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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft wärmeisolierende
Papierbehälter
und spezieller wärmeisolierende
Papierbecher, die für
Kaffee und andere heiße
oder kalte Getränke
verwendet werden.
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Mehrere
Arten von wärmeisolierenden
Bechern sind kommerziell für
heiße
und kalte Flüssigkeiten
verwendet worden. Beispiele umfassen die große Vielfalt von existierenden
Polystyrol-Schaumstoffbechern. Diese Becher werden typisch hergestellt,
indem ein Schäumungsmittel
zu einem Polystyrolharz gegeben wird, die Mischung in eine Form
gegossen wird, das Harz unter Druck erwärmt wird, um es zu schäumen, und
der geformte Gegenstand aus der Form entfernt wird. Derartige Becher
weisen herausragende wärmeisolierende
Eigenschaften auf, erfordern aber zur Herstellung viel Energie,
und die Entsorgung auf umweltfreundliche Weise ist kostspielig.
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Es
ist eine Vielfalt von Bechern auf Papier-Basis als umweltfreundliche
Alternativen für
Polystyrol-Behälter vorgeschlagen
worden. Leider haben sich die meisten Versuche, wärmeisolierende
Becher auf Papier-Basis zu produzieren, aufgrund der Komplexität ihrer
Herstellungsverfahren als kostspielig erwiesen. Ein Beispiel ist
ein Becher, bei dem die Seitenwand von einer gewellten wärmeisolierenden
Ummantelung umgeben ist. Sein Herstellungsverfahren beinhaltet die
zusätzlichen
Schritte des Bildens der Ummantelung aus gewelltem Papier und des
Verbindens derselben mit der Außenoberfläche der
Seitenwand des Bechers. Diese Becher haben sich jedoch als ästhetisch
nicht ansprechend und strukturell mangelhaft erwiesen. In dieser
Hinsicht stehen nur die Ränder
der gewellten Ummantelung mit dem Körper des Papierbechers auf
solche Weise in Kontakt, dass die Bindung zwischen den beiden so
schwach ist, dass sich der Becher und die Ummantelung leicht trennen.
Auch sind diese Becher nicht leicht zu stapeln, was die Lagerung
schwierig macht.
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Eine
weitere Art von isolierendem Papierbecher ist diejenige, bei welcher
der Becher eine Doppelbecherstruktur aufweist. Ein innerer Becher
ist mit einer anderen Verjüngung
versehen als ein äußerer Becher, was
eine wärmeisolierende
Luftschicht zwischen den zwei Bechern bildet. Die zwei Becher werden
durch Kräuseln
ihrer jeweiligen oberen Ränder
zu einem Bord vereinigt. Die Doppelstruktur erhöht die Herstellungskosten,
und die zwei Becher der Struktur neigen zur Trennung.
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Eine
der am meisten akzeptierten Arten von wärmeisolierenden Bechern auf
Papier-Basis schließt jene
ein, die im U.S. Patent Nr. 4,435,344 beschrieben sind und auf die
auch im U.S. Patent Nr. 5,490,631 Bezug genommen wird. Diese Becher
weisen gute isolierende Eigenschaften auf und können mit relativ geringen Kosten
hergestellt werden. Derartige Becher werden aus einem Körperelement
und einem Bodenelement gefertigt, die beide aus einem Papierbogen
ausgeschnitten werden.
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Bei
den in den oben erwähnten
U.S. Patenten beschriebenen Bechern ist eine Oberfläche des
Körperelements
mit einer thermoplastischen synthetischen Harzfolie beschichtet
oder laminiert, und die andere Oberfläche des Körperelements ist mit der gleichen
oder einer anderen thermoplastischen synthetischen Harzfolie oder
einer Aluminiumfolie beschichtet oder laminiert, um dadurch die
thermoplastische synthetische Harzfolie zu schäumen und eine wärmeisolierende
Schicht auf mindestens einer Oberfläche des Behälters, d.h. der äußeren Oberfläche, zu
bilden. Wasser, das im Papier vorhanden ist, verdampft beim Erwärmen während der Verarbeitung,
was bewirkt, dass die thermoplastische Harzfolie auf der äußeren Oberfläche schäumt.
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Kommerzielle
Versionen der gemäß dem U.S.
Patent Nr. 4,435,344 hergestellten Becher umfassen ein Körperelement
und ein Bodenplattenelement. Das Körperelement umfasst einen Papierbogen,
der auf einer Seite mit einer geschäumten wärmeisolierenden Schicht aus
Polyethylen niedriger Dichte beschichtet oder laminiert ist, die
seine äußere Oberfläche vollständig bedeckt.
Die innere Oberfläche
des Körperelements
ist mit einer ungeschäumten
Folie aus Polyethylen hoher Dichte bedeckt. Das Bodenplattenelement
ist an seiner inneren oder oberen Fläche mit Polyethylenfolie niedriger
Dichte laminiert. Die Innenseitenoberfläche des Körperelements und die Innenseitenoberfläche des
Bodenelements sind beschichtet, um bei der Verwendung ein Eindringen
des flüssigen
Inhalts in den Papierbogen zu verhindern. Die Innenseitenoberfläche des
Körperelements
ist auch beschichtet, um sicherzustellen, dass das Wasser in dem
Papier während
des Erwärmens
des gefertigten Bechers nicht direkt in die Luftatmosphäre verdampft.
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Bei
diesen kommerziellen Bechern ist die Folie, die auf die innere Oberfläche des
Körperelements
zu laminieren ist, Polyethylen hoher Dichte, da es einen höheren Erweichungspunkt
als die Folie aus Polyethylen niedriger Dichte auf der äußeren Oberfläche aufweist.
Beim Erwärmen
während
der Herstellung dient die Feuchtigkeit, die inhärent in dem Papierbogen vorliegt,
als Schäumungsmittel
für die äußere Oberflächenschicht
aus Polyethylen niedriger Dichte. Das Polyethylen hoher Dichte auf
der Innenseitenoberfläche
des Körperelements
schäumt
unter den Herstellungsbedingungen nicht, sondern dient dazu, das
Innere des Bechers zu versiegeln, was so ein Entweichen der Feuchtigkeit
verhindert, die zum Schäumen
des Polyethylens niedriger Dichte auf der äußeren Oberfläche des
Bechers erforderlich ist.
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Ein
bedeutender Nachteil der oben erwähnten Becher ist, dass sie
schwierig ausreichend zu verschweißen sind, wenn sie unter wünschenswerten
kommerziellen Bedingungen, d.h. hohen Becherbildungsmaschinen-Geschwindigkeiten,
gefertigt werden. Wenn derartige Becher unter Verwendung herkömmlicher Becherbildungsmaschinen
zusammengestellt werden, werden das Bodenplattenelement und das
Körperelement
auf solche Weise orientiert, dass beim Falten, Erwärmen und
Verschweißen
die Innenlage des Körperelements
aus Polyethylen hoher Dichte und die Innenlage des Bodenplattenelements
aus ungeschäumten
Polyethylen in Kontakt stehen. Die Anmelder haben gefunden, dass,
wenn eine Herstellung bei hohen Becherbildungsmaschinen-Geschwindigkeiten
stattfindet, an dieser Verbindungsstelle zwischen der Innenlage
des Körperelements
aus Polyethylen hoher Dichte und der Innenlage des Bodenplattenelements
aus ungeschäumtem Polyethylen
ein Lecken auftritt.
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Die
WO-A-985528 offenbart einen wärmeisolierenden
Papierbehälter,
der Lagen aus Polyethylen sowohl auf der inneren als auch der äußeren Oberfläche des
Körperelements
und der inneren Oberfläche
des Bodenelements aufweist. Diese Lagen sind Einzel-Lagen.
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Ein
Ziel der Erfindung war es deshalb, einen wärmeisolierenden Papierbecher
zu entwickeln, der nicht leckt, wenn er unter hohen Becherbildungsmaschinen-Geschwindigkeiten
gefertigt wird. Während
zahlreiche exotische Lösungen
ins Auge gefasst werden könnten,
die einen neuen Aufbau der Becherstruktur und/oder Becherbildungsmaschinen
beinhalten, war es ein weiteres Ziel der Erfindung, einen solchen
Becher zu entwickeln, der immer noch unter Verwendung herkömmlicher
und existierender Becherbildungsmaschinen gefertigt werden könnte. In
dieser Hinsicht war es auch ein Ziel der Erfindung, das Leckproblem
anzusprechen, während
möglichst
viele der herkömmlichen
Verfahrensbedingungen und Materialien beibehalten werden, wodurch übermäßige neue
Gestaltungen von existierenden Massenproduktionsverfahren für kommerzielle
Becher vermieden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Anmelder haben überraschend
verbesserte Dichtungen für
die Böden
der wärmeisolierenden
Papierbecher an der Nahtstelle gefunden, wo das Körperelement
und das Bodenplattenelement bei der Fertigung verbunden werden.
Diese Dichtungen umfassen einen Teil des mit Polyethylen niedriger
Dichte laminierten Bodenplattenelement-Papierbogens, der auf solche
Weise orientiert wird, dass er mit der Innenlage des mit einem modfizierten
Polyethylen niedriger Dichte beschichteten Körperelements in Kontakt tritt.
Bei der Anwendung von Wärme
und Druck bei der Herstellung wechselwirken zwei verschiedenen laminierte
Polyethylene niedriger Dichte unter Bildung einer wirksamen Bindungslage
an der Grenzfläche
zwischen den zwei Elementen.
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Dementsprechend
ist die Erfindung auf einen wärmeisolierenden
Papierbecher mit einer verbesserten Dichtung gerichtet. In einer
Ausführungsform
umfasst der Becher ein Körperelement
mit einer Innenseitenoberfläche
und einer Außenseitenoberfläche und
ein Bodenplattenelement mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche. Das
Körperelement
ist auf seiner Außenseitenoberfläche mit
einem geschäumten
Polyethylen niedriger Dichte und auf seiner Innenseitenoberfläche mit
einem ungeschäumten
modifizierten Polyethylen niedriger Dichte beschichtet (oder in
einigen Fällen
teilweise beschichtet). Das Bodenplattenelement ist auf seiner oberen
Oberfläche
mit einem ungeschäumten
Polyethylen niedriger Dichte oder einem ungeschäumten modifizierten Polyethylen
niedriger Dichte beschichtet. Das Körperelement und das Bodenplattenelement
werden orientiert und zusammengefügt, um eine Wärmeverschweißung an
einer Grenzfläche
zwischen einem Abschnitt des ungeschäumten modifizierten Polyethylens
niedriger Dichte, das die Innenseitenoberfläche des Körperelements beschichtet, und
einem Abschnitt des ungeschäumten
Polyethylens niedriger Dichte oder ungeschäumten modifizierten Polyethylens
niedriger Dichte, das die obere Oberfläche des Bodenplattenelements
beschichtet, zu bilden. Das modifizierte Polyethylen niedriger Dichte
ist ein Polyethylen niedriger Dichte, das auf eine Weise modifiziert
ist, die wirksam ist, um eine Dichtung zwischen dem Bodenplattenelement
und dem Körperelement
eines Bechers bereitzustellen, wenn dieser mit einer Geschwindigkeit
von mindestens 165 Bechern pro Minute für einen 340 g (12 Unzen)-Becher
mittels einer HÖRAUF
MODELL BMP-200-Maschine, hergestellt von Michael Hörauf Maschinenfabrik
GmbH und Co. KG, hergestellt wird, bei der die Temperatursteuerungen
bei zwischen etwa 350 bis etwa 460 °C eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck
bei etwa 3000 Kilopascal für
zwei Umdrehungen pro Becher eingestellt ist.
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Die
verbesserte Dichtung ist ein relatives Merkmal, und für die Zwecke
dieser Erfindung soll sie relativ zu Dichtungen bei Bechern sein,
die auf die gleiche Weise hergestellt werden, außer dass eine Innenseitenoberfläche des
Körperelements
verwendet wird, die mit 100 % Polyethylen hoher Dichte beschichtet
ist. Bei der Massenproduktion von Bechern gemäß der vorliegenden Erfindung
kann eine verbesserte Dichtung unter Verwendung herkömmlicher
Becherbildungsmaschinen erhalten werden. Wenn z.B. 340 g (12 Unzen)-Becher
unter Verwendung der HÖRAUF
MODELL BMP-200 hergestellt werden, wobei die Temperatursteuerungen
bei zwischen etwa 350 bis etwa 460 °C eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck
bei etwa 3000 Kilopascal für
zwei Umdrehungen pro Becher eingestellt ist, kann eine Verschweißung bei
höheren
als normalen Herstellungsgeschwindigkeiten, wie mehr als etwa 165
Becher pro Minute, bevorzugt sogar etwa 200 Becher/Minute oder mehr,
erhalten werden, die mindestens mit derjenigen vergleichbar ist,
welche mit Bechern mit 100 % hoher Dichte erhalten werden, die bei
langsameren, herkömmlicheren
Geschwindigkeiten, wie etwa 165 Bechern pro Minute oder weniger,
gefertigt werden. Bei 340 g (12 Unzen)-Bechern gemäß der vorliegenden
Erfindung, die unter Verwendung der HÖRAUF MODELL BMP-200 mit langsameren
Geschwindigkeiten, wie etwa 165 Bechern pro Minute oder weniger,
hergestellt werden (wobei die Temperatursteuerungen bei zwischen
etwa 350 und etwa 460 °C
eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck bei etwa 3000 Kilopascal
für zwei
Umdrehungen pro Becher eingestellt ist), kann es eine Verringerung
der Zahl an leckenden Bechern geben.
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Bei
dem modifizierten Polyethylen niedriger Dichte kann es sich eine
Polyethylen-Mischung handeln, die Polyethylen niedriger Dichte in
einer wirksamen Menge, um eine verbesserte Dichtung zwischen dem
Bodenplattenelement und dem Körperelement
eines Bechers bereitzustellen, und eine solche Menge an Polyethylen
hoher Dichte oder einem anderen Polyethylen enthält, dass das oder die modifizierte(n)
Polyethylen(e) niedriger Dichte unter Bedingungen von etwa 116 bis
132 °C (240 °F bis etwa
270 °F)
und einer Verweilzeit von etwa 1,5 bis etwa 2,5 Minuten nicht schäumen, wenn
der Becher in einem Heißumluftofen
einem Schäumungsvorgang
unterzogen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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1 ist
ein vereinfachter Querschnitt eines Beispiels für einen wärmeisolierenden Papierbecher,
der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
ein vergrößerter Schnitt
des Dichtungsbereichs zwischen dem Körperelement und einem Bodenplattenelement
des Bechers von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Erfindung stellt einen wärmeisolierenden
Papierbecher bereit, der aus einem Körperelement aus Papier mit
einem Innenseitenoberflächen-Laminat
aus einer Polyethylen-Komponente, die wirksam ist, um bei der Verwendung
das Eindringen von Flüssigkeit
in das Papier zu verhindern, und einem Außenseitenoberflächen-Laminat
aus wärmeisolierendem
geschäumtem
Polyethylen niedriger Dichte hergestellt ist, wobei das Körperelement
an ein Bodenplattenelement mit einer oberen Oberfläche und
einer unteren Oberfläche
gebunden ist, wobei die zusammengefügten Abschnitte des Bodenplattenelements
und des Körperelements
eine verbesserte Dichtung in einem Becher bilden, wenn dieser mit
einer Geschwindigkeit von mindestens 165 Bechern pro Minute für einen
340 g (12 Unzen)-Becher mittels einer HÖRAUF MODELL BMP-200-Maschine,
hergestellt von Michael Hörauf
Maschinenfabrik GmbH & Co
KG, bei der die Temperatursteuerungen bei zwischen etwa 350 und
etwa 460 °C
eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck bei etwa 3000 Kilopascal
für zwei Umdrehungen
pro Becher eingestellt ist, gefertigt wird.
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Wie
oben bemerkt, ist 1 ein vereinfachter Querschnitt
eines Beispiels für
einen wärmeisolierenden Papierbecher
(nicht Teil der Erfindung). Der Becher, der allgemein durch 1 bezeichnet
ist, umfasst ein Körperelement 3 und
ein Bodenplattenelement 6. Das Körperelement 3 umfasst
einen Papierbogen 2, der auf einer Seite mit einer wärmeisolierenden
Lage 4 aus Polyethylen niedriger Dichte laminiert ist,
die seine äußere Oberfläche vollständig bedeckt.
Die innere Oberfläche
des Körperelements
ist mit einer ungeschäumten
Folie 5 aus modifiziertem Polyethylen niedriger Dichte
bedeckt. Die innere Auskleidung 5 des Körperelements 3 stellt
eine Versiegelung bereit, um bei der Verwendung das Eindringen des
flüssigen
Inhalts in das Papier zu verhindern, und stellt, was von gleicher
Bedeutung ist, sicher, dass das Wasser in dem Papier nicht direkt
in die Luftatmosphäre
verdampft, wenn der Becher während
des Schäumungsvorgangs
erwärmt
wird. Wenn die Innenseite des Körperelements 3 nicht
mit einem Innenlaminat abgedichtet worden ist, verdampft beim Erwärmen Wasser durch
die Innenseite des Bechers, was ein Versagen des Schäumens der
Polyethylen-Folie auf der äußeren Oberfläche zur
Folge hat. Die Feuchtigkeit, die im Papierbogen 2 inhärent vorhanden
ist, dient als Schäumungsmittel
für die
Außenoberflächenlage
aus Polyethylenfolie.
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Die
innere und obere Oberfläche
des Bodenplattenelements 6 ist vorzugsweise ebenfalls mit
einer Folie 7 aus Polyethylen niedriger Dichte laminiert,
obwohl sie auch mit einer Folie aus modifiziertem Polyethylen niedriger
Dichte laminiert sein kann, wie die innere Oberfläche des
Körperelements.
Dies dient dazu, bei der Verwendung das Eindringen des flüssigen Inhalts
des Bechers in den Papierbogen 8 zu verhindern. Vorzugsweise
ist nur die Innenseitenoberfläche
des Bodenplattenelements 6 laminiert, wenn es nicht wichtig
ist, das Verdampfen von Feuchtigkeit aus dem Papierbogen 8 des
Bodenplattenelements 6 beim Schäumungsvorgang zu verhindern.
In der Tat ist es wünschenswert,
ein Verdampfen der Feuchtigkeit aus dem Papierbogen 8 zu ermöglichen,
wenn es nicht gewünscht
wird, die Innenseite des Bodenplattenelements 6 zu schäumen. Genau wie
die Folie aus Polyethylen niedriger Dichte auf der äußeren Oberfläche des
Körperelements 3 könnte die Folie
niedriger Dichte auf der Innenseite des Bodenplattenelements 6 schäumen, wenn
ausreichend Feuchtigkeit durch eine Rückseitenschicht auf der Außenseite
des Bodenplattenelements 6 blockiert würde.
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Wie
oben bemerkt, war es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
wärmeisolierenden
Papierbecher mit verbesserten Dichtungseigenschaften bereitzustellen,
der trotzdem unter Verwendung größtenteils
kostengünstiger
Materialien und Maschinen hergestellt werden kann. In dieser Hinsicht
ist Polyethylen niedriger Dichte weniger teuer als Polyethylen hoher
Dichte. So ist die Verwendung eines modifizierten Polyethylens niedriger
Dichte, das einen überwiegenden
Anteil aus Polyethylen niedriger Dichte (anstelle von 100 % Polyethylen hoher
Dichte) enthält,
auf der Innenseitenoberfläche
des Körperelements
unter einem wirtschaftlichen Gesichtspunkt eine attraktive Alternative.
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Der
wärmeisolierende
Becher kann mittels herkömmlicher
Becherbildungsmaschinen, wie die HÖRAUF MODELL BMP-200-Maschine,
hergestellt von Michael Hörauf
Maschinenfabrik GmbH & Co.
KG, gefertigt werden. Zuerst kann die äußere Oberfläche eines Papierbogens für das Körperelement
mit einer Folie aus Polyethylen niedriger Dichte extrusionslaminiert
werden. Die innere Oberfläche
des Papierbogens wird mit einem modifizierten Polyethylen niedriger
Dichte laminiert. Ein Papierbogen zur Herstellung des Bodenplattenelements
wird ebenfalls mit einem Polyethylen niedriger Dichte (oder einem
modifizierten Polyethylen niedriger Dichte) auf einer Seite laminiert.
Ein Zuschnitt wird aus jedem der Papierbögen ausgeschnitten. Unter Verwendung
einer herkömmlichen
HÖRAUF-Becherbildungsmaschine
werden die beiden Zuschnitte zu einem Behälter gefertigt, wobei der Zuschnitt
für das
Bodenplattenelement auf solche Weise orientiert wird, dass die mit Folie
laminierte Seite nach oben weist. Das Bodenplattenelement und das
Körperelement
werden zusammengefügt
und durch die Anwendung von Wärme
und Druck wärmeverschweißt, um den
Bodenrand des Bechers zu bilden. Druck wird durch eine Dehnungsrolle
auf den inneren Bodenrand des Bechers ausgeübt. Es wird bevorzugt, dass
der Dehnungsroller so eingestellt wird, dass er zwei Umdrehungen
pro Becher macht. Diese Becher können
mit automatisierten HÖRAUF-Maschinen
mit Geschwindigkeiten von etwa 165 Bechern pro Minute oder mehr,
bevorzugt mindestens etwa 180 Bechern pro Minute und bevorzugter
etwa 200 Bechern pro Minute oder mehr für 340 g (12 Unzen)-Becher hergestellt
werden.
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Ein
so hergestellte Becher wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, um
zu bewirken, dass Feuchtigkeit in dem Papier verdampft, das Polyethylen
niedriger Dichte erweicht und die äußere Oberfläche des Körperelements schäumt. Die
Becher können
durch Förderung
durch einen Ofen wärmebehandelt
werden. Die Förderung
der Becher durch den Ofen kann durchgeführt werden, indem die Becher
massenhaft gewöhnlich
auf ein Metall-Förderband
gelegt werden, wobei die Becher umgedreht sind, d.h. auf ihren Rändern getragen
sind. Nadeln können
verwendet werden, um die Becher an ihrer Stelle zu halten.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung ist die innere oder obere Oberfläche des Bodenplattenelements mit
einer Folie aus Polyethylen niedriger Dichte laminiert oder beschichtet,
wie oben beschrieben, welche dazu dient, bei der Verwendung das
Eindringen des flüssigen
Inhalts des Bechers in den Papierbogen zu verhindern. In dieser
Ausführungsform
ist die innere Oberfläche
des Körperelements
zum Beispiel mit einem bzw. einer doppel- oder mehrlagigen Laminat
oder Beschichtung einer Folie aus Polyethylen niedriger Dichte und Folie
aus Polyethylen hoher Dichte bedeckt. Die Folie aus Polyethylen
niedriger Dichte befindet sich auf der innersten Oberfläche des
Körperelements,
so dass sie in direktem Kontakt mit der Folie aus Polyethylen niedriger
Dichte der inneren oder oberen Oberfläche des Bodenplattenelements
steht, wenn der Becher gefertigt wird, und sie dient dazu, bei der
Verwendung das Eindringen des flüssigen
Inhalts des Bechers in den Papierbogen des Körperelements zu verhindern.
Zwischen der Folie aus Polyethylen niedriger Dichte auf der innersten
Oberfläche
des Körperelements
und dem Papierbogen des Körperelements
befindet sich die Lage aus Polyethylen hoher Dichte. Diese Lage
dient dazu, das Verdampfen von Feuchtigkeit aus dem Papierbogen
des Körperelements
in Richtung der Folie aus Polyethylen niedriger Dichte auf der innersten
Oberfläche
des Körperelements
zu verhindern, und dient so dazu, zu verhindern, dass die Folie
aus Polyethylen niedriger Dichte schäumt. Obwohl sie vielleicht
mit Bezug auf Materialien weniger kostengünstig ist als andere Ausführungsformen
der Erfindung, besteht ein Vorteil dieser Ausführung und dieser Art von Ansatz
darin, dass die Kompatibilität
der zwei innersten Oberflächenmaterialien
des Körperelements
und des Bodenplattenelements weiter erhöht wird, wodurch die Bindung
verstärkt
und die Leckbeständigkeit
an der Verbindungsstelle, an der das Bodenplattenelement und das
Körperelement
verschweißt
werden, verbessert wird.
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In
der obigen Ausführungsform
ist die Folie auf der innersten Oberfläche des Körperelements eine Folie aus
Polyethylen niedriger Dichte, und die Folie auf der inneren oder
oberen Oberfläche
des Bodenplattenelements ist eine Folie aus Polyethylen niedriger
Dichte. Es versteht sich, dass jedes kompatible Harz verwendet werden
kann, vorausgesetzt, dass ein Schäumen verhindert werden kann.
Gleichermaßen
ist die Lage aus Polyethylen hoher Dichte nur bevorzugt. Andere
Materialien, die dazu dienen, das Verdampfen der Feuchtigkeit aus
dem Papierbogen des Körperelements
in Richtung der innersten Lage zu verhindern, können verwendet werden, wie
modifiziertes Polyethylen niedriger Dichte. Weiter können, wenn
die innere Oberfläche
des Körperelements
mit einem bzw. einer doppellagigen oder mehrlagigen coextrudierten
Laminat oder Beschichtung bedeckt ist, die Lagen dünner als
in Ausführungsformen
sein, in denen eine einzige Lage verwendet wird.
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Es
gibt zahlreiche Abwandlungen des grundlegenden Verfahrens, die in
Betracht gezogen oder verwendet worden sind. Zum Beispiel sind ein
oder mehrere Bodenvorerwärmer
verwendet worden, der Becherboden kann in dem Becher installiert
werden, nachdem die Seitenwandwärme
angewendet worden ist, und verschweißt werden, indem Wärme durch
den Bord des Bodeneinsatzmaterials angewendet wird, und Nadeln können während des
Transports durch den Ofen verwendet werden, welche den Becher oben
auf der Kräuselung
des Bechers halten. Diese letztgenannte Abwandlung ist besonders
vorteilhaft, da sie für
eine verbesserte Bechersteuerung während der Überführung von der Becherfabrikation
zu den Nadeln sorgt und das Auftreten von Bodeneinsatzmaterial-Polyethylen-Verkleben
das aus übermäßigem direktem
Kontakt der Nadeln mit dem Bodenensatzmaterial folgen kann, minimiert
wird.
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Die
Dicken der Folien, die auf das Körperelement
und Bodenplattenelement von Bechern gemäß der Erfindung zu laminieren
sind, sind nicht auf irgendwelche speziellen Werte beschränkt. Jedoch
sollte die Dicke des Polyethylens niedriger Dichte auf der äußeren Oberfläche des
Körperelements
von ausreichender Dicke sind, um für eine gewünschte Dicke des durch die
Wärme resultierenden
Schaums zu sorgen. Geeignete Dicken derartiger Folien können 25
bis 60 μm
betragen. Die Dicken der auf die Innenoberflächen des Körperelements und des Bodenplattenelements
zu laminierenden Folien müssen
nur so dick sein, dass sei ausreichend sind, um bei der Verwendung
eine Beständigkeit
gegen ein Flüssigkeitseindringen
sicherzustellen. Das Innenseitenlaminat sollte von ausreichendem
Gewicht sein (z.B. 1,62 g/m2 (10 lb/ream))
um eine Befleckung durch die Becherseitenwand zu verhindern.
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Bei
den Papierbögen,
der verwendet werden, um Becher gemäß der Erfindung herzustellen,
kann es sich um jene handeln, die herkömmlich verwendet werden, um
Becher dieser Art herzustellen. Sie weisen bevorzugt Basisgewichte
im Bereich von 100 g/m2 bis 400 g/m2 auf. Es wird auch bevorzugt, dass die Papierbögen einen
Wassergehalt von etwa 3 % bis etwa 10 % aufweisen.
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Bei
der Erwärmungszeit
und -temperatur für
den Schäumungsvorgang
kann es sich ebenfalls um die herkömmlich verwendeten handeln.
Zum Beispiel kann die Temperatur von etwa 115 bis 132 °C (240 °F bis etwa
270 °F)
variieren, und die Erwärmungszeit
kann von etwa 1,5 Minuten bis etwa 2,5 Minuten variieren.
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Alle
herkömmlichen
Heizmittel, wie heiße
Luft, elektrische Wärme
oder Mikrowellen, können
verwendet werden. Heizen durch heiße Luft oder elektrische Wärme in einem
Tunnel mit einer Trans porteinrichtung, wie einem Förderband,
weisen den Vorteil der Bewerkstelligung einer Massenproduktion zu
geringen Kosten auf.
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Beschichtung
und Laminierung, wie hierin verwendet, wurden und werden austauschbar
verwendet. Die Polyethylene niedriger Dichte, die hierin als Beschichtungen
oder Laminate verwendet werden, schließen jene Polyethylene ein,
die hoch verzweigte und weit beabstandete Ketten aufweisen. Derartige
verzweigtkettige Polyethylene sind typisch dadurch gekennzeichnet,
dass sie Dichten von etwa 0,910 bis etwa 0,925 g cm3, Kristallinitäten von
etwa 50 bis 60 % und Schmelzpunkte (TMax)
im Bereich von etwa 100 °C
bis etwa 110 °C (etwa
212 °F bis
etwa 230 °F)
aufweisen.
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Polyethylene
niedriger Dichte können
durch herkömmliche
Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können derartige Polyethylene
durch Polymerisation in einer Radikal-initiierten Flüssigphasenreaktion
bei, etwa 1500 atm (22000 psi) und etwa 190 °C (375 °F) mit Sauerstoff als Katalysator
(gewöhnlich
aus Peroxiden) hergestellt werden. Dampfphasentechniken werden ebenfalls
von Polyethylen-Herstellern verwendet. Diese verwenden Drücke von
lediglich etwa 0,69 bis 2,1 MPa (100 bis etwa 300 psi) bei weniger
als etwa 100 °C
(212 °F).
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Ein
bevorzugtes Polyethylen niedriger Dichte ist PE 4517, das von Chevron
Chemical Company verkauft wird. PE 4517 ist ein Polyethylen-Extrusionsbeschichtungsharz
niedriger Dichte. Es weist einen Schmelzindex von 5,0 g/10 min (ASTM
Testverfahren D1238-62T) und eine Dichte von 0,923 g/cm3 auf
(ASTM Testverfahren D1505-60T).
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Modifizierte
Polyethylene niedriger Dichte umfassen die oben erwähnten Polyethylene
niedriger Dichte gemischt mit genügend wird Nicht-Polyethylen
niedriger Dichte, wie Polyethylen hoher Dichte, um zu verhindern,
dass Laminate der modifizierten Poylethylene niedriger Dichte schäumen, wenn
gefertigte Becher einem Schäumungsvorgang
unterzogen werden. Zum Beispiel muss genügend Polyethylen hoher Dichte
anwesend sein, so dass ein Laminat von modifiziertem Polyethylen
niedriger Dichte auf der Innenseitenoberfläche des Körperelements eines gefertigten
Bechers unter Bedingungen von etwa 115 bis 132 °C (240 °F bis etwa 270 °F) und einer
Verweilzeit von etwa 1,5 bis etwa 2,5 Minuten nicht schäumt, wenn
der Becher dem Schäumungsvorgang
in einem Heißumluftofen
unterzogen wird. Andererseits muss genügend Polyethylen niedriger Dichte
in der Mischung anwesend sein, so dass eine wirksame Verschweißung zwischen
dem Körperelement und
dem Bodenplattenelement erhalten wird. Eine wirksame Verschweißung ist
eine, die eine verbesserte Dichtung zwischen dem Bodenplattenelement
und dem Körperelement
eines Bechers bereitstellt, wenn dieser mit einer Geschwindigkeit
von mindestens 165 Bechern pro Minute für einen 340 g (12 Unzen)-Becher
durch eine HÖRAUF
MODELL BMP-200-Maschine, hergestellt von Michael Hörauf Maschinenfabrik
GmbH & Co. KG,
hergestellt wird, wobei die Temperatursteuerungen bei zwischen etwa
350 und etwa 460 °C
eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck bei etwa 3000 Kilopascal
für zwei
Umdrehungen pro Becher eingestellt ist.
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Beispiele
für geeignete
Mischungen, welche die Ziele der Erfindung erfüllen, schließen jene,
die etwa 90 % Polyethylen niedriger Dichte (10 % Polyethylen hoher
Dichte) enthalten, und jene ein, die 10 % Polyethylen niedriger
Dichte (90 % Polyethylen hoher Dichte) enthalten. Es wurde gefunden,
dass solche Mischungen unter Bedingungen von etwa 115 bis 132 °C (240 °F bis etwa
270 °F)
und einer Verweilzeit von etwa 1,5 bis etwa 2,5 Minuten nicht schäumen, wenn
der Becher in einem Heißumluftofen dem
Schäumungsvorgang unterzogen
wird, jedoch eine verbesserte Dichtung in einem 340 g (12 Unzen)-Becher aufweisen
können,
der mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 165 Bechern pro
Minute mittels einer HÖRAUF
MODELL BMP-200-Maschine, hergestellt von Michael Hörauf Maschinenfabrik
GmbH & Co. KG,
gefertigt wird, wobei die Temperatursteuerungen bei zwischen 350 °C und 460 °C eingestellt
sind und ein Bodenausdehnungsdruck bei etwa 3000 Kilopascal für zwei Umdrehungen
pro Becher eingestellt ist.
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Die
Mischungen können
auch so wenig wie etwa 2 % bis etwa 7 % Polyethylen hoher Dichte
enthalten, obwohl 10 % Polyethylen hoher Dichte bevorzugt sind.
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Polyethylene
hoher Dichte, wie hierin verwendet, schließen jene ein, die vergleichsweise
gerade oder lineare Ketten aufweisen, die nahe beieinander ausgerichtet
sind. Die physikalischen Eigenschaften sind von jenen von Polyethylenen
niedriger Dichte wegen der erhöhten
Dichte sehr verschieden. Derartige lineare Polyethylen sind typisch
dadurch gekennzeichnet, dass sie Dichten im Bereich von etwa 0,941
bis etwa 0,965 g/cm3, Kristallinitäten, die
typisch im Bereich von etwa 90 % gekennzeichnet sind, und Schmelzpunkte
(TMax) im Bereich von etwa 128 °C bis etwa
135 °C (etwa
236 °F bis
etwa 275 °F)
aufweisen.
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Polyethylene
hoher Dichte können
durch herkömmliche
Verfahren hergestellt werden, wie durch Polymerisation von Ethylen
unter Verwendung von Ziegler-Katalysatoren bei etwa 0,1 bis 10,3
MPa (1 bis etwa 100 atm/15 bis 1500 psi) bei Raumtemperatur bis
etwa 93 °C
(200 °F).
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Ein
bevorzugtes Polyethylen hoher Dichte ist M302P, herkömmlich „M2004-P", verkauft von Eastman Chemical
Company. M3020P ist ein Polyethylen hoher Dichte, das einen Schmelzindex
von 9,5 g/10 min (ASTM Testverfahren D1238) und eine Dichte von
0,944 g/cm3 (ASTM Testverfahren D4883) aufweist. M2004-P
ist ein Polyethylen hoher Dichte, das einen Schmelzindex von 8,4
g/10 min (ASTM Verfahren D1238) und eine Dichte von 0,945 g/cm3 (ASTM Testverfahren D4883) aufweist.
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Obwohl
wir nicht durch eine Theorie gebunden sein wollen, nehmen wir an,
dass das Schäumen
des Polyethylens niedriger Dichte an der äußeren Oberflächenlage
des Behälters
stattfindet, da Wasser, das in dem Papier vorhanden ist, bei etwa
der gleichen Temperatur verdampft, bei der Polyethylen niedriger
Dichte schmilzt (z.B. etwa 105 °C
(221 °F)).
Die geschmolzenen Kristalle des Polyethylens niedriger Dichte dehnen sich
dann wegen des Wasserdampfdrucks unter Bildung von Blasen aus. Polyethylen
hoher Dichte andererseits weist einen viel höheren Schmelzpunkt (z.B. etwa
130 °C (266 °F)) auf und
wird nicht merklich durch Wasserdampf bei der Temperatur beeinflusst,
bei welcher das Wasser verdampft (z.B. etwa 105 °C (221 °F)). Bei der Wahl eines Polyethylens
niedriger Dichte und einer Papierbahn kann es wichtig sein, sowohl
den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn als auch die Wärmeenergie
zu kennen, die erforderlich ist, um ein spezielles Polyethylen niedriger
Dichte zu schmelzen.
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Ein
etwas komplexerer Mechanismus erklärt, warum kein Schäumen beobachtet
wird, wenn die oben erwähnten
Mischungen von Polyethylen hoher Dichte und niedriger Dichte verwendet
werden – selbst
wenn nur eine relativ kleine Menge an Polyethylen hoher Dichte mit
dem Polyethylen niedriger Dichte gemischt ist (relativ zu der Menge
an Polyethylen niedriger Dichte). Wir nehmen an, dass wegen einer
Tatsache, die wir Nukleierungseffekte nennen, bei diesen Mischungen
eine Blasenbildung unterdrückt
wird. Bei der Extrusionsbeschichtung eines geschmolzenen Extrudats,
bei dem es sich um eine Mischung aus niedriger Dichte/hoher Dichte
handelt, kristallisiert die Polyethylen-Komponente hoher Dichte
zuerst, wobei sie feste Teilchen bildet, die als Nukleierungsstellen
für Kristalle
aus Polyethylen niedriger Dichte wirken. Kleine Kristalle aus Polyethylen
niedriger Dichte werden dann durch den von Polyethylen hoher Dichte
herbeigeführten
Nukleierungsprozess gebildet. Wenn im Ofen geschäumt wird, tendiert die extrudierte
Mischung aus niedriger Dichte/hoher Dichte mit diesen kleine Kristallen
von Polyethylen niedriger Dichte dazu, nicht zu schäumen, wenn
das Polyethylen niedriger Dichte auf der äußeren Oberflächenlage
des Behälters
geschäumt
wird.
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So
könnten,
obwohl wir oben Polyethylen hoher Dichte als Beispiel für ein Nicht-Polyethylen
niedriger Dichte gewählt
haben, das mit dem Polyethylen niedriger Dichte zu mischen ist,
andere Modifikationsmittel ebenfalls verwendet werden, um das modifizierte
Polyethylen niedriger Dichte herzustellen. Andere Polymere und selbst
anorganische Komponenten können
verwendet werden, um die oben beschriebenen Nukleierungseffekte
in Verbindung mit Polyethylen hoher Dichte zu liefern. Jedoch sind
Polymere gegenüber
anorganischen Komponenten bevorzugt. Dementsprechend können abhängig von
der Fähigkeit
eines speziellen Modifikationsmittels zur Bildung kleiner Kristalle
von Polyethylen niedriger Dichte geeignete Formulierungen hergestellt werden.
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Andere
Polymere, die geeignet sind, um Nukleierungsstellen für Kristalle
von Polyethylen niedriger Dichte bereitzustellen, sollten höhere Schmelzpunkte
aufweisen als das Polyethylen niedriger Dichte, das verwendet wird,
so dass sie bei höheren
Temperaturen kristallisieren. Geeignete andere Polymere können z.B. aus
der Gruppe ausgewählt
werden, die Polypropylen, Poly(ethylenterephthalate) Polyester,
Polystyrole, Polyolefin-Klärungsmittel,
insbesondere einschließlich
Sorbit-Derivaten, wie jener, die in den U.S. Patenten Nr. 5,470,898,
4,371,645 und 4,419,473 beschrieben sind, und Polyamide, wie Nylons,
einschließen.
Siehe auch die U.S. Patente Nr. 5,216,051, 4,845,137, 5,049,605
und 4,016,118.
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Geeignete
anorganische Komponenten zur Bereitstellung von Nukleierungsstellen
für Kristalle
von Polyethylen niedriger Dichte können z.B. aus der Gruppe ausgewählt werden,
die Talke, Calciumcarbonate, Titandioxide, Siliciumdioxide, Diatomeenerde,
Kaolin und Glimmer einschließt.
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Die
Erfindung wird weiter mittels der folgenden Beispiele beschrieben.
Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die speziellen
Einzelheiten beschränkt
ist, die in den Beispielen angegeben werden.
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BEISPIEL 1
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Seitenwände für wärmeisolierende
Papierbecher wurden gefertigt, wobei ihre Innenseitenoberflächen mit
Chevron PE 4517 Polyethylen niedriger Dichte, gemischt mit variierenden
Mengen an Eastman M2004-P Polyethylen hoher Dichte, beschichtet
wurden. Für
Vergleichszwecke wurde eine Probe unter Verwendung einer Innenseitenbeschichtung
aus 100 % Eastman M2004-P Polyethylen hoher Dichte hergestellt,
und eine Probe wurde unter Verwendung einer Innenseitenbeschichtung
aus 100 % Chevron PE 4517 Polyethylen niedriger Dichte hergestellt.
Die Schmelzpunkte der Polyethylen-Komponenten, die in den Innenseitenoberflächen-Beschichtung
vorlagen, wurden unter Verwendung von Differentialscanningkalorimetrie
(DSK) bestimmt.
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Jede
Seitenwand-Probe wurde etwa 1,5 Minuten unter Verwendung eines herkömmlichen
Produktionsofens bei 270 °F
(132 °C)
wärmebehandelt.
Die Proben wurden dann überprüft, um zu
bestimmen, ob ein Schäumen
auf der Innenseitenoberfläche
der Seitenwand stattfand.
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BEISPIEL 2
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Die
Wärmeverschweißbarkeiten
wurden bei 1 Inch breiten, mit Polyethylen-beschichteten Papier-Proben bewertet,
weiche gemäß Beispiel
1 hergestellt waren. Bei jedem Test wurde die beschichtete Seite
einer Seitenwand-Probe in Kontakt mit einem Kontroll-Bodenausgangsmaterial
gebracht, das mit Chevron 4517 Polyethylen niedriger Dichte beschichtet
war, und unter Verwendung eines Sentinel Heat Sealer Model Nr. 12ASL (Seriennr.
12-1120), erhältlich
von Packaging Industries, Inc., Hyannis, Massachusetts, wurde eine
Verschweißung
bewirkt. Ein Inch (25,4 mm)-Schweißstäbe, die mit Teflon-Band bedeckt
waren, wurden verwendet, um die Verschweißungen bei einer Temperatur
von 300 °F
(149 °C)
des oberen und unteren Stabs, einem Backendruck von 276 kPa (40
psi) und einer Verweilzeit von 0,6 Sekunden zu bewirken.
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Die
Festigkeit der wärmeverschweißten Proben
wurden dann unter Verwendung eines Modell 4202 Instron Tensile Tester,
erhältlich
von Instron Corp., Canton, Massachusetts, getestet. Jede geschweißte Probe wurde
bei einem Winkel von 180° und
einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 25,4 mm (1 Inch) pro Minute auseinandergeschält. Die
auseinandergeschälten
Proben wurden dann überprüft, um zu
bestimmen, ob die Verbindung darin versagte, die Festigkeit des
Papiers zu übertreffen
(kein Faserzerreißen)
oder die Festigkeit des Papiers übertrafen
(Faserzerreißen).
Ein Faserzerreißen
wurde durch sichtbare Papierfasern auf beiden abgeschälten Oberflächen angezeigt
und zeigte eine verbesserte Bindung an. Diese Wärmeverschweißungstest ist
für wirksame,
im wesentlichen leckfreie Becherverschweißungen repräsentativ.
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BEISPIEL 3
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Es
wurden Seitenwände
für wärmeisolierende
Papierbecher hergestellt, wobei die Außenseitenoberflächen mit
einem Polyethylen niedriger Dichte beschichten wurden und die Innenseitenoberflächen mit
coextrudierten Lagen aus Polyethylen niedriger Dichte und Polyethylen
hoher Dichte beschichtet wurden, so dass die Lagen aus Polyethylen
niedriger Dichte die äußersten
Oberflächen
der Innenseitenoberflächen
der Seitenwände
waren. Das Bodeneinsatzmaterial wurden auf der inneren oder oberen
Oberfläche
mit Polyethylen niedriger Dichte beschichtet. Becher wurden aus
dem oben erwähnten
Bodeneinsatzmaterial und Seitenwandmaterial gefertigt. Es wurde
ein gutes Schäumen
auf der äußeren Oberfläche der
Körperelemente
erzielt.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, versteht es sich, dass man auf Abwandlungen
und Modifikationen zurückgreifen
kann, wie es für
den Fachmann offensichtlich ist. Derartige Abwandlungen und Modifikationen
sind als innerhalb des Bereichs und Umfangs der beigefügten Ansprüche anzusehen.
Zum Beispiel bezieht sich die Beschreibung auf verbesserte Verschweißungen,
die gemäß der Erfindung
unter Verwendung von Materialien erhalten werden können, die
wirksam sind, um derartige Verschweißungen zu erhalten. Ob eine
verbesserte Verschweißung
vorliegt oder erhalten werden kann, kann festgestellt werden, indem
man einen 12 Unzen-Becher
unter Verwendung einer HÖRAUF
MODELL BMP-200-Maschine herstellt, wobei die Temperatursteuerungen
bei zwischen etwa 350 bis etwa 460 °C eingestellt sind und ein Bodenausdehnungsdruck
bei etwa 3000 Kilopascal für
2 Umdrehungen pro Becher eingestellt ist. Dies bedeutet nicht, dass
die Erfindung nur auf 340 g (12 Unzen)-Becher oder auf Becher beschränkt ist,
die durch die angeführte
Maschine unter Verwendung der angeführten Herstellungsbedingungen
hergestellt sind.