CN101657308A - 使用再利用毯废料的木材-塑料复合材料及其生产系统和方法 - Google Patents

Abstract

用作建筑材料的挤压复合材料包括原料聚合物、未分离处理过的再利用毯废料和充填材料，充填材料可以是木材纤维或其它天然纤维。再利用毯废料可以用于降低原料聚合物和木材纤维的用量，以较低的成本得到同等的产品。挤压复合材料还可以使用化学发泡剂来使密度减小。发泡和非发泡复合材料都可以被包覆。

Description

使用再利用毯废料的木材-塑料复合材料及其生产系统和方法

相关应用的交叉引用

本发明要求于2006年11月22日提交的名称为“Wood-PlasticComposites Using Recycled Carpet Waster and Systems and Methods ofManufacturing”的美国临时专利申请序列号No.60/860,872和于2007年3月21日提交的名称为“Foamed Wood-Plastic Composites Using RecycledCarpet Waste and Systems and Methods of Manufacturing”的美国临时专利申请序列号No.60/919,335的优先权，其公开的内容通过引用而全部结合于此。

技术领域

本发明涉及用于制造挤压复合材料的系统和方法，更具体地，涉及用于制造木材或天然纤维-塑料的挤压复合材料的系统，其采用再利用毯废料作为复合材料的成分。

背景技术

在过去的25年中，一种新型材料已经进入塑料产品的市场中。通常称为木塑料复合材料(WPC)或塑料合成材料(PC)的新型材料已经被允许进入建筑产品市场，例如用于户外铺板和围栏、墙板、屋顶以及各种其它产品。木塑料复合材料的市场被扩大，并且WPC目前除了被用在建筑产品以外，还被用在车辆产品中。

木塑料复合材料是木材或其它天然纤维与热塑材料混合成的产品。该产品可以通过传统的塑料工艺(诸如挤压或热压铸成型)来生产。例如，采用类似于传统的塑料工艺的挤压工艺生产许多建筑产品。在挤压工艺之前或者在挤压工艺的过程中，将木材和塑料材料混合。

在建筑产品市场中，木塑料复合材料通常与木材竞争。这种共享市场要求WPC要像天然木材一样执行尽可能多的不同应用。目前的WPC材料最常见的是木材或天然纤维与聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯(PVC)的复合材料。然而，目前市售的WPC存在某些缺陷。例如，如果复合材料中塑料与木材的比率太高或太低，成品可能不会具有理想的视觉外观或结构性能特性。这样的产品在市场上不受欢迎。此外，由于所使用的热塑材料成本较高，WPC的生产成本较高。

发明内容

本发明特征在于使用再利用毯废料，该毯废料含有聚酰胺(尼龙)、聚酯、聚丙烯和在制毯时使用的其它材料。可以在不会对挤压产品的物理特性带来有害影响的情况下完成再利用毯废料的添加。此外，加入再利用毯废料允许与传统木材-塑料复合材料相同的挤压处理和挤压机下游的处理。下游的处理包括涂刷、模塑、切割和压花。结合了再利用毯废料的木材-塑料复合材料也可以发泡并与包覆一起被挤压。此外，再利用毯废料的使用减少了与制造相关的材料成本，并且有助于改善毯废料的环境影响，否则其很可能成为废渣填埋。

在一个方面，本发明涉及到一种适合用作建筑材料的挤压复合材料，复合材料包括：原料聚合物、未分离处理过的毯废料以及充填材料，其中，原料聚合物、未分离处理过的毯废料以及充填材料形成基本上均匀的混合物。在以上方面的实施例中，挤压复合材料包括发泡剂。在另一个实施例中，原料聚合物可以从聚乙烯、高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)以及其组合中选取。在另一个实施例中，未分离处理过的毯废料包括从羊毛、尼龙、聚酯、聚丙烯、黄麻、剑麻以及其组合中选取的材料。在另一个实施例中，充填材料可以从木片、木屑、木头薄片、锯末、亚麻、黄麻、大麻、洋麻、稻壳、马尼拉麻以及其组合中选取。一些实施例中包括添加剂，其可以从着色剂、润滑剂、阻燃剂、兼容剂、偶联剂、防霉剂以及其组合中选取。

在以上方面的实施例中，挤压复合材料包括占重量约1％到约60％的处理过的毯废料。在另一个实施例中，复合材料包括占重量约10％到约40％的处理过的毯废料。在另一个实施例中，复合材料包括占重量约15％到约25％的处理过的毯废料。在另一个实施例中，复合材料的原料聚合物与充填材料的比率为约40∶60到约60∶40。在一些实施例中比率为约45∶55。

在以上方面的实施例中，未分离处理过的毯废料至少包括工业毯废料和消费者使用过的毯废料中的一者。在另一个实施例中，根据FCQA吸水测试经历30天的浸入水中测试后，复合材料在重量上显示的吸水量不超过约7.0％。在另一个实施例中，根据FCQA吸水测试经历30天的浸入开水中测试后，复合材料在重量上显示的吸水量不超过约10.0％。在另一个实施例中，根据FCQA吸水测试经历30天的浸入水中测试后，复合材料在重量上显示的吸水量不超过约15.0％。在一些实施例中，根据FCQA吸水测试经历30天的浸入开水中测试后，复合材料在重量上显示的吸水量不超过约17.0％。

在以上方面的实施例中，未分离处理过的毯废料至少包括粒化的毯废料和粉末化的毯废料中的一者。在另一个实施例中，复合材料包括包覆。在另一个实施例中，包覆可以从丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚氯乙烯化合物以及热塑材料中选取。在一些实施例中，包覆的厚度为约0.002英寸到约0.04英寸，或厚度为约0.01英寸。在另一个实施例中，原料聚合物是未分离处理过的毯废料。

在另一个方面，本发明涉及一种生产适合用作建筑材料的挤压复合材料方法，所述方法包括以下步骤：提供原料聚合物；提供未分离处理过的毯废料；提供充填材料，其中，充填材料是除了未分离处理过的毯废料以外的任意充填材料；混合并加热原料聚合物、未分离处理过的毯废料以及充填材料，以产生含有基本上均匀的混合液体的混合物；并且挤压混合物以产生用作建筑材料的挤压轮廓。在以上方面的实施例中，方法还包括提供发泡剂的步骤。在别一个实施例中，方法包括在挤压步骤中在混合物中形成空洞的步骤。在另一个实施例中，挤压混合物膨胀到空洞中，同时保持预定的挤压轮廓基本上恒定。在另一个实施例中，方法包括使挤压轮廓通过校准器的步骤。在一些实施例中，通过的步骤至少控制挤压轮廓的温度和环境压差中的一者，以获得预定的发泡复合材料轮廓。

在以上方面的实施例中，发泡剂至少包括放热发泡剂和吸热发泡剂中的一者。在另一个实施例中，发泡剂包括放热发泡剂和吸热发泡剂两者。在另一个实施例中，原料聚合物在第一区域被引入挤压机，并且发泡剂在第二区域被引入挤压机。在另一个实施例中，原料聚合物和发泡剂在第一区域被引入挤压机。在一些实施例中，方法包括通过模将混合物和包覆共同挤压到可挤压混合物的至少一部分上以形成挤压轮廓的步骤。

在以上方面的实施例中，方法包括将发泡剂引入挤压机的步骤。在另一个实施例中，方法包括准备未分离处理过的毯废料的步骤。在另一个实施例中，准备的步骤包括以下子步骤：提供包含织物和垫面的毯废料；切碎毯废料；将污染物从织物和垫面分离；并且粒化织物和垫面以形成未分离处理过的毯废料。在另一个实施例中，方法包括粉末化未分离处理过的毯废料的步骤。在一些实施例中，挤压机包括两个螺杆。

在以上方面的实施例中，原料聚合物至少在处理过的毯废料和充填材料中的一者的上游被引入挤压机。在另一个实施例中，原料聚合物和未分离处理过的毯废料在共用区域被引入挤压机。在另一个实施例中，充填材料和未分离处理过的毯废料在共用区域被引入挤压机。在另一个实施例中，充填材料和添加剂在共用区域被引入挤压机。在另一些实施例中，原料聚合物包含未分离处理过的毯废料。在另一个方面，本发明涉及根据上述的方法生产的适合用作建筑材料的复合材料。

附图说明

参照附图，根据以下对不同实施例的描述，可以更完整地理解本发明的其它特征和优点以及发明本身。

图1是根据本发明的一个实施例加工的纤维-塑料挤压复合材料的立体图；

图2是用于形成根据本发明的一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统的立体图；

图3是用于形成根据本发明的一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统的截面示意说明；

图4是用于形成根据本发明另一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统中使用的同向双螺杆挤压机的端视图；

图5是用于形成根据本发明另一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统中使用的Y块适配器和挤压模组件的透视图；

图6是用于再利用在根据本发明的一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料中使用的毯的系统的示意图；

图7是用于形成根据本发明另一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统的立体图；以及

图8是用于形成根据本发明另一个实施例的纤维-塑料挤压复合材料的系统中使用的同向双螺杆挤压机的端视图。

具体实施方式

该新型系统和方法可用于处理并组合具有纤维聚合物复合材料的混合物的再利用毯废料，从而以较低的成本形成具有同等性质的木塑料复合材料。

图1示出了根据本公开所形成的含有再利用毯废料的被挤压的木塑料复合材料10。被挤压的复合材料10一般包括一定尺寸的复合材料体12，其由包括一种或多种的原料聚合物和天然纤维的混合物形成。原料聚合物可以包括聚乙烯、高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、聚丙烯、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚氯乙烯(PVC)等材料，以及它们的组合。然而，在某些实施例中，原料聚合物完全被未分离处理过的毯废料取代，这将在下文更详细地描述。天然纤维或充填材料有助于使被挤压的复合材料10具有天然木材产品的外观和质感。如木材纤维等的天然纤维的种类包括木片、木屑、木头薄片、锯末、亚麻、黄麻、马尼拉麻、大麻、洋麻、稻壳等材料，以及它们的组合。

复合材料10还包括未分离处理过的毯废料，其可以在纤维聚合物混合物内被混合或分散，产生具有等效物理特性的WPC。再利用毯废料可以由工业或消费者使用过的毯废料被加工成颗粒状的或粉末状。按照所使用的毯的成分，再利用毯废料可以包括羊毛、尼龙、聚酯、聚丙烯、黄麻、剑麻等材料，以及它们的组合。至少部分由于以下将详细描述的处理控制，再利用毯废料被分散和分布遍及于被挤压的混合物中。此外，复合材料10可以包括添加剂，如着色剂、润滑剂、阻燃剂、防霉剂、兼容剂、偶联剂、其它材料，以及它们的组合。复合材料还可以包括化学发泡剂，并可以被包覆(capstock)。成分(即，充填物、原料聚合物、再利用毯废料、添加剂等)的相对的量可以针对特定用途按照意愿来改变。将在以下详细描述不同的成分的量、成分的比率以及成品复合材料的性质。

除非另有注释，当描述一个特定的应用、处理或实施例时，一种材料的使用不会将所述的应用、过程或实施例限制为所标识的具体的材料。材料根据这里所描述的教导可以被互换地使用。此外，如这里所描述的，术语再利用毯废料、毯废料、处理过的毯废料、木塑料复合材料(WPC)或塑料合成材料(PC)以及它们的变化被互换地使用，以描述未分离处理过的毯废料及由其制成的产品。

在某些实施例中，本发明包括用于形成塑料复合材料挤压件的系统。如图2和3所示，挤压系统100至少包括四个主要的设备，四个设备包括：供应设备或主给料器150，其分配原料聚合物(例如，粉末状与/或颗粒状的形式)；同向双螺杆挤压机102，其用于接收原料聚合物；第二侧给料器160，其将添加的材料(例如，如木材或天然纤维的充填材料、如着色剂的添加剂等)分配到挤压机102中以与原料聚合物混合；以及挤压模140，用于形成具有预定轮廓的复合材料挤压件。

在图2所示的挤压系统100中，挤压机102包括挤压圆筒120和一对同向旋转挤压螺杆110、112。挤压圆筒120限定了将材料(例如，原料聚合物、充填材料、添加剂等)混合并传送的内腔122(图4)。挤压圆筒120形成为包括多个分离的圆筒段128的组件。圆筒段128被串联设置，并且一起形成内腔122，其用作供应设备150和挤压模140之间的流动路径(即，用于运送各种材料)。挤压螺杆110、112的每个包括被封闭在内腔122内并从上游给料区域130延伸到挤压模140的多个分离的螺杆段116。螺杆段116可拆除、可更换，并且可以互换，并可以被设置为用来实现所期望的给料、传送、捏合(knead)以及混合的工序(参见当材料沿着挤压圆筒120的内腔122被传送通过挤压机时对材料执行的操作)。

挤压螺杆110、112以平行的关系设置，并被构成相对彼此同向旋转运动。挤压螺杆110、112的同向旋转运动将诸如原料聚合物、添加剂等的材料混合，并将这些材料传送通过挤压圆筒120。这些部件(即，挤压圆筒120和挤压螺杆110、112)的每个可以由商购部件制成。该处理过程也可以使用一种类似类型的双螺杆挤压机，其中螺杆相对于彼此以反向旋转运动而旋转。在反向旋转设置中，螺杆与上述的同向旋转运动的不同点在于：混合和分散没有那么强，并且与剪切混合相比更依赖于热量来以实现所有成分的混合。

如图2和3所示，挤压系统100至少包括四个主要的设备：供应设备150，同向双螺杆挤压机102，第二侧给料器160，以及挤压模140。供应设备150可以包括一个和/或一对螺杆(例如双螺杆)失重补偿计重给料器，用于固体材料(即，典型地为纤维、粉末与/或颗粒的形式)进入挤压机102的给料区域130的吞吐量。可以使用最大给料率在约50磅/小时至约2000磅/小时之间的一个或多个失重补偿给料器。当处理刚开始时，给料器还将材料直接传送到挤压机中。

仍参照图2和3，双螺杆挤压机102包括：(i)挤压圆筒120；和(ii)一对同向旋转挤压螺杆110、112。挤压圆筒120包括分离的圆筒段128的组件，其形成为大致连续串联连接。当与反向旋转挤压机相比，这样的设置提供了柔性，因为独立的圆筒段128可以被移动、拆除，并且/或互换，以提供不同的圆筒结构，例如以允许不同的给料(如入口)、真空或注入位置。此外，分段的圆筒段的结构提供了在进入挤压机102的多个入口(如132a所示)之间选择的柔性。例如，使用一个以上入口可以获得在混合物成分、产品特性以及外观方面更先进的挤压产品。每个圆筒段128限定圆筒孔，在组装时圆筒孔沿挤压圆筒120的长度形成大致连续的内腔122(例如从给料区域130向挤压模140延伸)。每个圆筒段128包括电加热元件(例如加热套筒(未图示))，以及用于逆流流体冷却的冷却孔(未图示)，它们一起用于优化动态调节和温度控制。

单个圆筒段128是从以下当中选择：开口圆筒(例如针对给料区域具有入口)、具有插件的开口圆筒(用于除气、计量或注入区域)、封闭圆筒，以及/或用于组合给料(例如，纤维或添加剂的侧给料)和排气的组合圆筒，其中每个圆筒的长度在约4英寸至约20英寸之间。如图3所示，挤压圆筒120至少包括两个分别用于与主给料器150和第二侧给料器160流体连通的开口圆筒段128a、128b。优选地，在相邻的圆筒段128之间的界面处形成大体上防漏的界面。相邻的圆筒段128例如可以用图2所示的螺栓结合凸缘127或C形夹圆筒连接器(未图示)连接。

参照图2，同向旋转挤压螺杆110、112提供了相对较高效类型的挤压机在挤压材料基质中分散和分配材料的能力。如所示，每个挤压螺杆110、112包括分段的螺杆布置，其中每个挤压螺杆110、112包括被装配在轴117上的一系列分离的元件(即，螺杆段116)。齿124(见图4)允许各个段116固定到轴117。适当的螺杆段可以从Oregon，lebanon的ENTEK制造公司商购。各个螺杆段116的每个可移动、可更换，并且可以选择具有不同的螺杆轮廓，从而允许可以根据具体应用与/或处理需要而定制的柔性螺杆轮廓设计。

在各种螺杆段轮廓中，各个段可以在以下当中选取：传送元件、混合元件、捏合元件，以及/或特殊元件。混合元件和捏合元件设计为不同的长度、螺距和螺距方向。捏合块由彼此间隔相等的具有相同或不同宽度的几个子段构成。可以设置捏合、混合、传送以及其它的段的顺序，以控制剪切、熔化，以及能量。此外，该混合处理为再利用毯废料和其它添加剂提供了均匀的熔化和受控的分散分布。分段的挤压螺杆110、112允许对螺杆轮廓的改变，例如，允许改变工艺参数、不同的物理特性，和/或挤压产品的表面外观。通常，螺杆段的总体直径保持不变，然而，螺纹的形状(例如升角和螺纹之间的距离)可以变化。

螺杆段116可以被设置为使挤压机102的约第一半提供相对较高的剪切和捏合(即，用于其中含有再利用毯废料的基体材料的分散性混合)，并且使挤压机102的约第二半提供相对较低的剪切(即，用于复合材料和着色剂的分配性混合)。这样的设置可以用于防止形成复合材料的聚合部分的一种或多种聚合物和添加剂的过度混合。

在一个示例实施例中，挤压螺杆110、112每个包括52个分离的螺杆段116，每个长度在约60毫米到约120毫米之间。这种特殊的结构限定了12个处理区域Z1-Z12，每个区域包括由一个或多个分离的螺杆段限定的螺杆轮廓的改变(例如，参见图4和表A-1)。在该实施例中，螺杆段116设置为使开始的五个区域(Z1-Z5)形成构造用于分散性混合(即，相对较高的捏合和剪切)的第一混合区域170，并且后七个区域(Z6-Z12)形成构造用于分配性混合(即，相对较低的剪切)的第二混合区域172。在分散性混合中，可以克服颗粒之间的粘着阻力，以达到较好水平的分散；分散性混合也被称为强混合。换言之，分散性混合包括混合物中分离颗粒的混合和分解。分配性混合目的在于改善成分的空间分布，且粘着阻力不起作用；其也可以被称为简单或泛混合。分配性混合允许分离的颗粒分开并扩展到混合物中，且基本上不会影响颗粒的尺寸和/或形状(即，不会分解颗粒)。

表A-1标识出本发明的不同实施例中采用的挤压机处理系统的典型的区域温度和其它详情。每个区域的温度的高低范围被示出。值得注意的是，所示的范围可以用于生产含有毯废料的WPC，也可以用于生产不含毯废料的WPC。此外，所示的范围还可以被用于使用未分离处理过的毯废料取代原料聚合物来生产WPC(即，未分离处理过的毯废料占成品复合材料中总塑料成分的100％)。以下将描述根据表A-1所示的范围所生产的含有毯废料的WPC的示例。所描述范围以外的温度和其它范围同样也可以。

	区域0设定摄氏度	区域1设定摄氏度	区域2设定摄氏度	区域3设定摄氏度	区域4设定摄氏度	区域5设定摄氏度	区域6设定摄氏度	区域7设定摄氏度	区域8设定摄氏度	区域9设定摄氏度	区域10设定摄氏度	区域11设定摄氏度	区域12设定摄氏度
														高低	6040	240190	240190	240190	240190	190180	180170	165155	155145	140130	135125	125115	120110

	适配器设定摄氏度	熔化泵设定摄氏度	Y块1设定摄氏度	Y块2设定摄氏度	Y块3设定摄氏度	模L1设定摄氏度	模L2设定摄氏度	模L3设定摄氏度	模R1设定摄氏度	模R2设定摄氏度	模R3设定摄氏度
												高低	155140	155140	155140	155140	155140	155140	155140	155140	155140	155140	155140

表A-1：包含毯废料的复合材料的加工参数

一般，传送和给料元件(例如，Z1、Z2、Z4、Z6、Z8、Z10和Z12)用来使材料从第一入口132a朝着挤压模140通过挤压圆筒120。捏合块(例如，参见Z3和Z6)提供(例如基体材料的)高剪切和分散。混合元件(例如，参见Z7、Z9和Z11)提供相对较高的颗粒分配(例如较高的纤维材料的分配)。螺纹升角(flight pitch)小于90度的区域提供对材料的压缩。螺纹升角约90度的区域对材料提供摩擦加热，略微有助于对材料的传送。螺纹升角大于90度的区域提供相对较高的传送。

参照图3和4，以及表A-1，区域Z0为环境温度。区域Z1和Z2被构造用于将材料从挤压机102的孔颈移开，并在将材料引导到区域Z3之前对其加热。更具体地，第一处理区域Z1被构造用于将冷的材料(例如，粒化的基体材料的混合物)从环境温度下的入口点(例如，主入口132a)移向第二处理区域Z2。第二处理区域Z2被构造在材料向第三处理区域Z3的方向移动时升高材料上的压力。组成第二处理区域Z2的开始的八至二十四段具有约90度的螺纹升角。在这部分，传送主要通过从第一处理区域Z1引入额外的材料来实现，导致了第二处理区域Z2中压力增加，从而迫使材料通过第二处理区域Z2。

处理区域Z3-Z5限定了高剪切部分。在该部分中，基体材料被彻底地分散到熔化的复合材料混合物中。区域Z6标志着向分配性混合区域172的转变。在该区域中纤维(作为充填物)和一些添加剂被加到熔化的复合材料混合物中。该区域中更大的120度的螺旋升角使沿区域Z6或其附近的传送提高，即，该区域较快地传送材料，从而防止了材料的冷却。区域Z7-Z9被构造成提供纤维充填材料和熔化的复合材料混合物的较高分配混合分配。第十处理区域Z10包括六到十二个分离的螺旋段。这些段限定了相对较高压缩的第一部分Z10a；接着是相对较低传送的部分Z10b，其允许材料膨胀，允许湿气上升到可以蒸发的外表面；以及相对较高压缩的第二部分Z10c。

第十一处理区域Z11是具有比较大的螺旋升角的混合区域，其提供提高了增大的传送以及巧妙的混合。第十二处理区域Z12从相对较高传送的第一部分(即，该区域以相对较高的流量/给料率移动材料，以防止在进入模140之前冷却)过渡到相对较高压缩的第二部分，使压力在挤压机102的末端126附近增大，以使材料受力通过挤压模140。

还是参照图2和3，一个或多个第二侧给料器160被设置用于将一种或多种添加的材料(例如，充填材料或天然纤维、再利用毯废料、着色剂，以及/或其它添加剂)分配到挤压圆筒中，即，用于与原料聚合物混合。第二侧给料器160例如采用单螺杆或双螺杆结构，使材料通过第二侧入口132b移动到挤压机102中。如图3所示，第二侧给料器160可以包括一个或多个用于分配纤维和再利用毯废料的失重补偿计重给料器166；以及如容量式螺旋给料器的多给料器阵列162，用于将多种着色剂(或其它添加剂)分配到挤压机中。从而，两种、三种、四种或更多种添加剂可以被从各仓斗164添加到挤压处理中。

第二侧给料器160可以被设置在主给料器150(这里原料聚合物被引入)和第一混合区域170下游的位置，从而充填材料、再利用毯废料和添加剂被分配到挤压机102中，以在第二混合区域172(相对较低捏合和剪切)中与原料聚合物混合。在共用区域引入充填材料、未分离处理过的毯废料和添加剂可以呈现特别的优势。例如，挤压螺杆110、112对纤维和添加剂的下游剪切和捏合作用小于对基体材料的上游的作用，从而提供了彻底混合的复合材料(即，包括原料聚合物、再利用毯废料和充填材料)。抑或/此外，再利用毯废料可以在主给料器150、主给料器150与第二侧给料器160之间，或第二侧给料器160的下游被引入。抑或，在未分离处理过的毯废料取代了更大量的原料聚合物(即，占到原料聚合物的约100％)的复合材料的实施例中，毯废料可以在主给料器150中引入。

如图5所示，系统可以包括Y块适配器200，其被设置在挤压机102的末端126处。Y块适配器200包括两个适配器部分202、204，其被分成大致被位置T1、T2、T3限制的三个温度区域。加热由加热套筒(未图示)执行。Y块适配器200限定了流动通路206，其将来自挤压圆筒120的内腔122的流动分为两个分离的流动路径208、209。

系统100还包括被设置在适配器200的末端210的挤压模140。挤压模140可以限定一对挤压通道142a、142b，每个通道对应流动路径208、209中相应的一个，以串列形成一对挤压的产品(即，挤压物)，每个挤压产品具有预定的形状(即，对应于挤压通道142a、142b的形状)。每个挤压通道142a、142b包括三个(或更多的)分离的部分L1-L3和R1-R3，L1-L3对应于142a，并且R1-R3对应于142b。这些分离的部分L1-L3、R1-R3沿挤压通道142a、142b平滑地过渡流动路径208、209的几何形状，以防止引入气泡、产生高压区域等。L1-L3和R1-R3每个包括分离的温度区域并采用独立的加热器来加热。

再参照图3，原料混合物190包括原料聚合物(在一个实施例中，聚乙烯混合物例如包括高密度聚乙烯(HDPE)、再利用HDPE，和/或经过再加工的HDPE)、再利用毯废料，以及其它添加剂(例如，原料着色剂、中间处理润滑剂、阻燃剂等)，这些通常形为固体颗粒状，例如粉末和/或颗粒。在一个实施例中，原料混合物190以约400磅/小时到约2000磅/小时之间的总给料率，从供应设备150分配到挤压机102的给料区域130。当使用反向旋转双螺杆挤压机时，其它适当的原料聚合物包括聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯和PVC。原料混合物190被电加热元件加热，并且当用挤压螺杆110、112将其从给料区域130向挤压模140以在约400磅/小时到约2000磅/小时之间的给料率被传送通过挤压圆筒120时被分散(即，聚合物颗粒和添加剂颗粒被混合并被分解)。

如上所述，挤压螺杆110、112限定了十二个分离的处理区域Z1-Z12，其中前六个处理区域Z1-Z6形成第一混合区域170(相对较高的捏合和剪切)，并且后六个处理区域Z7-Z12形成用于相对较低的剪切和混合的第二混合区域172。本发明的各实施例中使用的高温值和低温值在表A-1中示出，然而也可预期比所示的更高的或更低的温度。如表A-1所示，原料混合物190沿着前四个处理区域(即，Z1-Z4)被传送时，从约为60℃(区域Z0处的环境温度)的温度被加热到约240℃，并且在离开第一混合区域170之前逐渐冷却，从而形成彻底地混合的熔融塑料材料。在处理中的这一步，熔化的材料是原料聚合物(即高密度聚乙烯)、再利用毯废，以及添加剂的复合材料。

其它的材料，如充填材料(木材或天然纤维)和着色剂被添加以达到理想的物理特性和表面效果。木材或天然纤维使得到的WPC具有理想的硬度、刚度、外观或商业成功替代产品所需的其它的特性。着色剂用于外观效果。

再参照图3，多种天然纤维192(如木材纤维、大麻、洋麻纤维、马尼拉麻、黄麻、亚麻和稻壳)以及一种或多种添加剂通过一个或多个第二侧给料器160被计量进入挤压机102，以与熔化的复合材料混合。天然纤维192和添加剂194在靠近第六处理区域Z6的区域中被引入挤压机102。熔化的材料190被传送通过第二(相对较低的剪切)混合区域172时，天然纤维192和添加剂/着色剂194然后与熔化的材料190混合。熔化的复合材料沿着第十处理区域Z10附近被传送时，其先在约29in-Hg的真空下被压缩；然后材料被允许膨胀，允许使湿气升高到外表面进行蒸发；材料继而在约25至29in-Hg的真空下被再次压缩。当材料向挤压模被传送时，该过渡区域Z10除去湿气。如上面所详述选取螺杆段116，以提供纤维192在复合材料190中的较高分配，同时防止着色剂194与复合材料的过度混合。在该实施例中，天然纤维192以约400磅/小时到约2000磅/小时的速率被计量进入挤压机102。这里被引入到挤压机中的添加剂的量通常非常小，范围在5磅/小时到约50磅/小时。例外的是坯体(molder)与/或刀具切边(cutter trim)，其能以约50磅/小时到约300磅/小时的速率被添加；以及再利用毯废料，其能以约50磅/小时到约500磅/小时的速率被添加。除了在第二侧给料器160处添加添加剂，如果需要，可以在此处添加未分离处理过的毯废料。

通过可编程逻辑控制器180来控制所有用于主入口和用于第二入口的给料器。控制每种材料添加的量，以允许以具体量使用具体材料的最佳制剂控制。这些给料器的控制从而控制挤压的复合材料产品的物理特性。

当复合材料沿着第二混区域172向挤压模140被传送时，复合材料从离开第一混合区域170时的温度被逐渐冷却到约170℃至约180℃的温度。该冷却允许纤维192与熔化的复合材料190混合，而不会被处理温度所破坏。材料从区域Z11被传送到区域Z12时，材料被压缩，从而允许压力升高，例如，在挤压机出口处在约50bar到约90bar之间，用来使材料受力通过模。在一个实施例中，适配器和熔化泵位于挤压系统100的末端126。熔化泵校平系统100内的压力并增大挤压的材料的速度。表A-1还标出熔化泵处的材料的温度和压力的范围。复合材料然后被给料到Y块适配器(如果存在)，在那里被加热到约155℃的温度并被分成两个独立的流动，受力通过挤压模140的相应的挤压出口142a、142b以形成一对挤压复合材料部件。

以上所提到的未分离处理过的毯废料、再利用毯废料或别的毯废料指的是对工业毯废料和消费者使用过的毯废料中的一者或两者处理后得到的材料。工业用的毯废料来自毯加工过程，并且大部分是“切边”材料。这被称为织边。消费者使用过的毯废料是来自更换用过的或损坏的毯的材料。消费者使用过的毯废料通常是毯与不同面纤维的混合(amalgamation)。例如，消费者使用过的毯废料可以是羊毛、尼龙、聚酯或所有上述的纤维的混合。如果需要，再利用处理可以包括按面纤维的种类对毯废料的分类。大体上，任意种类的毯，新的或旧的，脏的或干净的，都可以被再利用并用于该发明中。

图6示出了用于对毯再利用以生产用于本发明的颗化的毯废料的系统的示意图。在一个实施例中，工业毯废料(织边)或消费者使用过的毯废料首先通过破碎机、切碎机或其它单元给料，将毯机械切割成约三英寸见方(3”x3”)的片，然而其它尺寸也是可预期的，例如约2”x2”至约4”x4”，这取决于所使用的设置。切碎机可以由Pallmann Maschinenfabrik，Vecoplan有限责任公司、Weima America股份有限公司，或其它适当的生产商制造。这些较小的片然后被给料到立式旋风分离器，在那里污垢和其它污染物被从毯材料中去除。切碎机然后将留下的绒头纤维切成或撕碎为长度约半英寸至约1英寸的无捻线圈。这些纤维然后通过另一个立式旋风分离器以除去污垢和其它留下的污染物。在这步中，也可以除去一些含有无机充填物的毯垫面。然而，大体上，在将再利用毯废料加入WPC之前，没有必要分离毯的各种成分。可以使用毯的所有成分，不是如毯纤维的仅仅一种成分。因此，由于不执行成分分离的步骤，生产时间、成本和所需的毯废料的总量减少。材料由于切碎过程而使尺寸稍减小，可以用于下一个步骤，即凝聚处理，同时污垢和可能从小块上移走下来的毯垫面材料被除去。然而，当根据这里的教导使用再利用毯废料时，没有被移走的毯垫面在被加入WPC时不会有任何负面影响。被切碎的毯废料材料或“纤维绒毛”还可以与其它材料混合(如木材或天然纤维、合成纤维(例如玻璃纤维)、无机充填物，或其它增强充填物)混合。纤维绒毛材料或混合材料然后被传送到凝聚步骤。

上述材料的凝聚在凝聚器内发生。材料进入水平鼓筒中，鼓筒包含旋转的旋转体，旋转体的形状形成为使纤维抵着鼓筒壁受力而起毛或混合。鼓筒壁是带孔的，从而当旋转体使所包含的材料抵着穿孔的壁受力时，该材料受力通过孔，从而形成直径大致均匀的股流。在鼓筒的外侧有固定的刀具，其将股流切成大体均匀的长度。在这个处理中，材料被摩擦加热到低于混合物中最高熔点材料的熔点的温度。温度被旋转体的速度、孔的直径以及鼓筒壁的厚度控制。当毯废料的每种成分，即垫面和毯纤维被压向鼓筒壁时，材料由于摩擦被加热，直到材料充分软化，从而受旋转体施压通过带孔的鼓筒。凝聚机械可以替换为Bliss Industries或California PelletMill Co.生产的制片机。

凝聚步骤形成的颗粒或微粒大体上是柱状的，并且直径约0.125”，长度约0.125”至0.25”。可以通过改变鼓筒壁中的孔的直径以及/或改变相对于刀具的转动速度来改变微粒的直径和长度。因为微粒在被形成并切为一定长度时是热的，一些微粒可能彼此粘连。因此，为了更好尺寸一致性，微粒接下来通过造粒机，使粘连的微粒分开。这个造粒机的步骤也可以用于减小微粒的尺寸，并且/或者，微粒可以通过磨粉机(未图示)进一步减小尺寸。例如，如果最终的期望尺寸小于0.125”，则磨粉机可以用于将颗粒的尺寸减小到8-16目。这相当于约0.04”到约0.10”。等于或大于约20目的其它尺寸也是可以的。这些颗粒或微粒可以根据需要被装袋、存储在料仓中，或者直接给料到挤压系统中。抑或/此外，毯废料可以被处理成粉末或其它理想的形状。可以使用尺寸为可以通过3毫米至4毫米的网筛的颗粒。除了图6所示的处理以外，其它的毯再利用处理和系统在于2007年8月29日提交的美国专利申请序列号No.11/846,865和于2006年8月31日提交的美国专利申请序列号No.11/514,303中描述，二者的题目都是“Carpet Waster Composite”，两者公开的全部内容通过引用而结合于此。

这里所用的从凝聚器中排出的材料也可以互换地被称为“未分离处理过的毯废料”、“经处理过的毯废料”、“毯废料”、“再利用毯废料”，或其变体。“未分离”实际指的是毯废料的各种成分在处理成复合材料之前没有必要彼此分离。实际上，从凝聚器中排出的材料的各个微粒是纤维(通常为尼龙、聚合物、聚丙烯等)与具有更低熔点的其它毯材料外层或涂层(垫面、粘着剂等)的结合。由于这种其它毯材料外层在凝聚处理中基本被熔化，从凝聚器中排出的各个具有涂层的纤维趋于彼此粘连起来。成粒器用于分离这些各个纤维颗粒。未分离处理过的毯废料趋于具有较高含量的矿物充填物(即，来自垫面材料的碳酸钙)。这种矿物充填物可以占到未分离处理过的毯废料总重量的约25％。在某些使用未分离处理过的毯废料的塑料复合材料中，该矿物充填物可能存在于相对较重成品中。然而，在这里所描述的形成的复合材料中，矿物充填物在成品总重量中占相对较少的比例。

通过保持挤压机的处理能力、维持(挤压机)下游的机械功能和所形成的物理特性的能力，至少部分地方便了将再利用毯废料引入木塑料复合材料。完全复制现有WPC的性能的目标最初由包括原料聚合物、纤维、添加剂，以及未分离处理过的毯废料的制剂控制。

表B-1示出了根据本发明可以在复合材料制剂中使用的各种成分的范围。具体地，通过主给料器引入的材料可以包括：HDPE颗粒(作为原料聚合物)、润滑剂、着色剂，以及再利用毯废料(CW-1P为工业废料，CW-2P是消费者使用过的废料)。也可以通过主给料器引入其它成分(例如重新研磨(粉末或薄片状)或再生产(repro)的材料)以替换在原料聚合物中使用的HDPE颗粒的至少一部分。重新研磨的材料是工业或消费者使用过的聚乙烯材料或两者的结合。再生产材料是挤压产品的生产中产生的再处理的挤压材料。侧给料器位于主给料器的下游，并可以用于引入木材纤维(枫木、橡木或其结合)、着色剂、再利用毯废料以及润滑剂。还包括不含任何再利用毯废料的基线(baseline)复合材料制剂，其含有：定量的HDPE颗粒、着色剂、充填物以及润滑剂。

表B-1：挤压复合材料的制剂

令人惊讶是，已经发现，再利用毯废料制剂产生的挤压产品具有与标准的木塑料复合材料基本上相同的性能和外观特性，并且可以在使用相同的螺杆轮廓和区域参数的挤压机中被处理。此外，木材纤维与总HDPE的比率大体上保持恒定，并且再利用毯废料被添加到固定的木材纤维/HDPE的混合物中。根据表B-1的成分范围和表A-1的处理范围产生的WPC的两个具体的例子如表D-1和D-2所示。使用再利用毯废料的WPC的原料聚合物与充填材料的比率可以在从40∶60到60∶40的范围，并且仍可展现适当的合格特性。某些实施例的原料聚合物与充填材料的比率约45∶55。除润滑剂外的所有添加剂保持为大体上恒定的混合比率，当添加未分离处理过的毯废料时，根据更大的混合物总重量调节润滑剂。

表B-1示出了用于生产合格的WPC所使用的每种成分的范围。其中示出了当使用原始原料聚合物时，所添加的再利用毯废料可以占总配制重量的约1％到约60％，并且仍可以保持挤压成分的合格的物理特性。某些实施例可以包括占总重量约10％到约40％的毯废料。其它的实施例可以包括占总重量约15％到约25％的毯废料。此外，如上所述，再利用毯废料可以从挤压机上的不同入口被加入复合材料制剂中。具体地，表B-1示出了将再利用毯废料添加到具有原料聚合物的复合材料中，或者再利用毯废料可以通过侧给料入口被添加到挤压机中。当添加由于织边使用造成的再利用毯废料(CW-1)，或者是混合的消费者使用过的废料(CW-2)时，挤压产品中没有明显的差别。此外，不同种类的润滑剂在处理中都能同等地执行良好。例如，可以使用“一组”或组合的特种润滑剂(例如，Struktol104)，也可以使用更传统的独立润滑剂组(例如硬脂酸锌、EBS蜡等)，无论润滑剂是什么配制方法，在本发明的处理中都是可接受的。在表B-1所示的成分的范围内，特定的制剂被证明非常适于商业用途。这样的复合材料的实施例中包括：约31.3％的HDPE，约20.0％的未分离处理过的毯废料，约40.9％的天然纤维，约6.4％的润滑剂，以及约1.4％的着色剂。

复合材料的实施例中未分离处理过的毯废料占到原料聚合物的100％也是可以的。在这样的实施例中，原始原料聚合物的量基本上将会被减少或排除，并且未分离处理过的毯废料可以构成复合材料的全部塑料成分。如这里所述的，未分离处理过的毯废料可以有效地与原始原料聚合物混合，以产生复合材料。然而，已经发现，如果毯废料含有高百分比的非聚烯烃聚合物(如聚酰胺)，那么较小量的HDPE可能不能与未分离处理过的毯废料较好地混合。这可能引起由这些成分制成的产品的性能方面的问题，包括成品分层的可能。当将未分离处理过的毯废料处理成复合材料时，应该用高于HDPE的熔点温度的温度来处理毯废料。然而，引入毯废料中的较少量的HDPE通常不能简单地与具有高百分比的非聚烯烃材料的毯废料进行适当混合。据认为这可能是由于(毯面纤维的)非聚烯烃材料与原始HDPE之间的不相似引起的，其中非聚烯烃材料显示出与足以允许相容混合的HDPE的不兼容性。尽管还需要进一步的研究，利用具有高百分比的聚丙烯面纤维和较低量的原始聚丙烯的未分离处理过的毯废料来形成复合材料不会出现这种情况。相应地，偶联剂或其它兼容剂(如顺丁烯二酸酐聚丙烯(MAPP)可以用于改善混合物的可处理性和成品的性能。

如表B-1所示，使用未分离处理过的毯废料的作为原料聚合物的WPC的实施例可以包括约50％到约80％之间的重量的毯废料，优选地，约55％到约70％之间的毯废料；更优选地，约60％到约65％之间的毯废料。其余的成分可以包括添加剂(约10％)和天然纤维(约10％到约40％)。一种显示了理想的处理特性的制剂包含：约60.9％的未分离处理过的毯废料、约30％的天然纤维、约4.6％的润滑剂，约3.0％的着色剂，以及约1.6％的硼酸锌(防霉剂)。另一个实施例包括：约59.0％的未分离处理过的毯废料、约30％的天然纤维、约4.6％的润滑剂，约3.8％的着色剂、约1.6％硼酸锌，以及约1.0％的偶联剂。

表A-1中示出了挤压机的加工条件的示例。加工温度和压力的变化范围相当宽。例如圆筒的最高温度可以从约190℃变化到约240℃。同时，离开挤压机的压力可以从约8bar变化到约30bar。类似地，模内的压力取决于挤压是在单模装置或是在双模装置上完成。在单模上，本发明的挤压产品在约1bar到约15bar的压力处理。相同的制剂通过双模装置在约30bar到约90bar压力下处理。令人惊讶的是，已经发现：圆筒段的温度以及挤压机出口和用于再利用毯废料的模中的压力都类似于标准的木塑料复合材料的加工参数。

同样已经发现：包含再利用毯废料的木塑料复合材料在不同尺寸的挤压机上都可以进行同等的良好处理。具体地，材料在53毫米的挤压机上的表现类似于在103毫米的挤压机上。生产合格的挤压产品允许较宽范围的加工温度。

除了挤压模的设置，下游机械操作采用与制剂和加工条件相同的方式，其中，相对于传统木塑料复合材料，包含再利用毯废料的复合材料对成品处理的影响最小。可以使用传统的移动式锯或其它设备来切割包含再利用毯废料的挤压产品。类似地，可以使用标准设备对挤压板进行制模并且/或压花。如果是制模，可以使用刃刀具将表面外观改变为开槽或砂化的外观。当引入具有再利用毯废料的制剂时，用于该下游处理步骤的设备的性能不发生变化。这些包含再利用毯废料的制剂还可以进行热表面压花。压花辊子对包含再利用毯废料的板进行压花，压花辊子既可以使用内部油热系统来加热压花辊子的表面，也可以使用红外线加热系统来加热辊子的表面。应用具有或没有再利用毯废料的制剂没有区别。

包含再利用毯废料的复合材料制剂具有与标准复合材料等效的抗挠强度和刚度。通过挤压和冷却，复合材料成品可以被测试并检验以确保合格的性能和几何尺寸。可以评价多项参数，包括：视觉外观、尺寸控制、物理特性、吸水率等。

视觉上，检验复合材料内部沿材料内的边或间隙的裂纹(复合材料可以被切割、钻开等，以确认再利用毯废料及其它材料的分布的一致性)。尺寸控制检验决定复合材料是否足以抵抗扭曲、弯曲或扭转。例如可以根据ASTM-D790测试样品，以确定具体的物理特性(如应力、位移、弹性模量以及载荷)。如上所述，此处描述的制造具有再利用毯废料的示例显示了与不含再利用毯废料的WPC类似的性质。

进行FCQA吸水测试时，此处描述的具有再利用毯废料的示例还显示了显著的抗吸水性。在一些实施例中，可以得到不高于重量10％的吸水量，也可以获得不高于重量7％的吸水量。如表C-1、D-1和D-2所示，当再利用毯废料被添加到复合材料制剂中，各示例均显示了挤压产品成品的吸水率的改善。

对比示例1

表C-1所示的对比示例1是根据此处描述的处理所生产的WPC，但是没有使用再利用毯废料。如所示，对比示例1在617磅力(lbf)时失效，失效位移在2.437英寸。吸水率约为对比示例1的重量的10.3％。

表C-1：对比示例1

示例1

示例1示出含有15.7％的消费者使用过的毯废料的示例性WPC。可以看出，尽管HDPE颗粒和木材纤维的总重量与对比示例1所使用的保持一致，再利用毯废料的使用有效地减小了示例1内那些成分的百分比。再利用毯废料的使用使示例1在633磅力时失效，失效位移在2.244英寸。与对比示例1相比，失效位移减小的物理机制是下一步研究的目标。然而，应注意示例1的吸水率远比对比示例1低，因为增加的再利用毯废料的量有效地减少了示例1中木材纤维的百分比。

表D-1：示例1

示例2

示例2示出含有26.9％的消费者使用过的毯废料的示例性WPC。类似于示例1，HDPE颗粒和木材纤维的总重量与对比示例1所使用的保持一致，同时再利用毯废料使用的增加再次降低了示例2中其它成分的百分比。再利用毯废料的使用使示例2在605磅力时失效，失效位移在1.662英寸。再次与对比示例1和示例1相比，失效位移减小的物理机制是下一步研究的目标，但是这样的降低似乎与示例2中存在的再利用毯废料的量直接相关。大概，含有更高百分比的再利用毯废料的样品将具有更低的失效位移。再次，应注意示例2的吸水率比对比示例1和示例1都低。这与增加的再利用毯废料的量有效地减少了示例2中的木材纤维的百分比的一致。

表D-2：示例2

发泡处理和发泡复合材料

本发明的另一个实施例包括在挤压过程中添加化学发泡剂(CFA)，其中包含毯废料的挤压复合材料被发泡，从而减小了成品的重量。本发明的这个方面的原料聚合物的成分包括：聚乙烯(HEPE，MDPE，LDPET和LLDPE)、聚丙烯、PVC，以及它们的组合。挤压处理中加入的处理过的毯废料可以包括羊毛、尼龙、聚酯、聚丙烯、黄麻、剑麻等材料，以及它们的组合。此外，也可以使用以上的非发泡挤压的添加剂。毯废料、聚合物、充填物和添加剂的混合包括具有约1％到60％的重量的处理过的毯废料、约10％到40％的重量的处理过的毯废料、约15％到25％的重量的处理过的毯废料的复合材料。此外，发泡复合材料中原料聚合物与充填材料的比率类似于上述的非发泡复合材料中的比率。

一般，挤压的纤维-塑料复合材料产品的比重的范围为从约0.5到约1.5。相比之下，水的比重为1.0。比重反应了聚合物的密度和挤压复合材料中使用的纤维。在可挤压的混合物中加入CFA降低了复合材料成品的密度，可以具有特定的性能和经济效益。

可以在挤压过程中加入CFA来对挤压的复合材料产生泡沫结构，从而减小掠夺的材料的比重。这样，相应地，得到了重量减小并且含有更少材料的挤压的成品件。CFA的选择取决于复合材料制剂中所用的原料聚合物的类型。如果不考虑原料聚合物，吸热的、放热的CFA或两类的混合可以在挤压过程中被用于产生泡沫结构。具有CFA的挤压产品可以由以上图2所示的挤压机生产。表A-2和A-3示出了本发明的各实施例中采用的挤压机处理系统的典型区域温度和其它详情。每个区域的温度的高低范围被示出。以下将描述根据表中所示的范围所生产的含有毯废料和CFA的WPC的示例。在所描述的以外的温度和其它范围同样可以。

	区域0设定摄氏度	区域1设定摄氏度	区域2设定摄氏度	区域3设定摄氏度	区域4设定摄氏度	区域5设定摄氏度	区域6设定摄氏度	区域7设定摄氏度	区域8设定摄氏度	区域9设定摄氏度	区域10设定摄氏度	区域11设定摄氏度	区域12设定摄氏度
														高低	N/AN/A	210190	230210	230210	230210	220190	190170	180160	180160	170150	170150	160140	160140

	适配器设定摄氏度	熔化泵设定摄氏度	Y块1设定摄氏度	Y块2设定摄氏度	Y块3设定摄氏度	模L1设定摄氏度	模L2设定摄氏度	模L3设定摄氏度	模R1设定摄氏度	模R2设定摄氏度	模R3设定摄氏度
												高低	160140	160140	N/AN/A	N/AN/A	N/AN/A	160140	160140	N/AN/A	N/AN/A	N/AN/A	N/AN/A

表A-2：包含HDPE和毯废料的发泡复合材料的加工参数(实验室设备)

具体地，表A-2示出包含高密度聚乙烯、天然纤维和毯废料的发泡挤压的加工参数，其中使用实验室设备进行挤压。“N/A”表示的加工参数是不可测定的，因为现有的实验室设备没有安装Y块适配器，并且仅用于一个两区域模(而图5和表A-1中所示具有Y块适配器和成对的三区域模)。同样，表A-3示出包含高密度聚乙烯、天然纤维和毯废料的发泡挤压的加工参数，预期在类似于图2所示的生产规模的设备上进行生产。

	区域0设定摄氏度	区域1设定摄氏度	区域2设定摄氏度	区域3设定摄氏度	区域4设定摄氏度	区域5设定摄氏度	区域6设定摄氏度	区域7设定摄氏度	区域8设定摄氏度	区域9设定摄氏度	区域10设定摄氏度	区域11设定摄氏度	区域12设定摄氏度
														高低	6040	230190	230210	230210	230210	210170	190160	185150	170140	150130	140120	135115	130110

	适配器设定摄氏度	熔化泵设定摄氏度	Y块1设定摄氏度	Y块2设定摄氏度	Y块3设定摄氏度	模L1设定摄氏度	模L2设定摄氏度	模L3设定摄氏度	模R1设定摄氏度	模R2设定摄氏度	模R3设定摄氏度
												高低	160140	160140	170130	170130	170130	170130	170130	170130	170130	170130	170130

表A-3：包含HDPE和毯废料的发泡复合材料的加工参数(生产规模的设备)

参照图7和表A-4，示出了本发明的某些实施例中使用的PVC挤压机300的立体示意图。PVC挤压机包括主给料器302，通过主给料器302引入可挤压的混合物的各种成分(例如，PVC化合物、重新研磨的材料、放热的CFA和毯废料)。此外，吸热的CFA以及添加的木材纤维或其它天然纤维可以通过第二给料器304引入主给料器302中。控制器306控制引入挤压机300中的所有材料，挤压机300包含六个区域Z1-Z6。表A-4示出包含PVC毯废料的发泡挤压的加工参数，其在实验室设备或加工设备上运行(相同的挤压设备可以在两种加工中使用)。此外，如图5所示，用于PVC挤压的设备包括Y适配器和成对的三区域模。关于表中的“共挤压机”部分的信息将在以下描述。

表A-4：包含PVC和毯废料的发泡复合材料的加工参数

图8示出的用于PVC挤压机的挤压螺杆110a、112a可以不同于图2-4所示出的。图8是包含挤压螺杆110a、112a的挤压圆筒120a的端面视图。用于PVC挤压机300的螺杆110a、112a是在圆筒122a中沿挤压机300的长度延伸的单螺杆。它们每个包括一个中心轴117a，并且通常不包括多个独立的段；因此，它们没有在图4所示的螺杆上存在的齿。每个区域的螺纹数/英寸的值可以根据具体的应用的要求而不同，以适当地捏合并推动挤压材料通过挤压机。

与复合材料制剂中使用的原料聚合物的类型无关，CFA以占总制剂重量的约0.1％到5.0％的水平被添加到挤压加工中。发泡复合材料产品可以在单螺杆或双螺杆挤压机上生产。CFA可以与其它任意混合物组分一起被引入挤压加工中，或者可以在挤压机下游并靠近模的地方被直接加入挤压机。在挤压机和模中，CFA由于温度升高而排放气体。气体被困在熔化的复合材料内，引起在复合材料内形成单元结构。CFA的种类和量决定了每个单元的尺寸，从而得到精细的或粗糙的单元结构。此外，CFA的选择将决定该结构是打开的单元或封闭的单元。封闭单元复合材料的建筑产品可以有效地用于户外，因为封闭单元结构防止了水和污染物迁移通过挤压的复合材料的内部。

表B-2和B-3示出了用于生产合格的发泡WPC的每种成分的范围。具体地，表B-2示出了用于大体上包括高密度聚乙烯、CFA和毯废料的挤压材料的范围。其中示出再利用毯废料可以占总配制重量的约1％到约60％，并且仍可以保持挤压的发泡成分的合格的物理特性。某些实施例可以包括占总重量约10％到约40％的毯废料。其它的实施例可以包括占总重量约15％到约25％的毯废料。此外，如上所述，再利用毯废料可以从挤压机上的不同入口被加入复合材料制剂中。与无发泡挤压相同，当添加由于织边而造成的再利用毯废料(CW-1)，或者是混合的消费者使用过的废料(CW-2)时，挤压产品中没有明显的差别，并且未分离处理过的毯废料可以用于取代高达原始原料聚合物的约100％。此外，不同种类的润滑剂在处理中都能很好的发挥作用。例如，可以使用“一组”或组合的特种润滑剂(例如Struktol 104)，也可以使用更传统的独立润滑剂组(例如硬脂酸锌、EBS蜡等)，无论润滑剂是什么配制方法，在本发明的处理中都是可接受的。与HDPE一起使用的一种示例性的CFA是Phillips Chemical公司生产的

1060产品，尽管其它可接受的CFA也可以。ALTERFORM产品既作为放热CFA也作为吸热CFA，并且在使用HDPE和毯废料的WPC产生满意的效果。在表B-2所示的成分范围中，特定的制剂被证明非常适于商业用途。这样的复合材料的实施例中包括：约24.4％的HDPE，约8.1％的粉末再研磨，约19.8％的未分离处理过的毯废料，约39.8％的天然纤维，约1.2％的发泡剂，约4.6％的润滑剂，以及约2.0％的着色剂。

表B-2：利用HDPE和CFA的挤压复合材料的制剂

表B-3示出了用于大体上包括PVC化合物、CFA和毯废料的挤压材料的范围。PVC化合物(示例性制剂是Aurora Plastics生产的3040ANT-3000和3314BNT-1000化合物)的制剂中包括放热CFA，然而放热CFAs也可以单独地被加到主给料器中。一个示例性放热CFA是Americhem公司生产的19903T1产品。吸热CFA也可以被添加到可挤压混合物中。放热CFA对挤压材料的作用取决于加工环境中的湿气、加工材料中的湿气、挤压机的温度和其它因素而可以不同。吸热CFA控制发泡处理以生产使人满意的挤压发泡产品。大体上，放热CFA的量与吸热CFA的量的比率约1.0∶0.75，但是该比率可以变化。改变放热CFAs与吸热CFAs的比率以生产发泡WPC的方法是本领域技术人员已知的。示例性吸热CFA是Americhem公司生产的20429T1产品。在表B-3所示的成分的范围内，特定的制剂被证明非常适于商业用途。这样的复合材料的实施例中包括：约68.5％的PVC，约20.3％的重新研磨PVC，约10.0％的未分离处理过的毯废料，约1.2％的发泡剂。

表B-3：利用PVC和CFA的挤压复合材料的制剂

至少两种发泡处理可以用于利用毯废料的WPC，达到满意的结果。该处理被称为自由发泡处理和Celuka处理。大体上，利用聚乙烯的混合物可以采用自由发泡处理生产，其中模的尺寸小于挤压产品的理想最终尺寸。在自由发泡处理中，发泡膨胀了产品的外部尺寸。例如，具有1英寸的挤压厚度的样品在膨胀到其最终尺寸之前通过约0.7英寸的模。自由发泡处理中模尺寸的考虑对于本领域技术人员是已知的。

利用PVC化合物的混合物可以采用Celuka处理来生产。在Celuka处理中，混合物围绕芯子或其它构件被挤出，在挤压产品中间形成空洞。一旦挤压产品超越作为生产工具的芯子，挤压产品向空洞膨胀，同时保持基本上恒定的外部轮廓。挤压产品可以膨胀到完全填满空洞，或者可以留下一个空的中心，减小了成品的总重量。在一个示例中，如果希望将具有均匀厚度的成品的重量减小约50％，则取决于发泡剂的量、类型等，芯子将约为轮廓面积的45％。Celuka处理中模和芯子尺寸的考虑对于本领域技术人员是已知的。

除了上述的两种处理，可以在挤压机下游利用校准来控制发泡膨胀过程。在一些实施例中，挤压的混合物通过一个或多个第二模或校准器来控制发泡膨胀处理，从而挤压的材料可以获得最终的准确尺寸。校准器利用真空压力来控制环境的压差，以防止挤压的混合物收缩；并且利用水来冷却并润滑混合物，从而控制温度。使用的校准器的数量可以根据应用和成品要求的容差来变化。一些实施例可以使用多达五个或更多的校准器。除了使用真空和水冷却的模，校准可以利用只采用真空来控制收缩的模板，同样，这取决于应用和所期望的成品轮廓等。

添加CFA对成品中材料的比重带来很大变化。在一个实施例中，使用具有天然纤维和处理过的毯废料的聚烯烃原料聚合物作为复合材料，如果使用发泡剂，可以得到约为0.75的比重。不使用发泡剂，具有相同成分的复合材料的比重约为1.10。类似地，含有PVC原料聚合物和处理过的毯废料的复合材料的比重可以从实体复合材料的约1.4降到泡沫复合材料的约0.6。

表C-2、C-3和D-3示出使用HDPE的挤压的泡沫产品的不同示例。在所有这些示例中，都没进行吸水测试，但是可以预见：经过FCQA吸水测试，在浸入水中30天后，吸收量不超过重量的约15％；在浸入开水中30天后，吸收量不超过重量的约17％。

对比示例2

对比示例2是根据已知的处理生产的WPC，并且具有HDPE原料混合物，但是没有使用再利用毯废料或CFA。可以看出，对比示例2在645磅力时失效，失效位移在2.303英寸。

表C-2：对比示例2

对比示例3

对比示例3示出了采用HDPE和2％的CFA生产的WPC。可以看出，采用CFA的WPC的比重比没采用CFA的WPC的比重有所下降。CFA的使用影响产品的性能，表现为在722磅力时失效，失效位移在1.604英寸。

表C-3：对比示例3

示例3

示例3示出根据本发明生产的示例性WPC所需的混合物的量，其中具有HDPE、19.8％的消费者使用过的毯废料和1.6％的CFA。还描述了使用该制剂生产的产品的预期的性能特性。该挤压材料将在约700磅力时失效，失效位移约为1.6英寸。此外，样品的比重要小于对比示例3的比重。

表D-3：示例3

表C-4、C-5和D-4示出了使用PVC的挤压的发泡产品的各种实施例。在所有的实施例中，都没有进行吸水测试。

对比示例4

对比示例4使用PVC化合物生产的WPC，但是没有使用再利用毯废料或CFA。可以看出，挤压材料成品的密度是1.3克/立方厘米。

表C-4：对比示例4

对比示例5

对比示例5示出了使用PVC化合物以及分别为0.8％和0.5％的吸热和放热CFA生产的WPC。可以看出，使用CFA的WPC的比重比没使用CFA的WPC的比重降低了50％。

表C-5：对比示例5

示例4

示例4示出了使用PVC化合物、8.9％的消费者使用过的毯废料和分别为0.7％和0.5％的放热和吸热CFA生产的示例性WPC。可以看出，该挤压产品的比重与对比示例5相比没有变化，并且其失效载荷是可比较的。

表D-4：示例4

包覆处理和包覆复合材料

含有处理过的毯废料的复合材料的挤压的另一个方面是在挤压过程中添加“包覆”(capstock)。包覆是涂覆到挤压轮廓的一侧或多侧的聚合物涂层，以提供挤压件表面上改进的或改变的物理特性。包覆是与挤压芯部的聚合物兼容的热塑材料，允许芯部和包覆结合。涂层作为形成最终挤压轮廓的一部分，与挤压主体一起被挤压。该挤压技术的目的是为挤压产品的表面提供特殊的物理特性(例如，抗磨损或抗打滑)，以及/或可供选择的装饰的可能。包覆的厚度可以约0.002英寸到约0.04英寸。约0.01英寸的包覆的厚度在一些实施例中是典型的。表A-4示出了用于在PVC芯部材料上生产包覆的共挤压机的设置。

在挤压过程中用热塑材料为挤压产品涂覆的方法被称为“覆盖”或“包覆”。该具体处理通过在成型模中将包覆一同挤压到芯部材料上来实现。当复合材料通过模时，第二挤压机将热塑材料推入模中，并且继而该包覆材料围绕芯部流动，以对挤压的复合材料产品涂覆。通过共同挤压的处理来提供包覆的方法是本领域技术人员已知的。

包覆处理过的一个目的是改变挤压的复合材料产品的表面，从而可以改进或改变如耐气候性、抗褪色、抗打滑和抗磨损的特性。包含处理过的毯废料的复合材料也可以被包覆，并且该处理既可以被施加到实体挤压复合材料，也可以被施加到发泡挤压复合材料。实体挤压复合材料产品包含1％到60％的重量的处理过的毯废料。发泡挤压复合材料产品通常包含1％到25％的重量的处理过的毯废料。

包覆是与实体或发泡挤压复合材料中包含的聚合物兼容的热塑材。用于PVC芯部的复合材料的具体示例包括丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)和PVC化合物。可以流过包覆模以产生具有理想厚度的包覆的其它热塑材料也可以被使用。无论芯部材料是实体或泡沫的，包覆都是实体的热塑涂层。

在本发明的采用再利用毯废料的任意实施例中，挤压产品的外表面可以用箔或膜层叠处理。相关的处理和材料在于2005年2月9日提交的名称为“Foil or Film Laminated Enhanced Natural Fiber/polymer Composite”的专利申请序列号No.11/054,258和于2005年1月4日提交的名称为“Foil orFilm Laminated Enhanced Wood/Polymer Composite”的美国临时专利申请序列号No.60/641,308中有所公开，这里其公开的内容通过引用而全部结合于此。

Claims (44)

1.一种挤压复合材料，其适合用作建筑材料，所述复合材料包括：

原料聚合物；

未分离处理过的毯废料；以及

充填材料，其中，所述原料聚合物、所述未分离处理过的毯废料以及所述充填材料形成基本上均匀的混合物。

2.根据权利要求1所述的挤压复合材料，还包括发泡剂。

3.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述原料聚合物从以下当中选择：聚乙烯、高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)以及其组合。

4.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述未分离处理过的毯废料包括从羊毛、尼龙、聚酯、聚丙烯、黄麻、剑麻以及其组合中选取的材料。

5.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述充填材料可以从木片、木屑、木头薄片、锯末、亚麻、黄麻、大麻、洋麻、稻壳、马尼拉麻以及其组合中选取。

6.根据权利要求1所述的挤压复合材料，还包括添加剂，其可以从着色剂、润滑剂、阻燃剂、兼容剂、偶联剂、防霉剂以及其组合中选取。

7.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述复合材料包括占重量约1％到约60％的所述处理过的毯废料。

8.根据权利要求7所述的挤压复合材料，其中，所述复合材料包括占重量约10％到约40％的所述处理过的毯废料。

9.根据权利要求8所述的挤压复合材料，其中，所述复合材料包括占重量约15％到约25％的所述处理过的毯废料。

10.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述复合材料的所述原料聚合物与所述充填材料的比率为约40∶60到约60∶40。

11.根据权利要求10所述的挤压复合材料，其中，所述比率为约45∶55。

12.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述未分离处理过的毯废料至少包括工业毯废料和消费者使用过的毯废料中的一者。

13.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，在根据FCQA吸水测试经历30天的浸入水中测试之后，所述复合材料在重量上显示的吸水量不超过约7.0％。

14.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，在根据FCQA吸水测试经历30天的浸入开水中测试之后，所述复合材料在重量上显示的吸水量不超过约10.0％。

15.根据权利要求2所述的挤压发泡复合材料，其中，在根据FCQA吸水测试经历30天的浸入水中测试之后，所述复合材料在重量上显示的吸水量不超过约15.0％。

16.根据权利要求2所述的挤压发泡复合材料，其中，在根据FCQA吸水测试经历30天的浸入开水中测试之后，所述复合材料在重量上显示的吸水量不超过约17.0％。

17.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述未分离处理过的毯废料至少包括粒化的毯废料和粉末化的毯废料中的一者。

18.根据权利要求1所述的挤压复合材料，还包括包覆。

19.根据权利要求18所述的挤压复合材料，其中，所述包覆可以从丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚氯乙烯化合物以及热塑材料中选取。

20.根据权利要求18所述的挤压复合材料，其中，所述包覆的厚度为约0.002英寸到约0.04英寸。

21.根据权利要求20所述的挤压复合材料，其中，所述包覆的厚度为约0.01英寸。

22.根据权利要求1所述的挤压复合材料，其中，所述原料聚合物包括所述未分离处理过的毯废料。

23.一种生产挤压复合材料的方法，所述挤压复合材料适合用作建筑材料，所述方法包括以下步骤：

提供原料聚合物；

提供未分离处理过的毯废料；

提供充填材料，其中，所述充填材料是除了所述未分离处理过的毯废料以外的任意充填材料；

混合并加热所述原料聚合物、所述未分离处理过的毯废料以及所述充填材料，以产生含有基本上均匀的混合液体的混合物；并且

挤压所述混合物，以产生用于建筑材料的挤压轮廓。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括提供发泡剂的步骤。

25.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述挤压的步骤中在所述混合物中形成空洞的步骤。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，被挤压的所述混合物膨胀到所述空洞中，同时保持预定的所述挤压轮廓基本上恒定。

27.根据权利要求23所述的方法，还包括使所述挤压轮廓通过校准器的步骤。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述通过的步骤至少控制所述挤压轮廓的的温度和环境压差中的一者，以获得预定的发泡复合材料轮廓。

29.根据权利要求24所述的方法，其中，所述发泡剂至少包括放热发泡剂和吸热发泡剂中的一者。

30.根据权利要求24所述的方法，其中，所述发泡剂包括放热发泡剂和吸热发泡剂两者。

31.根据权利要求24所述的方法，其中，所述原料聚合物在第一区域被引入挤压机，并且所述发泡剂在第二区域被引入所述挤压机。

32.根据权利要求24所述的方法，其中，所述原料聚合物和所述发泡剂在第一区域被引入挤压机。

33.根据权利要求23所述的方法，还包括通过模将所述混合物和包覆共同挤压到可挤压混合物的至少一部分上以形成所述挤压轮廓的步骤。

34.根据权利要求33所述的方法，还包括将发泡剂引入挤压机的步骤。

35.根据权利要求23所述的方法，还包括准备所述未分离处理过的毯废料的步骤。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述准备的步骤包括以下子步骤：

提供包含绒毛织物和垫面的毯废料；

切碎所述毯废料；

将污染物从所述织物和所述垫面分离；并且

粒化所述绒毛织物和所述垫面以形成所述未分离处理过的毯废料。

37.根据权利要求36所述的方法，还包括粉末化所述未分离处理过的毯废料的步骤。

38.根据权利要求23所述的方法，其中，挤压机包括两个螺杆。

39.根据权利要求23所述的方法，其中，所述原料聚合物至少在所述处理过的毯废料和所述充填材料中的一者的上游被引入挤压机。

40.根据权利要求23所述的方法，其中，所述原料聚合物和所述未分离处理过的毯废料在共用区域被引入挤压机。

41.根据权利要求23所述的方法，其中，所述充填材料和所述未分离处理过的毯废料在共用区域被引入挤压机。

42.根据权利要求23所述的方法，其中，所述充填材料和添加剂在共用区域被引入挤压机。

43.根据权利要求23所述的方法，其中，所述原料聚合物包含所述未分离处理过的毯废料。

44.一种根据权利要求23所述的方法生产的适合用作建筑材料的复合材料。

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