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CN100374274C - 生物可降解泡沫制品及相关技术的改进 - Google Patents

生物可降解泡沫制品及相关技术的改进 Download PDF

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CN100374274C CNB028214102A CN02821410A CN100374274C CN 100374274 C CN100374274 C CN 100374274C CN B028214102 A CNB028214102 A CN B028214102A CN 02821410 A CN02821410 A CN 02821410A CN 100374274 C CN100374274 C CN 100374274C
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Abstract

提供了一种用来制造生物可降解泡沫制品的方法，所述制品能够达到整个产品的机械和物理性能均一，包括泡沫厚度可达一米、成品泡沫的表面适用于包装。制造这种产品的参数选自一系列变量，包括壁厚度、模具材料、换能器的使用与换能器的类型及组成、磁电管的数量与排列以及模具形状。也公开了通过该方法制造的复杂形状。

Description

生物可降解泡沫制品及相关技术的改进
技术领域
本发明涉及生物可降解泡沫材料的生产改进。更具体地说，本专利涉及用微波制造生物可降解材料型材的改良方法。本发明还涉及制造泡沫产品的设备和方法。
背景技术
本发明基于PCT/NZ01/00052所揭示的发明之上。这项专利申请描述了一个两阶段过程用于制造生物可降解泡沫产品，可得到改良的包装性能，包括弹性、可压缩性和减震性。PCT/NZ01/00052中所使用的定义在此作为参考收入。
本发明的目的之一是进一步说明与制造生物可降解泡沫制品生产过程有关的一些新问题。
现有技术中对淀粉基质的生物可降解泡沫材料已有广泛论述。PCT/NZ01/00052中即提到了多种已有的制造生物可降解泡沫材料的尝试。
模压成型用的挤压淀粉泡沫
美国专利5,730,824(National Starch)用挤压法制造泡沫板。再将这些泡沫板层叠在一起做成可以剪裁成不同大小形状的厚板。此法的局限在于制造过程需要昂贵的固定设备。作为设备昂贵的结果，由于产品只能在加工中心生产，该方法需要运输“空气”。另外型材或者很受限制或者非常昂贵，因为它们是剪裁而成，而不是在发泡过程中直接注模的。
另一个例子，美国5,801,207(Novamont)是有关将发泡的淀粉碎块装袋或装在膜层之间，然后将这些预膨胀的颗粒在现场发泡模具中模压成型。此法的局限性是模压用的发泡颗粒体积很大要占用很大的储运空间，由于不得不将“空气”运往现场而不是运送可以现场发泡的致密颗粒，而增加运费。对最终用户来说，此法也过于复杂，因为他们必须将发泡的颗粒充填入袋并封口，再将袋子模压成型。
综上所述，如果能有一种可以现场发泡的方法，且相对便宜而且易于操作的设备，将是非常有用的。
模压成型用的微波淀粉泡沫
两个主要的专利WO9851466(Ato-Dlo)和US 5,639,518(NKK)中使用电介质加热制造淀粉质材料。
在WO9851466(Ato-Dlo)中，电介质加热没有考虑加热时材料介电性质的变化，也没有考虑流变性质(如弹性和粘性)与加热速率的关系。也没有确认和说明使用此方法时蒸汽凝结对泡沫表面性状造成的损害效应。
美国专利5,639,518(NKK)使用了一系列电磁与电导方法制造生物可降解泡沫型材。他们没有确认加热速率模式或被加热材料的特殊流变性质对成功制造厚壁生物可降解型材的重要性。他们也没有确认和说明使用微波频率时蒸汽凝结对泡沫表面性状造成的损害效应。
另有一个专利WO 02/20238，(Ato B.V.)详述了一个蒸汽加热的方法，在压力下加热5分钟，达到权利要求温度185℃。如此长的操作过程使得半连续生产的加工量大大下降。
另外，上述方法产生的泡沫依需要的形状不同而密度不一，通常物理性质和机械性质都不均一。这些性质包括密度、可压缩性、弹性和减震性。所有这些性质限制了产品的使用。因而很需要有一种制造均一产品的方法，而其设备要相对便宜且易于操作。
微波炉设计
US 4,908,486(Nearctic Research Centre)描述了多磁电管的微波炉设计，其中该炉由一个空腔及至少一个能量源组成。揭示的多能量源的主要优点是干燥的均一性得到改进，因而避免了使用其他单能量源的设计固有的热点和冷点。所描述的微波炉适用于干燥一些粮食作物包括谷物、大米、一些水果和豆类。然而，该设备并未考虑材料发泡之用，即本发明的目标之一。而且，它也没有考虑调节能量源能量密度的影响。说明中没有指导如何同时或进一步加工多个工件，没有说明除颗粒状材料以外模具、型材和物品的使用。
因而，一个能够说明诸如调节能量密度和复杂的多个工件的设备将是有用的。
表面覆膜
为了改进微波产品的表面纹理与颜色，很多应用中都考虑了换能器，特别是在家用食品应用中。在食品应用中换能器通常是附于微波包装的金属膜，以使食品表面变脆或焦黄。
对泡沫生物可降解材料，目标是制造一个软而光滑的表面而不是食品应用中所要的脆的纹理，经常遇到的问题是模具壁与泡沫材料的介面上有蒸汽凝结。尽管这种情况被指出过，例如在美国专利5,965,080，(NKK)中，该美国专利指出由于蒸汽破坏了导电模具的绝缘层而导致电弧放电，是一个使用导电模具所特有的方法问题，而不是蒸汽冷凝对泡沫表面性状的影响问题。
另有一个美国专利6,241,929(Akopyan)，认识到了模具与材料间的界面的热流量很大时均一性会受影响，并指出材料与模具要尽量有相同的介电性能。此专利描述了蒸汽冷凝的原理及其对均一性的影响，但没有讲到特别的方法和实施例，特别是没有生物可降解泡沫材料的应用。
因而，需要有一种使用换能器的方法，同时产生均一的光滑表面。
微波模具设计
US 5,965,080(NKK)讲解了一种用两个导体半模具和夹在中间的绝缘部分淀粉发泡的方法。两个半模具都有电流通过以加热和膨胀材料。认识到了释放蒸汽通道的重要性，否则会发生绝缘问题。
此法也有问题，导电模具的加热速率有限，因为能量密度增加时会发生电弧放电。均一性也是该方法的一个问题，因为在边角地带会产生边缘效应。还有，复杂的形状，包括薄壁与厚壁泡沫的混合都很难使用此法，因为此法导致在薄壁区域产生电弧。
针对发泡塑料还考虑过两种其他的模具配置。
US4,298,324(Isobox-Barbier)描述了一个设备用于模压发泡塑料材料。设备包括压力源、模具和共振腔复合体。与被模压材料接触的模具表面是含炭黑的凝胶，有很高的介电损耗，模具其他部分由微波透明或可传导材料制成。
US 5,397,225(Huels)认识到了微波加工乳胶泡沫材料的模具的良好空间精确度和长使用寿命的必要性。也讨论了典型微波透明材料在暴露于变化的温度时可用的壁厚度的限制。描述了一种具有钝化表面的基于聚亚苯基醚新材料。
二者都描述了有用的替代方法，但均没有考虑用于生物可降解材料时的局限和限制。
模具衬垫
US5,508,498(Invenetics)提到了一种器具是吸收微波的基质材料。该基质由硅橡胶构成含有铁基的吸收材料。专利中仅提到了在食品中的应用，没有考虑闭合模具及模具内压力变化的情况。
US4,566,804(CEM)讨论了一种分析产品用的支撑体，该支撑体由基质材料及均匀分布于基质内的吸收微波的材料构成，特征为居里温度120-140℃。此发明局限于分析热敏感性物质的挥发性成分，没有考虑低介电物质如模具内的淀粉凝胶的发泡。
US5,079,397(Alcan)提到了它的换能器材料上至少两个区域的不同的损耗。实施例公开了适合包含于换能器的损耗物质及其使用技术。
然而，以上专利均未考虑具有闭合模具的适合生物可降解泡沫的换能器型产品。特别是它们没有指出换能器与闭合模具应用中的重要问题，阻止释放蒸汽的凝结以及在淀粉质的发泡过程中产生的模具内压的积累。
薄膜
有大量专利提到薄膜用作换能器。例如，US5,019,681(Pillsbury)概述了现有技术中的薄膜换能器的应用，其中聚酯类的薄膜作为底层，一层薄金属膜沉积于其上。US5,019,681概述了进一步的问题，尤其是加热过程中换能器的破裂，使其仅能用于一次性使用的场合。
现有技术尽管有用但没有指出和详述成功用于生物可降解泡沫材料时需要的限制。特别是，现有技术没有指明与上述闭合模具能配套使用的换能器的详情。即，需要防止释放出的蒸汽凝结以制造出软而光滑的表面，还有在淀粉质材料发泡过程中模具中积聚的内压问题。
其他的微粒选择
US5,294,763(Minnesota Mining)描述了微粒换能器。微粒换能器分为两类：电连续的(如炭黑)和电不连续的(如铁磁颗粒)。
此专利也没有描述生物可降解材料发泡的应用，没有考虑与这些材料相关的特殊问题。
本发明的一个目的就是克服上述这些方法的局限。
本发明的进一步目的是要通过综合选择加热速率、加热方法及模具设计，使制造的泡沫产品具有均一的物理和机械性质，如密度、可压缩性、弹性、减震性及表面性状。
本发明的进一步目的也是要制造生物可降解的泡沫产品，与原有技术相比要相对便宜。
本发明的目的是要解决前述的问题，或至少给公众提供有用的选择。
此说明中引用的所有文献，包括说明书中引用的专利和专利申请都引入作为参考。并不认可任何参考文献构成现有技术。对文献的讨论均基于它们作者的声称，本作者保留怀疑所引用文献准确性和针对性的权利。必须清楚说明，尽管此处引用了很多现有技术的出版物，但并不意味认可这些文件成为该领域公共知识的一部分，不论是在新西兰还是在任何其他国家。
公认的“含有”一词，在不同解读下可能会有排他性的或包容性的涵义。在本说明书中，除非特别指出，术语“含有”一词均为包容性涵义——即应理解为不仅含有直接列出的成员，也可能含有其他未列出的成员或元素。有关方法或技术中一步或多步提到的“含有”等词同此理。
本发明的进一步的方面与优点将在下列仅以实施例方式进行的描述中得以显现。
发明公开
为了本发明之目的，换能器被定义为含有微波交互作用材料、能吸收微波能量并转化成热能的物件。换能器可以有很多形式，包括薄膜、衬垫、模具上的覆膜。甚至，可以模具本身就是换能器。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造生物可降解泡沫产品的方法，整个产品具有均一的物理和机械性能，包括：
成品泡沫的的厚度可达1米；
成品泡沫的表面适用于包装；
方法包括以下步骤：
(a)将生物可降解原材料放入模具，其中原材料已被处理为适于发泡的形式；
(b)将至少一个模具和物料放入微波腔，其中微波腔包括：
(i)选择一个或多个磁电管聚焦于腔体，总能量密度可达10W/cm3；
(ii)选择一个或多个磁电管，依据工作体积、终产品形状和模具形状而预先确定。
(c)微波加热一个或多个模具和物料的组合，以形成生物可降解的泡沫产品；
特征在于模具包括以下任意一种或几种的结合：
(i)适用于至少一个模具腔的内表面的换能器或微波交互作用材料；
(ii)一种微波交互作用材料注入模具材料本身；
(iii)模具材料本身作为为微波交互作用材料，使模具内表面均匀加热。
在优选的实施方案中，本发明使用家用强度的磁电管以限制微波机器的投资。进而多个磁电管可以组合使用。申请人明白这可以增进终产品的均一性同时降低了设备投资。例如一个15kW的微波发生器耗资超过$150,000，而由15个标准家用的1kW磁电管组成的发生器仅花费约$25,000。
申请人已经证实多个工件可以在相关设备中共同处理，使得一次性批处理或半连续生产多个工件的选择成为可能。随之而来的优势特别是生产能力的增加，申请人明白此推荐方法可用于多工件。
对半连续的流程也作了构想。一个实施方案包括US 4,298,324中的描述，使用了一个压力源、一个共振腔和一个模具结构。另一种方案是采用了旋转木马式的设计。申请人考虑的另一个方案，是用传送带运送工件。工件在设备下面运行，传送带升起与壁和微波设备顶部形成密封。密封避免了微波能量的损失。每一个工件完成微波工序后传送带向前移动下一套工件进入微波设备。在另一种替代的实施方案中，传送带被用来装载工件进出有侧门的固定腔体多腔模具，而不是用底板密封原理。对半连续流程也可以有其他可能的设计。
在以上描述的方法中，生物可降解原材料是生物可降解聚合物或选自下列组的添加剂：可再生的天然资源及其改进；天然单体或由天然资源制备的寡聚体的非天然多聚物；用生物技术制造的聚合物和其他生物可降解聚合物如聚乙烯醇(PVA)或聚己酸内酯，或其组合。
也可包括其他添加剂。一般地这些添加剂是从一系列生物可降解的增塑剂、成核剂、加工助剂及其组合中挑选的。
其他有特殊功能的添加剂也可以用，比如阻燃剂、抑真菌剂和防霉剂、强度调节添加剂、附着力促进剂、粘度调节剂、填充剂和驱鼠剂。
准备发泡材料的优选方法是挤压或用现有技术中已知的加热和产生剪切力的过程。
在优选的实施方案中，处理过的准备发泡用的材料含水率为5到30％(w/w)。含水率的最优选范围为15到22％(w/w)。
在优选的实施方案中，产品的机械性能与传统材料相仿。例如，聚苯乙烯是一种广泛使用的非生物可降解包装材料。优选的实施方案中的产品具有与之相当的机械性能如减震性和弹性。
根据本发明的另一个方面，模具原材料是微波透明或基本上微波透明的。例子包括塑料、陶瓷制品和玻璃。优选的塑料有：聚乙烯(UHMWPE)；乙缩醛；聚砜(PSU)；聚醚酰亚胺(ULTEM)；聚醚醚酮(PEEK)；环氧树脂；聚亚苯基醚；聚亚苯基砜(PPSU)；以及上述之组合。优选的陶瓷包括：石膏(熟石膏)和陶土。
在替代的实施方案中，塑料与陶瓷模具用微球(microballoons)或低介电损耗的玻璃纤维充填加强。
为了本说明书之目的，介电常数(相对电容率)与材料中储存的电场能量有关。介电常数是材料电容率与真空电容率之比。它反映了材料聚集电场通量的能力。
优选使用的模具原材料应有介电常数在2.45GHz频率下为0到10，在2.45GHz频率下损耗因子为0到0.1。最优选的材料为介电常数在2.45GHz频率下为0到4，在2.45GHz频率下损耗因子为0到0.01。
优选地，模具含有通气孔。孔的位置与大小根据材料与形状而定。通气孔允许模具内的空气与蒸汽排出以缓和/或释放加工过程中模具内增加的压力。
根据本发明的另一个方面，模具还含有一个换能器(或本身即为换能器)能够吸收微波能量并转化成热能同时也传递足够的能量给物料颗粒。
申请人明白模具产生的热能升高并维持了模具的表面温度防止了冷凝的发生。模具上的冷凝对泡沫材料的表面有不良影响。使用适合条件的换能器，可以得到表面光滑有弹性的泡沫制品。透过模具传导的能量应该在一个适当的水平使得物料颗粒得到恰当的加热速率。
据申请人的经验，较高的表面温度还有一个另外的好处在于模具的释放。据分析是因为较热的表面温度减少或消除了蒸汽冷凝。蒸汽往往会使淀粉表面变粘因而使之从模具中取出变得困难。
尽管准确的机理还不清楚，但根据申请人的经验，维持或降低熔体粘度减小了流过模具表面的阻力，导致泡沫成型的形状更好、表面更佳。
申请人的经验表明，模具内表面(换能器)的温度可以设计成稳定达到需要的温度范围内。这样使得每次铸造循环都有同样的温度条件，使得产品更有一致性。
还有，模具表面温度应该降回到一个适当的值，使得从模具到原料传的热不足以在装载模具和微波加热的间期对原料产生不良作用。回降到一个没有明显的蒸发损失或原料燃烧的温度点之下，会使模具可以重复使用。
优选上述诸要素通过使用换能器达到，包括薄膜型、衬垫或模具表面覆膜。另一种选择就是模具本身即为换能器，微波交互作用材料分布于模具材料之中。
优选地，模具中的微波交互作用材料选自下列物质组：电阻性或电导性材料，如金属或合金薄膜，如铝膜；电阻性或半导性材料，如炭黑、石墨、硅、碳化硅、金属氧化物、硫化物，铁磁性物质如铁、钢、铁磁合金(不锈钢)、亚铁磁性物质如铁酸盐，介电材料如乙缩醛以及上述之组合。优选地，换能器是一个分布有铁酸盐的硅橡胶衬垫或其他树脂聚合材料。
在替代实施方案中，模具本身即为换能器，其中渗透了选自下列组的微波交互作用材料：电阻性或电导性材料，如金属或合金薄膜，如铝膜，电阻性或半导性材料，如炭黑、石墨、硅、碳化硅、金属氧化物、硫化物，铁磁性物质如铁、钢、铁磁合金(不锈钢)、亚铁磁性物质如铁酸盐，介电材料如乙缩醛以及上述之组合。
优选的模具表面温度高于被发泡材料的熔化温度和加工过程中产生的蒸汽温度。申请人的经验表明在这样的设置下，泡沫可以得到柔软光滑低磨损的表面。
进一步的模具实施方案包括加工厚泡沫型材的能力。用上述的设备组合可以加工厚达1米，得到均一的泡沫且有良好的机械性能。申请人的经验表明，该设备组合可以用来制造很多复杂形状，唯一的限制是受模具形状和微波腔空间大小的限制。
本发明的另一个方面，被发泡的材料和模具在发泡过程中可在微波场内移动。申请人明白此种移动增进了泡沫产品的均一性。
在优选的实施方案中，微波设备是可调的，加热速率和材料的体积膨胀可变以得到均一的制品。优选的实施方案能量密度从0.001到10W/cm3，加热速率为每秒温升0.1-20℃。更适合的能量密度从0.001到1W/cm3，加热速率为每秒温升5-10℃。
优选的微波操作频率范围是100MHz到5GHz。更优选的，在加工中使用单一频率。最优选的，频率是2450MHz。
优选的微波设备功率为100kW。申请人明白功率需求仅受限于微波腔的物理体积或给定体积的最大能量密度。
优选的实施方案中微波加工可以使用PCT/NZ01/00052中描述的微波循环，也可采用单步循环。
与快速减压相关联的微波腔和/或模具中的压力也可用来改变最终产品的性质，如泡沫密度、减震性和表面性状。此种过程的参数在WO/02/20238中有讨论，其中考虑了压力在50巴以下的情况。
进一步的温度湿度控制也可在加工过程中应用到微波腔和/或模具，以改变材料的机械和表面性质。现有技术建议的温度范围0℃到250℃是有用的。
本发明中，可以通过调节微波设备和/或加工过程得到泡沫密度为35到100kg/m3。更优选的范围是35到50kg/m3。我们发现此密度给出了与理想的非生物可降解材料相似的物理和机械性质。
使用以上方法可以用生物可降解材料制造出与等同的非生物可降解材料具有相似的物理和机械性质以及相似表面性质的产品。与现有技术相比，该过程投资和劳动投入均较低廉。现有技术中的局限如不均一、表面加工问题和较低的批量运转能力等都得到了解决。
附图简述
通过参照以下实施例以下及附图的描述，可以更清楚地显示本发明进一步的方面：
图1矩形泡沫块的等比例图；
图2瓶模具泡沫的等比例图；
图3简单形状泡沫的等比例图(来自一个修改过适合衬垫的模具)；
图4复杂形状泡沫的等比例图；
图5实施例1中加热过程示意图；
图6实施例2中描述的表面温度对磨擦指数的影响示意图；
图7实施例6中温度模式示意图。
实施本发明的最佳方式
在优选的实施方案中，本发明采用多个标准的家用磁电管，集中在一个装有待发泡物料与微波透明模具的腔体。
在下面所有的实施例中，发泡生物可降解材料均使用一个有12个850瓦家用磁电管的微波炉，电源为2450MHz。微波腔体积约为0.4m3，有顶、壁和底，均按已知标准。
实施例1
本实施例研究了加热速率对泡沫形成程度和泡沫密度的影响。
设计了一个模具用于加工图3所示的泡沫型材。模具体积约1140cm3，被包装的产品将位于中心的直角部分。模具的上表面有多个通气孔。模具由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成。本实施例中没有使用换能器。
待发泡材料由挤出料构成，湿度22％(w/w)，按PCT/NZ01/00052制造，材料基本构成为：
材料 重量％
木薯淀粉 86.75
聚乙烯醇 12
卵磷脂 1
硅酸镁 0.25
总计： 100.00
表1：原材料组成
125克所述原料放入模具，放进微波腔。
样品在大气压力下微波加热如下：
  样品号   强度水平   微波时间
  1   1   260秒
  2   3   80秒
  3   6   44秒
  4   12   24秒
表2：样品使用的微波加热条件
加热过程的结果图示见图5。
产物泡沫的性质如下：
  样品号   形成率   泡沫密度[kg/m<sup>3</sup>]
  1   50％   204
  2   70％   144
  3   90％   103
  4   100％   91
表3：形成率与泡沫密度
从上例可以看出，较高的加热速率使泡沫形成率得以提高。还可以看出，加热速率越高，得到的泡沫密度越低。
较高的加热速率使物料块中产生较高的蒸汽压力，因而模具内的内压也较高。较高的模具内压增进了泡沫的形成，因为是内压迫使泡沫形成模具的形状。
实施例2
此实施例研究了模具表面温度对泡沫表面及磨擦指数的影响，结果与聚苯乙烯和模压纸浆进行了比较。磨擦指数代表磨损的水平，可以在包装时产生于泡沫与产品之间。
形成如图1所示矩形块的模具由以下方法制备：
●两个模具体积均为约1140cm3，矩形中心部分是被包装产品将在的位置。模具的上表面有多个通气孔。
●模具1由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成，壁厚25mm。
●模具2由乙缩醛制成，壁厚15mm。
●每次试验中使用不同组成的硅橡胶铁酸盐衬垫。
衬垫  1  2  3
厚度  1.6mm  5.0mm  5.0mm
铁酸盐含量W％  40％  40％  60％
表4：衬垫数据
待发泡材料为挤出料，如实施例1所述。
125克小球样品块在大气压力下微波加热，强度12，方法如下：
1.两次试验用UHMWPE模具(模具1)完成微波加热，微波处理时间24秒，之后测量温度和磨擦指数。
2.一次试验用乙缩醛模具(模具2)完成，处理时间46秒。
3.用衬垫1(40％铁酸盐@1.6mm)，微波处理时间24秒，重新检测模具1(UHMWPE)。
4.用衬垫2(40％铁酸盐@5.0mm)，微波处理时间24秒，重新检测模具1(UHMWPE)。
5.用衬垫3(60％铁酸盐@5.0mm)，微波处理时间24秒，重新检测模具1(UHMWPE)。
得到的泡沫性质如下，如图6所示：
 样品  包装材料  表面温度[℃]  表面加工  磨擦指数
 1  淀粉泡沫  29  粗、脆、凹痕  10
 2  淀粉泡沫  45  粗、脆、凹痕  9.5
 3  淀粉泡沫  60  粗、脆、凹痕  9
 4  淀粉泡沫  74  粗、脆、凹痕  7
 5  淀粉泡沫  80  光滑、软而有弹性  3
 6 淀粉泡沫  120 光滑、软而有弹性  2
 7 淀粉泡沫  160 干燥、薄弱、易碎  N/A
 8 聚苯乙烯  N/A  2
 9 模压纸浆  N/A  5
表5：表面温度对表面状况及磨擦指数的影响
磨擦指数等级：0→10 高磨损：10；低磨损：0
(聚苯乙烯和模压纸浆的性能来自文献)
从上述结果可见，提高模具表面温度，能改进泡沫制品的表面状况。从观察记录和磨擦指数的测量均可证实此点。同时可见，淀粉泡沫得到的表面状况等同于聚苯乙烯，优于模压纸浆包装材料。
加工过程中产生的蒸汽会冷凝在模具壁上，冷凝珠会引起泡沫外表面的小孔结构破坏。也会产生小坑，形成硬、脆、磨损的表面状况。如果提高模具内表面的温度，就可以防止蒸汽的凝结，大大改进泡沫的表面状况。
实施例3
此实施例研究了提高和控制模具表面温度对泡沫形成度的影响。
此实施例的总共9个试验均采用实施例2中描述的UHMWPE模具及下述衬垫：
衬垫     1     2     3
厚度     1.6mm     2.5mm     5.0mm
铁酸盐重量％     40％     40％     40％
表6：模具详情
1.使用UHMWPE模具和衬垫1，3批各125克物料微波加热24秒，强度水平12。
2.使用UHMWPE模具和衬垫2，3批物料分别125、135、145克微波加热24秒，强度水平12。
3.使用UHMWPE模具和衬垫3，3批物料分别125、135、145克微波加热24秒，强度水平12。
产物泡沫性质如下：
样品     温度[℃]     密度[kg/m<sup>3</sup>] 形成度
衬垫1，样品1     60     105     100％
衬垫1，样品2     60     95     80％
衬垫1，样品3     60     85     70％
衬垫2，样品4     80     105     100％
衬垫2，样品5     80     95     90％
衬垫2，样品6     80     85     80％
衬垫3，样品7     120     105     100％
衬垫3，样品8     120     95     100％
衬垫4，样品9     120     85     100％
表7：通过提高表面温度提高了低密度时的泡沫形成度
从此实施例可以看出，较高的表面温度产生了完全的泡沫形成，其密度比低表面温度时得到的要低。
实施例4
该实施例示范了如何用同样的微波配置加工简单的和复杂几何形状的泡沫型材。
此实施例中，待发泡材料是挤出料，同实施例1所描述。微波几何配置与前几个例子保持一致。使用了4种不同形状的模具如下：
模具 1 2 3 4
模具名称 直角块(见图1) 瓶模具(见图2) 简单端盖(见图3) 复杂端盖(见图4)
材料 UHMWPE UHMWPE UHMWPE UHMWPE
壁厚 25mm 25mm 25mm 25mm
体积 0.00145m<sup>3</sup> 0.00114m<sup>3</sup> 0.00127m<sup>3</sup> 0.00184m<sup>3</sup>
表8：模具详情
完成每次试验后，每个模具都单独放入微波腔并进行如下处理：
模具  原料上样量  处理时间
1(直角块)  140g  30秒
2(瓶模具)  115g  24秒
3(简单端盖)  125g  24秒
4(复杂端盖)  220g  38秒
表9：模具、原料用量及微波处理条件
每次试验后，测量比较泡沫产物的密度。结果如下：
试验   强度水平   处理时间   上样原料   泡沫重量  发泡率 密度
1   12   30sec   153g   132g  100％  91g/L
2  12  24sec  110g   94g   100％   82.5g/L
3  12  24sec  125g   106g   100％   83.5g/L
4  12  38sec  220g   186g   100％   101g/L
表10：用同样的微波发生设备铸造不同形状的泡沫型材
上述试验显示可以用同一个微波设备处理各种不同形状并得到一致的性状，因而减少了微波设备改造的投资和制造配件可能的工耗。
实施例5
此例研究了不同的硅橡胶/铁酸盐衬垫是否达到了稳定的温度状态，以及如果能够达到，什么温度是最好的形成表面的温度？
此实施例中，待发泡材料为挤出料，同实施例1。
所用模具也同实施例1(UHMWPE)。
三种不同类型的硅橡胶/铁酸盐衬垫照下述方式试验：
  衬垫   1   2   3
  厚度   1.6mm   2.5mm   5.0mm
  铁酸盐重量％   40％   40％   40％
表11：衬垫详情
一份125克的淀粉原料颗粒在UHMWPE模具中处理，用1号衬垫，微波强度12，时间30秒。同样过程用2、3号衬垫分别重复。
结果得到的泡沫制品性能如下：
试验 稳定表面温度[C] 泡沫表面性状 达到稳定需要的轮数   总运行轮数
衬垫1  60 硬的有坑表面 4  20
衬垫2  120 光滑柔软表面 4  20
衬垫3  190 泡沫热降解，表面干而脆 4  20
表12：表面温度对泡沫表面性状的影响
与实施例2一样，我们发现提高模具表面温度能改善泡沫的表面性状。此实施例表明，硅橡胶/铁酸盐衬垫也可设计的使之能达到设计需要的稳定温度范围。达到稳定状态非常重要，因为这可以使生产环境下模具可以无延迟地重复使用。如果不能达到稳定态，产品质量也会参差不齐而且有可能发生热失控。
实施例6
本实施例解说了如何使用金属薄膜换能器产生足够的表面加热以防止冷凝并增进泡沫的表面性状。
本实施例中，待发泡材料为挤出料，同实施例1的描述。
使用一个体积为1140cm3的UHMWPE模具，覆以聚乙烯-对苯二酸铝薄膜(Al/PET)。铝厚度约0.02微米。
将125克淀粉颗粒放进有衬垫的模具中，微波强度12处理24秒。铝/PET膜的温度模式见图7。
得到的泡沫制品表面光滑柔软而有弹性。一个对照的没有铝膜的模具得到的泡沫表面粗糙、脆而有坑。
此实施例显示，当暴露于微波能量时，铝薄膜以I2R机制产热(欧姆热)。此热量使表面达到足够的温度，防止冷凝并改善了泡沫表面性状。薄膜产生的温度如果高出这个范围(180℃)，则会使泡沫材料表面焦黄/燃烧。
实施例7
本实施例研究了将模具表面温度与材料融化温度相匹配的效应。已知如果没有温度梯度则不会有净能量传导发生。
此实施例中，待发泡材料为挤出料，同实施例1描述。使用实施例1中描述的模具(UHMWPE)。
将125克淀粉颗粒放进有衬垫的模具中，微波强度水平12处理24秒。模具表面温度低于融化温度时作了相似的试验。
结果如下：
实例 温度 泡沫表面
图1 表面温度＞融化温度&蒸汽温度 软而光滑
图2 表面温度＜融化温度&蒸汽温度 硬、脆、有坑
表13：表面温度与融化温度关系的影响
从上例可以看出，表面温度若低于融化温度，得到的泡沫表面会很差。
从以上这些实施例中可以看到，有多种不同的模具和选项可以根据情况选用来改变产品的表面性状。特别是模具表面温度的调节特别有帮助。此流程制造出的产品具有与非生物可降解材料如聚苯乙烯相仿的质量。另外，由于是使用标准的家用磁电管而不是昂贵的高能磁电管，该工艺的花费也很低。
本发明仅通过实施例进行描述，但应知晓可以对上述的实例进行修饰和添加而不偏离后附的权利权利要求书所定义的范围。

Claims (48)

1.一种制造生物可降解泡沫制品的方法，整个产品具有均一的物理和机械性能，包括：
成品泡沫的的厚度可达1米；
成品泡沫的表面适用于包装；
方法包括以下步骤：
(a)将生物可降解原材料放入模具，其中原材料已被处理为适于发泡的形式；
(b)将至少一个模具和物料放入微波腔，其中微波腔包括：
(i)选择一个或多个磁电管聚焦于腔体，总能量密度可达10W/cm3；
(ii)选择一个或多个磁电管，依据工作体积、终产品形状和模具形状而预先确定。
(c)微波加热一个或多个模具和物料的组合，以形成生物可降解的泡沫产品；
其特征在于模具包括以下任意一种或几种的结合：
(i)适用于至少一个模具腔的内表面的换能器或微波交互作用材料；
(ii)一种微波交互作用材料注入模具材料本身；
(iii)模具材料本身作为为微波交互作用材料，使模具内表面均匀加热。
2.权利要求1所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中使用家用强度的磁电管。
3.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中半连续加工通过以下步骤完成：
(i)将传送带上的工件移送入微波设备之下；
(ii)传送带与微波设备的壁和顶端形成微波密封，微波加工开始；
(iii)当工件完成微波加工后，传送带向前移动，下一个工件进入微波设备。
4.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中半连续加工通过以下步骤完成：
(i)将传送带上的工件运送入微波设备腔内；
(ii)用门将微波设备腔密封，微波加工开始；
(iii)当工件完成微波加工后，打开门，下一个工件进入微波设备腔。
5.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中生物可降解原材料是用生物技术制造的聚合物。
6.权利要求5所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中所述的用生物技术制造的聚合物为聚乙烯醇或聚己酸内酯。
7.权利要求5所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中生物可降解原材料包含以下添加剂：生物可降解增塑剂；成核剂；及上述物质的组合。
8.权利要求5所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中用于从原材料中制备发泡材料的方法是通过加热和产生剪切的过程而进行的。
9.权利要求8所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中制备发泡材料的方法是通过挤出而进行的。
10.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中用于发泡的生物可降解原材料的含水量为5-30％(w/w)。
11.权利要求10所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中用于发泡的生物可降解材料的含水量为15-22％(w/w)。
12.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具原材料基本上是微波透明的。
13.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具原材料选自以下物质组：塑料；陶瓷；玻璃及其组合。
14.权利要求13所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中塑料选自以下物质组：聚乙烯(UHMWPE)；乙缩醛；聚砜(PSU)；聚醚酰亚胺(ULTEM)；聚醚醚酮(PEEK)；环氧树脂；聚亚苯基醚；聚亚苯基砜(PPSU)及上述物质之组合。
15.权利要求12所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中陶瓷选自石膏或陶土。
16.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中用低介电损耗的玻璃纤维强化模具材料。
17.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中使用的模具原材料在2.45GHz频率下的介电常数为0到10，在2.45GHz频率下的损耗因子为0到0.1。
18.权利要求17所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中使用的模具原材料在2.45GHz频率下的介电常数为0到4；在2.45GHz频率下的损耗因子为0到0.01。
19.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具含有通气孔。
20.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具即为换能器，微波交互作用材料分布遍及于模具材料之中。
21.权利要求20所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中微波交互作用材料选自：金属或合金薄膜；炭黑；石墨；硅；碳化硅；金属氧化物；硫化物；以及上述之组合。
22.权利要求20所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中换能器是分布有铁酸盐的硅橡胶的衬垫。
23.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中换能器在微波加工过程中将模具内表面的温度提高到50℃到190℃。
24.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中所选择的换能器达到稳定的操作状态，其中最高的模具内表面温度为50℃到190℃。
25.权利要求24所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中所选择的换能器达到稳定操作状态，其中最高的模具内表面温度为80℃到140°。
26.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具的表面温度高于被发泡材料的熔化温度和加工过程中产生的任何蒸汽的温度。
27.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中模具与材料在发泡过程中在微波场内被移动。
28.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中加工过程中微波设备的能量密度设定在0.001-10W/cm3范围内变动。
29.权利要求28所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中加工过程中的能量密度设定在0.001-1W/cm3范围内变动。
30.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中加工过程中材料内部的加热速率设定在每秒温升0.1-20℃范围内变动。
31.权利要求30所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中加热速率设定在每秒温升5-10℃范围内变动。
32.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中微波的操作频率选自100MHz至5GHz的任意一个频率，或者在加工过程中于100MHz至5GHz范围内变化。
33.权利要求32所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中使用的频率约为2450MHz。
34.权利要求1或2所述的的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中微波设备的功率可高达100kW。
35.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中微波的标称频率、强度水平和能量密度对不同形状的泡沫加工对象都保持不变。
36.权利要求1或2所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中微波的标称频率、强度水平和能量密度经调整，能够获得的成品泡沫密度为35-100kg/m3。
37.权利要求36所述的制造生物可降解泡沫制品的方法，其中成品泡沫的密度为35-50kg/m3。
38.一种根据权利要求1所述方法制备的生物可降解泡沫制品，密度为35到100kg/m3，表面加工光滑，具有弹性与聚苯乙烯相同的特征，磨蚀指数在2到4之间。
39.权利要求38所述的生物可降解泡沫制品，成品泡沫密度为35到50kg/m3。
40.权利要求38或39所述的生物可降解泡沫制品，其表面加工通过模具达到，其中在微波加热模具和原材料的过程中，模具内表面加热至一个选定的稳定操作状态。
41.权利要求40所述的生物可降解泡沫制品，其中模具内表面的加热是由于换能器或微波交互作用材料的存在。
42.权利要求40所述的生物可降解泡沫制品，其中所述选定的换能器达到稳定操作状态，其中模具内表面最大温度为50℃到190℃。
43.权利要求38或39所述的生物可降解泡沫物件，其中发泡是由快速减压与微波加热共同实现的。
44.一种权利要求1所述方法中使用的模具，包括一个换能器，当被微波加热时，模具的内表面温度高于被发泡材料的熔化温度和加工过程中产生的任何蒸汽的温度；
其特征在于用该模具制成的产品有以下性能：密度为35到100kg/m3，表面加工光滑，具有弹性与聚苯乙烯相同的特征，磨擦指数在2到4之间。
45.权利要求44所述的模具配置，其中模具含有通气孔。
46.权利要求44或45所述的模具配置，其中模具内表面温度达到稳定的操作状态，其中内表面的最高温度为在50℃到190℃。
47.权利要求44或45所述的模具配置，其中升高压力与微波加热结合使用。
48.权利要求44或45所述的模具配置，其中快速减压与微波加热结合使用。
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