专利名称：可成型纸浆以及制备成型纸浆产品的方法
技术领域：
本发明涉及可成型浆料以及制备成型浆料产品的方法，更具体地说，涉及主要由纸粕组成的可成型纸浆以及由此类可成型纸浆制备成型纸浆产品的方法。
迄今，用于电器设备(包括电机、磁带录象机、暗盒式狭带录音机等)的包装物以及用于如食品盘、鱼缸等的其它包装物基本上由泡沫苯乙烯制成。因为泡沫苯乙烯是良好的减震材料，它特别适合用作电器设备的包装材料。
然而，由泡沫苯乙烯压制成的包装物用后，特别是当它用后被扔掉时，存在许多问题。例如，当泡沫苯乙烯在炉中燃烧时，由于其产生的强热，它将损坏炉子。当把泡沫苯乙烯埋在土中时，它不会发生物理上和化学上的变化，因为它在土中是不可降解的。因此，鉴于人们对保护环境和自然资源越来越关注，泡沫苯乙烯包装物将带来严重的处理问题。
因此，需要一种作为泡沫苯乙烯代用品的可成型浆料，该代用品用作包装材料不会引起坏境污染，并且可以更有效地利用自然资源。一种代用的包装材料是可成型纸浆料，该浆料主要由废纸如废报纸组成。
由此类可成型浆料形成的一种成型产品通过下列方法制造把由废纸如报纸制成的稀纸浆放入多孔模或带网筛的模中，然后分阶段地脱水、加压、和干燥可成型稀纸浆的涂层。
然而，这样制得的成型产品的应用受到限制，因为它的厚度较小(在1毫米到5毫来范围内)，它没有足够的强度以盛装重物，由于可成型纸浆料具有较小的减震能力，它不能满足包装物(用于盛装电视机、磁带录象机、暗盒式狭带录音机等，它们重几公斤或更重)的减震需要。
目前，可成型纸浆料主要用作小型包装(包括鸡蛋箱、小的机械工具包装、育苗罐、重量为1公斤或更小的暗盒式狭带录音机的包装等)的包装材料。
有人提出通过向主要的纸粕组分中加入少量的粘合剂和中空颗粒来增加由可成型纸浆料形成的成型产品的减震能力(例如，参见申请号为6-10300的日本待审专利)。
由此类可成型纸浆料模压的减震产品与由泡沫苯乙烯模压的产品具有同样的减震能力和成型性。然而，由于由废纸浆的稀浆液模压成的减震产品只含有10％的固体物质，通过把稀浆液加到模中、脱水并干燥稀浆液使其成型，然后将成型产品从模中取出，这需花几小时的时间。因此，由可成型纸浆料模压的减震产品的生产速度一直较低。
由于上述原因，需要一种可成型纸浆料，该纸浆料具有较高的减震能力，并且能以与生产由泡沫苯乙烯形成的产品相等的生产速度被模压成成型产品。
因此，本发明的一个目的是提供制备成型纸浆料产品的方法(它解决了上述问题)。
本发明的另一个目的是提供一种可成型纸浆料，它解决了上述问题。
根据本发明，提供一种制备成型纸浆料产品的方法，该方法包括将可成型浆料(包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂、和热可膨胀的中空颗粒)与水(它有利于使淀粉粘合剂成胶化)混合，把用水混合的可成型浆料装到模装置中，并挤压模装置中的可成型浆料，然后将挤压的可成型浆料至少加热到胶化温度(在该温度下，淀粉粘合剂被胶化)，借此使淀粉粘合剂胶化，从而得到可成型纸浆料的成型浆料产品。
根据本发明，也提供一种可成型纸浆料，该纸浆料包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂和热可膨胀的中空颗粒。
根据本发明，还提供一种减震材料，该材料通过下列方法制备将可成型纸浆料(包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂、和热可膨胀的中空颗粒)与水(它有利于使淀粉粘合剂成胶化)混合，把用水混合的可成型纸浆料装到模装置中，并挤压模装置中的可成型纸浆料，然后将挤压的可成型纸浆料加热，借此使淀粉粘合剂胶化。
图1是本发明的可成型纸浆料在扫描式电子显微镜上的摄影图象；图2是用于模压本发明可成型纸浆料的产品的模装置的部件分解透视图；图3是用于挤压装在图2所示的模装置中的可成型纸浆料的挤压设备的透视图；图4是图3所示的压挤设备的中心部分的剖面图；图5是本发明第一实施方案的加热设备简图；图6是图5所示的加热设备的主要构架的透视图7是根据对可成型纸浆料的成型物进行动压力试验的结果所描绘的，表示挤压变形率与挤压应力之间的关系的曲线图；图8是根据对可成型纸浆料的成型物进行静压力试验的结果所描绘的，表示挤压变形率与挤压应力之间的关系的曲线图；图9是根据对可成型纸浆料的成型物进行静压力试验的结果所描绘的，表示挤压变形率与挤压应力之间的关系的曲线图；图10是根据对可成型纸浆料的成型物进行静压力试验的结果所描绘的，表示挤压变形率与挤压应力之间的关系的曲线图；图11是本发明第二实施方案的加热设备简图；图12是图11所示的加热设备的主要构架的透视图；图13是根据对可成型纸浆料的成型物进行动压力试验的结果所描绘的，表示挤压变形率与挤压应力之间的关系的曲线图。
下面将参照附图详细描述本发明的可成型纸浆料和形成成型纸浆料产品的方法。下面将按照形成减震材料(作为成型纸浆料产品)的方法描述形成成型纸浆料产品的方法。
下面将首先描述本发明的可成型纸浆料。
用纤维分离机(由Orient Co.Ltd.制造的HFC-23)将废报纸进行纤维分离10分钟，然后使其通过孔径为2.5毫米的过滤器，就得到大部分脱去纤维的纸粕。该大量脱去纤维的纸粕主要包括2×2毫米大的小纸片和纤维组分。在所有的废报纸都被脱去纤维而成为纤维组分时，更具体地说，当纤维组分的比例大于小纸片的比例时，停止废纸的纤维分离作用。由于大部分脱去纤维的纸粕包括小纸片和纤维组分的混合物，因此大部分脱去纤维的纸粕的含水量可以大于只由纤维组分组成的纸粕的含水量。向大部分脱去纤维的纸粕中加50％重量的水、3％重量的泡沫热可膨胀的中空颗粒(由Matsumoto Yushi Seiyaku Co.Ltd制造的f-80D)、和10％重量的改性淀粉(由Honen Co.Ltd制造的EAT-4，2酰化度为3％-4％，胶化温度为57℃-63℃)。用行星式搅拌器搅拌5分钟，就得到可成型纸浆料。因为废报纸在空气干燥的状态下含有约9％的水，可成型纸浆料的总含水量稍大于约36％重量。
图1示出了这样得到的可成型纸浆料1在扫描式电子显微镜上的摄影图象。如图1所示，可成型材料1包括脱去纤维的纸粕2、改性淀粉3、和热可膨胀的中空颗粒4。
该中空颗粒在减震材料中作为缓冲剂，该减震材料是通过模压装置(后面将描述)由可成型纸浆料形成的。具体地说，当减震材料受到外部压力作用时，中空颗粒将变形，以实现减震作用。中空颗粒可以按下列方法生产称为热可膨胀的微胶囊的颗粒每一个都具有聚合物的外层和碳氢化合物的内层(它被外层覆盖着)。当将该颗粒加热时，聚合物的外层变软，碳氢化合物的内层被气化。因此，颗粒膨胀，使它的体积增加数十倍。这样膨胀的颗粒可用作中空颗粒。优选的中空颗粒应具有高弹性的外层以缓冲作用在其上面的应力，并且具有高耐热性，其热变形温度为130℃或更高。具体地说，热可膨胀的微胶囊的颗径分布在10μm到30μm范围内，该微胶囊包括异丁烷，戊烷、石油醚、己烷或类似的有机溶剂，该有机溶剂的沸点在50℃到100℃范围内，并且它被二氯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或类似的热塑性树脂所包封，该微胶囊被加热到100-150℃并保持较短的一段时间，就可以使其直径增加4-5倍，使其体积增加50-100倍，因此就得到可弹性变形的中空颗粒，该颗粒的实际比重在0.015-0.025范围内，颗径分布在40μm到200μm范围内，其平均直径高达100μm，耐压力为300kg/cm2或更高。热可膨胀的微胶囊在它们与脱去纤维的纸粕混合之前或之后，都可以膨胀成中空的颗粒。
在下面描述的实施方案和试验的实施例中，将已经膨胀的中空颗粒与脱去纤维的纸粕混合。然而，从费用的观点考虑，最好使其与改性淀粉和水一起与脱去纤维的纸粕混合后，再膨胀中空颗粒。为了使与脱去纤维的纸粕混合后的中空颗粒膨胀，应保持这样的条件，即允许中空颗粒被充分地膨胀。与脱去纤维的纸粕混合的中空颗粒的量可以根据所用纸粕的类型适当地确定。例如，由于费用随所混合的中空颗粒的比例而增加，所混合的中空颗粒的比例是相对于改性淀粉(它作为粘合剂)的比例而确定的。具体地说，如果所混合的中空颗粒的比例减少，所加入的改性淀粉就增加同样的量，因此脱纤维纸粕与中空颗粒间的粘合强度增加，费用降低。
作为粘合剂的改性淀粉通过改性淀粉分子的羟基部分而得到。具体地说，淀粉分子中的部分羟基可以被下面给出的化学式所表示的酯基或乙酰基取代。
淀粉(羟基部分被取代) 乙酰化改性的淀粉(用乙酰基X-COCH3取代部分羟基而得到的) X-COCH3酯化改性的淀粉(用酯基X′-CO2R′取代部分羟基而得到的)优选的改性淀粉应具有较低的胶化温度(在约55℃到65℃范围内)。如果改性淀粉的加入量太多，那么由可成型纸浆料模压成的减震材料将非常硬，它的减震能力将非常低。如果改性淀粉的加入量太少，那么由可成型纸浆料模压成的减震材料的机械强度将非常低。因此，改性淀粉加入量的上限可以根据减震能力和所期望的费用来确定，改性淀粉加入量的下限可以根据所期望的减震材料的机械强度来确定。
本发明的可成型纸浆料可以由除废报纸以外的别的废纸来生产。例如，可以把废波面卡片纸板撕成窄条或磨成纤维，然后可以由这些窄条或纤维生产出大量脱纤维的纸粕。
下面参照图2-6，描述本发明第一个实施方案中的用于模压可成型纸浆料产品的模压装置、用于挤压装在模压装置中的可成型纸浆料的挤压设备、和加热设备。
如图2-4所示，模压装置11包括由铝合金制成的下模12(该模具有作为主模压表面的上表面，该表面有预先确定的三维形状)、由铝合金制成的上模13(该模包括具有平滑的挤压表面的平板)和具有上下开口的箱形构架14。下、上模12、13固定在构架14上。下、上模12、13和构架14都具有许多间隔约15mm的孔，这里这些孔分别定义为12a、13a、14a，12a、13a、14a中每个孔的直径为10mm。上模13有一对垂直的固定导杆15，导杆15安装在模13上表面的相对的两边缘上。固定导杆15分别具有称为15a的垂直导槽。上模13通过螺丝16用扳手固定在构架14上，螺丝16插入相应的垂直导槽15a，并柠到构架14相应的壁端上。构架14具有沿着它的上棱边伸长的凸缘14b，构架14的相应边壁上方的凸缘14b上装有一对把手17。
如图3所示，挤压设备21有一个装在设备框架22的上支承板22a上的气缸23，和一个装在设备框架22的下支承板22b上的模装置座24。气缸23有一个向下延伸的圆柱杆23a，杆23a在它的下端支承着压盘25，当圆柱杆23a下降时，压盘25可以向下插入构架14。模装置座24包括一对相对着的模装置夹板26，用于将模装置11夹在它们中间。
如图5和6所示，第一实施方案的加热设备31包括主要构架32，主要的构架32具有定义为33的模装置贮藏室、主要构架32上面的定义为34的上排气室、和主要构架32下面的定义为35(见图5)的下压力调节室。主要构架32固定在机械框架36上。如图6所示，主要构架32含有铰折前壁33a，它可以打开和关闭以便打开和关闭模装置贮藏室33。卸料室33为截头棱锥形(frustopyramidalshape)，并且它是被铰连的，可以绕着它的后边缘(相对模装置贮藏室33)打开。
模装置贮存室33包括模装置固定板37a(用于在其中安放模装置11)下面的定义为37的下部空间，下部空间37与下压力调节室35连通。模装置固定板37a具有定义为38的中心开口，当模装置11放在下部空间37中时，中心开口38用于在其中安放模装置11的构架14。当模装置11放在下部空间37中，构架14安放在开口38中时，凸缘14b通过多个肘夹39固定在模装置固定板37a上，肘夹39绕着开口38被固定在模装置固定板37a上。
如图5所示，下部压力调节室35为倒截头棱锥形(frustopyramidal shape)，并且下部压力调节室35含有保持水平拉紧状态的水滴阻挡网40。
加热设备31的主要构架32与下述的管道系统相连。
排气室34有装有出口41的上壁34a。压力调节室35有下壁35a，下壁35a装有与相应的阀门相连的第一和第二入口42、43，和与阀门相连的水出口44。管道系统包括连在出口41上的排气管45、连在第一入口42(用于在压力或热室气下供给蒸汽的)上的第一管46、连在第二入口43(用于在常温压力作用下供给空气的)上的第二管47、和连在水出口44上的排水管44a。
排气管45连在排气鼓风机48上。第一管46分成通过截流阀49与锅炉50(在压力下产生蒸汽)相连的支管46a和通过截流阀51与热空气鼓风机52相连的支管46b。在下述的第一实施方案中，截流阀51保持关闭，由热空气鼓风机52所产生的热空气不供给第一管46。排水管54通过排水阀53连在支管46a、46b下游的第一管46上。第二管47连在压缩机55上。排水管44a与下水道相连。
下面将描述用模装置11、挤压设备21和加热设备31模压可成型纸浆料的减震材料的方法。
首先，将下模12装入构架14的下开口端，空气和水可渗透的片材18如无纺布覆盖在下模12的上表面和构架14的壁内表面上。然后，将预先确定量的可成型纸浆料1填充到构架14中，并且猛烈地注入，以致完全覆盖住下模12的三维上表面。
装完可成型纸浆料1后，将片材18也覆盖在可成型纸浆料1的上表面上，然后将上模13通过构架14的上开口端插入到构架14中，并放在可成形浆料1上(片材18插在它们之间)，如图4所示。此后，螺丝16插入固定导杆15上的导槽15a，并柠到构架14的壁端上。此时，螺丝16不能太紧，以便上模13可以相对构架14垂直地滑动。
如上所述，空气和水可渗透的片材18(如无纺布)覆盖在下模12的上表面上、构架14的壁内表面上、和上模13的下表面上。如果下、上模12、13和构架14中称为12a、13a、14a的孔直径足够小，或在下模12的上表面、构架14的壁内表面、和上模13的下表面上配置了润滑层，那么空气和水可渗透的片材18可以省去。当可成型纸浆料1被气缸23压缩时，孔12a、13a、14a可以使空气从可成型纸浆料1中逸出，如下所述。
然后把已经装有可成型纸浆料1的模装置11放在挤压设备21的模装置座24中，并用模装置夹板26把它固定在挤压设备21的造当位置上，模装置夹板26以啮合住模装置11下面相对的两面的方式，把模装置11夹在当中。
此后，操纵气缸23使圆柱杆23a下降，将挤压盘25向下压入构架14并顶着上模13的上表面。继续操纵气缸23，使挤压盘25压着上模13，从而，实现在预先确定的压力下挤压模装置11中的可成型纸浆料。这样调节可成型纸浆料1的密度，以使它的密度为约0.125g/cm3(＝125kg/m3)(干燥后)，并且它的下部形状与下模12的上表面的三维形状互补。
然后，把螺丝16拧紧使上模13通过固定导杆15固定在构架14上。
此后，将圆柱杆23a升起来，把模装置11从模装置座24中取出，并转移到加热设备31中。通过加热设备31把模装置11中可成型纸浆料1的成型物加热干燥成减震材料。
下面将描述加热设备31的操作。把从挤压设备21中取出的模装置11放在加热设备31的模装置贮藏室33中。具体地说，将前壁33a打开，把上排气室34向上翻开，露出模装置固定板37a。把模装置11装在模装置固定板37a上称为38的中心开口中，用凸缘14b放在模装置固定板37a上。然后用肘夹39把凸缘14b固定在模装置固定板37a上。把模装置11放置在加热设备31中后，将前壁33a和上排气室34关闭，密封模装置贮藏室33。
此刻，关闭截流阀51，打开截流阀49，开动锅炉50，在压力下产生蒸汽。在压力下产生的蒸汽温度设定在100-110℃范围内，在1-1.5大气压下，它可以转化为热，该蒸汽由第一管46传送，并从第一入口42(通过它的阀打开)被引入压力调节室35。在压力调节室35中，通过水滴阻挡网40除去压缩蒸汽中的冷凝水滴，压缩蒸汽的压力变均匀。然后，将压缩蒸汽供给模装置贮藏室33中的下部空间37。如果蒸汽的压力太高，可成型纸浆料中的中空颗粒将变形或破碎。如果蒸汽的压力太低，改性淀粉将不会充分地胶化。
压力调节室35中的冷凝水滴通过排水管44a从水出口44排出。第一管46中的冷凝水滴通过排水管54从排水阀53排出(当排水阀53打开时)。
消去压力调节室35和第一管46中的冷凝作用后，关闭水出口44的阀和排水阀53。将蒸汽从下部空间37中供给模装置11中的可成型纸浆料1的成型物。所供给的蒸汽通过下模12和构架14的孔12a、14a流入模装置11，并通过和加热模装置11中的可成型纸浆料1的成型物，然后，从上模13的孔13a流入模装置贮藏室33上面的上排气室34。当蒸汽通过可成型纸浆料1的成型物时，它供给成型物热量和水。因此，成型物中的改性淀粉胶化。此后，蒸汽被排气鼓风机48强行抽出，并通过出口41和排气管45从上排气室34中排出。
供给并通过可成型纸浆料1的成型物的蒸汽被排气鼓风机48在负压下(如0.5大气压)强行抽出，同时加热了成模物。
在指定的时间内(如几十秒)水蒸汽被连续地供给并强行排出。当排气鼓风机48工作时，第一入口42通过它的阀被关闭，第二入口43通过它的阀被打开。温度低于改性淀粉胶化温度的气体(如在常温和预先指定的压力如1.4大气压下的干燥空气)通过第二管47由压缩机55连续地供给压力调节室35几十秒钟。
干燥空气被供给并强行排出后，打开模装置贮藏室33(如上所述)，从加热设备31中取出模装置11。然后，从模装置11中取出可成型纸浆料的成型物。
如上所述，可成型纸浆料1的成型物被蒸汽加热了，同时在加热设备31的主要构架32中，在此期间加到可成型浆料1中作为粘合剂的改性淀粉被胶化。成型物被蒸汽加热后，在从模装置11中取出之前，它仍装在从加热设备31中取出的模装置11中，由于蒸汽供给的热量，改性淀粉被胶化，并且水从胶化的改性淀粉中蒸发掉。此刻胶化改性淀粉的粘接强度变得足够强，以致可以使成型物可以以一片的形式从模装置11中除去。
可成型纸浆料1的成型物可以被由热空气鼓风机52供给的热空气加热成型，下面将参照本发明的第二实施方案详细描述此过程。
在上述本发明的第一实施方案用蒸汽加热成型物成型的方法中，由于蒸汽向可成型纸浆料1供给热量和水，并同时通过可成型纸浆料1，可成型纸浆料1中的最初水含量可以在20-60％重量范围内。最初水含量的下限即20％重量代表搅拌小纸片和纤维组分与中空颗粒和改性淀粉的混合物所需的量。下限的量不足以胶化改性淀粉，然而，蒸汽供给的水足以胶化改性淀粉。最初水含量范围的上限即60％重量由成型物被干燥的时间和成型物从模装置11中分离出来的难易程度确定。
下面将描述第一实施方案通过上述蒸汽加热方法将可成型纸浆料模压成减震材料的具体试验实施例。试验的实施例1把由上述组分按上述比例制得的可成型纸浆料装入模装置，并挤压成干燥后密度为0.125g/cm3(＝125kg/m3)。把模装置装入加热设备，并用从模装置的下面供给的100-110℃、压力为1-1.4大气压的蒸汽加热1分30秒。从加热设备中取出模装置，并将其在常温下放置约1分钟，之后将成型物从模装置中取出。可以确定，由于所加入的作为粘合剂的淀粉的胶化作用，在总共2分30秒钟的时间内，成型物具有足够的粘合力，使它可以从模装置中除去。然后，将从模装置中取出的成型物用空气鼓风干燥机在60℃下加热4小时，使它充分干燥，以使适合作为减震材料。
用蒸汽加热成型物的时间长短取决于成型物的厚度和模装置的结构，当供给的水和热量使其温度高于它的胶化温度时，改性淀粉开始胶化。在整个成型物都充满蒸汽后，必须用蒸汽将成型物加热至少约20秒。在本试验的实施例中，当成型物用蒸汽加热1分20秒或更短时，整个成型物不能充分地胶化，干燥产品的机械强度不够。当用蒸汽加热成型物的时间在2-10分钟时，干燥产品的机械强度保持不变。试验的实施例2把装有上述可成型纸浆料(其密度被调整了)的模装置装入加热设备，并用100-110℃、压力为1-1.4大气压的蒸汽加热，该蒸汽从模装置的下面供给并在负压约0.5大气压的压力下从模装置的上面强行排出。蒸汽在开始供给加热设备后约20秒内通过可成型浆料的成型物，并从与加热设备的出口相连的排气鼓风机排出。此后，供给并强行排出蒸汽20秒钟。然后，在排气鼓风机工作的情况下，向成型物供给压力约1.4大气压的干冷空气30秒。从加热设备中取出模装置后，立刻就可以从模装置中取出成型物。包含在成型物(从模装置中取出的)中的改性淀粉的粘合强度足够强，使成型物可以以一片的形式从模装置中取出，如试验的实施例1一样。由于，加热的成型物中的水含量比试验的实验例1中的水含量少，发现通过强行抽出并排掉蒸汽，用蒸汽加热成型物的时间可以减至约一半(从1分30秒减为约40秒)。用蒸汽加热完成型物后，通过供给和强行排出干冷空气加速成型物中水的蒸发，使得成型物可以从模装置中取出之前所需的时间减少(从1分钟减为30秒)。由于供给成型物的干冷空气有利于冷却成型物，因此从模装置中取出的成型物容易处理。证明在试验的实施例1、2中，在模压周期时间为约1分10秒到2分30秒的范围内(该周期时间少于模压泡沫苯乙烯的约3分钟的模压周期时间)可以形成减震浆的模压制件。减震能力的评价对试验实施例1中所得到的成型物作动压力试验，并根据动压力试验(用于评价减震能力)的结果描绘应力对变形的曲线。试验实施例1中所得到的成型物挤压变形50％时的挤压应力等于尺寸扩大40倍的泡沫苯乙烯的挤压应力。下面给出的对照实施例中所得到的样品(湿型)也具有相等的挤压应力。证明可以形成与泡沫苯乙烯具有同样减震能力(即减震系数cf＝挤压应力/变形能)的成型物。图7根据对试验的实施例1(干型包括3％热可膨胀的中空颗粒)、对照实施例(湿型包括5％热可膨胀的中空颗粒)、含10％玉米淀粉粘合剂的样品(干型包括3％热可膨胀的中空颗粒)、和膨胀尺寸为泡沫苯乙烯40倍的产品进行动压力试验的结果示出了挤压变形率与挤压应力之间关系。热可膨胀的中空颗粒加入量的影响向按照试验的实施例1所制得的可成型纸浆料的大量脱纤维纸粕中加入1.4％重量、2.8％重量、5％重量、和10％重量的热可膨胀的中空颗粒，对所得到的成型物进行静压力试验，并根据静压力试验(比较它们的减震能力)结果描绘出应力对变形的曲线。图8-10示出了分别含有1.4％重量、2.8％重量、和5％重量热可膨胀的中空颗粒的可成型纸浆料的成型物的应力对变形的曲线。加入5％重量的热可膨胀的中空颗粒与加入2.8％重量的热可膨胀的中空颗粒所达到的特性相同，并且对它本身无影响。加入10％重量的热可膨胀的中空颗粒使成型物的机械强度显著降低，并且很难以一片的形式从模装置中取出成型物。因此，热可膨胀的中空颗粒的加入量应在1-5％重量的范围内。淀粉类型的影响向按照试验的实施例1所制得的可成型纸浆料的大部分脱纤维纸粕中加入10％重量不同类型的淀粉，并评价所得成型物的减震能力。当在100℃下加热3分钟时，玉米淀粉和木薯淀粉不能充分胶化，不能产生足够的粘合强度，含有玉米淀粉和木薯淀粉的成型物具有较差的机械强度和表面光结度。当在100℃下加热3分钟时，改性淀粉可以充分胶化，含有改性淀粉的成型物具有良好的机械强度和表面光洁度。含有改性淀粉为15-20％的成型物的减震能力(减震系数cf)，该减震能力大于含玉米淀粉和木薯淀粉的成型物的减震能力。图7也根据对含玉米淀粉和乙酰化改性淀粉的成型物进行动压力试验的结果示出了挤压变形率与挤压应力之间的关系。通过用乙酰基或酯基取代淀粉分子中的部分羟基而得到的改性淀粉的胶化温度在约55-65℃范围内，该胶化温度比玉米淀粉的胶化温度低15-25℃，因此改性淀粉可以在较短的时间内胶化。因此证明改性淀粉更造含用作减震浆模压制件(作为泡沫苯乙烯的代用品)中的粘合剂。对照实施例(稀浆料的模压制件)将用于造纸过程中的打成的纸浆干燥。向干纸浆中加入5％重量的热可膨胀的中空颗粒(由Matsumoto Yushi Seiyaku co.Ltd.制造的f-80D)和2％重量的树脂基表面处理剂。用行星式混合器搅拌该混合物，得到含10％固体组份和90％水的稀浆液。将预先确定量的稀浆液装入铝模压装置，以生产用于带收音机的暗盒式狭带录音机(由Sony Corp制造的CFD-33)的减震垫。挤压稀浆除去其中的约30％的水后，当把其固定在模装置中时，将其在100℃下用空气鼓风干燥机干燥。将稀浆干燥成具有足够的机械强度成型物(水含量＜约15％)，使其可以以一片的形式从模装置中取出，需约5小时。即使将空白浆料与干燥浆料的空气鼓风干燥机一起使用，干燥该浆料也需约2小时。
在上述的第一实施方案中，本发明的可成型纸浆料主要由废纸如废报纸制成的纸粕组成，并且包括改性淀粉粘合剂和热可膨胀的中空颗粒。由于改性淀粉在较低的温度下就可以胶化，装在模装置中的可成型纸浆料的成型物可以在较低的温度下加热成型，可以缩短被加热的成型物可以从模装置中取出之前所需的时间。不减少由热可膨胀的中空颗粒赋予成型物的弹性。在与生产泡沫苯乙烯所需要的相等的周期时间内，可以生产出成型物，并且该成型物显示出与泡沫苯乙烯同样的减震能力。该可成型纸浆料可以用来生产与环境模拟工程有关的减震包装物(用作泡沫苯乙烯的替代品)，从有效利用废纸和保护自然资源的观点看，该可成型浆料具有有效的工业实用性。
下面将参照图11-13描述本发明第二实施方案的加热设备(用于形成模压浆料产品，即上述可成型纸浆料的减震材料)。按照第二实施方案，加热设备用热空气加热成型物或可成型纸浆料。按第二实施方案，通过加热设备用热空气加热的可成型纸浆料的成型物通过图2所示的模装置11和图3和4所示的挤压设备而制得。
按第二实施方案通过加热设备用热空气加热的浆液模压材料所含的水比按第一实施方案通过加热设备用蒸汽加热的浆液模压材料所含的水多。具体地说，按第二实施方案通过加热设备用热空气加热的浆液模压材料例如含80％重量水(相对大部分脱纤维的纸粕)。在第二实施方案中，浆液模压材料可以含30-80％重量水。水含量范围的下限即20％重量代表搅拌小纸片和纤维组分与中空颗粒和改性淀粉的混合物，并且使改性淀粉可以被热空气的热量胶化所需的量。水含量范围的上限即80％重量由成型物被干燥的时间和成型物从模装置中分离出来的难易程度确定。在第二实施方案中，水含量范围的上下限已考虑到被热空气加热时将失去的水量。
如图11和12所示，第二实施方案的加热设备131包括主要的构架132，主要构架132具有定义为133的模装置贮藏室133、主要构架132下面定义为134的上排气室、和主要构架132下面定义为135的(见图11)下压力调节室。主要构架132固定在机械框架136上。如图12所示，主要构架132含有绞折的前壁133a，它可以打开和关闭以便打开和关闭模装置贮藏室133。排气室134为截头棱锥形，并且它是被铰连的，可以绕着它的后边缘(相对模装置贮藏室133)打开。
模装置贮藏室133包括模装置固定板137a(用于在其中安装模装置11)下面的定义为137的下部空间，该下部空间137与下压力调节室135连通。模装置固定板137a具有定义为138的中心开口，当模装置11放在下部空间137中时，中心开口138用于在其中安放模装置11的构架14。当模装置11放在下部空间137中，构架14安放在开口138中时，凸缘14b通过多个肘夹139固定在模装置固定板137a上，肘夹139绕着开口138被固定在模装置固定板137a上。
如图11所示，下部压力调节室135为倒截头棱锥形，并且下部压力调节室135含有保持水平张力状态的水滴阻挡网140。
加热设备131的主要构架132与下述的管道系统相连。
排气室134有装有出口141的上壁134a。下力调节室135有下壁135a，下壁135a与相应的阀门相连的第一和第二入口142、143和与阀门相连的水出口144。管道系统包括连在出口141上的排气管145、连在第一入口142(用于供给热空气的)上的第一管146，连在第二入口143(用于供给常温和某压力下的空气)上的第二管147、和连在水出口144上的排水管144a。
排气管145连在排气鼓风机148上。第一管146通过截流阀149连在热空气鼓风机150上。第二管147与压缩机151相连。排水管144a与下水道相连。
下面将描述用模装置11、挤压设备21和加热设备131模压可成型纸浆料的减震材料的方法。
首先，将下模12装入构架14的下开口端，空气和水可渗透的片材18如无纺布覆盖在下模12的上表面和构架14的壁内表面上。然后，将预先确定量的可成型纸浆料1填充到构架14中，并猛烈地注入，以致完全覆盖住下模12的三维上表面。
装完可成型纸浆料1后，将片材18也覆盖在可成型纸浆料1的上表面上，然后将上模13通过构架14的上开口端插入到构架14中，并放在可成型纸浆料1上(片材18插在它们之间)，如图4所示。此后，螺丝16插入固定导杆15上的导槽15a，并柠到构架14的壁端上。此时，螺丝16不能太紧，以便上模13可以相对构架14垂直地滑动。
同第一实施方案一样，空气和水可渗透的片材18(如无纺布)覆盖在下模12的上表面上，构架14的壁内表面上、和上模13的下表面上。然而，如果下、上模12、13和构架14中定义为12a、13a、14a的孔径足够小，或在下模12的上表面、构架14的壁内表面、和上模13的下表面上配置了润滑层，那么空气和水可渗透的片材18可以省去。
然后把已经装有可成型纸浆料1的模装置11放在挤压设备21的模装置座24中，并用模装置夹板26把它固定在挤压设备21的适当位置上，模装置夹板26以啮合住模装置11下面相对的两面的方式，把模装置11夹在当中。
此后，操纵气缸23使圆柱杆23a下降，将挤压盘25向下压入构架14并顶着上模13的上表面。继续操纵气缸23使挤压盘25压着上模13，从而，实现在预先确定的压力下挤压模装置11中的可成型纸浆料。这样调节可成型纸浆料1的密度，以使它的密度为约0.125g/cm3(＝125kg/m3)(干燥后)，并且它的下部形状与下模12的上表面的三维形状互补。当这样挤压可成型纸浆料1时，可以除去夹在可成型纸浆料1中的空气，并且可以增加可成型纸浆料的粘合力。
然后，把螺丝16拧紧使上模13通过固定导杆15固定在构架14上。
此后，将圆柱杆23a升起来，把模装置11从模装置座24中取出，并转移到加热设备131中。通过加热设备131把模装置11中可成型纸浆料1的成型物加热干燥成减震材料。
下面将描述加热设备131的操作。把从挤压设备21中取出的模装置11放在加热设备131的模装置贮藏室133中。具体地说，将前壁133a打开，把排气室134向上翻开，露出模装置固定板137a。把模装置11装在模装置固定板137a上称为138的中心开口中，凸缘14b放在模装置固定板137a上。然后用肘夹139把凸缘14b固定在模装置固定板137a上。把模装置11放置在加热设备131中后，将前壁133a和上排气室134关闭，密封模装置贮藏室133。
此刻，打开截流阀149，打开热空气鼓风机150产生热空气。这时关闭水出口144的阀。所产生的热空气温度在100-110℃范围内，压力为1-1.5大气压，该空气可以转变成热量，并且它由第一管146传送，并从第一入口142(通过它的阀打开)被引入压力调节室135。在压力调节室135中，热空气的压力变均匀。然后，将热空气供给模装置贮藏室133中的下部空间137。热空气从下部空间137供给模装置11中的可成型纸浆料1的成型物中。所供给的热空气通过下模12和构架14的孔12a、14a流入模装置11，并且该空气通过并加热模装置11中的可成型纸浆料1的成型物，然后，从上模13的孔13a流入装置贮藏室133上面的上排气室134。此后，现已含蒸汽的热空气被排气鼓风机148通过出口141和排气管145从上排气室134中强行抽出并排掉。
供给并通过可成型纸浆料1的成型物的热空气被排气鼓风机在负压下(如0.5大气压)强行抽出并排掉，同时加热了成型物。
在指定的时间内(如几十秒)热空气被连续地供给并强行排出。然后，当排气鼓风机148工作时，第一入口142通过它的阀被关闭，第二入口143通过它的阀被打开。温度低于改性淀粉胶化温度的气体(如在常温和预先指定的压力和1.4大气压的干燥空气)通过第二管147由压缩机151连续地供给压力调节室135几十秒钟。
干燥空气被供给并强行排出后，打开模装置贮藏室133(如上所述)，从加热设备131中取出模装置11。即刻从模装置11中取出可成型浆料的成型物。
如上所述，用热空气加热可成型纸浆料1的成型物，同时在加热设备131的主要构架132中，在此期间加到可成型纸浆料1中作为粘合剂的改性淀粉被胶化。当水从胶化的改性淀粉中蒸发出去时，胶化的改性淀粉的粘合强度变得足够强，以致可以使成型物以一片的形式从模装置11中取出。
下面将描述第二实施方案，通过上述空气加热方法将可成型纸浆料模压成减震材料的具体试验实施例。试验的实施例3把由上述组分按上述比例制得的可成型纸浆料装入模装置，并调节成密度为0.125的物质。把模装置装入加热设备，并用从模装置的下面输送给的100-110℃、压力为1-1.4大气压热空气加热。从热空气开始供给加热设备后，热空气在约1分钟内通过可成型纸浆料的成型物，然后将含有蒸汽的热空气从出口排出。再供给热空气30秒后，关闭第一入口的阀，将模装置从加热设备中取出。当用热空气将模装置加热1分30秒时，所加入的作为粘合剂的改性淀粉被胶化。用热空气加热成型物之后，由于热空气供给的热量，改性淀粉被胶化，水从胶化的改性淀粉中蒸发掉，在成型物从模装置中取出之前，成型物在模装置中放置约1分钟。因此，可以确定，成型物具有足够的粘合力，使其可以从模装置中取出。热空气的强行排出有利于缩短干燥成型物所需的时间。在本试验的实施例中，当用热空气加热成型物的时间少于20秒时，整个成型物不能充分地胶化，干燥产品的机械强度不够。用热空气加热成型物的时间取决于成型物的厚度和模装置的结构，当被供给水和加热到高于改性淀粉的胶化温度时，改性淀粉开始胶化。在试验的实施例3中，整个成型物充满蒸汽并在模装置中保持约30秒后，必须用热空气将成型物加热至少约20秒(如果不强行排出热空气)。然后用空气鼓风干燥机将从模装置中取出的成型物在60℃下加热4小时，以致它足够干，适合用作减震材料。试验的实施例4把装有上述可成型纸浆料(其密度被调整了)的模装置装入加热设备，并用100-110℃热空气加热，该热空气从模装置的下面供给并在负压约0.5大气压下从模装置的上面强行排出。蒸汽开始供给加热设备后约20秒内，热空气通过可成型浆料的成型物，并且含有蒸汽的热空气从与加热设备出口相连的排气鼓风机排出。此后，供给并强行排出蒸汽20秒。然后，在排气鼓风机工作的情况下，向成型物供给压力约为1.4大气压的干冷空气30秒。从加热设备中取出模装置后，立刻就可以从模装置中取出成型物。从模装置中取出的成型物中所含有的改性淀粉的粘合强度足够强，使成型物可以以一片的形式从模装置中取出，如同试验的实施例3一样。由于热的成型物中的水含量比试验的实施例3中的水含量少，发现通过强行抽出并排掉热空气，热空气进入整个成型物所需要的时间减至约一半(从1分减为约20秒)，用热空气加热成型物的时间也减至约一半(从30秒减为20秒)。用热空气加热完成型物后，通过供给并强行排出于冷空气加速成型物中水的蒸发，使得成型物从模装置中取出之前所需的时间减少(从1分钟减为30秒)。由于供给成型物的干冷空气有利于冷却成型物，因此从模装置中取出的成型物容易处理。证明在试验的实施例3、4中，在模压周期时间为约1分10秒到2分30秒的范围内可以形成减震浆的模压制件，该周期时间少于模压泡沫苯乙烯的约3分钟的模压周期时间。减震能力的评价对试验的实施例3和4中所得到的成型物或块作动压力试验，并根据动压力试验(用于评价减震能力)的结果描绘应力对变形的曲线。试验的实施例3和4中所得到成型物的减震能力没有差别，试验的实施例3和4中所得到的成型物挤压变形50％时的挤压应力等于尺寸扩大40倍的泡沫苯乙烯的挤压应力。证明可以形成与泡沫苯乙烯具有同样减震能力(即减震系数cf＝挤压应力/变形能)的成型物。图13根据对试验的实施例3和4(干型包括3％热可膨胀的中空颗粒)以及尺寸扩大40倍的泡沫苯乙烯进行动压力试验的结果示出挤压变形率与挤压应力之间的关系。
在上述试验的实施例3和4中，把脱纤维纸粕、热可膨胀的中空颗粒、和作为粘合剂的改性淀粉与足以保持物质不分离的少量水(如30-80％重量，优选30-50％重量的水)均匀混合。然后将该混合物装入模装置，然后向模装置的一面供给热空气，热空气通过温度高于改性淀粉胶化温度的模装置。当用热空气加热模装置中的成型物时，改性淀粉被胶化，所供给的热空气的热量使水从胶化的改性淀粉中挥发掉。结果，成型物具有足够的粘合力。在热空气用于加热成型物的同时，热空气从成型物的反面被强行抽出并排掉。因此，缩短了将模装置中的整个成型物加热到高于改性淀粉的胶化温度所需的时间，同时可以减少从加热模装置中的成形物之后到从模装置中取出成型物所花的时间。被热空气加热的改性淀粉的胶化结束之后，停止供给热空气，向模装置的一面通入温度低于改性淀粉胶化温度的干冷空气或氮气，冷却成型物。这也有利于缩短从加热模装置中的成形物之后到从模装置中取出成型物所需的时间。在这种情况下，干冷空气从成型物的背面被强行排出，以促进成型物中水的蒸发，从而加速改性淀粉的固化，和增加成型物的粘合强度。因此可以进一步减少从加热模装置中的成型物之后到从模装置中取出成型物所需的时间。将这样被加热和冷却的成型物从模装置中取出，然后用空气鼓风干燥机干燥，直到成型物中水含量达到约15％重量为止。
在上述第二实施方案中，本发明的可成型纸浆料主要由废纸如废报纸制成的纸粕组成，并且包括改性淀粉粘合剂和热可膨胀的中空颗粒。将该可成型纸浆料压成成型物，并用热空气将其加热，在较短的时间周期内就得到具有优良减震能力的减震浆模压制件。在与生产泡沫苯乙烯所需的相等的周期时间内，可以生产出成型物，并且该成型物显示出与泡沫苯乙烯同样的减震能力。该可成型浆料可以用来生产与环境模拟工程有关的减震包装物(用作泡沫苯乙烯的替代品)，从有效利用废纸和保护自然资源的观点看，该可成型浆料具有有效的工业实用性。
在上面的实施方案中，可成型纸浆料主要由由废纸制成的大部分脱纤维的纸粕组成。如上所述，大部分脱纤维的纸粕包括小纸片和纤维组分的混合物。小纸片与纤维组分之间的比例取决于脱纤维机将废纸进行脱纤维的时间。如果废纸被脱纤维的时间太长，那么可成型浆料的制备将花费太大，废纸将几乎被完全脱去纤维或完全成纤维组分，而不能吸收足够量的水。因此，小纸片与纤维组分间的比例应根据费用和脱纤维低粕的可吸水性来确定。
参照附图已经描述了本发明优选的实施方案，应该理解本发明并不限于这些实施方案，而且在不脱离附加的权利要求书中所定义的精神和范围的条件下，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进。
权利要求
1.一种制备成型纸浆料产品的方法，该方法包括下列步骤将可成型纸浆料与水混合，其中可成型纸浆料包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂、和热可膨胀的中空颗粒，水有利于使淀粉粘合剂胶化；把用水混合的可成型纸浆料装到模装置中，并挤压模装置中的可成型纸浆料；和将挤压的可成型纸浆料至少加热到使淀粉粘合剂胶化的胶化温度，借此使淀粉粘合剂胶化，从而得到可成型纸浆料的成型浆料产品。
2.按照权利要求1的方法，其中，该被挤压的可成型纸浆料用蒸汽加热。
3.按照权利要求2的方法，其中，该被挤压的可成型纸浆料在1-1.5大气压下，用蒸汽加热至少20秒。
4.按照权利要求2的方法，还包括抽出并强行排掉通过该被挤压的可成型纸浆料的蒸汽。
5.按照权利要求2的方法，还包括用该蒸汽加热完被挤压的可成型纸浆料后，向该被挤压的可成型纸浆料供给温度低于该胶化温度的气体。
6.按照权利要求2的方法，其中，该可成型纸浆料包括20-60％重量的水。
7.按照权利要求6的方法，其中该纸粕包括由废纸脱纤维得到的纤维组分和几毫来大的纸片，该纤维组分的比例大于该纸片的比例。
8.按照权利要求2的方法，其中，该热可膨胀的中空颗粒包括每一个都具有聚合物的外层和碳氢化合物内层的颗粒，该内层被该外层覆盖着，其中，当加热该颗粒时，聚合物的外层变软，碳氢化合物的内层被气化，使颗粒膨胀。
9.按照权利要求8的方法，其中该热可膨胀的中空颗粒的加入量为1-5％重量。
10.按照权利要求1的方法，其中，该被挤压的可成型纸浆料用热空气加热。
11.按照权利要求11的方法，其中，该被挤压的可成型纸浆料在1-1.5大气压下，用热空气加热至少20秒。
12.按照权利要求10的方法，还包括抽出并强行排掉通过该被挤压的可成型纸浆料的热空气。
13.按照权利要求10的方法，述包括用该热空气加热完被挤压的可成型纸浆料后，向该被挤压的可成型浆料供给温度低于该胶化温度的气体。
14.按照权利要求10的方法，其中该可成型浆料包括30-80％重量的水。
15.按照权利要求14的方法，其中该纸粕包括由废纸脱纤维得到的纤维组分和几毫米大的纸片，该纤维组分的比例大于该纸片的比例。
16.按照权利要求10的方法，其中该热可膨胀的中空颗粒包括每一个都具有聚合物外层和碳氢化含物内层的颗粒，该内层被该外层覆盖着，其中，当加热该颗粒时，聚合物外层变软，碳氢化合物内层被气化，使颗粒膨胀。
17.按照权利要求16的方法，其中该热可膨胀的中空颗粒的加入量为1-5％重量。
18.按照一种可成型纸浆料，该浆料包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂、和热可膨胀的中空颗粒。
19.按照权利要求18的可成型纸浆料，其中，该热可膨胀的中空颗粒包括每一个都具有聚合物的外层和碳层化合物内层的颗粒，该内层被该外层覆盖着，其中，当加热该颗粒中，聚合物的外层变软，碳化合物的内层被气化，使颗粒膨胀。
20.按照权利要求19的可成型纸浆料，其中该热可膨胀的中空颗粒的加入量为1-5％重量。
21.按照权利要求18的可成型纸浆料，其中，该淀粉粘合剂包括乙酰化或酯化的改性淀粉，该淀粉分子中的部分羟基被改性。
22.按照权利要求18的可成型纸浆料，该可成型纸浆料还包括20-80％重量的水。
23.按照权利要求18的可成型纸浆料，其中，该纸粕包括由废纸脱纤维得到的纤维组分和几毫米大的纸片，该纤维组分的比例大于该纸片的比例。
24.一种通过可成型纸浆料制备的减震材料将可成型纸浆料与水混合，其中可成型纸浆料包括主要的纸粕组分、淀粉粘合剂、和热可膨胀的中空颗粒，水有利于使淀粉粘合剂胶化；把用水混合的可成型纸浆料装到模装置中，并挤压模装置中的可成型纸浆料；和加热被挤压的可成型纸浆料，使淀粉粘合剂胶化。
25.按照权利要求24的减震材料，其中该热可膨胀的中空颗粒的加入量为1-5％重量。
26.按照权利要求24的减震材料，其中，该淀粉粘合剂包括乙酰化或酯化改性的淀粉，该淀粉分子中的部分羟基被改性。
27.按照权利要求24的减震材料，其中，该淀粉粘合剂的加入量为基本上10％重量。
全文摘要
一种可成型纸浆料，该可成型纸浆料包括主要的纸粕组分(包括由废纸脱纤维得到的纤维组分和几毫米大的纸片)、淀粉粘合剂(其中淀粉分子中的部分羟基被改性)、和热可膨胀的中空颗粒，将该可成型纸浆料与水(有利于使淀粉粘合剂胶化)混合。把该可成型纸浆料装到模装置中，并挤压模装置中的可成型纸浆料。然后，将被挤压的可减型纸浆料至少加热到使淀粉粘合剂胶化的胶化温度，借此使淀粉粘合剂胶化，从而得到用作减震材料的可成型纸浆料的产品。
文档编号C08L1/02GK1150984SQ9611171
公开日1997年6月4日 申请日期1996年7月3日 优先权日1995年7月3日
发明者丹英, 野口勉, 河野美敏 申请人:索尼株式会社, 伦戈株式会社