CN1062803C - 从粒状纤维素料生产的复合材料及其制备方法和系统 - Google Patents

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Abstract

从粒状纤维素料来生产复合材料的方法，包括：将纤维素料与足够量的热塑材料结合成结合产物；在充分条件下于挤压机中挤压此结合产物而形成均匀混合物；使此均匀混合物通过一过渡模来预成形和铺展开；使上述均匀混合物通过一条带化模以形成一批相邻定位的均匀混合物的条带；再使这批条带通过一压型模压一段足以把这批条带压缩到相互结合在一起的时间。用此方法可生产出仿木材的复合材料。此外提出了与此方法相应的结合有上述各种模具的低温挤压机系统。

Description

从粒状纤维素料生产的复合材料及其制备方法和系统
本申请是美国专利申请系列08/150860号(1993年11月12日提交)的续篇，全文综合于此作为参考。
本发明一般地说涉及木材类制品，具体地说涉及一种适用来代替天然木材的挤压木材一聚合物复合材料。此外，本发明还涉及一种制造这种复合材料的方法。
尽管木材是一种自然界可再生的资源，但木材的需要是始终居高不下，而供建筑用的优质木材供应量已开始减少。因此越来越迫切需要寻求木材的替换源。
一种替换源是从包括木粉、刨花、锯末与报纸之类的，属于采用天然木材产品的其它工业中废料副产品所回收的木屑等成分的混合物，来生产人造木材。但是，在人造木板工业中来利用回收的木料还不能说是有效的，这方面有很多现由，包括制造方法效率不高以及成品中的缺陷等。
先有技术在试图制造人造木材方面包括一种使木材混合以热塑树脂的技术。根据这项先有技术，将聚乙烯或聚丙烯一类热塑树脂混合以通过切割机所切碎的废纸、报纸、波纹板或压缩纸板至很小尺寸所获得的粗磨碎的木质或纤维质纤维素材料。将这种混合物引入到一加热的混合机中再加以捏和。随着捏和的进行，由于摩擦和剪切产生的热量使混合料的温度升高。结果，废纸中的水份蒸发，废纸变干燥。于此同时，将熔融的热塑树脂混入到此废纸内。然后再将此混合物转送到另一混合器中，并以水冷至约20℃而获得成品。
这种方法的缺点是，木粉与树脂以团块的方式分散而导致成分分散不均。此外，热塑树脂在已加热的熔融态下会固氧化而变质。纤维素的质量同样也会下降。
先有技术中还公开有生产人造木制品的其它方法。例如，Holman的美国专利4091153号便是针对生产人造木板的。这种板是由木质纤维料混以热固树脂复合而成。在此复合过程中，树脂被加热激活而压缩成弧形条状以模拟木纹形状。
Ostermann等人的美国专利4686251号也描述了一种生产装饰的方法。在此方法中，把环氧树脂与事先加热到高于此树脂试剂混合物峰值温度的碎木片或木屑相结合。根据此方法，可以生产装饰制品。
Vada等人的美国专利5055247号描述了一种生产木质模制件的方法，其中包括；在存在有碳酸钠的条件下将二元酸酐添加到木粉一类木质材料中。然后将酯化了的木质材料捏和，加热和加压模制成形。
Aotei等人的美国专利4708623号中公开了一种类似的方法与设备，用来生产均匀的有机填料混合有树脂的制品。原材料是废纸一类有机填料和一种热塑性树脂。此方法涉及到设置有许多突起和沟槽的挤压机，这样便可捏和原料使它们结合得更完全。
Palardy等人的美国专利5002713号中公开了一种由木质纤维素料来生产压缩模制品的方法。此项专利公开了由具有高水份的细木片或其它木质纤维素材料来生产刨花板的方法。在此方法中，应用了一种催化剂来加速刨花等的粘合。
Eorl等人的美国专利5151238号、Theuveny的美国专利5087400号以及Collins等人的美国专利3908902号中公开了生产一种复合材料的方法，在这种复合材料中是以聚合物处理纤维素的衬底，然后加以压制
Goforth等人的美国专利5088910号以及Brooks等人的美国专利5082605号公开了一种制造合成复合木制品的方法。其中是将木屑或纤维素纤维与废塑料最好是与高或低密度的聚乙烯结合。Brooks等的美国专利5096406号是针对他们在5082605号中公开的方法中所用到的挤压机系统。
在这些先有技术的方法中，有关的复合材料一般都是在高温下处理，这样将使过程缓慢并导致聚合物质量下降。此外，这些方法需用均匀和分选过的原料，而这又会降低操作速度。
本发明通过提供一种由粒状纤维素料来生产复合材料的方法克服了先有技术中的众多缺点，它包括下述步骤：将纤维素原料与数量充分的热塑材料相结合，形成一种结合产物；在足以使以结合产物混合成均匀混合物的条件下挤压此结合产物；使此均匀混合物通过一过渡模预成形同时扩展开此均混合物；让此均匀混合物通过一条带化模，形成一批相邻定位的均匀混合物条带；使这批条带通过一个压型模至一段足以将这些条带压合到相互粘接的时间。
本发明还针对一种由有机纤维料与热塑材料的混合物来形成一种复合的模制挤压品的低温挤压机系统，它包括：一个料斗，用来接收有机纤维料和热塑材料并使之形成混合物；用来挤压此混合物的挤压机；第一过渡模，包括有一个用来接收混合物的孔以便此混合物形成初始形状，同时挤压出此成形的混合物；第二条带化模，与第一过渡模连接，设有一批条带化孔，接收此成形的混合物并把它剪切成一批独立的条带，每个条带具有自身的外表面；第三压型模，与第二条带化模相连，设有一个孔用来接受并把各个条带压制成一最终的模制形状；以及一个第四成形模，它设有一个挤压件的成形孔，用来模压此模制成的挤压件。
本发明还针对一种用来从粒状纤维素料来生产复合材料的方法，它包括以下步骤：将此纤维素料干燥至水份在10％与90％之间；在存在交联剂与润滑剂的条件下，使此纤维素料与充分数量的热塑性材料形成结合产物，这里的纤维素料与热塑材料之比约在4∶1与1∶0之间；在足以使此结合产物混合成均匀混合物的条件下挤压此结合产物，这里，结合产物是在100°F至400°F之间的一个温度下挤压，而挤压机的流率是在约100至2500磅/小时之间；使此均匀混合物通过一过渡模预成形和展开此均匀混合物；使此均匀混合物通过一条带化模来形成一批相邻定位的均匀混合物条带，这里的每一个条带的表面温度高于其内部的温度；使这批条带通过一压型模至一段足以将这些条带压缩到一起而相互粘合的时间；使这些条带通过一固化模至一段足以使各个条带粘接成一模制的挤压中；用足以在此模制挤压件上形成一增硬釉面的冷却流体喷涂此模制挤压件；最后冷却此已成形的产品。
用来从有机纤维料与热塑材料的混合物形成一种复合的模制挤压件的低温挤压机系统，它包括：一个料斗，用来接收并形成此有机纤维料与热塑材料的混合物；一个转接模，与此挤压机连接，上面设有一个控制从此挤压机中流出的混合物数量的孔；第一过渡模，包括一个孔用来接收此混合物，使之形成初始形状，并挤压出此已成形的混合物，此第一过渡模的第一前面有一个大致呈圆形的孔口，而它的第二后面则有一个与成品形状类似的孔口；第二条带化模，与第一过渡模相连，设有一批条带化的孔，接收此成形的混合物并把它剪切成一批各有自身外表面的独立的条带，此第二条带化模有第一表面与第二表面，第一表面上上有一批气体抽空通道，用来接收和抽空由剪切此成形的混合物时所排出的气体，此第二条带化模还有一批气体抽空通孔，它们有位于第一表面上与上述气体通道相连的入口以及位于第二表面上的出口，用来从气体抽空通道接收和抽空气体，这里的气体抽空通孔出口具有移入口周边要大的周边，而提供了可以加大气体抽空效率的文杜里效应；第三压型模，与第二条带化模相连，设有一个孔口，用来接收各个条带并把它们压制成最终的模制形状，此第三压制模包括一在外形上与第一过渡模的第二后面相同的第一前面以及一形成此模制挤压件外形的第二成形后面；第四成形模，它与第三压型模相连，设有一用来压制模制挤压件的挤压件成形孔；以及一个喷射头系统，用来接收通过第四成形模的模制挤压件。
本发明还针对一种仿木材的复合材料，它由约2/3的有机纤维或纤维素料以及约1/3的热塑材料组成。产品的外观与木材类似，并可以用与对天然木材相同的方式作锯切、砂磨、整形、车旋、紧固和/或精细等加工。
本发明的主要优点在于：可以在较通常所用温度为纸的温度下对原始的混合物进行连续处理，来把纤维素纤维料与聚合物材料结合。由于温度低，处理费用也较低，经济上更为有效，也可节能。用于这种挤压方法中的交联化学方法也比相当昂贵的压缩形模制法更为经济有效。
由于温度低，与挤压固体部件有关的模具系统的构型以及用来构成最终形状的各个条带的传统的流动问题都不存在。因而能够直接从模具系统制造出极其清晰的边缘与角度。
其它的优点如下：(1)实际上可把任何类型的初始材料或回收材料用作纤维素纤维或热塑材料成分，(2)制成品从压制模中取出后不会膨胀，与由压缩形模制法所能获得的固定长度相反，由这种挤压法可以制造出任何所需长度的成品材料，(4)这样的制品由于有很大的惰性，使用寿命将比木材长出许多倍。它不仅能抵抗腐烂和风化，而且能不为白蚁蛀蚀。
本发明生产出的复合制品能改进砂磨、锯切之类的“可加工性”，这是由于粘合剂与纤维线带材之间起反应的结果。
这种纤维素纤维--聚合物制品可用作室内或室外的装饰性模制品、图片框架、家具、门框铺面、窗子模压件、窗子部件、门的部件、房顶系统，以及任何其它类型的用途，只要其结构要求不超过这种复合材料的物理性质即可。
下面详细参考本发明的最佳实施例，它们的例子则由附图加以说明。附图中：
图1是说明本发明方法的流程图。
图2是本发明模具系统的横剖面图，说明各个模具板。
图3是图2模具系统的横剖面图。
图4是图2中转接模具板的横剖面图。
图4A是沿图4中4A-4A线截到的，图4中转接模板的前视图。
图4B是沿图4中4B-4B线截取的，图4中转接模板的后视图。
图5是图2中过渡模板的横剖面图。
图5A是沿图5中5A-5A线截取的，图5中过渡模板的前视图。
图5B是沿图5中5B-5B线截取的，图5中过渡模板的后视图。
图6是图2中条带化模板的横剖面图。
图6A是沿图6中6A-6A线截取的，图6中的条带化模板的前视图。
图6B是沿图6中6B-6B线截取的，图6中的条带化模板的后视图。
图6C是图2的条带化模板的第一实施例的前视图。
图7是图2的条带化模板的第二实施例的部件分解透视图。
图8是图7中条带化模板的后板的透视图。
图9是沿图8中9-9线截取的，图8中条带化模板的部分横剖面图。
图10是图2中压制模板的横剖面图。
图10A是沿图10中10A-10A线截取的。图10中压制模板的前视图。
图10B是沿图10中10B-10B线截取的，图10中压制模板的后视图。
图11是图2中固化模板的横剖面图。
图11A是沿图11中11A-11A线截取的，图11中固化模板的前视图。
图11B是沿图11中11B-11B线截取的，图11中固化模板的后视图。
图12是图1与2中喷射头系统的透视图。
本发明是针对一种木材-聚合物复合制品以及用来生产这种制品的方法与设备。本发明尤其针对将低温挤压机与上述模具系统相结合的形式。
本发明的这种优异的模具系统允许将相结合的初始材料粘合成具备一定形状的均匀制品。将挤压的材料引导通过转接模，并在过渡模中再成形与稍微膨胀。然后在条带化模中将此材料分成独立的条带。条带化模的剪切作用在各个条带的外表面上形成了局部高温，但同时却使各条带的体内处于低得多的温度下。再将这些条带于压型模中压制成形。挤压材料通过此模具系统的流动按如下方式获得平衡即使它在通过条带化模之前先通过过渡模，然后使通过条带化模已条带化的材料通过压型模。这种模具系统的构型均衡了在已成形复合材料外侧边缘上的流动与在此已成形复合材料中心的流动，产生出一种与实际木材制品有相似纹理的均匀亚结构。
由于各个条带互相压挤就在其外表面上产生出局部高温使相邻的条带粘合。在固化模中，于保持最终形状的同时使各个条带与各个纤维分子链继续结合到一起。然后在冷却池中冷却此已形成的制品，并由一牵引机构在辊上输送。已冷却的制品则切成所需形状。
本发明的纤维素纤维--聚合物复合材料的特点是，它所具有的纤维素纤维含量比先有技术中一般所知的要高。先有技术中通常所要求的材料含量中包括约50％的纤维对50％的热塑材料，本发明的材料则具有较高的纤维含量。通过采用本发明的连续式低温挤压法和适当地混合初始材料，可以使这种材料具有高达1∶0的纤维/热塑物质的含量。
基本过程要求将包括纤维素纤维与热塑材料的基础类型原材料加以混合。在此基础混合物中也可包括交联剂与过程润滑剂。
纤维素材料
本发明的优点之一在于它实际上能包括从锯末到池塘的沉积物与报纸等任何种类的废纤维素材料。如上所述，任何纤维素材料都可用作原料，其中包括旧报纸、苜蓿、麦浆、木屑、木片、木粉、木粒、木纤维、磨木浆、胶合板、夹层板、洋麻、纸、纸板、稻草以及其它纤维素纤维材料。
这种纤维素纤维材料还可以包括精细的纤维素例如棉花，或粘性的与植物性的纤维例如洋麻、竹或棕榈纤维、稻草或任何其它纤维素纤维材料。
这类纤维素材料应在与其它初始材料结合前干燥到水份约在1％至9％之间。最好是使此水份含量不超过2％。有关的干燥工艺是本项技术中所周知的。一个合适的例子是宾夕法尼亚Allentown市Dremier Pneumafics公司所制的干燥剂型干燥器。
热塑材料
这里的热塑材料主要用作过程的强态流化剂。可以采用绝大多数类型的热塑材料，这方面的例子可以包括多层膜、原始的热塑材料例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、低密度聚乙烯、乙基·乙烯乙酸酯、来自其它工业部门的废塑料锯末以及其它可回收的聚合物材料。尽管在组成初始材料时热塑材料是较理想的一种成份，但并非必须的。只要初始材料中包括有足够量的交联剂与润滑剂能使挤压机中的混合物成为可塑的即可，并不一定要使用热塑材料。
为此，纤维素纤维对热塑材料之比是在约4∶1和1∶0之间，而最好约为1∶1。
交联剂
交联剂用来增强纤维素纤维的若干条带间的键以形成均匀的成品。交联剂键合着纤维素分十链上下垂的羟基。交联剂必须具有在较低温度下形成强键的特征。交联剂的例子包括聚氯酯类，例如异氰酸酯、酚醛树脂、不饱和聚酯与环氧树脂以及它们的混合物。酚醛树脂可以是任何单级或双级的树脂，最好是具有低的己烷含量。尽管这种初始材料可以包括用来增强纤维素纤维丝之间的结合力的交联剂，但是，为了形成本发明方法所计划得到的成品，只要在初始材料中包括有热塑材料和纤维素材料，而并需要交联剂的。
润滑剂
这里的润滑剂是塑料处理技术中周知的一般市售的润滑剂，起到操作辅助剂的作用。典型的润滑剂例子包括用作内部润滑的硬脂酸锌和用作外部润滑剂的石蜡型的蜡。
其它材料
在挤压工艺中周知还可以添加其它材料，其中包括速剂、抑制剂、增强剂、配伍剂与起泡剂。
加速剂、抑制剂、增强剂与配伍剂是用来控制交联剂工作速度的试剂。
添加加速剂是为了提高交联剂的反应速度。加速剂的例子包括胺催化剂，例如DabclRBDO(宾西法里亚洲Allentown市AirProducts)以及DEH40R(Dow Chemical)。
抑制剂是用来减缓交联反应的速度。周知的抑制剂例子包括柠檬酸一类的有机酸。
增强剂是用来增进组份用的反应性。增强剂的例子包括钴的衍生物。
配伍剂是用来在纤维素材料与热塑材料之间形成更有效的结合。配伍剂的例子包括乙烯－-马来酐共聚物。
添加起泡剂是为了减小密度。起泡剂的例子有CELOGENRTSH(Uniroyal Chemical)。
对于这方面的初始混合物存在有多种配方。下面的表包括四个例子(以材料的磅数表示)。配方        Ⅰ      Ⅱ      Ⅲ       Ⅳ木粉        25.00   25.00   25.00    25.00聚乙烯      15.00   12.50   15.00    7.50硬脂酸锌    .75     1.50    1.00     1.25蜡          .50     .50     .50      .75酚醛树脂    1.50    .00     .00      8.50异氰酸酯    .50     1.00    .00      .00环氧树脂    .00     .00     2.50     .00催化剂    .00    .00      0.075    .00
最佳的配方如下：
材料      数量(份)木粉(40目)     100.0聚乙烯(HDPE)    40.0硬脂酸锌         3.0外部蜡           2.0酚醛树脂         6.0聚氨酯           2.0
木粉经干燥至2％的水份或更少。聚乙烯(HDPE)与聚氨酯在一带式混合器中混合直立吸附，此过程约需5分钟。将其余的成分添加到此混合物中，混匀约3分钟或在此工艺的周知条件下混合至均匀混合。
下面参看附图，在所有的图中，同一参考数号涉及到相同或相似的部件，图1示明本发明的方法的流程。
料斗
第一步，首先根据本项技术中周知的方法将纤维素纤维与热塑性原材料切碎，在一混料机8中使它们与交联剂和操作润滑剂作物理上的混合，然后放入加料斗10中。
纤维素原料由本项技术中周知的颗粒减径设备粉碎。这类设备可以有研磨机、球磨机、或其它能把纤维减小到具有不同粒度或粒度范围粉状形式的设备。40目的粉看来是最佳形式，但较粗与较细的颗粒也取得了良好结果。
可以用任何简单的混和装置来完成加料到挤压机之前的混料作业。混合过程中不需加热而只要求对各种成份配均匀分布。在混合量少时可采用鼓式桶，或是采用带式混料机之类的较大批量型的混和机，这些都是本项技术中周知的。
取决于颗粒状成分的流动特性，用于本方法的典型加料斗可以是重力加料式、缺料加料式的或强制加料(也称之为“填料”)式的料斗。
挤压机
然后将此原料的混合物输送至一已加热的挤压机12中。此挤压机利用低温混合与挤压。这对于需要在相当高的塑性化温度下进行混合的绝大多数塑性的混合方法来说，处于优越地位。这里所出现的混合温度是相当低的，最好的情形是在180°F左右。取决于颗粒料成份，通过挤压机的这种原料形成了在某个温度(约185°-200°F)下的一团均匀物料。
本发明可以用任何容量的挤压机来处理。在此最佳实施例中可以采用辛辛那提市Mclacron的制造CM-55-HP型的反转与交叉式双螺旋型的高压挤压机。
此方法最好由双螺旋挤压机来完成，此种挤压机加热到足以使产物一起于低温下混和成一种均匀混合物的处理温度。
温度
在低温的高压挤压机中将原料混合、加热，然后强制输入一模具系统中。与那种产物加热到塑性化温度的先有技术中典型的加热挤压机不同，本发明的挤压机只要求使产物升温到混合或均匀化的温度，这低于塑性化温度。
用于本发明挤压机中的温度受到挤压速度、挤压机的外部加热器、以及模具系统中的剪切作用与加热器的控制，同时由热电偶和其它监控电路的监测。热电偶是用来监测各个工作段上的热。整体温度显著地低于热塑性强态流化剂“实际”流体的温度，例如约150°至200°F。
流率
挤压机的流率可在100-2500磅/小时。在最佳实施例中，此种流率在约180°F的温度下约为600磅/小时。
离开挤压机后的产物实质上是一团无约束的圆形坯料。可以选用范围从25-72mm内的各种尺寸的挤压机孔口。在此最佳实施例中，采用一种38mm的孔口。
模具
对原料进行混合、加热，然后在模具系统14内挤压。模具系统14是由一系列板构成，下面参考图2与3进行说明。这种优越的模具系统14可使初台原料结合成一定形状的均匀产物。每块板可由能实现所需目的的本项技术中周知的材料制成。有代表性的材料包括铁与不锈钢。
允许加入到模具系统14内的原料体积量受到将于图4、4A与4B中详述的转接模16，进一步还受到将对照图2与3说明的过渡模25、条带化模50与压型模78的形状的控制。如上所述，这种模板的构型能起到平衡原料流的作用，从而得以生产出均匀的成品。
图3是本发明模具系统14的横剖面图。正如前面指出的，设在模具系统14内的各个模具件包括转接模16、过渡模25、条带化模50、压型模78与固化模94。各个模具件会叠成一个连续的模具。
挤压板
转接模16用来将模具系统14与挤压机12连接。如图3与4所示，转接模16包括着图4A所示的前面17和图4B所示的后面18，以及一导管19。导管19的直径从前面17至后面19逐渐变密。
图4A是转接模16的前视图。转接模16的前面17包括一个8字形的孔口23，可以容纳一最靠近挤压机12的导管19端部处的双螺旋挤压机。转接模16的前面17的边缘附近有螺栓孔20，可将转接模16固定于挤压机12上。
图4B是转接模16的后视图。转接模16的后面包括一个位于最靠近过渡模25的导管19端部处的一个圆形孔口24。转接模16的后面18还包括一个延伸部21，设计用来叠套入包括一部分过渡模25的浅通道26内。此延伸部21上有第二组螺栓孔22，用来将转接模16的后面18固定到过渡模25上。
圆形孔口24控制能进到模具系统14内的挤压原料量。一般可采用尺寸从50mm至300mm的圆形孔24。
过渡模
经挤压的材料在过渡模25中重新整形并略有膨胀，如图5、5A与5B所示。一般，此过渡模25是一块方形的金属板，约1寸厚，具有前面28、后面30与螺栓孔32。螺栓孔32从前面28通过原料到后面30。螺栓孔32是用来将所有的各个模件组装成此模具系统，并可位于各个模的同一相对位置中。前面28还包括一浅通道26，后者在前面参照转接模16描述过，可用来使转接模坐定于过渡模25内。过渡模25还包括一导管34，它把从转接模16的圆形孔24出来的圆形坯料所排出的混合料转变成大致更为接近最终产品的形状。过渡模25的这种功能可用来使挤压材料在外边缘处的流率与它在中心处的流率相等。导管34包括位于过渡模25前面28处的第一圆形孔口36与位于过渡模25后面30处的第二扁长形的孔口38。此第二孔口的扁长形接近于最终产品的外形。
条带化模。
此时，原料在条带化模40中分成独立的条带。条带化模40有一批孔42，示明于图6、6A与6B中。标准的条带化模40是一块方形的金属板，厚约1寸，包括第一前面44、第二后面46和用来组装的螺栓孔48。这一批孔42通过条带化模24，排列成一种有助于最终产物取合适体积分配的方式。
图6A与6B表明，包括在扁长形区内的一批孔42在外形上类似于包含在过渡模25内的第二孔口38。所有的孔42都可以是大致的圆形，相互平行地相邻并保持恒定的形状，从第一前面44通过原料到达第二后面46。这种条带化模的一个最佳实施例包括的上述孔具有约1/8寸的直径。理想的情况是，这种孔径应取决于端部结构的尺寸。各个条带的所对应的上述孔的面积可以在整个一部分上为恒定的，或者可根据某个局部上所需的密度或是体积要求而变化。
条带化模40的第一实施例示明于图6C。在此，上述这批孔42并没有包括在由过渡模25的第二孔口38的外形所界定的一个区域内。相反，这批孔42可以设在为螺栓孔48所限定的区域内的任一给定区域之中。当条带化模40的前面44固定到过渡模25的后面30上时，被挤压的材料将受迫通过这批包括在过渡模25的第二孔口38的外形界定区域内的孔42。
气体抽空条带化模
在第二实施例中，如图7-9所示，气体按空条带化模50有助于清除采用挥发性交联剂时所产生的不需要的过程气体。在此“汽体抽空”实施例中，此条带化模所取的构型有助于清除采用挥发性交联剂时所产生的不需要的过程气体。这对于一些在处理过程中会产生出气体的产物尤其重要。
如图7所示，气体抽空条带化模实施例50包括两块金属板52、54，各厚约1寸。第一块板52包括第一前面56、第二后面58和用于组装到其它模具上的螺栓孔60。此第一板52还包括一批条带孔62，它们排列成有助于对最终产物作出合适体积分配的方式，第一板52的第二后面58和第二板54的第一前面64相互对准，使条带化孔62准直。有一条通道66环绕着条带化孔62的周边，而这些条带化孔62则处于密封着它们的第二板54与第一板52之间。
第二板54具有第一前面64和第二后面68，且具有这样的条带化孔62，它们在轴向上与位于第一板52上的条带化孔62准直。同时，有一批位于第二板54的第一面64上的通道70，它们连接着各个条带化孔62而形成一格栅式图案。在第一面64上，于通道70内设有通孔74的入口72，后者位于此最佳实施例的各个条带化孔62之间的中点处。通孔74的周边小于条带化孔62的周边。通孔74的出口设在第二面68中。
在以上任一实施例中，条带化模的剪切作用于各个条带的外侧产生了局部高温，而各个条带的体内则保持较低温度。在气体抽空实施例中，条带化模50构型成有助于清除使用挥发性交联剂时所出现的不希望有的过程气体。这些不需要的气体通过通道70抽出，导向入口72，经由通孔74而且出口76排出。
如图8所示，在此最佳实施例中，出口76比入口72具有较大的周边，而通孔74则提供了渐增的周边。通孔74的形状提供了一种文丘里型系统，由纸压出口76提供一真空，抽出条带中不需要的气体。
压型模
在已均匀化的材料条带通过多孔的条带化模后，它们在压型模78中压成最终形状。加热和压缩的纤维素分子链然后键合到一起。可以由交联剂促进这种键合。从各条带表面外逸散出热，在这些条带结合到一起后，使得此坯料的温度混匀。这些条带由于较高的表面温度而结合，然后通过整个成型制品的轮廓使热逸散。
这些条带在压型模78中压缩并成形，如图10、10A与10B所示。各个条带加热3的外表面使所有的条带得到退火处理。此外，由于各个条带是相互批靠压缩，各个条带外表面上的局部高温将导致热固材料键合到纤维素分子链上垂挂的羟基上。要是初始材料中包括有交联剂，这种交联剂就会在各个条带的外表面上形成放热反应，有助于热固材料键合到纤维素分子链上垂挂的羟基上。
压型模78是一块方形的金属板80，原约1寸，具有前面82、后面84与用来与模具系统其它模具装配的螺栓孔86。此压型模78还包括一导管88，后者包括：扁长形第一孔口90，外形与过渡模25的第二孔口38相似；第二孔口92，它可与所需成品的形状一致。
第一孔口90包括压型模78的前表面82一部分，而第二孔口92包括压型模78的后表面84的一部分。压型模78的前表面82固定到条带化模50的后表面58上。导管88可使从条带化模50挤压出的复合材料压缩和变换为最终产品的形状。
此方法的主要优点之一是，模压制的产品在离开压型模后实际上不会有膨胀。这是由于在此挤压机与模具系统中是在低温下进行处理的。
任何形状的压型模都是本发明中所预料到的，包括涉及到装饰性家用模制件的，例如冠顶饰、护墙板、踢脚板、门上的模制件，等等，以及图片镜框、家具装饰物和前面述及的其它产物。
固化模
在固化模94中保持着产品的最终形状。要是在初始材料中包括有交联剂，此交联剂在固化模94中继续起反应。如图11、11A与11B所示的固化模94是第一与第二两块金属板96与98的组合件，这两块板各约1寸厚，由空心金属套100连到一起。金属套100中的空腔102取最终产品外形的构型。
图11A示明了各第一与第二板96与98的前面104，而图11B示明了各第一与第二板96与98的后面106。螺栓孔108可使第一板96的前面104内螺栓固定到压型模78的后面84上。
喷射头系统
在本发明前述系统的最佳实施例中包括一个位于模具系统14和冷却池110之间的喷射头系统95。参看图1、2与12，其中示明了一种最佳的喷射头系统95。此种喷射头可取任何适当的构型，只要能在挤压件离开模具系统14时将冷却流体例如水、防冻剂或其它的适当液体喷射到挤压件，即热的模制件上。
此喷射头系统在它的最佳实施例中包括至少一个而最好是三个空心管状与圆形的喷嘴环97。这类喷嘴环可用本项技术中周知的能输送冷却流体的任何材料制成。适用的材料包括塑料、橡胶以及不锈钢与黄铜管之类金属。
喷嘴环97连接到流体输入导管99上，此导管将加压流体输送给喷嘴环97。如图12所示，此流体导管99可以是一种中央分配管，由连接器101连到一批喷嘴环97上。每个喷嘴环97包括至少一个最好一批注射器103，用来将加压的流体释放到为喷嘴环97外形界定的中央环境内。
此喷射头系统用在模制好的挤压件从模具系统的固化模94中出来时。在此模制好的挤压件有机会与空气作实质性接触之前，此挤压件进入喷射头系统95，后者喷出流体105浸渍此挤压件。此喷射系统可以有很高的压力，类似于从通常范围浇水带的喷水情形。它可以是雾化喷射式的，或可以具有中等程度的压力，这要取决于挤压件的类型以及挤压件上所需的光洁度。要是在挤压件从模具系统14中冷却之前同时在挤压件进入大气之前对此挤压件进行喷射，喷射的流体将在热的模制出的挤压件之上形成增硬的光泽面或釉面，有助于防止在模制出的挤压件的表面上起泡和变形。由喷射所产生的上述有利结果其原因很难从一个方面说清，但可以相信，在模制好的挤压件与大气接触之前对它所进行的喷射将会与挤压件的尿烷成份起反应，因而在产品之上形成了增硬的釉面。
冷却池
在模制好的产品离开压型模后，它就被送到一有通道的冷却池110中，这种冷却池是(本项技术中周知的)一种输送系统，用来使材料运送过一个可以在负压下的冷却过程，尤其适用来输送空心制品。有代表性的输送型冷却池是由辛辛那提市的Milacron公司所生产的。在此最佳实施例中，这种冷却池可以包括一种真空型水浴。成形制品的长度取决于冷却池的长度。于是，此种产品的另一个优点是，由于它可以从此系统连续地挤压出，它可能具有的长度是不受限制的。
成形的产品在此有通道的冷却池内冷却，同时由本项技术中周知的一种牵引机构112在辊上输送。然后用传统的装置将已冷却的制品按所需长度切断。再在此产品上覆盖以乙烯树脂材料、增料薄片、油漆或本项技术中周知的其它覆盖物料。可在上述牵引机构的下游设置一台本项技术中周知的串联的十字头挤压模，用来涂布已知化合物的一种面饰作为外部的保护层。
以上所述只应视作为对本发明原理的解释。此外，由于对于熟悉本项技术的人可以立即给出众多的改型与变动，故不希望把本发明限制于以上所示和所描述的废格结构与操作中。因此，所有合适的改型与等价物均应属于本发明的范围内。

Claims (49)

1．一种用来从粒状纤维素料来生产复合材料的方法，此方法包括下述步骤：
a.将此纤维素料与足够量的热塑材料结合，形成结合产物；
b.在充分条件下挤压上述结合产物，使此结合产物在一起混合成均匀混合物；
c.使上述均匀混合物通过一过渡模，此过渡模包括一扩展导管，由此来预成形和展开此均匀混合物；
d.使上述均匀混合物通过一条带化模，以形成一批相邻定位的均匀混合物的条带；以及
e.使这批条带通过一压型模至一段足以把这批条带压缩到相互结合在一起的时间。
2．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有下述步骤，即将上述均匀混合物通过一转接模，来控制此均匀混合物的允许进入前述过渡模中的体积。
3．如权利要求1所述方法，特征在于：所述纤维素料是从下述这组材料中选出的：报纸、苜蓿、麦浆、木粉、木片、木纤维、磨木浆、胶合板、夹层板、纸板、稻草以及其它纤维素纤维料。
4．如权利要求1所述方法，特征在于：所说纤维素料是切碎的或是纤维状的。
5．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括一个在前述步骤a之前的，将纤维素料干燥到水份在约1％至9％之间的步骤。
6．如权利要求1所述的方法，特征在于：它还包括一个在前述步骤a之前的，将纤维素料干燥到水份为2％的步骤。
7．如权利要求1所述的方法，特征在于，所说热塑材料是从下述这组材料中选出的：多层膜、聚氯乙烯、聚烃、乙基、乙烯乙酸酯与废塑料锯末。
8．如权利要求1所述方法，特征在于：纤维素料对热塑材料之比约在4∶1至1∶0之间。
9．如权利要求1所述方法，特征在于：前述结合产物是在温度低达约100°F下挤压的。
10．如权利要求1所述方法，特征在于：此结合产物是在约100°F至400°F间的一个温度下挤压的。
11．如权利要求1所述方法，特征在于：此结合产物是在约150°F至200°F间的一个温度下挤压的。
12．如权利要求1所述方法，特征在于：此结合产物是在约180°F的温度下挤压的。
13．如权利要求12所述方法，特征在于：所述挤压机的流率约在100至2500磅/小时之间。
14．如权利要求12所述方法，特征在于：所说挤压机的流率约为600磅/小时。
15．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有在存在交联剂的条件下使纤维素料与热塑材料相结合。
16．如权利要求15所述方法，特征在于：所说交联剂是从下述这组材料中选取：聚氨酯、酚醛树脂、不饱和聚酯和环氧树脂。
17．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有在存在润滑剂的条件下使纤维素料与热塑材料结合。
18．如权利要求17所述方法，特征在于：上述润滑剂是从硬脂酸锌与石蜡型蜡这组材料中选取。
19．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有在存在加速剂、抑制剂、增强剂、配伍剂与起泡剂中的一或多种的条件下，使纤维素料与热塑材料结合。
20．如权利要求1所述方法，特征在于：前述这批相邻定位的条带中的每一个所具有的表面温度都高于其内部温度。
21．如权利要求1所述方法，特征在于：前述条带化模是一种多孔模，它包括有使形成在此条带化模中的各个条带的外表面升温的装置。
22．如权利要求21所述方法，特征在于：前述条带化模包括一批孔，它们排列成有助于为这批条带作出合适的体积分配，同时，所有这些孔都基本上呈圆形。
23．如权利要求22所述方法，特征在于：上述这批孔中的每一个所具有的直径约为1/8英寸。
24．如权利要求1所述方法，特征在于：前述条带化模是一种气体抽空条带化模，它包括有便于清除使用挥发性交联剂时所出现的不希望有的过程气体的装置。
25．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有下述步骤：在均匀的条带通过压型模后，使这批条带通过一固化模至一段足以使各个条带结合成一模制出的挤压件的时间。
26．如权利要求25所述方法，特征在于：它还包括有下述步骤：用足以模制出的挤压件表面上形成一层增硬釉面的冷却流体来喷射此模制出的挤压件。
27．如权利要求26所述方法，特征在于：上述流体是水。
28．如权利要求26所述方法，特征在于：它包括有在模制出的挤压件暴露于空气之前，对此挤压件进行喷射的步骤。
29．如权利要求1所述方法，特征在于：它还包括有使已成形产品冷却的步骤。
30．如权利要求29所述方法，特征在于：它还包括有在负压下冷却已成形产品的步骤。
31．如权利要求1所述的方法，特征在于：
在步骤(a)之前干燥此纤维素料至其水份在约1％至9％之间；
在步骤(a)中，在存在交联剂与润滑剂条件下使纤维素料与足够量的热塑材料相结合而形成结合产物，其中纤维素料对热塑材料之比在约4∶1至1∶0之间；
在步骤(c)中，此结合产物是在约100°F至400°F之间的一个温度下进行挤压，且挤压机的流率是在约100至2500磅/小时之间；
在步骤(d)中，各个相邻定位的条带的表面温度高于各条带内部温度；还包括下述附加步骤：
f．使这批条带通过一固化模至一段足以将此各个条带一起结合成一模制出的挤压件的时间；
g.用足够的冷却流体喷射此模制出的挤压件以在其上形成一层增硬的釉面；以及
h.冷却此已成形的产品。
32．如权利要求31所述方法，特征在于：纤维素料是从下述材料组中选出的：报纸、苜蓿、麦浆、木粉、木片、木纤维、磨木浆、胶合板、夹层板、纸板、稻草与其它纤维素纤维料。
33．如权利要求31所述方法，特征在于：所说纤维素料是切碎的或是纤维状的。
34．如权利要求31所述方法，特征在于：所说热塑材料是从下述这组材料中选出的：多层膜、聚氯乙烯、聚烃。乙基、乙烯乙酸酯与废塑料锯末。
35．如权利要求31所述方法，特征在于：前述结合产物是在约150°F至200°F间的一个温度下挤压的。
36．用来形成如权利要求1所述的复合模制挤压件的低温挤压机系统，此系统包括：
a.一个料斗，用来接收此有机纤维南料与热塑材料并把它们形成混合物；
b.一台挤压机，用来挤压上述混合物，此挤压机具有一挤压机出口；
c.第一过渡模，它包括一导管，此导管的第一导管端适配上述挤压机出口的外形，这一导管是从此第一导管端扩展到一第二导管端，而前述混合物则在此过渡模中展开并预成形；
d.第二条带化模，它与上述第二导管端连接，备有一批条带化孔，接收此已成形的混合物并把它剪切成一批各有其自身外表面的独立条带；
e.第三压型模，它与第二条带化模连接，备有一个接收此各个独立条带并把它们压制成最终模制形状的孔；以及
f.第四成形模，它与第三压型模连接，备有一个挤压件成形孔，用来对此模制出的挤压件进行模压成形。
37．如权利要求36所述的低温挤压机系统，特征在于：它还包括有位于挤压机与第一过渡模之间的一个转接模，此转接模上设有一个用来控制进入第一过渡模中混合物数量的孔。
38．如权利要求36所述的低温挤压机系统，特征在于：第一过渡模包括着具有一大致圆形孔口的第一前面和具有一与最终产品形状类似的孔口的第二后面。
39．如权利要求36所述的低温挤压机系统，特征在于：第三压型模包括一形状与第一过渡模第二后面相同的第一前面，以及一用来使模制出的挤压件成形的第二成形后面。
40．如权利要求36所述的低温挤压机系统，特征在于：第二条带化模具有第一表面与第二表面，此条带化模包括：
a.位于此第二条带化模第一表面上的一批气体抽空通道，用来接收和抽空由于剪切此成形混合物而排出的气体；与
b.一批气体抽空通孔，它们具有位于第一表面上与气体抽空通道相连的入口以及位于第二表面上的出口，用来从气体抽空通道接收和抽空气体。
41．如权利要求40所述的低温挤压机系统，特征在于：上述气体抽空通孔的出口较入口具有更大的周边，从而能提供文杜里(Venturi)效应来提高抽空效率。
42．如权利要求40所述的低温挤压机系统，特征在于：上述气体抽空通道与所说条带化孔连接成格栅形式。
43．如权利要求40所述的低温挤压机系统，特征在于：上述气体抽空通孔基本上位于所说条带化孔之间的中点。
44．如权利要求36所述的低温挤压机系统，特征在于：它还包括一喷射头系统，用来接收通过前述第四成形模的模制出的挤压件。
45．用来形成如权利要求1所述的复合模制挤压件的低温挤压机系统，此系统包括：
a.一个料斗，用来接收此有机纤维质材料与热塑材料并把它们形成混合物；
b.一台挤压机，用来挤压上述混合物；
c.一个转接模，它与上述挤压机连接，此转接模上设有一个孔，用来控制从此挤压机中流出的混合物量；
d.第一过渡模，它包括一个孔用来接近上述混合物并把此混合物形成初始形状向后挤压出此已成形的混合物，此第一过渡模包括一个具有一大致为圆形的孔口的第一前面和一个具有一与最终产品形状类似的孔口的第二后面；
e.第二条带化模，它与第一过渡模连接，备有一批条带化孔用来接收已成形的混合物并将其剪切成一批独立的各有其自身外表面的条带，此第二条带化模具有第一表面与第二表面，且包括ⅰ)一批气体抽空通道，它们位于上述第二条带化模的第一表面上，用来接收和抽空在剪切此已成形混合物时所排出的气体；以及ⅱ)一批气体抽空通孔，它们具有位于第一表面上与气体抽空通道相连的入口以及位于第二表面上的出口，用来从气体抽空通道接收和抽空气体，这里的气体抽空通孔出口具有较入口的周边为大的周边，从而能提供文杜里效应来提高抽空效率；
f.第三压型模，它与第二条带化模连接，设有一个孔用来接收上述各个条带并把它们压制成最终模压形状，此第三压型模包括一个与第一过渡模的第二后面形状相同的第一前面和一个用来形成模制挤压件形状的第二后成形面；
g.第四成形模，它与第三压型模相连，设有一个挤压件成形孔用来使模制出的挤压件模压成形；以及
h.一个喷射头系统，用来接收来自上述第四成形模的模制出的挤压件。
46．按照权利要求1所述方法生产出的仿木材复合材料。
47．如权利要求46所述的复合材料，特征在于：它包括有约2/3的纤维素料和1/3的热塑材料。
48．如权利要求47所述的复合材料，特征在于：上述的纤维素料是选自下述一组材料：报纸、苜蓿、小麦粉、木粉、木浆、木片、锯末、木粒、纸、棉一类的优质纤维与竹一类的植物纤维。
49．如权利要求47所述复合材料，特征在于：上述的热塑材料是选自下述一组材料：多层膜、食品包装纸、聚烃、乙基、乙烯乙酸酯与废塑料锯末。
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