CN101541506A - 挤出多孔泡沫纤维质纤维-聚合物复合物的模系统和方法 - Google Patents

挤出多孔泡沫纤维质纤维-聚合物复合物的模系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生产多孔木料塑性复合材料的装置，包括：将复合材料从挤出机(12)的适配器传到过渡模板(30)的口，使均匀材料流到过渡模板；过渡模板，将材料流引到流动限制模板(60)，确保等量的材料传输到流动限制模板的所有区域；流动限制模板，向材料流提供足够阻力以增大流动限制模板上游的材料部分的熔化压力，并增强控制由于将所述流分为多个适合尺寸和形状的细流的限制所致的温度升高；压缩模板(70)，将从流动限制模板排出的分立流融合为单一材料流，并将熔化压力保持为防止材料中的空穴过早形成；成形模板(80)，设计为使材料成形为使得完全膨胀的材料接近所希望构型的形状，并控制空穴形成和膨胀的速率而产生大量均匀空穴。

Description

挤出多孔泡沫纤维质纤维-聚合物复合物的模系统和方法
发明人
Brian D Keller
David F Dostal
Terry C Laver
Alfred B England
相关申请的参见
本发明要求名称为“挤出式纤维质-聚合物复合物及其制造系统(Extruded Cellulose-Polymer Composition and System for MakingSame)”、序列号为60/844,827、且于2006年9月15日提交的美国临时申请的优先权，在此以参见的方式引入其全部内容。
技术领域
本发明涉及适于替代天然木料使用的挤出式木料-聚合物复合材料，并涉及用于制造所述复合材料的模、机器和方法。
背景技术
在此以参见方式引入Laver的美国专利5,516,472。Laver教示了在主要包括热塑性材料和纤维质填料的合成木料的挤出过程中使用分股模。分股模产生多股，并之后在模制模具中压缩和融合到一起。被压缩体然后通过成形模板，在此实现最终构型形状。这种排布不允许构型在排出成形模板之后膨胀，因而不能提供所希望的在多孔复合物中的密度降低。
多孔(即泡沫)的木料塑性复合物的挤出取决于复合物基体内气泡或空穴的形成。如果气体可在压力下引入，则其应在基体中被更均匀地分散，以形成具有更多数量空穴的更均匀的空穴结构。这种类型的结构作为更希望的结构被接受。压力在挤出过程中的变化是因对挤出物流的限制所致。所遇到的第一个问题是，适当变化压力，而同时产生具有足够大可用截面的构型。显然，大的构型比小的构型需要包括更小程度的挤出物流限制。
当挤出大的构型时，可以通过使所述流分别进入多个通道而增加限制量。一种分流方法在Wiley等人的美国专利3,573,152中呈现。Wiley等人教示了在模中使用多个口，其目的在于，当模开口对于产生发泡过程所需压力过大时，升高包含泡沫剂的熔化塑料体的压力。这些口分开而使得，当熔化塑料流由于存在通过发泡剂产生的气泡而膨胀并占据所述口之间的空间时，将发生所希望程度的膨胀。模的在所述口的下游的部分口包含膨胀的流，从而使其顺应某些所希望的形状但不迟滞所述膨胀。通过这种过程形成极低密度的泡沫。
使所述流分别进入多个通道导致第二个问题。分开的流必须再次融合回到一起以形成粘性结构。在挤出由Wiley等人描述的无填料聚合物泡沫的过程中，膨胀流易于相互粘合。将木料和/或其它填料添加到聚合物中产生了困难。结果形成的复合物流将在没有额外压缩的情况下不能充分粘合，这是因为在表面上的聚合物量已经由于添加的填料而减少。通过由Wiley等人提出的方法而生产的聚合物流过宽地分开，而不能产生制造均一结构的多孔复合物构型所必要的粘着体。需要在所述口之后压缩所述股或流。
由Laver提出的分股板将通过分开挤出物流而产生流限制，但口尺寸必须适于产生用于形成空穴的最优条件。由Laver呈现的模制模具也必须适于产生在不升高挤出物温度的情况下形成粘着体所必要的压缩量。
本发明的目的在于提供一种形成足够挤出物流限制的方式，以促成在挤出大构型时有效形成空穴所必要的压力升高，而且同时提供一种产生具有粘性结构的构型的方式。
发明内容
现在参见本发明的系统的示例性实施例的附图，本发明涉及一种用于从挤出机12中挤出多孔泡沫挤出物的模系统14，所述挤出机12包括排出开口13，并通过有机纤维材料与热塑性材料的混合物形成具有大致均匀空穴结构的复合物模制挤出物产品，所述模系统14包括以下板：
a.适配器模板20，其被可移除地连接到所述挤出机12，用于接收来自所述挤出机12的排出开口13的挤出物，所述适配器模板20包括前开口22、后开口23、和将前开口22连接到后开口23的流动通道26；
b.至少一个过渡模板30，其邻近于所述适配器模板20，所述过渡模板30包括前开口31、后开口33、和将前开口31连接到后开口33的流动通道32；
c.流动限制模板60，其邻近于所述过渡模板30，所述流动限制模板60具有前开口65、后开口67、和将前开口65连接到后开口67的流动通道63，其中，所述流动通道63包括多个分股通道68以分开挤出物流，其中，所述分股通道68具有直径和长度以向所述挤出物流提供足够的阻力压力，使得进入所述适配器模板20的挤出物的阻力压力增加，其中，阻力压力的增加改变了进入所述适配器模板20的挤出物，使得进入所述适配器模板20的挤出物具有更均匀空穴结构和更低密度的特征，其中，所述过渡模板30的流动通道32成形为使得流到所述流动限制模板60的挤出物确保等量的挤出物被传输到所述分股通道68；
d.压缩模板70，其邻近于所述流动限制模板60并包括前开口72、后开口74和流动通道76，其中，所述压缩模板的前开口72邻近于所述流动限制模板的后开口67，其中，所述压缩模板的流动通道76成形为将所述挤出物重组为单一的挤出物流，其中，进一步地，所述压缩模板的流动通道76成形为将挤出物的熔化压力保持在一定水平而防止挤出物材料中的空穴过早形成；
e.成形模板80，其邻近于所述压缩模板70并包括前开口82、后开口84和流动通道86，其中，所述成形模板的前开口82邻近于所述压缩模板的后开口74，其中，所述成形模板的流动通道86成形为接近最终挤出产品16的所希望构型的形状并控制空穴形成和膨胀的速率而产生大量均匀空穴。其中，所述过渡模板30、40和/或50的流动通道32、46和/或56的容量与所述成形模板80的容量的比率在105∶1至345∶1的范围。
本发明还涉及一种用于通过挤出机12形成多孔泡沫挤出物的方法，挤出机12包括排出开口13，并通过有机纤维材料与热塑性材料的混合物形成具有大致均匀空穴结构的复合物模制挤出物产品16，所述方法包括以下步骤：
a.在料斗10中混合纤维质材料和热塑材料；
b.将混合后的材料运送到挤出机12以形成挤出物；
c.将所述挤出物传送通过适配器模板20，所述适配器模板20被可移除地连接到所述挤出机12以接收来自所述挤出机12的排出开口13的挤出物，所述适配器模板20包括前开口22、后开口23和将前开口22连接到后开口23的流动通道26；
d.将所述挤出物传送通过邻近于适配器模板20的至少一个过渡模板30，所述至少一个过渡模板30包括前开口31、后开口33和将前开口31连接到后开口33的流动通道32，其中，所述过渡模板的流动通道32具有的形状被设计为将从所述适配器模板20的流动通道26排放的挤出材料转变为总体上更接近最终挤出产品形状的形状；
e.将被挤出的材料传送通过邻近于所述过渡模板30的流动限制模板60，所述流动限制模板60具有前开口65、后开口67和将前开口65连接到后开口67的流动通道63，其中，所述流动通道63包括多个相邻分股通道68以分开挤出物流，其中，所述分股通道68具有的直径和长度被设计为增大对所述挤出物的阻力压力，其中，阻力压力的增加改变了进入所述适配器模板20的挤出物，使得进入所述适配器模板20的挤出物具有更均匀空穴结构和更低密度的特征，其中，所述过渡模板30的流动通道32成形为使得流到所述流动限制模板60的挤出物确保等量的挤出物被传输到所述分股通道68；
f.将被挤出的材料传送通过邻近于所述流动限制模板60的压缩模板70，所述压缩模板70包括前开口72、后开口74和流动通道76，其中，所述压缩模板的前开口72邻近于所述流动限制模板的后开口67，其中，压缩模板70的流动通道76的前面72具有的构型等于流动限制模板60中的流动通道63内的所有通道68的区域加上共同限定构成流动限制模板60的流动通道63的多个通道68之间的区域的金属区域的构型，其中，所述压缩模板的流动通道63成形为将所述挤出物重组为单一的挤出物流，其中，进一步地，所述压缩模板的流动通道76成形为将熔化压力保持在一定水平而防止材料中的空穴过早形成；
g.将被挤出的材料传送到成形模板80，所述成形模板80邻近于所述压缩模板70并包括前开口82、后开口84和流动通道86，其中，所述成形模板的前开口82邻近于所述压缩模板的后开口74，其中，所述成形模板的流动通道86成形为接近最终挤出产品16的所希望构型的形状并控制空穴形成和膨胀的速率而产生大量均匀空穴；和
h.在冷却箱18中冷却被挤出的产品材料。
本发明还涉及一种具有大致均匀空穴结构的复合物模制产品，其通过纤维质材料和热塑性材料的混合物形成，其具有以下特性：
a.密度从050gm/cc至090gm/cc，
b.弹性弯曲模量在100ksi至250ksi的范围，
c.线性热膨胀系数(CLTE)为245x10-6in/in-°F至320x10-6in/in-°F，和
d.填料与树脂的比率从075∶1至1∶1。
这种方法的一个主要优点在于，最终模制产品在其离开模制模具之后几乎没有膨胀。这是由于在挤出机和模系统以及具有独特设计的板中的低温处理所致。
本发明的独特模系统允许组合的起始材料结合为成形均匀产品，其中，通过形成足够的挤出物流限制而促成在挤出大的挤出物构型时有效形成空穴所必要的压力升高，最终挤出产品具有所希望的空穴密度降低，本发明还提供一种产生具有粘性结构的构型的方式。
通过以下结合附图对本发明优选实施例进行的详细描述，本发明的目的和优点将被更全面地显示。
附图说明
图1是例示出本发明方法的流程图。
图2是例示出每种模板的本发明的模系统的分解透视图。
图3是例示出每种模板的本发明的模系统的剖视图。
图4A是图3所示适配器模板20沿图4D所示线4A-4A所取的剖视图。
图4B是图4A所示适配器模板20的前立视图。
图4C是图4A所示适配器模板20沿图4D所示线4C-4C所取的剖视图。
图4D是图4A所示适配器模板的透视图。
图5A是本发明的过渡模板30沿图5D所示线5A-5A所取的剖视图。
图5B是图5A所示过渡模板30的前立视图。
图5C是图5A所示过渡模板30沿图5D所示线5C-5C所取的剖视图。
图5D是图5A所示过渡模板30的透视图。
图6A是本发明的过渡模板40沿图6D所示线6A-6A所取的剖视图。
图6B是图6A所示过渡模板40的前立视图。
图6C是图6A所示过渡模板40沿图6D所示线6C-6C所取的剖视图。
图6D是图6A所示过渡模板40的透视图。
图7A是本发明的过渡模板50沿图7D所示线7A-7A所取的剖视图。
图7B是图7A所示过渡模板50的前立视图。
图7C是图7A所示过渡模板50沿图7D所示线7C-7C所取的剖视图。
图7D是图7A所示过渡模板50的透视图。
图8A是本发明的流动限制模板60沿图8D所示线8A-8A所取的剖视图。
图8B是图8A所示流动限制模板60的前立视图。
图8C是图8A所示流动限制模板60沿图8D所示线8C-8C所取的剖视图。
图8D是图8A所示流动限制模板60的透视图。
图9A是本发明的压缩模板70沿图9D所示线9A-9A所取的剖视图。
图9B是图9A所示压缩模板70的前立视图。
图9C是图9A所示压缩模板70沿图9D所示线9C-9C所取的剖视图。
图9D是图9A所示压缩模板70的透视图。
图10A是本发明的成形模板80沿图10D所示线10A-10A所取的剖视图。
图10B是图10A所示成形模板80的前立视图。
图10C是图10A所示成形模板80沿图10D所示线10C-10C所取的剖视图。
图10D是图10A所示成形模板80的透视图。
具体实施方式
参照Laver的文献用于说明复合木料挤出技术的常规方式。不同之处在于本发明的实际的多孔复合物挤出模，而且，在此引入Laver的文献以描述标准的挤出方式，除非另行说明。
本发明涉及木料-聚合物复合物产品、以及制造这种产品的方法和机器。本发明特别地涉及低温挤出机与模系统的组合。
纤维质材料：
本发明的纤维质纤维-聚合物复合材料的特征在于，其具有比现有技术中通常公认标准更高的纤维质纤维含量。现有技术通常要求包含大约50％纤维与50％热塑性材料的材料含量，不过本发明的材料优选地具有更高的纤维含量，所述材料通过采用本发明的连续低温挤出方法和起始材料的适当混合而可具有高至接近1∶0的纤维/热塑性含量。基本方法要求混合包括纤维质纤维和热塑性材料的基本类型的原材料。交联剂和过程润滑剂也可包括在基本混合物中。
本发明的一种优点在于，其可加入几乎任何种类的废弃纤维质纤维，从锯屑至塘泥和报纸。如前所述，任何纤维质材料可被用作原材料，包括：旧报纸，苜蓿，麦草浆，木屑，木颗粒，木粉，木薄片，木纤维，碎木，木胶合板，木层压板，洋麻，纸，纸板，稻草，以及其它纤维质纤维材料。纤维质纤维材料也可以包括：精细纤维素，例如棉或粘胶；和植物纤维，例如洋麻、竹或棕榈纤维、稻草；或者任何其它的纤维质纤维材料。在与其它起始材料结合之前，纤维质材料应被干燥至具有大约1％至9％之间的含湿量。优选的含湿量不超过2％。干燥技术是现有技术中已知的。适合的示例是由Premier Pneumatics公司(Allentown，Pa)制造的除湿干燥器。
热塑性材料：
热塑性材料主要用作过程流化剂。可以使用大多数类型的热塑性材料，其示例包括：多层膜；纯热塑性塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、低密度聚乙烯(LDPE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；和来自其它工业的废弃塑料锯屑以及其它可再循环的聚合物材料。虽然热塑性材料在制备起始材料时是优选材料，但其不是必要的。只要起始材料包括足够量的交联剂和润滑剂“塑化”挤出机中的混合物，则起始材料不必要求使用热塑性材料。
纤维质纤维与热塑性材料的比率因而在大约4∶1至1∶0之间。优选地，纤维质纤维与热塑性材料之间的比率大约为1∶1。
交联剂：
交联剂用于加强在多股纤维质纤维之间的结合而形成最终的均匀产品。交联剂在纤维素分子链上的悬垂羟基基团上结合。交联剂必须具有在相对较低的温度下形成强结合的特性。交联剂的示例包括：诸如异氰酸酯之类的聚氨酯，酚醛树脂，不饱和聚酯，和环氧树脂，以及它们的组合。酚醛树脂可为任何一级或二级树脂，且优选地具有低己烷含量。虽然起始材料可包括交联剂以加强纤维质纤维股之间的结合，但交联剂不需要形成本发明方法揭示的最终产品，只要热塑性材料和纤维质材料包括在起始材料中即可。
润滑剂：
在现有塑料处理技术中已知的生产销售的常用润滑剂用作过程助剂。典型润滑剂的示例包括：作为内部润滑剂的硬脂酸锌和作为外部润滑剂的石蜡类蜡。
其它材料：
其它可加入的材料在现有挤出技术中是已知的，并包括加速剂、抑制剂、增强剂、增容剂和发泡剂。加速剂、抑制剂、增强剂和增容剂是控制交联剂工作速度的制剂。加速剂被加入以增加交联剂反应的速度。加速剂的示例包括胺催化剂，例如，DabcoRTM BDO(Air Products公司，Allentown，Pa)和DEH40RTM(道氏化学公司)。抑制剂被加入以迟滞交联剂反应的速度。已知抑制剂的示例包括有机酸，例如柠檬酸。增强剂用于增加组分之间的反应性。增强剂的示例包括钴衍生物。增容剂用于在纤维质材料与热塑性塑料之间形成更有效的结合。增容剂的示例包括乙烯-马来酐共聚物。发泡剂被加入以降低密度。发泡剂的示例为CELOGENRTM TSH(Uniroyal Chemical公司)。
存在许多可制备起始材料的形式配方。下表包括四种示例(以磅表示材料)：
  配方   I   II   III   IV
  木粉   2500   2500   2500   2500
  聚乙烯   1500   1250   1500   750
  硬脂酸锌   075   150   100   125
  蜡   050   050   050   075
  酚醛树脂   150   000   000   850
  异氰酸酯   050   100   000   000
  环氧树脂   000   000   250   000
  催化剂   000   000   075   000
优选形式如下：
  材料   量(份)
  木粉(40目)   1000
  聚乙烯(HDPE)   400
  硬脂酸锌   30
  外部蜡   20
  酚醛树脂   30
  发泡剂   15
木粉被干燥至具有2％或更低的含湿量。聚乙烯(HDPE)和聚氨酯在螺带式掺混机中混合直到被吸收，大约为5分钟。其余成分被加入混合物中并被掺混大约3分钟或者被掺混直到在现有技术中已知的条件下被均匀混合。
现在参见附图，其中，相同的附图标记在图中始终涉及相同或相似的特征，图1例示出本发明方法的流出示意图。
料斗：
在第一步骤中，根据现有技术中的已知方法，纤维质纤维和热塑性原材料首先被破碎，并在掺混器8中与交联剂和过程润滑剂物理混合，且随后被置于进给料斗10中。纤维质材料通过现有技术中已知的传统颗粒细化设备被粉碎。这些设备可包括：研磨机，球磨机，切碎机，或能够将纤维细化至具有显著不同的颗粒尺寸或尺寸范围的粉末的其它设备。40目的粉末显示为具有最佳形式，不过已经通过较粗和较细材料均获得良好结果。
在加载挤出机12之前对材料的混合可通过任何简单的混合装置实现。在混合过程中不需要加热，而仅需要不同组分的均匀分布。转鼓可用于少量或较大批量类型的混合器，例如，可使用在现有技术中已知的螺带式掺混机。
用于这一过程中的典型进给料斗可为重力进给、低速进给、或强制进给(其也已知为“填料器”)的料斗，这取决于具体化合物的流体特性。
挤出机12：
这种原材料的混合物然后传输到被加热的挤出机12。挤出机12采用低温混合和挤出。这是独特的，因为大多数的塑料混合过程要求在相当高的塑化温度下混合。本发明的混合温度显著较低，优选地大约为180°F(82)。通过挤出机的材料形成大约185-200°F(85-93℃的特定温度的均匀材料体，这取决于具体化合物。本发明可通过任何容量的挤出机进行处理。在优选实施例中，可使用由Cincinnati Milacron制造的反向旋转相互啮合的双螺纹高压挤出机(CM-55-HP)。优选地，本方法通过双螺纹挤出机实现，其中，该挤出机被加热到足以在低温下将产品掺混到一起以形成均匀混合物的处理温度。
温度：
在低温高压挤出机12中，材料被掺混、加热并之后被压入模系统中。本发明的挤出机12仅要求产品被置于低于塑化温度的掺混或均匀化温度。挤出机12的温度受控于挤出速度、挤出机外部加热器、剪切动作和在模系统中的加热器，并通过热电偶和其它监控电路监控。热电偶的目的是监控每一位置的加热。整体温度例如为大约150-200°F(66-93℃)并显著低于热塑性流化剂的“真正熔化温度”。
流动速率：
挤出机12的流动速率可在大约100至2500磅/小时之间。在优选实施例中，流动速率在大约180°F(82℃)的温下大约为600磅/小时。离开挤出机12的产品实质上是无限制的圆块。可以使用不同尺寸的挤出机口，其范围从25毫米(mm)至72mm。在优选实施例中，使用38mm的口。
模系统14：
材料被掺混、加热并之后被挤出至模系统14中。模系统14由一系列模板构成，这些模板将在下文中参照图2-10说明。独特的模系统14允许起始材料结合并形成形状均匀的产品。每种所述板可通过现有技术中已知的材料制成以实现必要的目的。典型的材料包括铸铁和不锈钢。
被允许进入模系统14中的挤出物的量受控于如图4A-4D中详细例示的适配器模板20，并进一步受控于如图5A-5D至图7A-7D中分别例示的过渡模板30、40和50、如图8A-8D中例示的流动限制模板60、如图9A-9D中例示的压缩模板70和如图10A-10中例示的成形模板80的形状。流动限制模板60是本发明的基本部分。其余的模板被设计为提供所需的材料流动，从而使流动限制模板60生效。
适配器模板20
被挤出的材料经由适配器模板20而进入多孔复合物挤出模系统14。适配器模板20用作使材料从挤出机12通至过渡模板30、40和50的导管。
适配器模板20将模系统14连接到挤出机12的排出开口13。如图4A-4D中所示，适配器模板20包括前面24、后面25和流动通道26。流动通道26在直径上从前面24向后面25变窄。穿过适配器模板20的流动通道26被设计为将材料流均等地引导到过渡模板30、40和50的所有区域。通常，流动通道26可使用的尺寸在50mm至300mm的范围内。
图4B显示出适配器模板20的前立视图。适配器模板20的前面24包括：在流动通道26最接近挤出机12的端部的筒形前开口22，前开口22可适应于双螺纹挤出机12；和椭圆形后开口23。在适配器模板20的前面24的边缘的邻近处包含螺钉孔29，用于将适配器模板20紧固到挤出机12。
图4D以透视图方式显示出适配器模板20。适配器模板20的后面25包括椭圆形口27，椭圆形口27位于流动通道26的最接近于过渡模板30的端部处。适配器模板20的后面25进一步包括延伸部分28，延伸部分28被设计为套置在浅流动通道32内，其中浅流动通道32包括过渡模板30的一部分。第二组螺钉孔34包含在过渡模板30内以与适配器模板20的后面25的延伸部分28中的螺钉孔29啮合，用于将过渡模板30紧固到适配器模板20。
过渡模板：
如图5-7中所示，过渡模板30、40和50被设计用于过渡并将被挤出的材料流以均匀速率引导到流动限制模板60的所有区域。虽然在图中例示出三个过渡模板30、40和50，但在本发明的范围内，可在模系统14中使用一个或两个过渡模板。如果使用一个或两个过渡模板，则所述板的宽度将通常更厚。将过渡模板分为三个分立的模板30、40和50允许更容易地加工在此过渡模板中所需的复杂形状。
而且重要的是，在适配器模板20或过渡模板30、40、50的任何区段中的材料流中不形成文氏管效应，因为这将会导致局部的压力下降，从而可导致空穴过早形成。
过渡模板30：
被挤出的材料被重新成形并在过渡模板30中略微膨胀，如图5A-5D中所示。通常，过渡模板30是圆形金属板，大约15英寸厚，并且具有前面31、后面33和螺钉孔34。螺钉孔34从前面31延伸穿过模板至后面33。螺钉孔用于将所有不同模板组装为模系统14并可位于每种模板上的相同位置。如图2中所示，螺钉15适于穿过各相应模板中的螺钉孔以将各模板紧固到一起。
过渡模板30还包括之前参照适配器模板20描述的长形流动通道32。通道32的开口35的形状与适配器模板20的后开口23的形状基本相同，这允许当模板20和30相邻就位时挤出物从适配器模板20连续流动穿过过渡模板30。流动通道32将从适配器模板20的流动通道26排放的挤出物转变为总体上更近似完成产品16的形状的形状，如图2中所示。
类似地，过渡模板40和50的功能是将被挤出的材料转变为完成产品的形状，并使被挤出材料的外边缘的流速与被挤出材料中心的流速相等。
过渡模板40：
现在参见图6A-6D，过渡模板40类似于所示过渡模板30，并包括具有开口44的前面42，开口44的尺度和形状与过渡模板30的后开口36大致相同，从而使被挤出材料连续流动。长形流动通道46在尺寸上略微扩张，使得后开口48的尺寸大于前开口44的尺寸。类似于过渡模板30，过渡模板40设置有螺钉孔41，用于将过渡模板40接合到模系统14的其余部分。
过渡模板50：
现在参见图7A-7D，过渡模板50类似于所示过渡模板30和40，过渡模板50包括具有开口54的前面52，开口54的尺度和形状与过渡模板40的后开口48大致相同，从而使被挤出材料连续流动。长形流动通道56在尺寸上略微扩张，使得在后面53的后开口58的尺寸大于前开口54的尺寸。类似于过渡模板30和40，过渡模板50设置有螺钉孔51，用于将过渡模板50接合到模系统14的其余部分。
流动限制模板60：
现在参见图8A-8D，流动限制模板60包括平板62，平板62具有前面64、后面66和流动通道63，流动通道63包括可采用筒、缝、或其它形状的形式的多个平行设置的开口或通道68。被挤出材料被分为通过流动通道63的分立细流。这增大了材料流的阻力，这是因为，对于任何给定量，分立细流比一股粗流具有更大量的表面积。对于经过多通道68的材料流的阻力导致材料上游内的压力升高。
图8A-8D显示出长形区域内包含的多个孔68，其中孔68的形状类似于过渡模板50的后开口58的形状。所有的孔68可大致为圆形，相邻地穿过材料，并相互大致平行，且从前面64至后面67保持不变的形状。流动限制模板60的一个优选实施例包含直径大约为1/8英寸的孔68。单独股的孔面积可在一部分保持不变或者可在特定部分的位置变化以指示所希望的密度或体积要求。
在流动限制模板60中的开口68的数量、尺寸和长度适应于每一单独泡沫的构型，并可被设计为产生针对特定范围体积流速的最优压力升高。这种压力升高是生产多孔复合材料的基本部分。材料流克服这种阻力也产生热量。当材料流在多个开口68之间均等分开而使得所产生热量均匀分布时，流动限制模板60的效率最高。适配器模板20和过渡模板30、40、50被设计为向流动限制模板60提供均匀材料流。与其它的板类似，流动限制模板60包括用于组装的螺钉孔69。流动限制模板60在挤出机12内形成压力，这不仅使形成空穴的气体或水汽分散而使空穴结构均匀，而且使木粉更好地并入热塑性基体中。这种更好的并入为挤出物提供了有价值的性能。
在筒形流动通道68中的压力降低可通过以下关系描述：
其中：
L是筒形的长度，
M是材料流动通过筒形的稠度(稠度与基于粘性流动幂律的粘度相关，即，M为幂律常数)，
R是筒形的半径，
Q是体积流速(例如，立方厘米/秒)，
π＝314159，和
n是幂律指数。
术语“压力降低”是指在流动通道的入口与出口之间的压力差。根据更简单的术语，这意味着：
1、当流动通道的长度和流体的稠度(即粘度)增大或当流动通道的尺寸(即半径)减小时，筒形流动通道中的压力降低增大。
2、筒形流动通道中的压力降低随着流速增大而增大。不过，这种关系受到描述流体的幂律指数的影响。幂律指数是对于流体在其流动得较快或较慢时的情况的测度。例如，水具有的幂律指数为1。水的粘度不受其运动速度的影响。聚合物，即，可用于本发明中的塑料，是剪切变稀流体。这意味着，聚合物流动越快，则其粘度越小。或者说，聚合物流动越快，则其越稀。在这种情况下，所述指数小于1。本发明的多孔复合材料的幂律指数通常大约为024。
3、筒形流动通道中的压力降低以流动通道的半径的立方而减小。不过，这种关系也受到幂律指数的影响。
这样，当挤出物进入流动限制模板60中时，挤出物的压力受到以下因素影响：1)来自挤出机12并通过多个流动通道68分开且进入流动限制模板60中的材料的量，即体积流速；这是通过单独通道68的流速，其中上述公式描述了压力降低；2)单独流动通道68的长度；3)单独流动通道68的半径；和4)流体自身的特性。
因此，当流动通道68的长度增大时，压力也增大。进一步地，当流动通道68的半径增大时，压力增大。当更多流动通道68加入流动限制模板60时，通过每一流动通道68的流速减小，且压力减小。相反地，当流动通道68的数量减小时，通过每一流动通道68的流速增大，这使得流动压力增大。
压力是重要因素，这是因为每种气体在给定温度下具有特定压力，在此温度下，气体可溶解即溶化在与其混合的流体中。在本发明中，优选的是，基于两个原因而使得将形成本发明的复合物多孔结构的气体溶于复合物挤出物中。第一，空穴被更完全地分散。第二，当空穴溶解时，当气体从溶液中逸出时形成的空穴将更多，且因而更小。
对于矩形流动通道68也可保持类似的关系。在这种情况下，通道68的高度类似于筒形流动通道的半径。当通道68的高度增大时，压力减小。长度、流速、稠度和幂律指数的影响与其在筒形流动通道的情况下的影响相同。
由于流体流动通过流动通道所产生的热量是另一重要考虑因素。热量是重要因素，这是因为多孔复合物包括大量的空穴或气泡。空穴形成直到其壁变得薄至破裂。空穴可破裂而连通到外部，或者其可破裂而与相邻空穴连通结合，即，已知为合并的过程。空穴复合物中的空穴壁的强度与复合物温度直接相关。温度越高，则空穴壁越弱。流动通过筒形通道68的流体的温度与流动通道68的长度、流体的稠度、和流体的速率直接相关，即，流速越高，则速率越高。温度与流动通道68的半径反比相关。这意味着，较多流动通道68，即，每一通道中的较少流量，与较大的流动通道68相比导致较大的温度升高。较长的通道68导致较大的温度升高。这样，相同的因素导致对系统有害的温度升高，但导致有益的压力升高。这样，在基于通道68数量的流速与通道68的长度和半径之间必须实现平衡，使得压力足够高以溶解用于产生空穴的气体并保持温度足够低以保持空穴无损。
过渡模板30、40和/或50的容量与可用于流动通过流动限制模板60的任何给定通道68的挤出物材料的量相关。可用于流动通过任何给定通道68的材料的量取决于通道68的数量、将挤出物材料挤压通过过渡模板30、40和/或50的压力、以及在材料试图找到流动路径时设置在材料上的限制。如果过渡模板30、40和/或50的容量过小，则挤出物将被迫以高速流动并将易于冲过流动限制模板60的中心。流动通过中心中的通道68的材料将快于流动通过流动限制模板60的外部分的材料，导致在中心的材料过热。如果过渡模板30、40和/或50的容量过大，则挤出物将在一些区域中变得迟滞，从而减少了流动限制模板60的有效区域并导致在不迟滞区域中的材料流动快于必要速率，从而仍然导致过热。
在这两种情况下，完成的构型将由于空穴破裂而包含大孔隙和气腔。这样，如果过渡模板30、40和/或50的容量对于流动通道68的数量和复合物流的压力而言过小，则流动将更多地朝向流动限制模板60的中心而不是朝向侧部。这将增多在复合物流的中心中产生的热量。如果过渡模板30、40和/或50的容量过大，则材料将易于处于过渡模板30、40和/或50的外部分中并且流动快于在中心中的必要速率。通过以给定的时间间隔平衡过渡模板30、40和/或50的容量与通过过渡模板的材料的量，通过所有通道68的流量可实现均衡。这将使得在每一流动通道68中的温度升高更均等，从而使每一单独通道68不太可能过热。
压缩模板70
如图9A-9D中所示，压缩模板70包括：前面72、后面74、和具有前开口78和后开口79的流动通道76。压缩模板70被设计为将从流动限制模板60的单独流动通道68中通过的被挤出材料模制回单块被挤出材料，并且在流动限制模板60的后开口67与成形模板80之间形成线性压力降低。
在流动限制模板60的后开口67与模系统14的出口之间的一些部位，被挤出材料被保持的压力将降低至空穴开始在材料中形成的水平。如前所述，多孔(即泡沫)的木料塑性复合物的挤出取决于复合物基体内气泡或空穴的形成。如果气体可在压力下被引入，则气体将在整个基体中更均匀地分散，从而导致具有更多空穴数量的更均匀的空穴结构。这种类型的结构是所希望的。在挤出过程中的压力变化是由于对挤出物流的限制所致。压缩模板80用于将从流动限制模板60的孔68中排出的分立细流融合为单一的材料流，并使熔化压力保持在一定水平而防止材料中的空穴过早形成。
各股在压缩模板70中被压缩和成形。每个股的被加热的外表面用于使各股一起退火。此外，由于单独的股相对彼此被压缩，因而在每个股的外表面上的局部高温导致热固性材料结合到纤维素分子链上的悬垂羟基单元。如果交联剂被包括在起始材料中，则交联剂用于在每个股的外表面上形成放热反应，从而有利于使热固性材料结合到纤维素分子链上的悬垂羟基单元。类似于其它的板，压缩模板70包括用于组装的螺钉孔71。
压缩模板70的流动通道76的前开口72具有大的构型，其等于流动限制模板60中的流动通道63内所有通道68的区域加上限定共同构成流动限制模板60的流动通道63的多个通道68之间的区域的金属区域。所述构型快速渐缩(即变小)至与成形模板80的前面82的尺寸相等的尺寸。
随着挤出物行进通过此渐缩流动通道76，等量的材料必须行进通过压缩模板70的逐渐变小的后开口79。为此，挤出物材料必须更快地运动。这是外延流并导致压缩模板70中的压力升高。由于材料速度增加，将产生更多的热。压缩模板70的流动通道76应以单位长度15％至30％之间的比率渐缩。如果渐缩量小于15％，则压缩模板70中的压力将较低，通过流动限制模板60的单独流动通道68的材料将不会融合在一起，而且孔隙将出现在最终产品16中。如果渐缩大于30％，则加速将过大，从而导致热量积累，这将导致空穴破裂并再次在材料中形成孔隙。
成形模板80
如图10A-10D中所示，成形模板80包括：前面82、后面84、和具有前开口85和后开口87的流动通道86。初始空穴形成应发生在成形模板80的前面82处。由于复合物的高粘度和低熔化强度，有利的是，以极低速率初始膨胀。这有助于使形成空穴的气体分散并防止在被挤出构型内突然形成大的气腔。这通过以下方式实现：在接近于前面82的通道86处或成形模板80的入口处初始形成空穴，并控制成形模板80内的膨胀速率，使得当材料排出成形模板80的后面84时，多个空穴已经初始形成。这也是多孔复合物模系统14的外出口。
复合材料将在排出模系统14之后继续膨胀一些时间。膨胀量并不在各方向上相等，但与从构型质心至膨胀部位的距离相关。成形模板80在后面84的出口被设计为：使材料以一定方式成形为使得完全膨胀后的材料将接近所希望的构型形状。类似于其它模板，成形模板包括用于组装的螺钉孔81。
在本发明中，过渡模板30、40和/或50的流动通道32、46和/或56的容量与成形模板80的容量相关。2∶1的比率(过渡模板容量∶成形模板容量)是最优的。所述比率可在105∶1至345∶1的范围内。在小于105∶1的比率下，容量过小，将发生中心流加热。在大于345∶1的比率下，过渡模的容量过大，将发生迟滞。
这种方法的一个主要优点在于，模制产品在其离开模制模具之后几乎没有膨胀。这是由于在挤出机和模系统中的低温处理所致。
在本发明的范围内可设想任何形状的成形模板80，包括：装饰性家用模制品，例如，冠状模制品，壁装防护条，护壁板，门模制品，等等；画框；家具饰面；以及其它在此应用中提及的产品。在成形模板80中，保持最终形状。如果交联剂被包括在起始材料中，则交联剂在成形模板80中继续反应，从而将各股结合到一起。
冷却箱18：
模制产品16在离开成形模板80之后进给到通风冷却箱18，冷却箱18是用于将材料传送经过冷却处理的传送器系统(在现有技术中是已知的)，冷却处理可在负压下进行，特别是当产品具有中空芯时。代表性的传送器或冷却箱类型由Cincinnati Milacron生产。在优选实施例中，冷却箱18可包括真空水浴。模制产品16的长度由冷却箱的长度确定。因此，模制产品16的另一优点在于，由于可从系统中连续挤出而可能具有无限的长度。
模制产品16在通风冷却箱18中冷却并通过现有技术中已知的牵引机构(未示出)在滚子(未示出)上传输。被冷却的模制产品16然后使用传统方式被切制为所希望的长度。
模制产品16然后可被覆盖以乙烯树脂材料、塑料层、涂料或在现有技术中已知的适合涂层。在现有技术中已知的直进十字头挤出模可安装到牵引器下游，以施加已知化合物的胎面胶作为最终外部处理。
纤维素塑料复合物
由于所设计的流动特性，模系统14形成使被挤出复合材料具有最少摩擦热的流动限制。流动限制模板60在挤出机12内形成压力，这种压力不仅使形成空穴的气体或水汽分散而使空穴机构均匀，而且使木粉更好地并入热塑性基体中。这种更好的并入为复合物提供了有价值的性能。
通过多孔复合物挤出模14生产的纤维素塑料复合物挤出物具有以下独特性能。这种复合材料可基于通常未被分为工程树脂的热塑性树脂。聚乙烯是一个示例。根据本发明的由聚乙烯生产的复合材料可具有的密度从050gm/cc至090gm/cc，优选地从065gm/cc至075gm/cc，与此相比，树脂自身的密度为095gm/cc。这种复合材料的弹性弯曲模量在100千磅/平方英寸(ksi)至250ksi的范围内，与此相比，树脂自身的弯曲模量为150ksi。所生产的多孔材料在密度上低于传统的复合材料，例如STRANDEX材料(Strandex Corporation，Madison，WI)。传统的材料具有112至118克/立方厘米的密度。较低的密度使得多孔材料更易于固定、切制和成形。
使用本发明生产的基于聚乙烯的复合物具有的线性热膨胀系数(CLTE)为245x10-6in/in-°F至320x10-6in/in-°F，而与此相比，树脂自身的CLTE为70x10-6in/in-°F。这种复合材料包含比率(填料与树脂之比)为075∶1至1∶1的低成本填料。
将木粉并入聚乙烯复合物中允许以与木料相同的方式切制、平整、机加工和固定复合物，而同时可抗白蚁和真菌腐蚀并具有低密度。通过本发明生产的基于聚乙烯的复合物与其它纤维素塑料复合物相比具有更好的抗冲击性。由于摄入湿气所致的肿胀在这种复合物中(浸泡24小时之后为093％，)小于在木料中(对于西黄松为26％)或在高密度复合物(对于STRANDEX复合物为115％)中。这种在基于聚乙烯的多孔塑性复合物中的性能组合是独特的。
示例
现在参照以下示例。
包含100份/百份树脂(phr)高密度聚乙烯和67phr木粉的配方具有等于2815Pa-sec的粘度(幂律常数)和等于036的幂律指数。这些值可通过用于确定表现为幂律流体的聚合物挤出物的流变特性的任何标准方法确定。
这些值一旦已知，则可用于计算在挤出物流动通过各种尺寸和形状的通道时所产生的压力。描述在幂律流体流动通过一些简单截面通道时所产生的压力的通常公式由Kozicki提出(Kozicki，W，et al，″Non-Newtonian flow in ducts of arbitrary cross section″，Chemical Engineering Science，1966，vol21，pp 665-679)：
ΔP = LM R h [ 2 Q ( a + bn ) R h An ] n
其中：
ΔP＝在通道入口与通道出口之间的压力降低，
L＝通道长度，
M＝挤出物的幂律常数，
Rh＝通道截面的液压半径(面积/周长)，
Q＝体积流速，
a和b是取决于通道截面的几何形状的形状因子，
n＝挤出物的幂律指数。
如果希望具有标称尺度1×4(075英寸×35英寸)的多孔复合物，而且所希望的生产率和构型密度分别为6英尺/分钟和09克/方米，则根据本发明的这种构型的生产系统可通过以下方式设计。
通过给定配方所制成的挤出物的密度将大约为112克/立方米所希望的生产率给定为每分钟189立方英寸的密度为09g/cc的构型(075英寸×35英寸×6英尺/分钟×12英寸/1英尺)。这等同于每分钟3097立方厘米的密度为09g/cc的构型。生产此构型量所需的密度112g/cm3的挤出物的量为2489立方厘米/分钟或415立方厘米/秒。这是所希望的体积流速。
所希望的从112g/cm3到09g/cm3的密度变化将会导致三维膨胀。密度为09g/cm3的1cm3材料源自密度为112g/cm3的08036cm3的材料的膨胀。08036cm3是0930cm的立方量。因此，成形模的截面应为(075英寸×093＝070英寸)×(35英寸×093＝326英寸)。这等同于177cm×827cm。
假定已经实验确定，在1000kPa的压力下所使用的气体将开始逸出并形核(气泡初始形成)，且形核应在成形模的入口处发生，则可使用前述公式计算出成形模的长度为10cm，其中，形状因子a＝03358且b＝08428(a和b可使用由Kozicki提出的方法计算出)。
如果气体溶于挤出物中所需的压力为12000kPa，则在流动限制模中必须发生的压力降低大约为10000kPa。这种压力降低可通过使用15个矩形流动通道而获得，流动通道测量为254cm×05cm(a＝03441且b＝08531)且长度为76cm。流动通道将排布为使其纵向尺度平行并通过02cm的壁隔开。流动通道整个区域的尺度于是将为：高254cm，宽103cm。
模制模具的入口将顺应流动通道区域的尺度。此截面的面积将为2616cm2。模制模具的出口顺应成形模的尺度，截面积为177cm×827cm＝1464cm2。按照优选方式，单位长度的模制模具的量减少15％至30％，则模制模具的长度将在29cm至15cm之间。
过渡模的开口容量与成形模的开口容量的优选比率为21∶1。过渡模的入口顺应适配器模的出口尺度，而其出口则顺应流动限制模的流动通道区域的尺度。最简单的形状以直线连接这两种截面。这种形状可被构造，且结果形成的量通过使用电脑辅助绘图(CAD)程序而进行分析。这样的程序对于模设计者和机械师而言是公知的。过渡模的长度可通过试验和误差处理而确定。
应理解的是，本发明不仅限于在此例示和描述的部件的具体结构和排布，而是包括处于所附权利要求书范围内的各种修改形式。

Claims (20)

1、一种用于从挤出机中挤出多孔泡沫挤出物的模系统，所述挤出机包括排出开口，并通过纤维质纤维-聚合物复合材料形成具有大致均匀空穴结构的模制挤出物产品，所述模系统包括：
a.适配器模板，其被可移除地连接到所述挤出机，用于接收来自所述挤出机的排出开口的挤出物，所述适配器模板包括前开口、后开口、和将前开口连接到后开口的流动通道；
b.至少一个过渡模板，其邻近于所述适配器模板，所述过渡模板包括前开口、后开口、和将前开口连接到后开口的流动通道；
c.流动限制模板，其邻近于所述过渡模板，所述流动限制模板具有前开口、后开口、和将前开口连接到后开口的流动通道，其中，所述流动通道包括多个分股通道以分开挤出物流，其中，所述分股通道具有直径和长度以向所述挤出物流提供足够的阻力压力，使得进入所述适配器模板的挤出物的阻力压力增加，其中，阻力压力的增加改变了进入所述适配器模板的挤出物，使得进入所述适配器模板的挤出物具有更均匀空穴结构和更低密度的特征，其中，所述过渡模板的流动通道成形为使得流到所述流动限制模板的挤出物确保等量的挤出物被传输到所述分股通道；
d.压缩模板，其邻近于所述流动限制模板并包括前开口、后开口和流动通道，其中，所述压缩模板的前开口邻近于所述流动限制模板的后开口，其中，所述压缩模板的流动通道成形为将所述挤出物重组为单一的挤出物流，其中，进一步地，所述压缩模板的流动通道成形为将熔化压力保持在一定水平而防止材料中的空穴过早形成；
e.成形模板，其邻近于所述压缩模板并包括前开口、后开口和流动通道，其中，所述成形模板的前开口邻近于所述压缩模板的后开口，其中，所述成形模板的流动通道成形为接近最终挤出产品的所希望构型的形状并控制空穴形成和膨胀的速率而产生大量均匀空穴。
2、根据权利要求1所述的模系统，其中，所述纤维质纤维-聚合物复合材料所具有的纤维质纤维与热塑性材料的比率在大约4∶1至1∶0之间。
3、根据权利要求1所述的模系统，其中，进入所述适配器模板的复合材料具有的密度从050gm/cc至090gm/cc。
4、根据权利要求1所述的模系统，其中，所述过渡模板的流动通道的容量与所述成形模板的容量的比率在105∶1至345∶1的范围。
5、根据权利要求1所述的模系统，其中，所述过渡模板的流动通道的容量与所述成形模板的容量的比率为2∶1。
6、根据权利要求1所述的模系统，其中，所述压缩模板的流动通道以每单位长度15％至30％之间的比率渐缩。
7、一种通过纤维质纤维-聚合物复合材料形成具有大致均匀空穴结构的多孔泡沫挤出物的方法，所述方法包括：
a.在料斗中混合复合材料；
b.将混合后的复合材料运送到挤出机以形成挤出物；
c.将所述挤出物传送通过适配器模板，所述适配器模板被可移除地连接到所述挤出机以接收来自所述挤出机的排出开口的挤出物，所述适配器模板包括前开口、后开口和将前开口连接到后开口的流动通道；
d.将所述挤出物传送通过邻近于适配器模板的至少一个过渡模板，所述至少一个过渡模板包括前开口、后开口和将前开口连接到后开口的流动通道，其中，所述过渡模板的流动通道具有的形状被设计为将从所述适配器模板的流动通道排放的挤出材料转变为总体上更接近最终挤出产品形状的形状；
e.将被挤出的材料传送通过邻近于所述过渡模板的流动限制模板，所述流动限制模板具有前开口、后开口和将前开口连接到后开口的流动通道，其中，所述流动通道包括多个相邻分股通道以分开挤出物流，其中，所述分股通道具有的直径和长度被设计为增大对所述挤出物的阻力压力，其中，阻力压力的增加改变了进入所述适配器模板的挤出物，使得进入所述适配器模板的挤出物具有更均匀空穴结构和更低密度的特征，其中，所述过渡模板的流动通道成形为使得流到所述流动限制模板的挤出物确保等量的挤出物被传输到所述分股通道；
f.将被挤出的材料传送通过邻近于所述流动限制模板的压缩模板，所述压缩模板包括前开口、后开口和流动通道，其中，所述压缩模板的前开口邻近于所述流动限制模板的后开口，其中，所述压缩模板的流动通道成形为将所述挤出物重组为单一的挤出物流，其中，进一步地，所述压缩模板的流动通道成形为将熔化压力保持在一定水平而防止材料中的空穴过早形成；
g.将被挤出的材料传送到成形模板，所述成形模板邻近于所述压缩模板并包括前开口、后开口和流动通道，其中，所述成形模板的前开口邻近于所述压缩模板的后开口，其中，所述成形模板的流动通道成形为接近最终挤出产品的所希望构型的形状并控制空穴形成和膨胀的速率而产生大量均匀空穴；和
h.冷却被挤出的产品材料。
8、根据权利要求7所述的方法，其中，进入所述适配器模板的复合材料具有的密度从050gm/cc至090gm/cc。
9、根据权利要求7所述的方法，其中，所述挤出机在150°-200°F的温度和大约100-2500磅/小时的流速下操作。
10、根据权利要求7所述的方法，其中，所述适配器模板的流动通道具有的直径在50mm至300mm之间。
11、根据权利要求7所述的方法，包括至少三个过渡模板，用于将复合物转变为最终形状并使被挤出材料的外边缘处的流速与被挤出材料的中心处的流速相等。
12、根据权利要求7所述的方法，其中，在所述流动限制模板中的分股通道的数量和尺寸被设计为对于特定范围的体积流速产生最优压力增大。
13、根据权利要求7所述的方法，其中，所述分股通道采用筒或缝的形式。
14、根据权利要求7所述的方法，其中，所述过渡模板的流动通道的容量与所述成形模板的容量的比率在105∶1至345∶1的范围。
15、根据权利要求7所述的方法，其中，所述过渡模板的流动通道的容量与所述成形模板的容量的比率为2∶1。
16、根据权利要求7所述的方法，其中，所述压缩模板的流动通道以每单位长度15％至30％之间的比率渐缩。
17、一种具有大致均匀空穴结构的复合物模制产品，其通过纤维质材料和热塑性材料的复合混合物形成，其具有以下特性：
a.密度从050gm/cc至090gm/cc，
b.弹性弯曲模量在100ksi至250ksi的范围，
c.线性热膨胀系数(CLTE)为245x10-6in/in-°F至320x10-6in/in-°F，和
d.纤维质材料与热塑性材料的比率从075∶1至1∶1。
18、根据权利要求17所述的复合物，其中，所述热塑性材料是聚乙烯。
19、根据权利要求17所述的复合物，其中，所述纤维质材料与热塑性材料的比率为1∶1。
20、根据权利要求17所述的复合物，其中，所述纤维质材料具有的含湿量在大约1％至9％之间。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20090923