고도로무기물충전된조성물로부터생성된시이트및물품과그의제조방법및시스템

고도로 무기물 충전된 조성물로부터 생성된 시이트 및 물품과 그의 제조방법 및 시스템

발명의 배경

1. 본 발명의 분야

본 발명은 고도로 무기물 충전된 유기 중합체(重合體) 매트릭스를 갖는 조성물 및 시이트와 제품의 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 매트릭스를 갖는 시이트와 제품은 두께, 강성(剛性), 유연성(柔軟性), 인성(靭性)과 강도(强度)에서 매우 다양하며 건조 또는 젖은 상태로 사용되어 인쇄된 시이트, 용기 그리고 다른 포장 물질을 포함하는 다양한 물품을 만들 수 있다.

상기 시이트는 종래의 재료(종이, 플라스틱 또는 금속)로 만들어진 시이트보다 저렴하고 환경에 유익하며 패스트 푸드 산업에서 사용되는 음식과 음료의 일회용 용기 제조에 특히 유용하다.

2. 관련 기술

A. 시이트, 용기 및 그외의 포장재

최근에 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 그리고 금속 같은 물질로 만들어진 얇고 구부리기 쉬운 시이트가 인쇄 재료, 라벨, 매트 및 용기, 분리기, 분할기, 봉투, 뚜껑, 덮개, 캔 그리고 다른 포장재 같은 다른 물품의 제조에 대량으로 사용된다.

근래의 발달된 가공 및 포장 기술은 매우 다양한 액상(液狀) 및 고형 제품을 유해요인으로부터 보호하면서 보관, 포장 또는 운송할 수 있게 한다.

용기와 다른 포장재는 특히 화학적 그리고 물리적 영향같은 주위 영향과 유통시 손상으로부터 상품을 보호한다. 포장은 다양한 종류의 상품을 가스, 습기, 빛, 미생물, 해충, 물리적 충격, 분쇄력, 진동, 누출 또는 엎질러짐으로부터 보호하는데 도움을 준다. 또한 몇몇 포장재는 소비자에게 제조원, 내용물, 광고, 사용법, 상표, 가격 같은 정보를 알리는 매개체 역할도 한다.

일반적으로 대부분의 용기와 컵(일회용 용기 포함)은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 그리고 금속 재료로 만들어진다. 해마다 청량 음료, 쥬스, 가공 식품, 곡물, 맥주 등을 보관하고 보급하는데 천억개의 알루미늄 캔, 수십억개의 유리병 및 수천톤의 종이와 플라스틱이 사용된다. 식품과 음료산업 외에도 상기 물질로 만드는 포장 용기(특히 일회용 용기)는 산재해 있다.

인쇄, 필기, 그리고 복사, 잡지, 신문, 서적, 포장용의 종이 및 근본적으로 나무로부터 만들어진 종이 시이트로 제조되는 다른 평면 제품들도 매해 대량으로 만들어진다. 미국에서만 미국내 일련 총 종이 생산량의 15% 정도를 차지하는 약 오백오십만 톤의 종이가 해마다 포장 용도로 소비된다.

B. 종이, 플라스틱, 유리 그리고 금속의 영향

최근에 어떤 물질 (예를 들어 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속)이 환경에 가장 해로운가에 대한 논란이 있었다. 의식있는 단체에서는 환경을바르게 하기 위해서는 대체 물질을 사용해야 하는 것을 많은 사람들에게 깨닫게 했다. 종종 논란에서는 이들 각각의 물질이 자체의 독특한 환경적인 결함을 갖는 점을 간과하곤 한다.

다른 면은 무시하고 특정한 환경 문제에서 생각했을 때 다른 것에 비해 우수한 물질이 때로는 이와 연결된 더 큰 문제를 야기한다. 실제로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 그리고 금속 물질은 각각의 독특한 환경적인 결함이 있다.

폴리스티렌 제품, 특히 용기와 다른 포장재는 최근 환경 단체의 비난를 사고 있다. 폴리스티렌 자체는 상대적으로 안정한 물질인 반면, 이의 제조에는 여러 종류의 해로운 화학 물질과 출발 물질이 사용된다. 중합하지 않은 스티렌은 반응성이 크며 따라서 이를 취급하는 사람들에게 건강상의 문제를 나타낸다. 스티렌은 벤젠(돌연변이 유발원으로 알려졌으며 발암 물질로 추정됨)으로부터 제조되며, 벤젠의 잔여량이 스티렌에서 발견될 수 있다.

더욱 해로운 것은 부풀린(blown) 또는 확장된(expanded) 폴리스티렌 제품의 제조에 클로로플루오로카본(또는 "CFCs")이 사용되는 것이다. CFCs는 오존층의 파괴에 관련되어 있기 때문이다. 부풀린 폴리스티렌을 포함한 발포체의 제조에서 CFCs(휘발성이 큰 액체)는 폴리스티렌을 발포체 물질로 "확장" 또는 "부풀리는"데 사용되며, 발포체는 컵, 판, 접시, 상자, 클램쉘(clam-shell) 용기, 스페이서(spacer) 또는 포장재 형태로 성형된다. 환경에 덜 해로운 발포제(예를 들어, HCFC, CO ₂ 그리고 펜탄)로 대체하여도 여전히 해로우며 이를 제거하는 것이 바람직하다.

따라서, 폴리스티렌 제품 사용을 중지하고 환경에 안전한 물질을 선호하는 압력이 회사들에게 광범위하게 전해졌다. 일부 환경 단체들은 종이, 또는 나무 펄프로 만들어진 그외의 제품같이 생분해 되는 것으로 여겨지는 "자연(natural)" 제품의 사용으로 일시적으로 되돌아 가는 것을 선호하여왔다. 그럼에도 불구하고, 다른 환경 단체들은 벌목과 숲의 고갈을 줄이기 위하여 반대 의견을 내세웠다.

종이 제품은 외면상 생분해되고 오존층의 파괴에 연관되지 않지만 최근 연구에 따르면 종이 제조가 폴리스티렌의 제조보다 환경에 더 강한 영향을 주는 것을 보여준다. 실제로 나무 펄프와 종이 산업은 미국에서 상위 5개 오염원의 하나로 여겨진다. 예를 들어 종이로 만드는 제품은 동량의 폴리스티렌 제품과 비교하여 10배의 증기, 14 내지 20 배의 전기, 그리고 2배의 냉각수를 필요로 한다. 여러 연구에서 종이 제조시 나오는 폐기물에는 폴리스티렌 발포체 제조시보다 10 내지 100 배의 오염 물질이 포함된 것을 보여 준다.

더우기, 종이 제조에서 부산물인 해로운 독소인 디옥신에 의해 환경이 영향받는다. 디옥신, 정확하게 2,3,7,8-테트라클로로디벤조[b,e][1,4]디옥신은 강한 독성의 오염물질로 아주 적은 양일지라도 매우 위험하다. 사람과 동물에서 디옥신의 독성은 식욕감퇴, 심각한 체중 감소, 간장독(肝腸毒), 포르피린증, 혈관 병변(病變), 좌창, 위궤양, 포르피린뇨증, 포르피리아종, 큐타니아 타르다(Cutanea tarda)를 일으키고 조기(早期) 사망하게 한다. 이 분야의 전문가들은 디옥신이 발암물질이라 생각한다.

종이와 판지 제조의 또 다른 결점은 종이를 제조하는데 비교적 많은 양의 에너지가 필요한 것이다. 이것은 웨브의 물리적 특성 원리하에서 섬유들이 탈목질 되고 마모되어서 근본적으로 자기-결합을 할 때까지 나무 펄프를 가공하는데 필요한 에너지를 포함하는 것이다. 더우기, 부피비로 약 95%에 이르는 종래의 종이 슬러리에 포함된 물을 없애는데 많은 에너지가 필요하다. 슬러리에서 많은 물을 제거해야 하므로 가열된 롤러로 시이트를 건조시키기 전에 문자 그대로 슬러리로부터 물을 빨아 내는 과정이 필요하다. 게다가 탈수과정에서 시이트에 빨아낸 다량의 물은 보통 주위에 버린다.

금속 시이트를 용기(특히 알루미늄과 주석으로 만들어진 캔)로 만들거나, 유리병을 만들고, 세라믹 용기로 성형하는 제조과정은 원료를 녹이고 다음에 이를 중간물질 또는 최종 생성물로 작업 성형해야 하므로 에너지를 많이 사용한다. 이러한 높은 에너지와 제조 여건들은 귀중한 에너지 자원을 사용하는 것 뿐만 아니라 환경에 심각한 공기, 물 그리고 열 오염을 일으킨다. 유리는 재활용할 수 있지만 쓰레기 매립지로 가는 분량은 영구히 분해되지 않는다. 깨진 유리 파편은 위험하며 수년간 그대로 남아 있는다.

일부 이러한 오염 문제들이 제기되고 있으나 그 결과는 제조 시설에 상당한 자본을 추가로 필요로 하는 것뿐 아니라 더 많은 에너지를 사용하는 것이다. 또한 재활용 계획에 상당한 노력을 하였으나 필요로 하는 원료의 일부만을 재활용에 의해 얻고, 대부분의 원료는 재생이 아닌 자원으로부터 여전히 충당된다.

많은 사람들이 생분해된다고 믿는 종이 또는 판지조차 정상적인 생분해 활동에 필요한 공기, 빛 그리고 물로부터 차단된 채 매립지에서 수년, 심지어는 수십년간 남아있다. 쓰레기더미에서 수십년간 묻혀 있는 전화책과 신문이 발견되기도 한다. 이러한 종이의 수명은 종이를 생분해를 늦추거나 방해하는 여러 가지 보호 물질로 처리, 코팅 또는 침투시키기 때문에 더욱 연장된다.

종이, 판지, 폴리스티렌 그리고 플라스틱의 또 다른 문제점은 이들이 상대적으로 비싼 유기 출발물질을 사용하고 이중 일부는 폴리스티렌과 플라스틱 제조에서 사용하는 석유같이 재생되지 않는 것이다. 종이와 판지를 만드는데 사용되는 나무는 재생될 수 있지만 넓은 땅을 필요로 하고 세계에서 숲의 빠른 파괴가 이를 어렵게 한다. 따라서 시이트와 이로부터 제조되는 물품을 만드는데 근본적으로 재생되지 않는 출발 물질을 대량으로 계속 사용할 수 없으며 장기적인 측면에서 현명치 못하다. 더우기 원료(종이 펄프, 스티렌 또는 금속 시이트)를 포장하는데 쓰이는 과정에서 에너지가 많이 필요하므로 물과 공기 오염을 일으키고 상당한 추가 경비가 들게 된다.

전술한 바에 의해 어떠한 물질이 환경에 덜 해로운가에 대해 논의하기 보다는 지금 사용하고 있는 물질과 관련된 여러 가지 환경 문제를 전부는 아니라도 많이 해결할 수 있는 대체 물질을 발견 또는 개발할 수 있는지를 물어야 할 것이다.

C. 무기 물질

인간은 수천년간 흙, 천연 광물 또는 돌과 같은 고갈되지 않는 무기 물질을 사용하였다. 흙은 용기, 타일 그리고 다른 유용한 물건을 포함한 다양한 종류로 쉽게 만들어질 수 있으므로 널리 사용되었다. 그러나 흙의 단점은 굳는데 시간이 걸리며, 적당한 강도(强度)와 이의 일반적인 크고 무거우며 거대한 성질을 갖기 위해서 흙을 굽거나 소결(sinter)할 필요가 있는 것이다. 특히 굽지 않은 흙은 장력이 약하고 깨지기 쉽다. 그럼에도 흙은 종이 또는 판지의 제조에서와 같이 풍부한 양의 값이 싼 충전재로 다른 물질의 제조에 사용되곤 하였다. 그러나 충전재로 사용되었을 때 흙의 깨지기 쉽고 붙지 않는 성질 때문에 보통 질량비로 전체 종이 물질의 약 20% 이상 포함될 수 없다.

사람들은 또한 건물, 도구, 용기 그리고 다른 크고 거대한 물건의 제조에 돌을 널리 사용하였다. 그러나 돌의 눈에 띄는 결점은 매우 단단하고, 깨지기 쉽고 무겁기 때문에 상대적으로 중량이 큰 크고 거대한 물건에 사용이 제한되는 것이다. 그럼에도 작거나 분쇄된 돌은 수경(水硬)성 물질 (hydraulically settable) 또는 시멘트 같은 다른 물질의 제조에서 혼합재(混合材)로 사용될 수 있다.

수경(수硬) 시멘트 또는 석고를 포함하는 수경(水硬)성 물질(이하 "물속에서 경화되는", "수경(水硬)" 또는 "시멘트" 조성물, 물질 또는 혼합물이라 함)은 수천년간 일반적으로 크고 거대하며 유용한 구조물을 만드는데 사용되었으며, 이것은 오래가고, 튼튼하며 상대적으로 비싸지 않다.

예를 들어 시멘트는 흙과 석회로 만드는 수경(水硬)성 결합재로 무진장하며 전술한 다른 물질에 비해 매우 저렴하다. 수경(水硬) 시멘트는 물 그리고 분쇄된 돌 또는 자갈같은 혼합재(混合材)와 섞여 콘크리트를 만든다. 그러나 콘트리트는 크고 거대한 구조물의 제조에만 상업적으로 사용된다.

전술한 수경(水硬)성 물질이 크고 거대한 구조물의 제조에만 상업적으로 이용되지만 물속에서 경화되는 혼합물은 미소건축 기술적인 접근에 의해 비교적 작고 벽이 얇은 것으로 성형 또는 형태 형성될 수 있다. 실제로 본 발명자에 의해 개발된 이러한 혼합물은 높은 성형성으로 심지어는 0.1mm 두께의 얇은 벽의 시이트로 사출 및/또는 압연될 수 있다. 이러한 혼합물과 방법은 종이같은 시이트, 상대적으로 두꺼운 시이트, 단열 시이트 그리고 수많은 다른 품목의 제조에 사용할 수 있다.

상기 조성물과 방법은 본 발명자(Per Just Andersen 과 Simon K.Hodson)에 의해 개발된 것이므로 이하 "앤더슨-허드슨(Andersen-Hodson) 기술"로 간주된다.

물 속에서 경화되는 결합재는 장력과 (특히) 압축 강도(强度)를 포함한 강도(强度)에 상당한 영향을 주는 것으로 여겨지지만 이런 물질들은 소량인 경우 결합재로서보다는 혼합 충전재로 작용하는 것으로 알려졌다. 결과적으로 물속에서 경화되는 결합재를 필수적으로 사용하지 않으면서 (또는 결합재를 주로 혼합재(混合材)로 작용하도록 소량만을 사용할 수 있는) 무기 물질이 고농도로 섞인 시이트에 관한 연구가 행해졌다. 상기 시이트는 이전의 종이, 플라스틱 그리고 금속 물질에 비해 낮은 가격과 적은 환경 영향 및 풍부한 출발 물질을 쉽게 구할 수 있는 점에서 물속에서 경화되는 시이트의 장점을 갖는다.

최근에 인쇄지 또는 이로부터 만들어지는 용기같은 여러가지 단일 용도 특히 일회용품으로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌과 금속을 사용하는 것이 (정치적 압력을 언급하지 않아도) 환경에 막대한 영향을 준다는 자각에 의하여 환경에 좋은 대체 물질을 발견하는 것이 (이 분야의 전문가들에게는 오래전부터 인식되었음) 절박해졌다. 특히 산업계에서는 이러한 큰 쓰레기 부피를 갖는 물건에 고도로 무기물 충전된 물질을 개발하고자 했다.

이러한 경제적 그리고 환경적 압력, 광범위한 연구 및 관련된 간절한 필요에도 불구하고 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 시이트 또는 이로부터 만들어지는 용기제품을 대체할 수 있는 고도로 무기물 충전된 유기 중합체 결합 물질을 경제적으로 쉽게 제조하는 기술이 없었다. 종이를 고령토 및/또는 탄산칼슘 같은 무기물 물질로 충전시키려는 시도가 있었으나 이러한 제품에 넣을 수 있는 무기물의 양에 한계(부피비로 약 20∼35%)가 있다. 더우기 제품의 활력을 증가시키고 그 안에 보관되는 과일 또는 야채를 신선하게 보관할 수 있는 포장 물질의 성질을 개선하기 위하여 특정 플라스틱 포장 물질을 흙으로 충전하는 시도가 있었다. 또한 경화된 물품의 색 또는 감촉에 특정 성질을 부여하기 위해 고착제와 코팅에 통상적으로 무기 물질을 첨가한다.

그럼에도 무기 물질은 포장 중량의 대부분을 차지하기보다는 상기 제품을 만드는데 사용된 총 물질의 일부만을 차지한다. 고도로 무기물 충전된 물질은 바위, 모래, 흙 그리고 물 같은 환경에 영향을 주지 않는 성분들을 필수적으로 포함하므로, 이것들은 상기 용도의 선택 물질로 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 물질을 대체하기에 생태학 견지에서 이상적으로 적합하다. 무기 물질은 합성 또는 고도로 가공된 물질에 비해 가격면에서 매우 유리하다.

상기 물질들은 고갈되지 않는 물질들을 상당한 양으로 사용할 뿐 아니라 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속만큼 환경에 많은 영향을 주지 않는다.고도로 무기물 충전된 물질의 또 다른 장점은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속보다 훨씬 싸다는 것이다. 전술한 바와 같이 고도로 무기물 충전된 물질은 제조시 에너지가 훨씬 적게 든다.

전술한 바에 따르면, 필요한 것은 지금은 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱, 유리 또는 금속으로부터 만들어진 시이트와 다른 물품으로 성형될 수 있는 고도로 무기물 충전된 유기 중합체 혼합물 조성물과 이의 제조방법이다.

상기 조성물과 제법으로 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 시이트와 유사한 성질을 갖는 고도로 무기물 충전된 시이트를 만들 수 있다면 이 분야에서 상당한 진보가 될 것이다. 또한 종이, 판지, 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 시이트에서 상기 물품을 만드는데 현재 사용되고 있는 기존의 제조 장치와 기술을 사용하여 상기 시이트로부터 다양한 용기 또는 물품을 만들 수 있다면 큰 발전이 될 것이다.

그리고 종이를 만드는데 쓰이는 일상적인 슬러리에 극히 일부의 물만을 함유하며 시이트 형성 과정중 광범위한 탈수를 필요로 하지 않는 성형가능한 혼합물로부터 시이트를 만들 수 있다면 시이트 제조에 발전이 될 것이다. 또한 이로부터 만들어지는 용기와 다른 물품뿐만 아니라 상기 시이트가 지상에서 쉽게 발견되는 물질로 쉽게 분해된다면 본 분야에서 중요한 진보일 것이다.

실제에서, 상기 물질과 제법으로 종이, 플라스틱 또는 금속 생산품을 만드는 기존 방법과 비슷하거나 또는 훨씬 유리한 가격으로 시이트, 용기 그리고 이로부터 만들어지는 다른 물품을 제조하는 것이 가능하다면 상당한 진전일 것이다. 특히,종이, 플라스틱 또는 금속의 바람직한 특성를 갖는 제품을 만드는데 요구되는 에너지 필요량과 초기 투자 자본을 줄일 수 있다면 바람직할 것이다.

제조 측면에서 신속하게 형태를 만들 수 있으며 제조과정이 시작된 후 수분안에 충분히 건조되는 고도로 무기물 충전된 시이트를 대량 생산할 수 있는 조성물과 방법을 제공한다면 고도로 무기물 충전된 물질의 성형분야에서 큰 발전이 될 것이다.

또한 높은 함량의 무기물 충전재를 갖는 물질과 비교하여 더 나은 유연성(柔軟性), 인장강도(引長强度), 인성(靭性), 성형성 그리고 대량 생산성을 갖는 고도로 무기물 충전된 물질을 제조할 수 있는 조성물과 제법을 제공한다면 본 분야에서 상당한 진보가 될 것이다.

상기 조성물과 제법을 발견하여 이에 청구한다.

본 발명의 개요와 목적

본 발명은 통상적으로 다-성분, 다양한 크기, 섬유 강화된 미소 합성물로 말할 수 있는 고도로 무기물 충전된 조성물의 신규 조성물 및 제법에 관한 것이다. 구별되면서도 공동으로 관련 성질들을 부여할 수 있는 다양한 다른 물질(무기 혼합재(混合材), 유기 중합체, 그리고 섬유 포함)을 주의깊게 배합함으로써 강도(强度), 인성(靭性), 환경에 무해함, 대량 생산 그리고 가격에서 탁월한 특성을 갖는 특정 종류 또는 범위의 미소 합성물을 만드는 것이 가능하다. 중요한 일의 하나는 무기물 입자의 크기를 세심하게 선택함으로써 고도로 균일한 물질을 제조할 수 있는 것이다.

특히 상기 물질은 종이, 플라스틱 또는 얇은 벽의 급속으로 만든 시이트와 유사한 성질을 갖으며 용기 또는 다른 포장재 같은 다양한 물품을 만드는데 바로 사용될 수 있는 시이트를 제조하는데 사용할 수 있다. 다른 방법으로 상기 시이트는 커다란 스풀(spool)로 감거나 또는 시이트로 잘려져서 종이 또는 판지처럼 짚처럼 쌓아서 필요할 때까지 보관할 수 있다. 다음에 쌓인 또는 감겨진 시이트는 원하는 물건으로 잘라서 성형할 수 있다. 시이트는 원하는 물건으로 성형되는 도중 쪼개지거나 갈라지지 않게 하기 위해서 시이트에 유연성(柔軟性)과 신장성을 추가시키기 위해 다시 재습윤(再濕潤)화할 수 있다.

시이트는 적게는 약 40%에서 많게는 약 98%(전체 고형분의 부피비로)의 무기물을 유기 중합체 결합재 매트릭스안에 분산된 상태로 포함함으로써 고도로 무기물 충전된 유기 중합체 매트릭스를 만든다. 미소 구조 기술에 의해 바람직한 유연성(柔軟性), 높은 인장강도(引長强度), 인성(靭性), 대량생산의 성질을 갖는 제품을 만들기 위해 매트릭스내의 다른 혼합물 뿐만 아니라 이들 물질의 종류와 상대적 비율을 조작하는 것이 가능하다.

고도로 무기물 충전된 시이트는 종이 또는 판지처럼 인쇄되거나, 코팅되거나, 적층(積層)되거나, 물결무늬를 넣거나 오글오글하게 하고 (크레이프화) 늘이거나 무늬를 넣거나 둘둘 감거나 선형으로 감거나, 누르거나, 접거나, 세로로 홈을 내거나, 주름지게 하고 붙일 수 있다. 어떤 경우에는 제조 과정중에 시이트에 선(score)을 내거나 구멍을 내는 것이 시이트안의 미리 정해진 위치에 매듭 또는 경첩을 만드는 도움을 주어서 유리하다. 선(score)은 시이트가 만들어진 다음에 언제라도 이것의 표면에 자국낼 수 있다 ; 즉 건조하지 않았을 때, 반 굳은 상태중, 또는 완전히 건조된 뒤에 시이트에 선을 낼 수 있다. 선의 위치, 선의 절단 그리고 구멍을 내는 시간과 자리는 선의 바람직한 성질과 만드는 특정 시이트의 성질에 따라 좌우된다.

결과적으로 지금까지 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속으로 제조된 다양한 종류의 제품을 통상적으로는 이들 물질을 사용했을 때와 비슷하고 대부분의 경우 더 좋은 가격으로 대량 생산할 수 있게 된 것이다. 비용 절감은 원료 비용이 줄어든 것뿐만 아니라 에너지가 적게 사용되는 제조과정과 낮은 초기 투자자본에 의한 것이다. 특히 본 발명의 무기물 충전된 물질은 플라스틱과 금속을 만드는 데 사용되는 필수 원료 물질을 제공하는데 훨씬 적은 비용이 들 뿐 아니라 종이의 제조에서보다 적은 탈수과정을 필요로 한다.

더우기 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 환경에 보다 친화적인 성분들을 포함하므로 다른 물질들로 시이트를 제조할 때보다 상기 시이트의 제조는 환경에 훨씬 적은 영향을 준다. 이러한 시이트는 종이, 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속으로 용기 또는 다른 품목을 제조할 때처럼 나무 펄프, 석유 제품 또는 다른 천연 자원을 고농도로 사용하지 않으므로 바람직하다.

본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트의 주요 성분으로는 모래, 유리, 실리카, 펄라리트, 질석(蛭石), 점토, 운모, 물속에서 경화되는 결합재 그리고 심지어는 콘크리트 폐기품 같은 무기물 물질이 주로 포함되어 있고, 물에 분산되는 유기 중합체 결합재, 물, 섬유 그리고 가능한 다른 혼합물도 함께 들어 있다.

또한 고도로 무기물 충전된 시이트에 셀룰로오스로 만든 섬유 그리고 유기 결합재 같은 유기 성분을 함유할 수 있으나 이러한 성분은 종이에 비교하여 시이트의 총 질량의 아주 적은 부분에 해당되며 보통 굳어진 무기물 충전된 시이트의 전체 고형물의 부피비로 약 60% 이하를 이룬다 ; 바람직하게는 이 부분이 고형물에서 부피비로 약 40% 이하, 더욱 바람직하게는 30% 이하이다. 대부분의 경우 포함되는 섬유는 굳어진 시이트의 전체 고형물에서 부피비로 약 0.5% 에서 50% 의 양으로 포함되는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 약 5%에서 35%, 그리고 가장 바람직하게는 약 15% 에서 30%의 양이다. 유기 중합체 결합재는 굳어진 시이트의 전체 고형물에서 부피비로 바람직하게는 약 1%에서 50%, 더욱 바람직하게는 약 2%에서 30%, 그리고 가장 바람직하게는 5%에서 20% 범위의 양이 포함되는 것이다.

본 발명의 제조 과정에서 사용되는 가능한 성형 가능 혼합물의 수가 많으므로, 넓은 범위의 유기 그리고 무기 섬유를 사용할 수 있다. 목질 섬유만 아니라 바람직하게는 농업관련산업의 여건에서 재배 수확될 수 있는 어떠한 섬유도 본 발명에서 사용할 수 있다. 섬유성 물질의 사용은 우리의 적어지고 있는 숲을 보존하는데 도움이 될 것이다.

어느 경우에든 면, 남부 소나무, 아마, 마닐라삼, 삼 그리고 사탕수수 같은 섬유들이 환경적 요소에서 바람직하다. 그러나 시이트의 사용 목적과 작업 기준에 따라 다른 섬유들이 바람직할 수도 있다. 이들은 무기물 충전된 유기 중합체 매트릭스내에 분산되어 있으므로 대부분의 종이 또는 판지 제품을 만드는 데 사용되는 과도한 공정를 필요로 하지 않는다. 이러한 과도한 공정은 나무 펄프안의 목질소와섬유소를 없애고 섬유를 문지르고 그 다음, 섬유 사이의 한데 꼬이는 피륙 효과를 이루어 근본적으로 스스로 접착하게 하기 위해서 제지 산업에서는 꼭 필요하다.

종이 제조에서는 크라프트(Kraft) 또는 아황산법이 펄프 시이트를 만드는데 통상적으로 쓰인다. 크라프트 법에서는 섬유를 자르기 위해 NaOH 공정으로 펄프 섬유를 조리(cook)한다. 아황산법에서는 섬유 붕괴 공정에 산이 사용된다.

두가지 방법 모두 섬유벽 내에 고착된 목질소(木質素)를 방출하기 위하여 섬유를 먼저 가공한다. 그러나 목질소를 섬유에서 제거하면 섬유의 강도(强度)가 많이 줄어든다. 아황산법은 더 심한 방법이므로 아황산법에 의해 만들어진 종이의 강도(强度)는 크라프트법에 의해 만들어진 종이에 비해 약 70% 의 강도(强度)를 보통 갖는다. (따라서 본 발명에서는 일정량의 목질 섬유가 포함되는한, 크라프트법을 사용하여 가공된 것이 섬유 강도(强度)가 크므로 바람직하다.)

종이 제조에서 일단 나무가 크라푸트 또는 아황산법에 의해 나무 펄프로 만들어지면 섬유안의 목질소와 반(半)섬유소를 더 없애고 섬유를 문지르기 위해서 진동기에서 더 가공된다. 만들어진 슬러리는 일반적으로 약 99.5%의 물과 약 0.5% 만의 나무 펄프를 포함하며, 반섬유소를 충분히 없애고 섬유를 충분히 연마하여서 섬유사이의 한데꼬이는 피륙 효과에 의해 근본적으로 스스로 접착되는 섬유성 혼합물을 만들기 위하여 심한 진동을 가하여야 한다.

섬유는 섬유들 사이의 수소 결합뿐만 아니라 마모된 섬유 끝의 피륙 효과와 방출된 목질소와 반섬유소의 접착력으로 근본적으로 스스로 접착된다. 따라서 피륙 물리학(web physics)와 수소 결합이 만들어진 종이와 판지 제품의 본래 모습을 유지하는 힘으로 작용한다. 그러나, 이러한 거친 처리를 한 댓가는 섬유의 전체 길이를 따라 대부분 홈이 생김으로써 인장, 인열(引裂) 및 파열(破裂) 강도(强度)가 상당히 감소되는 결과가 된다. 종이의 제조는 종이 시이트에 요구되는 필요한 결합과 구조적 완전함을 얻기 위해서 피륙 물리학에 필수적으로 의존하므로 상당히 높은 비율의 섬유(통상적으로 80% 이상)가 종이 시이트에 첨가되어야 한다.

다른 면으로 본 발명은 무기물 충전된 성분들을 함께 결합시키는 데 피륙 물리학에 의존하지 않는다. 오히려 물에 분산되는 유기 중합체 결합재에 의해 주어지는 결합력이 시이트내의 인장 및 휨 강도를 대부분 주고 있다. 또한 유기 중합체 결합재는 섬유뿐만 아니라 특정한 무기 혼합재(混合材)와 적은 범위에서 상호작용할 수 있다.

그 결과 무기물 충전된 매트릭스내에 섬유에 의해 주어지는 이장 강도, 인열(引裂) 및 파열(破裂) 강도 그리고 유연성(柔軟性)의 이로운 효과를 유지하면서 훨씬 적은 양의 섬유를 포함할 수 있게 된 것이다. 양호한 강도 특성을 유지하면서 적은 섬유를 사용함으로써 (종이와 비교하여) 훨씬 경제적으로 시이트 또는 용기를 제조할 수 있는데 그 이유는

(1) 섬유는 무기물 충전재 또는 혼합재(混合材)보다 훨씬 비싸며,

(2) 가공 장치에 투자되는 비용이 훨씬 적으며,

(3) 섬유 함량을 줄임으로써 환경에 버려지는 유기 화합물의 양을 감소시킬 수 있기 때문이다.

종이의 구조적 골격을 제공하는데 피륙 물리학을 사용하는 또 다른 단점은완성된 시이트에 첨가될 수 있는 무기물 충전재의 양과 섬유의 적당한 상호고착을 유지할 수 있는지에 대해 한계를 갖는 것이다. 어떤 점에서 약 20-30% 이상의 무기물 충전재를 첨가하면 섬유들이 적절히 상호고착할 수 없게 되어 고도로 충전된 종이 시이트의 인장강도와 인성(靭性)을 크게 감소시키는 섬유의 희석(dilution) 또는 분리를 일으킨다는 것이다.

더우기 본 발명에서는 섬유들을 문지르거나 탈목질시킬 필요가 없으므로 종이 슬러리 제조에서 요구되는 과도한 공정으로 섬유를 처리할 필요가 없다. 이것은 섬유의 강도를 높은 수준에서 유지하여 훨씬 적은 양을 함유할 지라도 이로부터 높은 강도와 유연성(柔軟性)을 여전히 얻을 수 있게 한다. 종이를 만들기 위해 섬유를 많이 마모시키거나 분쇄하여 사용하기보다는 본 발명에 사용되는 섬유는 실제로 분쇄되지 않고 (섬유소 섬유인 경우) 탈목질화되지 않은 상태이다.

본 발명의 시이트를 만드는데 사용되는 무기물 충전된 혼합물과 종이를 만드는데 쓰이는 슬러리의 또 다른 차이점은 본 발명의 혼합물은 제조 공정의 처음부터 끝까지 부피 또는 길이가 심각하게 감소(즉 밀집 또는 수축)하지 않는다는 것이다. 이것은 막대한 탈수로 인해 부피가 크게 감소하는 종이 슬러리에서 크게 발전한 것이다. 본 발명의 성형 가능한 혼합물중의 물의 대부분은 증발에 의해 제거되지만, 혼합물의 성질은 물이 한번 차지했던 공간이 빈 공간으로 남아있거나 유기 중합체 결합재에 의해 부분적으로 충전된 상태로 있는 것이다.

플라스틱 또는 폴리스티렌의 제조와 달리, 고도로 무기물 충전된 시이트는 출발 물질로서 석유로부터 만들어지는 제품 또는 유도체를 거의 또는 전혀 사용하지 않는다. 따라서 고도로 무기물 충전된 시이트를 제조하는데 사용되는 에너지를 만드는데 일정량의 화석 연료가 필요하지만 폴리스티렌 또는 플라스틱 제품의 제조에 사용되는 석유의 극히 일부만을 총량으로 소비한다. 더우기 본 발명의 에너지 요구량은 막대한 탈수 과정이 필요한 종이 제조의 에너지 요구량보다 훨씬 적다.

얇은 벽의 금속 제품(알루미늄과 주석 캔 같은)의 제조와 비교하여 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 빠르게 고갈되고 있는 천연자원을 계속적으로 사용하지 않는 것이다. 또한 본 발명의 공정 조건에서 낮은 온도와 단순성은 에너지 비용과 초기 자본 투자를 줄일 수 있다.

마지막으로 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트(이로부터 만들어지는 용기, 인쇄물 또는 다른 물품 뿐만 아니라)의 또 다른 장점은 종이, 판지, 플라스틱, 폴리스티렌, 유리 또는 금속제품보다 버려졌을때 환경에 덜 영향을 준다. 본 발명의 고도로 무기물 충전된 물질은 쉽게 재생될 뿐 아니라 재생되지 않는다 할 지라도 습기, 압력 그리고 다른 환경 요인에 노출되었을 때 땅의 성분을 보충하는 조성을 갖는 미세한 과립형 분말로 쉽게 분해된다.

고도로 무기물 충전된 시이트(또는 이것으로 만든 제품)가 매립지에 버려졌을때 다른 기존의 쓰레기의 무게에 의해 미세한 주로 무기질의 분말로 부서진다. 땅에 버려진 경우, 물과 바람의 힘 그리고 심지어는 그 위를 달리는 자동차 또는 그 위를 걸어가는 사람의 압력에 의해 무기물 충전된 쓰레기는 주로 무기질의 무해한 과립형 분말로 같은 조건에서 일회용 종이 또는 플리스티렌 시이트 또는 용기가 통상적으로 분해되는데 걸리는 시간에 비해 상대적으로 짧은 시간에 환원된다. 시이트가 분해된 후 남는 유기 물질은 소량이며 바람직하게 생분해된다.

강 또는 호수에 버려진 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 컵 또는 캔은 수십년 심지어는 아마도 수백년간 있을 것이나 고도로 무기물 충전된 시이트로 만든 용기는 짧은 시간에 먼지같은 분말로 되며 분해 시간은 출발 혼합물의 혼합 설계에 따라 주로 좌우된다.

일반적으로 본 발명의 실시예의 특정 성질은 무기물 충전된 유기 중합체 매트릭스의 미소구조에 원하는 특성을 부여하기 위하여 재료 과학과 미소구조 기술적 접근을 시도하여 미리 설계할 수 있으나 대량 제조 체계에서의 가격과 다른 복잡한 문제는 그대로 남아 있다. 전통적인 시행 착오적 접근 대신에 이러한 재료 과학과 미소구조 기술적 접근은 원하는 높은 인장 강도 및 휨 강도, 적은 무게, 낮은 가격 그리고 적은 환경 영향을 갖는 고도로 무기물 충전된 물질을 설계할 수 있게 한다.

본 발명에 따라 제조된 시이트, 용기 그리고 다른 물품의 바람직한 구조 매트릭스는 무기물 혼합재(混合材) 입자, 물 분산성 유기 결합재 그리고 섬유사이의 상호작용에 의해 만들어지는 것이다. 이것들은 적당한 양의 물을 첨가하고 성분들을 충분히 함께 섞어서 고도로 성형적성이며 작업이 용이하며 균일한 혼합물로 만들 수 있다. 첨가하는 물의 양은 혼합물의 안정성을 유지하면서 적절한 작업용이성과 성형성을 줄 정도가 바람직하다 ; 즉, 혼합물이 원하는 형태로 제조된 후 굳는 동안에 이의 형태를 유지하는 것이다. 이 경우 바람직한 것은 종이 제조에서 사용되는 롤러와 다른 제조 기계를 이용하여 일반적으로 압착 롤러에 걸거나 다른 방법으로 마무리할 수 있는 연속 시이트이다.

또한 물에서 경화되는 물질, 분산제, 공기 연행제 또는 발포제(종종 사출 과정 중에 주입됨) 같은 다른 혼합물을 원하는 특성을 갖는 시이트를 얻기 위해 첨가할 수 있다. 첨가물의 종류와 양은 최종적으로 굳어진 시이트 또는 이로부터 제조되는 물품 뿐만 아니라 성형 가능한 혼합물의 바람직한 특성 또는 실행 기준에 좌우된다.

분산제는 각각의 무기 혼합재(混合材) 입자 또는 섬유를 분산시킴으로써 혼합물의 점도를 감소시키는 작용을 한다. 이것은 적은 양의 물을 사용하면서도 적절한 수준의 작업 용이성을 유지할 수 있게 한다. 적당한 분산제로는 무기 혼합재(混合材) 입자의 표면에 흡착될 수 있고, 통상적으로 입자 표면 또는 콜로이드 이중층 가까이에 하천 부위를 생기게 함으로써 입자를 분산시키는 작용을 하는 임의의 재료를 들 수 있다. 같은 하전은 서로간에 반발하는 경향이 있으므로 입자들이 덩어리를 이루지 못하게 한다. 어떤 경우에는 최대의 분산 효과를 얻기 위하여 유기 결합제를 첨가하기 전에 물, 혼합재(混合材) 그리고 섬유를 포함하는 혼합물에 분산제를 첨가하는 것이 유리할 수도 있다.

시이트의 구조 매트릭스내의 혼합재(混合材) 물질들은 주로 부피를 더하여 혼합물의 가격을 많이 낮춘다. 게다가, 종이에 사용되는 통상의 슬러리와 비교하여 성형성이 더 큰 혼합물을 만들 수 있다. 값싼 혼합재(混合材)로는 보통 모래, 점토 그리고 탄산칼슘(석회석)을 예로 들 수 있으며 이것들은 환경면에서 안전하고 값이 싸며 근본적으로 무한하다. 다른 무기 혼합재(混合材)는 시이트에 각각의 독특한 표면 특성을 부여하므로 이를 고려하여 선택할 수 있다. 예를 들어 고령토는 더 부드럽고 구멍이 적은 마무리를 할 수 있으며 운모와 다른 점토같은 판상 물질은 광택나는 표면을 만든다.

어떤 경우에는 무게가 가벼운 혼합재(混合材)를 더 가볍고 때로는 더 단열이 잘되는 최종 제품을 만들기 위해 첨가할 수 있다. 가벼운 혼합재(混合材)로는 펄라이트, 질석, 중공(中空)유리구(球), 에어로겔(aerogel), 건조겔, 발연(發煙) 실리카 그리고 다른 가벼운 바위같은 물질을 예로 들 수 있다. 이러한 혼합재(混合材)들은 환경에 무해하며 상대적으로 값이 싸다.

겔 또는 실리라 겔, 규산 칼슘 겔, 규산 알루미늄 겔 같은 마이크로겔은 무기물 충전된 혼합물과 최종 굳어진 시이트내에 통상의 혼합재(混合材)또는 습기 조절제로서 무기물 충전된 매트릭스에 첨가될 수 있다.

마지막으로 수경(水硬) 시멘트, 반수 석고 그리고 산화 칼슘 같은 물속에서 경화되는 결합재를 유동성, 작업 용이성에 영향을 주고 혼합물에 초기 젖은상태에서의 강도를 갖게 하기 위하여 성형가능한 혼합물에 첨가할 수 있다. 상기 결합재들은 농도에 따라 혼합물 내의 상당량의 물과 화학적으로 반응하고 결합할 수 있기 때문에 내부 건조 효과를 갖는다. 또한 포틀랜드 회색 시멘트 같은 일부 수경(水硬) 시멘트는 성형 가능한 혼합물의 응집력을 증가시킨다.

종이와 비교하여, 더 많은 무기 혼합 충전재를 본 발명의 시이트에 배합시킬 수 있다. 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 시이트의 전체 고형 내용물의 부피비로 약 40% 내지 98%, 바람직하게는 약 50% 내지 95% 그리고 가장 바람직하게는 약 60% 내지 80%의 무기 혼합재(混合材)를 포함한다.

본 발명에서는 약 1/50 내지 1/3의 섬유를 사용하지만, 무기/유기 결합재 매트릭스내에 분산된 섬유는 인장, 휨 그리고 응집 강도에서 나무 또는 식물성 종이에서와 비슷한 성질을 갖는 시이트를 만든다. 이것은 본 발명에 사용되는 섬유가 종이를 만드는데 사용된 섬유보다 가공을 덜 하는 사실에 부분적으로 기인한다. 또한 이것은 본 발명에 사용된 무기물 입자와 유기 결합재 사이의 독특한 상호 작용에 의한 것이기도 하다. 따라서 전체 고형물의 부피비로 약 40%에서 98% 범위의 무기물 충전재를 함유하지만 매우 질기고 높은 유연성(柔軟性)을 갖는 시이트를 본 발명에 따라 제조할 수 있다.

본 발명의 범주에서 고도로 무기물 충전된 시이트를 제조하는 바람직한 방법은 (1) 물, 무기 혼합재, 물 분산성 유기 혼합재 그리고 섬유를 함께 섞은 성형가능한 혼합물을 준비하고 ; (2) 오거(auger) 또는 피스톤 압출기 같은 압출기안에 성형 가능한 혼합물을 넣고 ; (3) 적당한 다이(die)를 통하여 바람직하게는 원하는 두께의 평편한 시이트 또는 시이트로 펴질 수 있는 관(pipe)을 만들도록 혼합물을 압출하고 : (4) 이를 적어도 한쌍의 롤러 사이로 통과시킴으로써 시이트의 두께를 줄이고 : (5) 유기 중합체 결합재에 의해 함께 고정된 혼합재 입자와 섬유를 함유하는 실질적으로 경화된 매트릭스를 만들기 위해 시이트를 건조시키는 것이다.

대부분의 혼합 설계에서 적당한 두번째 방법은 (1) 무기물 충전된 혼합물을 반죽기에서 섞은 다음 진공상태에서 공기를 제거하고 ; (2) 혼합물을 적당한 형태(실린더 같은)의 개별 단위로 압출한 다음 절단하고 ; (3) 압출된 단위를 호퍼(hopper)로 옮기고 ; (4) 한 쌍의 자가 주입되는 압출 롤러 사이로 압출된 단위를 통과시켜 시이트를 만들고 ; 그리고 (5) 경우에 따라서 건조시키거나 다른 방법으로 시이트를 완성 시키는 것이다.

압출 단계는 성형 가능한 혼합물의 공기 제거에 도움을 주며 개개의 압출된 단위는 압출 롤러의 입구에서 성형 가능한 혼합물을 더 균일하게 공급할 수 있게 한다. 그럼에도 세번째 실시예에서는 성형가능한 혼합물을 도중의 탈기 과정없이 혼합 단계후 바로 압출 롤러로 이동시키는 것이다. 단순한 오오거 압출기가 운송 수단으로 작용할 수도 있다.

단순한 시이트 형성 공정에 더하여 성형가능한 여건을 계속 갖으면서 증발에 의해 구조 매트릭스에서 물이 제거되어 생긴 원치않는 공극(孔隙)을 제거하고, 섬유 흡착을 증가시키고, 기공도를 감소시키고, 및/또는 표면의 부드러움을 증가시키기 위해서 시이트를 경우에 따라 조밀화(稠密化)할 수 있다. 이것은 시이트를 한 개 이상의 별개의 압출 롤러 세트에 통과시킴으로써 수행된다. 끼여있는 물이 제거됨에 따라 시이트에 다공과 비어 있는 곳이 생긴다. 다음에 원한다면 이들 비어있는 곳을 없애기 위해 시이트를 조밀화(稠密化)시킬 수 있다. 이러한 조밀화(稠密化) 빈 공간을 없애기 위해 매트릭스를 더 성형함으로써 이루어진다.

그러나, 무기물 충전된 매트릭스에서 성형성을 유지하기 위해서는 조밀화(稠密化) 공정 전 또는 도중에 시이트에 충분한 양의 물이 있어야 한다. 조밀화(稠密化) 단계전 또는 도중에 성형할 수 없을 정도로 시이트를 건조시키면 무기물 충전된 매트릭스내에 흠집이 생기게 된다. 이 분야의 전문가는 어떠한 시이트 제조 공정에서든 조밀화(稠密化) 단계 전 또는 도중의 건조 정도를 적절하게 할 수 있을것이다.

수분 함량과 롤러 니프(nip)를 조절함으로써, 조밀화(稠密化) 롤러가 시이트의 길이를 많이 늘이지 않고서도 우선적으로 압축시키고 시이트의 밀도를 증가시키는 것이 가능하다. 조밀화(稠密化) 단계는 시이트에 마감을 부드럽게 유지하면서 더욱 밀집되고 균일한 구조 매트릭스를 만듬으로써 최종 경화된 시이트의 강도를 증진시킨다. 임의의 조밀화(稠密化) 단계는 두께 단위당 강도가 최대이고 단열 능력이 덜 중요한 얇은 시이트의 경우 일반적으로 바람직하다. 조밀화(稠密化)는 높은 단열성을 가지며 및/또는 낮은 밀도 특성을 갖는 두꺼운 시이트의 경우에는 일반적으로 필요하지 않다. 실제로 속빈 유리공 같은 혼합재를 갖는 시이트에서는 분쇄될 경우 단열 능력을 상실할 수 있으므로 조밀화(稠密化)가 바람직하지 않을 수 있다.

단단한 롤러와 부드러운 롤러로 이루어진 한쌍 이상의 마무리 롤러 사이로 시이트를 통과시키는 것이 바람직할 수 있으며 단단한 롤러는 한쪽 면에 광택있는 마감을 하고 부드러운 롤러는 시이트가 얼마간의 장력으로 당겨질 수 있도록 마찰을 생기게 한다. 마무리 롤러는 또한 시이트에 결이 있는 또는 거칠은 마감을 줄 수 있다. 이 마무리 공정은 일반적으로 시이트의 조밀화(稠密化)를 포함하지 않는다.

시이트는 또한 나중에 시이트가 구부려질 수 있도록 구조 매트릭스내에 선을 만들 수 있게 하기 위하여 약간 축축하거나 또는 건조한 상태일지라도 임의로 선을 긋거나, 선을 절단하고 또는 구멍을 낼 수 있다. 선택에 따라 주름진 시이트 및/또는 판지를 만들기 위하여 시이트를 한 짝의 주름진 롤러에 통과시킬 수 있다.

한편, 시이트에 방수성을 더 좋게 하고, 더욱 유연하게 하거나 또는 이것에 광택있는 표면을 갖게하는 것과 같은 여러가지 이유에서 코팅제를 시이트의 표면에 바를 수 있다. 콩기름 또는 메토셀(Methocel ^(R) , 다우 케미칼 제품) 같은 물질에 기초한 코팅제를 단독으로 또는 폴리에틸렌 글리콜과 조합하여 시이트 또는 시이트 내의 경첩(hinge)를 영구히 연화(軟化)시키기 위해 표면에 바를 수 있다.

탄성 중합체, 플라스틱 또는 종이 코팅은 밑에 있는 경화된 구조 매트릭스가 경첩에서의 구부러짐에 따라 균열되는 지에 관계 없이 경첩의 전체 모습을 보존시키는데 도움을 준다. 포장 용기의 경우 시이트에 인쇄하거나 또는 표면에 돋을 새김 또는 조각에 의해 표면에 표시 또는 로고를 붙이는 것이 요구될 수도 있다. 인쇄된 시이트는 잡지, 소책자 또는 다른 읽을 거리에 또한 사용될 수 있다.

고도로 무기물 충전된 시이트가 건조되어 전술한 다른 어떤 과정을 사용하여 선택적으로 처리된 후, 이것은 종이 또는 판지 시이트 같이 바로 사용되거나 또는, 예를 들어 실패처럼 시이트를 감거나 또는 시이트를 잘라서 짚단 같이 쌓아올림으로써 나중에 사용하기 위해 보관할 수 있다.

시이트를 원하는 물품의 형태로 만드는 이후의 과정에서 일시적으로 시이트의 유연성(柔軟性)과 구부러짐을 증가시키기 위하여 굳어진 시이트를 재습윤(再濕潤)화하는 것이(시이트의 강도에 따라) 때로는 바람직할 수 있다. 이것은 용기 형성 단계에서 시이트를 말거나 금을 새겨 특별히 예리하게 구부려지도록 만들려고하는 경우에 적용된다. 시이트를 원하는 형태로 말거나 구부린 후, 이 분야에서 알려진 접착법을 사용하여 끝 또는 솔기를 함께 붙이는 것이 필요할 수 있다. 어떤 경우에는 종이 또는 플라스틱 분야에서 알려진 절단 방법을 사용하여 최종 생성물로부터 과다의 물질을 잘라내는 것이 필요할 수도 있다.

무기 혼합재가 분산되어 있는 유기 중합체 결합재의 배합은 시이트와 이로부터 만들어지는 다른 물품의 기본 구조 요소 또는 무기물 충전된 매트릭스를 만드는 것으로 여겨진다. 유기 중합체 결합재는 무기 혼합재 같은 다른 성분들도 서로 간에 및/또는 유기 중합체 결합재 사이에 상호 작용할 수 있으나 물질의 압축 및 인장 강도, 유연성(柔軟性), 인성(靭性), 단열성 그리고 다른 원하는 특성을 증가시키기 위해 매트릭스를 한데 붙드는 성분이다.

섬유는 고도로 무기물 충전된 시이트의 인장강도, 유연성(柔軟性), 연성 그리고 구부러지는 성질을 증가시키기에 바람직한 첨가제로 간주된다. 상대적으로 고농도의 섬유를 갖는 것이 시이트에 금을 긋고 큰 각도로 구부리는 경우에는 특히 중요하다. 또한 섬유에 의해 굳어진 시이트에 부여된 성질들은 시이트내의 섬유를 한 방향 또는 양쪽으로 방향짓게 함으로써 증가될 수 있다.

압출기 다이 헤드(die head)의 모양에 따라 압출 과정 자체가 섬유를 "Y"(또는 세로) 방향으로 향하게 하기도 한다. 시이트의 두께를 줄이는 과정은 시이트가 길어지면서 섬유들을 더욱 "Y" 방향으로 향하게 한다.

또한, 원뿔 롤러와 짝을 이룬 평편한 롤러를 사용하는 것처림 Z 방향(또는 시이트 표면에 수직)에서 다른 방위를 갖는 한 쌍의 롤러를 사용하여, 일정 비율의섬유를 "X"(또는 넓이 방향) 방향으로 향하게 한다. 이런 방법으로 양쪽 방향으로 배향된 섬유를 갖는 시이트를 제조한다. 이것은 원뿔 롤러가 시이트를 "X" 방향으로 넓히기 때문에 일어난다고 생각된다.

한 쌍의 압출 롤러에 통과시킬때 까지 성형가능한 혼합물을 시이트로 만들지 않는 실시예에서는 흔합물이 롤러로 주입되는 압력을 조정함으로써 섬유의 정렬에 영향을 주는 것이 가능하다. 혼합물이 낮은 압력에서 압출 롤러 사이에 주입되는 경우 롤러를 통과하면서 물질의 갑작스러운 가속화로 상당량의 기계-방향 변형이 생겨서 시이트내의 섬유를 기계 방향으로 향하게 하는 경향이 있다.

반대 경우로 성형가능한 혼합물이 압출 롤러 사이에 높은 압력으로 주입되면 롤러는 훨씬 적은 기계-방향 변형을 주고 섬유들은 시이트내에서 훨씬 임의로운 배치가 되는 경향이 있다. 롤러 사이로 주입되는 성형가능한 혼합물의 압력을 조정함으로써 본 분야의 전문가라면 섬유를 기계 방향에서 원하는 정도로 최대한 배열하는 것이 가능할 것이다. 오거(auger) 컨베이어 같은 특정 컨베이어는 롤러 사이에 주입되는 성형 가능한 혼합물의 압력을 조정할 수 있다.

롤러 니프와 시이트가 축소 롤러를 지나기 전의 시이트의 두께와의 차이가 적은 경우, 물질의 섬유 방향성 흐름은 시이트 표면에 또는 근처에 위치하며 내부는 섬유 방향성 흐름에 따르지 않는 경향이 있다. 이것은 시이트의 표면 또는 그 가까이에서 섬유의 중요한 한쪽 방향 또는 양쪽 방향성을 갖으며 시이트의 내부에서는 훨씬 임의적인 방향을 갖는 시이트를 제조할 수 있게 한다. 그러나, 초기의 시이트 두께에 대해 니프를 감소시킴으로써 시이트 내부에서의 물질의 섬유 방향성흐름을 증가시켜 시이트의 내부 안에서의 섬유의 방향성을 증가시키는 것이 가능하다.

본 발명의 전술한 방법과 다른 장점 그리고 목적을 얻기 위하여, 앞서 간략히 특징화된 본 발명의 더 구체적인 설명을 첨부된 도면에 나타낸 이의 특정한 실시예를 참고하여 한다. 이 도면들은 본 발명의 하나의 전형적인 실시예를 나타낸 것이며 따라서 본 발명에 이것에 한정되는 것이 아님을 고려하면서, 본 발명을 첨부된 도면을 사용하여 부가적 특이성과 세부 사항으로 설명한다. :

제 1A도는 고도로 무기물 충전된 시이트를 제조하는데 사용되는 바람직한 시스템의 계통도로 혼합기, 압출기, 감축 롤러, 건조 롤러, 조밀화(稠密化) 롤러(선택), 마감 롤러(선택) 그리고 스풀기(spooler, 선택)를 포함한다.

제 1B도는 고도로 무기물 충전된 시이트를 제조하는데 사용되는 두번째 바람직한 시스템의 계통도로, 혼합기, 압출 롤러, 건조 롤러, 조밀화(稠密化) 롤러, 마감 롤러 그리고 스풀기를 포함한다.

제 2도는 진공실과 다이 헤드가 있는 오거 압출기의 일부를 잘라낸 투시도이다.

제 3도는 다이 헤드가 있는 피스톤 압출기의 측면도이다.

제 4도는 길이에 따라 변하는 틈을 갖는 슬릿이 있는 다이 헤드의 투시도이다.

제 5도는 비평면성 시이트를 만드는데 사용되는 균일하지 않은 원통형 롤러의 투시도이다.

제 6도는 한쌍의 감축 롤러와 롤러에 의해 두께가 줄어든 시이트의 측면도이다.

제 7도는 시이트 축소에 대한 (좁고 그리고 넓은 롤러틀의) 효과를 비교한 측면도이다.

제 8도는 두께가 줄어든 시이트에 작용하는 전단(剪斷)력을 감소시키는 데 사용되는 약간 경사진 원뿔형 롤러의 투시도이다.

제 9도는 시이트를 "X" 방향으로 통과시키어 시이트를 넓히는데 사용되는 실질적으로 경사진 원뿔형 롤러의 투시도이다.

제 10도는 "X" 방향을 따라 변하는 틈을 이루고 시이트를 넓히는 변형된 "Z" 방향의 한쌍의 롤러의 투시도이다.

제 11도는 시이트가 밀집되는 한쌍의 조밀화(稠密化) 롤러의 측면도이다.

제 12도는 "단단한" 롤러와 "부드러운" 롤러를 포함하는 한 쌍의 마감 롤러의 투시도이다.

제 13도는 주름진 시이트를 만드는데 쓰이는 한쌍의 주름진 롤러의 측면도이다.

제 14도는 칼날 절단기에 의해 금이 잘라지는 시이트의 투시도이다.

제 15도는 연속적인 다이 절단 롤러에 의해 금이 잘라 지는 시이트의 투시도이다.

제 16도는 금을 긋는 다이에 의해 시이트에 금이 눌려지는 투시도이다.

제 17도는 구멍 절단기에 의해 시이트에 구멍을 내는 투시도이다.

제 18도는 절단선이 있는 시이트가 절단선에서 얼마나 쉽게 구부려지는가를 보여주는 투시도이다.

제 19도는 시이트를 연속 절단하여 개개의 시이트를 쌓아올리는 것을 보여주는 투시도이다.

제 20a도는 끝이 봉인된 종이 상자 용지의 투시도이다.

제 20b도는 끝이 봉인된 종이 상자의 중간 형태의 투시도이다.

제 20c도는 끝이 봉인된 종이 상자의 투시도이다.

제 21a도는 컵 용지의 투시도이다.

제 21b도는 컵의 투시도이다.

제 22도는 자동 컵 조립 장치의 계통도이다.

바람직한 실시예의 간단한 설명

본 발명은 통상적으로 다-성분, 다양한 크기, 섬유 강화된 마이크로 복합체로 정의될 수 있는 고도로 무기물 충전된 조성물의 신규 조성물 및 제법에 관한 것이다. 별개이면서도 공동으로 연관된 특성을 부여할 수 있는 다양한 종류의 다른 불질(무기물과 섬유 포함)을 주의깊게 배합함으로써 강도, 인성(靭性), 환경에 무해함, 대량 생산 그리고 낮은 가격에서 탁월한 특성을 갖는 특정 종류 또는 범위의 마이크로 복합체를 만드는 것이 가능하다.

"다-성분"이라는 것은 본 발명의 시이트를 만드는데 사용된 무기물 충전된 물질이 통상적으로 섬유, 무기 혼합재 물질, 유기 혼합재 물질, 유기 중합체 결합재, 유동학(流動學)적으로 변형된 물질, 물에서 경화되는 물질, 물, 다른 액체, 갇힌 기체 또는 공극같은 3가지 이상의 화학적 또는 물리적으로 구별되는 물질을 포함하는 사실에 따른 것이다. 이렇게 광범위한 범주의 물질 각각은(시이트를 만드는데 쓰인 혼합물뿐만 아니라) 이로부터 만들어지는 최종 시이트에 한가지 이상의 독특한 특성을 부여한다. 이러한 넓은 범주안에서 시이트에 다른 그러나 상보적인 특성을 줄 수 있는 다른 물질 (2가지 이상의 무기 혼합재 또는 섬유 같은)을 더 포함하는 것이 가능하다. 이것은 제조 공정에 관련하여 시이트에 원하는 특성의 특정한 처리를 가능하게 한다.

본 발명의 무기물 충전된 물질의 다-성분(따라서 다-특성) 본질은 근본적으로 단일 성분 체계인 플라스틱, 폴리스티렌 또는 금속 같은 종래의 물질과는 확연히 구별된다. 단일 성분 물질로 만든 얇은 시이트는 일반적으로 이것을 만든 물질의 특정한 성질(예를 들어 일반적으로 반짝거리는 시이트는 시이트의 손상없이는 구부려지거나 접혀지지 않으며 : 유연성(柔軟性)이 있는 시이트는 때로는 자체 무게를 지탱하지 못한다.)을 갖는 한계가 있다. 반대로 본 발명의 다-성분 물질의 성질은 이로부터 만드는 시이트내에 여러가지 성질을 갖도록 할 수 있다.

"다양한 크기"라는 용어는 본 발명의 조성물과 물질이 다른 준위 또는 크기로 정의될 수 있는 것을 뜻한다. 특히 본 발명의 무기물 충전된 물질에는 약 10nm에서 크게는 약 10mm 범위의 거대-성분 조성물, 약 1 미크론에서 약 100미크론 범위의 미소-성분 조성물, 그리고 초미소 성분이 통상적으로 있다. 이들 준위가 fractal하지 않을 지라도 이들은 일반적으로 서로 간에 유사하며 각 준위내에서는단일하고 균일하다.

"섬유-강화된"이란 용어는 중요한 말이 "강화된"으로 용어 자체가 뜻하는 것처럼 본 발명의 고도로 무기물 충전된 물질을 종래의 종이 또는 종이 제품과 분명히 구분하는 것이다. 기존의 종이는 종이의 구조 매트릭스와 질량을 제공하는데 결합뿐만 아니라 "피륙" 물리학 또는 섬유의 한데꼬임에 의한 것이다. 그러나 본 발명의 무기물 충전된 물질은 무기 혼합재, 유기 중합체 결합재 그리고 섬유 사이의 결합 또는 상호 작용에 의한 것이다. 섬유는 특히 인장 강도와 유연성(柔軟性)을 더해 주는 강화 성분으로 우선적으로 작용한다.

마지막으로 "다-성분"이란 용어는 무기물 충전된 물질이 단순한 화합물 또는 혼합물이 아니라 미소 준위에서 크기 형태 그리고 화학적 구성에서 다른 특별하고 별개인 물질의 설계된 매트릭스라는 것을 의미한다. 물질들 각각의 독특한 성질이 최종 조성물에서 완전히 발현되도록 충분히 잘 결합되어 상호작용한다. (예를 들어 매트릭스의 인장 강도는 섬유 성분의 인장 강도와 직접적인 연관이 있으며 : 매트릭스의 단열성은 혼합재 물질의 전체 다공성과 단열 특성에 직접 연관된다.)

상기 정의와 원리에 의해, 물 분산성 유기 중합체 결합체, 섬유(유기와 무기 둘다), 그리고 무기 혼합재를 함유하는 물질은 종래의 종이 또는 판지와 유사한 성질을 갖는 시이트를 포함하여 여러 종류의 제품으로 조합되고 성형될 수 있다. 또한 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 플라스틱, 폴리스티렌, 그리고 심지어 금속으로 만들어진 시이트의 대용이 될 수 있다. 시이트는 다양한 용기와 다른 제조 품목으로 잘라서 만들어 질 수 있다(압연 또는 접음 같은). 조성물과 제법(이로부터 만들어지는 시이트를 포함하여)은 패스트 푸드 산업에서와 같이 일회용 용기와 포장재의 대량 생산에 특히 유용하다.

고농도의 무기 성분(예를 들어 무기 혼합재 물질, 섬유 또는 둘다)으로 인해 본 발명의 물질은 종이, 플라스틱 또는 폴리스티렌 물질과 비교하여 훨씬 적은 BTU 함량뿐 만아니라 더 높은 회분(灰分) 함량을 일반적으로 갖는다.

Ⅰ. 일반적 논의

A. 종래의 종이 제품

"종이"는 물 현탁액에서 스크린 위에 만들어진 식물성 섬유(주로 나무)의 짜여진 또는 펠트된 웨브(wsb)를 광범위하게 나타내는 용어이다. 대부분의 사람들이 "종이" 또는 "판지"로 말하는 시이트 제품은 나무에서 만든 나무 펄프로부터 제조되기 때문에 일반적으로 "나무 종이"이다. 나무 종이에 무기 충전재 또는 종량제, 전분 또는 다른 부성분들을 함유할 지라도 이것은 통상적으로 종이 시이트 부피의 약 80%내지 약 98%까지의 상대적으로 높은 나무 섬유 함량을 전형적으로 함유한다. 전술한 바에 따라 나무 종이는 웨브의 물리적 특성에 따라 근본적으로 자가-결합하는 섬유, 목질소 그리고 반(半) 섬유소의 혼합물을 얻기 위하여 섬유 자체를 마모시키고 분쇄시킬 뿐 아니라 가공되지 않은 목재 펄프 섬유의 목질소와 반섬유소 성분을 배출시킬 때까지 목재 펄프를 가공하여 제조된다. 주로 초목, 야채 또는 나무 종이인 넓은 범주의 섬유소에 기초한 종이를 이하 "종래의 종이"라고 총체적으로 부른다.

개개의 종래의 종이 또는 판지의 성질은 사용된 펄프의 성질에 상당히 좌우된다. 펄프 특성은 원료와 종이제조용 펄프를 만드는 데 쓰인 가공 기술에 따라 좌우된다. 예를 들어, 거칠은 포장 종이는 대개 언제나 표백하지 않은 크라프트 침엽수 펄프로 만든다. 통상적으로 표백된 펄프로 만들어지는 고급 종이는 인쇄, 필기 그리고 액체 및/또는 기체성 침투제에 대한 차단재와 같은 특정 기능성의 요구에 따라 응용 용도로 주로 쓰인다.

종래의 종이는 일반적으로 물이 많은 슬러리 또는 퍼니쉬(furnish)를 만들고 슬러리를 다공성 스크린 또는 철사 체 위에 올려 놓고 롤러 니프를 사용하여 물을 짜냄으로써 충분히 탈수시켜 제조된다. 첫번째 탈수 과정에 의해 물 함량이 약 50∼60%인 시이트가 만들어진다. 그 후 부분적으로 건조된 종이 시이트는 종종 가열된 롤러를 이용하여 시이트를 가열함으로써 더 건조된다. 웨브의 물리적 특성에 의한 한계 뿐만 아니라 종이 제조 공정으로 인해 종래의 종이 시이트내에 함유될 수 있는 무기 혼합 충전재의 양에는 상한선이 있다.

예를 들어 포스트 등의 미국 특허 제 4,445,970호는 제목이 "고 광물 조성의 고급 용지"로 "드물게는 유럽에서는 30%이상 그리고 미국에서는 25% 이상의 충전재가 첨가되나, 보통 완성된 종이 중량비로 4-20 중량% 수준의 충전재가 첨가된다. 고급 종이 제조는 부분적으로 수소 결합에 좌우된다고 믿어지며 고급 종이 제조에서 20%이상의 충전재를 사용할 때 생기는 한가지 문제는 너무 많은 충전재가 수소 결합을 감소시켜 웨브의 강도를 잃게 한다는 것이다."(1컬림, 42-50줄) 고 기존의 기술을 요약하고 있다. 포스트등은 더 고도로 충전된 시이트를 얻기 위하여 최종 시이트의 강도를 증가시키고 전체 모습을 유지하기 위해 전분 또는 고무 코팅을 입히는 것이 필요하다고 언급하고 있다.

포스트등은 시이트 격자를 강화시키기 위해 적당한 유액 물질을 사용하는 종래의 종이 제조 기술을 이용하여 여전히 제조되고 있는 더 고도로 충전된 종이를 만드는 법을 가르쳐 준다. 이 경우에도 포스트 등은 실제적으로는 부피비로 단지 약 15-35%의 무기함량에 해당되는 중량비료 30-70%의 무기 충전재가 들어 있는 종이 시이트를 만드는 법을 가르쳐 줄 뿐이다 (이 중량비를 부피비로 전환시키는 것은 포스트 등에 의해 발견된 무기 충전재, 즉 고령토와 활석이 건조시 약 2.6의 비중을 갖고 여기에 사용되는 목재 펄프 섬유와 유기 풀(sizing) 재료가 건조시 단지 약 1.2의 비중을 갖는다고 가정하여 이루어진 것이다) 실시예에 의해 증명되듯 포스트등에서의 바람직한 시이트는 단지 중량비로 약 50%(부피비료 약 25%)의 충전재 함량을 갖는다. 이것은 부피비로 최소한 40%, 바람직하게는 전술한 바와 같이 그 이상의 무기 혼합재를 포함하는 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트와 대조되는 것이다.

종이의 전형적인 잘 알려진 특성을 얻기 위하여 대체 섬유성 기질을 목재로부터 얻은 섬유 대신에 첨가하였다. 이것에는 짚, 아마(亞麻), 마닐라삼, 삼 그리고 사탕수수 같은 다양한 식물 섬유("2차 섬유"로 알려짐)가 포함된다. 만들어진 종이는 때로는 "식물 종이"로 언급된다. 나무 종이에서와 같이 식물 종이도 제조시 웨브의 물리적 특성, 고도로 가공된 섬유, 그리고 물이 많은 섬유 슬러리에 좌우된다.

더 높은 농도의 무기물 혼합 충전재를 함유하는 것 이외에 본 발명은 여러가지 면에서 종래의 종이 제조 공정과 다르다. 우선, 통상적으로 부피비로 적어도 97%, 심지어는 99.9%의 물을 함유하는 종래의 종이 슬러리와 비교하여 본 발명의 성형 가능한 혼합물에는 훨씬 적은 물이 사용된다(부피비로 50% 미만). 더 중요한 것은 일단 형태가 만들어지면 더 이상의 작용이 없으면 일반적으로 이의 형태를 유지할 수 있도록 수용성 슬러리보다는 고도로 응집력이 있으면서 성형 가능한 혼합물로부터 시이트가 만들어지는 것이다. 더우기 성형 가능한 혼합물은 10% 이상, 어느 경우에는 전혀 수축되지 않는다. 한편 종이 슬러리는 종이 제조 과정중에 60% 정도로 수축된다.

조성과 제조에서의 차이에도 불구하고 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 보통 종이의 강도, 인성(靭性), 유연성(柔軟性), 접힘에 대한 내구성, 휨 그리고 모양과 감촉을 갖도록 만들 수 있다. 물론 고도로 무기물 충전된 시이트를 만드는 데 사용된 성형가능한 혼합물을 설계하는 미소(微小)구조적 기술 접근은 종이에서 발견할 수 없는 아주 다양한 특성을 갖는 시이트의 제조를 가능하게 한다.

B. 시이트, 용기 그리고 다른 물품

본 명세서와 청구범위에서 사용되는 "시이트"용어는 여기에 기술된 방법을 사용하여 만들어지는 실제적으로 평편거나, 주름거나, 굴곡거나, 구부러지거나 결이 있는 시이트를 포함하는 것이다. 단 한가지 근본적인 조성물에서의 한계는 시이트의 적어도 일부의 구조 매트릭스는 물 분산성 유기 결합재를 갖는 고도로 무기물 충전된 조성물을 함유한다는 것이다. 시이트에는 고도로 무기물 충전된/유기 결합재 매트릭스 부분이외에도 종이, 유기 코팅, 잉크 또는 다른 유기 물질 같은 다른물질을 함유할 수 도 있다.

본 발명의 범주에 속하는 시이트는 시이트가 사용되는 특정 용도에 따라 두께가 크게 변할 수 있다. 이것들은 약 0.01mm정도로 얇거나 강도, 내구성 및/또는 크기가 중요하게 고려되는 경우에는 1cm이상으로 두꺼울 수 있다.

본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 "용기"라는 용어에는 다양한 종류의 생산품 또는 품목(음식과 음료품을 포함하지만 이에 한정되지 않은)을 보관, 분배, 포장, 분할 또는 운송하는데 쓰이는 어떤 품목, 저장기 또는 용기를 포함한다. 상기 용기로는 상자, 컵, "클램 쉘", 항아리, 병, 판, 쟁반, 종이상자, 용기, 크레이프, 접시, 계란 상자, 뚜껑, 빨대, 봉투 또는 다른 종류의 그릇을 예로 들 수 있다.

완전한 모양의 용기 이외에 용기에 연관되어 쓰이는 봉쇄용 제품도 "용기"라는 용어에 속하는 것으로 간주된다. 상기 제품으로는 뚜껑, 받침판, 간막이, 포장지, 완충물, 기구 그리고 용기내의 물품을 포장, 보관, 운송, 분할, 서빙(serving) 또는 분배하는데 사용되는 다른 생산품을 예로 들 수 있다.

시이트와 용기 이외에 여기에 기술된 고도로 무기물 충전된 시이트를 사용하여 만들어진 물품 또한 본 발명의 범주에 속한다. 여기에는 예를 들어 모형 항공기, 장난감, 베네치안 블라인드, 빗물 홈통, 마분지통, 셔츠 포장재 그리고 일시적인 자동차 유리 가리개 같은 별개의 품목들이 포함된다.

"대량 생산" 또는 "상업적" 또는 "경제적" 방법으로 제조된다는 문구는 명세서와 첨부된 청구범위에서 종이, 판지, 폴리스티렌 또는 금속같은 다른 물질로부터제조되는 시이트와 비교하여 제품을 경제적으로 만들 수 있는 속도로 빠르게 제조되는 여기에 기술된 시이트의 능력을 말하는 것이다. 본 발명은 한 번에 하나의 제품을 각각 수공제조("throwing pots" 같은)보다는 기계에 의해 신속히 제조되는 생성물의 매트릭스에 고농도의 무기 혼합재를 배합시키는 이전의 기술에서의 문제점을 해결하는 혁신적인 조성물을 의도한 것이다.

시이트, 용기 그리고 이로부터 만들어지는 다른 물품은 종이, 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속 같은 다양한 물질로 만들러 지는 상기 품목들과 시장성에서 경쟁력이 있게한 것이다. 따라서 본 발명의 시이트(그리고 이로부터 제조되는 물품)은 제조에 경제성이 있어야 한다(즉 가격은 통상적으로 개당 수 센트를 넘지 않는다). 상기 가격의 제한은 따라서 아주 짧은 시간에 수천개의 물품을 자동 생산하는 것을 필요로 한다. 그러므로 본 발명의 제품을 경제적으로 대량 생산하는 요구 사항은 물질과 제품의 품질에 중대한 한계를 만든다.

C. 미소구조적 기술 설계

본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 가격과 다른 제조상의 문제점을 동시에 인식하면서 고도로 무기물 충전된 물질의 미소구조에 어떤 원하는, 예측되는 특성을 부여하기 위하여 미소구조 기술적 견지에서 개발되었다. 더우기 종래의 시행착오식 접근과는 대조적으로 상기 미소구조 기술적인 분석 접근은 인쇄물, 용기 그리고 다른 물품을 만드는 데 사용되는 적절한 시이트에 필요한 강도, 중량, 단열성, 가격 그리고 환경에 무해한 특성을 갖는 고도로 무기를 충전된 물질을 실제로 더 효율적인 방법으로 설계할 수 있는 능력을 갖게 하였다.

특정 제품을 만드는데 사용할 수 있는 다른 원료의 종류는 5만 내지 8만으로 여겨지며 수없이 많다. 이것들은 금속, 중합체, 탄성체, 세라믹, 유리, 복합체 그리고 시멘트 같은 다른 광범위한 종류에서 얻을 수 있다. 같은 종류는 특성, 가공 그리고 사용 유형에서 약간의 공통점을 갖는다. 예를 들어 세라믹은 탄성률이 높고 반면 중합체는 탄성률이 낮다. 금속은 주조와 단조에 의해 형태를 만들 수 있으며 복합체는 강화 플라스틱 제법 또는 특정 성형 기법을 필요로 하고 ; 수경(水硬) 시멘트로 만들어진 것을 포함한 물에서 경화되는 물질은 사실 낮은 굴곡 강도를 갖으며 탄성체는 분쇄되기 전에는 높은 굴곡 강도와 신장성을 갖는다.

그러나 물질 특성을 구분하는 것은 자체의 위험이 있다 : 이것은 전문화(세라믹에 대해서 알지 못하는 금속학자)와 보수적 생각("우리가 늘 사용한 것이므로 철을 사용한다")으로 이끌 수 있다. 종이 같은 시이트의 제조에서처럼 다양한 생성물에 고도로 무기물 충전된 물질의 사용을 고려하는데 이같은 전문화와 보수적 생각은 제약이 된다.

그림에도 일단 고도로 무기물 충전된 생성물이 다양한 효용성을 갖으며 설계되어 미소구조적으로 만들어질 수 있다는 것을 알게 되면 가능한 여러가지 제품에 이를 응용할 수 있음이 분명해진다. 상기 물질은 상대적으로 온화하고 해가 없는 조건에서 이들 특성을 얻는다는 점에서 다른 종래의 물질에 대해 잇점을 추가로 갖는다(다른 물질들은 물질 성분에 심각한 영향을 주는 높은 에너지, 과도한 열, 또는 격한 화학적 가공을 필요로 한다.). 더우기 특정한 종래의 물질 또는 이의 성분은 놀랄만한 상승적인 특성 또는 결과로 본 발명의 고도로 무기물 충전된 물질에배합될 수 있다.

본 발명의 조성물의 설계는 우선 계획에 의해 우선적인 제약을 논의한 다음 성분의 성능을 최대화하는 물질들의 부분집합을 구함으로써 개발되고 구체화되었다. 그러나 모든 공정에서 가격 경쟁력 있는 공정으로 제품을 제조하도록 설계할 필요성을 인식하는 것이 중요하다.

물질 선택에서 주요 제약은 성공적인 제품에 결정적인 성분의 계획에 의해 특징된다. 예를 들어 음식과 음료 용기를 만드는 데 쓰이는 시이트의 경우 상기 주요 제약으로는 종이, 플라스틱 그리고 금속 대응품에 비교될 만한 가격을 동시에 유지하면서 최소 중량, 강도(압축과 인장 둘다), 그리고 인성(靭性)의 요구조항을 들 수 있다.

전술한 바와 같이 과거에 고농도의 무기 물질을 갖는 물질에서의 문제점의 하나는 이것들이 통상적으로 오랜 시간 -수일 또는 수 주일- 에 걸쳐 형태를 만들고 작업한 다음 고정시키고 경화시킨다는 것이다. 이러한 시간은 일회용 용기와 유사한 제품의 경제적 대량 생산에는 현실적이지 못한 것이 분명하다.

그 결과, 본 발명의 중요한 점은 무기물 충전된 물질이 시이트로 성형되었을 때 외부의 도움없이 젖은상태에서 이것의 형태를 유지한다(즉 가공 장치에서의 중력과 이동같은 작은 힘에 대해 자체의 무게를 지지할 수 있다)는 것이다. 더우기 생산이 경제적이기 위해서는 제조적인 견지에서 고도로 무기물 충전된 혼합물이 여전히 젖어있거나 완전히 굳지 않은 상태일지라도 통상의 제조 과정을 사용하여 취급할 수 있도록 성형된 시이트가 빠르게(수분 또는 수초 이내에) 충분한 강도를 갖는 것이 중요하다.

본 발명의 미소구조적 기술과 재료 과학적 접근의 또 다른 장점은 구조 매트릭스의 단면이 이전의 기술에 의해 통상적으로 얻어지는 것에 비해 더욱 단일한 조성물을 개발하는 능력이다. 이상적으로 약 1-2㎣의 무기물 충전된 구조 매트릭스의 2개의 샘플을 취했을 때, 이들은 공극, 혼합재, 섬유, 다른 첨가제 그리고 매트릭스의 특성을 실제적으로 유사한 양으로 갖는다.

가장 간단한 형태로 미소구조적 기술에서의 재료 과학을 이용하여 무기물 충전된 물질을 설계하는 공정은 (a)혼합재, (b)예측된 입자충전, (c)시스템 유동학(流動學), (d)평균섬유길이 및 충전밀도, (e)제조시스템의 공정과 에너지를 특성화, 분석 그리고 (필요하다면) 변형 하는 것을 포함한다. 혼합재 특성화에서는 평균 입자 크기를 정하고 입자의 자연적인 충전 밀도(입자의 형태의 기능임)를 정하고, 입자의 강도를 확인한다.

이러한 정보로 수학적 모델에 따라 입자 패킹을 예측할 수 있다. 입자 패킹이 작업 용이성, 형태 안정성, 수축, 부피밀도, 단열성, 인장, 압축 그리고 굴곡강도, 탄성, 내구성 그리고 가격의 적절함 같은 최종 생성물의 원하는 요건들을 계획할 수 있는 주요 요인이 확충되었다. 입자 패킹은 입자와 혼합재의 성질에 의해서 뿐만 아니라 물의 양과 이것의 충전된 혼합재의 틈새의 공극부피에 대한 관계에 의해서도 영향 받는다.

시스템 유동성은 거대-유동성과 미소-유동성 모두의 기능이다. 거대-유동성은 입자 패킹으로 정의 되는 고형입자의 서로간에 대한 관계이다. 미소-유동성은시스템의 윤활마찰의 기능이다. 윤활제(물, 물 분산성 결합재, 가소제, 분산제 또는 다른 물질)를 변형시킴으로써, 점도와 생산압력을 화학적으로 조정할 수 있다. 또한 미소 유동성은 입자의 형태와 크기를 변화시킴으로써 물리적으로 조정할 수 있다. 예를 들어 분쇄된 섬유, 판상 운모, 원형 실리카 발연체(發煙體) 또는 물에서 경화되는 결합재는 윤활제와 다른 방법으로 상호작용한다.

마지막으로 제조 공정은 작업 용이성과 형태 안정성 사이의 균형을 조작함으로써 조정될 수 있다. 본 발명에서와 같이 이것은 시이트 형성과정 중에 화학 첨가제(특정한 물 분산성 결합재를 첨가시키는 것과 같은) 또는 시스템에 에너지를 더함(금형의 가열같은)으로써 생산압력을 상당량 증가시키는데 중요하다. 실제로 형성과정 중에 조성물의 형태 안정성을 빨리 증가시키기 위해서 무기물 충전된 조성물을 조작하는 법을 발견한 것이 본 발명으로 하여금 이 분야의 상당한 발전에 기여하게 했다.

후술하는 논의로부터 가공 요소들뿐만 아니라 무기물 충전된 혼합물 내의 각각의 성분 물질이 경제적인 대량 생산을 하기 위해서 제조되는 특정 시이트의 주요 설계 제한 요건에 어떻게 연관되는지 이해될 것이다. 각 성분의 실행을 최대화하여 원하는 특성을 조합시키는 법을 나타내기 위하여 후술하는 실시예에서 특정 조성물을 언급한다.

D. 성형 가능한 혼합물

"무기물 충전된 혼합물" 또는 "성형가능한 혼합물" 이라는 용어는 서로 바꿀 수 있는 뜻으로 여기 개시되어 청구된 시이트로 성형될 수 있는 혼합물을 말한다.상기 혼합물은 고농도의 무기물 충전재 또는 혼합재(건조된 시이트의 전체 고형분의 부피비로 최소한 약 40%), 물 , 물 분산성 결합재, 그리고 섬유질 재료를 갖는 것으로 특징된다. 또한 혼합물은 가소제, 윤활제, 분산제, 물에서 경화되는 결합재 그리고 공기 공극 형성제 같은 다른 혼합물제를 포함할 수 있다.

성형가능한 혼합물은 원하는 형태로 성형된 후 바로 또는 잠시 후에 안정한 형태를 갖으면서도 높은 작업용이성과 접착성을 갖게하는 상대적으로 높은 생산 압력을 갖는 것으로 특징된다. "무기물 충전된 혼합물", "무기물 충전된 성형가능한 혼합물" 또는 "성형가능한 혼합물" 이라는 용어는 건조 또는 경화가 일어난 정도에 관계없이 혼합물을 뜻한다. 상기 혼합물은 부분 건조되고, 완전히 건조된 (일정량의 물이 물 분산성 결합재 내에 결합된 물로 시이트내에 통상적으로 남지만) 작업성이 매우 용이한 혼합물을 포함한다.

성형가능한 혼합물이 원하는 형태로 만들어진 후, 얻어진 시이트 또는 이로부터 만들어진 물품은 "고도로 충전된 무기/유기 중합체 매트릭스", "무기물 충전된 매트릭스" 또는 "무기물 충전된 유기 중합체 매트릭스"를 갖는다. 이들 용어는 건조 또는 경화가 일어난 정도에 관계없이 상기 매트릭스를 의미하며 시이트 또는 이로부터 만들어진 품목의 유일한 제약은 형태안정성이다. 그럼에도 고도로 충전된 무기 매트릭스는 부분적으로 또는 완전히 건조된 시이트 또는 물품뿐만 아니라 젖은 상태의 시이트 또는 이로부터 만들어지는 물품을 의미한다.

성형가능한 혼합물과 이로부터 만들어지는 무기를 충전된 매트릭스 둘 다 각각이 "고도로 무기물 충전된 물질" 또는 "고도로 무기물 충전된 복합물"을 이룬다.진술한 대로, 이들 용어는 젖음, 경화, 건조 또는 굳음이 일어난 정도에 관계없이 물질 또는 복합물을 뜻한다. 이들은 시이트 용기 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품으로 성형된 후에 반 건조 또는 굳어진 물질 뿐만 아니라 젖은 (즉 굳지 않은) 상태의 물질과 복합물을 만든다.

E. 물 분산성 유기 결합재

본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트 제조에 사용되는 성형 가능한 혼합물은 충분히 용매화된 물 분산성 유기 결합재의 건조에 의해 강도 특성을 나타낸다. 성형 가능한 혼합물은 고체 무기 혼합재 입자와 섬유를 윤활시키고 물 분산성 유기 결합재를 수화 또는 최소한 분산시키기에 충분할 정도로 일정량의 물을 혼합물에 첨가함으로써 작업 용이성및 유동성을 우선적으로 나타낸다. 다음, 증발에서 같이 물을 제거하면 물 분산성 결합재가 이것의 최대강도특성을 나타낸다.

예를 들어, 특정 전분 기재 물질은 분말 같은 형태의 조그만 과립으로 구입할 수 있다. 전분 기재 결합재는 전분 결합재를 물에 용해시키고 겔화 온도 이상으로 현탁액을 가열함으로써 겔화하여 "활성화"된다. 물을 제거한 후, 상기 전분 기재 물질은 약 40∼50 MPa 에 이르는 인장강도을 스스로 갖는다. 주의 깊은 미소구조 기술로 고도로 무기물 충전된 시이트(그리고 용기 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품)는 경우에 따라 40 MPa에 이르는 다양한 장력을 갖을 수 있다.

물 분산성 유기 결합재는 건조 또는 경화 (따라서 구조매트릭스 또는 고도로 무기물 충전된 매트릭스를 형성)시 혼합물 내에서 개개의 혼합재 입자와 섬유를 함께 결합시킬 뿐만 아니라, 성형가능한 혼합물의 유동성에 영향을 주는 일반적 경향이 있다. 실제로 여기 개시된 물-분산성 결합재는 충분히 다량으로 포함된 경우 최종 경화된 물질에 어느 정도의 결합도를 부여 하는 것으로 이해되지만 유동성 조절제로서 시멘트 그리고 다른 물에서 경화되는 혼합물에 사용된다.

본 발명에서 고려된 다양한 물 -분산성 유기 결합재는 다음 범주로 대충 나눌 수 있다. (1) 다당류과 이의 유도체, (2) 단백질과 이의 유도체, 그리고 (3) 합성 유기물질이다. 다당류 유동성 변형제는 (a)섬유소 기재 물질과 이의 유도체, (b)전분 기재 물질과 이의 유도체, 그리고 (c)기타 다당류로 다시 나눌 수 있다.

적당한 섬유소 기재 결합재로는 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시에틸프로필셀룰로오스 등을 예로 들 수 있다. 가능한 순열의 전체 범위는 크고 여기에 적지 않았으나 같거나 또는 유사한 특성을 갖는 다른 섬유소 물질 또한 잘 쓰일 수 있다. 일부 섬유소 기재 결합재는 또한 용액중에서 교차-중합할 수 있다. : 이것의 예로는 유니온 카바이드의 히드록시에틸셀룰로오스 제품인 셀로사이즈 ^(R) (cellosize ^(R) )를 들 수 있다. 셀로사이즈 ^(R) 는 물속에서 디알데히드, 메틸올 우레아 또는 멜라민-포름알데히드 수지와 가교 결합하여 물에 덜 용해되는 결합재를 형성한다.

적당한 전분 기재 결합재로는 아밀로펙틴, 아밀로스, 시겔(seagel), 녹말 아세테이트, 녹말 히드록시 에틸 에테르, 이온성 전분, 장쇄 알킬 녹말, 덱스트린, 아민 녹말, 인산염 전분 그리고 디알데히드 녹말을 예로 들 수 있다.

다른 천연의 다당류 기재 결합재료는 알긴산, 피코콜로이드, 한천, 아라비아 고무, 구아르 고무, 로커스티 빈 고무, 카라야 고무 그리고 트라가칸트 고무를 예로 들 수 있다.

적당한 단백질 기재 결합재로는 제인 ^(R) (옥수수에서 유래된 프롤라민), 콜라겐(젤라틴과 아교 같은 동물 연결조직에서 추출된 유도체), 그리고 카제인(우유의 주단백질) 을 예로 들 수 있다.

마지막으로, 적당한 물에 분산되는 합성 유기 결합재로는 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐메틸 에테르, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 염, 폴리아크릴이미드, 에틸렌 옥시드 중합체, 폴리젖산 그리고 라텍스(이것은 물 에멀션으로 만들어진 여러가지 중합가능한 물질을 포함하는 넓은 범주이다 : 예를 들면 스티렌-부타디엔 공중합체이다.)를 예로 들 수 있다.

본 발명의 성형가능한 혼합물 내의 물 분산성 유기 결합재는 이로부터 제조된 경화된 시이트에 경화된 시이트내의 총 고형물의 부피비로 바람직하게는 약 1% 내지 50%로, 더욱 바람직하게는 약 2% 내지 약 30%로, 그리고 가장 바람직하게는 약 5% 내지 약 20%의 양으로 유기결합재가 포함되는 것이다.

F. 물

전술할 바대로 물은 혼합물내의 물 분산성 유기 결합재를 수화, 또는 최소한 분산시키기 위해 성형가능한 혼합물에 첨가된다. 많은 경우에, 간의 물은 실제로 유기 결합재와 반응하여 유기 결합재안에 화학적으로 결합하게 된다. 다른 경우에는 종종 수소 결합에 의해 유기 결합재에 더 느슨하게 결합할 수도 있다. 또한 일정량의 물은 혼합물내에서 물에서 경화되는 결합재 또는 물과 화학적으로 반응 할 수 있는 다른 물질같은 다른 혼합물제와 반응할 수도 있다.

또한 물은 점도와 생산 압력을 포함하는 원하는 유동 특성을 갖는 성형가능한 물질을 만드는 작용을 한다. 이러한 특성들은 성형가능한 혼합물의 "작업용이성" 또는 흐름성을 평가하는 일반적인 방법이다.

성형가능한 혼합물이 적절한 작업용이성을 갖기 위하여 일반적으로 물은 각각의 무기 혼합재 입자, 섬유 또는 다른 고체 입자를 젖게하고, 유기 결합재를 수화 또는 적어도 분산시키며 그리고 입자사이의 간격 또는 공극을 최소한 부분적으로 채우기에 충분한 양으로 포함된다. 분산제 또는 윤활제가 첨가된 것과 같은 일부 경우에는 처음에 적은 양의 물을 사용하여도 적절한 작업용이성을 유지할 수 있다.

성형가능한 혼합물에 첨가되는 물의 양은 초기 물의 함량을 낮추는 것이 젖은 상태에서의 강도와 경화된 제품에서의 최종강도 모두를 증가시킨다는 사실을 동시에 인식하면서 혼합물이 충분히 작업이 용이하도록 주의깊게 맞추어져야 한다. 적은 양의 물은 총기공율이 성형 공정 중에 줄어드는 이유로 더 강한 최종 생성물을 만든다. 더우기 처음에 적은 양의 물이 성형가능한 혼합물에 포함되면 성형된 제품 또는 시이트를 경화시키기 위해 적은 양의 물만 제거되어야만 한다.

이러한 요구에 부응하는 적절한 유동성은 생산압력으로 나타낼 수 있다. 성형가능한 혼합물의 생산압력은 바람직하게는 약 2 kPa내지 약 5 MPa, 더욱 바람직하게는 약 100kPa 내지 약 1 MPa, 그리고 덜 바람직하게는 약 200 kPa 내지 약 700 KPa의 범위이다. 생산압력의 원하는 수준은 시이트 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품을 만들기 위해 사용되는 특정한 성형 공정에 따라 조절되고 최적화된다.

어떤 경우에는 성형과정 도중 또는 잠시 후에 성형된 시이트를 가열함으로써 과량의 물을 후에 제거한다는 사실을 고려하여 상대적으로 높은 함량의 물을 초기에 함유하는 것이 바람직할 수도 있다. 그럼에도 종래의 종이 제조와 비교하여 본 발명의 중요한 면의 하나는 성형가능한 혼합물내의 물의 처음 양이 종래의 종이를 만드는데 쓰이는 섬유 슬러리에서 보통 발견되는 양보다 훨씬 적다는 것이다. 이것은 종이를 만드는 슬러리와 비교하여 훨씬 큰 생산압력과 형태 안정성을 갖는 혼합물을 만든다. 그 결과 자립(自立) 물질(즉 형태가 안정한 물질)을 얻기 위하여 성형가능한 혼합물로부터 제거되어야 하는 물의 총량이 본 발명의 혼합물의 경우는 종래의 종이 제조에 사용되는 슬러리와 비교하여 훨씬 적다. 사실 종래의 종이 제조용 슬러리는 상당한 정도로 탈수될 때까지는 실제적으로 형태안정성을 갖지 못한다.

다음에 자세히 설명하듯이 만들어지는 성형가능한 혼합물의 입자충전밀도를 증가시키기 위해 각각의 혼합재 입자와 섬유의 크기를 선택할 수 있다. 특정한 유동성 또는 생산압력을 갖는 성형가능한 혼합물을 얻기 위하여 첨가되어야 할 물의 양은 입자 충전 밀도에 크게 의존한다. 예를 들어 성형가능한 혼합물의 입자충전밀도가 0.65이면 입자사이의 틈새의 공극을 충분히 채우기 위하여 부피비로 대략 35% 양의 물이 포함되어야 한다. 한편 입자 충전 밀도가 0.95인 성형가능한 혼합물은틈새의 공극을 충분히 채우기 위하여 부피비로 약 5% 양의 물만을 필요로 한다. 이것은 성형가능한 혼합물의 유동성과 작업 용이성에 영향을 주는 틈새의 공극을 충분히 채우기 위하여 첨가해야될 물의 양에서 7배 감소한 것이다.

전술한 바와 같이 혼합물에 첨가되어야 할 물의 양은 얻어진 성형가능한 혼합물의 원하는 유동성뿐만 아니라 혼합물 내의 입자 충전밀도의 수준, 첨가되는 물 분산성 결합재의 양에 크게 좌우된다. 따라서 성형가능한 혼합물을 형성하기 위해 첨가되어야 하는 물의 양은 부피비로 성형가능한 혼합물의 적게는 5%에서 많게는 50% 범위이다. 물의 정확한 양은 혼합물내의 다른 성분과 혼합물제의 부피와 종류에 따라 크게 변한다. 본 분야의 전문가는 주어진 제조 공정의 적절한 작업용이성을 얻기위하여 물의 준위를 조정할 수 있어야 한다.

대부분의 경우 성형가능한 흔합물에 원하는 작업용이성의 수준을 주기 위하여 요구되는 최소량의 물을 포함하여 가공된 시이트로부터 제거되어야 되는 물의 양을 줄이는 것이 바람직하다. 제거되어야 할 물의 양을 줄이는 것은 물의 제거에 에너지가 쓰이므로 일반적으로 제조 단가를 낮춘다. 그럼에도 본 발명의 조성물은 가장 높은 범주의 물을 포함하는 경우에서조차 일반적으로 부피비로 95% 이상의 물을 포함하는 종이를 만드는데 쓰이는 슬러리와 비교하여 훨씬 적은 물을 포함한다.

G. 혼합재

콘크리트 산업에서 사용되는 더 미세하게 갈아진 혼합재 물질뿐만 아니라 종이 산업에서 공통적으로 사용되는 무기 물질을 본 발명의 성형가능한 흔합물에 사용할 수 있다. 그럼에도 혼합재 또는 무기물 충전재 물질의 크기는 종이 산업에서사용되는 무기물 충전재 물질보다 종종 여러배 더 크다. 종이산업에서 사용되는 무기물 충전재내의 입자의 평균 지름이 통상적으로 2 미크론 미만인 반면 본 발명에 사용되는 혼합재 물질의 평균 입자 지름은 만들어지는 시이트의 벽두께에 따라 어떤 경우에는 100 미크론에 이르거나 또는 그 이상이므로 일반적으로 덜 비싸다.

종이 산업에 사용되는 무기물 충전재 물질은 본 발명의 성형가능한 혼합물에 사용되는 혼합재 입자보다 훨씬 작아야 되는 것이 요구될 뿐 아니라 일반적으로 후자에 비하여 더욱 균일한 크기이어야 한다. 사실 성형가능한 혼합물의 입자 충전밀도를 증가시키기 위하여 본 발명에서는 넓은 범위의 입자크기를 사용하는 것이 종종 바람직하다.

균일한 크기의 입자는 통상적으로 약 0.624의 충전밀도를 갖는다. 결과는 , 본 발명에 사용되는 무기 물질은 종이산업에서 사용되는 무기물 충전재 물질보다 비용이 훨씬 싸다는 것이다.

입자 크기의 일반적인 균일성을 유지하는 것 뿐만 아니라 종이산업에서 요구되는 극도로 작은 입자 크기 허용오차를 유지하는 것은 훨씬 비용이 든다. 입자 크기의 크게 증가된 범위는 종이 제조에 비하여 본 발명에 사용되는 무기 혼합재 물질이 훨씬 다양하도록 하게 해준다.

종이 제조에 사용되는 무기물 충전재와 비교하여 본 발명의 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 혼합재 물질의 더 큰 다양성으로 인해, 본 발명의 혼합재 물질은 최종 시이트에 훨씬 더 다양한 특성을 부여할 수 있도록 선택될 수 있다. 종이에서 무기물 충전재는 만들어지는 종이시이트의 색과 표면질에 영향을 주기 위해주로 첨가되는 반면, 본 발명에 사용되는 혼합재 물질은 강도(인장 그리고 특히 압축강도)를 증가시키고, 탄성률과 신장률을 증가시키고, 값싼 충전재로 작용함으로써 비용을 낮추고, 무게를 줄이고, 및/또는 만들어지는 고도로 무기물 충전된 시이트의 단열능력을 증가시키기 위하여 첨가된다. 더우기 운모와 고령토 같은 판 모양의 혼합재는 본 발명의 시이트에 표면마감을 부드럽게 하기 위하여 사용된다. 통상적으로 탄산칼슘 같은 큰 혼합재는 무광택 표면을 만들고 작은 입자는 광택있는 표면을 만든다. 종래의 종이제조에 대한 본 발명의 장점은 이들 중의 어느 것도 직접 매트릭스내에 첨가될 수 있다는 것이다.

유용한 혼합제로는 펄라이트, 질석, 모래, 자갈, 바위, 석회석, 사암(沙岩), 유리구슬, 에어로겔, 건조겔, 시겔, 운모, 점토, 합성점토, 알루미나, 실리카, 플라이 애쉬(fly ash), 발연 실리카, 용융 실리카, 얇은 판 알루미나, 고령토, 미소구(微小球), 속빈 유리공, 다공성 세라믹 공, 이수석고, 탄산칼슘, 알루미늄산 칼슘, 콜크, 씨, 가벼운 중합체, 조노트라이트(xonotlite, 결정형 규산칼슘 겔), 가벼운 부풀린 진흙, 수화 또는 수화되지 않는 수경(水硬) 시멘트 입자, 경석, 박리된 바위 그리고 다른 지질 물질을 예로 들 수 있다. 발연실리카뿐만 아니라 부분적으로 수화되거나 수화된 수경(水硬) 시멘트는 높은 표면적과 새로 만들어진 시이트의 높은 초기 접착력 같은 탁월한 우수성을 부여한다.

본 발명의 폐기된 시이트, 용기 또는 다른 물품같은 폐기된 무기물 충전된 물질조차 혼합 충전재와 강화재로 쓰일 수 있다. 또한 본 발명의 시이트와 다른 물품은 새로운 성형가능한 혼합물에 이들을 혼합 충전재로 간단히 첨가함으로써 쉽게효과적으로 재활용된다고 여겨진다.

점토와 석고는 둘다 구입의 용이성, 아주 낮은 가격, 작업용이성, 성형이 용이한 것과 또한 충분히 많은 양으로 첨가되었을 때 어느 정도의 결합과 강도를 주기 때문에 특히 중요한 충전 물질이다. "점토"는 특정한 화학적 조성과 성질을 갖는 대지에서 발견되는 물질을 말한다. 널리 알려진 점토로는 실리카와 알루미나(그룻, 타일, 벽돌 그리고 파이프를 만드는데 사용되는) 그리고 고령석이 있다. 고령토 진흙은 화학식이 Al ₂ O ₃ ·SiO ₂ ·H ₂ O인 아녹자이트와 화학식이 Al ₂ O ₃ ·SiO ₂ ·H ₂ O인 몬모릴로나이트가 있다. 그러나 진흙은 산화철, 산화티탄, 산화칼슘, 산화지르코늄 그리고 황철광 같은 다양한 종류의 다른 물질을 함유할 수도 있다.

또 점토은 수천년간 사용되어 왔고 굽지 않은 경우에도 경도를 갖을 수 있지만, 이러한 굽지 않은 진흙은 물 분해와 노출에 약점이 있으며 매우 부서지기 쉬우며 낮은 강도를 갖는다. 그럼에도 진흙은 본 발명의 무기물 충전된 조성물내에서 양호하고 값싼 충전재가 된다.

비슷하게 반수 석고는 또한 수화되고 물이 있으면 황간칼슘의 이수화물을 만든다. 따라서 석고 반수 또는 이수 형태중 어느 것이 성형가능한 혼합물에 첨가되는가(그리고 농도)에 따라 충전재와 결합재 둘다의 특성을 나타내기도 한다.

포틀랜드 시멘트 같은 수경(水硬) 시멘트조차 본 발명의 성형가능한 혼합재내에 무기물 충전재 물질로 첨가될 수 있다. 수경(水硬) 시멘트는 상대적으로 값이 싸고 양이 풍부할 뿐만 아니라 충분히 많은 양이 포함되는 경우 무기물 충전된 매트릭스에 어느 정도의 결합을 부여할 수 있다. 또 수경(水硬)시멘트는 물과 화학적으로 반음함으로써 성형가능한 혼합물내에서 증발시킬 필요없이 흔합물 내의 최소한 일부의 물을 효과적으로 제거하는 내부 건조 효과를 야기한다. 반수 석고와 소성점토도 같은 작용이 있다. 미리 수화된 시멘트 입자를 혼합 충전제로 또한 첨가할 수도 있다. 수화되지 않은 시멘트와 미리 수화된 시멘트 사이의 한가지 차이점은 후자는 마이크로겔과 소판을 포함하며 별개의 다른 형태를 갖는 것이다.

또 수경 시멘트는 최소한 물과 부분적으로 화학반응함으로써 충전재 입자와 섬유를 윤활시킬 수 있는 물의 양을 감소시켜 성형가능한 혼합물의 유동성에 영향을 준다. 또한 포틀랜드 회색 시멘트는 아마도 이 종류의 시멘트내에 있는 알루민산염 양의 증가로 인하여 성형가능한 혼합물의 내부점착력을 증가시킨다. 끝으로 기전(mechanism)이 분명치 않으나 수경시멘트는 많은 유기 중합체 결합재에 존재하는 수많은 히드록실기와 어느정도 상호작용하는 것으로 나타난다. 상기 결합재들의 히드록실기는 최소한 시멘트 입자의 표면에 흡착되어 있는 것으로 알려진 극성이 큰 수경 시멘트 겔 생성물과 수소결합 비슷한 상호작용을 한다.

성형가능한 혼합물과 이로부터 만드는 시이트의 본질때문에 성형된 시이트에 단열 효과를 주기 위하여 많은 양의 틈새 공간을 갖는 가벼운 혼합재를 포함하는 것이 가능하다. 성형가능한 혼합물에 가벼운 특성을 더할 수 있는 혼합재료는 펄라이트, 질석, 유리구슬, 속빈 유리공, 합성물질(예를 들어 다공성 세라믹공, 얇은 판 알루미나 등), 콜크, 가벼운 부풀린 점토, 모래, 자갈, 바위, 석회석, 사암(沙岩), 경석 그리고 다른 지질 물질을 예로 들 수있다.

종이와 시멘트 공업에서 사용되는 종래의 혼합재에 더하여 충전재, 강화제, 금속과 금속합금(스테인레스 강, 알루미늄산 칼슘, 철, 구리, 은 그리고 금 같은), 공 또는 속빈 구형 물질(유리, 중합체 그리고 금속같은), 줄밥, 펠렛, 분말(마이크로실리카 같은), 그리고 섬유(흑연, 실리카, 알루미나, 유리섬유, 중합체, 유기섬유 그리고 여러 종류의 복합체를 제조하는데 통상적으로 사용되는 다른 섬유같은)를 포함하는 다양한 종류의 다른 혼합재를 본 발명의 범위내에서 성형가능한 혼합물에 첨가할 수도 있다. 씨, 전분, 젤라틴 그리고 한천 형태의 물질같은 물질조차도 혼합제로 배합될 수 있다. 이런 후자의 혼합재들은 유기물(쉽게 생분해 되지만)이지만 결합재가 아니라 충전재로 우선적으로 작용하므로 여기에 포함된다.

무기물 충전된 혼합물에 첨가될 수 있는 다른 종류의 혼합재료는 겔과 실리카 겔, 규산칼슘겔, 규산 알루미늄겔 등과 같은 마이크로겔이 포함된다. 이것들은 다른 보통의 혼합재 물질같이 고체 형태로 첨가될 수 있으며 또한 그 자리에서 침전될 수도 있다. 이것들은 물을 흡수하는 경향이 있으므로 성형가능한 혼합물의 물 함량을 감소시키기 위해(이것은 생산압력을 증가시킨다)첨가될 수 있다.

또한 실리카 기재 겔과 마이크로겔의 높은 흡습성은 이것들을 최종 경화된 시이트내의 습기 조절제로 사용될 수 있게 한다. 공기로부터 습기를 흡수함으로써 겔과 마이크로겔은 평상의 공기 순환 조건하에서 무기물 충전된 시이트가 정해진 양의 습기를 보유하게 한다 (물론 공기로부터 습기를 흡수하는 속도는 공기의 상대 습도에 상관된다).시이트의 수분함량을 조절함으로써 시이트의 신장성, 탄성률, 구부러짐, 접혀짐, 유연성(柔軟性) 그리고 연성을 더욱 세심하게 조절할 수 있다.

또한 중합가능한 규산염 같은 중합가능한 무기 혼합재 물질을 성형가능한 혼합물내에 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이것들은 보통의 실리카 또는 규산염으로 혼합물에 첨가된 다음 중합된 규산염 혼합재를 만들기 위하여 그 자리에서 중합 반응을 일으키도록 처리될 수도 있다. 중합된 무기 혼합재는 대부분의 무기 혼합재 물질과 비교하여 이것들의 증가된 유연성(柔軟性)으로 인해 어떤 용도에서는 종종 유리할 수 있다.

예로는 본 발명에 따라 성형가능한 혼합물 내의 혼합재 입자의 섬유사이와 틈새를 더 완전히 채울 수 있는 다수의 다른 크기와 등급의 혼합재를 포함하는 것이 바람직하다. 입자 충전 밀도의 최적화는 모세관수로 종종 언급되는 틈새의 물로 채워지는 공간을 없앰으로써 원하는 수준의 작업 용이성을 얻는데 요구되는 물의 양을 감소시킨다.

충전 밀도를 최적화하기 위하여 입자크기가 작게는 약 0.05 미크론에서 크게는 약 2mm에 이르는 범위의 다른 크기의 혼합재를 사용할 수도 있다 (물론 만들려는 생성물의 원하는 목적과 두께가 사용되는 다양한 혼합재의 적당한 입자 크기를 정할 것이다).

최종 경화된 무기물 충전된 조성물의 최종 강도와 질량 특성뿐만 아니라 젖은 상태의 성형가능한 혼합물의 원하는 유동적 특성을 이루기 위하여 사용되는 혼합재의 종류와 크기는 본 분야의 전문가라면 일반적으로 알고 있다.

본 발명의 특정의 바람직한 구체적인 경우에는 혼합재의 성질과 특성(강도의 성질, 낮은 밀도 또는 높은 단열성 같은)을 최대로 하기 위하여 성형가능한 혼합물내의 혼합재의 양을 최대로 하는 것이 바람직할 수도 있다. 상기 혼합재의 양을 최대로 하기 위하여 고도로 무기물 충전된 물질내에 입자 충전 기법을 사용할 수도 있다.

입자 충전에 대한 자세한 논의는 본 발명의 발명자들중의 한사람에 의해 공저된 다음 논문에서 알아볼 수 있다 ;

요한센,V & 앤더슨,PJ,"입자 충전과 콘트리트 성질", 콘크리트의 재료과학 Ⅱ p.111∼ 147, 미국 세라믹 학회(1991) (Johansen,V.& Andersen,PJ, "Particle Packing and Concrete Properties." Materials Science of Concrete Ⅱ at 111∼147, The American Ceramic Society(1991)) 더 자세한 내용은 앤더슨,PJ의 박사학위 논문인 "콘크리트 제조의 조절과 감시-입자충전과 유동성 연구" 덴마크 기술 과학 아카데미에서 알 수 있다. 명세서에서는 전술한 논문과 박사학위 논문을 특정 참고자료로 여기에 사용하고 있다. 상기 혼합재 충전의 장점은 성형가능한 혼합물내의 단열구의 양을 최대로 하기 위하여 여러가지 크기의 속빈 유리공을 혼합시키는 후술의 실시예를 참고로 하면 더 잘 이해될 수있다. 높은 단열 능력을 갖는 시이트(또는 이로부터 만들어지는 물품)를 얻기 위하여 바람직한 구체적인 경우에 낮은 열 전도성 또는 "k-계수(K-factor)"(W/m·K로 정의됨)를 갖는 가벼운 혼합재를 고도로 무기물 충전된 매트릭스내로 배합시키는 것이 바람직할 수도 있다. k-계수는 대략 주어진 물질의 전체 열 저항을 나타내는 미국에서 일상적으로 사용되는 표현, 또는 R-계수(R-factor)의 역수로 R계수는 일반적으로 hr·ft ² ·F/BTU 단위로정의된다. R-계수라는 용어는 주로 미국에서 일반적으로 사용되며 물질의 두께에 관계없이 주어진 물질의 전체 열 저항을 나타낸다. 그러나 비교하기 위해서 문제의 물질의 인치두께당 열 저항 또는 hr·ft ² ·F/BTU·in로 나타내기 위해 R-계수를 표준화하는 것이 일상적이다.

본 명세서에서는 주어진 물질의 단열 능력은 이후로 열 전도성을 나타내는 IUPAC 방법, 즉 k-계수[영국단위(hr·ft ² ·F/BTU·in 로 표시되는 열 저항을 IUPAC단위로 변환시키는 것은 표준화된 숫자에 6.935를 곱한 다음 이와 역수를 취함으로써 이루어진다.]로만 표현한다. 일반적으로 낮은 k-계수를 갖는 혼합재는 또한 많은 양의 갇힌 틈새공간, 공기, 기체 혼합물 또는 부분적인 진공을 포함하는데, 이것들은 또한 상기 혼합재의 강도를 크게 감소시키는 경향이 있다. 따라서 단열과 강도의 관계는 경쟁적이므로 특정한 혼합설계를 계획할 때는 조심스럽게 균형을 맞추어야 한다.

바람직한 단열성의 가벼운 혼합제로는 부풀린 또는 박리된 질석, 펄라이드, 구운 규조토, 그리고 속인 유리공이 있으며 이것을 모두 다량의 섞인 틈새 공간을 포함하는 경향이 있다. 그러나, 이 목록은 소비를 의도하는 것이 아니며 상기 혼합재들은 낮은 가격과 구입의 용이함으로 선택할 것이다. 그럼에도 k-계수가 낮은 어떠한 혼합재로 시이트 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품에 충분한 단열성을 부여하는 것은 본 발명의 범주에 속한다.

전술한 바에 따라, 성형가능한 혼합물에 첨가되는 혼합재의 양은 혼합재 자체의 입자충전 밀도뿐만 아니라 다른 첨가 성분의 양과 종류를 포함한 다양한 요인에 좌우된다. 무기 혼합재는 경화된 시이트의 전체 고형 내용물의 부피비로 적게는 약 40%에서 많게는 약 98%의 양으로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 50% 내지 95%의 범위, 그리고 가장 바람직하게는 약 60%내지 80%의 범위이다.

전술한 바와 같이, 성형가능한 혼합물의 입자충전 밀도에 영향을 주기 위하여 다른 크기의 혼합재 물질을 여러가지 양으로 첨가할 수도 있다. 입자의 상대적 크기뿐만 아니라 각각의 혼합재 물질의 본래의 충전밀도에 따라 함께 섞인 혼합재의 최종부피가 그들이 혼합되기 전의 혼합체들의 부피의 합보다 작을 수도 있다.

H. 섬유

명세서와 첨부된 청구범위에 사용되듯이 "섬유" 그리고 섬유질 재료란 용어는 무기 섬유와 유기 섬유를 포함한다. 섬유는 만들어지는 무기물 충전된 물질의 접착력, 신장력, 편향력, 인성(靭性), 파쇄에너지, 그리고 굽힘, 인장, 그리고 경우에 따라서는 압축 강도를 증가시키기는 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 혼합재의 특정한 종류이다. 섬유성 물질은 고도로 무기물 충전된 시이트 또는 이로부터 만들어지는 물품에 단면 힘이 가해졌을 때 부서지는 가능성을 감소시킨다.

무기물 충전된 매트릭스에 배합될 수 있는 섬유로는 바람직하게는 삼, 면, 식물 잎, 나무 또는 줄기로부터 추출된 섬유소성 섬유 같은 자연산 유기 섬유, 또는 유리, 흑연, 실리카, 세라믹 또는 금속 물질로부터 만들어지는 무기 섬유를 들 수 있다.

바람직하게 선택할 수 있는 섬유로는 유리 섬유, 마닐라 삼, 사탕수수, 목재섬유(단단한 목재 또는 연한 목재 둘다로 남부의 단단한 나무, 그리고 남부의 소나무를 각각 예로 들 수 있다.), 그리고 면(綿)이 포함된다. 재활용된 종이 섬유로 사용될 수 있으나 이것들은 본래의 종이 제조 공정 중에서 일어난 섬유 분열때문에 약간 덜 바람직하다. 그러나 강도와 유연성(柔軟性)을 줄 수 있는 임의의 상당하는 섬유 또한 본 발명의 범주에 속한다. 실례로 필리핀의 이사로그 주식회사(Isarog Inc.)로 부터 구입할 수 있는 마닐라삼 섬유와 영국의 필킹톤 회사(Pilkington Corp.) 로 부터 구입할 수 있는 셈필 ^(R) (Cemfill ^(R) ) 같은 유리 섬유가 있다.

이들 섬유들은 낮은 가격, 높은 강도 그리고 구입의 용이성 때문에 본 발명에서 사용이 바람직하다. 그럼에도, 인성(靭性)과 유연성(柔軟性)(원하는 정도까지)뿐만 아니라 압축과 인장강도를 줄 수 있는 임의의 동등한 섬유 또한 본 발명의 범주에 분명히 속한다. 한가지 제한 기준은 섬유가 무기물 충전된 물질의 다른 성분과 해가 되게 반응하지 않으며, 이 섬유를 포함하는 시이트로부터 제조된 물품내의 보관 또는 분배되는 물질(예를 들면 음식)을 오염시키지 않고서 바람직한 성질을 부여하는 것이다.

본 발명의 시이트를 만드는데 사용되는 섬유는 바람직하게는 높은 길이 대 넓이 비( 또는 "종횡비")를 갖는 것이 바람직한데 그 이유는 길고 폭이 좁은 섬유는 혼성물질에 크기와 무게를 상당히 중가시키지 않고서도 무기물 충전된 구조 매트릭스에 더 많은 강도를 부여할 수 있기 때문이다. 섬유는 최소한 약 10:1의 평균 종횡비를 가져야 하며, 바람직하게는 최소한 약 100:1, 그리고 가장 바람직하게는약 200:1보다 큰 것이다. 그럼에도 작은 종횡비를 갖는 섬유가 일반적으로 시이트내에 쉽게 자리를 잡으며 더욱 균일하고 결함이 적은 시이트를 만든다.

성형가능한 혼합물에 첨가되는 섬유의 양은 최종 생성물의 바람직한 성질에 따라 변하며 인장강도, 인성(靭性), 유연성(柔軟性) 그리고 가격이 혼합 설계에서 첨가되는 섬유의 양을 결정하는 주요 기준이다. 최종 경화된 시이트내의 섬유의 농도는 전체 고형 내용물의 부피비로 바람직하게는 약 0.5%에서 약 50%이며, 더욱 바람직하게는 약 2%에서 약 30%, 그리고 가장 바람직하게는 약 5%에서 약 20%이다.(이 범위와 유기 중합체 결합재에 대한 것으로부터, 경화된 시이트내의 유기물의 총량은 전체 고형 내용물의 부피비로 바람직하게는 약 60% 미만, 더욱 바람직하게는 약 40% 미만, 그리고 가장 바람직하게는 약 30% 미만이다.)

부피비료 약 20% 아래의 섬유 농도를 약간 증가시키기면 최종 시이트의 강도, 인성(靭性) 그리고 굽힘 내구성이 눈부시게 증가하는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다. 부피비로 약 20%를 넘는 섬유를 첨가하는 것은 시이트의 강도와 유연성(柔軟性)에서 덜 눈부시게 증가하나, 이런 류의 증가는 어느 경우에는 경제적으로 정당화가 될 수도 있다.

그러나 섬유의 강도가 사용되는 섬유의 양을 결정하는 매우 중요한 요소임을 인식하여야 한다. 섬유의 인장강도가 더 강할수록 만들어지는 생성물에서 일정한 인장강도를 얻기위하여 사용되어야 하는 섬유의 양은 적어진다. 물론 어떤 섬유들은 높은 인장강도, 인열(引裂)및 파열(破裂)강도를 갖으며, 인장강도가 낮은 다른 종류의 섬유는 탄성이 더 클 수도 있다. 종횡비가 작은 섬유는 더욱 쉽게 자리를잡고 결함이 적은 시이트를 만드는 반면 종횡비가 크면 섬유의 강도부여 효과가 증가한다. 2가지 이상의 섬유를 조합시키는 것이 높은 장력강도, 높은 탄성은 더 나은 섬유 배열 같은 여러가지 특성이 최대화된 최종 생성물을 얻기 위해서는 바람직할 수도 있다.

또한 남부 소나무와 마닐라삼 같은 어떤 섬유들은 높은 인열(引裂)및 파열(破裂)강도를 가지며 면 같은 것들은 강도는 낮으나 큰 유연성(柔軟性)을 갖는 것을 이해하여야 한다. 더 나은 배열, 높은 유연성(柔軟性) 그리고 높은 인열(引裂)과 파열(破裂)강도가 요구되는 경우에는 다른 종횡비와 강도 특성을 갖는 섬유들을 공통으로 혼합물에 첨가할 수 있다.

예를 들어, 남부의 단단한 나무와 남부 소나무의 혼합물은 성형가능한 혼합물의 전체에 걸쳐 섬유를 더 잘 분산시키므로 양호한 섬유 분산성과 탁월한 접힘 내구성의 시이트를 만든다. 어느 경우에도 전술한 바와 같이 본 발명에 사용되는 섬유는 종이를 만드는데 쓰이는 섬유의 과도한 가공을 하지 않는 것이 바람직하다. 이런 이유로 이것들은 본래의 강도를 더욱 잘 유지한다.

마지막으로 특정 섬유와 무기물 충전재는 특정의 전분 기재 유기 중합체와 화학적으로 상호작용하고 결합할 수 있으므로 따라서 본 발명의 물질에 또 다른 중요함을 더해준다. 예를 들어, 많은 섭유와 무기물 충전재는 본래는 음이온으로 음전하를 갖는 것으로 알려진다. 따라서 유기 중합체와 음이온의 섬유, 그리고 무기 물질의 상호작용을 최대로 하기 위하여 양이온성 전분 같은 양(陽)으로 하전된 유기 결합재를 첨가하는 것이 유리할 수도 있다.

섬유를 송진과 백반(Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ) 또는 NaAl(SO ₄ ) ₂ 으로 처리함으로써 더 나은 내수성을 얻을 수 있으며, 송진은 섬유 표면상에 송진을 침전시킴으로써 이것을 더욱 소수성으로 만든다. 백반으로 형성된 알루미늄 플록은 양이온성 전분 같은 양하전의 유기결합체에 대해 섬유 표면에 음이온의 흡착위치를 만든다.

I. 분산제

이 이후에 사용되는 "분산제" 용어는 성형가능한 혼합물의 점도와 수율압력을 감소시키기 위해 첨가되는 물질의 종류를 의미한다. 분산제 사용에 대한 더 자세한 논의는 앤더슨,PJ의 석사논문인 "제타 전위에서의 유기 초가소화 혼합물제와 이들 성분의 효과 및 시멘트 물질의 관련 성질"(펜실바니아 주립 대학교 물질 연구소,1987)["Effects of Organic Superplasticizing Admixtures and Their Components on Zeta Potentical and Related Properties of Cement Materials"(The Pennsylvania State University Materials Research Laboratory,1987)]를 참고할 수있다. 본 명세서에서 상기의 석사 논문을 특별 참고자료로 함께 인용한다.

일반적으로 분산제는 혼합재 입자의 표면상 및/또는 입자의 콜로이드 이중 c층 가까이에 흡착됨으로써 작용하는데 수경 시멘트 입자가 첨가된 경우에 특히 그러하다. 이것은 입자의 표면 위, 또는 주위에 음전하를 만들어 서로간에 반발하게 한다. 입자들의 이러한 반발은 그렇지 않은 경우 입자들에 더 큰 상호작용을 갖게하는 마찰 또는 인력을 감소시킴으로써 "윤활"을 더해준다. 이것은 충전밀도를 약간 증가시키며, 성형가능한 혼합물의 작업용이성을 유지하면서 적은 양의 물을 포함할 수 있게 한다.

점도와 생산압력을 크게 감소시키는 것이 플라스틱 같은 특성, 접착력 및 /또는 형태 안정성이 덜 중요한 경우에는 바람직할 수도 있다. 분산제의 첨가는 아주 소량의 물이 첨가된 경우에는 성형가능한 혼합물의 작업용이성을 유지하는데 도움을 준다.

그럼에도 분산제의 코팅기전(mechanism)의 본성으로 분산제를 혼합물에 첨가하는 순서가 종종 결정적일 수도 있다. 특정의 물 분산성 유기 결합제(Tylose ^(R) 같은)가 사용되는 경우, 분산제가 물과 적어도 일부의 무기 혼합재를 포함하는 혼합물에 먼저 첨가된 다음 결합재가 두번째로 첨가되어야 한다. 그런지 않으면, 틸로스 ^(R) 가 우선 비가역적으로 흡착된 다음, 표면위에 보호 콜로이드를 형성하여 분산제가 흡착되는 것을 방해하기 때문에 분산제가 혼합재 입자의 표면상에 흡착될 수 있는 능력이 적어진다.

바람직한 분산제는 술폰화된 나프탈렌-포름알데히드 응축물로 WR그레이스 주식회사(WRGrace,Inc.)에서 구입할 수 있는 WRDA 19 상표로 판매되는 것을 예로 들 수 있다. 또 다른 작용을 잘하는 분산제로는 술폰화된 멜라민-포름알데히드 응축물, 리그노술폰산염 그리고 폴리아크릴산이 있다.

본 발명에서 고려되는 분산제는 때로는 콘크리트 산업에서 "초가소제"로 언급된다. 분산제를 때로 가소제로 작용하는 다른 유동성 조절제와 더 잘 구별하기 위해서 "초가소제"라는 용어는 본 명세서에서 사용하지 않는다.

분산제의 첨가량은 일반적으로 물의 중량비로 약 5%에 이르는 범위로, 더욱 바람직하게는 약 0.5%에서 약 4%의 범위로 그리고 가장 바람직하게는 약 1%에서 약 2%의 범위로 한다.

J. 공기 공극

강도가 아니라 단열이 가장 중요한 요인인 경우(즉 뜨겁거나 차가운 물질을 단열하는 것이 요구되는 경우), 시이트 또는 이로부터 만들어지는 물품의 단열성을 증가시키기 위해 가벼운 혼합재이외에 시이트의 구조 매트릭스 내에 작은 공기 공극을 섞는 것이 바람직할 수도 있다. 성형가능한 혼합물내로 공기 공극을 주입하는 것은 효용성이 없을 정도로 시이트의 강도를 낮추지 않고서도 요구되는 단열 특성을 부여하도록 조심스럽게 계산되어야 한다. 그러나 일반적으로 단열이 특정 생산물의 중요한 특질이 아닌 경우, 강도를 최대로 하고 부피를 최소로 하기 위하여 공기 공극을 최소로 하는 것이 바람직하다.

특정 실시예에서는 공기 공극의 혼합에 도움을 주기 위해 혼합물에 발포 또는 안정화제를 첨가하고서 성형가능한 혼합물의 고 전단(剪斷), 고속 혼합에 의해 응집되지 않은 공기 공극을 도입할 수도 있다. 전술한 고 전단(剪斷), 고 에너지 혼합기는 상기 요구되는 목적을 이루는 데 특히 유용하다. 적당한 발포제와 공기연행제로는 통상적으로 쓰이는 계면활성제를 들 수 있다. 널리 쓰이는 바람직한 계면활성제는 멀크리트(Mearlcrete), 발포액같은 폴리펩티드알킬렌 폴리올이 있다.

계면활성제와 함께 합성 액체 음이온성 생분해 용액인 Mearlcel 3532 같은 안정화제를 이용하여 물질내의 연행된 공기를 안정시키는 것이 필요하다.멀크리트(Mearlcrete ^(R) )와 멀셀(Mearlcel ^(R) )은 뉴저지의 멀상사(Mearl Corporation)에서 구입할 수 있다. 다른 발포와 공기연행제로는 빈솔 수지가 있다.

한편, 유기중합체 결합재는 연행된 공기를 안정화하는 작용을 한다. 다른 공기 연행제와 안정화제는 무기물 충전된 혼합물에 다른 정도의 기포 안정성을 부여하며, 특정 제조 공정에 가장 적합한 특성을 부여하도록 선택되어야 한다.

기포 안정성은 굳지않은 성형가능한 혼합물내의 공기의 분산을 유지하고 응집을 막는데 도움을 준다. 공기 공극의 병합을 막는데 실패하면 실제로 단열 효과가 감소하고 또한 경화된 성형가능한 혼합물의 강도가 크게 감소한다. pH의 증가, 나트륨 또는 칼륨 같은 용해성 알칼리 금속의 농도의 증가, 다당류 유동성 조절제 같은 안정화제의 첨가, 그리고 성형가능한 혼합물내의 계면활성제와 물의 농도를 조심스럽게 조정하는 것 모두가 혼합물의 기포 안정성을 증가시키는데 도움을 준다.

성형가능한 혼합물의 성형 및/또는 경화 공정중에 공기공극 시스템의 부피를 증가시키기 위하여 성형 가능한 혼합물을 가열하는 것이 종종 바람직하다. 가열은 또한 성형가능한 혼합물로부터 상당량의 물을 신속히 제거함으로써 성형된 생성물의 젖은 상태에서의 강도를 중가시키는데 도움을 준다.

기제가 성형가능한 혼합물 내에 섞이면, 예를 들어 혼합물을 250℃로 가열하면 기체의 부피는 약 85% 증가 (이상기체 방정식에 따라)하는 결과가 생긴다. 가열이 적절한 경우, 약 100℃에서 약 250℃의 범위내에서 가열하는 것이 바람직하다고알려져 있다. 상한선은 섬유 또는 유기결합재의 연소같은 성형가능한 혼합물내에서 일어날 수 있는 유해작용에 의해 정해진다. 더욱 중요하게는 적절히 조절된다면 가열은 시이트의 구조 매트릭스의 분쇄를 야기하거나 또는 시이트의 표면 조직에 결함을 만들지 않을 것이다.

다른 발포제로는 시트르산과 중탄산염의 혼합물, 또는 작은 과립 또는 입자로 가공되어 왁스, 전분 또는 수용성 코팅으로 피막된 중탄산염이 있다. 이것은 2가지 방법으로 공극 형성에 사용된다. : (1)다공성 기포 구조를 만들기 위하여 물과 반응하여 CO ₂ 기체를 만들거나, 또는 (2)입자를 매트릭스의 일부로 충전시키고 매트릭스를 경화시킨 다음 입자의 흡열분해를 일으키는 180℃ 이상으로 생성물을 가열하여 기포 입자를 제거하여 잘 조절된 다공성 경량 구조를 만든다.

다른 용도에서, 특정 성형 공정에서 요구되는 것과 같이 성형가능한 혼합물의 점도가 높은 경우 고 전단(剪斷) 혼합으로 적절한 수의 공기공극을 얻는 것이 더욱 힘들다.

이 경우 공기 공극은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 주석 같은 쉽게 산화하는 금속을 본래 알칼리성(수경시멘트 또는 산화칼슘을 포함하는 혼합물 같은)이거나 또는 수산화나트륨 같은 강한 염기를 첨가하여 알칼리성으로 만들어진 혼합물에 더함으로써 성형가능한 흔합물에 대신 도입될 수도 있다. 이 반응으로 성형가능한 혼합물 전체에 걸쳐 조그만 수소 기포가 방출된다.

화학반응을 개시하고 수소 기포의 생성 속도를 증가시키기 위하여 혼합물을가열하는 것이 더욱 바람직할 수도 있다. 성형된 생성물을 약 50℃에서 약 100℃, 바람직하게는 약 35 ℃에서 약 85℃의 범위의 온도로 가열하는 것은 반응을 효과적으로 조절하고 또한 상당량의 물을 방출하게 한다. 한편 이 가열 공정은 성형된 생성물의 매트릭스내에 갈라진 틈이 만들어지지 않도록 조절될 수 있다. 구조 매트릭스내에 공기 공극을 주입하는 상기 두번째 방법은 몇몇 성형 공정에서 사용되는 낮은 점도의 성형가능한 혼합물의 경우 고속, 고 전단(剪斷) 혼합으로 공기를 도입하는 방법과 함께 또는 대체하여 사용할 수 있다.

마지막으로 공기 공극은 열이 혼합물에 가해졌을때 팽창하는 발포제를 혼합물에 첨가함으로써 성형 공정중에 성형가능한 혼합물내로 도입될 수도 있다. 발포제는 전형적으로 끓는점이 낮은 액체와 미세하게 나뉘어진 탄산 칼슘(chalk)으로 이루어진다. 활석과 발포제는 성형가능한 혼합물에서 균일하게 혼합되고 가열시 압력하에도 보존된다. 액체 발포제는 각각의 쵸오크 입자의 기공에 침투하며, 이것은 압력의 갑작스러운 감소에 따른 발포제의 열 팽창시 발포제가 증발될 수 있는 장소로 작용한다.

성형 또는 압출 공정중에 혼합물은 동시에 압축하면서 가열된다. 열이 보통은 발포제의 증발을 야기하지만, 압력의 증가가 발포제의 증발을 방해함으로써 일시적으로 평형을 이룬다. 물질의 성형 또는 압출 후에 압력이 없어지면 발포제는 증발하고 따라서 성형가능한 물질을 팽창 또는 "부풀리기(blowing)" 시킨다. 결국 성형가능한 물질은 무기물 충전된 구조 매트릭스 전체에 걸쳐 매우 잘게 분산된 공극이 있는 상태로 굳어진다. 또한 물은 혼합물이 물의 끓는점 이상으로 가열되고50 바아(bar)에 이르는 압력하에서 유지되는 한 발포제로 작용할 수 있다.

공기공극은 시이트와 이로부터 만들어지는 다른 물품의 단열성을 증가시키고 또한 부피밀도, 따라서 최종 생성물의 중량을 크게 감소시킨다. 이것은 만들어지는 생성물의 총 질량을 감소시키며, 이것은 시이트의 제조에 필요한 물질의 양을 감소시키고, 일회용 시이트 또한 이로부터 만드는 용기의 경우 궁극적으로 버려지는 물질의 양을 감소시킨다.

Ⅱ. 성형 가능한 혼합물로부터 시이트의 제조

후술하는 제조 단계를 실행하는 장치를 포함하여 본 발명의 포괄적인 생산 단계를 제 1A도에 나타낸다 :

(1)성형가능한 혼합물의 혼합하고 ; (2)혼합물을 적절한 압출기 다리를 통하여 시이트, 파이프 또는 다른 물품으로 압출시키고 , (3)압출된 시이트를 두께를 감소시키거나 및/또는 시이트의 표면 질감을 개선하기 위하여 일련의 쌍을 이룬 롤러들 사이로 통과시키고 ; (4)이것을 한개 또는 그 이상의 건조 롤러 위에서 압연함으로써 최소한 부분적으로 시이트를 건조시키고 ; (5)시이트의 무기물 충전된 매트릭스내의 원치 않는 공간을 제거하고 시이트의 밀도와 최종 강도를 증가시키기 위하여 약간 젖은 상태에서 시이트를 임의로 조밀화하고 ; (6)조밀화된 후 시이트를 경우에 따라 건조시키고 ; (7)하나는 단단하고 하나는 무른 롤러를 포함하는 한쌍 이상의 롤러들 사이로 시이트를 통과시킴으로써 시이트를 경우에 따라 마감하고 ; 그리고 (8)충분히 굳어지고 건조된 시이트를 저장하고 필요시 사용할 수 있는 로울을 만들도록 임의로 스풀에 감는다.

물속에서 경화되는 구조 매트릭스를 갖는 시이트를 제조하는데 사용되는 유사한 공정에 대한 더욱 자세한 논의는 앤더슨-허드슨 기술에 설명되어 있다.

성형가능한 혼합물이 시이트 이외의 다른 물품으로 압출되는 경우, 시이트를 만들기 위해 파이프를 연속 절단하는 것처럼 물품을 시이트로 "펼치는 (open-up)" 것이 필요할 수도 있다.

다른 형태로 압출되는 경우에는 다른 과정(추가의 압연 공정의 사용 같은)의 사용을 필요로 할 수도 있다. 그러나 여기에 기술된 동일한 원리가 다른 압출된 형태에도 적용된다. 이들 각 제조단계를 더욱 자세히 후술한다.

A. 성형가능한 혼합물의 준비

시이트제조의 첫번째 단계는 최종 경화된 생성물의 강도, 유연성(柔軟性), 인성(靭性) 그리고 분해성뿐만 아니라 작업 용이성과 젖은 상태의 강도의 바람직한 성질을 갖는 적당한 성형가능한 무기물 충전된 혼합물의 형성을 포함한다. 미소구조 기술적 접근을 사용하여 본 분야의 전문가는 원하는 성질을 갖는 성형가능한 흔합물을 얻기 위하여 상대적 농도뿐만 아니라 성분들을 선택할 수 있다.

성형가능한 혼합물에 대해 일반적으로 바람직하다고 여겨지는 성질로는 적절한 작업 용이성, 플라스틱 같은 특성, 주어진 압출, 압연 및/또는 성형공정에서의 젖은 상태의 강도가 있다. 전술한 바와 같이 물, 물 분산성 유기 중합체 결합재 그리고 (경우에 따라) 분산제의 수분이 혼합재, 섬유, 공기 연행제 등 같은 다른 성분들이 혼합물내에서 그러하듯이 혼합물의 작업 용이성과 압출성을 결정한다. 그러나 어느 한 성분이 성형가능한 혼합물의 유동성과 다른 성질들을 완전히 결정하는것은 아니다. 오히려 각 성분이 상호 관련된 방식으로 함께 작용한다.

1. 혼합물 유동성에 대한 성분의 효과

적당한 작업 용이성과 흐름성을 갖는 혼합물을 얻기 위하여 첨가되어야 하는 물의 양은 무기 충전재의 농도와 입자 충전 밀도, 섬유의 양, 유기 결합재의 종류와 양, 그리고 다른 혼합물제(분산제, 가소제, 또는 윤활제 같은)의 종류와 양에 따라 좌우된다. 그러나 일반적으로 더 많은 물을 첨가하면 점도와 혼합물의 생산 압력을 감소시킴으로써 혼합물의 흐름성이 증가하고 이로부터 성형되는 물품의 형태 안정성이 감소한다.

물 분산성 유기 중합체 결합재는 유기 중합체의 종류, 농도, 그리고 겔화 정도에 따라 혼합물의 유동성에 큰 영향을 준다. 전술한 바와 같이, 바람직한 유기 중합체 결합재는 다음 범주로 대략 분류할 수 있다 ; 섬유소 기재, 전분 기재, 단백질 기재, 다당류 기재, 그리고 합성 유기물이다. 이들 광범위한 각각의 범주에는 수많은 하위 범주와 분류가 있다. 이들 각 물질의 공통된 면은 일반적으로 물에 용해되거나, 또는 최소한 아주 고르게 물에 의해 분산된다는 것이다. 따라서 이것들은 성형가능한 혼합물내에서의 이것들의 분산과 활성화(겔화를 포함하여) 하는데 적당한 수준의 물을 필요로 한다.

그럼에도 유기 중합체 결합재는 점도와 수율 압력의 준위를 변화시킬 뿐 만 아니라 물 용해성 또는 분산성의 준위를 크게 변화시킨다. 같은 종류의 유기 결합재는 분자량에 따라 점도를 크게 변화시킬 수 도 있다. 예를 들어, 20℃에서 틸로스 ^(R) FL 15002의 2% 용액은 약 15000cps의 점도를 갖으며, 틸로스 ^(R) 4000의 같은 용액은 약 4000cps의 점도를 갖는다. 전자는 성형가능한 혼합물의 생산 압력과 플라스틱 같은 특성을 크게 증가시키고, 반면 후자는 윤활제 또는 가소제로서 더 작용할 수 도 있다.

다른 유기 중합체는 물에서 다른 속도와 다른 온도에서 반응한다. 틸로스 ^(R) 같은 많은 유기 중합체 결합재는 성형가능한 혼합물에 첨가되었을 때 중합하거나 또는 탈중합하지 않고 오히려 겔화한 다음 건조하여 결합 매트리스를 이루지만, 물 용해성 또는 물 분산성 중합가능한 단위를 성형가능한 혼합물에 첨가하여 이후 시간이 지남에 따라 같은 용기내에서 중합하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 중합화 반응의 속도는 혼합물의 온도를 조절하거나 및/또는 촉매 또는 억제제를 첨가함으로써 조절될 수 있다. 성형가능한 혼합물에 첨가될 수 있는 중합가능한 단위로는 셀로사이즈(Cellosize)와 유액 형성 단량체를 예로 들 수 있다.

겔화에 대해, 대부분의 섬유소 기재 중합체 (틸로스 ^(R) 같은)는 실온에서 물에서 쉽게 겔화한다. 많은 전분같은 다른 것들은 오직 높은 온도에서 물에서 겔화한다. 그러나 특정 변형된 전분은 실온에서 겔화한다. 따라서 섬유소 기재 그리고 변형된 전분기재 중합체 결합재는 실온에서 이로부터 성형가능한 혼합물을 만들 수 있으므로 유리하다. 그럼에도 이것들은 가열하여야만 겔화하는 전형적인 전분 기재 중합체보다 일반적으로 걸린 비싸다. 바람직한 중합체는 내쇼날 스타치(National Starch)로부터 구입할 수 있는 내쇼날 51-6912이다.

시간 또는 온도의 기능에 따라 점도 또는 수율 압력에 영향을 주는 것이 요구되는 경우를 포함하여 성형가능한 혼합물의 바람직한 유동성에 따라, 수 많은 다른 유기 중합체 결합재를 성형가능한 혼합물에 첨가하는 것이 바람직할 수 도 있다. 섬유소 기재 유기 중합체 결합재는 일발적으로 거의 즉시 이것들의 최대 유동성 영향을 나타내고, 반면 중합가능한 결합재는 시간이 지남에 따라 경화되고 그리고 전분 기재 결합재는 혼합물의 온도가 증가함에 따라 경화한다.

성형가능한 혼합물의 유동성에 직접 영향을 주기 위해 첨가될 수 있는 다른 혼합물제로는 분산제, 가소제, 그리고 윤활제가 있다, 술포닐 기재 물질같은 분산제는 물의 양을 일정하게 유지하면서 성형가능한 혼합물의 점도를 크게 감소 시키고, 그리고 작업용이성을 증가시킨다. 결과는 분산제를 사용하는 것이 동일한 수준의 작업 용이성을 유지하면서 적은 물을 포함하는 것이다. 바람직한 가소제와 윤활제는 폴리에틸렌 글리콜이다.

무기 혼합재 충전재의 양, 종류 그리고 입자 충전 밀도는 성형가능한 혼합물의 유동성과 작업용이성에 크게 영향을 준다. 다공성 또는 높은 비표면(比表面)을 갖는 무기 혼합재는 비다공성 혼합재보다 많은 물을 흡수하는 경향이 있으며 따라서 입자를 윤활시키기에 유효한 물의 양을 감소시킨다. 이것은 더 끈적거리고 점성이 있는 혼합물을 만든다. 입자 충전 밀도는 또한 일반적으로 혼합물이 흐르기 위해서 물, 윤활제, 유기 중합체 또는 다른 액체로 채워져야 하는 틈새 공간의 양을 결정함으로써, 혼합물의 유동성에 막대한 영향을 준다.

예를 들면, 충전 밀도가 0.65인 혼합재 시스템은 입자 사이의 틈새 공간을충분히 채우기 위해서 부피비료 약 35%의 액체(물 포함)를 일반적으로 필요로 한다. 한편, 충전 밀도가 0.95인 혼합재 시스템은 공극을 충분히 채우는데 부피비료 단지 약 5%의 액체를 일반적으로 필요로 한다. 이것은 혼합물의 작업 용이성 준위를 포함하여 유동적 특성에 직접 관련되는, 틈새 공간을 채우는데 요구되는 물의 양에서 7배 감소한 것을 나타낸다. 실제의 입자 충전 밀도는 상기 양 극단 사이의 어느 곳에 일반적으로 위치하며, 성형가능한 혼합물에 첨가해야 하는 물의 양을 결정할 때 계산되어야 한다. 혼합재 입자의 크기와 형태도 또한 성형가능한 혼합물의 유동성과 흐름 특성에 어느 정도 영향을 준다.

성형가능한 흔합물에 압출 또는 다른 고압의 성형공정같은 높은 압력을 가해야 하는 상황에서는 혼합물을 압축시키면서 일시적으로 작업용이성과 흐름성을 증가시키기 위해서 입자 충전과 물 결핍 원리 사이에서 상호 작용의 이점을 취하는 것이 가능할 수도 있다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에서 "물 결핍" 또는 "물의 결핍"이란 용어는 입자 사이의 틈새 공간을 충분히 채우기에 물(그리고 다른 액체)이 불충분한 성형가능한 혼합물을 나타낸다. 이런 이유로 이 경우 입자를 적절하게 윤활시키기에는 물이 충분치 못하다.

그럼에도 일시적으로 입자 충전 밀도론 증가시키기에 아주 충분한 압력을 가했을 경우, 입자 사이의 틈새 공간의 양은 감소한다. 물이 압축되지 않고 가압하에서도 같은 부피를 유지하므로, 증가된 압력은 입자론 윤활시키기에 이용할 수 있는 물의 양을 뚜렷이 증가 시키며 이로써 혼합물의 작업용이성과 흐름성이 증가한다. 압력을 제거한 후, 통상적으로 성형 공정을 끝낸 후 혼합체 입자는 압축 이전의 밀도로 되돌아가는 경향이 있으며 따라서 틈새 공간의 양이 증가하고 내부 압력이 생긴다. 이것은 거의 즉시 형태 안정성과 젖은 상태에서의 강도를 증가시킨다.

수경 시멘트, 반수 석고, 그리고 산화 캄슘같은 물에서 경화되는 무기 혼합재는 물 흡수 기전으로 유용할 수 있다. 이것들은 물과 화학적으로 반응함으로써 가열 또는 건조 기법에 의지하지 않고서 성형가능한 혼합물 내의 물의 유효 준위를 감소시킨다. 상기 물질은 시간의 함수인 수화 정도에 따라 성형가능한 혼합물의 유동성에 크게 영향을 준다. 한편, 수경 시멘트는 젖은 상태의 성형가능한 혼합물과 이로부터 만드는 갓 만들어진 시이트의 접착 강도를 증가시킨다. 시이트가 롤러를 통하여 잡아당겨지면서도 충분한 강도를 얻기 위하여 충분히 건조될 때까지 이의 형태를 유지하도록 무기물 충전된 물질을 함께 붙드는 것이 점착이다.

마지막으로 섬유같은 혼합물내의 다른 고체 성분도 무기 혼합재와 유사한 방식으로 혼합물의 유동성에 영향을 준다. 특정 섬유들은 이것들의 다공성과 팽윤 능력에 따라 물을 흡수할 수도 있다. 한편 특정 섬유들은 이온 하전을 띠도록 처리될 수 있으며 이것들은 이온성 전분같은 이온 하전된 유기 가소제와 화학적으로 상호작용할 수 있게 한다. 이런 방법으로 섬유들은 혼합물의 유동성에 어느 정도 영향을 줄 수도 있다.

2. 최종 특성에 대한 성분들의 효과

최종의 건조된 또는 경화된 생성물에 대해, 시이트의 구조 매트릭스를 설계하는데 일반적으로 바람직하다고 여겨지는 특성으로는 높은 인장 강도(일반적으로 또는 특정 벡터를 따라서), 굽힘 강도, 유연성(柔軟性) 그리고 늘이거나 굴절시키거나 또는 구부리는 능력이 포함된다. 어떤 경우에는 종래의 종이 또는 판지 제품의 특성이 충분히 가미된 시이트를 얻는 것이 바람직할 수 도 있다. 그러나 다른 경우에는 보통의 목재 펄프 또는 다른 종래의 종이 제조의 출발 물질을 사용하여 얻을 수 없는 특성을 갖는 구조 매트릭스를 획득하는 것이 바람직할 수 도 있다. 이것들은 증가된 인성(靭性), 높은 탄성율, 내수성 또는 낮은 부피 밀도를 포함할 수도 있다.

시이트의 특성이 사용된 펄프의 특성에 따라 과도하게 좌우되는 종래의 종이 또는 판지와는 대조적으로, 본 발명의 무기물 충전된 시이트의 특성은 시이트를 제조하는데 사용된 섬유의 특성에 실질적으로 무관하다. 확실히 길고 더 굴절되는 섬유를 사용하면 짧고 뻣뻣한 섬유를 사용하는 것보다 시이트에 더 많은 굴절성을 부여한다. 그러나 종래의 종이에서 크게 펄프 의존적인 특성들은 사용되는 가공 기법 뿐만 아니라 성형가능한 혼합물의 비섬유성 성분의 농도를 조정함으로써 무기물 충전된 시이트로 설계될 수 있다. 강성(剛性), 단단함, 표면 마감, 다공성 등과 같은 특성들은 일반적으로 무기물 충전된 시이트에 사용되는 섬유의 종류에 좌우되지 않는다.

굴절성, 인장 강도, 굴곡 강도 또는 탄성율은 성형가능한 혼합물내의 성분들과 성분들의 상대적인 농도를 바꿈으로써 시이트, 용기 또는 이로부터 만들어지는 다른 물품의 특정 성능 기준에 맞출 수 있다. 어느 경우에는 높은 인장 강도가 중요한 특징일 수도있다. 다른 경우에는 이것이 덜 중요할 수 있다. 어떤 시이트는 바람직하게는 더 굴절되어야 하는 반면 다른 것은 뻣뻣해야 한다. 어느 것은 상대적으로 밀집되어 있으며 다른 것들은 더 두껍고, 더 가볍고 그리고 더욱 단열성이 있을 수 있다. 중요한 것은 가격과 다른 생산 라인에서의 변수를 인식하면서 특정 용도에 적합한 특성을 갖는 물질을 얻는 것이다. 특별한 성질을 "너무 많이" 또는 "너무 조금" 갖는 것이 성능면에서는 중요하지 않은 반면, 가격을 고려하면 특별한 성질을 제공하는 것이 낭비 또는 비효율적일 수 도 있다.

일반적으로, 유기 중합체 결합재 양의 증가는 최종 경화된 시이트의 인장 및 굴곡강도를 증가시키고 한편으로는 또한 시이트의 유연성(柔軟性)과 탄성 에너지를 크게 증가시킨다. 그 이상의 유기 중합체의 첨가는 또한 시이트의 강성(剛性)을 감소시킨다. 유사하게 혼합물내의 섬유 농도의 증가는 또한 최종 시이트의 인장 강도를 증가시키고, 세라믹 섬유같은 고 인장 강도의 섬유는 이 섬유들이 뻣뻣하므로 상대적으로 뻣뻣한 경화된 시이트를 만든다. 역으로 천연 섬유소성 섬유같은 유연한 섬유를 첨가하면 시이트의 인장, 인열(引裂) 및 파열(破裂) 강도뿐 만 아니라 유연성(柔軟性)을 크게 증가시킨다.

또한 압출과 압연같은 특정 시이트 형성 공정은 혼합물 또는 시이트의 신장 방향으로 섬유를 배향하는 경향이 있다. 이것은 시이트의 인장 강도를 특정 방향에서 최대로 하는데 유리할 수 도 있다. 예를 들어 시이트를 경첩을 따라 구부려야 되는 경우 경첩 또는 굽은 곳의 양 쪽을 더욱 효과적으로 연결시키기 위하여 접는 선에 대해 수직으로 배향되는 방식으로 섬유들이 방향을 짓는 것이 바람직하다. 경첩 또는 시이트에서 증가된 인성(靭性)과 강도가 필요되는 부위에 더 많은 섬유를 응집시키는 것이 바람직할 수 도 있다.

혼합재의 종류도 최종 경화된 시이트의 특성에 또한 영향을 줄 수 있다. 점토, 고형토 또는 백악(chalk)같은 일반적으로 단단하고 유연하지 않으며 작은 입자를 함유하는 혼합체는 일반적으로 깨지기 쉬운 성질이 커진 더 부드러운 시이트를 만든다. 펄라이트 또는 속빈 유리공 같은 가벼운 혼합재는 밀도가 낮고, 깨지기 쉬운 성질이 적어지며 그리고 더 큰 단열성을 갖는 시이트를 만든다. 분쇄된 모래, 실리카, 석고 또는 점토 같은 혼합재는 매우 저렴하므로 이로부터 만들어지는 시이트의 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 높은 비표면(比表面)을 갖는 물질은 증가된 건조 수축과 수축 결함을 준다. 낮은 비표면(比表面)을 갖는 물질은 이것들은 덜 끈적거림으로 스티킹 없이 낮은 온도 롤러로 시이트를 가공할 수 있게 하므로 유리하다.

수경 시멘트, 반수 석고 그리고 산화 칼슘 같은 물 속에서 경화되는 혼합재는 상기 물에서 경화되는 혼합재의 첨가량에 따라 경화된 시이트내의 결합의 정도에 영향을 준다. 이것들은 최종 시이트의 강성(剛性)과 압축 강도 그리고 어느 정도까지는 인장 강도를 증가 시킨다. 수경 시멘트는 또한 물에서의 시이트의 용해성을 감소시킴으로써 시이트의 물 분해에 대한 저항성을 증가시킨다.

마지막으로 혼합물에 송진과 백반을 첨가하는 것처럼 성형가능한 혼합물내의 다른 혼합물제는 최종 제품에 방수성을 더할 수 있다. 이것들은 상호작용하여 무기물 충전된 매트릭스내에서 내수성 성분을 형성한다. 상기 방수제가 유효량이 안되는 경우, 시이트가 용기같은 다른 제조 품목으로 만들어지는 경우에는 특히 시이트의 파열(破裂)이전에 시이트를 촉촉하게 하고 일시적으로 유연성(柔軟性), 굽힘성,그리고 신장성을 증가시키기 위해 물을 사용할 수 있다. 물론 물은 폐기된 후 시이트의 분해를 또한 용이하게 한다. 내수성은 표면의 기공을 막기 위하여 5-10% w/w 전분 용액으로 시이트 표면을 처리함으로써 도입할 수 있다.

일반적인 규칙으로, 유기 중합체와 섬유의 농도가 낮은 무기물 충전된 시이트는 더욱 단단하며, 높은 단열성을 갖고, 점착성이 낮으며, 열 손상에 내성이 있으며 낮은 인장 강도를 갖고 그리고 물분해에 대한 내성을 갖는다(특히 이것들이 더 많은 수경 시멘트를 함유하면 이의 함유가 또한 최종 생성물의 압축 강도를 증가시킨다).

유기 결합재의 농도는 낮으나 섬유 함량이 높은 시이트는 높은 인성(靭性)성, 낮은 압축과 굽힘 강도, 적은 강성(剛性)과 높은 유연성(柔軟性)을 갖으며 그리고 물 분해에 대해 상당한 내성이 있다(특히 수경 시멘트의 양이 증가되었을 때).

높은 농도의 유기 중합체 결합재와 낮은 농도의 섬유를 갖는 무기물 충전된 시이트는 더 물에 잘 용해되고 분해되며 성형하기 쉽고 (더 얇은 시이트를 제조할 수 있게 하는), 적당히 높은 압축강도와 인장 강도, 높은 인성(靭性), 적당한 유연성(柔軟性) 그리고 적은 강성(剛性)을 갖는다.

마지막으로 높은 농도의 유기 중합체 결합재와 섬유를 갖는 무기물 충전된 시이트는 종래의 종이와 매우 유사한 특성을 갖으며, 높은 인장 강도, 인성(靭性) 그리고 접힘 내구성을 갖고 적당히 높은 압축 강도와 물 분해에 대한 매우 낮은 내성을 갖으며 낮은 내열성을 갖고(특히 섬유의 연소점 또는 결합재의 분해 온도에접근하였을 때) 그리고 높은 유연성(柔軟性)과 낮은 강성(剛性)을 갖는다.

여기 개시된 조성물을 사용하여 만든 고도로 무기물 충전된 시이트는 바람직하게는 약 0.05MPa에서 약 70MPa, 그리고 더욱 바람직하게는 약 5MPa에서 약 40MPa 범위와 인장강도를 갖는다. 한편 시이트는 약 0.6g/㎤에서 약 2g/㎤ 범위의 부피 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 시이트가 이 범위에서 낮은 쪽, 중간 또는 높은 쪽의 밀도를 갖는 것은 일반적으로 주어진 용도의 바람직한 실행 기준에 좌우된다. 전술한 내용에서 본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트는 인장 대 부피 밀도의 비가 바람직하게는 약 2MPa-㎤/g에서 200MPa-㎤/g, 그리고 더욱 바람직하게는 약 3MPa-㎤/g에서 약 50MPa-㎤/g의 범위를 갖는다.

본 발명의 고도로 무기물 충전된 시이트의 특정 방향 강도 특성은 인장 강도와 인열(引裂) 강도에서 강한 방향과 약한 방향을 갖는 것으로 알려진 종이의 특성과 대조될 수 있다. 종래의 종이에서 강한 방향은 기계 방향이고, 반면 약한 방향은 기계와 교차하는 방향이다. 종래의 종이에서 강한 방향과 약한 방향에서의 강도의 비율이 약 3:1인 반면, 본 발명에서는 약 2:1이고 사용되는 특정 형성 공정에 따라 약 1:1에 접근할 수 있다. 일반적으로 차등(差等)형성 속도를 감소시키면 섬유가 더욱 임의의 방향으로 남아 있는 경향이 있다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 고도로 무기물 충전된 시이트에 대해 사용되는 "신장"이란 용어는 시이트의 구조 매트릭스가 파열(破裂)되지 않고서 늘여질 수 있으며 여전히 마감된 표면을 갖는 것을 뜻한다. 다른 말로는 시이트의 무기물 충전된 구조 매트릭스가 견인 또는 늘어남 같이 힘을 가하였을 때 파열되지 않고서형태를 움직이거나 또는 바꿀수 있는 것이다. 파열 이전에 시이트의 구조 매트릭스가 신장할 수 있는 능력은 인스트론(Instron) 인장 시험과 응력 변형도 시험으로 측정할 수 있다.

혼합 설계를 최적화함으로써, 젖은 상태의 시이트에서 인열(引裂) 또는 파열(破裂)이 생기기 전에 약 20%에 이르도록 그리고 건조 시이트에서는 약 0.5%에서 8%까지 신장할 수 있는 구조 매트릭스를 갖는 시이트를 제조하는 것이 가능하다. 이것은 성형가능한 혼합물과 만들어 지는 매트릭스내의 섬유와 유기 결합재의 양을 최적화함으로써 통상적으로 이루어진다. 특정 범위내에서 신장할 수 있는 구조 매트릭스를 갖는 시이트를 제조하는 것은 최종 경화된 시이트에 부피비로 약 50%에 이르는 양으로 섬유를 함유하도록, 성형가능한 혼합물내에 섬유를 포함시킴으로써 이루어진다. 첨가되는 섬유 또는 유기 결합재의 양이 더 많을수록 또는 매트릭스와 섬유의 접촉면이 더 좋을수록, 시이트를 파열시키지 않고서 일반적으로 더 많은 신장이 이루어진다. 한편, 건조 시이트의 신장은 시이트의 건조 질량에 대해 질량비로 10%까지의 상태에서 증기 또는 습기를 시이트에 첨가함으로써 증가 될 수 있다. 그러나 상기의 재습윤(再濕潤)화는 시이트가 다시 건조될 때까지 시이트의 강도를 일시적으로 감소시킨다.

더 큰 신장성 뿐만 아니라 더 높은 인장 강도는 무기물 충전된 매트릭스내의 섬유의 양을 증가시킴으로써 일반적으로 얻어진다. 이것은 성형가능한 혼합물에 더 많은 섬유를 첨가하거나 또는 다른 방법으로, 고도로 무기물 충절된 시이트의 표면 위 또는 내부안에 섬유를 한 층 (종이 시이트 같은) 붙이거나 또는 다양한 성질의강도와 유연성(柔軟性)을 갖는 섬유들을 함께 사용함으로써 이루어질 수 있다.

명세서와 첨부된 청구범위에서 무기물 충전된 시이트에 대해 쓰이는 "굴절"이란 용어는 시이트가 마감된 표면에 파열(破裂)과 변화없이 구부리고 그리고 압연할 수 있는 구조 매트릭스를 갖는 것을 뜻한다. 시이트의 굴절하는 능력은 본 분야에 알려진 방법을 사용하여 탄성 계수 그리고 파쇄 에너지를 측정함으로써 측정된다. 어느 물질이든간에 본 발명에 따라 제조되는 시이트의 구부러짐 능력은 시이트의 두께에 크게 의존한다.

시이트 두께에 관계없이 굴절을 측정하는 한가지 방법은 시이트의 다른 면과 비교하여 시이트의 한쪽면의 상대적인 신장으로 굴절을 정의하는 것이다. 시이트가 축 주위로 압연 또는 구부려짐에 따라, 시이트의 바깥 면의 길이는 증가하고 반면 시이트의 안쪽 면은 그렇지 않을 것이다. 결과적으로 안쪽 면의 신장에 대한 바깥 면의 상대적인 신장이 거의 동일하지만 얇은 시이트는 더 큰 정도로 구부릴 수 있으며 두꺼운 시이트는 거의 구부려지지 않는다.

상기 시이트의 굴절하는 능력은 영(Young's) 탄성율로 측정되는 시이트의 탄성 능력에 관계된다 : 결국 바람직한 굴절 범주를 달성하는 최적의 혼합 설계는 신장과는 별개로 최적화된다. 그럼에도 시이트를 적절한 용기 또는 다른 물품으로 만드는 공정중에 시이트의 구부러짐성은 시이트를 다시 축축하게 함으로써 일시적으로 증가될 수 있다. 물은 섬유, 물 분산성 유기 결합재, 그리고 혼합재 입자 사이의 틈새에 의해 흡수되는 것으로 믿어진다. 만들어진 시이트를 건조시키면 구부림성 수준은 일반적으로 감소하고 반면 시이트의 인성(靭性)과 경도는 일반적으로 증가한다.

바람직한 강도, 구부림성, 단열, 인성(靭性), 중량 또는 다른 성능 기준 특성을 갖는 시이트를 얻기 위하여, 시이트의 두께는 자세히 후술하는 바대로 롤러들 사이의 공간을 조정함으로써 바꿀 수 있다. 두께와 바람직한 성능 기준에 따라, 특정한 시이트 두께에 맞추기 위하여 성분과 이들의 상대적인 농도를 조정할 수 있다. 본 발명의 시이트는 매우 다양한 두께를 갖도록 설계할 수도 있다 : 그러나 얇은 벽 물질을 필요로 하는 대부분의 제품은 일반적으로 약 0.01mm에서 약 3mm 범위의 두께를 갖는다. 그럼에도 단열 능력 또는 높은 강도 또는 강성(剛性)이 더욱 중요한 용도에서는, 시이트 두께가 약 1cm에 이르는 범위일 수 도 있다.

본 발명의 시이트의 바람직한 두께는 무기물 충전된 시이트, 용기 또는 이로부터 만들어지는 물품의 의도하는 용도에 따라 변한다. 단지 한 예로서 높은 굴절성이 요구되는 경우 얇은 시이트가 일반적으로 바람직하다. 역으로 굴절성이 아니라 강도, 내구성 및/또는 단열성이 최우선의 관심사인 경우, 두꺼운 시이트가 일반적으로 바람직하다. 그럼에도 새긴 자국을 따라서 시이트를 구부리거나 또는 적어도 이것들을 둘둘 말아 용기로 하는 만드는 것이 바람직한 경우, 무기물 충전된 시이트는 바람직하게는 약 0.05mm에서 약 2mm 또는 그 이상의 범위내에서 그리고 더욱 바람직하게는 약 0.15mm에서 약 1mm범위의 두께를 갖는다.

시이트가 잡지 또는 다른 읽을 거리를 인쇄하는데 사용되는 경우, 이것은 통상적으로 약 0.05mm의 두께를 갖는 종래의 종이 제품과 동등한 두께를 갖는다. 높은 유연성(柔軟性)과 적은 강성(剛性)(잡지 또는 소책자의 정식 지면 같은)을 요구하는 인쇄용 시이트는 통상적으로 약 0.025-0.075mm의 두께를 갖는다. 더 큰 강도, 강성(剛性) 그리고 낮은 유연성(柔軟性)(잡지 또는 소책자 겉 표지)을 필요로 하는 것은 약 0.1-2mm의 두께를 갖는다. 특정 시이트의 두께와 유연성(柔軟性)은 해당되는 읽을 거리 또는 다른 인쇄물의 바람직한 성능 기준에 따른다.

본 발명의 다른 면은 압출된 그리고 압연된 물질이 높은 젖은 상태의 강도를 갖는 능력이다. 이것은 물의 양 뿐 만 아니라 성형가능한 혼합물에 첨가되는 물 분산성 유기 결합재의 양 및/또는 종류를 조정함으로써 성취될 수 있다. 초기에 상대적으로 적은 양의 물을 첨가하는 것이 성형된 물질의 젖은 상태의 강도를 크게 증가시키지만 초기에 많은 양의 물을 포함하는 것도 가능하며 그리고 종종 바람직한데 왜냐하면 이것의 작업 용이성과 열을 가함으로써 과도한 물을 신속히 제거하는 여기에 개시된 특정 성형 공정의 능력을 증가시키기 때문이다.

자세히 후술하는 바대로, 성형가능한 혼합물은 통상적으로 일련의 가열된 롤러를 통과하는데 이것은 상당량의 물을 배출하고 젖은 상태에서의 강도가 높은 시이트를 성형하는데 도옴을 준다. 그럼에도 본 분야의 전문가는 성형가능한 혼합물이 특정 다이를 통하여 쉽고 효을적으로 압출되며, 그리고 다른 공정중에 시이트가 일련의 롤러를 통과하면서 시이트 본래의 모습을 유지할 정도의 충분한 형태 안정성을 갖도록 성형가능한 혼합물이 적당한 유동성을 갖도록 물의 함량을 조절할수 있다.

전술한 바에 따라 성형가능한 혼합물은 최종 경화된 제품뿐만 아니라 혼합물 자체 모두에 특정의 바람직한 성질을 갖도록 미소구조적으로 처리될 수 있다. 따라서 성분들의 어느 배치(batch)또는 연속의 혼합 도중에 첨가되는 물질의 양을 정확하게 계량하는 것이 중요하다.

산업 환경에서 적절한 성형가능한 혼합물을 제조하는 널리 쓰이는 바람직한 구체적 예는 성형가능한 혼합물내로 배합되는 물질들이 자동적이고 연속적으로 계량되고, 혼합되고(또는 반죽하고) 탈기하고 그리고 오거 압출 장치로 압출되는 장비이다. 또한 필요한 경우 일부 성분을 용기에서 미리 혼합하고 미리 혼합된 성분들을 반죽 혼합 장치안으로 주입하는 것이 가능하다.

압축용 오거가 있는 이중 축 시그마 블레이드(blade) 반죽 혼합기는 바람직한 형태의 혼합기이다. 혼합기는 다른 RPM을, 따라서 다른 성분에 대해 다른 전단(剪斷)을 갖도록 조정할 수도 있다. 전형적으로는 성형가능한 혼합물은 최대한 약 10분 동안 혼합되고 그리고 다음에 최대한 약 3분 동안에 압축에 의해 혼합기로부터 옮겨진다.

본 발명의 성형가능한 혼합물내에 섞일 수 있는 다양한 성분 물질들은 구하기 쉽고 그리고 대량으로 값싸게 구입할 수 있다. 이것들은 자루, 저장통 또는 트레인 카(train car)로 운송되고 보관될 수 있으며 그리고 그 후에 그 분야에 알려진 종래의 방법을 사용하여 옮기거나 또는 짐을 내릴 수 있다. 한편, 이 물질들은 대형 저장용 사일로(silos)에 보관되고 그 다음 컨베이어에 의해 혼합 장소로 인출되고 운송될 수 있다.

어떤 경우에는 더 잘 분산되고, 균일한 혼합물을 형성하기 위하여 일부 성분들을 고전단(剪斷) 혼합물에서 함께 혼합하는 것이 바람직할 수 도 있다. 예를 들어, 특정섬유들은 서로간에 완전히 탈응집하거나 또는 분리하기 위해서 상기의 혼합을 필요로 할 수도 있다. 고전단 혼합은 더 균일하게 섞인 혼합물을 만들므로 최종 경화된 시이트의 강도 증가뿐만 아니라 굳지 않은 성형가능한 혼합물의 견고함을 증진시킨다. 이것은 고 전단 혼합이 혼합물 전체에 걸쳐 섬유, 혼합재 입자, 그리고 결합재를 더욱 균일하게 분산시킴으로써 경화된 시이트내에 더욱 균일한 구조 매트릭스를 만든다.

다른 혼합기는 성형가능한 혼합기에 다른 전단을 부여 할 수 있다. 예를 들어 반죽기는 보통의 시멘트 혼합기에 비하여 높은 전단을 부여할 수 있으나 그러나 아이리히 집중 혼합기(Eirich Intensive Mixer) 또는 쌍둥이 오거 음식 압출기에 비해서는 낮다.

그러나 고전단, 고속 혼합은 이런 조건에서 파손되거나 분해되는 경향을 갖는 물질에는 사용할 수 없다. 펄라이트 또는 속빈 유리공 같은 특정 가벼운 혼합재는 고전단 상태에서 파쇄되거나 뭉개지는 경향이 있다. 한편, 추진기에 의한 고전단 혼합은 혼합물이 상대적으로 낮은 점도를 갖는 경우에만 일반적으로 유효하다. 더 많이 점착되고, 플라스틱 같은 물질을 얻는 것이 바람직한 경우에는 물을 포함한 일부 원료를 고전단 혼합기에서 섞은 다음 저전단 반죽 혼합기를 사용하여 섬유 또는 혼합재 같은 고체의 농도를 증가시키는 것이 바람직할 수도 있다.

전술한 바대로 고전단 혼합은 성형가능한 혼합물내에 공기 연행제를 첨가함으로써 작고 응집되지 않은 공기 공극을 주입하는 것이 요구되는 경우에 특히 유용하다. 수경 시멘트 또는 산화 칼슘 같은 물에서 경화되는 물질이 혼합물에 첨가된경우, 이산화탄소가 혼합물과 반응을 일으키도록 고전단 혼합기 위에 이산화탄소로 대기를 가득하게 하는 것이 유리할 수도 있다. 이산화탄소는 시멘트성 혼합물의 기포 안정성을 증가시키고 수경 시멘트의 조기 잘못된 응결을 야기하는 것으로 밝혀졌다. 또한 이것은 불용성 결합 침전물인 탄산 칼슘을 만들기 위하여 산화 칼슘과 반응하는 성분이다.

여기 기술된 더욱 균일한 혼합물을 제조하는데 유용한 고 전단 혼합기는 "혼합 및 교반 장치" 제목의 미국 특허 제 4,225,247호 ; "콜로이드성 혼합물을 생산하는 젯법과 장치" 제목의 미국 특허 제 4,552,463 호 : "회전 분쇄기" 제목의 미국 특허 제 4,889,428호 ; "시멘트 건축 물질 생산 장치" 제목의 미국 특허 제 4,944,595호 ; 그리고 "시멘트 건축 물질 생산 공정" 제목의 미국 특허 제 5,061,319호에 개시되고 청구되어 있다. 개시를 위하여, 전술한 특허들은 특별 참고 자료로 여기에 기술한다. 본 특허들의 범주에 있는 고전단 혼합기는 본 발명의 양수인 캘리포니아 산타바바라의 E.카쇼기 공업(E, Khashoggi Industries)으로부터 구입할 수 있다.

B. 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 시이트의 형성

성형가능(成形可能)한 혼합물을 적절히 배합하여, 그 혼합물을 보통 압출기(壓出機) 및/또는 한 세트 또는 일련의 롤러를 포함하는 시이트 형성 장치로 이송하였다. 경우에 따라, 시스템 내에서의 여러 구성요소들의 조합을 극소화하고 공정을 능률적으로하기 위해서, 성형가능(成形可能)한 혼함물의 혼합과 압출(壓出)이 동시에 가능한 장치를 사용하였다. 제 1A 도를 참조하면, 성형가능한 혼합물로부터 시이트를 제조하기 위한 바람직한 시스템을 도시하였다. 이 시스템은 혼합 장치 10, 압출기(壓出機) 20, 감축 롤러 40, 건조 롤러 50, 선택적인 조밀화(稠密化) 롤러 60, 제 2의 건조 롤러 70(선택사항), 선택적인 마감 롤러 80, 선택적인 스풀러 90를 포함한다.

바람직한 시이트 형성의 첫번째 과정은 재료를 적절한 압출기 다이를 통하여 압출(壓出)시키고, 압출(壓出)된 재료를 적어도 한 쌍의 감축 롤러를 통과시켜, 성형가능한 혼합물로 부터 정확한 두께의 시이트를 제조하는 것이다 (제 1A도).

제 2도는 오거 압출기 20 내의 첫번째 내실 24로 성형가능한 혼합물을 공급하는 공급기 22를 포함하는 오거 압출기 20의 확대도이다. 첫번째 내실 24 내부에 있는 첫번째 오거 나사 26는 전방으로 압력을 가하여 성형가능(成形可能)한 혼합물을 첫번째 내실 24 을 통과시켜 진공실 28로 전진시킨다. 보통, 성형가능한 혼합물 내의 불필요한 공극(孔隙)을 제거하기 위하여 네가티브 압력 또는 진공상태가 진공실 28에 적용된다.

그 다음, 성형가능한 혼합물을 두번째 내실 30로 공급한다. 두번째 오거 나사 32는 다이의 폭 38 과 다이의 두께 39를 갖는 횡단의 슬릿 36 이 있는 다이의 상단 34으로 혼합물을 전진시킨다. 다이 슬릿 36의 횡단면 모양은, 일반적으로 다이의 폭 38과 다이의 두께 39 에 해당하는, 바람직한 폭과 두께를 가진 시이트를 제조하기 위하여 고안되었다.

대안으로서, 제3도에 제시된 바, 오거 압출기 20 를 대신하여 피스톤 압출기 20'를 사용하여 압출기를 구성하였다. 피스톤 압출기는, 전방으로 압력을 가하여성형가능한 혼합물을 내실 24'을 통해 전진시키기 위하여, 오거 나사 22 대신 피스톤 22'을 사용한다. 피스톤 압출기 사용의 장점은 성형가능한 혼합물에 훨씬 더 강한 압력을 가할 수 있다는 점이다. 그러나 본 발명에 사용된 혼합물의 성질은 플라스틱과 대단히 유사하기 때문에, 오거 압출기 사용으로 가해지는 압력보다 더 강한 압력은 필요치 않거나 오히려 불리할 수도 있다. 대조적으로, 오거 압출기의 중요한 장점은 피스톤 압출기가 일반적으로 배치식으로 압출하는데 유용한 반면, 오거 압출기는 연속적 압출 공정을 가능하게 한다는 점이다. 오거 압출기는 또한 성형가능한 혼합물 내부의 불필요한 거시적 공극(孔隙)을 제거하는 능력을 갖는다. 불필요한 공극 제거의 실패는 시이트의 결함 또는 비균질적인 매트릭스를 초래한다. 후속의 건조 과정 중, 특히 비교적 고열이 사용되는 경우, 불필요한 공기 주머니들은 급격히 팽창하여 공기 방울 결손을 초래한다.

제 2도에 제시된 기존의 배기 장치를 사용하여 기포의 제거가 가능하며, 이때에 혼합물은 먼저 제1의 오거 나사 26에 의하여 진공실 28을 통과한 후, 제2의 오거 나사 32 에 의하여 압출기 타이 상단 34을 통하여 압출된다. 바람직한 다이의 폭과 두께는 제조되는 특정 시이트의 폭과 두께에 따라 좌우되지만, 압출된 시이트의 두께는 최종적으로 압축(壓縮)될 시이트 두께의 적어도 두배 내지 수배가 되는 것이 보통이다. 감축량 (두께의 배수에 해당함)은 제조하고자 하는 시이트 성질에 따라 좌우된다. 감축 공정은 섬유의 방위를 조절해 주기 때문에, 감축량은 바람직한 배향(背向)의 정도에 부응한다. 또한 두께의 감축이 클수록, 시이트의 신장률(伸張率)도 커진다. 전형적 제조 공정에서, 약 6 mm 두께의 압출 시이트는 약 0.2mm에서 0.5 mm 두께의 시이트로 롤링된다.( 이는 12 내지 30 배의 두께 감축이므로, 시이트는 압출 후 원래 길이의 12 내지 30배로 신장(伸張)되어야 한다). 시이트가 압연되기 이전의 시이트 두께와 롤러 니프(nip) 와의 차이가 작아서, 재료 혼합물의 섬유질 방위의 흐름이 시이트 표면상 또는 표면 근방에만 국한되고, 그 내부는 섬유 배향(背向)의 흐름에 영향을 받지 않는 것이 바람직 하다. 이것은 시이트의 표면상 또는 표면 근방에서는 일방 또는 쌍방의 섬유 배향(背向)을 가지며, 시이트 내부에서는 임의의 섬유 배향을 갖는 시이트의 제작을 가능하게 한다. 그러나, 초기 시이트의 두께에 비하여 상대적으로 니프를 적재함으로써, 재료의 섬유질 방위 흐름을 증가시켜, 시이트 내부의 섬유 배향(背向)을 증가 시킬 수도 있다.

다이 슬릿의 형태는 직사각형인 것이 일반적이나, 폭에 따라 다른 두께를 갖는 압출 시이트를 형성하기 위해서는 폭에 따라 두꺼운 부분을 포함하기도 한다 (제 4도). 이 경우, 만일 롤러를 압출공정과 연합하여 사용한다면, 압출된 시이트의증가된 두께부분에 대응하는 후퇴부분 또는 격차 변이를 두는 것이 바람직하다. 이 방법으로 부분적으로 강도와 강성(剛性)이 강화된 시이트의 제조가 가능하다.

또 다른 실시예에서는, 혼합물을 슬릿을 통하여 압출시키면서 다이 슬릿의 폭을 시간의 함수로서 선택적으로 변화시킬 수 있음을 제시하였다. 이로서 시이트의 길이에 따라 다른 두께를 갖는 시이트의 압출이 가능하였다. 이 시나리오에서는, 시간의 함수로 간격이 변하는 롤러를 제공하는 것이 일반적으로 필수적이다. 그러나, 두께가 변하는 시이트의 압출률에 맞추어 롤러의 시간을 완벽하게 일치시키는 것은 무척 어려우므로, 이 방법은 상기 서술된 바와 같이 폭에 따라 두께가다른 시이트를 만드는 것보다 바람직 하지 않다.

평면의 시이트를 형성하기 위해서 사용되는 좁은 폭의 파이 슬릿과 더불어, 다른 물건 또는 형태를 형성하기 위해서는 다른 다이를 사용한다. 유일한 제한 조건은, 차후에 시이트로 형성가능한 형태로 압출될 수 있어야 한다는 것이다. 그 예로, 폭이 너무 넓은 시이트를 압출시키는 것은 바람직 하지 않은 경우가 있다. 대신, 파이프를 압출시키고, 다이 상단의 외곽에 위치한 칼을 사용하여, 연속적으로 자르고 롤링한다.

성형가능(成形可能)한 혼합물을 압출시키기 위하여 가해지는 압력의 량은, 일반적으로, 압출률과 다이 상단을 통하여 혼합물을 밀어내는데 필요한 압력에 따라 좌우된다. 압출률은 롤링과정 중 계속해서 압연되는 시이트의 속도에 해당하는 시이트의 형성률에 맞추어 주의깊게 조절되어야 함을 이해하여야 한다. 만일 압출률이 지나치게 높은 경우에는, 잔여 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물들이 롤러 후면에 축적되어 결국에는 시스템의 고장을 초래한다. 그 역으로, 만일 압출률이 지나치게 낮을 경우에는, 롤러가 압출된 시이트를 잡아당겨 균열된 또는 비골질적인 매트리스, 또는 시이트의 파손이나 상처까지도 초래한다.

시이트의 최종 두께는 최적의 속도 또는 압출률을 결정하는 중요한 요소임을 이해하여야 한다. 두꺼운 시이트는 다량의 재료를 함유하므로 필요한 재료를 공급하기 위하여는 높은 압출률이 요구된다. 반대로, 얇은 시이트는 소량의 재료를 함유하므로, 필요한 재료의 공급을 위하여 낮은 압굴률이 요구된다.

다이 상단을 통하여 성형가능한 혼합물이 압출될 가능성과 압출될 때의 압출률은 일반적으로 기계의 성격과, 작동 매개변수, 그리고 혼합물의 유동성의 함수이다. 수분의 량, 수분산성 유기 결합재, 분산제, 펄라이트 충전 밀도, 또는 혼합물 성분에 의해 흡수되는 수분의 정도와 같은 요소들은 모두 혼합물의 유동성에 영향을 미친다.

압출률에 영향을 미치는 모든 변수들을 조절하는 것이 불가능한 경우에는, 압출률을 측정하고 롤러의 후면의 잔여 재료 축적을 감지할 수 있는 통합된 변환기 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 이 정보는 컴퓨터 프로세서에 입력되어 압출기가 압력과 압출률을 조절하여 전반적 시스템을 정확히 조정할 수 있도록 시그널을 보낸다. 차후 언급될 바, 적절히 통합된 시스템에서는 롤러 속도의 감시와 조절이 가능하다.

상기 언급된 바, 성형가능한 혼합물의 수분함량이 부족하고 입자 충전 포화상태인 경우에는 일시적으로 혼합물의 작업능률을 증가시겨 주기 위서 적절한 압력이 필요하다. 수분이 부족한 혼합물의 경우, 입자간의 공간 (또는 틈새기)에는, 통상의 조건하에서 적절한 작업을 하는데 필요한, 입자간 윤활제 역할을 하는 수분이 부족하다. 그러나, 혼합물이 압출기 안으로 압축(壓縮)되면서, 압축력은 입자들을 모으게 되므로 입자간의 간격을 감소시키고, 입자들을 윤활시킬 수 있는 수분의 량을 명백히 증가시킨다. 본 방법에서,작업능률은 혼합물이 다이 상단을 통하여 압출될 때까지, 즉 감소된 압력이 혼합물에 거의 즉각적으로, 일반적으로 바람직한 강성(剛性)과 젖은 상태에서의 강도의 증가를 야기시킬 때까지 증가한다.

성형가능한 혼합물에 가해지는 압력은 경중량의 저장도 혼합재(펄라이트, 중공(中空) 유리구, 경석, 또는 박락석)가 부서지거나 균열이 생길 정도로 강해서는 안된다는 점을 이해하여야 한다. 이러한 상당량의 공극(孔隙)을 포함한 경중량 혼합재 또는 유사 경중량 혼합재들의 구조적 본질의 파손 또는 파괴는 공측의 제거에 따르는 보온 효과와 감소를 초래한다. 펄라이트, 박락석등은 비교적 값 싼 재료이기 때문에, 어느 정도의 혼합재 입자들의 분쇄 또는 균열이 용납된다. 그러나 잉여 압력이 경중량 혼합재의 경중량 및/또는 보온 효과를 제거하게 되는 경우에는 모래등의 더 값싼 혼합재를 사용하는 것이 더 경제적이다.

상기 열거된 바에 비추어, 성형가능한 혼합물을 압출시키기 위해 압출기에 가해지는 압력의 량을 바람직하게는 약 50 kPa내지 70 MPa, 더 바람직하게는 약 150 kPa내지 30 MPa, 가장 바람직하게는 350 kPa내지 3.5 MPa로한다.

경우에 따라, 저밀도이며 단열성(斷熱性)이 높은 시이트가 요구되는 경우에는, 성형가능한 혼합물의 내부에, 압출공정에 앞서 혼합물에 첨가되는, 발포제를 포함시키는 것이 유리하다.

다이 상단을 통과하는 성형가능한 혼합물의 압출은 성형가능한 혼합물 내부 개개의 섬유질들을 "Y" 축, 또는 압출 시이트의 세로 방향을 따라 일방 배향(背向) 하려는 경향이 있음을 이해하여야 한다. 하기 제시되는 바와 같이, 롤링공정에서 시이트가 감축과정중 신장(伸張)됨에 따라 섬유질들은 더욱 "Y" 축으로 배향(背向)한다. 또한, "Z"방향에 따라 간격이 다른 (원추형의) 롤러를 사용함으로써 섬유질들을 "X" 방향, 즉 시이트의 가로방향으로의 정렬화가 가능하다. 그러므로 압출과 롤링을 조합하여, 쌍방으로 배향된 섬유질을 갖는 시이트를 제조하는 것이 가능하다.

상기 언급된 전통적 압출방식의 사용과 더불어, 각각의 혼합물 분량을 두개의 수평방향으로 놓인 압출롤러의 위쪽에 위치한 호퍼로 이송하거나 또는 단순히 호퍼로 이송하여 성형가능(成形可能)한 혼합물을 압출하는 것이 바람직한 경우도 있다. 이것은 성형가능한 혼합물을 롤링 공정에 앞서 시이트로 압출시겨야 하는 필요성을 제거한다. 오거 콘베이어는 롤러를 통과하는 성형가능한 혼합물의 공급 압력을 변화시킬 수 있는 한가지 이송 방법이다.

제 1B 도를 참조하면, 성형가능한 혼합물을 혼합기 10로 부터, 무정형의 성형가능한 혼합물을 압출기 다이를 사용하지 않고 직접 시이트로 변환시키는, 한쌍의 감축 롤러 압축기 40로 직접 이송하는 또 한가지의 바람직한 실시양태를 도시하였다. 제 1A도와 상기 서술을 통하여 제시된 다른 시스템과 같이, 롤러 40에 의해서 형성된 시이트는 일련의 건조 롤러 50, 선택적인 조밀화(稠密化) 롤러 60, 제 2의 건조 롤러 70, 선택적인 마감 롤러 80, 선택적인 스풀러 90에 공급된다.

C. 롤링 공정

본 발명의 거의 모든 구현예에서는, 압출된 시이트를 적어도 한쌍의 롤러사이로 통과시켜 "롤링"하는 것이 바람직하며, 그 목적은 시이트의 균일성과 표면의 질 향상이다. 어떤 구현예의 경우에는, 롤링 과정은 시이트의 두께를 소량 감축하는데 그치기도 한다. 또 다른 경우, 특히 혼합물로 부터 시이트를 형성하기 위한 제1의 압출을 거치지 않고 직접 롤러들 사이로 성형가능한 혼합물이 공급될 경우에는, 시이트의 두께는 상당량 감축되기도 한다. 고도의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 두께를 상당량 감축할 경우에는, 시이트가 여러 쌍의 롤러를 통과하게 하여 시이트의 두께를 단계적으로 감축하는 것이 필요하며, 이때에 각 쌍의 롤러는 점차적으로 좁은 간격을 갖도록 한다.

제 1A도를 참조하면, 롤링 공정에 일련의 세 쌍의 롤러가 사용된 본 발명의 구현예를 제시하였다. 세 쌍의 롤러내의 롤러들은 반경이 모두 유사하나, 큰 반경의 롤러와 작은 반경의 롤러들을 조합하여 사용하는 것이 바람직 한 경우도 있다. 제 6도에서 제시된 바, 한 세트 또는 한 쌍의 롤러 40는 정해진 간격 44을 갖도록 두 개의 롤러 42를 인접하여 설치하는 것이 일반적이다. 이 롤러들 42 간의 간격 44은 한 세트의 롤러를 통과한 후 감축된 시이트 46의 바람직한 두께 144에 해당한다.

시이트가 한 쌍의 롤러를 통과하면, 그 두께는 감축되고 전진 (또는 "Y") 방향으로는 신장(伸張)된다. 시이트 신장(伸張)의 한가지 결과는 섬유질들이 더욱 배향(背向)되거나 또는 "Y" 방향으로 정렬된다는 것이다. 본 방법으로, 초기 압출 공정과 조합된 감축 공정은, "Y" 또는 세로방향을 따라 한방향으로 상당히 정렬된 섬유질을 갖는 시이트의 제조를 가능케 하였다. 그리고 상기 언급한 바와 같이 롤링 공정의 속도를 증가시킴으로서, 시이트 전체의 섬유질들을 무작위화 시킨 시이트의 제조가 가능함을 보였다.

시이트 내에서 섬유질들의 무작위 배향성을 유지시키는 또 다른 방법은 롤러들 간의 성형 속도의 차이를 감소시키는 것이다. 성형가능한 혼합물이 낮은 압력 하에서 압출롤러들 사이로 공급될 때, 기계 방향 속력의 급격한 증가와 혼합물이압연될 때 동반되는 변형은 섬유질들을 기계 방향으로 배향하려는 경향이 있다. 그러나, 혼합물의 압력을 증가시키면, 기계 방향으로의 변형 정도를 감소시킬 수 있으며, 따라서 섬유 배향(背向)의 무작위화가 가능하다.

시이트 신장(伸張)의 또 한가지 결과는 시이트가 압연되면서 "가속" 된다는 것이다. 제 6도를 다시 참조하면, 롤러의 회전 속도 v ₁ 는 롤러에 공급될 때의 시이트 속도가 아닌 롤러에서 출력되는 압축(壓縮)되고 신장(伸張)된 시이트의 속도 v ₁ 에 해당한다. 정확히 말해서, 롤러의 반경이 시이트 표면에 수직인 점에서 롤러 외피의 접선 방향 속도는 한 쌍의 롤러에서 출력하는 시이트의 속도와 충분히 일치한다. 그 결과로, 롤러의 속도는 롤러로 공급되는 시이트의 초기 속도에 비하여 상대적으로 "빨라지게" 된다.

그 예로, 만일 시이트의 두께가 50 % 감축되고 감축과정중 시이트의 폭의 증가가 없다면, 시이트의 길이는 원래 길이의 2배로 신장될 것이다. 이 것은 롤러를 출력할 때의 시이트 속도는 롤러에 공급되기 전의 속도에 비하여 2배가 되는 것에 해당한다. 그러므로 제 7 도에서와 같이, 시이트의 두께가 50 % 감축된 경우, v ₁ = 2 xv ₀ 이며, 따라서 그 속도는 "a" 와 "b" 사이에서 두배가 된다. 시이트는 압연되는 동안, 회전 롤러에 의해 얇은 시이트로 압착 또는 압축(壓縮)되면서 "가속화" 된다. 본 시이트의 압착 또는 압축 공정은 입력 시이트와 롤러간의 속도 차이와 더불어, 시이트 상에 가변적 변형력을 행사한다. 지나치게 큰 변형력은 시이트의 구조적 균질성을 방해하여 시이트내에 결함을 만들어 시이트를 약화시킨다. 더우기,롤러에 대하여 고도의 유연성과 저점성을 가진 혼합물 배합의 경우, 한 쌍의 비교적 큰 직경의 롤러를 사용하여 단 한 번에 최종 두께의 압출 시이트로 감축하는 것이 가능함을 발견하였다.

각 롤러의 직경은 성형가능한 혼합물의 성격과 무기물 충전된 시이트의 두께 감축량에 따라 결정되어야 한다. 롤러의 직경을 결정할 때, 서로 상반된 두가지 이점을 고려하여야 한다. 첫번째는 작은 직경의 롤러는 시이트가 롤러들 사이를 통과 할 때, 더 큰 변형력을 가하려는 경향이 있다는 사실과 연관되어 있다. 이것은 시이트에 가해지는 압축(壓縮)의 평균 하향각이 직경이 큰 롤러를 사용할 때 보다 크기 때문이다 (제 7 도).

제 7 도를 참조하면, 직경이 큰 롤러의 경우는 압축의 하향각이 적을 뿐만 아니라, 직경이 큰 롤러를 사용했을 때에는 시이트가 가속되는 동안의 거리(시간이라고 해석할 수도 있음)가 길어진다. 폭이 넓은 롤러를 사용할 경우, 시이트가 "a" 점에서 "b"점까지 통과하는 시간이 길어지므로, 시이트 두께 감축과 관련된 변형력과 가속률은 감소하게 된다. 결과적으로, 본 시각에서 보면, 직경이 큰 롤러의 적은 변형력은 무기물 충전된 매트릭스의 결함을 줄여주는 것으로 기대되기 때문에, 직경이 적은 롤러에 비하여 유리하다. 그러나, 직경이 큰 롤러를 사용하면 무기물(無機物) 충전(充塡)된 재료와 롤러가 장시간동안 접촉하게 되고, 이 때 접착을 방지하기 위해서 롤러를 가열할 경우에는, 롤링 공정중 시이트의 건조를 초래한다는 결점이 있다. 직경이 큰 롤러는 시이트와 접촉하는 부분이 크기 때문에, 접착 방지를 위한 가열은 직경이 큰 롤러를 사용할 경우 더욱 중요하다. 적당한 건조는 유리한 반면, 롤링 공정중의 급속한 건조는 매트릭스 내에 균열과 다른 결함들을 초래할 수도 있다. 같은 정도의 변형력에 대하여, 건조된 시이트는 습한 시이트에 비하여, 매트릭스 내부의 파열(破裂) 없이 새로운 형태로 형성될 가능성이 적다. 결과적으로, 본 시각에서는, 직경이 적은 롤러의 사용이 감축롤러의 건조 효과를 줄여주기 때문에 유리하다. 더우기 직경이 큰 롤러 사용의 몇가지 결점들은 고도로 연마된 롤러, 저온, 그리고 적절한 혼합물 배합을 사용하여 성형가능한 혼합물의 점성을 감소시킴으로서 최소화될 수 있다. 또한 시이트를 빨리 통과시키는 방법은 롤러의 건조 효과를 줄이고, 시이트의 폭을 더 넓혀준다. 이 같은 점에 비추어,롤러의 직경은 롤링 공정 중 재료의 과다 건조를 방지하기 위해서 충분히 작아야 하며 시이트에 가해지는 변형력을 줄이기 위해서는 충분히 커야한다는 점을 고려하여, 각 감축과정을 통하여 시이트 두께의 최대 감축을 허용할 수 있토록 선택하여야 한다. 성형된 시이트의 과다 전조를 방지함과 동시에 최대한으로 시이트의 두께를 감축하기 위해서는 제조 공정의 감축 단계를 줄이는 것이 바람직하다. 작업 분담의 수와 더불어 감축 단계의 수를 줄임으로서, 롤러 후면의 시이트 축적 (롤러의 회전이 너무 느릴 경우) 또는 시이트의 찢어짐 (롤러의 회전이 너무 빠를 경우)을 방지하기 위해서 주의깊게 시간에 따라 속도가 조절되어야 하는 롤러의 갯수를 줄일 수 있다. 각 쌍의 롤러는 시이트가 그 사이를 통과하는 동안 그 두께를 감소시키므로, 시이트는 일련의 롤러를 통과하면서 매번 가속화된다. 그러므로, 롤링 공정의 중단을 방지하기 위해서 각 쌍의 롤러는 적당한 속도로 독립적으로 회전하여야 한다. 감축 단계의 수적 감소는 동시화 문제를 훨씬 단순화 시킨다.

상기 언급한 바, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트가 롤러에 접착 또는 흡착하는 것을 방지하기 위해서는 롤러의 표면을 처리하여 주는 것이 바람직 하다. 한가지 방법은, 성형가능한 혼합물내의 수분을 증발시켜 시이트와 롤러간에 수증기 층을 만드는, 롤러의 가열을 수반하는 방법이다. 수분의 증발은 또한 성형가능한 혼합물내의 수분량을 감소시켜 시이트의 젖은 상태에서의 강도를 증가시킨다. 그러나, 롤러의 온도는 시이트내에 잔여 응력, 균열, 박편, 또는 다른 기형이나 불규칙성들이 유발되는 시점까지 시이트 표면을 건조시키거나 굳어지게 할 정도로 높아서는 안된다. 따라서 롤러의 온도를 바람직하게는 약 40℃ 내지 140℃, 더 바람직하게는 약 50℃내지 120℃, 가장 바람직하게는 약 60℃ 내지 85℃로 가열하여야 한다.

부연하여, 비표면(比表面)이 적은 혼합재를 도입함으로, 시이트의 건조율을 감소시킬 수 있다. 비표면(比表面)이 큰 혼합재는 비표면(比表面)이 작은 혼합재에 비하여, 혼합재 내부 또는 표면에 흡착된 수분을 더 쉽게 발산한다. 일반적으로 성형가능한 혼합물의 점성은 혼합물 내부의 수분량이 증가함에 따라 증가한다. 그러므로 혼합물이 접착 방지를 위하여 많은 수분을 함유한 경우에는 롤러를 고온으로 가열하는 것이 일반적이며, 이는 시이트가 다량의 수분을 함유한 경우 젖은 상태에서의 적합한 강도를 얻기 위해서는 수분을 제거하는 것이 유리하기 때문이다. 가열된 롤러는 상당량의 수분을 제거하고 형태 안정성을 강화하기 때문에, 시이트가 건조됨에 따라 연속되는 각각의 감축 단계에서 허용될 수 있는 시이트 두께의 감축량은 감소하는 것이 일반적이다.

또 다른 실시예에서는, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트와 롤러간의 접착을 감소시키기 위해서, 롤러를 상온 또는 그 이하로 냉각하였다. 예를 들어 압출기 내에서 혼합물을 비교적 고온으로 가열하고, 시이트의 표면을 냉각시키면, 수증기가 용접하여 시이트와 롤러사이에 얇은 수분 막을 형성할 것이다. 롤러는 시이트의 표면 접착을 방지하기에 충분할 정도로 냉각되어야 하나, 시이트가 롤링 공정 중 균열 또는 파손될 정도로 동결되거나, 굳어지거나 또는 완고해 질 때까지 냉각되어서는 안된다. 따라서, 롤러의 온도를 바람직하게는 약 0℃ 내지 40℃, 더 바람직하게는 약 5℃ 내지 35℃, 가장 바람직하게는 약 10℃ 내지 15℃로 냉각한다.

롤러 냉각으로 인한 비접착 효과를 얻기 위해서는, 일반적으로 성형가능한 혼합물을 압축과정 이전 또는 과정중에 롤러의 냉각된 온도보다 상당히 높은 고온으로 가열하는 것이 필수적이다. 이는 가열된 혼합물로 부터 냉각된 롤러상으로의 수증기의 응집을 허용하여, 롤러와 성형가능한 혼합물 간에 얇은 윤활 수막을 형성한다. 따라서, 압출 혼합물의 온도를 약 20℃ 내지 80℃로 가열하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이 온도는 롤러의 온도와 도 연관이 있다.

롤러와 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트간의 접착률을 줄이기 위한 또 한가지 방법은 롤러의 표면을 접착에 부적합하도록 처리하는 방법이다. 롤러는 연마된 스텐레스 스틸로 제작하고, 연마된 크롬, 니켈, 또는 테프론등과 같은 비접착 재료로 피복(被服)하는 것이 일반적이다.

약간의 원추형 모양을 가진 변형 감축 롤러 42" 를 기존의 롤러 42 와 결합시킴으로서 동량의 시이트 감축을 유도하면서, 롤러의 하향 압력과 변형량을 감소시킬 수 있다는 점을 발견하였다 (제 8 도). 그러나, 원추형이 초래하는 "Z" 방향 간격 차이의 정도는 시이트가 "X" 방향으로 전개 또는 확장되는 것을 방지하기 위하여 조절되어야 한다(이러한 확장이 요구되지 않는 한). 확장된 부분은 균일한 두께를 가지지 않기 때문에 다듬어 폐기하는 것이 일반적이므로, 소량의 확장은 바람직하지 않다. 이러한 원추형 롤러를 사용하면, 시이트에 더이상의 변형을 가하지 않은 채, 고도의 신장(伸張)과 시이트의 감축이 가능하다.

물론, 제 9 도에 제시된 바와 같이 "X" 방향을 따라 롤러간의 간격 차이가 나는 뾰족한 원추형 롤러 42"를 사용하여 "X" 방향으로 시이트를 확장 또는 전개하는 것도 바람직하다. 롤러간의 간격을 변화시켜 줌으로써, 간격이 좁은 부분에서 간격이 넓은 부분으조 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 확장 또는 전개하는 것이 가능하다. 원추형 롤러와 더불어, 롤러의 한쪽 끝이 다른 한쪽 끝 보다 적은 간격을 갖도륵 각각의 롤러 42 를 "Z" 방향으로 편향되게 배치하는 방법도 가능하다 (제 10도). "X" 방향으로 시이트를 전개 또는 확장 시키는 것은 섬유질들을 "X" 방향으로 재배향 시키고, 결과적으로 쌍방향으로 배향된 (X 와 Y 방향) 섬유질을 가진 시이트를 제조한다는 이점이 있다. 섬유질의 정렬은, 섬유질 정렬 방향으로, 섬유질들의 성질을 분배하는 인장� ��도(靭張强度)를 극대화한다. 부연하여, 섬유질의 배향은 시이트 내의 흠집 또는 상처를 강화시키는데 특히 유용하다. 재료의 주름 또는 굴곡의 폭 보다 길이가 긴 섬유질들은 매트릭스가 주름 또는 굴곡을 따라서 약간 또는 상당히 균열된 경우 까지도 주름 또는 굴곡의 양측을 연결시켜 주는 다리 역할을 한다. 이러한 연결 효과는 섬유질이 주름 또는 굴곡과 수직으로 정렬되어 있을 때 더욱 강하다. 끝으로, 성형가능한 혼합물의 성형력과 비교적 높은 가동성 때문에, 롤링 공정이 시이트의 대단한 압축(壓縮)을 초래하지는 않는 것이 보통이라는 점을 이해하여야 한다. 다시 말해서, 특히 시이트가 감축 롤러를 통과하는 동안 상당히 건조된 경우에는, 어느 정도의 조밀화(稠密化)가 예상되는 경우라고 해도, 시이트의 밀도는 전 롤링 공정을 통해서 일� ��하게 유지된다. 조밀화(稠密化)가 요구될 경우에는, 차후 기술되는 바와 같이, 건조 과정에 후속하여 시이트를 압축롤러 60 를 사용하여 압연시킨다.

기존의 기술된 기술 (技術)중의 하나는, 기술된 "압출기" 사용의 사전 도입이 압출과정에 필요치 않다고 판단한다. 압출 과정의 목적은, 무기물 충전된 성형가능한 혼합물을 계속적으로 조절하면서 롤러에 공급하는 것이다. 이 목적은 "압출", 또는 적합한 출구를 통과하는 재료의 흐름에 효과적인 기존의 기술된 다른 장치에 의해서도 수행가능하다. 성형가능한 혼합물의 흐름을 유도하는 힘은, 예를 들어 중력이 될 수도 있다. 상기 서술된 바, 압출 공정 대신 단순히 성형가능한 혼합물을 롤러를 통과시키는 것이 유리할 수도 있다. 이로서 롤러에 공급되는 혼합물의 압력 조절은 허용하는 반면 시이트 형성 공정의 공급 비용은 줄일 수 있다. 압력의 증가는 최종 시이트내의 섬유질들의 무작위성을 증가시키는 반면, 압력의 감소는 기계 방향으로의 속도 차이와 변형을 증가시켜 기계 방향으로의 섬유질의 정렬화를 초래한다.

요약하면, 롤링 공정의 중요한 변수는 직경, 속도, 롤러의 온도, 그리고 "격차 높이" (또는 간격) 이다. 롤러 속도의 증가는 시이트가 롤러에 접착하는 것을방지하기 위하여 롤러 온도의 증가를 허용 또는 요구한다. 속도의 증가는 변형률을 증가시키는 반면, 롤러 직경의 증가와 격차 높이의 증가는 롤링 공정 중 롤러에 의해서 성형가능한 혼합물과 시이트에 분배되는 변형률을 감소시키려는 경향이 있다.

D. 건조 공정

롤링 공정이 무기물(無機物) 충전(充塡)된 성형 시이트의 부분적 또는 전체적인 건조를 유도한다고 해도, 인장강도(靭張强度)와 인성(靭性)(靭性)을 가진 시이트를 만들기 위해서는 시이트를 더 건조시키는 것이 바람직하다 (물론, 시이트를 자연적으로 공기 건조 시키는 것은 비현실적이나, 시간이 경과하면 시이트는 자연 건조될 것이다). 몇가지 방법을 통해서 가속된 건조가 가능하며, 각 방법은 잉여 수분제거를 유도하기 위한 가열을 동반한다. 일련의 작은 롤러들이 도입될 수도 있지만,시이트 건조의 바람직한 방법은 기존의 기술에서 "양키" 롤러라고 알려진 큰 직경의 가열된 건조 롤러를 도입하는 것이다. 롤러들의 표면적의 조합이 시이트 건조에 효과적 영향을 미치는데 적합하도록 하는 것이 중요하다.

일반적으로 한 쌍의 롤러가 정렬되어 있는 감축 롤러와는 달리, 건조 롤러는 시이트가 각각의 롤러 표면을 차례로 통과할 수 있도록 개별적으로 정렬되어 있다. 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 양면은 차례로 번갈아 가며 건조된다. 롤링 과정에서는 시이트가 감축 롤러를 직선 경로로 통과하는 것이 일반적인 반면, 건조과정에서 건조 롤러를 감싸고 통과 할 때에는 굴곡이 있는 경로를 따르는 것이 일반적이다. 제 1A 도를 참조하면, 제1의 건조 롤러에 인접한 면은 건조 롤러에 의해 가열되는 반면, 그 이면은 공기 중에 노출되어 있다. 가열된 시이트는롤러의 한면 또는 시이트 표면으로 부터 탈출하는 수증기의 형태로 수분을 방출한다. 수증기는 또한 시이트와 롤러간에 비접착막을 제공한다. 건조 과정 도중 수증기가 방출될 수 있도록, 표면에 작은 구멍들이 뚫린 건조 롤러를 설치할 수도 있다.

시이트가 경로를 따라 진행하면서 다른 이면이 롤러 표면과 접촉하여 건조될 수 있도록 제2의 롤러를 통과시킨다 (제 1A도) 이 과정은 시이트를 바람직한 상태로 건조시키기 위해서 수차례 반복된다. 건조의 정도는 시이트 내부의 수분량, 시이트의 두께, 시이트가 롤러 표면과 접촉하는 시간, 롤러의 온도, 그리고 바람직한 시이트의 성질등에 의해서 좌우된다. 시이트의 한면을 다른 면 보다 더 건조시키는 것이 바람직한 경우도 있다. 이 경우에는 시이트의 한면을, 다른 면에 비해서, 건조 롤러에 많이 접하도록 디자인 하는 것이 바람직하다. 건조 롤러의 온도는, 특정 롤러를 통과하는 시이트의 수분 함량을 포함한 몇가지 요소에 의해서 좌우된다. 건조 롤러의 온도는 어떤 경우라도 300℃ 를 초과해서는 안된다. 무기물(無機物) 총전(充塡)된 성형가능한 혼합물은 무기적 성분 (유기 중합체 결합제 또는 섬유질들)의 파괴 방지를 위해서 250℃ 이상으로 가열되어서는 안되나, 혼합물에 수분이 증발하면서 재료를 냉각시켜 주는 적당량의 수분이 내재하는 한, 이 온도 이상으로 가열된 롤러의 사용이 가능하다. 그러나, 건조 공정에서 수분의 량이 감소함에 따라, 재료의 과열 방지를 위해서 롤러의 온도를 낮추어야 한다.

건조 롤러와 병행하여 건조 터널 또는 건조실의 사용이 바람직한 경우도 있다. 열대류 건조의 충분한 효과를 얻기 위해서, 건조 공정을 가속화하는 가열 공기의 순환이 바람직한 경우도 있다. 건조 터널 의 내부 온도는, 터널내에서 시이트의 거주 또는 정지 시간과 더불어 무기물 충전된 재료의 수분 증발률과 증발량을 결정한다. 표면의 급속한 건조를 위해서는 시이트가 빠른 속도로 건조 터널을 통과하는 것이 바람직하다. 역으로 시이트의 균일하고 깊숙한 건조를 원할 때에는 시이트가 천천히 건조 터널을 통과하는 것이 바람직하다. 건조 터널의 온도는 섬유질과 다른 무기 중합체 결합재(結合材)들의 파손을 방지하기 위하여 250℃를 초과하지 않는 것이 일반적이다. 전문에 비추어, 건조 터널을 바람직하게는 약 50℃ 내지 250℃로, 더 바람직하게는 약 100℃ 내지 200℃의 온도로 가열한다.

상기 언급한 건조 공정은 시이트가 포장재 형성을 위하여 사용되거나 또는 필요할 때까지 스풀에 감기거나 저장되기 까지의 마지막 공정이 되는 경우도 있다. 또 다른 경우, 특히 시이트가 부드러우며 종이와 유사한 마감을 필요로 할 경우에는, 하기 서술되는 압축 공정 및/또는 마감 공정을 포함하는 한 가지 또는 그 이상의 공정을 건조 공정에 후속하여 거쳐야한다. 압축의 경우, 선택적인 압축과정 중 매트릭스의 균열을 방지하는 성형가능한 상태로 무기물 충전된 매트릭스를 보존하기 위하여, 시이트에 적당한 수분을 남겨두는 것이 일반적으로 바람직하다. 반면, 건조 과정에 후속하는 압축 공정이 없을 때에는 시이트의 인장강도(靭張强度)와 인성(靭性)(靭性)을 급속히 극대화하기 위하여 시이트를 완전히 건조시키는 것이 일반적으로 바람직하다.

E. 선택적인 마감 공정

최종 두께, 내성, 표면의 마감을 얻기 위해서 무기물 충전된 시이트를 압축하는 것이 바람직한 경우가 있다. 부연하여, 불필요한 공극(孔隙)을 제거하기 위해서 압축공정을 사용하기도 한다. 제 11 도를 참조하면, 건조 공정에서 완전히 건조된 시이트를 선택적으로 한 쌍의 압축 롤러 60로 압연시킨다. 압축 공정은 일반적으로 고밀도, 고강도이며, 표면의 결점이 적고, 얇은 두께의 시이트 (제 11 도) 를 산출한다. 압축 롤러의 압축력은 시이트의 특정한 성질에 따라서 조절되어야 한다.

압축 공정에서는, 시이트의 신장(伸張)과 매트릭스의 방해 또는 약화를 초래하지 않으면서, 두께가 감소되고 고밀도화 된 시이트를 산출하는 것이 바람직하다. 시이트의 신장(伸張)과 매트릭스의 약화됨 없이 압축하기 위해서는, 시이트가 성형가능한 유동성을 유지하기에 적합한 량의 수분을 함유할 수 있도록 건조 공정을 조절하는 것이 중요하다. 만일 시이트가 지나치게 많은 수분을 함유한다면 압축 롤러는 압출 또는 감축 롤러의 경우와 유사하게 시이트를 신장(伸張)시킬 것이다. 사실, 압축 롤러는 전반적으로 압출 또는 감축 롤러와 유사하며, 신장(伸張)시키기 보다는 압축시킨다는 한 가지 차이점은, 시이트가 충분히 건조되었을 때, 즉 수증기의 증발에 의해 생긴 다공성보다 시이트의 두께 감축이 적을 때에만 존재한다( 만일 수분의 증발이 25%의 다공성을 추가한다면, 롤러 간격은 적어도 기 압축된 시이트 두께의 75% 가 되어야 한다).

반면, 압축과정에 우선하여 과다 건조된 시이트는 약한 시이트를 산출한다. 무기물 충전된 시이트가 건조되어 부서지기 쉬운 상태가 되면, 무기물 충전된 매트릭스는 더이상 성형가능하지 않으며 균열없는 압축도 불가능하다. 매트릭스를 압박하는 것은 그 균열이 미시적이고 비가시적인 경우라고 해도, 시이트의 궁극적인 강도와 다른 이점들까지 감소시킨다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 매트릭스는 압축되었을 때 공극(孔隙)을 흘려보내거나 또는 몰아내기에 충분한 수분을 가지면서, 신장(伸張)되지 않고 압축되기에 충분할 정도로 건조되어야 한다 ( 완전히 건조된 시이트도 사전에 시이트를 다시 적시어 줌으로써 심각한 결점의 유발없이 압축되는 경우도 있다).

점진적으로 시이트를 압축하기 위해서는, 시이트의 압축과 건조를 연결시키는 것이 바람직하다. 본 방법은 시이트가 무기물(無機物) 충전(充塡)된 매트릭스의 성형가능성을 유지하기에 충분한 수분을 함유하게 하는 반면, 압축을 허용할 수 있도록 수분을 제거한다. 시이트에 일정한 수분량이 내재한다고 가정할 경우,압축 공정은 입자들의 근접을 유도하기 때문에 입자 충전 밀도를 증가시키고 시이트내의 다공성을 감소시키며, 압축과정 이후에는 입자들을 윤활시켜주는 수분이 증가된다. 본 방법은 성형가능성의 심각한 감소를 유발하지 않으면서 시이트로 부터 단번에 또는 단계적으로 수분제거를 가능하게 한다.

이는 나아가 시이트 구조에 부수적인 손상을 주지 않으면서 수분의 단계적 압착 및 제거를 가능하게 한다. 압축 공정은 (한 가지 또는 그 이상의 압축 과정을 포함한) 약간 습한 시이트를 사용하는 것이 일반적이기 때문에, 압축 과정 후, 상기 서술된 건조 롤러 70를 사용하는 건조 공정과 유사한 방법으로 시이트를 재 건조시키는 것이 바람직하다. 본 선택적인 건조 과정은, 건조 롤러, 건조 터널, 또는 두가지의 조합으로 이루어진다. 약간 습한 시이트가 유리하거나, 시이트가 즉시 포장재 또는 다른 목적으로 사용될 경우에는 제2의 건조 과정을 거치지 않아도 무방하다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 표면을 변화시키고저 할 때에는 시이트를 한쌍 또는 수쌍의 마감(또는 "광택") 롤러 80를 통과 시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 한면 또는 양면이 매우 매끄러운 시이트를 제조하기 위해서는, 시이트를 한 쌍의 단단한 롤러와 한 쌍의 부드러운 롤러 사이를 통과시킨다 (제 12 도). 롤러 82 에 해당하는 "단단한 롤러"는 매우 매끄러운 표면을 가지며 단단한 롤러에 접촉하는 시이트면은 매우 부드러워 진다. 롤러 84 에 해당하는 "부드러운 롤러"의 표면은 시이트가 단단한 롤러와 부드러운 롤러를 통과하면서 끌려올 수 있도록, 부드러운 롤러와 시이트 사이에 충분한 마찰력을 가해준다. 단단한 롤러 82는 건조된 시이트를 단단한 롤러들 사이를 통하여 끌어내기에는 너무 매끄러운 것이 보통이므로, 본 방법이 필수적이다. 부연하여, 단단한 롤러의 매끄러움은 시이트 표면상의 입자들을 정렬 시키는데 유용하다. 시이트를 "초광택화"하는, 고도로 연마된 단단한 롤러를 사용하면 매우 부드러운 표면을 가진 시이트로 마감할 수 있다. 마감 공정은 시이트 표면에 대한 물의 분사 및/또는 표면을 진흙 또는 탄산칼슘 또는 기존의 기술에서 알려진 적합한 피복(被服) 재료로 피복(被服)함으로서 임의로 촉진할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 그물 모양 또는 체크 무의의 표면 재질을 만들기 위해서 마감 롤러를 사용하였다. 단단한 롤러와 부드러운 롤러를 사용하는 대신, 원하는 마감을 시이트에 인쇄할 수 있는 롤러를 사용하기도 한다. 이러한 롤러는 시이트의 표면에 로고 또는 다른 디자인을 새길 수 있다. 무늬를 새길 수 있는 특수 롤러를 단독으로 또는 그러한 다른 롤러들과 연결하여 사용할 수도 있다. 압출 롤러, 감축 롤러, 또는 압축 롤러들을 사용하여 시이트가 통과하는 곳에 요철 면적을 만들어 줌으로서 무늬를 만드는 방법도 있다.

마감 또는 광택 공정은, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 매트릭스가 더 이상 성형불가능해질 정도로 건조된 시이트의 압축을 요구하는 것이 일반적이나, 압축이 시이트를 약화시키거나 시이트 표면에 국한되는 것이라면 바람직한 압축이라고 할 수 없다. 마감 공정에서는 시이트 강도의 미세한 감소의 댓가로 표면 상태가 현저하게 개선된다.

카드보드 골판지와 유사한 방법으로, 시이트에 주름을 만들어야 할 경우도 있다. 이 때에는, 어느정도 습한 시이트를 물결 모양의 롤러 86 (제 13 도)로 압연시킨다. 시이트의 수분 함량은 주름 공정이 매트릭스의 파괴를 유발하지 않을 정도로 조절되어야 한다. 이 때, 주름이 잡힐 시이트 부분에 증기를 분사시켜주는 것이 일반적이다. 시이트가 지나치게 건조하면 주름 공정은 매트릭스를 파괴하며, 시이트의 파손 또는 결렬까지도 초래할 수 있다. 역으로, 시이트가 지나치게 습한 경우에는 주름진 시이트가 물결모양을 유지하는데 필요한 젖은 상태에서의 강도가 부족하게 된다. 박스 또는 다른 용도에 적합한 물결모양의 카드보드 시이트의 제조에서는, 물결 모양의 시이트를 두장의 평평한 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 사이에 배치하는 것이 바람직하다. 기존의 기술된 카드보드 골판지 제조 방법을 사용하여 이를 완성한다. 부연하여, 종이 또는 판지(板紙)와 같은 다른 재료로 구성된 한장 또는 그 이상의 샌드위치형 시이트를 제조하는 것이 가능하다. 재료의 선택은요구되는 활용범위, 가격, 사용 후 시이트의 폐기 방법 등 여러가지 요소에 의해서 좌우된다.

급격한 변형에 대한 흡수 에너지를 갖는 고도로 확장가능한 시이트를 제공하기 위해서, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트에 기존 종이의 경우와 유사하게 오글오글한 주름을 잡기도 한다. 오그라진 시이트들은 선적용 부대의 제조에 있어서 매우 중요하다. 기존의 주름은 제지기계의 습착 부분(습 주름) 또는 양키 건조기(건 주름) 상에서 제조된다. 본 발명의 무기물 충전된 시이트는 식물성 종이와는 습 주름 또는 건 주름의 정확한 변수가 다르지만, 기존의 기술에따라, 오그라진 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제조를 위해서 주름 공정을 조절하는 방법을 찾을 수 있다.

강한 산성으로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 처리함으로서, 시이트 매트릭스의 섬유질 표면을 양피질화 할 수 있음을 발견하였다. 예를 들어 농축 황산으로 시이트를 처리하는 것은 섬유질을 거대하게 팽창시키고 부분적으로 용해시킨다. 이 상태에서 공극에 근접하여 있는 가변성 섬유질들은 주변의 공극(孔隙)을 채우고 강한 수소 결합을 위하여 서로 더 친밀히 접촉한다. 물 세척은, 결과적으로 습하고 강하며, 무보푸라기, 무취, 무미이며, 유성물질과 기름에 대하여 저항력이 있는 섬유질을 유발하는, 섬유질의 재침전과 망상조직의 통합을 초래한다. 양피지 본래의 인장강도(引張强度)와 습주름의 신장성(伸張性)을 병합시킴으로서, 충격의 흡수가 뛰어난 종이의 생산이 가능하다.

본 발명에서는 시이트의 섬유질이 증가함에 따라 주름 공정이 더욱 효과적임을 보였다. 증가된 섬유질은 공극(孔隙)을 채우고 섬유질들의 수소 결합을 증가시킨다. 그러나 시이트를 양피지화할 때, 탄산 칼슘과 같이 산에 민감한 특정 혼합재들은 사용이 불가능함을 이해하여야 한다.

F. 피복(被服) 공정

상기 서술한 공정에 따라 제조된 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트에 피복(被服) 또는 피복(被服)재료를 입히는 것이 바람직한 경우가 있다. 피복(被服)은 시이트의 밀봉과 보호를 포함하는 몇가지 방법을 사용하여 시이트 표면의 특성을 바꾸어 준다. 피복(被服)은 수분, 염기, 산, 유지, 또는 유기 용매로 부터의 보호막을 제공한다. 또한 부드럽고, 광택이 나며, 긁히지 않는 표면을 제공하며, 섬유질이 "날아가는" 것을 방지한다. 피복(被服)은 시이트 공정 단계 중 습한 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 강화시키거나 또는 건조 시이트의 굴곡 또는 주름 부분을 강화시키기 위해 사용되기도 한다. 또한 박편화된 시이트를 형성하기 위해 사용되기도 한다.

본래는 시이트의 공극(孔隙)을 메꾸는 것을 지칭하는 시이트의 "풀먹임" 도 피복(被服)의 개념과 관련이 있다. 풀먹임은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 매끄러움과 방수성을 강화하기 위해서 사용된다. 이러한 공정은 그 구성과 사용량에 따라서 강도, 탄성율, 그리고 신장성(또는 확장성)을 증가시키기도 하고 감소시키기도 한다. 풀먹임과 피복(被服)은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 매트릭스를 부드럽게 하여 시이트의 유연성을 더해주는 경우도 있다. 또한 시이트를 더 단단하게 하는 경우도 있다. 시이트 형성 공정이 "기계작동" 공정일 경우에는 공정 중에시이트의 표면에 피복(被服)한다. 그러나 "기계비작동" 공정일 경우에는, 형성 공정 후 피복(被服)하는 것이 바람직하다.

피복(被服) 공정의 목적은 시이트 표면의 결점들을 극소화 시키는 균일한 막을 형성하는 것이다. 피복(被服) 형성 변수들과 더불어 몇가지의 기초(시이트) 변수들에 따라 피복(被服) 공정을 선택한다. 기초 변수들은 시이트의 강도, 습윤성, 다공성, 밀도, 유연성, 그리고 균일성등을 포함한다. 피복(被服) 형성 변수들은 고체의 전량, 용매제(수용성과 휘발성 포함), 표면 장력, 그리고 유동성을 포함한다.

종이, 판지(板紙), 플라스틱, 폴리스티렌, 시이트 금속, 또는 다른 포장재들의 제조에서 기술된 모든 피복(被服) 수단을 사용해서 시이트에 피복(被服)하는 것이 가능하다. 기존의 기술된 피복(被服) 공정 중 본 발명의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 피복(被服)에 사용될 수 있는 공정은 칼날, 정련, 기도, 인쇄, 달그렌, 사진 요판 과 분말 피복(被服)등을 포함한다. 시이트 또는 시이트로 만들어진 물건에 하기 서술되는 피복(被服)재료들을 분사하거나, 시이트 또는 물건을 적합한 피복(被服)재료를 담은 큰 통에 담그어 피복(被服)을 입힌다.

끝으로, 피복(被服) 공정과 압출 공정을 결합시키기 위해서 시이트와 함께 피복(被服)을 압출시키기도 한다. 유용한 피복(被服) 공정들의 더 자세한 설명은 "앤더슨-허드슨 기술(機術)"에 제시된 바 있다.

적합한 유기 피복(被服) 재료는 멜라민, 폴리염화비닐, 폴리알코을 비닐, 폴리초산비닐, 폴리아크릴, 히드록시 프로필메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리젖산, 폴리에틸렌, 바이폴 ^@ (폴리히드록시부티레이트-히드록시밸러네이트 중합체), 밀랍들 (밀랍 또는 페트롤리움계의 왁스), 탄성 중합체, 폴리아크릴레이트, 라텍스, 미생물로 분해되는 중합체를 포함하는 합성 중합체 또는 그들의 혼합물을 포함한다. 바이폴 ^@ 은 영국의 임페리얼 화학 공업에 의하여 제조된다.

적합한 무기 피복(被服) 재료는 탄산 칼슘, 규산 나트륨, 고령토, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 세라믹, 그리고 그들의 혼합물을 포함한다. 이들을 한가지 또는 그 이상의 상기 제시된 유기 피복(被服)재료와 혼합하는 것이 가능하다.

탄성, 변형, 또는 방수를 목적으로 피복(被服)하는 것이 바람직한 경우도 있다. 시이트의 상처부위와 같이 심한 굴곡이 있는 부분을 강화하기 위해서 피복(被服)하는 경우도 있다. 이러한 경우에는 유연성이 있으며, 탄성가능한 피복(被服)이 바람직하다. 이러한 피복(被服)과 더불어, 이 밖의 적합한 피복(被服)재료들도 응용에 따라 사용이 가능하다.

시이트가 식품에 접하는 포장기 또는 다른 제품의 제조를 위하여 사용될 경우라면, FDA 승인 피복(被服)에 해당하는 피복(被服)재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그 예로서, 산에 강한 규산 나트륨을 유용한 피복(被服)재료로 들 수 있다. 예를 들어, 탄산 음료 또는 쥬스와 같은 강산성의 식품 또는 음료수에 포장기가 노출되는 경우, 산성에 대한 저항력이 중요할 것이다. 염기 물질로 부터 포장기를 보호하는 것이 요구될 경우에는 포장기를 종이 포장지 피복(被服)에 사용되는 적합한중합체 또는 밀랍으로 피복(彼服)한다.

G. 새김과 천공(穿孔) 공정

시이트가 접히거나 또는 굽혀지는 선을 명시하기 위해서 새김눈을 긋거나, 새김선을 새기거나, 또는 구멍을 뚫는 것이 요구되는 경우가 있다. 새김선을 새길 때는 압착기에 장착된 칼날 재단기 170 (제14 도)를 사용하거나 또는 제 15 도에 도시된 연속 다이 재단 롤러 172 를 사용한다. 시이트를 압착하여 새김눈을 그을 때에는, 제 16 도에 제시된 새김 다이 174 를 사용한다. 끝으로 제 17도에 제시된 천공(穿孔) 재단기 178를 사용해서 구멍을 뚫는다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 섬유질 함량이 비교적 낮을 때 (전체 부피의 15% 이하일 때)에는 시이트에 새김눈을 압착하는 것보다 새김선을 새기는 것이 바람직하다. 역으로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 섬유질 함량이 비교적 높을 때( 전체 부피의 15% 이상일 때)에는 시이트에 새김선을 새기는 것보다 새김눈을 압착하는 것이 바람직하다. 천공(穿孔)은 일반적으로 섬유질과 관계없이 효과적이다. 새김눈, 새김선, 또는 천공(穿孔)의 목적은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 상에 굽혀지거나 접혀질 위치를 표시하는 것이다. 이렇게 하여 새김선이나 구멍이 없는 시이트보다 탄력성있고 굽히기 쉬운 "경첩"을 만든다. 때로는 수차례의 새김과 천공(穿孔)이 요구되기도 한다. 시이트에 내재하는 새김선 또는 구멍을 따라 재단하는 것은 몇가지 이유로 인하여 훌륭한 접힘선 또는 경첩을 만들어 준다. 첫번째로 시이트가 자연스럽게 굽어지거나 접힐 수 있는 여유분을 제공하여 준다. 두번째로, 새김선을 따라 재단하면 시이트의 다른 부분보다 얇은 부분을 재단할 수 있으며, 시이트가 굽어질때 표면의 세로방향 신장률(伸張率)이 감소된다. 표면 확장의 감소는 굽힘 또는 접힘에 따르는 매트릭스의 균열 경향을 감소시킨다 (제 26 도). 세번째로 새김과 천공(穿孔)은 매트릭스에 균열이 생긴 경우에 매트릭스 내부에 금이 가는 것을 조절하여 준다.

새김선 또는 천공(穿孔) 부위에 더 많은 섬유질을 집중시키는 것이 바람직한 경우가 있다. 이 경우는, 다량의 섬유질을 함유한 제2의 고도로 충전된 재료를, 새김선 또는 천공(穿孔)부위에 맞추어 미리 정해진 시간 간격으로, 같이 압출시킨다. 또한 압출 또는 롤링 공정 중 요구되는 위치에 더 많은 섬유질이 집중되도록, 섬유질들을 시이트상에 배치하거나, 또는 내부로 주입하기도 한다.

새김 또는 천공(穿孔) 공정 중의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트는 충분히 건조한 상태 또는 어느 정도 단단한 상태인 것이 바람직하다. 이것은 습한 재료들이 새겨진 틈에 유입되어 그 틈을 메우는 것을 방지하기 위해서이다. 새김은 일반적으로 (천공(穿孔)은 항상) 매트릭스의 재단을 동반하므로, 새김과 천공(穿孔) 공정이 시이트를 손상시키지 않는 범위 내에서, 시이트가 완전히 건조될 수도 있다. 그러나 시이트 표면을 자르기 보다는 압착하는 경우에는, 시이트에 매트릭스의 파괴에 의한 균열을 방지하기에 충분한 수분이 있어야한다.

새김선의 김이는 새김의 종류, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 두께, 선을 따라 접히는 접힘의 각도에 따라 결정된다. 새김 과정은 요구되는 깊이를 제공하기 위해서 조절되어야 한다. 물론 다이의 탭은 시이트를 정확히 재단하기 위해서, 또는 가해지는 함을 지탱하기에 너무 얇아지는 것을 방지하기 위해서 너무 크지 않도록 한다 (단 잘라질 정도로 금을 그을 경우는 제외된다). 새김선의 깊이는 목적에 적합한 정도로만 하는 것이 바람직하다. 굽힘 동작의 범위를 증가시켜야 할 경우에는 시이트의 양면에 새김선을 내기도 한다. 얇은 시이트(<1 mm)에 새김선을 새길 경우, 그 자국은 바람직하게는 시이트 두께의 약 10 % 내지 50 %, 더 바람직하게는 약 20 % 내지 35 %가 되도록 한다. 두꺼운 시이트의 경우에는 시이트의 굽힘성이 감소되므로, 새김눈도 깊어진다.

본 발명의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트는 시이트 표면에 새김눈을 압착한 경우에는 안쪽으로 접히는 반면, 새김선을 새기거나 천공(穿孔)시킨 경우에는 바깥 쪽으로 접히게 됨을 이해야여야 한다. 새김선과 천공(穿孔)에 의해서 금이 간 시이트는 새김선과 구멍이 없는 이면이 서로 가깝게 된다. 역으로 기존의 종이 또는 판지(板紙)제품과 같이 표면에 새김눈이 압착된 시이트의 경우에는 새김눈이 있는 면끼리 서로 가깝게 된다.

H. 기타 공정들

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 표면에 상표, 제품 정보, 포장 설명, 또는 로고등의 인쇄 또는 표시가 요구되기도 한다. 이 경우에는 이미 기술된 기존의 종이 또는 판지(板紙) 제품의 인쇄 방법이 사용 가능하다. 또한 시이트에 무늬를 양각 또는 음각으로 새기는 것도 가능하다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트는 기존의 종이 또는 판지(板紙)와 같이 높은 다공성을 갖기 때문에 분사된 잉크가 급속히 마르는 경향이 있다. 또한 기존의 기술된 방법을 사용해서 무늬, 가격표, 또는 다른 표시를 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트에 부착 또는 접착시키기도 한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 인쇄 방법에는 평면인쇄, 양각세공, 음각, 포러스, 무충격 인쇄 방법등이 있다. 시이트의 성질과 인쇄 공정에 따라 연속 시이트 또는 재단된 개별 시이트에 표시를 인쇄할 수 있다. 개별 시이트는 평범한 종이와 마찬가지로 복사기에 입력시키기도 한다.

평면인쇄 또는 옵셋 석판인쇄는 잉크와 물의 용해도에 따라 원하는 부분에 인쇄한다. 석판인쇄판은 형상이 있어야 하는 부분에서는 잉크를 흡수하고 물을 튕겨내는 반면, 형상이 없어야 하는 부분에서는 물을 흡수하고 잉크를 튕겨낸다. 시이트를 공급하는 옵셋 석판인쇄는 시이트 치수의 변화폭을 크게 할 수 있으므로 매우 유용하다. 또한 다른 그래픽 디자인에 맞추어 인쇄판을 간단히 재제조 할 수도 있다. 웨브 입력 또는 연속 입력하는 옵셋 석판인쇄는, 특히 같은 용기의 디자인에 서로 다른 디자인을 활용할 때 유용하다.

양각세공 또는 철판인쇄에서는 인쇄될 부분을 인쇄되지 않는 부분보다 돋우어 준다. 그리하여 돋우어진 부분의 표면상에만 잉크 롤러가 접하도록 한다 시이트가 전사기와 각인 실린더 사이를 통과하는 동안, 잉크가 전사기로 전달되어 시이트에 입혀진다. 개별적으로 재단된 시이트는 시이트 입력 인쇄기로 인쇄되고, 연속 시이트는 웨브 입력 인쇄기로 인쇄된다. 이 공정에 유용한 인쇄기에는 동판인쇄기, 평면(원통) 인쇄기, 회전 인쇄기가 있다. 유연성이 있는 판( 고무 스탬프 포함)과 빨리 건조되는 잉크를 사용하는 유연 인쇄도 유용한 양각세공의 또다른 형태이다.

그라비야 또는 로토 그라비야 인쇄라고도 지칭되는 음각 인쇄 또한 유용한인쇄방법이다. 음각 인쇄는 음각된 회전 실린더로 부터 직접 인쇄하는 방법이다. 음각된 실린더가 잉크 속을 회전하는 동안, 보정 칼날이 형상이 전달되지 않아야 할 부분의 잉여잉크를 제거한다. 실린더는 시이트 입력 옵셋 석판인쇄판 보다 고가이나, 음각된 실린더는 인성(靭性)이 강하며, 평면인쇄판에 비하여 더 많은 량의 시이트를 인쇄할 수 있다.

스크린 인쇄 (또는 실크 스크린)이라고도 지칭되는 포러스 인쇄는 불규칙하거나 편편하지 않은 표면을 인쇄하는데 유용하다. 포러스 인쇄는 실크, 합성 직물, 또는 스텐레스 스텔의 스크린-망사 스텐슬을 시이트 상에 가해준다.

무충격 인쇄는 시이트 또는 포장기를 접촉하지 않고 전기적으로 충전된 잉크 방울을 분사하는 방법이다. 이 공정은 고속으로 활용이 가능하며 가격 또한 저렴하다. 물론 기존의 펜과 연필을 사용하여 시이트 또는 시이트로 제조된 물건에 메모 또는 다른 정보를 기록하기도 한다.

Ⅲ. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트로부터 제조된 제품

상기 서술된 방법을 사용하여, 서로 다른 성질의 다양한 시이트의 제조가 가능하였다. 매우 얇고, 유연하며, 경중량인 시이트가 요구될 경우에는 시이트의 두께를 약 0.1 mm 정도로 한다. 또한 비교적 두껍고, 강하며 뻣뻣한 시이트가 요구되는 경우에는 시이트의 두께를 약 1 cm 정도로 한다.또한 시이트의 밀도는 약 0.6 g/㎤ 내지 2 g/㎤ 정도가 되게 한다. 일반적으로, 고밀도의 시이트가 더 강한 반면, 저밀도의 시이트는 단열성(斷熱性)이 더 크다. 특정 시이트가 요구하는 성질을 만족시키면서 경제적으로 타당성있는 비용내에서 시이트를 생산하기 위해서는, 시이트의 정확한 두께와 밀도는 미리 결정되어야 한다.

본 발명의 시이트는 기존의 종이 또는 판지(板紙)의 사용이 가능한 어떤 경우에도 사용이 가능하다. 또한 무기물(無機物) 충전(充塡)된 재료 특유의 성질로 인하여 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속의 사용을 요구하는 다양한 물건들의 제조가 가능하다. 특히 본발명의 시이트로 다음과 같은 제품의 제조가 가능하다 : 포장기 (일회용 또는 비일회용의 식품 또는 음료수 용기를 포함), 시리얼 상자, 골판지 박스, 인쇄물 ( 잡지 또는 선전물 포함), 포장재 ( 포장지와 공간재 포함),테이프, 장난감, 연필, 빨대, 마분지 상자, 상자, 샌드위치 포장기, "조개 모양(클램-쉘)" 용기(햄버거와 같은 패스트푸드의 샌드위치 용기를 포함하지만, 이에 국한되지는 않음), 냉동식품 상자, 우유팩, 과일 쥬스 용기, 음료수 운반용기 (바구니 스타일의 운반용기 와 "여섯개 짜리" 고리모양의 운반띠를 포함하나, 이에 국한되지는 않음), 아이스크림 용기, 컵 (음료수 컵, 두 조각으로 된 컵, 한 조각의 주름진 컵, 원추형 컵 등을 포함하나 이에 국한되지는 않음), 패스트 푸드에서 사용하는 감자 튀김 용기, 패스트 푸드 포장 상자, 포 장, 스넥 식품 봉지와 같은 유연성있는 포장 (식품점용 봉투,시리얼 상자내의 봉지, 다면의 봉투 등을 보함하나 이에 국한되지는 않음), 배낭, 자동차 앞창 케이스, 포장된 채 진열된 물건을 위한 보조 카드, 특수 플라스틱 포장( 점심용 식육제품, 사무실 용품, 화장품, 철물 용구, 장난감 포함), 보조 접시 ( 과자와 캔디 바와 같은 제품을 보조함), 캔, 요구르트 용기, 회선(回旋)형 또는 원통형의 용기 ( 농축 냉동 쥬스, 오트 밀, 포테이토 칩, 아이스 크림, 소금, 비누, 자동차 오일 등의 제품을 위한), 우편용 관, 재료(포장지,옷감, 페이퍼 타월, 화장지 등)를 감아두기 위한 시이트 두루마리, 슬리이브, 담배곽, 분말용 상자, 화장품 상자, 접시, 판매용 접시, 파이 접시, 쟁반, 제과용 쟁반, 대접, 조반용 쟁반, 마이크로웨이브용 저녁식사 쟁반, "TV"시청용 저녁� �사 쟁반, 달걀팩, 식육 포장 접시, 포장지( 냉동 포장, 타이어 포장, 식육점용 포장, 소세지 포장을 포함하나, 이에 국한되지는 않음), 식품 용기, 비상용 분비액 축장기 ("구토 봉투"와 같은), 구형인 물건, 병, 뚜껑있는 병, 케이스, 크레이트, 접시, 뚜껑, 빨대, 봉투, 접착용 테이프, 식탁용 칼, 우편엽서, 삼공 바인더, 책 표지, 서류철, 장난감, 물약병, 앰플, 동물용 장, 비연소성의 불꽃놀이 껍질, 로케트 엔진 모델의 껍질, 로케트 모델, 이 밖에도 무한히 다양한 다른 제품들이다.

무기물(無機物) 총전(充塡)된 시이트를 적당한 제품으로 만들기 위해서는 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트로 부터 적당한 조각을 재단하여 그 조각을 포장기등의 요구되는 제품으로 변환시켜야 한다. 접기, 롤링 회선(回旋)시킴, 나선(螺旋)모양으로 감기, 성형, 조각들의 조립, 행낭 만들기 또는 이들 과정을 조합하여 이 조각들을 변환시킨다. 변환 과정은 또한 접착제 사용, 주름잡기, 압력 가하기, 밀봉, 일부를 적시고 압력가하기, 고정, 두드림, 바느질 또는 이들의 조합을 포함한다. 변환과정 중 시이트를 적셔주는 것은 시이트의 찢어짐을 방지하고 유연성을 증가시킨다. 본 발명의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제품으로 만드는 방법과 하기 제시될 제품들의 특수한 구조적 구성은 제한적이 아니며, 일례로서 제시되는 것이다. 본 발명의 범위는, 기존의 기술된 모든 방법과 상호협력하여 시이트를 변환시켜, 종이, 판지(板紙), 플라스틱, 폴리스티렌, 금속과 같은 기존의 시이트로 만들어 진 포장기와 기타 포장 재료들을 포함하는 제조 상품을 만드는 것이다. 본 발명의 범위는 기존의 장비, 자동화된 공정, 반자동화된 공정을 포함한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 적당한 조각으로 재단하기 위해서는 압착기에 장착된 칼날 재단기, 연속 다이 재단 롤러, 재단 다이, 가위등 기존의 기술된 모든 방법이 활용가능하다. 용기에 구멍을 내기 위해서 재단이 활용되는 경우도 있다. 시이트의 일부분을 제거하여 홈을 만들어 골판지 상자를 형성하는 경우에도 재단이 활용된다. 이러한 재단을 가리켜 "홈파기"라고 한다.

조각의 접합이란 최소한 두 장의 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 그 조각들이 접하여, 통합, 합병, 연결, 접속, 또는 접착제에 의한 접합, 주름, 밀폐, 일부를 적시고 압력가하기, 고정, 두드림, 바느질, 또는 이들이 조합되는 것을 말한다. 접합은 접기, 롤링, 회선(回旋)시킴, 나선(螺旋)모양으로 감기, 성형, 조각들의 조립, 행낭 만들기등의 모든 변환 공정과 결합시켜 활용할 수 있다.

"접기"란, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 그 조각들을 원하는 제품으로 만드는 방법 중의 하나이며, 굽히기, 겹치기, 경첩 만들기, 주름살 잡기, 주름 잡기, 개더 주름 잡기, 접기, 또는 무기 충전된 시이트 또는 조각들로 부터 기계적 연동장치를 만드는 것을 포함한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각들이 접힘에 의해서 만들어 내는 제품에는 마분지 상자, 상자, 샌드위치 포장기, 돌려기가 있는 "조개 모양" 용기(햄버거와 같은 패스트 푸드의 샌드위치 용기와 샐러드 용기 포함), 시리얼 박스, 우유팩, 과일 쥬스 용기, 음료수 운반용기, 아이스크림 용기, 주름잡힌 컵, 원추형 컵, 패스트푸드에서 사용하는 감자 튀김 용기, 패스트 푸드 포장 상자, 한면이 열린 봉지, 봉투등이 있다. 접힘에 도움이 되도록, 시이트 또는 조각에 새김선이 필요한 경우도 있다.

조각들을 제 20c도에 도시된 봉합된 마분지 상자(carton)와 같은 포장기로 변환시키는 자동공정은 조각들을 틀 안으로 공급시킴으로 시작된다. 제 20a도에 제시된 조각과 같은 조각들을 한 번에 한장 씩 이송하여, 일련의 긴 벨트를 사용하여 예비 절단부로 운반한다. 예비절단부에서는, 한 장 또는 그 이상의 조각 틀을 본래의 판으로 부터 제거시키는, 고정된 커브의 쟁기가 새길선을 예비 절단할 수 있도록 움직여 주므로 새김선을 예비 절단한다. 새김눈이 예비 절단된 후, 조각들이 벨트를 따라 이동할 때, 그 틀은 뒤에 남겨진다. 예비 절단된 새김선들은 미리 구부러진 새김선을 굽히는 데 필요한 힘을 현저히 줄여주므로서 조각들이 포장기로 변환하는 것을 도와준다. 조각들은 접히고, 접합 방법에 의해 측면이 접합되어, 제 20b 도에 제시된 중간 단계의 외곽틀 또는 통을 형성한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각을 포장기 또는 내부 공간을 정의하는 면을 가진 다른 제품으로 변환시키는 방법으로 "회선(回旋) 감기"가 있다. 회선(回旋) 감기에 의해 형성된 제품은 원형 단면, 타원형 단면, 모서리가 둥근 직사각형 단면, 직사각형 단면등의 다양한 단면을 갖는다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각들이 회선(回旋) 감기에 의해서 만들어 내는 제품에는 농축 냉동 쥬스, 포테이토 칩, 아이스크림, 소금, 비누, 자동차 오일 등의 제품을 위한 포장기, 컵, 캔, 우편용 관, 포장지, 옷감, 페이퍼 타월, 화장지 등의 재료를 감아두기 위한 시이트 두루마기, 슬리이브, 빨대 등이 있다. 조각의 회선(回旋)감기는, 일반적으로, 굴대에 조각을 굴리거나 감싸주고 나서 겹치는 양 끝을 접합시켜줌으로서 수행된다. 겹쳐지는 양 끝을 접합시키기 위해서, 상기 서술된 접합방법이 모두 활용가능하다. 요구되는 포장기에 따라서 고도로 무기물(無機物)충전(充塡)된 시이트 또는 다른 재료들로 형성된 다양한 접합수단의 활용이 가능 하다.

회선(回旋)으로 굴려진 포장기의 제조를 위해 상기 서술된 일반적 방법을 포함하여, 기존의 기술된 모든 방법에 의해 컵의 제조가 가능하다. 본 발명의 범위안에서 바람직한 컵의 재단 방법은, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트로 부터 제 21b 도에 제시된 바와 같이 두 조각, 측면 조각과 밑바침 조각, 을 재단하는 것이다. 제 21b 도에 제시된 바, 측면 조각은 회선(回旋)으로 감기어 컵의 측면을 형성하고 밑바침 조각은 컵의 바닥을 형성한다. 회선(回旋)으로 감긴 컵의 측면은 원통형의 관이며, 밑바침은 마감 수단의 형태이다.

자동 공정은 일반적으로 다음의 과정들로 구성된다: 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트로 부터 측면 조각과 밑바침 조각을 재단한다 ; 굴대의 한 쪽 끝에 바닥 부분의 조각을 갖다대고 지탱시킨다 : 측면 조각으로 굴대 주위를 감싼다 : 측면 조각의 양 끝이 서로 겹치도록 한다 : 겹쳐지는 양 끝을 접합 또는 고착시킨다 ; 밑바침 조각의 가장자리를 회선(回旋)된 컵의 기저에 접합 또는 고착시킨다. 또한 컵의 입구에 입술 가장자리를 만드는 입술 형성 장치도 활용가능하다.

제 22 도에 제시된 자동화된 컵 형성장치는 다수의 굴대 192 를 갖는 교환 회전 장치 190를 포함한다. 굴대는 교환 회전 장치의 바깥 쪽으로 펼쳐져 있으며,한 쪽의 평평한 면이 방사상의 바깥 쪽을 향하는 반면, 다른 쪽 끝은 굴대에 붙어있다. 이 장치는 밑바침 조각을 형성하고 밑바침 조각을 입력시키는 밑바침 조각 공급기 194를 포함한다. 밑바침 조각 공급기 194는 밑바침 조각을 굴대의 평평한 면에 배치시킨다. 측면조각 공급기 196는 교환 장치가 적절히 회전하여 굴대를 찾은 후 측면 조각 198을 굴대에 공급한다. 고정 틀 200은 후속의 형성 과정을 위해서 측면 조각을 고정시킨다. 교환 회전 장치는 측면 조각이 공급된 굴대를, 겹쳐질 측면 조각의 양면을 적셔주거나 또는 접착제 또는 폴리에틸렌과 같은 피복제료를 발라주는, 접합 준비 장치 202로 이동시킨다. 회전 장치는 차례대로 회전하며, 측면 조각 회선(回旋)감기 장치 204 가 굴대에 측면 조각을 회선(回旋)시켜 용기의 측면을 형성하도록 한다. 회선(回旋)된 측면은 컵의 입구 및/또는 바닥의 가장자리를 적지주거나 또는 접착제 또는 피복재료를 발라주는 바닥 형성 준비 장치 206를 향해서 계속 회전한다. 그 후 회전 장치는 기저 부분과 밑바침 조각의 가장자리를 붙여서 고착시켜주는 바닥 형성 장치 208로 회전한다. 바닥이 형성된 후, 컵은 이탈되고 굴대는 밑바침 조각 공급기로 부터 밑바침 조각을 얻기 위하여 회전한다. 이러한 작동 과정이 반복된다.

컵의 입구에 입술을 형성하기 위한 부가 공정에 컵을 투입하기도 한다. 가장자리 형성의 한가지 방법은 컵의 입구를 바깥 쪽으로 신장(伸張)하여 입구 주위에 입술을 형성하는 방법이다. 이 방법에서, 컵은 컵의 바닥이 형성된 후 굴대로 부터, 또 다른 교환 회전 장치 210 에 의해 방사상으로 펼쳐진, 복수의 포장기 수집기 212로 이탈하게 된다. 수집기 안으로 컵을 이탈시킬 때, 컵의 바닥이 아닌 입구가 바깥 쪽을 향하도록 컵을 위치시킨다. 컵의 입술은 입술형성장치 214 에 의해서 계속적으로 형성되고 이탈된다. 입술형성장치는 수집기상의 보충 도안과 컵의 입구에 구슬선을 형성할 수 있도록 압착해 주는 수(male)다이를 수반하기도 한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각을 원하는 제품으로 변환시키는 또다른 방법으로 회선(回旋)감기와 유사한 "나선(螺旋)형 감기"가 있다. 나선(螺旋)형 감기는 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각을 나선형으로 회전시키며, 원통 또는 원추형 형태를 가진 물건으로 변환시킨다. 더 큰 강도를 주기 위해서, 연속적인 섬유질 또는 홀 섬유 감기가 요구되는 경우도 있다. 상기 서술된 컵의 경우에 사용되는 접합수단을 포함하여, 다양한 접합수단이 적용가능하다.

"성형"이란, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각에 축력을 가하여 형을 만들어, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각을 원하는 물건으로 변환하는 방법이다. 무기물(無機物) 충전(充場)된 시이트 또는 조각들을 성형하여 만들 수 있는 물건들은 접시, 판매용 접시, 파이 접시, 쟁반, 제과용 쟁반, 대접, 조반용 쟁반, 마이크로웨이브용 저녁식사 쟁반, "TV"시청용 저녁식사 쟁반, 달걀 팩, 식육 포장 접시, 식기, 뚜껑 등이다.

시이트 또는 조각은 원하는 형태의 수(male)다이와 수다이에 상응하는 형태를 가진 암(female)다이 사이에서 성형된다. 조각 또는 시이트의 일부를 다이들 사이의 틈에 넣으면, 시이트는 다이에 상응하는 형태를 가진 물건을 형성한다. 동질의 단편 다이들( 수다이와 암다이가 각각 동질의 단편다이를 구성함)은 사용이 용이하고 경제적이기 때문에 바람직한 반면, 이질의 다이들은 분리 다이, 전진 타이,조립식 다이 등온 포함한다.

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각을 원하는 제품으로 변환시키는 또다른 방법으로 "조립"이 있다. 많은 물건들이 접기, 회선(回旋) 감기, 나선형 감기, 또는 성형에 의해서 만들어 지는 많은 물건들은 여러가지 조각 또는 단편들의 조립을 필요로 한다. 일차적으로나 또는 전체적으로 조각들을 조립하여 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각들로 부터 만들어 내는 제품에는 고정된 조립 상자, 카드 포장 용기, 용기내부에 삽입되는 내부지 등이 있다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트로 형성되는 고정된 조립 상자는 일반적으로 접히지 않으며, 얇은 장식용 덮개 시이트로 덮는 경우도 있다. 담배 상자, 분말 상자, 화장품 상자들이 이에 포함된다. 고정된 상자들은 단순히 적합한 조각을 재단하고 조각들을 모아 조립함으로서 형성이 가능하다. 조각들을 접기 위해서 조각에 새김선을 긋는 경우도 있다. 상자 본체 조각과 뚜껑 조각의 코너 또는 일부에 코너 재단기를 사용하여 금을 그어, 조각들이 조립되었을 때, 상자 본체의 바닥 또는 뚜껑의 양면에 코너를 만든다. 조각들을 조립하여 형성한 코너에 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 다른 재료로 재단된 작고 얇은 버팀 조각을 대어 유지시켜 주며 각 코너 주변에는 접착제를 바른다.

카드 포장 용기는 특히 제품의 시각적 전시에 유용하다. 본 발명의 카드 포장 용기는 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 보조 카드 조각과 플라스틱 또는 투명한 무기물(無機物) 총전(充塡)된 시이트로 형성된 덮개를 조립함으로서 형성이 가능하다. 카드 포장 용기는 점심 식사용 식육제품, 사무실 용품, 화장품, 철물 용구, 장난감등을 포함하는 많은 제품을 포장하고 전시하는데 활용가능하다.

"행낭(pouch) 만들기"란 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각들을 변환하여 원하는 물건을 만드는 또 한가지 방법이며, 포장 산업에서 "형성/채움/봉합"이라고 알려진 공정을 말한다. 형성/채움/봉합 기술을 동반하는 행낭 만들기는 행낭을 형성하고, 행낭을 제품으로 채우고, 행낭을 봉합하는 연속적인 작동을 포함한다. 행낭 만들기란 일련의 행낭을 형성하고, 행낭을 제품으로 채우고, 행낭을 봉합하여 마감하고, 행낭이 형성되고 채워지고 마감된 후 또는 행낭이 형성된 후 각각의 행낭이 서로 분리되도록 재단하는 연속 과정을 말한다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 조각들의 행낭 만들기로 부터 제조가 가능한 포장기에는 건조 스프 행낭, 사탕 껍질, 시리얼 봉지, 포테이토 칩 봉지, 분말 포장, 약 봉지, 조미료 봉지, 케익 믹스 봉지 등이 있다.

행낭 만들기 작업에는 일반적으로 수평, 수직, 또는 두 장으로 행낭 만들기가 있다. 수평 형성, 채움, 봉합에 의한 마감은 연속된 시이트를 그 길이를 따라 반으로 접어서, 채워지고 접합되는 일련의 행낭을 형성하기 위하여 적당한 간격으로 봉합하는 것이다. 이 공정은 시이트를 반으로 접어주는 쟁기부품에 시이트를 수평으로 진행시킴으로서 시작된다. 접혀진 시이트는 일정 간격으로 봉합하여 행낭을 만들어, 행낭의 내부에 제품이 채워질 수 있도록 한다. 중력 또는 다른 방법을 사용하여 행낭을 제품으로 채운다.

수직의 형성, 채움, 봉합은 연속된 시이트를 그 길이를 따라 원통을 형성하게 하고, 일련의 행낭을 형성하기 위해서 원통을 일정 간격으로 봉합하고, 행낭을채운 후 봉합에 의해서 행낭을 마감하는 것이다. 먼저 시이트를 쟁기부품에 수직으로 진행시킴으로서 시이트가 원통형으로 형성된다. 원통은 일정간격을 두고 행낭으로 봉합되고, 수평 형성, 채움, 마감 과정에서 활용된 방법과 유사한 방법으로 채워진다. 세번째 방법은 두장의 시이트를 연합시켜 행낭을 만드는 방법이며, 이중 적어도 한 장은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 금박 시이트이어야 한다. 다음을 포함하지만 이에 국한되지는 않는 다양한 시이트 즉, 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트, 금박 시이트, 종이 시이트, 알루미늄 포일 시이트, 셀로판 시이트, 플라스틱 시이트, 그리고 이들 시이트의 박편들은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 또는 금박 시이트와의 연합이 가능하다. 두 장의 시이트는 수평 또는 수직으로 연결이 가능하며, 각 행낭은 네면의 봉합면을 갖는다.

Ⅳ. 바람직한 실시예(實施例)

본 발명의 시이트와 용기 형성(形成) 방법을 구체적으로 설명하기 위하여 하기의 실시예(實施例)를 제시하였다. 실시예(實施例)는 시이트, 용기, 그리고 다양한 성질과 단위를 갖는 다른 제품들의 제조 방법과 더불어 다양한 혼합물의 배합을 포함한다.

실시예(實施例) 1-6

다음과 같은 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제조하였다:

각 실시예(實施例)에서 사용된 섬유질은 남송(南松)이다. 먼저, 물, Tylose@ FL15002, 그리고 섬유질을 호버트 반죽-혼합기내에서 10분간 고속으로 혼합하였다. 그 후 탄산 칼슘을 혼합물에 추가하고, 4분간 저속으로 혼합하였다.

각 혼합물 내의 탄산 칼슘 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.63 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기물(無機物) 혼합재 전체량의 각 89.7 %, 87.9%, 85.3%, 81.3%, 74.4%, 그리고 59.2%이다. 이를 전체량에 대한 중량 비율로 하면, 각 94.5 %, 93.5%, 92.0%, 89.6%, 85.1%, 그리고 74.1%에 해당한다. 실시예(實施例) 1-6의 시이트는 전체량에 대한 부피의 비율로 7.2%, 8.5%, 10.3%, 13.1%, 18.0% 그리고 28.7%에 해당하는 섬유질을 포함한다. 중량 비율로 측정할 경우, 이 량들은 상당히 감소될 것이다.

바람직한 오거 압출기를 사용하여, 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 30 cm x 0.6 cm 의 다이를 통하여 압출시켜 이에 상응하는 폭과 두께를 가진 연속 시이트를 형성(形成)하였다. 압출된 시이트를 형성(形成)되는 시이트의 두께에 해당하는 격차 간격을 갖는 한 쌍의 감축 롤러로 압연한다. 탄산 칼슘은 적은 비표면(比表面)을 가지므로, 이 혼합물들은 롤러에 대한 점성이 적다. 본 실시예(實施例)에서는, 0.23 mm, 0.3mm, 0.38mm, 그리고 0.5 mm의 두께의 시이트가 형성(形成)되었다.

소량의 탄산 칼슘이 사용되면, 시이트의 인장강도, 유연성, 접힘 인성(靭性)등이 증가한다. 반면 다량의 탄산 칼슘을 추가하면, 시이트는 부드러운 표면과 롤러에 대한 회유성이 증가하게 되고, 이는 시이트 내부의 결함을 감소시킨다. 탄산 칼슘량의 증가는 최종 건조된 시이트 부피의 약 37.4% 내지 70.3%를 차지하는 시이트의 다공성을 감소시키는 효과가 있다.

실시예(實施例) 7-12

다음과 같은 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제조하였다:

각 실시예(實施例)에서 사용된 섬유질은 남송(南松)이다. 먼저, 물, Tylose@FL15002, 그리고 섬유질을 호버트 반죽-혼합기내에서 10분간 고속으로 혼합하였다. 그후 탄산 칼슘과 공동(空洞)의 유리구들을 혼합물에 추가하고, 6분간 저속으로 혼합하였다.

각 혼합물 내의 탄산 칼슘과 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.73 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기물(無機物) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5%이다. 실시예(實施例) 7-12의 시이트는 전체량에 대한 부피의 비율로 7.2%, 8.5%, 10.3%, 13.1%, 18.0% 그리고 28.7%에 해당하는 섬유질을 포함한다. 중량 비율로 측정할 경우, 이 량들은 상당히 감소된다.

바람직한 오거 압출기를 사용하여, 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 30 cm x 0.6 cm의 다이를 통하여 압출시켜 이에 상응하는 폭과 두께를 가진 연속 시이트를 형성(形成)하였다. 압출된 시이트를, 형성(形成)되는 시이트의 두께에 해당하는 격차 간격을 갖는 한 쌍의 감축 롤러로 압연시킨다. 탄산 칼슘과 유리구들은 적은 비표면(比表面)을 가지므로, 이 혼합물들은 롤러에 대한 점성이 적다. 본 실시예(實施例)에서는,0.23 mm, 0.3mm, 0.38mm, 그리고 0.5 mm의 두께의 시이트가 형성(形成)되었다.

평균 직경이 35 마이크론 ( 최대 100 마이크론)인 탄산 칼슘 입자를 사용할 경우, 제조된 시이트는 광택없는 표면을 갖는다. 그러나 더 작은 입자를 사용할 경우 (98%가 0.2 마이크론 보다 작을 때), 제조된 시이트는 광택이 있는 표면을 갖는다. 시이트의 섬유질을 증가시키면, 최종적으로 강화된 시이트의 인장강도, 유연성, 접힘 인성(靭性)등이 증가한다.

실시예(實施例) 13

탄산 칼슘을 1.0 kg의 운모(雲母)로 대치하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 7- 12를 반복하였다. 그 외의 다른 측면에서는 대체로 같은 방법으로 혼합물을 제조하였다. 운모(雲母)는 진흙과 유사한, 접시 모양의 광물이며, 평균 크기는 약 10 마이크론 이하이다.

각 혼합물 내의 운모(雲母)와 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.7 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기물(無機物) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5%이다. 접시 모양의 운모(雲母)는 매우 광택나는 표면으로 마감된 시이트를 산출(産出)하였다.

실시예(實施例) 14

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 형성(形成)하기 위하여 사용된 성형가능(成形可能)한 혼합물에 0.25 kg의 남송(南松)을 추가한 것을 제외하고는 실시예(實施例) 13을 반복하였다. 최종적으로 강화된 시이트는 14.56 MPa의 인장강도, 2523 MPa의 탄성율, 최강 방향(기계 방향)으로 1.42 %의 파손까지의 신장률(伸張率), 약 방향(기계 교차 방향)으로 0.93 %의 파손까지의 신장률(伸張率)을 갖는다.

실시예(實施例) 15

탄산 칼슘을 1.0 Kg의 고령토로 대치하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 7 - 12를 반복하였다. 그 외의 다른 측면에서는 대체로 같은 방법으로 혼합물을 제조하였다. 고령토는 자연적인 진흙으로, 98%의 입자의 크기가 약 2 마이크론 이하이다.

각 혼합물 내의 고령토와 공동(空포洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.69 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5%이다. 고령토는 광택나는 표면으로 마감된 시이트를 산출(産出)하였다.

실시예(實施例) 16-21

다음과 같은 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 고도로 무기물 충전(充塡)된 시이트론 제조하였다:

각 실시예(實施例)에서 사용된 섬유질은 남송(南松)이다. 먼저, 물, Tylose@ FL15002, 그리고 섬유질을 호버트 반죽-혼합기내에서 10분간 고속으로 혼합하였다. 그후 녹인 규산과 공동(空洞)의 유리구들을 혼합물에 추가하고, 6분간 저속으로 혼합하였다.

각 혼합물 내의 녹인 규산과 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.73 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74,5%이다. 실시예(實施例) 16-21와 시이트는 전체량에 대한 부피의 비율로 7.2%, 8.5%, 10.3%, 13.1%, 18.0% 그리고 28.7%에 해당하는 섬유질을 포함한다. 중량 비율로 측정할 경우, 이 량들은 상당히 감소된다.

바람직한 오거 압출기를 사용하여, 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 30 cm x 0.6 cm의 다이를 통하여 압출시켜 이에 상응하는 폭과 두께를 가진 연속 시이트를 형성(形成)하였다. 압출된 시이트를 형성(形戒)되는 시이트의 두께에 해당하는 격차 간격을 갖는 한 쌍의 감축 롤러로 압연시킨다. 녹인 규산은 석영암이고, 입자의 평균 크기는 10 마이크론 이하이다. 녹인 규산과 유리구들은 적은 비표면(比表面)을 가지므로, 이 혼합물들은 롤러에 대한 점성이 적다. 본 실시예(實施例)에서는, 0.23 mm, 0.3mm, 0.38mm, 그리고 0.5 mm의 두께의 시이트가 형성(形成)되었다.

시이트의 섬유질을 증가시키면, 최종적으로 강화된 시이트의 인장강도, 유연성, 접점 인성(靭性)등이 증가한다.

다음에 제시될 실시예(實施例)들은 사실상 가설적이나, 실제로 실행된 바와 유사한 혼합물 배합과 공정에 기초하고 있다. 본 발명을 좀 더 충분히 설명하기 위해서 다음의 실시예(實施例)들을 제시하였다.

실시예(實施例) 22-27

다음과 같은 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제조하였다:

각 실시예(實施例)에서 사용된 섬유질은 남송(南松)이다. 먼저, 물, Tylose@ FL15002 , 그리고 섬유질을 호버트 반죽-혼합기내에서 10분간 고속으로 혼합하였다. 그후 곱게 간 화강암과 공동(空洞)의 유리구들을 혼합물에 추가하고, 6분간 저속으로 혼합하였다.

각 혼합물 내의 녹인 규산과 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.73 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5% 이다.

바람직한 오거 압출기를 사용하여, 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 30 cm x 0.6 cm 의 다이를 통하여 압출시켜 이에 상응하는 폭과 두께를 가진 연속 시이트를 형성(形戒)하였다. 압출된 시이트를 형성(形成)되는 시이트의 두께에 해당하는 격차 간격을 갖는 한 쌍의 감축 롤러로 압연시킨다. 유리구들은 적은 비표면(比表面)을 가지므로, 이 혼합물들은 롤러에 대한 점성이 적다. 본 실시예(實施例)에서는, 0.23 mm, 0.3mm, 0.38mm, 그리고 0.5 mm의 두께의 시이트가 형성(形成)되었다.

시이트의 섬유질을 증가시키면, 최종적으로 강화된 시이트의 인장강토, 유연성, 접힘 인성(靭性)등이 증가한다.

실시예(實施例) 28

곱게 간 화강암을 1.0 Kg의 곱게 간 석영으로 대치하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 22 - 27의 조성물을 반복하였다. 그 외의 다른 측면에서는 대체로 같은 방법으로 혼합물을 제조하였다.

각 혼합물 내의 곱게 간 화강암과 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.74 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각 88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5% 이다. 혼합재의 량을 감소시키면, 유효한 유기 결합재와 섬유질의 량은 증가한다. 혼합재의 량을 증가시킬수록, 시이트는 더 단단해지고, 부서지기 쉬우며, 더 강한 압축력을 갖는다. 섬유질과 유기 결합재의 량이 증가하면, 시이트의 유연성, 강도, 인장강도가 증가한다.

실시예(實施例) 29

곱게 간 화강암을 1.0 Kg의 곱게 간 현무암으로 대치하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 22 - 27의 조성물을 반복하였다. 그 외의 다른 측면에서는 대체로 같은 방법으로 혼합물을 제조하였다.

각 혼합물 내의 곱게 간 화강암과 공동(空洞)의 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.74 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각88.5 %, 85.3%, 82.3%, 79.6%, 77.0%, 그리고 74.5% 이다. 혼합재의 량을 감소시키면, 유효한 유기 결합재와 섬유질의 량은 증가한다. 혼합재의 량을 증가시킬수록, 시이트는 더 단단해지고, 부서지기 쉬우며, 더 강한 압축력을 갖는다. 섬유질과 유기 결합재의 량이 증가하면, 시이트의 유연성, 강도, 인장강도가 증가한다.

실시예(實施例) 30-34

다음과 같은 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 제조하였다:

각 실시예(實施例)에서 사용된 섬유질은 납송(南松)이다. 먼저, 물, Tylose@ FL15002, 그리고 섬유질을 호버트 반죽-혼합기내에서 10분간 고속으로 혼합하였다. 그후 탄산 칼슘과 공동(空洞)의 유리구들을 혼합물에 구가하고, 6분간 저속으로 혼합하였다.

각 혼합물 내의 탄산 칼슘과 중공(中空) 유리구들의 입자 충전(充塡) 밀도는 약 0.73 이고, 제조된 혼합물의 부피는 무기(無機) 혼합재 전체량의 각 62.8 %, 88.5%, 93.2%, 95.2%, 그리고 96.6%이다. 제조된 시이트의 밀도는 (g/㎤으로 표시하여) 각각 2.0, 0.87, 0.66, 0.57, 그리고 0.52 이다. 실시예(實施例) 30 - 34 의 시이트는 전체량에 대한 부피의 비율로 24.3%, 7.5%, 4.3%, 3.1%, 그리고 2.4%에 해당하는 섬유질을 포함한다. 중량 비율로 측정될 경우, 이 량들은 상당히 감소된다.

바람직한 오거 압출기를 사용하여, 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 30 cm x 0.6 cm 의 다이를 통하여 압출시켜 이에 상응하는 폭과 두께를 가진 연속 시이트를 형성(形成)하였다. 압출된 시이트를, 형성(形成)되는 시이트의 두께에 해당하는 격차 간격을 갖는 한 쌍의 감축 롤러로 압연시킨다. 탄산 칼슘과 유리구들은 적은 비표면(比表面)을 가지므로, 이 혼합물들은 롤러에 대한 점성이 적다. 본 실시예(實施例)에서는, 0.23 mm, 0.3mm, 0.38mm, 그리고 0.5 mm의 두께의 시이트가 형성(形成)되었다.

실시예(實施例) 35

다음과 같은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물을 성형하여 비교적 얇은 무기물 충전(充塡)된 시이트를 형성(形成)하였다:

마닐라 삼 섬유질 ( 생산자에 의해 전처리(前處理)되어, 85% 이상의 섬유소가 알파-히드록시셀룰로오스 임)을 먼저 적셔준 후, 나머지 물과 섬유질을 Tylose ^@ 의 혼합물에 추가하여 무기물 충전(充塡)된 혼합물을 만들었다. 이 혼합물을 비교적 고속으로 약 10 분간 혼합하고, 공동(空洞)의 유리구를 추가한 후, 비교적 저속으로 10분간 혼합하였다.

본 혼합물을 롤러로 압연시켜, 약 1 mm 두께의 시이트를 형성(形成)하였다. 젖은 시이트에 새김눈을 긋고 접어서, 상자를 제조하였다, 상당한 량의 균열이 생겼으며, 충분한 강도와 보전성을 가진 상자의 형성(形成)이 일반적으로 불가능하였다.

그 후에는 시이트를 먼저 강화시키고 난 후 새김눈을 긋고 접어서 상자 모양을 형성(形成)하고, 제지 기술에서 잘 알려진 접합 또는 접착 방법을 사용하여 접착 하였다. 접힘선의 균열량은 무시할 정도이었으며, 이로서 얇은 시이트를 어느정도 강화 또는 고형화 시킨 후에 새김눈을 긋고 접는 것이 바람직함을 설명하였다. 얇은 시이트로, 현재 판지(板紙) 재료(材料)로 생산되고 있는 건(乾)시리얼 상자의 형태, 외형, 중량을 가진, 상자를 형성(形成)하였다.

실시예(實施例) 36

실시예(實施例) 35 에서 형성(形成)된 건조 시이트를 컵을 형성(形成)하기 위한 적합한 모양으로 재단하고, 둥글리고, 기술된 접착 수단을 사용하여 접착하였다. 실시예(實施例) 35와 36에서는, 현재 판지(板紙), 종이 또는 플라스틱을 재료(材料)로 하는 상자, 컵, 또는 유사한 모양의 기타 용기들의 제조가 가능함을 증명하였다.

하기 실시예(賞施例)에서는 고도의 강성(剛性)과 강도를 갖는 고도로 유연성 있는 무기물 충전(充塡)된 시이트의 제조가 가능함을 증명하였다. 이들은 충격완화와 유연성이 특히 요구되는 포장에 적응하기에 유용하다.

다음에 제시될 실시예(實施例)들은 사실상 가설적이나, 실제로 실행된 바와 유사한 혼합물 배합과 공정에 기초하고 있다. 본 발명을 좀 더 충분히 설명하기 위해서 다음의 실시예(實施例)들을 제시하였다.

실시예(實施例) 37-41

2.0 Kg의 물, 0.1 Kg의 Tylose ^@ FL 15002, 그리고 혼합물 부피의 2 %의 마닐라삼 섬유질을 함유하는 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물과 다음과 같은 량의 플라스틱 구로부터 유연하고, 충격을 완화시켜주는 시이트를 형성(形成)하였다:

"플라스틱 구"는 폴리프로필렌을 재료(材料)로 하며, 입자의 평균 크기가 100 마이크론 이하이고 평균 밀도는 0.02g/㎤이다. 먼저, 물, Tylose@ FL 15002,그리고 섬유질을 5분간 고속으로 혼합한 후 플라스틱 구들을 혼합물에 추가하고 저속으로 혼합하여 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물을 만들었다. 제조한 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물을 다이를 통하여 압출시키고, 한 쌍의 롤러 사이로 압연하여, 5 mm 두께의 시이트를 형성(形成)하였다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트는 폴리스티렌으로 제조된 유사 재료(材料)에 비하여 매우 유연하며 비교적 강하다.

본 포장 재료(材料)는, 폴리스티렌 재료(材料)들이 정상적으로 체험하는 힘보다 더 큰 힘으로도, 부서짐 없는 물리적 압착이 가능하다. 유연성 있는 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물은 직사각형형의 막대기 형태로 압출되기도 하며, 이는 본 혼합물의 유연성을 극적으로 증명하여 준다.

실시예(實施例) 42-45

무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트 내부의 마닐라 삼 섬유질을, 부피의 백분율로 표시한, 다음 량으로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예(實施例) 37 - 41을 반복하였다.

본 실시예(實施例)에서 제조된 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트는 대체로 실시예(實施例) 37- 41 의 시이트와 같은 밀도와 유연성을 가지나, 마닐라 삼 섬유질이 증가함에 따라 인장강도가 증가하였다.

다음의 실시예(實施例)에서는, 유사한 두께와 중량의 종이, 판지(板紙), 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속 시이트의 용도에 적합한, 여러가지 특성과 성질을 갖는 아주 얇은 시트 ( 0.1 mm - 0.5 mm)를 형성(形成)하였다. 미시구조 공학의 접근법을 사용하여, 바람직한 성질들을 시이트 내에 고안하였다. 이로서 현재 상기의 재료(材料)들로부터 대량으로 생산되는 유사 시이트 제품의 사용으로는 일반적으로 불가능한, 여러가지 바람직한 성질을 갖는 시이트의 생산이 가능하다.

실시예(實施例) 46-63

다음과 같은 성분을 포함하는 수경가능한(水硬可能)한 혼합물로부터 다양한 제품( 식품 또는 음료수 용기)의 형성(形成)이 가능한 시이트를 생산하였다:

먼저, 포트랜드 시멘트, 운모(雲母), 섬유질, Tylose@, 그리고 물을 5분간 고속으로 혼합한 후, 펄라이트를 추가하고 다시 5분간 저속으로 혼합하였다.

수경가능한(水硬可能)한 혼합물을 오거 압출기에 배치하고 슬릿 형태의 입구를 가진 다이를 통해서 압출시킨다. 혼합물을 300 mm의 폭과 6 mm의 두께의 연속 시이트로 압출시킨다.

시이트를 한 쌍 또는 그 이상의 감축롤러를 사용하여, 각각 0.2 mm, 0.25 mm, 0.3 mm, 0.35 mm, 0.4 mm, 0.45 mm, 0.5 mm의 최종 두께를 갖는 시이트를 제조하였다. 롤러의 직경은 17 cm로 한다. 수경가능한(水硬可能)한 혼합물이 롤러에 접착하는 것을 방지하기 위하여, 롤러를 스텐레스 스틸로 제작하고 연마된 니켈 (0.1 RMS)로 피복하였다. 또한, 혼합물과 롤러간의 접착을 방지하기 위해서, 롤러를 110℃의 온도로 가열하였다.

바람직한 두께의 시이트를 제조하기 위해서 압출된 시이트를, 점진적으로 롤러 간의 간격이 감소되는 감축 롤러들을 사용하여, 다음과 같이 단계적으로 감축하였다:

6 mm ==> 2 mm ==> 0.5 mm ==> 최종두께

압출 공정과 롤링 공정을 연합시켜서, 시이트의 세로 방향(기계 방향) 으로 섬유질이 일방적으로 방위화된 시이트를 제조하였다. 이로서, 시이트는 기계 교차 방향에 비해, 기계 방향으로 더 강한 인장강도를 갖는다. 이러한 요소는 인장강도가 중요시되는 방향에서의 용기 성능을 극대화시킨다.

강화된 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 마감하고 피복한 후, 다수의 식품과 음료수 용기를 형성(形成)하였다. 예를 들어, 시이트로 부터 적당한 조각을 재단하고, 조각을 컵의 형태로 둥글린 후, 둥글려진 조각의 양 끝을 수성 접착제를 사용하여 접착시키고, 컵의 밑바침 대고, 밑바침을 제자리에 지탱할 수 있도록 둥글려진 측면부분의 기저부분에 주름을 잡고, 컵의 가장자리가 단단하고 더 부드러운 표면을 갖도록 가장자리를 말아주어, "냉수용 컵" (패스트 푸드 식당에서 차가운 탄산수를 제공하는 것과 같은) 을 제작하였다. 컵을 제작하기 위해서, 0.3 mm와 0.4 mm두께의 시이트를 사용하였다.

일정한 힘이 가장자리의 1 인치 밑에 가해질 때의 굴절량을 기존의 종이컵의 경우와 비슷하였다. 메틸렌 블루와 0.1 %의 계면활성제를 함유한 수용액을 피복되지 않은 무기물(無機物) 충전(充塡)된 컵의 내부에 5분간 채웠을 경우에 누수되지 않았다. 물론, 누수가 발생할 어떤 경우라도, 적합한 피복으로 이를 방지할 수 있다.

시이트로 부터 적당한 조각을 재단하고, 바람직한 접힘선을 형성(形成)하기 위해서 조각에 새김선을 긋고, 조개 껍질 모양으로 조각을 접은 후, 용기의 보전성을 유지하기 위해서 접힌 조각의 양 끝을 접합하여( 접합제와 맞물림쇄를 사용함), "조개 모양" 용기 ( 현재 패스트 푸드 산업에서 햄버거를 포장하는데 사용하는) 를 제작하였다. 조개 모양 용기를 제작하기 위해서, 0.4 mm와 0.5 mm 두께의 시이트를 사용하였다.

시이트를 새김선이 없는 면끼리 마주보게 굽히거나 또는 닫아주었다. 기존 재료(材料)들의 평범한 새김선들은 시이트의 새김선이 있는 면끼리 마주보도록 수월하게 굽어지거나 닫혀지게 한다는 것을 이해하여야 한다. 제작된 조개 모양 용기는 , 종이로 만든 조개 모양 용기에 비하여 비등 또는 우월한 단열성을 나타내었다.

시이트로부터 적당한 조각을 재단하고, 바람직한 접힘선을 형성(形成)하기 위해서 조각에 새김선을 긋고, 감자 튀김 용기 모양으로 조각을 접은 후, 용기의 보전성을 유지하기 위해서 접힌 조각의 양 끝을 접합하여, 갑자 튀김 용기 ( 현재 패스트 푸드 산업에서 조리된 감자 튀김을 담아 주는데 사용하는) 를 제작하였다. 감자 튀김 용기를 제작하기 위해서, 0.25 mm, 0.35 mm, 0.4 mm, 0.45 mm, 0.5 mm두께의 시이트를 사용하였다.

시이트로부터 적당한 조각을 재단하고, 바람직한 접힘선을 형성(形成)하기 위해서 조각에 새김선을 긋고, 냉동식품 상자 모양으로 조각을 접은 후, 용기의 보전성을 유지하기 위해서 접힌 조각의 양 끝을 접합하여, 냉동식품 용기 ( 현재 수퍼마켓에서 야채 또는 감자튀김과 같은 냉동식품을 포장하는데 사용하는)를 제작하였다. 냉동식품 상자를 제작하기 위해서, 0.25 mm, 0.35 mm, 0.4 mm, 0.45 mm, 0.5 mm 두께의 시이트를 사용하였다.

0.3 mm 두께의 시이트로부터 적당한 조각을 재단하고, 바람직한 접힘선을 형성(形成)하기 위해서 조각에 새김선을 긋고,냉장 시리얼 상자 모양으로 조각을 접은 후, 용기의 보전성을 유지하기 위해서 접힌 조각의 양 끝을 접합하여, 냉장 시리얼 상자를 제작하였다.

0.25 mm 시이트 조각을 빨대 모양으로 굴리고, 기존의 기술된 접착 수단을 사용하여 양 끝을 접착시켜 빨대를 제작하였다. 빨대의 제작에서는, 상기 제시된 용기들의 제작에서와 마찬가지로, 시이트가 고도의 유연성을 유지하도록 시이트의 수분함량을 조절하는 것이 유리하다. 시이트의 유연성이 증가할 수록, 시이트의 균열과 찢어짐은 감소한다.

본 용기들은, 물에 접촉한 채로 시간이 경과하면, 1 일을 평균 분해 시간으로 하여, 분해되었다. 용기 제작을 위해서 다듬어 버려진 잉여 재료(材料)들은, 단순히 부수어 수경가능한(水硬可能)한 혼합물로 혼합함으로서 재생이 용이하다.

제작된 용기와 각각의 용기를 제작하는데 사용된 시이트의 두께는 다음과 같다 :

실시예(實施例) 64

수경가능한(水硬可能)한 혼합물을 다음의 조성물로 대치하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 46 - 63의 과정과 장비를 반복하였다.

운모(雲母), 섬유질, Tylose@, 그리고 물을 5분간 고속 혼합기내에서 혼합한 후, 펄라이트를 추가하고 다시 5분간 저속 혼합기내에서 혼합하였다. 무기물(無機物) 충전(充塡)된 혼합물을 오거 압출기에 배치하고 슬릿 형태의 입구를 가진 다이를 통해서 압출시킨다. 혼합물을 300 mm의 폭과 6 mm의 두께의 연속 시이트로 압출시킨다.

시이트를 한 쌍 또는 그 이상의 감축롤러를 통과시켜, 각각 0.2 mm, 0.25 mm, 0.3 mm, 0.35 mm, 0.4 mm, 0.45 mm, 0.5 mm의 최종 두께를 갖는 시이트를 제조하였다.

강화된 무기물 충전(充塡)된 시이트는, 포트랜드 시멘트를 제외시킴으로서 시이트가 덜 딱딱하고 더 유연한 반면 물에 의한 회손에 대한 저항력이 약해진 것을 제외하고는 실시예(實施例) 46 - 63 에서 제조된 수경가능한(水硬可能)한 시이트와 유사한 품질을 갖는다. 그 외에는 상기의 시이트와 유사하며, 상기 제시된 냉수용 컵, 조개 모양 용기, 감자 튀김 용기, 냉동 식품 상자, 냉장 시리얼 상자, 음료용 빨대등을 포함하는 각 용기의 제작이 가능하다.

실시예(實施例) 65

음료용 빨대를 형성(形成)하기 위해 0.05 mm두께의 시이트를 사용하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 63을 반복하였다. 본 실시예(實施例)에서 형성(形成)된 음료용 빨대의 질량은 0.25 mm두께인 빨대 질량의 약 1/5에 불과하여, 소모성 일회용인 음료용 빨대의 대량 생산에 더욱 적합하다.

실시예(實施例) 66

실시예(實施例) 46 - 64 의 용기들을 생산하기 위해서 사용된 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트에 기존의 종이 시이트를 인쇄하는 기존의 인쇄기를 사용하여 인쇄하였다. 기존의 종이 시이트와 비등한 또는 더 빠른 잉크의 건조가 가능하였다. 인쇄된 시이트로부터 상기 제시된 모든 용기의 형성(形成)이 가능하였다.

실시예(實施例) 67

컵 상부를 말아주는 단계에 앞서, 상부 가장자리를 광유(mineral oil) 윤활제로 처리한 것을 제외하고는 실시예(實施例) 46 에 제시된 과정에 따라 실시예(實施例) 66의 인쇄된 무기물 충전(充塡)된 시이트로 컵의 형태를 형성(形成)하였다. 물론 상기와 같이, 광유없이 마는것도 가능하다. 이 컵은 패스트 푸드 산업에서 상업적으로 사용되기 위한 중량, 강도, 내수성, 그리고 정보의 포함 등의 필수적 성질을 갖추었다.

실시예(實施例) 68

실시예(實施例) 46 - 64 에서 제작된 무기물 충전(充塡)된 시이트로 조개 모양 용기를 제작하였다. 최고의 강도와 탄력있는 경첩과 가장 쾌적하게 접히는 최적의 새김선을 결정하기 위해서 시이트를 실험하였다. 20 % 내지 50 % 의 새김눈의 깊이를 실험한바, 25 %의 새김눈 깊이가 최상의 결과를 산출(産出)하였다. 부연하여, 두꺼운 시이트(0.4 - 0.5 mm) 는 더 낳은 새김눈과 더 강하고 견고한 조개 모양 용기를 산출(産出)하였다.

실시예(實施例) 69

3중의 후면 경첩을 사용한 것을 제외하고는, 실시예(實施例) 46 - 64 에서 제작된 무기 (無機) 충전(充塡)된 시이트로 조개 모양의 용기를 제작하였다. 일련의 세 줄의 새김선을 조개 모양 용기의 외면에 새겨넣었다. 이로서, 각각의 새김선이 접혀져야 할 거리를 단축하여 주므로, 결과적으로 한 줄의 새김선 경첩에 비하여 파손됨 없이 더 많은 횟수의 개폐가 가능하였다.

실시예(實施例) 70

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵을 상업적 밀랍 피복 기계를 통과시켜 표면에 균일한 밀랍의 막을 제공하였다. 밀랍의 막은 컵의 표면을 수분으로 부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다.

실시예(實施例) 71

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵을 전분으로 전처리하였다. 시간이 경과하면 수분해(水分解) 되는 컵이지만, 컵에 의한 물의 흡수를 현저히 감축하는 효과를 보였다.

실시예(實施例) 72

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵에 미세한 분사구를 사용하여 아크릴 도료로 피복하였다. 실시예(實施例) 70의 밀랍과 유사하게, 아크릴 도료막은 컵의 표면을 수분으로 부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다. 아크릴 피복은 밀랍피복 보다 눈에 띄지 않는다는 장점을 갖는다. 더 얇은 막의 아크릴 피복도 가능하므로, 거의 피복되지 않은 컵처럼 보이기도 한다. 다른 종류의 아크릴 도료를 사웅함에 따라 컵의 광택 조절이 가능하다.

실시예(實施例) 73

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵에 미세한 분사구를 사용하여 상업적으로 사용되는 멜라민 도료로 피복하였다. 실시예(實施例) 70 과 72와 같이, 멜라민 도료층은 컵의 표면을 수분으로 부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다. 멜라민 피복 또한 눈에 띄지 않으며, 밀랍피복에 비해 얇은 막으로 피복될 수 있다. 다른 종류의 멜라민 도료를 사용함에 따라 컵의 광택 조절이 가능하다.

실시예(實施例) 74

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵에, 완전히 환경과 친숙한, 폴리에틸렌 글리콜로 합성된 히드록시 메틸 셀룰로오스의 혼합물로 구성된 도료로 피복하였다. 이 피복은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다. 이 피복의 표면은 밀랍, 아크릴, 또는 멜라민으로 피복된 컵보다 더 자연스러우며 광택도 적다.

실시예(實施例) 75

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵에 완전히 환경에 친숙한 폴리젖산으로 구성된 도료로 피복하였다. 이 피복은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다.

실시예(實施例) 76

실시예(實施例) 46,47, 그리고 64 에 따라 제작된 냉수용 컵에 완전히 환경에 친숙한 콩 단백질로 구성된 도료로 피복하였다. 이 피복은 컵의 표면을 수분으로부터 완전히 밀폐시키며, 표면에 수리권(水利權)을 주었다.

실시예(實施例) 77-83

실시예(實施例) 48,49, 그리고 64에 따라 제작된 조개모양 용기를 실시예(實施例)70 - 76의 냉수용 컵의 피복에 사용된 도료로 피복하였다. 그 결과는 피복한 컵의 경우와 거의 동일하였다.

실시예(實施例) 84-90

실시예(實施例) 50 - 55, 그리고 64에 따라 제작된 감자튀김 용기를 실시예(實施例) 70 - 76의 냉수용 컵의 피복에 사용된 도료로 피복하였다. 그 결과는 피복한 컵의 경우와 거의 동일하였다.

실시예(實施例) 91-97

실시예(實施例) 56 - 61, 그리고 64에 따라 제작된 냉동식품 용기를 실시예(實施例) 70 - 76의 냉수용 컵의 피복에 사용된 도료로 피복하였다. 그 결과는 피복한 컵의 경우와 거의 동일하였다.

실시예(實施例) 98-104

실시예(實施例) 62와 64에 따라 제작된 냉장 시리얼 상자를 실시예(實施例) 70 -76의 냉수용 컵의 피복에 사용된 도료로 피복하였다. 그 결과는 피복한 컵의 경우와 거의 동일하였다.

실시예(實施例) 105-111

실시예(實施例) 63과 64에 따라 제작된 음료용 빨대를 실시예(實施例) 70 - 76의 냉수용 컵의 피복에 사용된 재료를 사용하여 각각 피복하였다. 본 방법으로 빨대의 내부를 적합하게 피복하기는 어렵지만, 외피의 경우에는 그 결과가 피복된 컵의 경우와 거의 동일하였다.

실시예(實施例) 112

실시예(實施例) 46 - 63에 제시된 혼합물 배합을 사용하여 0.25 mm와 0.5 mm 사이의 다양한 두께의 시이트를 제조하였다. 혼합, 압출, 그리고 롤링 공정은 모든면에서 동일하였다. 각 두께의 건조 시이트를 원형으로 재단하고, 종이 재료(材料)로 접시를 만드는 데 사용되는 전진 다이가 설치된 상업적이고 기계적인 압착기를 사용하여 종이접시를 제작하였다. 틀로 찍어낸 무기 (無機) 충전(充塡)된 접시의 섬세함은 완벽히 두드러지며, 그 모양, 강도, 외형은 기존의 종이접시와 거의 유사하였다. 그러나, 무기(無機) 충전(充塡)된 접시는 기존의 종이접시보다 더 견고하기 때문에 접시의 내부 또는 상부에 식품이 놓였을 때 더 강한 구조적 인성(靭性)을 갖는다.

실시예(實施例) 113

실시예(實施例) 112 에서 제작된 건조 시이트를 압착하여 접시로 만들기 전에, 초기 건조 시이트 중량의 5 %에 해당하는 수분을 추가하여 시이트를 먼저 가습(加濕)하였다 (건조하며 최대로 뻣뻣해 보이는 "건조"시이트라 할지라도 무기 (無機) 충전(充塡)된 매트리스의 내부에는 수분을 함유하고 있음을 기억해야 한다). 추가된 수분은 시이트를 더욱 유연하게(결렬 되기 전까지 더 많이 연장되도록) 하므로, 같은 공정에 의해서 형성(形成)된 기존의 종이접시에 비하여 좋은 각인과 섬세함을 갖는 접시를 제조하였다. 또한, 추가된 수분은 가습(加濕)된 시이트 재료(材料)를 흐르게 함으로서 주름살을 제거한다. 압착기는 200℃ 까지 가열되며, 잉여 수분은 매우 짧은 압착시간 동안(1초 이하) 가열된 성형틀의 환기구들을 통해서 증발되므로, 종이보다 단단한 건조제품을 산출(産出)한다.

실시예(實施例) 114

실시예(實施例) 112 에서 제작된 건조 시이트를 압착하여 접시로 만들기 전에, 초기 건조 시이트 증량의 10 %에 해당하는 수분을 추가하여 시이트를 먼저 가습(加濕)하였다. 추가된 수분은 시이트의 각인과 섬세함은 실시예(實施例) 113의 결과와 비등하게 하면서, 시이트를 더욱 유연하게 하였다. 여분의 수분을 첨가한 결과, 여분의 수분을 제거하고 충분히 건조된 접시를 형성(形成)하기 위해서 성형시간이 약간 길어졌다. 성형틀을 고온으로 가열함으로서 성형 시간의 단축이 가능함을 발견하였다. 최종 제품은 이에 필적하는 종이접시보다 단단하였다.

실시예(實施例) 115

실시예(實施例) 112 에서 제작된 건조 시이트를 압착하여 접시로 만들기 전, 초기 건조 시이트 중량의 20 %에 해당하는 수분을 추가하여 시이트를 먼저 가습(加濕)하였다. 추가된 수분은 시이트를 실시예(實施例) 114의 시이트보다 더 유연하게 하였으며, 성형 공정은 건조 시이트의 압착이라기 보다는 습한 시이트의 성형 공정으로 구분할 수 있을 정도이다. 산출(産出)된 제품은 압착된 재료(材料)내에 어떤 접힘선도 없으므로 종이 압착 공정보다 우월하였다. 최종 제품은 이에 필적하는 종이접시보다 단단하였다.

실시예(實施例) 116

실시예(實施例) 112 에서 제작된 건조 시이트를 압착하여 접시로 만들기 전, 초기 건조 시이트 중량의 30 %에 해당하는 수분을 추가하여 시이트를 먼저 가습(加濕)하였다. 성형 공정과 결과는 실시예(實施例) 115의 경우와 유사하였으나, 추가된 수분은 시이트를 약간 더 유연하게 하였다. 산출(産出)된 제품은 압착된 재료(材料)내에 어떤 접힘선도 없으므로 종이 압착 공정보다 우월하였다. 여분의 수분첨가로 인하여, 시이트를 적시기 위해서 소량의 수분이 첨가되었을 때보다 성형시간이 더 길어졌다. 성형들을 고온으로 가열함으로서 성형시간의 단축이 가능하였다. 최종 제품은 이에 필적하는 종이접시보다 단단하였다.

실시예(實施例) 117

시이트를 상기의 접시로 압착하기 전 시이트의 한쪽 면에 상업적 아크릴로 피복한 것을 제외하고는 모든 면에서 실시예(實施例) 112 - 116를 반복하였다. 시이트가 재습(再濕)되는 경우에는 피복되지 않은 이면에 수분을 분사하였다. 피복은 접시의 표면에 광택과 내수성을 더하여 주었다.

실시예(實施例) 118

시이트를 상기의 접시로 압착하기 전 시이트의 한쪽 면에 상업적 폴리에틸렌으로 피복한 것을 제외하고는 모든 면에서 실시예(實施例) 112 - 116를 반복하였다. 시이트가 재습(再濕)되는 경우에는 피복되지 않은 이면에 수분을 분사하였다. 피복은 접시의 표면에 광택과 내수성을 더하여 주었다.

실시예(實施例) 119 - 125

종이 재료(材料)로 부터 일회용 종이 대접을 제조하는 기존의 압착기를 사용하여 시이트를 대접 모양으로 압착하는 것을 제외하고는 실시예(實施例) 112 - 118 에서 제시한 공정을 반복하였다. 무기 (無機) 충전(充塡)된 대접은 직경이 15 cm 이며 그 깊이는 3 cm 이다. 평면의 시이트로부터 대접을 형성(形成)하기 위해서는 깊숙한 각인과 굽힘의 각도 증가, 변형이 필수적이므로, 추가된 수분함량이 10 % 이하인 경우에는 결함을 초래하였다. 그러나 추가된 수분이 최소한 10 % 이상일 때에는, 종이로 만든 대접에 비하여, 각인이 개선되고 접힘이 없으며 부드러운 표면을 가진 훌륭한 제품이 생산되었다.

실시예(實施例) 126 - 132

시이트를 두 조각 형태인, 즉 상단과 하단으로 나뉘어진 아침식사용 접시로 압착한 것을 제외하고는, 실시예(實施例) 112 - 118에 제시된 성형 공정을 반복하였다. 하단의 길이는 21 cm 이고 깊이가 1.0 cm인 반면, 상단의 길이는 20 cm 이며 두께는 3.5 cm이다. 시이트의 두께가 0.8 mm 인 경우, 각 부분의 중량은 12 내지 15 g이다. 현재 패스트 푸드 산업에서 사용하고 있는 아침식사용 접시와 비교하였을 때, 중량은 유사하지만 더 견고하였다.

상단과 하단은 서로 상응하는 크기이며 상단 측면의 꼭지와 하단 측면의 홈을 사용하여 밀폐된 용기를 형성(形成)하는 상호 연결이 가능하다. 이 제품은 눌러도 파열(破裂)없이 파손될 정도의 유연성을 갖는다. 피복된 제품은 피복과 무기물충전(充塡)된 매트릭스 사이의 상호작용 효과를 나타내며, 탄성 혼합재 피복으로 인한 고도의 신장률에 의하여 제품은 더 강화되고, 단단해지며, 파손 전까지의 탄력성이 증가하였다.

실시예(實施例) 133

압축된 시이트를 건조시키고 재습(再濕)하는 대신, 습한 시이트를 직접 아침식사용 접시 형태로 성형한 것을 제외하고는 실시예(實施例) 126 - 132 에 제시된 혼합물 배합을 사용하여 두 조각으로 이루어진 아침식사용 접시를 제조하였다. 습한 시이트는 쉽게 성형되었으며 표면과 구조의 결함이 매우 적었다. 본 실시예(實施例)에서 제조된 아침식사용 접시는 0.5 mm 두께이며 상기 실시예(實施例)에서 제조된 접시와 유사한 중량과 단열성을 갖는다.

실시예(實施例) 134

상기 제시된 용기를 마이크로웨이브 오븐 내부에 배치하고 마이크로웨이브와의 조화 여부를 시험하였다; 즉 용기와 음식물이 마이크로웨이브 복사(輪射)에 노출되었을 때, 용기 자체 또는 그 내부의 음식물이 가열되는지를 시험하였다. 실제로 용기는 차가운 상태를 유지하였다. 재료(材料)의 낮은 절연 상수 때문에, 모든 에너지는 용기가 아닌 음식물 내부에 속하게 된다.

같은 이유로, 마이크로웨이브의 초기사용 단계중 용기의 표면에 응접한 수증기는 마이크로웨이브에 계속 노출되면서 빠르게 증발한다. 그러므로 마이크로웨이브의 사용후 식품 용기를 열였을 때, 용기의 표면에는 수증기가 응집하지 않았다. 잉여 수증기는 용기를 열었을 때 밖으로 나오게 되므로, 음식물은 외형과 맛이 뛰어난 채로 유지된다. 이사실은 용기의 표면상에 많은 량의 응집한 수증기를 축적시켜서 "눅눅하고" 바람직하지 못한 식품을 만드는 폴리스티렌 용기와 큰 대조를 이룬다. 또한, 폴리스티렌 용기는 음식물이 장시간 가열될 때 녹아버리는 경우도 있다.

수경가능한(水硬可能)한 혼합물과 더불어, 본 발명의 무기물 충전(充塡)된 혼합물의 비열은 비교적 낮으며 열량계수도 낮다. 이 사실은 마이크로웨이브의 사용중 식품으로 부터 용기로의 열 전도를 감소시킨다. 그러므로, 손을 데지 않고도 마이크로웨이브로 부터 용기를 꺼내는 것이 가능하였다. 용기는 마이크로웨이브 오븐에서 옮겨진 후(식품내부로부터 어느정도의 열을 흡수함으로서) 천천히 더워졌으나, 절대로 만지기에 뜨거울 정도는 아니었다.

실시예(實施例) 135

다양한 식품과 음료수 용기의 제조에 적합한 평면의 종이 시이트를 다음과같은 성분을 포함하는 무기물 충전(充塡)된 혼합물로부터 생산하였다:

먼저, 운모(雲母), 섬유질, Tylose@ , 그리고 물을 5분간 고속으로 혼합한 후, 펄라이트와 공동(空洞)의 유리구를 추가하고 다시 저속으로 혼합하였다. 혼합물을 오거 압출기와 다이를 통해서 300 mm의 폭과 6 mm의 두께의 시이트로 압출시킨다.

시이트의 두께를 0.1 mm 내지 2 mm 로 감축시키기 위하여, 시이트를 수 쌍의 가열 롤러에 차례로 압연시킨다.

유리구(球)들은 펄라이트에 비하여 적은 비표면(比表面)(200 - 250 ㎡/kg)을 가지므로, 실시예(實施例) 135의 혼합물은 실시예(實施例) 46 - 63의 혼합물 배합에 비하여 균일한 두께와 개선된 표면의 마감을 산출(産出)한다. 혼합재 비표면(比表面)의 감소는 가열 롤러를 접촉하면서 제거되는 수분의 량을 감소시킨다, 그러므로 본 혼합물은 뛰어난 성형가능성(成形可能性)과 최적의 유동성을 유지하며, 결과적으로 롤링 공정중 적은 미시적 결함과 뛰어난 균일성을 초래한다.

실시예(實施例) 136

실시예(實施例) 135 에 따라 제조된 시이트를 상업적인 종이컵 제조기를 사용하여 재단하고, 감고, 접착시켜 10 온스(oz)의 음료수 컵을 제작하였다. 내수성을 증가시키기 위하여 밀랍 피복으로 컵을 피복하였다.

실시예(實施例) 137

다음과 같은 성분을 포함하는 무기물 충전(充塡)된 혼합물을 제조하였다:

먼저, 석고, 섬유질, Tylose@ , 그리고 물을 3분간 고속으로 혼합한 후, 펄라이트를 추가하고 다시 저속으로 혼합하였다.

혼합물을 오거 압출기와 타이를 통해서 6 mm의 두께의 시이트로 압출시킨후, 시이트의 두께를 0.25 mm 내지 0.5 mm 로 감축시키기 위하여, 시이트를 단계적으로 롤링하였다.

본 시이트들로 본 사양서에서 상기 제시한 모든 적합한 과정을 사용하여 적합한 식품 또는 음료수 용기로 형성(形成)하였다. 강도는 다른 혼합물을 사용하여 제조한 용기들과 비슷하였으며, 종이, 판지(板紙), 또는 폴리스티렌 용기의 대용이 가능하였다.

실시예(實施例) 138

모든 무기물 충전(充塡)된 혼합물 배합에 혼합재 중량의 25% 정도의 석고 반수산화물을 포함 시켰다. 석고는 수분 흡수제(또는 내부 건조제)로 작용하여 빠른 형태 안정성을 초래하였다. 성형된 용기의 강도는 석고를 포함하지 않은 혼합물들의 경우와 비슷하였다.

실시예(實施例) 139

모든 무기 (無機) 충전(充塡)된 혼합물 배합에 혼합재 중량의 25% 정도의 포트랜드 시멘트를 포함 시켰다. 포트랜드 시멘트는 수분 흡수제(또는 내부 건조제)로 작용하여 빠른 형태 안정성을 초래하였다. 또한 포트랜드 시멘트는 성형가능(成形可能)한 혼합물의 내부 응집성을 강화시키고, 이는 혼합물의 가동성과 형태 안정성을 강화하였다. 끝으로 포트랜드 시멘트는 최종 강화된 제품의 강도를 강화하며 강성(剛性)을 증가시켰다. 또한 제품의 유연성을 어느 정도 감소시켰다.

실시예(實施例) 140

상기 제시한 혼합물 배합을 사용하여 제조한 무기물 충전(充塡)된 시이트로부터 잡지 또는 선전물과 같은 인쇄된 출판물을 제조하였다. 이러한 잡지와 선전물들은 얇고 유연한 시이트와 두껍고 덜 유연한 시이트를 모두 포함한다. 얇고 유연한 시이트의 두께는 0.25 내지 0.05 mm 이며, 두껍고 덜 유연한 시이트의 두께는 0.1 내지 0.2 mm 이다.

실시예(實施例) 141

상기 제시한 조성물들 중 하나를 사용하여, 물결모양의 내부구조가 두장의 평면 시이트 사이에 배치된 골판지 무기물 충전(充塡)된 시이트를 형성(形成)하였다. 혼합물을 롤링하여 적합한 두께의 평평한 시이트를 형성(形成)함으로서, 평평한 외피 시이트들을 형성하였다. 골판지 또는 물결모양의 내부 시이트는 (평범한 카드보드 박스의 골판지 또는 물결모양의 내부 시이트와 유사함) 강화된 또는 재습(再濕)된 적당한 두께의 평평한 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트를 주름진 표면의 톱니바퀴 또는 빗살을 포함한 한 쌍의 롤러를 통과시켜 형성(形成)하였다.

골이 진 시이트를, 표면에 접착제를 바른 후, 두장의 평면 시이트 사이에 샌드위치형으로 배치시켜 굳힌다. 골판지/샌드위치 시이트는 기존의 카드보드 골판지 시이트에 비하여 강도, 인성(靭性), 그리고 견고함에서 우월하다.

실시예(實施例) 142

고도의 무기 (無機) 충전(充塡)된 시이트를 제조하고, 표면의 풀먹임이 시이트의 강도와 다른 성질에 미치는 효과를 결정하기 위하여 피복하였다. 다음 성분을 포함하는 성형가능(成形可能)한 혼합물을 압출시키고 한 쌍의 롤러로 압연하여 시이트를 형성(形成)하였다.

이로 부터 두께가 1 mm, 인장강도가 18.48 MPa, 탄성율이 1863 MPa, 파손까지의 신장률이 2.42 % 인 강화된 시이트 (제 1 시이트)를 형성(形成)하였다. 제 1의 시이트를 전분 수용액을 사용하여 풀을 먹였다 (또는 시이트의 공극을 메꾸기 위해서 피복하였다). 결과적으로 풀먹인 시이트의 인장강도는 21.83 MPa, 탄성율이 2198 MPa, 파손까지의 신장률이 2.02 % 이었다. 이로서 전분 풀먹임이 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 인장강도와 강성(剛性)을 증가시킴을 보였다.

상기의 성형가능(成形可能)한 혼합물을 사용하여 인장강도가 21.21 MPa, 탄성율이 2120 MPa, 파손까지의 신장률이 3.22 % 인 두번째 강화된 시이트 (제 2 시이트)를 형성(形成)하였다. 제 2의 시이트를 수용성 라텍스-고령토를 사용하여 풀을 먹였다 (70 % 장전). 풀먹인 시이트의 인장강도는 18.59 MPa, 탄성율은 3305 MPa, 파손까지의 신장률이 2.13 % 였다. 라텍스-고령토 풀먹임은 무기물 충전(充塡)된 시이트의 인장강도는 감소시키는 반면, 강성(剛性)은 증가시켰다. 본 피복은 전분 피복보다 시이트의 물 흡수를 현격히 감소시켰다.

또 다른 제 2의 시이트를 라텍스-고령토-전분을 사용하여 풀을 먹였다 (70 % 장전). 풀먹인 시이트의 인장강도는 15.31 MPa, 계수는 3954 MPa, 파손까지의 신장률이 1.28 % 였다. 라텍스-고령토-전분 풀먹임은 라텍스-고령토 풀먹임에 비하여, 무기 (無機) 충전(充塡)된 시이트의 인장강도는 감소시키는 반면, 강성(剛性)은 증가시켰다.

상기의 성형가능(成形可能)한 혼합물을 사용하여 인장강도가 11.11 MPa, 탄성율이 1380 MPa, 파손까지의 신장률이 1.86 % 인 세번째 강화된 시이트 (제 3 시이트)를 형성(形成)하였다. 제 3의 시이트를 라텍스-고령토를 사용하여 풀을 먹여(50 % 장전), 인장강도가 10.78 MPa, 계수는 2164 MPa, 파손까지의 신장률이1.62 % 인 시이트를 산출(産出)하였다. 본 풀먹임 재료(材料)는 무기 (無機) 충전(充塡)된 시이트의 인장강도는 감소시키는 반면, 강성(剛性)은 알맞게 증가시켰다.

또 다른 제 3의 시이트를 라텍스-고형토-전분을 사용하여 풀을 먹여(50 % 장전), 인장강도가 10.86 MPa, 탄성율을 1934 MPa, 파손까지의 신장률이 1.15 % 인 시이트를 산출(産出)하였다.

실시예(實施例) 143

다음 성분의 성형가능(成形可能)한 혼합물들을 압출시키고 한쌍의 롤러 로 압연시켜 고도로 무기물 충전(充塡)된 시이트를 형성(形成)하였다.

전체량의 부피에 대한 섬유질의 비율은 46.5 %이었다. 본 실시예(實施例)에서 형성(形成)된 시이트는 56 MPa의 인장강도를 갖는다.

실시예(實施例) 144

탄산 칼슘이 산화 칼슘으로 대치된 것을 제외하고는 실시예(實施例) 143 의 혼합물 배합과 시이트 형성(形成) 공정을 반복하였다. 산화 칼슘은 이산화탄소 그리고 물과의 반응을 통하여 탄산 칼슘으로 변환되면서 응집 효과를 만들어낸다.

실시예(實施例) 145

무기물 충전(充塡)된 용기 쓰레기를 음식 찌꺼기와 함께 퇴비화시켰다. 4주 후, 용기들은 완전히 파괴되어 화분용 흙과 유사하게 퇴비화 하였다.

Ⅴ. 요약

상기로부터, 본 발명은 기존의 종이, 판지(板紙), 폴리스티렌, 플라스틱, 유리, 또는 금속으로 부터 형성(形成)된 시이트 그리고 다른 품목의 형성(形成)이 가능한 고도로 무기물 충전(充塡)된 혼합물의 개선된 구성과 제조방법을 제시하였음을 평가할 수 있다.

또한 본 발명은 종이, 판지(板紙), 폴리스티렌, 플라스틱 또는 금속 시이트와 유사한 성질의 고도로 무기물 충전(充塡)된 시이트를 산출(産出)하는 구성과 방법을 제시하였다. 현재 종이, 판지(板紙), 플라스틱, 폴리스티렌, 또는 금속 시이트 제품의 형성(形成)에 사용되는 제조 장비와 기술들을 사용하여, 본 시이트로부터 다양한 용기와 기타 제품의 형성(形成)이 가능하였다.

더 나아가, 본 발명은, 전형적으로 종이 제조에 사용되는 수분의 일부분만을 포함하고 시이트 형성(形成) 공정중 집중적인 수분의 공급을 요구하지 않는, 성형가능(成形可能)한 혼합물로부터 시이트 형성(形成) 능력을 제공하였다.

또한 본 발명은, 지구상에서 흔히 찾아볼 수 있는 물질로 분해가 가능한 시이트와 그로부터 제조된 용기 또는 기타 제품들을 제공하였다.

더 나아가, 본 발명은 기존의 종이 또는 폴리스티렌 제품의 제조 방법에 비하여 비등하거나 또는 더 우월한 비용으로 시이트, 용기, 그리고 기타 제품을 제조가능케하는 구성과 방법을 제공하였다. 또한 본 시이트 제조 방법은 기존 재료(材料)의 시이트 제조에 비하여 에너지 절약형이며, 자연 자원을 보존하고, 낮은 초기 자본의 투자를 요구한다.

본 발명은, 제조 공정의 개시로 부터 수분(數分)내에 빠르게 형성(形成)되고 충분히 건조되는 고도로 무기 (無機) 충전(充塡)된 시이트의 대량 생산을 위한 구성과 방법들을 제시하였다.

더 나아가, 본 발명은 높은 함량의 무기(無機) 충전물(充塡物)을 함유한 재료(材料)들에 비하여, 뛰어난 유연성, 인장강도, 인성(靭性), 성형가능성(成形可能性), 그리고 대량생산성을 갖는 고도로 무기물(無機物) 충전(充塡)된 시이트의 생산을 가능케하는 구성과 방법을 제시하였다.

본 발명은 그 본질 또는 기본 성격에 위배됨이 없는 한, 다른 구체적인 형태로도 구현이 가능하다. 서술된 구현예들은 모든 면에서 제한적이 아니며 단지 일례로서 고려되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기의 서술에서보다는 첨부된 청구범위에서 진술하였다. 청구범위의 대등한 뜻과 범주에 포함되는 모든 변화를 청구의 영역에 포함하여야 한다.