KR100317178B1 - 고함량의 비젤라틴화 전분을 포함한 조성물 - Google Patents

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사이몬 케이. 호드슨
샤오데 옹
브루스 제이. 크리스텐센
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이. 카쇼기 인더스트리스
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    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D43/00—Lids or covers for rigid or semi-rigid containers
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    • B65D43/16—Non-removable lids or covers hinged for upward or downward movement
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D65/00—Wrappers or flexible covers; Packaging materials of special type or form
    • B65D65/38—Packaging materials of special type or form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D65/00—Wrappers or flexible covers; Packaging materials of special type or form
    • B65D65/38—Packaging materials of special type or form
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    • B65D65/466—Bio- or photodegradable packaging materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C04B26/28—Polysaccharides or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C04B26/28—Polysaccharides or derivatives thereof
    • C04B26/285—Cellulose or derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00—Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/08—Cellulose derivatives
    • C08L1/26—Cellulose ethers
    • C08L1/28—Alkyl ethers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/08—Cellulose derivatives
    • C08L1/26—Cellulose ethers
    • C08L1/28—Alkyl ethers
    • C08L1/286—Alkyl ethers substituted with acid radicals, e.g. carboxymethyl cellulose [CMC]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L3/00—Compositions of starch, amylose or amylopectin or of their derivatives or degradation products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L3/00—Compositions of starch, amylose or amylopectin or of their derivatives or degradation products
    • C08L3/02—Starch; Degradation products thereof, e.g. dextrin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/02—Dextran; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/12—Agar or agar-agar, i.e. mixture of agarose and agaropectin; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/14—Hemicellulose; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
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    • C08L89/04—Products derived from waste materials, e.g. horn, hoof or hair
    • C08L89/06—Products derived from waste materials, e.g. horn, hoof or hair derived from leather or skin, e.g. gelatin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L97/00—Compositions of lignin-containing materials
    • C08L97/02—Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05D—HINGES OR SUSPENSION DEVICES FOR DOORS, WINDOWS OR WINGS
    • E05D1/00—Pinless hinges; Substitutes for hinges
    • E05D1/02—Pinless hinges; Substitutes for hinges made of one piece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B11/00—Single-unit hand-held apparatus in which flow of contents is produced by the muscular force of the operator at the moment of use
    • B05B11/01—Single-unit hand-held apparatus in which flow of contents is produced by the muscular force of the operator at the moment of use characterised by the means producing the flow
    • B05B11/10—Pump arrangements for transferring the contents from the container to a pump chamber by a sucking effect and forcing the contents out through the dispensing nozzle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B05C5/02—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work
    • B05C5/0245—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work for applying liquid or other fluent material to a moving work of indefinite length, e.g. to a moving web
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/34—Feeding the material to the mould or the compression means
    • B29C2043/3433—Feeding the material to the mould or the compression means using dispensing heads, e.g. extruders, placed over or apart from the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/44—Compression means for making articles of indefinite length
    • B29C43/46—Rollers
    • B29C2043/461—Rollers the rollers having specific surface features
    • B29C2043/463—Rollers the rollers having specific surface features corrugated, patterned or embossed surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C49/00—Blow-moulding, i.e. blowing a preform or parison to a desired shape within a mould; Apparatus therefor
    • B29C49/02—Combined blow-moulding and manufacture of the preform or the parison
    • B29C2049/023—Combined blow-moulding and manufacture of the preform or the parison using inherent heat of the preform, i.e. 1 step blow moulding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C49/00—Blow-moulding, i.e. blowing a preform or parison to a desired shape within a mould; Apparatus therefor
    • B29C49/42—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C49/46—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations characterised by using particular environment or blow fluids other than air
    • B29C2049/4602—Blowing fluids
    • B29C2049/4605—Blowing fluids containing an inert gas, e.g. helium
    • B29C2049/4608—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2791/00—Shaping characteristics in general
    • B29C2791/004—Shaping under special conditions
    • B29C2791/006—Using vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2795/00—Printing on articles made from plastics or substances in a plastic state
    • B29C2795/007—Printing on articles made from plastics or substances in a plastic state after shaping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2949/00—Indexing scheme relating to blow-moulding
    • B29C2949/07—Preforms or parisons characterised by their configuration
    • B29C2949/0715—Preforms or parisons characterised by their configuration the preform having one end closed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/04—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds
    • B29C43/06—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds continuously movable in one direction, e.g. mounted on chains, belts
    • B29C43/08—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds continuously movable in one direction, e.g. mounted on chains, belts with circular movement, e.g. mounted on rolls, turntables
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/001—Combinations of extrusion moulding with other shaping operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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Abstract

섬유로 보강되며 무기 충진재를 포함하는 전분 결합 매트릭스를 갖는 쉬이트 제조를 위한 조성물 및 방법이 발표된다. 쉬이트 형성에 적절한 혼합물은 물, 비변성 및 젤라틴화 안된 전분 과립, 셀룰로오스 에테르, 섬유, 무기 충진재를 필요한 성질을 가지는 쉬이트 형성에 적절한 비율로 혼합하여 제조된다. 이 혼합물은 한 세트 이상의 가열된 롤러 사이에 통과됨으로써 초기 쉬이트를 형성한다. 가열된 롤러는 셀룰로오스 에테르가 쉬이트 외면상에 스킨을 형성시키게 하여서 전분의 젤라턴화시 쉬이트를 롤러에 접착시키는 것을 방지한다. 초기 쉬이트는 가열된 롤러사이에 통과되어서 전분 과립이 젤라틴화하고 이후에 증발에 의해 물을 제거시킴으로써 쉬이트를 건조시킨다. 전분과 셀룰로오스 에테르는 섬유와 결합 매트릭스에 분산된 무기충진재와 함께 쉬이트의 결합 매트릭스를 형성한다. 전분 결합 쉬이트는 종이 또는 판지와 유사하게 절단, 감기, 압축, 스코링, 천공, 접힘, 접착되어서 쉬이트로 부터 제조품이 된다. 이러한 쉬이트는 식품 및 음료수 용기와 같은 용기의 대량생산에 특히 유용하다.

Description

고함량의 비젤라틴화 전분을 포함한 조성물{COMPOSITIONS HAVING A HIGH UNGELATINIZED CONTENT}
A. 쉬이트, 용기 및 기타 물품
종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 및 심지어 금속과 같은 재료로 제조된 얇고 신축성인 쉬이트는 현재 인쇄물, 라벨, 매트로서 사용되며 용기, 분리기, 분할기, 봉투, 뚜껑, 상부, 캔 및 기타 포장재료 제조시 대량으로 사용된다. 진보된 가공 및 포장기술은 수많은 액체 및 고체상품을 유해 원소로 부터 보호하면서 저장, 포장 또는 선적될 수 있게 한다.
용기 및 기타 포장재료는 상품을 환경적 영향 및 유통손상으로 부터, 특히 물리적 및 화학적 영향으로 부터 보호한다. 포장은 기체, 습기, 및 미생물, 해충, 물리적 충격, 분쇄력, 진동, 누출등으로 부터 무수한 상품을 보호해준다. 어떤 포장재료는 제조원, 내용물, 광고, 지시사항, 브랜드 식별, 및 가격과 같은 정보를소비자에게 전달하는 매체이기도 하다.
대개의 용기 및 컵(일회용 용기를 포함한)은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 및 금속재료로 제조된다. 매년 천억개 이상의 알루미늄캔, 수십억개의 유리병 및 수많은 종이 및 플라스틱이 음료수, 쥬스, 가공식품, 곡물, 맥주 등을 저장 및 분배하는데 사용된다. 식품 및 음료산업 이외에도, 이러한 재료로 제조된 포장용기(특히 일회용 용기)가 많이 있다. 인쇄, 기록 및 복사용 종이 뿐만 아니라 주로 나무 유도 종이 쉬이트로 제조된 잡지, 신문, 책, 포장지 및 기타 평평한 제품이 매년 무진장 제조된다. 단지 미국에서 5백5십만톤의 종이가 매년 포장용으로 소모되는데,이것은 연간 종이제조량의 15%이다.
B. 종이, 플라스틱, 유리 및 금속의 영향
최근에 이들 재료(종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속)중 어느 것이 환경에 가장 해가 되는지에 대한 논쟁이 있다. 의식 고양단체는 환경적으로 더욱 "올바르도록" 한가지 재료를 또다른 재료로 대체하라고 많은 사람들을 설득하였다. 이러한 논쟁은 종종 핵심을 벗어나는데, 그 이유는 이들 재료 각각이 자신의 고유한 환경적 취약점을 가지기 때문이다. 한가지 특정 환경 문제에 비추어서 바라보고 선호되는 재료와 관련된 다른, 종종 더 큰 문제를 무시할 때 한 재료는 다른 재료보다 우월하게 여겨질 수 있다. 사실상, 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 및 금속재료는 자신의 고유한 환경적 취약점을 가진다.
특히 용기 및 기타 포장재료와 같은 폴리스티렌 제품은 최근에 환경단체의 분노의 표적이 되었다. 폴리스티렌 자체는 비교적 불활성 물질이지만 이의 제조시다양한 유해 약품 및 출발물질을 사용한다. 중합되지 않은 스티렌은 반응성이 매우 커서 취급자의 건강에 문제를 일으킨다. 스티렌은 벤젠으로 부터 제조되므로 잔류량의 벤젠이 스티렌에 있을 수 있다. 마지막으로, 중합된 스티렌은 보통의 조건하에서 비교적 안정하므로 이것으로 제조된 용기, 포장, 및 기타 물품은 파괴에 저항하므로 환경에 폐기될 때 장시간 잔존한다.
"발포" 폴리스티렌 제품 제조시 염소-불소 탄소(또는 "CFC")의 사용이 잠재적으로 더욱 해롭다. 이것은 CFC가 오존층 파괴에 관련되기 때문이다. 발포 폴리스티렌을 포함한 발포물 제조시 휘발성인 액체인 CFC가 폴리스티렌을 발포물로 발포시키는데 사용되며, 이 발포물이 이후에 컵, 플레이트, 트레이, 박스, "대합 껍질"형 용기, 스페이서 또는 포장재료로 성형된다. "환경에 덜 유해한" 발포제(HCFC, CO2및 펜탄)로 대체하는 것조차도 아직까지 상당히 유해하므로 이들의 제거가 이로울 것이다.
결과적으로 환경에 더욱 안전한 물질을 위하여 폴리스티렌 제품 사용을 중단하라는 범세계적인 압력이 행사된다. 어떤 환경단체는 종이나 생분해성이라고 여겨지는 목재펄프로 제조된 기타 제품과 같은 "천연" 제품의 사용으로 복귀하는 것을 선호한다. 그럼에도 불구하고 다른 환경단체는 벌목과 숲의 고갈을 최소화하기 위해서 반대 견해를 취한다.
종이제품은 생분해성이며 오존층 파괴에 관련되지 않을지라도 최근의 연구를 살펴보면 종이 제조가 폴리스티렌 제조의 경우보다 환경에 강하게 영향을 미침을알 수 있다. 사실상, 목재 펄프 및 종이산업은 미국의 상위 5개의 오염원중 하나로 분류된다. 예컨대, 종이로 제조된 제품은 등가의 폴리스티렌 제품보다 10배 이상의 증기, 14 내지 20배의 전기, 2배의 냉각수를 필요로 한다. 다양한 연구는 종이제조시 나오는 유출물은 폴리스티렌 발포물 제조시 생성된 오염물보다 10 내지 100배 많은 오염물을 포함함을 보여준다.
종이 및 판지 제조의 또다른 결함은 종이제조시 비교적 많은 양의 에너지가 필요하다는 것이다. 이것은 섬유가 웹(web) 물리학 원리하에서 자기 결합하도록 충분히 탈리그닌화되는 순간까지 목재펄프를 가공하는데 필요한 에너지를 포함한다. 추가로, 최대 99.5부피%까지의 양으로 물을 함유한 종이 슬러리내에서 물을 제거하는데 많은 양의 에너지가 필요하다. 너무나 많은 물이 슬러리로 부터 제거되므로 쉬이트를 건조하기 위해서 가열된 롤러가 사용될 수 있기 이전조차 슬러리에서 물을 흡수하는 것이 필요하다. 게다가, 탈수공정동안 쉬이트로 부터 빠져나오는 상당량의 물이 보통환경으로 폐기된다.
생분해성이라고 간주되는 종이 또는 판지조차도 수년간, 심지어는 수십년간 생분해 활동에 필요한 공기, 물, 및 빛으로 부터 차단될 때 매립지 내에 잔존할 수 있다. 수십년간 매장되었던 쓰레기 더미에서 전화부책 및 신분이 나왔다는 보고가 있다. 종이는 다양한 보호물질로 처리, 코팅 또는 함침되어 분해를 느리게 하거나 방지하므로 종이의 오랜 수명은 더욱 복잡해진다.
종이, 판지, 폴리스티렌 및 플라스틱의 또다른 문제는 이들이 비교적 비싼 출발물질을 필요로 한다는 것이다.이중 일부는 폴리스티렌 및 플라스틱의 제조에석유의 사용에서처럼 재생불능이다.
종이 및 판지 제조에 사용되는 나무는 엄격하게 말해서 재생가능하지만 이들의 넓은 지대 필요성과 신속한 고갈은 이러한 측면을 손상시킨다. 그러므로 쉬이트 및 물건제조에서 본질적으로 재생불가능한 출발물질을 대량 사용하는 것은 지속될 수 없으며 장기간 안목에서 지혜롭지 못하다. 게다가, 포장 원료(종이 펄프, 스티렌 또는 금속 쉬이트)를 제조하는데 사용된 공정은 에너지 집약적이며 물 및 공기를 오염시키며 상당한 자본 투자를 필요로 한다.
상기된 것에 비추어서 이들 재료중 어느 것이 환경에 유해한지 여부에 관심을 기울이기 보다는 전부는 아닐지라도 현재 사용된 물질과 관련된 다양한 환경문제를 가장 잘 해결할 대체 물질이 개발될 수 있는지 여부에 대해 관심을 가져야 한다.
C. 전분 바인더
더욱 최근에 성형품내의 결합제로서 전분 및 전분유도체를 할용하려는 시도가 있었다. 전분 성형방법중 하나는 당해분야에서 "탈구조화 전분"으로 알려진 성형이다. 탈구조화된 전분 제조시 천연 전분 또는 전분 유도체가 가소제와 혼합되고 "유리전이온도" 미만으로 고온 용융물을 냉각시킴으로써 고형화되는 "고온 용융물"을 생성시키기 위해서 고온 및 고압하에서 액화된다. 이러한 방식에서 전분은 열가소성 재료처럼 취급된다. 탈구조화된 또는 고온 용융된 전분은 이론적으로는 쉽지만 실제로 이러한 제조방법은 꽤 비싸며 제조된 물건은 일반적으로 불만족스럽고 품질이 낮다.
전분기초 혼합물을 물건으로 성형하는 또다른 방법은 가열된 다이 사이에서 수성 전분 혼합물을 성형하는 것이다. 전분 바인더는 성형가능한 수성혼합물내에서 초기에 비변성, 비젤라틴화된 상태로 존재한다. 그렇지 않으면 물내의 젤라틴화된 전분의 점도증가 효과와 전분의 젤라틴화로 인하여 동일한 성형성을 유지시키기 위해서 혼합물은 훨씬 더 많은 물을 포함해야 한다. 전분과 물의 혼합물은 전분을 젤라틴화시키며 대개의 물을 성형가능한 혼합물로 부터 제거시키기에 충분한 온도까지 몰드사이에서 가열된다. 결과의 성형품은 탈형될 수 있지만 수분을 재흡수시키기 위해서 연장된 기간동안 고습도실에 둠으로써 "조절될"때까지는 초기에 매우 부서지기 쉽다.
잔류수분을 가지는 물건을 단순히 탈형시키는 것은 가능하지 않다. 그 이유는 충분히 건조및경화되지않을 경우에 발포된 셀형 전분 매트릭스가 붕괴할 경향을 가지기 때문이다. 붕괴를 방지하기에 충분한 강도를 갖는 셀형 전분 매트릭스를 얻기 위해서는 전분을 과도하게 건조시켜야 한다. 이러한 조절은 성형공정후 필요하다, 상기 성형 공정이 활용성이 있을지라도 종래의 제지공정에서와 같은 연속 쉬이트의 연속제조는 불가능하다.
전분 유도체는 종이의 공극을 밀폐시키고 더 매끈하고 공극이 적은 표면을 생성하기 위해서 사이징제 및 코팅으로서 종이산업에서 널리 사용된다. 그러나, 종래의 제지공정은 보편적으로 쉬이트의 결합 매트릭스를 형성하기 위해서 섬유간의 수소결합 및 상호 얽힘과 같은 웹 물리학 원리에 기초한다. 종이 슬러리에 첨가되는 전분 바인더는 제지공정중 배출되는 물과 함께 형성 와이어를 대부분의 전분이통과하므로 단지 2차 결합제로 작용한다. 그러므로 종이 슬러리에 첨가되는 대부분의 전분이 낭비된다. 따라서 종래의 종이에서 일차 바인더로서 전분을 사용하는 것은 대단히 비경제적이다.
게다가, 전분 바인더와 관련된 문제중 하나는 물에 용해 또는 젤라틴화된다면 일반적으로 매우 끈적끈적하다는 것이다. 이것은 전분 바인더를 양호한 결합제가 되게 하지만 다량의 용해 또는 겔화된 전분바인더를 사용하여 제조된 쉬이트 또는 물건은 몰드 또는 쉬이트 형성장치에 접착하는 경향이 있으므로 제조공정을 복잡하게 한다. 다른 한편으로는, 비변성 전분과립은 일반적으로 불수용성이며 이러한 과립을 함유한 조성물이 전분의 겔화온도 이상까지 가열되지 않는다면 습식 시스템에서 단지 수동성 입자 충진재로만 작용한다. 그러나, 일단 겔화되면 비변성 전분 과립은 매우 점성이 커서 성형설비, 특히 가열된 성형설비에 접착하는 경향이 있다.
따라서, 필요한 것은 저렴하고 환경친화적이며 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속쉬이트와 유사한 성질을 가지는 쉬이트를 제조하기 위한 개선된 조성물 및 방법이다.
종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속쉬이트로 물건을 형성시키기 위해 현재 사용되는 기존의 제조설비 및 기술을 사용하여 이러한 쉬이트가 다양한 용기 또는 기타 물건으로 될 수 있다면 당해 분야에서 상당한 진보일 것이다.
종래의 종이 제조에 사용된 전형적인 슬러리에 함유된 물 또는 섬유만을 포함하며 쉬이트 형성공정동안 값비싼 탈수를 요구하지않는 조성물을 성형하여 환경친화적인 쉬이트가 제조될 수 있다면 쉬이트 제조분야에서 진보일 것이다.
또한 이러한 쉬이트와 용기 또는 제조품이 용이하게 생분해가능하거나 토양에 발견되는 물질로 분해가능하다면 당해 분야에서 상당한 진보일 것이다.
실용적인 측면에서, 기존의 종이, 플라스틱 또는 금속제품 제조방법보다 저렴한 비용으로 쉬이트, 용기 및 기타 제품을 제조할 수 있는 조성물 및 방법을 제공한다면 상당한 진보일 것이다. 특히, 종이, 플라스틱 또는 금속의 필요한 특성을 가지는 제품 제조를 위한 필요 에너지 및 초기 자본투자를 감소시키는 것이 바람직하다.
또한 전분, 특히 겔화된 전분이 성형장치 또는 쉬이트 형성장치에 접착되는 문제를 극복하면서 비교적 많은 양의 전분을 포함시킬 수 있는 조성물 및 방법을 제공하는 것도 또다른 진보이다.
앞서 언급된 쉬이트내에 상당량의 천연 무기 충진재를 포함시킬 수 있는 조성물 및 방법을 제공하는 것도 진보이다. 특히, 이러한 무기물 충진된 쉬이트가 높은 함량의 무기충진재를 포함한 공지의 재료보다 더 큰 신축성, 인장강도, 인성, 성형성, 대량생산성을 가진다면 당해분야에서 커다란 진보일 것이다.
요약
본 발명은 고농도의 전분과 보조 무기 충진재를 포함한 환경친화적 쉬이트 제조방법 및 조성물에 관계한다. 전분성분은 일차 결합제이므로 본 발명의 쉬이트는 "전분 결합 쉬이트"로 칭한다. 이러한 쉬이트는 종래의 나무 종이에 비해서 우월한 강도 및 기타 성질을 가진다.
전분 결합 쉬이트 형성에 사용된 성형가능한 조성물은 대체로 비젤라틴화 전분 과립, 셀룰로오스 에테르, 균질 분산된 섬유, 물 및 보조 무기충진재와 기타 보조 성분을 포함한다. 적당한 셀룰로오스 에테르는 수성 시스템내의 셀룰로오스 에테르가 물을 방출하고 셀룰로오스 에테르의 열침전점 이상의 온도로 수정 시스템을 가열할 때 고형화되는 현상인 "열침전"을 겪는 것을 포함한다. 이러한 방식으로 셀룰로오스 에테르는 쉬이트 외부 상에 비접착성 막을 형성하여서 축축한 쉬이트 내부를 캡슐화함으로써 성형 가능한 조성물내의 전분 과립이 쉬이트 형성공정의 후속단계 동안 젤라틴화시 쉬이트 형성 롤러에 접착하는 것을 방지한다.
셀룰로오스 에테르의 열침전 온도보다 높지만 전분의 젤라틴화 온도 아래인 온도까지 가열된 형성 롤러사이를 통과함으로써 성형가능한 조성물은 쉬이트가 된다. 형성 롤러는 열침전된 셀룰로오스 에테르로된 비접착성 필름을 갖는 쉬이트를 생성한다. 이 순간에 쉬이트는 내부가 상당한 수분을 함유할지라도 비교적 건조한 표면을 가진다. 이후에, 전분 과립을 젤라틴화시키기에 충분한 온도까지 가열된 롤러 사이를 쉬이트가 통과된다. 겔화된 전분 과립은 쉬이트내에서 함께 용융하여 매우 강한 결합 매트릭스를 형성하지만 젤라틴화된 전분이 열침전된 셀룰로오스 에테르로된 비접착성 표면필름내에 캡슐화되므로 쉬이트가 롤러에 접착하지 않는다. 이 쉬이트는 더욱 가열되어서 증발에 의해 상당량의 물을 제거하여 건조된 쉬이트를 생성한다. 이 공정에 따라 성형된 쉬이트는 균질 분산된 섬유로 보강되는 전분 결합 매트릭스를 포함한다. 이 쉬이트는 무기 충진재와 기타 혼화제를 보조적으로 포함할 수 있다.
쉬이트를 형성시키기 위한 조성물은 조성물의 총고형분 중량에 대해서 5 내지 90%의 비젤라틴화된 전분 바인더; 0.5 내지 10중량%의 셀룰로오스 에테르; 3 내지 40중량%의 섬유 재료; 0 내지 90중량%의 무기 응집체; 성형가능한 조성물을 생성하기에 충분한 양의 물을 포함한다. 성형 조성물에서 셀룰로오스 에테르는 유체의 항복응력을 증가시켜서 전체 성형 조성물에 섬유의 균질 분산을 허용시키는 농화제로서 작용한다.
본 발명의 조성물 및 방법을 사용하여 형성된 쉬이트는 0.01mm 내지 10㎝의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 쉬이트가 종이 또는 판지와 유사한 품질을 갖기 위해서 1㎝ 미만, 특히 5㎜ 미만, 더더욱 3㎜ 미만, 가장 선호적으로 1㎜ 미만의 두께를 가진다. 추가로, 쉬이트의 전분결합된 구조 매트릭스는 물에 지속된 노출후 분해한다.
본 발명자가 열침전 셀룰로오스 에테르와 함께 고함량의 전분을 할용할 가능성을 발견하기 이전에는 무기물충진 쉬이트 성형용으로 선호되는 주 바인더가 사실상 셀룰로오스 그 자체였다. 그러나 셀룰로오스 에테르는 쉬이트 제조를 위해 사용된 다른 성분에 비해서 훨씬 비싸다는 단점이 있다. 전분중 가장 싼 비변성 전분과립은 여태까지 바인더로서 거의 사용되지 않았는데 그 이유는 일단 젤라틴화되면 매우 점성이 큰 단점을 가지기 때문이다. 쉬이트 형성 공정에서 일차 바인더로서 사용할려는 시도는 전분이 압출장치나 쉬이트 형성장치에 접착하는 결과를 가져왔다.
본 발명은 쉬이트 제조 조성물에 예전에 사용되었던 셀룰로오스 에테르 대부분을 다량의 전분으로 대체시킨다. 다량의 값싼 비변성 전분 과립과 소량의 비싼 셀룰로오스 에테르의 조합은 이들 바인더 각각을 별도로 사용할 때 나타나는 단점을 제거시킨다. 쉬이트 형성에 사용된 성형가능한 조성물내에 셀룰로오스 에테르 양을 감소시키는 것은 쉬이트 제조비용을 크게 감소시킨다. 추가로 전분은 덜 비쌀뿐만 아니라 셀룰로오스 에테르에 비해서 우월한 바인더이므로 유일한 결합제로서 셀룰로오스 에테르를 사용하는 쉬이트보다 훨씬 적은 비용으로 꽤 높은 품질의 쉬이트를 생산할 수 있다.
성형 조성물 성분을 혼합할 때 전분과립을 파괴시키기에 충분한 전단력을 전분이 받지 않아야 한다. 또한, 쉬이트 형성공정이 개시되기 이전에 전분 바인더의 조기 겔화를 방지하기 위해서 전분의 겔화온도 미만의 온도에서 혼합물을 유지시켜야 한다. 그렇지 않으면 쉬이트 표면에 있는 전분은 셀룰로오스 에테르가 먼저 침전되어 쉬이트 표면상에 비접착성 필름을 형성시키기 이전에 쉬이트 형성장치에 접착할 수 있다.
따라서, 본 발명의 쉬이트 형성에 사용되는 성형 조성물 형성 방법은 섬유를 균질 분산시켜서 섬유 혼합물을 형성시키도록 물, 섬유 및 셀룰로오스 에테르를 고전단 혼합을 사용하여 혼합하는 단계를 포함한다. 이후에 비변성 전분 과립, 무기 충진재, 및 기타 보조 첨가제가 섬유 혼합물에 혼합되어서 성형 조성물을 형성한다. 이때 추가적인 물이 첨가될 수도 있다. 이후에 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도까지 가열된 적어도 한 세트의 형성롤러에 성형 조성물을 통과시킴으로써 쉬이트가 형성된다. 성형조성물은 압출장치, 특히 "위그 웨그(wig wag)" 시스템을 수단으로 형성롤러사이에 직접 주입될 수 있다. 혹은, 압출기는 쉬이트형성 다이를 가질 수 있다. 셀룰로오스 에테르는 쉬이트내 전분바인더가 롤러에 접착하는 것을 방지한다.
이후에, 쉬이트는 전분의 젤라틴화 온도 이상까지 가열된 전분 젤라틴화 롤러사이를 통과한다. 감자전분과 같은 전분은 65℃에서 젤라틴화되며 옥수수 전분과 같은 전분은 95℃에서, 왁스성 옥수수 전분은 70℃에서 젤라틴화된다. 이후에 증발에 의해 상당량의 물을 증발시킴으로써 가속된 방식으로 쉬이트가 상당한 정도까지 경화된다. 전분을 젤라틴화시키는데 사용되는 롤러와 물제거에 사용되는 롤러는 차이가 거의 없을지라도 물의 제거는 젤라틴화 롤러를 수단으로 적어도 부분적으로 이루어질 수 있다. 물을 제거하기에 충분히 뜨거운 롤러는 전분 과립을 젤라틴화시키기도 한다. 건조 쉬이트내의 섬유는 전체 전분 매트릭스에서 보강제로서 균질 분산된다.
단순한 쉬이트 형성공정에 추가적으로, 증발에 의해 물이 구조 매트릭스로 부터 제거될 때 생성되는 공극을 제거하고 바인더와 섬유간의 접착을 증진시켜서 표면 매끄러움을 증가시키기 위해서 성형가능한 상태에 있는 동안 쉬이트가 압축될 수 있다. 압축은 쉬이트 두께보다 적은 냅(nap)을 가지는 하나이상의 압출롤러 세트 사이에 쉬이트를 통과시킴으로써 수행된다.
쉬이트의 표면은 하드롤러와 소프트롤러로 구성된 하나이상의 마무리 롤러쌍사이에 쉬이트를 통과시킴으로써 개선될 수 있다. 소프트 롤러는 쉬이트의 접선 속도가 쉬이트 속도와 사실상 같도록 쉬이트를 파지하기 위해서 충분한 마찰력을 가진다. "하드롤러"는 매우 매끄러워서 쉬이트 표면을 윤을 내도록 쉬이트 속도보다 큰 접선속도로 회전한다. 기타 마무리 롤러로는 쉬이트에 조직을 형성하거나 주름을 잡아주는 롤러가 있다.
본 발명에 따라 제조된 쉬이트는 종이, 플라스틱 또는 얇은 금속 쉬이트와 유사한 성질을 가지며 용기 또는 기타 포장재료와 같은 물건 형성에 즉시 사용될 수 있다. 혹은, 이러한 쉬이트가 커다란 스푸울에 감기거나 쉬이트로 절단되어 종이 또는 판지와 같이 팔레트상에 쌓여져서 필요할 때까지 저장될 수 있다. 이후에 쌓여진 또는 감겨진 쉬이트가 절단되어 원하는 제품이 될 수 있다.
본 발명의 쉬이트는 다시 축축해져서 쉬이트를 더욱 신축성이 되게 하거나 자기 접착성을 제공할 수 있다. 증가된 신축성은 필요한 물건으로 성형되는 동안 쉬이트가 분리 또는 균열을 일으킬 가능성을 감소시킨다. 추가로 전분은 열가소성 플라스틱처럼 거동할 수 있다. 만약 본 발명의 쉬이트가 전분의 유리 전이온도 이상까지 가열된다면 원하는 형상으로 성형될 수 있다. 유리전이온도 이하로 냉각시 쉬이트는 성형되 모양을 유지할 것이다. 쉬이트내 전분을 용융시키면 전분을 자기 접착성이 되게 하여서 나선감기에 의해 용기로 성형될 때 쉬이트의 접착 및 밀폐를 가능하게 한다. 쉬이트를 다시 축축하게 하고 열성형하는 것의 조합은 쉬이트의 활용성과 쉬이트를 사용한 제조 절차의 범위를 증대시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 쉬이트는 전분 및 섬유의 함량에 따라 최대 100MPa 까지의 높은 인장강도를 가진다. 이 쉬이트는 종이 또는 판지와 같이 인쇄, 코팅, 적층, 주름이 접힘, 신장, 스탬핑, 굽힘, 접힘, 감김, 나선 감김, 압축, 풀칠되어서 다양한 물건을 형성할 수 있다. 어떤 경우에는 쉬이트내 예정된 지점에 벤드 또는 힌지 형성을 보조하기 위해서 제조공정동안 쉬이트를 스코링, 주름 또는 천공할 수 있다.
본 발명의 결과 공지재료 사용시 관련비용보다 낮은 비용으로 여태까지는 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속으로 제조되었던 다양한 물건을 대량 생산할 수 있다. 비용절감은 원료의 감소된 단가뿐만 아니라 에너지와 초기 자본투자를 덜 필요로 하는 제조공정의 결과이다. 특히, 본 발명의 쉬이트 제조에 사용된 조성물은 종이 제조시보다 탈수가 덜 필요로 하며 플라스틱 또는 금속 제조에 비해서 필요한 원료를 제공하는데 지출이 적다.
게다가, 본 발명의 전분 결합 쉬이트는 환경친화적인 성분을 더욱 많이 포함하며 이러한 쉬이트 제조는 공지 재료로 부터 쉬이트 제조의 경우보다 환경에 덜 영향을 준다. 본 발명의 쉬이트는 고농도의 목재펄프, 석유 생성물 또는 기타 천연자원의 사용을 종이, 플라스틱 또는 금속 쉬이트 또는 기타 물건 제조시보다 덜 필요로 한다.
전분과 셀룰로오스 에테르 성분은 물에 쉽게 용해되므로 재순환 또는 생분해성을 촉진시킨다. 사용된 쉬이트 또는 기타 물건은 물에서 쉽게 분쇄되어서 유사제품 제조에 재사용될 수 있다. 만약 환경에 폐기된다면 전분과 셀룰로오스 에테르는 물을 흡수하여 빠르게 용해되어 소량의 섬유만을 남기며 토양과 유사한 조성을 가지는 천연 광물 충진재를 남긴다. 용해된 전분 및 셀룰로오스 에테르와 분산된 섬유는 토양에 존재하는 미생물에 의해 쉽게 파괴된다.
본 발명은 성형된 쉬이트 및 물품 제조를 위한 조성물 및 방법에 관계한다. 특히, 본 발명은 섬유로 보강되는 전분결합 매트릭스를 가지며 보조적으로 무기 충진재를 포함하는 쉬이트에 관계된다. 이 성형 쉬이트는 종래의 종이 및 판지 제품을 대신할 수 있다.
도 1a 는 전분결합 쉬이트 제조 시스템의 개략도로서 압출된 쉬이트가 축소롤러 사이를 통과함을 보여준다.
도 1b 는 또다른 전분결합 쉬이트 제조 시스템의 개략도로서 비정질 혼합물이 쉬이트 형성롤러 사이를 직접 통과함을 보여준다.
도 2a 는 도 1a 의 시스템에 사용되는 진공챔버와 다이헤드를 갖는 나사형 압출기의 확대된 절취 사시도이다.
도 2b 는 성형 조성물을 형성롤러 사이에 주입하기 위한 "위그웨그" 압출 시스템을 보여준다.
도 3 은 피스톤 압출기의 측면도이다.
도 4 는 한 쌍의 축소롤러와 롤러에 의해 두께가 축소된 쉬이트의 측면도이다.
도 5 는 사이에 압축된 쉬이트를 갖는 한쌍의 압축롤러의 측면도이다.
도 6 은 "하드"롤러와 "소프트"롤러를 포함하는 한 쌍의 마무리 롤러의 사시도이다.
도 7 은 주름진 쉬이트 형성에 사용되는 한 쌍의 주름진 롤러의 측면도이다.
도 8 은 절단되어 개별 쉬이트로서 쌓여지는 연속쉬이트를 보여주는 사시도이다.
* 부호 설명
10 ... 혼합장치 20 ... 압출기
22 ... 주입기 24 ... 챔버
26 ... 스크루 28 ... 진공챔버
30 ... 챔버 32 ... 스크루
34 ... 다이헤드 36 ... 슬릿
38 ... 다이폭 39 ... 다이두께
40 ... 쉬이트 형성 롤러 42 ... 롤러
44 ... 갭 46 ... 쉬이트
50 ... 건조 롤러 60 ... 압출 롤러
70 ... 건조 롤러 80 ... 마무리 롤러
82 ... 하드 롤러 84 ... 소프트 롤러
90 ... 스푸울
본 발명은 상당량의 무기 충진재를 포함하는 전분결합 쉬이트 제조방법 및 조성물에 관계한다. 본 전분 결합 쉬이트는 종이, 판지, 또는 기타 쉬이트재료와 유사한 성질을 가지도록 제조될 수 있다. 이러한 쉬이트는 바인더로서 다량의 전분을 포함시키기 때문에 우월한 강도특성을 가지며, 종래의 종이제품에 비해서 환경친화적이고 단가를 감소시킨다. 전분은 전통적인 사이징제로서 첨가되기 보다는 쉬이트 제조에 사용되는 성형 조성물의 일부로서 쉬이트에 첨가된다. 쉬이트는 또한 보강, 신축성 및 인성을 위해 균질분산된 섬유를 포함한다.
본 발명의 전분결합 쉬이트는 다성분, 다중-스케일, 섬유보강, 마이크로 복합체로 기술될 수 있다. 서로 상승시키도록 관련된 성질을 부여할 수 있는 다양한물질을 주의깊게 포함시킴으로써 현저한 강도, 인성, 환경친화성, 대량생산성 및 저렴한 가격을 가지는 고유한 마이크로-복합체를 생성시킬 수 있다.
"다성분"이란 쉬이트 제조에 사용된 조성물이 물, 수분산성 셀룰로오스 에테르, 쉬이트 형성동안 나중에 젤라틴화하는 초기 불용성 전분 과립, 섬유, 무기 충진재, 및 기타 혼화제와 같은 3개 이상의 화학적 또는 물리적으로 상이한 물질 또는 상을 포함함을 의미한다. 이러한 넓은 범주의 물질은 각각 쉬이트 형성에 사용된 조성물뿐만 아니라 제조된 최종 쉬이트에 하나이상의 고유한 성질을 부여한다. 추가로 쉬이트에 상이하지만 상보적인 성질을 부여할 수 있는 2가지 종류 이상의 무기 충진재 또는 섬유와 같은 상이한 성분을 포함시킬 수 있다. 이것은 제조공정과 관련하여 쉬이트내에 필요한 성질의 특수 설계를 허용한다.
본 발명의 전분결합 쉬이트의 다성분(그러므로, 다중 성질) 성질은 단일 성분 시스템인 플라스틱, 폴리스티렌, 종이 또는 금속과 같은 종래의 재료와 구별된다. 단일 성분 재료로 제조된 얇은 쉬이트는 일반적으로 쉬이트 제조 재료의 특별한 성질을 가질 뿐이다. 예컨대, 일반적으로 부서지기 쉬운 쉬이트를 접거나 구부리면 쉬이트가 손상되며, 신축성인 쉬이트는 자신의 중량을 지탱할 수 없다. 대조적으로, 본 발명 재료의 다-성분 성질은 제조된 쉬이트내에 다중 성질을 도입할 수 있다.
"다중-스케일"이란 본 발명의 재료 및 조성물이 다양한 레벨 또는 스케일로 형성될 수 있음을 의미한다. 특히, 본 발명의 쉬이트내에 10나노미터 내지 10㎜까지의 마크로-성분과 1미크론 내지 100미크론의 마이크로-성분과 서브마이크론 성분이 존재한다.
"섬유 보강"이란 용어는 자명한 것이며 본 발명의 쉬이트와 종래의 종이 또는 종이 제품과 구별시킨다. 종래의 종이는 종이의 결합뿐만 아니라 구조 매트릭스 및 질량을 제공하기 위해서 "웹" 물리학 또는 섬유의 상호 얽힘에 의존한다. 그러나, 본 발명의 쉬이트에서 결합 매트릭스는 전분바인더, 섬유 및 보조 무기충진재 성분(및 어느 정도까지는 셀룰로오스 에테르)간의 상호작용이 관련된다. 섬유는 인장강도 및 신축성을 부여하는 보강 성분으로서 주로 작용하지만 웹물리학에 의해 상당 정도까지 서로 연결되지 않는다.
마지막으로, "마이크로-복합체"란 용어는 쉬이트 조성물이 배합물 또는 혼합물일 뿐만 아니라 상이한 크기 모양 및 화학적 조성인 마이크로-수준의 특수 이상 재료로된 지정된 매트릭스임을 의미한다. 이 재료는 충분히 잘 결합되고 상호작용하므로 각각의 고유한 성질이 최종 복합체에서 완전히 드러난다(예컨대, 매트릭스의 인장강도는 섬유와 전분 바인더의 인장강도에 직접 관련된다).
이러한 정의 및 원리에 비추어서, 전분 바인더, 섬유(유기 및 무기), 및 보조 무기 응집체를 포함하는 재료가 조합되고 종래의 종이 또는 판지와 유사한 성질을 가지는 쉬이트를 포함한 다양한 제품으로 성형된다. 본 발명의 전분결합 쉬이트는 플라스틱, 폴리스티렌, 금속으로 제조된 쉬이트를 대체할 수 있다. 본 쉬이트는 절단되어 구부림, 접음 또는 감기와 같은 형성 작업에 의해 다양한 용기 및 기타 제조품이 된다. 본 발명의 조성물 및 방법은 패스트푸드 산업과 같은 일회용 용기 및 포장재의 대량 생산에 특히 유용하다.
Ⅰ. 일반론
A. 종래의 종이제품
"종이"는 스크린상에서 수성 현탁물로 부터 형성된 식물성 섬유의 매트화 또는 펠트화 웹이다. "종이" 또는 "판지"로 일컫는 쉬이트 제품은 일반적으로 "나무 종이"인데, 그 이유는 이들이 나무에서 유도된 목재펄프로부터 제조되기 때문이다. 나무 종이가 무기충진재 또는 중량제, 전분, 또는 다른 소량 성분을 포함할 수 있을지라도 대체로 종이 쉬이트 부피의 80 내지 98%인 높은 목재섬유함량을 가진다. 이것은 섬유가 웹 물리학에 의해 결합하도록 섬유가 항상 높은 농도를 가져야 하기 때문이다.
종이의 전형적인 성질을 획득하기 위해서 목재유도 섬유 대신에 대체 섬유물질이 첨가된다. 대체물로는 밀짚, 아마섬유, 마닐라삼, 대마, 사탕수수와 같은 다양한 식물 섬유("이차 섬유"로 알려진)가 있다. 결과의 섬유는 "식물 종이"라 일컫는다. 넓은 범주의 셀룰로오스 기초 종이, 주로 식물, 야채 또는 나무종이를 이후에는 집합적으로 "종래의 종이"라 칭할 것이다.
종래의 종이 제조에 있어서, 크라프트 또는 아황산 공정이 펄프 형성에 대체로 사용된다. 크라프트 공정에서 펄프 섬유는 섬유 해제를 위해 NaOH 공정에서 "증해"된다. 아황산 공정에서 섬유해체과정에 산이 사용된다. 이들 공정에서 섬유벽내에 갖힌 리그닌을 방출시키기 위해서 섬유가 일차 가공된다. 그러나, 섬유에서 리그닌이 제거될 때 섬유의 강도가 손실된다. 아황산 공정은 훨씬 심한 조건이므로 아황산 공정에 의해 제조된 종이의 강도는 크라프트 공정으로 제조된 종이 강도의단지 70% 정도이다.
목재가 크라프트 또는 아황산 공정에 의해 목재펄프가 되면 섬유내의 헤미셀룰로오스와 리그닌을 더욱 방출시키고 섬유를 서로 비비기 위해서 고해기에서 더욱 가공된다. 일반적으로 99.5%의 물과 약 0.5%의 목재펄프로 구성된 결과의 슬러리는 충분한 헤미셀룰로오스를 방출시키고 섬유를 충분히 비벼서 섬유간의 상호 얽히는 웹효과와 수소결합을 통해 자기 결합하는 섬유 혼합물을 형성하도록 더욱 비이팅된다. 그러나, 이러한 격렬한 처리로 섬유 전체 길이를 따라 홈이 생겨서 인장, 인열 및 파열 강도 대부분을 손실시킨다. 종이 제조는 종이 쉬이트에 필요한 결합 및 구조적 일체성을 얻기 위해서 웹 물리학에 의존하므로 비교적 높은 비율의 섬유(80% 이상)가 종이 쉬이트에 첨가되어야 한다.
수성 슬러리는 이후에 구멍이난 스크린상에 슬러리를 놓고 롤러 닢을 사용하여 물을 "짜냄"으로써 탈수된다. 이러한 일차 탈수공정은 50-60%의 물함량을 갖는 쉬이트를 가져온다. 종래의 종이 제조단계중 어느 순간에도 본 발명에서와 같이 성형될 수 있는 "성형가능" 상태의 섬유슬러리는 존재하지 않는다. 초기 탈수후 부분건조된 종이 쉬이트는 가열된 롤러를 수단으로 쉬이트를 가열함으로써 더욱 건조된다. 제지공정과 웹 물리학에 의해 부과된 한계 때문에 종래의 종이 쉬이트내에 함침될 수 있는 무기응집체 충진제의 양에대한 상한이 있었다.
이에 반하여, 본 발명은 전분 결합 쉬이트의 성분을 결합시키기 위해서 웹 물리학에 의존하지 않는다. 오히려, 전분성분과 어느 정도까지 셀룰로오스 에테르 성분의 결합력은 쉬이트의 인장 및 굴곡강도의 대부분을 제공한다. 전분 바인더는어느 정도까지 섬유 및 다른 고형 성분과 상호작용 할 뿐만 아니라 결합 매트릭스로서 자신과 상호작용한다.
그 결과 섬유에 의해 부여되는 인장강도, 인열 및 파열강도, 및 신축성의 잇점을 유지하면서 섬유내에 더 적은 비율의 섬유를 포함시킬 수 있다. 양호한 강도 특성을 유지하면서 더 적은 양의 섬유를 사용하므로 종이에 비해서 더욱 경제적으로 쉬이트, 용기 또는 기타 제품을 제조할 수 있다. 왜냐하면
(1) 섬유가 무기 충진재와 전분 바인더보다 비싸고,
(2) 가공설비를 위한 자본투자가 더 작으며,
(3) 섬유 함량 최소화로 섬유 제조와 관련된 오염물의 양을 감소시키기 때문이다.
본 발명의 쉬이트는 1/50 내지 1/3 정도의 섬유가 사용될지라도 나무 또는 야채 종이와 인장, 굴곡 및 응집 강도에 있어서 유사한 성질을 가진다. 이것은 부분적으로 본 발명에 사용된 섬유가 종이 제조에 사용된 섬유보다 가공을 덜 받기 때문이다. 또한 바인더 및 구조성분으로서 많은 양의 전분을 포함시키기 때문이기도 하다.
훨씬 더 높은 농도의 무기 충진재를 포함시킬 뿐만 아니라 본 발명은 여러 방식에서 종래의 종이제조공정과 구별된다. 먼저, 97% 이상, 심지어는 99.9%의 물을 함유하는 종래의 종이 슬러리에 비해서 본 발명의 성형가능한 혼합물에 훨씬 적은 양의 물이 사용된다(50중량% 미만). 또한 본 발명의 쉬이트는 수성 슬러리 보다는 응집성이며 성형가능한 혼합물에서 형성되므로 추가 성형 또는 작용이 없는 한한가지 모양이 되면 모양을 유지한다.
B. 쉬이트, 용기 및 기타 제조품
"쉬이트"란 용어는 발표된 조성물 및 방법을 사용하여 제조되는 평평하고, 주름지고, 곡선형이고, 구부러지고, 조직화된 쉬이트를 포함한다. 결합 매트릭스는 쉬이트 제조공정동안 전분과립을 젤라틴화시켜서 형성된 전분을 포함해야한다. 전분-결합 쉬이트는 유기코팅, 인쇄물, 적층된 다른 쉬이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 쉬이트는 쉬이트 용도에 따라서 다양한 두께를 가질 수 있다. 쉬이트는 0.01㎜ 정도 얇을 수 있고 강도, 내구성 또는 크기가 중요한 경우에 1㎝이상 두꺼울 수 있다.
"용기"란 용어는 다양한 종류의 제품 또는 물체(예컨대 식품 및 음료수)를 저장, 분배, 포장, 선적하기 위해 활용되는 물건을 포함한다. 이러한 용기로는 박스, 컵, "대합 껍질"형 단지, 병, 플레이트, 사발, 트레이, 판지상자, 케이스, 바구니, 곡물상자, 동결식품 상자, 우유팩, 음료 용기 캐리어, 접시, 달걀 판지, 뚜껑, 빨대, 봉투 또는 홀더가 있다. 일체로 형성된 용기에 추가적으로 용기와 관련하여 사용되는 봉쇄제품도 "용기" 범주내에 포함된다. 이러한 제품으로는 뚜껑, 라이너, 칸막이벽, 포장지, 쿠션물질, 가정용품, 및 용기내에 물건을 포장, 저장, 선적, 분배하는데 사용되는 제품이 있다.
쉬이트 및 용기에 추가적으로 전분결합 쉬이트를 사용하여 형성될 수 있는 제품이 본 발명의 범위내에 있다. 그 예로는 모형 비행기, 책표지, 게임 보오드, 장난감, 베니션 블라인드, 우송용 원통, 셔츠 포장틀, 테이블 보 및 임시 차량 윈도우 차양과 같은 물건이 있다.
"대량 생산가능한" 또는 "상업적" 또는 "경제적" 방식으로 제조된다는 말은 종이, 판지, 플리스티렌 또는 금속과 같은 재료로 제조되는 쉬이트에 비해서 쉬이트 제조를 경제적으로 필적할만하게 하는 속도로 빠르게 제조될 수 있음을 의미한다. 본 발명은 가열된 형성 롤러를 사용하여 제조된 대량 생산 쉬이트내에 높은 비율의 전분을 포함시키는 공지 기술의 문제를 해결하는 혁신적인 조성물에 관계한다.
"고형분" 또는 "총 고형분"이란 용어는 물과 혼합되기 전에 고체인 혼합물을 포함한다. 이것은 섬유, 무기 충진재, 전분 또는 셀룰로오스 에테르를 포함한다.
본 발명의 전분결합 쉬이트(용기,인쇄물,또는 기타 물건)의 장점은 이들을 처리할 때 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 제품보다 환경에 덜 영향을 미친다는 것이다. 본 발명의 쉬이트 및 제품은 재생가능하며, 재생되지 못할 경우라도 수분, 압력, 및 기타 환경인자에 노출시 쉽게 분해되어서 토양 성분에 상보적인 성분으로 된다. 전분과 셀룰로오스 에테르 성분은 물에 느리게 용해되고 이후에 미생물 작용에 의해 신속히 분해된다. 섬유 역시 빠르게 분해되며 종이에 비해서 훨씬 더 적은 양으로 포함된다. 무기 충진재는 불활성이며 어느 경우든 토양과 양립할 수 있다. 이에 비해서, 호수나 강에 버려진 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 컵 또는 캔은 수십년, 심지어는 수세기동안 존속한다. 종이 또는 판지조차도 분해 조건이 완전하지 않으면 수개월, 심지어 수년간 존속한다. 이에 비해서, 본 발명의 쉬이트로 제조된 용기는 존재하는 수분의 양에 따라 수시간 또는 수일후에 분해한다.
C. 성형 조성물
"성형조성물", "성형가능한 조성물", 또는 "전분 기초 혼합물"이란 용어는 상호교환가능한 의미를 가지며 쉬이트로 성형될 수 있는 전분충진 혼합물이다. 이러한 혼합물은 상당량의 젤라틴화 안된 전분 과립, 더 적은 양의 셀룰로오스 에테르, 다양한 양의 섬유 및 광물 충진재, 성형가능한 플라스틱과 유사한 농도를 가지는 혼합물을 형성시키는 물을 가짐을 특징으로 한다. "총 고형물"이란 용어는 혼합물의 수성상내에 현탁 또는 용해되는지 여부에 관계없이 모든 고형물을 포함한다. 성형가능한 혼합물은 가소제, 윤활제, 분산제, 수경화성 물질 및 공극형성제와 같은 다른 혼화제를 포함할 수 있다.
성형가능한 혼합물은 작업성을 높게 하며 응집성이 되게 하지만 원하는 모양으로 성형된 직후에는 안정하게 하는 비교적 높은 항복응력을 가짐을 특징으로 한다. "성형 조성물", "성형가능한 혼합물" 또는 "전분 기초 혼합물"은 건조정도에 관계없이 혼합물을 가리킨다. 이러한 혼합물은 작업성이 높으며 부분건조된 혼합물과 완전건조된 혼합물을 포함한다(비록 일정량의 물은 쉬이트내에서 전분바인더내의 결합수로서 남아있을지라도).
성형 조성물이 쉬이트로 형성되고 가열되어 전분 과립이 젤라틴화되고 적어도 부분적으로 건조된 이후에 형성된 쉬이트 또는 물건은 "전분 결합 구조 매트릭스" 또는 "무기물 충진된 전분결합 매트릭스"를 가질 것이다.
D. 유기 폴리머 바인더
본 발명의 전분 결합 쉬이트 및 기타 물건 제조에 사용되는 성형조성물은 용해된 수분산성 유기 폴리머 바인더, 주로 전분 바인더를 건조시킴으로써 강도 성질을 발휘한다. 성형 조성물은 플라스틱과 유사한 성질을 가지는 혼합물을 형성하기에 충분한 양의 물을 혼합물에 첨가함으로써 작업성 및 유동성을 발휘한다. 이후에, 수분산성 유기 바인더는 증발에 의해 물의 제거를 통해 최도 강도를 발휘한다. 유기 바인더는 성형가능한 혼한물, 특히 냉수의 존재하에서 용해 또는 젤라틴화되는 셀룰로오스 에테르의 유변학에 영향을 준다.
본 발명에서 고려되는 수분산성 유기 폴리머 바인더는 다음 범주로 분류된다: (1) 전분, 일반적으로 비변성 전분과립; (2) 열침전 및 필름형성능을 가지는 셀룰로오스 에테르; (3) 전분 및 셀룰로오스와 상용성인 다당류, 단백질 및 합성 유기물과 같은 기타 유기 농화제 또는 바인더.
1. 전분
본 발명의 쉬이트는 증발에 의한 물의 제거를 통한 전분의 젤라틴화에 의해 대개의 강도를 발현한다. 전분은 과립형태로 발견되는 중합된 글루코스 분자를 포함하는 천연 탄수화물 체인이다. 전분 과립은 두가지 상이한 종류의 글루코스 단위를 포함한다: 곁가지 없는 단일 사슬 아밀로스와 곁가지 있는 다중 사슬 아밀로 펙틴.
일반적으로, 전분 과립은 냉수에 불수용성이지만 과립의 외부막은 연마 등에 의해 파괴되고 냉수에서 전분은 팽윤하여 겔을 형성한다. 비변성 과립이 온수에 노출될 때 과립은 팽윤하고 가용성 전분(아밀로스)이 과립벽을 통해 확산하여 페이스트를 형성한다. 뜨거운 물에서는 과립이 터져서 혼합물의 젤라틴화를 가져올 정도로 과립이 팽윤된다. 전분 기초 바인더가 팽윤되고 젤라틴화되는 정확한 온도는 전분 종류에 달려있다.
젤라틴화는 선형 아밀로스 폴리머의 결과인데, 상기 폴리머는 초기에 과립내에 압축되어 있으며, 서로 및 아밀로펙틴쇄와 얽혀있다. 물이 제거된 후 상호연결된 폴리머 체인망은 40-50MPa의 인장강도를 가진 고형물을 형성한다. 섬유 보강 전분 결합 쉬이트는 쉬이트내의 전분과 섬유의 종류 및 농도에 따라 최대 100MPa의 인장강도를 가질 수 있다.
많은 식물에서 전분이 생성될지라도 가장 중요한 것은 옥수수, 찰옥수수, 밀, 수수, 쌀, 찹쌀과 같이 분말로 사용될 수 있는 곡물의 씨앗이다. 다른 전분 공급원은 감자와 같은 괴경, 타피오카와 같은 뿌리, 고구마, 갈분, 사고야자의 속을 포함한다. 감자전분과 찰옥수수 전분이 선호되는 전분이다.
다양한 천연 전분은 매우 다양한 젤라틴화 온도를 가진다. 예컨대, 감자전분은 약 65℃의 젤라틴화 온도를 가지며 옥수수 전분은 약 95℃의 젤라틴화온도를 가지며 찰옥수수는 약 70℃의 젤라틴화 온도를 가진다. 모든 비변성 전분이 본 발명에 사용될 수 있다. 그러나, 일반적으로 사용되는 전분의 종류가 동일한 성형 조성물에 사용된 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도보다 높은 젤라틴화 온도를 가지는 한 새로 형성된 쉬이트의 접착성은 크게 감소될 것이다. 이것은 셀룰로오스 에테르의 열침전온도보다는 높지만 전분의 젤라틴화 온도보다는 낮은 온도를 갖는 형성롤러의 사용을 가능하게 한다. 이것은 형성롤러 사이를 통과할 때 쉬이트의 부분건조와 셀룰로오스 에테르의 열침전으로 인해 새로 형성된 쉬이트의 표면상에 셀룰로오스 에테르 표면의 생성을 가능하게 한다.
비변성 전분 기초 바인더는 값이 싸므로 변성 전분 기초 바인더에 비해 선호된다. 특히, 비변성 전분은 쉬이트 제조공정에서 쉬이트가 전분의 젤라틴화 온도로 가열되는 순간까지 젤라틴화되지 않는다. 셀룰로오스 에테르의 건조에 의한 비접착성 필름의 형성이전에 젤라틴화되는 변성전분은 쉬이트가 형성롤러에 접착하게 할 수 있다.
순수한 전분 조성물은 공기에서 주변 수증기를 흡수할 수 있으므로 평형에서 물은 조성물 중량의 10-12중량%의 양으로 존재한다. 무기 응집체 및 충진재가 전분조성물에 포함될 경우에 조성물에 더 적은 양의 전분이 있기 때문에 평형에서 물은 총조성물의 3-6%의 양으로 존재한다. 형성된 제품에서 최종 물함량은 전분의 10∼15중량%이다.
본 발명의 성형가능한 혼합물에서 전분 기초 바인더의 농도는 총 고형물 중량의 5 내지 9%, 특히 15 내지 75%, 더더욱 30 내지 60% 이다.
2. 셀룰로오스 에테르
본 발명에 사용되는 셀룰로오스 에테르는 전분 바인더에 비해서 훨씬 적은 양으로 성형가능한 혼합물내에 포함된다. 무기물 충진된 쉬이트 형성시 전분 바인더 없이 셀룰로오스 에테르만을 사용할 수 있을지라도 바인더로서 셀룰로오스 에테르만을 사용하는 비용은 전분 바인더가 주 바인더로 사용될 경우보다 훨씬 높다. 따라서 접착을 방지시킬 비교적 적은 양의 셀룰로오스 에테르와 고함량의 전분을사용하는 것이 경제적으로 가능하다. 그 결과는 더 큰 신축성과 인장강도를 갖는 더 높은 품질의 쉬이트이다. 열침전 성질을 가지는 모든 셀룰로오스 에테르가 사용될 수 있다.
적당한 셀룰로오스 에테르로는 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시에틸프로필셀룰로오스 또는 이의 혼합물이나 유도체가 있다. 열침전 성질을 가지는 다른 셀룰로오스 에테르도 사용될 수 있다.
선호되는 셀룰로오스 에테르는 메틸셀룰로오스인 Methocel (Dow Chemical)이다. Methocel 은 약 70℃의 열침전온도를 가진다. 다른 선호되는 셀룰로오스 에테르는 약 85℃의 열침전온도를 가진 Tylose FL 15002이다. 다양한 성질과 열침전 온도를 가진 셀룰로오스 에테르의 혼합물이 사용될 수 있다. 쉬이트 형성 공정동안 롤러와 쉬이트간의 접착을 감소시키기 위해서 전분 과립의 젤라틴화 온도보다 낮은 열침전 온도를 가지는 셀룰로오스 에테르를 선택하는 방법을 당해분야의 통상의 지식을 가진자라면 알 수 있을 것이다.
어떤 셀룰로오스 기초 바인더는 용액에서 가교결합될 수도 있다. 그 예는 Union Carbide 에서 구매가능한 히드록시에틸셀룰로오스인 Cellosize 이다. Cellosize 는 디알데히드, 메틸올 우레아 또는 멜라민-포름알데히드 수지를 써서 물에서 가교결합됨으로써 덜 수용성인 바인더를 형성한다.
본 발명의 성형가능한 혼합물에 사용되는 셀룰로오스 에테르는 총 고형물의 0.5 내지 10%, 특히 1 내지 5%, 더더욱 2내지4%의 양으로 포함된다.
3. 기타 유기 바인더
본 발명의 조성물에서 전분 바인더와 셀룰로오스 에테르 바인더가 선호될지라도 기타 유기 바인더가 추가로 사용될 수 있다. 예컨대, 사용될 수 있는 다른 다당류 기초 바인더로는 알긴산, 피코콜로이드, 아가, 아라비아 검, 구아르검, 로우커스트콩 검, 카라야검, 트래거캔스 고무 또는 이의 혼합물이나 유도체가 있다. 적당한 단백질 기초 바인더로는 Zein(옥수수에서 유도된 프롤아민), 콜라겐(동물의 연결조직 및 뼈에서 추출된), 젤라틴 및 아교와 같은 이의 유도체, 카세인(우유의 주단백질), 또는 이의 혼합물이나 유도체가 있다.
수분산성인 합성 유기 바인더가 사용될 수 있으며, 그 예로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐알콜, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산 염, 폴리 아크릴이미드, 에틸렌 옥사이드 폴리머, 폴리락트산, 라텍스(스티렌-부타디엔 공중합체와 같이 수성 에멀젼에 형성되는 중합가능한 다양한 물질을 포함하는) 및 이의 혼합물이나 유도체가 있다.
경화된 쉬이트에서 총 유기 바인더 함량은 경화된 쉬이트 총 고형물의 6 내지 9%, 특히 20 내지 80%, 더더욱 30 내지 60%이다.
4. 쉬이트 형성동안 유기바인더의 특성
압출 및 롤러공정을 사용하여 쉬이트를 제조할 때 셀룰로오스 에테르(예, Methocel)가 최적의 성능을 제공하는 것으로 본 발명자들에 의해 인식되었을 지라도 셀룰로오스 에테르는 쉬이트 제조에 사용되는 다른 성분에 비해서 매우 비싸다는 단점을 가진다. 전분은 양호한 바인더이고 셀룰로오스 에테르보다 싸지만 쉬이트 형성 공정에서 유일한 유기 바인더로서 사용될 때 접착성이 커서 쉬이트를 롤러에 접착시키므로 쉬이트 대량생산을 어렵게 하는 단점을 가진다.
본 발명은 많은 양의 셀룰로오스 에테르 대신에 전분을 사용한다. 소량의 셀룰로오스 에테르와 전분 바인더의 조합은 쉬이트 형성공정동안 전분이 롤러에 접착하는 것을 방지하면서 쉬이트 제조비용을 크게 줄인다. 추가로, 다량의 전분을 포함시키면 많은 양의 셀룰로오스 에테르 바인더를 포함하는 쉬이트보다 더 강하고 잘 부서지지 않는다.
본 발명의 선호되는 쉬이트 형성공정에서 비변성,비젤라틴화 전분과립은 쉬이트 형성공정동안 가열에 앞서 성형가능한 혼합물에 첨가된다. 성형가능한 혼합물은 셀룰로오스 에테르를 열침전시켜 (Methocel 의 경우 약70℃에서) 형성된 쉬이트 표면상에 비접착성 표면을 형성시키도록 가열된 한 세트의 롤러 사이를 통과한다. 전분 과립은 쉬이트 표면에서 침전된 셀룰로오스 에테르 필름 바인더에 의해 캡슐화됨으로써 전분과립이 젤라틴화할 때 전분이 롤러에 부착하는 것을 방지한다. 따라서 셀룰로오스 에테르는 형성된 쉬이트에서 필름 바인더로 작용한다. 쉬이트 내부의 전분이 젤라틴화되고 이후에 증발에 의한 물의 제거를 통해 건조될 때 쉬이트의 구조 매트릭스내의 다른 고형 성분을 결합하는 주 바인더가 된다.
성형가능한 혼합물의 성분을 혼합할 때, 비변성 전분 과립을 파괴시킬 정도로 큰 전단력을 전분 기초 바인더가 받아서는 안된다. 이것은 조기 젤라틴화와 롤러에 대한 혼합물의 접착을 야기시킬 수 있다. 또한, 동일한 이유로 혼합물을 전분기초 바인더의 젤라틴화 온도 이하로 유지시키는 것이 중요하다. 선호되는 전분 기초 바인더는 전분의 젤라틴화 이전에 쉬이트 표면에 셀룰로오스 에테르 표면을 형성시킬 수 있도록 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도보다 높은 온도에서 젤라틴화하는 비변성 전분이다.
E. 물
물은 혼합물내에 유기 바인더를 용해시키거나 적어도 분산시키도록 성형가능한 혼합물에 첨가된다. 또한, 물은 섬유 및 무기 충진재와 같은 다른 고형 성분을 혼합물 전체에 분산시키는 것을 보조한다. 이와 같은 물은 점도 및 항복응력을 포함한 필요한 유변학적 성질을 갖는 성형가능한 혼합물을 생성하는 역할을 한다.
성형가능한 혼합물이 적절한 작업성을 가지기 위해서 물은 무기 응집체 입자, 섬유 또는 다른 고형 입자를 적시기에 충분한 양으로 포함되어서 유기 바인더를 용해시키거나 적어도 분산시키며 입자간 공극을 적어도 부분적으로 채워야 한다. 분산제 또는 윤활제가 첨가되는 경우에 초기에 더 적은 양의 물을 사용할지라도 적절한 작업성이 유지될 수 있다.
성형가능한 혼합물에 첨가된 물의 양은 혼합물이 충분한 작업성을 가지도록 주의깊게 조절되어야 하지만, 동시에 초기 물함량을 낮추면 경화된 쉬이트를 형성하기 위해 제거되어야 하는 물의 양을 감소시킨다는 사실을 인식해야 한다. 이러한 요구를 충족시키는 유변학은 항복응력으로 정의될 수 있다. 성형가능한 혼합물의 항복응력은 2KPa 내지 5MPa, 특히 100KPa 내지 1MPa, 더더욱 200KPa 내지 700KPa 이다. 필요한 항복응력의 수준은 쉬이트 형성에 사용된 공정에 맞게 조절 및 최적화될 수 있다.
어떤 경우에는 비교적 많은 양의 물을 초기에 포함시키는 것이 바람직할 수 있는데, 그 이유는 과잉량의 물은 증발에 의해 제거될 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 종래의 종이 제조에 비교되는 본 발명의 중요한 특징중 하나는 성형가능한 혼합물내의 초기 물함량은 종래의 종이 제조에 사용된 섬유 슬러리에서 발견되는 물의 양보다 훨씬 적다는 사실이다. 이것은 제지 슬러리에 비해서 더 큰 항복응력과 안정성을 가지는 혼합물을 가져온다. 자기 지탱성이고 응집성인 재료(즉, 형태 안정성 재료)를 얻기 위해서 성형가능한 혼합물로 부터 제거되어야 하는 물의 총량은 종래의 종이 제조에 사용되는 슬러리에 비해서 본 발명의 혼합물의 경우에 훨씬 작다. 게다가, 본 발명의 중간 쉬이트는 습식 섬유 슬러리에 비해서 훨씬 큰 내부 응집성을 가진다.
혼합물에 첨가되어야 하는 물의 양은 전분 또는 다른 물 흡수성분, 섬유, 무기충진재의 양과 충진재의 입자 충진밀도에 달려있다. 또한 물의 양은 성형가능한 혼합물의 유변학에도 달려있다. 본 발명의 성형가능한 혼합물 형성을 위해 첨가되는 물의 양은 성형가능한 혼합물의 5 내지 80중량%, 특히 10 내지 70중량%, 더더욱 20 내지 50중량%이다. 당해 분야 숙련자라면 주어진 제조공정에서 적절한 작업성을 얻기 위해서 물의 양을 조절할 수 있을 것이다.
대개의 경우에 성형가능한 혼합물에 필요한 수준의 작업성을 주는데 필요한 최소한의 물을 포함시켜서 가공된 쉬이트로 부터 제거되어야 하는 물을 감소시키는 것이 바람직하다. 제거되어야 하는 물의 양을 감소시키면 증발에 의한 물의 제거시에너지가 필요하므로 제조 비용을 감소시킨다.
F. 무기 충진재
종이 산업에서 통상 사용되는 무기 재료와 콘크리트 산업에서 사용되는 미세 분쇄된 응집체 재료가 본 발명의 성형가능한 혼합물에 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고 응집체 또는 무기 충진제는 제지산업에 사용된 무기충진제보다 여러배 더 크다. 제지 산업에서 사용되는 무기충진재 입자의 평균 직경은 2미크론 미만이지만 본 발명에 사용되는 입자의 평균 직경은 쉬이트의 벽 두께에 따라 100미크론 이상일 수 있으므로 일반적으로 싸며 더 낮은 비표면적을 가진다.
제지산업에 사용되는 무기충진재는 일반적으로 본 발명에 사용된 충진재에 비해서 더 균일한 크기를 가진다. 혼합물내에서 충진재의 자연 입자충진밀도를 증가시키기 위해서 본 발명에서는 다양한 범위의 충진재 입자 크기를 사용하는 것이 좋다. 더 크고 다양한 크기의 입자를 사용함으로써 제지산업에 사용된 무기 충진재에 비해서 무기 충진재 성분의 비용을 더욱 줄일 수 있다. 제지 산업에 필요한 극히 작은 입자크기 편차를 유지시키고 입자크기의 균일성을 유지시키는 것은 훨씬 더 비싸다.
크게 증가된 범위의 크기는 종래의 종이 제조에 비해서 훨씬 다양한 무기 응집체를 본 발명에서 사용될 수 있게 한다. 그러므로, 본 발명의 응집체 재료는 최종 쉬이트에 훨씬 다양한 성질을 부여하도록 선택될 수 있다. 추가로, 입자 충진 응집체 충진재는 종래의 종이 제조에 사용되는 전형적인 슬러리에 비해서 더 양호하게 성형가능한 혼합물을 제공한다. 종래의 종이에 비해서, 훨씬 더 많은 무기 응집체가 본 발명의 재료에 포함될 수 있는데, 그 이유는 웹물리학보다 유기 바인더가 쉬이트를 서로 붙잡기 때문이다.
유용한 응집체의 예는 펄라이트, 질석, 모래, 자갈, 바위, 석회암, 사암, 유리비이드, 에어로겔, 크세로겔, 운모, 점토, 인조 점토, 알루미나, 실리카, 플라이 애쉬, 훈증 실리카, 용융 실리카, 관형 알루미나, 카올린, 미소구, 중공 유리구, 다공성 세라믹구, 석고, 석고 이수화물, 탄산칼슘, 칼슘 알루미네이트, 코르크, 시드, 경량 폴리머, 결정성 칼슘 실리케이트 겔, 경량성 팽창 점토, 수화된 또는 비수화된 수경 시멘트 입자, 폐콘크리트 생성물, 경석, 박리된 암석, 및 기타 지질학적 물질이다. 부분 수화된 시멘트와 훈증 실리카는 높은 표면적을 가지므로 새로 형성된 쉬이트에 높은 초기 응집성과 같은 잇점을 제공한다.
상이한 무기 응집체는 자신의 고유한 특성을 쉬이트에 부여할 수 있고 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 카올린은 더 매끈하고 기공이 더 적은 마무리를 제공하며 운모 및 점토와 같은 플레이트형 물질은 광택표면을 제공한다. 더 작은 입자는 유리형 표면을 생성하지만, 탄산칼슘과 같은 더 큰 응집체는 매트 표면을 생성한다. 본 발명은 이러한 응집체가 매트릭스에 직접 첨가될 수 있는 장점을 가진다.
본 발명에서 선호되는 응집체는 탄산칼슘이다. 건조 분쇄된 탄산칼슘이 선호되는데 그 이유는 습식 분쇄를 통해 수득되는 탄산칼슘이 1/3 비용으로 수득될 수 있기 때문이다. 선호되는 탄산칼슘은 10 내지 150미크론의 입자크기와 약 42미크론의 평균 입자크기와 낮은 비표면적을 가진 R040이다.
점토와 석고는 구입하기 쉽고 값싸고 작업성이 좋고 형성을 쉽게 할 수 있을뿐만 아니라 충분한 양으로 첨가되면 결합성, 응집성 및 강도를 제공할 수 있기 때문에 특히 유용한 응집체이다. 반수 석고는 수화가능하므로 물의 존재하에서 황산칼슘의 이수화물을 형성하며, 수경하성 바인더의 일종이다. 수화시 석고는 농도에 따라 단단한 구조물로 경화함으로써 최종제품에 지연된 추가 결합 강도를 부여한다.
포틀랜드 시멘트와 같은 수경시멘트가 본 발명의 성형가능한 혼합물 내에 무기 충진재로서 첨가될 수 있다. 수경 시멘트는 비교적 싸며 풍부하고 충분한 양으로 포함된다면 전분 결합 매트릭스에 결합력을 부여할 수 있다. 추가로, 수경 시멘트는 물과 화학적으로 반응하여 성형가능한 혼합물내에 내부 건조효과를 주며 증발필요성 없이 혼합물내의 적어도 일부의 물을 효과적으로 제거한다. 동일한 것이 반수석고와 하소 점토에도 적용된다. 사전 수화된 시멘트 입자가 충진재로서 첨가될 수도 있다.
성형가능한 혼합물과 제조된 쉬이트의 성질로 인하여 높은 양의 공간을 가지는 경량 응집체를 포함시키는 것이 가능하여 성형된 쉬이트에 절연효과를 부여할 수 있다. 쉬이트에 경량 및 절연성을 부여할 수 있는 응집체로는 펄라이트, 질석, 유리 비이드, 중공 유리구, 합성 물질(다공성 세라믹구, 관형 알루미나), 코르크 및 경량성 팽창점토, 모래, 자갈, 암석, 석회암, 사암, 경석 및 기타 지질학적 물질이 있다.
종이 및 시멘트 산업에 사용되는 전통적인 응집체에 추가적으로 금속 및 금속합금(스텐레스강, 철 및 구리와 같은), 볼 또는 중공구 물질(유리, 폴리머, 및금속과 같은), 줄밥, 펠렛, 및 분말(마이크로 실리카와 같은)을 포함하는 다양한 응집체가 본 발명의 범위내에서 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있다. 시드, 젤라틴, 및 아가형 재료가 응집체로서 포함될 수도 있다. 후자의 응집체는 유기물이고 생분해성이지만 이들이 바인더가 아니라 충진제로 작용하기 때문에 포함된다.
성형 조성물에 첨가될 수 있는 또다른 부류의 응집체는 실리카 겔, 칼슘 실리케이트 겔, 알루미늄 실리케이트 겔과 같은 무기겔 및 마이크로겔을 포함한다. 이들은 고체 형태로 첨가되거나 현장에서 침전될 수 있다. 겔 및 마이크로겔은 물을 흡수하기 때문에 성형가능한 혼합물의 물함량을 감소시키기 위해서 첨가됨으로써 혼합물의 항복응력을 증가시킬 수 있다. 추가로, 실리카 기초겔 및 마이크로겔의 고흡습성은 최종 경화된 쉬이트내에서 수분 조절제로서 이들을 사용될 수 있게 한다. 공기로 부터 수분을 흡수함으로써 겔과 마이크로겔은 보통 조건하에서 쉬이트가 예정된 양의 수분을 유지하게 한다. 물론, 공기로 부터 수분흡수속도는 공기의 상대습도와 상관된다. 쉬이트의 수분함량 조절은 쉬이트의 신장, 탄성 모듈러스, 굽힘성, 접힘성, 신축성, 연성을 더 주의깊게 조절할 수 있게 한다.
본 발명의 범위내에서, 성형가능한 혼합물내에 중합가능한 실리케이트와 같은 무기 응집체를 포함시킬 수 있다. 이들은 보통의 실리카 또는 실리케이트로서 혼합물에 첨가되고 이후에 중합반응을 즉시 일으키도록 처리되어서 중합된 실리케이트 응집체를 생성시킨다. 중합된 무기 응집체는 대개의 다른 무기 응집체에 비해서 신축성이 증가되므로 어떤 응용분야에서는 이득이 되기도 한다.
성형가능한 혼합물내에서 응집체 입자와 섬유간의 틈새를 더욱 완전히 채울수 있는 복수의 상이한 크기 및 등급의 응집체를 포함시키는 것이 본 발명에서 선호된다. 입자 패킹 밀도를 최적화하면 틈새의 물("모세관 수")로 채워지는 공간을 제거함으로써 필요한 수준의 작업도를 얻는데 필요한 물의 양을 감소시킨다.
패킹밀도를 최적화하기 위해서 0.05미크론 내지 2mm의 입자크기를 갖는 상이한 크기의 응집체가 사용될 수 있다. 결과 제품의 목적과 두께는 사용될 응집체의 적절한 입자 크기를 좌우한다. 최종 경화된 쉬이트 또는 물품의 최종 강도 및 중량과 초기 성형가능한 혼합물의 필요한 유변학적 성질을 달성하기 위해서 일반적으로 응집체의 크기와 종류를 아는 것은 당해 분야 숙련자에게는 가능하다.
본 발명의 선호되는 구체예에서, 응집체의 성질(강도, 낮은 밀도 또는 높은 절연성)을 최대화하기 위해서 성형가능한 혼합물내의 응집체의 양을 최대화하는 것이 필요하다. 입자 패킹 기술이 이러한 응집체의 양을 최대화하는데 사용된다.
입자 패킹에 대한 상세한 설명은 다음 문헌에 소개된다: Johansen, V. & Anderson, P.J,, "입자 패킹 및 콘크리트 성질", Materials Science of Concrete II. 111-147, The American Ceramic Socity (1991). 또다른 정보는 Anderson, P.J.의 학위 논문 "콘크리트 제조의 조절 및 모니터링 …입자 패킹 및 유변학 연구" (Danish Academy of Technical Science)에서 얻을 수 있다.
고절연성을 갖는 쉬이트를 얻는 구체예에서 낮은 열전도도 또는 "k-인자"(W/m·K로 정의된)를 가지는 경량 응집체를 전분 결합 매트릭스에 포함시키는 것이 선호된다. 일반적으로 매우 낮은 k-인자를 가지는 응집체는 틈새 공간, 공기, 가스혼합물 또는 부분진공을 상당량 포함하여서 응집체의 강도를 크게 감소시킨다. 그러므로 절연성 및 강도는 경쟁하며 특별한 혼합 설계시 주의깊게 조절되어야 한다.
상기 기술된 사항에 비추어서, 본 발명의 성형가능한 혼합물에 첨가되는 응집체의 양은 응집체의 입자 패킹 밀도 뿐만아니라 다른 첨가된 성분의 종류 및 양을 포함하는 다양한 인자에 달려있다. 따라서 본 발명의 쉬이트내의 응집체의 농도는 총 고형물이 0 내지 90중량%, 특히 20 내지 80중량%, 더더욱 30 내지 70중량%이다.
G. 섬유
다양한 섬유가 본 발명에 사용되어 양호한 결과를 가져올 수 있다. "섬유" 및 "섬유 재료"는 무기섬유와 유기섬유를 둘다 의미한다. 섬유는 신축성, 연성, 굽힘성, 응집성, 신장성, 굴절성, 인성, 파열에너지, 굴곡 및 인장강도를 증가시키기 위해서 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있다. 섬유질 재료는 단면력이 적용될 때 전분결합 쉬이트 또는 물건이 흩어질 가능성을 감소시킨다.
쉬이트나 제조품의 전분결합 매트릭스에 포함될 수 있는 섬유는 대마, 목화, 식물의 잎, 목재 또는 줄기로 부터 추출되는 셀룰로오스 섬유와 같은 천연발생 유기섬유를 포함한다. 농업관련 산업에서 수확된 풍부한 섬유가 본 발명에서 활용될 수 있다. 이러한 섬유재료의 사용은 점차 감소하는 숲을 보존하는 추가 잇점을 준다. 추가로, 유리, 흑연, 실리카, 세라믹, 또는 금속재료로 부터 제조된 무기 섬유가 사용될 수도 있다.
목화, 목재섬유(경목 또는 연목 섬유), 아마, 마닐라삼, 대마, 및 수수가 보통의 조건하에서 쉽게 분해하므로 선호된다. 그러나, 유리섬유와 같은 다른 섬유가 쉬이트의 의도된 용도 및 성능에 따라 선호될 수 있다. 재생 종이 섬유가 사용될 수도 있다.
본 발명의 쉬이트 및 기타 제품 제조에 사용되는 섬유는 더 길고 더 가는 섬유가 매트릭스에 크기 및 질량을 크게 첨가시킴이 없이 전분 결합 매트릭스에 더 큰 강도를 부여할 수 있으므로 높은 폭에 대한 길이비("가로세로비")를 가진다. 섬유는 적어도 10:1, 특히 적어도 100:1의 가로세로비를 가져야 한다.
본 발명의 성형가능한 혼합물에 첨가되는 섬유의 양은 인장강도, 인성, 신축성과 같은 최종 제품의 성질에 달려 있으며, 비용은 혼합물에 첨가될 섬유의 양을 결정하는 기준이 된다. 따라서, 본 발명의 쉬이트내의 섬유의 농도는 총고형물의 3 내지 40중량%, 특히 5 내지 30중량%, 더더욱 7 내지 20중량%이다.)
섬유의 강도는 사용될 섬유의 양 결정에 중요한 특징이다. 섬유의 인장강도가 클수록 결과의 제품에 주어진 인장강도를 얻는데 사용되어야 하는 양이 적어진다. 어떤 섬유는 높은 인장, 인열 및 파열강도를 가지며 더 낮은 인장강도를 갖는 다른 종류의 섬유는 더 탄성적일 수 있다. 쉬이트가 스코링되고 큰 각도로 구부러질 경우에 높은 농도의 섬유가 필요하다.
더 적은 가로세로비를 갖는 섬유는 섬유내에 쉽게 배치되며, 더 균일하고 결함이 적은 쉬이트를 생성하지만 더 큰 가로세로비는 섬유상의 강도 부여효과를 증가시킨다. 미국남부 소나무와 마닐라삼과 같은 섬유는 높은 인열 및 파열강도를 가지지만 목화와 같은 섬유는 더 낮은 강도를 가지지만 더 큰 신축성을 가진다. 더양호한 배치, 더 높은 신축성 및 더 높은 인열 및 파열강도가 필요한 경우에 다양한 가로세로비와 강도를 가지는 섬유의 조합이 혼합물에 첨가된다. 예컨대, 미국남부의 경목과 남부의 소나무 혼합물은 전체 성형가능한 혼합물에 섬유의 더 양호한 분산을 시켜서 양호한 섬유 분산이된 쉬이트를 생성하며 접힘에 대한 내성도 탁월하다. 어느 경우든 본 발명에 사용되는 섬유는 종래의 종이 제조에 사용된 격렬한 가공을 받지 않으므로 최초의 강도를 유지한다. 또한 본 발명의 섬유는 화학적 가공도 덜 필요하다.
더 양호한 내수성은 섬유를 로진과 명반(Al2(SO4)3) 또는 NaAl(SO4)2)로 처리함으로써 수득되는데, 명반은 섬유 표면상의 로진에 침전하여 표면을 소수성이 되게 한다. 명반에 의해 형성된 플록은 양이온 전분과 같은 양의 전하를 띤 유기 바인더에 대해서 섬유 표면상에 음이온 흡착자리를 생성시킨다.
H. 분산제
"분산제"란 용어는 성형가능한 혼합물의 점도와 항복응력을 감소시키기 위해서 첨가될 수 있는 물질이다. 분산제는 무기 응집체 입자나 섬유를 분산시킴으로써 혼합물의 점도를 감소시킨다. 이것은 적절한 수준의 작업성을 유지하면서 더 적은 양의 물을 사용할 수 있게 한다. 분산제는 축축한 상태에서 조차 고형 성분을 결합시키는 유기 바인더와 반대 방식으로 작용한다.
분산제는 응집체 입자의 표면상이나 입자의 콜로이드 이중층 근처에 흡착됨으로써 작용한다. 이것은 입자 표면상에 음의 전하를 생성시켜 이들을 서로 반발하게 하여 입자가 응집되는 것을 방지시킨다. 입자의 반발은 입자가 더 큰 상호작용을 갖게 하는 인력이나 마찰력을 감소시킴으로써 "윤활"을 시킨다. 이것은 물질의 패킹밀도를 다소 증가시켜서 성형가능한 혼합물의 작업성을 유지하면서 더 적은 양의 물의 첨가를 허용한다. 분산제는 셀룰로오스 에테르 첨가전에 첨가되어야 한다.
분산제 사용에 대한 상세한 설명은 Andersen, P.J.의 석사논문 "유기 초가소성 혼화제 및 이들 성분이 시멘트 재료의 제타 포텐샬과 관련 성질에 미치는 효과"(펜실바니아 주립대학 재료연구소, 1987)에서 발견된다.
선호되는 분산제는 상표 WRDA 19(W.R. Grace, Inc.)로 시판되는 술폰화 나프탈렌-포름알데히드 축합물이다. 사용될 수 있는 다른 분산제로는 술폰화 멜라민-포름알데히드 축합물, 리그노술포네이트, 및 폴리아크릴산이 있다.
첨가되는 분산제의 양의 성형가능한 혼합물에서 물 중량의 최대 5%, 특히 0.5 내지 4%, 더더욱 1 내지 2%이다.
I. 기타 혼화제
다양한 기타 성분이 최종 쉬이트 및 제조품에 필요한 성질을 부여하기 위해서 성형가능한 혼합물에 보조첨가될 수 있다. 신축성은 가소제를 성형가능한 혼합물에 첨가함으로써 증가될 수 있다. 가소제는 형성된 쉬이트나 제조품의 구조 매트릭스를 연화시키도록 전분 기초 바인더에 의해 흡수될 수 있는 물질을 포함한다. 윤활제로서도 작용하는 이러한 가소제는 성형공정동안 매트릭스로 부터 증발되지 않을 정도로 충분히 높은 비점을 가지며 쉬이트나 제조품이 형성된 이후에 안정하게 남아있다.
본 발명에서 사용하는 적당한 가소제는 폴리에틸렌 글리콜(600미만의 분자량), 글리세린, 소비톨을 포함하며, 물을 대신하여 5% 정도 낮은 수분과 함께 가소제로서 기능을 한다. 선호되는 가소제는 형성공정동안 증발하지 않고 형성된 쉬이트 및 제조품내에 남아있어 전분 결합 매트릭스를 연화시킨다.
물제거 공정동안 물과 함께 제거되는 글리세린이 사후 쉬이트 형성 처리공정으로서 쉬이트에 적용되어서 쉬이트에 증가된 신축성을 도입하며 습윤제로서 작용한다. 글리세린 처리는 쉬이트를 안정화시켜서 물함유 코팅을 쉬이트에 적용할 때처럼 소량의 물에 노출되는 경우 휘는 것을 막아준다.
디알데히드, 메틸우레아, 멜라민 포름알데히드 수지와 같은 가교결합 혼화제가 혼합물에 첨가되어서 덜 수용성인 전분 결합 매트릭스를 생성시킨다. 가교 결합 혼화제는 전분 기초 바인더의 수산이온에 결합하여 전분 기초 바인더의 수분 재흡수 속도를 감소시킨다. 결과적으로 최종 제품은 더 빠른 속도로 형태 안정성을 얻으며 더 높은 강도를 가지며 파괴전에 액체를 더 오래 유지시킬 수 있다(예컨데 컵이 더 오래 물을 유지할수 있다).
J. 공극
강도가 아니라 절연이 주인자일 경우에(즉, 뜨겁거나 차가운 물질을 절연시키는 것이 요구되는 경우) 쉬이트나 제조품의 절연성을 증가시키기 위해서 경량 응집체에 추가적으로 쉬이트의 구조매트릭스내에 작은 공극을 포함시키는 것이 바람직할 수 있다. 공극의 포함은 쉬이트 강도의 부당한 저하없이 필요한 절연성과 경량 특성을 부여하도록 주의깊게 조절된다. 절연이 중요하지 않는 경우에 강도를 최대화하고 부피를 최소하하기 위해서 공극을 최소화하는 것이 바람직하다.
공극은 성형가능한 혼합물의 높은 전단, 고속 혼합에 의해 도입될 수 있으며, 혼합물에 첨가된 발포제 또는 안정화제도 공극의 포함 및 유지에 기여한다. 적당한 발포제와 공기 포함제는 통상 사용되는 계면활성제를 포함한다. 발포제의 예는 빈솔(vinsol)수지이다.
성형가능한 혼합물을 쉬이트로 형성하는 공정동안 물을 제거하기 위해서 성형가능한 혼합물을 가열하는 것이 바람직하다. 이것은 쉬이트가 압축되지 않으면 공극을 남기므로 쉬이트 밀도를 감소시킨다. 사용될 수 있는 또다른 발포제는 시트르산과 중탄산염의 혼합물이나 작은 입자로 가공되고 왁스, 전분 또는 수용성 코팅으로 코팅된 중탄산염이다. 이들은 두가지 방식으로 공극 형성에 사용될 수 있다: (1) 물과 반응하고 CO2가스를 형성시켜 전분 결합 매트릭스내에 셀형 구조물을 생성시키거나, (2) 입자를 매트릭스의 일부로서 충진하고 매트릭스 경화후 180℃ 이상으로 제품을 가열함으로써 발포입자를 제거하여(입자의 흡열 분해를 일으키는) 잘 조절된 셀형 경량 구조를 남긴다.
마지막으로, 공극은 성형공정중 열이 혼합물에 가해질 때 팽창하는 발포제를 혼합물에 첨가함으로써 성형가능한 혼합물에 도입될 수 있다. 발포제는 낮은 비점의 액체와 미세분할된 탄산칼슘으로 구성된다. 이들은 성형가능한 혼합물에 균일 혼합되고 가열동안 압력하에 유지된다. 액체 발포제는 탄산칼슘 입자의 공극에 침투하여 압력이 갑자기 감소될 때 발포제의 열팽창으로 인해 발포제가 증발될 수 있게 한다.
Ⅱ. 성형가능한 혼합물로 부터 쉬이트 제조
본 발명의 전분 결합 쉬이트는 성형가능한 혼합물을 점차 증가하는 온도에서 성형하여서 먼저 셀룰로오스 에테르의 표면을 형성시키고 둘째 전분 과립을 젤라틴화시키며 셋째 증발에 의해 물을 제거함으로써 제조된다.
선호되는 쉬이트 형성공정에 대한 상세한 설명은 Per Just Andersen 과 Simon K. Hodson 의 이름으로 1993년 11월 19일 출원된 "무기물이 높게 충진된 유기 폴리머 매트릭스를 갖는 쉬이트"라는 명칭의 공계류중인 미국 출원번호 제 08/152,354 호에서 발견된다.
용기나 기타 제조품으로 형성될 수 있는 본 발명의 전분 결합 쉬이트 제조에 사용된 제조절차는 다음 제조단계를 수행하는 장치를 포함하는 도 1a 에 기재된다: (1) 성형조성물을 준비하여 혼합하고; (2) 적절한 다이를 통해 혼합물을 쉬이트나 기타 모양으로 압출하고; (3) 압출된 혼합물을 적어도 한쌍의 형성롤러에 통과시켜 원하는 두께의 스틱을 형성시키고; (4) 쉬이트를 추가 롤러 세트에 통과시켜서 전분을 젤라틴화하고 혼합물에서 적어도 일부의 물을 제거하고 하나이상의 더 큰 직경의 가열된 건조롤러 상에서 쉬이트를 더욱 건조시키고; (5) 약간 축축한 상태에 있는 동안 쉬이트를 압축시켜 원치않은 공극을 제거하고 쉬이트 강도를 증가시키며; (6) 압축후 쉬이트를 건조하고; (7) 하나 이상의 마무리 롤러에 통과시킴으로써 쉬이트를 마감처리하고; (8) 저장되어 필요할 때 사용될 수 있는 롤을 형성하도록 건조된 쉬이트를 스푸울상에 감는 단계.
도 1b 에 도시된 바와 같이 성형가능한 혼합물은 쉬이트 형성 롤러사이에 직접 주입될 수도 있다. 도 1c 는 또다른 선호되는 공정으로서 쉬이트 형성 롤러의 길이를 따라 재료를 전후로 빠르게 공급하는 "위그웨그" 압출장치를 보여준다.
최상의 혼합물을 위한 제 2 방법은 (1) 성형가능한 혼합물을 반죽기에서 혼합하고 진공하에서 공기를 제거하고; (2) 혼합물을 압출하고 적당한 모양의 개별단위로 절단하고; (3) 압출된 단위를 호퍼에 전달하고; (4) 한 쌍의 자체 공급 압출롤러 사이에 압출된 단위를 통과시켜서 쉬이트를 형성하고; (5) 쉬이트를 건조시키거나 마무리 처리하는 단계를 포함한다. 압출단계는 성형가능한 혼합물에서 공기를 제거하는 것은 보조하며 각 압출된 단위는 압출롤러의 입구에 성형가능한 혼합물을 더욱 균일하게 공급시킨다.
A. 성형가능한 혼합물 제조
쉬이트 제조의 제 1 단계는 최종 경화된 쉬이트의 강도, 신축성, 인성 및 분해성 뿐만 아니라 필요한 작업성 및 초기 강도를 가지는 성형가능한 혼합물 형성이다. 성형가능한 혼합물에 있어서 바람직하다고 간주되는 성질은 적절한 작업성, 플라스틱과 유사한 성질, 압출, 압연 또는 성형 공정을 위한 초기강도이다. 물, 유기 바인더, 분산제의 양이 혼합물의 작업성과 압출성을 좌우하며 혼합물내의 응집체, 섬유, 가소제 공기 포함제와 같은 기타 성분도 마찬가지이다. 그러나, 어떠한 단일 성분도 성형가능한 혼합물의 유변학과 기타 성질을 완전 좌우하지는 못한다. 오히려 각 성분들은 상호관련된 방식으로 함께 작용한다.
1. 성분이 혼합물 유변학에 미치는 효과
적절한 작업성과 유동성을 갖는 혼합물을 얻기 위해서 첨가되어야 하는 물의 양은 무기 충진재의 농도 및 입자 패킹 밀도, 섬유의 양, 유기 바인더의 종류 및 양, 기타 혼화제(분산제, 가소제 또는 윤활제)의 종류 및 양에 달려있다. 그러나, 일반적으로 물을 더 많이 첨가할수록 혼합물의 점도 및 항복응력이 감소되므로 혼합물의 유동성이 증가되고 성형물의 형태안정성이 감소된다.
유기 바인더는 축축한 혼합물에서 유기 바인더의 젤라틴화 또는 용해 정도, 종류, 농도에 따라 혼합물의 유변학에 크게 영향을 줄 수 있다. 셀룰로오스 에테르는 일반적으로 물에 용해되거나 적어도 잘 분산된다. 전분과립은 성형할 때까지 습한 혼합물에서 젤라틴화 안된채 유지된다.
셀룰로오스 에테르는 다양한 점도 및 항복응력 뿐만 아니라 물에 대한 다양한 용해도 또는 분산성을 가진다. 예컨대, 20℃에서 Tylose FL 15002(메틸히드록시에틸 셀룰로오스)의 2% 용액은 약 15000cps의 점도를 가지지만 유사한 Tylose 4000 용액은 약 4000cps의 점도를 가진다. Tylose FL 15002은 성형가능한 혼합물의 항복응력과 플라스틱 성질을 크게 증가시키지만 Tylose 4000은 윤활제 또는 가소제로 작용한다.
전분성분은 쉬이트 형성 공정동안 나중에 젤라틴화 한다. 전분과 같은 많은 유기 폴리머 바인더는 성형가능한 혼합물에 첨가될 경우 중합하지도 분해되지도 않지만 젤라틴화하고 건조되어 결합 매트릭스를 형성하지만 수용성 또는 수분산성 중합가능 단위를 성형가능 혼합물에 첨가하면 시간이 지나면 중합한다. 중합반응속도는 혼합물의 온도를 조절하거나 촉매나 억제제를 첨가함으로써 조절될 수 있다. 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 중합가능 단위의 예는 Cellosize 와 라텍스 형성 모노머이다.
젤라틴화에 있어서, 대개의 셀룰로오스 에테르는 실온의 물에서 쉽게 젤라틴화 한다. 전분은 더 높은 온도의 물에서만 젤라틴화 한다. 그러나 일부 변성 전분은 실온에서 젤라틴화 한다. 셀룰로오스 에테르는 거의 즉시 최대 유변학적 효과를 발휘하지만 중합가능한 바인더는 시간이 지나면 걸쭉해지며 전분기초 바인더는 혼합물의 온도가 증가될 때 걸쭉해진다.
성형가능한 혼합물의 유변학에 직접 영향을 주도록 첨가될 수 있는 기타 혼화제는 분산제, 가소제 및 윤활제이다. 술포닐 기초 물질과 같은 분산제는 물의 양을 일정 유지할 경우 성형가능한 혼합물의 점도를 크게 감소시키며 작업성을 증가시킨다. 분산제 사용은 동일 수준의 작업성을 유지하면서 더 적은 양의 물을 포함시킬 수 있게 한다.
무기 충진재의 양, 종류, 입자 패킹밀도는 성형가능한 혼합물의 유변학과 작업성에 크게 영향을 미칠 수 있다. 다공성이거나 높은 비표면적을 가지는 무기 충진재는 비다공성 충진재보다 물을 더 많이 흡수하는 경향이 있으므로 입자를 윤활시키는데 이용가능한 물의 양을 감소시킨다. 이것은 더욱 점성인 혼합물을 가져온다. 입자 패킹 밀도 역시 물, 윤활제, 유기 폴리머 또는 혼합물이 흐르도록 하는 기타 액체에 의해 채워져야 하는 공간의 양을 좌우함으로써 혼합물의 유변학에 크게 영향을 줄 수 있다.
예컨대, 0.65의 자연 패킹 밀도를 가지는 응집체는 입자간 공간을 채우기 위해서 일반적으로 약 35부피% 액체(물 포함)를 필요로 한다. 다른 한편, 0.95의 자연 패킹 밀도를 가지는 응집체는 공극을 채우기 위해서 단지 약 5부피%의 액체를 필요로 한다. 따라서, 입자의 패킹 밀도는 혼합물의 작업성을 포함하는 유변학적 성질에 상관된다. 응집체 입자의 크기 및 모양 역시 어느 정도 성형가능한 혼합물의 유변학 및 유동성에 영향을 줄 수 있다.
수경 시멘트, 반수 석고, 및 산화칼슘과 같은 수경화성 무기 응집체는 물흡수제로서 사용될 수 있다, 이들은 물과 반응함으로써 가열 또는 건조없이도 성형가능한 혼합물내의 물의 유효량을 감소시킨다. 이러한 재료는 시간의 함수인 수화정도에 따라 혼합물의 유변학에 크게 영향을 미친다. 추가로, 수경 시멘트는 초기 성형가능한 혼합물과 이로부터 제조된 물건의 응집 강도를 증가시킨다. 응집성은 성형된 물질을 서로 붙잡아서 쉬이트가 롤러를 통해 당겨질 수 있으며 충분한 인장강도를 얻도록 충분히 건조될 때까지 그 형태를 유지시킨다.
마지막으로, 섬유와 같은 다른 고형 성분은 무기응집체와 유사한 방식으로 혼합물의 유변학에 영향을 준다. 어떤 섬유는 다공성 및 팽윤성에 따라 물을 흡수할 수 있다. 추가로, 어떤 섬유는 전하를 띠도록 처리되어서 전하를 띤 유기 가소제와 화학적으로 상호작용할 수 있다. 이리한 방식으로 섬유는 어느 정도 혼합물의 유변학에 영향을 준다.
2. 성분들이 최종성질에 미치는 효과
최종 건조 또는 경화된 제품에 있어서, 쉬이트의 구조 매트릭스에 포함되는 것이 바람직한 성질은 높은 인장강도, 신축성, 신장성, 굴절 및 굽힘성이다. 어떤경우에 종래의 종이나 판지 제품의 성질을 포함시킨 쉬이트를 획득하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 다른 경우에 통상의 목재 펄프나 기타 종래의 제지 출발 물질을 사용해서는 얻을 수 없는 성질을 가기는 구조 매트릭스를 수득하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 성질로는 증가된 인성, 더 높은 탄성 모듈러스, 내수성, 또는 더 낮은 벌크밀도가 있다.
쉬이트의 성질이 사용된 펄프의 성질에 크게 의존하는 종래의 종이나 판지와는 대조적으로, 본 발명의 전분 결합 쉬이트의 성질은 쉬이트 제조에 사용된 섬유의 성질과는 무관하다. 다시 말하자면 더 길고 더욱 신축적인 섬유를 사용하면 더 짧고 더 딱딱한 섬유보다 쉬이트에 더 큰 신축성을 부여할 것이다. 그러나, 종래의 종이에서 펄프에 의해 크게 좌우되는 성질이 사용된 가공기술과 성형가능한 혼합물의 비섬유 성분의 농도를 조건함으로써 전분결합 쉬이트에 포함될 수 있다. 스티프니스, 견고성, 표면마무리, 다공성과 같은 이러한 성질은 전분 결합 쉬이트에 사용되는 섬유의 종류와는 무관하다.
신축성, 인장강도, 또는 탄성 모듈러스는 성분변경 및 성형가능한 혼합물내 성분의 상대적 농도를 변경시킴으로써 쉬이트나 이로 부터 제조된 기타 물건의 성능 기준에 맞게 조절될 수 있다. 어떤 경우에는 더 높은 인장강도가 중요한 특징일 수 있다. 다른 경우에는 인장강도는 덜 중요할 수 있다. 어떤 쉬이트는 더 신축적이어야 하는데 반해서 다른 쉬이트는 더 단단해야 한다. 어떤 쉬이트는 치밀해야 하나 다른 쉬이트는 더 두껍고, 더 가볍고 더 절연성이어야 한다. 중요한 것은 비용과 기타 제조라인 변수를 인식하면서 특정 용도에 적합한 물질을 달성하는 것이다. 특정 성질을 "너무 많이" 또는 "너무 작게"가 성능측면에서는 하찮을 수 있지만 비용 측면에서는 특정 성질을 제공하는 것이 낭비적이거나 비효과적일 수 있다.
일반적으로, 혼합물내에 섬유의 농도를 증가시키면 최종 쉬이트의 인장강도, 신축성, 인열강도 및 파열강도가 증가된다. 상이한 섬유는 다양한 인열 및 파열 강도, 신축성, 인장강도 파괴없는 신장성, 및 스티프니스를 가진다. 상이한 종류의 섬유에서 이득이 되는 성질을 얻기 위해서 어느 경우에는 성형가능한 혼합물내에 두 개이상의 상이한 종류의 섬유를 조합하는 것이 선호될 수 있다.
압출 및 압연과 같은 쉬이트 형성 공정은 혼합물 또는 쉬이트의 신장방향으로 섬유를 배향시키는 경향이 있다. 이것은 특정 방향으로 쉬이트 인장 강도를 최대화할 때 이득이 될 수 있다. 예컨대, 쉬이트가 힌지를 따라 구부릴 필요가 있을 경우 쉬이트의 힌지를 보강하기 위해서 접힘선에 수직으로 배향됨으로써 힌지의 두면을 더욱 효과적으로 연결시키는 방식으로 섬유가 배향되는 것이 좋다. 추가로, 힌지 영역이나 쉬이트가 증가된 인성 및 강도를 필요로 하는 곳에 섬유를 더욱 농축시키는 것이 바람직할 수 있다.
응집체의 종류도 최종 경화된 쉬이트의 성질에 영향을 준다. 일반적으로 단단하고, 비신축적이며, 작은 입자로 구성된 점토, 카올린 또는 초크와 같은 응집체는 더 매끈하면서 부서지기 쉬운 쉬이트를 가져온다. 펄라이트 또는 중공 유리구와 같은 경량 응집체는 더 낮은 밀도, 더 큰 절연성을 가지며 잘 부서지지 않는 쉬이트를 가져온다. 분쇄된 모래, 실리카, 석고 또는 점토와 같은 응집체는 매우 싸므로 쉬이트 제조비용을 크게 감소시킬 수 있다. 높은 비표면적을 갖는 재료는 건조수축 및 수축 결함을 증가시킨다. 더 낮은 비표면적을 갖는 재료는 점성이 작아서 접착없이 저온롤러에 의해 쉬이트를 가공할수 있으므로 이득이 된다,
수경 시멘트, 반수 석고 및 산화칼슘과 같은 수경화성 응집체는 이러한 수경화성 응집체가 첨가되는 양에 따라서 경화된 쉬이트내에 결합성을 제공할 수 있다. 이들은 최종 쉬이트의 스티프니스와 압축강도를 증가시키며 어느 정도 인장강도를 증가시킨다. 수경 시멘트는 물에서 쉬이트의 용해도를 감소시킴으로써 물분해에 대한 쉬이트의 저항성을 증가시킨다.
마지막으로, 성형가능한 혼합물내에 로진 및 명반을 첨가함으로써 최종제품에 방수성을 부여할 수 있다. 이들은 상호작용하여 전분결합 매트릭스내에서 내수성이 큰 성분을 형성한다. 이러한 방수제가 상당량으로 존재하지 않을 경우에 쉬이트를 다시 적셔서 쉬이트의 파괴전에 신축성, 굽힘성 및 신장성을 일시적으로 증가시키는데 물이 사용될 수 있으며, 이 경우에 쉬이트는 용기와 같은 다른 제조품으로 형성될 수 있다. 물론, 물은 폐기 후 쉬이트의 분해를 촉진시킬 수도 있다.
대체로, 더 낮은 농도의 유기 폴리머 바인더와 섬유를 갖는 전분 결합 쉬이트는 더 단단하며 절연성이 더 높으며 응집성이 더 낮으며 열손상에 저항하며 인장강도가 더 낮으며 물에 의한 분해성이 낮다(특히, 최종 제품의 압축강도를 증가시킬 수 있는 수경 시멘트를 포함하는 경우).
유기 바인더 농도가 낮지만 섬유 함량은 큰 쉬이트는 인장강도가 높고 인성이 높고 압축강도 및 굴곡강도가 낮으며 스티프니스가 낮으며 신축성이 높고 물분해에 대해 상당히 저항성이다.
유기 바인더 농도가 더 높고 섬유농도가 더 낮은 쉬이트는 더 수용성이며 분해성이고 성형이 용이하고 (더 얇은 쉬이트 제조를 가능하게 함) 비교적 높은 압축 및 인장강도를 가지며 인성이 더 높고 신축성이 적절하며 스티프니스가 더 낮다.
마지막으로 유기 폴리머 바인더와 섬유의 농도가 높은 쉬이트는 종래의 종이와 가장 유사한 성질을 가지며 더 높은 인장강도, 인성 및 내굽힘성을 가지며 적절한 압축강도를 가지며 수분해에 대한 저항성이 매우 낮으며 내열성이 낮으며(특히, 섬유의 점화온도나 바인더의 분해 온도에 접근할 경우), 더 높은 신축성과 더 낮은 스티프니스를 가진다.
위에서 기술된 조성물을 사용하여 형성된 전분 결합 쉬이트는 0.05MPa 내지 100MPa, 특히 5내지80Mpa의 인장강도를 가지며 2g/㎤ 미만, 특히 0.4 내지 1.5g/㎤의 벌크밀도를 가진다. 쉬이트가 어떤 밀도를 가지는지 여부는 주어진 용도에 필요한 성능기준에 달려있다. 따라서, 본 발명의 전분 결합 쉬이트의 벌크 밀도에 대한 인장강도의 비는 2MPa·㎤/g 내지 500MPa·㎤/g, 특히 5MPa·㎤/g 내지 150MPa·㎤/g 이다.
본 발명의 전분 결합 쉬이트의 방향 특이성 강도성질은 인장 및 인열 강도 측면에서 강한 방향과 약한 방향을 가지는 종이와 비교된다. 종래의 종이에서 강한 방향은 기계방향이며 약한 방향은 기계 가로방향이다. 종래의 종이에서 강한 방향과 약한 방향의 강도비는 약 3:1 이지만 본 발명의 쉬이트는 사용된 특별한 형성공정에 따라 균일 분산된 강도(즉 1:1의 강도비)를 가지게 제조될 수 있다.
"신장"이란 용어는 쉬이트의 구조 매트릭스가 파괴없이 인발될 수 있으면서마무리된 표면을 가짐을 의미한다. 다시 말하자면 쉬이트의 전분결합 매트릭스가 인발력의 적용에 의해 파괴없이 모양을 변화시킬 수 있다. 쉬이트의 구조 매트릭스를 신장시키는 능력은 Instron 인장 테스트 및 응력 변형 테스트로 측정된다.
혼합조성을 최적화함으로써, 초기의 축축한 상태에서 30%까지 신장시킬 수 있으며 건조시 0.5 내지 12% 신장할 수 있는 구조 매트릭스를 제조할 수 있다. 즉, 쉬이트는 두 조각으로 파괴되지 않고 이들 범위내에서 신장할 수 있다. 추가로, 건조 쉬이트의 신장성은 쉬이트 건조중량의 최대 20 중량%까지의 증기 또는 습기를 쉬이트에 첨가함으로써 증가될 수 있다. 그러나, 이러한 재습윤 단계는 쉬이트의 강도를 일시적으로 감소시킨다.
"굴절"이란 용어는 쉬이트가 마무리 표면의 파괴 및 변화없이 구부리고 접거나 감을 수 있는 구조 매트릭스를 나타낸다. 쉬이트의 굴절성은 공지 수단을 사용하여 탄성 모듈러스와 쉬이트의 파괴 에너지를 측정하여 결정된다. 본 발명에 따라 제조된 쉬이트의 굴절성은 쉬이트 두께에 좌우된다.
필요한 강도, 굽힘성, 절연성, 인성, 중량 또는 다른 성능기준을 가지는 쉬이트를 얻기 위해서 롤러사이의 공간을 조절함으로써 쉬이트의 두께를 변경할 수 있다. 두께와 필요한 성능에 따라서, 특정한 쉬이트 두께에 맞게 성분 및 상대적 농도가 조절될 수 있다. 본 발명의 쉬이트는 다양한 두께를 가지도록 설계될 수 있다; 그러나, 얇은 벽 재료를 필요로 하는 대개의 제품은 1㎝ 미만, 특히 5mm 미만, 더더욱 3mm 미만, 가장 선호적으로는 1㎜ 미만의 두께를 가진다. 그럼에도 불구하고 절연성이나 더 높은 강도 또는 스티프니스를 필요로 하는 경우에 쉬이트 두께는최대 1㎝가 될 수 있다. 물론, 조성물은 10㎝ 이상의 쉬이트로 성형될 수도 있다.
주름진 상자 제조에 사용되는 쉬이트는 0.010"의 두께를 가지며, 우유 팩의 경우 0.020", 쥬스상자의 경우에는 0.010"의 두께를 가진다.
쉬이트가 잡지 또는 기타 판독물 인쇄에 사용되는 경우에 대체로 약 0.05mm의 두께를 가지는 종래의 종이제품에 비견할만한 두께를 가진다. 더 큰 신축성과 더 낮은 스티프니스를 필요로 하는 인쇄가능한 쉬이트(잡지 또는 소책자의 정규 페이지)는 대체로 0.025-0.075mm의 두께를 가진다. 더 큰 강도, 스티프니스와 더 낮은 신축성을 필요로 하는 쉬이트(잡지 또는 책자의 커버)는 0.1-2㎜의 두께를 가진다. 특정 쉬이트의 두께 및 신축성은 문제의 인쇄물의 성능 기준에 달려있다.
성형가능한 혼합물은 상당량의 물을 방출시키며 높은 초기 강도를 갖는 쉬이트 성형을 보조하는 일련의 가열된 롤러를 통과한다. 그럼에도 불구하고 당해분야 숙련자는 성형가능한 혼합물이 적절한 유변학을 가져서 특정 다이를 통해 용이하고 효과적으로 압출되게 하도록 물함량을 조절할 수 있으며, 다른 공정동안 일련의 롤러를 통과할 때 쉬이트의 일체성이 유지되도록 충분한 형태 안정성을 가진다.
산업적 규모로 성형가능한 혼합물을 제조하는 구체예는 성형가능한 혼합물에 포함되는 재료가 자동으로, 연속으로 계량되고 혼합되고 탈기되고 나사형 압출기에 의해 압출되는 설비를 포함한다. 또는 일부 성분을 용기에서 사전 혼합하고 사전 혼합된 성분을 반죽 및 혼합장치에 펌프질 할 수 있다.
압출용 나사를 갖는 이중 샤프트 시그마 블레이드 반죽 믹서가 선호되는 믹서이다. 이 믹서는 다양한 RPM과 상이한 성분에 대한 상이한 전단력을 제공하도록조절될 수 있다, 대체로 성형가능한 혼합물은 최대 10분간 혼합되고 최대 3분의 압출에 의해 믹서로 부터 빠져나온다.
어떤 경우에 더욱 잘 분산되고 균질화된 혼합물을 형성하기 위해서 고전단 혼합물에서 일부 성분을 혼합하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 어떤 섬유는 서로 완전히 분리시키는 혼합을 필요로 할 수 있다. 고전단 혼합은 더욱 균질하게 혼합된 혼합물을 가져오므로 미경화된 성형가능한 혼합물의 경점성을 향상시키며 최종 경화된 쉬이트의 강도를 증가시킨다. 이것은 고전단 혼합이 섬유, 입자 및 바인더를 더 균일하게 분산시켜서 경화된 쉬이트내에 더욱 균질한 구조 매트릭스를 생성하기 때문이다.
다양한 믹서가 성형가능한 혼합물에 다양한 전단을 부여할 수 있다. 예컨대, 반죽기는 보통의 시멘트 믹서와 비교되는 높은 전단을 부여하지만 Eirich Intensive 믹서나 트윈 나사형 식품 압출기에 비해서 낮다.
그러나, 고전단하에서 해체하는 경향을 가지는 재료에는 고전단, 고속 혼합이 사용되서는 안된다. 전분 과립은 고전단 조건하에서 조기 젤라틴화 한다. 펄라이트 또는 중공 유리구와 같은 경량성 응집체는 고전단하에서 파괴되는 경향을 가진다. 추가로, 프로펠러에 의한 고전단 혼합은 혼합물이 비교적 낮은 점성을 가질 경우에만 효과적이다. 더욱 응집성이고 플라스틱형인 혼합물을 수득해야할 경우에 고전단 믹서에서 물을 포함한 일부 성분을 혼합하고 이후에 저전단 반죽 믹서를 사용하여 섬유나 응집체와 같은 고체의 농도를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 고전단 혼합은 성형가능한 혼합물내에 공기 함유제를 첨가함으로써 작고 응집되지않은 공극을 포함시키는 것이 필요한 경우에 특히 유용하다.
균질 혼합물 생성에 유용한 고전단 믹서는 미국특허 제 4,225,247("혼합 및 교반 장치"); 미국특허 제 4,552,463("콜로이드성 혼합물 생성 방법 및 장치"); 미국특허 4,889,428("회전 밀"); 미국특허 4,944,595("시멘트 건축재료 제조장치") ; 미국특허 5,061,319("시멘트 건축재료 생성공정")에 발표된다. 이들 특허범위내에 있는 고전단 믹서는 E. Khashoggi Industries(Santa Barbara, California)로 부터 구매가능하다.
B. 성형가능한 혼합물로 쉬이트 형성
성형가능한 혼합물이 적절히 블렌딩된 이후에 압출기와 일련의 롤러를 포함하는 쉬이트 형성장치에 전달된다. 어떤 경우에, 성형가능한 혼합물을 혼합 및 압출하는 장치가 사용되어서 공정을 합리화하고 시스템내에 다양한 성분의 조정을 최소화한다. 도 1a 는 성형가능한 혼합물로 쉬이트를 제조하기 위한 시스템을 보여준다. 이 시스템은 혼합장치(10), 나사형 압출기(20), 한쌍의 쉬이트 형성롤러(40), 제 1 건조롤러(50), 한쌍의 압축롤러(60), 제 2 건조롤러(70), 일련의 마무리 롤러(80), 스푸울(90)을 포함한다.
쉬이트 형성 단계에서 적절한 압출기 다이를 통해 재료를 압출시키고 압출된 재료를 적어도 한쌍의 축소 또는 형성 롤러(도 1a)에 통과시킴으로써 성형가능한 혼합물이 쉬이트가 된다. 혹은, 성형가능한 혼합물이 도 1b의 쉬이트 형성롤러 사이에 직접 주입될 수 있다. 도 2b 에 성형 조성물을 쉬이트 형성롤러에 주입시키는 위그웨그 압출시스템이 도시된다.
도 2a 는 압출기(20)내의 제 1 내부 챔버(24)에 성형가능한 혼합물을 주입하는 주입기(22)를 포함한 나사형 압출기(20)의 확대도이다. 내부 챔버(24)내에는 전방압력을 가하여 성형가능한 혼합물을 내부챔버(24)를 통해 진공챔버(28)로 진행시키는 제 1 스크루(26)가 있다. 음압 또는 진공이 진공챔버(28)에 적용되어서 성형가능한 혼합물내의 공극을 제거할 수 있다.
이후에, 성형가능한 혼합물이 제 2 내부챔버(30)로 주입된다. 제 2 스크루(32)는 다이폭(38)과 다이 두께(39)를 가지는 슬릿(36)을 포함하는 다이헤드(34)쪽으로 혼합물을 진행시킨다. 슬릿(36)의 단면모양은 다이폭(38)과 다이두께(39)에 해당하는 폭과 두께의 쉬이트를 생성하도록 구성된다.
혹은, 도 3 에 도시된 바와 같이, 압출기는 나사형 압출기 대신에 피스톤 압출기(20')일 수 있다. 피스톤 압출기(20')는 전방압력을 가하여 성형가능한 혼합물을 아암(24')의 내부챔버로 진행시키기 위해서 스크루 대신에 피스톤(22')을 사용한다. 피스톤 압출기를 사용하면 성형가능한 혼합물에 더 큰 압력을 가할 수 있다는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에서 사용되는 혼합물의 높은 플라스틱성질 때문에 나사형 압출기를 사용하여 수득된 것보다 더 큰 압력을 발휘할 필요가 없다.
다이의 선호되는 폭 및 두께는 제조될 쉬이트의 폭 및 두께에 달려있지만 압출된 쉬이트의 두께는 최종 쉬이트 두께의 두배 이상이다. 축소 정도는 쉬이트의 성질에 달려있다. 축소 공정은 섬유 배향을 조절하기 때문에 축소정도는 필요한 배향정도에 대응하기도 한다. 추가로, 두께 축소가 클수록 쉬이트의 신장은 더 크다.
쉬이트가 축소롤러 사이를 통과하기 이전에 롤러 닢과 쉬이트 두께간의 차이가 작은 경우에 섬유를 배향시키는 재료의 흐름은 쉬이트 표면 근처에 국지화되며 내부는 섬유를 배향하는 흐름을 받지 않는다. 이것은 쉬이트 표면 근처의 섬유는 단일방향 또는 양방향 배향을 가지지만 쉬이트 내부는 섬유배향이 무작위적인 쉬이트를 생성시킨다. 그러나, 초기 쉬이트 두께에 대해서 닢을 감소시킴으로써 쉬이트 내부의 섬유배향재료 흐름을 증가시켜 쉬이트 내부 섬유의 배향성을 증가시킬 수 있다.
평평한 쉬이트를 형성하는 좁은 다이 슬릿에 추가적으로 다른 물체나 모양을 형성하는 다른 다이가 사용될 수 있으며, 압출된 형태가 이후에 쉬이트에 형성될 수 있다. 예컨대, 매우 넓은 쉬이트를 압출하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 파이프 또는 튜브가 압출되고 다이헤드 외부에 위치된 나이프를 사용하여 연속으로 절단되고 펴질 수 있다.
성형가능한 혼합물을 압출하기 위해서 적용되는 압력은 필요한 압출속도와 혼합물을 다이헤드를 통과시키는데 필요한 압력에 달려있다. 쉬이트 형성 속도가 압연단계동안 쉬이트가 롤러를 통과하는 속도에 대응하도록 압출속도는 주의깊게 조절되어야 한다. 압출속도가 너무 높으면 롤러뒤에 과잉 재료가 축적되어 시스템을 막히게 한다. 역으로, 압출속도가 너무 느리면 롤러가 압출된 쉬이트를 당기는 경향이 있으므로 파괴 또는 불균일 구조 매트릭스를 가져오거나 최악의 경우 쉬이트를 파괴 또는 인열시킨다. 후자는 연속 쉬이트 형성 공정의 완전한 중단을 가져올 수도 있다.
압출속도에 영향을 미칠 수 있는 모든 변수를 조절하는 것이 불가능하므로 압출속도를 측정하거나 롤러 뒤에 과잉재료의 축적을 탐지하는 변환기 집적시스템을 포함시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 정보는 컴퓨터 프로세서에 주입되고, 프로세서는 압출기에 압출속도 및 압력을 조절하는 신호를 보내어 전체 시스템을 미세 조절한다. 적절한 집적시스템이 롤러 속도 조절 및 모니터링 할 수 있다.
압출공정동안 성형가능한 혼합물에 발휘된 압력은 가볍고 낮은 강도의 응집체를 파괴할 정도로 커서는 안된다. 다량의 공극을 함유한 경량성 응집체의 구조적 일체성을 파괴시키면 공극 제거로 인해 절연효과가 감소한다. 그럼에도 불구하고 펄라이트, 박리된 암석 또는 기타 재료는 매우 싸기 때문에 응집체 입자의 약간의 파괴는 허용가능하다. 과도한 압력 및 전단은 전분과립을 조기 젤라틴화시킬 수 있다.
섬유에 의해 경화된 쉬이트에 부여된 성질은 쉬이트내의 섬유를 단일방향 또는 양방향 배향시킴으로써 증가될 수 있다. 압출기 다이 헤드의 모양에 따라 다이헤드를 통한 성형가능한 혼합물의 압출은 압출된 쉬이트의 기계방향 또는 "Y"축을 따라 성형가능한 혼합물내의 섬유를 단일방향으로 배향시킨다. 압연과정은 쉬이트가 축소공정동안 더욱 신장될 때 섬유를 "Y"방향으로 더욱 배향시킨다. 추가로, "Z"방향으로 상이한 갭 거리를 가지는 롤러(원추형롤러와 같은)를 사용함으로써 일부 섬유는 쉬이트의 폭 또는 기계가로방향을 따라 "X"방향으로 배향될 수 있다. 따라서 압연과 압출에 의해서 양방향 배향된 섬유를 가지는 쉬이트를 생성할 수 있다.
전통적인 압출방법외에도, 각 혼합물을 두 개의 수평배향된 압출롤러바로 위에 위치된 호퍼로 전달하거나 성형가능한 혼합물을 호퍼에 전달하여 압출하는 것이 선호될 수 있다. 이것은 압연공정 이전에 성형가능한 혼합물을 쉬이트로 압출시킬 필요성을 제거한다. 롤러를 통한 성형가능한 혼합물의 주입 압력의 변화를 허용하는 컨베이어 방법은 나사형 컨베이어이다.
압출단계의 목적은 성형조성물을 롤러에 연속적이고 조절되게 공급하는 것이다. 이것은 적절한 구멍을 통한 재료의 흐름 또는 "압출"을 일으키는 다른 메카니즘에 의해서도 달성될 수 있다. 예컨대, 성형가능한 혼합물을 흐르게 하는 힘이 중력에 의해 공급될 수 있다,
도 1b 에서 성형가능한 혼합물은 믹서(10)로 부터 한쌍의 압출 축소롤러(40)에 직접 주입되어 비정질 성형가능한 혼합물을 압출기 다이의 사용없이 쉬이트로 직접 전환시킨다. 도 1 에 도시된 시스템과 같이 형성 롤러(40)에 의해 형성된 쉬이트는 제 1 건조롤러(50), 한쌍의 압축롤러(60), 제 2 건조롤러(70), 일련의 마무리롤러(80)로 이송되고 이후에 스푸울(90)에 감긴다. 형성롤러(40)는 셀룰로오스 에테르에 의한 초기 필름 형성을 일으키고 다음에 전분과립의 젤라틴화가 이루어지는 온도까지 가열된다. 또한 증발에 의해 일부의 물을 제거할 수 있다. 본 발명의 쉬이트 형성 방법을 사용하여 액체상태에서 제거된 물은 거의 없다.
도 1a 에서 일련의 가열된 쉬이트 형성 롤러가 쉬이트 형성 공정동안 사용되었다. 축소롤러(40)의 확대된 측면도가 도 4 에 도시된다. 축소롤러(40)는 예정된 갭거리(또는 닢)(44)로 서로 인접 위치된 두 개의 롤러(42)를 포함한다. 롤러(42)간의 갭거리(44)는 롤러(42)사이를 통과하는 축소된 쉬이트(46)의 두께(44')에 해당한다.
한쌍의 롤러를 통과할 때 쉬이트 두께가 감소됨에 따라 쉬이트는 전방 이동("Y")방향 또는 "기계방향"으로 신장된다. 쉬이트 신장 결과 섬유는 기계방향으로 더욱 배향된다. 이러한 방식으로, 초기 압출공정과 조합으로 축소공정은 기계방향으로 단일 배향된 쉬이트를 생성할 수 있다. 그러나 축소롤러의 속도가 증가하면 쉬이트내 섬유가 무질서하게 된다.
쉬이트내 섬유의 무작위 배향을 유지시키는 또다른 방법은 롤러의 차등 형성속도를 감소시키는 것이다. 즉, 성형가능한 혼합물이 더 낮은 압력하에서 압출롤러 사이에 이송될 경우에 혼합물이 롤러사이를 통과할 때 기계방향 속도 및 전단의 갑작스런 증가는 기계방향으로 섬유를 배향시킨다. 그러나, 롤러사이에 혼합물이 이송될 때 혼합물의 압력을 증가시킴으로써 기계방향 전단을 감소시켜서 무작위 섬유 배향을 갖는 쉬이트가 되게 할 수 있다.
쉬이트 신장의 또다른 결과는 쉬이트가 한쌍의 축소롤러를 통과할 때 쉬이트가 "가속"된다는 것이다. 도 4 에서 롤러의 회전속도(V1)는 축소되고 신장된 쉬이트가 롤러를 빠져나가는 속도(V1)에 대응하며 쉬이트가 롤러간의 갭에 들어오는 속도(V0)에 대응하지 않는다. 예컨대, 쉬이트 두께가 50% 축소되고 축소과정중 쉬이트가 넓어지지 않았다면 쉬이트는 최초의 길이의 두배로 신장될 것이다. 이것은 쉬이트가 롤러에 들어오기전 쉬이트 속도의 두배에 해당한다. 따라서, 쉬이트 두께가50% 축소되면 V1= 2xV0이다.
쉬이트는 회전롤러에 의해 더 얇은 쉬이트로 압축됨으로써 한쌍의 롤러를 통과하는 동안 "가속"된다. 쉬이트 압축공정과 들어오는 쉬이트와 롤러간의 속도 차이는 쉬이트상에 다양한 전단력을 생성할 수 있다. 과도한 전단력의 적용은 쉬이트 구조 매트릭스를 파괴하고 쉬이트내 결함을 야기시켜서 쉬이트를 약화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 롤러에 대해 매우 낮은 접착성을 가지며 플라스틱 성질을 가지는 조성물의 경우에 한쌍의 매우 큰 직경의 롤러를 사용하여 단지 1단계공정으로 압출된 쉬이트를 최종 두께로 축소시킬 수 있다.
각 롤러의 직경은 전분 결합 쉬이트의 두께 축소정도와 성형가능한 혼합물의 성질에 따라서 최적화되어야 한다. 롤러 직경을 최적화할 경우에 두가지가 고려되어야 한다. 첫 번째는, 롤러 직경이 작을수록 쉬이트가 롤러사이를 통과할 때 더 큰 전단력이 부여된다는 것이다. 이것은, 쉬이트상의 하향 압축각도가 더 큰 직경의 롤러를 사용할 때 보다 더 크기 때문이다.
그러나, 더 큰 직경의 롤러를 사용할 경우에 성형 조성물이 더 오래 롤러와 접촉하므로 특히 롤러 온도가 증가될 때 쉬이트 형성공정동안 쉬이트 건조가 증가된다는 결점을 가진다. 압연공정동안 쉬이트를 너무 빨리 건조시키면 구조 매트릭스내에 결함이 도입될 수 있다.
성형된 쉬이트의 과건조를 방지하면서 최대의 쉬이트 두께 축소를 얻기 위한 롤러 직경의 최적화는 제조공정에서 축소단계의 수를 감소시키는 것에 비해 선호된다. 작업지대의 수를 감소시킬 뿐만 아니라 축소단계의 수를 감소시키는 것은 롤러뒤에 남는 쉬이트 축적(롤러가 느리게 회전하는 경우)이나 쉬이트 인열(롤러가 너무 빨리 회전하는 경우)을 방지하기 위해서 속도가 주의깊게 동기화되어야 하는 롤러의 수를 줄인다.
전분 결합 쉬이트가 롤러에 부착되는 것을 방지하기 위해서 롤러를 처리하는 것이 좋다. 한가지 방법은 롤러를 가열시켜 성형가능한 혼합물내의 일부의 물을 증발시킴으로써 쉬이트와 롤러간에 증기 장벽을 생성하는 것이다. 일부의 물의 증발은 성형가능한 혼합물내의 물의 양을 감소시키므로 쉬이트의 초기 강도를 증가시킨다. 그러나, 롤러의 온도는 잔류응력, 파괴 및 기타 변형을 쉬이트에 생성시킬 정도로 쉬이트 표면을 건조 또는 경화시킬만큼 높아서는 안된다.
일반적으로, 초기 쉬이트 형성 롤러는 셀룰로오스 에테르의 열침전온도와 유사한 온도를 가진다. Methocel 의 경우에 70℃의 온도를 가지는 쉬이트 형성 롤러를 사용하는 것이 좋으며 Tylose FL 15002 의 경우에 쉬이트 형성 롤러는 85℃의 온도를 가진다. 쉬이트 형성 롤러의 온도는 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도 이상일 수 있지만 초기 쉬이트가 롤러에 접착하는 것을 방지하기 위해서 전분 과립의 젤라틴화 온도보다는 낮아야 한다. 셀룰로오스 에테르 스킨이 초기 쉬이트의 표면상에 형성된 이후에 쉬이트는 전분의 젤라틴화 온도 이상으로 가열된 하나 이상의 롤러 사이에 통과된다. 전분의 젤라틴화온도와 나중에 사용된 롤러의 온도에 따라서 쉬이트 형성 공정중 어느 순간에 전분이 젤라틴화된다. 두 개 이상의 상이한 젤라틴화 온도를 가지는 전분이 사용되는 경우가 그렇다. 당해 분야 숙련자는 셀룰로오스 에테르의 종류와 성형 조성물에 사용되는 전분에 따라서 쉬이트 형성 공정을 최적화하도록 롤러 온도를 조절할 수 있을 것이다.
일반적으로 성형가능한 혼합물의 접착성은 혼합물내 물의 양이 증가됨에 따라 증가한다. 그러므로, 혼합물이 더 많은 물을 함유할 경우에 접착을 방지하기 위해서 롤러는 더 높은 온도로 가열되어야 한다. 이것은 더 높은 물함량을 가지는 쉬이트는 적절한 초기 강도를 얻기 위해서 더 많은 물이 제거되어야 하므로 장점이 된다. 추가로, 롤러 속도 증가는 쉬이트가 롤러에 접착하는 것을 방지하기 위해서 롤러 온도 증가를 허용한다.
롤러와 전분결합 쉬이트간의 접착을 감소시키기 위한 또다른 방법은 롤러 표면을 처리하는 것이다. 롤러는 대체로 광택처리된 스텐레스강으로 제조되고 크롬, 니켈 또는 테플론과 같은 비접착성 재료로 코팅된다.
마지막으로, 성형가능한 혼합물의 높은 작업성과 플라스틱성 때문에 압연과정은 쉬이트를 많이 압축시키지 않는다. 다시 말하자면, 쉬이트가 축소롤러 사이를 통과하는 동안 심하게 건조되는 경우에 일부 압축이 기대될지라도 쉬이트의 밀도는 압연과정동안 일정하게 유지될 것이다. 압축이 필요한 경우에, 쉬이트는 건조 단계후에 한쌍의 압축롤러(60)(도 1a) 사이를 통과할 수 있다.
따라서, 압연공정의 중요한 변수로는 롤러의 직경, 속도 및 온도와 "닢 높이"(또는 갭거리)가 있다. 롤러 직경 증가와 닢 높이 증가는 쉬이트 형성 공정동안 성형가능한 혼합물과 쉬이트에 부여되는 전단 속도를 감소시키며 롤러 속도 증가는 전단속도를 증가시킨다.
C. 건조 공정
쉬이트 형성 롤러가 쉬이트를 부분적, 심지어는 완전히 건조시킬 수 있을지라도 필요한 인장강도 및 인성을 갖는 쉬이트를 얻기 위해서 쉬이트를 더욱 건조하는 것이 좋다. 쉬이트가 시간이 지남에 따라 자연 건조될지라도 쉬이트가 자연건조하도록 기다리는 것은 불가능하다. 가속화된 건조는 과잉의 물을 배출시키도록 쉬이트를 가열하는 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다.
쌍으로 정렬된 축소롤러와 대조적으로 쉬이트가 순차적으로 각 롤러 표면의 넓은 영역위로 통과하도록 건조롤러가 배열될 수 있다(도 1a 및 1b의 건조롤러(50)). 이러한 방식에서, 쉬이트의 두면은 단계적으로 건조된다. 쉬이트가 압연단계동안 선형경로로 축소롤러를 통과하는 동안 건조단계중 건조롤러를 통과할 때 쉬이트는 사인파 경로를 따른다. 선호되는 건조롤러는 "양키"롤러로 알려진 큰 직경의 롤러를 포함하지만, 일련의 더 작은 롤러가 대신 사용될 수도 있다.
건조롤러의 온도는 쉬이트가 특정롤러를 통과할 때 쉬이트의 수분함량을 포함하는 여러 가지 인자에 달려있다. 어떤 경우에는 건조롤러의 온도가 300℃ 미만이어야 한다. 유기성분(유기바인더나 셀룰로오스 에테르)의 파괴를 막기 위해서 성형가능한 혼합물이 250℃ 이상으로 가열되어서는 안될지라도 혼합물내에 물이 증발함에 따라 재료를 냉각시키기에 적절한 물이 있는한 이 온도 이상으로 가열된 롤러가 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고 건조공정동안 물의 양은 감소되므로 롤러의 온도가 감소되어서 쉬이트 재료의 과열을 막을 필요가 있다.
어떤 경우에 건조롤러와 함께 건조 터널, 오븐 또는 챔버를 사용할 수 있다.열대류 건조 효과를 얻기 위해서 가열된 공기를 순환시켜 건조공정을 가속시키는 것이 선호될 수 있다. 건조 터널내의 온도와 터널내에서 쉬이트의 체류시간은 쉬이트 재료내의 물의 증발 속도와 양을 결정한다. 건조 터널의 온도는 셀룰로오스 에테르와 유기 바인더의 파괴를 막기 위해서 250℃를 초과해서는 안된다. 건조 터널은 100 내지 250℃의 온도로 가열된다.
어떤 경우에는 쉬이트가 용기 또는 기타 물건 제조에 사용되거나 스푸울(도 1a, 1b)에 감기기 이전에 위에서 기술된 건조공정이 최종단계이다. 다른 경우에는 특히 더 매끈하고 더 종이와 같은 마감이 된 쉬이트가 필요한 경우에 건조단계후 압축단계 또는 마무리단계와 같은 추가단계가 이루어진다.
E. 보충적인 마무리 공정
많은 경우에 최종 두께, 공차 및 표면 마무리를 달성하기 위해서 전분결합 쉬이트를 압축시킬 필요가 있다. 추가로, 압축 공정은 구조 매트릭스내의 원치 않은 공극 제거를 위해 사용될 수 있다. 도 5 에서, 제 1 건조롤러(50)(도 1a, 1b)에 의한 건조공정동안 건조후 쉬이트는 한쌍의 압축롤러(60)를 통과할 수 있다. 압축 공정은 더 높은 밀도 및 강도, 더 적은 표면 결함, 감소된 두께를 갖는 쉬이트를 생산하며 쉬이트 표면내의 압축된 입자를 고정 및 정렬시킨다. 압축롤러의 압축력은 쉬이트의 특성에 대응하도록 조절되어야 한다.
압축단계는 쉬이트에 더욱 매끄러운 표면을 제공하면서 더욱 치밀하고 균일한 구조 매트릭스를 생성함으로써 최종 경화된 쉬이트의 강도를 향상시킨다. 단일 두께당 강도가 최대화되어야 하며 절연성이 덜 중요한 경우에 압축단계가 선호된다. 압축은 높은 절연성이나 낮은 밀도를 가지는 더 두꺼운 쉬이트에는 불필요하다. 사실상 중공 유리구와 같은 약한 응집체를 가지는 쉬이트를 압축하는 것은 절연성 손실 위험 때문에 바람직하지 않을 수 있다.
압축 공정은 쉬이트를 크게 신장시키지 않고 구조 매트릭스의 약화나 파괴없이 수행되어야 한다. 쉬이트 신장 및 구조 매트릭스 약화없이 압축을 시키기 위해서 쉬이트가 쉬이트의 성형가능한 유변학을 유지시키기에 적절한 양의 물을 포함하도록 건조공정을 조절하는 것이 중요하다. 물함량과 롤러 닢을 조절함으로써 쉬이트 신장없이 압축롤러가 쉬이트를 압축하여 밀도를 증가시킬 수 있다. 쉬이트가 너무 많은 양의 물을 포함한다면 형성 또는 축소롤러처럼 압축롤러는 쉬이트를 신장시킬 것이다. 사실상, 압축롤러는 형성 또는 축소롤러와 동일하며, 유일한 차이는 쉬이트가 충분히 건조되어 쉬이트 두께의 축소가 물의 증발에 의해 남겨진 공극보다 작다면 신장보다 압축이 일어난다는 것이다(즉, 물의 증발이 25%의 추가 공극을 생성한다면 압축 롤러 닢은 사전 압축된 쉬이트 두께의 75% 이상이어야 한다).
압축공정은 약간 축축한 쉬이트가 관련되므로 건조롤러(70)를 사용한 건조 공정과 유사한 방식으로 압축단계후 쉬이트를 추가 건조시키는 것이 좋다. 이러한 건조단계는 건조롤러, 건조 터널, 또는 둘의 조합을 사용하여 수행될 수 있다. 그럼에도 불구하고 어떤 경우에 제 2 건조단계 없이 쉬이트가 더욱 가공될 수 있는데, 이 경우에 쉬이트는 용기 또는 기타 물건을 형성하는데 바로 사용되거나, 스코링된다.
매끈한 표면을 갖는 쉬이트를 제조하기 위해서 도 6 에 도시된 바와 같이 하나이상의 마무리(또는 "압연") 롤러(80)사이에 쉬이트를 통과시킴으로써 전분결합 쉬이트의 표면을 더욱 변경시킬 수 있다. 예컨대 한면 또는 양면이 매끈한 표면을 가지는 쉬이트를 생성하기 위해서 쉬이트는 적어도 두쌍의 하드 및 소프트 롤러(82, 84) 사이를 통과할 수 있다. "하드롤러"는 하드 롤러와 접촉하는 쉬이트면을 매끄럽게 하는 고광택 표면을 가지는 롤러(82)를 말하며, "소프트 롤러"는 하드 및 소프트 롤러쌍을 통해 쉬이트를 당기기에 충분한 마찰을 소프트 롤러와 쉬이트간에 생성시킬 수 있는 표면을 가지는 롤러(84)를 의미한다. 이것은 하드롤러(82)가 한쌍의 하드롤러를 통해 건조 쉬이트를 당기기에는 너무 매끄럽기 때문에 필요하다. 하드롤러(82)의 매끄러움은 쉬이트 표면내의 입자를 정렬시키는데 필요하다. 쉬이트를 "윤택"이 나도록 빨리 구동되는 고광택 처리된 하드롤러를 사용하면 쉬이트는 매우 매끄러운 표면을 가지게 된다. 마무리 공정은 쉬이트 표면상에 물을 분무하거나 표면을 점토, 탄산칼슘, 또는 적당한 코팅재료로 코팅함으로써 촉진될 수 있다.
다른 구체예에서, 마무리 롤러는 메쉬, 바둑판 또는 격자무늬 표면과 같은 필요한 조직을 부여할 수 있다. 다른 마무리 공정과 조합으로 도 7a 도시된 주름롤러를 수단으로 쉬이트는 주름이 질 수 있다. 필요하다면 쉬이트 표면에 로고나 기타 디자인을 새기는 롤러가 사용될 수 있다. 물자국을 부여할 수 있는 특수 롤러가 단독으로 또는 다른 롤러와 조합으로 사용될 수 있다. 압출롤러, 축소롤러 또는 압축롤러는 통과하는 쉬이트내에 상승 또는 하강된 영역을 생성함으로써 물자국을 생성하는 수단을 포함할 수 있다.
Ⅲ. 건조 전분 결합 쉬이트에 대한 추가 가공
위에서 기술된 방법으로 제조된 전분 결합 쉬이트는 쉬이트에 필요한 성질과 최종 용도에 따라 추가 가공단계를 받을 수 있다. 이러한 추가 가공은 라미네이션, 주름잡기, 코팅적용, 표시부 인쇄, 스코링, 천공, 크레이핑, 황산지화 또는 이의 조합을 포함한다.
A. 라미네이션 공정
라미네이션에 의해 전분 결합 쉬이트에 다양한 성질이 부여될 수 있다. "라미네이션" 쉬이트 또는 "라미네이트"는 적어도 한층이 전분 결합 쉬이트인 적어도 두 개의 층을 가지는 쉬이트를 말한다. "라미네이션" 재료 또는 "라미나"는 전분결합 쉬이트와 기타 라미네이션 재료를 포함하여 라미네이션된 쉬이트의 구성층을 말한다. 층조합을 갖는 라미네이트는 적어도 하나의 층이 전분 결합 쉬이트이면 본 발명의 범위에 속한다. 라미네이트는 적어도 두 층을 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 라미네이트의 두께는 라미네이트의 의도된 성질에 따라 다양하다.
전분 결합 쉬이트에 결합, 접착 또는 연결된 라미네이션 재료는 다른 전분 결합 쉬이트, 두 개가 함께 라미네이션 될 때 전분 결합 쉬이트에 필요한 성질을 부여하는 재료, 코팅, 접착제 또는 이의 조합인 재료를 포함한다. 전분 결합 쉬이트의 성질을 개선 또는 변경시키는 재료의 예는 유기폴리머 쉬이트, 금속 포일 쉬이트, 이오노머 쉬이트, 탄성중합체 쉬이트, 나일론 쉬이트, 왁스 쉬이트, 수경화성 쉬이트, 무기물 고충진 쉬이트 및 금속화된 필름 쉬이트이다.
본 발명 범위내의 라미네이트는 전분 결합 쉬이트와 다른 층을 접착제를 사용하거나 하지 않고 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 전분 결합 쉬이트와 다른 층간의 결합은 약하거나 결합된 쉬이트나 재료의 강도를 초과할 수 있다.
전분 결합 쉬이트는 접착제를 사용하지 않고도 쉬이트가 효과적인 결합을 일으키기에 충분히 축축하다면 다른층에 결합될 수 있다. 축축한 전분이 접착제로서 사용할 수 있다. 수용성 재료를 포함하는 적층물층이 약간 축축하거나 재습윤된 전분결합 쉬이트에 접착될 수 있다.
습식-결합 라미네이션, 건식 결합 라미네이션, 열라미내이션 및 압축 라미네이션과 같은 여러 방법을 통해서 접착제를 사용하여 결합이 형성될 수 있다. 유용한 접착제로는 수성 접착제(천연 및 합성), 고온 용용 접착제 또는 용매기초 접착제가 있다.
전분 결합 쉬이트와 다른 층의 습식 결합 라미네이션에는 두층을 결합시킬 액체 접착제가 사용된다. 습식 결합 라미네이션을 위한 유용한 천연 수성 접착제는 식물성 전분 결합 접착제, 단백질 기초 접착제, 동물 아교, 카세인 및 천연고무 라텍스가 있다. 유용한 합성 수성 접착제로는 물에 폴리비닐 아세테이트 입자의 안정한 현탁액과 같은 수지 에멀젼을 포함한다. 수성 접착제는 냄새, 맛, 색깔, 독성이 낮으며 넓은 범위의 접착성을 가지며 탁월한 시효성을 가진다.
열가소성 폴리머는 용융 상태로 적용되고 냉각시 경화되는 고온용융 접착제이다. 고온 용융 접착제는 다른 접착제보다 빠르게 경화한다. 유용한 유성 접착제로는 폴리우레탄 접착제, 유성 에틸렌-비닐 아세테이트 시스템, 기타 감압 고무 수지가 있다. 전분 결합 쉬이트내의 전분 역시 열가소성 재료로서 작용한다. 전분의유리전이온도 이상으로 전분결합쉬이트를 가열하면 쉬이트가 용융되어 변형될 수 있다. 냉각은 쉬이트나 물건을 새로운 모양으로 응고시킨다. 용융 및 냉각된 전분은 쉬이트의 접착 및 밀폐를 시키는 접착제로서 작용하여 튜브 또는 캔이 되게 할 수 있다.
포일 스탬핑에 의한 라미네이트 생성도 본 발명의 범위내에 있다. 포일 스탬핑은 패턴화된 장식 효과를 얻기 위해서 전분 결합 쉬이트나 용기 표면에 캐리어 필름에서 나오는 얇은 금속 또는 안료 코팅을 전달하도록 열과 압력을 사용한다. 이 기술은 반사, 광택, 상승 표면을 갖는 라미네이트를 수득하기 위해서 엠보싱 기술과 조합으로 사용될 수 있다.
B. 주름잡기 공정
건조된 전분 결합 쉬이트를 주름진 판지와 유사한 방식으로 주름잡을 수 있다. 이것은 쉬이트를 반-축축한 상태에서 도 7 에 도시된 한쌍의 주름진 롤러(86) 사이에 통과시킴으로써 수행될 수 있다. 쉬이트의 수분 함량은 주름잡기 공정이 전분 결합 매트릭스를 손상시키지 않도록 조절되어야 한다. 만약 쉬이트가 너무 건조한다면 주름잡기 공정은 매트릭스를 손상시킬 수 있으며, 어떤 경우에는 쉬이트를 인열 또는 분리시킬 수도 있다. 역으로 쉬이트가 너무 축축하다면 주름진 쉬이트는 주름진 모양을 유지하는데 필요한 초기강도가 부족하다. 주름 잡힐 전분결합 쉬이트의 물함량은 1 내지 30중량%, 특히 5 내지 20중량%, 더더욱 7 내지 15중량%이다.
주름잡힌 쉬이트가 단일 쉬이트로 사용되거나 다른 쉬이트와 조합되어서 라미네이트를 형성할 수 있다. 주름진 쉬이트는 단일한 평평한 전분 결합 쉬이트나다른 재료로 형성된 쉬이트와 라미네이션되어서 "단일면"이 주름진 쉬이트가 될 수 있다. 두 개의 평평한 쉬이트 사이에 주름진 쉬이트를 샌드위치시키면 "이중면" 쉬이트가 된다. 다중벽 주름진 쉬이트는 평평하고 주름진 층을 교대시킴으로써 생성될 수 있다. 단일면, 이중면 및 다중벽 주름진 쉬이트는 비교적 낮은 밀도와 비교적 높은 스티프니스 및 압축강도를 특징으로 한다. 이들은 용기 및 포장재료가 이러한 성질을 필요로 할 경우에 사용될 수 있다.
단일 주름진 쉬이트의 강도 및 신축성은 피트당 주름의 수를 변화시켜서 변경될 수 있다. 피트당 주름의 수가 증가하면 더욱 신축성인 쉬이트가 되며 그 수가 감소하면 더 높은 쿠션을 가지는 강한 쉬이트가 된다. 다중벽 주름 쉬이트는 피트당 상이한 수의 주름을 갖는 두 개 이상의 주름진 쉬이트로 생성될 수 있다. 스코링, 천공과 같이 주름진 쉬이트의 각 주름은 쉬이트가 더 잘 굽혀지는 지점을 생성한다. 그러나, 쉬이트는 주름행에 수직인 방향으로 더욱 강하다. 그러므로 용기 또는 포장재료와 같은 물건은 주름진 쉬이트가 최대 신축성과 강성을 부여하도록 구축되어야 한다.
주름잡기 공정의 일부로서 코팅이 적용될 수 있다. 특히 왁스나 폴리에틸렌과 같은 코팅은 주름잡기 롤위의 고온 롤 코팅기를 써서 적용될 수 있다. 코팅은 물건으로 전환되기 전에 주름진 블랭크를 커텐 코팅함으로써 적용될 수도 있다. 다른 유용한 코팅 공정은 완성품을 왁스와 같은 코팅에 담그는 것 또는 이러한 코팅을 주름진 물건의 주름위에 떨어뜨리는 것과 같은 공정을 포함한다.
C. 코팅과 코팅공정
전분 결합 쉬이트나 이로 부터 제조된 물건에 코팅 또는 코팅 재료를 적용하는 것도 본 발명의 범위내에 있다. 코팅은 쉬이트나 물건을 밀폐 및 보호하는 것을 포함하는 여러 방식으로 전분 결합 쉬이트의 표면 특성을 변경시키는데 사용될 수 있다. 코팅은 습기, 염기, 산, 그리이드 및 유기 용매에 대해 보호한다. 이들은 더 매끈하고 더 신축적이며 더 광택이 나고 내자국성을 가지는 표면을 제공하며 섬유가 "빠져나가는" 것을 막아준다. 코팅은 또한 반사, 전기 전도성 또는 절연성을 부여한다. 이들은 특히 접힘선에서 전분결합 쉬이트를 보강할 수도 있다.
어떤 코팅은 전분 결합 매트릭스를 유연하게 하여 더욱 신축성인 쉬이트가 되게 한다. 예컨대, 대두유 또는 Methocel (Dow Chemical)과 같은 재료에 기초한 코팅이 단독으로 또는 폴리에틸렌 글리콜과 조합으로 쉬이트 표면에 적용되어서 쉬이트나 쉬이트내 힌지영역을 영구적으로 유연하게 한다. 추가로, 탄성중합체, 플라스틱 또는 종이 코팅이 힌지지점에서 구부릴 때 경화된 구조매트릭스가 파괴되는지 여부에 관계없이 힌지의 일체성을 보존시킬 수 있다. 이러한 코팅은 쉬이트가 스코링되는 지점과 같이 전분 결합 쉬이트가 심하게 굽혀지는 지점을 보강하는데 사용된다. 이러한 경우에, 탄성중합체 코팅이 선호된다. 특히 접어서 형성된 물건의 경우에 탄성중합체이거나 변형가능한 코팅이 선호된다. 이러한 코팅은 라미네이션 재로나 접착제로서 사용될 수도 있다.
코팅 공정의 목적은 쉬이트 표면에 최소한의 결합을 갖는 균일한 막을 형성시키는 것이다. 코팅은 쉬이트 형성 공정, 물건 형성 공정동안이나 물건이 형성된 이후에 적용될 수 있다. 특정한 코팅공정의 선택은 쉬이트 변수, 코팅 배합물 변수에 달려있다. 쉬이트 변수로는 강도, 습윤성, 다공성, 밀도, 매끄러움, 균일성이다. 코팅 배합 변수로는 총 고형물 함량, 용매(물의 용해도 및 희발성), 표면장력, 유변학이 있다.
코팅은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 금속 쉬이트 또는 기타 포장재료를 제조하는 분야에서 공지된 코팅수단인 블레이드, 푸들, 에어-나이프, 프린팅, Dahlgren, 그라비어 및 분말 코팅방법을 사용하여 쉬이트에 적용될 수 있다. 코팅은 위에서 열거된 코팅재료를 쉬이트, 물건상에 분무하거나 적절한 코팅재료를 담고 있는 용기에 담금으로써 적용될 수 있다. 마지막으로 코팅은 쉬이트와 공압출되어서 코팅공정과 압출공정을 일체화할 수 있다.
적당한 유기 코팅재료는 식용유, 멜라민, 폴리염화비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세테이트, 롤리아크릴레이트, 폴리아미드, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 아크릴수지, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리락트산, Biopol(폴리히드록시부티레이트-히드록시발레레이트 공중합체), 라텍스, 전분, 대두 단백질, 대두유, 셀룰로오스에테르(Methocel), 생분해성 폴리머를 포함한 합성폴리머, 왁스(밀납, 석유계 왁스 또는 합성왁스), 탄성중합체를 포함한다. Biopol은 Imperial Chemical Industries (ICI)(영국)에서 제조된다. 적당한 무기 코팅 재료는 나트륨 실리케이트, 탄산칼슘, 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 카올린, 점토, 세라믹 및 이의 혼합물을 포함한다. 무기 코팅은 하나이상의 유기코팅과 혼합될 수 있다. 이들 코팅 이외에도 관련 분야에 따라 적당한 코팅재료가 사용될 수 있다.
물과 접촉하는 물건에는 방수코팅이 바람직하다. 만약 쉬이트가 식품과 접촉하게 되는 용기 제조에 사용된다면 코팅 재료는 FDA 승인된 코팅을 포함할 것이다. 특히 유용한 코팅은 내산성인 나트륨 실리케이트이다. 내산성은 특히 물건이 음료수 또는 쥬스와 같이 높은 산함량를 가지는 식품 또는 음료수에 노출되는 용기일 경우에 중요하다. 일반적으로 제품을 염기성 물질에 대해 보호할 필요는 없지만 염기성 물질에 대한 증가된 내성은 종이 용기를 코팅하는데 사용되는 폴리머 또는 왁스 코팅에 의해 제공될 수 있다.
폴리에틸렌과 같은 폴리머 코팅은 저밀도를 갖는 얇은층 형성에 유용하다. 저밀도 폴리에틸렌은 액체 밀폐성이며 내압성인 용기 생성에 특히 유용하다. 폴리머 코팅은 열 밀봉시 접착제로서 활용될 수도 있다.
산화 알루미늄과 산화 실리콘은 특히 산소 및 수분에 대한 장벽으로서 유용한 코팅이다. 이들 코팅은 고에너지 전자비임 증발 공정, 화학적 플라즈마 침전 및 스퍼터링과 같은 공지된 수단에 의해 전분결합 쉬이트에 적용될 수 있다. 산화 알루미늄 또는 산화 실리콘 코팅을 형성하는 또다른 방법은 적절한 pH를 가지는 수용액으로 전분결합 쉬이트를 처리하여 쉬이트 조성으로 인하여 쉬이트상에 산화알루미늄 또는 산화 실리콘을 형성하는 것이다.
왁스 및 왁스 블렌드, 특히 석유와 합성 왁스는 수분, 산소 및 그리이스 또는 오일과 같은 유기 액체에 대한 장벽을 제공한다. 이들은 용기가 열 밀봉될 수 있게 한다. 석유 왁스는 식품 및 음료 포장에서 유용하며 파라핀 왁스와 미소결정성 왁스를 포함한다.
D. 스코링 및 천공 공정
어떤 경우에 쉬이트가 접혀질 수 있는 선을 형성하기 위해서 쉬이트를 스코링 또는 천공하는 것이 바람직할 수 있다. 스코링, 천공은 쉬이트 성형 분야에 공지된 수단을 사용하여 쉬이트에 형성될 수 있다. 스코링은 연속 다이커트 롤러를 사용하여 형성된다. 혹은 스코링은 둥근 스코링 다이를 수단으로 쉬이트에 압축될 수 있다. 스코링 다이는 단독으로 또는 스코링 카운터와 조합으로 사용될 수 있다. 스코링 다이는 스코어 카운터의 홈속으로 쉬이트가 변형되게 한다. 마지막으로, 천공은 천공 커터에 의해 형성된다.
스코어, 또는 천공의 목적은 쉬이트가 쉽게 접혀지거나 구부러질 수 있는 지점을 전분 결합 쉬이트상에 생성하는 것이다. 이것은 스코링 안되거나 비천공된 쉬이트에 비해서 더 큰 굽힘성 및 탄성을 갖는 "힌지"를 쉬이트내에 생성시킨다. 어떤 경우에 다중 스코어 커트 또는 천공이 바람직할 수 있다.
여러 가지 이유로 스코어 라인 또는 천공을 쉬이트내에 새기면 더 양호한 접힘선 또는 힌지를 생성시킨다. 우선, 쉬이트가 더욱 자연스럽게 굽혀지거나 접히는 지점을 제공한다. 둘째, 스코어 새김은 쉬이트 나머지 지점보다 스코어 라인 지점에서 쉬이트가 더 얇아지게 하여서 쉬이트를 구부리는 동안 표면의 길이방향 신장 정도를 감소시킨다. 이러한 표면 신장의 감소는 굽혀지거나 접혀질 때 전분 결합 매트릭스가 파괴되는 경향을 감소시킨다. 셋째, 스코어 새김 또는 천공은 매트릭스 파괴가 일어나는 경우에 전분 결합 매트릭스내에 균열형성을 조절시킨다.
때때로, 스코어 새김 또는 천공이 형성된 지점에 섬유를 더욱 농축시키는 것이 선호된다. 이것은 스코어 새김 또는 천공 지점에 대응하도록 예정된 간격으로더 높은 섬유함량을 가지는 제 2 성형 재료층을 공압출함으로써 이루어진다. 추가로, 필요한 지점에서 섬유 농도를 높이기 위해서 압출 또는 압연동안 쉬이트내에 또는 상부에 섬유가 주입될 수 있다.
전분 결합 쉬이트는 스코링 또는 천공공정동안 건조상태 또는 준 경화 상태에 있다. 이것은 수분이 스코어 새김에 이동됨으로써 스코어 또는 천공이 막히는 것을 방지한다. 스코링 및 천공은 일정 부위의 전분 결합 매트릭스를 제거하므로 쉬이트에 해가 되는 스코링 또는 천공공정이 없다면 쉬이트는 완전 건조될 수 있다. 그러나 스코어가 쉬이트 표면에 절단되기 보다는 압축되는 경우에 쉬이트는 전분 결합 매트릭스의 전위로 인한 파열을 막기 위해서 충분히 축축해야 한다.
스코어 새김의 깊이는 스코어의 종류, 전분결합 쉬이트의 두께 및 스코어 라인을 따른 굽힘 정도에 달려있다. 스코링 메카니즘은 필요한 깊이의 스코어를 제공하도록 조절되어야 한다. 물론, 다이 커터는 쉬이트를 완전 절단할 만큼 커서는 안되며 예견된 힘을 견디기 위해서 너무 얇아서도 안된다. 스코어 새김은 목적을 충분히 달성하도록 깊어야 한다. 쉬이트의 반대면상에 스코어 새김의 조합은 어떤 경우에 굽힘 운동 범위를 증가시키는데 필요하다.
E. 크레이핑 및 황산지 공정
전분 결합 쉬이트는 종래의 종이처럼 갑작스런 응력 변형시 에너지를 흡수할 수 있는 쉬이트가 되도록 크레이핑 된다. 크레이프 종이는 선적 색 제조에서 중요하다. 종래의 크레이핑은 양키 건조기(건조 그레이프) 또는 제지기(습식 크레이프)의 습식 프레스 지대에서 수행된다. 습식 또는 건식 크레이핑 공정의 정확한 변수는 본 발명의 전분결합 쉬이트와 나무 종이간에 다를지라도 크레이핑된 전분결합 쉬이트를 얻기 위해서 크레이핑 공정을 조절하는 방법은 당해 업자는 알 수 있을 것이다. 크레이핑은 더 잘 구부러지는 종이를 생성하고 힌지를 형성하는데 사용될 수 있다.
전분 결합 쉬이트는 쉬이트 매트릭스의 섬유질 표면 부위를 황산화시키기 위해서 강산으로 처리될 수 있다. 농축 황산으로 쉬이트를 처리하면 셀룰로오스 섬유가 팽윤하여 부분적으로 용해된다. 이 상태에서 가소성 섬유는 기공을 폐쇄시키고 주변 공극을 채워서 더욱 큰 수소결합을 위해 다른 섬유와 더욱 친밀한 결합을 한다. 물로 헹구면 재침전 및 네트워크 강화를 시키므로 건조때보다 습할 때 더 강하고 보풀이 없고 맛과 냄새가 없으며 그리이스 및 오일에 대해 내성인 섬유가 된다. 황산지의 천연 인장강도를 습식 크레이핑에 의해 부여된 확장성과 조합시킴으로써 큰 충격을 흡수할 수 있는 쉬이트가 제조될 수 있다.
본 발명에서 쉬이트의 섬유 함량이 증가되므로 황산지 공정이 더 잘 작용한다. 섬유 함량 증가는 기공의 밀폐를 촉진시켜서 섬유의 수소 결합을 증가시킨다. 그러나, 탄산칼슘과 같은 산에 민감한 응집체는 쉬이트가 황산지화 공정을 받는 경우에 사용되어서는 안된다.
F. 인쇄 및 관련 공정
전분 결합 쉬이트의 표면상에 상표, 제품 정보, 용기 사양, 또는 로고와 같은 인쇄부를 적용할 수 있다. 이것은 평판인쇄, 부조, 음각 인쇄와 같은 인쇄방법을 써서 수행될 수 있다. 추가로, 쉬이트가 엠보싱되거나 물자국이 제공될 수 있다. 추가로, 라벨등이 전분결합 쉬이트에 부착될 수 있다. 인쇄된 표시는 연속 쉬이트, 개별 쉬이트, 적층 쉬이트, 블랭크 또는 완성품에 관련 인쇄공정과 물건의 모양에 따라 적용될 수 있다.
Ⅳ. 전분결합 쉬이트로 제조된 물건
본 발명의 방법을 사용하여 다양한 성질을 가지는 다양한 쉬이트가 제조될 수 있다. 매우 얇고, 신축적이고 경량성인 쉬이트가 필요한 경우에 쉬이트 두께는 0.1m 미만일 수 있으며 비교적 두껍고 강하고 경성인 쉬이트가 필요한 경우에 두께는 1㎝정도 두꺼울 수 있다. 추가로, 0.6g/㎤ 내지 2g/㎤의 밀도를 쉬이트는 가질 수 있다. 밀도가 높을수록 쉬이트는 더 강하며 밀도가 낮으면 절연성이 크다. 쉬이트의 정확한 두께와 밀도는 미리 설계되어서 경제적으로 가능한 방식으로 쉬이트를 제조할 수 있게 하는 비용으로 필요한 성질을 가지는 쉬이트를 생산할 수 있다.
종이 및 판지에서 활용된 절단 메카니즘이 연속 전분 결합 쉬이트를 개별 쉬이트로 절단하는데 사용된다. 도 8 에 도시된 바와 같이 쉬이트는 프레스상에 장착된 나이프 블레이드 커터에 의해 개별 쉬이트로 절단된다. 절단은 커팅 다이를 쉬이트에 압축시키거나 다른 방법으로 연속 다이 커트 롤러를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 쉬이트는 종래의 종이 또는 판지가 사용된 분야에서 사용될 수 있다. 추가로, 본 발명의 전분 결합 재료의 고유한 성질로 인하여 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속을 필요로 하는 다양한 물건을 제조할 수 있다.
특히, 본 발명의 쉬이트는 다음과 같은 물건 제조에 사용될 수 있다: 시리얼 박스, 샌드위치 용기, "조개 껍질"형 용기(햄버거와 같은 패스트푸드 샌드위치에서 사용되는 힌지형 용기), 동결식품 박스, 우유팩, 과일쥬스 용기, 요구르트 용기, 음료수 캐리어(바스켓형 캐리어, "6팩"링형 캐리어), 아이스크림 상자, 컵(일회용 음료컵, 2편컵, 일편 주름진 컵, 콘 컵), 프렌치 프라이 용기, 패스트푸드 박스와 같은 일회용 및 비일회용 식품 또는 음료 용기; 포장지, 간격물질과 같은 포장재, 스낵용 백, 야채백과 같은 개방단부를 갖는 백, 건조 시리얼 박스내의 백, 다중벽 백, 색, 케이싱, 커버를 갖는 제품 지지카드(식품, 사무실 제품, 화장품, 하드웨어, 장난감위에 배치된 플라스틱 커버), 쿠키, 캔디바와 같은 제품 지지용 트레이, 캔, 테이프, 랩(동결기 랩, 타이어 랩, 푸주간 랩, 소시지 랩)과 같은 신축성 포장재; 주름 상자, 시가 박스, 과자 상자, 화장품 상자와 같은 다양한 상자; 동결 쥬스 농축물, 오트밀, 감자칩, 아이스크림, 소금, 세제 및 모터 오일과 같은 제품 용기, 우편 튜브, 신문 랩, 책, 잡지, 봉투, 우편카드, 3 링 바인더, 책커버, 폴더, 연필; 접시, 뚜껑, 빨대, 병, 단지, 케이스, "TV 디너 트레이", 달걀상자, 일회용 플레이트, 파이 플레이트 등; 구토용 봉지, 장난감, 약품 바이알, 앰플, 동물우리, 비연소성 쉘, 모델 로케트 엔진 쉘, 모델 로케트 등 다양하다.
다음 실시예는 본 발명에 따라 전분결합 쉬이트를 형성하는 방법과 조성물을 제시한다. 이것은 쉬이트, 용기, 및 다양한 성질과 크기를 가지는 기타 제조품을 제조하는 방법과 다양한 혼합 조성을 제시한다.
실시예 1
전분 고함량 쉬이트가 다음 표에 제시된 성분을 포함하는 성형가능한 혼합물로 부터 제조된다.
이 실시예에서 사용된 섬유는 미국남부 소나무이고 비변성 전분은 옥수수 전분으로 혼합물에 첨가될 때 젤라틴화 되지 않은 것이다. 물, Methocel, 및 섬유가 Hobart 반죽기에서 고전단하에서 10분간 혼합된다. 이후에 전분이 혼합물이 첨가되고 추가 4분간 저전단 하에서 혼합된다.
혼합물은 탈기 나사형 압출기를 사용하여 30㎝×0.6㎝ 다이를 통해 압출되어서 상응하는 폭과 두께를 가지는 연속 쉬이트를 형성한다. 이후에 압출된 쉬이트는 형성된 쉬이트의 두께에 상응하는 갭거리를 가지며 약 70℃의 온도로 가열된 한쌍의 축소롤러사이에 통과된다. 이후에, 초기 쉬이트가 100℃ 이상의 온도를 가지는 롤러 사이에 통과되어서 옥수수 전분을 젤라틴화시키고 초기 쉬이트로 부터 증발에 의해 물을 제거한다. Methocel은 쉬이트 표면상에 스킨을 형성시켜 쉬이트 형성동안 전분이 롤러에 접착하는 것을 막아준다. 결과의 전분 결합 쉬이트는 0.1 내지 1㎜의 다양한 두께를 가진다.
실시예 2
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 성형 조성물로 부터 제조된다.
물, Methocel 및 미국남부 소나무 섬유가 Hobart 반죽기에서 고전단하에서 10분간 혼합된다. 이후에 탄산칼슘과 옥수수 전분이 혼합물에 첨가되고 낮은 전단하에서 추가 4분간 혼합된다.
혼합물은 탈기 나사형 압출기를 사용하여 30㎝×0.6㎝ 다이를 통해 압출되어서 상응하는 폭과 두께를 가지는 연속 쉬이트를 형성한다. 이후에 압출된 쉬이트는 형성된 쉬이트 두께에 상응하는 갭 거리를 가지는 한쌍의 형성/축소 롤러 사이에 통과된다.
탄산칼슘은 낮은 비표면적을 가지므로 이 혼합물은 롤러에 대해 접착성이 낮다. 추가로, Methocel은 쉬이트 형성 공정동안 전분이 롤러에 접착하는 것을 방지한다. 이 실시예의 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 및 0.5mm 두께를 가진다.
실시예 3
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 4
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 5
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 6
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 7
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 8
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 9
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 10
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 11
전분 고함량 무기물 충진 쉬이트가 다음 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예에서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5mm의 두께를 가진다.
실시예 12
전분 고함량 쉬이트가 표시된 양으로 다음 성분을 포함한 성형가능한 혼합물로 부터 제조된다.
물, Methocel, 및 섬유가 Hobart 반죽기에서 고전단하에 10분간 혼합된다. 이후에 전분이 혼합물에 첨가되고 추가 4일간 낮은 전단하에서 혼합된다. 쉬이트는 실시예 2 에 기재된 방식으로 제조된다. 이 실시예예서 형성된 쉬이트는 0.23㎜, 0.3㎜, 0.38㎜, 0.5㎜의 두께를 가진다.
실시예 13
상당량의 전분을 함유한 쉬이트가 8000g의 물과 다음 성분을 포함하는 성형 조성물로 부터 제조된다.
쉬이트는 0.010" 내지 0.050"의 두께와 1.11g/㎤의 밀도를 가지게 제조된다.
0.010"의 두께를 가지는 쉬이트는 통상의 나무 종이로 제조된 컵과 유사한 컵으로 제조된다. 통상의 종이컵은 코팅안된 컵 1당 1.101이고 종이원료에 왁스로 코팅된 컵 1당 1.410이다. 본 발명의 쉬이트 제조에 사용된 조성물은 코팅안된 컵의 경우 1당 1.270이고 왁스로 코팅된 컵의 경우 1당 1.435이다. 코팅안된 본 발명의 컵은 종이컵 비용의 115%이며 코팅된 본 발명의 컵은 본 발명의 컵에 훨씬 적은 양의 코팅을 사용할 수 있으므로 종이컵 비용의 103%이다.
다음 표는 컵으로 형성되는 쉬이트를 제조하는데 사용된 다양한 성분의 가격을 비교한다. 이 표는 총 가격, 컵당 단가, 및 건조 배치에서 각 성분의 가격 비율을 보여준다(물의 가격은 무시한다).
상기 표는 본 발명에 사용된 성형 조성물이 성형조성물의 건조중량의 5.9% Methocel을 포함할지라도 쉬이트 제조를 위한 재료가격의 39%를 차지함을 보여준다. 반면에, 옥수수 전분은 성형조성물의 건조중량의 43.3%를 차지할지라도 총재료비용의 9%만을 차지한다. Methcel 240은 $2.75/lb 이지만 옥수수 전분은 $0.09/lb이다. 전분은 본 발명 쉬이트 제조에 지출되는 비용을 크게 감소시킨다.
실시예 14
전분을 포함하지 않고 메틸셀룰로오스를 증가시킨 다음 조성물로 부터 쉬이트가 제조되었다. 추가로, 조성물은 모든 성분중에 가장 싼 무기 충진재를 대량 포함한다. 물은 11kg의 양으로 포함된다.
다량의 무기충진재를 포함시켰을지라도 재료 비용의 70%를 차지하는 Methocel 240을 800g 사용하면 코팅안된 컵 1당 1.509로, 코팅된 컵 1당 1.694로 단가를 증가시킨다. 무기 충진재는 쉬이트 밀도를 1.70g/㎤로 증가시킨다.
실시예 15
이 실시예에서 사용된 성형 조성물은 경목과 연목 섬유의 50/50 혼합물이 사용되는 점을 제외하면 실시예 13 에 사용된 조성물과 동일하다. 결과의 쉬이트는 실시예 14 와 유사하다. 이 실시예의 쉬이트로 부터 컵을 제조하는 비용은 실시예 13 의 쉬이트로 부터 컵을 제조하는 비용과 동일하다.
실시예 16
이 실시예에서 사용된 성형 조성물은 마닐라삼 섬유가 사용되는 점을 제외하면 실시예 13 에 사용된 조성물과 동일하다. 이 실시예의 쉬이트로 컵을 제조하는재료 비용은 실시예 13 의 쉬이트로 컵을 제조하는 비용과 동일하다.
실시예 17
이 실시예에서 사용된 성형 조성물은 단지 1200g 의 연목섬유가 사용된 점을 제외하면 실시예 13 에 사용된 조성물과 동일하다. 컵 제조에 드는 재료비용은 실시예 13 의 쉬이트로 컵을 제조하는 비용보다 약간 더 높다.
실시예 18
7000g의 물을 포함한 다음 조성물이 사용되는 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조된다.
결과의 쉬이트는 1.37g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 비코팅된 컵의 단가는 0.970이고 코팅된 컵의 단가는 1.155로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 88%와 82%이다.
실시예 19
CaCO3의 양이 3000g으로 증가되고 다른 성분은 일정하게 유지된 실시예 18 의 조성물과 유사한 조성물을 사용하여 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는1.49g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.846이고 코팅된 컵의 단가는 1.031로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 77%와 73%이다.
실시예 20
8000g의 물을 포함한 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.53g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.760이고 코팅된 컵의 단가는 0.945로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 69%와 67%이다.
실시예 21
300g의 글리세린을 더욱 포함한 다음 조성물이 사용되는 점을 제외하면 실시예 20 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.49g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 비코팅된 컵의 단가는 0.846이고 코팅된 컵의 단가는 1.031로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 77%와 73%이다.
실시예 22
옥수수 전분의 양이 2500g으로 증가되고 물의 양이 9500g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 20 의 조성물과 유사한 조성물을 사용하여 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.51g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.729이고 코팅된 컵의 단가는 0.914로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 66%와 65%이다.
실시예 23
Methocel 240의 양이 100g으로 감소되고 물의 양이 9000g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 22 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.52g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.620이고 코팅된 컵의 단가는 0.850로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 56%와 57%이다. Methocel 240의 양을 감소시키면 컵의 단가를 크게 감소시킨다.
실시예 24
9000g의 물을 포함하는 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.44g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.636이고 코팅된 컵의 단가는 0.821로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵의 단가의 58%와 58%였다.
실시예 25
100g의 글리세린이 사용된 점을 제외하면 실시예 24 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.43g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.667이고 코팅된 컵의 단가는 0.852로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 61%와 61%였다.
실시예 26
글리세린 함량이 200g으로 더욱 증가된 점을 제외하면 실시예 25 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.42g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.696이고 코팅된 컵의 단가는 0.881로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 63%와 63%였다.
실시예 27
글리세린 함량이 300g으로 더욱 증가된 점을 제외하면 실시예 26 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.41g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.725이고 코팅된 컵의 단가는 0.910로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 65%와 65%였다.
실시예 28
9000g의 물을 포함하는 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.55g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.693이고 코팅된 컵의 단가는 0.880로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵의 단가의 63%와 62%였다.
실시예 29
400g의 글리세린이 사용된 점을 제외하면 실시예 28 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.54g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.723이고 코팅된 컵의 단가는0.908로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 66%와 64%였다.
실시예 30
글리세린이 제거된 것을 제외하면 실시예 28 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.59g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.605이고 코팅된 컵의 단가는 0.790로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 55%와 56%였다.
실시예 31
Methocel 240이 200g 사용되었고 물이 10kg으로 증가된 점을 제외하면 실시예 30 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.58g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.714이고 코팅된 컵의 단가는 0.899로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 65%와 64%였다.
실시예 32
물함량이 9000g으로 감소된 점을 제외하면 실시예 31 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.58g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.714이고 코팅된 컵의 단가는 0.899로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 65%와 64%였다. 이 물함량은 새로 형성된 쉬이트 성질에 기초하여 최적이었다.
실시예 33
글리세린 함량이 300g으로 더욱 증가된 점을 제외하면 실시예 22 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.54g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.797이고 코팅된 컵의 단가는 0.982로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 72%와 70%였다.
실시예 34
글리세린 함량이 400g으로 더욱 증가된 점을 제외하면 실시예 32 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.53g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.822이고 코팅된 컵의 단가는 1.007로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 75%와 71%였다.
실시예 35
글리세린 함량이 500g으로 더욱 증가된 점을 제외하면 실시예 32 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.52g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.847이고 코팅된 컵의 단가는 1.032로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 77%와 73%였다.
실시예 36
9000g의 물을 포함한 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.14g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.762이고 코팅된 컵의 단가는 0.947로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 69%와 67%이다.
실시예 37
8000g의 물을 포함한 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.65g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.644이고 코팅된 컵의 단가는 0.829로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 59%와 59%이다.
실시예 38
8000g의 물을 포함하는 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.12g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.827이고 코팅된 컵의 단가는 1.012로서, 코팅된 종이청과 코팅안된 종이 컵의 단가의 75%와 72%였다.
실시예 39
400g의 글리세린이 사용된 점을 제외하면 실시예 38 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.11g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.886이고 코팅된 컵의 단가는 1.071로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 80%와 76%였다.
실시예 40
8500g의 물을 포함하는 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.22g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.711이고 코팅된 컵의 단가는 0.896로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵의 단가의 65%와 64%였다.
실시예 41
CaCO3의 양이 1500g으로 증가되었고 물이 8750g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 40 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.26g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.688이고 코팅된 컵의 단가는 0.873로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 62%와 62%였다.
실시예 42
CaCO3의 양이 2000g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 40 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.29g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.667이고 코팅된 컵의 단가는 0.852로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 61%와 60%이다.
실시예 43
CaCO3의 양이 3000g으로, Methocel 240의 양이 150g으로, 물이 9500g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 40 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.36g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.680이고 코팅된 컵의 단가는 0.866로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 62%와 61%이다.
실시예 44
물의 양이 1000g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 43 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다.
실시예 45
CaCO3의 양이 3000g으로, Methocel 240의 양이 200g으로, 물이 10.5kg으로 증가된 점을 제외하면 실시예 40 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.35g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.732이고 코팅된 컵의 단가는 0.917로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 66%와 65%였다.
실시예 46
200g의 글리세린 사용되고 성형조성물에서 물의 양이 10kg으로 증가된 점을 제외하면 실시예 43 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.34g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는0.735이고 코팅된 컵의 단가는 0.920로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 67%와 65%였다.
실시예 47
글리세린 함량이 400g이고 물의 양이 10kg으로 증가된 점을 제외하면 실시예 43 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.32g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.787이고 코팅된 컵의 단가는 0.927로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 71%와 69%였다.
실시예 48
글리세린 함량이 600g이고 물의 양이 10kg으로 증가된 점을 제외하면 실시예 43 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.30g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.835이고 코팅된 컵의 단가는 1.020로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 76%와 72%이다.
실시예 49
11kg의 물을 포함하는 다음 조성물이 사용된 점을 제외하면 실시예 13 의 방법에 따라 쉬이트가 제조되었다.
결과의 쉬이트는 1.35g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.832이고 코팅된 컵의 단가는 1.067로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵의 단가의 76%와 72%였다.
실시예 50
Methocel 240의 양이 250g으로 감소되고 물이 10kg으로 감소된 점을 제외하면 실시예 49 의 조성물과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조되었다. 결과의 쉬이트는 1.35g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.782이고 코팅된 컵의 단가는 0.967로서 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 71%와 69%였다.
실시예 51
Methocel 240의 양이 150g으로 증가되고 물이 8500g으로 감소된 점을 제외하면 실시예 36 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.14g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.825이고 코팅된 컵의 단가는 1.010로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 75%와 72%였다.
실시예 52
Methocel 240의 양이 200g으로 증가된 점을 제외하면 실시예 36 과 유사한 조성물로 쉬이트가 제조된다. 결과의 쉬이트는 1.14g/㎤의 밀도를 가진다. 이 실시예의 쉬이트로 제조된 코팅안된 컵의 단가는 0.888이고 코팅된 컵의 단가는1.073로서, 코팅된 종이컵과 코팅안된 종이컵 단가의 81%와 76%였다.
다음 실시예에서, 유사한 두께 및 중량의 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속 쉬이트와 유사한 용도로 사용가능한 특성을 가지는 매우 얇은 쉬이트가 형성된다.
실시예 53-58
실시예 1-52에 따른 공정으로 다양한 물건(식품 또는 음료수 용기를 포함하는)이 될 수 있는 쉬이트가 제조되었다. 경화된 쉬이트는 마무리, 코팅되고 이후에 다양한 식품 및 음료수 용기가 된다.
예컨대, 패스트푸드 식당에서 차가운 음료수를 담는 "콜드 컵"은 쉬이트로부터 적당한 블랭크를 절단하고 블랭크를 컵 모양으로 감고 종래의 수성 아교를 사용하여 블랭크 단부를 접착함으로써 제조된다. 디스크가 컵바닥에 위치되고 감겨진 벽 부위의 바닥이 컵의 바닥을 제위치에 유지시키도록 한다. 컵의 테두리는 감겨서 더 부드러운 음료 표면을 생성시킨다. 0.3mm의 두께를 가지는 쉬이트가 컵 제조에 사용된다.
차가운 곡물 식품 박스는 0.3mm두께의 쉬이트로부터 적절한 블랭크를 절단하고; 블랭크에 스코어를 새겨 필요한 접힘선을 형성하고, 블랭크는 차가운 시리얼 박스 모양으로 접고, 접착제를 사용하여 접힌 블랭크 단부를 부착함으로써 제조된다.
빨대는 0.25mm 쉬이트 조각을 감고 단부를 부착하여 제조된다. 빨대 제조시 쉬이트의 최고의 신축성을 유지시키기 위해서 쉬이트의 수분 함량을 조절하는 것이이득이 된다. 신축성이 높을수록 쉬이트의 분리 및 인열을 최소화한다.
이렇게 제조된 용기를 요약하면
실시예 용 기 쉬이트 두께
53 콜드 컵 0.3㎜
54 조개껍질형 용기 0.4㎜
55 프렌치 프라이 용기 0.4㎜
56 동결식품 박스 0.5㎜
57 차가운 시리얼 박스 0.3㎜
58 빨대 0.25㎜
실시예 59
실시예 53에 따라 제조된 콜드컵이 왁스코팅기를 통과함으로써 균일한 왁스층이 표면에 적용된다. 왁스층은 컵의 표면을 습기에 대해 밀폐시켜 방수성이 되게 한다.
실시예 60
실시예 53에 따른 콜드컵이 미세 분무 노즐을 사용하여 아크릴 코팅된다. 실시예 59의 왁스와 유사하게 아크릴 코팅층은 컵 표면을 습기에 대해 밀폐시켜 방수성이 되게 한다. 아크릴 코팅은 왁스코팅처럼 가시적이지 않으므로 이득이 된다. 더 얇은 아크릴 코팅이 가능하기 때문에 컵의 광택은 상이한 종류의 아크릴 코팅을 사용함으로써 조절될 수 있다.
실시예 61-62
실시예 54에 따라 제조된 조개껍질형 용기가 실시예 59-60과 같이 동일한 코팅을 사용하여 코팅될 수 있다.
실시예 코팅 재료
61 왁스
62 아크릴
실시예 63
0.25 내지 0.5mm의 두께를 가지는 쉬이트가 실시예 1-52에 따라 형성된다. 각 두께의 건조 쉬이트는 원형으로 절단되고 종이 원료로부터 일회용 플레이트를 제조하는데 사용되는 다이가 설비된 기계 프레스를 사용하여 일회용 플레이트가 된다. 형성된 플레이트는 종래의 종이 플레이트와 모양, 강도 및 외양이 유사하다. 그러나, 전분 결합 쉬이트로부터 제조된 플레이트는 종래의 종이 플레이트보다 더 단단하고 식품이 플레이트에 놓일 때 더 큰 구조적 일체성을 부과한다.
실시예 64
전분 결합 쉬이트가 잡지나 책자와 같은 인쇄물 제조에 사용된다. 이러한 잡지와 책자는 더 두껍고 덜 신축성인 쉬이트 뿐만 아니라 더 얇고 더 신축적인 쉬이트를 포함한다. 더 얇고 더 신축적인 쉬이트는 0.025-0.05mm의 두께를 가지며 더 두껍고 덜 신축적인 쉬이트는 0.1-0 2mm의 두께를 가진다.
실시예 65
상기 조성물을 사용하여 두 평평한 쉬이트 사이에 샌드위치된 홈이 있는 내부구조를 포함한 주름진 쉬이트가 형성된다. 평평한 외부 쉬이트는 재료를 적절한두께의 평평한 쉬이트로 감음으로써 형성된다. 주름진 내부 쉬이트(통상의 판지 상자의 주름진 내부 쉬이트와 유사한)가 적절한 두께의 경화된 또는 재습윤된 평평한 전분 결합 쉬이트를 상호 맞물리는 주름진 표면이나 톱니를 갖는 롤러에 통과시킴으로써 형성된다.
아교가 주름진 쉬이트의 표면에 적용되고, 이것은 이후에 두 평평한 쉬이트 사이에 샌드위치되고 경화된다. 이 주름진 샌드위치 구조는 종래의 주름진 판지 쉬이트보다 강도, 인성 및 강성에 있어서 우월하다.
요약
본 발명은 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱, 또는 금속 쉬이트와 유사한 성질을 가지며 환경 친화적인 쉬이트를 저렴하게 제조하기 위한 조성물 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 쉬이트 제조에 사용되는 제조설비 및 기술을 사용하여 다양한 용기 또는 기타 물건으로 될 수 있는 쉬이트 제조를 위한 조성물 및 방법을 제공한다.
추가적으로, 본 발명은 종래의 종이 제조에 사용되는 슬러리에 포함된 물의 일부만을 포함하고 쉬이트 형성 공정동안 과도한 탈수가 불필요한 성형가능한 조성물로 부터 형성될 수 있는 환경 친화적인 쉬이트 제조를 위한 조성물 및 방법을 제공하며, 토양에 있는 물질로 분해되거나 생분해가능한 쉬이트, 용기 및 기타 제조품을 제공하며, 종이, 플라스틱 또는 금속 제품 제조비용보다 낮은 비용으로 쉬이트, 용기 및 기타 물건을 제조할 수 있는 방법과 조성물을 제공하며, 종이, 플라스틱 또는 금속에서 발견되는 특성을 가지는 제품 제조를 위한 에너지와 초기 투자 비용을 감소시키며, 전분, 특히 젤라틴화된 전분이 쉬이트 형성 장치에 부착되는 문제를 극복하면서 고함량의 전분을 포함시킬 수 있는 조성물 및 방법을 제공하며, 쉬이트내에 상당량의 천연 무기 충진재를 포함할 수 있으며 고함량의 무기 충진재를 가지는 재료에 비해 더 큰 신축성, 인장강도, 인성, 성형성, 대량생산성을 가지는 무기물 충진 쉬이트를 제조하기 위한 조성물과 방법을 제공한다.

Claims (86)

  1. (a) 물;
    (b) 조성물 총 고형물 중량의 5 내지 90%인 농도를 가지는 젤라틴화 안된 전분 과립;
    (c) 조성물 총 고형물 중량의 0.5 내지 10%인 농도를 가지는 셀룰로오스 에테르;
    (d) 조성물 총 고형물 중량의 20% 이상인 농도를 가지는 무기 충진재;
    (e) 조성물 총 고형물 중량의 3 내지 40%인 농도를 가지며 전체 조성물에 균질 분산된 섬유재료를 포함하는 전분결합 쉬이트 제조를 위한 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 전분 과립이 조성물 총 고형물 중량의 15 내지 80%로 포함됨을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 전분 과립이 조성물 총 고형물 중량의 30 내지 70%로 포함됨을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 전분과립이 감자 전분을 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 전분과립이 옥수수 전분을 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 전분과립이 찰옥수수 전분을 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 셀룰로오스 에테르가 조성물 총 고형물 중량의 1 내지 5%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 셀룰로오스 에테르가 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시에틸프로필셀룰로오스, 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택됨을 특징으로 하는 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 조성물이 프롤아민, 콜라겐, 젤라틴, 아교, 카세인 또는 이의 혼합물이나 조성물에서 선택된 단백질 기초 바인더를 더욱 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 조성물이 알긴산, 피코롤로이드, 아가, 아라비아 검, 구아르검, 로우커스트 콩 검, 카라야 검, 드라가칸트 고무, 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택된 다당류를 더욱 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  11. 제 1 항에 있어서, 조성물이 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산 염, 폴리아크릴이미드, 폴리락트산, 에틸렌옥사이드 폴리머, 라텍스 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택된 합성유기 바인더를 더욱 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  12. 제 1 항에 있어서, 무기 충진재가 조성물 총 고형물 중량의 20 내지 80%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 조성물.
  13. 제 1 항에 있어서, 무기 충진재가 조성물 총 고형물 중량의 30 내지 70%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 조성물.
  14. 제 1 항에 있어서, 무기 충진재가 점토, 석고, 탄산칼슘, 운모, 실리카, 알루미나, 모래, 자갈, 사암, 석회암 또는 이의 혼합물에서 선택됨을 특징으로 하는 조성물.
  15. 제 1 항에 있어서, 무기 충진재가 예정된 자연 패킹 밀도를 달성하도록 최적화된 크기인 개별 입자를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  16. 제 15 항에 있어서, 무기 충진재의 자연 패킹 밀도가 0.65 이상임을 특징으로 하는 조성물.
  17. 제 1 항에 있어서, 무기 충진재가 퍼얼라이트, 질석, 중공유리구, 다공성 세라믹구, 경석 또는 이의 혼합물에서 선택됨을 특징으로 하는 조성물.
  18. 제 1 항에 있어서, 섬유재료가 조성물 총 고형물 중량의 5 내지 30% 농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  19. 제 1 항에 있어서, 섬유재료가 조성물 총 고형물 중량의 7 내지 20% 농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  20. 제 1 항에 있어서, 섬유재료가 대마섬유, 목화섬유, 사탕수수 섬유, 마닐라삼 섬유, 아마 섬유, 소나무 섬유, 경목 섬유 또는 이의 혼합물에서 선택된 유기 섬유를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  21. 제 1 항에 있어서, 섬유재료가 유리섬유, 실리카 섬유, 세라믹 섬유, 탄소섬유, 금속섬유 또는 이의 혼합물에서 선택된 무기섬유를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  22. 제 1 항에 있어서, 섬유 재료가 10:1 이상의 가로세로비를 가지는 섬유를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  23. 제 1 항에 있어서, 섬유재료가 100:1 이상의 가로세로비를 가지는 섬유를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  24. 제 1 항에 있어서, 조성물이 2KPa 이상의 항복응력을 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  25. 제 1 항에 있어서, 조성물이 100KPa 이상의 항복응력을 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  26. 제 1 항에 있어서, 전분 과립의 젤라틴화 온도가 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도보다 크도록 전분과립이 젤라틴화 온도를 가지고 셀룰로오스 에테르가 열침전온도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  27. 제 1 항에 있어서, 조성물이 조성물 고형물 중량의 6 내지 90%인 유기 바인더 총농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  28. 제 1 항에 있어서, 조성물이 조성물 고형물 중량의 20 내지 80%인 유기 바인더 총농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  29. 제 1 항에 있어서, 조성물이 조성물 고형물 중량의 30 내지 60%인 유기 바인더 총농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  30. 제 1 항에 있어서, 물이 조성물 중량의 5 내지 80%인 농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  31. 제 1 항에 있어서, 물이 조성물 중량의 10 내지 70%인 농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  32. 제 1 항에 있어서, 물이 조성물 중량의 20 내지 50%인 농도를 가짐을 특징으로 하는 조성물.
  33. 제 1 항에 있어서, 분산제를 더욱 포함하는 조성물.
  34. 제 1 항에 있어서, 가소제를 더욱 포함하는 조성물.
  35. (a) 조성물이 2KPa 내지 5MPa의 항복응력을 가지도록 하는 농도의 물;
    (b) 조성물 총 고형물 중량의 5 내지 90%인 농도를 가지며 셀룰로오스 에테르의 열침전 온도보다 높은 젤라틴화 온도를 갖는 젤라틴화 안된 전분 과립;
    (c) 조성물 총 고형물 중량의 0.5 내지 10%인 농도를 가지며 전분 과립의 젤라틴화 온도보다 낮은 열침전 온도를 갖는 셀룰로오스 에테르;
    (d) 조성물 총 고형물 중량의 20% 내지 90%의 농도를 가지는 무기 충진재;
    (e) 조성물 총 고형물 중량의 3 내지 40%인 농도를 가지며 전체 조성물에 균질 분산된 섬유재료를 포함하는 전분결합 쉬이트 제조를 위한 조성물.
  36. (a) 쉬이트 고형물에 대해 5 내지 90중량%의 농도를 가지는 전분과 0.5 내지 10중량%의 농도를 가지는 셀룰로오스 에테르를 포함하는 결합 매트릭스;
    (b) 결합 매트릭스에 균질 분산되고 쉬이트 고형물에 대해 3 내지 40중량%의 농도를 가지는 섬유;
    (c) 쉬이트 고형물에 대해 0 내지 90중량%의 양으로 포함되는 무기 충진재를 포함하며, 1cm 미만의 두께와 0.5g/㎤ 이상의 밀도를 가지는 전분 결합 쉬이트.
  37. 제 36 항에 있어서, 전분이 조성물 총 고형물 중량의 15 내지 75%로 포함됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  38. 제 36 항에 있어서, 전분 과립이 조성물 총 고형물 중량의 30 내지 70%로 포함됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  39. 제 36 항에 있어서, 전분과립이 비변성 감자 전분을 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  40. 제 36 항에 있어서, 전분과립이 비변성 옥수수 전분을 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  41. 제 36 항에 있어서, 전분과립이 비변성 찰옥수수 전분을 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  42. 제 36 항에 있어서, 셀룰로오스 에테르가 쉬이트 총 고형물 중량의 1 내지 5%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  43. 제 36 항에 있어서, 셀룰로오스 에테르가 쉬이트 총 고형물 중량의 2 내지 4%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  44. 제 36 항에 있어서, 셀룰로오스 에테르가 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시에틸프로필셀룰로오스, 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  45. 제 36 항에 있어서, 결합 매트릭스가 프롤아민, 콜라겐, 젤라틴, 아교, 카세인 또는 이의 혼합물이나 조성물에서 선택된 단백질 기초 바인더를 더욱 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  46. 제 36 항에 있어서, 결합 매트릭스가 알긴산, 피코롤로이드, 아가, 아라비아 검, 구아르검, 로우커스트 콩 검, 카라야 검, 드라가칸트 고무, 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택된 다당류를 더욱 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  47. 제 36 항에 있어서, 결합 매트릭스가 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐아크릴산, 폴리비닐아크릴산 염, 폴리아크릴이미드, 폴리락트산, 에틸렌옥사이드 폴리머, 라텍스 또는 이의 혼합물이나 유도체에서 선택된 합성유기 바인더를 더욱 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  48. 제 36 항에 있어서, 무기 충진재가 조성물 총 고형물 중량의 30 내지 70%의 양으로 포함됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  49. 제 36 항에 있어서, 무기 충진재가 점토, 석고, 탄산칼슘, 운모, 실리카, 알루미나, 모래, 자갈, 사암, 석회암 또는 이의 혼합물에서 선택됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  50. 제 36 항에 있어서, 무기 충진재가 예정된 자연입자 패킹 밀도를 달성하도록 최적화된 크기인 개별 입자를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  51. 제 50 항에 있어서, 무기 충진재의 자연입자 패킹 밀도가 0.65 이상임을 특징으로 하는 쉬이트.
  52. 제 36 항에 있어서, 무기 충진재가 퍼얼라이트, 질석, 중공유리구, 다공성 세라믹구, 경석 또는 이의 혼합물에서 선택됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  53. 제 36 항에 있어서, 섬유재료가 쉬이트 총 고형물 중량의 5 내지 30% 농도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  54. 제 36 항에 있어서, 섬유재료가 쉬이트 총 고형물 중량의 7 내지 20% 농도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  55. 제 36 항에 있어서, 섬유재료가 대마섬유, 목화섬유, 사탕수수 섬유, 마닐라삼 섬유, 아마 섬유, 소나무 섬유, 경목 섬유 또는 이의 혼합물에서 선택된 유기 섬유를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  56. 제 36 항에 있어서, 섬유재료가 유리섬유, 실리카 섬유, 세라믹 섬유, 탄소섬유, 금속섬유 또는 이의 혼합물에서 선택된 무기섬유를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  57. 제 36 항에 있어서, 섬유 재료가 10:1 이상의 가로세로비를 가지는 섬유를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  58. 제 36 항에 있어서, 섬유재료가 100:1 이상의 가로세로비를 가지는 섬유를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  59. 제 36 항에 있어서, 상기 쉬이트가 5mm 미만의 두께를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  60. 제 36 항에 있어서, 상기 쉬이트가 3㎜ 미만의 두께를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  61. 제 36 항에 있어서, 상기 쉬이트가 1mm 미만의 두께를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  62. 제 36 항에 있어서, 섬유가 상이한 강도와 신축성을 가지는 상이한 섬유의혼합물을 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  63. 제 36 항에 있어서, 섬유가 쉬이트내에서 무작위 배향됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  64. 제 36 항에 있어서, 섬유가 쉬이트내에서 단일방향으로 배향됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  65. 제 36 항에 있어서, 섬유가 쉬이트내에서 양방향으로 배향됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  66. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 2MPa.㎤/g 내지 500MPa.㎤/g의 밀도에 대한 인장강도비를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  67. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 5MPa.㎤/g 내지 150MPa.㎤/g 의 밀도에 대한 인장강도비를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  68. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 0.05MPa 내지 100MPa 의 인장강도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  69. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 5MPa 내지 80MPa의 인장강도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  70. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 1g/㎤ 이상의 밀도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  71. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 0.5g/㎤ 이상의 밀도를 가짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  72. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 완전 파열없이 0.5 내지 12% 신장될 수 있음을 특징으로 하는 쉬이트.
  73. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 수분해성임을 특징으로 하는 쉬이트.
  74. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 주름짐을 특징으로 하는 쉬이트.
  75. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 크레이프 종이가 됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  76. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 양피지가 됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  77. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 코팅을 더욱 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  78. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 적층된 제 2 쉬이트를 더욱 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  79. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 표시를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  80. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 힌지를 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  81. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 천공을 포함함을 특징으로 하는 쉬이트.
  82. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 용기로 형성됨을 특징으로 하는 쉬이트.
  83. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 파열없이 90° 각도로 구부러질 수 있음을 특징으로 하는 쉬이트.
  84. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 파열없이 180° 각도로 구부러질 수 있음을 특징으로 하는 쉬이트.
  85. 제 36 항에 있어서, 쉬이트가 스푸울상에 감겨진 연속 쉬이트임을 특징으로하는 쉬이트.
  86. (a) 쉬이트에 있는 고형물의 5 내지 90%의 농도인 전분과 쉬이트에 있는 고형물의 0.5 내지 10%의 농도인 셀룰로오스 에테르를 포함하는 결합 매트릭스;
    (b) 결합 매트릭스 전체에 균일 분산되며 쉬이트 고형물의 3 내지 40%의 농도를 가진 섬유;
    (c) 쉬이트 고형물의 20 내지 90%의 농도로 포함되는 무기 충진재를 포함하며, 전분 결합 쉬이트가 0.5mm 미만의 두께와 0.5g/㎤ 이상의 밀도를 가지는 무기물 충진된 전분 결합 쉬이트.
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