거나 천공하는 것은 여러가지 이유로 인하여 더 나은 접힘선 또는 경첩을 만든다. 첫번째로, 시이트가 자연스럽게 굽어지거나 접힐 수 있는 여유분을 제공한다. 두번째로, 새김눈을 재단하면 새김선에서 시이트가 시이트의 남은 다른 부분보다 얇아지며, 이것은 시이트를 구부리는 동안 표면의 길이 신장의 양을 감소시킨다. 세번째로, 새김선 또는 천공은 성형가능한 매트릭스에 파열이 일어난 경우, 성형가능한 매트릭스내에서의 금이 가는 것을 조절한다.

새김선 또는 천공 부위에 더 많은 섬유를 집중시키는 것이 바람직한 경우도 있다. 이것은 섬유함량이 높은 성형가능한 물질의 두번째 층을, 새김선 또는 천공부위에 맞추어 미리 정해진 시간 간격으로 같이 압출시킴으로써 이루어 진다. 또한, 압출 또는 압연 공정중 원하는 위치에 더 많은 섬유가 집중되도록 섬유들을 시이트위에 배치하거나, 또는 내부로 주입하기도 한다. 주름진 시이트를 새김눈 할 때, 홈 방향에 수직인 방향에서 주름진 시이트에 새김눈을 새기는 것이 일반적으로 바람직하다.

새김눈 또는 천공 공정중에 시이트는 충분히 건조되거나 또는 반건조된 상태임이 바람직하다. 습한 물질들이 새겨진 틈에 유입되어 그 틈을 매우는 것을 방치하는 것이 바람직하다. 새김은 일반적으로(천공은 항상) 성형가능한 매트릭스 일부의 재단을 포함하므로, 새김과 천공공정이 시이트를 손상시키지 않고서 시이트를 완전히 건조시킬 수도 있다. 그러나, 새김이 시이트 표면에 재단되기보다 압축되는 경우에는 시이트에 성형가능한 매트릭스의 파괴로 인한 파열을 방지하기에 충분한 수분이 있어야 한다.

새김선의 깊이는 일반적으로 새김의 종류, 시이트의 두께와 새김선을 따라 접히는 접힘의 원하는 정도에 따라 결정된다. 새김선은 원하는 깊이의 새김을 제공하도록 조정되어야 한다. 물론 다이 재단기는 시이트를 정확히 재단하거나 너무 얇아서 예측되는 힘을 견디지 못하는 것을 방지하도록 (쉽게 찢어지는 새김이 요구되지 않는한) 너무 크지 않도록 한다. 새김선의 깊이는 목적에 적합한 정도로 하는 것이 바람직하다. 굽힘 동작의 범위를 증가 시켜야 할 경우에는 시이트의 어느 한쪽 면에 새김선을 새기는 것이 바람직할 수도 있다.

얇은 시이트(<1mm)에 새김선을 새기는 대부분의 경우, 시이트의 총 두께에 대한 새김선의 깊이는 바람직하게는 약 10% 내지 약 50%, 더욱 바람직하게는 약 20% 내지 약 35% 범위내이다. 시이트가 두꺼운 경우에는 시이트의 굽힘성이 감소되므로 통상적으로 새김선도 깊어진다.

본 발명의 시이트는 새김눈이 시이트의 표면에 압축되는 것은 안쪽으로 굽히는 반면, 새김선을 새기거나 또는 천공의 경우에는 바깥쪽으로 구부려짐을 이해해야 한다. 즉, 새김선을 새기거나 또는 천공에 의해 표시된 시이트의 면과 새김선과 천공의 반대쪽면이 가깝게 된다. 역으로, 종래의 종이 또는 판지 제품과 같이 시이트 표면에 새김눈이 압축된 수경성 시이트의 경우, 새김눈이 있는 면끼리 서로 가깝게 된다.

(d) 크레이프 가공과 양피질화 가공

갑작스러운 변형율에서 에너지를 흡수할 수 있는 고도로 확장 가능한 시이트를 제공하기 위하여 시이트를 다른 방법으로 기존의 종이와 매우 유사하게 크레이프할 수 있다. 크레이프된 시이트는 선적용 자루의 제조에 더욱 중요하다. 종래의 크레이프 가공은 제지 기계의 습착부분(습윤 크레이프), 또는 양키 건조기(건조 크레이프)로 수행된다. 습윤 또는 건조 크레이프 가공 공정의 정확한 변수는 본 발명의 시이트와 나무 종이에서 다르지만, 당 분야의 전문가라면 크레이프된 시이트를 얻기 위해 크레이프 가공 공정을 어떻게 조정해야 하는지 알 수 있다.

시이트 매트릭스의 섬유성 표면 부분을 양피화하기 위하여 시이트를 강산으로 처리한다는 사실을 발견하였다. 예를 들어, 시이트를 진한 황산으로 처리하면 섬유소성 섬유가 거대하게 팽창하고, 부분적으로 용해된다. 이 상태에서 가소된 섬유들은 공극에 근접하게 되어 주위의 공극을 채우고, 이들 사이에 더 긴밀한 접촉을 하게 되어 더욱 확장된 수소 결합을 이룬다. 물 세척은 재침전과 망상조직의 통합을 가져오는데 이것은 습할 때 더 겅하고, 보푸라기가 없고, 무향, 무미하며 유지와 오일에 내성을 갖는 섬유를 만든다. 양피의 자연적인 인장 인성과 습윤 크레이프 가공에 의해 부여되는 확장성을 조합함으로써 충격을 흡수하는 능력이 큰 종이를 만들 수 있다.

본 발명에서 시이트의 섬유 함량이 높을수록 양피질화 가공은 더 잘 수행된다. 섬유 함량의 증가는 공극을 메우고 섬유들의 수소 결합을 증가시키는 것을 용이하게 한다. 그러나, 탄산칼슘과 같은 산에 민감한 특정 혼합재는 시이트를 양피질화 가공하는 경우, 사용이 불가능함을 이해하여야 한다.

[Ⅴ. 상당히 건조한 시이트로부터 물품의 제조]

전술한 방법을 사용하여 매우 다양한 특성을 갖는 광범위한 시이트의 제조가 가능하다. 매우 얇고, 유연하며, 가벼운 시이트가 요구되는 경우에 시이트는 약 0.1mm 또는 그 미만으로 얇을 수 있다. 또한 상대적으로 두껍고 강하며 뻣뻣한 시이트가 요구되는 경우, 시이트는 약 1cm로 두꺼울 수도 있다. 또한, 시이트의 밀도는 낮게는 약 0.6g/cm³에서 높게는 2g/cm³에 이른다. 일반적으로 저밀도의 시이트가 단열성이 좋은 반면, 고밀도의 시이트는 강도가 더 강하다. 경제적으로 용이한 방식으로 시이트를 제조할 수 있는 가격에서 원하는 특성의 시이트를 생산하기 위해 특정 시이트의 정확한 두께와 밀도는 미리 설계되어야 한다.

본 발명의 시이트는 종이 또는 판지가 사용된 어느 용도에서든 사용될 수 있다. 또한 성형가능한 물질의 독특한 특성으로 인해 현재 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 심지어 금속을 필요로 하는 여러가지 물건을 만드는 것이 가능하다. 특히 본 발명의 시이트는 전술한 시이트와 용기들을 제조하는데 사용할 수 있다.

시이트를 적당한 제품으로 만드는 것은 일반적으로 시이트로부터 적당한 공백면을 재단하여 용기를 포함한 원하는 제품으로 전환시킨다. 공백면을 원하는 물품으로 전환시키는 것은 접기, 감기, 회선시킴, 나선모양으로 감기, 성형, 각각의 공백면들의 조립, 행낭 만들기와 이들의 조합에 의해 이루어진다. 또한 전환 공정은 접착제를 사용한 물품의 일부를 주름내기, 압력 가하기, 용접밀봉, 일부를 다시 축축하게 하고 압력 가하기, 스테이플링(stapling), 두드림, 바느질 또는 이의 조합을 포함한다. 패셔닝(fashioning) 공정중 시이트를 다시 축축하게 하는 것은 유연성을 개선하고 시이트의 찢어짐을 방지하는데 도움이 될 수도 있다.

개시된 본 발명의 시이트를 후술하는 물품의 특정 구조 형태 뿐만이 아니라 제품으로 패셔닝하는 방법은 실시 예로 주어지며 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 범주에는 시이트를 종이, 카드, 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속같은 종래의 물질로부터 만들어지는 용기와 다른 포장 물질을 포함하는 제품으로 전환시키는 당 분야에 현재 공지된 모든 기술이 포함된다. 기존의 장치, 자동화 공정과 반자동화 공정을 이용하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.

시이트를 적당한 공백면으로 재단하는 것은 프레스위에 자착된 칼날 재단기, 연속 다이 재단 롤러, 재단용 다이와 가위장치같은 당 분야에 알려진 방법을 사용하여 수행된다. 또한 재단은 일부 물품에 창을 만드는데 유용하다. 재단은 또한 플랩(flap)을 만들기 위해 시이트의 일부를 제거함으로써 골판지 상자를 만드는데 유용하다. 상기 형태의 절단을 "슬로팅(slotting)"이라 한다.

공백면의 밀봉은 적어도 두 부분의 시이트 또는 공백면을 접촉시킨 다음 통합, 결합, 합병, 연결, 접속, 또는 접착제를 사용한 봉인, 주름내기, 압력 가하기, 용접밀봉, 일부를 다시 축축하게 하고 압력 가하기, 스테이플링(stapling), 두드림, 바느질 또는 이의 조합을 포함한다. 밀봉은 접기, 감기, 회선시킴, 나선 모양으로 감기, 성형, 조립, 행낭만들기 같은 전환공정들을 조합하여 사용할 수 있다.

A. 접기

시이트 또는 공백면을 원하는 물품으로 전환시키는 방법의 하나는 굽히기, 겹치기, 경첩 만들기, 주름살 잡기, 주름 잡기, 개더주름 잡기, 접기 또는 시이트 공백면으로부터 기계적 연동 장치를 만드는 것을 포함하는 의미인 "접기"이다.

접기에 의해 시이트 또는 공백면으로 만들 수 있는 물품은 종이 상자, 상자, 골판지 상자, 경첩이 있는 "조개모양" 용기(햄버거와 같은 패스트 푸드의 경첩이 있는 샌드위치 용기와 경첩이 있는 샐러드 용기 포함), 건조 씨리얼 상자, 우유팩, 과일쥬스 용기, 음료 운반용기, 아이스크림 상자, 주름진 컵, 원추형 컵, 패스트 푸드에서 사용되는 감자 튀김 용기, 패서트 푸드 포장 상자, 한 면이 열린 봉지와 봉투등이 있다.

제32C도에 나타낸, 봉합된 종이상자 같은 공백면을 물품으로 전환시키는 자동 공정은 공백면을 매거진(magazine)안으로 적재시킴으로써 시작된다. 미리 구부려진 새김눈을 구부리는데 필요한 힘이 크게 감소되므로 새김선을 예비 절단하는 것이 공백면의 전환을 보조한다. 이후, 공백면을 접고, 임의의 밀봉방법으로 양쪽을 밀봉하여 제32B도에 나타낸 것과 같은 중간단계의 외곽틀 또는 관을 형성한다.

B. 회선감기

시이트 또는 공백면을 용기 또는 내부 공간을 정의하는 벽을 가진 다른 물품으로 변환시키는 방법으로 "회선(回旋) 감기"가 있다. 회선(回旋) 감기에 의해 형성된 제품은 원형 단면, 타원형 단면, 모서리가 둥근 직사각형 단면, 직사각형 단면등의 다양한 단면을 갖는다.

시이트 또는 공백면들이 회선(回旋) 감기에 의해서 만들어내는 물품에는 농축 냉동 쥬스, 포테이토 칩, 아이스크림, 소금, 세제, 자동차 오일 등의 제품을 위한 용기, 컵, 캔, 우편용 관, 포장지, 옷감, 페이퍼 타월, 화장지 등의 재료를 감아두기 위한 시이트 두루마기, 레코드의 쟈켓, 빨대 등이 있다.

공백면의 회선(回旋)감기는, 일반적으로, 굴대에 공백면을 굴리거나 감싸주고 나서 겹치는 양 끝을 밀봉시켜줌으로서 수행된다. 겹쳐지는 양 끝을 밀봉시키기 위해서, 상기 서술된 밀봉방법이 모두 활용가능하다. 요구되는 물품에 따라서 성형가능한 물질 또는 다른 물질들로 형성된 다양한 접합수단의 활용이 가능하다.

회선으로 굴려진 물품의 제조를 위해 상기 서술된 일반적 방법을 포함하여, 기존의 기술된 모든 방법에 의해 컵의 제조가 가능하다. 본 발명의 범위안에서 바람직한 두조각 컵의 제조 방법은, 시이트로부터 제33a도에 제시된 바와 같이 두 공백면, 측면 공백면과 밑바침 공백면, 을 재단하는 것이다. 제33b도에 제시된 바, 측면 공백면은 회선으로 감기어 컵의 측면을 형성하고 밑바침 공백면은 컵의 바닥을 형성한다. 회선으로 감긴 컵의 측면은 원통형의 관이며, 밑바침은 마감 수단의 형태이다.

자동 공정은 일반적으로 다음의 과정들로 구성된다: 시이트로 부터 측면 공백면과 밑바침 공백면을 재단한다 : 굴대의 자유로운 한 쪽 끝에 바닥 부분의 공백면을 갖다대고 지탱시킨다 : 측면 공백면으로 굴대 주위를 감싼다 : 측면 공백면의 직선 끝이 서로 겹치도록 한다 : 겹쳐지는 끝을 밀봉 또는 고착시킨다 : 밑바침 공백면의 가장자리를 컵의 회선된 기재의 기저에 밀봉 또는 고착시킨다. 또한 컵의 입구에 입술 가장자리를 만드는 입술 형성 장치도 활용가능하다.

제34도에 제시된 자동화된 컵 형성장치는 다수의 굴대 166를 갖는 회전 색인 장치 164를 포함한다. 굴대는 회전 색인 장치의 바깥 쪽으로 펼쳐져 있으며, 한쪽의 평평한 면을 갖으며 바깥 쪽을 향하는 반면, 다른 쪽 끝 166은 굴대 164에 붙어있다. 이 장치는 밑바침 공백면을 형성하고 밑바침 공백면을 입력시키는 밑바침 공백면 공급기 168를 포함한다. 밑바침 공백면 공급기 194는 밑바침 공백면 163을 굴대 166의 평평한 면에 배치시킨다. 측면 조각 공급기 196는 장치 164가 적절히 회전하여 굴대 166를 찾은 후 측면 공백면 163을 굴대에 공급한다. 고정 틀 170은 후속의 형성 과정을 위해서 측면 공백면 163을 굴대 166에 고정시킨다. 장치 164의 색인은 측면 공백면 163이 공급된 굴대 166를, 겹쳐질 측면 공백면 163의 양 끝을 적셔주거나 또는 접착재 또는 폴리에틸렌과 같은 피복제를 발라주는, 접합 준비 장치 172로 이동시킨다.

장치 164는 차례대로 회전하며, 측면 공백면 회선감기 장치 174가 굴대 166에 측면 공백면 163을 회선시켜 물품의 측면을 형성하도록 한다. 회선된 측면은 완성된 컵의 입구와 기재에 해당하는 입구와 기재를 갖는다. 장치 164는 기재 및/또는 밑바침 공백면 165의 가장자리를 적셔주거나 또는 접착제 또는 피복제를 발라주는 바닥 형성 준비 장치 176를 향해서 계속 회전한다. 그 후 장치 164는 기재 부분과 밑바침 공백면의 가장자리를 붙여서 고착시켜주는 바닥 형성 장치 178로 회전한다. 바닥이 형성된 후, 컵은 이탈되고 굴대 166는 밑바침 공백면 공급기 168로부터 밑바침 공백면 165을 얻기 위하여 회전한다. 이러한 작동 과정이 반복된다.

컵의 입구에 입술을 형성하기 위한 부가 공정에 컵을 투입하기도 한다. 가장자리 형성의 한가지 방법은 컵의 입구를 바깥 쪽으로 신장하여 입구 주위에 입술을 형성하는 방법이다. 이 방법에서, 컵은 컵의 바닥이 형성된 후 굴대 166로부터, 또 다른 색인 회전 장치 182에 의해 방사상으로 펼쳐진, 복수의 물품 수집기 180로 이탈하게 된다. 수집기 180안으로 컵을 이탈시킬 때, 컵의 바닥이 아닌 입구가 바깥 쪽을 향하도록 컵을 위치시킨다. 컵의 입술은 입술형성장치 184에 의해서 계속적으로 형성되고 이탈된다. 입술형성장치 184는 수집기 180과 컵의 입구에 구슬선을 형성할 수 있도록 압착해 주는 수다이 상에서 보출 도안을 할 수도 있다.

C. 나선형 감기

시이트 또는 공백면을 원하는 제품으로 전환시키는 또 다른 방법으로 회선(回旋)감기와 유사한 "나선(螺旋)형 감기"가 있다. 나선형 감기는 시이트 또는 공백면을 나선형으로 회전시키며, 원통 또는 원추형 형태를 가진 물건으로 변환시킨다. 더 큰 강도를 주기 위해서, 연속적인 섬유 또는 홑 섬유 감기가 요구되는 경우도 있다. 상기 서술된 컵의 경우에 사용되는 접합수단을 포함하여, 다양한 접합수단이 나선형 감기에 적용가능하다.

D. 건조 압축

"건조 압축"이란, 시이트 또는 공백면에 측력을 가하여 형태를 만들어, 시이트 또는 공백면을 원하는 물건으로 전환하는 방법이다. 시이트 또는 공백면들을 건조 압축하여 만들 수 있는 물건들은 접시, 판매용 접시, 파이 접시, 쟁반, 제과용 쟁반, 대접, 조반용 쟁반, 마이크로웨이브용 저녁식사 쟁반, "TV"시청용 저녁식사 쟁반, 달걀 팩, 식육 포장 접시, 식기, 뚜껑 등이다.

시이트 또는 공백면은 원하는 형태의 수다이와 수다이에 상응하는 형태를 가진 암다이 사이에서 성형된다. 공백면 또는 시이트의 일부를 다이들 사이에서 압축시키면, 시이트는 다이에 상응하는 형태를 가진 물품을 형성한다. 고체의 단편 다이들 (수다이와 암다이가 각각 고체의 단편을 구성함)은 사용이 용이하고 경제적이기 때문에 바람직한 반면, 대체되는 다이들은 분리 다이, 전진 다이, 조립식 다이 등을 포함한다. 이 공정은 시이트가 현재 건조하다는 점을 제외하고는 습윤 시이트 성형 공정과 유사하다. 그 결과, 시이트는 유연성이 더 적고 습윤 시이트같이 팽창되거나 흐를 수 없다.

E. 조립

시이트 또는 공백면을 원하는 제품으로 전환시키는 또 다른 방법으로 "조립"이 있다. 접기, 회선 감기, 나선형 감기, 또는 성형에 의해서 만들어지는 많은 물품들은 여러가지 공백면 또는 단편들을 완성된 물품을 만들기 위하여 조립하는 것을 포함할 수도 있다. 일차적으로나 또는 전체적으로 공백면들을 조립하여 시이트 또는 공백면들로부터 만들어내는 제품에는 고정된 조립 상자, 카드 포장 용기, 용기내부에 삽입되는 내부지 등이 있다. 시이트로 형성되는 고정된 조립 상자는 일반적으로 접히지 않으며, 얇은 장식용 덮개 시이트로 덮는 경우도 있다. 담배 상자, 분말 상자, 화장품 상자들이 이에 포함된다.

고정된 상자들은 단순히 적합한 공백면을 재단하고 공백면들을 모아 조립함으로서 형성이 가능하다. 공백면들을 접기 위해서 공백면에 새김선을 긋는 경우도 있다. 상자 본체 공백면과 뚜겅 공백면의 코너 또는 일부에 코너 재단기를 사용하여 금을 그어, 공백면들이 조립되었을 때, 상자 본체의 바닥 또는 측면과 뚜껑에 코너를 만든다. 공백면들을 조립하여 형성한 코너에 시이트 또는 다른 재료로 재단된 작고 얇은 버팀 조각을 대어 유지시켜 주며 각 코너 주변에는 접착제를 바른다.

카드 포장 용기는 특히 제품의 시각적 전시에 유용하다. 본 발명의 카드 포장 용기는 시이트로 재단된 보조 카드와 플라스틱 또는 투명한 시이트로 형성된 덮개를 조립함으로서 형성이 가능하다. 카드 포장 용기는 점심 식사용 식육제품, 사무실 용품, 화장품, 철물 용구, 장난감등을 포함하는 많은 제품을 포장하고 전시하는데 활용가능하다. 카드 포장 용기는 발포 포장 용기와 표피 포장 용기와 두 가지 종류를 포함한다.

F. 행낭 만들기

"행낭(pouch) 만들기"란 시이트 또는 공백면들을 변환하여 원하는 물건을 만드는 또 한가지 방법이며, 포장 산업에서 "성형/채움/봉합"이라고 알려진 공정을 말한다. 성형/채움/봉합 기술을 동반하는 행낭 만들기는 행낭을 성형하고, 행낭을 제품으로 채우고, 행낭을 봉합하는 연속적인 작동을 포함한다. 행낭 만들기란 일련의 행낭을 성형하고, 행낭을 제품으로 채우고, 행낭을 봉합하여 마감하고, 행낭이 성형되고 채워지고 마감된 후 또는 행낭이 성형된 후 각각의 행낭이 서로 분리되도록 재단하는 연속 과정을 말한다. 시이트 또는 공백면들의 행낭 만들기로부터 제조가 가능한 물품에는 건조 스프 행낭, 사탕 껍질, 씨리얼 봉지, 포테이토 칩 봉지, 분말 포장, 약 봉지, 조미료 봉지, 케익 믹스 봉지 등이 있다.

행낭 만들기 작업에는 일반적으로 수평, 수직, 또는 두 장으로 행낭 만들기가 있다. 수평 성형, 채움, 봉합에 의한 마감은 연속된 시이트를 그 길이를 따라 반으로 접어서, 채워지고 접합되는 일련의 행낭을 형성하기 위하여 적당한 간격으로 봉합하는 것이다. 이 공정은 시이트를 반으로 접어주는 쟁기부품에 시이트를 수평으로 진행시킴으로서 시작된다. 접혀진 시이트는 일정 간격으로 봉합하여 행낭을 만들어, 행낭의 내부에 제품이 채워질 수 있도록 한다. 증력 또는 다른 방법을 사용하여 행낭을 제품으로 채운다.

수직의 성형, 채움, 봉합은 연속된 시이트를 그 길이를 따라 관을 형성하게 하고, 일련의 행낭을 형성하기 위해서 관을 일정 간격으로 봉합하고, 행낭을 채운 후 봉합에 의해서 행낭을 마감하는 것이다. 먼저 시이트를 쟁기부품에 수직으로 진행시킴으로서 시이트가 관으로 성형된다. 관은 일정간격을 두고 행낭으로 봉합되고, 수직 성형, 채움, 마감 과정에서 활용된 방법과 유사한 방법으로 채워진다. 세번째 방법은 두장의 시이트를 결합시켜 행낭을 만드는 방법이며, 이중 적어도 한 장은 무기물 충전된, 수경성 또는 층상 시이트이어야 한다. 다음을 포함하지만 이에 국한되지는 않는 다양한 시이트 즉, 무기물 충전된 시이트, 층상 시이트, 종이 시이트, 알루미늄 포일 시이트, 셀로판 시이트, 플라스틱 시이트, 그리고 이들 시이트의 박층들은 성형가능한 시이트, 또는 층상 시이트와의 결합이 가능하다. 두 장의 시이트는 수평 또는 수직으로 연결이 가능하며, 각 행낭은 네면의 봉하면을 갖는다.

[Ⅵ. 바람직한 제조 방법의 실시양태]

하기 실시예는 본 발명에 따르는 제품의 제조 방법을 더 상세히 설명하기 위해 주어진다. 실시예는 본 발명의 제품을 제조하기 위해 사용되는 다양한 제법과 함께, 사용되는 수경성 및 유기물 충전된 혼합물을 포함하는 다양한 혼합물 배합을 포함한다.

첫번째 일련의 실시예들은 수경성 혼합물을 제조하기 위해 다양한 직접 성형 기술을 사용하는 것을 예시한다.

[실시예 1]

하기 조성을 갖는 수경성 혼합물로 컵을 제조한다:

포틀랜드 백시멘트 2.0 kg

물 1.004 kg

펄라이트 0.702 kg

틸로즈^(R)4000 60 g

포틀랜드 시멘트, 틸로즈^(R)(Tylose) 및 펄라이트를 약 2분간 혼합한 후, 물을 가하고, 혼합물을 10분간 더 혼합한다. 수득된 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.5이다. 혼합물 중 시멘트 페이스트(시멘트와 물)의 농도는 수경성 혼합물에 대하여 79.8중량%, 펄라이트는 18.6%, 틸로즈는 1.6중량%이다.

수득된 수경성 물질을 지거링(jiggering)에 의해 컵 모양으로 성형한다. 컵의 두께는 4.5mm이고, 65℃까지 단열된다. 즉, 컵에 뜨거운 물(88℃)이 차 있을 때 컵 외부의 최대 온도가 65℃이다. 컵은 다공성 응집재(이 경우, 펄라이트)를 가하여 소정의 벌크 밀도를 갖도록 고안되었다.

다이 압축 공정에서 상술한 바와 같은 수다이 및 암다이를 이용하여 수경성 혼합물을 압축하여 컵 형태로 만든다. 다이에 적용된 압력의 결과, 컵은 다소 높은 밀도를 가지며, 따라서 단열능이 다소 낮다. 그러나, 컵은 유사한 구조 및 마무리 성질을 갖는다. 다이 압축을 이용한 컵의 제조는 이 혼합물이 다른 제조 공정에서도 유용함을 보여준다.

규산 칼슘 미소구나중공 유리구 같은 그 밖의 다공성 응집재도 사용 가능하다(이후의 실시예 참조). 다공성 응집재는 낮은 비중을 가지므로 제품 내 재료에 단열능의 정도를 부여할 수 있다.

본 실시예와 이후의 실시예는 특정 목적을 위해 적절한 단열능을 갖도록 고안될 수 있는 시멘트로부터 경량의 제품을 제조하는 것이 가능함을 보여준다. 제품의 단열능을 증가시키는 것은 일반적으로 강도의 저하를 수반하므로, 주어진 목적에 요구되는 단열성의 범위만을 갖는 재료를 고안하는 것이 바람직하다. 더우기, 이후의 실시예는 제품 내 재료의 실질적인 단열능을 증가시키지 않고 적절한 단열성 제품을 수득하기 위해 제품 고안을 변경할 수 있음을 보여준다.

상기 첫번째 예에서, 컵이 적절한 강도를 갖게 하기 위해 두께가 필요한 것이 아니라 컵을 보다단열성이 크게 하려는 시도의 결과 컵의 두께가 상대적으로 커진다. 그러나, 수득되는 수경성 컵은 표면 마무리가 좋고 지거링 및 다이 압축에 의해 쉽게 주조된다. 컵이 비교적 밀도가 높지만(벌크 비중, 약 1.6), 수경성 혼합물이 주조 전 상태에서 안정성을 갖고 통상의 방법에 의해 성형되도록 고안될 수 있다는 개념을 제시한다.

[실시예 2]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 직접 성형하여 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 2.0 kg

물 1.645 kg

펄라이트 0.645 kg

틸로즈^(R)4000 20 g

틸로즈^(R)FL 15002 15 g

셈필(Cemfill^(R)) 유리섬유(4.5mm) 370 g

시멘트, 물 틸로즈^(R)및 펄라이트를 약 10분간 혼합한 후 섬유를 가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법을 이용하여 수경성 혼합물을 제조한다. 합쳐진 혼합물을 10분간 더 혼합한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.82이다. 이 혼합물 중 시멘트 페이스트(시멘트와 물)의 농도는 수경성 혼합물의 중량에 대하여 77.6중량%, 펄라이트는 13.7%, 틸로즈^(R)4000 및 Fl 15002는 각각 0.43% 및 0.32%, 그리고 유리섬유는 7.9%이다.

다음, 수득된 혼합물을 지거링 또는 다이 압축에 의해 컵 모양으로 성형한다. 컵은 실시예 1에서와 마찬가지로 표면 마무리가 좋았으나, 유리섬유의 첨가로 인하여 실시예 1의 컵보다 높은 인성(靭性), toughness) 및 균열 에너지를 가진다. 이와 같이 수득된 컵은 적절한 정도의 강도를 나타내며, 그 미터에 이르는 높이에서 콘크리트나 대리석바닥에 떨어져도 이 높이에서 얇은 수경성 물체를 떨어뜨릴 경우 예상했던 것처럼 깨지지 않는다.

[실시예 3]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 지거링 또는 다이 압축하여 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 4.0 kg

물 1.179 kg

규산칼슘 미소구 1.33 kg

틸로즈^(R)FL 15002 30 g

셈필 유리 섬유(4.5mm ; 내알칼리성) 508 g

펄라이트 대신 미소구를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 2에 기재된 방법을 이용하여 수경성 혼합물을 제조한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.29로, 이는 실시예 1 및 실시예 2에서보다 현저히 낮다. 이는 혼합재 시스템에 따라 현저하게 다른 물/시멘트 비율이 조성물에 고안될 수 있음을 보여준다. 이 혼합물 중 시멘트 페이스트(시멘트와 물)의 농도는 수경성 혼합물의 중량에 대하여 73.5중량%이고, 미소구는 18.9%, 틸로즈^(R)는 0.43%, 유리섬유는 7.2%이다.

수득되는 컵은 실시예 1 및 2의 경우와 같이 좋은 표면 마무리를 갖지 못하나, 보다 경량이다. 수경성 혼합물은 지거링, 다이 압축 또는 압출에 의해 뜨거운 물을 63℃까지 단열시킬 수 있는 컵으로 쉽게 만들어진다.

본 발명의 앞선 본보기에서 실시예 1∼3에 따라 제조된 컵은 거기서 시도된 개념이 확실함을 알려준다. 이들 실시예는 수경성 혼합물에 다공성인 경량의 혼합재를 가하는 것만으로는 일반적으로 폴리스티렌과 같은 단열능을 갖는 재료를 제조할 수 없다는 것을 가르쳐준다. 펄라이트의 첨가나 규산 칼슘의 첨가도 이들 실시예에 사용된 혼합물 배합에서 커피나 다른 뜨거운 음료를 상업적으로 사용하는데 요구되는 정도의 단열능을 부여하지 못한다. 그러므로, 시멘트 매트릭스에 단순히 무기 물질을 첨가하는 것이 아닌 다른 단열성 부여방법이 연구되었다.

이하의 일련의 실시예에서는 수경 구조 매트릭스에 미세 분산된 불연속의 기포를 도입하여, 컵의 단열능을 훨씬 증가시키는 효과를 부여한다.

[실시예 4]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 2.52 kg

물 1.975 kg

베르미큘라이트 1.457 kg

빈솔(Vinsol) 수지 2.5 g

틸로즈^(R)4000 25 g

틸로즈^(R)FL 15002 75 g

마닐라삼 섬유 159 g

마닐라삼 섬유(85% 이상의 셀룰로오스가 α-히드록시셀룰로오스가 되도록 제조자에 의해 수산화나트륨 전처리된 것)를 예비습윤시킨 다음, 섬유를 베르미큘라이트 외의 다른 성분 각각과 연합시켜 수경성 혼합물을 제조한다. 혼합물을 약 10분간 초기 혼합하고, 이어서 베르미큘라이트를 가한 후 10분간 더 혼합한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.78이다. 이 혼합물 중 시멘트 페이스트(시멘트와 물)의 농도는 수경성 혼합물의 중량에 대하여 72.3중량%이고, 베르미큘라이트는 23.4%, 틸로즈^(R)4000과 FL 15002는 각각 0.40% 및 1.21%, 빈솔 수지(공기 혼입제)는 0.04%, 마닐라삼 섬유는 2.6%이다.

실시예 4에서 만든 컵은 지거링에 의해 약 2.5mm 두께를 갖도록 주조되는데, 이는 실시예 1∼3에서 제조된 컵의 두께보다 상당히 얇다. 그럼에도 불구하고, 실시예 4의 수경성 컵은 62℃까지 단열이 가능하다 (감소된 벽두께를 감안할 때 이전의 컵보다 상당히 개선되었음). 표면 마무리는 무척 매끄러웠으며, 컵은 높은 강성 및 균열 에너지를 갖는다. 컵은 약 390cc의 용량을 가지며 무게는 약 95g이다.

수경성 혼합물을 또한 다이 압축에 의해 컵모양으로 압축한다. 수득되는 컵은 지거링에 의해 만들어진 컵에 비하여 약간 더 낮은 단열능을 가지며 구조 및 마무리 특성은 유사하다.

[실시예 5]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 2.52 kg

물 2.31 kg

베르미큘라이트 2.407 kg

빈솔 수지 2.5 g

틸로즈^(R)4000 25 g

틸로즈^(R)15002 75 g

마닐라삼 섬유 159 g

알루미늄(<100매쉬) 0.88 g

실시예 4에 기재된 방법을 사용하여 수경성 혼합물을 제조한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.92이다. 이 혼합물은 비교적 높은 물/시멘트 비율을 가짐에도 불구하고 지거링 및 다이 압축에 의해 쉽게 주조된다. 이 혼합물 중 시멘트 페이스트(시멘트와 물)의 농도는 수경성 혼합물의 중량에 대하여 64.4중량%, 베르미큘라이트는 32.1%, 틸로즈^(R)4000 및 15002는 각각 0.33% 및 1.0%, 빈솔 수지(공기 혼입제) 0.03%, 마닐라삼 섬유 2.1% 및 알루미늄의 양이 약 0.01%이다.

알루미늄의 첨가에 의해 수경성 혼합물 중에 미세 분산된 수소 버블의 혼입이 유도된다. 따라서, 수득된 컵은 실시예 4의 컵보다 훨씬 더 경량이고 다공성이며, 중량은 단지 85g이다. 또한 컵은 매끈한 표면 마무리를 가지며, 강성, 균열 에너지 또는 단열능이 저하되지 않는다.

[실시예 6]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 2.52 kg

물 1.65 kg

베르미큘라이트 1.179 kg

펄라이트 0.262 g

빈솔 수지 5.0 g

틸로즈^(R)4000 12.5 g

틸로즈^(R)FL 15002 37.5 g

마닐라삼 섬유 159 g

알루미늄(<100매쉬) 1.5 g

실시예 4에 기재된 방법을 사용하여 수경성 혼합물을 제조한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 0.65이다. 이 혼합물의 시멘트 페이스트(시멘트와 물)농도는 수경성 혼합물의 중량에 대하여 71.6중량%, 펄라이트는 4.5%, 베르미큘라이트는 20.2%, 틸로즈^(R)4000 및 15002는 각각 0.21% 및 0.64%, 빈솔 수지(공기 혼입제)는 0.086%, 마닐라삼 섬유는 2.7% 및 알루미늄의 양은 0.026중량%이다. 수득되는 수경성 컵은 그 성질 및 특성이 실시예 5에서 제조된 컵과 유사하다.

실시예 4-6의 컵은 앞의 실시예에서의 컵에 비하여 강도 및 특히 단열능에서 더 좋은 결과를 낸다. 실시예 4-6에서 제조된 컵은 62℃까지 단열된다. 이들 실시예는 미세 공극의 혼입이 강도를 실질적으로 저하시키기 않고 제품의 단열능을 크게 증가시킬 수 있음을 보여준다. 이들은 또한 알루미늄이 수경성 혼합무로 혼입될 공기 버블을 생성시키는데 사용될 수 있음을 보여준다.

상기 실험 및 기타 실험에 의해 펄라이트는 시멘트 페이스트가 혼합 또는 성형되는 것에 무관하게 같은 수준의 단열능을 부여하는 한편, 제품의 강도를 저하시킨다는 것이 밝혀졌다. 한편, 베르미큘라이트는 판상이므로 강도와 단열능의 면에서, 제품의 벽에서 평행면을 따라 개개의 입자를 정렬하는데 유리하다. 이는 혼합물을 지거링, 다이 압축, 압출 또는 압연함으로써 성취된다.

마찬가지로, 첨가된 섬유가 최선의 효과를 발휘하기 위해서는 또한 이들을 수경성 구조 매트릭스 내에 정렬시키는 것이 유리함이 밝혀졌다. 이것도 상기 언급한 성형 공정에 의해 성취된다. 이러한 정렬은 수득되는 제품에 훨씬 큰 강도와 강성을 부여한다.

보다 점성이 큰 수성 페이스트가 사용될 경우, 시멘트 페이스트가 잘 응집되어 가소성을 갖도록 하기 위해 혼합에 5 내지 10분이 소요된다는 사실이 또한 발견된다. 더우기, 틸로즈^(R)가 반응하거나 물의 존재하에 겔화되어 혼합물에 증점 효과를 부여하기 위해서는 약 5분이 소요된다.

[실시예 7]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 직접 성형하여 단열성 컵을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 1.0 kg

중공 유리구(<1mm) 1.1 kg

섬유(남부 소나무) 0.08 kg

틸로즈^(R)FL 15002 0.1 kg

물 2.5 kg

고전단 믹서를 이용하여 시멘트, 섬유, 틸로즈^(R)및 물을 5분간 함께 혼합한다. 다음, 중공 유리구를 가하고 수득된 혼합물을 저전단 믹서에서 5분간 더 혼합시킨다. 수득되는 혼합물은 도우 같은 물질의 끈기를 가지며 가도 전 상태에서도 형상을 유지하면서 쉽게 성형될 수 있다.

혼합물을 암수 한쌍의 다이를 이용하여 컵 모양으로 성형한다. 성형 다이는 점착을 방지하기 위해 110∼130℃의 온도로 가열된다. 컵을 이형시킨 다음, 컵은 가공전 상태에서도 스스로 모양을 유지한다. 가공전의 컵을 건조시킨다.

컵의 압축 강도는 1.1 MPa, 인장 강도는 0.8 MPa, 그리고 K-여기는 0.07 W/m.K이다.

[실시예 8]

수경성 물질의 입자 충전 효율을 증가시키기 위해 정밀하게 조정된 지름을 갖는 유리구를 사용하는 것 외에는 실시예 7의 혼합물 배합과 성형 공정을 반복한다. 특히 231g의 미세한 중공 유리구, 528g의 중간크기 중공 유리구 및 341g의 굵은 중공 유리구, 총 1.1 kg이 포함된다. 미세 중공 유리구의 평균 직경은 30 미크론, "중간" 유리구는 47 미크론, "굵은" 유리구는 67 미크론이다. 혼합물은 입자 사이 틈새 공간의 감소로 인하여 작업성이 더욱 좋아진다. 수득되는 컵은 보다 매끈한 표면과 약간 더 우수한 강도 특성을 갖는다. k-역가는 틈새 공간의 약간의 감소 및 물질의 전체적 밀도의 증가로 인하여 0.083 W/m.K (실시예 7 보다 다소 높음)이다.

[실시예 9]

유리구를 1.1kg의 펄라이트로 대체하는 것을 제외하고는 실시예 7의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 수득되는 건조된 성형 컵의 압축 강도는 8.0 MPa, 인장 강도는 3.2 MPa 이고 k-역가는 0.14 W/m.K 이다. 즉, 중공 유리구 대신 펄라이트를 사용함으로써 훨씬 증가된 인장 및 압축 강도를 가지나 보다 높은 수준의 열전도성을 갖는 컵이 생산된다.

[실시예 10]

실시예 1-9에 기재된 조성물을 지거링, 다이 압축 성형, 사출 성형 또는 발포 성형에 의해 컵, 접시, 보올 등으로 직접 성형한다. 후자의 경우, 혼합물이 보다 낮은 점도를 갖도록 하기 위해 약간 더 많은 물을 가한다. 또한, 조성물을 막대기, 파이프, 연필 포장재, 다중셀 구조물, 골판지 등의 각종 제품으로 압출한다.

[실시예 11]

하기 성분을 갖는 무기물 충전된 혼합물로 컵, 접시, 보올, 아침식사용 큰 접시를 포함하는 다양한 제품을 직접 성형한다.

식물성 전분 5 kg

탄산 칼슘 1.25 kg

물 6.25 kg

마그네슘 스테아레이트 31.5 g

한천 고무 31.5 g

식물성 전분을 물로 겔화시킨 후 나머지 성분을 첨가함으로써 무기물 충전된 혼합물을 제조한다. 전분은 감자, 밀 또는 옥수수에서 유래된 천연 전분 또는 변성 전분이다. 옥수수 전분이 그의 높은 필름 강도 때문에 가장 강한 최종 성형품을 제공한다.

혼합물은 팬케이크 반죽과 같은 성상을 가지며 비점착성 표면으로 코팅된 가열된 금형(140∼240℃)에 직접 부어질 수 있다. 가열된 금형이 상당량의 물을 증발시키므로 혼합물과 금형 표면 사이의 점착을 감소시키는데 도움을 준다. 1∼3분 내에 제품은 완전한 형태 안정성으로 이형될 수 있다. 경화된 재료는 (구조 매트릭스 내에 잔류하는 물을 제외하고) 고형 재료의 약 20 중량%에 해당하는 무기물 함량을 갖는다.

가열된 금형에 의한 물질의 팽창으로 인하여 제품은 극히 경량이고, 경화된 재료에 균일하게 분포되어 있는 미세 분산된 공극을 갖는다. 성형풍의 밀도는 0.1∼0.6 g/cm³범위이고, 열 팽창의 정도가 감소할수록 밀도는 증가된다. 보다 뜨거운 금형이 사용될 수록, 공극이 작아지고 더 균일하게 분산되며, 제품이 더욱 신속히 이형될 수 있다. 혼합물의 pH를 높이면 더욱 높은 밀도의 제품이 수득된다. 재료의 밀도가 감소함에 따라 강성과 강도는 감소하지만 단열능이 증가한다.

[실시예 12]

무기 재료의 함량이 약 30%로 증가한 것 외에는 실시예 11의 과정을 그대로 반복한다. 특히, 탄산 칼슘이 양이 21.4kg으로 증가하므로, 같은 레올로지를 유지하려면 7.1kg의 물, 36g의 마그네슘 스테아레이트 및 36g의 한천 고무가 더 첨가되어야 한다. 수득된 제품은 비례적으로 밀도를 증가시키지 않고, 밀도를 약 0.15∼0.6 g/cm³범위로 저하시키면서 증가된 인성을 나타낸다.

[실시예 13]

무기 재료 함량을 약 40%로 증가시키는 것 외에는 실시예 11의 과정을 그대로 반복한다. 특히, 탄산 칼슘의 양이 3.3kg으로 증가되므로 같은 레올로지를 유지하기 위해 8.3kg의 물, 42g의 마그네슘 스테아레이트 및 42g의 한천 고무를 첨가해야 한다. 수득되는 제품은 비례적으로 밀도를 증가시키지 않고 여전히 밀도 범위를 약 0.2∼0.6 g/cm³으로 저하시키면서 증가된 강성을 나타낸다.

[실시예 14∼17]

실시예 11∼13에 기재된 혼합 방식에서 탄산 칼슘 일부 또는 전부를 다음의 것들로 대체한다.

실시예 무기물 충전재

14 카올린 점토

15 몬모릴로나이트 점토

16 운모

17 발연실리카

카올린 점토, 몬모릴로나이트 점토 및 운모는 각각 분산제가 멜라민-포름알데히드 축합체, 나프탈렌-포름알데히드 축합체, 폴리아크릴산 및 메타인산염인 경우보다 더 잘 작용한다. 이들은 무기물 충전된 혼합물 내의 고형분을 기준으로 약 1∼2% 범위의 양으로 첨가된다. 폴리아크릴산은 틱소트로픽 성질을 갖는 혼합물을 창출한다. 분산제의 사용은 수분 함량을 감소시키고 유동성을 향상시키며 베이킹 시간을 감소시켜 보다 덜 에너지 집약적인 공정이 되게 한다.

본 실시예들에서 제조되는 무기물 충전된 혼합물은 실시예 11∼13의 제품과 유사한 강도 및 중량 특성을 갖는다.

[실시예 18]

10kg의 마이카, 3kg의 물, 0.5kg의 전분 및 50g의 마그네슘 스테아레이트를 함유하는 무기물 충전된 혼합물로부터 다양한 제품을 제조한다. 무기물 충전된 혼합물은 먼저 전분과 물을 함께 겔화시킨 다음 나머지 성분을 가하여 도우(dough)와 같은 성상의 혼합물을 형성함으로써 만들어진다. 무기물 충전된 혼합물을 다이 압축 부분에 기재된 방법에 따라 다이 압축 성형하여 원하는 제품으로 성형할 수 있다.

그렇지 않으면, 무기물 충전된 혼합물을 지거링, 사출 성형 또는 취입 성형(취입 성형의 경우, 혼합물의 점도를 감소시키기 위해 통상적으로 약간 더 많은 물을 첨가한다)에 의해 성형할 수도 있다.

[실시예 19∼22]

전분과 마그네슘 스테아레이트의 양을 하기와 같이 증가시키는 것 외에는 실시예 18에 기재된 방법을 반복한다.

실시예 전분 마그네슘 스테아레이트

19 1 kg 55 g

20 2 kg 60 g

21 3 kg 65 g

22 4 kg 70 g

전분의 양을 증가시키면 증가된 인장강도와 인성을 갖는 생성물이 수득된다. 또한, 성형된 재료는 습윤 또는 미경화 상태에서 보다 높은 강도를 갖는다.

[실시예 23∼28]

하기 성분을 포함하는 성형 가능한 혼합물로부터 고도로 무기물 충전된 제품을 제조한다.

실시예 CaCO₃섬유 틸로즈^(R)물

23 6 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.8 kg

24 5 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.7 kg

25 4 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.6 kg

26 3 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.5 kg

27 2 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.4 kg

28 1 kg 0.25 kg 0.1 kg 1.3 kg

상기 실시예에서 사용된 섬유는 남부 소나무이다. 먼저 물, 클로즈^(R)FL 15002 및 섬유를 호바르트(Hobart) 혼련 혼합기 내에서 고전단 하에 10분 동안 혼합한다. 다음, 탄산 칼슘을 혼합물에 가하고, 이를 저전단 하에 4분 동안 더 혼합한다.

상기 실시예 각각에서 탄산 칼슘의 입자 충전 밀도는 약 0.63이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재의 총 고형분 부피가 각각 89.7%, 87.9%, 85.3%, 81.3%, 74.4% 및 59.2%이다. 이는 총 고형분의 중량%로 94.5%, 93.5%, 92.0%, 89.6%, 85.1% 및 74.1%에 해당한다. 실시예 23∼28의 시이트는 총 고형분 부피에 대하여 각각 7.2%, 8.5%, 10.3%, 13.1%, 18.0% 및 28.7%의 섬유를 함유한다. 상기 양은 중량%로 환산할 경우 현저하게 낮아질 것이다.

먼저, 성형가능한 혼합물을 탈기 오거 압출기를 이용하여 30cm × 0.6cm 다이를 통해 압출시켜 해당하는 폭과 두께의 크기를 갖는 연속 시이트를 만든다. 압출 시이트를 형성되는 시이트의 두께에 해당하는 간격 거리를 갖는 한쌍의 감축 롤러 사이로 통과시킨다. 탄산 칼슘은 낮은 비표면적을 가지기 때문에, 이들 혼합물은 롤러에 대하여 낮은 점착성을 갖는다. 상기 실시예들에서 형성된 시이트의 두께는 1.0mm, 1.25mm, 1.5mm 및 1.75mm 이다. 여전히 습윤 상태인 압연 시이트를 수다이와 암다이 사이에서 압축하여 보올 형태로 만든다.

보다 적은 양은 탄산 칼슘이 사용되므로, 인장 강도, 유연성 및 시이트와 제품의 성형 내성이 증가된다. 그러나 더 많은 탄산 칼슘을 가하면 보다 매끄러운 표면의 시이트와 제품이 롤러를 통과시 보다 원활하게 제조되므로, 내부 결함의 양이 줄어든다. 탄산 칼슘의 양을 증가시키는 것은 시이트의 다공도를, 최종 건조 시이트의 37.4% 내지 70.3 부피% 범위로 감소시키는 효과를 가져온다.

[실시예 29∼34]

하기 성분을 포함하는 성형가능한 혼합물로부터 고도로 무기물 충전된 제품을 제조한다.

실시예 CaCO₃섬유 틸로즈^(R)물 유리구

29 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

30 1.0 kg 0.3 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

31 1.0 kg 0.4 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

32 1.0 kg 0.5 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

33 1.0 kg 0.6 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

34 1.0 kg 0.7 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

상기 실시예에서 사용되는 섬유는 남부 소나무이다. 먼저, 물, 틸로즈^(R)FL 15002 및 섬유를 호바르트 혼련 혼합기에서 혼합한다. 다음, 탄산 칼슘과 중공 유리구를 혼합물에 가하고, 이를 저전단 하에 6분간 더 혼합한다. 각각의 혼합물에서 탄산 칼슘과 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.73 이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재 총 고형분이 부피%로 각각 88.5%, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0% 및 74.5%이다.

성형가능한 혼합물을 탈기 오거 압출기를 이용하여 30cm × 0.6cm 다이를 통해 압출하여 폭과 두께의 상응하는 크기를 갖는 연속 시이트를 제조한다. 다음, 압출된 시이트를 형성되는 시이트의 두께에 해당하는 간격 거리를 갖는 한쌍의 감축 롤러 사이로 통과시킨다. 탄산 칼슘과 유리구는 각각 낮은 비표면적을 가지므로, 상기 혼합물은 롤러에 대해 낮은 점착성을 갖는다. 상기 실시예에서 수득된 시이트는 1.0mm, 1.25mm, 1.5mm 및 1.75mm의 두께를 갖는다. 여전히 습윤 상태인 시이트를 수다이와 암다이 사이로 압축시켜 보올 모양을 만든다.

35 미크론(최대 100 미크론)의 평균 직경을 갖는 탄산 칼슘 입자를 사용할 경우, 수득되는 시이트 및 제품은 광택없는 표면을 갖는다. 그러나, 훨씬 작은 입자를 사용할 경우(98%가 2 미크론 미만인), 수득되는 시이트와 제품은 광택있는 표면을 갖는다.

혼합물 중 섬유를 증가시키면 시이트의 성형적성이 증가되고, 최종 경화품의 인장 강도 및 유연성이 증가된다.

[실시예 35]

탄산 칼슘 대신 1.0kg의 카올린을 사용하는 것외에는 실시예 29∼34를 반복한다. 그외 다른 모든면에서는 실질적으로 같은 방식으로 혼합물을 제조한다. 카올린은 근본적으로 입자의 98%가 약 2 미크론보다 작은 천연 점토이다. 혼합물 중 카올린과 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.69이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재 총고형분이 부피%로 각각 88.5%, 85.3%, 82.3%, 77.0% 및 74.5%이다. 카올린은 광택있는 표면 마무리를 갖는 시이트 및 제품을 산출한다.

[실시예 36∼41]

하기 성분을 함유하는 성형 가능한 혼합물로부터 고도로 무기물 충전된 제품을 제조한다 :

실시예 미분쇄 화강암 셀룰로오스 섬유 틸로즈^(R)FL 15002 물 유리구

36 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

37 1.0 kg 0.3 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

38 1.0 kg 0.4 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

39 1.0 kg 0.5 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

40 1.0 kg 0.6 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

41 1.0 kg 0.7 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

상기 실시예에서 사용되는 섬유는 남부 소나무이다. 먼저, 물, 틸로즈^(R)FL 15002 및 섬유를 호바르트 혼련 혼합기에서 10분간 혼합한다. 다음, 미분쇄 석영과 중공 유리구를 상기 혼합물에 가하고, 이를 저전단 하에 6분간 더 혼합한다. 각각의 혼합물에서 발연 실리카와 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.73 이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재 총 고형분이 부피%로 각각 88.5%, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0% 및 74.5%이다.

성형가능한 혼합물을 탈기 오거 압출기를 이용하여 30cm × 0.6cm 다이를 통해 압출하여 폭과 두께의 상응하는 크기를 갖는 연속 시이트를 제조한다. 다음, 압출된 시이트를 형성되는 시이트의 두께에 해당하는 간격 거리를 갖는 한쌍의 감축 롤러 사이로 통과시킨다. 유리구는 낮은 비표면적을 가지므로, 상기 혼합물은 롤러에 대해 낮은 점착성을 갖는다. 상기 실시예에서 형성된 시이트는 0.85mm, 1.0mm, 1.2mm 및 1.4mm의 두께를 갖는다. 다음, 습윤 시이트를 수다이와 암다이 사이에서 압축시켜 보올 형태를 만든다.

혼합물 중 섬유를 증가시키면 시이트의 성형적성이 증가되고, 최종 경화품의 인장 강도 및 유연성이 증가된다.

[실시예 42]

미분쇄 화강암 대신 1.0kg의 미분쇄 석영을 사용하는 것 외에는 실시예 36∼41과 같이 하여 조성물을 제조한다. 그외 다른 모든면에서는 실질적으로 같은 방식으로 혼합물을 제조한다. 미분쇄 화강암과 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.74이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재 총고형분이 부피%로 각각 88.5%, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0% 및 74.5%이다.

혼합재의 양을 감소시키면 유기 결합재와 섬유의 유효량이 증가한다. 혼합재를 더 많이 포함하면 보다 뻣뻣하고, 부서지기 쉬우며, 보다 큰 압축강도를 갖는 제품이 수득된다. 섬유와 유기 혼합재의 양을 증가시키면 보다 큰 유연성, 인성 및 인장강도를 갖는 제품이 수득된다.

[실시예 43]

미분쇄 화강암 대신 1.0kg의 미분쇄 현무암을 사용하여 실시예 36∼41의 조성물을 재현한다. 그외 다른 모든면에서는 실질적으로 같은 방식으로 혼합물을 제조한다. 각각의 혼합물에서 미분쇄 화강암과 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.74이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재의 총 고형분이 부피%로 각각 88.5%, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0% 및 74.5%이다.

혼합재의 양을 감소시키면 유기 결합재와 섬유의 유효량이 증가한다. 혼합재를 더 많이 포함하면 보다 뻣뻣하고, 부서지기 쉬우며, 보다 큰 압축 강도를 갖는 제품이 수득된다. 섬유와 유기 혼합재의 양을 증가시키면 보다 큰 유연성, 인성 및 인장강도를 갖는 제품이 수득된다.

[실시예 44∼48]

하기 성분을 포함하는 성형 가능한 혼합물로부터 고도로 무기물 충전된 제품을 제조한다.

실시예 CaCO₃섬유 틸로즈^(R)물 유리구

44 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.0 kg

45 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 0.5 kg

46 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 1.0 kg

47 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 1.5 kg

48 1.0 kg 0.2 kg 0.1 kg 2.1 kg 2.0 kg

상기 실시예들에서 사용되는 섬유는 남부 소나무이다. 먼저, 물, 틸로즈^(R)FL 15002 및 섬유를 호바르트 혼련 혼합기에서 10분간 혼합한다. 다음, 탄산 칼슘과 중공 유리구를 혼합물에 가하고, 이를 저 전단 하에 6분간 더 혼합한다. 각각의 혼합물에서 탄산 칼슘과 중공 유리구를 합한 것의 입자 충전 밀도는 0.73 이고, 수득되는 혼합물은 무기 혼합재의 총 고형분이 부피%로 각각 62.8%, 88.5%, 93.2%, 95.2% 및 96.6%, 이다. 수득되는 제품의 밀도(g/cm³로 환산)는 각각 2.0, 0.87, 0.66, 0.57 및 0.52 이다.

성형가능한 혼합물을 탈기 오거 압출기를 이용하여 30cm × 0.6cm 다이를 통해 압출하여 폭과 두께의 상응하는 크기를 갖는 연속 시이트를 제조한다. 다음, 압출된 시이트를 형성되는 시이트의 두께에 해당하는 간격 거리를 갖는 한쌍의 감축 롤러 사이로 통과시킨다. 그후, 시이트를 수다이와 암다이 사이에서 압축시켜 보올을 만든다. 탄산 칼슘과 유리구는 각각 낮은 비표면적을 가지므로 상기 혼합물은 롤러와 다이에 대해 낮은 점착성을 갖는다. 상기 실시예에서 만들어진 시이트의 두께는 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm 및 1.2mm이다.

그렇지 않으면, 수경성 혼합물을 막대, 원통형 막대, 파이프, 중공 막대, 다중-셀 구조물 등을 포함하는 다양한 제품으로 압출한다. 압출되는 제품은 압축 즉시 또는 압출 후 단시간 내에 안정하게 형태형성된다.

[실시예 49∼53]

2.0kg의 물, 0.1kg의 틸로즈^(R)FL 15002 및 혼합물 부피에 대하여 2%와 마닐라삼 섬유와 함께 하기 지정한 양의 플라스틱구를 함유하는 무기물 충전된 혼합물로부터, 유연하고 쿠션있는 제품을 제조한다.

실시예 플라스틱구

49 1.12 kg

50 0.9213 kg

51 0.7225 kg

52 0.5238 kg

53 0.3251 kg

"플라스틱 구"는 폴리프로필렌으로 만들어진 것이며 평균 입자 크기가 100미크론 미만이고 평균 밀도가 0.02 g/cm³이다. 먼저, 물, 틸로즈^(R)및 섬유를 고전단 조건 하에 5분간 함께 혼합하여 무기물 충전된 혼합물을 제조하고, 이어서 플라스틱 구를 저전단 하에 상기 혼합물에 섞는다. 수득되는 무기물 충전된 혼합물을 다이를 통해 압축한 다음 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 두께가 5mm인 시이트를 형성시킨다. 다음, 시이트를 습윤 조건 하에 수다이와 암다이 사이에서 압축시켜 보올 모양의 포장 용기를 형성시킨다. 수득되는 무기물 충전된 제품은 매우 유연하며 폴리스티렌으로 만든 유사한 재료에 비하여 상대적으로 강하다.

그렇지 않으면, 수경성 혼합물을 바아(bar), 원통형 막대, 파이프, 중공 바아, 다중셀 구조 등을 포함하는 다양한 제품으로 압출한다. 압출된 제품은 압출 후 즉시, 또는 짧은 시간 내에 안정하게 형태형성된다. 상기 포장재는 폴리스티렌 재료가 통상적으로 받는 힘보다 더 큰 힘이 주어졌을 경우에도 부서지지 않고 물리적으로 압착된다.

[실시예 54∼57]

무기물 충전된 혼합물 중 마닐라삼 섬유의 양을 하기 양(부피%)으로 증가시키는 것 외에는 실시예 49∼53에 준하여 유연성 무기물 충전 제품을 제조한다.

실시예 마닐라삼 섬유

54 4 %

55 6 %

56 8 %

57 10 %

수득되는 무기물 충전된 제품은 실시예 49∼53의 제품과 실질적으로 같은 밀도와 유연성을 갖지만, 마닐라삼 섬유의 양이 증가됨에 따라 증가된 인장 강도를 갖는다.

[실시예 58∼61]

혼합재로서 중공 유리구 (직경<100 미트론)를 함유하는 다양한 수경성 혼합물을 한 쌍의 롤러로 통과시켜 수경성 판을 형성시킨다. 각 실시예의 성분은 다음과 같다.

실시예 시멘트 물 틸로즈^(R)FL 15002 유리구

58 4 kg 2.18 kg 200 g 445 g

59 3 kg 1.85 kg 150 g 572 g

60 2 kg 1.57 kg 100 g 857 g

61 1 kg 1.55 kg 100 g 905 g

먼저 수경 시멘트, 틸로즈^(R)및 물을 고전단 믹서를 이용하여 5분 동안 결합시켜 수경성 혼합물을 제조한다. 다음, 유리구를 가하고 저전단 믹서를 이용하여 5분 동안 혼합한다. 실시예 58∼61에서 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 각각 0.55, 0.62, 0.79 및 1.58 정도이다. 실시예 61의 높은 물/시멘트 비율에도 불구하고, 수경성 혼합물은 가공전 상태에서 안정하게 형성되며 쉽게 성형 가능하다. 실시예 58∼61 각각에서 유리구의 중량 백분율은 각각 6.5%, 10.3%, 18.9% 및 25.3%이다. 이들 재료는 극히 경량으로, 밀도 범위는 약 0.25∼0.5 이다.

상술한방법을 이용하여 혼합물을 습윤 시이트로 형성시킨 다음, 수다이와 암다이 사이에서 압축하여 오목한 접시, 보올 및 큰 접시를 형성시킨다. 상기 제품은 매우 경량이며 고도로 단열성이다. 또한 용기는 뜨거운 오븐에 놓아둔 후에도 손으로 꺼낼 수 있는 것으로 확인되듯이 매우 낮은 비열을 갖는다.

[실시예 62∼65]

실시예 58∼61의 수경성 혼합물에서, 고전단 혼합 단계에서 배합되는 마닐라삼 섬유의 첨가량을 변화시켜 제조한다.

실시예 해당 실시예 마닐라삼 섬유의 양

62 58 149 g

63 59 152 g

64 60 180 g

65 61 181 g

실시예 62∼65에서 마닐라삼 섬유의 결과적인 중량 백분율은 각각 2.1%, 2.7%, 3.8% 및 4.8%이다. 이들 수경성 재료는 실시예 58∼61의 것과 같이 경량이고 단열성이나, 훨씬 인성이 크고, 보다 높은 균열 에너지를 갖는다. 또한 섬유를 더 많이 가하면, 경첩부를 갖거나 다른 봉합부를 갖는 제품에서 굽힘성이 보다 좋은 제품이 제조된다. 따라서 마닐라삼 섬유를 사용하는 것은 다른 종류의 섬유를 사용하는 것과 마찬가지로 이와 같은 특성이 요구되는 상황에서 특히 바람직하다.

[실시예 66∼68]

하기와 같은 양의 알루미늄 분말(<100 메쉬)과 NaOH를 수경성 혼합물에 가하고, 수득된 성형 접시를 약 80℃에서 30∼60분 동안 가열하는 것 외에는 실시예 58 (즉, 4kg의 포틀랜드 백시멘트 사용)의 조성을 사용하여 수경성 혼합물로 이루어진 접시와 컵을 제조한다.

실시예 알루미늄 NaOH

66 4 g 21.9 g

67 6 g 34.7 g

68 8 g 34.7 g

NaOH는 pH를 약 13.1∼13.8의 바람직한 범위로 조절하여 알루미늄을 활성화시키기 위해 수경성 혼합물에 첨가된다. 수경성 혼합물의 다공도가 증가되고, 벌크 밀도는 감소되며, 단열능은 증가되고, 접시와 컵은 더욱 경량이다. 알루미늄 금속의 반응 정도와 반응 속도는 알루미늄의 양과 가해지는 열을 조절함으로써 변화될 수 있다.

실시예 66∼68의 접시에서는 수경성 혼합물을 가열하여 다량의 수분이 급속히 증발됨에도 불구하고 수축하여 금이 가는 현상이 관찰되지 않는다.

[실시예 69∼71]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 한 쌍의 롤러 사이로 통과시켜 시이트를 제조한 다음, 수득된 시이트를 한쌍의 다이 사이에서 압축시켜 접시를 만든다.

실시예 알루미늄 NaOH 마닐라삼 섬유

69 10.0 g 22.3 g 60 g

70 15.0 g 22.3 g 60 g

71 22.5 g 22.3 g 60 g

상기 실시예 각각에는 4kg의 포틀랜드 백시멘트, 1.4kg의 물 및 40g의 틸로즈^(R)FL 15002 가 포함된다. 시멘트, 물 및 섬유를 고에너지 믹서에서 10분간 혼합하여 수경성 혼합물을 제조한 후, 틸로즈^(R)를 가하고, 혼합물을 저전단 하에 5분 동안 더 혼합한다. 다음, 알루미늄과 NaOH를 저전단 하에 혼합한다. 실시예 66∼68의 수경성 혼합물과 같이, 이들 재료는 수경성 혼합물에 도입된 공기의 양으로 인하여 극히 경량이고 매우 단열성이다. 그러나, 이들 실시예의 수경성 혼합물은 섬유 첨가로 인하여 증가된 인성 및 균열 에너지를 갖는다.

[실시예 72∼75]

수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 시이트를 제조한 다음, 시이트를 한 쌍의 다이 사이에서 압축하여 수경성 접시를 제조한다. 각 실시예의 수경성 혼합물은 하기 성분을 함유한다.

유 리 구

실시예 미세 중간 굵은 알루미늄 NaOH

72 133 g 317 g 207 g 4.0 g 19.7 g

73 133 g 317 g 207 g 6.0 g 31.2 g

74 133 g 317 g 207 g 8.0 g 31.2 g

75 133 g 317 g 207 g 0.0 g 0 g

각 실시예에서, 4kg의 포틀랜드 백시멘트 및 1.96kg의 물이 함유된다. 따라서, 물/시멘트 비율은 0.49이다. 틸로즈^(R)RL 15002의 양은 200g이고, 마닐라삼 섬유의 양은 60g이다. 세 종류의 서로 다른 직경을 갖는 중공 유리구가 사용되는 것을 제외하고는 실시예 62∼65에 기재된 방법과 실질적으로 동일하게 수경성 혼합물을 제조한다. 모든 유리구는 1밀리미터 미만이다.(그러나, 실시예 75는 알루미늄과 NaOH를 함유하지 않는다.)

실시예 72∼75의 각각의 수경성 혼합물 중 유리구의 총량은 2.1중량%이다.

수경성 혼합물을 수금형 및 암금형을 이용하여 컵 모양으로 압축한다. 컵은 접시와 비슷한 성질을 가지며 수경성 혼합물이 용기 모양으로 성형되기 쉬움을 보여준다.

이들 재료는 공기 함유량과 혼합물 중 혼입된 유리구의 효과적인 충전으로 인하여 극히 경량(밀도<0.7g/cm³)이고, 매우 단열성이 크다. 이들 실시예의 수경성 혼합물은 혼합재의 최종 조성물 중의 효과를 극대화하기 위해 혼합재를 충전해야 할 필요성을 보여준다. 실시예 75의 수경성 혼합물은 많은 상황에서 좋은 조성물이나, 그 단열능은 실시예 72∼74의 수경성 혼합물만큼 크지 못하다.

[실시예 76∼79]

각 실시예가 하기의 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 시이트를 제조한 다음, 시이트를 한쌍의 다이 사이에서 압축하여 수경성 접시를 제조한다.

유 리 구

실시예 미세 중간 굵은 알루미늄 NaOH

76 171 g 394 g 267 g 3.0 g 16.7 g

77 171 g 394 g 267 g 4.5 g 26.6 g

78 171 g 394 g 267 g 6.0 g 26.6 g

79 171 g 394 g 267 g 0.0 g 0 g

각각의 실시예는 3kg의 포틀랜드 백시멘트와 1.67kg의 물을 함유하므로, 물/시멘트 비율은 0.56이다. 틸로즈^(R)FL 15002 및 마닐라삼 섬유를 각각 150g 및 60g의 양으로 각 혼합물에 가한다. 실시예 76∼79의 각 수경성 혼합물 중 유리구의 총량은 3.4 중량%이다. 그렇지 않으면, 이들 실시예의 수경성 혼합물을 실시예 72∼75의 방법과 실질적으로 동일하게 제조한다.

이들 실시예에서 제조되는 재료는 공기 함유량과 혼합물로 혼입된 유리구의 효과적인 충전으로 인하여 극히 경량이고 매우 단열성이 크다. 이들 실시예의 수경성 혼합물은 혼합재의 최종 조성물 중의 효과를 극대화하기 위해 혼합재를 충전해야 할 필요성을 보여준다. 실시예 79의 수경성 혼합물은 많은 상황에서 좋은 조성물이나, 실시예 76∼78의 수경성 혼합물과 같은 단열능을 나타내지 못한다.

실시예 76∼79의 접시는 실시예 72∼75의 상응하는 접시보다 더욱 경량이고 더 단열성이 크다. 그러나, 이들 플레이트는 시멘트 함량이 보다 많은 것보다 낮은 강도를 갖는다.

[실시예 80∼83]

각 실시예가 하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 시이트를 제조한 다음, 시이트를 한쌍의 다이 사이에서 압축하여 수경성 접시를 제조한다.

유 리 구

실시예 미세 중간 굵은 알루미늄 NaOH

80 257 g 591 g 400 g 2.0 g 14.2 g

81 257 g 591 g 400 g 3.0 g 22.5 g

82 257 g 591 g 400 g 4.0 g 22.5 g

83 257 g 591 g 400 g 0.0 g 0 g

각 실시예는 2kg의 포틀랜드 백시멘트와 1.41kg의 물을 포함하므로, 물/시멘트 비율은 0.71이다. 틸로즈^(R)FL 15002 및 마닐라삼 섬유를 각 혼합물에 각각 100g 및 60g의 양으로 가한다. 실시예 80∼83의 각 수경성 혼합물 중 유리구의 총량은 6.8 중량%이다. 그 외에는, 수경성 혼합물을 실시예 72∼75의 방법과 실질적으로 동일하게 제조한다.

이들 실시예에서 제조한 재료는 공기 함유량과 혼합물로 혼입된 유리구의 효과적인 충전으로 인하여 극히 경량이며 매우 단열성이 크다. 이들 실시예의 수경성 혼합물은 혼합재의 최종 조성물 중 효과를 극대화하기 위해 혼합재를 충전할 가치가 있음을 보여준다. 실시예 83의 수경성 혼합물은 많은 경우에 좋은 조성물이지만 실시예 80∼82의 수경성 혼합물과 같은 단열능을 보이지는 않는다.

실시예 80∼83의 접시는 실시예 76∼79의 상응하는 접시에 비해 더욱 경량이고 더욱 단열성이 크지만, 이들 접시는 시멘트를 더 많이 함유한 것보다 낮은 강도를 갖는다.

[실시예 84∼87]

각 실시예가 하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 시이트를 형성시킨 다음, 그 시이트를 한쌍의 다이 사이에서 압축하여 수경성 접시를 제조한다.

유 리 구

실시예 미세 중간 굵은 알루미늄 NaOH

84 271 g 624 g 422 g 1.0 g 14.3 g

85 271 g 624 g 422 g 1.0 g 22.6 g

86 271 g 624 g 422 g 1.0 g 22.6 g

87 271 g 624 g 422 g 1.0 g 0 g

각 실시예는 1kg의 포틀랜드 백시멘트와 1.42kg의 물을 포함하므로, 물/시멘트 비율은 1.42이다. 틸로즈^(R)FL 15002 및 마닐라삼 섬유를 각 혼합물에 각각 100g 및 60g의 양으로 가한다. 실시예 72∼75의 방법과 실질적으로 동일하게 수경성 혼합물을 제조한다. 이들 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 매우 높지만 이들은 지거링에 의해 쉽게 압출되고 주조된다.

실시예 84∼87의 각 수경성 혼합물 중 유리구의 총량은 9.7 중량%이다.

이들 재료는 공기 함유량과 혼합물에 혼입된 유리구의 효과적인 충전으로 인하여 극히 경량이며 매우 단열성이 크다. 이들 실시예의 수경성 혼합물은 혼합재의 최종 조성물 중 효과를 극대화하기 위해 혼합재를 충전할 가치가 있음을 보여준다. 실시예 87의 수경성 혼합물은 많은 경우에 좋은 조성물이지만 실시예 84∼86의 수경성 혼합물과 같은 단열능을 보이지는 않는다.

실시예 84∼87의 접시는 실시예 80∼83의 상응하는 접시에 비해 훨씬 더 경량이고 더욱 단열성이 크지만, 이들 접시는 시멘트를 더 많이 함유한 것보다 낮은 강도를 갖는다.

[실시예 88∼89]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 성형 시이트로 사용한다.

실시예 시멘트 물 틸로즈^(R)RL 15002 마닐라삼 섬유 계면활성제

88 10 kg 23.0 kg 300 g 200 g 300 g

89 10 kg 20.0 kg 300 g 200 g 300 g

이들 실시예에서, 미세 시멘트가 시이트를 만드는데 사용된다. 상기 성분을 상술한 종류의 고에너지 믹서(E. Khashoggi Industries 제품)에서 약 10분간 혼합하여 수경성 혼합물을 제조한다. 상기 고에너지 고속 믹서는 상당한 양의 공기를 수경성 혼합물에 도입한다. 이 공기가 계면활성제를 이용하여 수경성 혼합물 내로 혼입되고 틸로즈^(R)에 의해 안정화된다.

수득되는 수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 얇은 시이트( 1mm)로 형성시킨다. 이 시이트를 새김눈 처리하고, 씨리얼 상자 모양으로 접은 다음, 당업계에 공지된 접착 기술에 의해 붙인다. 임의로, 과량의 물을 제거하여 가공전 상태의 강도를 증가시켜주는 열 터널로 이 생성물을 통과시킴으로써 경화시킨다.

[실시예 90∼91]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 사용하여 수경성 시이트를 제조한다.

실시예 시멘트 물 틸로즈^(R)RL 15002 흑연 섬유 계면활성제

90 4.23 kg 8.1 kg 120 g 260 g 135 g

91 10.0 kg 20.0 kg 300 g 300 g 300 g

혼합 방법 및 사용되는 수경성 시멘트의 종류는 실시예 88 및 89와 같다. 그러나, 흑연 섬유로 인하여 혼합물은 흑연 섬유를 함유하지 않는 재료 만큼 경량이거나 단열성이지 못하다. 수득되는 수경성 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 얇은 시이트(1mm)를 형성시키고, 이를 씨리얼 상자 모양으로 접은 다음, 당업계에 공지된 접착 기술에 의해 붙인다. 임의로, 과량의 물을 제거하여 가공전 상태의 강도를 증가시켜주는 열 터널로 이 생성물을 통과시킴으로써 경화시킨다.

수득되는 수경성 재료는 고도로 단열성이고 약 0.25∼0.4 범위의 낮은 벌크 비중을 갖는다.

[실시예 92]

시멘트, 물 및 틸로즈^(R)의 발포된 혼합물에 약 1.2 kg의 유리구를 가하는 것을 제외하고는 실시예 90에 기재된 방법을 이용하여 수경성 혼합물로부터 수경성 접시를 제조한다. 수득되는 접시는 표준 폴리스티렌 발포체 접시와 별로 다르지 않은 단열능을 갖는다. 이 실시예의 접시를 150℃의 오븐에 세시간 동안 놓아 둔다. 그래도 여전히 맨손으로 꺼낼 수 있다.

이하의 실시예는 건조 시이트를 제조한 다음, 원하는 제품으로 형태형성시키는데 사용되는 수경성 조성물에 관한 것이다.

[실시예 93]

하기 성분을 포함하는 수경성 혼합물을 성형하여 얇은 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 1.0 kg

물 2.5 kg

틸로즈^(R)FL 15002 200 g

중공 유리구(<100 미크론) 1.0 kg

마닐라삼 섬유 5 부피 %

마닐라삼 섬유(85% 이상의 셀룰로오스가 α-히드록시셀룰로오스이도록 제조자에 의해 전처리된 것)를 예비습윤한 다음, 과량의 물을 가하고, 섬유를 틸로즈^(R)과 포틀랜드 시멘트의 혼합물에 가한다. 이 혼합물을 비교적 고속으로 약 10분간 혼합한 다음, 중공 유리구를 가한 후 비교적 저속으로 혼합한다. 수득되는 수경성 혼합물의 물/시멘트 비율은 약 2.5 이다.

이 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시켜 두께 약 1mm의 얇은 시이트로 형성시킨다. 습윤 시이트를 새김눈 처리한 다음 접어서 상자를 만든다. 그러나 상당량의 쪼개짐이 존재하고, 충분한 강도와 완성도를 갖는 상자가 만들어지지 않는다.

다음, 시이트를 먼저 경화시킨 다음, 새김눈 처리하고, 상자 모양으로 접어 제지 기술 분야에서 공지된 접착 방법으로 붙인다. 접힌 부분의 쪼개짐은 무시할 수 있을 정도이며, 이는 얇은 시이트를 경화시키거나 어느 정도 고형화시킨 후에 새김눈 처리한 다음 접는 것이 바람직하다는 것을 보여준다. 얇은 시이트를 판지 원료로 제조한 요즈음 사용되는 건조 씨리얼 상자의 형태, 외관 및 중량을 갖는 상자로 형성시킨다.

[실시예 94]

실시예 93에서 제조된 건조 시이트를 적당한 모양으로 절단하여 말아서 컵모양으로 하고, 당분야에 공지된 접착 방법을 이용하여 붙인다. 실시예 93 및 94는 현재 판지, 종이 또는 플라스틱으로 만들어지는 유사한 모양의 박스, 컵, 또는 다른 유사한 모양의 용기를 제조하는 것이 가능함을 보여준다.

이하의 실시예는 높은 인성 및 강도를 갖는 구부러지기 쉬운 수경성 재료가 제조될 수 있음을 보여준다. 이들은 쿠션작용과 유연성이 중요한 요소인 운송 분야의 응용에 유용하다.

[실시예 95∼99]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 굴곡가능한 시이트를 제조한다.

실시예 플라스틱 구 시멘트 물 틸로즈^(R)

95 0.12 kg 1.0 kg 2.0 kg 0.1 kg

96 0.1213 kg 0.8 kg 2.0 kg 0.1 kg

97 0.1225 kg 0.6 kg 2.0 kg 0.1 kg

98 0.1238 kg 0.4 kg 2.0 kg 0.1 kg

99 0.1251 kg 0.2 kg 2.0 kg 0.1 kg

"플라스틱 구"는 폴리프로필렌으로 만들어진 것이며 평균 입자 크기는 100 미크론 미만이고 평균 밀도는 0.02 g/cm³이다. 실시예 93에 기재된 방법에 따라 수경성 혼합물을 혼합한 다음, 시이트로 형성시킨다. 수경성 시이트는 앞에서의 혼합물 배합에 비하여 비교적 강하고 매우 유연성이 크다. 실시예 95에 준하여 만들어진 접시의 압착 강도는 2 MPa이고 인장 강도는 1 MPa이다. 대부분의 시멘트 제품에서 매우 보기드문 같은 크기의 압착 및 인장 강도를 갖는다는 것이 놀라운 특징이다. 통상적으로 압착 강도는 인장 강도보다 훨씬 더 크다. 시멘트가 보다 적게 첨가되므로, 압착 강도 및 인장 강도가 점점 증가하여 실시예 99의 접시는 0.5 MPa의 인장 강도를 갖는다.

이들 포장재는 스티로폼 용기재료에 통상적으로 가해지는 힘보다 큰 힘이 가해지는 경우에도 앞의 실시예의 대응하는 비유연성 수경성 재료에서와 같이 부서지지 않고 물리적으로 압착된다.

그렇지 않으면, 굴곡가능한 수경성 재료를 직사각형의 바아 모양으로 압출하는데, 이는 이 혼합물에 의해 가능한 유연성의 정도를 보여준다.

이들 실시예에서 제조된 수경성 포장재의 밀도는 0.1 내지 0.6 g/cm³의 범위로서, 시멘트의 양이 적을 수록 밀도가 감소한다.

[실시예 100∼104]

예비습윤된 마닐라삼 섬유를 부피 단위로 하기와 같은 양으로 첨가하는 것 외에는 실시예 95∼99에 준하여 굴곡가능한 수경성 용기 재료를 제조한다.

실시예 마닐라삼 섬유

100 2 %

101 4 %

102 6 %

103 8 %

104 10 %

고전단 믹서를 이용하여 수경성 혼합물에 섬유를 잘 분산시킨다. 수득되는 수경성 접시 및 직사각형 바아는 실시예 95∼99의 것과 실질적으로 같은 밀도 및 유연성을 가지지만, 마닐라삼 섬유의 양이 증가함에 따라 인장 강도가 증가된다. 여기에서 제조된 재료의 인장강도의 범위는 5 MPa에 이른다.

[실시예 105]

플라스틱 구가 수경성 혼합물의 표면 부근에 밀집되어 최종 경화품의 표면 또는 표면 부근에 플라스틱 구가 밀집되어 있는 성형품을 제조하는 것을 제외하고는 실시예 95∼104에 기재된 조성과 방법을 이용하여 수경성 용기를 제조한다.

형성되는 용기는 유연성이 더욱 중요한 시멘트 매트릭스의 표면 부근에 플라스틱 구가 고도로 밀집되어, 유연성이 덜 중요한 포장재의 중심부에는 플라스틱 구가 실질적으로 존재하지 않는다. 동시에 용기벽 중심부의 인성이 상기 강고한 용기와 같은 내성과 인성을 부여한다.

이하의 일련의 실시예들은 비교적 높은 비중을 가지지만 구조내 공간의 양이 많은 다중-셀 구조물과 같은 고체 물질로 형성된다. 이는 최종 생성물의 벌크 비중을 감소시켜 보다 경량이면서도 더욱 강하고 내구성이 크다.

[실시예 106]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물을 압출하여 다중-셀 포장 구조물을 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 4.0 kg

미세 모래 6.0 kg

물 1.5 kg

틸로즈^(R)FL 15002 200 g

성분들을 고속 믹서를 이용하여 10분간 혼합하여 매우 균질한 혼합물을 제조함으로써 수경성 혼합물을 제조한다. 다음, 수경성 혼합물을 압출하여 매우 높은 압착 강도를 갖는 다중-셀 구조물을 형성시킨다. 다중-셀 구조로 인하여 경화 재료는 매우 경량이고 블록 밀도가 단지 1.02 g/cm³이다. 더우기, 경화 재료는 약 75 MPa의 압착 강도를 갖는다. 다중-셀 구조물 내의 공간의 양에 따라, 블록 밀도는 0.5 내지 1.6 g/cm³의 범위 내에서 쉽게 변화될 수 있다.

이들 재료는 포장재, 쿠션재 및 용기를 포함하는 다양한 제품의 매우 강하지만 경량의 벽을 제조하는 데 사용될 수 있다.

[실시예 107∼109]

수경성 혼합물에 마닐라삼 섬유가 부피%로 하기의 양만큼 포함되는 것을 제외하고는 실시예 106의 방법에 따라 수경성 혼합물을 제조한다.

실시예 마닐라삼 섬유

107 1 %

108 2 %

109 3 %

수득되는 다중-셀 구조물은 다중-셀 구조의 강화 작용 때문에 가공전 상태 및 경화 후에 모두 높은 강도를 갖는다. 이들 실시예에서 제조된 다중-셀 구조물은 실시예 106의 것보다 더욱 유연한 한편, 압착 강도가 훨씬 더 큰 것으로 기대된다. 이들 재료는 보다 큰 음식물 및 음료 포장용기의 매우 강하면서도 비교적 경량인 벽에 사용될 수 있다.

[실시예 110∼112]

수경성 혼합물에 섬유유리가 부피%로 하기의 양만큼 포함되는 것을 제외하고는 실시예 106의 방법에 따라 수경성 혼합물을 제조한다.

실시예 섬유 유리

110 1 %

111 2 %

112 3 %

수득되는 다중-셀 구조물은 다중-셀 구조의 강화 작용 때문에 가공전 상태 및 경화 후에 모두 높은 강도를 갖는다. 이들 실시예에서 제조된 다중-셀 구조물은 실시예 106의 것보다 더욱 유연한 한편, 압착 강도가 훨씬 더 큰 것으로 기대된다. 이들 재료는 보다 큰 음식물 및 음료 포장용기의 매우 강하면서도 비교적 경량인 벽에 사용될 수 있다.

[실시예 113]

상술한 조성 중 임의의 것을 사용하여 두개의 편평한 시이트 사이에 끼인, 홈이 있는 내부 구조를 포함하는 골판형 수경성 시이트를 제조한다. 재료 시이트를 적절한 두께의 편평한 시이트로 칼렌더링하여 편평한 외부 시이트를 제조한다. 골판형 또는 홈이 있는 내부 시이트(통상의 판지 상자의 골판형 홈이 있는 내부 시이트와 유사함)는 경화되거나 재습윤된 편평한 적절한 두께의 수경성 시이트를 골판형 표면으로 서로 맞물리면서 한쌍의 롤러로 통과시킴으로써 제조된다.

골판형 시이트의 표면에 풀을 바른 다음 두 편평한 시이트 사이에 끼우고 경화시킨다.

[실시예 114]

상술한 조성 중 임의의 것을 사용하여, 수경성 혼합물을 압축 또는 성형하여 카톤 모양으로 만든다. 조성에 따라, 카톤은 높은 강도, 내구성, 유연성, 저중량 및/또는 저밀도를 나타낸다.

[실시예 115]

상술한 조성 중 임의의 것을 사용하여, 수경성 혼합물을 크레이트의 형태로 성형한다. 이는 다중-셀 구조물 또는 골판형 시이트를 압출하거나, 적절한 강도를 갖는 적절한 구조의 다른 것을 성형함으로써 수행될 수 있다. 조성에 따라, 크레이트는 높은 강도, 내구성, 유연성, 저중량 및/또는 저밀도를 나타낸다.

[실시예 116]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 성형 또는 압축하여 뚜껑모양으로 만든다. 조성에 따라 뚜껑은 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및/또는 낮은 밀도를 나타낸다.

[실시예 117]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 칸막이 형태로 성형한다. 조성에 따라, 칸막이는 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및 또는 낮은 밀도는 나타낸다.

[실시예 118]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 라이너 형태로 성형한다. 조성에 따라, 라이너는 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및/또는 낮은 밀도는 나타낸다.

[실시예 119]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 상자 형태로 성형한다. 이는 압출 및/또는 칼렌더링, 및/또는 새김눈 절단 및/또는 접는 것에 의해 수행된다. 조성에 따라, 상자는 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및/또는 낮은 밀도는 나타낸다.

[실시예 120]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 병 모양으로 성형한다. 조성에 따라, 병은 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및/또는 낮은 밀도는 나타낸다.

[실시예 121]

상술한 임의의 조성물을 사용하여, 수경성 혼합물을 가정용품 형태로 성형한다. 조성에 따라, 가정용품은 높은 강도, 내구성, 유연성, 낮은 중량 및 또는 낮은 밀도는 나타낸다.

[실시예 122∼139]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 형성된 다양한 두께의 수경성 시이트로부터 식품 및 음료 용기를 제조한다.

포틀랜드 백시멘트 1.0 kg

펄라이트 0.5 kg

운모 0.5 kg

섬유(남부 소나무) 0.25 kg

틸로즈^(R)FL 15002 0.2 kg

물 2.5 kg

포틀랜드 시멘트, 마이카, 섬유, 틸로즈^(R)및 물을 고전단 믹서에서 5분간 함께 혼합한 후, 수득되는 혼합물에 펄라이트를 가하여 저전단 믹서에서 5분 동안 더 혼합한다. 다음, 수경성 혼합물을 오거 압출기에 넣고, 슬릿 모양의 구명을 갖는 다이를 통해 압출시킨다. 폭 300mm, 두께 6mm의 연속 시이트가 압출되어 나온다.

다음, 시이트를 하나 이상의 감축 롤러 사이로 통과시켜 최종 두께가 각각 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm 및 0.5mm인 시이트를 수득한다. 롤러의 직경은 17cm이고, 수경성 혼합물이 롤러에 점착되는 것을 막기 위해 광택의 니켈로 코팅된 스테인레스 스틸로 만들어진 것이다. 또한, 롤러는 혼합물과 롤러 사이의 점착을 더욱 방지하기 위해 110℃의 온도로 가열된다.

원하는 두께의 시이트를 수득하기 위해, 압출된 시이트를 점차적으로 작아지는 롤러간 간격 거리를 갖는 감축 롤러를 사용하여 단계적으로 감축시킨다. 시이트 두께는 다음과 같이 감축된다.

6mm ⇒ 2mm ⇒ 0.5mm ⇒ 0.4mm

또는 0.3mm

또는 0.2mm

압출 공정과 칼렌더링 공정을 조합하여 시이트의 길이 (또는 신장 방향)를 따라 실질적으로 단일 방향으로 배향된 섬유를 갖는 시이트를 제조한다. 따라서, 시이트는 나비 방향 (5∼6 MPa)에 비해 길이 방향 (10∼12 MPa)에서 보다 높은 인장 강도를 갖는다.

경화된 수경성 시이트를 마무리하고, 피복한 다음, 다양한 식품 및 음료 용기로 만든다. 예를 들면, 시이트로부터 적절한 모양을 잘라내고, 그 모양을 컵의 형태로 말아서, 말린 시이트의 끝을 통상의 수성 풀로 접착시킨 다음, 원판 모양을 컵의 바닥에 놓고 말아진 벽 부분의 바닥을 오그라뜨려 바닥을 제자리에 고정시키고 컵의 가장자리를 구부려 가장자리를 강화하고 마시는 부분을 보다 매끈하게 함으로써 "냉음료용 컵"(패스트푸드 음식점에서 사용하는 차가운 소프트 드링크가 담기는 것과 같은)을 제조한다. 두께가 0.3mm 및 0.4mm인 시이트가 사용된다.

시이트는 새김눈 절단에 반대되는 시이트 면에서 보다 쉽게 구부려지거나 닫히는 것이 밝혀졌다. 통상의 재료에 사용되는 통상의 새김눈은 시이트를 새김눈이 있는 면에서 더욱 쉽게 구부리거나 닫히도록 하는 점에 유의해야 한다. 수득되는 클램 쉘 용기는 종이 클램 쉘에 비하여 필적할 만하거나 더 우수한 단열능을 나타낸다.

(패스트 푸드 산업에서 요리된 프렌치 프라이를 내는 데 사용하는 것과 같은) 프렌지 프라이 용기는 시이트로부터 적절한 모양을 절단해 내고, 시이트를 새김눈 절단하여 원하는 접힘선을 형성한 후, 시이트를 프렌치 프라이 용기 모양으로 접고, 접힌 시이트의 끝을 접착 수단을 이용, 접착시켜 용기의 형태를 보존함으로써 만들어진다. 두께 0.25mm, 0.3mm, 0.35mm, 0.4mm, 0.45mm 및 0.5mm의 시이트가 프렌치 프라이 용기 제조에 사용된다.

(야채나 프렌치 프라이 같은 냉동 식품의 포장을 위해 슈퍼마켓에서 사용되는 것과 같은) 냉동 식품 상자는 시이트로부터 적절한 모양을 절단해 내고, 시이트를 새김눈 절단하여 원하는 접힘선을 형성한 후, 시이트를 냉동식품 상자 용기 모양으로 접고, 접힌 시이트의 끝을 접착 수단을 이용, 접착시켜 용기의 형태를 보존함으로써 만들어진다. 두께 0.25mm, 0.3mm, 0.35mm, 0.4mm, 0.45mm 및 0.5mm의 시이트가 냉동식품 상자의 제조에 사용된다.

차가운 씨리얼 상자는 시이트로부터 적절한 모양을 절단해내고, 시이트를 새김눈 절단하여 원하는 접힘선을 형성한 후, 시이트를 차가운 씨리얼 상자 모양으로 접고, 접힌 시이트의 끝을 접착 수단을 이용, 접착시켜 씨리얼 상자의 형태를 보존함으로써 만들어진다. 두께 0.3mm의 시이트가 사용된다.

빨대는 0.25mm 시이트의 조각을 빨대 형태로 말아서, 그 끝을 공지의 접착 수단으로 접착시킴으로써 만들어진다. 빨대 제조시에도, 상술한 용기의 제조에서와 마찬가지로, 시이트에 높은 수준의 유연성을 일시적으로 부여하기 위해 시이트를 어느 정도 재습윤하는 것이 유리하다. 이는 시이트가 쪼개지거나 찢어지는 것을 극소화한다. 그렇지 않은 경우에도, 빨대를 육안으로 보아 쪼개짐이나 찢어짐 없이 재습윤하지 않고도 말거나 주름잡을 수 있다.

용기는 수분의 존재 하에 시간이 흐르면 (평균 붕괴 시간 1일 정도) 파괴되는 것이 밝혀졌다. 용기 제조시 시이트로부터 깍아낸 과량의 폐기물은 이를 단순히 파괴하여 다시 수경성 혼합물에 혼합함으로써 쉽게 재사용될 수 있다.

하기와 같은 두께의 시이트로 만든 각종 용기가 제조된다.

실시예 용기 시이트 두께

122 찬음료 컵 0.3 mm

123 찬음료 컵 0.4 mm

124 클램 쉘 0.4 mm

125 클램 쉘 0.5 mm

126 프렌치 프라이 상자 0.25 mm

127 프렌치 프라이 상자 0.3 mm

128 프렌치 프라이 상자 0.35 mm

129 프렌치 프라이 상자 0.4 mm

130 프렌치 프라이 상자 0.45 mm

131 프렌치 프라이 상자 0.5 mm

132 냉동 식품 상자 0.25 mm

133 냉동 식품 상자 0.3 mm

134 냉동 식품 상자 0.35 mm

135 냉동 식품 상자 0.4 mm

136 냉동 식품 상자 0.45 mm

137 냉동 식품 상자 0.5 mm

138 차가운 씨리얼 상자 0.3 mm

138 빨대 0.25 mm

[실시예 140]

실시예 122∼139의 용기 제조에 사용되는 수경성 시이트를 통상의 종이 시이트를 인쇄하는데 사용되는 통상의 인쇄용 프레스로 인쇄할 수 있다. 잉크는 통상의 종이 시이트를 사용하는 경우만큼, 혹은 그보다 더 빨리 건조될 수 있다. 인쇄된 시이트는 상기 나열된 용기 중 임의의 것을 제조하는데 인쇄되지 않은 것과 마찬가지로 사용될 수 있다.

[실시예 141]

컵의 꼭대기를 구부리는 단계에 앞서 컵의 가장자리를 무기 오일 윤활제로 처리하는 것을 제외하고는 실시예 122에 기재된 과정에 따라, 실시예 140에서 수득된 인쇄 수경성 시이트를 컵 모양으로 만든다. 컵의 끝을 구부리는 단계는 무기 오일 없이도 가능하다. 컵은 중량, 강도 및 내수성등 모든 성질에 있어, 패스트 푸드 산업에서 상업적으로 사용 가능하다.

[실시예 142]

실시예 122∼139에 준하여 제조된 시이트를 사용하여 클램쉘 용기를 제조한다. 시이트를 가장 쉽게 구부러질 수 있도록 하는 동시에 가장 높은 강도 및 탄성을 갖는 경첩을 남기는 적정 새김눈 절단 깊이를 결정하기 위해 시이트를 테스트한다. 20∼50% 범위의 새김눈 깊이를 시험하였으며, 25%의 새김눈 깊이가 가장 좋은 결과를 낳았다. 또한 보다 두꺼운 시이트(0.4∼0.5mm)가 더 좋은 새김눈을 형성하며, 보다 강하고 단단한 클램 쉘 용기를 제공한다.

[실시예 143]

삼중 역 경첩(triple reverse hinge)을 사용하는 것 외에는 실시예 122∼139의 시이트를 사용하여 동일하게 클램 쉘을 제조한다. 즉, 일련의 3중 새김눈을 클램 쉘 용기의 외면으로 절단한다. 이는 각각의 새김선이 구부러져야할 거리를 단축하므로, 결과적으로 경첩이 단일 새김눈 절단 경첩에 비하여 부서짐 없이 더 여러번 개폐될 수 있다.

[실시예 144]

실시예 122 및 123에 따라 제조된 냉음료 컵을 시판되는 왁스 피복기로 통과시켜 균일한 왁스층을 표면에 입힌다. 왁스층은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 차단하여 방수성을 부여한다.

[실시예 145]

미세 분무 노즐을 사용하여 실시예 122 및 123에 따라 제조된 냉음료 컵을 아크릴 피막으로 피복한다. 실시예 144의 왁스 피복에서와 같이, 아크릴 피복층은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 차단하여 방수성을 부여한다. 그러나, 아크릴 피복은 왁스 피복처럼 눈에 띄이지 않는다는 장점이 있다. 보다 얇은 아크릴 피복이 가능하므로, 컵은 거의 피복되지 않은 것처럼 보인다. 컵의 광택은 다양한 종류의 아크릴 피복을 사용함으로써 조절될 수 있다.

[실시예 146]

실시예 122 및 123에 따라 제조된 냉음료 컵을 미세 분무 노즐을 이용하여 상업적으로 사용되는 멜라민 피막으로 피복한다. 실시예 144 및 145에서와 같이, 멜라민 피복층은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 차단하여 방수성을 부여한다. 그러나, 멜라민 피복도 왁스 피복에 비해 눈에 띄지 않고 더 얇은 피복으로 입힐 수 있다. 컵의 광택은 다양한 종류의 멜라민 피복을 사용하여 조절될 수 있다.

[실시예 147]

폴리에틸렌 글리콜로 가소화된 히드록시메틸셀룰로오즈 혼합물로 이루어진 완전히 주변에 대하여 안전한 피복을 실시예 123에 따라 제조된 냉음료 컵에 피복한다. 이 피복은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 차단하여 방수성을 부여한다. 그러나, 표면은 왁스, 아크릴, 또는 멜라민으로 피복된 컵에 비하여 더 자연스럽고 광택이 덜한 외관을 갖는다.

[실시예 148∼151]

실시예 124 및 125에서 제조한 클램 쉘 용기를 실시예 144∼147의 냉음료 컵을 피복하는데 사용된 것과 같은 피복 재료로 임의 피복한다. 결과는 냉음료 컵의 경우와 실질적으로 동일하다.

실시예 피복재료

148 왁스

149 아크릴계

150 멜라민

151 가소화 히드록시메틸셀룰로오스

[실시예 152∼155]

실시예 126-131에서 제조한 프렌치 프라이 용기를 실시예 144-147의 냉음료 컵을 피복하는데 사용한 것과 같은 피복재료로 임의로 피복한다.

실시예 피복재료

152 왁스

153 아크릴계

154 멜라민

155 가소화 히드록시메틸셀룰로오스

[실시예 156∼159]

실시예 132-137에서 제조한 냉동식품 용기를 실시예 144-147의 냉음료 컵을 피복하는데 사용한 것과 같은 피복재로로 임의로 피복한다.

실시예 피복재료

156 왁스

157 아크릴계

158 멜라민

159 가소화 히드록시메틸셀룰로오스

[실시예 160∼163]

실시예 138에서 제조한 차가운 씨리얼 상자를 실시예 144-147의 냉음료 컵을 피복하는데 사용한 것과 같은 피복재료로 임의로 피복한다. 결과는 냉음료 컵에서 얻어진 것과 실질적으로 동일하다.

실시예 피복재료

160 왁스

161 아크릴계

162 멜라민

163 가소화 히드록시메틸셀룰로오스

[실시예 164∼167]

실시예 139에서 제조한 빨대를 실시예 144-147의 냉음료 컵을 피복하는데 사용한 것과 같은 피복재료로 임의로 피복한다. 이러한 방식으로 빨대의 내벽을 적절히 피복하는 것은 매우 어렵지만, 빨대의 겉면에 있어서는 피복된 컵과 실질적으로 동일한 결과가 얻어진다.

실시예 피복재료

164 왁스

165 아크릴계

166 멜라민

167 가소화 히드록시메틸셀룰로오스

[실시예 168]

실시예 122-139에 기재된 것과 같은 혼합 방식을 사용하여 0.25 내지 0.5mm의 다양한 두계를 갖는 시이트를 제조한다. 혼합, 압출 및 칼렌더링 공정은 모두 동일하다. 각각의 두께를 갖는 건조 시이트를 원형으로 절단하고, 제지원료로 이러한 접시를 만드는데 사용되는 점차적인 다이로 고정된 시판되는 기계적 프레스를 사용하여 종이 접시로 형성시킨다. 각인된 수경성 접시의 세부는 완전히 두드러지며, 모양, 강도 및 외관이 통상의 종이 접시에 비하여 실질적으로 유사하다. 그러나, 수경성 접시는 통상의 종이 접시보다 단단하여, 음식이 담기거나 놓여질 경우 더욱 구조적인 보전성이 좋다.

[실시예 169]

실시예 168에서 수득된 건조 시이트를 접시로 압축되기 전에 초기 건조 시이트의 증량에 대하여 5%의 추가 수분을 함유하도록 먼저 습윤시킨다(수경성 구조 매트릭스는 건조한 느낌을 주고 극대의 강성을 가지지만 확실히 "건조" 매트릭스 내에도 수분이 함유되어 있음을 감안해야 한다). 첨가된 수분은 시이트를 더욱 유연성있게 해주며(즉, 파괴되지 않고 더 많이 신장되도록), 이는 같은 공정에 의해 형성된 통상의 종이 접시에 비하여 더 좋은 형태와 세부를 갖게 해준다. 압축기를 200℃로 가열하여, 과량의 수분을 매우 짧은 압축시간(1초 미만) 동안 가열된 금형 내의 통기구멍을 통하여 증발시킴으로써 종이보다 높은 강성을 갖는 건조 제품을 수득한다.

[실시예 170]

실시예 168에서 수득된 건조 시이트를 접시로 압축되기 전에 초기 건조 시이트의 증량에 대하여 10%의 추가 수분을 함유하도록 먼저 습윤시킨다. 첨가된 수분은 시이트의 형태와 세부는 실시예 169의 것과 필적할만 하지만 시이트를 훨씬 더 유연성있게 해준다. 추가의 물을 가한 결과 성형은 과도한 수분을 증발시켜 실질적으로 건조한 접시를 제조하는데 좀더 많은 시간을 요한다. 성형 시간은 금형온도를 높임으로써 단축될 수 있다. 최종 생성품은 상응하는 종이 접시보다 강성이 크다.

[실시예 171]

실시예 168에서 수득된 건조 시이트를 접시로 압축되기 전에 초기 건조 시이트의 증량에 대하여 20%의 추가 수분을 함유하도록 먼저 습윤시킨다. 첨가된 수분은 성형공정이 건조 시이트 각인아라기 보다는 습윤 시이트 성형 공정으로 분리될 수 있을 정도 로 시이투룰 실시예 170의 시이트보다 더욱 유연성있게 해준다. 수득되는 생성물은 압축된 재료에 전혀 접힘선이 없으므로 종이 각인 공정에 유리하다. 최종 생성품은 상응하는 종이 접시에 비해 더욱 강성이 크다.

[실시예 172]

실시예 168에서 수득된 건조 시이트를 접시로 압축되기 전에 초기 건조 시이트의 증량에 대하여 30%의 추가 수분을 함유하도록 먼저 습윤시킨다. 성형 공정과 결과는 유사하지만, 첨가된 물로 인하여 시이트는 실시예 171의 시이트보다 약간 더 유연성이 크다. 수득되는 생성물은 압축된 재료에서 접힘선이 없으므로 종이 각인 공정에서 유리하다. 추가의 물을 가한 결과 성형공정은 보다 적은 양의 물로 시이트를 습윤시킨 경우보다 조금 더 많은 시간은 요한다. 성형시간은 금형온도를 높임으로써 단축될 수 있다. 최종 생성품은 상응하는 종이 접시보다 강성이 크다.

[실시예 173]

시이트를 상기와 같이 압축하여 접시로 만들기 전에 시이트의 한쪽 면에 시판되는 아크릴 피복을 입히는 것을 제외하고는 실시예 168-172에서와 같은 과정을 반복한다. 시이트를 재습윤시킬 경우에, 피복한 면의 반대쪽 면에 물을 분무한다. 피복에 의하여 접시가 보다 광택있는 표면을 갖게 되고 방수성이 더욱 좋아진다.

[실시예 174]

시이트를 상기와 같이 압축하여 접시로 만들기 전에 시이트의 한쪽 면에 시판되는 폴리에틸렌 피복을 입히는 것을 제외하고는 실시예 168-172에서와 같은 과정을 반복한다. 시이트를 재습윤시킬 경우에, 피복한 면의 반대쪽 면에 물을 분무한다. 피복에 의하여 접시가 보다 광택있는 표면을 갖게 되고 방수성이 더욱 좋아진다.

[실시예 175∼181]

제지 원료로부터 일회용 종이 보울을 제조하는데 사용되는 통상적인 프레스를 사용하여 시이트를 보울을 제조하는 데 사용되는 통상적인 프레스를 사용하여 시이트를 보울 형태로 압축시키는 것을 제외하는 는 실시예 168-174에서와 같은 과정을 반복한다. 수경성 보울의 직경은 15cm이고 깊이는 3cm이다. 편평한 시이트로부터 보울을 형성시키기 위해서는 보다 깊은 형태, 보다 큰 굽힘정도 및 변형이 요구되므로, 10% 미만의 수분량을 가한 시이트는 약간의 결함을 보인다. 그러나, 10% 이상의 물을 가해 사용하면, 보다 좋은 형태의, 종이로 만들어진 보울에 비하여 접힘선이 없고 매끈한 표면을 갖는 보울이 수득된다.

실시예 수분 첨가량 피복

175 0% -

176 5% -

177 10% -

178 20% -

179 30% -

180 가변적 -

181 가변적 -

[실시예 182∼188]

시이트를 압축하여 상부와 하부를 포함하는 두부분을 갖는 아침식사용 큰 접시 모양으로 만드는 것을 제외하고는 실시예 168-174에서와 같은 성형과정을 반복한다. 상반부의 길이는 20㎝, 깊이는 3.5㎝이고, 하반부의 길이는 21㎝, 깊이는 1.0㎝이다. 두께 0.8mm의 시이트를 사용하여 각각 12-15g 의 무게를 갖는 제품을 생산한다. 패스트 푸드 산업에서 사용되고 있는 아침식사용 큰접시에 비하여 본 실시예의 제품은 비슷한 중량을 가지지만, 그처럼 취약하지 않다.

상반부와 하반부는 크기에 있어 서로 상보적이며 상반부 측의 보조날개와 하반부측의 슬롯을 사용하여 상호 잠기게 되어 밀폐된 용기를 형성할 수 있다. 제품은 부서질 때 비파괴되는 일이 없을 정도로 충분히 유연성을 갖는다. 피복된 제품은 피복과 수경성 구조 매트릭스 사이의 상승효과를 나타내게 되어 더욱 강하고, 질김, 엘라스토머 피복의 높은 신장성으로 인하여 탄력적이다.

실시예 수분 첨가량 피복

182 0% -

183 5% -

184 10% -

185 20% -

186 30% -

187 가변적 -

188 가변적 -

[실시예 189]

칼렌더링된 시이트를 건조시킨 후 재습윤하지 않고, 습윤 시이트를 직접 아침식사용 큰 접시로 성형하는 것 외에는 실시예 182-188에 기재된 혼합 방식을 사용하여 두부분으로 된 아침식사용 큰접시를 제조한다. 습윤 시이트는 쉽게 성형되어 표면 및 구조적 결함이 매우 적은 제품을 생산한다. 본 실시예에서 제조한 아침식사용 큰 접시는 0.5mm의 두께를 가지며, 앞의 실시예에서 제조한 큰 접시들과 유사한 중량과 단열성을 갖는다.

상기 제조된 용기를 마이크로웨이브 오븐 내부에 배치하고 마이크로웨이브와의 조화여부를 시험한다; 즉 용기와 음식물이 마이크로웨이브 복사에 노출되었을 때, 용기자체 또는 그 내부의 음식물이 가영되는지를 시험한다. 용기가 약간의 마이크로웨이브를 흡수하여 수경성 구조 매트릭스 내에 존재하는 수분 때문에 뜨거워질 것으로 예측도 가능하나, 실제로 용기는 차가운 상태를 유지하였다. 재료의 낮은 절연 상수 때문에, 모든 에너지는 용기가 아닌 음식물 내부로 흡수된다.

같은 이유로, 마이크로웨이브의 초기사용 단계중 용기의 표면에 응집한 수증기는 마이크로웨이브에 계속 노출되면서 빠르게 증발한다. 그러므로 마이크로웨이브의 사용후 식품 용기를 열였을 때, 용기의 표면에는 수증기가 응집하지 않는다. 잉여 수증기는 용기를 열었을 때 밖으로 나오게 되므로, 음식물은 외형과 맛이 뛰어난 채로 유지된다. 이 사실은 용기의 표면상에 많은 양의 응집한 수증기를 축적시켜서 "눅누하고" 바람직하지 못한 식품을 만드는 폴리스티렌 용기와 큰 대조를 이룬다. 또한, 폴리스티렌 용기는 음식물이 장시간 가열될 때 녹아버리는 경우도 있다.

본 발명의 수경성 재료의 비열은 비교적 낮아 약 0.9 J/g.K이며 열량계수도 낮아 0.06 - 014 W/m.K의 범위이다. 이 사실은 마이크로웨이브의 사용중 식품으로 부터 용기로의 열 전도를 감소시킨다. 그러므로, 손을 데지 않고도 마이크로웨이브로 부터 용기를 꺼내는 것이 가능하다. 용기는 마이크로웨이브 오븐에서 옮겨진 후 (식품내부로부터 어느정도의 열을 흡수함으로서) 천천히 더워졌으나, 절대로 만지기에 뜨거울 정도는 아니었다.

[실시예 190]

다양한 식품과 음료수 용기의 제조에 적합한 평면의 종이 시이트를 다음과 같은 성분을 포함하는 수경성 혼합물로부터 생산한다:

포틀랜드 시멘트 1.0 ㎏

펄라이트 0.3 ㎏

증공 유리구(< 0.1 mm) 0.8㎏

운모 0.5 ㎏

섬유질(남부 소나무) 0.25 ㎏

틸로즈 FL 1500 2 0.2 ㎏

물 2.6 ㎏

먼저, 시멘트, 움모, 섬유질, 틸로즈, 그리고 물을 5분간 고전단 믹서에서 혼합한 후, 펄라이트와 중공 유리구를 추가하고 다시 저전단 하에 혼합한다. 혼합물을 오거 압출기와 다이를 통해서 30㎝ 의 폭과 0.6㎝의 두께를 갖는 시이트로 압출시킨다.

시이트의 두께를 0.1mm 내지 2mm 로 감축시키기 위하여, 시이트를 수 쌍의 가열된 롤러를 차례로 통과시킨다.

유리구들은 펄라이트에 비하여 적은 비표면(200-250㎡/㎏)을 가지므로, 실시예 190의 혼합물은 실시예 122-139의 혼합물 배합에 비하여 균일한 두께와 개선된 표면의 마감을 산출한다. 혼합재 비표면의 감소는 가열된 칼렌더링 롤러를 접촉하면서 제거되는 수분의 량을 감소시킨다. 그러므로 본 재료는 뛰어난 성형가능성과 최적의 레올로지를 유지하며, 결과적으로 칼렌더링 공정중 적은 미시적 결함과 뛰어난 균일성을 초래한다.

[실시예 191]

실시예 190에 따라 제조된 시이트를 상업적인 종이컵 제조기를 사용하여 재단하고, 감고, 접착시켜 10온스(oz)의 음료수 컵을 제작한다. 방수성을 증가시키기 위하여 밀랍 피복으로 컵을 임의로 피복하였다.

[실시예 192]

운모를 0.5㎏의 카올린으로 대체하는 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복실시한다. 이와 같은 혼합물 배합을 이용하여 제조한 시이트는 운모를 사용한 것보다 광택있는 표면을 갖는다. 보다 광택있는 표면은 시이트가 한쌍의 칼렌더링 롤러 사이를 연속적으로 통과할 때 보다 작은 카올린 입자들이 정렬하여 칼렌더링 롤러가 한쌍의 마감 롤러처럼 작용하기 때문에 얻어진다.

[실시예 193]

1.0㎏의 카올린을 사용하는 것 외에는 실시예 192의 과정을 반복한다. 이처럼 증가된 양의 카올린을 사용하여 성형된 시이트는 1.5㎏의 카올린이 사용된 경우에 비하여 매끈한 표면 마무리를 갖는다.

[실시예 194]

1.5㎏의 카올린을 사용하는 것 외에는 실시예 192의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 이처럼 증가된 양의 카올린을 사용하여 성형된 시이트는 0.5㎏ 또는 1㎏의 카올린이 사용된 경우에 비하여 보다 매끈한 표면 마무리를 갖는다. 그러나, 카올린의 증가로 인하여 더 부서지기 쉬운 시이트가 생산된다. 또한 증가된 비표면으로 인한 건조시 시이트가 감축 롤러를 통과할 때 약간 문제가 된다.

[실시에 195]

펄라이트를 제외하고, 운모의 양을 1.5㎏으로 증가시킨 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 이처럼 변화된 혼합물 배합을 사용하여 수득된 시이트는 보다 매끈한 표면 마무리를 갖는다. 그러나, 수경성 구조 매트릭스는 보다 밀도가 크고 더 부서지기 쉽다. 또한, 건조시 결함이 증가하다. 시이트를 말아서 컵을 만들 수 있으나 금간 것 같은 형태의 약간의 표면 결함이 있다. 꼭대기를 구부리는 것에서도 실시예 122 및 123의 경우보다 좋지 못하다.

[실시예 196]

펄라이트의 양을 1.0㎏으로 증가시킨 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 수득되는 시이트 및 용기는 약간 더 낮은 밀도를 가지나 강도 및 인성이 약간 더 낮다.

[실시예 197]

펄라이트의 양을 0.75㎏으로 증가시킨 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 수득되는 시이트 및 용기는 약간 더 낮은 밀도를 가지나 강도 및 인성이 약간 더 낮다. 그러나, 강도 특성이 1.0㎏의 펄라이트를 사용한 실시예 196의 것보다는 조금 더 양호하다.

[실시예 198]

펄라이트의 양을 0.25㎏으로 감소시킨 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 수득되는 시이트 및 용기는 보다 높은 섬유 함량 및 약간 더 높은 밀도나, 강도 및 인성은 더 크다.

[실시예 199]

펄라이트를 아주 제외시킨 것 외에는 실시예 122-139의 혼합물 배합 및 성형 공정을 반복한다. 수득되는 시이트 및 용기는 보다 약간 더 높은 밀도를 가지나 강도 및 인성은 더 크다.

이하의 실시예들은 바람직한 성능을 갖는 제품을 생산하기 위해 혼합물 배합을 적정선택하기 위한 시험들에 관한 것이다. 시험예에서는 시이트 만을 제조하였지만, 당분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 이러한 시이트가 상세한 설명(실시예 포함)에 기재된 임의의 방법에 의해 어떻게 적절한 음료 또는 식품 용기로 만들어질 수 있는지를 이해할 수 있을 것이다. 또한, 많은 혼합물 배합이 식품이나 음료 용기를 직접 성형하거나 습윤 시이트 성형하는데 응용되었다.

[실시예 200∼205]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 실시예 122-139에 기재된 방법에 따라 두께 0.45mm의 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 1.0 ㎏

펄라이트 변화량

운모 0.5 ㎏

틸로즈 FL 15002 0.2 ㎏

섬유질(남부 소나무) 0.25 ㎏

물 변화량

펄라이트의 양을 변화시켜 물질의 성질, 특히 경화된 시이트의 강도 특성에 미치는 효과를 연구하였다. 펄라이트의 흡수성 때문에 동일 수준의 레올로지 및 작업성을 유지하기 위해서는 펄라이트의 양이 감소함에 따라 물의 양을 감소시켜야 한다. 각 실시예에서 펄라이트와 물의 양은 하기와 같다.

실시예 펄라이트 물

200 0.5㎏ 2.15㎏

201 0.4㎏ 2.05㎏

202 0.3㎏ 1.85㎏

203 0.2㎏ 1.65㎏

204 0.1㎏ 1.50㎏

205 0.0㎏ 1.40㎏

압출과 칼렌더링 공정은 섬유가 실질적으로 단일방향으로 길이방향 배향되도록 하는 효과를 준다. 따라서, 시이트는 "강한" 방향과 "약한" 방향을 갖는다. "강한"방향인 0°와 약한 방향인 90°의 두 방향에서 시이트의 인장강도를 시험한다. 또한, 각 시이트에서 파욜되기 이전의 신장 수준을 영 탄성율로 측정한다.

또, 시이트르 중간 방향, 즉 45°에서 강도 측정하여 예시적 결과를 얻는다. 45°방향에서 시이트의 인장강도, 신장율 및 영 탄성율은 통상의 법칙에 따르면 약한 방향에서 측정한 성질과 유사할 것으로 보이나, 일반적으로 강한 방향 및 약한 방향에서 측정된 것보다 떨어진다. 결과를 하기에 나타낸다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

200 10.67 5.18 1.57 0.66 2297 1375

201 11.2 5.33 2.39 1.25 2156 1559

202 13.45 6.27 2.22 1.00 2956 1548

203 16.06 7.73 3.05 1.01 3006 1674

204 17.91 10.0 1.39 0.98 3375 2605

205 13.87 6.76 1.03 0.48 3058 2434

이들 실시예는 펄라이티의 양이 일정량 이하로 감소되지 않는 한 펄라이트의 양이 감소됨에 따라(섬유의 양이 증가됨에 따라) 인장 강도, 신장율 및 영 탄성율이 모두 증가된다. 인장 강도와 영 탄성율은 펄라이트가 완전ㅎ 없어지는 실시예 205에까지 계속하여 증가된다. 그러나, 펄라이트가 감소됨에 따라 재료의 신장능력은 펄라이트 0.2㎏ 미만이 사용될 때까지 증가되고, 그 후 신장율은 상당히 저하된다. 상기 혼합물 배합에서 펄라이트의 양을 일정 수준 이상으로 감소시키면 시이트의 결함이 증가하며, 이는 시이트의 강도, 신장율 및 탄성율을 감소시킨다.

그러나, 일반적으로, 펄라이트의 양이 감소하면, 섬유 레올로지 조절제 및 수경성 시멘트의 양이 증가되므로 인장강도가 더해질 것으로 예측된다. 또한, 시멘트의 농도를 증가시키면 강성(탄성율)이 더해지는 한편 제품의 신장율에는 부정적인 영향을 줄 것이다.

흥미있는 점은 종이 제품에서 강한 방향 및 약한 방향에서 인장강도의 비는 통상 3:1 인데 대하여 시이트에서 상기 비율은 약 2:1 에 불과하다는 것이다.

상기 시험된 시이트는 실질적으로 건조한 것이나, 실시예 200-205에 따르는 시이트는 극대의 건조성을 갖는 시이트를 수득하기 위해 오븐에서 더 건조시킨다. 시이트를 더 건조시키는 것은 일정한 조건에서 시이트의 강도 및 기타 특성을 보다 정확하게 평가하기 위한 것이다. 혼합물 배합, 시험 도중의 습도 또는 다른 변수에 따라서, 시이트는 일정량의 수분을 흡수하거나 보유할 것으로 생각된다. 더 건조된 시이트의 강도, 신장율, 및 탄성율을 이하에 나타낸다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

200 14.01 N/A 1.53% N/A 2559 N/A

201 13.6 6.23 1.34 1% 1799 2071

202 16.81 8.11 1.76 1.08 2659 1587

203 19.32 8.97 1.82 1.16 4002 1609

204 20.25 11.23 1.41 0.63 3448 1536

205 17.5 N/A 0.81 N/A 3457 N/A

상기 실시예에서 나타난 바와 같이, 완전히 시이트를 건조시키면 신장율이 어느 정도 감소되는 한편, 강도 및 탄성율은 증가된다. 따라서, 이들 실시예로부터 증가된 강도 및 중요한 경우에는 시이트를 완전히 건조시켜야 함을 배울 수 있다. 신장율이 중요한 경우에는 시이트의 습도로써 신장율을 조절할 수 있다.

[실시예 206∼210]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 실시예 122-139에 기재된 방법에 따라 두께 0.44mm의 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 1.0㎏

탄산 칼슘(탈크) 변화량

틸로즈 FL 15002 0.20㎏

섬유질(남부 소나무) 0.25㎏

물 변화량

탈크의 양을 변화시켜 재료의 특성, 특히 경화된 시이트의 강도 특성에 미치는 영향을 조사한다. 탈크는 펄라이트에 비하여 흡수성이 떨어지므로, 같은 수준의 레올로지 및 작업성을 유지하기 위해 탈크의 감소량에 따라 물의 양을 감소시킬 필요가 없다. 각 실시예에서 탄산 칼슘과 물의 양은 아래와 같다.

실시예 탄산칼슘 물

206 5.0㎏ 2.25㎏

207 4.0㎏ 2.15㎏

208 3.0㎏ 2.05㎏

209 2.0㎏ 2.00㎏

210 1.0㎏ 1.96㎏

다양한 혼합물 배합으로부터 형성된 완전 건조 시이트 각각의 강도, 신장율 및 영탄성율은 하기와 같다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

206 11.59 N/A N/A N/A N/A N/A

207 16.16 N/A 0.72% N/A 4638 N/A

208 14.82 5.22 0.97 0.42% 4521 3521

209 20.43 8.26 1.11 0.56 4301 2773

210 18.43 7.98 1.13 0.51 3902 3320

탈크를 사용함으로써 펄라이트를 사용한 경우보다 더 매끈하고, 결함이 없는 표면을 가지며, 더 균일한 미세구조를 갖는 시이트가 수득된다.

[실시예 211∼217]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 실시예 122-139에 기재된 방법에 따라 두께 0.4mm의 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 1.0 ㎏

펄라이트 0.5㎏

운모 0.5 ㎏

틸로즈 FL 15002 변화량

섬유질(남부 소나무) 0.25 ㎏

물 변화량

수경성 혼하물 중 틸로즈의 양이 증가함에 따르는 영향을 조사하기 위해 틸로즈의 양을 변화시킨다. 혼합물 중 틸로즈의 양이 증가하면 유사한 레올로지와 작업성을 유지하기 위해 틸로즈를 용해시키기 위한 추가의 물이 필요한다.

실시예 틸로즈^(R)물

211 0.1㎏ 2.25㎏

212 0.3 2.75

213 0.4 3.00

214 0.5 3.25

215 0.6 3.50

216 0.7 3.75

217 0.8 4.0

더 많은 틸로즈가 첨가될수록 인장 강도와 신장 특성은 증가되나 영 탄성율은 저하된다. 다양한 혼합물 배합을 사용하여 오븐 건조된 시이트의 시험 결과는 아래와 같다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

211 N/A N/A N/A N/A N/A N/A

212 13.84 7.25 1.41% 0.75% 2954 1692

213 16.43 7.9 1.9 0.83 2400 2075

214 21.31 11.58 3.64 1.06 3347 2370

215 16.11 10.35 1.84 1.13 2816 1797

216 15.73 9.56 1.81 0.93 2690 1851

217 18.86 10.33 2.35 1.45 2790 1570

예시된 바와 같이, 틸로즈의 농도를 증가시키면 일반적으로 인장강도, 탄성율 및 파열 이전의 신장율이 증가되는 경향이 있다. 싱장율이 크면 시이트로부터 형성되는 컵의 가장자리를 구부릴 때 도움이 될 것으로 기대되며, 새김눈 절단시 시이트의 강도를 증가시킬 것으로 기대된다. 그러나, 틸로즈의 농도가 일정량 이상으로 증가되면, 재료의 작업성이 저하되고 구조 매트릭스 내에 더 많은 결함이 생겨, 시이트의 강도, 탄성율 및 신장율을 감소시킬 것으로 예측된다. 그럼에도 불구하고, 결함의 양(강도 특성으로 인한)은 칼렌더링 공정을 적정화함으로써 개선될 수 있다.

[실시예 218]

혼합물 배합에서 섬유와 틸로즈의 양이 증가하면 인장 강도와 신장율이 일반적으로 증가한다는 점에 착안하여 두 성분을 극대화한 혼합물 배합을 시도한다. 수경성 혼합물은 하기 성분을 포함한다.

포틀랜드 시멘트 1.0㎏

물 2.2㎏

펄라이트 0.1㎏

섬유질 (남부 소나무) 0.25㎏

틸로즈 FL15002 0.5㎏

혼합물을 압출한 다음, 여러 쌍의 롤러 통과시켜 두께 0.4mm인 시이트를 만든다. 완전히 건조된 시이트는 보다 나은 강도 및 신장특성을 갖는다. 인장강도는 강한 방향에서 39.05 MPa, 약한 방향에서 18.86 MPa로 측정된다. 신장율은 강한 방향에서 1.97%, 약한 방향에서 1.23%이며, 탄성율은 강한 방향에서 3935, 약한 방향에서 2297로, 통상의 종이와 비슷하다.

[실시예 219∼223]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 실시예 122-139에 기재된 방법에 따라 두께 0.44mm의 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 1.0㎏

중공 유리구(4000 psi) 변화량

틸로즈 FL 15002 0.2㎏

섬유질 (남부 소나무) 0.25㎏

물 변화량

중공 유리구의 양을 변화시켜 재료의 성질, 특히 경화된 시이트의 강도 특성에 미치는 영향을 조사한다. 유리구는 많은 양의 물을 흡수하지 않지만, 유리구의 양이 감소하면 상응하는 입자간 간격이 감소되므로, 같은 레올로지를 유지하기 위해서 보다 적은 양의 물이 필요하다. 각 실시예에서 유리구 및 물의 양은 다음과 같다.

실시예 유리구 물

219 0.5㎏ 1.6㎏

220 0.4㎏ 1.45㎏

221 0.3㎏ 1.40㎏

222 0.2㎏ 1.35㎏

223 0.1㎏ 1.25㎏

다양한 혼합물 배합으로부터 형성된 완전히 건조된 시이트 각각의 강도, 신장율 및 영 탄성율은 아래와 같다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

219 10.34 3.69 2.2% 1.52% 1166 620

220 11.1 4.79 2.02 1.49 1446 677

221 12.38 5.71 1.58 1.15 1800 870

222 14.52 6.89 1.5 1.1 1935 1220

223 19.45 9.66 1.54 0.96 2660 1741

유리구의 경우에 알 수 있듯이, 다른 혼합물 배합에 비하여 신장율은 매우 높으나, 탄성율은 훨씬 낮다. 따라서 시이트는 더욱 유연하고 탄성적이다. 실시예 219-223에서 형성된 시이트는 ㅁ우 단열성이 커서 k-역가가 0.08- 0.14W/m.K 이다.

[실시예 224∼227]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 실시예 122-139에 기재된 방법에 따라 두께 0.4mm의 수경성 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 1.0 ㎏

펄라이트 0.5㎏

운모 변화량

틸로즈 FL 15002 0.2㎏

섬유질(남부 소나무) 0.25 ㎏

물 변화량

운모의 양을 변화시켜 재료의 성질, 특히 경화된 시이트의 강도 특성에 미치는 영향을 조사한다. 운모의 흡수성 때문에, 운모의 양이 증가할 수록 같은 레올로지 및 작업성을 유지하기 위해서 물의 양을 증가시켜야 한다. 각 실시예에서 운모 및 물의 양은 다음과 같다.

실시예 운모 물

224 1.0㎏ 2.7㎏

225 1.5㎏ 2.9㎏

226 2.0㎏ 3.0㎏

227 2.5㎏ 3.2㎏

다양한 혼합물 배합으로부터 형성된 완전히 건조된 시이트 각각의 강도, 신장율 및 영 탄성율은 아래와 같다.

강도(MPa) 신장율(L/L) 탄성율(MPa)

실시예 0° 90° 0° 90° 0° 90°

224 9.42 4.61 0.825% 0.652% 2127 1257

225 9.37 5.3 0.71 0.49 3079 2188

226 11.14 4.05 0.79 0.314 3100 1520

227 11.41 4.76 0.58 0.32 2693 1282

운모의 농도가 증가하면, 신장특성은 감소되는 한편 시이트의 강도는 증가된다. 다량의 운모를 함유하는 시이트는 부서지기 쉽다.

[실시예 228∼233]

하기 성분을 함유하는 수경성 혼합물로부터 종이 상의 시이트를 제조한다.

포틀랜드 시멘트 500g

탄산 칼슘 500g

중공 유리구 500g

경질목 섬유 500g

틸로즈 FL 15002 300g

물 변화량

3M 제조 압착 강도 4000 psi의 P38 중공 유리구를 사용한다. 사용되는 물의 양은 원하는 레올로지에 따라 1800 - 2300g의 범위에서 결정되어, 약 50중량%의 수분함량을 갖는 혼합물을 수득한다. 물이 더 많이 함유되므로 혼합물의 항복 응력 및 점도가 감소되어, 초기 형태 안정성은 감소되지만, 혼합물이 더 가소성이고 쉽게 성형 또는 압출된다. 물의 적정량은 압출기 다이 두께, 롤러 닙 및 롤러 온도를 포함하는 성형 공정에 따라 다르다. 물의 양은 다음과 같다.

실시예 물

228 1800g

229 1900

230 2000

231 2100

232 2200

233 2300

실시예 122∼139에 기재된 방법에 준하여 수경성 혼합물을 시이트로 만든다. 그렇지 않으면, 혼합물을 한쌍의 압출 롤러 사이로 통과시키고, 임의로 한쌍 이상의 감축 롤러 사이로 통과시켜 원하는 두께의 시이트를 제조한다. 롤러를 80-95℃ 범위의 온도로 가열시켜 시이트를 부분적으로 건조시킨다. 초기 수분함량이 많은 혼합물 배합의 경우에는 더 높은 롤러 온도가 적절하다. 롤러를 가열함으로써 시이트와 롤러 사이의 수중기 장벽을 형성하여 점착을 감소시킬 수 있다.

시이트를 150∼250℃ 범위의 온도로 가열된 일련의 건조 롤러 주위로 압연시켜 시이트를 더 완전히 건조시킨다. 그 후, 시이트를 빠르게 움직이는 칼렌더링 롤러 사이로 통과시켜 시이트의 표면을 광택있게 한다. 시이트를 완전히 건조시킨 후에도(시이트는 완전히 건조된 느낌이지만), 시이트는 약 12중량%의 수분을 함유한다.

무기 성분으로서 포틀랜드 백시멘트, 탄산 칼슘 및 유리구를 사용하므로, 수득되는 시이트는 통상의 종이와 같이 매우 희다. 이는 극히 유연성이고 종이가 사용되는 거의 모든 응용분야에 사용가능하다. 이는 용기, 특히, 식품 및 음료 용기를 포함하는 매우넓은 종류의 제품 제조를 위해 종이 시이트 또는 제지 원료로 사용될 수 있다.

[실시예 234]

상술한 임의의 혼합물 배합을 잉요하여 수경성 시멘트를 거의 같은 중량의 반수 석고로 대체하여 수경성 혼합물을 제조한다. 수경성 혼합물은 보다 짧은 경화시간을 가지나, 일반적으로 유사한 강도, 신장율 및 강성을 갖는 시이트를 수득하게 한다.

[실시예 235]

상술한 임의의 혼합물 배합을 이용하여 수경성 시멘트를 산화 칼슘으로 대체하여 수경성 혼합물을 제조한다. 수경성 혼합물은 산화 칼슘이 이산화탄소와 느리게 반응하기 때문에 보다 긴 경화시간을 가지나, 일반적으로 유사한 강도, 신장율 및 강성을 갖는 시이트를 수득하게 한다. 그러나, 성형 공정 도중 또는 성형 후에 많은 양의 물을 제거함으로써 신속히 가공전 강도를 수득하도록 할 수 있다.

[실시예 236]

하기 성분을 갖는 수경성 혼합물을 제조한다.

반수 석고 1.0㎏

펄라이트 0.5㎏

틸로즈 0.075㎏

섬유 0.25㎏

물 2.6㎏

석고, 틸로즈, 섬유 및 물을 고전단 믹서에서 3분간 혼합한 다음, 펄라이트를 가하고 저전닥 믹서에서 3분간 더 혼합한다.

혼합물을 두께 6mm의 시이트로 압출한 후, 단계적으로 칼렌더링하여 시이트의 최종 두께를 0.25-0.5mm 범위가 되도록 한다.

이들 시이트는 상기 상세한 설명에서 기재한 임의의 적절한 방법을 사용하여 적절한 식품 또는 음료 용기로 쉽게 형성될 수 있다. 강도 특성은 수경성 시켄틀ㄹ 이용하여 제조한 용기들과 유사하며, 예를 들면 종이, 판지 또는 폴리스티렌 용기들의 대용으로 사용될 수 있다.

[실시예 237]

수경성 시멘트를 사용하는 수경성 혼합물 배합 중 임의의 것을 수경성 시멘트 중량의 약 25% 가 되는 반수 석고로 변화시킨다. 석고는 수분 흡수 성분으로 작용하여(또는 내부 건조제로 작용) 더 식속한 형태 안정성을 초래한다. 수득된 용기의 강도 특성은 석고를 포함하지 않은 혼합물과 비슷하다.

[실시예 238]

상기 혼합물 배합 중 임의의 것에 경화 촉진제를 포함시켜 ㄷ욱 빠리 형태 안정성을 수득하는 수경성 혼합물을 제조한다. 재료의 최종 강도는 경화 촉진제를 사용하지 않은 경우의 재료와 비슷하다.

[실시예 239]

폐기 수경성 용기 및 다른 제품을 폐기 음식과 함께 퇴비로 만든다. 4주 후, 용기는 완전히 부서져 좋은 퇴비가 된다.

[실시예 240]

폐기된 무기물 충전 용기 및 다른 제품을 폐기 음식과 함께 퇴비로 만든다. 4주후, 용기는 완전히 부서져 좋은 퇴비가 된다.

[Ⅶ.요약]

이상에서와 같이, 본 발명은 형재 종이, 판지, 폴리스티렌, 금속, 유리 또는 플라스틱으로 제조되는 각종 물품으로 형성될 수 있는 수경성 및 무기물 충전된 제품을 제조하기 위한 조성물, 제법 및 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한 종이, 판지, 폴리스티렌, 금속, 유리 및 플라스틱 제품과 유사한 성질을 갖는 수경성 및 무기물 충전된 제품을 생산하는 조성물, 제법 및 시스템을 제공한다. 이와 같은 조성물은 종이, 판지, 폴리스티렌, 금속, 유리 또는 플라스틱으로부터 제조된 제품을 제조하는데 현재 사용되는 것과 같거나 유사한 제조 장치 및 기술을 이용하여 다양한 용기 및 기타 제품으로 형성될 수 있다.

또, 본 발명은 종이, 판지, 플라스틱, 금속, 유리 또는 폴리스티렌 재료의 제조에 수반되는 것과 같은 폐기물이 생성되지 않는다. 그리고, 이로부터 제조된 용기 또는 기타 물품과 함께 이들 제품은 지구상에 흔히 존재하는 물질로 쉽게 분해가능하다.

더우기, 본 발명은 현재의 종이 또는 폴리스티렌 제품의 제조 방법과 비슷하거나 월등한 가격으로 시이트, 용기 및 기타 물품을 제조하는 것을 가능케 하는 조성물, 제법 및 시스템을 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 식속히 형성되고 제조 공정의 시작으로부터 수분 내에 실질적으로 건조되는 수경성 및 무기물 충전된 제품을 대량 생산하기 위한 조성물, 제법 및 시스템을 제공한다.

본 발명은 그 정신 또는 필수적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 특정 형태로 구현될 수 있다. 기재된 구현예들은 본 발명을 더 설명하기 이한 것이지 어떤 의미에서든 이를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 앞의 설명에 의하기 보다는 첨부된 청구범위에 의해 표시된다. 청구범위의 동등성의 의미 및 범위 내에서 일어나는 모든 변법은 본 발명의 청구범위에 속한다.

Claims (97)

1. 무기물 충전된 혼합물로부터 증발에 의해 상당량의 물을 제거하는 것에 의하여 형성되어진 무기물 충전된 매트릭스를 가지는 제조 물품에 있어서: 물 ; 물-분산성 유기 중합체 결합재 ; 상기 혼합물내의 전체 고형물의 중량비로 약 20% 내지 약 95% 범위의 농도를 갖는 무기물 혼합재 ; 및 섬유질 재료 ; 를 포함하며, 상기 무기물 충정된 매트릭스의 두께는 약 0.01mm 내지 약 1cm 범위이고 물과의 접촉으로 분해되는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
2. (a) 물, 물-분상성 유기 중합체 결합재, 섬유질 재료를 포함하는 접착성 혼합물로부터 증발에 의하여 상당량의 물을 제거하는 것에 의하여, 두께가 약 0.01mm 내지 약 1cm 범위이고 물과의 접촉으로 분해되는 것을 특징으로 하는, 성형 물품을 형성하는 공정과; (b) 물에 의한 분해를 방지하기 위해 상기 성형 물품에 적층 피복을 붙이는 공정 ; 에 의하여 형성되어진, 적층 피복을 포함하는 제조 물품.
3. (a) 물, 물-분산성 유기 중합체 결합재, 섬유질 재료를 포함하는 접착성 혼합물로부터 증발에 의하여 상당량의 물을 제거하는 것에 의하여, 두께가 약 0.01mm 내지 약 1cm 범위이고 물과의 접촉으로 분해되는 것을 특징으로 하는, 성형 물품을 형성하는 공정과; (b) 물에 의한 분해를 방지하기 위해, 식용유, 멜라민, 폴리염화비닐, 폴리 알코올 비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴산염, 폴리아미드, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리젖산, 폴리히드록시부티레이트-히드록시발레레이트 공중합체, 전분, 또는 콩 단백질 중 하나 이상으로 이루어지는 피복을 상기 성형 물품에 붙이는 공정; 에 의하여 형성되어진, 피복을 포함하는 제조 물품.
4. 적층 피복이 붙여진 성형 시이트를 포함하는 제조 물품에 있어서, 상기 성형 시이트는 물, 물-분산성 유기 중합재, 섬유질 재료를 포함하는 접착성 혼합물로부터 증발에 의하여 상당량의 물을 제거하는 것에 의하여 형성되고; 상기 성형 시이트는 두께가 약 0.01mm 내지 약 1cm 범위이고 물과의 접촉으로 분해되며, 상기 적층 피복은 물에 의해 시이트가 분해되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는; 제조 물품.
5. 2항에 있어서, 상기 혼합물은 혼합물내의 전체 고형물의 중량비로 약 20% 내지 약 95% 범위의 농도를 가지는 무기물 혼합재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
6. 제4항에 있어서, 상기 혼합물은 혼합물내의 전체 고형물의 중량비로 약 20% 내지 약 95% 범위의 농도를 가지는 무기물 혼합재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
7. 제1항에 있어서, 상기 무기물 혼합재의 농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 40% 내지 약 98% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
8. 제1항에 있어서, 상기 무기물 혼합재가 혼합재의 미리 예정된 입자 충전 밀도를 갖기 위하여 최적화된 크기의 개개입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
9. 제1항에 있어서, 상기 무기물 혼합재가 상기 물품의 밀도를 감소시키고 단열능력을 증가시키기 위하여 경량의 혼합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
10. 제9항에 있어서, 상기 경량의 혼합재는 펄라이트, 베르미큘라이트, 중공 유리구, 다공성 세라믹구, 팽창된 점토, 가벼운 부풀린 진흙, 경성(pumice), 미소구(microsphere) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
11. 제1항에 있어서, 상기 무기물 혼합재가 점토, 석고, 탄산 칼슘, 운모 실리카, 알루미나, 금속 모래, 자갈, 사암(sandstone), 석회석 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
12. 제1항에 있어서, 상기 혼합물은 씨, 전분, 젤라틴, 중합체, 코르크, 프라스틱 구, 한천 중 하나 이상으로 이루어지는 무기물 혼합재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
13. 제1항에 있어서, 상기 섬유질 재료의 농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 0.2% 내지 약 50% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
14. 제1항에 있어서, 상기 섬유질 재료의 농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 1% 내지 약 30% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
15. 제1항에 있어서, 상기 섬ㅇ질 재료가 삼, 면, 사탕수수, 마닐라삼, 아마, 목재섬유, 재활용된 펄프 섬유 및 이들의 혼합으로 구성되는 군에서 선택된 유기 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
16. 제1항에 있어서, 상기 섬유질 재료가 유리, 실리카, 세라믹, 흑연, 금속 섬유, 암석 섬유(rock wool) 및 이들의 혼합으로 구성되는 군에서 선택된 무기 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
17. 제1항에 있어서, 상기 섬유질 재료가 적어도 100:1의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 개개의 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
18. 제1항에 잇어서, 상기 유기 결합재가 메틸히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시메틸에틸 세룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시에틸프로필 셀룰로오스 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성되는 군에서 선택된 셀룰로오스-기재 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
19. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재가 아밀로펙틴, 아밀로오스, 씨겔(seagel), 전분 아세테이트, 전분 히드록시에틸 에테르, 이온성 전분, 장쇄 알킬전분, 덱스트린, 아민 전분, 인산염 전분, 디알데히드 전분 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성되는 군에서 선택된 전분-기재 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
20. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재가 프롤라민, 콜라겐, 젤라틴, 아교, 카제인 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성되는 군에서 선택된 단백질-기재 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
21. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재가 알긴산, 피코콜로이드(phycocolloid), 한천, 아라비아 고무, 구아르 고무, 로커스트빈 고무, 카라야 고무, 트라가칸트 고무 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성된 군에서 선택된 다당류-기재 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
22. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재가 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산염, 폴리아크릴이미드, 폴리젖산, 에틸렌 옥사이드 중합체, 합성 점토, 라텍스 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성된 군에서 선택된 합성 유기 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
23. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재의 농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 1% 내지 약 50% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
24. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재의 농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 5% 내지 약 20% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
25. 제1항에 있어서, 상기 유기 결합재와 섬유질 재료의 혼합농도가 혼합물내의 전체 고형물의 부피비로 약 5% 내지 약 60% 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
26. 제1항에 있어서, 상기 혼합물이 슬폰화 나프탈렌-포름알데히드 축합물, 술폰화 멜라민-포름알데히드 축합물, 리그노술포네이트 및 폴리아크릴산으로 구성된 군에서 선택된 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
27. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품이 미세 분산된 공기 공극을 포함하는 불연속의 뭉치지 않은 상(phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
28. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품의 두께가 약 0.1mm 내지 약 3mm 범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
29. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품의 밀도가 약 0.1g/cm³내지 약 1.5g/cm³범위인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
30. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품이 시이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
31. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품이 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
32. 제31항에 있어서, 상기 용기가 박스, 크레이트(crate), 백, 튜브, 컵, 클램 쉘(clam shell), 카톤(carton), 프렌치 프라이 용기, 접시, 보울, 골판지 상자 및 뚜껑으로 구성된 군에서 선택된 형태인 것을 특징으로 하는 제조 물품.
33. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품이 피복을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
34. 제33항에 있어서, 상기 피복이 멜라민, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴레이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴릭, 폴리우레탄, 폴리젖산, 녹말, 대두단백질, 폴리에틸렌, 합성중합체, 왁스, 엘라스토머 및 이들의 혼합 또는 유도체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
35. 제33항에 있어서, 상기 피복이 규산나트륨(sodium silicate), 탄산칼슘(calcium carbonate), 카올린(kaolin), 세라믹 및 이들의 혼합으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
36. 제1항에 있어서, 상기 제조 물품이 인쇄된 표시를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 물품.
37. 무기물 충전된 매트릭스를 가진 물품의 제조방법에 있어서 : 접착성의 무기물 충전된 혼합물을 제조하기 위하여 물-분산성 유기 중합체 결합재, 혼합물내의 전체 고형물의 중량비로 약 20% 내지 약 95% 범위인 무기물 혼합재, 물 및 섬유질 재료를 함께 혼합하는 단계; 상기 무기물 충전된 혼합물로부터 액체상태의 물을 제거함이 없이 상기 무기물 충전된 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형하는 단계; 및 상기 유기 중합체 결합재를 사실상 건조시키고 두께가 약 2cm이하인 무기물 충전된 매트릭스를 형성하기 위하여, 무기물 충전된 혼합물로부터 가속된 건조에 의해 상당량의 물을 제거하는 단계; 를 포함하는 물품의 제조방법.
38. 적층된 물품의 제조방법에 있어서: 접착성 혼합물을 제조하기 위하여 물-분산성 유기 중합체 결합재, 물 및 섬유질 재료를 함께 혼합하는 단계; 상기 접착성 혼합물로부터 액체상태의 물을 제거함이 없이 상기 접착성 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형하는 단계; 및 상기 유기 중합체 결합재를 사실상 건조시키고 두께가 약 2cm이하이며 소정의 형태를 가지는 성형 물품을 형성하기 위하여, 상기 혼합물로부터 가속된 건조에 의해 상당량의 물을 제거하는 단계; 상기 성형 물품에 적층 피복을 붙이는 단계; 를 포함하는 물품의 제조방법.
39. 피복된 물품의 제조방법에 있어서; 접착성 혼합물을 제조하기 위하여 물-분산성 유기 중합체 결합재, 물 및 섬유질 재료를 함께 혼합하는 단계; 상기 접착성 혼합물로부터 액체상태의 물을 제거함이 없이 상기 접착성 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형하는 단계; 및 상기 유기 중합체 결합재를 사실상 건조시키고 두께가 약 2cm이하이며 소정의 형태를 가지는 성형 물품을 형성하기 위하여, 상기 혼합물로부터 가속된 건조에 의해 상당량의 물을 제거하는 단계; 식용유, 멜라민, 폴리염화비닐, 폴리알코올 비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴산염, 폴리아미드, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리젖산, 폴리히드록시부티레이트-히드록시발레레이트 공중합체, 전분, 또는 콩 단백질 중 하나 이상으로 이루어지는 피복을 상기 성형 물품에 붙이는 단계; 를 포함하는 물품의 제조방법.
40. 적층된 물품의 제조바업에 있어서: 접착성 혼합물을 제조하기 위하여 물-분산성 유기 중합체 결합재, 물 및 섬유질 재료를 함께 혼합하는 단계; 상기 접착성 혼합물로부터 액체상태의 물을 제거함이 없이, 상기 접착성 혼합물을 접착성 시이트로 형성하는 단계; 상기 접착성 시이트를 소정 형태의 물품으로 성형하는 단계; 상기 유기 중합체 결합재를 사실상 건조시키고 두께가 약 2cm이하이며 소정의 형태를 가지는 성형 시이트를 형성하기 위하여, 상기 시이트로부터 가속된 건조에 의해 상당량의 물을 제거하는 단계; 및 상기 성형 시이트에 적층 피복을 붙이는 단계; 를 포함하는 물품의 제조방법.
41. 제37항에 있어서, 상기 혼합물이 약 5kPa 내지 약 5MPa의 항복 응력을 가지는 비율로 성분이 첨가되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
42. 제37항에 있어서, 상기 혼합 단계가 고전단 믹서를 이용하여 수행되어지는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
43. 제37항에 있어서, 상기 혼합 단계가 이중 오거 압출기를 이용하여 수행되어지는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
44. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가 다이 압축 성형, 사출 성형, 취입 성형, 지거링, 습윤 시이트 성형 및 건조 시이트 성형으로 구성된 군에서 선택된 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
45. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가 약 50℃ 내지 약 250℃의 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
46. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가 약 1분 이하의 시간 동안 수행되며, 상기 성형 물품이 상기 시간 내에 형태 안정성을 획득하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
47. 제38항에 있어서, 상기 성형 단계가 약 1분 이하의 시간 동안 수행되며, 상기 성형 물품이 상기 시간 내에 형태 안정성을 획득하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
48. 제37항에 있어서, 상자, 크레이트, 백, 튜브, 컵, 클램 쉘, 카톤, 프렌치 프라이 용기, 접시, 보울 및 뚜껑으로 구성되는 군에서 선택된 물품을 생산하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
49. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가: 소정(所定) 형태의 수다이와, 수다이의 형태에 실질적으로 상보되는 형태를 갖는 암다이 사이에 상기 혼합물을 놓는 단계; 상기 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형하기 위하여 수다이와 암다이 사이에서 혼합물을 압축하는 단계; 및 성형되어진 물품이 수다이와 암다이로부터 독립적인 자기형태를 유지할 만큼의 형태 안전성을 획득하였을 때 물품으로부터 수다이와 암다이를 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
50. 제49항에 있어서, 상기 성형 단계가 스플리트(split) 다이, 프로그레시브(progressive) 다이 및 콜랩서블(collapsible) 다이로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 다이를 사용하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
51. 제49항에 있어서, 상기 혼합물을 놓는 단계가: 수다이와 암다이 사이에 성형 공동이 형성될 때까지 상보적 방식으로 방식으로 수다이를 암다이내로 부분적으로 삽입하는 단계; 및 상기 성형 공동 안으로 혼합물을 주입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
52. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가: 주형(mold)을 채우기에 충분한 압력으로 물품의 소정(所定) 형태에 상응하는 형태를 갖는 주형내로 혼합물을 주입하는 단계; 및 성형된 물품이 주형으로부터 독립적인 자기형태를 유지할 만큼의 형태 안전성을 획득하였을 때 주형으로부터 물품을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
53. 제37항에 있어서, 상기 성형 단계가: 파리손 공동(parison cavity)과 그 안에 위치한 코아 막대(core rod) 주위로 혼합물을 주입하는 단계; 상기 코아 막대 위에 위치한 혼합물과 함께 코아 막대를 제조 물품의 소정(所定) 형태를 갖는 취입 성형 주형 내로 위치시키는 단계; 코아 막대를 통하여 공기를 취입하여 취입 성형 주형 내에서 혼합물을 팽창시키는 것에 의하여 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 제조하는 단계; 및 성형된 물품이 취입 성형 주형으로부터 독립적인 자기형태를 유지할 만큼의 형태 안전성을 획득하였을 때 물품으로부터 취입 성형 주형을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
54. 제37항에 있어서, 상기 소정(所定) 형태로 혼합물을 성형하는 단계가: 튜브 형태로 혼합물을 압출하는 단계; 물품의 소정(所定) 형태에 상응하는 공동(cavity)을 경계짓는 두 개로 분리되는 벽을 가진 압출 취입 성형 주형 사이에 튜브를 포획시키는 단계; 주형내에 포획된 튜브안으로 취입 핀(blow pin)을 삽입하는 단계; 취입 핀을 통하여 공기를 취입하여 주형의 벽에 대하여 혼합물을 팽창시키는 것에 의하여 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 제조하는 단계; 및 성형된 물품이 주형으로부터 독립적인 자기형태를 유지할 만큼의 형태 안전성을 획득하였을 때 주형을 두 개로 분리하는 것에 의하여 물품으로부터 주형을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
55. 제 37항에 있어서, 상기 성형 단계가 혼합물로부터 시이트를 제조한 다음, 상기 시이트로부터 성형에 의하여 물품을 제조하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
56. 제55항에 있어서, 상기 시이트가 진공 성형 공정(vacuum forming process)에 의하여 물품으로 성형되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
57. 제56항에 있어서, 상기 진공 성형 공정이 드레이프 성형(drape forming), 직접 진공 성형(straight vacuum forming), 드레이프 진공 성형(dreape vacuum forming), 스냅백 진공 성형(snapback vacuum forming), 빌로우/에어-슬립 진공 성형(billow/air-silp vacuum forming), 빌로우 드레이프 진공 성형(billow drape vacuum forming), 마개 보조 진공 성형(plug assist vacuum forming), 빌로우/마개보조/스냅백 성형(billow/plug-assist/snapback forming) 및 이중 시이트 성형(twin sheet forming)으로 구성된 방법들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
58. 제55항에 있어서, 상기 시이트를 소정(所定) 형태로 성형시키는 압력에 의하여 시이트가 물품으로 제조되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
59. 제55항에 있어서, 상기 시이트 성형 단계가 혼합물을 한쌍의 롤러 사이로 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
60. 제59항에 있어서, 상기 접착성 혼합물이 상기 롤러에 점착되는 것을 감소시키고 건조에 의해 일정량의 물을 제거하기 위하여, 상기 롤러를 가열하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
61. 제60항에 있어서, 상기 롤러가 약 60℃ 내지 약 140℃ 범위의 온도로 가열되는 것을 특지응로 하는 물품의 제조방법.
62. 제55항에 있어서, 상기 성형 단계가 다이를 통하여 상기 접착성 혼합물을 압출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
63. 제62항에 있어서, 압출된 혼합물을 한쌍의 감축 롤러(reduction rollers) 사이로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
64. 제63항에 있어서, 점차적으로 감소되는 간격차(gap distance)를 갖는 일련의 감축롤러를 통하여 시이트를 통과시킴으로써 시이트의 두께가 단계적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
65. 제55항에 있어서, 상기 시이트를 적어도 한 세트의 압착 롤러(compaction rollers) 사이로 통과시키는 것에 의하여 시이트 내의 원하지 않는 공극과 결함을 감소시키고 시이트의 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
66. 제55항에 있어서, 상기 시이트를 한쌍의 파상 롤러(corrugating rollers) 사이로 통과시키는 것에 의하여 골판형 시이트(corrugated sheet)를 성형하는 다녜를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
67. 제55항에 있어서, 소정(所定) 형태의 수다이와 상보적인 형태를 갖는 암다이 사이에서 시이트를 압축시키는 것에 의하여 시이트를 소정 형태의 물품으로 성형하는 단계; 및 성형된 물품이 수다이와 암다이로부터 독립적인 자기형태를 유지할 만큼의 형태 안전성을 획득하였을 때 물품으로부터 수다이와 암다이를 제거하는 단계; 에 의하여 시이트로부터 물품이 성형되어지는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
68. 제37항에 있어서, 상기 물품에 인쇄를 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
69. 제37항에 있어서, 상기 성형 물품에 피복재료를 입히는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
70. 제37항에 있어서, 상기 물품이 약 0.05mm 내지 약 3mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 물품의 제조방법.
71. 물품제조용 시스템에 있어서: 물-분산성 유기 결합재, 혼합물내의 전체 고형물의 중량비로 약 20% 내지 약 95% 범위의 농도를 가지는 무기물 혼합재, 물 및 섬유질 재료를 포함하는 접착성의 무기물 충전된 혼합물과; 상기 무기물 충전된 혼합물을 형성하기 위한 혼합 수단과; 상기 무기물 충전된 혼합물을 소정(所定) 형태의 제조 물품으로 성형하기 위한 성형 수단; 및 상기 혼합물로부터 가속된 방식으로 상당량의 물을 제거하여, 형태가 안정된 제조 물품이 약 2cm이하인 두께를 가지도록 하는 건조 수단; 을 포함하는 물품제조용 시스템.
72. 물품제조용 시스템에 있어서: 물-분산성 유기 결합재, 물 및 섬유질 재료를 포함하는 접착성의 혼합물과; 상기 접착성 혼합물을 형성하기 위한 혼합 수단과; 상기 접착성 혼합물로부터 소정(所定) 형태의 제조 물품을 성형하기 위한 성형 수단; 상기 혼합물로부터 가속된 방식으로 상당량의 물을 제거하여, 형태가 안정된 제조 물품이 약 2cm이하인 두께를 가지도록 하는 건조 수단; 및 상기 제조 물품에 적층 피복을 붙이는 적층 수단; 을 포함하는 물품제조용 시스템.
73. 물품제조용 시스템에 있어서: 물-분산성 유기 결합재, 물 및 섬유질 재료를 포함하는 접착성의 혼합물과; 상기 접착성 혼합물을 형성하기 위한 혼합 수단과; 상기 접착성 혼합물로부터 소정(所定) 형태의 제조 물품을 성형하기 위한 성형 수단; 상기 혼합물로부터 가속된 방식으로 상당량의 물을 제거하여, 형태가 안정된 제조 물품이 약 2cm이하인 두께를 가지도록 하는 건조 수단; 및 상기 제조 물품에 피복을 붙이는, 식용유, 멜라민, 폴리염화비닐, 포리알코올 비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴산염, 폴리아미드, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리젖산, 폴리히드록시부티레이트-히드록시발레레이트 공중합체, 전분, 또는 콩 단백질 중 하나 이상으로 이루어지는 피복 수단;을 포함하는 물품제조용 시스템.
74. 적층 제조 물품 제조용 시스템에 있어서: 물-분산성 유기, 물 및 섬유질 재료를 포함하는 접착성의 혼합물과; 상기 접착성 혼합물을 형성하기 위한 혼합 수단과; 상기 접착성 혼합물로부터 접착성 시이트를 형성하기 위한 시이트 형성 수단; 상기 접착성 시이트로부터 소정 형태의 제조물품을 성형하기 위한 성형 수단; 및 상기 성형 시이트로부터 가속된 건조로 상당량의 물을 제거하여, 약 2cm이하인 두께를 가지는 형태가 안정된 제조 물품을 제조하도록 하는 건조 수단; 을 포함하는 물품제조용 시스템.
75. 제71항에 있어서, 상기 혼합 수단이 고전단 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
76. 제71항에 있어서, 상기 혼합수단이 이중 오거 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
77. 제71항에 있어서, 상기 혼합 수단이 고에너지 혼합 및 저에너지 혼합을 수행할 수 있도록 구조되어진 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
78. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단의 적어도 일부분이 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
79. 제78항에 있어서, 상기 압출기가 오거 압출기인 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
80. 제78항에 있어서, 상기 압출기가 왕복나사 주입기(reciprocating screw injector)인 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
81. 제78항에 있어서, 상기 압출기가 2단계 주입기(two stage injector)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
82. 제74항에 있어서, 상기 시이트 성형 수단이 혼합물을 시이트의 형태로 압출시킬 수 있는 다이 슬릿이 있는 다이 헤드를 가진 압출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
83. 제82항에 있어서, 상기 시이트 성형 수단이 압출된 시이트가 통과되는 적어도 한쌍의 감축 롤러(reduction rollers)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
84. 제74항에 있어서, 상기 시이트 성형 수단이 직접 시이트를 성형할 수 있도록 혼합물이 통과되어질 수 있는 한쌍의 압출 롤러(extruding rollers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
85. 제74항에 있어서, 상기 시이트 성형 수단이 시이트가 통과되는 한쌍의 파상 롤러(corrugated rollers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
86. 제74항에 있어서, 상기 시이트 성형 수단이 시이트가 통과되는 적어도 한쌍의 압착 롤러(compaction rollers)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
87. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단이 서로 상보적인 형태로 갖는 수다이와 암다이를 포함하여, 상기 접착성 혼합물이 수다이와 암다이 사이에서 압축되어, 혼합물이 소정(所定) 형태의 물품으로 성형되어지는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
88. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단이 폐쇄된 사출 성형 주형내로 상기 혼합물을 주입할 수 있는 구조로 된 압출기를 포함하여, 혼합물이 사출 성형 주형내로 주입되는 것에 의하여 혼합물이 소정(所定) 형태의 물품으로 성형되어 지는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
89. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단이: 파리손 공동(parison cavity) 및 파리손 공동내부에 위치하며 혼합물을 팽창시키기 위해 공기를 불어넣을 수 있는 적어도 하나의 포트(port)를 갖는 코아 막대(core rod)의 주변에 혼합물을 주입할 수 있는 구조로 되어 있는 압출기; 및 물품의 소정(所定) 형태에 상응하는 공동(cavity)을 갖는 사출 취입 성형용 주형으로서, 상기 코아 막대는 코아 막대 위의 상기 혼합물이 취입 성형용 주형 내에 위치하고 코아 막대를 통하여 공기가 취입되어, 혼합물이 소정(所定) 형태의 물품으로 성형되도록 하는 사출 취입 성형용 주형; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
90. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단이: 혼합물을 튜브 형태로 압출시킬 수 있는 원형 다이 헤드를 갖는 압출기; 두 개로 분리되고 그 사이로 압출된 튜브를 포획할 수 있으며, 물품의 소정형태에 상응하는 공동을 가지는 취입 성형용 주형; 및 두 개로 분리되는 주형사이에 포획되어진 압출된 튜브 내에 취입용 핀이 위치하여, 취입용 핀을 통해 공기가 불어넣어져 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형하기 위한 취입용 핀; 을 포함하는 것을 특지응로 하는 물품제조용 시스템.
91. 제71항에 있어서, 상기 성형 수단이: 물품의 소정(所定) 형태에 상응하는 공동을 경계짓는 내벽을 갖는 지거링 주형; 그 위에서 주형을 지지시키고 회전시킬 수 있는 스핀들; 및 주형의 공동 내에서 위치조정 및 돌리기 위한 구조로 되어진 롤러 헤드로서, 혼합물을 지거링 주형내에 위치시키고, 롤러 헤드가 내부벽에 대하여 혼합물을 압축하는 것에 의하여, 혼합물을 소정(所定) 형태의 물품으로 성형시키는 롤러 헤드; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
92. 제71항에 있어서, 상기 건조 수단이 성형후의 물품에 열풍을 가할 수 있는 오븐을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
93. 제71항에 있어서, 상기 건조 수단이 마이크로파 방사기(microwave irradiator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
94. 제71항에 있어서, 상기 제조 물품에 표시를 하기 위한 인쇄 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
95. 제71항에 있어서, 상기 물품을 피복 재료로 피복하기 위한 피복수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
96. 제95항에 있어서, 상기 피복 수단이 블레이드(blade) 피복기, 퍼들(puddle) 피복기, 에어-나이프(air-knife) 피복기, 인쇄 피복기, 그라비아(gravure) 피복기, 달그렌(Dahlgren) 피복기 및 분무 피복기로 구성된 군에서 선택된 피복 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품제조용 시스템.
97. 제69항에 있어서, 상기 피복재료는 식용유, 멜라민, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴레이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴릭, 폴리우레탄, 폴리젖산, 녹말, 대두단백질, 폴리에틸렌, 합성중합체, 왁스, 엘라스토머 및 이들으 혼합으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 물품.