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粘在成形设备上以及水渗到成形物品的表面上

名称: 粘在成形设备上以及水渗到成形物品的表面上
发布时间:2018-10-15 18:36点击率:

说明

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  本发明涉及新颖的水硬可固化的材料及其制造方法,具体地为包含具有标记芯的水硬可固化杆的标记器具。该标记器具具有一个水硬可固化杆及一个诸如铅笔、钢笔之类的标记芯,它可以以高效、低费用并且对环境无影响的方式被制造。

  本申请是一项以Per Just Anderson博士及Simon K.Hodson名义于1993年2月17日申请的名为“用于包装容器的水泥材料及其制造方法”的申请号08/019151的共同未决申请的后续申请。也是以Per Just Andersen博士和Simon K.Hodson名义于1993年7月21日申请的名为“用于储存,分装和包装食品及饮料的水硬可固化的容器及其制造方法”的申请号为08/095662的共同未决申请的后续申请。

  用于传统的标记器具诸如一次性的及非一次性的笔,机械或非机械铅笔,墨水标记笔和化妆用笔之类的笔杆典型地主要用塑料或木材制成。塑料和木材已被当作很好的材料来生产标记器具的笔杆,但它们的应用产生了成本,效率和环境破坏的问题。

  塑料是大多数标记器具的笔杆所用的材料,如塑料铅笔,一次性或非一次性笔,机械铅笔,墨水标记笔(有时称为“磁标记笔”)及化妆笔。塑料的广泛应用是由于其作为这些标记器具的笔杆的显著的优越性。

  塑料一般是不贵、重量轻、结实并且耐用。用塑料杆生产标记器具有成本与作为塑料产品的原料的石油生产的成本直接相关。虽然塑料是很便宜的,由于石油资源变得更贫乏,由石油产品的应用量所确定的产品价格将上升。

  除塑料产品的明显的化学危害之外,用于钢笔或铅笔的塑料降解是很慢的,在深埋地下及脱离光、空气和水的侵蚀作用时更是这样。

  然而,塑料的不断应用部分是由于经济的作用,如对变化、习惯、及大的制造商制定工业材料并往往抵制新标准的创造的事实,由此旧工业冒失去其市场份额的风险的阻力。

  在铅笔一般用塑料杆制造时,木材继续在一次性铅笔方面是主要应用的材料。然而用木杆制造铅笔在加上木杆板条的成本的基础上已经变得很贵。此外,不可能采用不贵的连续工艺制造木杆铅笔。木杆铅笔通常是由包含大量工作的许多特殊条件及分离操作的工艺来制造。

  在制造木杆铅笔的标准工艺中,仅一级精选的木材被使用。所适用的木材数量被限制,而仅仅是通常被用于高级制品的杉木。木材必须在适当的气候条件下被干燥。松脂或本身油脂的含量应当既不超过也不低于某种限制。准备好的木材用特殊的锯锯成薄板后被送往以下工序着色,开槽,插入铅,时时彩手机投注平台_时时彩信誉投注网站>>【重庆最好彩票平台】>>:粘合,粗打磨,切成半成品铅笔并进一步打磨成惯常的六角形或圆形。抛光和上漆工艺也包含大量的工作和许多独立的操作。最后装上橡皮。

  制造木杆铅笔技术是昂贵并且废时的,另外大量的木料被浪费,随着可用于铅笔的木材的进一步短缺,这种浪废现象就变得不可容忍。此外,采伐用于产生铅笔的木材的环境影响成为全球砍伐森林的原因之一。

  木杆及其所包含的制造工艺的替代品及其工艺一直在被寻找,替代惯常木杆的材料包括塑料,纸卷制品及混合有无吸收性纤维素的木屑的材料。虽然用除木条以外的各种材料制成的笔杆所生产的铅笔已经被制造出来,但其适用性还不能完全代替惯常的木铅笔。

  用除木条以外的材料制成的杆生产铅笔减轻了一些用木条所产生的问题,如昂贵复杂的工艺及依靠越来越贵的木材等。然而替代的材料也产生了他们各自的问题。例如,由于使用纸卷,木浆及在塑料制造过程中所产生的污染物。

  金属也被用作一些标记器具的杆。由金属制造的杆是昂贵的,并且也导致环境破坏。

  在制造标记器具中材料对低价及环境的需要并未导致水硬可固化材料如水泥或石膏(下文“水硬可固化”,“水硬”或“水泥的”合成物,材料或混合物)的应用。然而水硬可固化材料是经济的,并且包含对环境无害的成份,像岩石,沙子,粘土和水。以经济和生态学的观点看,水硬可固化材料的确适于作为标记器具的首选材料来替代木材,塑料和金属。

  由于水硬可固化材料本身的特性及加工这些材料所产生的问题,水硬可固化材料还不能被用来制造象标记器具之类的轻物体。一些本身的特性及由这种材料和加工这种材料所产生的问题包括高流动性,低抗拉强度,在对这些材料成形后形状稳定性低,过长的固化时间,粘在成形设备上以及水渗到成形物品的表面上。由于本身特性和水硬可固化材料的加工问题的结果,它们的用途基本上被限于大的,笨重的结构,这些结构是耐用的,强壮的并且相对不贵。

  含有水硬水泥的结构基本上是由把拌有水的水硬水泥与常见的某种填料混合形成水泥混合物而构成,水泥混合物变硬成为混凝土。最好,刚和好的水泥混合物是完全无粘性的,半流体的并能用手拌和及塑形。因为它的流体性质,混凝土一般通过注入模子中,尽力排除大量的气穴,并使它变硬。

  某些混凝土混合物也已被挤入基本上平的简单形状的扁坯中。在后一种情况中,水泥混合物必须是粘性的和有粘着力强度的以免损坏(即由所需的形状变形)。如果水泥构件的表面是被暴露的,如混凝土人行道,精加工该表面使它多功能并给它以所需的表面特征而产生附加的效果。

  由于特殊水泥混合物需要高水准的流动性以具有充分的可加工性,混凝土和其它水硬可固化混合物的用途已被大部分限制在基本上是大的,重的和笨重的简单形状,并且它们需要机械力来保持它们的形状直到已经出现了材料的充分固化。水泥材料的用途也已由于混凝土的强度性质被限制,即由于抗拉强度低具有高抗压强度与抗拉强度之比。抗压强度与抗拉强度之比典型地是在大约10∶1。

  另一个限制是传统的水泥混合物或泥浆只有很小的或没有形状稳定性而将混合物注入一个有外部支撑挡板或壁的空间里被铸成最后的形状。结合每单位重量低抗拉强度,由于成形性差水泥材料惯常仅是适用于尺寸和重量不为限制因素,而运用在混凝土上的力或载荷基本上被限于压力或压载荷,象在如柱,基础,道路,人行道和墙的应用中。

  由混凝土在收缩或弯曲时容易破坏或断裂普遍地说明在混凝土中抗拉强度(大约1-4MPa)低,而不象其它材料如金属,纸,塑料或陶瓷那样。因此,普通水泥材料不适于制造小的,薄壁的,轻物体,如必须用比普通水泥的每单位重量的抗拉和挠性强度高很多的材料制成的笔杆,它具有一个大横截面是很不适宜的。

  最近,高强度水泥材料已被开发出来,它可能被用来制成更小,更密实的东西。一种这样的材料是已知为“Macro-defeetFrec”或“MDF”混凝土,就象在Birchall等的US4410366中公开的。及见美国能源部CTL计划CR7851-4330 S.L.Weiss,E.M.Gartner及S.W.Tresouthick的“作为金属,塑料,陶瓷和木材的低能量代用品的高抗拉水泥膏”(1984年11月最终报告)。然而这样的高强度水泥材料价格太贵了并且将不适于生产不贵的笔杆,许多更适于生产笔杆的更宜材料(如木材和塑料)是容易购得的。另一个缺点是MDF混凝土不能被用来大规模生产小而轻的东西,这是由于大量的时间和精力花在成形和硬化材料中,而实际上它是高水溶性的。此外,这样的材料有高粘性和高屈服应力,这些防碍模制和模制后达到形状稳定。

  普通甚至最新开发出的高强度混凝土所具有的另一个缺点是几乎大多数混凝土普遍地需要过长的固化时间。普通混凝土生产的成品从可流动的混合物开始在混凝土机械地自支托之前需要10-24小时变硬周期,而在混凝土达到相当于其最大强度之前则要一个月以上。必须采用极小心的维护以避免移动水泥物品,直到它们达到足够的脱模强度。在上述时间之前移动或脱模通常会导致水泥结构基体的破碎或流动。一旦自支托,该制品能够被脱模,虽然它一般还要几天甚至几周后才能达到大部分的最终强度。

  经济而工业化大批量生产水泥制品已是困难的了,这是由于在成形水泥物品时使用铸模通常导致混凝土产品的生产和基本时间周期甚至最低限度的混凝土的固化也是必需的。铸模的困难对于小而轻的物品来说被增加了。虽然无坍落度混凝土已被用于“大批量”生产大而笨的物品诸如模板,大型管件或砖这类立即就自支托的物品,这种的“大批量产品”仅是在生产的产品方面以每天上千件的有效速率。这样的组合物和方法不能被用来以每小时上千件速度大批量生产小而轻的物品。此外,无坍落度混凝土基本上有高粘性和高屈服应力,这不利于铸模及铸模后达到形状稳定性。

  给水泥制品脱模可能产生进一步问题。由于混凝土固化,它容易粘到模子上,除非使用昂贵的脱模剂,如脱模油。通常需要用楔子楔松模子以拆下它们,这样楔楔子,每次如果不正确而认真地楔,通常会导致绕结构边缘的破碎或损坏。这样的问题进一步限制了尤其以任何工业大批量形式制造除平板之外的小而轻的水泥物品或构件。

  如果在铸模的水泥件的外壁与模子之间的粘合力大于模制件的内粘结或抗拉强度,模子的拆卸将很可能使铸模件的较弱的壁或其它器件损坏。因此,传统的水泥物品必须是大体积并且是厚的以及形状非常简单的,以避免在脱模时损坏,否则就要使用昂贵的脱模剂和其他谨慎措施。

  一般的混凝土工艺技术也要求在水泥铸入后被适当地捣实以免在成形件中或在结构基体中有沙眼存在。这一般是用不同的振动或搅拌方法来完成的。然而,捣实所带来的问题是在混凝土浇铸后,其广泛地过度振动会导致其离析或水渗出。

  水渗出是由于较重的聚合物的沉淀使水移动到刚浇铸的混凝土的上表面上。过度的水渗出增加了靠近混凝土板的上表面处水与水泥之比的比率,这相应地减弱或减低了该板表面的耐用性。在完成工艺过程中混凝土的过度加工不仅带来表面水量过剩,而且会纯化材料,导致后来的表面缺陷。

  此外,传统水泥材料的本质呈现出另一种关于水泥材料的多孔性和价格的设计局限性。传统水泥材料的利用需要要么是所不希望的高孔率达到低成本,要么是高成本达到低孔率。

  由于以上各种原因及其它原因,水泥材料已不会有大型成形件,板形构件之外的工业化应用,它们只能用作如建筑物,基础,人行道,高速公路,瓦材或用作灰浆粘砖块或固化的混凝土块。甚至想象(更不用说实际经验)制造水泥材料的小而轻的物品如标记器具的笔杆,它们立即由轻而且强度高的象木材,塑料和纸那样的材料大规模地生产出来是完全反直觉的并且与人的经验是相反的。

  总之,所要做的是在相当于或优于用木材,塑料或金属材料制造标记器具笔杆的价格上给出改进的制造标记器具笔杆的方法。

  此外,它的一个重要的优点是生产笔杆是用具有对环境影响更小的材料,减少了对木材,塑料和金属的需要,包括了可回收材料,并且不会产生在木头,塑料和金属材料的笔杆制造中产生的废弃物。

  如果这样的方法生产的笔杆及其它物品具有相容于泥土并最终消溶于其中的化学组份将也是完全新颖的和重要的优点。

  对于构成笔杆的水泥制造技术及能够由水硬可固化材料工业化加工,将迅速得到成形稳定性及成形后立即处理而不要外支托保持其形状的制造笔杆的方法也将是新颖的。

  在由水硬可固化混合物构成成形笔杆的技术及大量生产这样的笔杆,在成形后不会粘在模子工件上并能直接从模子工件上拆下不损坏笔杆的方法方面还将是另一个优点。

  最后,本发明的另一个目的是构造笔杆及在笔杆成形后直接从模子工件中取出而不损坏笔杆的方法。这样的方法在此被公开并被要求权利。

  本发明包括由一个标记芯和一个具有水硬固化材料构成基体的笔杆的标记器具和制造这样的标记器具的方法。笔杆的结构基体由诸如水硬的水泥,石膏和其它由水固化或变硬的材料这类水硬可固化材料制成。本发明范围之内的由一个标记芯和一个具有由水硬可固化材料制成结构基体的笔杆构成的标记器具以铅笔、钢笔、机械笔、墨水标记笔和化妆笔及类似物的形式实际应用于标记,书写,着色,涂覆或用来化妆以及类似的应用。

  由水硬可固化材料制成的笔杆结构基体(下面为“水硬可固化笔杆”或“笔杆”)由于这样的材料被使用,有些性能不能预先被达到。这些材料的应用使得笔杆的经济的大批量生产为可能而不产生与这样的材料有关的工艺问题。此外,添加剂能够被随意与粘接材料一起使用,它也能使结构基体具有优良的性能。

  由于水硬可固化材料的使用没有与一般的水硬可固化材料相应的所不需要的特性和工艺问题,笔杆的制造通过微型结构技术被实现。微型结构技术是建立在水硬可固化的微型结构上的工艺,包括成品的某些所需的预定的特性如强度,柔性,色彩和比重。这种微型结构技术的方法考虑到具有结构基体的笔杆的设计,结构基体由于采用广泛的各种各样的市售材料具有预定的性能。应用这种方法,所需特性被设计在结构基体的微型结构中,同时优化了成本价格和大批量产品制造系统的其它方面。

  微型结构技术方法的效果是能够制造许多各种各样的到目前为止由木材,塑料和金属制造的不同产品。而且,本发明以一个一般能与用木材,塑料或金属材料制成的笔杆制造的标记器具在内的成本竞争,而在许多情况下更好的成本被制造。

  由于本发明的水硬可固化笔杆仅含有天然成份,也更适于再利用,这种笔杆的制造比用木材,塑料或金属材料制成的笔杆的标记器具的制造对环境的影响更小。与木笔杆的制造不同,水硬可固化笔杆不用砍树来提供制造笔杆的新材料。

  本发明的笔杆的主要成份主要包括无机材料,如水硬可固化粘接材料(如水硬水泥和石膏),填充料(如沙子,方解石,矾土,白云石,花岗石,石英,玻璃,硅石,珍珠岩,蛭石,粘土,甚至废混凝土产品),纤维(有机和无机纤维),流态改良剂,分散剂和需要水一同与水硬可固化粘合材料水合作用或进行反应的促凝剂。

  依本发明制造笔杆的优选的结构基体由水泥或其它水硬可固化混合物的反应生成物制成。这种水硬可固化混合物将至少包含有象水硬水泥或石膏半水合物之类的水硬粘合材料和水。由这些混合物得出的水硬可固化结构基体的孔隙率能够通过保持一个低的水与水硬粘合剂的比率被尽可能减少。

  为了把所需的特性设计到水硬可固化混合物和/或固化的水硬可固化结构基体上,各种各样的其它添加剂被包含在水硬混合物中,诸如一种或多种粒料,纤维,流态改良剂,分散剂,促凝剂,加气剂,发泡剂或活性金属。任何添加剂的密度和质量将决定于水硬可固化混合物和其制成的最终变硬了的笔杆的所需性质。

  在有些情况下,为了增加体积并减少混合物成本最好可以在混合物中含有一种或多种粒材以产生光滑表面。粒料通常给出有效的强度特性并改善了可加工性。这样的粒料的例子有普通的沙子,方解石,石灰石,矾土,白云石,花岗岩和石英,它们完全是对环境安全的,极其的便宜并且基本上不会用尽。

  在另外的情况下,为了得到更轻的最终固化的产品,轻的粒料可能被加入。轻粒料的例子有膨化珍珠岩,蛭石,空心玻璃球,气凝胶,干凝胶和其它轻矿物材料。这些粒料同样对环境是安全的并且相对不贵。

  纤维被加入到水硬可固化混合物中以增加笔杆的抗拉强度,弯曲强度,抗压强度,内聚力强度和耐冲击性。纤维应当最好有高撕裂强度,破裂强度和抗拉强度。高长度直径比的纤维最好慢慢地加入以使水硬可固化材料具有强度和韧度。

  由于用在笔杆制造中的水硬可固化混合物的变化性,有机及无机的各种各样的纤维能被利用。较好的纤维的例子包括生物可降解塑料,玻璃,二氧化硅,陶瓷制品,金属,炭,麻,植物叶和茎,木纤维(如南方的松木),亚麻,甘蔗淬(糖甘蔗纤维),棉花和麻(高长度直径比)。蕉麻是优选的纤维,它从在菲律宾很容易见到的一种香蕉状麻科植物中抽取的。此外,连续的纤维能被应用,如象Kevlar,Ploycramite,玻璃纤维,炭纤维和纤维素纤维。

  流态改良剂能够被添加以增加内聚力强度,塑性特性,以及混合物在铸模或挤压成形时保持其形状的能力。它们起到增稠剂的作用并且增加混合物的粘度及混合物的屈服应力,屈服应力是使混合物变形所需的作用力的量。这样在铸模或挤压成形的产品中产生较高的“湿强度”。适用的流态改良剂包括各种各样的纤维素的,淀粉的和蛋白质的基本组分的材料,它们起到把分散的水泥颗粒连接在一起及水凝结的作用。

  另一方面,分散剂通过分离分散的水硬粘结材料颗粒起减少混合物粘度和屈服应力的作用。这样能够用很少的水同时保持足够的加工性水平。适用的分散剂包括任何能被吸附在水硬粘结材料颗粒表面上并通常通过在颗粒上产生一个电荷表面区域或通过在胶质复层中置入电荷起到分离颗粒作用的材料。

  在一种流态改良剂和分散剂都被使用的情况下,通常第一步加入分散剂然后第二步加入流态改良剂将是最有利的,这能够保持它们各自的有益的效能。另一方面,如果流态改良剂首先被粘结材料颗粒吸附,它可以产生一个保护胶层,它将阻止分散剂被颗粒吸附并且把它的有益的效能作用到水硬可固化混合物上。

  水硬可固化结构基体主要由无机材料组成,不过某些实施例也可以含有诸如纤维素为主要成分的纤维和/或流态改良剂之类的有机成份。然而,这些有机成份仅占制造笔杆所用水硬可固化材料总量的很小一部分。此外,某些被用于本发明中的有机纤维能够用农业综合机械种植和收割,如亚麻纤维。

  此外,水硬可固化笔杆的标记器具不用石油为主要成份生产或转化而来的原料,不同于塑料笔杆标记器具的制造。这样,虽然一定量的石油需要用来产生水硬可固化笔杆的标记器具的制造所用能量,但远少于生产塑料笔杆所消耗的。

  制造标记器具的基本方法包括(1)在高切力混合器中机械混合粉碎的水硬水泥和水,以形成水泥膏并且(2)将混合物围绕标记芯成形笔杆或成形一个笔杆而后把标记芯插入笔杆中。除了混合粉碎的水泥和水之外,可以按照需要加入其它所需的材料,如添加剂,纤维,流态改良剂,分散剂及促凝剂使产生的水硬可固化混合物具有所需的流变性及最大的强度,重量和低成本的特性。由这种混合物成形的笔杆能基本上被干燥或固化。混合和固化的方式也能影响变硬的水硬可固化结构基体的最终特性。此外,涂层和包层可以被用于完成所需的精加工。

  本发明能被立即加工成具有足够的自支托强度,形状稳定性和在基本固化成形后可立即移动的所需形状的笔杆。更进一步地,具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具容易被从模子装置中退出。

  本发明的一个目的是提出制造具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具的组合物和方法。

  本发明的再一个目的是提出能容易而经济地产生制造具有水硬可固化笔杆和标记笔芯的标记器具的组合物和方法。

  本发明的一个目的是制造减少由于普通标记器具的制造而产生的对环境的影响的笔杆。

  本发明的另一个目的是提出制造具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具的组合物和方法,其中的水硬可固化笔杆能具有各种不同的形状、性能和色彩。

  本发明的附带的目的是提出制造具有水硬可固化笔杆和标记芯的不会粘在模子器件上的标记器具的组合物和方法。

  本发明还有另一个目的是提出制造具有由水硬可固化粘接材料成形的笔杆的标记器具的组合物和方法,该水硬可固化粘接材料在成形后将迅速获得成形稳定性并在不要外支托的情况下保持其形状,使成形的材料在成形后能被迅速地处理。

  最后,本发明还有一个目的是提出大量生产这样的笔杆的组合物和方法,这样的笔杆在成形后不会粘在模子器件上并能直接地从模子器件中退出,不会损坏笔杆。

  本发明进一步的目的和优点将出现在下面的说明中,也就是说由说明中是明显看出的,或是可由本发明的实施中可以获悉的。本发明的目的和优点通过在附带的权利要求书中所特别指出的方法及结合可以被体会和获得。

  为了更充分地了解获得本发明的上述或其它的优点和目的的方式,本发明的参照结合附图被说明的具体实施例的更详细的说明被描述。应当理解这些附图描述的仅是本发明的典型的实施例而不应认为是对其范围的限定。在本发明目前所理解的最佳方式中,制造和使用上述标记器具的发明将被说明另有附带的特性并通过附图详细说明,其中

  本发明涉及具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具,它象传统的具有用木材,塑料或金属制成的笔标的标记器具,如机械或非机械铅笔,钢笔和墨水标记笔的作用,用于标记,书写,绘图,着色,涂覆或用于化妆。用一种微型结构技术的方法能够设计出一种水硬可固化混合物,它能够被容易并且经济地大批量生产出笔杆,同时有效地比普通笔杆减少对环境的影响。具体地说,本发明是针对具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具,其中笔杆由其本上是轻的而且有高的强度与体积比重之比的水硬可固化材料制造的。能有效利用成本地生产,而且比通常使用的标记器材对环境的影响更小。在本发明的范围之内标记器具可能是一次性的也可能是非一次性的标记器具。

  本发明的笔杆产生了比惯常笔杆减少了在材料和产生中的成本并且减少了在获得生产笔杆的材料时,把材料加工成笔杆和对用过笔杆的处理时对环境的影响。这些目的通过由水硬可固化材料成形的笔杆的利用同时克服与惯常水硬可固化材料有关的不好的特性和加工问题被实现。

  与惯常水硬可固化材料有关的不好的特性到现在已表明水硬可固化材料不能被适用于大批量生产小而轻且薄壁的笔杆。防笔杆材料的大批量生产的惯常水硬可固化材料的这些特性和加工问题有高多孔性,低抗拉强度,材料成型后的低形状稳定性,过长的固化时间,粘到模子器件上并且水析渗到成形件的表面上。这些不好的特性和加工问题通过混合物的设计及工艺的独特的结合被克服。

  为在所得到的笔杆上达到所需要的性能而没有惯常水硬可固化材料的不好的特性和加工问题,适用的水硬可固化粘结剂已在微型结构技术方法的基础上被开发出来。用于制造食品和饮料容器的水硬可固化粘结材料的详细说明是在前述的共同未决的申请号为08/095662名称为“用于储存,分装和包装食品及饮料的水硬可固化的容器及其制造方法”的申请中,这是由PerJustAndersen博士,和Simon K.Hodson于1993年7月21日申请的。另外,一个用于制造普通的包装及贮存所有种类的食物的容器的水泥材料的详细说明是在前述的共同未决申请号为08/019151,名称为“用于包装容器的水泥材料及其制造方法”的申请中说明,这是由Per Just Audersen博士,和Simon K.Hodson于1993年2月17日申请的。为了说明,这些申请被结合在这里被具体地参考。一旦适用的水硬可固化材料被生产出来,所公开和所主张保护的更快更便宜地制造的笔杆的具体方法就被开发出来了。

  总之,惯常水硬可固化材料的不好的性质及加工问题被本发明特别是以下若干因素的共同作用克服,所述因素为公知的水硬可固化混合物成份,混合物成份比率,混合物成份结构及化学性质,添加混合物成份的顺序,混合方法,应用微型结构技术严格地加入混合物成份产生在整个笔杆中均匀的特性,用混合物成形笔杆的方法,成形设备,固化方法,涂涂层及贴外皮以及结构设计。这些技术在后面将更详细地说明。

  关于任何产品的具体性质和质量能够通过对在此所告知的成份和制造方法的适当选择被控制。因此,在本发明范围之内的标记器具在各种不同材料及应用浓度产生的混合物的基础上能被制成具有各种各样物理特性和性质,所述混合物或受到铸模,铸造或受到挤压。本发明的基体被设计成具有在大约1至300MPa·cm3/g范围之间的抗拉强度与体积重量之比。基体的抗拉强度与体积重量之比在大约2至50MPa·cm3/g的范围内更好而最好在大约3至20MPa·cm3/g的范围内。

  如上所述,本发明的器具已由微型结构技术的性质被开发出来。微型结构技术包括使微型结构成形及应用工艺步骤达到均匀的微型结构产生一个具有混合均匀的最终产品。微型结构技术允设计某种需要的水硬可固化材料的微型结构,预定的性质,而同时确保留了已知的成本和其它制造中的问题。微型结构技术近似法取代惯常的逐次逼近法混合和实验近似法已取得了能够设计具有强度、重量、成本和环境关系等对于适当的标记器具所必须的一些性质的水硬可固化材料。

  可用来制造具体产品的材料的数量是大量的—估计在5万到8万之间。它们可以取自广泛的种类,如金属,聚合物,合成橡胶,陶瓷,玻璃,复合材料和水泥。其中给出的种类在性质,工艺和使用方式上有某些共同之处。例如,陶瓷具有高模数,而聚合物具有底模数;金属能被铸或锻成形而复合材料需要敷层或特殊成形技术,水泥有高挠性强度而合成橡胶有低挠性强度。

  然而,这样的划分有其危险性;它将导致专业化(金属专家不懂陶瓷的事情)及思想保守(我们用钢是因为我们总是用它)。正是这种专业化和思想保守已经限制了各种产品使用水硬可固化材料的条件,如关于标记器具。尽管如此,一旦认识到水硬可固化材料有这样广的应用和能被设计和被以微型结构制造,它们就能被应用到各种可能的产品上是显然的。

  第一由于受到设计要求的主要的约束,其次由于探寻最适于发挥成份功能的材料的子集,本发明的构成的设计已被开发出来而且范围很窄。然而在加工过程的所有时间里认识到设计能被用有价格竞争力的工艺制造的产品的必要性是重要的。

  材料向选择中由于对成功的产品起决定性作用的成份的设计特性,主要的约束被产生。对于具有水硬可固化笔杆的标记器具,这些主要的约束包括最小限度的重量,强度和在探寻与木材,塑料或金属等可比价格或低于它们的价格时的韧性要求。另外,其它约束包括生产在重量,强度,韧性和挠性方面与惯常标记器具的笔杆相当的水硬可固化材料。

  由上面的讨论,水硬可固化材料如水泥方面的问题之一是水泥混合物被铸入模子中,使其成形而后有一个很长的时间周期供放置并固化。这一般是几天或几周。专家一般认为花至少一个月使混凝土制品达到最优强度的基本度,但它们也允许大多数混凝土制品经数十年不达到其最大强度。这样的时间周期对于经济大量的生产标记器具,特别是一次性的标记器具是相当不实际的。

  因此,本发明的一个重要的特征是当水硬可固化混合物被铸模后,它将保持其湿状态的形状(如,在诸如受重力和由于工艺设备的移动这样的较小力的作用下支托其自身重量)而不用外部支托。此外,从生产的前景看,为了经济生产,重要的是成形的水硬可固化笔杆立刻(能快就快)块达到足够的强度使它能为下一道工序而被移动,虽然该水硬可固化混合物还可能是以湿状态并且还未完全变硬。

  本发明的微型结构技术近似法的另一个优点是它具有开发出结构基体的横截面比一般现有技术所达到的更均匀的构成的能力。理想地当任何两个给定的水硬可固化结构基体的大约0.5n3(其中“n”是材料的最小截面)的采样被取出,它们将有基本上相同量的空穴,粒料,纤维或其它任何添加剂及基体特性。达到基体的均匀是依靠混合成份的正确添加,它优化了各个混合成份的性质并使在成份之间的共同作用达到所需的性能。

  通过上述方法在成份之间的共同作用的数据由抗拉强度与挤压强度之比给出,该比率基本上大于惯常水硬可固化材料的这一比率。

  以下面的讨论,将了解各种成份材料,其中水硬可固化混合物对主要的设计约束将产生影响。在本例中,具体的材料和构成被陈述以实际说明每一成份的多大限定的特性完成所需性质的组合。

  术语“标记器具”用在本说明书和附带的权利要求书中意指包括标记芯和由水硬可固化材料制成的笔杆。在本发明的范围内标记器具包括具有水硬可固化笔杆的任何铅笔,化妆铅笔,墨水标记笔,机器铅笔,钢笔,陶瓷标记笔,粉笔(蜡笔)及油彩笔,它们被用作标记,书写,绘画,着色,涂覆或用来化妆。具有水硬可固化笔杆和标记芯的标记器具应当能够被用于标记,书写,绘图,着色或用来化妆。

  术语“水硬可固化笔杆”用在本说明书及附带的权利要求书中意指包括任何由水硬可固化材料制成的笔杆,它具有与用习惯材料制成的笔杆相同的形状和作用,以用来制成铅笔,机械铅笔,钢笔,化妆铅笔,塑料墨水标记笔,金属墨水标记笔,陶瓷标记笔,粉(腊)笔及油彩笔。

  术语“标记芯”用在本说明书及附带的权利要求书中意指包括任何在表面上做标记的工具包括但不仅限于任何石墨粘土铅笔心;彩色铅笔心;含有标记液并有放出标记液器件的如圆珠笔式的芯管;象用在彩水笔中的浸渍标记液的吸水纤维体;连接到装有标记液的吸水纤维体;以任何惯常的钢笔或标记的方式供给的标记液;保存在笔杆中并以释放标记液的方式释放的预定量的标记液;铅笔式的通常方式使用的固体化妆笔芯;陶瓷标记笔;油彩笔等。术语“标记液”用在本说明书及附带的权利要求书中意指任何能被容纳并被释放到标记表面上的可流动固体和液体,它包括但不仅限于液体墨水,糊剂墨水,颜料和染料。

  术语“标记芯”用在本发明的说明书和附带的权利要求书中还意指包括能从笔杆中取出的标记笔芯和固定地保持在笔杆中的标记笔芯。此外,具有标记笔芯固定地保持在笔杆中的标记器具通过使用粘接剂被设计成在笔杆和标记芯之间用粘接材料粘合的形式,这也是在本发明的范围之内。

  在本发明的范围内,具有水硬可固化笔杆的标记器具能够被采用任何用于普通标记器具的结构,这些结构能被用象金属,塑料,橡胶和木材之类的普通材料制成或者用水硬可固化材料制成。在本发明的范围中,标记器具还包括诸如固定在标记器具上用来来在口袋上的夹子和防止标记芯的端头露在外面的防护帽或盖。此外,在本发明的范围内的是一个装擦除装置的装置。一个装擦除装置的装置的例子是用在普通铅笔上的常见的皱环,另外,水硬可固化笔杆的一端能够被做成适于置入一个擦除装置并不用上述金属环来保护擦除装置。另一个适用的装涂改器的装置具有应用于普通机械铅笔的形状。

  其它在本发明范围之内的结构包括以可靠的方式把标记芯置入笔杆中的装置和使标记芯在笔杆中移动的装置。一个以可靠方式置入标记芯的装置的例子是一个与用于便宜的墨水钢笔支撑墨水芯管并插入塑料笔杆的圆锥形部分相同的圆锥形部分。有许多已广泛应用的在笔杆中移动标记芯的装置。移动标记芯的装置的一个例子包括用一个绕在标记芯一端的弹簧,该弹簧被固定在笔杆中还有一个在标记芯另一端的机构,它与标记芯啮合使标记芯伸出笔杆或缩入笔杆内。另一种在笔杆内移动笔杆的常见装置具有两件笔杆,当笔杆件被以相反方向转动时它们使标记芯移动。这些用于普通机械铅笔的装置也适用于在本发明范围之内的标记器具的笔杆中移动标记芯。

  与本发明的方法配合使用的材料通过水与水硬粘合材料的化学反应产生强度,所述水硬粘合剂是诸如水硬水泥,硫酸钙(或石膏)半水合物,及其它其它合水后变硬的物质。术语“水硬可固化材料”用在本说明书及附带的权利要求书中包含任何其结构基体和强度性质是由水硬粘合剂变硬或固化而来的材料。这包括水泥材料,熟石膏和其它限定在其中的水硬可固化材料。用于本发明的水硬可固化粘合剂是与其它水泥或粘合剂诸如水不可溶的可聚合有机水泥象胶或胶粘剂之类是有区别的。

  术语“水硬可固化材料”“水硬水泥材料”或“水泥材料”用在这里意指概括地限定组合物和材料,它们既包含水硬可固化粘接材料也包含水,不考虑水合作用的成度或已发生的固化。因此,就是说术语“水硬可固化材料”应包括水硬膏或水硬可固化混合物在湿状态(如还未变硬)及变硬的水硬可固化产品或混凝土产品。

  术语“水硬可固化粘接材料”或“水硬粘接材料”用在本说明书及附带的权利要求书中意指任何无机粘接材料,象水硬水泥,石膏半水合物或氧化钙这些在与水化学反应后得到了强度特性和硬度,而在某些情况下氧化钙在空气和水中都会变硬。术语“水硬水泥”或“水泥”用在本说明书附带的说明书中意指包括熟料和在各个磨碎步骤和各种颗粒尺寸中破碎,研磨,粉碎和加工的熟料。

  在本技术领域中已知的一般水硬水泥的例子包括普通水泥的庞大家族(包括除石膏以外的一般普通水泥),铝酸钙水泥(包括除了加入稳定剂之外的铝酸钙水泥),熟石膏,硅酸盐水泥(包括β-硅酸二钙硅酸盐,一般硅酸盐和其混合物),石膏水泥,磷酸水泥,高铝水泥,精细水泥,矿渣水泥,镁氯氧水泥和涂覆精细水泥颗粒的粒料。其它有用的水泥包括MDF水泥,DSP水泥,Pyrament型水泥和Densit型水泥。

  术语“水硬水泥”还表示包括在本领域中已知的其它水泥,如α-硅酸二钙硅酸盐,在本发明的领域中它们在水合条件下能被水硬化,在本发明范围内水硬水泥的基本化学成份通常包括在CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,SO3,之间的各种组合,它们在一系列组合中一起反应生成非溶性钙硅酸盐水合物,碳酸盐(由CO2在空气中和加水产生),硫酸盐和其它盐或钙和镁的生成物,它们及它们的水合物在一起。在上述非水溶性盐中,铝和铁被认为需被加到复杂的组合之中。固化的水泥产品是非水溶性水合物与盐的组合基体,它们被组合并结合在一起象石头一样并有同样的隋性。

  水硬可固化成份一般由混合的水硬粘合材料或将它们(如水硬水泥)与水结合而形成;得出的混合物称作“水硬泥膏”(或“水泥膏”)。水硬粘合材料和水被混合同时或者随后加入某种粒料混合成“水硬可固化混合物”。水硬可固化混合物的实例为由混合水硬水泥,水和某种粒料如沙子或石头形成沙浆和混凝土。

  石膏也是水硬可固化粘合材料,它能被水合作用后成为一种变硬的粘合材料。石膏的一种可水合的形式是硫酸钙半水合物,公知为“石膏半水合物”。石膏的水合形式是硫酸钙二水合物,公知为“石膏二水合物”。硫酸钙半水合物也能与硫酸钙脱水物混合,公知为“石膏脱水物”或简称“脱水物”。

  虽然石膏粘接材料或其它象氧化钙之类的水硬粘接材料一般不象水硬水泥那样结实,然而在某些应用中高强度不是重要的。从成本方面看,石膏和氧化钙具有高于水硬水泥的优点,因为它们稍便宜一些。此外,在水硬可固化材料具有较高的弱百分率,重量较轻的粒料(如珍珠岩)的情况下,粒料通常将在结构基体之间构成“弱连接”。在某些方面,添加较强的粘接剂可能是无效的,因为由于弱粒料的高含量,这些粘接剂不再发挥其较高的潜在强度。

  另外,已知石膏半水合物放置或变硬的时间周期必定比一般水泥短。实际上,在本发明的应用中,几乎达到其最大强度并变硬的时间大约为30分钟。因此,在本发明的范围内石膏半水合物可以单独或与其它水硬可固化材料一同使用。

  术语如“水合的”或“固化的”水硬可固化混合物,材料或基体指的是一个基本的水催化的化学反应成度,它足以生产出一个具有其可能的和最后的最大强度的基本量的水硬可固化产品。

  除了水硬粘接材料和水,依本发明的水硬可固化混合物可以包括粒料,纤维,流态改良剂,分散剂,加气剂和其它添加剂,以使结构基体的固化和非固化混合物达到所需的强度和其它性能特性。

  术语如“湿的”或“湿状态”与没有达到其最后强度的实际量的水硬可固化混合物一同使用,不论这样强度是由人工干燥或固化来得到还是其它方法。水硬可因混合物被称作是“湿的”或在“湿状态”仅在其被铸模之前,之后它被铸模成所设计的形状。水硬可固化混合物不再是“湿的”或在“湿状态”的时刻又是十分清楚的,因此,这样的混合物总是在全过程中逐渐地达到其总强度的实际的量。水硬可固化混合物当然能显示出在“湿强度”的一个增强但还是“湿的”。因此在这里讨论常常被称作在湿状态水硬可固化材料的成形稳定性。

  如上所述,水硬粘合剂最好包括白水泥,普通水泥,精细水泥,高铝水泥,矿渣水泥,石膏半水合物及氧化钙,主要是因为它们的低成本并适用于本发明的制造工艺。上述所列水泥即非举也不意味着是对用来制造在权利要求书的范围内的水硬可固化笔杆的粘合材料类型的限定。

  本发明可以包括其它水泥组合型式如在专利申请号为07/981615,由Hamlin M.Jennings博士,Per JustAndersen博士和Simon K.Hodson等人在1992年11月25日申请的名为“水硬粘结材料水泥的的制造和使用的方法”的共同未决申请中所讨论的,该申请是对专利申请号为07/856257,由Hamlin M.Jennings博士,和Simon K.Hodson在1992年3月25日申请的名为“水硬粘结材料水泥的组成及其制造和使用方法”(现在放弃了)的部分延续,而所提申请则又是专利申请号为07/526231,由Hamlin M.Jennings博士,和Simon K.Hodson在1990年5月18日申请的名为“水硬粘结材料水泥的组成及其制造和使用的方法”(也已放弃)的后续申请。在这些申请中,粉化的水硬水泥处于几乎最后决定性的状态并且在加水进行水合之前被压实。

  水硬水泥组合的其它形式包括把二氧化碳混入水硬水泥和水中。由上述方法制成的水硬水泥组合物已知他们有更快地达到湿强度的能力。上述水硬水泥组成的型式在专利号为07/418027,由Hamlin M.Jennings博士和Products于1989年10月10日申请的名为“生产改进的建筑材料的工艺及其产品”的共同未决申请中被讨论,其中水和水硬水泥在有选自由二氧化碳,一氧化碳,碳酸盐及其它们的混合所组成的组中的碳酸源的条件下被混合。

  采用水硬可固化混合物的一个重要的优点是得出的结构基体是基本上非水溶性的(至少在产品预期的使用时间的全部周期),以允许它包裹水溶性材料和其它加到水硬可固化混合物上的材料。因此,另一方面水溶性成份能被加到绝对大量的非水溶性水硬可固化基体中并为最终产品提供其良好的性质和特征。

  在本发明的每个实施例中,水硬泥膏或水泥膏是最终使笔杆能构成并产生强度性质的要素。术语“水硬泥膏”指的是已被拌水的水硬粘接材料。具体地说,术语“水泥膏”应是指已被拌有水的水硬水泥。术语“水硬可固化”,“水硬的”或“水泥的”混合物应是指已被加入粒料,纤维,流态改良剂,分散剂或其它材料的水硬水泥膏,不论是在湿状态还是在其已变硬和/或固化后。其它加到水硬泥膏的成份起改变未硬化以及最后硬化的产品的性质,这些性质包括但不是限定于强度,收缩量,韧性,松密度,绝热能力,色彩,多孔性,表面精加工及纹理结构。

  虽然水硬粘接材料被理解为使水硬可固化混合物构成,变硬并达到材料强度性质的大部分的成份,某些水硬粘接材料还有助于建立更好的早期内聚性湿强度。如不硬水泥颗粒已知早受到与水的胶凝反应,甚至在它变硬之前,这能对混合物的内部粘结产生影响。

  人们认为铅,如它们在普通灰水泥中更为普遍是在水合作用的较早阶段在水泥颗粒之间产生了胶态相互作用。进而导致在水泥颗粒之间的一定程度的絮凝/胶化作用。这种粘合材料的絮凝,胶态和胶化作用已被显示出增加了由此产生的水硬可固化混合物的可压制性(如可塑性)如下文所更充分的显示的那样,添加剂如纤维和流态改良剂能够在抗拉,挠性和抗压强度方面对水硬可固化材料产生重要影响。尽管如此,甚至在高浓度纤维和/或流态改良剂被包括并基本上对变硬的材料的抗拉和挠性强度产生作用的情况下,还是显示出水硬粘合材料仍然继续增加最后变硬的材料的抗压强度的基本量。在水硬水泥的情况下,它也基本上减少了变硬材料在水中的水溶性。

  在全部混合物中粘合材料的百分率依以微型结构地加工水硬可固化笔杆的性质及其它要素的本性而改变。然而水硬粘合材料以湿的水硬可固化混合物的重量百分率的大约5%至90%范围的量被加入较为理想,大约8%至60%的范围的量更好,而最好为大约l0%至45%。

  尽管如此,人们将认为所有的浓度和量主要是依最终产品所需的质量和特性而定,例如在一个很薄的需要最终固化强度的笔杆中它可能是很经济的具有很高的水硬粘合材料的百分率有很少或没有添加粒料。在这样的情况下,也可能需要加入大量的纤维以给出韧性或挠性。

  另一重要的水合泥膏的成份是水。依定义,在本发明的范围内是水硬可固化材料的一个基本成份。在水和水硬粘合剂之间的水合反应产生反应产品,它使水硬可固化材料具有构成以及产生强度性质的能力。

  在本发明的一些应用中,认真控制水与水泥的比率以获得在成形后以湿状态自支托的水硬可固化混合物是重要的。尽管如此,水的用量决定于各种因素,包括水硬粘合材料,粒料,纤维物质,流态改良剂和在水硬可固化混合物中的其它材料或添加剂的类型和用量,以及所用的铸模或成形工艺,所制做的具体产品及其性质。

  在任意给定的应用中加水的最佳量取决于两个关键的可变量(1)所需与粘合材料进行反应并进行水合的水量;及(2)需要使水硬可固化混合物具有所需的流变性质和可加工性的水量。

  为了使湿的水硬可固化混合物具有适当的可加工性,一般必须加足够量的水,使每个颗粒成份都湿润并且至少部分地注入空隙或空穴在颗粒之间(包括如,粘接材料颗粒,粒料颗粒和纤维材料)。如果包含水溶性添加剂,足够的水必须加入以溶解添加剂或者说与其反应。在某些情况下,如分散剂被加入的情况,由于使用较少的水,加工性可能被增加。

  水量必须被认真地对入使水硬可固化混合物是充分可加工的,而同时认识到降低水合量既增加了湿强度也增加了变硬产品的最后强度。当然,如果少量的水最后被包含在混合物中,少量的水必须被排出,以使产品变硬。

  满足上述需要的适当的流变性依屈服应力而定。水硬可固化混合物的屈服应力一般将是在大约5KPa到5000KPa之间,较好的混合物有在大约100KPa到1000KPa范围内的屈服应力,而最好的混合物有大约在200KPa到700KPa的范围的屈服应力。屈服应力的程度能(并且可能,需要必须)依加工笔杆所用的实际加工工艺来被调整。

  在每个加工工艺中,可能需要开始含有较高的水与水泥之比,根据实际情况多余的水在加工过程中或加工完后不久通过加热产品能被排除。本发明与纸合成物制品比较的重要特点之一是水量在初始混合物中是很少的,因此,有关水硬可固化混合物的屈服应力是较大的。结果为获得自支托材料而必须从初始混合物中排出的水的总量在本发明的情况下与纸合成物制品比较是很少的。

  此外,本领域普通技术人员将理解当更多的粒料或其它吸水添加剂被包含时需要较高的水与水硬可固化粘合材料之比以为用来水合的水硬可固化粘合材料提供可加工性和水的同一度。这是由于较大的粒料浓度使颗粒间空隙或空穴的量值更大,它必须由水来填充。多孔的,轻的粒料由于其高的空穴密度也能从内部吸收有效量的水。

  尽管如此,本领域普通技术人员将理解当更多的粒料或其它吸水添加剂被包含时,需要较高的水与水硬可固化粘接剂之比,以为用于水合的水硬可固化粘接材料提供可加工性与水的同一度。这是由于较大的粒料浓度使颗粒间的空隙或空穴的量值便大,它必须由水来填弃。多孔的,轻的粒料能产生高透气性并也能从内部吸收有效量的水。

  适宜的可加工性与适宜的湿强度的竞争目标能通过初始加入较大量的水而后在加工过程中并通过干燥风洞以蒸汽的形式排出多余的水来调节。此外,这些竞争目的通过在加工过程中加高压减少空隙量被调节,这样可加工性是适宜的,并且在成形后水含量被降低并且湿强度被达到。

  在高切力混合器中把水硬粘合材料,水和其它成份一起混合通常更好,这样的混合器如在US5061319号名为“生产水泥建筑材料的工艺”,US4944595号名为“生产水泥建筑材料的装置”,US4552463号名为“生产胶质混合物的方法和装置”及US4225247号名为“混合和搅拌设备”中所公开和主张权利的。为了了解这样的高力混合器及其使用方法的目的,上述美国专利US5061319,US4944595,US4552463及US4225247在此通过具体参引被引入。在上述专利范围内的高力混合器是可由本发明的受让者加利弗尼亚圣巴巴拉的E.Khashoggi工厂购得。高力混合器的使用产生更均匀的水硬可固化混合物,它使得产品具有更高的强度。

  根据上述条件,本发明范围内的典型的水硬可固化成份将有在大约0.2到10范围内的水与水泥的比率,从大约0.5到5更好,而最好为从大约0.75到3。此外,不参加反应的总水量不超过有关干的变硬了的混合物重量的10%。应当理解水硬粘合材料在水硬可固化混合物中有内干燥效果,这是因为粘接材料颗粒与水化学反应并减少在颗粒间空隙中的游离水的量。内干燥效果能由包含的反应较快的水硬粘接材料如石膏半水合物与反应较慢的水硬水泥一起增强。

  在本说明书和附带的权利要求书中,术语“纤维”或“纤维材料”包括无机和有机纤维。纤维可被加到水硬可固化混合物中,以增加所产生的水硬可固化材料的内聚力,韧性,抗破碎能力及抗拉性能,并且必要时甚至抗压强度。当一个强横向力被施加时纤维材料减少了水硬可固化笔杆会损坏的可能。

  可以结合在结构混合物中的纤维包括天然地存在的纤维,如由玻璃,硅石,陶土,金属和碳制成的纤维。玻璃纤维最好经粗加工成抗碱性的。其它天然存在的纤维包括那些由麻,植物叶,茎和木材中提取出的纤维。其它能被结合的纤维包括塑料,Polyaramite和Kevlar。可生物降解塑料如聚丙醇酸和Biopol是对环境有益的纤维,它们对基体提供了有效的增强。

  选出的较好的纤维包括玻璃纤维,蕉麻,甘蔗渣,木材纤维(硬木或软木如南方松)及棉花。卷绕纸纤维能被使用,但因为在原始纸制造过程中产生的纤维断裂,它们较少被需要。然而任何产生强度和绕性的等效地纤维也是在本发明的范围内。蕉麻纤维可由菲律宾Isarog有限公司公司购得。玻璃纤维可由英国Pikington公司购得。

  这些纤维由于成本低,高强度和易于购得很适于在本发明中使用。尽管如此,任何在产生抗压和抗拉强度及韧性和挠性(如果需要)的等效的纤维当然是在本发明的范围之中。这唯一的限制标准是纤维带来所需特性而没有与其它水硬材料的成份产生不良反应并在含有这种纤维的笔杆中存有有害物质。

  纤维最好应有高的长宽比(或“长径比”),因为长而窄的纤维物质能对基体产生更高的强度,而不增加基体的体积和质量。纤维材料应有至少大约10∶1的长径比,至少大约900∶1更好,而至少3000∶1更好。

  适宜的纤维还应有一个是水硬粘合材料颗粒的直径许多倍的长度。使用平均直径至少两倍于水硬粘合剂颗粒的纤维,至少10位较好,至少100倍更好,而至少1000倍是最好。

  加入水硬可固化基体的纤维材料的量依最终产品所需的性质将不同,这些性质是确定加入混合设计的纤维量的原则标准的强度,韧性,挠性和成本。在多数情况下,纤维将按一量的量加入,该量是在大约水硬可固化混合物的体积量的0.2%至50%范围,在大约0.5%至30%的范围更好,而最好在1%到15%的范围内。

  然而,可以理解纤维的强度是决定纤维用量的重要特征。为在产品中获得相同的抗拉强度,抗拉强度较强的纤维其用量必须较少。当然,当某些纤维有高抗拉强度时,另外型式的具有较低抗拉强度的纤维可能是更有弹性,因此,两种或更多的纤维的结合使用可能是需要的,以获得一个最大限度地增加多种特征的最后产品,如高抗拉强度和高弹性最后产品。

  也应当理解,某些纤维如南方松树和蕉麻有高破坏和破裂强高,同时另一些纤维如棉花有低强度但较大的挠性。实际上,在挠性和高破损及破裂强度都需要的情况,具有各种性质的纤维的混合物被加到本发明的混合物中。

  此外,某些实施例可以在混合物中应用连续纤维或缠绕纤维这样的纤维如Kevlar,Polyaramite,玻璃纤维,碳纤维和纤维素纤维。连续纤维在螺旋绕法中也是非常有用的,它给基体提供了有效的增强,螺旋绕法包括象以螺旋线的方式包裹在笔杆上或里面的覆层使用纤维。此外螺旋缠绕法的覆盖层能被包裹在笔杆上或其里面。一个在强度方面的有效增强产生于由在相反方向的螺旋缠绕出的十字形纤维。连续纤维能以纤维覆盖层按十字形相互覆盖的方式被相互挤压在笔杆中。

  连续纤维也能与其它纤维一起被使用。应用连续纤维和其它纤维与连续纤维的组合物导致在组合物中纤维的体积百分数降低。

  所含的流态改良剂起到增加水硬可固化混合物的塑性和内聚性的性质的作用,使它显得更象粘土。由于增加了混合物的屈服应力而混合物的粘度没有较大的增加,流态改良剂趋于使水硬可固化混合物变稠。相对于粘度提高的屈服应力使材料更象塑料并易成形,同时大大地增强了初始强度。

  各种各样的天然和合成的有机流态改良剂可以被使用,它们具有宽广的性质范围包括粘性和在水中的水溶性。既然可以预料,笔杆长期受到以水为主要成份的人汗的浸渍,它可以最好应用在水硬可固化混合物变硬后在水中较少溶解的流态改良剂或用相对于流态改良剂量高浓度的水硬粘合材料。另一方面,当要求笔杆快速碎裂成对环境无害的成份时采用水溶性更高的流态改良剂更好。

  本发明所考虑的各种流态改良剂能被初步分入下面的分类中多糖及其派生物,蛋白质及其派生物和人造有机材料。多糖流态改良剂能被进一步细分为纤维素为主的材料及其派生物,淀粉为主的材料及其派生物和其它多糖。

  适用的纤维素为主的流态改良剂包括如甲基-羟乙基纤维素,羟甲基乙基纤维素,羧甲基纤维素,甲基纤维素,乙基纤维素羟乙基纤维素,羟乙基丙基纤维素,木粉等。全部可能的变换是大量的并且不能穷举,而其它有相同或相等性质的纤维材料将也可采用。

  适用的淀粉为主的流态改良剂包括如支链淀粉,直链淀粉,海水凝胶,淀粉乙酸盐,淀粉羟乙基醚,离子淀粉,长链烷基淀粉,糊精,胺淀粉,磷酸盐淀粉和二醛淀粉。

  其它的多糖主体流态改良剂包括如藻酸,Phycocolloids,琼脂,阿拉伯树胶,瓜耳树胶,豆树胶,刺梧桐树胶和黄蓍胶。

  适用的蛋白质主体的流态改良剂包括如玉米醇溶蛋白(一种玉米中提出的醇溶谷蛋白),胶原(从动物连接组织中提取的衍生物如明胶或胶)和酪蛋白(牛奶中的基本蛋白)。

  最后,适用的合成有机增塑剂包括如聚乙烯吡咯烷酮,聚乙二烯,聚乙烯醇,聚乙烯基·甲基醚,聚丙烯酸,聚丙烯酸盐,聚乙烯基·丙烯酸,聚乙烯基·丙烯盐,聚丙烯酰胺,和环氧乙烷聚合物,合成粘土及胶乳,笨乙烯-丁二烯共聚物。

  一种以上上列流态改良剂能够被用在特定的混合物中以达到所需的塑性性质或流态改良效果及优化其屈服应力。此外,流态改良剂的组合在温度和水含量变化极小的情况下改善流态改良的效果与成形稳定性。

  另一种没必要清楚地分入上述不同分类中的替带地有价值的流态改良剂是聚丙醇酸。这个聚合物的流态通过加热被有效地改进并且可以被单独或与上述流态改良剂一起使用。

  一个优选的流态改良剂是羟甲基乙基纤维素,如纤基乙酸纳FL15002和纤基乙酸纳4000两者都能从德国法兰克福的Hoechst Aktiengesellschaft购德。较低分子量流态改良剂如纤基乙酸纳4000能对混合物起增塑作用而不是使它变厚,这在成形加工中有所帮助。

  具体地说,低分子量流态改良剂在铸模过程中通过润滑颗粒使水硬可固化混合物的内部流动得到改善。这样减少了在颗粒之间及在混合物与相邻的模表面之间的摩擦。羟甲基乙基纤维素是优选的,但是几乎所有的无毒性的带来所需性质的流变改良剂(包括上述所列的)将被适用。

  另一个优选的能替代或连同纤基乙酸纳一起使用的流态改良剂是具有分子量在20000到35000之间的聚乙二醇。聚乙二醇起到更象润滑剂的作用并且增加混合物密度均匀性。因此,聚乙二醇应被认为象“增塑剂”更正确。此外,它给铸模后的水硬可固化材料的一个光滑的表面。最后,聚乙二醇能产生包围混合物中的可溶成份覆盖层,由此使变硬的产品具有较少的水溶性并且减少变硬的产品的可渗透性。

  在本发明的水硬可固化材料中的流态改良剂一般应包含在占混合物重量的50%以内的量。

  术语“分散剂”被用在后面的说明中表示能被加入以减少水硬可固化混合物的粘性和屈服应力的之类的材料。分散剂使用的一个更详细的说明可以在Anderson,P.J的名为“有机超塑性分散剂的作用及其在2-电位的成份与水泥材料的相关的性质”(1987)的硕士论文中找到。

  分散剂一般是被吸附在水硬粘合材料颗粒的表面上和/或进入粘合材料颗粒的靠近胶体的叠层中起作用。这在颗粒的周围或表面上产生负电荷,由此它们相互排斥。由于减少了磨擦力和吸引力,颗粒的排斥力增加了“润滑作用”另一方面将使颗粒有更大的内作用。因此,初始可加入少量的水同时还保持水硬可固化材料的可加工性。

  在粘土型性质,内聚性和/成形稳定性不很重要的情况下,大大地减少粘性和屈服强度可能被需要。加入的分散剂在加入很少的水时特别在缺少的地方有助于水硬可固化混合物保持可加工性。同时,加入分散剂可用于甚至大量缺少的情况,不过如果所用分散剂太多,铸模的笔杆可能形状稳定性稍低。也就是说,初始加入少量的水将依Feret公式理论上得到一个较结实的最后固化的笔杆。

  无论如何起化学计算水合粘合材料所需水量和填充在水硬可固化混合物中的颗粒间的空间所需的水量作用的水是缺少的,所述颗粒包括水硬粘合材料颗粒本身和在粒料材料和/或纤维材料中的颗粒。如上所述,颗粒填充物减少在水硬粘合材料和粒料颗粒间的空隙量并因此减少水的需要量,以充分水合粘合材料并通过充填空隙空间保持水硬可固化混合物的可加工性。

  然而,由于分散剂的裹复机理的本性,分散剂加入到混合物中的顺序一般是严格的。如果一个象纤基乙酸纳的絮凝/凝结剂被加入分散剂必须被第一步加入而絮凝剂在第二步。反过来分散剂将不能被吸附在水硬粘合材料颗粒表面上,这是由于絮凝剂将被不可逆转地吸附在该表面上,由此形成保护性胶体并阻止对吸收剂的吸收。

  一种较好的分散剂是硫化萘-甲醛凝结物,它的一个例子是WRDA19,WRRA19可以从马里兰州巴尔的摩的W.R.Grace公司购得。其它将起很好作用的分散剂包括硫化三聚氰(酰)胺—甲醛凝结物,磺化木质素和聚丙烯酸。

  分散剂的加入量一般将在水硬粘合材料重量的大约5%以内的范围,在约0.25%至4%范围内更好而最好在大约0.5%至2%的范围内。然而,不应含有太多分散剂因为它有延迟在诸如水硬水泥与水之间的水合反应的趋势。实际上,加入太多的分散剂阻止水合作用从而破坏了水泥膏粘结在一起的能力。

  在本发明中所指的分散剂有时在混凝土工厂中被称为“超级增塑剂”。为了更好地区别分散剂与经常用作增塑剂的流变改良剂,术语超级增塑剂在本申请中将不使用。

  颗粒一般在混凝土工厂中被用于本发明的水硬可固化混合物中,由于在本发明的一般薄壁结构所需求的尺寸限制,一般希望它们必须被充分地研磨。应用于水硬可固化混合物中的粒料一般应有在大约0.01微米至大约3mm范围之间的直径,具有在大约0.1微米到大约0.5毫米范围之间的直径的粒料更好而最好是在大约0.2微米至大约100微米范围之内。

  粒料可以被添加以增加强度,作为填充物来减少成本,减少重量和/或增加所制成的水硬可固化材料的绝热能力。粒料特别是板状粒粒对于产生平滑表面层也是有用的。例举有用的粒料包括珍珠岩,蛭石,沙子(任何石英,锻烧矾土和石灰岩的结合物)石子,岩石,石灰石,沙石,玻璃珠,气凝胶,干凝胶,海水凝胶,云母,粘土,合成粘土,硅藻土,铝矾土,硅石,飞灰,二氧化硅烟尘,片状铝矾土,陶土,微球,空心玻璃球,多孔陶瓷球,石膏二水合物,碳酸钙,铝酸钙,软木,种子,轻型聚合物,硬硅钙石(一种晶质硅酸钙胶),轻型膨胀粘土,未反应的水泥颗粒,浮石,分层岩石和其它地质材料。

  从术语的最宽的概念看,未反应的水泥颗粒也可被认为是粒料,甚至废弃的水硬可固化材料如本发明废弃的笔杆能被用于粒料充填物和增强物。

  粘土和石膏都是特别重要的粒料材料,因为它们已有的可用性,极低的成本,可加工性,成形容易因为如果加入足够高的量,它们也能产生一定的的粘接度和强度。粘土是用来限定所有在加水的时候为膏状而干燥后变硬的土的一般性术语。主要的粘土包括硅石和铝矾土(用来制造陶器,瓷砖,砖块和管子)及高岭土。两种高岭粘土是具有化学分子式Al2O3·3SiO2·2H2O的蠕陶土和具有化学分子式Al2O3·4SiO2·H2O的蒙脱土石。然而粘土可以广泛地包括各种各样的其它物质如氧化铁,氧化钛,氧化钙,氧化锆和黄铁矿。

  另外,虽然粘土已被用了一千年并且不用焙烧就产生硬度,这种未经焙烧的粘土遇水浸极易损坏,因而不适用于可能遇着水蒸气的笔杆。也就是说,未焙烧的粘土和焙烧了的粘土在水泥结构材料中提供了好而便宜的粒料。

  同样,石膏半水合物也是可水合的并且在有水的情况下形成硫酸钙二水合物。这样,石膏依是以半水合物还是以二水合物形式(和浓度)加入到水硬可固化混合物中可以显示出粒料和粘合剂的特性。

  使水泥混合物另有轻型特性的粒料的举例包括珍珠岩,蛭石,玻璃珠,碳酸钙,合成材料(如多孔陶瓷球,片状铝矾土等),软木,轻型膨胀粘土,沙子,石子,岩石,石灰石,沙石,浮石和其它地质材料。

  除了水泥厂中所用的普通粒料外,更广泛的各种各样的其它粒料在本发明的范围内可以与水硬水泥结合使用,这些粒料包括填充剂和包含金属,金属合金(如不锈钢,铝酸钙,铁,铜,银和金),球或空心合成材料(如玻璃,聚合物和金属),木销,小球,粉末(如微硅石)和纤维(如石墨,硅石,铝矾土,玻璃纤维,聚合物,有机纤维和其它用于制备各种形式的组合物的纤维)的增强剂。甚至在本发明中象种子,淀粉和琼脂类材料这样的材料能够被包括在粒料中。

  从上述可见,应当看出在混合物中特定粒料的量依特定笔杆的所需的预定标准而有所不同。该量能从不加粒料直到大约为水硬可固化混合物重量的90%间大幅度地变化。该幅度在大约3%到60%更好而最好在大约20%至50%。

  此外,应当理解对于任何给定的产品,上述粒料中的某些可能是适用的而其它可能不适用。如,某些粒料可能含有有害物质由于某些应用它们将从水硬可固化混合物中渗出;也就是说,所选的材料的大多数不仅无毒,而且它们也比现有的可处理产品更有利于环境。

  纤维材料被用在本发明中主要是改进了水泥混合物的重量特性,增加混合物的形状稳定性及增加制成的水泥基体的强度和挠性,虽一定的些纤维还会使最终产品具有某些隔热能力。因此术语“粒料”将指其它非纤维填充材料,并且其功能主要是使材料具有强度,流变结构和隔热性质。

  依本发明,通常选用包括许多不同尺寸和等级能够更完全地填充在粒料和水硬粘合材料颗粒之间的空隙的粒料。最佳的颗粒摇实密度通过消除需用水来填充的空间通称笔细现象的水来减少水的需要量以获得适当的可加工性。此外,用少量的水增加最终变硬产品的强度(依据Feret公式)。

  为了优化摇实密度,不同尺寸的尺寸范围从小至大约0.5μm到大至大约2mm的颗粒可以被使用(当然,制出产品的所需目的和厚度将决定所用的各种粒料的适当的颗粒尺寸)。本领域普通技术人员公知粒料的本性和尺寸被用来达到最终水硬可固化笔杆的所需特性。

  在本发明的一定的优选实施例中,可能需要把在水硬可固化混合物中的粒料的量增到最大值,以便极大地提高粒料的性质和特性(如强度质量,低密度或高绝热性)。颗粒摇实技术的用法可以被用于水硬可固化材料中,以便把粒量的增到最大值。

  较好的轻型的也是绝热的料料包括膨胀或片状蛭石,珍珠岩,锻烧硅藻土,和空心玻璃球所有这些有助于包含大量的含有的空隙空间。然而在此所并不意味着穷举,那些粒料由于成本低而且已经现成而被选用。

  粒料也能为产生预定的色彩或纹理而被加入混合物中。色彩和设计也可通过加入金属填充物或普通的染料而被修改。此外,磁性金属能被加入以磁化标记器具。

  为了将强度提到最高,一般要求将气穴降到最低。在标记器具中将气穴提高到最大量具特别合乎需要的,在此,标记芯被直接地结合在水硬可固化笔杆内以增加结合强度。

  在水泥混合物中的气穴在大多数标记器具的制造中将被降到最少,但当需要很轻的笔杆时,气穴能被有意地结合在笔杆的结构中。气穴在水硬可固化混合物中的结合能被认真地计算以得出笔杆中所需的浓度。而不致将其强度降低到不适用的点。气穴能被用化还或能代替轻型粒料以减少笔杆的比重。然而一般如果比重或绝热能力不是特定产品的一个重要特征,将气穴减到最少以将强度和抗渗透性能提到最高同时将体积降到最小是重要的。

  一个具有气穴的基体能够与涂层或层状制品配合使用以增加笔杆的强度,能与具有气穴的基体一同使用的涂层和层状制品将在下面作更详细地讨论。

  在特定实施例中,不成团的气穴可通过对水硬可固化混合物与泡沫剂或稳定剂的高剪力,高速度的混合被加入,泡沫剂和稳定剂有助于气穴的引入。上面讨论过的高剪力,高速混合器是特别适用于达到上述所需的目的。适用的泡沫剂和稳定剂包括通用的表面活化剂。一种目前优选的表面活化剂是一种多肽烯化多羟基化合物,如Mearlcrete泡沫液。

  与表面活化剂配合,可能需要用象Mearlcel 3532这样的稳定剂稳定产生的材料,Mecrlcel 3532是一种合成液体阴离子生物降解溶液。Mearlcrete和Mealcel都可以从新泽西州Mearl公司购得。另一种泡沫和稳定剂是松香皂热塑料树脂。此外,流变改良剂起到稳定被产生的空气的作用。

  在空气的产生过程中,在高速混合器上的大气能充满了一种如二氧化碳之类的气体,这已被发现导致一个早期的临时固化及产生水硬可固化混合物的形状和泡沫稳定性。早期临时固化和泡沫稳定性被认为是CO2与在水硬可固化混合物中的氢氧离子反应生成可溶纳与碳酸钾离子的结果,它进而与逐步介入的铝酸盐相互作用并加速混合物的固化。

  泡沫适于帮助保持分散剂并防止在固化的水硬可固化混合物中的气穴聚集。防止气穴聚合的损坏实际上减少了水硬可固化混合物的绝热效果,同时大大地减少了强度。提高pH,增加诸如钠或钾等可溶碱金属的浓度,加入诸如聚糖流态改良剂的稳定剂并且在水硬可固化混合物中仔细调整表面活化剂和水的含量都有助于增加混合物的泡沫稳定性。

  空穴可以通过将简单的诸如铝、镁、锌或锡等金属氧化物加入到水硬混合物中被交替地引入水硬可固化混合物中,水硬混合物或是天然碱如水泥的或含混合物的氧化钙或者是一种已被制成的碱如包含石膏或其它低碱水硬粘接剂。上述反应导致在水硬可固化混合物各处有微小氢气泡的析出。加入一种如氢氧化钠这样的碱和/或加热,水硬可固化混合物增加氢气泡产生的速率。

  在成形和/或硬化水硬可固化混合物的过程中,加热水硬可固化混合物以增加气穴系的体积通常是所需的。加热也有助于迅速地从水硬可固化混合物中去除有效量的水,由此,增加成形了的产品的初始强度。

  如果气体已被送入水硬可固化混合物中,例如加热混合物到250℃将导致(依理想气体方程式)气体体积增加大约85%。当加热是适当的时候,已发现在大约100℃至250℃范围内是加热所需要的。更重要的是,如果适当地控制加热,将不会导致笔杆结构机体的破碎或在笔杆的表面纹理上产生缺陷。

  在其它应用中,在水硬可固化混合物的粘度高的情况下,如在一特定的成形工艺中被要求,通过高剪力混合获得足够量的空穴是更困难的。在这种情况下,空穴可以通过在水硬混合物中加入一些简单的金属氧化物,如铝、镁、锌或锡的氧化物被交替地带入到水硬可固化混合物中。水硬混合物或是天然碱(如水硬水泥或含混合物的氧化钙)或是一种已被制成的碱(如包含石膏或其它碱水泥粘合剂)。

  上述反应导致在水硬可固化混合物各处有微小氧气泡的析出。加入一种如氢氧化钠这样的碱和/或加热(如下面所说明的)水硬可固化混合物增加氢气泡产生的速率。

  为引起化学反应和增加氢气泡的形成速率而加热混合物可以被进一步说明。已发现把已成形的产品加热到大约50℃到100℃而优选在大约75℃至85℃的温度范围有效地控制反应并驱散有效量的水。再有,该加热过程不导致成形产品基体破碎的发生。这第二种在结构基体中产生气穴的方法在某些成形工艺中使用低粘性水硬混合物的情况下能被用来配合或替换通过高速高剪力混合产生空气。

  最后,在成形过程中,通过在混合物中加入在加热混合物时会膨胀的发泡剂,使气穴被加入水硬可固化混合物中。发泡剂一般由低沸点液体和细分的碳酸钙(白垩)组成,白垩和发泡剂被均匀地混合在水硬可固化混合物中并被保持在压力下同时加热。液态发泡剂渗入到各个白垩颗粒的细孔中,该颗粒当压力突然减少发泡剂热膨胀时作为发泡剂能从中汽化的点。

  在成形过程中,混合物能在被压缩的时候被加热。同时该加热通常会导致发泡剂汽化,压力增高阻止了发泡剂汽化由此暂时产生一个平衡。当材料成形或挤压成形后压力被解除,发泡剂汽化,由此使水硬可固化材料膨胀或“发泡”。水硬可固化材料最终带着在结构基体中遍布的细小分散的空穴变硬。水也能作为发泡剂,条件是混合物被加热到水的沸点以上并保持不高于50巴的压力。

  空穴增加了水硬可固化笔杆的绝热性能并且也大大减少了体积密度并因此减少了最终产品的重量。这样减少了制成产品的整体质量同时减少了笔杆制造所需的材料量和减少了在一次性笔杆的情况下最终废弃材料的量。

  在有些情况下可能需要通过在混合物中加入一定量的固化促凝剂加速水硬可固化混合物的初始固化。固化促凝剂包括Na2CO3,KCO3,KOH,NaOH,CaCl2,CO2,三乙醇胺,铝酸盐,和强酸的无机碱盐,如HCl,HNO3和H2SO4。实际上,任何增加石膏和Ca(OH)2的水溶性的化合物将有助于加速水硬可固化混合物具体为水泥混合物的初始固化。

  可以被加入到具体水硬可固化混合物中的固化促凝剂的量将依所需的固化加速程度而定。进一步将依不同的情况而定,包。

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