DE69721782T2

DE69721782T2 - Formen von klappbaren, stärkehaltigen Gegenständen

Info

Publication number: DE69721782T2
Application number: DE69721782T
Authority: DE
Inventors: J. Per ANDERSEN; K. Simon HODSON
Original assignee: E Khashoggi Industries LLC
Current assignee: E Khashoggi Industries LLC
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: JP2000511126A; NZ332294A; CA2250717A1; DE69721782D1; US5776388A; WO1997047452A1; EP0920371A4; ATE239599T1; AU717469B2; AU3389097A; JP3361813B2; EP0920371B1; EP0920371A1; BR9709671A; KR20000015774A

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von stärkegebundenen Gegenständen mit leichter bzw. leichtgewichtiger zellulärer Matrix. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung stärkegebundene Gegenstände, die eine Scharnierstruktur einschließen, die integral innerhalb des Gegenstands geformt ist. Die Erfindung betrifft auch Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung von solchen Gegenständen mit einem Scharnier.
2. Relevante Technologie
Aufgrund des politischen Drucks und anderer Drücke hinsichtlich der Aufmerksamkeit des negativen Einflusses der Verwendung von Papier, von thermoplastischen Kunststoffen, von Polystyrol oder von Metallen für eine Vielzahl von einmal zu verwendenden, hauptsächlich wegwerfbaren Gegenständen wie Behältern und anderen Verpackungsmaterialien bestand ein akutes Bedürfnis (das seit langem von den Fachleuten erkannt worden ist), um Ersatzverpackungsmaterialien aufzufinden, die umweltfreundlicher sind. Einige haben schon versucht, Gegenstände aus Stärke enthaltenden Massen herzustellen, da Stärke eine natürliche, in großen Mengen vorhandene und erneuerbare Quelle ist. Ein augenscheinlich einfaches Verfahren, das zur Herstellung von Gegenständen auf Stärkebasis angewendet worden ist, beinhaltet die Gelierung von Stärke in Wasser, gefolgt von einem Erhitzen, um die Stärke auszutrocknen, um ein verfestigtes Material zu bilden, wobei dieses Verfahren als „Degenerationsverfahren" bzw. „Retrogradierungsverfahren" charakterisiert worden ist. Ein weiteres, weniger erfolgreiches Verfahren umfasst ein Aufschmelzen und anschließendes Abkühlen der Stärke, wie ein thermoplastisches Material, um ein verfestigtes Material zu bilden.
Bei dem Gelierungs-/Degenerationsverfahren wird typischerweise ein Stärke enthaltendes Gemisch zu einem geeigneten Gegenstand zwischen erhitzten Formen über einen Zeitraum verformt, der ausreichend ist, dass zuerst das Bindemittel auf Stärkebasis geliert, und dann wird ein erheblicher Teil des Wassers durch Abdampfen entfernt, um ein verfestigtes oder halb-gehärtetes Material zu bilden. Das Stärke enthaltende Gemisch schließt typischerweise nicht gelierte Körner von Stärke zusammen mit fakultativen Zusatzstoffen, wie anorganischen mineralischen Füllstoffen und Fasern, und zusammen mit genügend Wasser, um ein Gemisch mit den gewünschten rheologischen Eigenschaften zu bilden, ein. Je nach der Konzentration der verschiedenen Komponenten, und zwar sowohl in dem Stärke enthaltenden Gemisch als auch der fertigen geformten, mit Stärke gebundenen zellulären Matrix, können die aus solchen Massen geformten stärkegebundenen Gegenstände einen weiten Bereich von Dichten und Festigkeitseigenschaften haben. Da solche Gegenstände im großen Ausmaß stärkegebunden sind und da sie keine nennenswerten Mengen von künstlichen Kunststoffen oder anderen Komponenten einschließen, sind sie leicht biologisch abbaubar.
Das Stärke enthaltende Gemisch ist leicht zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Gestalten verformbar, um eine Anzahl von Gegenständen und Behältern zu bilden. Diese schließen Platten, Schalen, Becher (bzw. Tassen) und Sandwichbehälter vom „faltbaren bzw. klappbaren Typ bzw. Muschelschalentyp" ein. Der Sandwichbehälter vom faltbaren bzw. klappbaren Typ ist ein Beispiel eines zweiteiligen Gegenstands, der vorzugsweise mit einem Scharnier versehen ist, um für den Besitzer des Restaurants oder den Verbraucher während des Verpackens und des Verzehrs des Sandwiches oder einer anderen Komponente innerhalb des faltbaren bzw. klappbaren Behälters am einfachsten verwendbar zu sein.
Die US-PS 5 376 230 von Tiefenbacher et al. zeigt einen früheren Versuch, ein Scharnier in einem Behälter vom faltbaren bzw. klappbaren Typ zu bilden. Spezifischerweise zeigen die 1–4, dass die Scharnierstruktur, die die zwei Behälterhälften oder -schalen 1 und 2 zusammenhält, „ein Streifenscharnier 7" bilden, „das in den Vertiefungen 5, 6 aufgenommen wird und das aus einem Folienmaterial wie einem Streifen besteht, der mit den Behälterschalen, die den Körper bilden, gebrannt worden ist". In Spalte 17, Zeilen 38–42, geben Tiefenbacher et al. weiterhin Beispiele der Typen der Folienmaterialien an, die zur Bildung des Scharniers verwendet werden. Beispiel 7 verwendet holzfreies Papier. Beispiel 8 verwendet einen nicht gewebten textilen Stoff aus Baumwolle/Cellulose, der in Längsrichtung vorgefaltet ist. Beispiel 9 verwendet einen nicht gewebten Stoff aus Glasfasern, der in Längsrichtung vorgefaltet ist.
Während die vorstehend genannten Streifenscharniermaterialien mit Vorteil dazu eingesetzt werden können, die Hälften des faltbaren bzw. klappbaren Behälters miteinander zu verbinden, verkompliziert jedoch ihre Verwendung die Verfahrensweise der Verformung, die dazu angewendet wird, den faltbaren bzw. klappbaren Behälter herzustellen. Spezifischerweise zeigt der Hinweis auf die Diskussion, beginnend in Spalte 17, Zeile 42, bis Spalte 18, Zeile 6, dass die Materialien für das Streifenscharnier sorgfältig in die Behälterschalen während des Formprozesses hineingeformt werden müssen, „um ein Verschieben der zwei Behälterschalen zu verhindern, wenn sie zusammengefaltet worden sind". „Folienmaterialien, die nicht zentral bezüglich der Beschickung der zu brennenden Masse eingesetzt worden sind, werden bei der darauffolgenden Bildung von Wasserdampf verschoben, und sie werden nicht an der vorher definierten Stelle gebunden". Spalte 17, Zeilen 62–66. Daher muss große Sorgfalt aufgewendet werden, die Folienmaterialien in die Masse auf Stärkebasis während des Verformungsprozesses richtig einzusetzen, um Unregelmäßigkeiten der Platzierung und der nachfolgenden Verwendung zu verhindern. Die vorstehenden Vorsichtsmaßnahmen erhöhen erheblich die Schwierigkeiten und insbesondere die Kosten der Massenproduktion von Sandwichbehältern vom faltbaren bzw. klappbaren Typ aus Massen auf Stärkebasis.
Viele Personen sind mit faltbaren bzw. klappbaren Behältern, hergestellt aus Kunststoffmaterialien wie Polystyrolschaumstoff, die ein Scharnier integral innerhalb der geschäumten Polystyrolstruktur geformt einschließen, vertraut. Da Polystyrolschaumstoff in angemessener Weise flexibel und dauerhaft ist, ist eine einfache Formung einer Falte in dem Scharnierbereich, der die Verbindung zwischen den zwei Hälften der faltbaren bzw. klappbaren Hülle bildet, angemessen, um ein Scharnier mit vernünftiger Dauerhaftigkeit zwischen den zwei faltbaren bzw. klappbaren Polystyrolhälften zu bilden. Im Vergleich zu Polystyrol sind stärkegebundene zelluläre Matrizen typischerweise starrer und brüchiger. Aus diesem Grund lehren spezifischerweise Tiefenbacher et al. und beanspruchen eine zwingende „Konditionierungs"-Stufe, in der die neu aus der Form herausgenommenen stärkegebundenen Gegenstände in eine Kammer mit hoher Feuchtigkeit gebracht werden müssen, damit der Gegenstand Wasser reabsorbiert, um das sonst steife, degenerierte Stärkebindemittel zu erweichen und weich zu machen. Spalte 15, Zeilen 36–59, Anspruch 1.
Entsprechend Tiefenbacher et al. hergestellte Gegenstände werden konditioniert, um einen Wassergehalt innerhalb eines bestimmten Bereichs zu haben, wobei der Bereich eine untere Grenze von etwa 6 Gew.-% Wasser und eine obere Grenze von 22 Gew.-% Wasser hat. Tiefenbacher et al. lehren, dass diese Konditionierungsstufe erforderlich ist, um die notwendige Zähigkeit und Deformierbarkeit unter Aufrechterhaltung der mechanischen Stabilität zu erhalten. Ungeachtet der Konditionierungsstufe lehren Tiefenbacher et al. spezifischerweise die Verwendung von Scharnierstreifen, wie aus Papier oder nicht gewebten Stoffen, um ein Scharnier zwischen zwei Hälften eines Behälters vom faltbaren bzw. klappbaren Schalentyp zu bilden. Der Fachmann würde daraus die Schlussfolgerung ziehen, dass die Erfinder Tiefenbacher et al. nicht dazu imstande waren, Gegenstände auf Stärkebasis herzustellen, die ein integral geformtes Scharnier haben, wie es bei Gegenständen auf Polystyrolbasis der Fall ist. Das Problem war vermutlich auf die Unfähigkeit zurückzuführen, eine stärkegebundene Matrix zu erhalten, die gleichzeitig steif genug war, um eine mechanische Verformung oder ein Verwerfen der Behälterhälften (was stattfinden kann, wenn die Stärkematrix überkonditioniert ist, so dass sie zuviel Wasser enthält) zu vermeiden, und doch flexibel genug war, ein Brechen oder Reißen des Scharniers nach dem Öffnen und Schließen des faltbaren oder klappbaren Behälters zu vermeiden.
Die US-A-3925526 und die US-A-3795265 betreffen geschäumte Produkte, die so geformt worden sind, dass sie eine Haut haben. Darin gibt es eine Offenbarung bezüglich der Art und Weise, nach der die Haut gebildet worden ist (Heizbereiche, Temperaturen).
Im Licht der vorstehenden Ausführungsformen werden daher Verfahren und Systeme zur Herstellung von integral gebildeten Scharnieren innerhalb von stärkegebundenen zellulären Matrices benötigt.
Es würde eine weitere Verbesserung auf diesem Gebiet der Technik darstellen, Verfahren und Systeme zur Bildung eines Scharniers innerhalb von stärkegebundenen Matrizen während der Herstellung des gesamten Gegenstands derart, dass der Gegenstand und das Scharnier in einer einzigen Stufe hergestellt werden, zur Verfügung zu stellen.
Es würde eine zusätzliche Verbesserung auf diesem Gebiet der Technik darstellen, wenn das integral gebildete Scharnier die Notwendigkeit der Einführung von fremden Materialien wie Papierstreifen eliminieren würde, die in die Formvorrichtung während des Verformens der Massen auf Stärkebasis zu den gewünschten Gegenständen eingesetzt werden müssen.
Es wäre weiterhin ein technischer Fortschritt, Verfahren und Systeme zur Herstellung von integral geformten Scharnieren in stärkegebundenen Gegenständen zur Verfügung zu stellen, die es gestatten, dass die Gegenstände wiederholt ohne wesentlichen Bruch der stärkegebundenen Matrix geöffnet und geschlossen werden können.
Solche Verfahren und Systeme für die Bildung eines integralen Scharniers innerhalb der stärkegebundenen zellulären Matrizen werden hierin offenbart und beansprucht, genauso wie die dar aus gebildeten, mit einem Scharnier versehenen stärkegebundenen Gegenstände.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Bildung von Scharnieren innerhalb von Gegenständen mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix. Solche Gegenstände werden aus Gemischen auf Stärkebasis, die verformt werden, hergestellt, wobei erhitzte Formen verwendet werden, die eine spezielle Konfiguration haben, um eine Falte in dem geformten Gegenstand zu bilden. Die Falte liefert einen Scharnierbereich für ein lokalisiertes Falten oder Biegen, was bewirkt, dass die innere Oberfläche des Scharniers zusammengepresst wird, während bewirkt wird, dass sich die äußere Oberfläche oder die Haut des Scharniers ausdehnt. Die Form mit spezieller Konfiguration führt auch zu einem Scharnier, das leichter gebogen werden kann und das stärker federnd ist, was das Ergebnis der Optimierung der Dicke der inneren und der äußeren Häute oder Oberflächen im Bereich des Scharniers ist.
Somit stellt die vorliegende Erfindung nach einem Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix zur Verfügung, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
Verformen einer wässrigen Mischung auf Stärkebasis in eine gewünschte Gestalt des Gegenstands bzw. Formkörpers bei erhöhter Temperatur, um einen wesentlichen Teil des Wassers aus der Mischung durch Verdampfen zu entfernen und hierdurch die stärkegebundene zelluläre Matrix des Gegenstands zu bilden, wobei die Formgebungsstufe das Ausbilden einer Scharnierstruktur innerhalb des Gegenstands umfasst, wobei die Scharnierstruktur einen inneren Haut- bzw. Mantelteil, einen äußeren Haut- bzw. Mantelteil, einen inneren zellulären Kern, an geordnet zwischen dem inneren Hautteil und dem äußeren Hautteil, und mindestens eine Vertiefung in dem inneren Hautteil umfasst, wobei der innere zelluläre Kern eine geringere Dichte als die Dichten der inneren und äußeren Hautteile hat und wobei der innere Hautteil und der äußere Hautteil dadurch gebildet werden, dass Wasser aus dem inneren Hautteil und dem äußeren Hautteil rascher als aus dem inneren zellulären Kern entfernt werden; und
Herausnehmen des Gegenstands aus der Form, nachdem der Gegenstand Formstabilität erreicht hat.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Handelsgegenstand bzw. eine Handelsware, umfassend einen integral geformten Gegenstand bzw. einen integrierten Formkörper mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix, zur Verfügung, wobei der Gegenstand eine erste Hälfte aufweist, die mit einer zweiten Hälfte mittels einer Scharnierstruktur verbunden ist, die mit der ersten und der zweiten Hälfte integriert geformt worden ist und die auch die stärkegebundene zelluläre Matrix umfasst, wobei die Scharnierstruktur Mittel zum Drehen bzw. zum Drehen über einen Zapfen der ersten und der zweiten Hälfte relativ zueinander an der Scharnierstruktur aufweist, wobei die genannte Scharnierstruktur einen äußeren Haut- bzw. Mantelteil, abgetrennt von dem äußeren Hautbzw. Mantelteil durch einen zellulären Zwischenkern, umfasst, und wobei der innere Haut- bzw. Mantelteil eine Falte bzw. eine Rille derart aufweist, dass die Scharnierstruktur an der Falte bzw. der Rille einen verringerten Querschnitt hat.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands bzw. Form körpers mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix zur Verfügung, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:
eine Formvorrichtung, umfassend ein Material mit Wärmediffusionsvermögen, das so konfiguriert ist, dass die Formvorrichtung eine wässrige Masse auf Stärkebasis zu einem geformten Gegenstand bzw. Formkörper mit gewünschter Gestalt verformen kann, wobei die genannte Formvorrichtung eine Einrichtung zum Ablassen von Wasserdampf, der während der Verformung der wässrigen Masse auf Stärkebasis erzeugt wird, einschließt;
Heizeinrichtungen zum Erhitzen der Formvorrichtung auf eine genügende Temperatur, so dass eine ausreichende Menge von Wasser aus der wässrigen Masse auf Stärkebasis durch Verdampfung entfernt wird;
scharnierausbildende Mittel, die innerhalb der Formvorrichtung angeordnet sind, um eine Scharnierstruktur innerhalb des geformten Gegenstands bzw. des Formkörpers derart zu bilden, dass die Scharnierstruktur mindestens eine Vertiefung bzw. Rille auf einer Innenseite der Scharnierstruktur aufweist; und
Mittel zur Verringerung der Wärme, die innerhalb der scharnierbildenden Einrichtung angeordnet sind, um die Wärmeübertragung von der scharnierbildenden Einrichtung zu der Innenseite der Scharnierstruktur zu verringern.
Im Allgemeinen schließt die stärkegebundene zelluläre Matrix eine relativ dichte äußere Oberfläche oder Haut ein, die einen relativ porösen inneren Teil umgibt. Die Haut bildet sich als Ergebnis eines Prozesses, bei dem gepaarte positive und negative Formen verwendet werden, die erhitzt werden, um die Masse auf Stärkebasis zu „brennen" und hierdurch durch Abdampfen Wasser aus dem Gemisch auf Stärkebasis zu entfernen. Die erhitzten Formen werden vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, das ein guter Leiter für Wärme ist und das eine relativ hohe spezifische Wärme hat. Ein Heraustrocknen des Stärkebindemittels bewirkt dessen Verfestigung und die Bildung der bindenden Matrix. Da die Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis nur an der Grenzflächenoberfläche zwischen den Formen und dem Gemisch auftritt, trocknet die Haut rascher aus als der innere Teil. Dies gestattet, dass der innere Teil eine weitere Ausdehnung und Zellbildung über einen Zeitraum nach der anfänglichen Bildung der Haut erfährt. Daher ist der innere Teil poröser und er hat eine verminderte Dichte.
Da Metall ein solch guter Leiter für Wärme ist, werden die Wärmezufuhren durch die Formen hindurch rasch derart äquilibriert, dass die Formtemperatur im Wesentlichen durch jede Hälfte des Formpaars gleichförmig ist. Dies führt seinerseits zu einer fast gleichförmigen Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis. Aus diesem Grund ist beobachtet worden, dass die Haut eine bemerkenswert konstante Dicke insgesamt und auf beiden Seiten der geformten Gegenstände hat. Gleichwohl kann eine Veränderung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung während des Verformungsprozesses die Dicke der Haut verändern. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Dicke der Haut zu optimieren, da eine erhöhte Dicke der Haut Gegenstände ergibt, die eine größere Oberflächenfestigkeit haben. Jedoch sind Häute mit erhöhter Dicke im Allgemeinen starrer und sie können leichter brechen, wenn sie mechanisch deformiert werden.
Im Allgemeinen ist die Dicke der Haut direkt proportional zu der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung erhöht im Allgemeinen die Dicke der Haut. Eine Verringerung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung verringert im Allgemeinen die Dicke der Haut. In ähnlicher Weise ist die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis direkt proportional zu der Temperatur der Formen. Eine Erhöhung der Formtemperatur erhöht die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung, während eine Verringerung der Formtemperatur die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung verringert. Daher führt eine Erhöhung der Formtemperatur im Allgemeinen zu einer erhöhten Dicke der Haut, während eine Verringerung der Formtemperatur im Allgemeinen zu einer verringerten Dicke der Haut führt. Es ist jedoch praktisch unmöglich, unterschiedliche Teile einer integral gebildeten Metallform auf unterschiedliche Temperaturen zu erhitzen, um die Dicke der Haut durch den geformten Gegenstand hindurch zu verändern.
Demgemäß werden zur Formung des Gegenstands in der Weise, dass der innere Hautteil des Scharnierbereichs eine verminderte Dicke hat, erfindungsgemäß vorzugsweise speziell ausgestaltete Formen verwendet, wobei der Teil der Formoberfläche, der dem Teil der inneren Haut des Scharniers entspricht, weniger Wärme pro Zeiteinheit im Vergleich zu dem Rest der Form überträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formbereich, der dem inneren Hautteil des Scharniers entspricht, ein Material mit einer niedrigeren Wärmediffundierbarkeit wie Polyetheretherketon („PEEK"). Gleichwohl liegt jedes beliebige Material, das hitzebeständig und dauerhaft ist und das einen Innenhautteil des Scharniers mit verringerter Dicke ergibt, im Rahmen der vorliegenden Erfin dung. Weitere Materialien schließen Silikonkautschuk, Al₂O₃, glasfaserverstärktes Teflon, Porzellan und andere Keramiken ein. Weiterhin liegt jede beliebige Konfiguration der Form, die dazu imstande ist, die Geschwindigkeit des Wärmestroms zu dem inneren Hautteil des Scharnierbereichs in dem Formkörper so zu verringern, dass der innere Hautteil eine verminderte Dicke im Vergleich zu der Hautdicke in anderen Teilen des Gegenstands hat, im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Ein breiter Bereich von verschiedenen Formmaterialien und Konfigurationen, die zu den erfindungsgemäßen Scharnierstrukturen führen, wird nachstehend diskutiert.
Bezug nehmend auf die Scharnierstruktur wird nunmehr genauer erläutert, was unter den Bezeichnungen „innerer Hautteil" und „äußerer Hautteil" des Scharnierbereichs zu verstehen ist. Wenn man annimmt, dass die zwei Hälften des Gegenstands am Anfang mit einem Anfangswinkel zwischen diesen orientiert sind, dann ist die „innere Haut" auf der Seite des Gegenstands in einer Richtung angeordnet, wo die zwei Hälften während des Schließens der zwei Hälften zusammengebracht werden. Demgemäß ist die „äußere Haut" auf der Seite des Gegenstands angeordnet, die der „inneren Haut" gegenüberliegt. Das heißt, die „innere Haut" liegt auf der Seite des Gegenstands vor, auf der der Anfangswinkel zwischen den zwei Hälften während des Schließens verringert wird, während die „äußere Haut" sich auf der Seite befindet, auf der der Anfangswinkel während des Schließens erhöht wird. Da sich der Winkel zwischen den zwei Hälften des Gegenstands während des Schließens verringert, ist die innere Haut einer Kompression, einem Kollaps und einem Biegen unterworfen, während die äußere Haut Spannungen und einer Dehnung unterworfen ist. Die Deformation des inneren Hautteils des Scharniers durch Kompression und des äußeren Hautteils des äußeren Hautteils durch Dehnung oder Strecken kann ein Brechen, sogar ein Zerbrechen, der stärkegebundenen Matrix in dem Scharnierbereich bewirken.
Demgemäß umfasst die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Strategien zur Erhöhung der Tendenz des inneren Hautteils des Scharniers zu kollabieren oder zu knicken, wenn während des Schließens ein Komprimieren erfolgt und auch eine Erhöhung seiner Fähigkeit, sich während des Öffnens ohne wesentlichen Bruch wieder auszudehnen. Das wichtigste Merkmal des Scharniers, um dieses Ergebnis zu erhalten, ist das obenstehend genannte Verformungsverfahren, bei dem der innere Hautteil des Scharniers eine verringerte Dicke im Vergleich zu der Dicke des äußeren Hautteils hat. Die verringerte Dicke des inneren Hautteils führt dazu, dass der innere Hautteil weniger starr und flexibler ist, wie es oft der Fall ist, wenn halbstarre Materialien dünner gemacht werden. Weiterhin liefert die Falte bzw. Rille, die nach innen gerichtet entlang der Länge des inneren Hautteils des Scharniers vorspringt, eine klare Linie, an der das Scharnier gebogen wird, und die innere Haut während des Schließens des Gegenstands kollabiert oder knickt. Die Kollabierbarkeit, die Rückprallelastizität und die Dauerhaftigkeit des inneren Hautteils des Scharniers kann weiter dadurch verbessert werden, dass der innere Hautteil mit Glycerin, einem Gemisch von Glycerin und Wasser oder einem beliebigen anderen ähnlichen Polyalkohol, der in der stärkegebundenen Matrix absorbiert werden kann und diese erreicht, behandelt werden. Wie nachstehend diskutiert werden wird, wirken Glycerin und andere Polyole als Weichmacher und als Befeuchtungsmittel für die geformte Stärke:
Gleichermaßen umfasst die vorliegende Erfindung komplementäre Strategien für die Verringerung des Ausmaßes der Spannungen oder der Dehnung des äußeren Hautteils des Scharniers und auch der Fähigkeit des äußeren Hautteils, nach dem Aussetzen an Spannungen und nach dem Dehnen intakt zu bleiben, um die Flexibilität, die Dauerhaftigkeit und die Rückprallelastizität des Scharniers zu verbessern. Das Formen des äußeren Hautteils des Scharniers in der Weise, dass es eine dickere Haut im Vergleich zu der Dicke des inneren Hautteils hat, ergibt eine größere Festigkeit und Beständigkeit gegenüber einem Zugbruch. In den meisten Fällen hat der äußere Hautteil des Scharniers eine solche Dicke, dass sie mit der Dicke der Haut des Gegenstands im Allgemeinen ähnlich oder identisch ist. Weiterhin verringert die Falte auf der inneren Hautseite im Wesentlichen den Biegeradius des Scharniers, was erheblich die Spannungen auf den äußeren Hautteil des Scharniers während des Schließens des Gegenstands auf ein proportionales Ausmaß verringert. Die Einarbeitung eines leichter kollabierbaren inneren Hautteils hat sich gleichfalls als dahingehend wirksam erwiesen, dass der Biegeradius des Scharniers im Vergleich zu einem gefalteten Scharnier mit gleicher Hautdicke auf beiden Seiten weiter verringert wird. Ein Beschichten des äußeren Hautteils des Scharniers mit einem elastomeren Überzug (z. B. Polyvinylalkohol) erhöht stark die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit des äußeren Hautteils. Der äußere Hautteil kann auch eine winzige Falte oder Rille gegenüberliegend der Hauptfalte auf der inneren Hautseite haben, die als Biegungsinitiator wirkt, um zu gewährleisten, dass sich der äußere Hautteil während des Biegevorgangs und in dem gleichen allgemeinen Bereich wie dem Zusammenbruch oder dem Knicken des inneren Hautteils gleichförmig ausdehnt.
Ein weiterer Weg zur Verringerung der mechanischen Spannungen auf das Scharnier ist einfach mehrere Scharniere oder Scharniereinheiten zu verwenden, um den gesamten Biegungswinkel jedes einzelnen Scharniers oder jeder Scharniereinheit zu verringern. Die Verwendung von mehrfachen Scharnieren erhöht stark die Biegedauerhaftigkeit des Scharniers, indem die mechanischen Spannungen über einen breiteren Bereich der inneren und äußeren Häute des Scharnierbereichs verteilt werden. Jede Scharniereinheit erfährt daher nur einen Bruchteil der Gesamtbiegung. Wenn man z. B. annimmt, dass die zwei Hälften des Gegenstands um 180° während des Schließens oder der Scharnieraktion gebogen werden, dann wird ein einziges Scharnier selbst um die gesamten 180° gebogen. Wenn jedoch ein doppeltes Scharnier verwendet wird, dann wird jede Scharniereinheit nur um etwa 90° gebogen, wenn man eine gleichförmige Verteilung der Scharnieraktion zwischen den zwei Scharniereinheiten annimmt. Wenn ein dreifaches Scharnier verwendet wird, dann muss jede Einheit um etwa 60° gebogen werden. Wenn ein vierfaches Scharnier verwendet wird, dann um etwa jeweils 45° und so weiter.
Die Formung eines mehrfachen Scharniers erfordert lediglich, dass die Formvorrichtung so konfiguriert werden muss, dass sie so viele Falten innerhalb des inneren Hautteils des Scharnierbereichs wie die Anzahl der gewünschten Scharniereinheiten bildet. Ein doppeltes Scharnier erfordert zwei parallele Falten, ein dreifaches Scharnier, drei und so weiter. Für jede Falte auf dem inneren Hautteil kann gegebenenfalls eine entsprechende Falte zur Initiierung der Biegung auf dem äußeren Hautteil geformt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um zu zeigen, auf welche Art und Weise die oben angegebenen und weitere Vorteile sowie die Aufgaben der Erfindung erhalten werden, wird nachstehend eine genauere Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung unter Bezugnahme auf spe zielle Ausführungsformen davon und illustriert in den beigefügten Zeichnungen gegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und dass sie daher nicht so betrachtet werden sollten, als dass sie den Rahmen der Erfindung beschränken sollten. Die Erfindung wird mit weiterer Spezifizität und in weiteren Details unter Verwendung der beigefügten, wie folgt angegebenen Zeichnungen beschrieben und erläutert.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Formvorrichtung für die Massenproduktion von mit Scharnieren versehenen Gegenständen.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Form in der Füllposition in der in 1 gezeigten Formvorrichtung.
3 ist eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Form, die zeigt, dass das Gemisch so geformt wird, dass es ein Scharnier mit einem Abschnitt der inneren Haut hat, der dünner ist als die gegenüberliegende äußere Haut.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines offenen faltbaren bzw. klappbaren Behälters, der ein doppeltes Scharnier hat.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines faltbaren bzw. klappbaren Behälters mit doppeltem Scharnier nach dem Schließen in der Weise, dass das Scharnier gefaltet worden ist.
6 ist eine vergrößerte Ansicht der schematischen Querschnitts- und perspektivischen Ansicht des ungefalteten Scharniers, das in 4 angegeben ist.
7 ist eine vergrößerte Ansicht einer Querschnitts- und perspektivischen Ansicht des gefalteten Scharniers, das in 5 angegeben ist.
8 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts eines ungefalteten Scharniers, gebildet aus einem Gemisch auf Stärkebasis.
9 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts des in 8 gezeigten Scharniers nach dem Falten.
10 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts eines Gegenstands, der in einer Aluminiumform mit einem Silikonelement geformt worden ist.
11 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts eines Scharniers mit dicker innerer Haut.
12 ist eine stärkere Vergrößerung des in 11 gezeigten Bilds mit einer weißen Linie, die eine grobe Spur der inneren Haut angibt, um das Faltungsmuster herauszustellen.
13 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts eines Scharniers mit dicker innerer Haut und zwei parallelen Einschnitten für eine lokalisierte Faltung.
14 ist eine schematische Darstellung des Bilds in 13.
15 ist eine Abtast-Elektronenmikrofotografie eines Querschnitts des Scharniers, das in den 13 und 14 gezeigt wird, nachdem es gebogen worden ist.
16 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die dazu verwendet wird, die Biegefähigkeit von Proben der stärkegebundenen Matrix zu testen.
17 ist ein Diagramm, das den Effekt der Verwendung von verschiedenen Mengen von Glycerin und der Variierung der relativen Feuchtigkeit auf den maximal zulässigen Biegungswinkel vor dem Bruch der stärkegebundenen zellulären Matrix zeigt.
18 ist ein Diagramm, das den Effekt der Verwendung von variierenden Mengen von Glycerin auf der Kompressionsseite eines Scharniers gegenüber der ausgedehnten Seite, gemessen bei einer relativen Feuchtigkeit von 40%, vergleicht.
19 ist ein Diagramm, das den mittleren Biegungswinkel beim Bruch für zwei Paare gegenüber der Gesamtmenge des aufgebrachten Polyvinylalkoholüberzugs zeigt.
20 ist ein Diagramm, das die gleichen Werte wie in 19, angegeben als Funktion des Glyceringehalts in den Überzügen, zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
I. ALLGEMEINE DISKUSSION
A. Einleitung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit einem Scharnier versehene stärkegebundene Gegenstände und Systeme und Verfahren für die Herstellung von solchen Gegenständen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme für die Herstellung von Scharnieren, die eine erhöhte Rückprallelastizität und Haltbarkeit haben. Solche Scharniere sind besonders gut für die Herstellung von verschließbaren Behältern wie „faltbaren bzw. klappbaren" Sandwichbehältern, die einen Boden und einen Deckel haben, wobei diese Elemente miteinander durch eine Scharnierstruktur verbunden sind. Dies eliminiert die Notwendigkeit, Fremdmaterialien in die stärkegebundene zelluläre Matrix einzuführen, um ein Scharnier zu bilden. Solche fremden Scharniermaterialien wie Papier- oder Kunststoffstreifen, die im Stand der Technik verwendet werden, zersetzen sich im Allgemeinen nicht so schnell oder sie bauen sich nicht so schnell ab wie die stärkegebundene zelluläre Matrix nach dem Wegwerfen des Gegenstands. Auch sind diese nicht ohne weiteres recyclebar.
Die aus den Massen auf Stärkebasis gebildeten Gegenstände haben einen porösen inneren Abschnitt, umgeben von einer Haut, die dichter ist und weniger porös ist als das Innere. Im Allgemeinen ist es so, dass, je dicker die Haut ist, desto starrer die Haut und der Gegenstand in dem Bereich der erhöhten Hautdicke ist. Weiterhin ist es so, dass, je dicker die Haut ist, desto größer die Festigkeit der Haut und des Gegenstands ist. Umgekehrt ist es so, dass, je dünner die Haut ist, desto flexibler und leichter zu biegen der Gegenstand oder ein Teil davon ist. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Falte, kombiniert mit einer verminderten Hautdichte innerhalb des inneren Hautteils des Scharniers, um die Biegefestigkeit des Scharniers zu erhöhen. Wie unten vollständiger diskutiert werden wird, macht die vorliegende Erfindung mit Vorteil von der Tatsache Gebrauch, dass die Erniedrigung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zu einem bestimmten Bereich des Gegenstands während des Verformungsprozesses zu einem lokalisierten Bereich mit verringerter Dicke der Haut führt.
Im Allgemeinen können Massen auf Stärkebasis so verformt werden, dass eine weitere Vielzahl von Gegenständen mit Einschluss von Behältern, Platten, Bechern (bzw. Tassen), „faltbaren bzw. klappbaren" Sandwichbehältern, Tabletts, Kartons, Kästen und anderen Typen von Behältern und Gegenstände erhalten werden, die mechanische Eigenschaften haben, die im Wesentlichen denjenigen von Gegenständen gleich oder sogar überlegen sind, die unter Verwendung von herkömmlichen Materialien wie von Papier, Polystyrolschaum, Kunststoff, Metall und Glas hergestellt worden sind. Stärkegebundene Gegenstände können im Allgemeinen mit einem Bruchteil der Kosten der Verwendung von herkömmlichen Materialien hergestellt werden, da die Kosten für die Materialzuführungen und auch die Gesamtenergieerfordernisse im Allgemeinen niedriger sind.
Die Herstellungsverfahren und die resultierenden Gegenstände sind im Vergleich zu den herkömmlichen Materialien und Verfahren für die Umwelt weniger schädlich. Theoretisch kann der gesamte Abfall des Herstellungsverfahrens direkt in die Produktionslinie als ein Füllmaterial zurückgeführt werden. Wenn die allgemein als Einweggegenstände vorliegenden Gegenstände ihren Anwendungszweck erfüllt haben, dann werden die stärkegebundenen Gegenstände leicht zu anderen Gegenständen oder ähnlichen Materialien mit einem minimalen Verarbeitungsaufwand recycelt. Wenn sie in die Umgebung entsorgt werden, dann sind das Bindemittel auf Stärkebasis und die anderen organischen Komponenten der Gegenstände in einem Zustand, der sie in Gegenwart von Feuchtigkeit leicht auflösbar und/oder biologisch abbaubar macht, während anorganische Füllstoffe bereits mit dem Boden, in den sie entsorgt werden, zum großen Teil verträglich sind. Die erfindungsgemäßen Gegenstände haben im Allgemeinen eine niedrige Masse.
B. Definitionen
Die Bezeichnungen „Masse auf Stärkebasis" oder „Formmasse", wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, sollen Stärke enthaltende Massen mit geeigneten rheologischen Eigenschaften bezeichnen, die innerhalb von erhitzten Formen geformt werden können, um Gegenstände zu bilden, die eine stärkegebundene zelluläre Matrix haben. Solche Massen enthalten typischerweise ein Verdickungsmittel wie gelierte Stärke, eine nicht gelierte Stärkekomponente, die beim Verformen der Masse unter Verwendung von erhitzten Formen geliert wird, im Wesentlichen gleichförmig dispergierte Fasern, Wasser, anorganische Füllstoffe und gegebenenfalls Formentrennmittel, Gummi, organische Füllstoffe, Dispergierungsmittel, Vernetzungsmittel, Weichmacher, Netzmittel und integrale Beschichtungsmaterialien.
Die in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung „nicht gelierte Stärke" soll native oder auf sonstige Weise nicht gelierte Stärke oder Stärkederivate bezeichnen, die zu der Formmasse gegeben werden können, die aber nicht geliert werden, bis das Gemisch auf oberhalb die Gelierungstemperatur der nicht gelierten Stärke während des Verformungsprozesses erhitzt worden ist. Die Bezeichnung „gesamte Stärke" in der Masse auf Stärkebasis umfasst die Kombination von vorgelierter Stärke mit nicht gelierter Stärke, die miteinander das „Stärkebindemittel" nach Entfernung eines Teils oder im Wesentlichen des freien (oder nicht gebundenen) Wassers aus der Formmasse bilden.
Die hierin der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung „gesamte Feststoffe" schließt die tat sächlichen Feststoffe zusammen mit irgendwelchen Mischbestandteilen, die zu der Masse auf Stärkebasis gegeben werden können und die am Anfang in der „flüssigen Fraktion" aufgelöst werden, die aber nach Entfernung des Wassers durch Verdampfen während oder nach dem Verformungsprozess einen Feststoff bilden. Die „flüssige Fraktion" ist der Teil der Masse, die Wasser und irgendwelche Flüssigkeiten oder Feststoffe enthält, die in dem Wasser aufgelöst sind (z. B. vorgelierte Stärke, Magnesiumstearat, etc.). Die „feste Fraktion" ist der Teil der Masse, der die Feststoffe einschließt, die in dem Wasser nicht aufgelöst sind (z. B. Fasern, anorganische Füllstoffe, etc.).
Die Bezeichnungen „faserverstärkte zelluläre Matrix", „stärkegebundene zelluläre Matrix" oder „stärkegebundene Matrix", wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, sollen die im Wesentlichen gehärtete Struktur der daraus hergestellten Gegenstände bezeichnen.
Die Bezeichnungen „Härtung" oder „Trocknung", wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, bezeichnen das Verfahren der Entfernung von Wasser aus dem Formgemisch, insbesondere aus dem Gel auf Stärkebasis, um einen formstabilen Gegenstand zu bilden. Die Bezeichnung „Härtung" ist jedoch nicht durch das Ausmaß der Gelierung der nicht gelierten Stärkekomponente oder der tatsächlich entfernten Menge des Wassers begrenzt,
Die Bezeichnung „formstabil", wie sie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet wird, bezeichnet den Zustand, in dem die stärkegebundene Matrix des neu aus der Form entnommenen Gegenstands eine ausreichende Festigkeit und strukturelle Integrität hat, dass sie aus der Form herausge nommen werden kann, ihr eigenes Gewicht gegen die Schwerkraft trägt, gegenüber einer zerstörenden Wasserdampfexpandierung beständig ist und gegenüber einer signifikanten Deformation beim Aussetzen an die nachfolgende Bearbeitung und Handhabung beständig ist.
Die Bezeichnungen „geformter Gegenstand", „stärkegebundener Gegenstand" oder „Gegenstand" bzw. „Handelsware", wie in dieser Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet, sollen alle beliebigen Gegenstände einschließen, die unter Verwendung der offenbarten Massen und Verfahren gebildet werden können. Behälter und andere Gegenstände, die unter Verwendung der Massen und Verfahren gemäß der Erfindung gebildet werden können, schließen, jedoch ohne Begrenzung darauf, die folgenden ein: Kartons, Kästen, Sandwichbehälter, mit einem Scharnier versehene oder zweiteilige „faltbare bzw. klappbare" Behälter, Schachteln für trockene Cerealien, Schachteln für gefrorene Nahrungsmittel, Milchkartons, Behälter für Fruchtsäfte, Träger für Getränkebehälter, Eiskremschachteln, Becher bzw. Tassen (mit Einschluss, jedoch ohne Begrenzung darauf, Wegwerf-Trinktassen und konische Wegwerf-Becher bzw. -Tassen), Behälter für Pommes frites, Fastfood-Carry-out-Kästen, Verpackungen, Trägertabletts (zum Tragen von Produkten wie Keksen und süßen Riegeln), Dosen, Jogurtbehälter, Buchsen, Zigarrenkästen, Schachteln für Süßwaren, Schachteln für Kosmetika, Platten, Verkaufsplatten, Kuchenplatten, Tabletts, Backbleche, Schalen, Frühstückplatten, Tabletts für Mikrowellen-Dinnerprodukte, „TV"-Dinnertabletts, Eierschachteln, Platten zum Abpacken von Fleisch, Wegwerf-Einweg-Auskleidungen, die mit Behältern verwendet werden können wie Tassen oder Nahrungsmittelbehältern, Dämpfungsmaterialien (d. h. „Erdnüsse"), Flaschen, Krüge, Kisten, Körbe, Teller, Deckel, Strohhalme, Trennmaterialien, Auskleidungen, Ankerkis sen, Winkelbänder, Eckbänder, Eckschutzelemente, Abstandskissen, mit Scharnieren versehene Blättchen, Tabletts, Trichter, Dämpfungsmaterialien und andere Objekte, die beim Verpacken, beim Lagern, beim Versenden, bei Portionieren, beim Servieren oder beim Abgeben eines Gegenstands innerhalb eines Behälters verwendet werden, sowie eine endlose Vielzahl von anderen Gegenständen.
Die Bezeichnungen „Scharnier", „Scharnierbereich" oder „Scharnierstruktur" bezeichnen spezielle Strukturen, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Minimum eine Falte und einen inneren Hautteil mit verringerter Dicke im Vergleich zu der Dicke des Rests des Gegenstands einschließen. Ein „Scharnier" kann einen einheitlichen Scharnierteil oder mehrfache Scharnierteile einschließen. Das Scharnier kann so ausgelegt sein, dass es bis zu Winkeln von 360° gefaltet wird. Der Scharnierbereich kann gegebenenfalls mit einem Erweichungsmittel (z. B. Glycerin) und/oder einem elastomeren Überzug behandelt werden, um die Flexibilität und Haltbarkeit des Scharniers zu erhöhen.
II. MASSEN AUF STÄRKEBASIS
Das Nachfolgende ist eine allgemeine Diskussion der Identitäten, der Eigenschaften und der bevorzugten Verhältnismengen der einzelnen Komponenten, die zu den Formmassen gegeben werden. Es wird auch angegeben, wie jede Komponente mit den Prozessparametern, den Eigenschaften der formbaren Masse und den Eigenschaften der am Schluss erhaltenen stärkegebundenen Gegenstände in Beziehung stehen.
A. Stärke
Die Formmassen, die zur Herstellung der stärkegebundenen Gegenstände verwendet werden, schließen Stärke als primäres Bindemittel ein, das als Bindemittel durch die Bildung eines Stärkegels und bei der nachfolgenden Entfernung des Wassers durch Verdampfen aus dem Stärkegel wirkt. Stärke ist eine natürliche Kohlenhydratkette, umfassend in erster Linie kondensierte Glukosemoleküle, und sie wird in Pflanzen in kornförmiger Form gespeichert.
Im Allgemeinen sind Stärkekörner in kaltem Wasser unlöslich, und sie werden dadurch geliert, dass die Temperatur des Wassers auf oberhalb der Gelierungstemperatur der Stärkekörner erhöht wird. Wenn die Stärkekörner heißem Wasser ausgesetzt werden, dann erweichen sich die Kornwände und sie quellen und zerplatzen dann, um die Stärkeketten freizusetzen, was zu einer Gelierung der flüssigen Fraktion des Gemisches führt. Die exakte Temperatur, bei der ein bestimmtes Stärkegranulat quillt und geliert, hängt von dem Typ der Stärke, wie sie ist, ab. So geliert z. B. Maisstärke bei höherer Temperatur als Kartoffelstärke. Körner aus unmodifizierter Stärke können in kaltem Wasser geliert werden, wenn die äußere Membran aufgebrochen worden ist, beispielsweise durch Vermahlen der Stärkekörner. Alternativ kann die Stärke so chemisch modifiziert werden, dass sie in kaltem Wasser geliert. Gelierte und gehärtete Stärke bindet die einzelnen Füllstoffteilchen und -fasern in der Masse, die zu der gewünschten Gestalt des Gegenstands verformt worden ist.
Obgleich die Stärke in vielen Pflanzen produziert wird, ist doch eine wichtige Quelle hierfür die Samen bzw. die Sämlinge von Cerealienkörnern (z. B. von Mais, Wachsmais, Weizen, Sorghum, Reis und Wachsreis). Eine weitere wichtige Quelle schließt Knollenpflanzen wie Kartoffeln, Wurzeln wie Maniok (d. h. Cassava und Maniok), Süßkartoffeln und Pfeilwurzeln sowie das Mark der Sagopalme ein.
Die Bezeichnung „Stärke" schließt sowohl nicht modifizierte als auch modifizierte Stärken ein. Unter „modifiziert" ist zu verstehen, dass die Stärke durch typische Prozesse, die im Stand der Technik bekannt sind, wie z. B. Substitution, Veresterung, Veretherung, Oxidation, saure Hydrolyse, Vernetzung und Enzymumwandlung derivatisiert oder modifiziert werden kann. Typische modifizierte Stärken schließen Ester wie die Acetate und die Halbester von Dicarbonsäuren/-anhydriden, insbesondere die Alkenylbernsteinsäuren/-anhydride, Ether wie die Hydroxyethyl- und Hydroxypropylstärken, oxidierte Stärken wie solche, die mit Hypochlorit oxidiert worden sind, Stärken, die mit Vernetzungsmitteln wie Phosphoroxychlorid, Epichlorhydrin, hydrophoben kationischen Epoxiden umgesetzt worden sind, und Phosphatderivate, hergestellt durch Umsetzung mit Natrium- oder Kaliumorthophosphat oder -tripolyphosphat und Kombinationen davon ein. Die modifizierten Stärken schließen auch Meeresgele, langkettige Alkylstärken, Dextrine, Aminstärken und Dialdehydstärken ein.
Ein kleinerer Teil der Stärke in der Formmasse wird vorzugsweise geliert, um die Dispersion der Komponenten, insbesondere der Fasern, durch die Masse hindurch zu unterstützen. Im Allgemeinen verhindert die gelierte Stärkefraktion, dass sich die festen Komponenten innerhalb der Masse absetzen. Die Stärke kann in der Weise geliert werden, indem nicht modifizierte Stärke in Gegenwart von Wasser erhitzt wird oder indem eine modifizierte Stärke zu der wässrigen Masse gegeben wird.
Gleichwohl umfasst im Allgemeinen die nicht modifizierte Stärkekomponente den Hauptteil der gesamten Stärke innerhalb der Formmasse. In ihrem nichtmodifizierten, kornförmigen Zustand gelieren nichtmodifizierte Stärken in kaltem Wasser nicht und sie beeinflussen nicht in nennenswerter Weise die rheologischen Eigenschaften der flüssigen Fraktion der Formmasse. Daher kann nicht modifizierte Stärke in signifikant großen Mengen zugesetzt werden, ohne dass die rheologischen Eigenschaften der Formmassen stark beeinflusst werden, weil ihr primärer Effekt auf die rheologischen Eigenschaften des Systems vernachlässigbar ist, bis die Masse während des Formprozesses erhitzt wird. Wenn einmal die Masse auf Stärkebasis in der richtigen Weise im Inneren der erhitzten Formen positioniert ist, dann ist die erhöhte Viskosität und Grünfestigkeit, die durch die neu gelierte, nicht modifizierte Stärkekomponente verliehen wird, von Vorteil.
Vom Standpunkt der Kosten ist es von Vorteil, dass der Hauptteil der gesamten Stärke nicht modifizierte Stärkekörner umfasst, die typischerweise erheblich billiger sind im Vergleich zu modifizierten Stärken. Tatsächlich sind nicht modifizierte Stärkekörner, abgeleitet von Kartoffelstärke, sehr billig, und sie werden oft als nutzlose Abfallprodukte behandelt. In einigen Ländern werden sie verworfen oder als billiges Futter an das Vieh verfüttert. Daher stellt die Verwendung von nicht modifizierten Stärken einen riesigen ökonomischen Vorteil über andere Materialien dar, und sie stellt auch ein verwendbares Outlet für solche zuvor verworfenen Materialien dar.
Eine bevorzugte Stärke ist Kartoffelstärke, die rasch geliert und eine maximale Viskosität und Fließspannung bei etwa 65°C erreicht. Die Viskosität und die Fließspannung eines Gemi sches enthaltend gelierte Kartoffelstärke und Wasser nimmt dann ab, wenn die Temperatur erhöht wird, bis das Wasser verdampft ist. Danach nehmen die Viskosität und die Fließspannung steil ab. Wachsmaisstärke wirkt in ähnlicher Weise und sie wird gleichfalls bevorzugt. Kartoffelstärke und Wachsmaisstärke werden auch deswegen bevorzugt, weil sie in einer einzigen Stufe leichter quellen und gelieren. Jedoch wird jede beliebige Stärke, die ähnliche Quelleigenschaften hat, im Vergleich zu denjenigen, die in zwei oder mehreren Stufen quellen, bevorzugt.
B. Wasser
Wasser ist eine wichtige Komponente in den Massen auf Stärkebasis, die dazu verwendet werden, stärkegebundene Gegenstände zu formen. Das Wasser trägt zu der Dispergierung der faserartigen Komponente durch die Masse auf Stärkebasis hindurch bei. Wasser ist für die rheologischen Eigenschaften der gesamten Formmasse von Wichtigkeit, um eine Masse zu erhalten, die leicht vermischt, transportiert und in die Formvorrichtung eingespritzt wird. Wasser ist für die Schmierung der festen Teilchen, die Solvatisierung der löslichen oder gelierbaren Komponenten und zum Erhalt der richtigen Viskosität und der richtigen Fließspannung der Masse von Wichtigkeit. Das Wasser wirkt als Geliermittel, das die ungelierten Stärkekörner während des Heißformprozesses geliert. Die nachfolgende Entfernung des Wassers durch Abdampfen aus der Stärke bewirkt, dass diese sich verfestigt und die festen Komponenten zusammen innerhalb des Formkörpers bindet. Schließlich trägt das Wasser dazu bei, die zelluläre Struktur zu bilden.
Als Minimum sollte eine genügende Menge von Wasser zugegeben werden, um die Stärke in der geformten Masse auf Stärkebasis zu dispergieren und gleichförmig zu gelieren. Der Wassergehalt sollte auch ausreichend sein, um mit der jeweils verwendeten Prozesseinrichtung zu funktionieren.
Ein steigender Wassergehalt erhöht die Anzahl und die Größe der Zellen oder Hohlräume in der strukturellen Matrix und erniedrigt die Dichte des resultierenden Gegenstands. In der Theorie ist es so, dass, je größer der Anteil des Wassers in dem Gemisch ist, desto mehr Wasserdampf erzeugt wird und dass daher desto mehr Zellen im Inneren und desto mehr Nadellöcher in der Oberfläche gebildet werden. Demgegenüber ergibt die Verwendung von weniger Wasser ein dichteres Produkt mit kleineren Zellen.
Die Menge von Wasser, die zu den Formmassen zugesetzt wird, welche zur Herstellung der stärkegebundenen Gegenstände verwendet werden, liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 80 Gew.-% des Gemisches und mehr bevorzugt von 30 bis etwa 70 Gew.-%. Im Allgemeinen bestimmt sich die Menge des Wassers von den gewünschten rheologischen Eigenschaften der Masse sowie von der gewünschten Porosität und Dichte des Endprodukts.
C. Fasern
Die Bezeichnungen „Fasern" und „faserartige Materialien" schließen sowohl anorganische Fasern als auch organische Fasern ein. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Fasern eine Anzahl von verwertbaren Vorteilen liefert. Fasern dienen dazu, die strukturelle Matrix des Formkörpers zu verstärken. Genauer gesagt, sie wirken dahingehend, dass sie die Kohäsion der teilweise gehärteten Gegenstände erhöhen, wodurch ihnen eine erhöhte Stabilität verliehen wird. Sie erhöhen auch die Dehnung, die Deflektion, die Zähigkeit, die Bruchenergie, die Biegefestigkeit und die Zugfestigkeit der Gegenstände. Die Fasern tragen auch dazu bei, kleine Mengen von restlichem Wasser innerhalb der neu geformten Gegenstände zurückzuhalten, indem ein Kollabieren oder eine Überexpandierung der zellulären strukturellen Matrix aufgrund des erweichenden Effekts des Wassers verhindert wird. Gemäß dem Stand der Technik mussten die Gegenstände übertrocknet werden, um erfolgreich aus der Form herausgenommen zu werden, und sie wurden dann konditioniert, um ihnen Feuchtigkeit wieder zu verleihen und ihre Brüchigkeit zu verringern.
Es ist gefunden worden, dass der größte Vorteil dann auftritt, wenn die Fasern vorzugsweise eine Länge von mehr als etwa 1,5 mm haben und/oder wenn Fasern mit einem Dimensionsverhältnis von mindestens etwa 25 : 1 eingesetzt werden. Es wird mehr bevorzugt, dass die Fasern eine Länge von mehr als etwa 2 mm haben. Am meisten wird bevorzugt, dass die Fasern eine Länge von mehr als etwa 3,5 mm und ein Dimensionsverhältnis von mindestens etwa 100 : 1 haben. Von gleicher oder größerer Wichtigkeit ist das Niveau der Dispergierung der Fasern. Eine homogenere Dispergierung der Fasern führt zu einer erheblich höheren Festigkeit und Zähigkeit des fertigen Produkts. Andererseits führen schlecht dispergierte oder verklumpte Fasern oftmals zu einer Verringerung der Festigkeit im Vergleich zu Massen, in denen keine Fasern verwendet worden sind. Die Verwendung von signifikanten Mengen von vorgelierter Stärke in der Formmasse trägt zu dir homogenen Dispergierung der Fasern durch die Masse hindurch bei, indem Scherkräfte von der Mischvorrichtung bis zum Faserniveau herunter übertragen werden.
Die Fasern, die verwendet werden können, schließen vorzugsweise natürlich vorkommende organische Fasern wie Cellulosefasern, extrahiert aus Hanf, Baumwolle, Pflanzenblättern, Sisal, Abaca, Bagasse, Holz (sowohl Hartholz als auch Weichholz, Beispiele hierfür sind südliches Hartholz bzw. südliche Kiefer) oder Stängeln, Hülsen, Schalen und Früchten, oder anorganische Fasern, hergestellt aus Glas, Graphit, Siliciumdioxid, keramischen oder metallischen Materialien ein. Alle beliebigen äquivalenten Fasern, die eine Festigkeit und Flexibilität verleihen, fallen gleichfalls unter den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Recycelte Papierfasern können verwendet werden, doch werden sie etwas weniger bevorzugt, da ein Zerreißen der Fasern während des ursprünglichen Herstellungsverfahrens des Papiers aufgetreten ist.
Die zu der Formmasse zugegebene Menge der Fasern variiert entsprechend den gewünschten Eigenschaften des am Schluss erhaltenen Formkörpers. Die Biegefestigkeit, die Zähigkeit, die Flexibilität und die Kosten sind hauptsächliche Kriterien für die Festlegung der zuzugebenden Fasermenge zu der Masse. Die Konzentration der Fasern liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Gew.-% der Formmasse, mehr bevorzugt von etwa 2 bis etwa 20 Gew.-% und am meisten bevorzugt von etwa 3 bis etwa 10 Gew.-%.
D. Feste Füllstoffe
Die in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendete Bezeichnung „Füllstoffe" schließt sowohl anorganische als auch inerte organische Füllstoffteilchen ein. Sie schließt jedoch nicht typischerweise Fasern, ausgenommen faserartige Materialien mit sehr niedrigem Dimensionsverhältnis, die nur einen geringen oder keinen Verfestigungseffekt liefern, ein. Im Allgemeinen verfestigen Füllstoffe die strukturelle Matrix nicht, sondern fügen lediglich eine Masse hinzu und verringern die Stärkeerfordernisse. Jedoch erhöhen anorganische mineralische Füllstoffe im Allgemeinen die Steifheit der Gegenstände, was von Vorteil ist, wenn steifere Gegenstände gewünscht werden. Mineralische Füllstoffe tragen ebenfalls dazu bei dass die Gegenstände gegenüber mechanischen Deformationen beständig sind, wenn sie Veränderungen der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt sind.
Anorganische Materialien, die üblicherweise in der Papierindustrie verwendet werden, sowie feiner gemahlene Füllstoffmaterialien, die in der Betonindustrie verwendet werden, können in den Formmassen eingesetzt werden. Beispiele für geeignete anorganische Füllstoffe sind Perlit, Vermiculit, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein, Glasperlen, Aerogele, Xerogele, Meeresgele, Glimmer, Ton, synthetischer Ton, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Flugasche, geschmolzenes Siliciumdioxid, Zeolite, tafelförmiges Aluminiumoxid, Kaolin, Mikrokügelchen, Hohlglaskügelchen, poröse keramische Kügelchen, Gips (Calciumsulfatdihydrat), Calciumcarbonat, Calciumaluminat, geringgewichtige Polymere, Xonotlit (ein kristallines Calciumsilicatgel), geringgewichtige expandierte Tone, hydratisierte oder nicht hydratisierte hydraulische Zementteilchen, Bimsstein, Schiefergestein und andere geologische Materialien.
Ein trocken gemahlenes Calciumcarbonat ist ein bevorzugtes anorganisches Aggregat, da es zu einem Drittel derjenigen Kosten von Calciumcarbonat, erhalten durch Nassvermahlen, erhalten werden kann. Ein bevorzugtes Calciumcarbonat ist das Produkt R040 mit einem Bereich der Teilchengröße von etwa 10 bis 150 um und mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 42 um sowie einer niedrigen spezifischen Oberfläche. Sowohl Ton als auch Gips sind besonders wichtige Aggregatmaterialien wegen ihrer leichten Verfügbarkeit, ihrer extremen Billigkeit, ihrer Bearbeitbarkeit, ihrer leichten Formationsfähigkeit und auch deswegen, weil sie einen Grad der Bindung und Festigkeit liefern können, wenn sie in Mengen zugegeben werden, die hoch genug sind (im Fall von Gips Hämihydrat).
Beispiele für Füllstoffe, die geringgewichtige Eigenschaften und höhere Isolierungseigenschaften in Formkörpern verleihen können, schließen Perlit, Vermiculit, Glasperlen, Hohlglaskügelchen, synthetische Materialien (z. B. poröse keramische Kügelchen, tafelförmiges Aluminiumoxid, etc.), Kork, Bimsstein und geringgewichtige expandierte Tone, Sand, Kies, Steine, Kalkstein, Sandstein und andere geologische Materialien ein.
Der anorganische Füllstoff wird vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 80 Gew.-% der Feststoffe in der Masse auf Stärkebasis, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 70 Gew.-% und mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 60 Gew.-% zugesetzt. Wenn zugesetzt, dann werden inerte organische Füllstoffe, vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 60 Gew.-% der gesamten Feststoffe zugesetzt. Wenn zugesetzt, werden leichtgewichtige Füllstoffe, die als solche mit einer Dichte von weniger als etwa 1 g/cm³ definiert sind, vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 85 Gew.-% der anorganisch gefüllten Formmasse, mehr bevorzugt von etwa 15 bis etwa 65 Gew.-% und am meisten bevorzugt von etwa 25 bis etwa 55 Gew.-% zugesetzt.
E. Formentrennmittel
Um die Herausnahme der neu gebildeten Gegenstände aus der Form zu unterstützen, kann ein Formentrennmittel zu der formbaren Masse gegeben werden. Mittel- und langkettige Fettsäuren, ihre Salze und ihre Säurederivate können als Formentrennmittel verwendet werden. Bevorzugte Formentrennmittel für Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung schließen Stearate ein, die hydrophobe Eigenschaften haben und die in Wasser nicht löslich sind. Die Stearate sind Salze der Stearinsäure und haben die allgemeine Formel CH₃ (CH₂)₁₆COO^–X⁺, worin X⁺ ein Ion von Al, Mg, Na, K oder Ca sein kann. Aluminiumstearat ist ein bevorzugtes Formentrennmittel, das zugelassen worden ist.
Silikone können gleichfalls als Formentrennmittel verwendet werden. Lecithin, das ein Gemisch aus Phosphatiden und Glyceriden darstellt, kann dazu beitragen, die Klebrigkeit der Formmasse zu verringern, wodurch Formtrenneigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Es kann auch die Flexibilität der Formkörper verbessern. Verschiedene Wachse wie Paraffinwachs und Bienenwachs und Materialien auf Teflonbasis können gleichfalls als Formentrennmittel verwendet werden. Um die Herausnahme der Gegenstände aus der Form weiter zu unterstützen, können die Formen poliert, mit Chrom plattiert werden oder, z. B. mit Nickel, Teflon oder einem anderen Material, das die Tendenz der Gegenstände, an den Formen zu kleben, begrenzt, beschichtet werden.
F. Fakultative Mischungszusätze und Behandlungen nach der Bildung
Die Masse auf Stärkebasis kann gegebenenfalls weitere Mischungszusätze enthalten, um die rheologischen Eigenschaften des Gemisches zu verändern und/oder die mechanischen Eigenschaften des am Schluss erhaltenen geformten Produkts zu verbessern. Beispiele für geeignete Mittel zur Modifizierung der rheologischen Eigenschaften schließen Polysaccharidgummi wie Alginsäure, Phycokolloide, Agar, Gummi Arabicum, Guargummi, Johannesbrotgummi, Gummi Karaya, Gummi Traganth und Gemische davon ein. Ein bevorzugter Gummi ist Guargummi, der dazu beiträgt, eine Segregation der Fasern aus dem Gemisch zu verhindern. Er wirkt auch als Pumphilfsmittel, indem er eine Aggregation oder eine Blockierung der Fasern in der Pumpenvorrichtung verhindert.
Weitere Mischungszusätze schließen Befeuchtungsmittel, Weichmacher, Vernetzungsmittel, Mittel zur Erzielung einer Wasserfestigkeit, weitere Bindemittel und dergleichen ein.
Die geformten Gegenstände können nach einer Vielzahl von verschiedenen Arten und Weisen behandelt werden, um die mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften der Gegenstände zu verbessern. So kann z. B. die Oberfläche der stärkegebundenen zellulären Matrix mit einem Polyol wie Glycerin, vorzugsweise wässrigem Glycerin, für eine erhöhte Durchdringungsfähigkeit behandelt werden. Glycerin wirkt als Weichmacher, als Befeuchtungsmittel und als Stabilisator für die Verringerung einer Verwerfung bei Veränderungen der Feuchtigkeit der Umgebung. Die Oberfläche kann auch mit einem Beschichtungsmaterial behandelt werden, um die Beständigkeit des Gegenstands gegenüber Feuchtigkeit zu erhöhen und/oder den Gegenstand zu verfestigen und insbesondere dazu, die Effekte eines Brechens während des Biegens der stärkegebundenen zellulären Matrix zu verhindern oder zu verringern.
III. HERSTELLUNG UND VERFORMUNG DER MASSEN AUF STÄRKEBASIS
Stärkegebundene Gegenstände bzw. Handelswaren werden in typischer Weise durch ein mehrstufiges Verfahren hergestellt, das die Herstellung des Gemisches und die anschließende Verformung der Masse bei erhöhter Temperatur zu den gewünschten Gegenständen einschließt. Weitere optionale Prozessstufen können z. B. ein Bedrucken, ein Beschichten, ein Konditionieren und ein Verpacken der am Schluss erhaltenen Gegenstände, zusätzlich zu der Behandlung nach der Bildung mit Glycerin und/oder lokalisierten oder allgemeinen elastomeren Überzügen einschließen.
A. Herstellung des Gemisches
Es gibt eine Anzahl von verschiedenen Mischvorrichtungen und Mischsequenzen, die dazu verwendet werden können, um die erfindungsgemäßen Massen zu erhalten. Das einzige Kriterium ist dasjenige, dass die Mischeinrichtung dazu imstande sein muss, eine Masse auf Stärkebasis zu liefern, in der alle Komponenten, insbesondere das faserartige Material, durch die Masse hindurch im Wesentlichen homogen gemischt sind. Sowohl Hochscher- als auch Niedrigscher-Mischvorrichtungen werden je nach der Stufe des Mischprozesses bevorzugt. Typischerweise wird die Bildung eines Prägelgemisches und auch die Dispergierung der Fasern unter Verwendung einer Hochscher-Mischvorrichtung durchgeführt. Wenn jedoch eine zusätzliche nicht gelierte Stärkekomponente und auch brüchige anorganische Füllstoffe, die leichter brechen können, zugemischt werden, dann wird es im Allgemeinen zweckmäßig sein, einen Niedrigscher-Mischer einzusetzen, um die Stärkekörner vor einer vorzeitigen Gelierung zu schützen und auch einen Bruch der brüchigen Aggregatfüllstoffe zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden ein Teil des Wassers und der Stärke miteinander mit den Fasern und gegebenenfalls mit dem anorganischen Füllstoff vermengt, um ein Vorgemisch zu bilden. Dies erfolgt bei hoher Scherkraft. Gummi wie Guargummi werden im Allgemeinen zu dem Vorgemisch gegeben. Danach werden der Rest des Wassers und die nicht gelierte Stärke dem Vorgemisch zugesetzt und es wird bei niedriger Scherkraft durchgemischt, um die Stärke einzumischen, ohne dass eine vorzeitige Gelierung bewirkt wird. Das Formentrennmittel wird typischerweise während dieser zweiten Mischphase zugesetzt. Schwächere, leichtergewichtige Aggregatfüllstoffe sollten gleichfalls unter Verwendung eines Niedrigschermischens kombiniert werden.
Beispiele für Hochscher-Mischer sind die Turboteigmischer TMN, erhältlich von der Firma Franz Haas Waffelmaschinen Industriegesellschaft m.b.H. in Wien, Österreich. Alternative Hochscher-Mischer werden in der US-PS 4 225 247 mit dem Titel „Mixing and Agitating Device", der US-PS 4 552 463 mit dem Titel „Method and Apparatus for Producing a Colloidal Mixture", der US-PS 4 889 428 mit dem Titel „Rotary Mill", der US-PS 4 944 595 mit dem Titel „Apparatus for Producing Cement Building Materials" und der US-PS 5 061 319 mit dem Titel „Process for Producing Cement Building Material" beschrieben und beansprucht. Alternativ kann ein Mischer mit variierbarer Geschwindigkeit eingesetzt werden, um sowohl ein Hochscherals auch ein Niedrigscher-Mischen zu erhalten. Mischer mit variierbarer Geschwindigkeit schließen die Maschine Eirich Rv-11 ein. Ein Beispiel eines Niedrigscher-Mischers ist ein Hobart-Mischer.
Wenn einmal die Komponenten in angemessener Weise durch die Masse auf Stärkebasis hindurch dispergiert sind, dann ist die Masse auf Stärkebasis für die Verformung bereit. Es kann in dieser Stufe zweckmäßig sein, den Wassergehalt zu erhöhen, um die Viskosität der Formmasse auf den gewünschten Wert einzustellen.
B. Verformung des Gemisches zu dem gewünschten Gegenstand
Wenn die Formmasse einmal hergestellt worden ist, dann wird sie vorzugsweise unter Verwendung von erhitzten Formen zu der gewünschten Gestalt des Gegenstands verformt. Eine detaillierte Beschreibung des Typs von Formvorrichtung, die zur Formung der Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, wird in der oben angegebenen Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/353 543 beschrieben. Diese Anmeldung mit der Seriennummer 08/353 543 gibt auch eine detaillierte Beschreibung von bevorzugten Methoden für die allgemeine Verformung von Massen auf Stärkebasis unter Verwendung der dort beschriebenen Vorrichtung an.
Die Formvorrichtung sollte auf eine Temperatur erhitzt werden, die genügend hoch ist, um eine rasche Expandierung der Masse auf Stärkebasis im Inneren der Formvorrichtung zu bewirken und auch dazu, um einen wesentlichen Teil des Wassers durch Verdampfen abzutreiben. Vorzugsweise sollte die Formvorrichtung auf eine Temperatur von höher als etwa 145°C, mehr bevorzugt höher als etwa 175°C und am meisten bevorzugt höher als etwa 195°C erhitzt werden. Die Temperatur sollte jedoch nicht so hoch sein, dass sie ein Verbrennen, ein Ver kohlen oder ein Karamellisieren des Stärkebindemittels bewirkt. Dies erfolgt im Allgemeinen bei Temperaturen, die höher als etwa 250°C sind. In den meisten Fällen wird es zu bevorzugen sein, eine Komponente der Form bei einer Temperatur zu halten, die geringfügig höher ist als diejenige der anderen Hälfte und die z. B. 5° oder 10°C heißer ist. Es ist gefunden worden, dass ein Formkörper aus einer Komponente der Form leichter entnommen werden kann, die bei höherer Temperatur gehalten wird, wodurch diejenige Komponente der Form bestimmt wird, aus der der Gegenstand zuletzt entfernt wird.
Die Formen werden vorzugsweise aus Metallen wie Stahl, Messing und Aluminium hergestellt. Polierte Metalle mit Einschluss von Chrom und Nickel zusammen mit Überzügen aus Teflon erleichtern es, die Gegenstände aus der Form zu entfernen und ein glatteres Finish zu erzeugen. Das Material der Formen muss dazu imstande sein, den Temperaturen und Drücken zu widerstehen, die bei dem Herstellungsprozess auftreten.
Die Formen können durch eine Vielzahl von Heizeinrichtungen erhitzt werden. Beispiele für Heizeinrichtungen zum Erhitzen von mindestens der Oberflächen der Formen umfassen: äußere Heizelemente wie Gasbrenner, Infrarot- und elektrische Heizelemente, die an die Formen angeschlossen sind oder darauf gerichtet sind. Weitere alternative Beispiele für Heizeinrichtungen sind erhitzte Flüssigkeiten wie Öle oder erhitzte Gase wie Wasserdampf, die durch die Formen so mit Rohren durchgepumpt werden können, dass sie diese erhitzen. Es können auch verschiedene Typen des Erhitzens angewendet werden, um die Temperatur der Formen entlang der Länge der Formen zu variieren, um die Eigenschaften der gehärteten Matrix innerhalb des Formkörpers (bzw. geformten Gegenstands) zu variieren. Es ist auch möglich, die Gemische ohne Erhitzen der For men zu erhitzen. So können z. B. die Formen aus Keramik hergestellt werden und mit Mikrowellen bestrahlt werden, um das Gemisch zu erhitzen.
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 einer dünneren, jedoch dichteren Oberflächenschicht die Formtemperatur niedriger, die Formen haben weniger Entlüftungsöffnungen und das formbare Gemisch hat eine höhere Viskosität. Die Viskosität des Gemisches kann dadurch erhöht werden, dass ein Mittel zur Modifizierung der rheologischen Eigenschaften wie Tylose^®, das weniger Wasser enthält, zugesetzt wird, oder indem ein Aggregatmaterial verwendet wird, das eine höhere spezifische Oberfläche hat.
Die 1 stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Formvorrichtung für die Massenproduktion von geformten stärkegebundenen Gegenständen dar, die als Stärkeschaumstoff-Expansionseinheit mit dem Namen BIOMAT 32 von der Firma Walterwerk Kiel GmbH & Co. KG in Kiel, Deutschland, im Handel erhältlich ist. Wie in 1 gezeigt wird, arbeitet die Formvorrichtung 10 in Form eines kontinuierlichen Verfahrens zur Massenproduktion der gewünschten Gegenstände bzw. Formkörper 20, die bei dieser Ausführungsform mit einem Scharnier versehene „faltbare bzw. klappbare" Behälter sind.
Die Gegenstände 20 werden in mehreren Stufen gebildet, die gleichzeitig durch verschiedene Komponenten der Formvorrichtung 10 durchgeführt werden. Die Formvorrichtung 10 hat eine Formstation 30, die an eine Heizstation oder eine Heizvorrichtung 40 angeschlossen ist und mit dieser in Verbindung steht. Die Heizvorrichtung 40 schließt eine Isolierungswand 42 ein, die eine Heizkammer 44 definiert. Die Heizvorrichtung 40 umfasst weiterhin Heizelemente 46, die in der Heizkammer 44 angeordnet sind, um diese zu erhitzen. Die Heizvorrichtung 40 und insbesondere diejenige Komponente der Heizvorrichtung, die die Isolierungswand 42, die Erhitzungskammer 44 und die Heizelemente 46 einschließt, ist ein Beispiel einer Heizeinrichtung zum Erhitzen der Formen oder mindestens einer Form, wobei sich die Heizeinrichtung in thermischer Verbindung mit mindestens einer Form befindet.
Ein Fördersystem 50 erstreckt sich sowohl durch die Formstation 30 als auch durch die Heizkammer 44 in kontinuierlicher, kreisförmiger Art und Weise. Das Fördersystem 50 schließt eine obere Spur 52 und eine untere Spur 54 ein. Auf dem Fördersystem 50 laufen über Räder 56 eine Vielzahl von miteinander verbundenen Heizformen 60.
Wie am besten in der 2 gezeigt wird, hat jede Form zwei Komponenten mit Einschluss einer oberen Platte 62 und einer Bodenplatte 64. Die obere Platte 62 und die Bodenplatte 64 schließen eine positive Form 66 bzw. eine negative Form 68 ein. Die obere Platte 62 und die Bodenplatte 64 sind an einem Ende durch ein Scharnier 70 verbunden. Die positive Form 66 und die negative Form 68 haben eine derartige Konfiguration, dass es gestattet wird, dass die positive Form 66 und die negative Form 68 miteinander bei einem Offset-Abstand gekuppelt werden, der genügend eng ist, dass eine Masse bzw. Zusammensetzung zu einem Gegenstand bzw. Formkörper verformt wird. Bei der in den 1–2 gezeigten Ausführungsform sind die obere Platte 62 und die positive Form 66 integral verbunden, wie es auch der Fall bei der Bodenplatte 64 und der negativen Form 68 ist.
Das Scharnier 70 ist ein Beispiel einer Bewegungseinrichtung zur Erhöhung und Verminderung des Offset-Abstands zwischen der positiven Form 66 und der negativen Form 68, indem die obere Platte 62 und die Bodenplatte 64 zusammen und voneinander weg bewegt werden. Das Scharnier 70 gestattet es, dass die positive Form 66 und die negative Form 68 in genügende Nähe zueinander gebracht werden können, dass eine Masse bzw. Zusammensetzung, die zwischen die positive Form 66 und die negative Form 68 platziert wird, zu einem Handelsgegenstand bzw. Formkörper verformt werden kann und dass der Gegenstand in der Weise aus der Form entnommen werden kann, dass der Abstand zwischen der positiven Form 66 und der negativen Form 68 erhöht wird.
Unter Bezugnahme auf 2 werden in der ersten Stufe die erhitzten Formen 60 geöffnet und so positioniert, dass sie ein formbares Gemisch 80 aus der Füllöffnung 82 aufnehmen. Das formbare Gemisch 80 wird von einem (nicht gezeigten) Mischer auf dem Wege über einen Extruder durch ein Abgaberohr 84 zu einem Füllauslauf 82 gepumpt. Der Füllauslauf 82, das Abgaberohr 84 und der Extruder oder das Äquivalent davon sind ein Beispiel einer Einrichtung zur Zuführung des formbaren Gemisches zu den erhitzten Formen 60. Die erhitzten Formen 60 werden geöffnet, indem die obere Spur 52 und die untere Spur 54, auf der die obere Platte 62 bzw. die Bodenplatte 64 laufen, getrennt werden. Der Füllauslauf 82 wird dazu verwendet, um eine gewünschte Menge des formbaren Gemisches 80 in die negative Form 68 einzuführen, obgleich dieses System so modifiziert werden kann, dass es an Massen mit stark variierenden rheologischen Eigenschaften angepasst werden kann. So können z. B. hochviskose oder Gemische mit hoher Fließspannung extrudiert werden, um ein diskretes Volumen eines Materials zu bilden, das dann getrennt wird und die Form durch eine Schneideinrichtung hineinfallen gelassen wird. Wenn einmal die negative Form 68 gefüllt ist, dann bewegen sich die erhitzten Formen 60 nach vorne und sie werden geschlossen, was das Ergebnis davon ist, dass sich die obere Spur 52 und die untere Spur 54 nähern. Ein herkömmlicher Verschließungsmechanismus kann dazu verwendet werden, um die Formhälften miteinander zu verschließen, solange wie sie dazu imstande sind, den Drücken zu widerstehen, die durch die erhitzten Gemische erzeugt werden und die bis etwa 5 bar betragen.
Unter Bezugnahme auf 1 laufen die erhitzten Formen 60 entlang der Länge der Heizvorrichtung 40, sie rotieren zu einer umgekehrten Position und sie laufen dann zu der Formstation 30 zurück. Die Heizelemente 46 sind innerhalb der Heizkammer 44 angeordnet, um die erhitzten Formen 60 zu erhitzen, wenn sie durch diese hindurchlaufen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die erhitzten Formen 60 durch die Heizvorrichtung 40 bewegen, ist zum Teil durch die erforderliche Zeit begrenzt, die notwendig ist, um die erhitzten Formen 60 zu füllen. Die Füllzeit hängt naturgemäß von der Größe des zu formenden Gegenstands ab. Die Formzeit und -temperatur werden so ausgewählt, dass, wenn die erhitzten Formen 60 zu der Formstation 30 zurückkehren, die geformten Gegenstände aus der Form in einem formstabilen Zustand entnommen werden können. Wenn einmal die Formen zu der Formstation 30 zurückgekehrt sind, dann werden die erhitzten Formen 60 erneut geöffnet, indem die obere Spur 52 und die untere Spur 54 voneinander getrennt werden. Eine Abkratzklinge 68 wird dann über die negative Form 68 geleitet, um überschüssiges Material zu entfernen, das während des Erhitzungsprozesses aus den Ventilierungslöchern ausgetreten sein kann.
Die geformten Gegenstände werden dann aus der negativen Form 68 durch eine Einrichtung zur Entfernung der geformten Gegenstände aus der Form entfernt. Ein Beispiel für die Entfernungseinrichtung ist in 1 gezeigt. Diese umfasst eine rotierende Trommel 90 mit einer Vielzahl von rotierenden Armen 92. Die Arme 92 sind an die rotierende Trommel 90 oder die Achse der rotierenden Trommel 90 angefügt und sie folgen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Achse der Trommel 90. Die rotierenden Arme 92 sind an Vakuumsaugbecher 94 angeschlossen, die eine solche Konfiguration haben, dass sie die gebildeten Gegenstände 20 aus der Form 68 entnehmen. Die Vakuumsaugbecher 94 sind aus Silikonkautschuk hergestellt, und sie sind bis zu etwa 250°C hitzebeständig. Die Bewegung der Trommel 90 wird durch das Fördersystem 50 kontrolliert, wobei die Trommel 90 innerhalb der unteren Spur 54 angeordnet ist. Wenn sich die Trommel 90 dreht, dann werden die Arme 92 in Richtung auf die geöffnete, erhitzte Form gebogen, um die gebildeten Produkte 20 mit den Saugbechern 94 aufzunehmen. Die Arme 92 werden dann nach außen von der Trommel 90 gebogen und ein Förderband 98 wird dazu verwendet, um die gebildeten Produkte 20 einzufangen und der nachfolgenden Bearbeitung wie der Aufbringung eines Überzugs darauf zuzuführen. Wenn die gebildeten Produkte 20 aus den erhitzten Formen 60 entfernt worden sind, dann kehren die Formen zu dem Füllauslauf 82 zurück und das Verfahren wird wiederholt.
Bei einem alternativen Verfahren zur Bildung der Gegenstände gemäß der Erfindung unter Verwendung der Formvorrichtung 10 wird ein formbares Gemisch 80 unter Verwendung eines Hobart-Mischers, eines Eirich-Mischers oder eines ähnlichen Mischers mit einer Kapazität von 80 Gallonen hergestellt. Ein derartiger Mischer liefert genügend Material für die Produktion von mindestens etwa 3.000 Gegenständen pro Stunde bis zu etwa 14.000 pro Stunde. Das formbare Gemisch wird dann in einen Vakuumfülltrichter überführt und unter Verwendung einer Monopumpe mit einer Augereinrichtung durch ein Abgaberohr 84 in den Füllauslauf 82 gepumpt. Die Monopumpe in Kombination mit dem Abgaberohr 84 und dem Füllauslauf 82 liefert ein weiteres Beispiel einer Einrichtung für die Zuführung eines formbaren Gemisches zu den erhitzten Formen 60. Die Monopumpe befördert das Material unter Druck mit einer Geschwindigkeit von etwa 6 kg/min. Ein Guillotine-Mechanismus wird dazu eingesetzt, um den Füllauslauf 82 über eine spezifische Zeitspanne, vorzugsweise etwa 0,3 Sekunden, zu öffnen und zu schließen. Dies gestattet, dass etwa 30 Gramm des formbaren Gemisches in die negative Form 68 abgegeben werden. Die gefüllten Formen laufen dann durch die Heizvorrichtung 40 mit einer Geschwindigkeit von 35 cm pro Sekunde und sie werden etwa 30–35 Sekunden lang erhitzt. Die geformten Gegenstände werden dann aus den Formen durch Vakuumsaugbecher 94, wie oben beschrieben, entfernt und auf die Fördereinrichtung 98 gegeben. Es ist keine nachfolgende Konditionierung der so gebildeten Gegenstände gemäß der Erfindung dazu erforderlich, dass diese für die Verwendung geeignet sind.
Unter Verwendung der hierin beschriebenen Massen bzw. Zusammensetzungen und Verfahren kann eine weite Vielzahl von unterschiedlichen Gegenständen geformt werden, die eine angemessene Festigkeit und strukturelle Integrität haben, dass sie aus den Formen herausgenommen werden und an das gewünschte Ziel transportiert werden können, ohne dass die Notwendigkeit für eine nachfolgende langandauernde Konditionierungsstufe besteht. Die Fähigkeit, die Gegenstände ohne eine Konditionierungsstufe oder einfach unter Verwendung einer sehr kurzen Konditionierungsstufe herzustellen, stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die geformten Gegenstände weiter zu behandeln, um ihre Flexibilität und Haltbarkeit zu erhöhen.
C. Dicke der Haut
Im Allgemeinen schließt die stärkegebundene zelluläre Matrix eine relativ dichte äußere Oberfläche oder Haut ein, die einen relativ porösen inneren Teil umgibt. Die Haut bildet sich als Ergebnis eines Verfahrens aus, bei dem gepaarte positive und negative Formen verwendet werden, die erhitzt werden, um die Masse auf Stärkebasis zu „backen", um hierdurch Wasser aus dem Gemisch auf Stärkebasis zu verdampfen. Die erhitzten Formen werden vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, das ein guter Leiter für die Wärme ist und das eine relativ hohe spezifische Wärme hat. Das Heraustrocknen des Stärkebindemittels bewirkt, dass dieses sich verfestigt und die bindende Matrix bildet. Weil die Übertragung der Wärme von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis nur an der Grenzfläche der Oberfläche zwischen den Formen und dem Gemisch erfolgt, trocknet die Haut rascher als der innere Teil. Dies gestattet, dass der innere Teil eine weitere Expansion und Zellbildung über einen Zeitraum nach der anfänglichen Bildung der Haut erfährt. Daher wird der innere Teil poröser und er hat eine verringerte Dichte.
Da das Metall ein derart guter Leiter für die Wärme ist, werden die Hitzezuführungen rasch durch die Formen hindurch in der Weise ins Gleichgewicht gesetzt, dass die Formtemperatur durch jede Hälfte des Formpaares im Wesentlichen gleichförmig ist. Dies führt seinerseits zu einer fast gleichförmigen Übertragung der Wärme von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis. Deswegen ist beobachtet worden, dass die Haut eine beträchtlich konstante Dicke durch die geformten Gegenstände hindurch und auf beiden Seiten derselben hat. Gleichwohl kann eine Veränderung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung während des Formprozesses die Dicke der Haut verändern. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Dicke der Haut zu optimieren, da eine erhöhte Dicke der Haut Gegenstände ergibt, die eine größere Oberflächenfestigkeit haben. Jedoch sind Häute mit erhöhter Dicke im Allgemeinen auch starrer und es ist wahrscheinlicher, dass sie brechen, wenn sie mechanisch deformiert werden.
Im Allgemeinen ist die Dicke der Haut direkt proportional zur Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung erhöht im Allgemeinen die Dicke der Haut, wobei eine Verringerung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung im Allgemeinen die Dicke der Haut verringert. In ähnlicher Weise ist die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von den Formen zu dem Gemisch auf Stärkebasis direkt proportional zu der Temperatur der Formen. Eine Erhöhung der Formtemperatur erhöht die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung, während eine Verringerung der Formtemperatur die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung verringert. Daher führt eine Erhöhung der Formtemperatur im Allgemeinen zu einer erhöhten Dicke der Haut, während eine Verringerung der Formtemperatur im Allgemeinen zu einer verringerten Dicke der Haut führt. Jedoch ist es praktisch unmöglich, unterschiedliche Teile einer integral gebildeten Metallform auf unterschiedliche Temperaturen zu erhitzen, um die Dicke der Haut durch den geformten Gegenstand hindurch zu verändern.
D. Formvorrichtung zur Bildung des dünneren inneren Hautteils
Um den Gegenstand so zu formen, dass der innere Hautteil des Scharnierbereichs eine verringerte Dicke hat, verwendet die vorliegende Erfindung speziell gestaltete Formen, bei denen der Teil der Formoberfläche, der dem inneren Hautteil des Scharniers entspricht, weniger Wärme pro Zeiteinheit im Vergleich zu dem Rest der Form überträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formbereich, der dem inneren Hautteil des Scharniers entspricht, ein Material, das eine Wärmediffundierbarkeit besitzt, die niedriger ist als die Wärmediffundierbarkeit der umgebenden Form.
Erhitzte Formen 60 werden vorzugsweise aus Materialien wie Metallen gebildet, die es gestatten, dass die Wärme relativ rasch übertragen wird. Beispiele für geeignete Materialien schließen, jedoch ohne Einschränkung darauf, Aluminium, Stahl und Gusseisen ein. Der Teil der Formoberfläche, der dem inneren Hautteil des Scharniers entspricht, wird vorzugsweise aus einem Hochtemperaturkunststoff oder einer Hochtemperaturkeramik gebildet, der bzw. die die Wärme weniger schnell als die umgebende Form überträgt. Der Formteil wird auch vorzugsweise aus einem Material gebildet, das spanabhebend bearbeitbar und lagerbeständig ist. Beispiele für geeignete Materialien, um weniger Wärme als die umgebende Form zu übertragen, schließen, jedoch ohne Begrenzung darauf, Polyetheretherketon (PEEK), Al₂O₃, glasfaserverstärktes Teflon, Porzellan, Silikonharze, Kautschuk oder Keramiken ein. Gleichwohl liegt jede beliebige Kombination von Materialien innerhalb des Rahmens der Erfindung bis zu dem Ausmaß, dass die Materialien einen inneren Hautteil des Scharniers liefern, der eine verringerte Dicke hat.
Ein Beispiel für eine Formkonfiguration, die so ausgebildet ist, dass sie ein Scharnier mit einem inneren Hautteil mit verringerte Dicke hat, ist in der 2 gezeigt und wird am besten aus der 3 ersichtlich. Diese stellt eine Querschnittsansicht einer der Formen 60, die in der 2 gezeigt sind, nach dem Kuppeln der positiven Form 66 und der negativen Form 68, um das Gemisch 80 zu einem Gegenstand 20 zu verformen dar. Ein Formungsstreifen 100 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wird gezeigt, der sich in Kontakt mit der positiven Form 66 befindet und an diese angrenzt. Insbesondere ist der Formungsstreifen 100 mit der positiven Form 66 verbunden und dehnt sich von dieser aus.
Der Formungsstreifen 100 hat einen Bodenteil, der innerhalb der positiven Form 66 verankert ist, und einen oberen Teil, der sich von und über die Oberfläche der positiven Form 66 erstreckt. Der obere Teil umfasst zwei im Wesentlichen parallele Vorsprünge oder Grate 102a und 102b, die sich nach außen in Richtung auf die negative Form 68 erstrecken. Die Ausdehnungen 102a und 102b werden an Spitzen 104a bzw. 104b beendet. Die Spitzen 104a und 104b sind mit zwei kleinen, im Wesentlichen parallelen Vorsprüngen oder Spitzen 108a und 108b ausgerichtet, die sich von der negativen Form 68 erstrecken. Die Spitzen 104a und 104b berühren die Spitzen 108a und 108b nicht, wenn sich die Formen in der geschlossenen Position befinden, wie es gezeigt wird, wenn sie voneinander mit einem gegebenen Abstand getrennt sind.
Der Formungsstreifen 100 ist so gestaltet oder konfiguriert, dass bewirkt wird, dass eine Eindrückung in dem geformten Gegenstand zwischen der positiven Form 66 und der negativen Form 68 gebildet wird. Der Formungsstreifen 100 hat eine thermische Leitfähigkeit, die kleiner ist als die thermische Leitfähigkeit der positiven Form 66, wodurch es gestattet wird, dass der Gegenstand mit einer Falte bzw. einer Rille und mindestens einem Abschnitt einer dünnen Haut an der Falte bzw. Rille gebildet wird, wobei der dünne Hautabschnitt ein Abschnitt der Haut ist, der dünner ist als die Haut auf der gegenüberliegenden Seite des Gegenstands oder an Abschnitten, die an den dünnen Abschnitt angrenzen. Die langsamere Wärmeübertragung entlang des Formungsstreifens 100 gestattet es, dass das Gemisch auf Stärkebasis langsamer eine dünnere Haut in dem Gegenstand in dem Bereich des Gegenstands bildet, der in dem gegenüberliegenden Formungsstreifen 100 gebildet wird.
Die positive Form 66 und die negative Form 68 werden vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet, während der Formungsstreifen 100 vorzugsweise aus einem Material gebildet wird, das eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit hat als die positive Form 66 oder die negative Form 66, wie ein Polyetheretherketon (PEEK), Al₂O₃, glasfaserverstärktes Teflon, Porzellan, Silikon, Kautschuk oder einer Keramik. Je härter das Material ist, desto leichter kann es spanabhebend bearbeitet werden, um den gewünschten rillenbildenden Grat innerhalb des Formungsstreifens 100 zu bilden, und desto dauerhafter wird es sein, wenn es zur Formung von Gegenständen verwendet wird. Der Formungsstreifen 100 ist ein Beispiel für eine Einrichtung zur Bildung einer dünnen Haut, indem weniger Wärme zu dem Gemisch auf Stärkebasis übertragen wird als zu der positiven Form 66 und/oder der negativen Form 68. In vielen Fällen wird es bevorzugt sein, den Formungsstreifen 100 mit einem Mittel auf Silikonbasis oder einer anderen, die Adhäsion verringernden Flüssigkeit während des Verformungsprozesses zu besprühen, um ein Ankleben des geformten Gegenstands auf Stärkebasis an dem Formungsstreifen 100 zu verringern.
Gleichwohl liegt jede beliebige Konfiguration der Form, die dazu imstande ist, die Geschwindigkeit des Wärmeflusses oder der Wärmeübertragung zu dem inneren Hautteil des Scharniers innerhalb des geformten Gegenstands derart zu verringern, dass der innere Hautteil eine verringerte Dicke im Vergleich zu der Dicke der Haut in anderen Teilen des Gegenstands hat, innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung. So ist es beispielsweise ein weiterer Weg zur Verringerung des Flusses der Wärme zu dem inneren Hautteil des Scharnier, in die Formvorrichtung aus einem gleichförmigen Material einen Formungsstreifen 100 mit verringerter Dicke einzuarbeiten. Weil die spezifische Wärme und die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Formvorrichtung durch die Form hindurch gleichförmig ist, hat der Formungsstreifen 100 eine niedrigere Wärmekapazität, was auf seine verringerte Dicke zurückzuführen ist. Deswegen hat der Formungsstreifen 100 ein niedrigeres Reservoir für die Wärme dahingehend, dass er weniger Wärme während er anfänglichen Stufe der Hautbildung im Vergleich zu dem dickeren Teil der Form überträgt. Der praktische Effekt davon ist, dass sich der Formungsstreifen 100 schneller als Ergebnis des Verdampfens des Wassers im Vergleich zum Rest der Form abkühlt.
Ein weiterer Weg zur Verringerung des Flusses der Wärme zu dem inneren Hautteil des Scharniers besteht darin, den Formungsstreifen 100 mit einem Material zu beschichten oder zu laminieren, das eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit hat, so dass der Fluss der Wärme behindert wird. Solche Überzugsmittel schließen, jedoch ohne Einschränkung darauf, Nedox (mit Nickel imprägniertes Teflon) und Tufram (mit Teflon infiltriertes Aluminiumoxid) ein.
Ein weiterer Weg zur Verringerung des Flusses der Hitze zu dem inneren Hautteil des Scharniers besteht darin, den Formungsstreifen 100 von dem Rest der Form thermisch zu isolieren und dann eine getrennte Heizeinrichtung zur selektiven Erhitzung des Formstreifens 100 zu einem geringeren Grad als dem Rest der Form bereit zu stellen.
IV. GESTALTUNGEN UND MERKMALE DER SCHARNIERE GEMÄSS DER ERFINDUNG
Die Gestaltung der mit Scharnieren versehenen Gegenstände innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung umfasst die Auswahl eines bestimmten Gemisches der obigen Materialien in Kombination mit der Auswahl eines Scharnierdesigns auf der Basis der gewünschten Endeigenschaften. Die gewünschten Endeigenschaften werden in erster Linie auf der Basis des vorgesehenen Anwendungszwecks des Gegenstands festgelegt. Das Scharnier kann ein einziges Scharnier oder ein mehrfaches Scharnier in Abhängigkeit von den gewünschten Bindungs- und Performancekriterien des jeweiligen Gegenstands umfassen. Ein einziges Scharnier ist der Spannung über den gesamten Biegungswinkel des Scharniers ausgesetzt. Bei einem Doppelscharnier wird jede Scharniereinheit nur um etwa die Hälfte des Abstands des Gesamtbiegungswinkels des Scharniers gebogen, während bei einem dreifachen Scharnier jedes Scharnier nur um etwa ein Drittel des Abstands des Gesamtbiegungswinkels des Scharniers gebogen wird. Für einen faltbaren bzw. klappbaren Behälter, bei dem eine Biegung um etwa 180° erforderlich ist, wird es derzeit bevorzugt, ein Doppelscharnier zu verwenden, so dass es erforderlich ist, dass sich jedes Scharnier um etwa 90° biegt oder um die Hälfte des Gesamtbiegungswinkels oder Abstands des Scharniers.
Je weniger ein Scharnier oder eine Komponente des Scharniers während der Biegungsaktion gebogen werden muss, desto weniger Spannung wird auf das Scharnier ausgeübt und insbesondere bei der Kompression des inneren Hautteils des Scharniers und beim Ausdehnen des äußeren Hautteils während der Biegungsaktion. Im Allgemeinen sind Mehrfachscharniere beständiger als Einfachscharniere, da jede Einheit nur um einen Bruchteil des Gesamtbiegungswinkels gebogen werden muss. Auf diese Weise werden mechanische Spannungen über einen weiten Bereich des Scharniers verteilt. Die Veränderung der Formvorrichtung zur Herstellung von Gegenständen mit Mehrfachscharnieren ist einfacherweise eine Sache des Einschlusses von einer oder mehreren zusätzlichen Formstrukturen, die eine oder mehrere zusätzliche Falten bzw. Rillen innerhalb der Struktur des Scharniers bilden.
Die Auswahl des gewünschten Vielfachen der Scharniereinheiten ist eine Angelegenheit, genügend Scharniereinheiten zu haben, um die mit der Biegeaktion verbundenen mechanischen Spannungen zu verteilen und andererseits aber nicht so viele Scharniereinheiten zu haben, dass das Scharnier plump wird oder der Biegungswinkel so ungleichmäßig zwischen den Scharniereinheiten verteilt ist, dass eine oder mehrere der Scharniereinheiten nicht wirken oder für jeden beliebigen Zweck geeignet sind. Das Design und die vorgesehene Verwendung des mit einem Scharnier versehenen Gegenstands ist ein Faktor bei der Auswahl eines bestimmten Designs. Die meisten mit einem Scharnier versehenen Behälter müssen mindestens genügend dauerhaft bzw. beständig, dass sie nach dem Schließen ohne Versagen geschlossen bleiben. Während ein Scharnier, das nur einmal geschlossen werden kann, für bestimmte Anwendungszwecke eine genügende Dauerhaftigkeit hat, sind die Scharniere vorzugsweise genügend dauerhaft, um wiederholt geöffnet und geschlossen zu werden.
Die 4–7 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nämlich einen Behälter mit einer Scharnierstruktur mit zwei Falten bzw. Rillen. Die 4 ist eine perspektivische Ansicht eines offenen faltbaren bzw. klappbaren Behälters mit einer doppelten mit einer Falte versehenen Scharnierstruktur. Die 5 ist eine perspektivische Ansicht des in 4 gezeigten faltbaren bzw. klappbaren Behälters in geschlossener Position. Der Gegenstand 20 der 1–5 ist ein faltbarer bzw. klappbarer Behälter, der ein Beispiel eines mit einem Scharnier versehenen Behälters ist, der mindestens genügend dauerhaft sein muss, dass er, nachdem er einmal geschlossen worden ist, ohne Versagen verschlossen bleibt und der vorzugsweise mindestens einmal ohne Versagen geöffnet werden kann. Jedoch sind diese und andere Behälter, die hierin beschrieben werden, vorzugsweise genügend dauerhaft, dass sie mehrere Male geöffnet und geschlossen werden können.
Der faltbare bzw. klappbare Behälter hat eine Scharnierstruktur oder -einheit 200. Die Scharnierstruktur 200 umfasst drei integrale Segmente mit Einschluss eines flexiblen Biegebereichs 202 zwischen einem oberen Arm 204 und einem Bodenarm 206. Der obere Arm 204 und der Bodenarm 20b sind starrer als der flexible Biegungsbereich 202. Der obere Arm 204 ist auch ein integrales Segment einer Oberseite 214 des Behälters 20 und der Bodenarm ist auch ein integrales Segment des Bodens 216. Demgemäß sind die obere Seite 214 des Behälters 20 und der Boden 216 des Behälters 20 integral durch die Scharnierstruktur 200 miteinander verbunden. Diese Scharnierstruktur ist ein Beispiel einer Scharniereinrichtung zum Öffnen und zum Schließen des Behälters durch Drehung der Oberseite und des Bodens relativ zueinander an der Scharniereinrichtung über einen Biegungswinkel.
Die 6 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Querschnitts der Scharnierstruktur 200, die in der 4 in offener Position gezeigt worden ist. Die 7 ist eine vergrößerte schematische Darstellung des Querschnitts einer Scharnierstruktur 200, nachdem sie, wie in 2, zu einer geschlossenen Position gefaltet worden ist.
Die in den 6 und 7 gezeigten Querschnittsansichten zeigen die stärkegebundene zelluläre Matrix der Scharnierstruktur 200. Die stärkegebundene zelluläre Matrix hat einen inneren zellulären Kern 220 zwischen einem inneren Hautteil 224 und einem äußeren Hautteil 226. Der innere zelluläre Kern 220 ist von dem inneren Hautteil 224 und dem äußeren Hautteil 226 unterscheidbar, da der innere zelluläre Kern 220 eine Porosität hat, die erheblich größer ist als die Porosität des inneren Hautteils 224 und des äußeren Hautteils 226. Demgemäß sind der innere Hautteil 224 und der äußere Hautteil 226 erheblich dichter als der innere zelluläre Kern 220.
Zwei im Wesentlichen parallele Vertiefung oder Falten bzw. Rillen 230a und 230b sind innerhalb der Scharnierstruktur 200 angeordnet. Die Falten bzw. Rillen 230a und 230b sind in der stärkegebundenen zellulären Matrix auf der gleichen Seite der Scharnierstruktur 200 wie der Innenhautteil 224 gebildet. Daher sind die Falten bzw. Rillen 230a und 230b direkt in dem inneren Hautteil 224 angeordnet. Die Falten bzw. Rillen 230a und 230b ergeben saubere Biegungslinien, um die das Scharnier 200 gebogen wird und die innere Haut 224 kollabiert oder knickt während des Verschließens des Behälters 20 ab.
Die Falten bzw. Rillen 230a und 230b sind durch eine Wölbung 232, die gleichfalls innerhalb des inneren Hautteils 224 vorliegt, im Abstand getrennt. Die Falten bzw. Rillen 230a und 230b und der Bereich der Scharnierstruktur 200, der die Falten bzw. Rillen 230a und 230b umgibt, sowie die Wölbung 232 definieren den Biegebereich 202.
Der innere Hautteil 224 hat eine Dicke an den Falten bzw. Rillen 230a und 230b und darum herum, die geringer ist als die Dicke des äußeren Hautteils 226, insbesondere des Abschnitts der äußeren Haut 226, die gegenüber der Falte bzw. Rille 230a und 230b angeordnet ist. Im Allgemeinen ist es so, dass die Dicke des inneren Hautteils 224 innerhalb des gesamten Biegebereichs 202 kleiner ist als die Dicke des äußeren Hautteils 226 in dem Biegebereich 202.
Jede Falte bzw. Rille schließt auch einen Basispunkt ein. Die Basispunkte der Falten bzw. Rillen 230a und 230b werden als 234a und 234b identifiziert. Die einander gegenüberliegenden Basispunkte 234a und 234b sind zwei im Wesentlichen parallele flache Nuten bzw. Rillen 236a und 236b innerhalb des äußeren Hautteils 226, die im Vergleich zu den Falten bzw. Rillen 230a und 230b erheblich flacher sind. Die Nuten bzw. Rillen 236a und 236b wirken als Biegeinitiatoren während der Biegeaktion, indem eine Elongationsverteilung in einem gewünschten lokalisierten Bereich des äußeren Hautteils 226 geschaffen wird.
Die Biegefähigkeit der Scharnierstruktur 200 wird am besten aus der 7 ersichtlich, die schematisch einen Querschnitt einer Scharnierstruktur 200 nach dem Falten zu einer geschlossenen Position darstellt. Ein erheblicher Teil des Biegebereiches 202 erfährt entweder eine Kompression oder eine Elongation, wenn die Scharnierstruktur 200 durch die sich gegeneinander drehenden Arme 204 und 206 gefaltet wird. Obgleich sich der größte Teil des Biegungsbereichs 202 während des Faltens bewegt, findet die stärkste Bewegung doch bei oder um die jeweiligen Bereiche zwischen den Basispunkten 234a und 234b und den Falten bzw. Rillen 236a und 236b, die Hälse 240a und 240b sind, statt. Genauer gesagt, die stärkste erhebliche Kompression des inneren Hautteils 224 und Elongation des äußeren Hautteils 226 erfolgt in dem Bereich der Hälse 240a und 240b. Die Dicke der Hälse 240a und 240b wird vorzugsweise auf der Basis des Gemisches und des Scharnierdesigns optimiert, um zu gestatten, dass sich der innere zelluläre Kern 220 während des Faltens des Scharniers und der äußeren Haut 226 komprimiert, um sich ohne Brechen zu dehnen. Um die Kompression und die Spannungen, die in dem Biegungsbereich 202 auftreten, zu minimieren, sind die Hälse 240a und 240b vorzugsweise signifikant dünner als die angrenzenden Abschnitte, wie die Arme 204 oder 206 oder die Wölbung 232.
Die relative Dicke der Hälse 240a und 240b wird am besten unter Bezugnahme auf die Dicke des inneren zellulären Kerns 220 an den Hälsen 240a und 240b im Vergleich zu der Dicke des inneren zellulären Kerns 220 in anderen Abschnitten der Scharnierstruktur 200, wie den Armen 204 und 206, beschrieben. Die Dicke des inneren zellulären Kerns 220 an den Hälsen 240a und 240b ist signifikant kleiner als die Dicke des inneren zellulären Kerns 220 an den Armen 204 und 206 und sie ist auch im Allgemeinen kleiner als in anderen Bereichen des Biegebereiches 202. Jedes beliebige Verhältnis der Dicke des inneren zellulären Kerns 220 in den Armen 204 und 206 zu der Dicke des inneren zellulären Kerns 220 in den Hälsen 240a und 240b liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Es wird jedoch ein Bereich von etwa 1 : 10 bis etwa 1 : 1,5 bevorzugt und ein solcher von 1 : 4 bis etwa 1 : 2 wird mehr bevorzugt und ein Verhältnis von etwa 1 : 3 wird am meisten bevorzugt.
Wie in den 6 und 7 gezeigt wird, wird der durch den äußeren Hautteil 226 erfahrene Biegungsradius stark aufgrund der Falten bzw. Rillen 230a und 230b verringert. Der Biegungsradius wird weiter als Ergebnis der verringerten Dicke des inneren Hautteils 224 am Biegungsbereich 220 im Vergleich zu den mit Falten versehenen Scharnieren verringert, in denen der innere Hautteil keine verringerte Dicke im Vergleich zu dem äußeren Hautteil 226 hat. Eine Verringerung des Biegungsradius des Scharniers vermindert die Gesamtspannungen oder die Elongation, die der äußere Hautteil 226 erfährt. Die verringerte Dicke des inneren Hautteils 224 an dem Biegebereich 202, genauer gesagt, an den Falten bzw. Rillen 230a und 230b, verstärkt die Fähigkeit des inneren Hautteils 224 zu einer Komprimierung, was seinerseits die Spannungen auf den äußeren Hautteil 226 verringert, wenn die Scharnierstruktur gebogen wird.
Im Allgemeinen liegt der Radius des Biegens der Scharnierstruktur vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,005" bis etwa 0,050", mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,010" bis etwa 0,035" und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,015" bis etwa 0,025".
Die allgemeine Gestalt der Scharnierstruktur 200 resultiert aus der Gestalt der Form, die dazu eingesetzt wird, die Scharnierstruktur 200 zu bilden, während die Dicke der Haut von der Verwendung einer Form herrührt, die das Wasser langsamer in dem Bereich entfernt, wo es gewünscht wird, eine dünnere Haut zu haben, wie in der Innenseite des Scharniers.
Zusätzlich zu der Verwendung von mindestens zwei im Wesentlichen parallelen Falten bzw. Rillen, wie es in den 4–7 gezeigt wird, kann auch eine einzige Falte bzw. Rille oder es können zusätzliche Falten bzw. Rillen ebenfalls verwendet werden. Ein Scharnier mit einer Falte bzw. Rille oder mehreren Falten bzw. Rillen definiert eine Biegelinie oder einen Scheitel eines Biegungswinkels, gesehen von der Bewegung der Oberseite 214 des Behälters 20 relativ zu der Bewegung des Bodens 216 des Behälters. Der Ort des Scheitels hängt von dem bestimmten Design und der Anzahl der verwendeten Falten bzw. Rillen ab. Bei Verwendung von mehreren Falten bzw. Rillen steht der Ort der Biegelinie oder des Scheitels mit dem Ort und mindestens zwei Umdrehungspunktbereichen in Verbindung, da sich die Arme an zwei Stellen drehen können. So zeigen die 6 und 7 z. B. zwei Drehungspunktbereiche 242a und 242b, die in jedem jeweiligen Hals und um die Basis jeder jeweiligen Falte bzw. Rille, an der sich die Arme drehen, herum angeordnet sind.
Eine Scharnierstruktur, die mit drei Falten bzw. Rillen gebildet worden ist, um ein ähnliches Design wie die Scharnierstruktur 200 zu haben, würde weiterhin eine zusätzliche Wölbung 234 haben, um ein Abstandselement zwischen jeder Falte bzw. Rille zu ergeben und sie würde drei Drehungspunktbereiche haben. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine Scharnierstruktur mit mehrfachen Falten bzw. Rillen und ohne eine Wölbung zwischen den Paaren der Falten bzw. Rillen zu bilden, indem die Falten bzw. Rillen in bündiger Position angeordnet werden.
V. NACH DER BILDUNG ERFOLGENDE BEHANDLUNGEN
A. Behandlung des inneren Hautteils des Scharnierbereichs mit Glycerin oder anderen Polyolen zur Verbesserung der Kollabierbarkeit
Die innere Haut enthält vorzugsweise Erweichungsmittel, um die Fähigkeit der inneren Haut zu komprimieren, zu kollabieren oder abzuknicken zu erhöhen. Ein Beispiel eines Erweichungsmittels ist ein Polyol in Kontakt mit der inneren Haut. Demgemäß wird vorzugsweise der innere Hautteil eines Scharniers mit einem Polyol mit Einschluss von Polyollösungen wie wässrigem Glycerin behandelt. Ein derzeit bevorzugtes Polyol ist Glycerin, was auf seine Wirksamkeit, seine niedrigen Kosten, seine Löslichkeit in Wasser und seine leichte Anwendbarkeit zurückzuführen ist. Gleichwohl liegt jedes beliebige andere Polyol, das dahingehend wirken kann, dass es den inneren Hautteil des Scharniers erweicht, im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Andere geeignete Polyole schließen, jedoch ohne Begrenzung darauf, Polyethylenglycole, Propylenglycol, Polypropylenglycole und Sorbit ein. Während auch zu erwarten wäre, dass Ethylenglycol wirkt, sollte dieses jedoch nicht in Behältern verwendet werden, die mit Nahrungsmittel oder Getränken in Kontakt kommen, und zwar aufgrund seiner Toxizität.
Polyole wie Glycerin wirken dahingehend, dass sie den inneren Hautteil oder einen beliebigen anderen behandelten Teil erweichen und weich machen, was die Fähigkeit der inneren Haut zu komprimieren, zu falten oder zu kollabieren erhöht. Der erweichende und weich machende Effekt der Behandlung mit dem Polyol ist permanent, wenn nichtflüchtige Polyole verwendet werden, und zwar selbst dann, wenn der Behälter später weiten Schwankungen in der relativen Feuchtigkeit der Umgebung ausgesetzt sind. Eine verstärkte Kompression und ein verstärktes Kollabieren des inneren Hautteils des Scharniers macht dieses elastischer und dauerhafter, derart, dass der innere Hautteil wiederholt kollabieren oder abknicken kann und dann ohne Bruch des inneren Hautteils wieder ausgedehnt werden kann.
Weiterhin begünstigt die Herstellung eines leichter kollabierbaren inneren Hautteils den äußeren Hautteil, indem die Dehnung der äußeren Haut verringert wird, da ein leichter kollabierter innerer Hautteil zu einem kürzeren Biegungsradius für den äußeren Hautteil führt. Dies verringert die Spannungen auf den äußeren Hautteil, was die Tendenz des äußeren Hautteils zu brechen verringert und die Lebensdauer des Scharniers erhöht.
Polyole sind im Allgemeinen hygroskopisch und sie wirken als Befeuchtungsmittel, indem sie den Feuchtigkeitsgehalt in der Stärke nach der Behandlung des Gegenstands auf Stärkebasis regulieren. Genauer gesagt, das Polyol gestattet es, dass der Gegenstand auf Stärkebasis eine gewünschte Menge an Feuchtigkeit unter Umgebungsbedingungen je nach der verwendeten Menge des Polyols zur Behandlung des Gegenstands absorbiert und/ oder beibehält. Im Allgemeinen ermöglichen es alle beliebigen Polyole, dass der Gegenstand auf Stärkebasis, und zwar insbesondere die Haut der stärkegebundenen zellulären Matrix, mehr Feuchtigkeit unter Umgebungsbedingungen beibehält als Gegenstände, die nicht mit einem Polyol behandelt worden sind.
Die Polyole wirken auch dahingehend, dass sie die Struktur der stärkegebundenen zellulären Matrix stabilisieren. Nachdem ein stärkegebundener Gegenstand mit einem Polyol behandelt worden ist, neigt er dazu, Verwerfungen oder anderen Dimensi onsveränderungen verlässlicher zu widerstehen, wenn er weiterhin einer Oberflächenfeuchtigkeit wie Wasserdampf oder flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Ein weiteres Aussetzen einer Oberflächenfeuchtigkeit kann von einer hohen relativen Feuchtigkeit, von einem Kontakt mit Nahrungsmitteln oder Getränken oder durch Aufbringung von Überzügen auf Wasserbasis herrühren.
Während es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, 100% Glycerin oder anderes Polyol einzusetzen, wird das Glycerin doch vorzugsweise mit Wasser verdünnt, was die Fähigkeit des Polyalkohols erhöht, in den Artikel auf Stärkebasis einzudringen. Im Allgemeinen erfolgt eine optimale Eindringung, wenn die Viskosität der Glycerinlösung durch Verdünnung des Glycerins mit Wasser auf einen Wert von unterhalb etwa 10 cps verringert wird. Weiterhin ist das Wasser sofort verfügbar, um den Feuchtigkeitsgehalt der stärkegebundenen Matrix zu erhöhen. Demgemäß umfasst eine bevorzugte wässrige Glycerinzusammensetzung mindestens etwa 15% Glycerin, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Lösung, und mehr bevorzugt mindestens etwa 25% Glycerin, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Lösung. Solange wie das Glycerin in einer Menge von mindestens 15% zugesetzt wird, wird der Gegenstand gegen die Tendenz des Wassers stabilisiert, eine Verwerfung des Gegenstands zu bewirken.
Alle beliebigen Beschichtungstechniken, die im Stand der Technik bekannt sind, liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung und sie können dazu angewendet werden, Glycerin oder andere Polyole auf die Artikel auf Stärkebasis aufzubringen und zwar insbesondere auf den inneren Hautteil des Scharniers. Das Glycerin kann beispielsweise durch Aufsprühen oder Aufstreichen von Glycerin auf die Oberfläche oder durch Ein tauchen des Gegenstands in einen Glycerin enthaltenden Trog aufgebracht werden.
Im Allgemeinen liegt die Menge des auf die Oberfläche der geformten stärkegebundenen Gegenstände, insbesondere den inneren Hautteil des Scharniers, aufgebrachte Menge an Glycerin in einem Bereich von etwa 1 × 10^–4 g/cm² bis etwa 4,5 × 10^–4 g/cm², mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 1,5 × 10^–4 g/cm² bis etwa 2,5 × 10^–4 g/cm². Demgemäß wird es derzeit im Fall eines faltbaren bzw. klappbaren Behälters, der für das Servieren von Hamburgern verwendet wird, bevorzugt, etwa 0,05 g eines 50/50-Gemisches von Glycerin und Wasser auf den inneren Hautteil des Scharniers so aufzubringen, so dass dieser netto mit etwa 0,025 g Glycerin behandelt wird.
Glycerin wird am wirtschaftlichsten als Flüssigkeit bei Umgebungsbedingungen aufgebracht. Es kann jedoch auch bei erhöhten Temperaturen aufgebracht werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Glycerin auf einen Gegenstand auf Stärkebasis bei ungefähr der gleichen Temperatur aufgebracht, bei der der Gegenstand gebildet wird. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Gegenstände auf Stärkebasis, die geformt worden sind und die auf Umgebungsbedingungen abkühlen gelassen worden sind, wieder zu erhitzen. Für Gegenstände auf Stärkebasis, die unter Anwendung der bevorzugten Zusammensetzungen und Verfahren wie oben angegeben geformt worden sind, wird die Eindringung des Glycerins optimiert, wenn der Gegenstand eine Temperatur in einem Bereich von etwa 80°C bis etwa 90°C hat und wenn das Glycerin auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 80°C bis etwa 90°C erhitzt wird.
Im Allgemeinen sind die behandelten Gegenstände nun zur Verwendung bereit, oder sie können sofort oder kurz nach der Behandlung mit Glycerin weiter behandelt werden. Wenn jedoch wässrige Lösungen, die höhere Konzentrationen an Wasser haben, verwendet werden, dann kann es zweckmäßig sein, den Gegenstand vor der weiteren Behandlung oder vor dem Gebrauch einem weiteren Trocknen zu unterwerfen.
B. Aufbringung von elastomeren Überzügen, um den äußeren Hautteil der Scharnierstruktur zu verfestigen
Der äußere Hautteil des Scharniers schließt vorzugsweise ein Verfestigungsmittel zur Erhöhung der Fähigkeit der äußeren Haut, sich beim Bruch auszudehnen, ein. Ein Beispiel eines Verfestigungsmittels ist ein elastomerer Überzug auf dem äußeren Hautteil des Scharniers wie Polyvinylalkohol. Polymere Überzüge liefern eine Verstärkung, um die Tendenz des Scharniers, aufgrund von Spannungen und einer Ausdehnung der stärkegebundenen zellulären Matrix zu brechen, zu verringern. Dies erhöht die Lebensdauer des Scharniers. Elastomere Überzüge dienen auch dazu, den äußeren Hautteil des Scharniers zusammenzuhalten, wenn tatsächlich kleinere Frakturen in der stärkegebundenen zellulären Matrix auftreten sollten. Die elastomeren Überzüge können unter Verwendung von allen beliebigen Beschichtungsvorrichtungen oder -mitteln, die im Stand der Technik bekannt sind, aufgebracht werden.
Weiterhin blockieren polymere Überzüge den Eintritt von Feuchtigkeit in den äußeren Hautteil, wodurch eine Struktur- und Oberflächenschutzwirkung gegenüber einer Deformation, einem Kollabieren oder einem Bruch als Ergebnis von zerstörenden Gehalten von Feuchtigkeit, denen der mit dem Scharnier versehene Gegenstand ausgesetzt sein kann, verliehen wird.
Der elastomere Überzug trägt weiterhin dazu bei, die Feuchtigkeit innerhalb der stärkegebundenen Matrix beizubehalten, wodurch ein gewünschtes Ausmaß der Weichheit und der Haltbarkeit aufrecht erhalten wird, so dass das Scharnier im Lauf der Zeit nicht übermäßig getrocknet und brüchig wird.
Die elastomeren Überzüge sind vorzugsweise auf der Basis von Wasser aufgebaut und sie enthalten entweder ein synthetisches oder ein natürliches Polymeres. Der elastomere Überzug ist vorzugsweise nicht toxisch, wenn er in Behältern und Verpackungsmaterialien verwendet wird, die in Kontakt mit Nahrungsmitteln oder Getränken kommen. Beispiele für Materialien für den elastomeren Überzug, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, schließen Polyvinylalkohol, Polymilchsäure, natürlichen Latex und Gemische davon ein. Der elastomere Überzug ist vorzugsweise eine wasserlösliche oder wassergetragene Emulsion, so dass er mittels einer wässrigen Lösung oder Emulsion aufgetragen werden kann. Das elastomere Überzugsmaterial auf Wasserbasis kann gegebenenfalls ein Polyol wie Glycerin für eine erhöhte Stabilisierung der stärkegebundenen Matrix, auf die der elastomere Überzug aufgebracht wird, enthalten. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, anorganische Füllstoffe wie Kaolin, hochdisperses Siliciumdioxid, Calciumcarbonat oder Talg zuzusetzen, um den Glanz der Überzüge zu verringern. Wenn es darin enthalten ist, dann hat das hoch disperse Siliciumdioxid vorzugsweise eine Konzentration in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 3 Gew.-% der Beschichtungszusammensetzung, und mehr bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-%.
Für einen zum Servieren von Hamburgern verwendeten faltbaren bzw. klappbaren Behälter wird es derzeit bevorzugt, als Beschichtungsmaterial wässrigen Polyvinylalkohol, enthaltend 60% Polyvinylalkohol, 20% Weichmacher (wie Harnstoff) und 20% Wasser, zu verwenden, so dass etwa 0,2 g bis etwa 1,8 g Beschichtungsmaterialien auf den Gegenstand aufgebracht werden, und mehr bevorzugt eine Menge davon in einem Bereich von etwa 0,3 g bis etwa 1,2 g und am meisten bevorzugt eine Menge davon in einem Bereich von etwa 0,4 g bis etwa 0,8 g. Derzeit wird es bevorzugt, ein handelsübliches Beschichtungsmaterial aus Polyvinylalkohol zu verwenden, das einen unbekannten Weichmacher enthält und das von der Firma Planet Polymer erhalten worden ist. Das Beschichtungsmaterial wird vorzugsweise mit etwa 20% Wasser verdünnt.
VI. BEISPIELE VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Untenstehend werden Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele angegeben, die die Ergebnisse von Versuchen enthalten, bei denen Gegenstände mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix mit einem Scharnier oder einem flexiblen Bereich verwendet wurden. Die Beispiele schließen Tests auf verschiedene physikalische Konfigurationen sowie die Wirkung von nach der Bildung erfolgenden Behandlungen, beispielsweise einer Glycerinbehandlung des inneren Hautteils des Scharniers oder die Aufbringung eines polymeren Überzugs auf den äußeren Hautteil des Scharniers, ein.
Beispiel 1
Ein Scharnier wurde in der Weise gebildet, dass ein Gemisch auf Stärkebasis in einer zweiteiligen Form aus Aluminium geformt wurde. Die zweiteilige Form enthielt eine positive Form aus Aluminium mit einem Polyetheretherketon-Formungsstreifen entsprechend der inneren Oberfläche der Scharnierstruktur. Der Formungsstreifen hatte zwei 90°-„V"-förmige Ausdehnungen oder eine „W"-förmige Ausdehnung. Die „W"-förmige Ausdehnung bestand im Wesentlichen aus zwei parallelen Graten. Die negative Form aus Aluminium hatte zwei kleine Vorsprünge, die mit den Spitzen des „W" ausgerichtet waren, die jedoch die Spitzen nicht berührten, wenn die Form geschlossen wurde.
Eine Mikrophotographie eines Abtastelektronenmikroskops eines Querschnitts des Scharniers, gebildet aus einem Gemisch auf Stärkebasis ist in 8 gezeigt. Das Scharnier ist in gerader Position vor dem Falten gezeigt. Die obere Oberfläche des Scharniers in der 8, die die innere Haut des Scharniers ist, wird von der „W"-förmigen Polyetheretherketonausdehnung gebildet. Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit oder der hohen Isolierungseigenschaften des Polyetheretherketons im Vergleich zu den Aluminiumoberflächen der Form ist der innere Hautteil des Scharniers dünner als der äußere Hautteil des Scharniers in der 8.
Nach der Bildung des Scharniers wurde die äußere Haut des Scharniers mit einer dünnen Schicht von Polyvinylalkohol beschichtet. Eine kleine Menge Glycerin wurde auf die innere Haut des Scharniers aufgebracht. Das Scharnier wurde dann, wie in 9 gezeigt, gebogen. Letztere ist eine Mikrophotographie eines Abtastelektronenmikroskops des Querschnitts des gebogenen Scharniers. Die 9 weist gestrichelte Linien auf, die grob das Segment 300 des Gegenstands angeben, das die größte Kompression und Dehnung beim Falten des Scharniers erfährt. Der Teil 300 entspricht grob dem Biegungsbereich 202.
Die Konfiguration des gebogenen Scharniers in der 9 zeigt, dass die innere Haut in dem Segment 300 dazu fähig ist, ohne einen wesentlichen Bruch zusammengepresst zu werden und dass die äußere Haut nicht bricht, wenn sie ausgedehnt wird. Offenbart wirkt das Glycerin als Weichmacher und Erweichungsmittel, um die Fähigkeit der dünnen inneren Haut weiter zu erhöhen, zusammengepresst zu werden, während der Polyvinylalkohol die Fähigkeit der äußeren Haut verstärkt, ohne Bruch gedehnt werden zu können. Das Scharnier wurde mehrere Male geöffnet und geschlossen, ohne dass ein Versagen erfolgte, was zeigt, dass das Scharnier für den wiederholten Gebrauch genügend haltbar war. Demgemäß bestätigte der Test, dass Probleme, die mit der Bildung eines mit einem Scharnier versehenen Gegenstands auf Stärkebasis in einer Metallform assoziiert sind, dadurch überwunden wurden, dass die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung in der Form variiert wurde, um einen Teil des Scharniers mit einer dünneren Haut zu erzeugen, und dann die Biegefähigkeit des Scharniers verstärkt wurde, indem die innere Haut mit Glycerin behandelt wurde und die äußere Haut mit einem Polyvinylalkoholüberzug überzogen wurde.
Beispiel 2
Ein Gemisch auf Stärkebasis wurde in einer Form, gebildet aus Aluminium und mit einem abgerundeten Segment, das aus Silikonkautschuk hergestellt worden war, verformt, um das Ergebnis der Verformung des Gemisches in einer Form mit zwei unterschiedlichen Oberflächenmaterialien auf die Dicke der Haut zu identifizieren. Eine Mikrofotographie eines Abtastelektronenmikroskops des Querschnitts des in der Form gebildeten Gegenstands ist in 10 gezeigt. Die Dicke der Haut 310 des Gegenstands, die sich in Kontakt mit dem Aluminium befand, wurde gemessen und als etwa 250 μm festgestellt. Die Dicke der Haut 312 des Gegenstands in Kontakt mit dem Silikonkautschuk wurde gemessen und als etwa 100 μm ermittelt. Die Po sition des Silikonkautschukelements während des Verformens wird durch das Bezugszeichen 314 angegeben. Der Versuch zeigte, dass die Differenz der thermischen Leitfähigkeit zwischen dem Aluminium und dem Silikonkautschuk ein Wand-Dicke-Verhältnis von etwa 2,5 : 1 ergab.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurde ein Experiment mit einem Streifen oder einer Folie mit einer stärkegebundenen zellulären Matrix und einer inneren Haut, die ungefähr genauso dick war wie die äußere Haut, durchgeführt, um die Biegungsfähigkeit des Scharniers in dem Streifen nach dem Beschichten der inneren Haut mit Glycerin zu beobachten. Die innere Haut und die äußere Haut des Streifens hatten eine Dicke vergleichbar der des Streifens in einer Form gebildet worden war, die nur eine Aluminiumoberfläche und keinerlei Strukturen zur Bildung von Vertiefungen oder Rillen hatte. Das Glycerin wurde auf die innere Haut des Streifens auf Stärkebasis aufgebürstet und etwa eine Stunde lang einsickern gelassen, um die Fähigkeit der inneren Haut, abzuknicken, zu erhöhen.
Nach der Behandlung der inneren Haut des Streifens mit Glycerin wurde diese, wie in der 11 gezeigt wird, gebogen. Die 11 ist eine Mikrofotographie eines Abtastelektronenmikroskops des Querschnitts des gebogenen Streifens. Die 11 hat gestrichelte Linien, die grob den Teil 320 des Streifens darstellen, der die meiste Kompression und Dehnung beim Falten des Streifens erfährt. Während das Glycerin die Knickfähigkeit verstärkte, wurde gefunden, dass diejenige Menge von Glycerin, die erforderlich war, um ein genügendes Abknicken zu bewirken, aufgrund der Dicke der inneren Haut eventuell im Konflikt mit der Funktionalität des Scharniers stand, da das Scharnier äußerst glitschig wurde, und zwar insbesondere dann, wenn es mit Mikrowellen bestrahlt wurde.
Die 12 stellt eine stärkere Vergrößerung des in 11 gezeigten Bilds dar, und insbesondere die innere Haut des Scharniers, wobei eine weiße Linie eine grobe Spur der inneren Haut darstellt, um das überschüssige Falten zu betonen, das auftritt. Die 12 zeigt, dass die Biegung nicht lokalisiert ist und dazu tendiert zu wandern, wodurch regionale Unregelmäßigkeiten bewirkt werden. Daraus kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Notwendigkeit für Glycerin vermieden oder zumindest minimiert werden kann, indem die Dicke der inneren Haut verringert wird. Es kann auch die Schlussfolgerung gezogen werden, dass das Biegen ohne einen Fokalpunkt oder Drehungspunkt, gebildet durch eine Vertiefung in dem Scharnier, nicht genügend kontrolliert wird.
Vergleichsbeispiel 2
Es wurde ein Versuch mit einem Scharnier in einem Behälter durchgeführt, das so ausgestaltet war, dass es einen lokalisierten Biegungspunkt und eine innere Haut hatte, die ungefähr genauso dick wie die äußere Haut des Scharniers war, um die Biegungsfähigkeit des Scharniers nach dem Beschichten der äußeren Haut mit Polyvinylalkohol zu beobachten. Der lokalisierte Biegungspunkt wurde dadurch erhalten, dass zwei parallele Vertiefungen in der inneren Haut gebildet wurden. Die innere Haut und die äußere Haut des Scharniers des Behälters hatten vergleichbare Dicken, wenn der Gegenstand in einer Form gebildet wurde, die eine Gesamtoberfläche aus Aluminium hatte. Polyvinylalkohol wurde auf die äußere Haut des Scharniers auf Stärkebasis aufgeschichtet.
Die 13 ist eine Mikrofotographie eines Elektronenabtastmikroskops des Querschnitts des Scharniers vor der Biegung. Die 14 ist eine schematische Darstellung des Bilds in 3, wobei die innere Haut 224 oder ein Teil derselben eindeutig zu dick oder nahezu so dick wie die äußere Haut 226 des Scharniers 200 ist. Die 13 zeigt auch, dass der innere zelluläre Kern 220 an den Hälsen unter den Basen 234a und 234b relativ dünn ist. Die 15 ist eine Mikrofotographie eines Elektronenabtastmikroskops des Querschnitts des Scharniers nach der Biegung.
Die 15 zeigt, dass das Falten lokalisiert war. Jedoch hatte das Scharnier eine schlechte Performance. Ein Bruch 380 trat in der äußeren Haut auf, wie in der 15 gezeigt wird. Der Bruch trat höchstwahrscheinlich aufgrund der relativen Dicke der inneren Haut auf, die einen großen Biegungswinkel ergab, wodurch auf der äußeren Haut übermäßige Spannungen erzeugt wurden. Die übermäßigen Spannungen können auch zum Bruch geführt haben, und zwar aufgrund der Unfähigkeit des zellulären Kerns 220 unterhalb eines oder beiden der Basen der Falten komprimiert zu werden, da der zelluläre Kern unter den Basen relativ dünn oder dicht war, wodurch seine Fähigkeit zur Zusammenpressung begrenzt wurde.
Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass eine dicke innere Haut die Biegungsfähigkeit eines Scharniers verringert, da dieses dann schwierig kollabieren kann. Weiterhin kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Faltungsfähigkeit eines Scharniers erhöht wird, indem ein Punkt für eine lokalisierte Faltung erzeugt wird, wenn der Faltungspunkt keinen Hals bildet, der so dünn und dicht ist, dass die Fähigkeit des zellulären Kerns zur Komprimierung verschlechtert wird.
Beispiel 3
Ein Test des Biegungswinkels wurde entwickelt, um den Effekt des Glycerins auf die Flexibilität der Scharniere auf Stärkebasis zu quantifizieren. Die 16 ist ein schematisches Diagramm einer Testvorrichtung, die zur Messung der Flexibilität der Scharniere auf Stärkebasis verwendet wurde. Der Test beinhaltete die Verwendung einer Klammer 400 zum Halten des Streifens 412 auf Stärkebasis auf einer Folie aus verschäumter Stärke an einem Ende 414 und dann die Biegung des Streifens 412 um einen Stift 416 herum durch Anwendung eines Moments am anderen Ende 418 des Streifens 412 durch einen gleitenden Stift 420 in einer kreisförmigen Laufrille 422. Die kreisförmige Laufrille 422 hatte Graduierungen für die Messung des Biegungswinkels. Der Biegungswinkel, über den die Streifen gebogen werden konnten, bevor visuell ein Riss auf der Zugseite oder der äußeren Oberfläche des mit dem Scharnier versehenen Teils jedes Streifens beobachtet wurde, wurde dann manuell notiert.
Die Streifen wurden aus der Basis eines zweiteiligen faltbaren bzw. klappbaren Behälters mit einer stärkegebundenen Matrix herausgeschnitten. Die Abmessungen der Streifen waren 15 mm × 80 mm. Die Streifen wurden mit einer Glycerin-Wasser-Lösung mit vier verschiedenen Gehalten besprüht und bei drei verschiedenen Bedingungen der relativen Feuchtigkeit ins Gleichgewicht äquilibrieren gelassen. Die Streifen hatten 0, 0,3 g, 0,6 g und 0,8 g der Lösung und sie wurden bei einer relativen Feuchtigkeit von 15%, 40% und 80% konditioniert. Die Proben wurden mit der beschichteten Seite in Kompression, die die Innenseitenoberfläche war, beim Biegen der Streifen getestet.
Die Ergebnisse des Tests sind in der in 17 gezeigten Tabelle zusammengestellt. Es wurde gefunden, dass die Flexibilität der Streifen durch Glycerin bei allen relativen Gehalten der Feuchtigkeit gesteigert wurde. Es wurde auch gefunden, dass 0,45 g Glycerin pro Teil ausreichend waren, um den Streifen eine extreme Flexibilität, sogar bei relativen Feuchtigkeitsbedingungen von nur 15%, zu verleihen. Nach der Behandlung der Streifen mit 0,45 g Glycerin pro Teil wurden die Streifen ohne Versagen zu dem maximal zulässigen Winkel von 135° gebogen.
Der erhöhte Feuchtigkeitsgehalt aufgrund des Glycerins war augenscheinlich nicht der einzige Faktor, der eine Erhöhung der Flexibilität bewirkte. Obgleich die Absorption von Feuchtigkeit bei höheren Werten der relativen Feuchtigkeit aufgrund des Glycerins die Flexibilität der Streifen weiter erhöhte, lag eine stark erhöhte Flexibilität selbst bei sehr niedrigen Werten der relativen Feuchtigkeit vor. Es kann daher die Schlussfolgerung gezogen werden, dass das Glycerin dazu beiträgt, die Eigenschaften des schaumförmigen Scharniers auf anderem Wege als lediglich durch eine Befeuchtung zu verbessern. Offenbar wirkt das Glycerin als Weichmacher oder Erweichungsmittel nach seinem eigenen Sinn.
Weiterhin zeigte der Test, dass Probleme, die mit der Viskosität von reinem Glycerin einhergehen, dadurch vermieden wurden, dass eine wässrige Lösung, umfassend 60 Gew.-% Glycerin, verwendet wurde, wie es angemessen war, um die Poren der Haut der Scharniere auf Stärkebasis zu durchdringen.
Beispiel 4
Die Testvorrichtung, die in 16 dargestellt ist, wurde dazu eingesetzt, um das Ergebnis der Behandlung der inneren Oberfläche oder der Kompressionsseite eines Scharniers in einem Streifen mit der äußeren Oberfläche oder der Zugseite des Scharniers in einem Streifen mit einer Matrix auf Stärkebasis zu vergleichen. Die Streifen wurden mit verschiedenen Gehalten einer Glycerin-Wasser-Lösung besprüht und dann bei einer relativen Feuchtigkeit von ungefähr 40% ins Gleichgewicht äquilibrieren gelassen.
Die Testergebnisse sind in der Tabelle der 18 zusammengestellt. Die Flexibilität der auf der inneren Oberfläche behandelten Streifen stieg nach der Behandlung mit mehr als etwa 0,2 g Glycerin pro Teil stark an und die Streifen wurden ohne Versagen zu dem maximal zulässigen Winkel von 135° gebogen. Die Flexibilität war für die gleichen Streifen nicht nahezu so signifikant verbessert worden, wenn die Zugseite behandelt und dann unter Spannung gesetzt wurde. Der Biegungswinkel für die Streifen, die auf ihrer Zugseite behandelt worden waren, betrug nur etwa 80°. Es wurde auch gefunden, dass die Abhängigkeit der Flexibilität davon, welche Oberfläche behandelt worden war, bei niedrigeren Beschichtungsgewichten von Glycerin am meisten auffällig war. Daher ist eine Behandlung der inneren Oberfläche erheblich wirksamer, selbst bei niedrigeren Gehalten von Glycerin im Vergleich zu der Behandlung der äußeren Oberfläche des gleichen Scharniers.
Beispiel 5
Die Erhöhung der Flexibilität, die von der Beschichtung der Gegenstände auf Stärkebasis mit elastomeren Überzügen resul tierte, wurde quantitativ dadurch bestimmt, dass der Biegungswinkel der beschichteten Gegenstände auf Stärkebasis mit der in 16 gezeigten Testvorrichtung bestimmt wurde. Zweiteilige, mit einem Scharnier versehene faltbare bzw. klappbare Behälter mit einem Gewicht von etwa 20 Gramm jeweils wurden in einer Aluminiumform mit einem Streifen aus Polyetheretherketon gebildet und dann mit Massen, enthaltend, auf das Gewicht bezogen, von etwa 1,5 Gramm bis etwa 3,5 Gramm, beschichtet. Die Überzüge bestanden aus einer Polyvinylalkohol (PVA)-Zubereitung der Firma Planet Polymer aus 17% Polyvinylalkohol, 28% Glycerin und 55% Wasser. Die Überzüge wurden unter Verwendung eines Heizschmelzsystems von Nordson und einer Gleitauskleidung aufgebracht. Die Beschichtungszubereitungen wurden bei Topf- und Kanonen-/Schlauchtemperaturen von 90°C bzw. 150°C aufgebracht. Nach dem Beschichten wurden die faltbaren bzw. klappbaren Behälter mehrere Tage lang bei Umgebungsbedingungen trocknen gelassen.
Streifen wurden von der Basis der zweiteiligen faltbaren bzw. klappbaren Behälter mit einer stärkegebundenen Matrix herausgeschnitten. Die Abmessungen der Streifen waren 7 cm × 2 cm und die Dicke betrug etwa 2,5 mm. Die Streifen wurden bei einer relativen Feuchtigkeit von etwa 30% etwa 2 Stunden lang in einer Feuchtigkeitskammer ins Gleichgewicht äquilibrieren gelassen. Die Streifen wurden aus der Kammer herausgenommen und unmittelbar gebogen, wobei die in 16 gezeigte Vorrichtung für den Biegetest verwendet wurde. Zwei der Streifen waren mit dem PVA-Überzug auf der unter Kompression gesetzten Seite beschichtet worden. Diese war die innere Oberfläche; zwei der Streifen waren mit dem PVA-Überzug auf der unter Zug gesetzten Seite beschichtet worden, die die äußere Oberfläche war. Ein Versagen wurde manuell als der Punkt notiert, bei dem klare Anzeichen einer Rissbildung festgestellt wurden.
Die Ergebnisse des Tests sind in der in 19 angegebenen Tabelle gezeigt. Die 19 zeigt den mittleren Biegungswinkel beim Versagen für zwei Paare gegenüber der Gesamtmenge des aufgebrachten Überzugs. Die 20 zeigt die gleichen Werte als Funktion nur des Glyceringehalts in dem Überzug. Der Biegungswinkel beim Versagen erhöhte sich mit ansteigenden Mengen des Überzugs, und der Biegungswinkel war immer dann höher, wenn die mit dem PVA beschichtete Seite unter Kompression war. Dies ist höchstwahrscheinlich auf den erweichenden und weich machenden Effekt des Glycerins (und des Wassers) zurückzuführen, der es gestattet, dass das Material unter Kompression gezogen wird, wodurch das Material auf der Kompressionsseite des Biegungspunkts kollabiert und die resultierende Spannung auf der Seite unter Zug minimiert wird. Der Biegungswinkel beim Versagen für alle getesteten Proben mit der PVA-Seite unter Kompression war höher als 55°, was der Winkel war, der bei einer konditionierten, nicht beschichteten Probe beobachtet worden war.
Aus dem Vorstehenden kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Aufbringung eines elastomeren Überzugs auf die äußere Oberfläche des Scharniers höchst effektiv ist, um das Scharnier zu verfestigen. Die Beschichtung der inneren Oberfläche des Scharniers ergab einen erheblich geringeren dramatischen Effekt auf die Haltbarkeit des Scharniers und deren Rückprallelastizität.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) mit einer Stärke-gebundenen zellulären Matrix, wobei das Verfahren umfasst: Formen einer wässerigen Mischung auf Stärke-Basis in eine gewünschte Form des Formkörpers (20) unter erhöhter Temperatur, um einen wesentlichen Anteil des Wassers aus der Mischung durch Verdampfen zu entfernen, und dadurch von der Stärke-gebundenen zellulären Matrix des Formkörpers (20), wobei die Formgebungsstufe das Ausbildens einer Scharnier-Struktur (200) innerhalb des Formkörpers umfasst, die Scharnierstruktur (200) eine innere Mantelschicht (224), eine äußere Mantelschicht (226), einen inneren zellulären Kern (220), der zwischen der inneren Mantelschicht (224) und der äußeren Mantelschicht (226) angeordnet ist, aufweist, und mindestens eine Vertiefungsrille (230a) in der inneren Mantelschicht (224), der innere zelluläre Kern (220) eine Dichte aufweist, die geringer ist als die Dichten der inneren (224) und äußeren (226) Mantelschichten, die innere Mantelschicht (224) und die äußere Mantelschicht (226) ausgebildet werden, indem man Wasser aus der inneren Mantelschicht (224) und der äußeren Mantelschicht (226) rascher als aus dem inneren zellulären Kern (220) entfernt; und Herausnehmen des Formkörpers (20), nachdem der Formkörper (20) Formstabilität erreicht hat.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe an die innere Mantelschicht (224) der Scharnier-Struktur (200) weniger Wärme pro Zeiteinheit abgibt als zur äußeren Mantelschicht (226) der Scharnier-Struktur (200), wobei die innere Mantelschicht (224) mit einer Dicke ausgebildet wird, die geringer ist als die Dicke der äußeren Mantelschicht (226).
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe durchgeführt wird unter Verwendung einer erhitzten Formvorrichtung (10), wobei die erhitzte Formvorrichtung (10) vorzugsweise ein Formband (100) aufweist, das der inneren Mantelschicht (224) der Scharnier-Struktur (200) entspricht und ein verringertes Wärmediffusionsvermögen im Vergleich zum Rest der Formvorrichtung besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe eine Mehrfachscharnier-Struktur mit mindestens zwei Rillen (230a, 230b) in der inneren Mantelschicht (224) der Scharnier-Struktur (200) ergibt.
Verfahren zur Herstellung des Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe eine äußere Mantelschicht (226) der Scharnier-Struktur (200) ergibt, die mindestens eine Biegeinitiierungsrille (236a) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, das ferner die Stufe des Behandelns der inneren Mantelschicht (224) der Scharnier-Struktur (200) mit einem Polyol umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 6 definiert, wobei das Polyol mindestens ein solches ist, das ausgewählt ist aus Glycerin, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol, Sorbit, und Mischungen davon.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 6 definiert, worin das Polyol mittels einer wässerigen Polyol-Lösung appliziert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, das ferner die Stufe des Applizierens einer elastomeren Beschichtung auf die äußere Mantelschicht (226) der Scharnier-Struktur (200) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 9 definiert, wobei die elastomere Beschichtung mindestens eine solche ist ausgewählt aus Polyvinylalkohol, Polymilchsäure, natürlichem Latex, Derivaten davon, und Mischungen davon.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, das ferner die Stufe des Applizierens eines Beschichtungsmaterials auf Wachs-Basis auf den Formkörper (20) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (20) wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe einen zweischaligen Behälter ergibt.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 1 definiert, worin die Formgebungsstufe eine innere Mantelschicht (224) ergibt, die eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke der äußeren Mantelschicht (226).
Farmkörper (20), der einen integrierten Formkörper mit einer Stärke-gebundenen zellulären Matrix aufweist, wobei der Formkörper eine erste Hälfte (214) aufweist, die mit einer zweiten Hälfte (216) mittels einer Scharnier-Struktur (200) verbunden ist, die mit der ersten und zweiten Hälfte (214, 216) integriert ausgebildet ist, und die auch die Stärke-gebundene zelluläre Matrix aufweist, wobei die Scharnier-Struktur (200) Mittel zum Drehen der ersten und zweiten Hälfte (214, 216) relativ zueinander an der Scharnier-Struktur (200) aufweist, die Scharnier-Struktur (200) eine innere Mantelschicht (224) aufweist, die von einer äußeren Mantelschicht (226) durch einen dazwischenliegenden zellulären Kern (220) getrennt ist, die innere Mantelschicht (224) eine Rille (230a) aufweist, wodurch die Scharnier-Struktur an der Rille (230a) einen geringeren Querschnitt aufweist.
Formkörper nach Anspruch 14, worin die innere Mantelschicht (224) mit einem Weichmacher behandelt wurde, um der inneren Mantelschicht (224) eine erhöhte Biegbarkeit oder Klappbarkeit während des Biegens der Scharnier-Struktur zu verleihen.
Formkörper nach Anspruch 15, worin der Weichmacher ein Polyol umfasst, und das Polyol vorzugsweise mindestens ein solches ist aus der Gruppe Glycerin, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol, Sorbit, und Mischungen davon.
Formkörper nach Anspruch 14, wobei die äußere Mantelschicht (226) mit einer Beschichtung behandelt wurde.
Formkörper nach Anspruch 17, worin die Beschichtung mindestens eine solche aufweist ausgewählt aus Polyvinylal kohol, Polymilchsäure, natürlichem Latex, Derivaten davon, und Mischungen davon.
Formkörper nach Anspruch 17, worin das Beschichtungsmaterial die Festigkeit der äußeren Mantelschicht (226) der Scharnier-Struktur (200) erhöht.
Formkörper nach Anspruch 14, worin der geringere Querschnitt an der Rille (230a) den Biegewinkel der Scharnier-Struktur (200) verringert, wodurch die Belastung an der äußeren Mantelschicht (226) während des Biegens der Scharnier-Struktur (200) verringert wird.
Formkörper nach Anspruch 14, worin die Scharnier-Struktur (200) ferner eine oder mehrere zusätzliche Rinne(n) (230b) aufweist, die im wesentlichen parallel zur Rille (230a) ist (sind), um eine Mehrfach-Scharnier-Struktur auszubilden.
Formkörper nach Anspruch 21, worin die Scharnier-Struktur (200) ferner eine Schwellung (232) zwischen der Rille (230a) und der einen oder mehreren zusätzlichen Rille (n) (230b) aufweist.
Formkörper nach Anspruch 14, worin die innere Mantelschicht (224) und die äußere Mantelschicht (226) Dichten aufweisen, die im wesentlichen ähnlich sind.
Formkörper nach Anspruch 14, worin der Formkörper ein zweischaliger Behälter ist.
Formkörper nach Anspruch 24, worin der zweischalige Behälter eine Innenseite aufweist, die mit einer Wachs-Beschichtung behandelt wurde, um die Innenseite gegenüber Feuchtigkeit beständiger zu machen.
Formkörper nach Anspruch 14, worin die äußere Mantelschicht (226) eine bestimmte Dicke aufweist und die innere Mantelschicht (224) eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke der äußeren Mantelschicht (226).
Formkörper nach Anspruch 14, worin die Scharnier-Struktur (220) mindestens eine Biegeinitiierungsrille (236a) in der äußeren Mantelschicht (226) aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers (20) mit einer Stärke-gebundenen zellulären Matrix, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Formvorrichtung (10), die ein Material mit einem Wärmediffusionsvermögen aufweist, und so konfiguriert ist, dass die Formvorrichtung (10) eine wässerige Zusammensetzung auf Stärke-Basis in einem Formkörper (20) mit einer gewünschten Form formen kann, wobei die Formvorrichtung (10) Mittel zum Abgeben von Wasserdampf, der während des Formens der wässerigen Zusammensetzung auf Stärke-Basis gebildet wird, aufweist; Heizeinrichtungen (40) zum Erhitzen der Formvorrichtung (10) auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine wesentliche Menge an Wasser aus der wässerigen Zusammensetzung auf Stärke-Basis durch Verdampfung zu entfernen; Scharnier-ausbildende Mittel (62, 64), die innerhalb der Formvorrichtung angeordnet sind, um eine Scharnier-Struktur innerhalb des Formkörpers auszubilden, damit die Scharnier-Struktur mindestens eine Rille an einer Innenseite der Scharnier-Struktur aufweist; und Mittel (100) zur Verringerung der Wärmeübertragung, die innerhalb der die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) angeordnet sind, um die Wärmeübertragung von den die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) an die Innenseite der Scharnier-Struktur zu verringern.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Wärmeübertragung verringernden Mittel dazu führen, dass die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel weniger Wärme pro Zeiteinheit an die Innenseite der Scharnier-Struktur abgeben.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel ein Material aufweisen, das im Vergleich zum Wärmediffusionsvermögen des Rests der Formvorrichtung ein niedrigeres Wärmediffusionsvermögen besitzt, wodurch das Material mit einem niedrigeren Wärmediffusionsvermögen die die Wärmeübertragung verringernden Mittel miteinbezieht.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 30 definiert, worin das Material mit dem geringeren Wärmediffusionsvermögen mindestens eines der Materialien aus einem Polyetheretherketon, Siliconkautschuk, Al₂O₃, Glasfaser-verstärktem Polytetrafluorethylen, Porzellan und Keramik aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) eine Dicke aufweisen, die im Vergleich zum Rest der Formvorrichtung (10) wesentlich geringer ist, wodurch die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) eine wesentlich geringere Wärmekapazität pro Oberflächeneinheit im Vergleich zum Rest der Formvorrichtung (10) besitzen, und die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) dadurch die die Wärmeübertragung verringernden Mittel (100) miteinbeziehen.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formköpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Wärmeübertragung verringernden Mittel (100) ein Beschichtungsmaterial an einer Oberfläche der die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) aufweisen, das ein wesentlich geringeres Wärmediffusionsvermögen als die Formvorrichtung (10) besitzt, wodurch das Beschichtungsmaterial die die Wärmeübertragung verringernden Mittel (100) miteinbezieht.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin das Beschichtungsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, imprägniert mit Nickel- und Aluminiumoxid, das mit Polytetrafluorethylen infiltriert ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) vom Rest der Formvorrichtung (10) im wesentlichen thermisch isoliert sind, und worin die die Wärmeübertragung verringernden Mittel (62, 64) Mittel aufweisen, die im Vergleich zum Rest der Formvorrichtung (10) weniger Wärme an die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) abgeben.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) einen Formkörper (20) ergeben, der in der Innenseite der Scharnier-Struktur mindestens zwei Rillen (230a, 230b) aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) einen Formkörper ergeben, der mindestens eine Biegeinitiierungsrille (236a) aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, die ferner Mittel zur Behandlung der inneren Oberfläche der Scharnier-Struktur mit einem Polyol aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, die ferner Mittel zur Behandlung der inneren Oberfläche der Scharnier-Struktur mit einer wässerigen Polyol-Lösung aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, die ferner Mittel zur Behandlung der inneren Oberfläche der Scharnier-Struktur mit Glycerin aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, die ferner Mittel zur Beschichtung des Formkörpers mit einer elastomeren Beschichtung aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, die ferner Mittel zur Beschichtung des Formkörpers mit Polyvinylalkohol aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin das System so konfiguriert ist, dass ein klappbarer zweischaliger Behälter erhalten wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die Formvorrichtung (10) eine erste Formhälfte (66) und eine zweite Formhälfte (68) aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers wie in Anspruch 28 definiert, worin die die Scharnier-Struktur ausbildenden Mittel (62, 64) ein Formband (100) aufweisen, das innerhalb der ersten Formhälfte (66) angeordnet ist und mindestens eine im wesentlichen lineare Vorwölbung zur Ausbildung der Scharnier-Struktur innerhalb des Formkörpers aufweist.