Легкий формованный продукт большого размера и способ его изготовления
LIGHT MOULDED PRODUCT OF LARGE SIZE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Как правило, варианты выполнения в настоящем документе относятся к легким формованным продуктам большого размера и к способу изготовления таких формованных продуктов.
Более конкретно, различные варианты выполнения изобретения относятся, среди прочего, к различным легким продуктам трехмерной (3D) формы, выполненным с использованием материалов, покрытых разделителем.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Формование целлюлозной массы известно в данной области техники для производства небольших упаковок, таких как картонные коробки для яиц, одноразовые тарелки для пищевых продуктов, вставки в коробки и другие защитные упаковочные изделия и т.п.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В патенте США №6245991 описан способ формования лотков из целлюлозной массы, где исходным материалом является суспензия, содержащая целлюлозные волокна. Охватываемую половинку формы погружали в ванну с суспензией, а затем половинки формы сжимали вместе под действием тепла и давления.
В патенте Швеции №529897 С2 описано формование лотка из целлюлозной массы, где использовалась обезвоживающая емкость для формирования лотка из целлюлозной массы, который затем переносился в инструмент сжатия, где лоток подвергался воздействию давления и тепла. Этот процесс включает этап переноса и не может легко использоваться для больших контейнеров.
В Европейском патентном документе №0466653 описан гроб, изготовленный из формованной целлюлозной массы без какого-либо упрочняющего разделительного покрытия.
В международной патентной публикации №06016072 описан контейнер большого размера, в данном случае гроб, выполненный из панелей, состоящих из слоев с сотовым заполнителем со сторонами из бумажного листа.
Однако ни одно из решений предшествующего уровня техники не раскрывает или не указывает, как достичь решений, представленных в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты выполнения настоящего изобретения предназначены для решения комплекса трудно согласованных взаимосвязанных проблем, имеющихся в конструкциях предшествующего уровня техники:
Было очень сложно использовать существующие способы формования целлюлозной массы для производства очень крупных трехмерных изделий. Частично это связано с проблемой термического расширения и сжатия двух металлических половинок формы, используемых при сжатии целлюлозной массы в форме. Если размеры половинок формы меняются, из-за того, что они неизбежно становятся более холодными и более горячими во время процесса сжатия, прочность контейнера будет ослаблена, а поверхность будет неровной и негладкой. Это не является проблемой, если качество поверхности и прочность готового изделия не имеют большого значения, например, для упаковочных продуктов или одноразовой посуды, но там, где прочность и окончательный вид поверхности готового формованного изделия имеет большое значение, то это становится проблемой. В целом трудно добиться однородности прочности и вида поверхности в изделиях, отформованных из целлюлозной массы, особенно в таких тонких продуктах.
Теперь стало возможным изготавливать легкую оболочку большого объема из формованной целлюлозной массы с повышенной прочностью и гладкостью с использованием половинок формы и устройства, которые описаны и заявлены в нашей одновременно находящейся на рассмотрении заявке на патент Швеции №1550864-1, озаглавленной «Формовочное устройство для целлюлозной массы и формы для использования в нем».
Получение отформованного из целлюлозной массы трехмерного (3D) продукта больших размеров, который является легким, очень прочным, с гладкой и ровной наружной поверхностью и, прежде всего, легким и недорогим в производстве, до сих пор оказывалось очень сложным.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Весь этот комплекс проблем, перечисленных выше, находит свое решение в вариантах выполнения настоящего изобретения, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения.
В первом аспекте представлен легкий трехмерный формованный продукт больших размеров, содержащий наружную оболочку, выполненную из формованной целлюлозной массы, упрочняющий разделитель, соответствующий по форме и прикрепленный к внутренней стороне указанной оболочки, и внутреннюю оболочку, выполненную из формованной целлюлозной массы или гибкого бумажного материала, прикрепленную к указанному разделительному покрытию.
В вариантах выполнения разделитель может представлять собой лист с сотовым заполнителем из гексагональных элементов.
В вариантах выполнения упрочняющий разделитель и внутренняя оболочка могут быть изготовлены из панели «Re-board» с единственным покрывающим листом бумаги.
В вариантах выполнения разделитель «Re-board» может иметь только один внутренний покрывающий лист.
В вариантах выполнения упрочняюще разделительное покрытие может содержать полые ячейки, разделенные стенками, по существу перпендикулярными оболочке.
В вариантах выполнения упрочняющий разделитель может содержать сотовую структуру, выполненную из бумаги.
В вариантах выполнения упрочняющий разделитель может быть выполнен из разделительной конструкции, изготовленной из формованной целлюлозной массы.
В вариантах выполнения части, изготовленные из формованной целлюлозной массы, могут быть изготовлены с использованием функциональных добавок, таких как повышающие огнестойкость добавки, гидрофобизирующие добавки, добавки для повышения прочности в сухом и влажном состоянии.
В вариантах выполнения покрытие продукта может также содержать наружную оболочку из формованной целлюлозной массы и упрочняющее разделительное покрытие.
В вариантах выполнения продукт может иметь длину не менее 1 м.
В другом аспекте предложен способ изготовления формованного продукта трехмерной (3D) формы. Способ включает
а. сжатие суспензии из целлюлозной массы на водной основе между первой охватываемой половинкой формы, покрытой эластомерным материалом, и второй охватывающей половинкой формы, и высушивание продукта при повышенной температуре под давлением для образования формованной целлюлозной оболочки,
б. получение разделительной конструкции основы и приклеивание упрочняющей разделительной конструкции к внутренней стороне формованной целлюлозной оболочки,
в. получение внутренней оболочки из формованной целлюлозной массы или другого гибкого бумажного материала и приклеивание его к разделительной конструкции основы.
В вариантах выполнения сжатие могут выполнять в раме, в которой одну из половинок формы устанавливают в средстве для поступательного перемещения к другой половинке формы, посредством средства для сжатия и удерживания пары половинок формы, установленных друг напротив друга, и с использованием ванны с суспензией из целлюлозной массы, причем средство для поступательного перемещения может быть выполнено с возможностью погружения первой половинки формы в ванну с суспензией из целлюлозной массы и перемещения первой половинки формы в прижимное сжатие со второй половинкой формы.
В еще одном аспекте представлено легкое трехмерное изделие больших размеров. Изделие содержит криволинейную наружную оболочку из формованной целлюлозной массы, упрочняющий гибкий разделитель, соответствующий по форме и прикрепленный к внутренней стороне указанной оболочки, и внутреннюю оболочку, выполненную из формованной целлюлозной массы или гибкого бумажного материала и прикрепленную к разделительному покрытию.
В вариантах выполнения упрочняющий гибкий разделитель может представлять собой лист с сотовым заполнителем из гексагональных элементов.
В вариантах выполнения упрочняющий гибкий разделитель может представлять собой конструкцию с гофрированным заполнителем.
В вариантах выполнения упрочняющий гибкий разделитель и внутренняя оболочка могут быть изготовлены из гофрированного картона Re-board с одним покрывающим листом.
В вариантах выполнения гибкий разделитель Re-board может иметь только один внутренний покрывающий лист.
В вариантах выполнения упрочняющее разделительное покрытие может содержать полые ячейки, разделенные стенками, по существу перпендикулярными оболочке.
В вариантах выполнения упрочняющий гибкий разделитель может содержать сотовую конструкцию из бумаги.
В вариантах выполнения упрочняющий гибкий разделитель может быть выполнен из разделительной конструкции, изготовленной из формованной целлюлозной массы.
В вариантах выполнения части, изготовленные из формованной целлюлозной массы, могут быть изготовлены с использованием функциональных добавок, таких как повышающие огнестойкость добавки, гидрофобизирующие добавки, добавки для повышения прочности в сухом и влажном состоянии.
В вариантах выполнения изделие может иметь длину не менее 1 м.
В другом аспекте представлен способ изготовления формованного трехмерного (3D) изделия. Способ включает
а. сжатие суспензии из целлюлозной массы на водной основе между первой охватываемой половинкой формы, покрытой распылением или отлитым эластомерным материалом, и второй охватывающей половинкой формы, и высушивание суспензии из целлюлозной массы при повышенной температуре под давлением для образования криволинейной формованной целлюлозной оболочки,
б. получение разделительной конструкции основы и приклеивание конструкции упрочняющей разделительной конструкции к внутренней стороне криволинейной формованной целлюлозной оболочки,
в. получение внутренней оболочки из формованной целлюлозной массы или другого гибкого бумажного материала и приклеивание ее к разделительной конструкции основы.
В вариантах выполнения этапы бив выполняют путем приклеивания односторонней панели Reboard к внутренней стороне криволинейной формованной целлюлозной оболочки.
В вариантах выполнения один лист односторонней панели Reboard может быть приклеен ко всей внутренней стороне криволинейной формованной целлюлозной оболочки.
В вариантах выполнения сжатие могут выполнять в раме, в которой одну из половинок формы устанавливают в средстве для поступательного перемещения к другой половинке формы, посредством средства для сжатия и удерживания пары половинок формы, установленных друг напротив друга, и с использованием ванны с суспензией из целлюлозной массы, причем средство для поступательного перемещения может быть выполнено с возможностью погружения первой половинки формы в ванну с суспензией из целлюлозной массы и перемещения первой половинки формы в прижимное сжатие со второй половинкой формы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты выполнения в настоящем документе будут теперь описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает вид в разрезе контейнера, изготовленного из легкого материала, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии легкого контейнера, показанного на Фиг. 1.
Фиг. 3 схематически изображает пару половинок формы, используемых в способе, который может быть использован для изготовления оболочки для продукта в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4а-f изображают раму, которая может быть использована с такими половинками формы для изготовления оболочки для продукта, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Легкий трехмерный (3D) отформованный из целлюлозной массы продукт больших размеров, например, изделие, выполненное в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, показан в виде контейнера в разрезе на Фиг. 1 и в аксонометрии на Фиг. 2. Легкий иллюстративный контейнер в продукте в соответствии с вариантами выполнения в настоящем документе, выполнен как слоистая конструкция с тремя различными частями, содержащая:
i) наружную оболочку 17, выполненную из трехмерной (3D) формованной целлюлозной массы (например, с использованием нового способа получения формованных изделий из целлюлозной массы больших размеров, описанного в нашей одновременно находящейся на рассмотрении заявке на патент Швеции №1550864-1, озаглавленной «Формовочное устройство для целлюлозной массы и формы для использования в нем»). Она образует поверхность продукта и будет иметь гладкую и ровную поверхность и обеспечивать возможность получения сложных трехмерных (3D) конструкций.
ii) основу 18, состоящую из гибкой разделительной конструкции, которая может, но не ограничивается этим, представлять собой панель Re-Board, бумажную сотовую конструкцию, формованную конструкцию (как описано, например, в международной патентной публикации №2010138066 А1), или гофрированную конструкцию, которая выполнена из гофрированного картона.
iii) внутреннюю оболочку 19, изготовленную из формованной целлюлозной массы или гибкого бумажного материала, такого как облицовочный картон или картон.
Путем использования слоистой конструкции, как описано выше, в продукте могут быть использованы сложные трехмерные (3D) конструкции, одновременно получая высокопрочный материал.
В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения оболочка 17 выполнена из формованной целлюлозной массы и покрыта в показанном варианте выполнения панелью Re-Board с одним только слоем облицовочного картона на ее открытой внутренней стороне. Таким образом, панель Re-Board составляет как указанную (ii) выше конструкцию основы, так и указанную (iii) выше внутреннюю оболочку. Когда один из слоев облицовочного картона удален из обычного материала Re-Board, панель Re-Board 18 может быть согнута без разламывания, чтобы соответствовать по форме внутренней стороне формованной целлюлозной оболочки 17, прежде чем она будет приклеена к оболочке, которая затем заменяет отсутствующий слой облицовочного картона упрочняющей разделительной конструкции Re-Board.
Разумеется, также можно использовать другие материалы основы, используемые в качестве разделительных материалов, для покрытия формованной целлюлозной оболочки 17, которые могут соответствовать по форме внутренней кривизне формованной целлюлозной оболочки. Сотовая конструкция, имеющая стенки, проходящие перпендикулярно поверхности оболочки 17, также является одним возможным разделительным материалом, также как и гофрированный заполнитель, используемый в гофрированном картоне, или разделительный материал, отформованный из целлюлозной массы, как описано выше, после чего она покрывается другой внутренней оболочкой из формованной целлюлозной массы или бумажного материала, чтобы создать прочный легкий продукт.
Чтобы еще больше улучшить свойства продукта, при изготовлении формованных частей продукта могут быть использованы различные функциональные добавки. Добавки, которые могут использоваться для увеличения функциональности продукта, могут представлять собой повышающие огнестойкость добавки, гидрофобизирующие добавки, добавки для повышения прочности в сухом и влажном состоянии. Они могут быть добавлены в суспензию из целлюлозной массы, используемую для изготовления формованного продукта или изделия, или могут быть добавлены в качестве поверхностного агента, например, путем распыления или в виде покрывающего слоя.
3
Формованный трехмерный (3D) продукт характеризуется наличием ровной и гладкой поверхности и хорошими механическими свойствами. Плотность формованных продуктов должна составлять не менее 100 кг/м, чтобы получить надлежащую жесткость, но может быть еще выше, в зависимости от давления, используемого в процессе формования.
Формованный продукт или изделие могут быть изготовлены из целлюлозной массы из различных волокон, таких как цельные древесные волокна (например, химико-термомеханическая древесная масса, техническая целлюлоза или древесная механическая масса), переработанные древесные волокна, текстильные волокна, изготовленные из вискозы, хлопка, или другие целлюлозные волокна, но могут также быть изготовлены из целлюлозной массы, содержащей волокна, смешанные с термопластичными волокнами, такими как полимолочная кислота (как описано, например, в Европейском патенте №2171154 А1, чтобы создать композитные материалы.
На Фиг. 4 показано устройство, которое может использоваться для изготовления формованной оболочки из целлюлозной массы для формования контейнера, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения и как описано в нашей одновременно находящейся на рассмотрении заявке на патент Швеции №1550864-1, озаглавленной «Формовочное устройство для целлюлозной массы и формы для использования в нем».
Оно содержит раму 1, удерживающую неподвижную платформу, удерживающую охватывающую половинку 3 формы, а под ней подвижную платформу 12, удерживающую охватываемую половинку 5 формы.
Шесть синхронно приводимых в действие электродвигателем гаек на шести длинных винтовых стержнях 4 перемещают охватываемую половинку 5 из ванны 16 с суспензией (99,5% воды и 0,5% волокон целлюлозной массы при 25-30°С) в контакт с охватывающей половинкой 3 формы, которая нагревается.
Фиг. 3 показывает вид в продольном разрезе пары половинок 3, 5 формы, используемых для изготовления оболочек 17 для упрочненных контейнеров, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения. Охватываемую половинку 5 изготавливают из полого алюминия и покрывают эластомером 6 толщиной приблизительно 30 мм. Предпочтительно этот эластомер распыляют на половинку алюминиевой формы. Также возможно отлить эластомер на половинку алюминиевой формы. Типичный эластомер должен быть гидрофобным, но не подвергаться гидролизу. Предпочтительная твердость, особенно для распыленного эластомера, составляет 70 единиц по Шору по шкале А, чтобы обеспечить оптимальные эластичные свойства. Сквозные отверстия диаметром 5 мм, расположенные на расстоянии 15 мм друг от друга, покрывают слой эластомера и соединяются со сквозными отверстиями 8 в алюминиевом корпусе охватываемой половинки 5 формы. Внутри охватываемой половинки формы генерируется вакуум 0,5-0,9 бар. Сверху эластомерного слоя предусмотрена проволочная сетка. В этом случае это сетка 100 меш (то есть 100 нитей на дюйм) и имеет толщину приблизительно 1 мм. Проволочная сетка также может быть уложена в несколько слоев, что в дальнейшем будет способствовать равномерному распределению вакуумных сил. Охватывающую половинку 3 формы изготавливают из алюминия, и она имеет в этом примере вес 700 кг. Ее нагревают до 200 градусов С, например, с помощью нагревательных стержней, встроенных в материал охватывающей половинки 3 формы. Это самый энергоэффективный способ нагрева охватывающей половинки формы. Ее внутренняя поверхность создает наружную поверхность изделия. Две половинки формы или части половинок формы, такие как вставка, могут быть выполнены из пористого алюминия для увеличения прочности спеченного материала и для увеличения теплопроводности. В охватываемой половинке 5 формы, после ее погружения в ванну 6 с суспензией (см. Фиг. 4а), обезвоживают суспензию посредством вакуума до приблизительно 20% сухости (80% воды), а затем охватываемую половинку 5 формы вжимают в охватывающую половинку 3 формы до зазора приблизительно 1 мм между двумя половинками формы. Этот зазор может варьироваться в зависимости от конкретного продукта между приблизительно 0,8 и приблизительно 1,2 мм без вредных эффектов. Затем материал высушивают под давлением при повышенной температуре (> 1000 градусов, предпочтительно 150 градусов). Из-за поглощения холода от охватываемой половинки 3 формы (температура приблизительно 25°С) температура горячей алюминиевой охватывающей половинки 5 формы (первоначально приблизительно 200°С), в свою очередь, во время процесса сжатия падает приблизительно на 13 градусов С. Это изменение температуры приводит к тому, что охватывающая половинка формы усаживается по длине приблизительно на 7-8 мм с соответствующей усадкой по ширине (2,5 мм) и высоте (1,5 мм). Это компенсируется слоем эластомера 6. Температуры как в охватывающей, так и в охватываемой половинках формы во время процесса сжатия будут колебаться вверх и вниз, неоднократно изменяя, тем самым, размеры форм. В обычных способах формования целлюлозной массы эти изменения размеров могут вызывать напряжения и неравномерность готового продукта, возможны даже трещины. В этом конкретном иллюстративном продукте без эластомерного слоя температура охватывающей половинки формы должна быть довольно точной, то есть в этом примере между приблизительно 195°С и 204°С. Эту точность трудно достичь и поддерживать в промышленном процессе такого типа. С этими проблемами сталкивались даже при производстве относительно небольших изделий из целлюлозной массы, что, во избежание этих проблем, требовало точной регулировки температуры. Большинство формованных изделий из целлюлозной массы, таких как упаковки для яиц, имеют толщину в несколько миллиметров и, следовательно, более пористые, при этом не имеет значения, имеют ли такие изделия шероховатую поверхность. Изделие с шероховатой поверхностью не может использоваться во многих приложениях. Для изделия большого размера проблемы размерного теплового расширения / сжатия значительно увеличены. Эти проблемы до сих пор не позволяли производить формованные изделия из целлюлозной массы больших размеров с приемлемым процентом брака и с гладкой поверхностью.
Варианты выполнения в настоящем документе были разработаны для изготовления оболочек для больших контейнеров с очень небольшим процентом брака и отсутствием необходимости в точном контроле и постоянной корректировке температур двух половинок формы. Поскольку для компенсации значительной части изменения размеров охватываемой и охватывающей половинок формы используется эластомер, их можно сделать намного легче и тоньше, чем в случае без эластомера, поскольку не потребуется большой массы для предотвращения изменений температуры. Например, в этом примере охватывающая половинка формы весит приблизительно 750 кг. Если требуется поддерживать более постоянную температуру, то она могла бы иметь массу в несколько тонн, требуя больше энергии для нагрева такой большой массы и поддержания тепла.
Например, контейнер имеет в целом криволинейные стороны, то, что дорого изготавливать из фанеры или с помощью деревянных досок. В соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, можно получить оболочки с толщиной приблизительно 1-2 мм, что обеспечивает максимальную жесткость. Толщина больше или меньше этой толщины (1-2 мм) обеспечивает меньшую жесткость.
Эти проблемы решаются путем покрытия поверхности охватываемой половинки формы эластомерным материалом, на который затем наносят проволочную сетку или сетки. Этот эластомерный материал постоянно компенсирует изменяющиеся размеры двух половинок формы во время процесса сжатия / нагрева.
Также предпочтительно для формовании оболочки установить неподвижную половинку формы (в данном случае охватывающую половинку формы) слегка горизонтально подвижной (+/- 25 мм), чтобы гарантировать, что любое расширение от нагрева не будет препятствовать правильному горизонтальному совмещению между охватываемой и охватывающей половинками формы во время операции прессования.
Также целесообразно оборудовать устройство для формования целлюлозной массы механическими домкратами для использования на заключительном этапе для этапа сжатия, имеющем меньшие приращения. Этот заключительный этап также может быть выполнен с помощью гидравлических поршней.
Как можно видеть на Фиг. 3, охватываемая половинка 5 имеет каналы 14 и большие отверстия 8 под слоем 6 эластомера, предотвращающие любое уменьшение вакуума, который удерживает суспензию из целлюлозной массы и обезвоживает ее на поверхности проволочной сетки.
Другие варианты выполнения настоящего изобретения дополнительно описывают способ получения трехмерного (3D) формованного легкого продукта, описанного выше. Этапы изготовления продукта включают:
i) получение трехмерного (3D) формованного продукта 17 или изделия с помощью описанного выше устройства, с добавлением или без добавления функциональных добавок, используемого в качестве наружной оболочки в слоистом материале;
ii) получение разделительного материала 18, используемого как основа в слоистом материале, и приклеивание указанного разделительного материала основы к трехмерному (3D) формованному продукту или изделию;
iii) получение внутренней оболочки 19, выполненной из трехмерного (3D) формованного продукта или изделия или гибкого бумажного материала, который будет прикреплен к разделительному материалу.
Способ получения трехмерного (3D) формованного продукта или изделия ниже описан со ссылкой на чертежи и в особенности на Фиг. 4а-4f. Одно устройство для достижения этой цели содержит раму 1, удерживающую неподвижную платформу 2, на которой установлена охватывающая половинка 3 формы, а под ней - подвижную платформу 12, удерживающую охватываемую половинку 5 формы. На Фиг. 4а, 4b и 4f изображено устройство в положении, когда формы разделены, а на Фиг. 4с, 4d и 4е изображено устройство при нахождении формы для формирования формованной целлюлозной оболочки в сжатом положении. На всех чертежах для обозначения одних и тех же компонентов используются одинаковые номера позиций. Устройство показано на Фиг. 4а на виде в аксонометрии в положении, когда формы разделены, с охватываемой половинкой 5 формы погруженной в ванну 16 с суспензией. Сама жидкая суспензия не показана на чертеже. Это же положение, когда формы разделены, показано в вертикальном разрезе на Фиг. 4b.
Охватываемую половинку 5 формы погружают в ванну 16 с суспензией (99,5% воды и 0,5% волокон целлюлозной массы при 25-30°С), а всасывающую систему 17 соединяют с полой внутренней полостью 15 охватываемой формы, причем покрытие из суспензии из целлюлозной массы всасывается на поверхность охватываемой половинки 5 формы.
Шесть синхронно приводимых в действие электродвигателем гаек на шести длинных винтовых стержнях 4 перемещают охватываемую половинку 5 формы из ванны 16 с суспензией в контакт под давлением с охватывающей половинкой 3 формы, которую нагревают в положении сжатия форм, показанном на Фиг. 4с, 46 и 4е.
Формованный продукт или изделие большого размера в вариантах выполнения в настоящем документе может иметь любой размер. Способ вариантов выполнения настоящего изобретения, в частности, используется, когда продукт имеет размер, больший, чем тот, который может быть изготовлен с использованием обычной технологии формования. Трехмерный (3D) формованный продукт или изделие в вариантах выполнения настоящего изобретения может, например, иметь длину 1 м или более или в другом примере диаметр 1 м или более.