DE69528656T2

DE69528656T2 - Stärkegebundene zellulare matrix

Info

Publication number: DE69528656T2
Application number: DE69528656T
Authority: DE
Inventors: Just Andersen; K Hodson
Original assignee: E Khashoggi Industries LLC
Current assignee: Earhtshell Spe Jersey City Nj Us LLC
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2015-07-14
Also published as: EP0775173A4; US5868824A; DE69528656D1; JPH10505369A; ATE226612T1; AU705277B2; EP0775173B1; EP0775173A1; AU2971095A; KR970704832A; NZ289770A; AU705277C; CA2197059A1; US6030673A; US5783126A; WO1996005254A1; US5660900A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung.

Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Massen zur Herstellung von zellförmigen Gegenständen aus hochanorganisch gefüllten Materialien mit einem Binder auf Stärkebasis. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Massen für die wirtschaftliche Massenproduktion von hinsichtlich der Umwelt überlegenen Behältern und anderen Gegenständen, hergestellt durch Kombinieren von teilchengepackten anorganischen Füllstoffen und einem Binder auf Stärkebasis mit einem Lösungsmittel und anderen Mischzusätzen zur Bildung eines Gemisches mit kontrollierter Viskosität. Das Gemisch wird zwischen gegenüberliegenden Formwerkzeugen positioniert, wobei die Temperatur und der Druck erhöht werden um das Gemisch rasch zu einem formstabilen Gegenstand zu verformen, der eine selektiv ausgewählte Zellstrukturmatrix hat. Die Komponenten des Gemisches und die Prozessparameter können so ausgewählt werden, dass Gegenstände mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich beispielsweise der Dicke, der Steifheit, der Flexibilität, der Isolierungseigenschaften, der Zähigkeit, der Produktstabilität und der Festigkeit hergestellt werden. Die Gegenstände können billiger und in einer Weise hergestellt werden, die bezogen auf die Umwelt neutraler ist als im Falle von Gegenständen, die aus herkömmlichen Materialien, wie Papier, Kunststoffen, Polystyrolschaumstoff, Glas oder Metall, hergestellt werden.

2. Relevante Technologie.

A. Gegenstände beziehungsweise Handelswaren.

Materialien, wie Papier, Pappe, Kunststoffe, Polystyrol und sogar Metalle werden derzeit in enormen Mengen zur Herstellung von Gegenständen, wie Behältern, Separatoren, Teilungselementen, Deckeln, Oberseiten, Dosen und anderen Verpackungsmaterialien, eingesetzt. Moderne Fortgeschrittene Prozess- und Verpackungstechniken gestatten derzeit, dass eine enorme Vielzahl von flüssigen und festen Gütern in solchen Verpackungsmaterialien gelagert, darin abgepackt oder transportiert werden, während sie von störenden Elementen geschützt sind.
Behälter und andere Verpackungsmaterialien schützen Güter vor Umwelteinflüssen und Verteilungsschäden, und insbesondere vor chemischen und physikalischen Einflüssen. Die Verpackung trägt dazu bei, eine enorme Vielzahl von Gütern vor Gasen, Feuchtigkeit, Licht, Mikroorganismen, Pilzen, physikalischen Schocks, Zerkleinerungskräften, Vibrationen, Aussickern oder Verschütten zu schützen. Einige Verpackungsmaterialien liefern auch ein Medium für die Verteilung von Information an den Verbraucher, wie beispielsweise hinsichtlich der Herstellungsstätte des Inhalts, von Reklame, von Instruktionen, von Markenidentifizierung und der Preisgestaltung.
Typischerweise werden die meisten Behälter mit anderen Verpackungsmaterialien (mit Einschluss von Wegwerfbehältern) aus Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Glas oder Metallmaterialien hergestellt. Jedes Jahr werden mehr als 100 Milliarden Aluminiumdosen, Milliarden von Glasflaschen und tausende Tonnen von Papier und Kunststoff beim Lagern und bei der Abgabe von Softdrinks, von Säften, von bearbeiteten Nahrungsmitteln, von Körnerprodukten, Bier und anderen Produkten verwendet. Außerhalb der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie sind Verpackungsbehälter (und insbesondere Wegwerfbehälter), die aus solchen Materialien hergestellt worden sind, im Überfluss vorhanden. Jedes Jahr werden auch Gegenstände auf Papierbasis, hauptsächlich aus Baum-Holzpulpe, in enormen Mengen hergestellt. Nur in den U.S.A. werden ungefähr 5,5 Millionen Tonnen Papier jedes Jahr für Verpackungszwecke eingesetzt, was nur etwa 15% der gesamten jährlichen Inlandspapierproduktion entspricht.

B. Der Einfluss von Papier, Kunststoff, Glas und Metall.

Neuerdings wird darüber debattiert, welche der herkömmlichen Materialien (z. B. Papier, Pappe, Kunststoffe, Polystyrol, Glas oder Metall) die Umwelt am stärksten schädigen. Das Bewußtstein steigernde Organisationen haben viele Leute davon überzeugt, ein Material anstelle eines anderen zu verwenden um sich hinsichtlich der Umwelt richtig zu verhalten. Die Debatte lässt oftmals den Punkt aus, dass jedes dieser Materialien seine eigenen einzigartigen Umweltschwächen hat. Ein Material kann bei Betrachtung eines besonderen Umweltsproblems als überlegen erscheinen, während davon verschiedene und oftmals größere Probleme ignoriert werden, die mit dem bevorzugten Material verbunden sind.
Polystyrolprodukte, und insbesondere Behälter und andere Verpackungsmaterialien, haben in neuerer Zeit den Zorn von Umweltgruppen angezogen. Während Polystyrol selbst eine relativ inerte Substanz ist, beinhaltet seine Herstellung die Verwendung einer Vielzahl von gefährlichen Chemikalien und Ausgangsmaterialien. Unpolymerisiertes Styrol ist sehr reaktiv und stellt daher für solche Personen ein Gesundheitsproblem dar, die es handhaben müssen. Da Styrol aus Benzol (einem bekannten Mutagen und einem möglichen Carcinogen) hergestellt wird, können Restmengen von Benzol in Styrol gefunden werden.
Potentiell stärker schädigend ist die Verwendung von Chlorfluorkohlenstoffen (oder "CFCs") bei der Herstellung von geblasenen oder expandierten Polystyrolprodukten gewesen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die CFCs mit der Zerstörung der Ozonschicht in Zusammenhang gebracht worden sind. Bei der Herstellung von Schaumstoffen, mit Einschluss von geblasenem Polystyrol, sind die CFCs (die hochvolatile Flüssigkeiten sind) dazu eingesetzt worden um das Polystyrol zu einem Schaummaterial zu "expandieren" oder zu "verblasen". Letzteres wird dann in die Form von Bechern, Platten, Tabletts, Schachteln, "Klemmbehältern", Abstandsstücken oder Verpackungsmaterialien verformt. Selbst der Ersatz durch weniger umweltschädigende Treibmittel (z. B. HCFCs, Pentane und CO&sub2; mit Kohlenwasserstoffkombinationen) ist immer noch in signifikanter Weise schädlich, und die Eliminierung dieser Stoffe wäre günstig.
Als Ergebnis ist auf die Industrie ein starker Druck ausgeübt worden, die Verwendung von Polystyrolprodukten zugunsten von umweltsichereren Materialien abzubrechen. Einige Umweltgruppen haben eine zeitweilige Rückkehr zu der Verwendung von natürlichen Produkten, wie Papier oder anderen Produkten, hergestellt aus Holzpulpe, von denen angenommen wird, dass sie biologisch abbaubar sind, begünstigt. Allerdings haben andere Umweltgruppen die entgegengesetzte Ansicht vertreten um das Fällen von Bäumen und die Verarmung der Wälder zu minimieren.
Obgleich Papierprodukte scheinbar biologisch abbaubar sind und nicht mit der Zerstörung der Ozonschicht in Verbindung gebracht worden sind, haben neuere Untersuchungen gezeigt, dass die Herstellung von Papier möglicherweise die Umwelt stärker belastet als die Herstellung von Polystyrol. Tatsächlich ist die Holzpulpe- und Papierindustrie als eine der fünf Spitzenverunreiniger in den U.S.A. identifiziert worden. Beispielsweise erfordern aus Papier hergestellte Produkte zehnmal mehr Wasserdampf, vierzehn- bis zwanzigmal mehr Elektrizität und zweimal soviel Kühlwasser wie ein gleichwertiges Polystyrolprodukt. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass der Abstrom der Papierherstellung die zehn- bis hundertfache Menge von Verunreinigungen enthält als im Falle der Herstellung von Polystyrolschaumstoff.
Weiterhin ist ein Nebenprodukt der Papierherstellung der Umstand, dass die Umwelt durch Dioxin, das ein gefährliches Toxin darstellt, belastet wird. Dioxin, oder genauer 2,3,7,8- Tetrachlordibenzo[b,e][1,4]dioxin, ist eine hochtoxische Verunreinigung, und es ist selbst in sehr kleinen Mengen extrem gefährlich. Toxische Effekte von Dioxin in Tieren und Menschen schließen Appetitlosigkeit, schweren Gewichtsverlust, Hepatoxizität, Hämatoporphyrin, Gefäßschäden, Chlorakne, Magengeschwüre, Porphyrinurie, Porphyrie, Cutanea tarda und vorzeitigen Tod ein. Die meisten Experten auf diesem Gebiet glauben, dass Dioxin ein Carcinogen ist.
Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Papier und Pappe ist die relativ große Energiemenge, die für die Herstellung von Papier erforderlich ist. Dies schließt die Energie ein, die erforderlich ist um Holzpulpe zu dem Punkt zu bearbeiten, dass die Fasern genügend entholzt sind und ausgefasert sind, dass sie unter den Prinzipien der Gewebephysik im Wesentlichen selbstbindend sind. Weiterhin ist sehr viel Energie erforderlich um das Wasser in herkömmlichen Papieraufschlämmungen zu entfernen, die Wasser in Mengen bis etwa 99,5 Vol.-% enthalten. Da soviel Wasser aus Papieraufschlämmungen entfernt werden muss, ist es erforderlich, das Wasser buchstäblich aus der Aufschlämmung herauszusaugen, selbst bevor der Trocknungsprozess begonnen wurde. Weiterhin wird ein großer Teil des Wassers, das während der Entwässerungsprozesse abgesaugt wird, gewöhnlich in die Umwelt entsorgt.
Bei den Herstellungsprozessen der Verformung von Metallblechen zu Behältern (insbesondere Aluminium- und Zinndosen), beim Blasen von Glasflaschen und beim Verformen von keramischen Behältern werden große Mengen Energie wegen der Notwendigkeit verwendet, das Rohmaterial zu schmelzen und dann gesondert zu bearbeiten und zu einem Zwischen- oder Endprodukt zu verformen. Diese hohen Energie- und Prozesserfordernisse verbrauchen nicht nur wertvolle Energiequellen, sondern führen auch zu einer signifikanten Luft-, Wasser- und Hitzeverunreinigung der Umgebung. Obgleich Glas recycelt werden kann, ist der Teil, der bei Landfüllungen endet, im Wesentlichen nicht abbaubar. Glassplitter sind sehr gefährlich und können jahrelang fortbestehen.
Einige dieser Verschmutzungsprobleme werden diskutiert, das Ergebnis ist der höhere Verbrauch an mehr Energie sowie eine signifikante Erhöhung der Kapitalerfordernisse für Herstellungsanlagen. Während weiterhin signifikante Anstrengungen bei Recyclingprogrammen gemacht wurden, braucht nur ein Teil des Rohmaterials vom Recycling zu kommen, und die meisten der Rohmaterialien kommen immer noch von nicht erneuerbaren Quellen.
Selbst Papier oder Pappe, von denen viele annehmen, dass sie biologisch abbaubar sind, können über Jahre, sogar Dekaden, in Landfüllungen fortbestehen, wo sie vor Luft, Licht und Wasser abgeschirmt sind, welche alle für normale biologische Abbauaktivitäten erforderlich sind. Es gibt Berichte darüber, dass Telefonbücher und Zeitungen aus Abfallablagerungen hervorgezogen worden sind, die über Dekaden vergraben waren. Diese Langlebigkeit von Papier wird weiterhin dadurch verkompliziert, dass es üblich ist, Papier mit verschiedenen Schutzmaterialien, die den Abbau weiter verlangsamen oder sogar verhindern, zu behandeln, zu beschichten oder zu imprägnieren.
Ein weiteres Problem bei Papier, Pappe, Polystyrol und Kunststoff besteht darin, dass diese Materialien relativ teuere organische Ausgangsmaterialien erfordern, von denen einige nicht erneuerbar sind, wie beispielsweise Erdöl, das bei der Herstellung von Polystyrol und Kunststoffen verwendet wird. Obgleich für die Papierherstellung und Pappeherstellung verwendete Bäume im genauen Wortsinne erneuerbar sind, machen große Landerfordernisse und eine rasche Verarmung von bestimmten Gegenden der Welt dies zweifelhaft. Daher kann die Verwendung von großen Mengen von im Wesentlichen nicht erneuerbaren Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Gegenständen daraus nicht verzögert werden, was als Langzeitperspektive nicht Weise ist. Weiterhin sind die Verfahren zur Herstellung der Verpackungsrohmaterialien (wie Papierpulpe, Styrol oder Metallfolien) sehr energieintensiv, und sie bewirken ein erhebliches Ausmaß der Wasser- und Luftverschmutzung. Schließlich erfordern sie signifikante Kapitalinvestitionen.
Im Lichte der vorstehenden Ausführungen sollte die Debatte nicht darauf gerichtet sein, welche dieser Materialien gegenüber der Umwelt mehr oder weniger belastend sind, sondern im Gegensatz auf die Frage: Können wir ein alternatives Material entdecken oder entwickeln, das die meisten, wenn nicht alle, der verschiedenen Umweltprobleme lösen kann, die mit den derzeit verwendeten Materialien verbunden sind?

C. Alternative Materialien

Aufgrund der neuerdings erfolgenden gesteigerten Aufmerksamkeit hinsichtlich der riesigen Umweltschäden bei der Verwendung von Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol und Metallen für eine Vielzahl von einmal verwendbaren, hauptsächlich Wegwerfgegenständen, wie Behältern und anderen Verpackungsmaterialien (geschweige denn dem immer ansteigenden politischen Druck), besteht ein akutes Bedürfnis (so lange, seitdem dieses von den Fachleuten erkannt wurde) hinsichtlich der Umwelt gesunde Ersatzmaterialien zu finden.
Eine Alternative bestand darin, die gewünschten Gegenstände und Behälter aus gebackenen, essbaren Plättchen, z. B. Waffeln oder Pfannkuchen, herzustellen. Obgleich essbare Plättchen zu Tabletts, Bechern und Tassen verformt werden können, die leicht zersetzt werden können, sind sie doch mit einer Anzahl von Begrenzungen belastet. Essbare Plättchen werden hauptsächlich aus einem Gemisch aus Wasser, Mehl und einem Treibmittel hergestellt. Das Gemisch wird zwischen erhitzten Formen zu der gewünschten Gestalt gebacken. Zu dem Gemisch werden Fette oder Öle gegeben um die Entfernung der Platte aus der Backform zu gestatten. Die Oxidation dieser Fette bewirkt, dass die essbaren Platten ranzig werden. Vom mechanischen Standpunkt sind die resultierenden essbaren Platten sehr brüchig und viel zu zerbrechlich, als dass sie die meisten Gegenstände aus herkömmlichen Materialien ersetzen könnten. Weiterhin sind essbare Platten gegenüber Feuchtigkeit äußerst empfindlich, und sie können sich leicht vor oder während des beabsichtigten Gebrauchs zersetzen oder sie können schimmeln.
Es sind auch schon Anstrengungen unternommen worden um Gegenstände unter Verwendung von organischen Bindern herzustellen. Beispielsweise wurden Gegenstände aus Gemischen aus Stärke, Wasser und einem Form-Trennmittel hergestellt. Die Gemische auf Stärkebasis wurden zwischen erhitzten Formen gebacken, bis die Stärke gelierte und sich in der gewünschten Gestalt der Gegenstände ausgehärtet hatte. Es wurde jedoch gefunden, dass die resultierenden Produkte zu konstenaufwändig sind. Langsame Prozesszeiten, teure Anlagen und die relativ hohen Kosten von Stärke im Vergleich zu herkömmlichen Materialien machen die Gegenstände erheblich teurer als herkömmliche Gegenstände. Obgleich anorganische Füllstoffe zu Gemischen auf Stärkebasis zugesetzt worden sind um die Materialkosten zu beschneiden, war es nicht möglich, unter Verwendung von Gemischen, enthaltend signifikante Verhältnismengen von Füllstoffen, möglich, strukturmäßig stabile Gegenstände herzustellen, die funktionielle mechanische Eigenschaften haben.
Weiterhin wurde gefunden, dass Gegenstände auf Stärkebasis sehr zerbrechlich und brüchig sind, was ihnen eine begrenzte Verwendbarkeit verleiht. Zur Verbesserung der Flexibilität wurden die Gegenstände in eine Feuchtigkeitskammer gebracht, wo die Feuchtigkeit durch die Stärke absorbiert wurde um die Gegenstände weicher zu machen. Die Feuchtigkeitsabsorption benötigte jedoch mehrere Minuten, wodurch der Herstellungsprozess signifikant verlangsamt wurde. Weiterhin war eine zusätzliche zeitraubende Stufe der Aufbringung eines Überzugs auf den Gegenstand erforderlich um zu verhindern, dass die Feuchtigkeit aus dem Artikel nach Fertigstellung des Artikels entweicht. Versuche, Gegenstände auf organischer Basis herzustellen um Gegenstände zu produzieren, die eine gleichförmige Oberfläche haben, sind ebenfalls gescheitert. Zur Maskierung der Oberflächendefekte sind die Gegenstände gewöhnlich mit einer waffelartigen Oberfläche hergestellt worden.
Die Industrie hat wiederholt versucht, anorganisch gefüllte Materialien für die Herstellung von Wegwerfartikeln, die in großen Mengen massenproduziert werden, zu entwickeln. Anorganische Materialien, wie Ton, natürliche Mineralien und Stein, sind leicht zugänglich, unbegrenzt vorhanden, billig und hinsichtlich der Umwelt inert. Trotz des ökonomische und ökologischen Drucks, der ausgedehnten Untersuchungen und dem lange bestehenden Bedürfnis, besteht noch keine einfache Technologie für die ökonomische und ökologische Herstellung von hochanorganisch gefüllten Materialien, die anstelle von Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Metall oder anderen Materialien auf organischer Basis für Behälter und andere Gegenstände verwendet werden könnten.
Signifikante Anstrengungen sind über viele Jahre unternommen worden um herkömmliche Papiere mit anorganischen Materialien, wie Kaolin und/oder Calciumcarbonat, zu füllen, obgleich hinsichtlich der Menge der in die Papierprodukte einzuarbeitenden anorganischen Materialien eine Grenze (etwa 20 bis 35 Vol.-%) besteht. Weiterhin hat es Anstrengungen gegeben, bestimmte Kunststoffverpackungsmaterialien mit Ton zu füllen um die Atmungsfähigkeit des Produkts zu erhöhen und die Fähigkeit des Verpackungsmaterials zu verbessern um darin gelagerte Früchte oder Pflanzen frisch zu halten. Weiterhin werden anorganische Materialien routinemäßig zu Klebstoffen und Beschichtungsmassen gegeben um dem Endprodukt bestimmte Eigenschaften der Farbe oder der Textur zu verleihen. Gleichwohl stellen anorganische Materialien nur einen kleinn Bruchteil des Gesamtmaterials dar, das zur Herstellung von Verpackungsmaterialien oder anderen Gegenständen verwendet wird, anstelle dass es den Hauptteil des verwendeten Materials darstellt. Versuche, die Menge des anorganischen Füllstoffs in einer Polymermatrix zu erhöhen, haben signifikante nachteilige Effekte auf die Rheologie und die Eigenschaften des Bindersystems mit sich gebracht, z. B. einen Verlust der Festigkeit, eine gesteigerte Brüchigkeit, etc.
Im Lichte der Tatsache, dass anorganische Materialien typischerweise die ökonomischsten und ökologischsten Materialien sind, werden hochanorganisch gefüllte Materialien benötigt, die Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol oder Metallmaterialien als Material der Wahl für die Herstellung von Behältern und Gegenständen ersetzen können. Was weiter benötigt wird, sind Verfahren und Massen für die Formung von billigen, umweltsicheren, organischen Materialien, die in relativ kleinen Mengen als zufriedenstellende Binder für das anorganische Material wirken können.
Es würde einen weiteren technischen Fortschritt darstellen, hochanorganisch gefüllte Gemische, die einen organischen Binder haben, zu Behältern und anderen Gegenständen zu verformen, die derzeit aus Papier, Pappe, Polystyrol, Metall, Kunststoff oder anderen organischen Materialien hergestellt werden.
Es würde einen signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche Methoden und Massen hochanorganisch gefüllte Gegenstände ergeben würden, die ähnliche Eigenschaften wie Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoff oder Metallmaterialien haben oder diesen sogar überlegen wären.
Es würde einen weiteren technischen Fortschritt darstellen, wenn die Methoden und Massen Behälter und Gegenstände ergeben würden, die ohne Einbringen in eine Feuchtigkeitskammer um die gewünschte Flexibilität zu erhalten, hergestellt werden könnten.
Es würde einen weiteren technischen Fortschritt darstellen, wenn die Methoden und Massen Gegenstände ergeben würden, die ohne die Notwendigkeit des nachfolgenden Aufbringens eines Überzugs geformt werden könnten.
Es würde einen technischen Fortschritt darstellen, wenn die Methoden und Massen Gegenstände und Behälter ergeben könnten, die mit einer glatteren, gleichförmigen Oberfläche mit weniger Defekten gebildet werden könnten.
Es würde auch einen enormen technischen Fortschritt darstellen, wenn die Gegenstände unter Verwendung von existierenden Anlagen und Techniken hergestellt werden können, die derzeit zur Bildung von Gegenständen aus Papier, Pappe, Polystyrol, Kunststoff oder anderen organischen Materialien eingesetzt werden.
Es würde einen weiteren technischen Fortschritt darstellen, wenn solche Methoden und Massen für die Herstellung von Gegenständen nicht zu der Erzeugung von Abfällen führen würden, die bei der Herstellung von Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol oder Metallmaterialien anfallen.
Es würde weiterhin einen technischen Fortschritt darstellen, wenn die Methoden und Massen Gegenstände ergeben würden, die weniger Wasser enthalten, das während des Herstellungsprozesses (im Vergleich zu der Papierherstellung) entfernt werden muss um so die Prozesszeit zu verringern und die Anfangsinvestitionskosten zu verringern.
Es würde schließlich einen signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche Methoden und Massen Gegenstände ergeben würden, die ohne weiteres zu Substanzen, die üblicherweise auf der Erde gefunden werden, zersetzbar wären.
Vom praktischen Standpunkt aus gesehen würde es einen signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche Methoden und Massen die Herstellung von Behältern und anderen Gegenständen mit Kosten ermöglichen würden, die mit den derzeitigen Herstellungsverfahren für Behälter oder andere Gegenstände aus Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol oder Metall vergleichbar oder sogar besser wären Speziellerweise wäre es wünschenswert, die Energieerfordernisse zu verringern, wertvolle Naturresourcen zu konservieren und die Anfangskapital-Investitionskosten für die Herstellung von Gegenständen mit gewünschten Eigenschaften von herkömmlichen Materialien, wie Papier, Metall, Polystyrol, Kunststoff oder anderen anorganischen Materialien, zu senken.
Von der Herstellungsperspektive aus gesehen würde es auf dem Gebiet der Verformung von hochanorganisch gefüllten Materialien einen signifikanten technischen Fortschritt darstellen, wenn solche Verfahren und Massen, die die Massenproduktion von hochanorganisch gefüllten Gegenständen ermöglichen würden, die rasch gebildet werden können und die innerhalb von Minuten vom Beginn des Herstellungsprozesses für den Gebrauch fertig sein würden, bereitgestellt wurden.
Es würde auch einen enormen technischen Fortschritt darstellen, Methoden und Massen bereitzustellen, die die Herstellung von hochanorganisch gefüllten Gegenständen mit größerer Flexibilität, Biegefestigkeit, Zähigkeit, Verformbarkeit, Massenproduzierbarkeit, Produktstabilität und niedrigerer Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien mit hohem Gehalt von anorganischen Füllstoffen gestatten würden.
Solche Verfahren und Massen werden hierin beschrieben und beansprucht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung beschreibt neue Massen und Gegenstände, hergestellt aus mit Teilchen gepackten, hochanorganisch gefüllten Materialien mit einem Binder auf Stärkebasis und einer thermodynamisch kontrollierten Zellmatrix.
Ein Gegenstand der Erfindung ist daher ein Gegenstand mit einer Stärke-gebundenen Zellmatrix, umfassend einen Binder auf Stärkebasis, der durch Wasser im Wesentlichen gelatiniert wurde und anschließend durch die Entfernung einer wesentlichen Menge des Wassers durch Verdampfung gehärtet wurde, und ein in der gesamten Stärke-gebundenen Zellmatrix dispergiertes anorganisches Aggregat in einer Konzentration in einem Bereich von 20 bis 90 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke-gebundenen Zellmatrix, wobei die Stärke-gebundene Zellmatrix eine Dicke von weniger als 1 cm aufweist.
Weiterhin schließt die vorliegende Erfindung neue Verfahren und Massen für die Herstellung von solchen Gegenständen ein. Zur Entwicklung von geeigneten anorganisch gefüllten Gemischen wird zunächst eine Kombination aus Werkstoffwissenschaft und Mikrostruktur und Konstruktionswissenchaft verwendet. Die Komponenten des Gemisches und ihre Mengen werden aufgrund des Verständnisses der Beziehungen zwischen den Prozessparametern und den Eigenschaften der einzelnen Komponenten des formbaren Gemisches und des Endgegenstands ausgewählt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein anorganisch gefülltes Gemisch auf Stärkebasis zur Bildung eines Gegenstands mit einer anorganisch gefüllten stärkegebundenen Zellmatrix, wobei das Gemisch im Wesentlichen nichtgelatinisierte, nichtmodifizierte Stärkekörner, Wasser und einen anorganischen Aggregatfüllstoff, enthalten in einer Menge von 20 bis 90 Gew.-% der Feststoffe in dem Gemisch auf Stärkebasis, umfasst.
Das Gemisch ist so ausgebildet, dass ein Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften für den vorgesehenen Zweck mit minimalen Kosten erhalten wird. Eigenschaften, die optimiert werde können, sind beispielsweise die Dicke, die Dichte, der Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit, die Biegefestigkeit, die Flexibilität, der Spannungsbereich, die thermische Fähigkeit und die spezifische Wärme. Aufgrund der Fähigkeit, diese Eigenschaften wie benötigt zu verleihen oder zu ändern, kann eine weite Vielzahl von Gegenständen mit Einschluss von Bechern (Tassen), Tabletts, Kartons, Schachteln beziehungsweise Kästen, Flaschen, Kisten, und zahlreichen anderen Gegenständen, hergestellt werden, die beispielsweise für das Verpacken, das Lagern, das Transportieren, das Servieren, das Portionieren und das Abgeben verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Gemische enthalten eine Vielzahl von umweltsicheren Komponenten, mit Einschluss eines Binders auf Stärkebasis, von Wasser, von anorganischen Aggregaten, von inerten anorganischen Aggregaten, von Form-Trennmitteln, von Fasern, von Rheologie-Modifizierungsmitteln, von Vernetzungsmitteln, von Dispergierungsmitteln, von Weichmachern und von Beschichtungsmitteln. Das Gemisch ist mit der primären Erwägung gestaltet, die anorganischen Komponenten zu maximieren, die Stärkekomponente und das Lösungsmittel zu minimieren und die Viskosität selektiv zu modifizieren um die Gegentsände rasch, billig und mit den gewünschten Eigenschaften für den vorgesehenen Verwendungszweck herzustellen. Der Binder auf Stärkebasis wirkt als Bindemittel. Typische Beispiele hierfür sind eine Stärke, wie Kartoffelstärke, Maisstärke, Wachsmaisstärke, Reisstärke, Weizenstärke, die Kornvorläufer davon, z. B. Mehl- und zerkleinerte Körner oder die modifizierten Gegenstücke davon. Als Lösungsmittel werden typischerweise Wasser, Alkohol oder eine Kombination davon verwendet um die Komponenten in dem Gemisch zu dispergieren und als Mittel für die Gelierung des Binders auf Stärkebasis zu wirken. Weiterhin trägt das Lösungsmittel zusammen mit den anderen Mischungsbestandsteilen, wie den Rheologie-Modifizierungsmitteln, den Weichmachern und den Dispergierungsmitteln, dazu bei, ein Gemisch mit den gewünschten rheologischen oder Fließeigenschaften zu erzeugen.
Der Binder auf Stärkebasis kann in seiner nichtgelierten, kornförmigen Form zugesetzt werden oder er kann vorgeliert werden. Wenn der Binder auf Stärkebasis erhitzt wird, dann brechen die Körner auf, wodurch es gestattet wird, dass lange einkettige Amylosepolymere, die in den Körnern enthalten sind, sich ausdehnen und sich mit anderen Polymeren, wie hochverzweigten Amylopektinpolymeren, verschlingen. Dieser Prozess wird als Gelierung bezeichnet. Wenn das Lösungsmittel einmal entfernt ist, dann ergibt das resultierende, miteinander verbundene Netz von Stärkepolymeren ein festes Material. Jedoch machen es die relativ hohen Kosten des Binders auf Stärkebasis und die lange Zeitspanne und die große Energie, die erforderlich sind, das Lösungsmittel zu entfernen, es unmöglich, die Gegenstände ausschließlich aus Stärke herzustellen.
Um die Kosten zu verringern und gleichzeitig dem Endgegenstand gewünchte Eigenschaften zu verleihen, werden anorganische Füllstoffe oder Aggregate gewöhnlich zu dem Gemisch in einer Menge von größer als 20 Gew.-%, und sogar so hoch wie 90 Gew.-%, der Gesamtfeststoffe in dem Gemisch gegeben. Während dieser Bereich für die meisten Aggregate mit relativ hoher Dichte (größer als 1 g/cm³) gilt, ist im Falle von Aggregaten mit niedriger Dichte oder leichtgewichtigen Aggregaten (mit einer Dichte von weniger als 1 g/cm³), wie expandiertem Perlit oder Hohlglaskügelchen, der minimale Gewichtsgehalt geringer und hängt von der Dichte des jeweiligen Aggregats ab. Als Ergebnis ist es daher zweckmäßiger, die Konzentration der leichtgewichtigen Aggregate als Volumenprozent anzugeben; diese werden vorzugsweise in einem weiten Bereich von 5 bis 85 Vol.-% zugesetzt.
Um Gemische mit einer hohen Konzentration von anorganischen Materialien zu erhalten, werden die anorganischen Aggregatteilchen so ausgewählt, dass sie eine Gestalt und eine Teilchengröße und -verteilung haben, die vorzugsweise eine hohe Packungsdichte ergibt. Dieser Prozess wird als Teilchenpackung bezeichnet. Es wird weiter bevorzugt, dass die Teilchen eine relativ kleine spezifische Oberfläche haben. Durch Verwendung von Füllstoffen mit hoher Packungsdichte und niedriger spezifischer Oberfläche wird die Menge des Binders auf Stärkebasis und des in dem Gemisch benötigten Lösungsmittels minimiert. Durch Minimierung des Binders auf Stärkebasis und des Lösungsmittels werden die Materialkosten und die Prozesszeit der Herstellung des Gegenstands minimiert. Weiterhin können durch Auswahl von Aggregaten mit speziellen mechanischen und physikalischen Eigenschaften solche Eigenschaften den Endgegenständen verliehen werden. So kann beispielsweise das Aggregat dazu beitragen, die spezifische Wärme, die Dichte, die Festigkeit und die Textur des fertigen Gegenstands zu kontrollieren. Ein bevorzugtes anorganisches Aggregat ist Calciumcarbonat.
Rheologie-Modifizierungsmittel, wie Materialien auf Cellulosebasis, Polysaccharidbasis, Proteinbasis und synthetische organische Materialien, können zur Kontrolle der Viskosität und der Fließspannung des Gemisches zugesetzt werden. Die Erhöhung der Viskosität trägt dazu bei, ein Absetzen oder ein Abtrennen in dem Gemisch zu verhindern, und unterstützt die Bildung der zellförmigen Strukturmatrix. Im Allgemeinen ergeben Gemische mit hoher Viskosität relativ dichte Gegenstände mit kleinen Zellen in der Strukturmatrix. Demgegegenüber ergeben Gemische mit niedriger Viskosität leichtere Gegenstände mit größeren Zellen in der Strukturmatrix. Die Bildung der Zellstrukturmatrix hängt auch von Variablen, wie dem Lösungsmittelgehalt und dem Druck und der Temperatur, die auf das Gemisch angewendet werden, ab. Das Rheologie-Modifizierungsmittel wirkt auch in einem gewissen Ausmaß als Binder, und es kann dazu beitragen, die Festigkeit des Gegenstands zu erhöhen.
Weichmacher, Befeuchtungsmittel und poröse Aggregate können zu dem Gemisch gegeben werden um die Flexibilität der Gegenstände zu erhöhen. Typischerweise ist, wenn einmal das Lösungsmittel entfernt worden ist um den formstabilen Gegenstand herzustellen, der resultierende Gegenstand sehr brüchig. Weichmacher schließen Materialien ein, die durch den Binder auf Stärkebasis absorbiert werden können um die Strukturmatrix zu erweichen, und die einen genügenden hohen Dampfpunkt haben um nicht während des Verformungsprozesses verdampft und entfernt zu werden, und die schließlich nach der Bildung des Gegenstands darin stabil zurückbleiben. Zusätzlich zu Wasser schließen zwei bevorzugte Weichmacher Glycerin und Polyethylenglykol ein. Befeuchtungsmittel, wie MgCl&sub2; und CaCl&sub2;, absorbieren Feuchtigkeit und verbinden diese fest an die Moleküle des Binders auf Stärkebasis, so dass die gebundene Feuchtigkeit während des Formprozesses nicht entfernt wird. Ihrerseits verbessert die Feuchtigkeit die Flexibilität des fertigen Gegenstands. Poröse Aggregate können das Lösungsmittel während des Formprozesses halten und dann das Lösungsmittel in die Matrix des formstabilen Gegenstands abgeben um die Flexibilität des Gegenstands zu erhöhen. Naturgemäß kann dem gehärteten Gegenstand auch Flexibilität durch Anwendung von hohen Feuchtigkeitsbedingungen verliehen werden, obgleich dieser Prozess nicht in allen Fällen erforderlich ist.
Calciumsulfathemihydrat (CaSO&sub4;·1/2H&sub2;O), die hydratisierbare Hauptkomponente von Gips, kann als Wasserabsorptionsmittel in den erfindungsgemäßen Gemischen eingesetzt werden, da es mit Wasser unter Bildung von Calciumsulfatdihydrat (CaSO&sub4;·2H&sub2;O) reagiert. Diese Bindung von Wasser kann auch als Maßnahme zum inneren Halten des Wassers angewendet werden.
Mittel- oder langkettige Fettsäuren, ihre Salze und ihre Säurederivate können zugesetzt werden um die Freisetzung des gehärteten Gegenstands aus der Form zu verbessern. Formen mit einer polierten Metalloberfläche oder einer anderen nichtklebrigen Oberfläche sind ebenfalls dazu geeignet, die Freisetzung des Gegenstands zu verbessern oder zu erleichtern.
Obgleich es nicht erforderlich ist, können andere Komponenten zu dem Gemisch gegeben werden um die Eigenschaften des Endprodukts zu variieren. Beispiele für solche Komponenten sind Fasern, die die Bruchenergie und die Zähigkeit des Gegenstands verbessern, Vernetzungsmittel, die die Festigkeit und die Stabilität des Gegenstands verbessern, und Dispergierungsmittel, die die Viskosität des Gemisches verringern, ohne dass es erforderlich ist, den Lösungsmittelgehalt zu erhöhen.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch ein vielstufiges Verfahren hergestellt. Am Anfang werden die ausgewählten Komponenten zu einem homogenen formbaren Gemisch vermengt. Das Vermischen kann in einem Hochenergiemischer oder einem Augerextruder, je nach der Viskosität des Gemisches, durchgeführt werden. Es wird oftmals bevorzugt, ein partielles Vakuum an das Gemisch anzulegen um unerwünschte Lufthohlräume zu entfernen, die Fehler in dem Endprodukt erzeugen könnten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach der Herstellung des formbaren Gemisches dieses in dem Hohlraum einer erhitzten Form positioniert. Der Hohlraum der erhitzten Form kann viele unterschiedliche Ausführungsformen umfassen, mit Einschluss von Formen, die typischerweise für Spritzgussprozesse verwendet werden, und die Formen von Gesenkpressen können nach dem Einbringen des anorganisch gefüllten Gemisches in die negative Form zusammengebracht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird z. B. das verformbare Gemisch in das Innere eines erhitzten negativen Formwerkzeugs eingegeben. Danach wird ein erhitztes positives Formwerkzeug komplementär mit dem erhitzten negativen Formwerkzeug gepaart, wodurch das Gemisch zwischen den Formwerkzeugen positioniert wird. Wenn das Gemisch erhitzt wird, geliert der Binder auf Stärkebasis, wodurch die Viskosität des Gemisches erhöht wird. Gleichzeitig nimmt das Volumen des Gemisches in dem Hohlraum der erhitzten Form als Ergebnis der Bildung von Gasbläschen aus dem verdampfenden Lösungsmittel, die typischerweise in der viskosen Matrix eingefangen werden, zu.
Verschiedene Typen von Waffelbackgeräten können eingesetzt werden um die Behälter und andere Gegenstände gemäß der Erfindung massenzuproduzieren. Weiterhin können herkömmliche Maschinen für die Herstellung von expandiertem Polystyrol so modifiziert werden, dass die erfindungsgemäßen Gegenstände hergestellt werden.
Wie nachstehend genauer beschrieben, kann durch selektive Kontrolle von thermodynamischen Parametern, die auf das Gemisch angewendet werden (z. B. Druck, Temperatur und Zeit), sowie der Viskosität und des Lösungsmittelgehalts, das Gemisch zu einem formstabilen Gegenstand verformt werden, der eine selektiv gestaltete Zellstrukturmatrix hat. D. h., die Größe, die Menge und die Positionierung der Zellen können selektiv eingestellt werden um Gegenstände mit den gewünschten Eigenschaften für den vorgesehenen Verwendungszweck herzustellen. Weiterhin können die Oberflächentextur und die Konfiguration der Zellen in der Strukturmatrix kontrolliert werden, indem selektiv die Temperatur zwischen den Formwerkzeugen und die Temperatur entlang der Länge der Formwerkzeuge variiert wird. Neben der Kontrolle der Eigenschaften unter verschiedenen Formgegenständen ist es möglich, die Eigenschaften eines einzigen Gegenstands durch den Gegenstand hindurch zu variieren, wie beispielsweise durch Variierung der Dicke, durch Variierung der Hautdicke, durch Variierung der Zellstruktur und durch Variierung der Dichte. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass in der Verformungsvorrichtung relative Differentialtemperaturen oder Differentialtemperaturzonen durch den Formapparat hindurch erzeugt werden. Als Ergebnis werden verschiedene Temperatur- und Prozessbedingungen an verschiedenen Stellen im gleichen Artikel hindurch geschaffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Gegenstände mit den vorstehend beschriebenen Gemischen geformt um den gehärteten Gegenständen die gewünschte Flexibilität zu verleihen, ohne dass die Notwendigkeit einer Konditionierung in hoher Feuchtigkeit besteht. Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die gehärteten Gegenstände in eine Feuchtigkeitskammer eingebracht, worin die Gegenstände bei ausgewählter Temperatur einer hohen Feuchtigkeitsumgebung ausgesetzt werden. Die Wassermoleküle in der Luft werden durch den Binderteil auf Stärkebasis der Matrix absorbiert und durch Wasserstoffbindungen gebunden, wodurch die Brüchigkeit des Bindermaterials verringert wird und den Gegenständen die gewünschte Flexibilität verliehen wird. Es wird bevorzugt, den Feuchtigkeitsgehalt des Endgegenstands auf unterhalb 10 Gew.-% der Binderkomponente auf Stärkebasis zu halten, da überschüssige Feuchtigkeit ein Bakterienwachstum gestatten würde. Es wird mehr bevorzugt, den Feuchtigkeitsgehalt unterhalb 5 Gew.-% der Binderkomponente auf Stärkebasis zu erhalten.
Wenn einmal der Gegenstand konditioniert ist, dann kann ein Überzug beziehungsweise eine Beschichtung aufgebracht werden. Die Beschichtung kann mehrere Zwecke haben, mit Einschluss der Bereitstellung eines fertigen Gegenstands, einer Versiegelung des Gegenstands und der Verleihung von zusätzlicher Festigkeit. Die Beschichtung kann durch verschiedene herkömmliche Prozesse, wie Sprühen, Tauchen, Zerstäuben und Anstreichen, aufgebracht werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können ausgewählte Beschichtungsmaterialien zu dem Gemisch vor der Bildung des Gegenstands gegeben werden. Wenn ein Beschichtungsmaterial mit ähnlichem Schmelzpunkt mit der Spitzentemperatur des Gemisches verwendet wird, dann wandert es während der Bildung des Gegenstands in diesen hinein und beschichtet seine Oberfläche. Beispiele für solche Beschichtungsmaterialien sind ausgewählte Wachse und Vernetzungsmittel.
Den resultierenden Gegenständen können Eigenschaften verliehen werden, die ähnlich oder besser sind als diejenigen von Gegenständen, hergestellt aus herkömmlichen Materialien, wie Papier, Pappe, Polystyrol, Metallen, Kunststoffe oder andere natürliche organische Materialien. Hinsichtlich der minimalen Kosten der anorganischen Füllstoffe und der mäßigen Kosten für Stärke und Mehl können die erfindungsgemäßen Gegenstände auch mit einem Bruchteil der Kosten der herkömmlichen Gegenstände erzeugt werden. Schließlich sind die erfindungsgemäßen Gegenstände umweltfreundlicher als herkömmliche Gegenstände. Beispielsweise werden beim Herstellungsprozess keine gefährlichen Chemikalien verwendet, es werden keine gefährlichen Emissionen in Luft oder Wasser abgegeben, nichterneuerbare Resourcen werden nicht erschöpft, und es ist nur eine minimale Prozessenergie erforderlich. Schließlich sind die erfindungsgemäßen Gegenstände leicht recycelbar oder sie werden rasch in die Umwelt zurückzersetzt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum Erhalt der vorgenannten Vorteile und weiterer, sowie der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, wird nachstehend eine genauere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführungsform gegeben, die in den Zeichnungen dargestellt ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Zeichnungen nur eine typische Ausführungsform der Erfindung angeben und daher nicht als einschränkend aufgefasst werden sollten. Die Erfindung wird spezieller und genauer unter Verwendung der unten angegebenen Zeichnungen beschrieben und erläutert.
Die Fig. 1 ist ein Phasendiagramm, das die Temperatur- und Druckbedingungen zeigt, denen bei einer Ausführungsform der Erfindung das Gemisch während der Bildung der Gegens¬ tände ausgesetzt wird.
Die Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt des Haut- und Innenabschnitts eines gehärteten Gegenstands.
Die Fig. 2A ist eine digital gescannte Photographie des Querschnitts eines Gegenstands mit einer dünnen Außenhaut und einem Innenabschnitt, der relativ große Zellen enthält.
Die Fig. 2B ist eine digital gescannte Photographie des Querschnitts eines Gegenstands mit einer dünnen Außenhaut und einem Innenabschnitt, der relativ mittlere Zellen enthält.
Die Fig. 2C ist eine digital gescannte Photographie des Querschnitts eines Gegenstands mit einer dicken Außenhaut und einem Innenabschnitt, der relativ große Zellen enthält.
Die Fig. 3 ist ein Querschnitt einer zu paarenden positiven und negativen Form.
Die Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Beladungszellen und der Mischvorrichtung.
Die Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Augerextruders.
Die Fig. 6 ist ein Querschnitt eines zweistufigen Spritzapparats.
Die Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Spritzapparats mit hin- und hergehender Schnecke.
Die Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer positiven und negativen Form.
Die Fig. 9 ist ein Querschnitt der negativen Form, die mit einem formbaren Gemisch durch eine Füllöffnung gefüllt worden ist.
Die Fig. 10 ist ein Querschnitt des vorgenannten positiven und negativen Formwerkzeugs im gepaarten Zustand.
Die Fig. 11 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gegenstands, der zwischen gepaarten Formen gebacken wird.
Die Fig. 11A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Ventilierungslöcher zwischen der gepaarten positiven und negativen Form.
Die Fig. 12 ist ein Querschnitt der negativen Form mit einem Abschabeflügel, der überschüssiges Material entfernt.
Die Fig. 13 ist ein Querschnitt einer dualen Form.
Die Fig. 14 ist ein Querschnitt einer gespaltenen Form mit einer Saugdüse.
Die Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennvorrichtung (bzw. Backvorrichtung).
Die Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht einer Form in Füllposition in der Brennmaschine (bzw. Backvorrichtung) Fig. 15.
Die Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschabeflügels, der in der Brennmaschine der Fig. 15 arbeitet.
Die Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht einer negativen und positiven Form, die in einer herkömmlichen Maschine für expandiertes Polystyrol verwendet werden:
Die Fig. 19 ist eine Querschnittsansicht der Formen, die in einer herkömmlichen Maschine in gepaarter Position für expandiertes Polystyrol verwendet werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN.

1. EINFÜHRUNG.

Die Erfindung betrifft neue Massen und Verfahren zur Herstellung von Gegenständen beziehungsweise Handelswaren aus teilchengepackten anorganisch gefüllten Materialien mit einem Binder auf Stärkebasis und einer thermodynamisch kontrollierten Zellmatrix. Die erfindungsgemäßen Materialien können eine Vielzahl von ökologisch sicheren Komponenten einschließen, mit Einschluss eines Binders auf Stärkebasis, von Wasser, anorganischen und organischen Aggregaten, Form-Trennmitteln, Fasern, Rheologie-Modifizierungsmitteln, Vernetzungsmitteln, Weichmachern, Dispergierungsmitteln und Beschichtungsmaterialien.
Ein materialwissenschaftlicher und mikrostruktureller Konstruktionsansatz besteht darin, den Typ, die Größe, die Gestalt und das Verhältnis jeder Komponente so auszuwählen, dass beim Zusammenmischen ein Gemisch und ein Endprodukt mit gewünschten Eigenschaften bei optimalen Kosten erhalten wird. Die gewünschten Eigenschaften hängen von der erforderlichen Handhabung und dem beabsichtigten Gebrauch des fertigen Gegenstands ab. Die optimalen Kosten werden erhalten, indem Komponenten ausgewählt werden, die den Produktionsoutput unter Minimierung der Material- und Produktionskosten maximieren.
Unter Verwendung eines mikrostrukturellen Konstruktionsansatzes kann die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Gegenständen erzeugen, mit Einschluss von Platten, Bechern (bzw. Tassen), Kartons und anderen Typen von Behältern, und Gegenständen mit mechanischen Eigenschaften, die im Wesentlichen denjenigen ihrer Gegenstücke ähnlich oder sogar überlegen sind, die aus herkömmlichen Materialien hergestellt worden sind, wie beispielsweise Papier, Polystyrolschaum, Kunststoff, Metall und Glas. Die erfindungsgemäßen Gegenstände können auch mit einem Bruchteil der Kosten ihrer herkömmlichen Gegenstücke hergestellt werden. Die minimalen Kosten sind das Ergebnis eines relativ billigen Aggregats, das typischerweise einen großen Prozentanteil des Gemisches ausmacht, sowie der minimalen erforderlichen Prozessenergie.
Die Herstellungsprozesse und die resultierenden Gegenstände sind auch gegenüber der Umwelt weniger gefährlich als die herkömmlichen Prozesse. So kann beispielsweise theoretisch der gesamte Herstellungsabfall in die Produktionslinie zurückgeführt werden. Wenn die fertigen Gegenstände ihren vorgesehenen Zweck erfüllt haben, dann werden die Gegenstände, die aus natürlich vorkommenden organischen und anorganischen Materialien bestehen, leicht in die Erde zurückzersetzt oder recycelt. Als Ergebnis erzeugen die erfindungsgemäßen Gegenstände daher keine ökologischen Schäden oder sie verbrauchen Landfüllungen, wie es bei ähnlichen Gegenständen der Fall ist, die aus herkömmlichen Materialien hergestellt worden sind.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden dadurch hergestellt, dass zuerst ausgewählte Komponenten zu einem homogenen formbaren Gemisch vermengt werden. Das formbare Gemisch enthält einen Binder auf Stärkebasis, wie Kartoffel-, Mais-, Wachsmais-, Reis- oder Weizenstärke, ein anorganisches Aggregat, wie Calciumcarbonat, und ein Lösungsmittel, wie Wasser oder Alkohol. Die Gestalt, die Größenverteilung und die spezifische Oberfläche des anorganischen Aggregats werden so ausgewählt, dass die Packungsdichte des Gemischs maximiert wird und der Anteil des Binders auf Stärkebasis sowie die Lösungsmittelerfordernisse minimiert werden. Die Zugabe von hohen Konzentrationen des anorganischen Aggregatfüllstoffs gestattet, dass die Gegenstände schneller, billiger und ökologisch sicherer sowie mit geringerer spezifischer Wärme im Vergleich zu Gegenständen erzeugt werden können, die ohne oder nur mit geringen Konzentrationen der anorganischen Aggregate hergestellt worden sind.
Demgemäß werden die Materialien und Gegenstände gemäß der Erfindung oftmals als "anorganisch gefüllt" oder "hochanorganisch gefüllt" bezeichnet.
Zusätze können mit dem Gemisch kombiniert werden um den Gegenständen gewünschte Eigenschaften zu verleihen. So können beispielsweise Rheologie-Modifizierungsmittel und Dispergierungsmittel zugesetzt werden um die Viskosität des Gemisches zu regulieren. Gemische mit hoher Viskosität werden zur Herstellung von dichten Gegenständen mit kleinen Zellen in der Strukturmatrix verwendet. Gemische mit niedriger Viskosität werden verwendet um Gegenstände mit niedriger Dichte und mit großen Zellen in der Strukturmatrix herzustellen. Weichmacher, Befeuchtungsmittel und poröse Aggregate können dazu verwendet werden um den Gegenständen während des Formprozesses die gewünschte Flexibilität zu verleihen. Andere Additive sind beispielsweise Fasern, die die Bruchzähigkeit der Gegenstände erhöhen, Dispergierungsmittel, die die Viskosität des Gemisches ohne Zugabe von Lösungsmittel vermindern, und ausgewählte Beschichtungsmaterialien, die auf den Gegenständen während des Bildungsprozesses einen Überzug bilden können. Aggregatteilchen, auf denen Ettringit gebildet worden ist, können dazu verwendet werden um die Wechselwirkung zwischen den Aggregatteilchen und dem Binder auf Stärkebasis zu verbessern.
Wenn einmal das formbare Gemisch hergestellt worden ist, dann wird es in den Hohlraum einer erhitzten Form positioniert. Der Hohlraum der erhitzten Form kann viele unterschiedliche Ausführungsformen umfassen, mit Einschluss von Formen, die typischerweise bei herkömmlichen Spritzgussverfahren verwendet werden, und von Düsenpressformen, die zusammengebracht werden, nachdem das anorganisch gefüllte Gemisch in die negative Form eingebracht worden ist. Beispielsweise wird bei einer bevorzugten Ausführungsform das formbare Gemisch in eine erhitzte negative Form eingebracht. Dann wird eine erhitzte positive Form komplementär mit der erhitzten negativen Form gepaart, wodurch das Gemisch zwischen den Formwerkzeugen positioniert wird. Durch sorgfältige Kontrolle der Temperatur und des Drucks, der an das Gemisch angelegt wird, sowie der Viskosität und des Lösungsmittelsgehalts, kann das Gemisch rasch zu formstabilen Gegenständen mit einer selektiv gestalteten Zellstrukturmatrix verformt werden. D. h., die Oberflächentextur und die Bildung der Zellen in der Strukturmatrix werden selektiv kontrolliert, indem die Komponenten und ihre relativen Konzentrationen in dem Gemisch sowie die thermodynamischen Verabeitungsbedingungen variiert werden. Das Ergebnis ist die Fähigkeit, eine breite Vielzahl von Behältern und anderen Gegenständen mit stark variierenden thermischen mechanischen Eigenschaften herzustellen, die den Eigenschaftskriterien des Gegenstands entsprechen.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Gegenstände so gebildet, dass sie die gewünschte Flexibilität für den vorgesehenen Anwendungszweck haben. Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden selbsttragende Gegenstände in eine Feuchtigkeitskammer eingebracht, wo sie bei ausgewählter Temperatur einer kontrollierten relativen Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Das Wasser wird durch das Bindemittel auf Stärkebasis durch Wasserstoffbindungen der Wassermoleküle an den Hydroxylgruppen der Stärke absorbiert, wodurch der Binder auf Stärkebasis erweicht wird und den Gegenständen die gewünschte Flexibilität verliehen wird. Ein Beschichtungsmaterial kann entweder in das Gemisch vor der Bildung des Gegenstands eingearbeitet werden oder der Überzug kann von außen nach Bildung des Gegenstands aufgebracht werden. Die nachfolgende Bearbeitung der Gegenstände kann ein Bedrucken, ein Aufstapeln und ein Aufbewahren in Kästen einschließen.

II. Definitionen.

Die Bezeichnungen "anorganisch gefülltes Gemisch", "Gemisch" oder "formbares Gemisch", die hierin verwendet werden, haben austauschbare Bedeutungen und sollen ein Gemisch bezeichnen, das zu den hierin beschriebenen und beanspruchten Gegenständen verformt werden kann. Solche Gemische sind dadurch charakterisiert, dass sie eine hohe Konzentration von anorganischem Füllstoff oder Aggregat (20 bis 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe in dem Gemisch für die meisten Aggregate, und 5 bis 85 Vol.-% des Materials im Falle von leichten Aggregaten), eines Lösungsmittels oder eines Binders auf Stärkebasis haben. Die formbaren Gemische können auch andere Zusätze, wie Formen-Trennmittel, Fasern, anorganische Aggregate, Dispergierungsmittel, Vernetzungsmittel, Rheologie-Modifizierungsmittel, Weichmacher und Beschichtungsmaterialien, enthalten.
Die hierin verwendete Bezeichnung "Gesamtfeststoffe" schließt alle Feststoffe ein, ob sie nun in dem Gemisch suspendiert oder aufgelöst sind. Das Volumen der Gesamtfeststoffe schließt die interstitiellen Hohlräume zwischen den Feststoffteilchen nicht ein, sondern wird dadurch errechnet, dass das Volumen der interstitiellen Hohlräume abgezogen wird.
Die Bezeichnungen "anorganisch gefüllte Zellmatrix", "Zellmatrix" oder "Strukturmatrix", die hierin verwendet werden, sind austauschbar und sollen Matrices des Gegenstands nach dem Härten des formbaren Gemisches bezeichnen.
Sowohl das formbare Gemisch als auch die Zellmatrix, die daraus gebildet worden ist, umfassen jeweils anorganisch gefüllte zellförmige Materialien oder anorganisch gefüllte Materialien. Die hierin verwendeten Bezeichnungen sind austauschbar und sollen Materialien oder Massen, ungeachtet der Menge von Lösungsmittel oder Feuchtigkeit in dem Gemisch und ungeachtet des Ausmaßes der Gelierung des Binders auf Stärkebasis, bezeichnen.
Die hierin verwendete Bezeichnung "Härtung" bedeutet den Gelierungsprozess des Binders auf Stärkebasis und die Entfernung des Lösungsmittels zur Herstellung eines formstabilen Gegenstands. Die Bezeichnung "'Härtung" ist nicht durch das Ausmaß der Gelierung oder die Menge des entfernten Lösungsmittels eingeschränkt.
Die hierin verwendete Bezeichnung "formstabil" bedeutet, dass der Gegenstand eine Strukturmatrix hat, die aus der Form entfernt werden kann, die ihr eigenes Gewicht trägt und die die nachfolgende Bearbeitung ohne Beschädigung oder Deformierung der Strukturmatrix überstehen kann. Weiterhin bedeutet die Bezeichnung "formstabil", dass bei dem Gegenstand genügend Lösungsmittel aus einer Matrix entfernt worden ist, dass der Gegenstand als Ergebnis einer Dampfexpansion keine Blasen bildet oder keine Risse bildet, wenn der Gegenstand einmal aus den Formen herausgenommen wird. Es sollte beachtet werden, dass jedoch die Formgegenstände selbst dann, wenn sie eine kleine Prozentmenge von Feuchtigkeit enthalten, immer noch als formstabil angesehen werden können.

III. KONZEPT-GESAMTÜBERSICHT DES BILDUNGSPROZESSES

A. Mikrostrukturelles Konstruktionsdesign.

Die erfindungsgemäßen anorganisch gefüllten Materialien werden aus der Perspektive des mikrostrukturellen Konstruierens entwickelt um die Mikrostruktur des Materials mit bestimmten gewünschten, vorbestimmten Eigenschaften zu bilden, während zur gleichen Zeit den Kosten und anderen Herstellungskomplikationen Rechnung getragen wird. Weiterhin hat dieser Mikrostrukturkonstruktions-Analyseansatz im Gegensatz zu dem traditionellen Versuch und Irrtum-, Misch- und Test-Versuchen zu der Fähigkeit geführt, anorganisch gefüllte Materialien zu gestalten, die Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, des Gewichts, der Flexibilität, der Isolierungsfähigkeit, der Kosten und der ökologischen Neutralität haben, die für die Herstellung von funktionellen und geeigneten Behältern und anderen Gegenständen erforderlich sind.
Die Anzahl der unterschiedlichen Rohmaterialien, die verfügbar sind um ein spezielles Produkt zu gestalten, ist enorm und liegt schätzungsweise im Bereich zwischen fünfzigtausend und achtzigtausend. Sie können von enorm breiten Klassen von Metallen, Polymeren, Elastomeren, Keramiken, Glas, Verbundstoffen und Zementen ausgewählt werden. Innerhalb einer gegebenen Klasse besteht eine gewisse Gemeinsankeit an Eigenschaften der Verarbeitung und der Verwendungsmuster. Beispielsweise haben Keramiken einen hohen Elastizitätsmodul, während Polymere einen niedrigen Modul haben. Metalle können durch Gießen und Schmieden verformt werden, während Verbundstoffe spezielle Verformtechniken benötigen. Hydraulisch härtbare Materialien, mit Einschluss von solchen, die aus hydraulischen Zementen hergestellt sind, haben historisch eine niedrige Biegefestigkeit, während Elastomere eine hohe Biegefestigkeit und Dehnung vor dem Bruch haben.
Die Einteilung der Materialeigenschaften hat jedoch ihre Gefahren, da sie zu einer Spezialisierung führen kann (der Metallurgist versteht nichts von Keramiken) und zu einem konservativen Denken ("wir verwenden immer Stahl, weil er immer verwendet worden ist"). Es ist diese Spezialisierung und dieses konservative Denken, dass die Berücksichtigung der Verwendung von gefüllten Materialien für eine Vielzahl von Produkten für die Herstellung von Behältern und anderen Verpackungsmaterialien eingeschränkt hat. Gleichwohl wird, wenn einmal realisiert worden ist, dass anorganisch gefüllte Materialien eine breite Eignung haben und zu den gewünschten Eigenschaften gestaltet und mikrostrukturell konstruiert werden können, ihre Anwendbarkeit für eine Vielzahl von Produkten ersichtlich. Solche Materialien haben den weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen Materialien, dass sie ihre Eigenschaften unter relativ milden, nichtbeschädigenden und billigen Bedingungen erhalten (andere Materialien erfordern hohe Energie, ein scharfes Erhitzen oder eine scharfe chemische Bearbeitung, die signifikant die Materialkomponenten und die Herstellungskosten erhöhen). Weiterhin können herkömmliche Materialien oder Komponenten davon in die erfindungsgemäßen Materialien unter Erhalt überraschender synergistischer Eigenschaften oder Ergebnisse eingearbeitet werden.
Das Design der erfindungsgemäßen Massen ist zuerst durch primäre Einschränkungen, die durch das Design diktiert worden sind, und dann, indem der Subset von Materialien gesucht wurde, der die Performance der Komponenten maximiert, entwickelt und verengt worden. Zu allen Zeiten während des Prozesses ist es jedoch von Wichtigkeit, die Notwendigkeit der Gestaltung der Produkte zu realisieren, die mit einem kostenkonkurrierenden Prozess hergestellt werden können.
Primäre Beschränkungen der Materialauswahl werden durch die Eigenschaften bestimmt, die für den Artikel notwendig sind, damit dieser erfolgreich bei seinem vorgesehenen Anwendungszweck funktioniert. Bezogen auf einen Nahrungsmittel- und Getränkebehälter schließen beispielsweise solche primären Einschränkungen ein minimales Gewicht, eine minimale Festigkeit (sowohl Druck- als auch Zugfestigkeit), Flexibilität und Zähigkeitserfordernisse ein, während gleichzeitig die Kosten gegenüber Papier, Kunststoff, Polystyrol oder Metallgegenständen vergleichbar sein sollen.
In der einfachsten Form erfordert der Prozess der Anwendung der Materialwissenschaft für die mikrostrukturelle Konstruktion und Gestaltung eines anorganischen Gegenstands, das Verständnis der Beziehungen zwischen den Gemischkomponenten, den Prozessparametern (z. B. der Zeit, der Temperatur, dem Druck, der Feuchtigkeit), den Mischeigenschaften und den Eigenschaften der fertigen Gegenstände. Durch ein Verständnis der Beziehungen zwischen den Variablen, sowohl im Makro- als auch im Mikroniveau, kann der Fachmann auf diesem Gebiet die Verhältnisse der gewünschten Komponenten auswählen, die unter ausgewählten Bedingungen bearbeitet werden um Gegenstände mit gewünschten Eigenschaften für den vorgesehenen Anwendungszweck mit minimalen. Kosten herzustellen.
Die Beziehungen zwischen den Variablen werden hierin an ausgewählten Stellen, wo die Variablen eingeführt und definiert werden, diskutiert. Spezielle Zusammensetzungen werden später in den Beispielen gegeben um zu demonstrieren, wie die Auswahl der Variablen die Eigenschaften optimieren kann.

B. Gegenstände beziehungsweise Handelswaren.

Unter Anwendung des Mikrostrukturkonstruktionsansatzes kann eine Vielzahl von Gegenständen aus den Massen gemäß der Erfindung und gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Die hierin verwendeten Bezeichnungen "Gegenstand" und "Handelsware" sollen alle Waren beziehungsweise Güter einschließen, die bei dem beschriebenen Verfahren gebildet werden können. Beispiele für solche Gegenstände beziehungsweise Handelswaren sind Behälter, wie Nahrungsmittel- und Getränkebehälter und Abpackbehälter. Gegenstände im Rahmen dieser Erfindung schließen auch solche grundverschiedenen Gegenstände wie Messer, Blumentöpfe, Rohrpostrohre, Lichtbefestigungen, Aschenbecher und Spieleplatten ein.
Die hierin verwendeten Bezeichnungen "Behälter" sollen beliebige Aufnahmeeinrichtungen oder Gefäße einschließen, die beispielsweise für das Verpacken, Lagern, Transportieren, Servieren, Portionieren oder Abgeben von verschiedenen Produkttypen oder Gegenständen (mit Einschluss von sowohl Feststoffen als auch Flüssigkeiten), ungeachtet des Anwendungszwecks, über einen kurzen oder langen Zeitraum einschließen.
Behälter im Rahmen der Erfindung schließen, ohne Begrenzung, folgendes ein: Kartons, Schachteln, Sandwich-Behälter, mit Scharnier versehene oder zweiteilige Klappbehälter, Schachteln für trockene Cerealien, Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel, Milchkartons, Fruchtsaftbehälter, Träger für Getränkebehälter, Eiscremekartons, Tassen (einschließend, jedoch ohne Beschränkung darauf, Wegwerf-Trinktassen, zweistückige Tassen, einstückige Tassen und kegelförmige Tassen), Behälter für Pommes frites, die von Fastfood-Outlets verwendet werden, Carry out-Boxen für Fastfood, Verpackungen, Träger, Tabletts (zum Tragen von Produkten, wie Süßigkeiten und Candybars), Dosen, Joghurtbehälter, Büchsen, Zigarrenschachteln, Süßigkeitenschachteln, Schachteln für Kosmetika, Platten, Verkaufsplatten, Kuchenplatten, Tabletts, Backbleche, Schalen, Frühstücksplatten, für Mikrowellenzwecke geeignete Dinnertabletts, "TV"-Dinnertabletts, Eierschachteln, Fleischverpackungsplatten, Einwegauskleidungen, die in solchen Behältern, wie Tassen oder Nahrungsmittelbehältern, verwendet werden können, im Wesentlichen kugelförmige Gegenstände, Flaschen, Kolben, Schachteln, Kisten, Geschirr, Medizinfläschchen, und eine endlose Vielzahl von anderen Gegenständen.
Der Behälter sollte dazu imstande sein, seinen Inhalt entweder stationär oder in Bewegung oder beim Handhaben zu halten, während seine Strukturintegrität und diejenige der Waren oder darauf enthaltenen Materialien beibehalten wird. Dies bedeutet nicht, dass der Behälter starken oder sogar minimalen äußeren Kräften widerstehen muss. Tatsächlich kann es in einigen Fällen bei einem bestimmten Behälter erwünscht sein, dass dieser extrem brüchig oder zerstörbar ist. Der Behälter sollte jedoch dazu imstande sein, seine Funktion auszführen, für die er vorgesehen ist. Die notwendigen Eigenschaften können immer zuvor für das Material und die Struktur des Behälters festgelegt werden.
Der Behälter sollte auch dazu imstande sein, die Güter aufzunehmen und ihre Integrität über einen genügenden Zeitraum aufrecht zu erhalten, die ausreichend ist um dem Endzweck zu genügen. Naturgemäß kann unter bestimmten Umständen der Behälter den Inhalt vor Außeneinflüssen abschirmen, und unter anderen Umständen kann er lediglich den Inhalt halten oder beibehalten.
Zurückhaltungsprodukte, die in Verbindung mit dem Behältern verwendet werden, sollen ebenfalls unter die Bezeichnung der "Behälter" fallen. Beispiele für solche Produkte sind Deckel, Strohhalme, Innenabpackungsmaterialien, wie Trennwände, Auskleidungen, Verankerungspaddel, Eckhalter, Eckprotektoren, Abstandspolster, mit Scharnieren versehene Platten, Tabletts, Trichter, Dämpfungsmaterialien und andere Gegenstände, die beim Verpacken, beim Lagern, beim Transportieren, beim Portionieren, beim Servieren oder beim Abgeben von Gegenständen in einem Behälter verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Behälter können als Wegwerfbehälter klassifiziert werden oder nicht. In manchen Fällen kann, wenn eine festere, dauerhaftere Konstruktion erforderlich ist, der Behälter für den wiederholten Gebrauch geeignet sein. Andererseits kann der Behälter so hergestellt werden, dass er wirtschaftlich ist, wenn er nur einmal verwendet und dann verworfen wird. Die erfindungsgemäßen Behälter haben eine solche Zusammensetzung, dass sie in herkömmlichen Abfall-Landfüllungsgegenden verworfen oder weggeworfen werden können, wie ein ökologisch neutrales Material.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände können stark variierende Dicken, je nach der besonderen Verwendung des Gegenstands, haben. Sie können so dünn wie etwa 1 mm für Anwendungszwecke, wie für Becher, sein. Andererseits können sie so dick wie notwendig sein, wo die Festigkeit, die Dauerhaftigkeit oder die Voluminösität wichtige Erwägungen sind. So kann beispielsweise der Gegenstand bis 10 cm dick oder mehr sein um als spezialisierter Verpackungsbehälter oder als Kühleinrichtung zu wirken. Die bevorzugte Dicke für die meisten Gegenstände liegt im Bereich von 1,5 mm bis 1 cm, wobei 2 mm bis 6 mm am meisten bevorzugt werden.
Die Ausdrücke "massenproduzierbar" oder hergestellt in "ökonomischer" oder "ökologischer" Weise, sollen hierin die Fähigkeit der raschen Erzeugung von Gegenständen mit einer Geschwindigkeit bezeichnen, die ihre Herstellung ökonomisch mit Gegenständen vergleichbar macht, die aus herkömmlichen Materialien, wie Pappe, Papier, Polystyrol, Kunststoff oder Metall, hergestellt sind.
Die aus anorganisch gefüllten Materialien hergestellten Behälter und andere Gegenstände sollen auf dem Markt mit solchen Gegenständen konkurrenzfähig sein, die derzeit aus verschiedenen Materialien, wie Papier, Kunststoff, Polystyrol oder Metallen, hergestellt werden. Daher müssen die erfindungsgemäßen Gegenstände wirtschaftlich herstellbar sein (d. h., die Kosten werden gewöhnlich nicht einige wenige Cent pro Stück überschreiten). Solche Kostenbeschränkungen erfordern daher eine automatisierte Produktion von tausenden der Gegenstände innerhalb einer kurzen Zeitspanne. Daher ist das Erfordernis, dass die erfindungsgemäßen Gegenstände wirtschaftlich massenproduziert werden können, eine signifikante Begrenzung der Qualitäten der Materialien und der Produkte.

C. Prozesskonzepte und -variable

Die Erfindung diskutiert die zugrundeliegenden Konzepte und Prozessvariablen, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gegenstände angewendet werden. Eine detaillierte Beschreibung der mechanischen Vorrichtungen und der Systeme, die bei dem Herstellungsprozess verwendet werden, wird später gegeben.
Das erfindungsgemäße Gemisch wird dadurch hergestellt, dass ausgewählte Komponenten kombiniert werden und vermengt werden, bis ein homogenes, formbares Gemisch gebildet worden ist. Typischerweise werden zuerst die trockenen Komponenten gemischt. Die flüssigen Komponenten, wie Wasser, werden dann in das Gemisch eingemischt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Gemisch in einer verschlossenen Kammer hergestellt, an die ein negativer Druck oder ein Vakuum angelegt wird. Das angelegte Vakuum verhindert das Einfangen von Luftbläschen in dem Gemisch, und es entfernt diese. Der Vorteil davon liegt darin, dass eingefangene Luftbläschen dazu neigen, an die Außenoberfläche des Gegenstands während des Formprozesses zu wandern, was zu einem Produkt mit erhöhten Oberflächendefekten und niedriger Strukturintegrität führen kann.
Wenn das Gemisch einmal hergestellt worden ist, dann wird es in die Gestalt des gewünschten Gegenstands verformt. Gemäß einer Ausführungsform schließen die Verformungsstufen die Positionierung und das Befestigen des Gemisches zwischen einem erhitzten positiven Formwerkzeug mit der gewünschten Gestalt und einem erhitzten negativen Formwerkzeug mit komplementärer Gestalt ein. Die Wärme von den Formen bewirkt, dass das Gemisch in den Formen expandiert. Überschüssiges Material und Dampf werden zwischen den Formen durch kleine Belüftungslöcher ausgetrieben. Wenn einmal eine genügende Menge des Lösungsmittels entfernt worden ist, dann werden die Formen geöffnet, und der formstabile Gegenstand mit zellförmiger Strukturmatrix wird für die nachfolgende Bearbeitung entfernt.
Das Verfahren wird genauer anhand des Phasendiagramms der Fig. 1, das das Phasendiagramm für Wasser ist, definiert. Die Fig. 1 zeigt als allgemeines Beispiel die Druck- und Temperaturstufen, die ein Gemisch bei Verwendung von Wasser als Lösungsmittel bei der Bildung des Gegenstands durchläuft. Zwischen den Punkten A und B entlang der Linie 1 ist das Gemisch zwischen den Formen eingeschlossen, und es wird rasch zuerst bei einem konstanten Umgebungsdruck auf eine Temperatur von etwa 100ºC erhitzt. Der Teil des Gemisches, der den Formen am nächsten ist, wird mit schnellerer Geschwindigkeit erhitzt und erreicht daher vor dem Innenabschnitt des Gemisches eine Temperatur von 100ºC. Wenn das Gemisch sich zu erhitzen beginnt, dann beginnt der Binder auf Stärkebasis zu gelieren, und die Viskosität des Gemisches wird erhöht. (Der Gelierungsprozess wird später im Abschnitt der Binder auf Stärkebasis erläutert).
Wenn einmal die Temperatur des Wassers in dem formbaren Gemisch, das sich im Kontakt mit der Formoberfläche befindet, 100ºC erreicht, dann beginnt das Wasser zu verdampfen, wodurch Lufttaschen oder Hohlräume in dem Gemisch gebildet werden. Als Ergebnis dieser expandierenden Taschen expandiert das Volumen des Gemisches, und es wird bewirkt, dass das Gemisch steigt, wodurch die Form gefüllt wird und momentan die kleinen Belüftungslöcher verstopft werden. Das Wasser oder das Lösungsmittel in dem Teil des formbaren Gemisches, der den Formen am nächsten ist, wird rasch verdampft und aus dem Gemisch bei oder nahe dem Bereich abgetrieben, der am nächsten an der Form angeordnet ist. In Fig. 1 ist dies der Punkt B. auf diese Weise wird derjenige Teil des Gemisches zu einer dünnen, dichten Haut gehärtet. Es wird angenommen, dass die Haut fast sofort gebildet wird und als Isolierungsschranke für den restlichen Teil des formbaren Gemisches wirkt, wodurch die Erhitzungsgeschwindigkeit erniedrigt wird. Mit den verstopften Belüftungslöchern und aufgrund des eingeschränkten Flusses beginnt der Druck zwischen den Formen, wie durch die Linie 2 gezeigt, anzusteigen, wodurch die Umwandlung des restlichen Lösungsmittels in Dampf beim Siedepunkt, gewöhnlich 100ºC für Wasser, verhindert wird. Stattdessen wird, wie durch die Linie 2 gezeigt wird, das Lösungsmittel in dem formbaren Gemisch als Ergebnis des eingeschränkten Flusses supererhitzt. Gegebenenfalls bricht das Material, das die Belüftungslöcher blockiert, wodurch gestattet wird, dass überschüssiges Material zwischen den Formen entweicht. Jedoch wird als Ergebnis der kleinen Größe der Belüftungslöcher der Fluss des austretenden Gemisches eingeschränkt, wodurch der Druck und die Temperatur in der Form weiter bis Punkt C in Fig. 1 ansteigt.
Die zellförmige Strukturmatrix wird gebildet, wenn genügend überschüssiges Material entwichen ist, wodurch ein Druckabfall zwischen den Formteilen bewirkt wird. Unter hohem Druck wird der Lösungsmitteldampf, der gebildet wird, aufgrund der Supererhitzung nukleisiert. Der Druckabfall bewirkt, dass sich das supererhitzte Lösungsmittel rasch in den Gaszustand durch adiabatische Expandierung umwandelt, wodurch eine Verteilung von Hohlräumen oder Zellen durch die Strukturmatrix des Gegenstands hindurch gebildet wird. Die Tendenz des Lösungsmitteldampfs, an individuellen Punkten durch das supererhitzte Gemisch hindurch konzentriert zu werden, ergibt eine ziemlich gut verteilte Zellstruktur. Die Umwandlung des Lösungsmittels in Dampf ist eine endotherme Reaktion, die Hitze aus dem formbaren Gemisch absorbiert, wodurch die Temperatur des formbaren Gemisches im Inneren der Form erheblich verringert wird. Der Abfall der Temperatur und des Drucks des formbaren Gemisches ist durch die Linie 3, die sich von Punkt C zu B ausdehnt, dargestellt. Die Illustration, dass die Temperatur des Gemisches auf 100ºC zurückkehrt, ist lediglich als Beispiel gedacht. Tatsächlich kann die Temperatur des Gemisches auf unterhalb 100ºC abfallen. Der Druckabfall des Lösungsmittels wird als Linie 5, die sich von Punkt C zu D erstreckt, dargestellt.
Bei geöffneten Belüftungslöchern und vermindertem Druck beginnt das Gemisch dann sich erneut bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels zu erhitzen, wodurch gestattet wird, dass zurückgebliebenes Lösungsmittel frei verdampft, bis genügend Lösungsmittel aus dem Gegenstand entfernt worden ist, dass dieser formstabil wird. Dieser Prozess wird durch die Linie 5, die sich von Punkt B an erstreckt, dargestellt. Diese Analyse der Zellbildung wird durch die Tatsache gestützt, dass die Herstellung von Gegenständen bei niedrigem Druck zu Gegenständen mit minimalen Hohlräumen führt. So führt beispielsweise eine allmähliche Verdampfung des Lösungsmittels aus dem Gemisch bei niedriger Temperatur oder ein rasches Erhitzen des Gemisches auf der Oberseite einer einzigen Form zu einem Produkt mit niedrigerer Konzentration von Lufthohlräumen und mit hoher Dichte.
In Fig. 2 ist ein mikroskopisches Bild eines Querschnitts 8 eines gebildeten Gegenstands dargestellt. Die Figur zeigt, dass die erfindungsgemäßen Gegenstände eine Außenhaut 10 mit kleinen Zellen 12 und einen Innenabschnitt 14, enthaltend große Zellen 16, haben. Kleine Zellen 12 sind als solche definiert, die einen mittleren Durchmesser von weniger als 250 um haben. Das Material zwischen benachbarten Zellen wird als Zellwand 18 bezeichnet. Die Verteilung und die Größe der Zellen in der Strukturmatrix hängen von mehreren Variablen ab, mit Einschluss der Viskosität des Gemisches, der Temperatur der Formen und der Zusammensetzung des Gemisches, d. h. den Arten und Mengen von Lösungsmittel, Binder auf Stärkebasis, Aggregat, Rheologie-Modifizierungsmitteln, und anderen Mischbestandteilen.
Gegenstände mit der gewünschten Strukturmatrix können hergestellt werden, indem damit in Verbindung stehende Variablen kontrolliert werden. Beispielsweise stellt Fig. 2A ein mikroskopisches Bild des Querschnitts eines Gegenstands mit einer Außenhaut 10 und großen Zellen 16 im Innenabschnitt 14 dar. Die Fig. 2B ist ein mikroskopisches Bild eines Querschnitts eines Gegenstands mit einer dünnen Außenhaut 10 und mittleren Zellen 19 im Innenabschnitt 14. Schließlich ist die Fig. 2C ein mikroskopisches Bild des Querschnitts eines Gegenstands mit einer dicken Außenhaut 10 und großen Zellen 16 im Innenabschnitt 14. Im Allgemeinen nehmen die Isolierungsfähigkeit und die Festigkeit der Strukturmatrix des Gegenstands zu, wenn die Zellen gleichmäßiger in der Matrix dispergiert sind. Die Erhöhung des Gesamtvolumens des Zellraums würde auch dazu neigen, die Isolierungsfähigkeit zu verbessern, obgleich zu erwarten wäre, dass dies einen nachteiligen Effekt auf die Festigkeit der Matrix ausübt. Die Isolierungsfähigkeit kann ohne signifikante Einbußen der Festigkeit verbessert werden, indem man ein wirksam teilchengepacktes, leichtes Aggregat zu der Matrix gibt.
Die Größe der Zellen in der Strukturmatrix wird stark durch die Viskosität und/oder den Zustand der Härtung des Gegenstands beeinflusst. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, wird die Außenhaut 10 im Verfahren früh gebildet, und sie ist für die Strukturintegrität des Gegenstands wichtig. Demgemäß ist es, wenn der Druck abfällt und die Zellen in dem Gemisch gebildet werden, für den Dampf erheblich leichter, in dem Innenabschnitt 14 zu expandieren als in der Außenhaut 10. Somit sind die Zellen in dem Innenabschnitt 14 erheblich größer. Es ist auch möglich, dass die Zellen in der Außenhaut 10 zur gleichen Zeit gebildet werden, wie die Haut gebildet wird. D. h., wenn das Lösungsmittel in dem Teil des Gemisches verdampft, der die Außenhaut 10 bildet, dann beginnt die Bildung von kleinen Bläschen innerhalb der Haut. Jedoch wird der Außenteil des Gemisches so rasch erhitzt, dass die Haut hart wird, bevor die Zellen die Chance haben, sich zu vergrößern.
Wie bereits zum Ausdruck gebracht, ist es von Wichtigkeit, genügend Lösungsmittel zu entfernen, damit der Gegenstand aus der Form entfernt werden kann und in angemessener Weise formstabil ist. Im Allgemeinen enthält die Strukturmatrix des geformten Gegenstands etwa 5% oder weniger Lösungsmittel an einem Punkt, wo der Gegenstand eine angemessene Festigkeit und Stabilität hat, so dass er aus der Form entnommen werden kann. Die Notwendigkeit, diese relativ große Menge von Lösungsmittel zu entfernen um einen formstabilen Gegenstand zu erzeugen, der aus der Form herausgenommen werden kann, resultiert aus der Tendenz des verdampften Lösungsmittels in der Zellmatrix, nach der Stufe der Herausnahme aus der Form weiter zu expandieren. Daher hat ein nicht ausreichend getrockneter Gegenstand die Tendenz, sich nach dem Entfernen aus der Form aufgrund des hohen Innendrucks des verdampften Lösungsmittels aufzublasen.
Jedoch kann dieser hohe Innendruck stark durch Anwendung eines Kühlzyklus verringert werden, der sich sofort an den Erhitzungszyklus, bevor der Gegenstand aus der Form herausgenommen wird, anschließt. Die Abkühlung der Strukturmatrix des Gegenstands bewirkt, dass das Lösungsmittel wieder kondensiert, wodurch der Innendruck verringert wird, der durch das verdampfende Lösungsmittel während des Erhitzungszyklus bewirkt wird.
Die Anwendung eines Abkühlungszyklus gestattet die Entfernung des Gegenstands aus der Form, während eine angenomessene innere Feuchtigkeit aufrecht erhalten wird, so dass die Flexibilität und Federungsfähigkeit aufrecht erhalten wird, was seinerseits die Notwendigkeit für eine nachfolgende Konditionierungsstufe in Wegfall kommen lässt.
Die Viskosität des Gemisches während des Bildungsprozesses ist eine Funktion der Zusammensetzung des Gemisches und der Prozessparameter. Wie später im Abschnitt der Massen beschrieben wird, kann die Viskosität des Gemisches selektiv durch die Arten des Binders auf Stärkebasis und die Menge des zugegebenen Lösungsmittels eingestellt werden. Rheologie- Modifizierungsmittel werden gleichfalls dazu eingesetzt, die Viskosität zu kontrollieren. Durch Verwendung von Gemischen mit niedriger Viskosität kann der durch das Lösungsmittel gebildete Dampf leichter expandieren, wodurch Gegenstände mit niedriger Dichte und mit großen Zellen erzeugt werden. Gemische mit hoher Viskosität erschweren es, dass der Dampf expandiert, wodurch dichtere Gegenstände mit kleineren Zellen gebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird zur Kontrolle der Zellgröße das Gemisch vor der Verformung zu der gewünschten Gestalt vorgekocht. Das formbare Gemisch wird durch Erhitzen des Gemisches, z. B. durch eine Druck-Kochvorrichtung oder eine Mikrowellenvorrichtung, bis zum Punkt der Gelierung des Binders auf Stärkebasis vorgekocht. Die exakte Temperatur hängt von der Art des verwendeten Binders auf Stärkebasis ab. So geliert beispielsweise Kartoffelstärke bei etwa 65ºC. Durch Gelierung des Binders auf Stärkebasis vor der Positionierung zwischen den Formen können die Amylosepolymeren in den Stärkekörnern besser expandieren und sich voll vor der Härtung verschlingen. Weiterhin ist die Viskosität des Gemisches höher, wenn es zuerst zwischen die Formen gebracht wird. Als Ergebnis hat der fertige Gegenstand eine gesteigerte Festigkeit und kleinere, gleichförmigere Zellen. Wie später beschrieben, haben verschiedene Typen von Binder auf Stärkebasis verschiedene Effekte auf die Bildung der Zellen.
Die Prozessvariablen bei der Bildung der erfindungsgemäßen Gegenstände und der zellförmigen Strukturmatrix schließen die Formtemperatur, die Zeit für die Entfernung des Lösungsmittels, das Füllvolumen, die Größe der Belüftungslöcher und die Zyklen des Öffnens und des Schließens der Formen vor dem Verschließen der Formen ein. Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden vorzugsweise aus den verschlossenen Formen entfernt, nachdem der größte Teil, jedoch nicht das gesamte Lösungsmittel (typischerweise mehr als etwa 95%), entfernt worden ist. Während das Gemisch zwischen den Formen eingeschlossen ist, werden die Außenränder der Gegenstände durch die gegenüberliegenden Formen getragen. Dampf, gebildet durch Verdampfen des Lösungsmittels, muss daher unter Druck zu den Belüftungslöchern strömen, wo er ausgepresst wird. Die Außenwände des Gegenstands sind die ersten, die gebildet werden, und sie sind als Ergebnis des Wasserverlustes brüchig. Die Trennung der Formteile vor der Entfernung im Wesentlichen des gesamten Lösungsmittels gestattet es, dass der Dampf zwischen den Wänden des Gegenstands expandiert, wodurch eine Blasenbildung, eine Rissbildung oder eine Deformation der Außenwände der Gegenstände bewirkt wird. Weiterhin können Versuche, den Gegenstand aus den Formen vor der Entfernung einer genügenden Feuchtigkeitsmenge zu entfernen, dazu führen, dass der Gegenstand an den Formen klebt, und dass die Strukturmatrix beschädigt wird.
Da der Gegenstand nicht entfernt werden kann, bis das Lösungsmittel im Wesentlichen entfernt worden ist, wird es bevorzugt, eine möglichst hohe Formtemperatur zu haben. Dies minimiert die Zeit für die Entfernung des Lösungsmittels und gestattet die schnellste Produktion der Gegenstände. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass Temperaturen oberhalb etwa 240ºC zu einer Dextrifizierung oder zu einem Brechen der Stärkemoleküle in der Oberfläche des Gegenstands führt. Die Dextrifizierung karamelisiert die Stärke, erzeugt eine braune Farbe auf dem Gegenstand und verringert die Strukturintegrität des Gegenstands. Eine Temperatur von oberhalb etwa 240ºC kann auch bestimmte organische Fasern, wenn sie verwendet werden, verbrennen. Weiterhin führt ein Übertrocknen des geformten Gegenstands zu einem Schrumpfen und zu einer Rissbildung. Eine gewisse Feuchtigkeitsmenge sollte daher innerhalb der Strukturmatrix des Gegenstands zurückbleiben.
Im Gegensatz dazu ist es schwierig, einen Gegenstand mit einer zellförmigen Strukturmatrix bei Formtemperatur unterhalb etwa 120ºC zu bilden. Bei derart niedrigen Temperaturen erfolgt nur ein geringer Druckaufbau, und es findet nur eine langsame Verdampfung des Lösungsmittels statt. Untersuchungen haben ergeben, dass eine Erhöhung der Prozesstemperatur auf zwischen etwa 140 bis 240ºC die Produktionszeit und die Dichte des Gegenstands verringert. Bei Temperaturen im Bereich zwischen 140 bis 180ºC ist die Verringerung der Produktionszeit erheblich. Jedoch nach etwa 180ºC ist die Verringerung der Prozesszeit ziemlich eingeschränkt. Wiederum steht diese Feststellung im Einklang mit dem Modell der zellförmigen Bildung. Die höheren Temperaturen führen nur zu einer marginalen Verringerung der Bildungszeit, weil sie die Inkubationsperiode vor dem Druckabfall nur marginal verkürzen und sie nur die Zeit für die Entfernung der Feuchtigkeit nach der Bildung der Zellstruktur marginal verkürzen. Die Temperatur der Formen hat, wenn überhaupt, nur einen geringe Effekt auf die Bildungsgeschwindigkeit der Zellen nach dem Druckabfall.
Mit steigender Temperatur nimmt auch die Größe der Zellen zu. Die Größe der Zellen in der Strukturmatrix, und daher die Festigkeit und die Isolierungsfähigkeit der Gegenstände, kann daher zum Teil dadurch ausgewählt werden, dass die Temperatur der Formen entsprechend eingestellt wird. Weiterhin kann durch Variierung der Temperaturdifferenz zwischen der positiven und der negativen Form die Zellgröße selektiv zwischen den Wänden des Gegenstands variiert werden. Wenn beispielsweise die negative Form heißer als die entsprechende positive Form gemacht wird, dann kann ein Becher gebildet werden, der relativ große Zellen und eine höhere Isolationsfähigkeit an ihrer Außenoberfläche hat, wo die Tasse gehalten wird. Demgegenüber wird die Tasse dichter und an ihrer Innenoberfläche, wo die Flüssigkeit gehalten wird, wasserdichter.
Eine Temperatur von 200ºC wird für die rasche Produktion von dünnwandigen Gegenständen, wie Bechern, bevorzugt. Dickere Gegenstände erfordern eine größere Zeitspanne zur Entfernung des Lösungsmittels, und sie werden daher vorzugsweise auf niedrigere Temperaturen erhitzt um die Möglichkeit des Verbrennens des Binders auf Stärkebasis und der Fasern zu verringern. Ein Belassen der Gegenstände in den verschlossenen Formen über einen zu langen Zeitraum kann auch zu einer Rissbildung oder Deformation der Gegenstände führen. Theoretisch wird angenommen, dass eine Entfernung von mehr als etwa 98% des Lösungsmittels im Gemisch zu einem Schrumpfen der Strukturmatrix führt, was seinerseits zu einer Rissbildung in den Gegenständen führt. Weiterhin wird optimal der Gegenstand aus der Form entfernt, wenn ungefähr 2% bis 5% der Feuchtigkeit in dem Gegenstand zurückgeblieben sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Zahlen nur grobe Annäherungswerte sind.
Die Temperatur der Form kann auch die Oberflächentextur der Formen beeinflussen. Wenn einmal die Außenhaut gebildet ist, dann entweicht das im Innenabschnitt des Gemisches zurückgebliebene Lösungsmittel, indem es durch kleine Öffnungen in der Außenhaut hindurchgeht und dann zwischen der Haut und der Formoberfläche zu den Belüftungslöchern strömt. Wenn eine Form heißer ist als die andere, dann würden thermodynamische Gesetze vorhersagen, was auch empirisch gefunden worden ist, dass der Wasserdampf dazu neigen würde, zu der kühleren Form zu strömen. Als Ergebnis hat die Oberfläche des Gegenstands gegen die heißere Form eine glattere und gleichförmigere Oberfläche als die Oberfläche gegen die kühlere Form.
Die Temperatur der Formen kann auch entlang der Länge der Formen variiert werden. In Fig. 3 ist eine positive Form 15 angegeben, die mit einer negativen Form 17 gepaart ist. Ein formbares Gemisch ist dazwischen angeordnet. Im Allgemeinen schließt die positive Form ein oberes Ende 6 und ein Bodenende 7 ein. Gleichermaßen schließt die negative Form ein oberes Ende 9 und ein Bodenende 11 ein. In der Nähe der oberen Enden 6 und 9 sind Belüftungslöcher 13 angeordnet, durch die überschüssiges Material und Dampf entweichen können. Untersuchungen haben gezeigt, dass für Gegenstände mit starken Vertiefungen, wie Becher, eine glattere Oberfläche und eine gleichförmigere Strukturmatrix erhalten werden kann, wenn das Gemisch sequenziell von einem Punkt in der nächsten Nähe des Belüftungsloches bis zu einem Punkt am engsten zu den Belüftungslöchern gehärtet wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird es beispielsweise in einigen Fällen bevorzugt, dass die Temperatur der Formen an den Bodenenden 7 und 11 am höchsten ist, wobei die Temperatur allmählich in Richtung auf die oberen Enden 6 und 9, wo die Temperatur am niedrigsten ist, abnimmt.
Eine derartige Temperaturzonendifferenz innerhalb der Formen trägt dazu bei, den Dampf und die Luft zu den Belüftungslöchern zu richten und aus diesen auszutreiben. Wenn das Lösungsmittel am Bodenende der Formen verdampft wird, dann wird der Dampf in dem angrenzenden Gemisch absorbiert. Daher strömt der Dampf allmählich zu den Belüftungslöchem. Da weiterhin das Gemisch, das am engsten an den Belüftungslöchern liegt, das Letzte bei der Erhärtung ist, wird überschüssiges Material leichter als zwischen den Formen ausgeworfen. Wenn dagegen die Formen am höchsten in der Nähe der oberen Enden 6 und 9 ist, dann würde der Dampf in der Nähe der Bodenenden 7 und 11 dazu gezwungen werden, über die bereits erhärtete Oberfläche des Gegenstands zu strömen, wodurch möglicherweise die Oberflächentextur beschädigt wird. Gleichermaßen würde überschüssiges Material schon gehärtet werden, und seine Entfernung könnte zu einem Zerbrechen der Strukturintegrität des Gegenstands führen.
Die Formtemperatur und die Zeit für die Entfernung des Lösungsmittels hängen voneinander ab, und sie hängen weiterhin von der Dicke des Gegenstands und der vorhandenen Lösungsmittelmenge ab. Erfindungsgemäß ist die Formtemperatur vorzugsweise im Bereich von 150ºC bis 220ºC, wobei 170ºC bis 210ºC mehr bevorzugt, und von 190ºC bis 200ºC am meisten bevorzugt werden. Jedoch können dickere Gegenstände niedrigere Temperaturen erfordern. Die Zeitspanne, in der das Lösungsmittel vorzugsweise aus dem Gemisch entfernt wird, liegt im Bereich von 1 Sekunde bis 15 Minuten, wobei 15 Sekunden bis 5 Minuten bevorzugt, und von 30 Sekunden bis 1 Minute am meisten bevorzugt werden. Im Hinblick auf den endothermen Prozess der Verdampfung des Lösungsmittels und der ziemlich kurzen Zeitspanne, während der die Formen in Kontakt mit dem Gemisch sind, wird das Gemisch im Inneren des geformten Gegenstands im Allgemeinen nicht so heiß, wie die Formen sind. Typischerweise übersteigt die Temperatur des Gemisches 130ºC nicht.
Das Volumen des Materials, das zwischen den Formen für das nachfolgende Erhitzen positioniert ist, beeinflusst auch die resultierende Dichte eines Gegenstands. Wenn nicht genügend Material in die Form zur Bildung eines vollständigen Gegenstands eingeführt wird (es wird kein überschüssiges Material ausgeworfen), dann hat das resultierende Material eine höhere Dichte und einen höheren Feuchtigkeitsgehalt. Dies rührt von dem Fehlen eines Druckaufbaus und der nachfolgenden Expandierung her. Wenn genügend Material zugegeben wird um den gewünschten Druck (ein Minimum von überschüssigem Material) zu ergeben, dann nimmt die Dichte des Gegestands dramatisch ab.
Weitere Erhöhungen der Materialmenge verringern die Dichte des Gegenstands bis zu einem bestimmten Punkt. Nach diesem Punkt hat die Zugabe von weiterem Material einen kleinen oder keinen weiteren Effekt auf die resultierende Dichte. Beispielsweise führte bei der Herstellung von Bechern mit 12 oz. die Zugabe von 1 g Extramaterial zu einer Verminderung der Dichte von etwa 0,005 g/cm³. Jedoch führte die Zugabe von mehr als 35 Gramm Material nicht zu einer weiteren Verringerung der Dichte, und es handelte sich um eine bloße Vergeudung.
Der Druckaufbau in den Formen hängt sowohl von der Temperatur der Formen, als auch der Größe der Belüftungslöcher ab. Je größer die Belüftungslöcher sind, desto weniger Druck bildet sich in dem formbaren Gemisch, was zu einer geringeren Expandierung und zu einer dichteren Strukturmatrix des geformten Gegenstands führt. Demgemäß ist es so, dass, je größer die Belüftungslöcher sind, desto kleiner die Zellen in der Strukturmatrix sind. Wenn jedoch die Belüftungslöcher zu groß sind, dann ist das Gemisch nicht dazu imstande, die Belüftungslöcher zu verstopfen, wodurch der erforderliche Druckautbau zur Bildung der gewünschten Zellstruktur verhindert wird (eine derartige Anordnung kann aber bevorzugt werden, wenn ein dichterer Gegenstand gewünscht wird). Ein weiterer Nachteil der großen Belüftungslöcher ist derjenige, dass größere Deformationen auf der Oberfläche der Gegenstände an dem Punkt erzeugt werden können, wo das überschüssige Material entfernt wird. Die Größe der Deformationen kann verringert werden, indem die Größe verringert wird und die Anzahl der Belüftungslöcher erhöht wird.
Wenn die Belüftungslöcher zu klein sind, dann bildet sich überschüssiger Druck auf, was zu einer Deformation oder sogar Explosion des Gegenstands nach der Druckwegnahme führt. Die Größe der Zellen kann weiterhin durch Kontrolle der Druckwegnahme reguliert werden. Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit des Druckabfalls verlangsamt wird, dann wird eine plötzliche Expandierungskraft, bewirkt durch Verdampfung des Lösungsmittels, verringert. Dies führt zu Gegenständen mit kleineren Zellen und dickeren Zellwänden, die zusammen einen stärkeren Gegenstand ergeben.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch Regulierung der Größe der Belüftungslöcher die Größe der Zellen in der Strukturmatrix reguliert werden. Die exakte Größe und Anzahl der Belüftungslöcher hängt von der Größe des herzustellenden Gegenstands ab. Größere Gegenstände erfordern mehr Belüftungslöcher. Beispiele für die Größen und Zahl der Ventilierungslöcher zur Herstellung von Gegenständen wird später im Teil der Beispiele gezeigt. Bei der Herstellung der meisten erfindungsgemäßen Gegenstände liegen die Belüftungsgrößen vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm² bis 15 mm², mehr bevorzugt von 0,2 mm² bis 5 mm², und am meisten bevorzugt von 0,5 mm² bis 2 mm². Die Anzahl der Belüftungslöcher liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10, wobei 2 bis 8 bevorzugt, und 4 bis 6 mehr bevorzugt werden. Bei einer bevorzugten Methode zur Herstellung von Tassen ist gefunden worden, dass die Verwendung von 4 Belüftungslöchern, jeweils mit einem Belüftungsloch von 1,9 mm², bevorzugt wird.
Eine zyklische Trennung der Formen wird eingesetzt um Gegenstände mit erhöhter Hautdicke und Dichte bei schnellerer Erhitzunngszeit zu erzeugen. Die Stufe der zyklischen Trennung wird unmittelbar nach der Positionierung des Gemisches zwischen den Formen durchgeführt, und sie schließt wiederholte Stufen der langsamen Erhöhung oder Trennung der Formen und des anschließenden Zusammenbringens ein. Durch Trennung der Formen wird es gestattet, dass der Dampf leicht und rasch durch die Seiten der Formen entweicht, anstatt durch die Belüftungslöcher gepresst zu werden. Die Freisetzung des Dampfs trägt dazu bei, das formbare Material auszutrocknen, was seinerseits die Hautdicke des resultierenden Gegenstands erhöht. Wenn einmal die Stufe der zyklischen Trennung vervollständigt ist, dann werden die Formen verschlossen, und der Prozess der Bildung des zellförmigen Gegenstands wird mit der zurückgebliebenen Menge des Lösungsmittels in dem Gemisch vervollständigt.
Wie nachstehend genauer beschrieben, hat der resultierende Gegenstand durch Verringerung der Lösungsmittelmenge in dem Gemisch während der zyklischen Trennung eine höhere Dichte. Die zyklische Trennung gestattet es auch, dass das Lösungsmittel mit größerer Geschwindigkeit entweicht, wodurch ein Gegenstand innerhalb einer kürzeren Zeitspanne erhalten wird. Wenn jedoch die Geschwindigkeit nur die einzige Erwägung ist, dann kann das Gemisch am Anfang mit weniger Lösungsmittel hergestellt werden, so dass die Notwendigkeit für eine zyklische Trennung der Formen verringert oder eliminiert wird.
Die Variablen bei der zyklischen Trennung schließen die Öffnungszeit der Formen, die Zeit, während der die Formen zwischen den Öffnungen geschlossen sind, die Anzahl der Trennungen und der Abstand der getrennten Formen ein. Je nach den gewünschten Eigenschaften der Gegenstände liegen die Zeitspannen, in der die Formen geöffnet sind und in denen sie während der zyklischen Trennung geschlossen sind (die nicht gleich sein müssen), jeweils in einem bevorzugten Bereich von 0,2 Sekunden bis 5 Sekunden, wobei 0,3 Sekunden bis 1 Sekunde mehr bevorzugt, und 0,4 Sekunden bis 0,7 Sekunden am meisten bevorzugt werden. Die Anzahl der Trennungen liegt typischerweise in einem bevorzugten Bereich von 1 bis 20, wobei 3 bis 10 mehr bevorzugt, und 4 bis 7 am meisten bevorzugt werden. Schließlich liegt der Trennabstand vorzugsweise in einem Bereich von 1 mm bis 25 mm, wobei 2 bis 10 mm mehr bevorzugt, und 3 mm bis 5 mm am meisten bevorzugt werden.
Wie nachstehend genauer beschrieben, können ausgewählte Mischungszusätze, wie Befeuchtungsmittel oder Weichmacher, zugesetzt werden um dem Gegenstand während der Bildungsstufe die gewünschte Flexibilität zu verleihen. Wenn mit dem Gemisch keine derartigen Mischbestandteile kombiniert werden, dann ist als Ergebnis der Entfernung von praktisch dem gesamten Lösungsmittel aus dem Gemisch, der aus den Formen entnommene Gegenstand oft brüchig und er kann Risse haben oder zerstoßen sein. Um die notwendige Flexibilität und Deformation-vor-Rissbildung zu verleihen, damit der Gegenstand einsetzbar wird, wird in die stärkegebundene Strukturmatrix wieder Feuchtigkeit eingearbeitet. Dieser Prozess wird als Konditionierung bezeichnet. Die Feuchtigkeit wird vorzugsweise angewendet, indem der Gegenstand in eine Hochfeuchtigkeitskammer mit vorbestimmter Temperatur und Feuchtigkeit eingebracht wird. Die Feuchtigkeit in der hochfeuchten Umgebung wird durch den Binder auf Stärkebasis absorbiert. Die Feuchtigkeit erweicht den Binder auf Stärkebasis und erhöht die Flexibilität des Gegenstands. Da der Binder auf Stärkebasis eine natürliche Affinität für Wasser hat, kann der Gegenstand durch einfaches Aussetzen des Gegenstands normalen Umweltbedingungen konditioniert werden. Im Verlauf der Zeit absorbiert der Gegenstand Feuchtigkeit aus der Luft, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht wird. Jedoch kann je nach der Feuchtigkeit in der Luft ein derartiger Prozess Stunden, Tage oder sogar Wochen in Anspruch nehmen. Weiterhin kann es in sehr trockenen Klimazonen nicht genügend Feuchtigkeit in der Luft geben, damit der Gegenstand in angemessener Weise konditioniert wird.
Die Verwendung einer Feuchtigkeitskammer beschleunigt den Prozess auf eine Sache von Minuten, wodurch die Massenproduktion der Gegenstände ermöglicht wird. Die Variablen der Feuchtigkeitskammer schließen die Zeit, die Temperatur und die Feuchtigkeit ein. Untersuchungen haben ergeben, dass höhere Feuchtigkeiten von bis zu 95% bevorzugt werden, da sie die Zeitspanne vermindern, die erforderlich ist, damit der Gegenstand genügend Feuchtigkeit absorbiert. Es wird jedoch bevorzugt, dass das Wasser nicht direkt auf den Gegenstand angewendet wird, noch sollte die Feuchtigkeit so hoch sein, dass Wasser auf dem Gegenstand kondensiert. Die direkte Aufbringung von Wasser auf die Oberfläche des Gegenstands kann ein Quellen des Binders auf Stärkebasis bewirken, wodurch Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Gegenstands gebildet werden. Demgemäß liegt die Feuchtigkeit in der erfindungsgemäß verwendeten Hochfeuchtigkeitskammer vorzugsweise im Bereich von 50% bis 95%, wobei 75% bis 95% bevorzugt, und 85% bis 95% am meisten bevorzugt werden.
Obgleich eine Erhöhung der Temperatur in der Feuchtigkeitskammer auch die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption erhöht, wird, wenn der Gegenstand die Feuchtigkeit zu schnell absorbiert, das Äußere instabil und verliert seine Gestalt, bevor das Innere des Gegenstands den erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt erhalten hat. Weiterhin ist es schwierig und teuer, Feuchtigkeitskammern zu erhalten, die eine Umgebung mit sowohl hoher Temperatur, als auch hoher Feuchtigkeit erzeugen können. Demgemäß liegt die Temperatur in der Feuchtigkeitskammer vorzugsweise im Bereich von 30ºC bis 60ºC, wobei 35ºC bis 55ºC mehr bevorzugt, und 40ºC bis 50ºC am meisten bevorzugt werden.
Die Zeit, während der der Gegenstand in der Feuchtigkeitskammer verbleibt, hängt naturgemäß von der Temperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt ab. Die meisten Gegenstände erhalten die gewünschten Eigenschaften bei einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20 Gew-% des Gegenstands. Die erfindungsgemäßen Gegenstände können mit einem Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 20 Gew.-% des Gegenstands hergestellt werden, wobei 2 bis 15 Gew.-% mehr bevorzugt, und 4 bis 10 Gew.-% am meisten bevorzugt werden. Wie nachstehend genauer beschrieben, hängt der erforderliche Feuchtigkeitsgehalt zum Teil von der Konzentration der anorganischen Füllstoffe in den Gegenständen ab. Die Zeitspanne, die erforderlich ist, damit der Gegenstand den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt erhält, hängt auch von der Dicke des Gegenstands ab. Je dicker der Gegenstand ist, desto länger braucht es, bis die Feuchtigkeit in die Mitte des Gegenstands eindringt. Die Geschwindigkeit der Absorption und der erforderliche Feuchtigkeitsgehalt um einen Gegenstand mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten, hängen auch von dem Typ und der Menge des Füllstoffs ab, was nachstehend im Abschnitt Aggregate beschrieben werden wird.
Vom Gesundheitsstandpunkt ist es zweckmäßig, den Feuchtigkeitsgehalt in dem Gegenstand auf vorzugsweise unterhalb 10% zu minimieren. Je niedriger der Feuchtigkeitsgehalt ist, desto geringer ist die Gefahr eines Bakterienwachstums in dem Gegenstand und einer Schimmelbildung auf der Oberfläche. Dies ist besonders für Nahrungmittel- und Getränkebehälter wichtig. Weiterhin kann eine Absorption von zuviel Feuchtigkeit bewirken, dass der Gegenstand instabil wird. Auf der Basis der obigen Parameter für die Temperatur und die Feuchtigkeit werden die erfindungsgemäßen Gegenstände in der Feuchtigkeitskammer vorzugsweise über einen Zeitraum von etwa 1 Minute bis etwa 30 Minuten belassen, wobei etwa 5 Minuten bis etwa 15 Minuten mehr bevorzugt, und etwa 5 Minuten bis etwa 10 Minuten am meisten bevorzugt werden. Solche Zeiträume können jedoch für sehr dicke Gegenstände verlängert und für dünne Gegenstände verkürzt werden.
Unter Verwendung der obigen Prozesse zusammen mit den hierin beschriebenen Gemischkomponenten werden zellförmige Gegenstände gemäß der Erfindung hergestellt, die vorzugsweise eine Dichte im Bereich von 0,05 g/cm³ bis 1 g/cm³ haben, wobei 0,1 g/cm³ bis 0,5 g/cm³ mehr bevorzugt, und 0,15 g/cm³ bis 0,25 g/cm³ am meisten bevorzugt werden.
Die restlichen Prozessstufen schließen optionale Stufen, wie das Bedrucken und Beschichten, ein. Diese Stufen werden zusammen mit dem Aufstapeln, dem Abfüllen in Beutel und dem Abfüllen in Kästen im Wesentlichen in identischer Weise durchgeführt, wie im Falle von herkömmlichen Gegenständen aus Materialien, wie Papier, Kunststoff, Polystyrol-Schaumstoff, und anderen organischen Materialien. Diese Stufen werden hierin später beschrieben.

IV. ZUSAMMENSETZUNGSEFFEKTE AUF DIE FORMUNG

Um die Durchführung des mikrostrukturellen Konstruktionsansatzes zu erleichtern, werden die einzelnen Komponenten in dem formbaren Gemisch beschrieben. Die Beschreibung schließt die Eigenschaften und die bevorzugten Verhältnismengen der einzelnen Komponenten ein, sowie Angaben, wie die einzelnen Komponenten mit den Prozessparametern, den Eigenschaften des verformbaren Gemisches und den Eigenschaften des Endgegenstands im Zusammenhang stehen.

A. Binder auf Stärkebasis

Die verformbaren Gemische, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen anorganisch gefüllten zellförmigen Gegenstände verwendet werden, entwickeln ihre Festigkeitseigenschaften durch Gelierung und nachfolgende Austrocknung von im Wesentlichen solvatisierten Bindern auf Stärkebasis. Stärke ist eine natürliche Kohlenhydratkette, umfassend polymerisierte Zuckermoleküle (Glucose). Pflanzen stellen Stärke selbst her und speichern sie selbst als Nahrungsmittel und für die Samen. Die Stärke wird in Form von Körnern, umfassend zwei Typen von Glucosepolymeren, gebildet: Einkettige Amylose, die in Wasser und anderen Lösungsmitteln löslich ist, und verzweigtes Amylopektin, das in Wasser unlöslich ist.
Im Allgemeinen sind Stärkekörner in kaltem Wasser unlöslich. Wenn jedoch die Außenmembran gebrochen worden ist, z. B. durch Mahlen, können die Körner in kaltem Wasser unter Bildung eines Gels quellen. Bei der Behandlung von intakten Körnern mit warmem Wasser quellen die Körner, und ein Teil der löslichen Stärke (Amylose) diffundiert durch die Kornwand um eine Paste zu bilden. In heißem Wasser quellen die Körner bis zu einem solchen Ausmaß, dass sie bersten, wodurch eine Gelierung des Gemisches resultiert. Die exakte Temperatur, bei der ein Binder auf Stärkebasis quillt und geliert, hängt von dem Typ des Binders auf Stärkebasis ab.
Die Gelierung ist ein Ergebnis der linearen Amylosepolymere, die am Anfang innerhalb der Körner komprimiert sind, die sich herausstrecken und miteinander und mit dem Amylopektin vernetzen. Nach Entfernung des Wassers bildet das resultierende Netz aus miteinander verbundenen Polymerketten ein festes Material, das eine Zugfestigkeit von 40 bis zu 50 MPa haben kann. Diese Amylosepolymeren können auch dazu verwendet werden, individuelle Aggregatteilchen und Fasern in dem formbaren Gemisch zu binden (wodurch eine hochanorganisch gefüllte Matrix gebildet wird). Durch sorgfältiges mikrostrukturelles Konstruieren können hochanorganisch gefüllte Behälter und andere Gegenstände gestaltet werden, die gewünschte Eigenschaften, mit Einschluss der Biegefestigkeit, von bis zu 8 MPa, haben.
Obgleich Stärke in vielen Pflanzen erzeugt wird, sind die wichtigsten Quellen Samen beziehungsweise Sämlinge von Cerealkörnern (z. B. Mais, Wachsmais, Weizen, Sorghum, Reis und wachsartigem Reis), die auch im Mehl- und zerkleinerten Zustand verwendet werden können. Andere Quellen sind beispielsweise Knollenpflanzen (Kartoffel), Wurzeln (Maniok (d. h. Cassava und Maniak), Süßkartoffeln und Pfahlwurzeln), sowie das Mark der Sagopalme.
Die hierin verwendeten Bezeifchnungen "Stärke" oder "Binder auf Stärkebasis" schließen nichtmodifzierte Stärken (Amylose und Amylopektin) und modifizierte Stärken ein. Unter Modifizierung soll verstanden werden, dass die Stärke durch typische bekannte Prozesse derivatisiert oder modifiziert werden kann, wie beispielsweise durch Veresterung, Veretherung, Oxidation, saure Hydrolyse, Vernetzung und Enzymumwandlung. Beispiele für typische modifizierte Stärken sind Ester, wie das Acetat und die Halbester von Dicarbonsäuren/Anhydriden, insbesondere die Alkenylbernsteinsäuren/Anhydride; Ether, wie die Hydroxylethyl- und Hydroxypropylstärken; oxidierte Stärken, wie solche, die mit Hypochlorit oxidiert worden sind; Stärken, die mit Vernetzungsmitteln, wie Phosphoroxychlorid, Epichlorhydrin, hydrophoben kationischen Epoxiden und Phosphatderivaten, hergestellt durch Umsetzung mit Natrium- oder Kaliumorthophosphat oder Tripolyphosphat, und Kombinationen davon, umgesetzt worden sind. Modifizierte Stärken schließen auch Meeresgel-, langkettige Alkylstärken, Dextrine, Aminstärken und Dialdehydstärken ein. Nichtmodifizierte Binder auf Stärkebasis werden im Allgemeinen gegenüber modifizierten Bindern auf Stärkebasis bevorzugt, da sie erheblich billiger sind und vergleichbare Gegenstände liefern.
Vorgelatinierte Binder auf Stärkebasis können ebenfalls in das formbare Gemisch eingegeben werden. Vorgelatinisierte Binder auf Stärkebasis sind Stärken, die zuvor geliert, getrocknet und wieder zu einem Pulver vermahlen worden sind. Da vorgelatinisierte Binder auf Stärkebasis in kaltem Wasser gelieren, können solche Binder auf Stärkebasis zu dem formbaren Gemisch gegeben werden um die Viskosität des Gemisches vor dem Erhitzen zu erhöhen. Die erhöhte Viskosität verhindert ein Absetzen und trägt dazu bei, dickere Zellwände zu produzieren, was nachstehend genauer beschrieben werden wird. In solchen Fällen könnte der vorgelierte Binder auf Stärkebasis als dahingehend angesehen werden, dass er als Rheologie- Modifizierungsmittel wirkt.
Bevorzugte Binder auf Stärkebasis sind solche, die bei relativ niedriger Temperatur gelieren und eine hohe Viskosität ergeben. So geliert z. B. Kartoffelstärke rasch und erreicht die maximale Viskosität bei etwa 65ºC. Dann nimmt die Viskosität ab und erreicht bei etwa 95ºC ein Minimum. Weizenstärke wirkt in ähnlicher Weise und kann je nach den Kosten und der Verfügbarkeit bevorzugt werden. Solche Binder auf Stärkebasis sind für die Produktion von dünnwandigen Gegenständen mit glatter Oberfläche und einer Haut mit genügender Dicke und zur Verleihung von gewünschten mechanischen Eigenschaften wertvoll.
Wie vorstehend beschrieben, wird der Teil des formbaren Gemisches, der am nahsten an der erhitzten Form liegt, rasch erhitzt. Unter Verwendung eines Gemisches, enthaltend Kartoffelstärke, hat der Teil des formbaren Gemisches, der am nächsten an den erhitzten Formen angeordnet ist, eine maximale Viskosität während des Trocknens und der Bildung der Zellstruktur. Demgemäß haben die Zellen in der Nähe der Seiten des Gegenstands eine minimale Zellgröße und eine maximale Zellwanddicke. Demgegenüber wird die Zellstruktur in dem formbaren Gemisch im Innenabschnitt des Gegenstands nicht gebildet, bis nachdem die Viskosität abgenommen hat. Als Ergebnis sind die Zellen im Innenabschnitt erheblich größer. Diese Theorie steht im Einklang mit der Bildung der Zellmatrix, wie vorstehend beschrieben.
Es kann zu bevorzugen sein, unterschiedliche Typen von Binder auf Stärkebasis zu kombinieren um die Zellmatrix zu regulieren. Im Gegensatz zu Kartoffelstärke nimmt die Viskosität eines Gemisches, enthaltend Maisstärke, allgemein bei steigender Temperatur zu. Demgemäß ergibt Maisstärke ein Gemisch mit relativ niedriger Viskosität im Vergleich zu Kartoffelstärke bei 65ºC, liefert aber ein relativ hochviskoses Gemisch im Vergleich zu Kartoffelstärke bei 95ºC. Durch Kombination sowohl von Maisstärke als auch Kartoffelstärke im gleichen Gemisch wird die Viskosität des Gemisches im Innenabschnitt des Gegenstands an dem Punkt erhöht, wenn die Zellen gebildet werden. Die erhöhte Viskosität verringert die Zellgröße und erhöht die Zellwanddicke, wodurch die Bruchzähigkeit des Gegenstands erhöht wird.
Die Konzentration des Binders auf Stärkebasis in den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, mehr bevorzugt im Bereich von 30 bis 70 Gew.-%, und am meisten bevorzugt von 40 bis 60 Gew.-%. Weiterhin können Kombinationen von unterschiedlichen Stärken verwendet werden um die Viskosität des Gemisches durch einen Bereich von Temperaturen sorgfältig zu kontrollieren, sowie um die Struktureigenschaften des fertigen gehärteten Gegenstands zu beeinflussen.

B. Lösungsmittel.

Ein Lösungsmittel wird zu dem verformbaren Gemisch gegeben um die Teilchen zu schmieren, den Binder auf Stärkebasis zu solvatisieren oder mindestens zu dispergieren, und als Mittel für die Gelierung des Binders auf Stärkebasis zu wirken. Ein bevorzugtes Lösungsmittel ist Wasser, doch kann das Lösungsmittel jede beliebige Flüssigkeit einschließen, die den Binder auf Stärkebasis dispergieren und gelieren kann, und die danach aus dem formbaren Gemisch entfernt wird.
Die Menge der Wärmeenergie, die erforderlich ist um das Lösungsmittel zu entfernen, muss groß genug sein, dass der Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels überwunden wird. Neben einem Sieden bei 100ºC hat Wasser eine relativ große Verdampfungswärme im Vergleich zu den meisten anderen Lösungsmitteln, mit Einschluss von Alkoholen. Sowohl der Siedepunkt als auch die Verdampfungswärme des Wassers können durch die Zugabe von Alkohol- Colösungsmitteln zu dem Wasser verringert werden. Alkohole, wie Ethanol und Isopropylalkohol, werden bevorzugt, da sie azeotrope Gemische mit Wasser mit niedrigerem Siedepunkt bilden und da sie relativ billig und leicht verfügbar sind. Die Produktionskosten können durch Verwendung eines Gemisches von Wasser und Alkohol optimiert werden, solange die Vorteile der Verwendung von alkoholischen Co-Lösungsmitteln, wie Zeit- und Energieersparnis, durch die erhöhten Kosten des Alkohols nicht wieder zunichte gemacht werden.
Das Lösungsmittel erfüllt auch die Funktion der Erzeugung eines formbaren Gemisches mit den gewünschten rheologischen Eigenschaften, mit Einschluss der Viskosität und der Fließspannung. Diese Eigenschaften sind allgemeine Wege einer Annäherung an die "Bearbeitbarkeit" oder Fließeigenschaften des formbaren Gemisches. Die Viskosität der erfindungsgemäßen Gemische kann im Bereich von relativ niedrig (ähnlich wie diejenige eines dünnen Teigs) bis zu sehr hoch (ähnlich einer Paste oder Ton) liegen. Wenn die Viskosität so hoch ist, dass das Material am Anfang verformbar ist und im Grünzustand teigartig ist, dann ist es im Allgemeinen besser, auf die Fließspannung Bezug zu nehmen, anstelle auf die Viskosität des Gemisches. Die Fließspannung ist diejenige Kraft, die erforderlich ist, das Gemisch zu verformen. Wie später beschrieben, hängt die erforderliche Lösungsmittelmenge um eine bestimmte Viskosität und/oder Fließspannung zu verleihen, in hohem Ausmaß von der Packdichte und der spezifischen Oberfläche des Aggregatmaterials ab. Diese Eigenschaften hängen auch von der Zugabe von Mischbestandteilen, wie Rheologie-Modifizierungsmitteln und Dispergierungsmitteln, ab.
Als ein Minimum sollte eine genügende Menge von Lösungsmittel zugegeben werden um das formbare Gemisch zu dispergieren und gleichförmig zu gelieren. Der Lösungsmittelgehalt sollte auch ausreichend sein um mit der Prozesseinrichtung zu funktionieren. Wie später genauer beschrieben, können formbare Gemische mit hoher Viskosität und Fließspannung einen Auger-Apparat erfordern um zu mischen und das Gemisch in die Form zu befördern. Im Gegensatz dazu können Gemische mit niedriger Viskosität herkömmliche Mischer verwenden um die Komponenten zu kombinieren sowie herkömmliche Pumpen für die Übertragung des Gemisches.
Eine Erhöhung des Lösungsmittelgehalts verringert auch die Anzahl und Größe der Zellen in der Strukturmatrix und verringert die Dichte des resultierenden Gegenstands. Theoretisch ist es so, dass, je mehr Lösungsmittel in einem Gemisch ist, desto mehr Dampf erzeugt wird, so dass mehr Zellen gebildet werden. Weiterhin ist es so, dass, je mehr Lösungsmittel in einem Gemisch ist, desto niedriger die Viskosität des Gemisches ist, und daher desto größer die Größe der Zellen ist. Jedoch ist es so, dass, je mehr Lösungsmittel zu dem Gemisch gegeben wird, desto mehr Zeit und Energie erforderlich ist um das Lösungsmittel zu entfernen, so dass der Prozess verlangsamt und verteuert wird. Wenn weiterhin der Lösungsmittelgehalt zu hoch wird, dann kann es sein, dass das Gemisch nicht dazu imstande ist, formstabile rissfreie Gegenstände zu erzeugen. Demgegenüber ergibt die Verwendung von wenig Wasser ein dichteres Produkt mit kleineren Zellen.
Gemische mit sehr niedriger Viskosität können auch zu einem Absetzen der Komponenten führen, und zwar in erster Linie der nichtgelierten Binderteilchen auf Stärkebasis und der Aggregatteilchen. Das Absetzen kann in der Mischstufe, der Transferstufe oder in der Verformungsstufe erfolgen. Das Absetzen kann Gegenstände ergeben, die von Ansatz zu Ansatz oder innerhalb der Strukturmatrix eines einzigen Gegenstands variierende Eigenschaften haben. Experimente haben auch gezeigt, dass Gemische mit sehr niedriger Viskosität aus der negativen Form während der Paarung mit der männlichen Form herausspritzen können. Dies trifft insbesondere für flache Gegenstände, wie für Platten, zu.
Aufgrund der obigen Beschreibungen hängt der prozentuale Anteil des Lösungsmittels in dem Gemisch zum Teil von der Prozesseinrichtung, der gewünschten Viskosität und den gewünschten Eigenschaften ab. Die Menge des Lösungsmittel, die zu den erfindungsgemäßen Gemischen gegeben wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20% bis 70%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches, mehr bevorzugt von 30% bis 60%, und am meisten bevorzugt von 40% bis 50%.
Wie oben zum Ausdruck gebracht, hängt die Viskosität des formbaren Gemisches von mehreren Variablen, wie dem Wassergehalt, dem Vorhandensein von Mischbestandteilen, wie Rheologie-Modifizierungsmittel und Dispergierungsmitteln, vom Umstand, ob der Binder auf Stärkebasis vorgekocht worden ist, sowie von der Packungsdichte des Aggregats ab. Funktionelle Gegenstände können aus formbaren Gemischen mit einem großen Bereich von Viskositäten von so niedrig wie etwa 0,05 Pa·s bis so hoch wie etwa 10¹&sup0; Pa·s hergestellt werden. Gemische mit niedriger Viskosität können in die Formvorrichtung eingegossen werden, während Gemische mit hoher Viskosität in die Formen durch Auger- oder Kolben-Einsätze eingebracht werden können. Weiterhin können Gemische mit hoher Viskosität mit einer Konsistenz, die derjenigen von Ton oder eines Teigs ähnlich ist, zu kleinen Portionen zugeschnitten werden, die dann mechanisch zwischen die Formteile eingebracht werden können. Im Allgemeinen haben die erfindungsgemäßen formbaren Gemische vorzugsweise eine Viskosität im Bereich von 0,01 Pa·s bis 300 Pa·s, mehr bevorzugt von 0,05 Pa·s bis 30 Pa·s, und am meisten bevorzugt von 0,2 Pa·s bis 3 Pa·s. Die Rheologie der formbaren Gemische kann auch bezogen auf die Fließspannung beschrieben werden, die vorzugsweise bis zu etwa 500 kPa, mehr bevorzugt bis zu etwa 300 kPa, und am meisten bevorzugt bis zu 100 kPa, beträgt.

C. Aggregate.

Die hierin verwendeten Bezeichnungen "Aggregat" und "Füllstoffe" schließen sowohl anorganische, als auch inerte organische Teilchen ein, schließen aber typischerweise keine Fasern ein. Die Bezeichnung "inerte organische Teilchen" soll weiterhin so definiert sein, dass sie organische Komponenten einschließt, die nicht in erster Linie chemisch oder mechanisch als Binder in dem formbaren Gemisch wirken. Beispiele für inerte organische Teilchen sind Samen, Körner, Kork und Kunststoffkügelchen. Obgleich die meisten Aggregate im Rahmen dieser Erfindung in Wasser unlöslich sind, sind einige Aggregate in Wasser geringfügig löslich, und einige Aggregate können in situ durch Ausfällung oder Polymerisation gebildet werden. (Jedoch enthalten viele Samen Stärkeproteine oder andere polymere Materialien in Mengen, die genügend hoch sind, dass sie in das formbare Gemisch freigesetzt werden und dem Gemisch Bindungskraft verleihen).
Gegenstände mit einem hohen Füllstoff oder Aggregatgehalt können mit niedrigeren Kosten und mit verbesserten mechanischen Struktureigenschaften sowie einer besseren Gesundheitssicherheit und minimalen ökologischen Auswirkungen hergestellt werden. Untersuchungen haben ergeben, dass funktionelle Gegenstände gemäß der Erfindung unter Verwendung von bis zu 90 Vol.-% Füllstoff hergestellt werden können.
Vom Standpunkt der Materialkosten ist es wirtschaftlicher, den relativ teuren Binder auf Stärkebasis durch ein billigeres Aggregat zu ersetzen. Typischerweise nimmt die Dichte und das Gewicht eines Gegenstands mit erhöhtem Füllstoffgehalt zu. Wenn die Dichte des Gemisches zunimmt, dann nimmt das Volumen des Materials ebenfalls zu, das zur Herstellung des Gegenstands verwendet, wird. Wenn man beispielsweise alle anderen Variablen konstant hält, dann führt eine 40%ige Erhöhung der Calciumcarbonatkonzentration zu einer 30%igen Einsparung beim Verbrauch des Binders auf Stärkebasis. Vermutlich nimmt jedoch, wenn die prozentuale Menge des Füllstoffs zunimmt, die Fähigkeit der Zellen, in der stärkegebundenen Matrix zu expandieren, ab, wodurch die Dichte erhöht wird und mehr Material zur Herstellung des gleichen Gegenstands erforderlich ist. Gleichwohl kann es selbst bei einer Erhöhung der Dichte wirtschaftlicher sein, Gegenstände mit einem höheren Füllstoffgehalt im Vergleich zu solchen herzustellen, die einen relativ niedrigen Füllstoffgehalt haben.
Die Erhöhung des Füllstoffgehalts ist auch vom Prozessstandpunkt aus gesehen günstig. Stärke hat eine natürliche Affinität gegenüber Wasser (das am meisten verwendete Lösungsmittel). Demgemäß ist mehr Energie erforderlich um Wasser aus dem Binder auf Stärkebasis zu entfernen als aus einem Füllstoff. Durch Erhöhung des Füllstoffgehalts liegt weniger Binder auf Stärkebasis zur Absorption des Wassers vor, und es wird weniger Wasser benötigt um den Binder auf Stärkebasis zu gelieren. Weiterhin wird mehr Wasser durch den Füllstoff absorbiert. Demgemäß werden die Prozesskosten verringert, wenn hohe Konzentrationen von Füllstoff verwendet werden, da weniger Lösungsmittel und Energie erforderlich sind um einen formstabilen Gegenstand herzustellen. Weiterhin kann das anorganische Aggregat auch als Mittel verwendet werden um die Wärmeleitung rascher und gleichförmiger durch die gesamte Strukturmatrix hindurch durchzuführen. Als Ergebnis können der formstabilen Gegenstände schneller hergestellt werden und mit gleichförmigerem Querschnitt. Die Fähigkeit des Aggregats, Wärme zu leiten, ist naturgemäß eine Funktion des Aggregattyps und kann vom Fachmann ausgewählt werden.
Durch Auswahl eines geeigneten Füllstoffs kann auch die spezifische Wärme des Endgegenstands verringert werden. Es wurde beispielsweise gefunden, dass mit Calciumcarbonat hergestellte Gegenstände eine niedrigere spezifische Wärme haben als solche, die nur Stärke enthalten. Als Ergebnis können solche Gegenstände dazu verwendet werden um Nahrungsmittel und andere Stoffe zu erhitzen, ohne dass der Gegenstand signifikant erhitzt wird. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Gegenstände dazu verwendet werden um Nahrungsmittel in einem Ofen oder einem Mikrowellenofen ohne Zerstörung des Gegenstands zu erhitzen oder zu kochen. Durch Auswahl von Füllstoffen mit niedriger spezifischer Wärme können die erfindungsgemäßen Gegenstände so hergestellt werden, dass sie eine spezifische Wärme in einem bevorzugten Bereich von 0,3 J/g·K bis 2,0 J/g·K bei einer Temperatur von 20ºC haben, wobei 0,5 J/g·K bis 1,5 J/g·K mehr bevorzugt und 0,7 J/g·K bis 1,0 J/g·K am meisten bevorzugt werden.
Die Erhöhung des Füllstoffgehalts ist auch dazu günstig, die Gestalt der Strukturmatrix des Gegenstands zu variieren. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, kann, wenn ungenügend Feuchtigkeit aus dem Gemisch während der Bildung des Gegenstands entfernt wird, das zurückgebliebene Lösungsmittel bewirken, dass das Gemisch an der Form klebt und auch bewirken, dass der Artikel eine Rissbildung oder Blasenbildung erfährt. Gleichermaßen kann der Gegenstand auch eine Blasenbildung erfahren, wenn zu viel Feuchtigkeit aus dem Gemisch entfernt wird. Es besteht daher ein Spielraum hinsichtlich der Zeitspanne (in Abhängigkeit von Variablen, wie die Hitze der Formen und die Lösungsmittelmenge in dem Gemisch), innerhalb der die Gegenstände aus den erhitzten Formen entfernt werden sollten um eine Rissbildung oder ein Kleben der Gegenstände zu verhindern. Dieser Zeitspielraum wird enger, wenn die Konzentration des Binders auf Stärkebasis in einem formbaren Gemisch erhöht wird. Wenn der Zeitspielraum zur Entfernung des Gegenstands aus der Form abnimmt, dann wird es schwieriger, Gegenstände mit Querschnitten variierender Dicke herzustellen.
Zu bestimmten Zeiten kann es bevorzugt werden, die Dicke in einem spezifischen Abschnitt eines Gegenstands zu erhöhen um Eigenschaften, wie die Festigkeit oder die Isolierungseigenschaften, in diesem Abschnitt zu erhöhen. Jedoch kann ein Erhitzen des Gemisches über einen genügenden Zeitraum zur Entfernung des Lösungsmittels aus dem dicken Abschnitt zu viel Feuchtigkeit aus den dünneren Abschnitten entfernen. Somit sind Gemische mit hohem Gehalt an Binder auf Stärkebasis typischerweise auf die Herstellung von Gegenständen mit gleichförmigerem Querschnitt beschränkt.
Demgegenüber haben Untersuchungen ergeben, dass, wenn der prozentuale Anteil der anorganischen Materialien zunimmt und der prozentuale Anteil des Binders auf Stärkebasis abnimmt, der Zeitspielraum, in dem die Gegenstände aus den Formen ohne Kleben oder Rissbildung entnommen werden können, zunimmt. Als Ergebnis können Gegenstände mit einer hohen Konzentration von anorganischen Stoffen eingesetzt werden um effektive Gegenstände mit variierenden Querschnittsdicken herzustellen. Es sind Gegenstände hergestellt worden, bei denen die Dicke des Gegenstands über den Faktor 2 variiert.
Es gibt auch Gesundheitsvorteile bei Verwendung von höheren Füllstoffkonzentrationen. Die Erhöhung der Menge des Aggregats oder des Füllstoffs in einem Gemisch verringert die Menge von Wasser, die von dem Gegenstand während der Konditionierungsstufe absorbiert werden muss um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Wie vorstehend zum Ausdruck gebracht, wird eine Minimierung der Menge des Wassers in dem Gegenstand bevorzugt, da hierdurch die Chance eines Bakterienwachstums minimiert wird. Untersuchungen haben ergeben, dass, je mehr Calciumcarbonat in einem Gemisch vorhanden ist, desto langsamer die Feuchtigkeit durch den Gegenstand in der Konditionierungsstufe absorbiert wird. Es wurde auch gefunden, dass, je mehr Calciumcarbonat in einem Gemisch ist, desto weniger Feuchtigkeit erforderlich ist um durch den Gegenstand absorbiert zu werden um die gleichen Eigenschaften zu erhalten. Demgemäß verringert eine Erhöhung des Füllstoffgehalts den erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt in dem Endprodukt sowie die Fähigkeit des Gegenstands sogar Meerwasser aus der Atmosphäre zu absorbieren.
Durch Auswahl des Typs des verwendeten Füllstoffs können die Eigenschaften des Füllstoffs in den fertigen Gegenstand übertragen werden. Die erfindungsgemäß verwendeten Aggregatmaterialien können zugesetzt werden um die Festigkeit (die Zugfestigkeit, und insbesondere die Druckfestigkeit) zu erhöhen, die Module der Elastizität und der Dehnung zu erhöhen, das Gewicht zu verringern und/oder die Isolierungsfähigkeit des resultierenden anorganisch gefüllten Gegenstands zu erhöhen.
Weiterhin können plättchenförmige Aggregate, wie Glimmer und Kaolin, dazu eingesetzt werden um ein glatteres Oberflächenfinish in den erfindungsgemäßen Gegenständen zu erzeugen. Typischerweise ergeben größere Aggregate, wie Calciumcarbonat, eine matte Oberfläche, während kleinere Teilchen eine glasartige Oberfläche ergeben.
Schließlich gibt es auch Umweltvorteile, einen hohen Füllstoffgehalt zu haben. Gegenstände mit hohen Füllstoffgehalten werden leichter in ihre natürlichen Komponenten zurückzersetzt, wodurch sichtbare Verwahrlosungen minimiert werden. Weiterhin vermindert eine Minimierung des Binders auf Stärkebasis die Wassermenge, die verbraucht wird um die stärkehaltigen Pflanzen zu züchten.
Die Teilchenpackung ist ein bevorzugter Prozess, der die Menge der anorganischen Materialien in dem Gemisch maximieren und hierdurch die vorstehend beschriebenen Eigenschaften optimieren kann. Untersuchungen haben ergeben, dass die Packdichte eines Gemisches erhöht wird, wenn zwei oder mehrere Arten von Aggregaten mit unterschiedlichem Durchmesser der mittleren Teilchengröße verwendet werden. Das Teilchenpacken ist ein Prozess der Auswahl von verschiedenen Größen, Gestalten und Konzentrationen der Aggregate um die interstitiellen Räume zwischen den Teilchen zu minimieren und die Packdichte zu maximieren. Durch Minimierung der interstitiellen Räume werden weniger Lösungsmittel und Binder auf Stärkebasis benötigt, damit in dem Gemisch die interstitiellen Räume gefüllt werden.
Zur Bildung eines Gegenstands mit einer formstabileren, rissfreien Strukturmatrix muss der Binder auf Stärkebasis gewöhnlich in einer Menge zugegeben werden, die ausreichend ist, das Aggregat zu binden. Wie vorstehend diskutiert, wird das Gemisch dadurch hergestellt, dass eine anorganisches Aggregat mit einem Lösungsmittel und einem Binder auf Stärkebasis kombiniert wird. Das Lösungsmittel dispergiert den Binder auf Stärkebasis und kontrolliert die Viskosität. Während des Bildungsprozesses wird ein Hauptteil des Lösungsmittels entfernt. Das Volumen des Lösungsmittels und des Binders auf Stärkebasis, das in dem Endgegenstand zurückbleibt, muss ausreichend sein um die Aggregatteilchen zu beschichten und die interstitiellen Hohlräume zwischen den Teilchen zu füllen, so dass der Binder auf Stärkebasis die Aggregatteilchen miteinander verbinden kann.
Wenn ungenügende Mengen des Binders auf Stärkebasis zugesetzt werden, dann bilden sich winzige Poren zwischen den Aggregatteilchen. Diese winzigen Poren unterscheiden sich von den Zellen, die vorzugsweise innerhalb der Strukturmatrix gestaltet werden. Während die Zellen von einer Expansion des Lösungsmittels während der Prozessstufe herrührt, rühren die Poren von einer ungenügenden Menge von Binder auf Stärkebasis um die Aggregatteilchen miteinander zu verbinden her. Wenn das Volumen des Binders auf Stärkebasis weiter vermindet wird, dann wird das Volumen des Binders so klein, dass entweder die Strukturmatrix während des Bildungsprozesses reißt oder dass das Gemisch niemals zu einem formstabilen Gegenstand konsolidiert.
Die Fähigkeit des Binders auf Stärkebasis, die Aggregatteilchen zusammenzuhalten, ist eine Funktion seiner intrinsischen Bindungsfestigkeit, seiner Deckkraft und seiner Fähigkeit, sich mit der Oberfläche eines bestimmten Materials zu verbinden. Bei der Herstellung von Gegenständen, bei denen eine Bindermatrix eine sehr große Konzentration von Stoffen zusammenhält, umwickelt der Binder vorzugsweise die einzelnen Teilchen dieser Stoffe. Wenn die Stoffe, die zusammengehalten werden sollen, eine relativ hohe spezifische Oberfläche haben, dann nimmt die Menge des Binders zu, die erforderlich ist um die Stoffteilchen einzuhüllen. D. h., das Verhältnis von Binder zu Stoff nimmt in dem Maße zu, wie die spezifische Oberfläche des Stoffes zunimmt. Erfindungsgemäß wird es oftmals bevorzugt, ein Aggregat auszuwählen, das eine niedrigere spezifische Oberfläche hat, damit das Verhältnis von Binder zu Stoff verringert wird. Weiterhin, wie nachstehend genauer erläutert werden wird, verringert eine Erhöhung der Teilchenpackdichte des Aggregatmaterials auch die Menge des Binders, die erforderlich ist um die Aggregatteilchen vollständig zu umhüllen. Ein Verstehen der Wechselwirkung zwischen der Teilchengrößenverteilung, der Teilchenpackungsdichte, der spezifischen Oberfläche und des Bindervolumens ist der Kern der erfolgreichen Beladung der stärkegebundenen Matrix mit relativ hohen Mengen von anorganischen Feststoffen.
Zusätzlich zu der spezifischen Oberfläche steht das Volumen des Binders auf Stärkebasis mit dem Volumen der interstitiellen Räume zwischen den Teilchen in Beziehung. Das Volumen der interstitiellen Räume nimmt in dem Gemisch zu, wenn entweder die Packungsdichte des Aggregats abnimmt oder wenn der prozentuale Anteil des Aggregats in dem Gemisch zunimmt. Demgemäß durch Konstanthaltung der Konzentration des Binders auf Stärkebasis und des Aggregats, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe in dem Gemisch, und durch Verringerung der Packdichte des Aggregats, nimmt der interstitielle Raum bis zu einem Punkt zu, bei dem das Volumen des Binders auf Stärkebasis ungenügend ist um in angemessener Weise den interstitiellen Raum zu füllen. Gleichermaßen nimmt durch Zugabe einer höheren Konzentration von Aggregaten, obgleich der prozentuale Anteil des interstitiellen Raums relativ konstant bleibt, das Gesamtvolumen des interstitiellen Raums zu. Als Ergebnis muss mehr Binder auf Stärkebasis zu dem Gemisch zugegeben werden um die Räume in adäquater Weise zu füllen. Wenn mehr Binder auf Stärkebasis zugesetzt wird, dann nimmt jedoch die Konzentration der anorganischen Stoffe in den fertigen Gegenständen ab, wodurch die Kosten erhöht werden und die oben beschriebenen Vorteile minimiert werden.
Wenn im Gegensatz die Packdichte des Aggregats zunimmt, dann nimmt der interstitielle Raum zwischen den Teilchen ab. Als Ergebnis werden weniger Binder auf Stärkebasis und Lösungsmittel benötigt um den interstitiellen Raum zu füllen. Durch Verringerung der Menge des Binders auf Stärkebasis auf nur die minimale Menge, die notwendig ist um die Aggregatteilchen zu binden und die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verleihen, kann der prozentuale Anteil der anorganischen Materialien in den fertigen Gegenständen erhöht werden, ohne dass Einbußen hinsichtlich der gewünschten Festigkeit und der rheologischen Eigenschaften in Kauf genommen werden müssen. Als Solches werden die Kosten der Gegenstände verringert, und die oben beschriebenen Eigenschaften werden verstärkt.
Das erforderliche Volumen des Binders auf Stärkebasis hängt auch von der Größe und der Gestalt des Aggregats ab. Aggregate mit einer großen spezifischen Oberfläche im Vergleich zu Aggregaten mit gleichem Volumen mit einer kleinen spezifischen Oberfläche erfordern mehr Binder auf Stärkebasis um die Teilchen zu beschichten. Das Beschichten des Aggregats mit dem gelierten Binder auf Stärkebasis ist erforderlich um das Aggregat zusammenzubinden. Weiterhin verwertet eine größere spezifische Oberfläche mehr von dem verfügbaren Wasser in dem Gemisch beim Beschichten der Teilchenoberflächen, wodurch weniger Wasser verfügbar ist um sich mit der Stärke umzusetzen und diese zu gelieren.
Demgemäß wird es zum Maximieren der anorganischen Stoffe und zur Minimierung des Volumens des Binders auf Stärkebasis bevorzugt, dass die Aggregate eine kleinere spezifische Oberfläche haben. Bei den erfindungsgemäßen hochanorganisch gefüllten Gegenständen werden vorzugsweise Aggregate mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von 0,1 m²/g bis 400 m²/g verwendet, wobei 0,15 m²/g bis 50 m²/g mehr bevorzugt, und 0,2 m²/g bis 2,0 m²/g am meisten bevorzugt werden. Teilchen mit einer relativ kleinen spezifischen Oberfläche haben typischerweise einen großen mittleren Durchmesser, und sie haben eine kugelförmige Gestalt.
Damit ein Gemisch die gewünschte Viskosität zur Bildung eines Gegenstands hat, muss das Lösungsmittel in einer genügenden Menge zugesetzt werden, dass alle Teilchen beschichtet werden und dass der gesamte restliche interstitielle Raum zwischen den Teilchen gefüllt wird. Der für das Lösungsmittel relevante interstitielle Raum schließt die Räume zwischen den Aggregaten und auch zwischen irgendwelchen zurückgebliebenen, nichtgelierten Stärkekörnern ein. Selbst wenn die interstitiellen Räume mit Lösungsmittel gefüllt sind, hat das Gemisch jedoch immer noch eine relativ hohe Viskosität. Zum Erhalt einer gewünschten niedrigeren Viskosität muss eine zusätzliche Menge von Lösungsmittel zu dem Gemisch gegeben werden. D. h., es ist die Menge von Lösungsmittel, die über diejenige hinaus zugesetzt wird, die erforderlich ist, die Teilchen zu beschichten und den interstitiellen Raum zu füllen, die tatsächlich die Schmierung zwischen den Oberflächen der Teilchen ergibt.
Das folgende illustriert, wie die Erhöhung der Packungsdichte die Menge an Lösungsmittel und Binder auf Stärkebasis, die benötigt wird, den interstitiellen Raum zu füllen, verringert. Wenn die Teilchenpackungsdichte des formbaren Gemisches 0,65 beträgt, dann ist ein Lösungsmittel in einer Menge von ungefähr 35 Vol.-% eingeschlossen um die interstitiellen Hohlräume zwischen den Teilchen im Wesentlichen zu füllen. Andererseits erfordert ein formbares Gemisch mit einer Teilchenpackungsdichte von 0,95 nur Lösungsmittel in einer Menge von etwa 5 Vol.-% um die interstitiellen Hohlräume im Wesentlichen zu füllen. Dies ist die siebenfache Verringerung der Menge von Lösungsmittel, die zugegeben werden muss um die interstitiellen Hohlräume im Wesentlichen zu füllen. Eine Verringerung der Menge von Lösungsmittel, die sonst erforderlich wäre um den interstitiellen Raum zu füllen, gestattet es, dass die Gegenstände rascher und mit niedrigerem Energieverbrauch erzeugt werden können.
Um die Packdichte zu optimieren, können Aggregate mit unterschiedlicher Größe mit Teilchengrößen im Bereich von so niedrig wie 0,05 um bis so groß wie 2 mm eingesetzt werden. Um die Festigkeit der Zellwände zu maximieren wird es bevorzugt, dass die Teilchen nicht größer sind als 1/4 der Dicke der Zellwände. Kugelförmige Teilchen mit minimal frakturierten Oberflächen werden bevorzugt, da sie mit höherer Dichte gepackt werden können und die niedrigste spezifische Oberfläche haben. Um ein optimiertes Ausmaß der Teilchenpackung zu erhalten, wird es für eine mittlere Teilchengröße in einem Teilchenbereich bevorzugt, dass sie ungefähr 10 Mal so groß ist wie die Teilchengröße des nächstkleinsten Teilchenbereichs (in vielen Fällen variiert dieses Verhältnis und hängt von den relativen natürlichen Packdichten der unterschiedlichen zu kombinierenden Aggregaten ab). Beispielsweise wird es in einem Zwei- Komponenten-System zu bevorzugen sein, dass die mittlere Teilchengröße der groben Komponente etwa 10 Mal so groß ist wie die mittlere Teilchengröße der feinen Komponente. Gleichermaßen wird es in einem Drei-Komponenten-System zu bevorzugen sein, dass die mittlere Teilchengröße der groben Komponente etwa 10 Mal so groß ist wie die mittlere Teilchengröße der mittleren Komponente, die gleichermaßen etwa 10 Mal so groß sein wird wie die Größe der feinen Komponente. Trotzdem braucht, wenn Teilchen mit unterschiedlicheren Größen zugesetzt werden, das Verhältnis zwischen den Größen der Teilchengröße nicht immer so groß sein, und es kann in einigen Fällen nur 2 Mal so groß sein.
Im Allgemeinen hat ein Zwei-Komponenten- (oder binäres) Packungssystem selten eine Gesamtpackungsdichte von höher als etwa 80%, während die Obergrenze für ein Drei- Komponenten-(oder ternäres) System etwa 90% beträgt. Um eine höhere Teilchenpackung zu erhalten, wird es in den meisten Fällen erforderlich sein, vier oder mehr Komponenten zuzusetzen, obgleich weitere und mehr optimierte Teilchengrößen bei Zwei- oder Drei-Komponenten- Systemen eine höhere Gesamtteilchenpackung als 80% beziehungsweise 90% ergeben können.
Beispielsweise ist in einem Drei-Komponenten-System gefunden worden, dass es zu bevorzugen ist, dass die feinen Aggregatteilchen Durchmesser in einem Bereich von 0,01 um bis 2 um haben, dass die mittleren Aggregatteilchen Durchmesser im Bereich von 1 um bis 20 um haben, und dass die groben Aggregate einen Durchmesser im Bereich von 100 um bis 2 mm haben. In einem Zwei-Komponenten-System können zwei beliebige dieser Bereiche zu bevorzugen sein.
Verbesserte Packungsdichten des Aggregats können erhalten werden, indem verschiedene Größen und Mengen der Aggregate physikalisch kombiniert werden und dann herkömmliche Testmethoden angewendet werden um die Kombination von Aggregaten zu bestimmen, die die höchste Packdichte hat. Im Licht der möglichen Vermutungen ist jedoch ein derartiges Vorgehen sehr zeitaufwändig und liefert nicht notwendigerweise die besten Ergebnisse. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Aggregate ausgewählt um eine gewünschte Packdichte, bezogen auf den Teilchenpackprozess, zu erhalten, wie in dem folgenden Artikel beschrieben wird, bei dem einer der benannten Erfinder ein Co-Autor ist: Johansen, V. & Andersen, P. J., "Particle Packing and Concrete Properties," Materials Science of Conrete II bei 111- 147, The American Ceramic Society (1991). Weitere Information ist in der Doktorarbeit von Anderson, P. J., "Control and Monitoring of Concrete Production -- A Study of Particle Packing and Rheology," The Danish Academy of Technical Sciences, verfügbar. Der bevorzugte Prozess der Teilchenpackung ist auch im Detail in der US-PA Nr. 08/109 100 mit dem Titel "Design Optimized Compositions and Processes for Microstructurally Engineering Cementitious Mixtures", von Per Just Andersen und Simon K. Hodson, eingreicht am 18. August 1993, beschrieben. Zum Zwecke der Offenbarung wird auf diesen Artikel, diese Doktorarbeit und diese Patentanmeldung speziell Bezug genommen.
Die obigen Druckschriften lehren die Anwendung von mathematischen Modellen um die Kombination von definierten Gruppen von Teilchen zu bestimmen, die zu einer maximalen Packdichte führt. Die Modelle sind auf der Basis der mittleren Durchmessergröße und der natürlichen Packdichte für jeden Typ von Aggregat aufgebaut. Im Allgemeinen wird die kombinierte Teilchenpackungsdichte für das Aggregatgemisch vorzugsweise in einem Bereich von 0,65 bis 0,99, mehr bevorzugt 0,70 bis 0,95, und am meisten bevorzugt 0,75 bis 0,90, liegen. (Die zusätzlichen Kosten des Erhalt einer 99%igen Teilchenpackungswirksamkeit ist oftmals verhindernd, so dass die am meisten bevorzugten Packungsdichten etwas kleiner sind).
Es gibt eine Vielzahl von Typen von Aggregaten, die erfindungsgemäß verwendet werden können. Anorganische Materialien, die üblicherweise in der Papierindustrie verwendet werden, sowie stärker fein vermahlene Aggregatmaterialien, die in der Betonindustrie eingsetzt werden, können in den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen verwendet werden. Die Größe des Aggregats oder des anorganischen Füllstoffs ist üblicherweise vielmals größer als diejenige des anorganischen Füllmaterials, das typischerweise in der Papierindustrie verwendet wird.
Beispiele für geeignete Aggregate sind Perlit, Vermiculit, Sand, Steine, Kalkstein, Sandstein, Glasperlen, Aerogele, Xerogele, Meeresgele, Glimmer, Ton, synthetischer Ton, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Flugasche, hochdisperses Siliciumdioxid, tafelförmiges Aluminiumoxid, Kaolin, Mikrokügelchen, Hohlglaskügelchen, poröse Keramikkügelchen, Gips (Calciumsulfatdihydrat), Calciumcarbonat, Calciumaluminat, leichte Polymere, Xonotlit (ein kristallines Calciumsilicatgel), leichte expandierte Tone, hydratisierte oder unhydratisierte hydraulische Zementteilchen, Bimsstein, abgebröckelte Steine, und andere geologische Materialien. Teilweise hydratisierter und hydratisierter Zement sowie hochdisperses Silicumdioxid haben eine hohe spezifische Oberfläche, und sie ergeben ausgezeichnete Vorteile, wie eine hohe Anfangskohäsionskraft des frisch gebildeten Gegenstands. Selbst verworfene anorganisch gefüllte Materialien, wie weggeworfene Behälter und andere Gegenstände gemäß der Erfindung, können als Aggregatfüllstoffe und Verfestiger eingesetzt werden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Behälter und andere Gegenstände leicht und einfach recycelt werden können, indem sie einfach zu einem frischen formbaren Gemisch als Aggregatfüllstoff gegeben werden. Hydraulischer Zement kann auch entweder in hydratisierter oder nichthydratisierter Form zugesetzt werden.
Sowohl Ton als auch Gips stellen besonders wichtige Aggregatmaterialien aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit, ihrer extrem niedrigen Kosten, ihrer Bearbeitbarkeit, ihrer leichten Formfähigkeit und deswgen dar, weil sie auch zugesetzt werden können um einen Grad der Bindung und Festigkeit zu erhalten, wenn sie in Mengen zugesetzt werden, die hoch genug sind (im Falle von Gips Hemihydrat). Da Gipshemihydrat mit dem Wasser in dem formbaren Gemisch reagieren kann, kann es als Mittel zum inneren Halten des Wassers in dem Formkörper eingesetzt werden.
In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, Ettringit auf der Oberfläche der Aggregatteilchen zu bilden um die Wechselwirkung und die Bindungszwischenfläche zwischen den Aggregatteilchen und dem Binder auf Stärkebasis zu verbessern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das anorganische Aggregat in einer solchen Menge vorhanden, dass der Gegenstand eine spezifische Wärme im Bereich von 0,1 J/g·K bis 400 J/g·K bei 20ºC, vorzugsweise 0,15 J/g·K bis 50 J/g·K bei 20ºC, insbesondere 0,2 J/g·K bis 20 J/g·K bei 20ºC, hat.
Wegen der Natur der formbaren Gemische und der daraus hergestellten Gegenstände ist es möglich, leichte Aggregate mit einem hohen Ausmaß von interstitiellem Hohlraum zuzusetzen um den Formgegenständen einen Isolierungseffekt zu verleihen. Beispiele für Aggregate, die den Formkörpern ein geringes Gewicht und eine höhere Isolierungsfähigkeit verleihen können, sind beispielsweise Perlit, Vermiculit, Glasperlen, Hohlglaskügelchen, synthetische Materialien (z. B. poröse Keramikkügelchen, tafelförmiges Aluminiumoxid, etc), Kork, Bimstein und leichte expandierte Tone, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, und andere geologische Materialien.
Poröse Aggregate können auch dazu verwendet werden, unerwünschte Luftbläschen während der Bildung aus dem Gegenstand zu entfernen. Die Lösungsmittel entweichen aus dem formbaren Gemisch, indem sie zuerst zu der Oberfläche der Formen strömen und dann entlang der Oberfläche zu den Belüftungslöchern strömen. Zeitweise werden Luftbläschen zwischen der positiven Form und der Außenoberfläche des Gegenstands eingefangen, wodurch an der Oberfläche Pusteln erzeugt werden. Ein poröses Aggregat in dem formbaren Gemisch kann dazu eingesetzt werden um einen signifikanten Teil dieses eingefangenen Gases zu absorbieren, wodurch dazu beigetragen wird, das Auftreten einer Pustelbildung zu verringern. Naturgemäß können die eingefangenen Gasbläschen durch Anlegen eines Vakuums entfernt werden.
Poröse leichte Aggregate, mit Einschluss von Zeolithen, können als Mittel zur Konditionierung des Gegenstands während des Bildungprozesses verwendet werden. Poröse Aggregate können in einem Lösungsmittel voreingeweicht werden oder sie können in dem Gemisch über eine genügende Zeitspanne gehalten werden, damit das Lösungsmittel absorbiert wird. In dem Maße, wie das Gemisch, das das voreingeweichte Aggregat enthält, zur Bildung des Gegenstandes erhitzt wird, wird das Lösungsmittel langsamer aus dem porösen Aggregat als aus dem Rest des Gemisches freigesetzt. Als Ergebnis verbleibt ein Teil des Lösungsmittels in dem porösen Aggregat in dem formstabilen Gegenstand. Wenn einmal der Gegenstand gebildet und aus den erhitzten Formen entfernt ist, kann das Lösungsmittel in dem porösen Aggregat in die umgebende Strukturmatrix hineindiffundieren, wodurch die Strukturmatrix konditioniert und erweicht wird.
Zusätzlich zu herkömmlichen Aggregaten, die in der Papier- und Zementindustrie verwendet werden, kann eine weite Vielzahl von anderen Aggregaten, mit Einschluss von Metallen und Metalllegierungen (wie Edelstahl, Eisen, Kupfer, Silber und Gold), Kügelchen oder hohlen kugelförmigen Materialien (wie Glas, Polymeren und Metallen), Späne und Pellets zu dem Gemisch gegeben werden.
Eine weitere Klasse von Aggregaten, die dem anorganisch gefüllten Gemisch zugesetzt werden können, schließt Gele und Mikrogele, wie Silicagel, Calciumsilicagel, Aluminiumsilicagel, und dergleichen, ein. Diese Materialien können in fester Form, wie jedes beliebige übliche Aggregatmaterial, zugesetzt werden oder sie können in situ ausgefällt werden. Da sie dazu neigen, Lösungsmittel zu absorbieren, können sie zugesetzt werden um den Lösungsmittelgehalt des formbaren Gemisches zu verringern (was die Viskosität und die Fließspannung erhöhen wird).
Weiterhin gestattet die hochhygroskopische Natur von Gelen auf Kieselsäurebasis und von Mikrogelen ihre Verwendung als feuchtigkeitsregulierende Mittel in dem fertigen gehärteten Gegenstand. Durch Absorption von Feuchtigkeit aus der Luft bewirken die Gele und Mikrogele, dass die Gegenstände eine vorbestimmte Menge von Feuchtigkeit unter normalen Umgebungsbedingungen beibehalten. (Naturgemäß steht die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption aus der Luft im Zusammenhang mit der relativen Feuchtigkeit der Luft). Die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Gegenstände gestattet eine sorgfältigere Kontrolle der Dehnung, des Elastizitätsmoduls, der Biegefähigkeit, der Faltfähigkeit, der Flexibilität und der Duktilität der Gegenstände. Andere Feuchtigkeit zurückhaltende Mischbestandteile, wie MgCl&sub2;, werden nachstehend näher erläutert.
Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, polymerisierbare anorganische Aggregatmaterialien, wie polymerisierbare Silicate, dem formbaren Gemisch zuzusetzen. Diese Materialien können zu dem Gemisch als gewöhnliche Kieselsäure oder Silicate zugesetzt werden, die dann behandelt werden um eine Polymerisationsreaktion in situ zu bewirken um das polymerisierte Silicataggregat zu erzeugen. Polymerisierte anorganische Aggregate sind bei bestimmten Anwendungszwecken oftmals wegen ihrer gesteigerten Flexibilität im Vergleich zu den meisten anderen anorganischen Aggregatmaterialien vorteilhaft.
Die thermische Leitfähigkeit oder der "k-Faktor" (definiert als W/m·k) der erfindungsgemäßen Gegenstände kann durch Kontrolle der Zellstrukturmatrix ausgewählt werden. Gegenstände können mit einem niedrigen k-Faktor hergestellt werden, indem eine höhere Konzentration der Zellen in der Strukturmatrix bereitgestellt wird. Bei Ausführungsformen, wo es wünschenswert ist, einen Behälter oder einen anderen Gegenstand mit noch höherer Isolierungsfähigkeit zu erhalten, kann es zu bevorzugen sein, in die hochanorganisch gefüllte Matrix ein leichtes Aggregat, das eine niedrige thermische Leitfähigkeit hat, einzuarbeiten. Allgemein enthalten Aggregate mit einem sehr niedrigen k-Faktor auch große Mengen von eingeschlossendem interstitiellen Raum, von Luft, von Gemischen von Gasen oder eines partiellen Vakuums, was ebenfalls dazu tendiert, die Festigkeit von solchen Aggregaten stark zu verringern. Daher neigen Bedenken hinsichtlich der Isolierungsfähigkeit und der Festigkeit dazu, zu konkurrieren, und es sollte eine sorgfältige Ausgewogenheit bei der Bestimmung eines teilchenförmigen Gemisches angewendet werden.
Bevorzugte isolierende leichte Aggregate schließen expandierten oder abgeblätterten Vermiculit, Perlit, calcinierte Diatomeenerde und Hohlglaskügelchen ein - alle diese Materialien neigen dazu, große Mengen von eingearbeitetem interstitiellen Raum zu enthalten. Jedoch ist diese Liste in keiner Weise als erschöpfend gedacht, wobei diese Aggregate aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer leichten Verfügbarkeit ausgewählt werden. Gleichwohl liegt ein beliebiges Aggregat mit niedrigem k-Faktor, das dazu imstande ist, den Behälter oder dem anderen Gegenstand genügende Isolierungseigenschaften zu verleihen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Im Lichte der vorstehenden Ausführungen hängt die Menge des Aggregats, die dem formbaren Gemisch zugesetzt wird, von einer Vielzahl von Faktoren ab, mit Einschluss der Menge und der Arten der anderen zugesetzten Komponenten sowie der Teilchenpackungsdichte der Aggregate selbst. Durch Kontrolle der Zellstruktur und der Zugabe des leichten Aggregats können Gegenstände hergestellt werden, die einen bevorzugten k-Faktor im Bereich von 0,03 W/m·k bis 0,2 W/m·k haben. Isolierende Gegenstände haben einen mehr bevorzugten k-Faktor im Bereich von 0,04 W/m·k bis 0,06 W/m·k. Nichtisolierende Gegenstände können einen mehr bevorzugten k-Faktor im Bereich von 0,1 W/m·k bis 0,2 W/m·k haben.
Die anorganischen Aggregate werden vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 20 bis 90 Gew.-% der Gesamtfeststoffe dem anorganisch gefüllten formbaren Gemisch zugesetzt, mehr bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 70 Gew.-%, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 40 bis 60 Gew.-%. Die inerten organischen Aggregate werden vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 5 bis 60 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, mehr bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 50 Gew.-%, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 25 bis 40 Gew.-% zugesetzt. Leichte Aggregate, die als solche mit einer Dichte von weniger als 1 g/cm³ definiert sind, werden vorzugsweise in einer Menge im Bereich von 5 bis 85 Vol.-% des anorganisch gefüllten formbaren Gemisches, mehr bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 65 Vol.- %, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 25 bis 55 Vol.-% zugesetzt.
Wie oben zum Ausdruck gebracht wurde, können Aggregatmaterialien mit unterschiedlicher Größe in variierenden Mengen zugesetzt werden um die Teilchenpackungsdichte des formbaren Gemisches zu beeinflussen. Je nach der natürlichen Packungsdichte jedes Aggregatmaterials sowie den relativen Größen der Teilchen ist es möglich, dass das resultierende Volumen der kombinierten Aggregate geringer ist als die Summe der Volumina der Aggregate vor dem Vermischen.

D. Form-Trennmittel.

Um die Entfernung der formstabilen Gegenstände aus den Formen zu unterstützen, kann dem formbaren Gemisch ein Form-Trennmittel zugesetzt werden. Ein bevorzugtes Form- Trennmittel ist Magnesiumstearat. Magnesiumstearat wirkt als Schmiermittel und Emulgator und ist als Mittel gegen Zusammenbackungen bekannt, das in Wasser unlöslich ist. Auf einer allgemeineren Skala können mittel- und langkettige Fettsäuren, ihre Salze und ihre Säurederivate als Form-Trennmittel verwendet werden. Die bevorzugten mittel- und langkettigen Festtsäuren treten typischerweise bei der Herstellung von Pflanzen, Fetten und tierischen Fetten auf, und sie haben eine Kohlenstoffkette, die größer als C&sub1;&sub2; ist. Die am meisten bevorzugten Fettsäuren haben eine Kohlenstoffkettenlänge von C&sub1;&sub6; bis C&sub1;&sub8;. Die hierin verwendeten Fette und Salze müssen nicht in reiner Form vorliegen, sondern müssen lediglich die vorherrschende Komponente darstellen. D. h., die kürzer- oder längerkettigen Fettsäuren sowie die entsprechenden ungesättigten Fettsäuren können noch vorhanden sein.
Verschiedene Wachse, wie Paraffin- und Bienenwachs, und Materialien auf Teflonbäsis können ebenfalls als Form-Trennmittel verwendet werden. Einer der weiteren Vorteile der Verwendung von Wachs besteht darin, dass dieses auch als Beschichtungsmaterial wirken kann, wie nachstehend beschrieben werden wird. Bei anderen Materialien, wie CaS, Calciumsilicat und Lecithin, ist festgestellt worden, dass diese als Trennmittel wirken. Zur weiteren Unterstützung der Freigabe der Gegenstände aus den Formen können die Formen poliert werden, mit Chrom plattiert werden oder mit z. B. Nickel, Teflon oder einem beliebigen anderen Material, das die Tendenz des Gegenstands, an den Formen zu kleben, einschränkt, beschichtet werden.
Die obigen Form-Trennmittel werden vorzugsweise dem Gemisch in einem Bereich von 0,05 bis 15 Gew.-% der Gesamtfeststoffe, mehr bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-%, zugesetzt.

E. Fasern.

Die hierin verwendeten Bezeichnungen "Fasern" und "faserartige Materialien" schließen sowohl anorganische Fasern als auch organische Fasern ein. Fasern sind erfolgreich in brüchigen Materialien, wie Keramiken" eingearbeitet worden um die Kohäsion, die Dehnungsfähigkeit, die Durchbiegungsfähigkeit, die Zähigkeit, die Bruchenergie und die Biege-, Zug- und je nach Gelegenheit auch die Druckfestigkeit des Materials zu verbessern. Im Allgemeinen verringern faserartige Materialien die Wahrscheinlichkeit, dass die hochanorganisch gefüllten Behälter oder andere Gegenstände beim Anlegen an Querschnittskräften zertrümmert werden. Obgleich es sich gezeigt hat, dass Fasern für die Erhöhung dieser Eigenschaften in den erfindungsgemäßen Gegenständen geeignet sind, ist ihr Erfolg beschränkt gewesen.
Wie vorstehend beschrieben, haben die erfindungsgemäßen geformten Gegenstände eine geschäumte oder zellförmige Strukturmatrix. Als Ergebnis liegt nur ein begrenztes Ausmaß der Grenzoberfläche für den Ladungstransfer zwischen den Fasern und der Strukturmatrix vor. D. h., die Fasern sind mit der Strukturmatrix der gebildeten Gegenstände nur durch Wände verbunden, die die Zellen teilen. Der Rest der Fasern ist in den Zellen suspendiert. In einigen Fällen sind die Fasern klein genug, dass sie in der Zelle vorhanden sind. Als Ergebnis des minimalen Kontakts zwischen den Fasern und der Strukturmatrix des Gegenstands wird nur ein begrenzter Teil der Eigenschaften der Fasern in die Strukturmatrix eingeführt.
Fasern, die in die anorganisch gefüllte Matrix eingearbeitet werden können, schließen vorzugsweise natürlich vorkommende organische Fasern, wie Cellulosefasern, erhalten aus Hanf, Baumwolle, Pflanzenblättern, Sisal, Abaca, Bagasse, Holz (sowohl Hartholz als auch Weichholz, Beispiel hierfür ist der südliche Baum beziehungsweise die südliche Kiefer) oder Stengeln, sowie anorganische Fasern, hergestellt aus Glas, Graphit, Kieselsäure, Keramik oder Metallmaterialien, ein.
Recycelte Papierfasern können eingesetzt werden, sind aber manchmal wegen des Zerreißens der Fasern, das während des ursprünglichen Papierherstellungsprozesses erfolgt, weniger zweckmäßig. Beliebige gleichwertige Fasern, die jedoch Festigkeit und Flexibilität verleihen, liegen gleichfalls im Rahmen der Erfindung. Das einzige begrenzende Kriterium besteht darin, dass die Fasern die gewünschten Eigenschaften verleihen, ohne dass sie in nachteiliger Weise sich mit den anderen Bestandteilen des anorganischen Materials umsetzen und ohne dass sie die Materialien (wie Nahrungsmittel) verunreinigen, die in den Gegenständen, die aus den solche Fasern enthaltenden Materialien hergestellt worden sind, gelagert oder in diese abgegeben werden. Beispielsweise sind Sisalfasern von International Filler erhältlich; Abacafasern sind von Isarog Inc. auf den Philippinen erhältlich; und Glasfasern, wie Cemfill® sind von der Pilkington Corp. in England erhältlich.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Fasern mit einem relativ höheren Durchmesser oder einer höheren Breite wirksamer sind um die Bruchenergie und die Verschiebung bis zum Versagen zu erhöhen. Beispielsweise waren Sisalfasern mit einem mittleren Durchmesser von 100 um erheblich wirksamer zur Erhöhung der obigen Eigenschaften als Holzfasern mit einem mittleren Durchmesser von 10 um. Die Zugabe der Sisalfasern verringerte auch dramatisch die Steifheit der trockenen Tassen.
Fasern mit größerem Durchmesser führen zu einer geringeren spezifischen Oberfläche als Fasern mit kleinem Durchmesser und mit gleichem Volumen. In dem Maß, wie die freigelegte Oberfläche der Fasern abnimmt, wird weniger Lösungsmittel von den Fasern adsorbiert, und demgemäß wird das Lösungsmittel mit weniger Energieaufwand rascher entfernt. Die erfindungsgemäß verwendeten Fasern haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von 10 um bis 100 um, wobei 50 um bis 100 um mehr bevorzugt, und 75 um bis 100 um am meisten bevorzugt werden. Weiterhin sollten die Fasern ein mittleres Dimensionsverhältnis (Länge-zu-Breite-Verhältnis) von mindestens 10 : 1 haben.
Die Menge der Fasern, die dem formbaren Gemisch zugesetzt wird, variiert entsprechend den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts. Die Biegefestigkeit, die Zähigkeit, die Flexibilität und die Kosten sind die Hauptkriterien für die Bestimmung der zuzusetzenden Fasermenge bei einem beliebigen Mischkonzept. Die Konzentration der Fasern in dem fertigen gehärteten Gegenstand liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 60 Vol.-% des Gesamtfeststoffgehalts, mehr bevorzugt von 2 bis 40 Vol.-%, und am meisten bevorzugt von 5 bis 20 Vol.- %.
Die Faserfestigkeit wird bei der Bestimmung der Fasermenge, die verwendet werden soll, in Betracht gezogen. Je größer die Biegefestigkeit der Fasern ist, desto kleiner ist die Fasermenge, die verwendet werden muss um eine gegebene Biegefestigkeit in dem resultierenden Gegenstand zu erhalten. Naturgemäß können, während einige Fasern eine hohe Biege-, Reiß- und Berstfestigkeit haben, andere Typen von Fasern mit niedrigerer Biegefestigkeit elastischer sein. Eine Kombination von zwei oder mehreren Fasern kann zweckmäßig sein um ein resultierendes Produkt mit maximierten mehrfachen Eigenschaften, wie höherer Biegefestigkeit, höherer Elastizität oder besserer Faserplazierung zu erhalten.
Es sollte auch beachtet werden, dass einige Fasern, wie solche der südlichen Kiefer und von Abaca, hohe Reiß- und Berstfestigkeiten haben, während andere, wie von Baumwolle, eine niedrigere Festigkeit, jedoch eine größere Flexibilität haben. In Fällen, wo eine bessere Plazierung, eine höhere Flexibilität und eine höhere Reiß- und Berstfestigkeit gewünscht werden, kann eine Kombination von Fasern mit variierenden Dimensionsverhältnissen und Festigkeitseigenschaften zu dem Gemisch gegeben werden.
Es ist bekannt, dass bestimmte Fasern und anorganische Füllstoffe dazu imstande sind, sich chemisch umzusetzen und mit bestimmten organischen Polymerbindern auf Stärkebasis zu verbinden, wodurch den erfindungsgemäßen Materialien eine weitere Dimension verliehen wird. Es ist beispielsweise bekannt, dass viele Fasern und anorganische Füllstoffe eine anionische Natur haben und eine negative Ladung besitzen. Um daher die Wechselwirkung zwischen dem organischen Binder und den anionischen Fasern und den anorganischen Materialien zu maximieren, kann es von Vorteil sein, einen positiv geladenen organischen Binder, wie kationische Stärke, zuzusetzen.
Eine bessere Wasserbeständigkeit kann erhalten werden, indem die Faser mit Kollophonium und Alaun (Al&sub2;(SO&sub4;)&sub3;) oder NaAl(SO&sub4;)&sub2; behandelt werden, wobei der Letztgenannte aus dem Kollophonium heraus auf die Faseroberfläche ausfällt und sie hochhydrophob macht. Die Aluminiumflocken, die durch den Alaun gebildet worden sind, erzeugen eine anionische Adsorptionsstelle auf der Faseroberfläche für einen positiv geladenen organischen Binder, wie kationische Stärke.
Schließlich können die Fasern mit einer Vielzahl von Substanzen beschichtet werden um die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts zu verbessern. So können beispielsweise die Fasern beschichtet werden um sie gegenüber einer Wasserabsorption beständiger zu machen. Weiterhin kann Ettringit auf der Faseroberfläche gebildet werden um die Wechselwirkung oder die Grenzfläche zwischen den Fasern und dem Binder auf Stärkebasis zu verbessern.

F. Rheologie-Modifizierungsmittel.

Rheologie-Modifizierungsmittel wirken dahin, dass sie die Viskosität oder die Kohäsionsnatur des formbaren Gemisches erhöhen. Wie vorstehend beschrieben, verringert eine Erhöhung der Viskosität die Größe der Zellen und erhöht die Größe der Zellwände in der Strukturmatrix. Der resultierende Gegenstand ist daher dichter und hat eine höhere Festigkeit. Eine Erhöhung der Viskosität wird auch dazu angewendet, ein Absetzen der Aggregate und des Binders auf Stärkebasis in dem Gemisch zu verhindern. Aggregate und nichtgelierte Stärkekörner haben eine natürliche Tendenz, sich in Gemischen mit niedriger Viskosität abzusetzen. Als Ergebnis können während der Zeitspanne zwischen der Herstellung und dem Erhitzen des Gemisches zum Punkt der Gelierung das Aggregat und irgendwelche nichtgelierten Stärkekörner beginnen, sich abzusetzen, wodurch ein Gegenstand mit nichtgleichförmigen Eigenschaften produziert wird. Je nach der Dichte des Aggregats kann der Fachmann den Typ und die Menge des Rheologie-Modifizierungsmittels auswählen, das zu dem Gemisch gegeben werden muss um das Absetzen zu verhindern.
Eine Vielzahl von natürlichen und synthetischen organischen Rheologie-Modifizierungsmitteln kann eingesetzt werden, die einen weiten Bereich von Eigenschaften haben, mit Einschluss der Viskosität und der Löslichkeit in Wasser. Die verschiedenen erfindungsgemäß in Betracht gezogenen Rheologie-Modifizierungsmittel können grob in die folgenden Kategorien eingeteilt werden: (1) Materialien auf Cellulosebasis und Derivate davon, (2) Proteine und Derivate davon, und (3) synthetische organische Materialien.
Beispiele für geeignete Rheologie-Modifizierungsmittel auf Cellulosebasis sind Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, etc. Der Gesamtbereich der möglichen Variationen ist enorm und soll hier nicht aufgelistet werden. Jedoch würden auch andere Cellulosematerialien mit den gleichen oder ähnlichen Eigenschaften genauso gut arbeiten.
Beispiele für andere natürliche Rheologie-Modifizierungsmittel auf Polysaccharidbasis sind Alginsäure, Phycokolloide, Agar, Gummi arabicum, Guargummi, Johannisbrotgummi, Karayagummi und Tragantgummi. Beispiele für geeignete Rheologie-Modifizierungsmittel auf Proteinbasis sind Zein® (ein Prolamin, abgeleitet von Mais), Kollagen (Derivate, extrahiert aus tierischem Bindegewebe, wie Gelatine und Leim), und Kasein (das Hauptprotein der Kuhmilch).
Schließlich sind Beispiele für geeignete synthetische organische Rheologie-Modifizierungsmittel, die wasserdispergierbar sind, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyvinylmethylether, Polyacrylsäuren, Polyacrylsäuresalze, Polyvinylacrylsäuren, Polyvinylacrylsäuresalze, Polyacrylamide, Ethylenoxide, Polymilchsäure und Latex (eine breite Kategorie, die eine Vielzahl von polymerisierbaren Substanzen, gebildet in einer wässrigen Emulsion, einschließt; ein Beispiel hierfür sind Styrolbutadien-Copolymere). Synthetische organische Polymere, insbesondere die Polyvinylverbindungen, werden gleichfalls als Filmbinder eingesetzt um eine hydrophobe Oberfläche auf dem Binder auf Stärkebasis zu erzeugen. Die hydrophobe Oberfläche verringert die Geschwindigkeit der Wasserabsorption durch den Binder auf Stärkebasis beim Mischprozess, wodurch eine raschere Bildung von formstabilen Gegenständen gestattet wird.
Die Rheologie-Modifiziemngsmittel werden den erfindungsgemäßen formbaren Gemischen vorzugweise in solchen Mengen zugesetzt, dass der gehärtete Gegenstand 0,5 bis 20% Rheologie-Modifizierungsmittel, bezogen auf das Gewicht des Gegenstands, mehr bevorzugt 1 bis 10%, und am meisten bevorzugt 2 bis 5%, enthält.

6. Dispersierungsmittel.

Die hierin verwendete Bezeichnung "Dispergierungsmittel" soll eine Klasse von Materialien bezeichnen, die zugesetzt werden können um die Viskosität und die Fließspannung des formbaren Gemisches zu verringern. Eine genauere Beschreibung der Verwendung von Dispergierungsmittel findet sich in der Diplomarbeit von Andersen, P. J., "Effects of Organic Superplasticizing Admixtures and their Components on Zeta Potential and Related Properties of Cement Materials" (The Pennsylvania State University Materials Research Laboratory, 1987). Zum Zwecke der Offenbarung wird auf diese Diplomarbeit Bezug genommen.
Dispergierungsmittel arbeiten im Allgemeinen in der Weise, dass sie auf der Oberfläche der Aggregatteilchen und/oder in der nahen Kolloiddoppelschicht der Teilchen adsorbiert werden. Dies erzeugt eine negative Ladung auf oder um die Oberflächen der Teilchen herum, wodurch eine gegenseitige Abstoßung dieser Teilchen bewirkt wird. Diese Abstoßung von Teilchen trägt zu einer "Schmierung" bei, indem die Reibungs- oder Anziehungskräfte verringert werden, die ansonsten bewirken würden, dass die Teilchen eine größere Wechselwirkung haben. Dies erhöht die Packungsdichte des Materials etwas und gestattet die Zugabe von weniger Lösungsmittel unter Aufrechterhaltung der Bearbeitbarkeit des formbaren Gemisches. Dispergierungsmittel können dazu verwendet werden, bearbeitbare Gemische mit niedriger Viskosität und mit niedriger Konzentration des Lösungsmittels zu erzeugen. Solche Gemische sind für die Herstellung von Gegenständen mit hoher Dichte geeignet.
Aufgrund der Natur des Beschichtungsmechanismus des Dispergierungsmittels kann die Reihenfolge, in der das Dispergierungsmittel zu dem Gemisch gegeben wird, oft von Wichtigkeit sein. Bei Verwendung von bestimmten wasserdispergierbaren organischen polymeren Rheologie-Modifizierungsmitteln (wie Tylose®) sollte zuerst das Dispergierungsmittel zu einem Gemisch, enthaltend Wasser und mindestens einen Teil der anorganischen Aggregate, gegeben werden, und dann sollten die Rheologie-Modifizierungsmittel als Zweites zugesetzt werden. Sonst wäre das Dispergierungsmittel weniger dazu geeignet, auf der Oberfläche der Aggregatteilchen adsorbiert zu werden, da die Tylose® zuerst irreversibel adsorbiert würde, wodurch ein Schutzkolloid auf der Oberfläche gebildet und hierdurch die Adsorption des Dispergierungsmittels verhindert würde.
Ein bevorzugtes Dispergierungsmittel ist Polyacrylsäure, sulfoniertes Melaminformaldehydkonzentrat oder Lignosulphat. Ein anderes Dispergierungsmittel, das ebenfalls geeignet sein kann, ist Metaphosphat. Die Menge des zugesetzten Dispergierungsmittels liegt im Allgemeinen im Bereich von bis zu 5 Gew.-% des Lösungsmittel, und mehr bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 4 Gew.-%, und am meisten bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 Gew.-%.
Die erfindungsgemäß in Betracht gezogenen Dispergierungsmittel sind manchmal in der Betonindustrie schon als Superweichmacher bezeichnet worden. Um die Dispergierungsmittel von anderen Rheologie-Modifizierungsmitteln, die oftmals als Weichmacher wirken, besser zu unterscheiden, wird der Begriff "Superweichmacher" hierin nicht verwendet.

H. Andere Mischungsbestandteile.

Eine Vielzahl von anderen. Komponenten kann zu dem formbaren Gemisch gegeben werden um dem Endgegenstand gewünschte Eigenschaften zu verleihen. So erzeugen beispielsweise Enzyme, wie Carbohydrase, Amylase und Oxidase, Löcher in der Oberfläche der Stärkekörner, was eine schnellere Gelierung des Binders auf Stärkebasis als im Falle der Verwendung von nichtgelierter Stärke gestattet. Als Ergebnis nimmt die Viskosität des Gemisches mit größerer Geschwindigkeit zu, wodurch Gegenstände mit festerer und gleichförmigerer Zellstruktur erhalten werden.
Es können anfänglich Gegenstände gebildet werden, die die gewünschte Flexibilität haben (im Gegensatz zu einem Erhalt der Flexibilität durch Anwendung einer Feuchtigkeitskammer), indem Komponenten zugesetzt werden, die das Wasser in den Stärkemolekülen eng binden. Dies kann durch Zugabe von Befeuchtungsmitteln oder Zerfließungschemikalien, wie MgCl&sub2;, CaCl&sub2;, NaCl oder Calciumcitrat, erreicht werden. Da alle diese Chemikalien in Wasser leicht löslich sind, sind sie dazu imstande, das Wasser in den Stärkemolekülen zu verteilen und darin zurückzuhalten, wodurch eine gleichförmigere Verteilung der Feuchtigkeit erhalten wird. Ihrerseits verbessert die Feuchtigkeit die Flexibilität.
Die Flexibilität kann auch dadurch erhalten werden, dass Erweichungsmittel oder Weichmacher zu dem formbaren Gemisch gegeben werden. Solche Weichmacher sind z. B. Polysorbat 60, SMG, Mono- und Diglyceride und destillierte Monoglyceride. Andere spezialisierte Weichmacher mit einem Siedepunkt oberhalb der maximalen Temperatur, die von dem Gemisch während des Formprozesses erreicht wird, können gleichfalls eingesetzt werden. Diese Chemikalien, wie beispielsweise Polyethylenglykol (MG unterhalb 600), Glycerin und Sorbit, neigen dazu, den Platz des Wassers einzunehmen, und sie wirken als Weichmacher bei einer Feuchtigkeit so niedrig wie 5%. Es wird angenommen, dass sie sich an die Hydroxylgruppen der Stärkemoleküle anheften und eine scharnierartige Struktur bilden. Da die Weichmacher während des Verformungsprozesses nicht verdampfen, bleiben sie in dem formstabilen Gegenstand zurück, wodurch die stärkegebundene Matrix erweicht wird.
Schließlich können Vernetzungsmischbestandteile, wie Dialdehyde, Methylharnstoffe und Melaminformaldehydharze, dem Gemisch zugesetzt werden um weniger wasserlöslichen Binder auf Stärkebasis zu erzeugen. Die Vernetzungsmischbestandteile binden die Hydroxylionen des Binders auf Stärkebasis, was die Wasserreabsorptionsgeschwindigkeit des Binders auf Stärkebasis verlangsamt. Als Ergebnis erhalten die fertigen Gegenstände ihre Stabilität mit schnellerer Geschwindigkeit, sie haben eine höhere Festigkeit und sie sind dazu imstande, Flüssigkeiten bis zum Versagen länger zu halten (z. B. kann eine Tasse das Wasser länger halten, bevor dieses aussickert).
Die vorgenannten Mischbestandteile werden typischerweise in einem Bereich zwischen 0,5 bis 15%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtfeststoffe in dem Gemisch, oder vorzugsweise 1 bis 10%, und mehr bevorzugt von 1 bis 5%, zugesetzt.

V. PROZESSVORRICHTUNGEN, BEDINGUNGEN UND ERGEBNISSE.

Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch ein mehrstufiges Vefahren hergestellt. Die Stufen schließen die Herstellung des Gemisches, die Verformung des Gemisches zu den gewünschten Gegenständen und die Konditionierung der resultierenden Gegenstände ein. Zusätzliche Stufen können selektiv ein Bedrucken, ein Beschichten und ein Verpacken der fertigen Gegenstände einschließen.
Ein Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes mit einer Zellstrukturmatrix, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Herstellen eines formbaren Gemisches, das einen Binder auf Stärke-Basis in einer Menge in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffe, ein Lösungsmittel, das geeignet ist beim Erhitzen im Wesentlichen den Binder auf Stärke-Basis zu gelatinieren, und ein anorganisches Aggregat in einer Menge größer als 20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamfeststoffe in dem formbaren Gemisch, enthält, und (b) Formen des formbaren Gemisches in einem Formhohlraum um zumindest einen Teil des Binders auf Stärke-Basis zu gelatinieren, Entfernen eines wesentlichen Teiles des Lösungsmittels aus dem formbaren Gemisch durch Verdampfen, und Formen der stärkegebundenen Zellstrukturmatrix des Gegenstandes, wobei die stärkegebundene Zellstrukturmatrix binnen 15 Minuten nach dem Positionieren in die gewünschte Form des Gegenstandes formstabil ist.
Die Stufe der Herstellung schließt vorzugsweise mindestens einen der folgenden Schritte ein: (a) Zugabe eines faserartigen Materialks zu dem formbaren Gemisch, (b) Zugabe eines Rheologie-Modifizierungsmittels zu dem formbaren Gemisch, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus einem Material auf Cellulosebasis, einem Material auf Polysaccharidbasis, einem Material auf Proteinbasis und einem synthetischen organischen Material, (c) Zugabe eines Dispergiermittels zu dem formbaren Gemisch, (d) Zugabe eines Enzym zu dem formbaren Gemisch um die Gelierungsgeschwindigkeit des Binders auf Stärke-Basis zu erhöhen, (e) Zugabe eines Feuchthaltemittels zu dem formbaren Gemisch um die Rückhaltung der Feuchtigkeit in der Zellstrukturmatrix zu verbessern, (f) Zugabe eines Vernetzungsmittels zu dem formbaren Gemisch, (g) Verwendung eines Hochenergiemixers oder eines Zweikammen- Extruders, (h) Anwendung eines Unterdruckes auf das formbare Gemisch um die in derm formbaren Gemisch eingeschlossene Luft zu entfernen und (i) Erhitzen des formbaren Gemisches bis zum Glierungspunkt des Binders auf Stärke-Basis.
Vorzugsweise schließt die Formungsstufe ein Erhitzen des formbaren Gemisches durch Erhitzen des Formhohlraums auf eine Temperatur in einem Bereich von 150ºC bis 220ºC, vorzugsweise von 170ºC bis 210ºC, insbesondere von 190ºC bis 200ºC, ein.
Vorzugsweise variiert die Temperatur des Hohlraums entlang der Länge des Hohlraums.
Vorzugsweise ergibt die Formungsstufe einen geformten Gegenstand, bei dem die zellförmige Strukturmatrix innerhalb einer Zeitspanne in einem Bereich von 1 Sekunde bis 10 Minuten, vorzugsweise 15 Sekunden bis 5 Minuten, formstabil ist.
Nachstehend wird die Vorrichtung beschrieben, die in den Prozessstufen eingesetzt wird. Die erfindungsgemäßen Gegenstände können unter Verwendung von herkömmlichen Einrichtungen hergestellt werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Polystyrolschaumstoffen, Papier, Kunststoff, Zement und essbaren Waffeln bekannt sind. Die Einrichtung muss jedoch in einzigartiger Weise zusammengestellt und angeordnet sein um ein funktionelles System zu bilden, das die erfindungsgemäßen Gegenstände herstellen kann. Weiterhin kann eine geringfügige Modifzierung der Einrichtungen erforderlich sein um die Produktion der Gegenstände zu optimieren. Die Anordnung, die Modifzierung und der Betrieb der Einrichtung bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gegenstände kann vom Fachmann anhand der Ausführungen in der Beschreibung unter Verwendung von herkömmlichen Einrichtungen durchgeführt werden.

A. Herstellung des Gemisches.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das formbare Gemisch vorzugsweise in einem Mischtank 20 hergestellt, der durch Lagerungszellen 22 befüllt wird. Die Anzahl der Lagerungszellen 22 hängt von der Anzahl der Komponenten ab, die in das Gemisch eingearbeitet werden sollen. Die Lagerungszellen 22 umfassen typischerweise Ladungszellen 24 für trockene Güter und Ladungszellen 26 für Flüssigkeiten. Die Ladungszellen 24 für trockene Güter enthalten feste Komponenten, wie den Binder auf Stärkebasis und die Fasern. Dosierungseinheiten 28 für das trockene Material, typischerweise bestehend aus einer gewissen Form eines Augurierungssystems, messen automatisch und genau die gewünschte Menge des trockenen Gemisches in den Gemischtank 20 hinein ab.
Die Ladungszellen 26 für Flüssigkeiten enthalten flüssige Komponenten, wie das Lösungsmittel, und verschiedene flüssige Rheologie-Modifizierungsmittel. Unter Umständen können automatische Rührer innerhalb der Beladungszellen 26 für die Flüssigkeiten positioniert werden um dazu beizutragen, die Trennung oder das Absetzen einer Flüssigkeit zu verhindern. Die Dosierungspumpen 30 messen und beschicken die Flüssigkeiten in den Mischtank 20 automatisch und genau.
Der Mischtank 20 ist vorzugsweise ein Hochenergiemischer, der dazu imstande ist, rasch die Komponenten zu einem homogenen formbaren Gemisch zu vermengen. Beispiele für solche Hochenergiemischer sind TMN-Turboteigmischer, erhältlich von der Firma Franz Haas Waffelmaschinen, Wien, Österreich. Alternative Hochenergiemischer werden in der US-PS Nr. 4 225 247 mit dem Titel "Mixing and Agitating Device"; der US-PS Nr. 4 552 463 mit dem Titel "Method and Apparatus for Producing a Colloidal Mixture"; der US-PS Nr. 4 889 428 mit dem Titel "Rotary Mill"; der US-PS Nr. 4 944 595 mit dem Titel "Apparatus for Producing Cement Building Materials"; und US-PS Nr. 5 061 319 mit dem Titel "Process for Producing Cement Building Material" beschrieben. Zum Zwecke der Offenbarung wird auf die vorstehenden Patentschriften hierin Bezug genommen.
Alternativ kann ein Mischer mit variierbarer Geschwindigkeit dazu verwendet werden, eine Niedrigenergiemischung durchzuführen. Mischer mit variierbarer Geschwindigkeit schließen eine Eirich-Rv-11-Vorrichtung ein. Wenn brüchige Füllstoffe oder Aggregate, wie Glaskügelchen, in das Gemisch eingearbeitet werden sollen, dann wird es bevorzugt, ein Niedrigenergiemischen durchzuführen um das Aggregat nicht zu zerschlagen. Das Niedrigenergiemischen ist für Gemische mit hoher Viskosität wichtiger. In dem Maße, wie die Viskosität zunimmt, nimmt die an das Gemisch angelegte Scherkraft zu, wodurch die Gefahr von Bruchbeschädigungen der brüchigen Aggregate erhöht wird.
Wie in Fig. 4 weiter dargestellt, wird, nachdem das Gemisch einmal hergestellt worden ist, dieses durch ein oszillierendes Sieb 32 zu einem Lagerungsmischer 34 gepumpt. Das oszillirende Sieb 32 trägt dazu bei, nichtvermischte, klumpende Feststoffe herauszutrennen und zu dispergieren. Der Lagerungsmischer 34 funktioniert als Haltetank, um eine kontinuierliche Einspeisung des formbaren Gemisches in die Formvorrichtung zu gestatten. Das formbare Gemisch wird in die Verformungsvorrichtung auf dem Wege über eine herkömmliche Pumpe 36 eingespeist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Lagerungsmischer 34 dicht verschlossen und mit einer Vakuumpumpe 38, die daran angeschlossen ist, ausgestattet. Die Vakuumpumpe 38 legt einen negativen Druck an das Gemisch an um Luftbläschen, die in dem Gemisch eingefangen sind, zu entfernen. Wie vorstehend beschrieben, können die Luftbläschen Oberflächendefekte in den fertigen Produkten bewirken.
Im Lagerungsmischer 34 wird das formbare Gemisch kontinuierlich bei niedriger Energie gerührt oder gemischt um ein Absetzen in dem formbaren Gemisch zu verhindern. Wenn die Verformungsvorrichtung bei einem chargenweisen Prozess verwendet wird, dann kann im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Prozess der Lagerungstank 34 weggelassen werden, und das Gemisch kann direkt aus dem Mischtank 20 in den Verformungsapparat eingegeben werden. Ein Beispiel für ein vollständig automatisiertes System von Beladungszellen und Mischern ist das DANMIX-Teigmischsystem, das von der Firma Franz Haas Waffelmaschinen, Industriegesellschaft M.B.H.; Wien, Österreich, bezogen werden kann.
Wenn ein dickeres oder viskoseres formbares Gemisch gewünscht wird, dann kann es erforderlich sein, ein Augurierungssystem zu verwenden um das formbare Gemisch zu mischen und zu übertragen. Gemäß einer Ausführungsform werden die in das formbare Gemisch eingearbeiteten Materialien automatisch und kontinuierlich dosiert, gemischt und durch eine Dualkammer-Augerextrudierungsvorrichtung entlüftet. Die Fig. 5 zeigt einen Dualkammer-Auger- Extruder 40, der eine Beschickungseinrichtung 42 einschließt, die das formbare Gemisch in eine erste Innenkammer 44 des Extruders 40 einspeist. In der ersten Innenkammer 44 befindet sich eine erste Augerschnecke 46, die sowohl vermischt, als auch einen Vorwärtsdruck ausübt, der das formbare Gemisch durch die erste Innenkammer 44 zu einer Evakuierungskammer 48 fortbewegt. Typischerweise wird ein negativer Druck oder ein Vakuum an die Evakuierungskammer 48 angelegt um unerwünschte Lufthohlräume in dem formbaren Gemisch zu entfernen.
Danach wird das formbare Gemisch in eine zweite Innenkammer 50 eingeleitet. Eine zweite Auger-Schnecke 52 bewegt das Gemisch in Richtung auf die Vorrichtung zur Bildung des Gegenstands. Die Auger-Schnecken 46 und 52 können unterschiedliche Steigungen und Orientierungen haben um die Vorwärtsbewegung des Gemisches zu unterstützen und um eine niedrige und hohe Scherenergiemischung durchzuführen.
Der Auger-Extruder 40 kann dazu verwendet werden, die Komponenten des formbaren Gemisches unabhängig voneinander zu mischen oder, wie in Fig. 5 gezeigt, können diese durch einen Mischer 54 eingespeist werden. Ein bevorzugter Doppel-Auger-Extruder verwendet ein Paar von gleichförmig rotierenden Auger-Einrichtungen, wobei die Auger-Einrichtungen in gleicher Richtung rotieren. Doppel-Auger-Extruder mit entgegengesetzter Rotation, wobei die Augereinrichtungen in entgegengesetzten Richtungen rotieren, erfüllen den gleichen Zweck. Eine Kollergangmühle kann für diesen Zweck gleichfalls eingesetzt werden. Anlagen, die diesen Spezifikationen genügen, sind von der Firma Buhler-Miag, Inc., in Minneapolis, Minnesota, erhältlich.
Formbare Gemische mit hoher Viskosität werden typischerweise in den Verformungs¬ apparat entweder durch einen zweistufigen Injektor oder einen Injektor mit hin- und hergehender Schnecke eingeleitet. Wie in Fig. 6 dargestellt, hat ein Zwei-Stufen-Injektor 56 getrennte Abteile für das Vermischen oder das Vorwärtstransportieren und Injizieren. Das Gemisch wird zu einer Extruderschnecke 58 befördert, welche das Gemisch in einen Schusstopf 60 einleitet. Wenn der Schusstopf 60 gefüllt ist, dann drückt ein Injektionskolben 62 eine definierte Menge des Gemisches in einen Fließkanal 64 hinein, der den Verformungsapparat beschickt.
Wie in Fig. 7 dargestellt, umfasst ein Injektor mit hin- und hergehender Schnecke 66 eine Kammer 68 mit einer Augerschnecke 70, die darin in Längsrichtung positioniert ist. Das formbare Gemisch wird in die Kammer 68 eingeleitet und durch die Augerschnecke 70 vorwärtstransportiert. Wenn die Augerschnecke 70 rotiert, dann befördert sie das Gemisch zu dem Einspritzende 72 der Augerschnecke 70. Wenn das erforderliche Volumen des Gemisches sich am Ende 72 angesammelt hat, dann unterbricht die Auger-Schnecke 70 die Rotation, und sie bewegt sich nach vorne um das Gemisch in den Fließkanal 64 und danach in die Verformungsvorrichtung einzuspritzen.

B. Verformung des Gemisches zu dem gewünschten Gegenstand.

Wenn das Gemisch einmal hergestellt worden ist, dann wird es vorzugsweise zu der gewünschten Gestalt des Gegenstands durch Verwendung von erhitzten Formen verformt. Die Fig. 8 zeigt eine erhitzte positive Form 74 mit der gewünschten Gestalt und eine erhitzte negative Form 76, die eine komplementäre Gestalt hat. Die negative Form 76 umfasst einen Formkörper 78 mit einer flachen Formseite 80 mit einer darin eingebohrten Aufnahmekammer 82. Die Aufnahmekammer 82 hat eine Öffnung 84, durch die ein Zugang in die Kammer erzielt wird. Die positive Form 74 umfasst eine Befestigungsplatte 86, einen Düsenkopf 88 mit einer Gestalt, die im Wesentlichen der Gestalt der Aufnahmekammer 82 komplementär ist, sowie einen Belüftungsring 90, der sich zwischen der Anhaftungsplatte 86 und dem Düsenkopf 88 erstreckt. Der Belüftungsring 90 ist geringfügig größer als die Öffnung 84 der Aufnahmekammer 82 und enthält eine Vielzahl von Belüftungsrillen 92, die in Längsrichtung zu dem Düsenkopf 88 ausgerichtet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Formen vertikal mit der negativen Form 76 ausgerichtet, die unterhalb der positiven Form 74 angeordnet ist. Bei dieser, wie in Fig. 9 gezeigten Orientierung, wirkt die Aufnahmekammer 82 als Behälter für die Aufnahme des formbaren Gemisches aus einer Füllöffnung 94. Wenn einmal das Gemisch in der negativen Form 76 positioniert ist, dann werden die Formen gepaart, wie in Fig. 10 gezeigt wird, indem der Düsenkopf 88 in die Aufnahmekammer 82 eingesetzt wird, bis der Belüftungsring 90 auf der Formseite 80 um die Öffnung 84 herum zur Auflage kommt. Der Düsenkopf 88 ist geringfügig kleiner als die Aufnahmekammer 82, so dass beim Paaren der Formen ein Formbereich 96 existiert, der zwischen der positiven Form 74 und der negativen Form 76 liegt. Wie vorstehend erläutert, füllt vorzugsweise nur die Menge des formbaren Gemisches, die in der negativen Form 76 positioniert ist, einen Teil des Formbereichs 96.
In der in den Fig. 11 und 11A gezeigten gepaarten Position kommunizieren die Belüftungsrillen 92 mit der Formfläche 96 um Belüftungslöcher 98 zu bilden. Weiterhin ist ein Belüftungsspalt 100 zwischen der Formseite 80 und der Befestigungsplatte 86 als Ergebnis der Auflage des Belüftungsrings 90 auf der Formseite 80 gebildet. Während des Betriebs bewirken die erhitzten Formen, dass das formbare Gemisch expandiert und zu einem festen Gegenstand trocknet, der den vorstehend beschriebenen Verfahren und Parametern entspricht. Überschüssiges Material 102 und Dampf werden aus dem Formbereich 96 durch die Belüftungslöcher 98 und in den Belüftungsspalt 100 ausgetrieben. Wenn einmal das Gemisch in der gewünschten Gestalt des Gegenstands formstabil geworden ist, dann werden die positive Form 74 und die negative Form 76 voneinander getrennt. Wie in Fig. 12 dargestellt, kann ein Schabemesser 103 dann entlang der Länge der Formseite 80 angepresst werden um überschüssiges Material 102 zu entfernen.
Die Formen können eine Vielzahl von Gestalten und Größen haben um den gewünschten Gegenstand zu bilden. Jedoch gibt es zwei allgemeine Typen von Formen, nämlich Dualformen und Spaltformen. Wie in Fig. 13 gezeigt wird, umfasst eine Dualform 104 eine einzige positive Form 74 und eine einzige negative Form 76. Dieser Formtyp wird für die Herstellung von flachen Gegenständen, wie Platten und Deckeln, die leicht aus den Formen entnommen werden können, verwendet. Spaltformen 106, wie in Fig. 14 gezeigt, umfassen eine einzige positive Form 74 und eine negative Form 76, die zu Formhälften 108 getrennt werden können. Die Formhälften 108 werden nach der Bildung des Gegenstands getrennt um die leichte Entfernung des Gegenstands zu gestatten. Spaltformen 106 werden zur Herstellung von Gegenständen mit tiefen Einsparungen, wie Tassen und Bechern, die schwer aus einer Form zu entfernen sind, eingesetzt.
Eine Methode zur Entfernung der Gegenstände aus der Form ist die Verwendung einer Saugdüse 110. Wie in Fig. 14 gezeigt, hat eine Saugdüse 110 einen Kopf 112 mit Vakuumöffnungen 114, die darauf angeordnet sind. Der Kopf 112 ist so ausgestaltet, dass er komplementär zu dem gehärteten Gegenstand passt. Demgemäß kann durch Einsetzen des Kopfs in den Gegenständen und durch Anlegung eines geringen negativen Drucks durch die Vakuumöffnungen 114 der Gegenstand nach oben herausgezogen und zu einem Förderband zur nachfolgenden Beförderung transportiert werden.
Die Formen werden vorzugsweise aus Metallen, wie Stahl, Messing und Aluminium, hergestellt. Polierte Metalle, mit Einschluss von Chrom und Nickel, zusammen mit Teflonüberzügen, erleichtern die Entfernung der Gegenstände aus den Formen, und sie erzeugen ein glatteres Finish. Das Material der Formen muss dazu imstande sein, wie vorstehend beschrieben, den Temperaturen und Drücken zu widerstehen, die beim Herstellungsprozess auftreten.
Die Formen können durch eine Vielzahl von Wegen erhitzt werden. Beispielsweise können äußere Heizelemente, wie Gasbrenner, Infrarot- und elektrische Heizelemente an die Formen angefügt oder darauf gewichtet werden. Alternativ können erhitzte Flüssigkeiten, wie Öle, oder erhitzte Gase, wie Wasserdampf, durch die Formen in Rohren geleitet werden um diese zu erhitzen. Verschiedene Typen von Erhitzungsmethoden können ebenfalls eingesetzt werden um die Temperatur der Formen entlang der Länge der Formen zu variieren um die Eigenschaften der gehärteten Matrix in dem Formgegenstand zu variieren. Es ist auch möglich, die Gemische ohne Erhitzen der Formen zu erhitzen. So können beispielsweise die Formen aus Keramik hergestellt werden, und das Gemisch kann mit Mikrowellen erhitzt werden.
Durch Variierung der Temperatur und der Prozesszeit ist es möglich, die Dichte, die Porosität und die Dicke der Oberflächenschicht oder der Haut zu beeinflussen. Im Allgemeinen ist zum Erhalt eines Formkörpers mit dünnerer, jedoch dichterer Oberflächenschicht die Temperatur niedriger, die Formen haben weniger Ventilierungslöcher, und das formbare Gemisch hat eine höhere Viskosität. Die Viskosität des Gemisches kann erhöht werden, indem ein Rheologie-Modifizierungsmittel, wie Tylose®, mit Einschluss von wenig Wasser, zugesetzt wird oder indem ein Aggregatmaterial eingesetzt wird, das eine höhere spezifische Oberfläche hat.
Ein Verfahren zur Massenproduktion der erfindungsgemäßen Gegenstände erfolgt mittels der in Fig. 15 dargestellten Backmaschine. Wie in Fig. 15 dargestellt, hat die Backmaschine 116 eine Formungsstation 118, die an einen Backofen 120 angefügt ist und damit in Verbindung steht. Der Backofen 120 enthält eine Isolierungswand 122, die eine Ofenkammer 124 definiert. Heizelemente 126 sind in der Ofenkammer 124 zum Erhitzen der Ofenkammer 124 angeordnet. Ein Gleissystem 128 erstreckt sich sowohl durch die Formstation 118, als auch die Ofenkammer 124 in kontinuierlicher, kreisförmiger Weise. Das Gleissystem 128 schließt ein oberes Gleis 130 und ein unteres Gleis 132 ein. Auf den Gleisen laufen auf dem Wege über die Räder 134 eine Vielzahl von miteinander verbundenen, mit einem Scharnier angebrachte Backformen 136. Wie am besten in Fig. 16 gezeigt wird, hat jede Form eine obere Platte 138 und eine Bodenplatte 140, wobei die Platten miteinander an einem Ende durch ein Scharnier 142 verbunden sind. Die obere Platte 138 und die Bodenplatte 140 schließen eine positive Form 24 beziehungsweise eine negative Form 76, wie vorstehend beschrieben, ein.
Die Backmaschine 116 funktioniert für die Massenproduktion der gewünschten Gegenstände als kontinuierlicher Prozess. Die Produktion der Gegenstände erfolgt in mehreren Stufen, die gleichzeitig in verschiedenen Backformen 136 in der Kette der Formen durchgeführt werden. Wie in der Fig. 16 gezeigt wird, werden in der ersten Stufe die Backformen 136 geöffnet und unter einer Füllöffnung 144 für die Aufnahme des formbaren Gemisches positioniert. Die Backformen 136 werden geöffnet, indem die oberen und unteren Gleise 130 und 132 auf denen die oberen beziehungsweise Bodenplatten laufen, voneinander getrennt werden. Die Füllöffnung 144 wird dazu verwendet um eine gewünschte Menge des formbaren Gemisches in die negative Form 76 abzugeben.
Wenn einmal die negative Form 76 gefüllt ist, dann laufen die Backformen 136 weiter und werden als Ergebnis des Vorgangs, so dass die oberen und unteren Gleise 130 und 132 näher zueinander kommen, geschlossen. Um eine zyklische Trennung der Formen zu erleichtern, können, wie vorstehend beschrieben, die Gleise so gestaltet sein, dass sie zyklisch divergieren und konvergieren, wie im Punkt C der Fig. 15 gezeigt wird, wodurch die Formen wiederholt geöffnet und geschlossen werden. Nach der zyklischen Trennung werden die Formen verschlossen, und der Formungsprozess wird weitergeführt.
Ein bevorzugter Mechanismus für das Verschließen der Formen wird in der US-PS Nr. 4 953 453 vom 4. September 1990, von Herrn Franz Haas sen., mit dem Titel "Apparatus for Operating Locks of Baking Tongs for Producing Rotatable, Preferably Edible Wafers from Wafer Dough in a Wafer Baking Oven or an Automatic Wafer Baking Machine" (nachstehend als das "Haas '453-Patent bezeichnet) beschrieben. Zum Zwecke der Offenbarung wird hierin auf die obige Patentschrift spezifisch Bezug genommen. Das Haas '453-Patent beschreibt einen Verschlussmechanismus, der die Unterbrechung des Prozesses verhindert, wenn die Formen dahingehend versagen, dass sie richtig ausgerichtet sind und schließen. Herkömmlichere Verschließungsmechanismen können verwendet werden, doch müssen diese dazu imstande sein, den Drücken zu widerstehen, die durch die erhitzten Gemische erzeugt werden.
Die Backform 136 durchläuft die Länge des Backofens 120 und wird in umgekehrte Position gedreht. Dann läuft sie zurück zu der Bildungsstation 180. Gemäß der Erfindung sind Erhitzungselemente 126 in der Ofenkammer 124 zum Erhitzen der Backformen 176, wie sie durch die Ofenkammer 124 reisen, angeordnet. Beispielhaft und ohne beabsichtigte Einschränkung können Beispiele der Erhitzungselemente 126 elektrische Erhitzungselemente, Gasbrenner und Infrarotlichtquellen sein.
Die Geschwindigkeit, mit der die Formen durch den Backofen 120 laufen, wird zum Teil durch die erforderliche Zeitspanne beschränkt, die benötigt wird für das Stoppen und das Füllen der Backformen 136. Die Füllzeit hängt naturgemäß von der Größe des zu formenden Gegenstands ab. Die Zeitspanne, während der das Gemisch in dem Ofen verbleibt, hängt von mehreren Variablen ab, mit Einschluss des Lösungsmittelgehalts, der Ofentemperatur und dem Füllungsvolumen, wie vorstehend diskutiert. Um eine Einstellung der Formzeit ohne Modifizierung der Geschwindigkeit der Formen zu gestatten, ist der Backofen 120 so ausgebildet, dass er Einheitsabschnitte 146 einschließt. Die Einheitsabschnitte 146 können aus dem Backofen 120 entfernt werden oder neue Sektionen können in den Backofen 120 eingegeben werden um eine selektive Einstellung der Länge des Backofens 120 zu gestatten. Die Verformungszeit und -temperatur werden so ausgewählt, dass dann, wenn die Backformen 136 zu der Formungsstation 118 zurückkehren, der Gegenstand dann in formstabilem Zustand aus den Formen entfernt werden kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 15 werden, wenn die Formen einmal zu der Formungsstation 118 zurückgekehrt sind, die Backformen 136 erneut getrennt, indem die oberen und unteren Gleise 130 und 132 voneinander getrennt werden. Ein Schabemesser, das in Fig. 17 gezeigt ist, kann über die negative Form 76 geleitet werden um überschüssiges Material 102 zu entfernen, das durch die Belüftungslöcher 198 während des Erhitzungsporzesses ausgetreten sein könnte. Dann kann der Gegenstand aus der negativen Form 76 herausgenommen werden.
Die Gegenstände können aus den Formen auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten und Weisen entfernt werden. So werden beispielsweise, wie in Fig. 16 gezeigt wird, bei Verwendung von Dualformen 184 in dem Maße, wie die getrennten Formen durch die Formungsstation 118 passieren, die Formen erneut gedreht um sie zu ihrer ursprünglichen Orientierung zurückzubringen. Wenn die Formen gedreht werden, dann bewirkt die Schwerkraft, dass der Gegenstand aus den Backformen 136 herausfällt. Ein Transportband kann dann dazu verwendet werden um den Gegenstand für die nachfolgende Verarbeitung aufzufangen und zu transportieren. Bei Verwendung von Spaltformen 106 umfasst der Entfernungsprozess die Trennung der Formhälften 108 und das Gestattenlassen der Gegenstände, eine Sammelrutsche 149 unter der Schwerkraft hinunterzufallen, wie in Fig. 15 gezeigt wird. Der Gegenstand läuft dann entlang eines Förderbandes weiter durch die restlichen Prozessstufen. Mit den aus den Formen entfernten Gegenständen kehrt die Form zu der Füllöffnung 144 zurück, und der Prozess wird wiederholt.
Eine typische Backmaschine 116 kann aus einer Vielzahl von im Handel erhältlichen Backmaschinen ausgewählt werden, wie beispielsweise den Waffelbackmaschinen, wie SWAK T, SWAK I und SWAK und den Eiscrememaschinen STAK, STAZ und STA. Diese Backmaschinen können von der Firma Franz Haas Waffelmaschinen, Industriegesellschaft, M.B.H., Wien, Österreich, bezogen werden. Obgleich die oben angegebenen Maschinen in der Vergangenheit in erster Linie für die Herstellung von Waffel- und Eiscremeprodukten verwendet worden sind, können auch die angegebenen Maschinen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, indem geeignete Formgestalten eingesetzt werden, die selektiv modifiziert worden sind, wie vorstehend diskutiert wurde, und zwar entsprechend den gewünschten Prozessparametern und dem Typ von Gegenstand, der hergestellt werden soll.
Als eine Alternative zu der Haas-Backanlage können herkömmliche Herstellungsanlagen für expandiertes Polystyrol (nachstehend als "EPS-Maschine" bezeichnet) so modifiziert werden, dass sie die erfindungsgemäßen Gegenstände produzieren. Wie in Fig. 18 gezeigt wird, umfasst eine herkömmliche EPS-Maschine eine positive Form 150 und eine negative Form 152, wobei die Formen vertikal ausgerichet sind, und wobei die negative Form 152 sich auf der Oberseite befindet. Die negative Form 152 schließt einen Formkörper 154 mit einer Aufnahmekammer 156 ein, die durch eine Formwand 158 definiert wird. An einem Ende der Formwand 158 befindet sich ein Montierungsdeckel 160. In der Formwand 158 befindet sich eine negative Wandhöhlung 162. In Verbindung mit der Aufnahmekammer 156 ist ein Füllkanal 164, der durch den Kolben 166 selektiv geöffnet und geschlossen wird. Schließlich steht mit dem Füllkanal 64 ein Füllrohr 168 in Verbindung, das gleichfalls durch den Kolben 166 geöffnet und geschlossen wird.
Die positive Form 150 hat einen Düsenkopf 170 mit einer Gestalt, die im Wesentlichen zu derjenigen der Aufnahmekammer 156 komplementär ist. Der Düsenkopf 170 hat eine Basis 172, eine Seitenwand 174 und eine Oberseite 176. Im Umfang in dem Düsenkopf 170, nahe der Oberseite 176 angeordnet, ist eine Kammer 178. Positioniert in der Kammer 178 ist eine ausdehnbare Belüftungsfeder 179. Die Kammer 178 steht mit einem Druckrohr 180 in Verbindung, das in dem Düsenkopf 170 angeordnet ist. Die Kammer 178 steht auch mit der Umgebung durch einen Belüftungsschlitz 181 in Verbindung, der sich zwischen der Kammer 178 und dem Äußeren der positiven Form 150 erstreckt. Angeordnet an der Basis 172 ist eine Belüftungsrille 182, die komplementär mit dem Montierungsdeckel 160 ausgerichtet ist. Schließlich ist eine positive Wandhöhlung 184 in dem Düsenkopf 170, in der Nähe der Seitenwand 174 und der Oberseite 176, angeordnet.
Während des typischen Betriebs der EPS-Maschine werden die Formen am Anfang gepaart, wie in Fig. 19 gezeigt wird, um einen Formbereich 186 zwischen den Formen zu bilden. Luft wird durch den Füllkanal 164 in den Formbereich 188 eingeblasen und tritt durch einen Ventilierungsspalt 188 aus, der zwischen dem Montierungsdeckel 160 und der Belüftungsrille 182 angeordnet ist. Die blasende Luft bewirkt eine Ansaugung, die die Polystyrolperlen, die in dem Füllrohr 168 vorhanden sind, in den Formbereich 186 treibt. Der Belüftungsspalt 188 ist genügend klein um zu verhindern, dass die Polystyrolperlen entweichen.
Wenn der Formbereich mit den Polystyrolperlen gefüllt ist, dann wird der Füllkanal 164 durch den Kolben 166 geschlossen. Wasserdampf wird in den negativen Wandhohlraum 162 und den positiven Wandhohlraum 184, die erhitzte negative Form 152 und die positive Form 150 eingeleitet. Der Wasserdampf wird auch in den Formbereich 186 durch das Druckrohr 180 und den Belüftungsschlitz 181 eingeblasen. Wenn der Wasserdampf in die Kammer 178 durch das Druckrohr 180 eintritt, dann bewirkt der von dem Wasserdampf hervorgerufene Druck, dass die Belüftungsfeder 179 expandiert, wodurch gestattet wird, dass der Wasserdampf durch die Belüftungsrille 182 strömt. Wenn der Wasserdampf gestoppt wird, dann zieht sich die Belüftungsfeder 198 zurück und verhindert, dass Material aus dem Formbereich 186 in die Kammer 178 eintritt.
Als Ergebnis des erhitzten Wasserdampfes erhitzen sich die Polystyrolperlen, und sie expandieren und schmelzen zusammen, wodurch der gewünschte Gegenstand gebildet wird. Dann wird kaltes Wasser durch die negative Wandhöhlung 162 und die positive Wandhöhlung 184 geleitet um die Formen zu kühlen und danach den Polystyrolgegenstand zu erhärten. Wenn einmal der Gegenstand gebildet ist, dann werden die Formen getennt, und der Gegenstand wird herausgenommen. Der Gegenstand wird am einfachsten dadurch entnommen, dass Luft durch die Kammer 178 eingeblasen wird, die den Gegenstand aus der positiven Form 150 herausdrückt.
Eine herkömmliche EPS-Maschine kann bei einer Anzahl von unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gegenstände eingesetzt werden. Gemäß einem ersten Verfahren wird die EPS-Maschine im Wesentlichen in ihrer normalen Konfiguration eingesetzt. Unter Verwendung eines Gemisches mit einer ähnlichen Konsistenz, wie nasses Pulver, kann das Gemisch in den Formbereich 186 eingesaugt werden, indem Luft durch den Füllkanal 164 geleitet wird. Da jedoch das erfindungsgemäße Gemisch nach dem Erhitzen härtet, was der Gegensatz zu abkühlen ist, sollten die Wandhohlräume 162 und 186 kontinuierlich durch Wasserdampf oder andere erhitzte Flüssigkeiten, wie Öl, erhitzt werden. Es wird auch bevorzugt, das Füllrohr 186 zu isolieren und zu kühlen. Ein Erhitzen des Füllrohrs 186 kann zu einem Gelieren und Härten des Binders auf Stärkebasis führen, wodurch das Rohr 186 verstopft wird. Gleichwohl ist es durch Bereitstellung eines Herunterkühlzyklus nach dem Erhitzungszyklus möglich, die Gegenstände aus der Form zu entnehmen, während genügend Feuchtigkeit in der Strukturmatrix zurückbehalten wird, damit sie flexibel sind, ohne die Notwendigkeit einer nachfolgenden Konditionierungsstufe. Durch Regulierung der Größe des Belüftungsspalts 188 kann sich Druck in dem Formbereich 186 aufbauen, wodurch die geschäumten Gegenstände in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, erzeugt werden. Ein Vorteil der Verwendung der EPS-Maschine in ihrer normalen Konfiguration besteht darin, dass die fertigen Gegenstände auf der positiven Form 150 zurückbleiben, nachdem die Formen getrennt worden sind. Der Gegenstand kann dann leicht durch Einblasen von Luft durch das Druckrohr 180 entfernt werden.
Gemäß einem alternativen Verfahren können die Formen der EPS-Maschine umgekehrt werden, so dass die negative Form. 152 vertikal unterhalb der positiven Form 150 ausgerichtet ist und als Aufnahmeeinrichtung für das formbare Gemisch dient. Das Gemisch kann dann in die negative Form 152 durch eine Außenöffnung eingegossen werden, während die Formen geöffnet sind. Dann können die Farmen geschlossen und der Gegenstand kann in der gleichen Weise hergestellt werden, wie es vorstehend beschrieben wurde.

C. Konditionierung der Gegenstände.

Wenn die resultierenden formstabilen Gegenstände eine ungenügende Flexibilität für ihren vorhergesehenen Zweck haben, dann werden sie in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit überführt. Wie vorstehend diskutiert, liefert die Feuchtigkeitskammer eine Umgebung von kontrollierter Temperatur und Feuchtigkeit um eine rasche Feuchtigkeitsabsorption durch die formstabilen Gegenständen zu gestatten. Die Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts in den Gegenständen verbessert bestimmte Eigenschaften, wie die Elastizität, die Verschiebung bis zum Versagen und die Flexibilität.
Die Feuchtigkeitskammer kann entweder für die chargenweise Bearbeitung oder die kontinuierliche Bearbeitung gestaltet werden. Bei der kontinuierlichen Bearbeitung umfasst die Feuchtigkeitskammer entweder einen Tunnel oder einen Turm, durch den die Gegenstände ohne Halten hindurchlaufen. Die Länge oder die Höhe der Kammer, die Geschwindigkeit des Fördersystems, die Feuchtigkeit in der Kammer und die Temperatur in der Kammer werden optimiert um einen Gegenstand zu erzeugen, der den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt innerhalb einer minimalen Zeitperiode und bei minimalen Kosten hat. Bevorzugte Variablen für den Feuchtigkeitsgehalt und die Temperatur wurden zuvor diskutiert.
Die Feuchtigkeit kann durch herkömmliche Heiß- und Kaltwasserdampfprozesse sowie durch Verdampfung mit Ultraschall erzeugt werden. Beispiele für im Handel erhältliche Feuchtigkeitskammern, die für die Zwecke der Erfindung eingesetzt werden können, sind die von der Firma Franz Haas Waffelmaschinen, Wien, Österreich, erhältlichen Waffelkonditionierungstunnel und -türme mit den Bezeichnungen KTV, KT und KTU.

D. Überzüge und Beschichtungsvorrichtungen.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, Überzüge oder Beschichtungsmaterialien auf die Gegenstände aufzubringen. Die Beschichtungsmassen können dazu verwendet werden um die Oberflächeneigenschaften der Gegenstände in einer Anzahl von Art und Weisen zu verändern, mit Einschluss eines Versiegelns und Schützens des Gegenstands. Die Beschichtungsmassen können einen Schutz gegenüber Feuchtigkeit, Basen, Säuren, Fetten und organischen Lösungsmitteln ergeben. Sie können auch die Hohlräume in der Oberfläche des Gegenstands füllen und eine glattere, glänzendere oder kratzbeständigere Oberfläche ergeben. Weiterhin können die Beschichtungsmassen dazu beitragen, Aggregatbildungen und ein Wegfliegen der Fasern zu verhindern. Die Beschichtungsmassen können auch reflektierende, elektrisch leitende oder isolierende Eigenschaften verleihen. Sie können sogar den Gegenstand verstärken und zwar insbesondere an Biegungen, Faltstellen, Rändern oder Ecken. Einige der Beschichtungsmassen können auch als Laminierungsmaterialien oder als Klebstoffe verwendet werden.
Die Aufbringung einer Beschichtungsmasse kann auch deswegen durchgeführt werden um den Feuchtigkeitsgehalt der erfindungsgemäßen Gegenstände zu regulieren. Theoretisch kann angenommen werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt eines Gegenstands eventuell einen Gleichgewichtspunkt mit seiner Umgebung erreicht. D. h., relativ trockene Gegenstände absorbieren Feuchtigkeit in einem feuchten Klima, und die konditionierten Gegenstände verlieren ihre Feuchtigkeit in einem trockenen Klima. Die Aufbringung einer Beschichtungsmasse nach der Konditionierung des Gegenstands zu dem richtigen Feuchtigkeitsgehalt kann den Austausch von Feuchtigkeit zwischen dem Gegenstand und der umgebenden Umgebung verhindern.
Das Ziel des Beschichtungsprozesses ist es daher, gewöhnlich einen gleichförmigen Film mit minimalen Defekten auf der Oberfläche des Gegenstand zu erreichen. Die Auswahl des jeweiligen Beschichtungsprozesses hängt von einer Anzahl von Substrat(d. h. Gegenstand- )variablen, sowie von Variablen der Beschichtungszusammensetzung ab. Die Substratvariablen schließen die Festigkeit, die Befeuchtbarkeit, die Porosität, die Dichte, die Glätte und die Gleichförmigkeit des Gegenstands ein. Die Variablen der Beschichtungsformulierung schließen den Gesamtfeststoffgehalt, die Lösungsmittelbasis, die Oberflächenspannung und die rheologischen Eigenschaften ein.
Die Beschichtungsmasse kann entweder während des Formungsporzesses oder nach der Formung des Gegenstands aufgebracht werden. Der Überzug kann während des Verformungsprozesses gebildet werden, indem ein Beschichtungsmaterial, das ungefähr die gleiche Schmelztemperatur wie die Peaktemperatur des Gemisches hat, aufgebracht wird. Beim Erhitzen des Gemisches schmilzt das Beschichtungsmaterial und bewegt sich mit dem verdampften Lösungsmittel zu der Oberfläche des Gegenstands, wo es die Oberfläche überzieht. Solche Beschichtungsmaterialien schließen ausgewählte Wachse und Vernetzungsmittel ein.
Die Beschichtungsmassen können auf den Gegenstand nach der Formung aufgebracht werden, indem beliebige Beschichtungseinrichtungen, die auf dem Gebiet der Herstellung von Papier, Pappe, Kunststoff, Polystyrol, Metallfolien oder anderen Verpackungsmaterialien bekannt sind, verwendet werden. Beispiele sind Klingen, Puddle-Einrichtungen, Rakeln, Druckeinrichtungen, Dahlgren-Einrichtungen, Tiefdruckeinrichtungen und Pulverbeschichtungseinrichtungen. Die Beschichtungsmassen können auch durch Besprühen des Gegenstands mit einem der unten angegebenen Beschichtungsmaterialien oder durch Eintauchen des Gegenstands in einen Trog, enthaltend das geeignete Beschichtungsmaterial, aufgebracht werden. Die für das Beschichten verwendeten Vorrichtungen hängen von der Gestalt des Gegenstands ab. So werden beispielsweise Becher gewöhnlich anders beschichtet als flache Platten.
Da die Gegenstände mit einem Binder auf Stärkebasis eine hohe Affinität für Wasser haben, sind die bevorzugten Beschichtungsmassen nichtwässriger Natur, und sie haben eine niedrige Polarität. Beispiele für geeignete Beschichtungsmassen sind Paraffin (synthetische Wachse), Shellack, Xylenformaldehydharze, kondensiert mit 4,4'-Isopropylidendiphenolpichlorhydrinepoxyharzen, trocknende Öle, rekonstituierte Öle aus Triglyceriden oder Fettsäuren von den trockenen Ölen unter Bildung von Estern mit verschiedenen Glykolen (Butylenglykol, Ethylenglykol), Sorbit und Trimethylolethan oder Propan, synthetische trocknende Öle, mit Einschluss von Polybutadienharzen, natürliche Fossilharze, mit Einschluss von Copalharz (Harz von tropischen Bäumen, Fossilen und moderne Harze), Damarharze, Elemiharze, Gilsonit (ein schwarzes, durchscheinendes Asphaltitmaterial, das in Terpentin löslich ist), Glykolester von Damarharzen, Copalharzen, Elemiharzen und Sandaracharzen (ein brüchiges, durchscheinendes, aromatisches Harz, abgleitet von der Sandarackiefer aus Afrika), Shellackharz, Kohleharz aus Utah, Kollophonium und Kollophoniumderivate, mit Einschluss von Kollophonium (Kollophoniumgummi, Tallölkollophonium und Holzkollophonium), Kollophoniumester, gebildet durch Umsetzung mit speziellen Glykolen oder Alkoholen, Kollophoniumester, gebildet durch Umsetzung mit Formaldehyden, und Kollophoniumsalze (Calciumresinat und Zinkresinat), Phenolharze, gebildet durch Umsetzung von Phenolen mit Formaldehyd, Polyesterharze, Epoxyharze, Katalysatoren und Adjunkte, Coumaron-Indenharze, Petroleumkohlenwasserstoffharze (Cyclopentadien-Typ), Terpenharze, Harnstoffformaldehydharze und ihre Härtungskatalysatoren, Triazin-Formaldehydharze und ihre Härtungskatalysatoren, Modifzierungsmittel (für Öle und Alkyde, mit Einschluss von Polyestern), harzartige Vinylsubstanzen (Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, etc.), Cellulosematerialien (Carboxymethylcellulose, Celluloseacetat, Ethylhydroxyethylcellulose, etc.), Styrolpolymere, Polyethylen und seine Copolymeren, Acrylharze und seine Copolymeren, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Wachse (Paraffin Typ I, Paraffin Typ II, Polyethylen, Spermöl, Bienenwachs und Spermacet), Melamin, Polyamide, Polymilchsäure, Biopol® (ein Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymeres), Sojabohnenproteine, andere synthetische Polymere, mit Einschluss von biologisch abbaubaren Polymeren und Elastomeren, und Gemische davon. Biopol® wird von der ICI in Großbritannien hergestellt. Geeignete anorganische Beschichtungsmaterialien schließen Natriumsilicat, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Kaolin, Ton, Keramiken und Gemische davon ein. Die anorganischen Beschichtungsmaterialien können auch mit einem oder mehreren der oben angegebenen organischen Beschichtungsmassen vermischt werden.
In einigen Fällen kann es zu bevorzugen sein, dass die Beschichtungsmaterialien elastomer oder deformierbar sind. Einige Beschichtungsmaterialien können auch dazu verwendet werden, Stellen zu verfestigen, wo die Gegenstände scharf gebogen werden. In solchen Fällen können faltbare, möglicherweise elastomere Beschichtungsmaterialien bevorzugt werden. Wasserfeste Beschichtungsmaterialien sind für Gegenstände zweckmäßig, die in Kontakt mit Wasser kommen sollen. Wenn die Gegenstände in Kontakt mit Nahrungsmitteln kommen sollen, dann ist das Beschichtungsmaterial vorzugsweise ein von der FDA zugelassenes Beschichtungsmaterial.
Polymere Beschichtungsmaterialien, wie Polyethylen, sind dazu geeignet, im Allgemeinen dünne Schichten mit niedriger Dichte zu bilden. Polyethylen mit niedriger Dichte ist besonders gut zur Herstellung von Behältern geeignet, die flüssigkeitsdicht und sogar bis zu einem bestimmten Ausmaß druckdicht sind. Polymere Überzugsmaterialien können gleichfalls als ein Klebstoff beim Heißversiegeln verwendet werden.
Aluminiumoxid und Siliciumoxid sind geeignete Beschichtungsmittel, insbesondere als Sperre gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit. Die Beschichtungsmittel können auf den Gegenstand mittels bekannter Einrichtungen beziehungsweise Maßnahmen aufgebracht werden, mit Einschluss der Verwendung eines Verdampfungsprozesses mit Elektronenbündeln mit hoher Energie, der chemischen Plasmaabscheidung und des Zerstäubens. Eine weitere Methode der Bildung eines Aluminiumoxid- oder Siliciumoxidüberzugs beinhaltet die Behandlung des Gegenstands mit einer wässrigen Lösung, die einen geeigneten pH-Wert hat, damit die Bildung von Aluminiumoxid oder Siliciumoxid auf dem Gegenstand bewirkt wird.
Wachse und Wachsgemische, insbesondere Erdöl- und synthetische Wachse, liefern eine Sperre gegen Feuchtigkeit, Sauerstoff und einige andere organische Flüssigkeiten, wie Fette oder Öle. Sie können es auch gestatten, dass ein Gegenstand, wie ein Behälter, heiß versiegelt wird. Erdölwachse sind eine besonders gut geeignete Gruppe von Wachsen für das Verpacken von Nahrungsmitteln und Getränken, mit Einschluss von Paraffin, Wachsen und mikrokristallinen Wachsen.

E. Bedrucken.

Es kann erwünscht sein, einen Druck oder andere Zeichen, wie Warenzeichen, Produktinformationen, Behälterspezifikationen oder Logos auf die Oberfläche des Gegenstands aufzudrucken. Dies kann unter Verwendung von herkömmlichen Druckeinrichtungen oder -verfahren, die im Stand der Technik des Bedruckens von Papier- oder Pappeprodukten bekannt sind, bewerkstelligt werden. Beispiele hierfür sind das planographische Drucken, das Reliefdrucken, das Intagliodnicken, das poröse und das schlaglose Drucken. Herkömmliche Druckeinrichtungen schließen Offset-, Van Dam-, Laser-, Direkttransferkontakt- und thermographische Drucker ein. Jedoch können im Wesentlichen alle beliebigen manuellen oder mechanischen Einrichtungen verwendet werden.
Der Typ des Bedruckens und des verwendeten Druckers hängt zum Teil von der Gestalt des Gegenstands ab. So erfordern beispielsweise flache Platten eine andere Druckvorrichtung als ein Becher. Weiterhin können die Formen spezielle gestaltet werden um eine Prägung auf der Oberfläche des Gegenstands zu erhalten. Der Gegenstand kann auch mit Wasserzeichen versehen werden. Da die Gegenstände eine relativ hohe Porosität haben, neigt die angewendete Druckfarbe dazu, rasch zu trocknen. Für den Fachmann wird ersichtlich, dass die Porosität des Gegenstands und die Mengen der Druckfarbe miteinander verträglich sein müssen. Weiterhin können Abziehbilder, Markierungen oder andere Zeichen auf den Gegenstand aufgebracht oder aufgeklebt werden, wobei im Stand der Technik bekannte Verfahren verwendet werden können.

F. Verpackung.

Eine handelsübliche automatische Stapelungsvorrichtung kann am Ende der Herstellungslinie installiert werden um Stapel der Gegenstände zu bilden. Die Stapel werden in Polybeutel eingegeben und dann versiegelt. Schließlich wird eine Standardkarton-Handhabungs- /Palletierungseinrichtung dazu eingesetzt um die Gegenstände zu verpacken und sie für den Transport vorzubereiten. Die Verpackungseinrichtung schließt herkömmliche Einrichtungen ein, die beim Verpacken von Gegenständen verwendet werden, die aus Papier, Kunststoff, Polystyrolschaumstoffen oder Metall hergestellt worden sind.

G. Physikalische Eigenschaften der Gegenstände.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen ist es möglich, durch Anwendung des mikrostrukturellen Konstruktionsansatzes eine weite Vielzahl von Gegenständen mit variierenden Gestalten, Festigkeiten, Flexibilitäten, Steifheiten, Isolierungseigenschaften und anderen physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Im Allgemeinen wird vorzugsweise die Biegfestigkeit der Gegenstände im Bereich von etwa 0,5 MPa bis etwa 8 MPa, mehr bevorzugt im Bereich von etwa 0,75 MPa bis etwa 6 MPa, und am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 1 MPa bis etwa 4 MPa, liegen. Der Bereich der Spannung der Gegenstände (d. h. das Ausmaß der Spannung vor dem Bruch) wird vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 15%, mehr bevorzugt von etwa 1% bis etwa 10º, und am meisten bevorzugt von etwa 1% bis etwa 5%, liegen. Die spezifische Festigkeit der Gegenstände wird innerhalb eines Bereichs von etwa 2 MPa·cm³/g bis etwa 80 MPa·cm³/g variieren. Die Bruchenergie der Gegenstände wird vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5 J/m² bis etwa 3.000 J/m², mehr bevorzugt von etwa 15 J/m² bis etwa 1.500 J/m², und am meisten bevorzugt von etwa 25 J/m² bis etwa 600 J/m², liegen.

VI. BEISPIELE FÜR BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN.

Untenstehend ist eine Anzahl von Beispielen angegeben, die die Herstellung von Gegenständen aus den anorganisch gefüllten, stärkegebundenen, formbaren Gemischen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. In den Beispielen werden die Eigenschaften der Gegenstände bei variierenden Zusammensetzungen und variierenden Prozessbedingungen miteinander verglichen.

Beispiele 1 bis 13

Trinkbecher wurden aus formbaren Gemischen hergestellt, die verschiedene Typen von anorganischen Aggregaten enthielten um die Effekte von verschiedenen Aggregaten zu bestimmen. Die einzelnen formbaren Gemische hatten die folgende Grundmischzusammensetzung, bezogen auf das Gewicht.
39,8% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke)
9,95% Anorganisches Aggregat
49,75% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Die einzelnen formbaren Gemische wurden jeweils in einem kleinen Hobart-Mischer hergestellt. Zuerst wurden die trockenen Bestandteile (mit Einschluss des anorganischen Aggregats, der Stärke und des Magnesiumstearats) vollständig miteinander vermischt. Dann wurde das Wasser langsam zugegeben, während die trockenen Materialien vermischt wurden, bis ein homogenes Gemisch erhalten worden war. Die Gemische wurden aus der Hobart-Mischschale mit einer Spritze herausgenommen. Das Gewicht des formbaren Materials, das zur Herstellung eines Bechers aus jedem Gemisch verwendet wurde, wurde zuerst bestimmt, indem die Spritze, enthaltend das formbare Gemisch, gewogen wurde, der Inhalt der Spritze in die Formvorrichtung ausgedrückt wurde und dann die Spritze gewogen wurde.
Das Formsystem beinhaltete eine positive Form, hergestellt aus Werkzeugmessing, und eine negative Form, hergestellt aus Werkzeugstahl, und die Formen waren im Wesentlichen entsprechend Fig. 8 konfiguriert. Die Formen waren so ausgebildet, dass sie 12 oz. - Trinkbecher, jeweils mit einer glatten Oberfläche und einer Dicke von etwa 4 mm, herstellten. Die positive Form enthielt vier Belüftungsrillen, die vier Belüftungslöcher bildeten.
Die Becher der Beispiele 1 bis 13 wurden dadurch erhalten, dass jedes ausgewählte formbare Gemisch zwischen den Formen auf eine Temperatur von etwa 200ºC erhitzt wurde. Nachdem die Gegenstände signifikant formstabil geworden waren, wurden sie aus den Formen entnommen und etwa 1,5 Stunden lang bei einer Temperatur von 105ºC in einen Ofen eingebracht um zurückgebliebene Feuchtigkeit zu entfernen. Die Feuchtigkeit wurde so entfernt, dass das nachfolgende Testen der Becher die Effekte der Komponente besser widerspiegelte, im Gegensatz zu den Effekten des Feuchtigkeitsgehalts des Binders auf Stärkebasis. Es wurde angenommen, dass der Gewichtsverlust des Bechers während des Trocknens in dem Ofen der Verlust von Wasser war. Der gemessene Gewichtsverlust wurde somit dazu herangezogen, die Feuchtigkeit der Becher nach ihrer Entfernung aus der Form zu bestimmen. Die Becher wurden dann in Kunststoffbeutel eingesiegelt um eine konstante Feuchtigkeit aufrecht zu erhalten, bis die Becher getestet werden konnten.
Nachstehend wird eine Liste von ausgewählten anorganischen Aggregaten angegeben. Es werden auch die resultierenden Eigenschaften der aus den einzelnen Gemischen gebildeten Becher angegeben:
Die analysierten Eigenschaften schlossen die thermischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften ein. Die thermischen Eigenschaften schließen die thermische Leitfähigkeit und den thermischen Widerstand, die durch eine Übergangs-Heißdrahtmethode bestimmt wurden, ein. Drei Messungen wurden für die thermische Leitfähigkeit der Seitenwände der Becher aufgezeichnet, und der Mittelwert wurde angegeben. Die mechanischen Eigenschaften wurden definiert, indem ein Test entwickelt wurde, der das Zusammendrücken des Bechers zwischen dem Daumen und den anderen vier Fingern während des Gebrauchs simulierte. Die Ergebnisse dienten als Mittel um Becher miteinander zu vergleichen, die aus verschiedenen Massen und bei unterschiedlichen Bedingungen hergestellt worden waren. Die Festigkeit und die Duktilität waren aufgrund der komplexen geometrischen Eigenschaften nicht leicht quantifizierbar. Anstelle davon wurden die Werte ohne Normalisierung auf den Querschnittsbereich angegeben.
Die Becher wurden auf eine geneigte Plattform gestellt. Die Neigung wurde so eingestellt, dass die Seitenkante des Bechers senkrecht zu der Beladungsrichtung war. Der Bereich unterhalb des oberen Rands des Bechers wurde als Punkt der Aufbringung der Last ausgewählt. Dieses Vorgehen führte zu den am besten reproduzierbaren Ergebnissen. Die Lasten wurden auf den Becher mit einer Rate von 15 mm/min aufgebracht, bis ein klares Versagen festgestellt wurde. Die Verschiebungen in den entsprechenden Lasten wurden aufgezeichnet.
Der Test lieferte eine qualitative Bewertung der mechanischen Eigenschaften. Unter Verwendung der definierten Testmethode wurde ein Vergleich auf der Basis der Spitzenlast der maximalen Verschiebung vor dem Versagen, der während des Brechens absorbierten Energie und der Steifheit durchgeführt. Die Energie des Versagens ist die Fläche unter der Lastverschiebungskurve, gemessen von dem Ursprung bis zu dem Punkt des ersten Bruchs. Die einzelnen der obigen Eigenschaften sind auf einem statistischen Mittelwert von sieben identischen Tests aufgebaut.
Die Tests zeigten, dass die hochdispergierten Siliciumdioxidaggregate (Aerosil R972, 130, 200, 380 und Cabosil EH5) eine Dichte ergaben, die um etwa 30% niedriger war als diejenige bei Zusatz eines anderen anorganischen Aggregats. Die anderen anorganischen Aggregate hatten einen beschränkten Effekt auf die Dicke der Becher, mit der Ausnahme von Polymica, das ebenfalls zu einer Abnahme der Dichte um etwa 30% im Vergleich zu Bechern führte, bei denen die anderen anorganischen Aggregate verwendet worden waren.
Die Trockenspitzenlast und die Steifheit der Becher, die hochdispergiertes Siliciumdioxid enthielten, wurden im gleichen Ausmaß wie die Dichte beeinflusst; jeweils etwa 30% gingen im Vergleich zu Bechern, die ohne hochdispergiertes Siliciumdioxid hergestellt worden waren, verloren. Die Messungen trockene Verschiebung bis zum Versagen und Energie bis zum Versagen wiesen durch Zusatz anorganischer Materialien keine oder nur geringe Änderungen auf.
Der Zusatz von Glimmer 4k, Glasblasen, Wollastonit, Polyglimmer 400 und Siliciumdioxidsand beeinträchtigte die Energie bis zum Versagen, die Verschiebung bis zum Versagen, die Spitzenlast und Steifheit nicht signifikant. Die einzige Ausnahme war Glimmer 4k, das eine 30%ige Erhöhung der Spitzenlast hatte. Es wurde gefunden, dass der Wert für die thermischen Eigenschaften in einer Bandbreite von etwa ±10% des Wertes der Becher lag, die ohne Binderersatz auf Stärkebasis hergestellt worden waren. Die Werte waren vom Typ des verwendeten anorganischen Aggregats unabhängig.
Auf der Basis der obigen Tests scheint es so zu sein, dass Aggregate aus hochdispergiertem Siliciumdioxid weniger zu bevorzugen sind, da sie die mechanischen Eigenschaften der Gegenstände nachteilig beeinflussen. Demgegenüber können die anderen anorganischen Aggregate eingesetzt werden um mindestens 20 Gew.-% des Binders auf Stärkebasis zu ersetzen, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der Gegenstände signifikant beeinträchtigt werden. Es wird angenommen, dass hochdispergierte Siliciumdioxidmaterialien gegenteilige Effekte als Ergebnis ihrer niedrigen Festigkeit im Vergleich zu den anderen anorganischen Aggregate ergeben.

Beispiele 14 bis 27

Unter Verwendung von verschiedenen Konzentrationen von Calciumcarbonat wurden Becher hergestellt um den Effekt des Ersatzes des relativ teuren Binders auf Stärkebasis durch einen billigeren Calciumcarbonatfüllstoff zu bestimmen. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen, wie in den Beispielen 1 bis 13 beschrieben, dazu eingesetzt um Becher der Beispiele 14 bis 27 herzustellen und zu testen. Die einzelnen formbaren Gemische schlossen die folgende Grund-Mischzusammensetzung, bezogen auf das Gewicht, ein:
49,75% Kombination aus Stalok 400 Kartoffelstärke und anorganischem Aggregat.
49,75% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Mit zwei verschiedenen Typen von Calciumcarbonat (Gama Sperse und RO40) wurden Versuche mit 20, 40, 50 und 60 Gew.-% anorganischem Aggregat, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kombination von Binder auf Stärkebasis und anorganisches Aggregat, durchgeführt. Die gleichen Tests wurden auch mit einem Gemisch von Gama Sperse, zu dem 2 Gew.-% Polyacrylamid zugesetzt worden waren, durchgeführt.
Nachstehend werden die ausgewählten Zusammensetzungen und die Eigenschaften der resultierenden 12 oz.-Becher angegeben.
Die Tests zeigten, dass die Dichte der Gegenstände für jedes Gew.-% zugesetztes Gama Sperse oder RO40-Calciumcarbonat um ungefähr 0,8% zunahm. Diese Beziehung gilt für den vollen Bereich von Gama Sperse (0 bis 60 Gew.-%) und für RO40 im Bereich von 0 bis 40 Gew.-%. Die Zugabe von mehr als 40 Gew.-% RO40 verdoppelte annähernd die Rate der Erhöhung der Dichte. Der Effekt war ähnlich bei den Proben, die Gama Sperse mit 2 Gew.-% Polyacrylamid enthielten.
Die Ergebnisse der thermischen Leitfähigkeit waren etwas unklar, doch wurde die Leitfähigkeit erhöht, wenn die Fraktion des anorganischen Aggregats erhöht wurde. Die Erhöhung lag in der Größenordnung von etwa 0,2 Gew.-% von zugesetztem Calciumcarbonat.
Die Zugabe von Calciumcarbonat ergab nur einen geringen Effekt auf die Energie bis zum Versagen, die Verschiebung bis zum Versagen und die Spitzenlast. Obgleich die Trockensteifheiten am Anfang im Wesentlichen konstant waren, zeigten sie eine Erhöhung von etwa 50% bei den höchsten Gewichtsfraktionen von 50 und 60%. Auf der Basis der obigen Tests ergibt sich nur ein begrenzter schädlicher Effekt auf das mechanische Verhalten, wenn bis zu 60% des Binders auf Stärkebasis durch Calciumcarbonat ersetzt werden.

Beispiele 28 bis 39

Becher wurden unter Verwendung von verschiedenen Typen von Calciumcarbonat hergestellt um ihren Effekt auf den fertigen Gegenstand zu bestimmen. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen, wie in den Beispielen 1 bis 13 beschrieben, angewendet um die Becher dieser Beispiele herzustellen und zu testen. Die einzelnen formbaren Gemische enthielten die folgenden auf das Gewicht bezogenen Komponenten:
39,8% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke)
9,95% Calciumcarbonat
49,5% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Nachstehend wird eine Liste von ausgewählten Typen von Calciumcarbonat und den Eigenschaften, die von ihrer Verwendung herrühren, angegeben.
Die Tests zeigten, dass bei einer Feststoffzugabe von Calciumcarbonataggregat von 20 Gew.-% die mechanischen und thermischen Eigenschaften der resultierenden Becher nur in mäßiger Weise durch den Typ des verwendeten Calciumcarbonats bestimmt wurden. Die Veränderungen der Dichten der Becher waren minimal, und sie waren nicht größer als etwa 10%. Die thermischen Leitfähigkeiten unterschieden sich von denjenigen der Referenbecher um nur etwa 5%, unabhängig des Typs des verwendeten Calciumcarbonats.
Die Werte der Energien bis zum Versagen waren für Carbiatal 50 geringfügig höher (etwa 20%) als diejenigen der Gegenstände, hergestellt unter Verwendung der anderen Calciumcarbonataggregate. Letztere hatten alle im Wesentlichen die gleichen Werte wie die Referenzbecher. Die Werte der Verschiebung bis zum Versagen und der Spitzenlast waren gegenüber den unterschiedlichen Arten der verwendeten Calciumcarbonataggregate, ausgenommen im Falle von Albacar, relativ unempfindlich. Albacar ergab in diesen Kategorien die niedrigsten Werte. Die Becher, die 20% Calciumcarbonat enthielten, besaßen etwa die gleiche Steifheit wie die Becher, die ohne anorganisches Aggregat hergestellt worden waren. Ausnahmen waren Albacar und Ultra Phlex, die Becher lieferten, die etwa die halbe Steifheit hatten.
Im Allgemeinen hatten verschiedene Typen von Calciumcarbonataggregate ähnliche Effekte auf die Eigenschaften der fertigen Becher. Die beachtlichste Ausnahme war Albacar, das einen nachteiligen Effekt auf mehrere Eigenschaften ausübte.

Beispiele 40 bis 44

Becher wurden unter Verwendung von Collamylstärke mit verschiedenen Konzentrationen von Calciumcarbonat hergestellt um den Effekt der Verwendung von Collamylstärke zu bestimmen. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen in den Beispielen 1 bis 13 angegeben, dazu eingesetzt um die Becher der Beispiele 40 bis 44 herzustellen und zu testen. Zuerst wurde ein Grundgemisch hergestellt, indem die folgenden Komponenten, auf das Gewicht bezogen, kombiniert wurden:
49,75% Collamylstärke und RO40-Calciumcarbonat
49,75% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Das Calciumcarbonat wurde dem Gemisch in Mengen von 20, 40, 50 und 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Calciumcarbonat und Binder auf Stärkebasis, zugesetzt. Nachstehend sind die Eigenschaften der Gegenstände zusammengefasst, die unter Verwendung von unterschiedlichen, in Prozent ausgedrückten Mengen von Calciumcarbonat hergestellt wurden.
Die Erhöhung der Dichte war für die ersten 20% RO40-Calciumcarbonat, die zugegeben wurden, vernachlässigbar. Bei höheren Konzentrationen war die Erhöhung erheblich und betrug etwa 2% für jedes Gew.-% zugesetztes RO40. Die Erhöhungen der thermischen Leitfähigkeit folgten einem ähnlichen Muster wie im Falle der Dichte. Die Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit bei Konzentrationen von RO40, die 20% überstiegen, betrug etwa 0,5% pro Prozent zugesetztes RO40. Die Werte der Energie- und Verschiebung zum Versagen der Becher wurden durch die Zugabe von RO40 größtenteils nicht beeinträchtigt. Die Spitzenlast erhöhte sich linear mit einer Rate von etwa 1% pro Prozent zugesetztes RO40. Die Steifheitskurve war ähnlich der Dichtekurve und enthielt einen relativ flachen Bereich bis zu 20% RO40 und eine lineare Erhöhung für höhere Konzentrationen. Die Rate der Erhöhung der Steifheit war ungefähr 1% für jedes Prozent zugesetztes RO40 in Gemischen mit mehr als 20% RO40.
Aufgrund der obigen Beobachtungen kann Collamylstärke dazu eingesetzt werden um die erfindungsgemäßen Gegenstände herzustellen. Weiterhin können relativ hohe Konzentrationen von Calciumcarbonat zu Gemischen, enthaltend Collamylstärke, gegeben werden, ohne dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften in signifikanter Weise verringert werden.

Beispiele 45 bis 52

Becher wurden unter Verwendung von verschiedenen Typen von Zusätzen (bzw. Mischbestandteilen) hergestellt um deren Effekte, wenn vorhanden, auf die Eigenschaften der Gemische zu bestimmen. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen, wie in den Beispielen 1 bis 13 angegeben, dazu eingesetzt um die Becher dieser Beispiele herzustellen und zu testen. Ein Grundgemisch wurde zuerst hergestellt, indem die folgenden Komponenten auf das Gewicht bezogen wie folgt kombiniert wurden:
39,8% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke)
9,95% RO40-Calciumcarbonat
49,5% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Zusätze (Mischbestandteile), mit Einschluss von Methocel® 240, Tylose® 15002 und Polyvinylalkohol (PVA), wurden dann zu dem Gemisch, ausgedrückt als Gew.-% der Gesamtfeststoffe in dem Gemisch, gegeben. Es werden auch die von ihrer Verwendung herrührenden Eigenschaften angegeben.
Es zeigte sich, dass die Zugabe von PVA nur einen geringe Effekt auf die Dichte, die thermische Leitfähigkeit oder die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Becher ausübte. Methocel® 240, Tylose® 15002 beeinflussten die Dichte geringfügig. Die Dichte verminderte sich gerade um mehr als 20% für jede Zugabe von 1% eines dieser Mischbestandteile. Die thermische Leitfähigkeit erhöhte sich um etwa 10% für die gleichen Zugaben. Methocel® 240 hatte einen positiven Effekt auf die Werte der Energie- und Verschiebung zum Versagen für trockene Becher. Die Werte der Energie bis zum Versagen verdoppelten sich für jede Zugabe von 1%, während die Werte der Verschiebung bis zum Versagen eine 2,5fache Verbesserung zeigten. Die Spitzenlast fiel um etwa 20% für jede 1% Zugabe von Methocel® 240 ab, während die Steifheit mehr als 70% abfiel. Eine 0,5% Zugabe von Tylose® erhöhte den Wert der Energie bis zum Versagen um 60%, den. Wert der Verschiebung bis zum Versagen um 80% und den Wert der Spitzenlast um 10%. Diese Erhöhungen traten bei einer weiteren (0,5%) Zugabe von Tylose® 15002 auf. Die Steifheit der trockenen Becher wurde durch Zugaben von 1% von Methocel® 240 und/oder Tylose® halbiert.
Allgemein wurde gefunden, dass PVA einen minimalen Einfluss auf die Eigenschaften der gebildeten Becher ausübt. Es wurde gefunden, dass Methocel® 240 und Tylose® 15002 die Eigenschaften der Becher bei niedrigen Konzentrationen entweder beibehalten oder verbessern. Die Vorteile gingen jedoch verloren, als ihre Konzentrationen erhöht wurden.

Beispiele 53 bis 57

Um den synergistischen Effekt von einigen Gemischen zu studieren, wurden formbare Gemische hergestellt, die variierende Mengen von RO40-Calciumcarbonat, sowohl mit als auch ohne die Zusätze Dispex® A40 und Methocel® 240, enthielten. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen, wie in den Beispielen 1 bis 13 angegeben, verwendet um die Becher der Beispiele 53 bis 57 herzustellen und zu testen. Die Becher wurden aus fünf verschiedenen Gemischen hergestellt. Gemisch 1 enthielt die folgenden, auf das Gewicht bezogenen Komponenten: 49,75% Wasser, 0,5% Magnesiumstearat, 19,9% RO40-Calciumcarbonat und 29,85% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke). Das Gemisch 1 enthielt weiterhin 2% Dispex und 0,5% Methocel® 240, bezogen auf das Gewicht von kombiniertem Binder auf Stärkebasis und Calicumcarbonat. Das Gemisch 2 war Gemisch 1 mit der Ausnahme ähnlich, dass der prozentuale Anteil von Calciumcarbonat auf 29,85% gesteigert wurde, während der Anteil des Binders auf Stärkebasis auf 19,9% verringert worden war. Im Gemisch 3 wurde der Anteil von Calciumcarbonat weiter auf 3'9,8% erhöht, und der Anteil des Binders auf Stärkebasis auf 9,95% verringert. Die anderen Komponenten wurden beim gleichen Gehalt wie im Gemisch 1 gehalten. Das Gemisch 4 war Gemisch 1 mit der Ausnahme ähnlich, dass kein Dispex zugesetzt worden war. Schließlich war das Gemisch 5 dem Gemisch 3 mit der Ausnahme ähnlich, dass kein Methocel® 240 zugesetzt worden war.
Nachstehend sind die Eigenschaften der aus den fünf Gemischen hergestellten Becher zusammengefasst:
Die Tests zeigen, dass die Dichten der Gegenstände mit steigender Konzentration von Calciumcarbonat erhöht wurden. Die Dichten der Gegenstände erhöhten sich jedoch, wenn entweder Dispex A40 oder Methocel® 240 in der Mischzusammensetzung weggelassen worden waren. Die thermische Leitfähigkeit zeigte eine ähnliche Erhöhung bei steigender Calciumcarbonatkonzentration. Die Werte der Energie bis zum Versagen und der Verschiebung bis zum Versagen verminderten sich beim Zusatz von höheren Mengen von RO40. Die Proben ohne Dispex A40 zeigten etwa 30% höhere Werte, während die Proben, hergestellt aus einem Gemisch ohne Methocel® 240, geringfügig schlechtere Performancewerte hatten. Die Werte der Spitzenlast und der Steifheit waren beide schlechter als wenn Dispex A40 und Methocel® 240 zu den Gemischen gegeben worden waren.
Obgleich die Gemischbestandteile dazu geeignet sind, Gegenstände mit höheren Konzentrationen von anorganischen Aggregaten herzustellen, lieferten sowohl Dispex A40 als auch Methocel® 240 Gegenstände mit niedrigerer Dichte und schlechteren mechanischen Eigenschaften.

Beispiele 58 bis 62

Becher wurden hergestellt, wobei verschiedene Mengen des Vernetzungszusatzes Sunrez 747 eingesetzt wurden um dessen Effekt auf das formbare Gemisch zu bestimmen. Es wurden die gleichen Verfahrensweisen und Vorrichtungen wie in den Beispielen 1 bis 13 angegeben dazu eingesetzt um die Becher der Beispiele 58 bis 62 herzustellen und zu testen. Es wurde zuerst ein Grundgemisch hergestellt, in dem die folgenden Komponenten in den folgenden Gewichtsmengen kombiniert wurden:
28,15% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke)
19,9% RO40-Calciumcarbonat
1,7% PVA
49,75% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Das Grundgemisch wurde dann in der Weise variiert, dass in Teilschritten die Konzentration von Sunrez 747, bezogen auf das Gewicht der Gesamtfeststoffe in dem Gemisch, in dem Bereich von 2% bis 20% erhöht wurde. Untenstehend sind die prozentualen Gewichtsanteile von Sunrez 747, sowie die entsprechenden Eigenschaften der resultierenden Becher zusammengestellt.
Die Tests zeigten, dass Sunrez 747 einen begrenzten Effekt auf die Becherdichte ausübte. Am Anfang nahm die Dichte um etwa 2% für jedes Prozent zugesetztes Sunrez 747 ab. Diese Beziehung bestand bis zu etwa 5% des Gemisches, wonach die Dichte des Bechers allmählich einen Gleichgewichtswert erreichte. Die thermische Leitfähigkeit zeigte eine Anfangserhöhung von ungefähr 4% für die ersten 2% zugesetztes Sunrez 747, wonach dann ein ungefähres Gleichgewicht erreicht wurde. Die mechanischen Eigenschaften der Becher erreichten früh bei Zugabe von Sunrez 747 einen Spitzenwert. Die Werte der Energie und Verschiebung bis zum Versagen der Becher zeigten nur geringfügige Erhöhungen von bis zu 10% und fielen dann wieder leicht ab. Die Spitzenlast war bei einem Spitzenwert von 2% ziemlich gleich. Die Kurve der Steifheit näherte sich an eine Stufenfunktion an. Es lag ein Plateau vor, bei dem kein Effekt der Zugabe von Sunrez 747 bis zu 5% erfolgte. Es erfolgte eine dramatische Verringerung der Steifheit von ungefähr 50% zwischen 5 und 10%, wonach die Steifheit nicht beeinflusst wurde. Im Allgemeinen wurden mäßige Verbesserungen der verschiedenen Eigenschaften gefunden, wenn niedrigere Konzentrationen von Sunrez 747 zugesetzt wurden.

Beispiele 63 bis 70

Fünf Mischzusammensetzungen wurden unter Verwendung von variierenden Konzentrationen von Calciumcarbonat (RO40) und unterschiedlichen Typen von Stärke bewertet um die minimale Prozesszeit und das Füllgewicht bei vier Prozesstemperaturen (160ºC, 180ºC, 200ºC, und 220ºC) zu bestimmen. Die hierin verwendete Bezeichnung "Prozesszeit" bedeutet die Zeitspanne, die erforderlich ist um das Gemisch zu einem formstabilen Gegenstand zu erhitzen. Die Zusammensetzung der fünf Gemische war wie folgt:
Hylon VII ist ein Typ einer modifizierten Maisstärke. Diese wurde anstelle eines Teils von Stalok 400 eingesetzt. Die formbaren Gemische wurden unter Verwendung der in den Beispielen 1 bis 13 angegebenen Verfahrensweisen hergestellt. Nach Herstellung der Gemische wurde eine HAAS LB-STA-Maschine eingesetzt um 15 oz.-Becher mit einer Dicke von etwa 4 mm und einem waffelartigen Äußeren herzustellen. Die resultierenden Füllgewichte und Prozesszeiten bei den ausgewählten Temperaturen sind nachfolgend zusammengestellt.
Wie erwartet, zeigten die Test, dass die Prozesszeiten bei steigenden Prozesstemperaturen abnahmen. Obgleich die Verminderung der Prozesszeit bei Erhöhungen der Prozesstemperaturen in niedrigeren Bereichen am größten waren, war die Verringerung der Prozesszeit am dramatischsten, als Calciumcarbonat im Bereich höherer Konzentrationen eingearbeitet worden war. Die Tests zeigten auch, dass das minimale Füllgewicht mit höheren Konzentrationen von Calciumcarbonat anstieg. Jedoch war das Füllgewicht von der Formtemperatur unabhängig.

Beispiele 71 bis 78

Es wurden die gleichen Zusammensetzungen und Prozessparameter, wie in den Beispielen 63 bis 70 definiert, dazu verwendet um die minimalen Prozesszeiten und Füllgewichte bei vier Prozesstemperaturen (160ºC, 180ºC, 200ºC und 220ºC) bei der Herstellung von 12 oz.- Bechern mit glatter Oberfläche zu bestimmen. Die Versuchsergebnisse bezüglich der Effekte auf die Prozesszeit und das Mindest-Füllgewicht sind untenstehend zusammengefasst.
Der Test ergab Feststellungen, die ähnlich waren wie diejenigen, die im Zusammenhang mit den obigen Beispielen 63 bis 70 angegeben wurden.

Beispiele 79 bis 86

Es wurden die gleichen Zusammensetzungen und Prozessparameter, wie in den Beispielen 63 bis 70 definiert, dazu verwendet um die Mindest-Prozesszeiten und -Füllgewichte bei vier Prozesstemperaturen (160ºC, 180ºC, 200ºC und 220ºC) zur Herstellung von "Klammerhüllenbehältern" (Klappbehälter) mit glatter Oberfläche zu bestimmen. Die Versuchsergebnisse bezüglich der Prozesszeit und dem minimalen Füllgewicht sind untenstehend zusammenfassend angegeben.
Die Test ergaben ähnliche Feststellungen wie diejenigen, die im Zusammenhang mit den Beispielen 63 bis 70 angegeben wurden.

Beispiele 87 bis 91

Unter Anwendung des gleichen Prozesses wie in den Beispielen 1 bis 13 wurden 12 oz.- Becher bei Verwendung von Formwerkzeugen mit einer Temperatur von 200ºC hergestellt. Das Gemisch für die Herstellung der Becher enthielt folgende Komponenten in den angegebenen Gewichtsmengen:
29,95% Stalok 400 (modifizierte Kartoffelstärke)
19,9% RO40-Calciumcarbonat
4,9% Hylon VII (modifizierte Maisstärke)
49,75% Wasser
0,5% Magnesiumstearat
Die getrockneten Becher wurden in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit mit einer relativen Feuchtigkeit von 95% und einer Temperatur von etwa 45ºC eingebracht. Die Becher wurden herausgenommen, nachdem variierende Feuchtigkeitsmengen von der stärkegebundenen Strukturmatrix der Becher absorbiert worden waren und getestet um ihre mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Die jeweiligen Feuchtigkeitsgehalte und entsprechenden mechanischen Eigenschaften sind untenstehend angegeben.
Die Testergebnisse zeigen eine ungefähr lineare Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt und den mechansichen Eigenschaften bei niedrigen Feuchtigkeitsgehalten. Bei steigendem Feuchtigkeitsgehalt verbessern sich die mechanischen Eigenschaften.

Beispiele 92 bis 94

Unter Verwendung der gleichen Prozessparameter, wie in den Beispielen 1 bis 13 angegeben, wurden 12 oz.-Becher aus formbaren Gemischen mit variierenden prozentualen Mengen von Calciumcarbonat und relativ konstanten Viskositäten hergestellt um den Effekt von Calciumcarbonat auf den erforderlichen Wassergehalt und die Zeit für die Entfernung des Wassers zu bestimmen. Untenstehend sind die getesteten Zusammensetzungen sowie die erforderlichen Zeitspannen zur Herstellung eines formstabilen Gegenstands mit fertiger Oberfläche zusammengestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei erhöhten Konzentrationen von Calciumcarbonat weniger Wasser erforderlich ist um ein Gemisch mit einer konstanten Viskosität zu erhalten. Weiterhin wurde als Ergebnis des geringeren. Wassergehalts die erforderliche Prozesszeit zur Erzeugung eines formstabilen Gegenstands verringert.

Beispiele 95 bis 114

Die in den Beispielen 63 bis 70 angegebenen fünf Zusammensetzungen und Backzeiten wurden dazu verwendet um 16 oz.-Becher mit waffelförmiger Oberfläche herzustellen. Die getrockneten Becher wurden danach auf eine Waage in einer Feuchtigkeitskammer mit 45ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 90% plaziert. Die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption der Becher wurde dann bestimmt, indem das Gewicht der Becher als Funktion der Zeit aufgetragen wurde. In den untenstehenden Tabellen sind die prozentuale Feuchtigkeitsabsorption bei ausgewählten Zeitintervallen für die einzelnen der fünf Gemische zusammengestellt. Eine gesonderte Tabelle gibt die Werte für die Becher wieder, die bei den Temperaturen von 160ºC, 180ºC, 200ºC und 220ºC hergestellt wurden.
Die Tests zeigten, dass die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption für alle Zusammensetzungen abnahm. D. h., je mehr Feuchtigkeit in dem Gegenstand enthalten ist, desto langsamer absorbiert der Gegenstand zusätzliche Feuchtigkeit. Die Tests zeigten auch, dass die Becher mit erhöhten Konzentrationen von Calciumcarbonat die Feuchtigkeit mit niedriger Geschwindigkeit absorbieren. Es gibt jedoch keine systematische Variierung der Absorptionsraten als Funktion von unterschiedlichen Prozesstemperaturen. Vermutlich sind die Unterschiede zwischen den Tabellen auf statistische Abweichungen zurückzuführen.

Beispiele 115 bis 136

Die gleichen fünf Gemische und Prozesszeiten, wie in den Beispielen 63 bis 70 angegeben, wurden verwendet um 12 oz.-Becher mit glatter Oberfläche herzustellen. Die getrockneten Becher wurden danach auf eine Waage in einer Feuchtigkeitskammer mit 45ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 90% plaziert. Die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption der Becher wurde dann bestimmt, indem das Gewicht der Becher gegen die Zeit aufgetragen wurde. In den nachstehenden Tabellen werden die prozentuale Feuchtigkeitsabsorption in ausgewählten Zeitintervallen der einzelnen der fünf Gemische angegeben. Eine gesonderte Tabelle betrifft Becher, die bei Formtemperaturen von 160ºC, 180ºC, 200ºC und 220ºC hergestellt worden sind.
Die Tests zeigten, dass die Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsabsorption für alle Zusammensetzungen abnimmt. Das heißt, je mehr Feuchtigkeit in dem Gegenstand enthalten ist, desto langsamer absorbieren die Gegenstände zusätzliche Feuchtigkeit. Die Tests zeigten auch, dass Becher mit erhöhter Konzentration von Calciumcarbonat Feuchtigkeit mit niedrigerer Geschwindigkeit absorbieren. Es gibt jedoch keine systematische Variierung der Absorptionsgeschwindigkeiten als Funktion von unterschiedlichen Prozesstemperaturen. Es wird angenommen, dass die Unterschiede zwischen den Tabellen auf statistische Abweichungen zurückzuführen sind.

Beispiele 135 bis 139

Unter Verwendung der in den Beispielen 63 bis 70 angegebenen fünf Gemische wurden 12 oz.-Becher mit glatter Oberfläche bei einer Formtemperatur von 200ºC hergestellt. Die Becher wurden danach in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit mit 45ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 90% eingebracht. Ausgewählte Becher wurden periodisch während der Konditionierungsstufe entfernt und getestet um den erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen um einen Gegenstand mit einem Wert der Verschiebung vor dem Versagen von 10 mm zu ergeben. Eine Verschiebung von 10 mm wurde willkürlich ausgewählt um einen Becher mit einem genügenden Ausmaß von Beschädigungsbeständigkeit zu erhalten um den Becher für praktische Zwecke verwendbar zu machen. Die resultierenden Feuchtigkeitsgehalte, die erforderlich waren um den Bechern bei verschiedenen Gemischen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, sind untenstehend zusammengefasst.
Die Tests zeigten, dass, wenn der prozentuale Anteil von Calciumcarbonat in den Gemischen erhöht wurde, die erforderliche Menge von Feuchtigkeit um die gewünschte Verschiebung bis zum Versagen zu verleihen, abnahm. Der Vergleich dieser Testergebnisse mit denjenigen der Beispiele 95 bis 114 zeigt, dass, obgleich Gemische mit mehr Calciumcarbonat, die Feuchtigkeit mit geringerer Geschwindigkeit absorbieren, solche Gemische weniger Feuchtigkeit benötigen um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Beispiele 140 bis 146

Gegenstände wurden hergestellt, wobei unterschiedliche Arten von Calciumcarbonat verwendet wurden um den Effekt der Teilchengröße und der Packdichte des anorganischen Aggregats zu bestimmen. Gemische wurden aus drei verschiedenen Typen von Calciumcarbonat: Carbital 75, RO40, hergestellt. Die chemische Grundzusammensetzung für jeden Typ von Calciumcarbonat war die gleiche, doch variierten, wie untenstehend gezeigt, die Teilchengrößenverteilung, die mittlere Teilchengröße und die natürliche Packungsdichte (oder die nichtkomprimierte Packungsdichte) in erheblicher Weise.
Die Klassierung jeden Typs von Calciumcarbonat war wie folgt:
Diese Tabellen zeigen, dass von den drei getesteten Typen von Calciumcarbonat Carbital 75 weitaus die kleinste mittlere Teilchengröße und die kleinste Teilchengrößenverteilung hat. Marblend hat die größte, und RO40 hat einen Mittelwert. Jedes Gemisch enthielt einen Typ von Calciumcarbonat, Stalok 400 Kartoffelstärke und Wasser, wobei kein Form-Trennmittel verwendet wurde. Die Gemische wurden nach den Verfahrensweisen der Beispiele 1 bis 13 hergestellt und dann zwischen Formen mit einer Temperatur von etwa 200ºC plaziert. Die Gegenstände wurden, nachdem sie Formstabilität erhalten hatten, aus den Formen entnommen. Die Formen waren mit Nickel-Teflon beschichtet, und sie hatten komplementäre Gestalten, die so definiert waren, dass sie eine Platte ergaben. Die gebildeten Platten hatten eine ungefähre Länge von 25 cm, eine Breite von 18 cm und eine Dicke von 3 mm. Nachstehend werden die Komponenten für jedes Gemisch, das Gewicht der fertigen Platte und die Prozesszeit angegeben.
In den Beispielen 140 und 141 wurden formstabile Gegenstände mit vernachlässigbaren Rissen oder Defekten erzeugt, obgleich die Platten des Beispiels 140 eine etwas höhere Qualität hatten als diejenigen von Beispiel 141. Im Beispiel 142, in dem das Carbital 75 auf 30 Gew.-% der Gesamtfeststoffe erhöht wurde, konnten keine rissfreien, formstabilen Gegenstände, ungeachtet der Prozesszeit, erhalten werden. In den Beispielen 143 und 145 wurden formstabile Gegenstände mit vernachlässigbaren Rissen oder Defekten bei Verwendung von 70 Gew.-% RO40 und Marblend, bezogen auf die Gesamtfeststoffe, erhalten. Die besten Gegenstände wurde in Beispiel 145 gebildet. Rissfreie, formstabile Gegenstände konnten in den Beispielen 144 und 146 nicht erhalten werden, in denen die Konzentration von RO40 und Marblend auf 80 Gew.-% der Feststoffe erhöht worden war.
Die obigen Beispiele zeigen, dass funktionelle Gegenstände mit höheren Konzentrationen von anorganischem Aggregat hergestellt werden, indem ein Aggregatmaterial verwendet wird (1), das einen größeren mittleren Durchmesser hat (was ein Aggregatmaterial mit niedriger spezifischer Oberfläche ergibt), und (2), das eine größere Teilchengrößenverteilung hat (was ein Aggregatmaterial mit höherer Teilchenpackdichte ergibt). Die maximale Menge von Carbital 75, die zur Produktion von funktionellen Gegenständen verwendet werden konnte, betrug 20 Gew.-% der Feststoffe. Im Vergleich dazu konnten funktionelle Gegenstände unter Verwendung von 70 Gew.-% von RO40 oder Marblend hergestellt werden. Die Differenz der Konzentration des Aggregats, die verwendet werden konnte, ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass RO40 und Marblend eine natürliche Packungsdichte haben, die ungefähr zweimal so groß ist wie diejenige von Carbital 75. Die Differenz wird weiterhin der Tatsache zugeschrieben, dass RO40 und Marblend eine mittlere Teilchengröße haben, die ungefähr zwanzig- bis dreißigmal so groß war als diejenige von Carbital 75.
Zur Illustration hat Carbital 75 eine relativ niedrige Packungsdichte von etwa 0,36. Wenn die Konzentration von Carbital 75 ansteigt beziehungsweise wenn die Konzentration des Binders auf Stärkebasis verringert wird, dann wird das Volumen des interstitiellen Raums zwischen den Teilchen erhöht. Als Ergebnis wird mehr Binder auf Stärkebasis und Wasser dazu verwendet um den interstitiellen Raum zu füllen, anstelle die Teilchen zu beschichten. Da weiterhin das Carbital 75 eine relativ kleine mittlere Teilchengröße hat (und daher auch eine größere spezifische Oberfläche hat), werden mehr Wasser und Binder auf Stärkebasis dazu benötigt um die Aggregatteilchen zu beschichten. Eventuell war, als die Konzentration von Carbital 75 30 Gew.-% der Feststoffe erreichte, das Volumen des interstitiellen Raums so groß, dass nicht genügend Wasser vorhanden war um in angemessener Weise den Binder auf Stärkebasis zu dispergieren und dass ungenügend Binder auf Stärkebasis vorhanden war um in angemessener Weise die Aggregatteilchen zu einer formstabilen, rissfreien Strukturmatrix zu binden.
Im Gegensatz dazu hat das Marblend eine erheblich größere Packungsdichte von etwa 0,36 und eine größere mittlere Teilchengröße. Demgemäß war selbst bei einer höheren Konzentration von 70% Marblend, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe, der interstitielle Raum genügend klein um zu gestatten, dass der Binder auf Stärkebasis und das Wasser die Aggregatteilchen in angemessener Weise zu einem funktionellen Gegenstand verbinden. Bei 80% Marblend, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe, war jedoch erneut das Volumen des interstitiellen Raums zu groß, dass der Binder auf Stärkebasis und das Wasser in angemessener Weise die Aggregatteilchen zu einer formstabilen, rissfreien Strukturmatrix verbinden konnten. Jedoch würde erwartet werden, dass durch Verwendung eines Aggregats mit einer größeren Packdichte als von Marblend, ein Gegenstand hergestellt werden könnte, der eine noch höhere Konzentration von anorganischen Aggregaten haben könnte.
Es ist auch beachtenswert, dass die Viskosität der Gemische bei steigender Konzentration von Carbital 75 abnahm, und dass die Viskosität des Gemisches bei gesteigerten Konzentrationen von RO40 und Marblend sich erhöhte. Wie vorstehend diskutiert, absorbiert der Binder auf Stärkebasis das Lösungsmittel. Durch Ersatz eines Teils des Binders auf Stärkebasis durch ein anorganisches Aggregat ist die Menge von Lösungsmittel, die von dem Binder auf Stärkebasis absorbiert worden wäre, für die Schmierung der Aggregatteilchen frei. Jedoch erzeugt auch das anorganische Aggregat, das den Binder auf Stärkebasis ersetzt, einen interstitiellen Raum, der durch das Lösungsmittel gefüllt werden muss. Wenn demgemäß die durch Entfernung des Binders auf Stärkebasis freigestzte Menge von Lösungsmittel kleiner ist als das Volumen des interstitiellen Raums, der durch die Zugabe des Aggregats erzeugt wird, dann nimmt die Viskosität des Gemisches zu. Dieser Prozess wird anhand der Verwendung von Carbital 75 illustriert. Demgegenüber, wenn die Menge von Lösungsmittel, das durch Entfernung des Binders auf Stärkebasis freigesetzt worden ist, größer als das Volumen des interstitiellen Raums ist, der durch Zugabe von mehr Aggregat erzeugt worden ist, dann nimmt die Viskosität des Gemisches ab. Dieser Prozess wird durch RO40 und Marblend illustriert.

Beispiele 147 bis 151

In den folgenden Beispielen wurden die einzelnen Komponenten konstant gehalten, mit der Ausnahme des Binders auf Stärkebasis, der graduell durch Reismehl ersetzt wurde. Da Reismehl einen hohen prozentualen Anteil von Stärke zusammen mit etwas Protein enthält, wäre zu erwarten gewesen, dass es einen Bindungseffekt in der Strukturmatrix hat. Weiterhin wäre eine inerte Fraktion zu erwarten gewesen, die als inerter organischer Füllstoff wirkt. Alle Konzentrationen werden als Gewichtsprozent des Gesamtgemisches ausgedrückt.
Die Zusammensetzungen dieser Beispiele ergaben Formkörper, bei denen der mittlere Zelldurchmesser der Zellen abnahm, wenn der prozentuale Gehalt des Reismehls erhöht wurde und die Menge von Stalok 400 (Kartoffelstärke) verringert wurde. Diese Beispiele zeigen daher, dass die Zellgröße durch Verwendung von kontrollierten Gemischen von Binder auf Stärkebasis verschiedener Herkunft reguliert werden kann. Dies führt seinerseits zu Gegenständen mit signifikant unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Auf diese Weise kann Reismehl (oder ähnliche kornförmige Mehle oder alternative Stärkequellen) in variierenden Mengen eingesetzt werden um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten resultierenden. Gegenstände sorgfältig zu kontrollieren. Nachstehend werden die mittleren Zelldurchmesser und die Hautdicken der Gegenstände angegeben, die unter Verwendung der Mischzusammensetzungen der Beispiele 147 bis 151 hergestellt worden waren:

Beispiel 152

Um die mittlere Zellgröße und die Hautdicke zu erhöhen, wurden formbare Gemische mit verminderter Viskosität, sogar so niedrig wie 50 cps bei einer Scherrate von 100 Upm, hergestellt, indem das Grundgemisch aus 49,75% Stalok 400 und anorganischem Aggregat (kombiniert), 49,75% Wasser und 0,5% Magnesiumstearat verändert wird. Dieses Grundgemisch hat eine Viskosität von 300 cps bei einer Scherrate von 100 Upm. Die Viskosität des Gemisches kann bei der gleichen Scherrate auf 50 cps verringert werden, indem mehr Wasser zugegeben wird oder indem 1 Gew.-% Öl zugesetzt wird.
Alternativ kann zur Verringerung der mittleren Zellgröße und der Hautdicke die Viskosität des formbaren Gemisches sogar bis zu 100.000 cps bei der gleichen Scherrate durch Verwendung von weniger Wasser und/oder Zugabe von Celluloseverdickungsmittel (wie Methocel®) erhöht werden.

Beispiel 153

Ein Gemisch, enthaltend 24,8% Stalok 400, 24,8% anorganisches Aggregat, 49,5% Wasser und 0,5% Magnesiumstearat, wurde gebildet, indem der Binder auf Stärkebasis vor der Zugabe des Aggregats und des Form-Trennmittels vorgeliert wurde. Die Vorgelierung wurde entweder durch Anwendung einer Vorkochstufe oder durch Verwendung eines vorgelierten Binders auf Stärkebasis durchgeführt. Die Vorkochungsstufe wurde durchgeführt, indem das Gefäß, enthaltend das Bindergemisch auf Stärkebasis, auf einer erhitzten Oberfläche oder durch Mikrowellenbehandlung des Gemisches erhitzt wurde. Die Fließgrenze dieser vorgelierten Gemische lag zwischen etwa 3 kPa bis etwa 20 kPa. Die durch diese Methode hergestellten Gemische wurden zu Gegenständen durch die gleichen Prozesstechniken, wie in den vorstehenden Beispielen für ein gießfähiges Gemisch beschrieben, verarbeitet.

Beispiele 154 bis 157

Formbare Gemische, enthaltend variierende Mengen von Polyvinylalkohol ("PVA"), wurden zur Herstellung von Gegenständen eingesetzt. Es wurde gefunden, dass die Verwendung von PVA die Prozesszeit verringerte.

Beispiele 158 bis 160

Gemische wurden hergestellt, die die folgenden Komponenten und Konzentrationen enthielten um den Effekt der Lösungsmittelkonzentration auf die Dichte und die Isolierungsfähigkeit der daraus hergestellten Gegenstände zu zeigen.
Die aus den Gemischen der Beispiele 158 bis 160 hergestellten Gegenstände zeigen, dass die Verwendung von weniger Wasser zu einem Formkörper mit kleineren Zellen, höherer Dichte und niedrigerer Isolierung (höherer themischer Leitfähigkeit) führte.

Beispiel 161

Es wurde eine Untersuchung durchgeführt um den Effekt der Variierung der Anzahl der Belüftungslöcher in der Formvorrichtung auf die Struktur der resultierenden geformten Becher zu bestimmen. Das formbare Gemisch des Beispiels 1 wurde zu Bechern unter Verwendung von verschiedenen Formvorrichtungen, bei denen die Anzahl der Belüftungslöcher so variiert wurde, dass 2, 4, 6, 8 und 10 Belüftungslöcher pro Standardgröße vorhanden waren, verformt. Die Dichte der Wände der resultierenden Becher stieg bei einer Steigerung der Anzahl der Belüftungslöcher an, und zwar vermutlich aufgrund der Verringerung des Drucks, der sich aufbauen konnte, was zu einer niedrigeren Expansion der Zellen in der Strukturmatrix der Becherwände führte. Daher ergeben weniger Belüftungslöcher einen Formkörper, der eine Wanddichte hat, die weniger dicht ist und der größere Zellen in der Sturkturmatrix hat.

Beispiele 162 bis 169

Formbare Gemische wurden hergestellt, die ein leichtes Aggregat enthielten um einen leichteren Gegenstand mit größerer Isolierungsfähigkeit und niedriger Dichte zu erhalten. Die zur Bildung dieser Gegenstände verwendeten Gemische sind nachfolgend angegeben:
Die Gemische wurden unter Verwendung der oben angegebenen Systeme und Verfahren zu Bechern verformt. Bei steigender Menge von Perlit hat der resultierende Becher eine niedrige Dichte, eine niedrigere thermische Leitfähigkeit, eine erhöhte Steifheit und eine erhöhte Brüchigkeit. Die Becher mit einem optimalen Ausgleich der vorstehenden Eigenschaften wurden erhalten, indem ein formbares Gemisch verwendet wurde, bei dem die Perlitkonzentration im Bereich zwischen etwa 25 bis etwa 55 Vol.-% Perlit des formbaren Gemisches lag. Jedoch können größere oder kleinere Mengen als die angegebenen Mengen für bestimmte Gegenstände zweckmäßig sein.

VII. ZUSAMMENFASSUNG

Aus den vorstehenden Ausführungen wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung verbesserte Methoden und Systeme zur Verformung von anorganisch gefüllten Massen zu Gegenständen bereitstellt, die eine Vielzahl von Gestalten haben, und die derzeit aus Papier, Pappe, Polystyrol, Metall, Glas, Kunststoff oder anderen organischen Materialien hergestellt werden.
Die Erfindung stellt auch weiterhin verbesserte Methoden und Systeme zur Formung von anorganisch gefüllten Gegenständen mit der gewünschten Festigkeit und Flexibilität für den vorgesehenen Zweck bereit.
Die Erfindung stellt weiterhin verbesserte Vefahren und Systeme für die Formung von anorganisch gefüllten Gegenständen bereit, die gleichzeitig mit einem Überzug gebildet werden können.
Die Erfindung stellt auch verbesserte Verfahren und Systeme für die Formung von anorganisch gefüllten Gegenständen bereit, die mit einer glatten Oberfläche gebildet werden können.
Die Erfindung stellt auch verbesserte Verfahren und Systeme für die Herstellung von anorganisch gefüllten, zellförmigen Gegenstände bereit, die Eigenschaften haben, die ähnlich denjenigen von Papier, Pappe, Polystyrol, Metall, Glas und Kunststoff sind. Solche Verfahren können dazu eingesetzt werden um solche Massen zu einer Vielzahl von Behältern und anderen Gegenständen unter Verwendung von derzeit existierenden Einrichtungen, die geringfügig modifiziert sind, zu verformen.
Die Erfindung stellt weiterhin verbesserte Verfahren und Zusammensetzungen zur Herstellung von anorganisch gefüllten, zellförmigen Gegenständen bereit, die nicht zur Erzeugung von Abfallstoffen führen, wie es bei der Herstellung von Papier-, Pappe-, Kunststoff-, Metall-, Glas- oder Polystyrolmaterialien der Fall ist.
Die Erfindung stellt weiterhin verbesserte Verfahren und Massen für Formzusammensetzungen bereit, die weniger Wasser enthalten, das während des Herstellungsprozesses entfernt werden muss (im Gegensatz zu der Papierherstellung), damit die Prozesszeit verringert werden kann und die Anfangskapital-Investitionskosten verringert werden können. Weiterhin ergeben die verbesserten Verfahren und Massen Gegenstände, die leicht zu Substanzen abbaubar sind, die nichttoxisch sind und üblicherweise auf der Erde gefunden werden.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Verfahren für die Verformung von Massen zu Behältern und anderen Gegenständen bei Kosten bereit, die denjenigen, die bei existierenden Verfahren zur Herstellung von Papier- oder Polystyrolgegenständen anfallen, vergleichbar oder sogar besser sind.
Die Erfindung stellt weiterhin verbesserte Verfahren zur Verformung von Massen bereit, die weniger energieintensiv sind, und die wertvolle natürliche Resourcen sparen, und die schließlich niedrigere Anfangskapital-Investitionskosten erfordern als solche bei der Herstellung von Gegenständen aus herkömmlichen Materialien.
Weiterhin stellt die Erfindung Verfahren für die Massenproduktion von anorganisch gefüllten, zellförmigen Gegenständen bereit, die rasch gebildet und innerhalb von Minuten vom Beginn des Herstellungsprozesses im Wesentlichen getrocknet werden können.
Schließlich gestatten die verbesserten Verfahren die Erzeugung von hochanorganisch gefüllten, zellförmigen Materialien mit höherer Flexibilität, Biegefestigkeit, Zähigkeit, Formbarkeit und Massenproduzierbarkeit im Vergleich zu Materialien, die einen hohen Gehalt an anorganischen Füllstoffen aufweisen.
Die vorliegende Erfindung kann auch andere spezielle Formen einnehmen, ohne dass vom Wesen oder den wesentlichen Charakteristiken abgewichen wird. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeder Hinsicht nur als beispielhaft und nicht einschränkend angesehen werden. Der Rahmen der Erfindung wird daher durch die Ansprüche anstelle durch die vorstehende Beschreibung angegeben. Alle Abänderungen innerhalb der Bedeutung und des Äquivalentsbereichs der Ansprüche sollen unter den Rahmen der Erfindung fallen.

Claims

1. Gegenstand mit einer Stärke gebundenen Zellmatrix, umfassend:

einen Binder auf Stärke-Basis, der durch Wasser im Wesentlichen gelatiniert wurde und anschließend durch die Entfernung einer wesentlichen Menge des Wassers durch Verdampfung gehärtet wurde, und

ein in der gesamten Stärke gebundenen Zellmatrix dispergiertes anorganisches Aggregat in einer Konzentration in einem Bereich von 20 bis 90 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke gebundenen Zellmatrix, wobei die Stärke-gebundene Zellmatrix eine Dicke von weniger als 1 cm aufweist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Binder auf Stärke- Basis mindestens einen Binder umfasst, ausgewählt aus einem Binder auf Kartoffelstärke-Basis, einem Binder auf Weizenstärke-Basis, einem Binder auf Stärke-Basis erhalten aus mindestens einem ausgewählt aus Körnermehl, Getreide, Knollen und Wurzeln, und modifizierten Stärken.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Binder auf Stärke- Basis in einer Menge in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe, vorzugsweise von 30 bis 70 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe und insbeosndere von 40 bis 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke gebundenen Zellmatrix enthalten ist.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat mindestens eines umfasst, ausgewählt aus Calciumcarbonat, Sand, Sandstein, Glaskügelchen, Mica, Ton, Kaolin, Kalkstein, Silica, Quarzglas, Aluminiumoxid, Perlit, Vermiculit, hohlen Glaskügelchen, Mikrokügelchen, Kies, Fels (Gestein), Aerogel, Xerogel, synthetischen Materialien, Flugasche, Gips, Calciumaluminat, Xonotlit, hydratisierten hydraulischen Zementteilchen, unhydratisierten hydraulischen Zementteilchen, Bimsstein, Zeolithen und abgeblättertem Fels.

5. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat einzelne Teilchen enthält mit einer Vielzahl von Größen ausgewählt, um eine gewünschte Packungsdichte des anorganischen Aggregats in dem formbaren Gemisch zu erhalten.

6. Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Größen der einzelnen Teilchen derart ausgewählt sind, dass die Packungsdichte des anorganischen Aggregats in einem Bereich von 0,5 bis 0,9, vorzugsweise von 0,6 bis 0,8 liegt.

7. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat eine spezifische Oberfläche in einem Bereich von 0,1 m²/g bis 400 m²/g, vorzugsweise von 0,15 m²/g bis 50 m²/g und insbesondere von 0,2 m²/g bis 2 m²/g aufweist.

8. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat ein Aggregat beinhaltet, das die thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes herabsetzt.

9. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 30 bis 70 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärkegebundenen Zellmatrix und vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe vorliegt.

10. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat in einer Menge vorlegt, derart, dass der Gegenstand eine spezifische Wärme in einem Bereich von 0,1 J/g·K bis 400 J/g·K bei 20ºC, vorzugsweise von 0,15 J/g·K bis 50 J/g·K bei 20ºC und insbesondere von 0,2 J/g·K bis 20 J/g·K bei 20ºC aufweist.

11. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Stärke-gebunden Zellmatrix ein Formentrennmittel beinhaltet, vorzugsweise umfassend eine Fettsäure oder ein Salz oder Derivat davon mit einer Kohlenstoffkette vorzugsweise größer als etwa C&sub1;&sub2;.

12. Gegenstand nach Anspruch 11, wobei das Formentrennmittel mindestens eines umfasst, ausgewählt aus Magnesiumstearat und einem Wachs.

13. Gegenstand nach Anspruch 11, wobei das Formentrennmittel in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke gebundenen Zellmatrix enthalten ist.

14. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Stärke-gebundene Zellmatrix Fasern enthält, vorzugsweise mindestens einen Fasertyp ausgewählt aus Sisal-, Hanf-, Baumwoll-, Pflanzen-, Blatt-, Abaca-, Bagasse-, Holzfasern, Derivaten der vorstehend genannten, Glas-, Graphit-, Silica-, Keramik- und Metallfasern.

15. Gegenstand nach Anspruch 14, wobei die Fasern einen durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von 10 um bis 100 um und vorzugsweise von 50 um bis 100 um aufweisen.

16. Gegenstand, nach Anspruch 1, wobei die Matrix des weiteren ein Rheologiemodifiziermittel enthält, vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke gebundenen Zellmatrix.

17. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Cellulosebasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose und Derivaten davon.

18. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Polysaccharidbasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Alginsäure, Phycocolloide, Agar, Gummi arabicum, Guargum, Johannisbrotgummi, Karayagummi, Traganthgummi und Derivaten davon.

19. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Proteinbasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Prolamin, Kollagen, Kasein und Derivaten davon.

20. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein synthetisches organisches Material beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Polyethylenglycol, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyacrylsäuren, Polymilchsäure und Derivaten davon.

21. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei das Rheologiemodifiziermittel in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärkegebundenen Zellmatrix enthalten ist.

22. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein Dispergiermittel enthält, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus sulfoniertem Melamin-Formaldehyd-Kondensat, Lignosulfonat und Polyacrylsäure.

23. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein Enzym zur Erhöhung der Gelierungsgeschwindigkeit des Binders auf Stärke- Basis enthält, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Kohlenhydraten, Amylase, Oxidase und Derivaten davon.

24. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein Feuchthaltemittel zur Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit in der Strukturmatrix enthält, um die Flexibilität des Gegenstandes zu erhöhen, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus MgCl&sub2;, CaCl&sub2;, NaCl und Calciumcitrat.

25. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein Vernetzungsmaterial enthält, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Dialdehyden, Methylharnstoffen und Melamin- Formaldehyd-Harzen.

26. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Stärke-gebundene Zellmatrix eine Dichte in einem Bereich von 0,05 g/cm³ bis 1 g/cm³ und vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 g/cm³ bis 0,5 g/cm³ aufweist.

27. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand einen Behälter umfasst, vorzugsweise eine Tasse, ein Tablett oder einen faltbaren Klappbehälter.

28. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Stärke-gebundene Zellmatrix vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 1 mm bis 1 cm und insbesondere in einem Bereich von 2 mm bis 5 mm aufweist.

29. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix einen Weichmacher enthält, der dem Gegenstand Flexibilität verleiht, vorzugsweise umfassend mindestens einen ausgewählt aus Glycerin, Monoglyceriden, Diglyceriden, Polyethylenglycol, Sorbitol und Derivaten davon.

30. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das anorganische Aggregat ein poröses anorganisches Aggregat beinhaltet, das geeignet ist ein Lösungsmittel während des Formens des Gegenstandes zu absorbieren und anschließend das Hineindiffundieren des Lösungsmittels in die Zellstrukturmatrix nachdem der Gegenstand geformt wurde, ermöglicht, wobei das Lösungsmittel vorzugsweise Wasser umfasst.

31. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein inertes organisches Aggregat beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Samen, Getreide bzw. Körnern, Kork und Kunststoffkügelchen.

32. Gegenstand nach Anspruch 31, wobei das inerte organische Aggregat in einer Menge in einem Bereich von 5 bis 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in der Stärke gebundenen Zellmatrix, vorzugsweise von 15 bis 50 Gew.-% und insbesondere von 25 bis 40 Gew.-% enthalten ist.

33. Gegenstand nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Beschichtung auf mindestens einem Teil der Stärke gebundenen Zellmatrix aufweist.

34. Gegenstand nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung eine organische Beschichtung umfasst, vorzugsweise mindestens eine ausgewählt aus Wachsen, Schellack, Trockenölen, Kolophonium, Kolophoniumderivaten, Phenolharzen, Polyesterharzen, Epoxyharzen, Terpenharzen, Harnstoff-Formaldehydharzen, Vinylharzen, vorzugsweise Polyvinylacetat und Polyvinylalkohol, Materialien auf Cellulosebasis, vorzugsweise Celluloseacetat, Styrolpolymere, Polyethylen, Polyethylencopolymere, Acrylharzderivate, Acrylharzderivat-Copolymere, Melamin, Polyamide, Polymilchsäure, Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymer, Sojabohnenprotein, biologisch-abbaubare Polymere, Elastomere und Derivate der vorstehend genannten.

35. Gegenstand nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung eine anorganische Beschichtung umfasst, vorzugsweise mindestens eine ausgewählt aus Natriumsilicat, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kaolin, Ton und Keramiken.

36. Gegenstand nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung als ein Laminat oder ein Klebstoff aufgebracht ist.

37. Gegenstand nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung als ein im Wesentlichen gleichmäßiger Film aufgebracht ist.

38. Gegenstand nach Anspruch 33, wobei die Beschichtung ursprünglich in flüssiger Form auf die Stärke-gebundene Zellmatrix aufgebracht ist.

39. Mit anorganischem Material beschicktes Gemisch auf Stärke- Basis zur Bildung eines Gegenstandes mit einer mit anorganischem Material beschickten Stärke gebundenen Zellmatrix, wobei das Gemisch im Wesentlichen ungelatinierte unmodifizierte Stärkekörnchen, Wasser und einen anorganischen Aggregatfüllstoff in einer Menge in einem Bereich von 20 bis 90 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis umfasst.

40. Gemisch nach Anspruch 39, wobei die Stärkekörnchen ausgewählt sind aus mindestens einer umfassend unmodifizierte Kartoffelstärke, unmodifizierte Maisstärke und unmodifizierte wachsartige Maisstärke.

41. Gemisch nach Anspruch 39, wobei die Stärkekörnchen in einer Menge in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis, vorzugsweise von 30 bis 70 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe und insbesondere von 40 bis 60 Gew-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis enthalten sind.

42. Gemisch nach Anspruch 39, wobei das Wasser in einer Konzentration in einem Bereich von 20 bis 70 Gew.-% des Gemisches und vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-% des Gemisches vorliegt.

43. Gemisch nach Anspruch 39, wobei das anorganische Aggregat ausgewählt ist aus mindestens einem umfassend Calciumcarbonat, Sand, Sandstein, Glaskügelchen, Mica, Ton, Kaolin, Kalkstein, Silica, Quarzglas, Aluminiumoxid, Perlit, Vermiculit, hohlen Glaskügelchen, Mikrokügelchen, Kies, Fels, Aerogel, Xerogel, synthetischen Materialien, Flugasche, Gips, Calciumaluminat, Xonotlit, hydratisierten hydraulischen Zementteilchen, unhydratisierten hydraulischen Zementteilchen, Bimsstein, Zeolithen und abgeblättertem Fels.

44. Gemisch nach Anspruch 39, wobei das anorganische Aggregat eine spezifische Oberfläche in einem Bereich von 0,1 m²/g bis 400 m²/g, vorzugsweise von 0,15 m²/g bis 50 m²/g und insbesondere von 0,2 m²/g bis 2 m²/g aufweist.

45. Gemisch nach Anspruch 39, wobei das anorganische Aggregat in einer Menge in einem Bereich von 30 bis 70 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis und vorzugsweise von 40 bis 60 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis enthalten ist.

46. Gemisch nach Anspruch 39, des Weiteren enthaltend ein Formentrennmittel, vorzugsweise umfassend eine Fettsäure oder ein Salz oder ein Derivat davon mit einer Kohlenstoffkette vorzugsweise größer als etwa C&sub1;&sub2;.

47. Gemisch nach Anspruch 46, wobei das Formentrennmittel mindestens eines ausgewählt aus Magnesiumstearat und einem Wachs enthält.

48. Gemisch nach Anspruch 46, wobei das Formentrennmittel in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch enthalten ist.

49. Gemisch nach Anspruch 39, des Weiteren enthaltend darin dispergierte Fasern, vorzugsweise Sisal-, Hanf-, Baumwoll-, Pflanzen-, Blatt-, Abaca-, Bagasse-, Holzfasern, Derivate der vorstehend genannten, Glas-, Graphit-, Silica-, Keramik- und Metallfasern.

50. Gemisch nach Anspruch 49, wobei die Fasern in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 60 Volumen% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis, vorzugsweise von 2 bis 40 Volumen% bezogen auf die Feststoffe und insbesondere von 5 bis 20 Volumen% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis enthalten sind.

51. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren ein Rheologiemodifiziermittel enthält.

52. Gemisch nach Anspruch 51, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Cellulosebasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Methylhydroxyethylcellulose, Hydroxymethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylpropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose und Derivaten davon.

53. Gemisch nach Anspruch 51, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Polysaccharidbasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Alginsäure, Phycocolloiden, Agar, Gummi arabicum, Guargum, Johannisbrotgummi, Karayagummi, Traganthgummi und Gemische davon.

54. Gemisch nach Anspruch 51, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein Material auf Proteinbasis beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Prolamin, Kollagen, Kasein und Derivaten davon.

55. Gemisch nach Anspruch 51, wobei das Rheologiemodifiziermittel ein synthetisches organisches Material beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Polyethylenglycol, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyacrylsäuren, Polymilchsäure und Derivaten davon.

56. Gemisch nach Anspruch 51, wobei das Rheologiemodifiziermittel in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis enthalten ist.

57. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren ein Dispergiermittel enthält.

58. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren ein Enzym enthält, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Carbohydrasen, Amylase, Oxidase und Derivaten davon.

59. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren ein Feuchthaltemittel zur Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit und Flexibilität in dem Gegenstand beinhaltet, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus MgCl&sub2;, CaCl&sub2;, NaCl und Calciumcitrat.

60. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren ein Vernetzungsmittel enthält, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus Dialdehyden, Methylharnstoffen, Melamin- Formaldehydharzen und Derivaten davon.

61. Gemisch nach Anspruch 60, wobei das Vernetzungsmittel in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe in dem Gemisch auf Stärke-Basis enthalten ist.

62. Gemisch nach Anspruch 39 mit einer Viskosität in einem Bereich von 0,01 Pas bis 300 Pa·s, vorzugsweise von 0,05 Pas bis 30 Pa·s und insbesondere von 0,2 Pa·s bis 3 Pas.

63. Gemisch nach Anspruch 39, wobei das Gemisch des Weiteren ein Material enthält, das geeignet ist zur Bildung einer Beschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gegenstandes nach dem Formen des Gemisches auf Stärke-Basis in einem erhitzten Formwerkzeug, wobei das Material vorzugsweise ein Wachs beinhaltet.

64. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren einen Weichmacher enthält, vorzugsweise umfassend mindestens einen ausgewählt aus Glycerin, Monoglyceriden, Diglyceriden, Polyethylenglycol, Sorbitol und Derivaten davon.

65. Gemisch nach Anspruch 39, das des Weiteren pregelatinierte Stärke enthält.

66. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes mit einer Zellstrukturmatrix, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Herstellen eines formbaren Gemisches, das einen Binder auf Stärke-Basis in einer Menge in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% bezogen auf die Feststoffe, ein Lösungsmittel, das geeignet ist beim Erhitzen im Wesentlichen den Binder auf Stärke-Basis zu gelatinieren, und ein anorganisches Aggregat in einer Menge größer als 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in dem formbaren Gemisch enthält, und

b) Formen des formbaren Gemisches in einem Formhohlraum, um zumindest einen Teil des Binders auf Stärke-Basis zu gelatinieren, Entfernen eines wesentlichen Teiles des Lösungsmittels aus dem formbaren Gemisch durch Verdampfen, und Formen der Stärke-gebundenen Zellstrukturmatrix des Gegenstandes, wobei die Stärke-gebundene Zellstrukturmatrix binnen 15 Minuten nach dem Positionieren in die gewünschte Form des Gegenstandes formstabil ist.

67. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Binder auf Stärke- Basis mindestens einen Binder umfasst ausgewählt aus einem Binder auf Kartoffelstärke-Basis, Binder auf Weizenstärke- Basis, Binder auf Stärkebasis erhalten aus mindestens einem ausgewählt aus Körnermehl, Getreide, Knollen und Wurzeln, modifizierten Stärken und pregelatinierten Stärken.

68. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Binder auf Stärke- Basis in einer Menge in einem Bereich von 30 bis 70 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe und vorzugsweise von 40 bis 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe vorliegt.

69. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Lösungsmittel mindestens eines ausgewählt aus Wasser und einem Alkohol, insbesondere Ethanol beinhaltet.

70. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Lösungsmittel eine Anfangskonzentration in einem Bereich von 20 bis 70 Gew.-% des Gemisches und vorzugsweise von 40 bis 60 Gew.-% aufweist.

71. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das anorganische Aggregat zumindest eines ausgewählt aus Calciumcarbonat, Sand, Sandstein, Glaskügelchen, Mica, Ton, Kaolin, Kalkstein, Silica, Quarzglas, Aluminiumoxid, Perlit, Vermiculit, hohlen Glaskügelchen, Mikrokügelchen, Kies, Fels (Gestein), Aerogel, Xerogel, synthetischen Materialien, Flugasche, Gips, Calciumaluminat, Xonotlit, hydratisierten hydraulischen Zementteilchen, unhydratisierten hydraulischen Zementteilchen, Bimsstein, Zeolithen und abgeblättertem Fels umfasst.

72. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das anorganische Aggregat eine Vielzahl von Aggregatteilchen unterschiedlicher Größe beinhaltet, vorzugsweise ausgewählt um eine Packungsdichte in einem Bereich von 0,5 bis 0,9 aufzuweisen.

73. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das anorganische Aggregat eine spezifische Oberfläche in einem Bereich von 0,15 m²/g bis 50 m²/g aufweist.

74. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das anorganische Aggregat in einer Menge in einem Bereich von 20 bis 90 Gew.-% bezogen auf die Gesamtfeststoffe in dem formbaren Gemisch, vorzugsweise von 30 bis 70 Gew.-% und insbesondere von 40 bis 60 Gew.-% vorliegt.

75. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Herstellungsschritt die Zugabe eines Formentrennmittels zu dem formbaren Gemisch beinhaltet, wobei das Formentrennmittel vorzugsweise eine Fettsäure oder ein Salz oder Derivat davon umfasst, insbesondere mit einer Kohlenstoffkette größer als C&sub1;&sub2;.

76. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Formentrennmittel mindestens eines ausgewählt aus Magnesiumstearat und einem Wachs umfasst.

77. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Herstellungsschritt mindestens einen der folgenden Schritte beinhaltet:

(a) Zugabe eines faserartigen Materials zu dem formbaren Gemisch,

(b) Zugabe eines Rheologiemodifiziermittels zu dem formbaren Gemisch, vorzugsweise umfassend mindestens eines ausgewählt aus einem Material auf Cellulosebasis, einem Material auf Polysaccharidbasis, einem Material auf Proteinbasis und einem synthetischen organischen Material,

(c) Zugabe eines Dispergiermittels zu dem formbaren Gemisch,

(d) Zugabe eines Enzyms zu dem formbaren Gemisch, um die Gelierungsgeschwindigkeit des Binders auf Stärke-Basis zu erhöhen,

(e) Zugabe eines Feuchthaltemittels zu dem formbaren Gemisch, um die Rückhaltung der Feuchtigkeit in der Zellstrukturmatrix zu verbessern,

(f) Zugabe eines Vernetzungsmittels zu dem formbaren Gemisch,

(g) Verwendung eines Hochenergiemixers oder eines Zweikammern- Extruders,

(h) Anwendung eines Unterdruckes auf das formbare Gemisch, um die in dem formbaren Gemisch eingeschlossene Luft zu entfernen und

(i) Erhitzen des formbaren Gemisches bis zum Gelierungspunkt des Binders auf Stärke-Basis.

78. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Schritt des Positionierens unter Verwendung von zumindest einem Schneckenkolben- Injektors und/oder einem Zweistufen-Injektors erfolgt.

79. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das formbare Gemisch zu einem Behälter geformt wird, vorzugsweise einer Tasse, einem Tablett oder einem faltbaren Klappbehälter.

80. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formhohlraum polierte Oberflächen, Chromoberflächen oder Teflonnickelbeschichtungen aufweist.

81. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formschritt die folgenden Schritte beinhaltet:

(a) Positionieren eines männlichen Formwerkzeugs vertikal oberhalb einem weiblichen Formwerkzeug,

(b) Positionieren des formbaren Gemisches in dem weiblichen Formwerkzeug, und

(c) Zusammenpassen des männlichen und weiblichen Formwerkzeuges um das formbare Gemisch einzuschließen.

82. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formschritt die folgenden Schritte beinhaltet:

(a) Positionieren eines weiblichen Formwerkzeuges vertikal oberhalb einem männlichen Formwerkzeug,

(b) Zusammenpassen des männlichen und weiblichen Formwerkzeuges in einer komplementären Weise, um einen Formbereich zwischen dem männlichen und weiblichen Formwerkzeug zu bilden, und

(c) Beschicken von zumindest einem Teil des Formbereiches mit dem formbaren Gemisch.

83. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formhohlraum zumindest ein Entlüftungsloch aufweist.

84. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formschritt das Erhitzen des formbaren Gemisches durch Erhitzen des Formhohlraumes auf eine Temperatur in einem Bereich von 150 bis 220ºC, vorzugsweise von 170 bis 210ºC und insbesondere von 190 bis 200ºC beinhaltet.

85. Verfahren nach Anspruch 66, wobei die Temperatur des Hohlraums entlang der Hohlraumlänge variiert.

86. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Formschritt einen geformten Gegenstand ergibt, in dem die Zellstrukturmatrix binnen eines Zeitraums in einem Bereich von 1 Sekunde bis 10 Minuten, vorzugsweise von 15 Sekunden bis 5 Minuten und insbesondere von 30 Sekunden bis 1 Minute formstabil ist.

87. Verfahren nach Anspruch 66, wobei der Gegenstand eine Dichte in einem Bereich von 0,1 g/cm³ bis 2,5 g/cm³ aufweist.

88. Verfahren nach Ansprach 66, wobei der Gegenstand eine dicke von bis zu 10 cm aufweist.

89. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Verfahren den Konditionierschritt des formstabilen Gegenstandes in einer Feuchtigkeitskammer beinhaltet, vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 60ºC und insbesondere von 35 bis 55ºC und vorzugsweise bei einer relativen Feuchtigkeit in einem Bereich von 50 bis 95% und insbesondere von 85 bis 95%.

90. Verfahren nach Anspruch 89, wobei der Gegenstand in der Feuchtigkeitskammer für einen Zeitraum von 1 Minute bis 30 Minuten und vorzugsweise von 5 Minuten bis 15 Minuten verbleibt.

91. Verfahren nach Anspruch 66, wobei das Verfahren mindestens einen Schritt ausgewählt aus (a) Aufbringen einer Beschichtung auf den formstabilen Gegenstand und (b) Aufbringen eines Aufdrucks auf den formstabilen Gegenstand beinhaltet.

92. Verfahren nach Anspruch 91, wobei die Beschichtung als Laminiermaterial, Klebstoff und/oder Flüssigkeit aufgebracht wird.

93. Verfahren nach Anspruch 91, wobei die Beschichtung als im Wesentlichen gleichförmiger Film aufgebracht wird.

94. Verfahren nach Anspruch 91, wobei die Beschichtung eine organische Beschichtung umfasst, vorzugsweise mindestens eine ausgewählt aus Wachsen, Schellack, Trockenölen, Kolophonium, Kolophoniumderivaten, Phenolharzen, Polyesterharzen, Epoxyharzen, Terpenharzen, Harnstoff-Formaldehydharzen, Vinylharzen, vorzugsweise Polyvinylacetat und Polyvinylalkohol, Materialien auf Cellulosebasis, vorzugsweise Celluloseacetat, Styrolpolymeren, Polyethylen, Polyethylencopolymeren, Acrylharzderivaten, Acrylharzderivat-Copolymeren, Melamin, Polyamiden, Polymilchsäure, Polyhydroxybutyrat-Hydroxyvalerat-Copolymer, Sojabohnenprotein, biologisch abbaubaren Polymeren, Elastomeren und Derivaten der vorstehend genannten.

95. Verfahren nach Anspruch 91, wobei die Beschichtung eine anorganische Beschichtung umfasst, vorzugsweise mindestens eine ausgewählt aus Natriumsilicat, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kaolin, Ton und Keramiken.