CN101405125A - 制备强度提高的组合元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及挤出的复合材料，该材料特别集中于增加复合材料的承载量和总强度。可注入的合适的结构芯材料用于在挤出的复合材料内部取代泡沫孔，从而增加了总的承载稳定性和强度。将芯材料特制以相对于结构材料，具有所期望的CTE。芯材料也可以与纤维和实体结构填充剂结合，以增加组合元件的强度。目的是使复合材料能够具有尽可能最高的结构承载量，使得这些技术在航天应用中和为了其他目的可以用作替代木材。

Description

制备强度提高的组合元件的方法
发明领域
本发明总体涉及在复合材料基质内具有结构芯材料的结构。更特别的是，本发明涉及挤出的复合建筑材料，该材料具有为增加挤出元件的强度而特制的经选择的芯材料。
发明背景
挤出方法是生产工程结构材料的最经济的制备方法之一。通常，挤出方法用于制备具有统一横切面的挤出元件的长度。这些元件的横切面可以是各种简单的形状，例如圆形、环状或矩形。这些元件的横切面也可以非常复杂，包括内部支持结构和/或具有不规则外周。
典型的是，挤出方法采用被导入到进料漏斗中的热塑性聚合物化合物。热塑性聚合物化合物可以是粉末状、液体、方块状、颗粒状和/或任何其他可挤出的形式。热塑性聚合物可以是新的、回收的或两者的混合物。此外，热塑性材料可以在挤出的过程期间掺入发泡剂或由机械注入的气体以产生蜂窝状泡沫结构芯。
用于形成芯的优选材料是易于加工、具有良好冲击强度、高挤出速度、良好表面性质、良好尺寸稳定性和抗压陷性的刚性PVC粉末状化合物。
另外，优选的挤出的组合物可以含有一种或多种加工助剂。优选的加工助剂的实例之一是具有低分子量的丙烯酸基树脂，例如Rohmand Haas的Acryloid K-125或K-175。同样，可使用一种或多种润滑剂。可提供内部润滑剂和外部润滑剂。优选的内部润滑剂包括金属的硬脂酸盐例如硬脂酸的钙盐和锌盐。优选的外部润滑剂包括石蜡。
此外，可将填充剂加入到热塑性组合物中以降低产品成本并改善冲击性质。虽然许多类型的填充剂能与热塑性树脂相容，但是典型的填充剂是碳酸钙。
挤出元件的用途的实例包括挤出的复合建筑材料。挤出的复合建筑材料已用于房屋侧线、建筑模制、围拦、装饰及其他应用的应用中。一个与现有挤出的复合结构建筑材料相关的缺点是现有材料缺乏直接与结构木材，例如各种大小的木材横粱，即2×4、2×6、2×8、4×4、4×6、4×8等竞争或代替结构木材所必需的强度。复合材料的环境稳定性，即无干枯、无白蚁、无翘曲、无爆裂等已导致增加了复合材料装饰和围栏材料的流行。然而，对结构的强度而言复合材料通常还需要木材支持性结构。
例如，复合木材目前用于装饰、扶手系统和运动场装备。资料显示美国复合木材目前每年有3亿美元的市场。据估计当前市场的80％采用木材塑料复合材料(WPC)的形式。据估计其他30％为实体塑料。木材塑料复合材料(WPC)指任何含有与热固性(thermaloset)或热塑性材料混合的木材颗粒的复合材料。WPC工业采用与它们在美国的区域相关的普通木材种类，包括松树、枫树、橡树及其他树种。通常掺入到WPC中的粒度的范围为10-80％目。与例如木花相比木质纤维的存在增加了复合材料的内部强度和机械性质。在典型的制备方法中WPC采用约20％-70％的木材/塑料质量比。
WPC与塑料系统相比具有期望的特性。例如，将木材填充剂加入到塑料中通常提高了硬度，减少了热膨胀系数，降低了成本，有助于模拟真实木材的感觉，产生粗糙纹理改善抗滑性，及使WPC能够以类似木材的方式切割、成型和紧固。
向塑料中加入木材颗粒也导致某些不期望的特性。例如，木材颗粒可能腐烂并易受真菌的侵袭，木材颗粒可以吸收水分，在WPC元件表面上的木材颗粒可以被冷冻和解冻循环毁坏，木材颗粒易于由例如树叶吸收环境染色，如果在WPC材料中不适当地分布木材颗粒可以产生小疱，这可能产生不能由视觉检查监测的失败危险，及在维持一致的颜色上木材颗粒产生制备困难，因为各种木材种类的颜色吸收是不一致的。塑料采用随时间褪色的UV稳定剂。结果，表面上木材颗粒倾向于经历环境漂白。所以，由于暴露于阳光6个月到一年后颜色产生变化，所以修补装饰是困难的。
在典型的挤出复合材料设计中，可以通过将内部支持结构与内部泡沫芯结合增加增强的承载能力同时使重量减少到最小。此类设计的实例在美国专利号4,795,666；5,728,330；5,972,475；6,226,944；和6,233,892中有教授。
非挤出的复合材料的承载量、稳定性和强度的增加已通过在结构层之间设置具几何形状芯材料实现。预先形成的具几何形状芯材料的实例包括六角形片材料和轻重量木材及泡沫。由于材料预先形成的形状，与典型的预先形成的芯材料相关的问题包括与将材料掺入到挤出方法中相关的困难。
用复合纤维设计增加强度的其他努力集中在复合材料中纤维的方向上以获得增加弯曲比率的强度。在典型的挤出复合材料方法中，将纤维/填充剂随机地置于整个树脂/塑料中。因此通过纤维方向增加强度不可以应用到挤出方法中。
例如，自从1930年代末和1940年代，在海洋工业中及自从纤维强化塑料的掺入，在航天工业中，泡沫芯材料已用于复合材料中以使复合材料变硬。
最近，用于芯材料的结构泡沫极大地改善了强度和环境稳定性。结构芯材料强度可通过添加纤维显著改善。聚氨酯泡沫可以用短的玻璃纤维改性使柔顺屈服强度从8,900psi增加到62,700psi。
先有技术专利趋向于将泡沫芯材料描述成刚性的或具有高密度。然而趋向于不提及该泡沫芯的结构机械性质。获得承载量变化的普通方法是改变该材料的密度。例如，这可以在水在其中用作发泡剂的聚氨酯中进行。聚氨酯的密度随着水浓度的增加而降低。
芯材料和结构材料在化学上和物理上均不相容时可能发生的一个问题是分层。化学和物理的不相容性可能导致该芯材料和该结构材料相互分离时遭受结构失败的复合结构。
如上所讨论，尽管增加承载量、稳定性和强度可以用新树脂/塑料、纤维/填充剂和内部结构支持元件通过工程改进提高，但是承载量仍然受挤出方法的力学限制。尽管有与工程建筑材料相关的优势，即消除与干枯、白蚁、翘曲、爆裂等相关的问题，但是挤出的复合结构材料达到木材机械属性的失败贬低了工程建筑材料的潜在经济市场价值。
另外，其他应用，例如航天应用采用复合结构并且必须为解决与芯材料和结构材料的分层相关的问题而奋斗。
因此，期望给结构芯材料带来尽可能最高的结构承载量，使得这些技术可以结合到挤出的复合材料中，以代替木材承载结构，并通过稳定复合芯在总体上改善复合材料工业，帮助改善复合芯材料的分层问题。
发明概述
本发明涉及挤出的复合材料，此类材料专门集中在增加复合材料的承载量和增加总强度上。本发明的一个方面涉及将芯材料特制成在该结构材料的机械性质方面具有所期望的热膨胀系数(CTE)。
本发明的一个方面涉及将特制的芯材料掺入到挤出的结构元件中的制备方法。在一个实施方案中，本发明涉及组合元件，该组合元件具有增加的承载量和总强度，以使该组合元件能够在建筑项目的使用中，例如家庭装饰建筑中使用的支架和柱及在其他项目中与木材竞争。在另一个实施方案中，本发明的方法可用于构造具有增强的强度的航天元件。另外的用途也认为在本发明的范围内。
本发明的一个目的是通过将合适的芯材料，例如泡沫注入到挤出元件中来增加挤出元件的承载量和强度。本发明考虑采用注入系统的挤出模头，该注入系统可以加入到制备者现有挤出设备中。
将合适的芯材料注入到挤出元件的内部结构支持元件中及注入到其周围。优选，当元件在挤出时，将芯材料注入以置换该元件中的空气空隙。以与结构元件正在挤出的相同时间和相同速度注入合适的结构芯材料，通过增加承载量、稳定性和总强度及通过改善经济可行性产生了显著的改善。例如，刚性的聚氨酯泡沫比PVC每体积便宜约10倍。因此，通过用泡沫取代挤出元件的某些内部体积，减少了PVC体积，同时维持了相同的或更大的结构强度。因此，合适的泡沫的注入导致显著的成本节约。在某些应用中，可注入的合适的结构芯材料可用于已预先固化的挤出元件中。
可注入的合适结构芯材料的益处之一是该芯材料不受组合元件的结构设计的限制，因为该芯材料符合结构中存在的几何形状。
虽然芯材料和结构材料最初可以组合成组合元件，而不考虑各自的CTE，但是随着时间延长这并不能保证结构的完整性。因此，该用途的发明涉及通过筛选结构填充剂的最佳量特制合适的结构芯材料，以达到所期望的材料CTE。特制结构芯材料的步骤为复合结构设计提供了解决方案，而不管材料的组成如何。
本发明的一个方面涉及所选择的热塑料和所选择的泡沫芯材料之间的机械相互作用和关系。热塑料具有受环境温度影响的机械性质。例如，热塑料在更冷的温度下更硬但是更脆。热塑料在更温暖的天气中更软，但是更柔顺。
用于热塑性材料中内部芯材料的泡沫可以特制以克服热塑料的结构强度的变化。例如，选择具有热膨胀性质的理想的芯材料，该热膨胀性质抵消由于在环境中的热加热该结构材料经历的热塑性结构材料的热垂挂(thermal sag)特性。芯的热膨胀和复合材料的机械硬度可以特制，以达到所期望的强度和内部压力，从而导致该复合材料的机械硬化。
可以考虑内部芯材料的热膨胀与热塑性材料的热垂挂之间的相互作用关系，选择与特定的塑料一起使用的理想的泡沫。理想的是，材料将起真正复合材料的作用。因为本发明的许多用途与复合材料设计相关，并且它们的应用具有材料及其组合的绝大多数选择，因此本文中所描述的方法使最佳材料配对得以确定。由于随着温度的增加，结构元件的内部交叉元件和外部结构经历机械变软，因此所选择的具有最佳热膨胀和热机械性质提高的内部芯材料，将以类似给汽车轮胎充气以增加橡胶的机械刚性的方式，改善混合的复合材料的刚性和机械强度。
与芯材料例如泡沫的使用相关的另一个优势是泡沫的绝热性质。通过降低热从结构元件的表面到复合材料的内部支持结构的传递速度，实现了显著的机械优势，从而使内部支持结构与热波动热屏蔽，并维持升高温度期间复合材料中细孔结构的增加的内部强度。
CTE在复合材料基质中可以特定，以改善结构材料和芯之间的表面功能性，从而减少由热循环在两种材料的接触界面上产生的剪切应力。聚氨酯泡沫的密度与发泡剂，通常是水成正比。水越少，细孔结构越紧密，这导致更高密度的泡沫。
在密闭的细孔结构中，控制通过由芯材料产生的热循环引起的内力可以通过特制CTE实现。芯材料的CTE可以通过调节芯材料中填充剂的量特制。例如，填充剂例如短纤维(chop fibers)和微球将在结构泡沫中具有低得多的CTE。玻璃球的CTE比大多数树脂材料的约小100倍。
玻璃球或陶瓷球比由发泡剂产生的泡沫孔具有大的多的抗压强度。因此，微球的加入将不仅提供特制泡沫的CTE的能力，而且它将用更高强度的细孔结构代替低抗压强度的细孔结构。
短纤维的加入在整个泡沫中戏剧性地增加了交叉结构的强度。申请人的机械模型分析清楚地显示不管机械结构如何，芯材料的存在产生材料强度的增加。该分析涉及挤出的PVC。有些挤出的PVC元件填充有短纤维，而有些没有。短纤维增加了结构元件的强度并降低了CTE。泡沫芯材料所选择填充剂的添加剂显示了类似的特性。为复合材料选择适当的材料是复杂的，因为复合材料不是均匀的材料。然而，复合材料要求起均匀结构的作用，而无结构偏差。模型清楚地显示加强纤维如何增加了复合材料的承载量。
人造纤维和填充剂可用于改善芯材料的机械性质以及降低CTE。理想的是，填充剂材料应该是环境稳定的，并且可处理成为所期望的几何构型，使得它们可以加入到结构设计中。纤维材料的实例包括玻璃纤维、碳和尼龙。这些纤维可以切割成具有所期望直径的特定长度，它们可以加入到注模法中，或者如果所期望的材料是泡沫塑料，则可购自塑料制备商。如果树脂是反应性材料例如聚氨酯泡沫，则填充剂和纤维可以在将反应性成分混合之前的液体阶段或者在挤出之前的泡沫混合室中混合。热膨胀系数直接与填充剂与塑料的体积比相关。
固体芯材料可以由具有高强度和快速固化时间的高密度聚氨酯、聚脲和环氧材料等制备。这些材料可以用填充剂或微球填充，以生成高强度的可注入芯材料。
在一个实施方案中，本发明的方法用于形成装饰用和建筑用目的的复合材料支架。该支架的顶部表面可以处理成或形成具有一定质地的修饰例如粗糙的、有槽的、有交叉孔的、有条纹的、有凹痕的、有裂缝的或木材颗粒质地。机械压花辊可以位于冷却校准器后面并且在挤出模头之后，以实现挤出的芯的表面纹理。任何一种质地可以通过该方法在芯例如木材颗粒等上产生。
附图简述
图1为具有用于增加机械稳定性和强度的内部支持结构的挤出模头的截面图；
图2为从图1的模头中挤出的挤出元件的截面图；
图3为具有注入系统的挤出模头截面图，该注入系统用合适的芯结构材料填充挤出元件的空隙区域；
图4为挤出元件的截面图，该挤出元件的空隙区域由可注入的合适的结构芯材料填充；
图5a和5b为具有标明“模型1”的构型的挤出元件截面图。图5a显示具有空的空隙的挤出元件，而图5b显示具有用合适的芯材料填充的空隙的挤出元件。
图6a和6b为具有标明“模型2”的构型的挤出元件截面图。图6a显示具有空的空隙的挤出元件，而图6b显示具有用合适的芯材料填充的空隙的挤出元件。
图7a和7b为具有标明“模型3”的构型的挤出元件截面图。图7a显示具有空的空隙的挤出元件，而图7b显示具有用合适的芯材料填充的空隙的挤出元件。
图8为适用于用作支持柱的挤出元件截面图，其中该柱的空隙用合适的芯材料填充。
图9为适用于用作支持柱的挤出元件截面图，其中该柱的空隙用合适的芯材料填充。
图10为适用于用作支持柱的挤出元件截面图，其中该柱的空隙用合适的芯材料填充。
图11为适用于用作支持柱的挤出元件截面图，其中该柱的空隙用合适的芯材料填充。
图12为图8的实心横梁应力分析表示图。
图13为在整个微球泡沫基质中存在纤维相互作用的结构芯材料截面图。
优选实施方案的描述
在详细解释本发明之前，重要的是要理解本发明不限于其在本文中所描述的实施方案和步骤细节中的应用。本发明能够有其他实施方案并且能够以各种方式实施或进行。应理解本文中所采用的措辞和术语是为了描述的目的而不是为了限制的目的。
现在来看图1，该图显示先有技术挤出模头10的截面。挤出模头10包括外模头元件12和限定模头壁16的内模头元件14。模头壁16限定了融化材料被强迫通过的通道18。一旦融化材料被强迫挤出模头10，将材料冷却，产生挤出元件，例如挤出元件19，如图2中的截面所示。
现在来看图3，该图显示改进的挤出模头20。挤出模头20包括外模头元件22和限定模头壁26的内模头元件24。模头壁26限定了材料被强迫通过的通道28。注入器通路30在内模头元件24中提供，以促进芯材料例如泡沫或其他材料的导入。因此，融化材料被强迫通过通道28并从模头20挤出，而挤出元件同时用芯材料填充。结果得到芯材料34位于其中的挤出元件32(图4)。
现在来看图5a-7b，具有用芯材料34填充的空隙的组合元件36、38、40和42如图5b、6b和7b所示。可挤出具有各种内部支持构型的组合元件36、38、40和42。例如，组合元件36显示具有垂直支持物42和对角支持物44的内部结构，其中空隙用芯材料34填充(图5b)。组合元件38显示具有对角支持物46，形成用芯材料34填充的空隙(图6b)。组合元件40显示具有用芯材料34填充的许多垂直内部支持物48(图7b)。其他构型也是可能的。
如在图8-11中可以看到的，复合结构横梁50、52、54和56显示具有各种内部支持结构，其中横梁用芯材料34填充。例如，横梁50显示无内部支持物并用芯材料34填充(图8)。横梁52显示具有对角支持物58和直角支持物60，并用芯材料34填充(图9)。横梁54显示具有第一和第二直角支持物62，它们限定了用芯材料34填充的四个相等大小的空隙(图10)。横梁56显示具有四个直角支持物64，它们限定了用芯材料34填充的九个空隙(图11)。其他内部支持物构型是可能的。
在一个实施方案中，例如图2和4的实施方案，将可注入的合适的结构芯材料34通过注入器通路30输入到挤出模头20中(图3)，而将结构材料强迫通过模头20。在挤出过程期间，必须确定最佳进料速度。作为实例，挤出元件的结构几何是具有1英寸×1英寸的尺寸和0.2英寸壁厚的示范性方形管。在优选的挤出方法中，计算可注入的合适的结构芯材料的进料速度，以达到最佳性能而不在组合元件上有害地增加应力。作为实例，刚性的聚氨酯泡沫或苯乙烯泡沫可用作可注入的合适的结构芯材料，即由Bayer，Baydur 726IBS制备的泡沫。如下所讨论其他材料也可以使用。为了计算最佳进料速度，遵循下列步骤。
步骤1计算泡沫从液体到固体的膨胀速度。可采用与泡沫性质有关的下列假设：
1g＝4.0cm3约基于泡沫自由起发密度
1g＝(4.0cm3(1in3/(2.45cm)3))＝0.27in3
步骤2计算每线性英尺基础正在填充的空隙体积。
1ft＝12in
空隙体积/英尺＝(12in)(1in)(1in)＝12in3
步骤3计算该复合材料的挤出速度/英尺。该计算基于设备驱动参数。对该实施例的目的而言，复合材料的挤出速度假设为10ft/min。
步骤4确定未膨胀泡沫的液体注入速度，以与该复合材料的挤出速度相匹配。步骤1中的膨胀计算、步骤2中的空隙体积计算和步骤3中计算的挤出速度用于确定步骤4。所计算的液体流动速度将允许复合材料完全填充结构，而不因体积膨胀不匹配而增大，或者在内部结构中产生空隙。步骤1中的膨胀计算、步骤2中的计算和步骤3中的挤出速度使得未膨胀泡沫的液体注入速度的计算与复合材料的挤出速度匹配。
10ft/min(12in3/1ft)(1g/0.27in3)＝444g/min
所计算的未反应泡沫材料的444g/min的液体流动速度填充10挤出板英尺/分钟，允许复合材料完全填充该结构，而不因体积膨胀不匹配而增大，及不在构造复合材料中产生空隙。该实施例集中在无纤维和结构填充剂的泡沫的膨胀特性，因为它们在注入后不改变物理体积。
大多数泡沫是两部分并且具有高度反应性。因此，质量流量控制器或体积流量控制器可与挤出的材料联合使用，以控制注入系统使得过程可以控制或在任何时间可以停止。
在一个实施方案中，将芯材料34手工注入到挤出元件的结构空隙或通道中，并将过量的芯材料34在程序结束时修整掉。如果密闭的结构用手工填充，则存在挤出元件将因可注入的芯材料34在挤出元件内部的过度膨胀而变形的可能性。虽然像泡沫这样的反应性材料可以用作可注入的合适的结构芯材料34，但是非活性材料，例如凝胶也认为在本发明的范围内。
现在来看表1-12，应力测试在各种结构材料的挤出元件及有和无芯材料的各种构型上进行。支架用间隔开16英寸的支持物支持。各元件的外部尺寸为5 1/2英寸×1 1/2英寸。元件的内部结构和壁的壁厚度为0.2英寸。挤出元件用刚性固定的终端固定并经受500lbf的测试负荷，该负荷由5 1/2英寸长×1 1/2英寸宽的元件在支持物之间中心支架的宽度上释放。
表1显示模型1的挤出元件数据，即具有垂直和对角内部支持元件的挤出元件(见图5a、5b)。该挤出元件的结构材料由PolyOneDuraflec LD800乙烯化合物-刚性(RPVC)组成。在例子1中，在无芯材料的存在下测试该元件(见图5a)。如从表1中可见的那样，在测试期间该元件经历的最大挠度(deflection)为0.0229英寸。在例子25中，具有相同构造但是用Bayer material Science Baydure STR/C-405MR，聚氨酯复合材料SRIM泡沫，45％玻璃填充的芯材料填充的元件经历了仅0.00944的挠度。在例子45中，具有相同构造但是用Bayer materialScience Baydure STR/C-405IMR，聚氨酯复合材料SRIM泡沫，60％玻璃填充的芯材料填充的元件经历了仅0.00706的挠度。因此，可见泡沫填充的结构展示出抗挠曲性的增加，即展示出更大的强度。另外，可见通过增加玻璃纤维的含量，挠度的量进一步减少，即该元件的强度进一步增加。该趋势可以在挤出元件的各几何构型中观察到，即参考表1-12中的各构型。对某些材料和构型，例如表2和9中所列的材料和构型而言，通过增加玻璃填充剂的百分比而增加的性能是可以忽略的。据信测试力的进一步增加将在具有45％玻璃填充的和60％玻璃填充的泡沫的元件中产生强度差别。这也说明成本节约可以采用减少PVC的壁厚度和用泡沫增加空隙体积。
总之，表1-12显示组合元件强度的改善可通过将纤维掺入到芯材料中实现。
可以考虑内部芯材料的热膨胀与热塑性材料的热垂挂的相互作用关系，以选择与特定的塑料一起使用的理想的泡沫。因为结构元件的内部交叉元件和外部结构随着温度的升高经历机械弱化，因此所选择的具有最佳热膨胀系数(CTE)和高挠曲温度的内部芯材料将改善混合的复合材料的刚性和机械强度。
控制CTE的一种方法是通过加入结构填充剂。例如，加入微球以与泡沫混合。40％-50％(体积)的玻璃微球的加入将降低芯材料的重量并将使CTE减小约40％-50％。玻璃微球具有有利的性质，这些性质包括微球是刚性坚实的，即基本上是不可压缩的事实，并且在聚氨酯基质中具有优良的粘合力。玻璃微球是化学和热稳定的，根据制备具有接近零的水吸收。玻璃微球粒度允许优良的机制能力并具有平滑表面。
所选择的玻璃微球的量的加入使得所得泡沫芯能够特制成相对于结构材料的CTE具有期望的CTE。已知材料的CTE的实例可在下表A中找到。
表A
  种类   CTE，线性20℃
  PolyOne Duraflex LD800乙烯化合物-刚性(RPVC)   61.2μm/m-℃
Bayer 90μm/m-℃
  Generic Advantage   5.8μm/m-℃
  PolyOne Fiberloc 97510乙烯化合物-刚性(RPVC)，玻璃填充   39.6μm/m-℃
  PolyOne Fiberloc 97520乙烯化合物-刚性(RPVC)，玻璃填充   30.6μm/m-℃
  PolyOne Fiberloc 97530乙烯化合物-刚性(RPVC)，玻璃填充
  Bayer Material Science Baydur STR/C-400BB，聚氨酯复合SRIM泡沫，60％玻璃填充，MDI-基2-组分液体系统   14μm/m-℃
  Bayer Material Science Baydur STR/C-405IMR，聚氨酯复合SRIM泡沫，45％玻璃填充，MDI-基2-组分液体系统   26μm/m-℃
  North Wood Plastics HDPE，含有20％木质纤维
  North Wood Plastics HDPE，含有40％木质纤维   58μm/m-℃
  North Wood Plastics HDPE，含有60％木质纤维   36μm/m-℃
  North Wood Plastics HDPE+UNIFILL 60％(20％木质纤维)
  North Wood Plastics HDPE+UNIFILL 60％(40％木质纤维)
  PolyOne Duraflec LD800乙烯化合物-刚性(RPVC)   61.2μm/m-℃
  Bayer Material Science Baydur 726IBS，聚氨酯结构泡沫RIM，密度55pcf，MDI-基2-组分液体系统   90μm/m-℃
  Generic Advantex玻璃纤维   5.8μm/m-℃
在下列实例中，结构填充剂用于减少复合芯材料的CTE和密度。下面的表B显示微球泡沫比率和不同微球浓度的泡沫材料的CTE。
表B
  填充20％   填充30％   填充40％   填充50％   粒度/微米   等压压碎强度
  CTEum/mC   73   64   55.5   47
  K1   0.728   0.625   0.576   0.5   120μ   250psi
  K15   0.734   0.661   0.588   0.515   115μ   300psi
  K20   0.744   0.676   0.608   0.54   120μ   500psi
  K25   0.754   0.691   0.628   0.565   105μ   750psi
  K37   0.778   0.723   0.676   0.625   85μ   3,000psi
  K46   0.796   0.754   0.712   0.67   80μ   6,000psi
已知的PVC材料，例如PolyOne Duraflec
Figure A20068003930100171
LD800乙烯化合物-刚性(RPVC)的CTE根据ASTM D696已知为61.2μm/m-℃(来自上表A)。表B(就在上面)显示特定实例泡沫，即Bayer Bayder 726IBS刚性聚氨酯泡沫的性质，该泡沫在结构填充剂加入之前的起始参照密度为0.88g/cc及CTE为90μm/m-℃。通过特定结构填充剂的量，在CTE为3.3μm/m-℃的3M Scotchlite Glass Bubbles K系列的例子中，可将所选择量的结构填充剂掺入到泡沫中以产生所得泡沫，其中PVC结构材料的CTE和泡沫芯的CTE可以优化。在该实例中，优化CTE所需的填充剂的量为在30％或40％填充之间。在该实例中，用K20微球填充40％得到CTE为55.5μm/m-℃的泡沫。新混合物的密度为0.608g/cc。
虽然上述实例显示如何可以选择结构材料和泡沫芯的CTE以减少CTE差别，预计可以选择结构材料和泡沫芯的CTE的任何期望的关系以达到所期望的结果。
现在来看图13，该图显示与短纤维102组合的微球100允许新的创新并进一步提高了复合泡沫104内的结构稳定性。聚氨酯的细孔泡沫结构104可以通过改变发泡剂特制。固体填充剂例如微球100，与纤维102的存在相结合的影响将极大地加强整个复合材料。例如，直径为7微米的1/8英寸短纤维102可以位于微球100和泡沫104的体积比为50％∶50％的泡沫104的内部。纤维102将与微球100接触并粘合。3M
Figure A20068003930100181
制备的最大的微球100为120微米。50％固体泡沫基质内部的1/8英寸纤维102因此将具有与5,200微球100的表面接触并粘合的可能性。泡沫材料104具有弹性性质而固体颗粒100不具有。因此，固体颗粒100在泡沫基质中将像具有纤维102的锚系统一样起作用，它将限制纤维102必须在树脂基质内部运动的自由度。该现象减少了增加硬度所必需的纤维102的量，因为固体材料100的锚定性质与微结构几何中的纤维102相互作用。
采用上面描述的方法，可见结构泡沫可以特制以满足航天工业的要求。一般而言，航天用结构泡沫复合材料的标准包括热稳定性和低的CTE、低密度和轻重量(10-15lbs/ft3)、结构的刚性、良好的内部强度、操作温度在170°F以上、可机制、密闭的细孔、低水吸收、可控制的固化时间、化学稳定、对环氧化物优良的粘合性及可铸塑成任何长度的材料。
在设计航天用结构芯材料时，微球将需要以高百分比率加入，例如40％-80％(体积)以降低该结构芯材料的CTE和总密度。
如果必须增加整个芯材料的机械尺寸稳定性的话，纤维添加剂可以少量掺入到该设计应用中。加入纤维的缺点是纤维的加入增加了该组合元件的重量。因此，可使用少量适当选择的短纤维，即4％-10％(质量)作为起始点，对达到所期望的结构性能应该是足够的。微米范围内的小直径短切玻璃纤维提供具有化学、机械和热稳定性的低水分吸收益处。此外，所得复合材料是可机制的，并且短切玻璃纤维提供与氨酯优良的粘合性。
上面描述的方法可用于制备具有期望的属性的复合木材。复合木材采用本发明方法可以制备成具有最大到或高于170°F的优良的热机械稳定性、低水分吸收、成本节约减少的结构材料、可控制以使制备最大化的固化时间、阻燃剂性质、抗昆虫性质、抗真菌性质及易于用轮锯切割。
聚氨酯结构泡沫是目前存在的最成本有效的泡沫基质。聚氨酯泡沫可以基于已证明成功的添加剂配制成对火、昆虫和真菌有抗性。根据挤出的结构化学材料的选择和泡沫是填充的还是未填充的，芯材料的结构完整性显著改变。然而，因为机械和热性质优越优选PVC材料而不是聚乙烯或聚丙烯。
结构添加剂可用于节约成本。可使用天然纤维以及短玻璃纤维，因为PVC可防水，这保护了天然纤维免于降解。更高百分比的纤维将导致更高结构硬度。优选30％-50％(重量)并且比率为50％大麻纤维和50％玻璃。玻璃纤维对热更稳定但是天然纤维更成本有效。通过采用上面所列的高纤维比率，可使用增加的量的发泡剂，这将降低泡沫的密度而不牺牲结构的完整性。也可加入少量的固体颗粒例如玻璃微球或热解法二氧化硅以特制CTE。该特制将使材料能够起在复合材料组分之间均匀地促进最佳机械热稳定性的作用。
在泡沫塑料的情况中可采用前面提到的相同的结构促进。结构填充剂和纤维的引入可以在从原材料供应器中挤出之前或在与发泡剂或机械注入的气体接触之前的混合步骤中引入到热塑性材料中。在机械注入的气体的情况中，结构填充剂和纤维可以通过通入压缩气体掺入到塑料中，它含有适当混合物量的结构颗粒和纤维。
塑料也可以掺入UV稳定剂。UV稳定剂趋向于随时间减少。UV稳定剂可以作为添加剂掺入到该塑料的整个厚度中。在使用中，UV侵袭通常来自阳光。因此，塑料复合材料需要保护性UV涂层而不是内部的UV稳定性。
具有优良耐磨性和不随时间损失UV稳定性的UV涂层的非光滑表面将对上面描述的复合系统有益，特别是在应用于产生用于家庭装饰的复合木板的方法中时。非光滑涂层可通过加入填充剂例如沙子、微球或其他小的硬颗粒制备。这些颗粒将加到制备过程的不同区域中。第一个应用将在压花轮之前采用粉末涂料从而将小颗粒包埋到该复合材料的表面中。过量的材料然后可以从表面真空吸去并回收。然后可以采用具有UV添加剂以及耐磨颗粒的喷涂密封剂。该涂层将具有半透明染色的外观，赋予压花的木材颗粒木材天然着色的样子。将压花工具展开留下类似于木材颗粒特征的凹槽，这使得涂层在木材颗粒图案中变厚和变黑，以模拟真实木材的外观。选择具有适当颜料水平的适当的涂料系统可以帮助将木材颗粒密封到复合材料中，以及使WPC的不一致的颜色变化平坦。该塑料仍将需要碱性颜料添加剂使得如果涂层被刮破或损伤将无强烈的颜色差别。也可能向消费者提供刮擦修复系统，以当刮痕被密封时与它们的美学颗粒图案相匹配。有各种可以使用的涂料。例如聚氨酯、聚脲和具有各种固化可能性，例如室温、加热和催化固化的丙烯酸类涂料。
复合材料工业已经开发了各种可用于产生具有所期望的性质的结构材料的材料。预计泡沫工业可制备强度大于木材本身的泡沫，该强度可以通过采用本发明的增强泡沫材料的方法提高。图9显示可能要求持久的外壳或者泡沫可具有持久的自身结皮过程，其中泡沫在固化时产生其自己的持久外壳。
因此，本发明非常适用于实现上面提及的以及那些本文中固有的目的及达到目标和优势。虽然为了本公开的目的已经描述了目前优选的实施方案，但是对本领域技术人员而言许多改变和修改将是显而易见的。这些改变和修改包括在由权利要求限定的本发明的宗旨内。
Figure A20068003930100231
Figure A20068003930100251
Figure A20068003930100261
Figure A20068003930100271
Figure A20068003930100281
Figure A20068003930100291
Figure A20068003930100301
Figure A20068003930100311
Figure A20068003930100321
Figure A20068003930100331
Figure A20068003930100341
Figure A20068003930100351

Claims (25)

1.一种制备挤出的组合元件的方法，所述方法包括以下步骤：
将结构材料通过模头挤出形成其中限定空隙的伸长结构；
将所述空隙用包含纤维和基本上不可压缩的填充剂材料的芯材料填充，以强化所述挤出的组合元件。
2.权利要求1的方法，所述方法还包括以下的步骤：
确定所述结构材料的热膨胀系数；
及
调节所述填充剂材料在所述芯材料中的量，以使所述芯材料相对于所述结构材料达到期望的热膨胀系数。
3.权利要求2的方法，其中所述芯材料的所述期望的热膨胀系数为选择用于减少所述芯材料和所述结构材料之间的剪切应力的热膨胀系数。
4.权利要求1的方法，其中所述芯材料为泡沫。
5.权利要求4的方法，其中所述芯材料为聚氨酯复合泡沫。
6.权利要求1的方法，其中所述纤维选自合成的、天然的和矿物纤维。
7.权利要求1的方法，其中所述纤维与至少某些所述填充剂材料接触并粘合，以强化所述元件。
8.权利要求1的方法，其中所述纤维占所述泡沫的重量大于约45％。
9.权利要求1的方法，其中所述纤维占所述泡沫的重量大于约60％。
10.权利要求2的方法，其中所述填充剂材料为微球。
11.一种制备挤出的组合元件的方法，所述方法包括以下步骤：
确定结构材料的热膨胀系数；
将选择量的填充剂材料加入到芯材料中，以使所述芯材料相对于所述结构材料达到期望的热膨胀系数；
将所述结构材料通过模头挤出形成其中限定空隙的伸长结构；
将所述空隙用所述芯材料填充。
12.权利要求11的方法，其中所述芯材料的所述期望的热膨胀系数为选择用于减少所述芯材料和所述结构材料之间的剪切应力的热膨胀系数。
13.权利要求11的方法，其中所述芯材料为泡沫。
14.权利要求11的方法，其中所述芯材料为聚氨酯复合泡沫。
15.权利要求11的方法，所述方法还包括以下步骤：
将纤维加入到所述芯材料中，以强化所述挤出的组合元件。
16.权利要求15的方法，其中所述纤维选自合成的、天然的和矿物纤维。
17.权利要求15的方法，其中所述纤维占所述泡沫的重量大于约45％。
18.权利要求15的方法，其中所述纤维占所述泡沫的重量大于约60％。
19.一种制备挤出元件的方法，所述方法包括以下步骤：
将纤维和基本上不可压缩的填充剂材料掺入到泡沫材料中；
将所述泡沫材料通过模头挤出形成伸长的元件。
20.权利要求19的方法，其中所述填充剂材料包含微球。
21.权利要求19的方法，其中所述纤维选自天然的、合成的和矿物纤维。
22.一种制备挤出的组合元件的方法，所述方法包括以下步骤：
将选择量的填充剂材料加入到芯材料中，以使所述芯材料相对于所述结构材料达到期望的热膨胀系数；
将所述结构材料通过模头挤出形成其中限定空隙的伸长结构；
将所述空隙用所述芯材料填充。
23.一种制备挤出元件的方法，所述方法包括以下步骤：
将颗粒涂料涂布到挤出元件上；
将压花轮轧过所述元件，以将所述颗粒包埋在所述元件中，产生非光滑表面。
24.权利要求23的方法，所述方法还包括步骤：
将含有UV添加剂和耐磨颗粒的喷涂密封剂涂布于所述挤出元件，其中所述耐磨颗粒防止随后所述元件的所述UV添加剂磨损。
25.权利要求24的方法，其中：
所述压花轮轧过的所述步骤产生模拟的木材颗粒图案；及
所述涂布的密封剂在所述压花区域更厚，以产生天然木材颗粒染色的外观。
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