CN101232987A - 生产挤压填充聚合物组合物的挤压模具和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过具有流动限制区、流动重新分布区和到达区的模具挤压填充聚合物组合物来制备具有高度分散和均匀分布填料的挤压填充聚合物组合物。所述流动限制区接近挤压机并增大挤压机内的聚合物熔体的背压直到足以使得填料高度分散，同时使该背压不足以导致聚合物熔体组分的不良的降解。

Description

生产挤压填充聚合物组合物的挤压模具和工艺
交叉参考声明
本申请要求2005年8月1日提交的美国临时申请第60/704,360号的权益。
技术领域
本发明涉及包含流动限制区(Flow Restriction Zone)、流动重新分布区(Flow Redistribution Zone)和到达区(Land Zone)的挤压模具。本发明还涉及使用挤压模具来制备具有高度分散和均匀分布填料的挤压填充聚合物组合物(extruded filled polymer composition)的工艺。
背景技术
将填料分散到聚合物基体中一直以来都具有挑战性，尤其是当填料和聚合物不是特别相容的时候。当填料的数量相对于基体材料增加以及当产品的需求指定了高度均匀的组合物时，这种挑战性增强。由于填料和聚合物不是特别相容，制造包括分散在疏水聚合物中的亲水填料的挤压组合物就面对这样的挑战。当填料和/或基体材料具有热降解(thermally degrade)的倾向时，例如对于纤维素填料的情况，这种挑战就更加困难了。制造热塑性塑料基体中木质填料的挤压组合物普遍比较困难(例如，参见美国专利(USP)5,851,469第1栏第52行至第2栏第25行)。
尽管存在制造上的困难，但是对于以装饰材料(例如板和栏杆)为例的应用全木质板来说，热塑性塑料聚合物基体中木质微粒的挤压组合物材料(木质/塑料组合物)是理想的选择。木质/塑料组合物每单位体积需求较少的木质材料，可以利用低级的木质材料(包括再生和废弃木质材料)，并且比替代性的全木材料具有更长的有效寿命。
市场上可以获得挤压木质/塑料组合物。然而，产品和文献表明还是需要具有高度分散和均匀分布木质填料的木质/塑料组合物以及制造这种组合物的有效方法。
USP 4,708,623(623号专利)指出传统的单轴和双轴挤压机螺杆设计不足以将木质填料分散到聚合物基体中，并且公开了一种非传统的用于在挤压机中散开木质纤维的螺杆带。623号专利公开了利用多孔模具(绞合板(stranding plate))挤压被封装的木质填料小球，然后再将这些小球再次加工成模制颗粒。根据USP 5,516,472中明显的熔接线(weldline)(参见下文)，本领域的技术人员能够想到623号专利中通过绞合板挤压的小球具有非均匀的填料分布。此外，将填充聚合物组合物挤压为小球然后再将组合物小球模制成颗粒的工艺是不理想的，其效率比在单一步骤中混合并挤压组合物的单步工艺的效率低。
USP 5,516,472(472号专利)及其族成员提出了一种利用绞合方法在热塑性塑料基体中分散和分布木质填料的方法，所述绞合方法需要通过绞合模具挤压。然而，472号专利的绞合方法在挤压产品中产生了熔接线，从垂直于产品的挤压方向(端点)的挤压产品的刨削表面看，该熔接线较明显。根据推测，该熔接线是每一股(strand)周围聚合物丰富的表皮，其导致聚合物在所述股表面的非均匀分布。结果，当被刨削时472号专利的产品具有端点外观不均匀的问题。据称472号专利的挤压产品沿着纵向通道还有吸潮的问题(参见USP 6,153,293第3栏第65行至第4栏第6行)。
另一种利于填料混合进入挤压聚合物组合物的方法是使用压缩比为至少3∶1的模具。提高压缩比还可以提高含有填料的挤压产品的弯曲模量。压缩比是模具的最大横截面积与模具出口的横截面积的比值。压缩比为3∶1的模具要求模具的流动通道的横截面积至少是该模具的出口(即近似于挤压产品)的横截面积的三倍。遗憾的是，当设计制造具有大横截面积的产品时，具有至少3∶1压缩比的模具可能会不方便地变得很大。此外，或可选地，通过增加模具的压缩比来增强混合效果需要冷却聚合物组合物以在模具内获得提高的熔融粘度，这可能妨碍最终的挤压产品获得高质量的表面外观。
需要用于制备具有高度分散和均匀分布的填料(尤其是滑石或木质填料)的填充聚合物组合物(尤其是滑石或木质填充组合物)的一种有效方法。更加需要的是允许使用传统挤压机而不需要绞合模具或压缩比至少为3∶1的一种方法。
发明内容
相比于现有技术，本发明的优点在于提出了一种挤压模具以及一种使用该模具的工艺，所述工艺适合于高效地制造在直接来自挤压机的聚合物基体中包含有高度分散和均匀分布的木质填料的填充聚合物组合物。
在第一方面，本发明是一种限定了模具流动通道的挤压模具，并包括：(a)限定了限制流动通道的流动限制区，该限制流动通道从入口延伸到位于流动限制区的相对端上的出口，该限制流动通道具有：(i)出口，该出口的横截面积等于模具流动通道的最小横截面积；以及(ii)平均横截面积，该平均横截面积小于限制流动通道入口端的圆周面积；(b)限定了重新分布流动通道的流动重新分布区，该重新分布流动通道从靠近限制流动通道的出口的入口延伸到位于该流动重新分布区的相对端上的出口，该重新分布流动通道与限制流动通道是流体连通的，并且其横截面积最初地从该限制流动通道的出口的横截面积开始增长；以及(c)限定了到达流动通道的到达区，该到达流动通道从接近重新分布流动通道的出口的入口延伸到位于该到达区的相对端的出口，该到达流动通道与该重新分布流动通道是流体连通的，并且在到达区的入口端和出口端之间的任何两点处的横截面尺寸的变化小于百分之五；其中，限制流动通道的平均横截面积小于重新分布或到达流动通道的横截面积；限制流动通道、重新分布流动通道以及到达流动通道的组合限定了模具流动通道；并且其中该模具流动通道提供了完全贯穿该模具的从模具的入口端至相对的出口端的聚合物熔体的流线型流动，该入口端限定了限制流动通道和模具的入口，而该出口端限定了到达流动通道和模具的出口。
在第二方面，本发明是一种挤压填充聚合物组合物的工艺，包括从挤压机并通过挤压模具挤压包括聚合物和填料的组合物，其中的改善在于该挤压模具是第一方面中的挤压模具。
附图说明
图1显示了本发明的一个模块模具的俯视横截面。
图2显示了图1中同一个模块模具的侧视横截面。
图3显示了图1中模具的横截面A-A的视图，向着挤压机或模具的入口端看。
图4显示了图1中模具的横截面B-B的视图，背离模具的挤压机端看。
具体实施方式
挤压模具
本发明的模具包括三个区域：(a)流动限制区(“区域(a)”)；(b)流动重新分布区(“区域(b)”)；以及(c)到达区(“区域(c)”)。
每个区域均限定了延伸通过该区域的流动通道(导管)(即从一端(入口端)至区域的相对端(出口端))。每一流动通道允许聚合物熔体流线型流动通过该区域。“聚合物熔体”指最终从模具挤压的材料，并包括软化的聚合物和可能存在于聚合物中的添加剂，包括填料。流线型流动是指不存在分子流动停止或方向改变达到或超过90度的“死点”。典型地，死点由垂直于聚合物熔体流延伸的障碍物引起。模具的区域彼此对齐，从而区域(b)位于区域(a)和(c)之间，区域(b)的入口端接近区域(a)的出口端，并且区域(c)的入口端接近区域(b)的出口端。贯穿每一区域的流动通道是彼此流体连通的，并且理想地是彼此共轴的。
贯穿区域(a)(“限制流动通道”)、区域(b)(“重新分布流动通道”)和区域(c)(“到达流动通道”)的流动通道对齐以形成贯穿该模具的模具流动通道。该模具流动通道从模具的入口端延伸至模具的出口端，其中模具的入口端也是区域(a)的入口端，模具的出口端也是区域(c)的出口端。该模具流动通道为聚合物熔体提供了完全贯穿该模具的流线型流动。聚合物熔体通过位于模具的入口端的入口进入模具流动通道，并通过位于模具的出口端的出口离开模具流动通道。在优选实施方案中，该模具流动通道只能通过入口和出口到达。
该模具可以是单一结构或者可以是组合的模块。模块是指具有可以彼此拆分的部件。例如，区域(a)可以从区域(b)和(c)拆分。区域(c)可以从区域(a)和(b)拆分。每一区域均可以从每一其他区域拆分。该模具可以包括位于每一区域中的可拆分(模块)部件，该部件跨越不止一个区域或者位于单一区域内并与跨越不止一个区域的其他部件组合。模块模具的理想之处在于它们使模具的改变变得容易和低廉。例如，技术人员可能希望模具具有通过区域(a)的更多或更少的限制性流动，以优化用于特定配方的产品性质。那么通过使用模块模具而不是制造全新的模具(即每一区域(a)、(b)和(c))，技术人员可以简单地重新设计并制造控制区域(a)中控制流动限制条件的一个模块部件或多个模块部件，然后用重新设计的一个部件或多个部件代替原来的一个部件或多个部件。在对制造进行改变的时候，模块模具可以节约时间和金钱。
模具通过接近挤压机的区域(a)的入口端连接到挤压机。本发明认为将模具连接到挤压机有多种方式，本发明不限于特定的连接方式。
聚合物熔体通过挤压机的出口流出挤压机并通过模具入口进入模具。理想地，流动限制通道的入口具有与模具所连接的挤压机出口相类似的圆周轮廓。圆周轮廓限定了口的形状和尺寸。理想地，挤压机的出口与模具的入口具有相似的圆周轮廓，并且优选地，具有相同的圆周轮廓。然而，只要挤压机的出口和模具的入口为聚合物熔体提供了从挤压机的出口通过模具的入口的流线型流动，它们就不必相同。
区域(a)——流动限制区。区域(a)限定了沿着区域(a)的长度延伸、从入口起始到出口终止的限制流动通道。区域(a)从模具的入口端延伸到模具流动通道的横截面积从其最小横截面积开始增长的位置。因此，限制流动通道的出口具有与模具流动通道的最小横截面积相等的横截面积。
区域(a)的目的是在挤压机中产生足够的背压，以获得填料在聚合物熔体中的理想的分散，同时避免足以产生足量的热而不良地使聚合物熔体组分降解的背压。区域(a)通过限制通过限制流动通道的聚合物熔体流来提高挤压机内的背压。区域(a)的流动参数控制对通过限制流动通道的聚合物熔体流的限制。例如，增加通过区域(a)的限制流动通道的长度或减小其平均横截面积将提高对通过区域(a)的聚合物熔体流的限制。技术人员可以根据实验为区域(a)选择适当的流动参数，以基于特定的聚合物熔体配方在最小降解条件下实现最优混合。
理想地，限制流动通道的平均横截面积小于该限制流动通道的入口的圆周面积，而区域(a)限制了聚合物熔体流。“圆周面积”是被该圆周包围的面积。在此特定情况下，限制流动通道的入口的圆周面积是在垂直于聚合物熔体流的横截面上测得的限制流动通道的圆周内的面积。限制流动通道的平均横截面积也小于通过区域(b)的重新分布流动通道和通过区域(c)的到达流动通道的平均横截面积。
此处，口或流动通道的横截面积是指在垂直于通过该口或流动通道的聚合物熔体流的横截面中的开放空间的面积(例如，聚合物熔体可以流过的空间)。用流动通道的开放空间的体积除以其长度(通过流动通道、从一端到相对端的中心距离)可以确定流动通道的平均横截面积。应注意，口或横截面的“横截面积”可能小于“圆周面积”，因为后者是在口圆周内测量的面积，而前者只测量圆周面积内的自由空间。例如，含有静态混合器挡板(static mixer baffle)的流动通道的横截面积小于圆周面积。
在第一实施方案中，限制流动通道包括第一和第二部分。限制流动通道的第一部分的横截面积减小，从入口的横截面积减小到第二部分的横截面积。这种减小可以沿着任何空间轮廓进行，包括最初横截面积增加，随后横截面积减小，只要这种减小使得通过限制流动通道的聚合物熔体可以流线型流动即可。典型地，第一部分限定了均匀的以及流线型的逐渐减小，直到达到第二部分的横截面尺寸，以利于聚合物熔体的流线型流动。第二部分保持均匀的横截面积并且该横截面积等于模具流动通道的任何部分的最小横截面积。第二部分的长度可以为几毫米或更小，但是典型地为2mm或更大，优选地为5mm或更大，更优选地为10mm或更大。限制流动通道以第二部分结束，随后该第二部分将聚合物熔体供给到重新分布流动通道中。
在第二实施方案中，限制流动通道包含一个或多个静态混合器元件，提供静态混合器元件可以允许通过限制流动通道的流线型流动。适当的静态混合器元件的例子是可从Chemineer公司得到的KenicsTM牌混合器(Kenics是Robbins & Myers公司的商标)。另一种适当的静态混合器是Polyguard混合器(可从Sulzer公司得到)。即使限制流动通道的横截面积不是从该限制流动通道的入口的横截面积开始减小，静态混合器也可以限制通过限制流动通道的聚合物熔体流。
可以组合第一和第二实施方案，从而第一实施方案中的第一部分、第二部分或者第一和第二部分也包含第二实施方案的一个或多个静态混合器元件。
如果限制流动通道太长，在流出模具之前，融化的聚合物熔体将开始热降解。因此，希望限制流动通道尽可能地短。典型的，限制流动通道的总长度是24英寸(61厘米(cm))或更短，优选地为16英寸(41cm)或更短，更优选地为8英寸(20cm)或更短，最优选地为4英寸(10cm)或更短。限制流动通道的长度可以是2英寸(5cm)或更短，甚至1英寸(2.5cm)或更短。为了保证足够的背压，限制流动通道的长度典型地为至少0.5英寸(12.5mm)。
一种理想的限制流动通道具有圆形横截面，其长度在一到二英寸(2.5到5厘米)之间，具有直径在0.5到1.5英寸(1.3到3.8厘米)之间的出口，并且没有静态混合器元件。范围包括端点。
限制流动通道的横截面形状并不重要，可以是，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、星形或任何其他可以想到的形状。限制流动通道的横截面形状在该限制流动通道中的不同点处可以不同。理想地，限制流动通道的形状关于聚合物熔体流的轴线对称，以利于聚合物熔体中具有均匀的流速，并最终提高挤压产品中的尺寸稳定性。优选地，限制流动通道具有圆形横截面形状。
可以想像，区域(a)可以作为单一模具单元的一部分存在，该单一模具单元还包括区域(b)或者区域(b)和区域(c)。还可以想像，区域(a)是从区域(b)和(c)分离的模块。区域(a)本身可以包括多个模块部件。例如部分1可以是一个模块模具部件的一部分，部分2可以是另一模块模具部件的一部分，或者静态混合器可以从区域(a)的其余部分移除。在这种情况下，区域(a)包括模块模具部件的组合，或那些位于区域(a)中的模块模具部件的部分。
区域(b)——流动重新分布区。在模具中，区域(b)位于区域(a)之后，其用于将聚合物熔体流从限制流动通道分布至所期望的由到达流动通道限定的最终产品形状。因此，区域(b)中的流动通道，即重新分布流动通道，具有适于将聚合物熔体从限制流动通道分布到到达流动通道中的轮廓。区域(b)开始于模具流动通道从其最小横截面积开始增长的位置，终止于模具流动通道的形状不再改变并限定了最终挤压物品形状的位置。重新分布流动通道的平均横截面积大于限制流动通道的平均横截面积，但是小于到达流动通道的平均横截面积。
在一个实施方案中，重新分布流动通道的横截面积对称地增加(对称张开)到圆柱形最终挤压组合物的横截面积。可选地，重新分布流动通道可以具有复杂的横截面形状。一种理想的区域(b)具有从限制流动通道的出口开始横截面积增大的重新分布流动通道，在一个横截面尺寸上延长以形成矩形横截面，并且在其长度(对应于端对端尺寸的长度)的至少部分上包括“蝴蝶结领结”或“狗骨头”的横截面形状。“蝴蝶结领结”部分将聚合物熔体流分布到具有通常为矩形横截面形状的板内。区域(b)和重新分布流动通道的最优参数很大程度上取决于重新分布流动通道和到达流动通道所要求的最终物品的形状。通常，最优的重新分布流动通道逐渐地改变从限制流动通道流入与到达流动通道尺寸相一致的形状中的聚合物熔体的流动，以尽可能地实现通过到达流动通道的均匀流速。同时，重新分布流动通道不应太长，以免导致聚合物熔体在模具内停留时间过久从而发生不良程度的热降解。
根据技术人员所期望的最终挤压物品的横截面，技术人员可以适当地设计并且根据经验使用适当设计的适合于重新分布流动通道的流动通道形状，以使得聚合物熔体的流动分布最大化，同时使得聚合物熔体在模具内停留的时间最小化。
理想地，区域(b)是模块区域，从而不必更换区域(a)和/或(c)中的部件即可更换区域(b)中的部件。当考察聚合物熔体的不同组合物时，本领域技术人员可能希望只改变区域(b)。不同组合物在例如粘性方面可能不同，这就要求改变区域(b)内的流动分布轮廓以优化物品尺寸稳定性。与区域(a)一样，区域(b)本身可以包括多个模块部件。
区域(c)——到达区。区域(c)是模具的最终区域，其用于将聚合物熔体稳定在最终挤压物品的横截面尺寸中(在最终挤压物品的冷却之前)。区域(c)将增强最终挤压物品的尺寸稳定性。通过区域(c)的流动通道，即到达流动通道，在区域(c)的全部长度上保持基本恒定的横截面形状。即在区域(c)内任何两点处，到达流动通道的横截面积的任何尺寸(即垂直于聚合物熔体流的尺寸)变化为百分之五或更小，优选地为2％或更小，更优选地为1％或更小，并可能没有变化。到达流动通道以及区域(c)本身以模具的出口终止，聚合物熔体通过该出口流出模具。区域(c)通过使聚合物熔体流的方向更加平行于挤压方向来稳定聚合物熔体延伸。
理想地，区域(c)的长度足以使聚合物熔体的平行流动最大化，同时保持径向流动梯度(接近流动通道壁的聚合物熔体流速相对于接近流动通道中心的流动的差)最小。为了达到这一目标，区域(c)典型地限定长度为0.25英寸(6.35mm)或更大的到达流动通道，优选地为0.5英寸(12.7mm)或更大，更优选地为1英寸(25.4mm)或更大，更优选地为2英寸或更大，甚至更优选地为3英寸或更大，并且典型地为10英寸(254mm)或更小，优选地为7英寸(178mm)或更小。虽然这些长度值提供了一般的指示，但是对于特定的聚合物熔体组合物，最好根据经验确定最优长度。
到达流动通道可以具有任何可以想像的横截面形状。例如，该横截面形状可以是正方形、矩形、圆角或斜角矩形、圆形、椭圆形、星形、三角形、六边形或八边形。特别理想的形状是那些对应于木板(例如，适合作为甲板、贴面或饰带)、厚板材、柱子、心轴、栏杆(包括成型栏杆，例如其中具有弯曲的顶部和直线的底部以及各种变化的栏杆)、装饰线和主轴的形状。理想地，到达流动通道的横截面积在所需的最终挤压产品的横截面积的百分之十以内。
所需的挤压产品包括产品的四边形横截面尺寸为1×5/4、2×4、4×4、2×6、1×12、3/8×12和2×2以及这些尺寸所表示的实际木材尺寸(例如，其中2实际为1.5，4实际为3.5，6实际为5.5，12实际为11.5)，其中第一个数字是以英寸表示的厚度，第二个数字是以英寸表示的宽度。
限定了到达流动通道的一个或多个壁可包括基本平行于区域(c)的长度延伸的槽或其他成型轮廓。需要这样的成型轮廓在挤压物品的一个或多个表面添加纹理。例如，在一个或多个壁中延伸以及在挤压方向中延伸的槽可以用于在挤压物品上添加木质的颗粒状纹理。
根据本发明的模具相对于现有的挤压技术的优点在于其使技术人员可以准确有效地控制挤压机的背压，从而在聚合物基体中实现了最优填料混合，同时使聚合物熔体组分的热降解最小化。特别地，当填料和聚合物基体一般不相容时，并且进一步当一种或多种填料或聚合物可热降解时，本发明的模具使技术人员可以将填料高度分散并均匀分布在聚合物基体中。
作为另一个优点，本发明的模具可以实现在挤压的聚合物基体中高度分散和均匀分布的填料，同时利用了小于3∶1、甚至小于2∶1的压缩比。结果，本模具设计提供了利用比具有3∶1或更大的压缩比的模具中所需的流动通道尺寸小的流动通道尺寸来制造在聚合物基体中具有高度分散和均匀分布的填料的填充挤压聚合物产品。当挤压具有相对较大的横截面积的产品时，较小的流动通道尺寸变得特别有利。3∶1的压缩比要求模具流动通道具有至少是模具出口的(即近似为挤压产品的)横截面积三倍的横截面积。因此，为了获得至少3∶1的压缩比，对于大横截面产品，模具可能会不方便地变得很大。应注意，本发明的模具可以包括产生3∶1或更高压缩比的设计，但是对于本模具来说，为了在挤压的聚合物基体中实现高度分散和均匀分布的填料，这样的压缩比不是必须的。
图1至4显示了本发明的示例性模具。
图1显示了模具100的俯视横截面，入口端103和出口端105之间的长度为LD并限定了模具通道110。出口端105具有直径DD。模具100包括具有长度LA的流动限制区A、具有长度LB的流动重新分布区B、具有长度LC的到达区C。流动限制区A限定了具有入口12(也是模具流动通道110的入口)和出口14的限制流动通道10。流动重新分布区B限定了具有入口22和出口24的重新分布流动通道20。到达区C限定了具有入口32和出口34的到达流动通道30。到达流动通道30具有宽度WC。
模具100是模块，包括多个可移除的元件。元件200限定了限制流动通道10和进入重新分布流动通道20的喇叭口(flare up)。元件300、350(如图2中所示)以及400限定了重新分布流动通道20中的半个狗骨头类型的重新分布元件。元件300、350(参见图2)以及400通过螺栓500固定于模具100。
图2显示了模具100的侧视横截面图，并且显示了将模具100固定到挤压机(未示出)的螺栓600。图2显示了到达流动通道30的出口34的高度HC。出口34是矩形，从而WC(如图1中所示)大于HC(如图2中所示)。通过对比图1和图2，很明显重新分布流动通道20在其入口22处具有圆形横截面(如图1中所示)，而在其出口24处具有矩形横截面。
图3显示了模具100的横截面图A-A，朝着入口端105(未显示)向重新分布流动通道20内看。图3显示了口的一部分，该口同时对应限制流动通道10的出口14和重新分布流动通道20的入口22。元件300具有延伸到重新分布流动通道20内的曲线轮廓，以对聚合物熔体的重新分布进行辅助。
图4显示了模具100的横截面图B-B，朝着出口端105向重新分布流动通道20内看。图4显示了到达流动通道30及其出口32、出口34(在此图中重合)以及模块部件400。
挤压工艺
本工艺提出了相对于现有工艺的改进，提出了一种直接有效地将高度填充的聚合物组合物挤压为具有高度分散和均匀分布填料的物品的方法。本工艺提出一种与目前现有技术中的多步工艺(例如，混合填充的小球然后再将其制造成物品的工艺)相对的一步混合和生产制造工艺。
对于高度分散在聚合物基体中的填料，当以肉眼观察该聚合物基体时，填料颗粒的大部分或者处于聚合物基体中难以识别，或者表现为不与其他填料颗粒凝聚。
如果对于肉眼观察者(例如不经过放大的视觉检查)来说，组合物的刨削横截面表现为具有均匀分布的填料，则填料均匀分布于聚合物基体内。USP 5,516,472的绞合工艺制造了具有熔接线的填充聚合物组合物，该熔接线在聚合物组合物的刨削横截面上显示出明显的线股。该熔接线构成了规则的局部区域，在这些区域中，填料浓度比组合物中的平均填料浓度低，从而在填充的聚合物组合物中形成填料颗粒浓度的规则变化。因此，USP 5,516,472的工艺不能生产具有在聚合物基体中均匀分布的颗粒的填充聚合物组合物。
填料可以是亲水性的或者疏水性的，也可以是有机的或者无机的。无机填料的例子包括粘土、硅酸盐水泥、石膏、碳酸钙和滑石(talc)。本发明的工艺特别适用于挤压包括分散在疏水性聚合物基体中的亲水性填料的聚合物组合物。本工艺更加特别地适用于疏水性聚合物基体中含有纤维素填料(例如木浆、纤维、面粉)的组合物。更特别地，用于在疏水性聚合物基体中分散35体积百分比(vol％)或更高，优选地40vol％或更高，更优选地45vol％或更高，甚至更优选地50vol％或更高的填料(包括亲水性填料和滑石)，以形成填充组合物，其中vol％是相对于填充组合物的体积。本发明的工艺可以适当地在疏水性聚合物基体中分散高于50vol％的填料(包括亲水性填料和滑石)，以形成填充聚合物组合物，但是典型地包括小于70vol％的亲水性填料，其中vol％是相对于填充组合物的体积。这里，“高度填充的”组合物是指根据组合物的重量，具有35vol％或更多填料的组合物。
本发明的工艺适当地包含与本发明的模具结合的任何类型的挤压机，包括单螺杆挤压机和双螺杆挤压机(twin screw extruders)。双螺杆挤压机包括异向旋转双螺杆挤压机(counter rotating twin screwextruders)、共旋转双螺杆挤压机以及锥形挤压机。例如，USP 6,450,429公开了适合使用在本工艺中的双螺杆挤压机。当使用可热降解的组分，例如纤维素填料时，锥形挤压机，特别是异向旋转锥形双螺杆挤压机是特别理想的。锥形双螺杆挤压机比单螺杆挤压机提供了更高的组分混合度，同时比标准的双螺杆挤压机产生更少的热量。
选择模具使其入口与该模具所连接的挤压机出口的形状和尺寸类似。同时，选择提供足够背压的区域(a)以保证填料在聚合物基体中均匀分布，同时背压不会过高从而导致挤压机或区域(a)中的聚合物或填料的不良降解。利用混合粘性、聚合物熔体流速以及已知的压力降低和温度模型来设计具有适当的长度和通道横截面的区域(a)。利用最少的实验测试来进行优化可以为本领域技术人员提供区域(a)的最优参数。
选择还具有区域(b)和区域(c)的组合的模具，该区域(b)和区域(c)的组合将形成根据如上所述的模具的教导、具有适当的形状和尺寸稳定性的物品。
将该模具固定至挤压机，使得区域(a)接近该挤压机并且区域(c)与挤压机的距离最远，这样通过模具的流动通道与挤压机的出口是流体连通的。
除了本发明的模具的选择和使用，挤压工艺可以遵循现有技术。特别理想的工艺包括用于在聚合物基体中挤压木质填料的工艺(例如，参见USP 5,516,472(第6列第14行至第9列第15行)的工艺(除了其中的模具以外)；以及USP 5,082,605，其整体上利用了封装的木质填料；每一参考文献合并于此作为参考)。通常，将填料组分和聚合物基体组分添加到挤压机中，加热并混合以形成聚合物熔体，然后通过模具挤压聚合物熔体以形成包括分散于聚合物基体中的填料的挤压物品。
聚合物基体的主要组分是热塑性聚合物，优选地是疏水性聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。这里，聚乙烯是指基于全部单体单元包含超过50％的聚合乙烯单元的同聚物或共聚物。例示性的聚乙烯是低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。类似地，聚丙烯是指基于全部单体单元，包含超过50％的聚合丙稀单元的同聚物或共聚物。在本发明的工艺中，特别理想地用作聚合物基体的聚合物是HDPE、聚丙烯和聚氯乙烯。
任何填料都适合用于本发明。本工艺特别适用于在疏水性聚合物基体中分散亲水性填料。亲水性填料倾向于抵抗在疏水性聚合物基体中的分散，因此倾向于在聚合物基体中凝聚。本工艺通过提供分散作用与过度加热的有害方面(例如热降解)之间的理想平衡而形成了含有高度分散和均匀分布的填料的聚合物组合物，即使在疏水性聚合物中使用亲水性填料时也是如此。适用于本发明的典型亲水性填料的例子包括纤维素，例如木粉、木浆、木质纤维。
通常，在向挤压机添加聚合物基体材料的同时、之后或者同时以及之后添加填料。填料可以按其原样添加或者以浓缩的形式添加，例如，包括封装在聚合物基体中的填料的小球。
除了用于聚合物基体和填料的聚合物，本发明的工艺还可以包括加入添加剂，例如润滑剂，例如金属硬脂酸盐和脂肪酸酯；无机填料，例如滑石和碳酸钙；着色剂；紫外线稳定剂；杀虫剂；杀真菌剂；抗冲击改性剂、增强纤维(例如玻璃和钙硅石)；中空玻璃球；层状硅酸盐；以及偶联剂。
填充聚合物组合物
本发明的工艺可以生产挤压的高度填充的聚合物组合物，其可以包括在疏水性聚合物基体中高度分散和均匀分布的亲水性填料。基于填充聚合物组合物的体积，该填料可以包含35vol％或更高、40vol％或更高、50vol％或更高甚至60vol％或更高的填充聚合物组合物。优选地，填料是纤维素材料。更优选地，填料是木粉、木浆、木质纤维、木片或其任意组合。最优选地，填料是木粉。聚合物理想地是聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯，优选地，该聚乙烯是HDPE。一种高度理想的填充聚合物组合物包含高度分散和均匀分布在聚乙烯中并且挤压到板形状中的木粉。
本发明的组合物可用作例如甲板材料、栅栏材料以及用于任何目前使用木板、销子、厚板材和柱子的场合。
实例
下面的实例用于说明本发明的特定实施方案。对于每一实例，使用86mm的锥形双螺杆挤压机(例如来自于Milacron的TC86)，并且利用Milacron的入口适配器(也被称为万用适配法兰)将类似于图1-4中的模具100的模具连接到挤压机。万用适配法兰将挤压机的横截面减小到模具的入口的横截面。由于图1-4中的描述，将适配法兰看作挤压机的一部分。
例1
模具具有16英寸(406mm)的长度LD，并且其出口端的直径为10英寸(254mm)。流动限制区A的长度LA是1.4英寸(3.6cm)。流动重新分布区B的长度LB是10.6英寸(26.9cm)。到达区C的长度LC是4英寸(10cm)。
模具具有直径为1.57英寸(40mm)的入口12。出口14的直径为0.75英寸(19mm)。重新分布流动通道20的直径在变为矩形之前对称性地增大到1.5英寸(38mm)。到达通道30具有5.50英寸(140mm)的宽度WC以及0.94英寸(24mm)的高度HC。元件300和310降低了重新分布流动通道20的高度，并且长度为3.3英寸(8.4cm)。元件300和400以对称性的突出部分(半个狗骨头的轮廓)突出到重新分布流动通道20中，该突出部分在该通道的宽度上居中并且具有对应于14.5英寸(36.8cm)的半径曲线的4英寸(10cm)宽的部分的最大突起。元件350不突出到重新分布流动通道20中，除了穿过该通道的宽度均匀地逐渐减小到较窄的高度。
表1
组分 浓度
来自American Wood Fiber的60目多类松木(“木质组分”) 55重量(wt)％
HDPE(HDPE-6000，来自DowChemical Company) 27wt％
AMPLIFYTM GR-205功能型聚合物(Dow Chemical Company) 2wt％
TinuvinTM783和328(CIBA) 2wt％
WP-2200(可从AONZA得到) 3.5wt％
着色剂(CIBA灰色着色剂号05-1435AF) 3wt％
IrgaguardTM F-3000(可从CIBA得到) 2.5wt％
滑石 5wt％
*AMPLIFY是DowChemical Company的商标
*Tinuvin是Ciba Specialty Chemical Corporation的商标
*Irgaguard是Ciba Specialty Chemical Corporation的商标
将木质组分干燥到含有1-2wt％的水分(基于木质组分的重量)，然后将表1中的组分以指示的浓度单独添加到双螺杆挤压机的进料部分，以形成填充聚合物组合物(基于全部填充组合物重量的重量百分比)。在华氏350度(177摄氏度)的温度下在挤压机内混合各组分，以获得填充组合物。不必预先混合木质组分(60目多类松木)和聚合物组分(HDPE)。
利用32转/分钟的螺杆速度以850磅/小时(386千克/小时)的速度通过模具挤压填充聚合物组合物，同时保持华氏350度(177摄氏度)的温度，以获得1950磅/平方英寸(13兆帕)的挤压出口压力(挤压机出口处的压力)。所获得的物品在冷却后是0.92英寸(2.3cm)厚、5.375英寸(13.7cm)宽的板。该板不存在大于1mm的看起来很明显的木质凝聚，并且不存在从板的刨削端看、看起来很明显的未混合组分的卷曲形状。
例1中的模具是本发明的模具的例子，其具有1.7的压缩比。再次说明，压缩比是模具的流动通道的最宽横截面积与模具出口的比值。例1中的工艺是本发明的工艺的例子，其利用了具有1.7的压缩比的模具，并且在疏水性聚合物基体中生产了均匀混合的纤维素添加剂。
例2
利用例1中的配方和工艺制备例2，除了在模具中使用更长并且定义比例1的模具中更大的限制流动通道的元件200以外。不同的元件200改变了该模具，从而使得流动限制区A的长度LA是5英寸(13cm)，流动重新分布区B的长度LB是7英寸(18cm)，限制流动区的出口14的直径为一英寸(25mm)。
例2的模具和工艺制造了与例1中相类似的板。例2的模具是本发明的模具的实例，并且例2中的工艺是本发明的工艺的实例。
对比例A
利用与例2中相同的步骤、挤压机和模具制备填充组合物，除了从模具中拆除元件200(从而去掉了流动限制区)。利用表2中的组分和浓度形成对比例A的填充组合物。
表2
组分 浓度
来自American Wood Fiber的60目多类松木(“木质组分”) 55wt％
HDPE(HDPE-6000) 30.5wt％
AMPLIFY GR-205功能型聚合物 2wt％
WP-2200 3.5wt％
着色剂(CIBA灰色着色剂号05-1435AF) 2wt％
Irgaguard F-3000 2wt％
滑石 5wt％
与例2中一样，将木质组分干燥到含有1-2wt％的水分(基于木质组分的重量)，然后将组分单独添加到挤压机中以制备填充聚合物组合物。利用32转/分钟的螺杆速度以1013磅/小时(460千克/小时)的流速通过模具挤压填充聚合物组合物，以获得1560磅/平方英寸(11兆帕)的挤压出口压力(挤压机出口处的压力)。所获得的一英寸(2.54cm)厚、5.375英寸(13.7cm)宽的板表现出较差的组分的内部混合，其具有看起来明显的大于1mm的木质凝聚以及未混合组分卷曲形状。改变挤压温度和速度不能消除这种凝聚和卷曲形状。
例2和对比例A表明，挤压模具中的流动限制区提高了挤压出口的压力，相比于不具有流动限制区的模具，其在填充聚合物组合物中生产了更加高度分散的填料。例2和对比例A之间的组合物配方的差别应该对挤压出口压力或挤压板中的填料分散程度没有影响。
例2进一步显示了本发明的利用压缩比为1.7的模具来生产在疏水性聚合物基体中均匀混合的纤维素添加剂的工艺。

Claims (20)

1.一种限定了模具流动通道的挤压模具，所述模具流动通道从所述挤压模具的一端延伸到该挤压模具的相对端，所述模具包括：
(a)限定了限制流动通道的流动限制区，该限制流动通道从入口延伸到位于流动限制区的相对端上的出口，该限制流动通道具有：(i)出口，该出口的横截面积等于模具流动通道的最小横截面积；以及(ii)平均横截面积，该平均横截面积小于限制流动通道入口端的圆周面积；
(b)限定了重新分布流动通道的流动重新分布区，该重新分布流动通道从靠近限制流动通道的出口的入口延伸到位于该流动重新分布区的相对端上的出口，该重新分布流动通道与限制流动通道是流体连通的，并且其横截面积最初地从该限制流动通道的出口的横截面积开始增长；以及
(c)限定了到达流动通道的到达区，该到达流动通道从接近重新分布流动通道的出口的入口延伸到位于该到达区的相对端的出口，该到达流动通道与该重新分布流动通道是流体连通的，并且在到达区的入口端和出口端之间的任何两点处的横截面尺寸的变化小于百分之五；
其中，限制流动通道的平均横截面积小于重新分布或到达流动通道的横截面积；限制流动通道、重新分布流动通道以及到达流动通道的组合限定了模具流动通道；并且其中该模具流动通道提供了完全贯穿该模具的从模具的入口端至相对的出口端的聚合物熔体的流线型流动，该入口端限定了限制流动通道和模具的入口，而该出口端限定了到达流动通道和模具的出口。
2.如权利要求1所述的模具，其中贯穿(a)、(b)和(c)的模具流动通道只能从两个口到达，一个口位于模具的入口端，一个口位于模具的出口端。
3.如权利要求1所述的模具，其中模具包括至少一个模块部件。
4.如权利要求3所述的模具，其中流动限制区、流动重新分布区、和到达区中的至少一个包括模块部件。
5.如权利要求1所述的模具，其中模具具有小于2∶1的压缩比。
6.如权利要求1所述的模具，其中模具具有至少3∶1的压缩比。
7.如权利要求1所述的模具，其中流动限制区(a)的长度为4英寸(10厘米)或更小。
8.如权利要求1所述的模具，其中限制流动通道在流动限制区中的任何一点处具有圆形横截面。
9.如权利要求8所述的模具，其中流动重新分布区将聚合物熔体从限制流动通道分布到矩形到达流动通道中。
10.如权利要求1所述的模具，其中到达流动通道具有至少一个具有槽的壁，所述槽在到达流动通道的挤压方向延伸。
11.如权利要求1所述的模具，其中限制流动通道含有静态混合器挡板，该挡板允许通过限制流动通道的流线型流动。
12.如权利要求1所述的模具，其中限制流动通道没有静态混合器挡板。
13.如权利要求1所述的模具，其中限制流动通道具有圆形的横截面，长度在一至二英寸(2.5至5厘米(cm))之间，具有直径在0.5到1.5英寸(1.3到3.8cm)之间的出口，并且没有静态混合器元件。
14.一种挤压填充聚合物组合物的工艺，包括从挤压机并通过挤压模具挤压包括聚合物和填料的组合物，其中的改善在于该挤压模具是如权利要求1所述的挤压模具。
15.如权利要求14所述的工艺，其中填料从云母、滑石和纤维素材料构成的组中选择。
16.如权利要求14所述的工艺，其中基于全部的填充聚合物组合物的体积，填充聚合物组合物包含40体积百分比或更多的填料。
17.如权利要求16所述的工艺，其中填料是亲水性的，并且聚合物是聚乙烯或聚丙烯。
18.如权利要求17所述的工艺，其中聚合物是高密度聚乙烯。
19.如权利要求14所述的工艺，其中挤压机是锥形双螺杆挤压机。
20.如权利要求14所述的工艺，其中挤压模具包含具有圆形横截面的限制流动通道，其长度在一到二英寸(2.5到5厘米)之间，具有直径在0.5到1.5英寸(1.3到3.8厘米)之间的出口，并且没有静态混合器元件。
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