具有熱和機械絕緣特性的運輸產品的製作方法

2023-05-31 09:52:46 1

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年8月20日提交的美國臨時申請第62/039841號的權益。

背景技術：

使用包含凝膠狀材料的熱學凝膠包(thermalgelpack)來長時間維持冷或熱的狀態。特別地，已使用冷包來將運輸中(例如，在盒子、板條箱或聚苯乙烯泡沫容器中)的易腐爛的物品保存於冷的狀態。在將凝膠包放入運輸容器之前，凝膠包被冷凍至凍結狀態。一些凝膠包在被運輸產品的消費者使用之前用凝膠狀材料預填充。然而，由於其尺寸和重量，這些預填充的凝膠包的運輸對消費者來說是昂貴的。

因此，本領域中對於提供具有熱和機械絕緣特性的運輸產品的改進的方法和系統存在需求。

技術實現要素：

根據本發明，提供了涉及包裝結構的方法和系統。更特別地，本發明的實施方案提供了一種包括含粉末形式凝膠的密封內室的可填充凝膠包。可填充凝膠包在用水填充之後適合於在冷卻/冰凍包裝應用中使用。本文所述的方法和系統也可用於其他應用，包括加熱應用。各種用戶可受益於本文所述的實施方案，包括運輸易腐爛或溫度敏感的產品的行業、在冷卻器或其他容器中運輸易腐爛產品的終端用戶等。

根據本發明的一個實施方案，提供了一種可填充凝膠包。可填充凝膠包包括具有一定面積的第一薄膜層和透液層，所述透液層接合在等於或小於第一薄膜層面積的區域以限定凝膠室。可填充凝膠包還包括布置在凝膠室中的凝膠材料和第二薄膜層，所述第二薄膜層接合至透液層或第一薄膜層的至少一部分以限定液體室。

根據本發明的另一個實施方案，提供了一種可填充凝膠包，其包括第一層和第二層，所述第一層與第二層接合在一起以限定可填充凝膠包的外部表面和通往可填充凝膠包的第一內部部分的填充口。第一層和第二層由一般不可滲透液體的材料製成。第一層和第二層還可被稱為不可滲透層。由於第一層和第二層的材料特性，防止了引入可填充凝膠包中的任何液體通過第一層和第二層中的任一者逸出凝膠包。可填充凝膠包還包括將第一內部部分與包含粉末狀凝膠材料的第二內部部分分離的透液層。當將液體通過填充口引入可填充凝膠包的第一內部部分中時，液體可隨後通過穿過透液層進入第二內部部分。一旦在第二內部部分裡面，液體就可被粉末狀凝膠材料吸收，然後所述粉末狀凝膠材料隨著吸收液體而膨脹。在吸收液體之後，凝膠材料和所吸收的水牢固地固定在第二內部部分中，從而在輸送期間防止液體隨後洩露出可填充凝膠包。

相對於常規技術，通過本發明實現了許多益處。例如，本發明的一些實施方案向消費者提供輸送至消費者的小輪廓、低重量包裝的凝膠包。該凝膠包在運輸期間包括包圍凝膠材料的密封凝膠室並且防止凝膠材料逸出凝膠包。儘管凝膠室對凝膠材料是密封的，但是對於隨後的填充，凝膠室可滲透液體。當準備使用時，消費者可使用使所包圍的凝膠材料膠凝的液體填充凝膠包，然後使凝膠包冷凍以在運輸產品期間使用。接合下文和附圖，對本發明的這些和另一些實施方案及其許多優點和特徵進行更詳細地描述。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的一個實施方案的具有密封凝膠室的可填充凝膠包的簡化平面圖。

圖2a示出了根據本發明的一個實施方案的可填充凝膠包的分解圖。

圖2b示出了具有切口的可填充凝膠包的分解圖，其中切口被配置成容納用於將液體引入到可填充凝膠包的工具。

圖3示出了根據本發明的另一個實施方案的具有密封凝膠室的可填充凝膠包的分解圖。

圖4示出了具有摺疊的透液層的可填充凝膠包的分解圖，其中摺疊的透液層位於可填充凝膠包的填充口附近。

圖5a至圖5c示出了圖4中所描繪的可填充凝膠包的透視圖和截面圖。

圖6a至圖6d示出了具有由可填充凝膠包的中心部分限定的填充口的可填充凝膠包的透視圖和截面圖。

圖7示出了凝膠室的截面圖，其中粉末狀凝膠材料通過將粉末狀凝膠材料粘附至凝膠室的內部表面而均勻地分布。

具體實施方式

圖1為根據本發明的一個實施方案的具有密封凝膠包的可填充凝膠包的簡化平面圖。可填充凝膠包包括多個材料層，所述多個材料層沿著可填充凝膠包的邊緣接合在一起(例如，用熱密封或粘合劑)以形成配置成接收一定量液體的內部部分。可填充凝膠包包括填充口102(例如，兩英寸寬的開口)，其提供了從凝膠包的外部通到凝膠包的內部部分的開口。水或其他液體可使用填充口進入凝膠包的內部部分。在一個說明性的實施方案中，在製造過程期間，將可填充凝膠包的邊角倒圓，以防止在冷凍之後可能形成的銳利邊緣並損害(例如，刺破)鄰近可填充凝膠包的材料。

如圖1所示，可填充凝膠包的外表面可包括一條或更多條填充線，其指示待添加至凝膠包中的水或其他液體的量、凝膠包的最終重量等。在一些實施方案中，填充線可對應於所添加的全部液體被可填充凝膠包內的材料吸收的填充水平。儘管在圖1中描繪了兩條填充線，但是應理解：在一些實施方案中可能僅有單一填充線或有多條填充線。例如，一條線可指示期望達到特定的重量和/或體積大小的液體的量，而另一條線可指示在該線下可填充凝膠包內的液體吸收劑材料能夠完全地吸收液體。

如圖1所示，邊緣區域104與可填充凝膠包100的其他層可進行熱密封、以粘附方式相結合或通過一些其他的機制接合。在這種方式下，可填充凝膠包100的外部層可製成不可滲透的，使得液體(例如水)進入或離開可填充凝膠包100的通道限於填充口102。通過保留凝膠包的至少一個層的一部分不與其他材料層(例如膜)附接，形成了限定填充口102的開口。未附接的部分與其他材料層之間的間隙決定了可填充凝膠包的一側(例如，頂部)的尺寸(例如，兩英寸的開口)以允許終端用戶用液體(例如，水)填充小袋(pouch)。可將可填充凝膠包配置成多種尺寸和形狀。例如，在一些實施方案中，可以以約8盎司至48盎司的標準尺寸生產可填充凝膠包，然而應理解，其他的尺寸和形狀也在本申請的考慮之內。在另一些實施方案中，可將填充凝膠包配置成定製的尺寸和形狀。例如，可設計環狀凝膠包以圍繞圓柱形容器。

圖2a示出了根據本發明的一個實施方案的在圖1中所示的可填充凝膠包100的分解圖。可填充凝膠包100包括至少兩個薄膜層(即，頂部薄膜層210和底部薄膜層212)，使用熱密封圖案214將所述至少兩個薄膜層在其邊緣的一部分上接合在一起。在說明性的實施方案中的熱密封圖案214包括間隙216，其防止兩個薄膜層沿著對應於填充口的邊緣部分的熱密封。如上所述，填充口可用於用水或其他合適的液體填充兩個薄膜層210與212之間的空間。

頂部薄膜層210和底部薄膜層212可由各種共擠出的多層膜或單層形成。作為一個實例，這些層可包括尼龍、ldp(低密度聚乙烯)或其組合。邊緣密封可通過熱處理或通過用膠或粘合劑進行層壓來形成。薄膜層的外表面可進行適當地處理以用於以後在這些表面上進行印刷。

提供了透液層218以包圍並密封預定量的可水合凝膠材料220。所描述的實施方案中的透液層218可與頂部薄膜層210和底部薄膜層212中的至少之一接合。通過以這種方式接合透液層218，透液層218與薄膜層之一協作可產生被稱為凝膠室的內部部分，使得可水合凝膠材料被限制在可填充凝膠包內。可水合凝膠材料220(其也可被稱為脫水凝膠材料)可為聚丙烯酸鈉或含聚丙烯酸或丙烯醯胺單體的一些其他聚合物或共聚物，及丙烯醯胺聚合物。基於乾燥形式的凝膠材料相比於溼潤形式的凝膠材料的特性，使用乾燥或粉末形式的凝膠材料提供機械和物理益處。例如，使用乾燥形式的凝膠材料的益處包括運輸體積的減小，因為與膠凝時的24盎司相比，凝膠材料的運輸體積可小於1盎司。因此，就物理體積而言，與常規膠凝的產品大於或等於1"的厚度相比，本發明的實施方案提供了厚度小於1/8"的產品。將凝膠材料220限制(entrapment)在對凝膠材料220的運動基本上不可滲透的材料之間防止了凝膠在運輸期間的洩露。如本文所述，透液層218可滲透水或其他液體，當準備使用時能夠使凝膠材料膠凝。此外，凝膠材料可在不浸入大量水的情況下轉化為凝膠狀態。相反，本發明的實施方案使用戶能夠使用剛剛足夠使凝膠材料膠凝的水通過填充口102將液體添加至可填充凝膠包100中。當液體通過填充口102進入時，液體進入可填充凝膠包100的內部部分，所述內部部分的一側由頂部薄膜層210限定而另一側由透液層218限定。接著，進入第一內部部分的液體通過透液層218並且然後與凝膠材料220相互作用，在此處被凝膠材料220吸收的液體被截留在可填充凝膠包內。因此，由於空氣可經由填充口102進入和離開可填充凝膠包，故與常規系統相比，使用本發明的實施方案一旦形成凝膠包，其一個特點是在冷凍過程期間或在解凍過程期間不形成空氣泡。

透液層218可由布置成可滲透配置的多種材料中的任意材料形成：例如聚乙烯、聚酯、尼龍、聚丙烯、聚氨酯和人造絲。在一些實施方案中，這些材料可紡成網以形成可滲透水的非織造紡粘布，以允許水流過凝膠室層並與可水合凝膠接觸。在一個具體的實施方案中，透液層218可為完全由聚丙烯形成的非織造紡粘層並且其厚度為約100微米至200微米。在另一些實施方案中，透液層218可由限定多孔納米網格的薄膜層形成，其允許液體通過而阻擋顆粒尺寸大於或等於粉末狀凝膠材料的顆粒尺寸的固體通過。

如圖所示，在進行熱密封之前，將凝膠材料220置於透液層218和底部薄膜層212之間，使得凝膠材料在熱密封期間被密封在底部薄膜層和凝膠室層之間。作為一個實例，可在將層熱密封以在凝膠室層和底部薄膜層之間形成凝膠室之前通過粉末分配器測量並分配凝膠材料。粉末在層之間的這種分配可整合到較大的製造過程中，其包括將卷材形式(rollstockform)的多種原材料層展開並進行熱密封或者以其他方式按預定圖案將所有原材料層接合在一起。在一些實施方案中，上述在透液層218和底部薄膜層212之間的粉末添加可以是自動化的。可在以垂直取向進行原材料的展開的情況下實施自動化過程，使得在層的層壓之前，凝膠材料220下落(drop)在透液層218和底部薄膜層212之間。

在本文中，涉及作為將凝膠材料「密封」在凝膠室層和底部膜層之間的區域(其可被稱為凝膠室)中的透液層。透液層可滲透水和其他液體，但是不可顯著地滲透呈粉末狀或水合狀態的凝膠材料。因此，在熱密封之後，防止了凝膠材料逸出凝膠室。將凝膠材料密封在凝膠室中防止了常規設計相關的問題，在所述常規設計中，在輸送或使用期間凝膠材料鬆散並能夠穿過填充口。然而，雖然基本上阻止了凝膠材料逸出凝膠室，但是液體能夠進入凝膠室並與凝膠材料相互作用，這也阻止了液體逸出凝膠室。

在一些實施方案中，如圖2所示，頂部薄膜層212、透液層218和底部薄膜層212具有相同的側向尺寸(即，寬和長)。在圖2所示的實施方案中，底部薄膜層和凝膠室層沿著其邊緣進行熱密封。具有相同的側向尺寸有利於層的熱密封以形成成品包裝。為了提供將流體填充到頂部薄膜層和底部薄膜層之間的空間的入口，可使用打孔機(punch)以在頂部薄膜層中形成開口。或者，可將妨礙密封的材料(例如墨)設置於頂部薄膜層朝向透液層的邊緣的一部分上，其中防止了頂部薄膜層的該部分與凝膠室層的密封。使頂部薄膜層的一部分保持未密封的其他技術也包括在本發明的範圍內，以在頂部薄膜層和底部薄膜層之間提供用液體填充凝膠包的填充口。

在通常的使用情況下，由於凝膠材料為粉末形式，故可填充凝膠包以基本上平坦的形式運輸到用戶。在運輸期間，凝膠材料保持在凝膠室中並且防止了凝膠材料從可填充凝膠包中漏出。當準備使用時，通過從填充口添加液體(例如，水)(其隨後穿過透液層)來使凝膠材料水合。通常，用限定體積的水填充可填充凝膠包以使粉末狀凝膠材料轉變成預定體積的凝膠。在一些使用情況下，使可填充凝膠包保持垂直狀態預定的時間(例如，兩分鐘)以使水能夠通過凝膠室層(其可滲透水但是不可滲透凝膠材料)進入凝膠室。在液體全部被粉末狀凝膠材料吸收之後，可通過例如將經填充的凝膠包平放於冷凍器中使可填充凝膠包冷凍以供後續使用。本發明的實施方案提供了使用常規技術(包括速膠凝(quickgeltimes))不可得到的系統。如本文所述，透液層將凝膠材料截留在凝膠室中，而不為凝膠包提供機械支撐。因此，凝膠材料層可利用比常規系統中存在的更大的孔，以在液體進入凝膠室時允許相對較高的流速。同時，由於外薄膜層為透液層提供保護和支撐，故較大的孔尺寸(其通常會導致單獨設計的外殼材料撕裂)不影響機械性能。

與常規包裝相比，可填充凝膠包的設計防止了在凝膠包中形成空氣泡，原因是膠凝過程使得小袋內部的體積在膠凝之後和在隨後的時間點(一直到凝膠包的冷凍之後)保持相同。在進行膠凝和後續的冷凍過程時填充口使空氣能夠逸出，減少或消除了在成品包裝內形成的空氣泡。此外，本發明的實施方案提供了使用常規技術不可得到的益處。作為一個示例，因為對於凝膠而言(其需要比填充凝膠包所需的時間更長的時間進行膠凝)，由於水被頂部薄膜層和底部薄膜層限制於凝膠包的內部部分，膠凝過程可在填充之後繼續，故膠凝時間可與填充時間相獨立。因此，本發明的實施方案提供了使用與可填充凝膠包分離的凝膠材料不可實現的益處。

儘管圖2所示的層的外邊緣為方角，但是這不是本發明所必需的。在一些實施方案中，在層的外邊緣及熱密封圖案的外邊緣上角落均進行倒圓(如圖2a所示)。

圖2b示出了與圖2a描繪的實施方案相似的一個實施方案；然而，圖2b描繪了由頂部薄膜層210限定的切口222。由於頂部薄膜層210的材料被除去(否則其將接合併覆蓋填充口102)，故切口222的形成可省去使頂部薄膜層210的一部分相對於透液層218或底部薄膜層212分離以形成填充口102的另外的步驟。出於這個原因，熱密封圖案214的上部部分沿著可填充凝膠包的邊緣可為基本上均勻且連續的。應注意，切口222可在可填充凝膠包的層進行層壓之前或之後形成。

圖3為根據本發明的另一個實施方案的具有密封凝膠室的可填充凝膠包的簡化透視圖。圖3中所示的實施方案與圖2a至圖2b共有一些相似處，並且參照圖2a至圖2b所提供的描述也適當地可適用於圖3。

在圖3所示的實施方案中，用於接合或粘合頂部薄膜層312和底部薄膜層314的頂部/底部熱密封圖案310包括間隙316，其對應於頂部薄膜層312的部分中的切口318。因此，頂部薄膜層312和底部薄膜層314在除間隙316之外的邊緣處接合。切口318提供了可用於將液體分配器部分地插入可填充凝膠包的內部中的開口。

用於使透液層322與底部薄膜層314接合併且限定包圍凝膠材料324的凝膠室的凝膠室熱密封圖案320的面積小於底部薄膜層314的面積。在該實施方案中，凝膠室熱密封圖案320的邊緣和面積等於透液層322的邊緣和面積。在另一些實施方案中，透液層322與底部薄膜層314的寬度(在較短的維度上所測量的)相等，但是透液層的長度小於底部薄膜層314的長度，在一些實施方式中透液層長度延長至切口318的底部部分。在這些實施方案中，凝膠室的面積小於底部薄膜層314的面積，這提供了凝膠室小於外面積的成品。

圖4示出了一個實施方案的分解圖，其中透液層被設置成緊接可填充凝膠包的填充口。圖4中所示的實施方案與圖2a至圖2b和圖3所示的實施方案共有一些相似處，並且參照圖2a至圖2b和圖3所提供的描述也適當地可適用於圖4。

特別地，圖4示出了透液層414，所述透液層414自摺疊使得摺疊端面向可填充凝膠包的底部端並且透液層414的開口端面向填充口。通過在層壓或密封過程期間將透液層設置在頂部薄膜層410和底部薄膜層412之間，透液層414可有效地充當進入可填充凝膠包的任何液體與可填充凝膠包的保持凝膠材料418的部分之間的隔離物。為了防止在接合操作期間熱密封圖案416使進入可填充凝膠包的填充口閉合，可將耐高溫且寬度符合期望填充口尺寸的材料片(例如，特氟龍片420)插入透液層414的重疊部分之間，使得被特氟龍片420分開的透液層414可保持未接合併適用於接收液體。

圖5a至圖5c示出了在圖4中所描繪的實施方案的透視圖和截面圖。圖5a示出了圖4中所描繪的可填充凝膠包在進行組裝時的繪圖。特別地，示出了沿著凝膠包的邊緣設置的接合區域502。此外，填充口102由接合區域502的間斷部(break)限定並且由於特氟龍片420的存在而產生，特氟龍片420在接合操作之後從可填充凝膠包中除去。圖5b示出了根據剖面線a-a的可填充凝膠包的部分的截面圖。剖面線a-a與在圖5b中指示的填充口102的位置一致。圖5b還示出了由於透液層414所處的可填充凝膠包內的摺疊幾何形狀，可顯現相對於填充口102的逐漸變窄的幾何結構。由透液層414限定的液體室提供了當液體通過透液層414時的積聚液體的地方。根據透液層414的滲透性，透液層414可能不足夠大以容納全部的填充可填充凝膠包所需的液體。在某些實施方案中，透液層可進一步延伸至可填充凝膠包中以產生更大的用於容納液體的室。通過這種方式，在完成填滿可填充凝膠包之前，填充可填充凝膠包的用戶不必等待一部分的液體通過透液層414。

圖6a至圖6b示出了另一個替代實施方案的可填充凝膠包的透視圖和截面圖。圖6a示出了其中填充口由頂部薄膜層610的中心部分限定的可填充凝膠包的透視圖。儘管填充口102示出為具有圓形幾何結構，但是應理解的是任意幾何結構都是可能的(例如，矩形、橢圓形等)。圖6b示出了圖6a所描繪的可填充凝膠包的截面圖。特別地，圖6b示出了頂部薄膜層610與底部薄膜層612協作以形成可填充凝膠包的內部體積。此外，由頂部薄膜層610限定的開口採用填充口102的形式。限定填充口102的開口被透液層614覆蓋，可將透液層614層壓到頂部薄膜層610的圍繞填充口102的一部分內部表面上。由於圖6b中所描繪的配置在流體通過透液層614之前為液體流入留出很小的空間甚至沒有留出空間，故透液層614的孔隙率通常應該較高從而使水能夠快速通過。

圖6c至圖6d示出了圖6a所描繪的可填充凝膠包的依照剖面線c-c的截面圖。圖6c示出了可通過使透液層614的外圍邊緣與頂部薄膜層610的向內表面密封或以粘附的方式相結合來將附加量的材料添加至透液層614。圖6d示出了當液體616滲透過透液層614以使粉末狀凝膠材料618水合時，透液層614可展開以容納通過填充口102添加的一定量的液體616。在一些實施方案中，可需要30秒至50秒以使粉末狀凝膠材料618被液體完全地飽和。

圖7示出了另一個實施方案，其中一定量的粉末狀凝膠材料702均勻地分布在由透液層704和薄膜層706限定的示例性凝膠室裡。粘合劑層708可粘附至透液層704和/或薄膜層706。可對粘合劑層708進行操作以將粉末狀凝膠材料702分散在凝膠室裡。粘合劑層708可為液體可溶的，使得當液體通過透液層704時水合的凝膠材料以空間高效的方式自身自由擴展和布置。該粉末狀凝膠材料702在凝膠室內的預置可有助於影響水合的凝膠材料在整個可填充凝膠包內均勻地分布。通過這種方式，可降低經水合的凝膠材料在凝膠室內的分布的不規則性。

還應理解的是本文所述的實施例和實施方案僅為了說明性目的，並且根據所述實施例和實施方案的各種修改或變型對本領域的技術人員是明顯的並且包括在本申請的精神和範圍內及所附權利要求書的範圍內。