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Die
gegenwärtig
offenbarte Erfindung bezieht sich auf Zusammensetzungen und Verfahren zur
Herstellung von Verbundkonstruktionsmaterialien.
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Viele
Jahre lang war Holz für
bestimmte Strukturanwendungen wie Decks und Verandas das bevorzugte
Material. Holz hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß es von
Schimmel, Mehltau, Pilz und Insekten befallen werden kann. Ein Schutz
hiervor wird üblicherweise
durch Schutzanstriche oder durch die Behandlung mit Chemikalien
oder Metallen wie Arsen erreicht. Diese Schutzverfahren haben jedoch
den Nachteil, daß regelmäßiges Warten
oder die Verwendung menschlicher Toxine erforderlich ist.
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Überdies
verändert
Holz, weil es Sonnenlicht oder Naturelementen ausgesetzt ist, auch
seine Farbe. Bei einigen Anwendungen wie Außendecks manifestiert sich
die Reaktivität
auf verschiedene Art und Weise wie als Farbflecken unter Mobiliar
oder Mattierung sowie andere unerwünschte Dinge.
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Zur
Vermeidung dieser Schwierigkeiten sind in einigen Fällen bei
Konstruktionen des Standes der Technik Metallmaterialien als Alternative
zu Holz verwendet worden. Metallmaterialien sind unempfänglich für Pilz-
und Insektengefahren, unterliegen jedoch Korrosionsverfahren. Überdies
machen das Gewicht und/oder die Kosten von Metallmaterialien diese
für viele
Anwendungen ungeeignet.
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Zur Überwindung
dieser Schwierigkeiten sind im Stand der Technik verschiedene Ersatzstoffe für Holzbalkenplanken
und ähnliche
Strukturglieder entwickelt worden. Als ein Beispiel offenbart
US-Patent 5,660,016 von
Erwin eine Balkenplanke, die aus einer Außenhülle aus extrudiertem Polyvinylchlorid, die
mit einem Kern aus festem Polyurethanschaum gefüllt ist, besteht. Als ein anderes
Beispiel beschreibt
US-Patent 6,128,880 von
Meenan ein modulares Blankensystem, in dem verschiedene Systemkomponenten
für eine
Verriegelungs- oder kooperative Montage gestaltet sind. Solche Spezialsysteme erfordern
jedoch oftmals spezielle Besonderheiten wie Befestigungssysteme
zur Sicherung der Planken. Andere Verbesserungen der Verbundbalkenlage waren
auf dekorative Besonderheiten gerichtet, wie im
US-Design Patent Des. 418,926 gezeigt.
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In
einigen Verfahren zur Herstellung von Verbundteilen wird ein Vinylpolymer
in Kombination mit Holzelementen verwendet. Beispielsweise beschreiben
die
US-Patente 2,926,729 und
3,432,885 eine thermoplastische
Polyvinylchloridverkleidung, die mit Holzteilen kombiniert ist,
zur Bildung von Bauteilen. Gemäß anderen
Technologien kann eine Schicht aus thermoplastischem Harz an eine
Duroplastschicht gebunden werden. Beispielsweise wird in
US-Patent 5,074,770 ein
unter Vakuum gebildeter Rohling zur Modifikation der polymeren Struktur
der Harzoberfläche
und zur Verbesserung der Haftung an eine Schicht aus thermoplastischem
Harz behandelt. Verfahren wie sie in
US-Patent
5,098,496 von Breitigam beschrieben sind, zur Herstellung
von Gegenständen aus
wärmehärtenden
wärmehärtbaren
Polymerzusammensetzungen sind in der Technik auch bekannt.
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In
anderen Fällen
bestanden Vinylpolymermaterialien aus einem Vinylpolymer in Kombination mit
einem oder mehreren Additiven. Sowohl feste als auch flexible thermoplastische
Materialien sind durch Extrusions- und Spritzgießverfahren zu Strukturmaterialien
geformt worden. In einigen Fällen
enthielten diese Materialien auch Fasern, anorganische Materialien,
Farbstoff und andere Additive. Beispiele für thermoplastisches Polyvinylchlorid
und Holzfasern, die zur Herstellung von Verbundmaterialien gemischt werden,
sind in den
US-Patenten 5,486,553 ;
5,539,027 ;
5,406,768 ;
5,497,594 ;
5,441,801 und
5,518,677 zu finden.
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In
einigen Beispielen ist auch geschäumtes Material zur Herstellung
von Strukturgliedern verwendet worden. Geschäumte Thermoplasten werden normalerweise
durch Dispergieren oder Ausdehnen einer Gasphase durch eine Flüssigpolymerphase hergestellt,
um so einen Schaum zu erzeugen, der eine Polymerkomponente und eine
enthaltene Gaskomponente in einer geschlossenen oder offenen Struktur
umfaßt.
Die Gasphase wird durch Treibmittel erzeugt. Solche Treibmittel
können
chemische Treibmittel oder physikalische Treibmittel sein. Beispielsweise
offenbart
US-Patent 5,001,005 von Blaupied laminierte
Panele mit einem geschäumten
Kern, wobei der geschäumte
Kern, wie z.B. ein wärmehärtbarer
Schaumstoff, mit flachen festen Platten oder gewebten flexiblen
Verkleidungsplatten ausgestattet ist. Die Verkleidungsplatten werden
aus verschiedenen Materialien wie Glasfasern, die mit Harzbindemitteln verbunden
sind, gebildet. Andere Verkleidungsmaterialien umfassen Papier,
Kunststoff, Aluminiumfolie, Metall, Kautschuk und Holz.
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In
einigen Fällen
sind insbesondere Verfahren zur Herstellung von Strukturkomponenten
aus einem geschäumten
thermoplastischen Polymer und Holzfasern angewendet worden. Ein
Beispiel ist in
US-Patent 6,054,207 gezeigt.
Andere Verbesserungen schaumgefüllter,
extrudierter Kunststoffbalkenplanken waren auf funktionale Besonderheiten
wie die rutschfeste Oberflächenbeschichtung
von Splittmaterial auf Acrylfarbe gerichtet, was in
US-Patent 5,713,165 von Erwin beschrieben
ist.
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In
der Technik wird bekanntermaßen
jedoch ein geschäumtes
Polymermaterial, insbesondere Polyvinylchlorid, in Kombination mit
einer Glasfaser verwendet. Wie ferner in Verbindung mit der vorliegenden
bevorzugten Ausführungsform
beschrieben, ist herausgefunden worden, daß diese Kombination aus geschäumtem Polymer
und Glasfaser ein Material mit Eigenschaften, die insbesondere für die Verwendung
als Holzersatz in Strukturanwendungen geeignet sind, ergibt. Abgesehen
von anderen Vorteilen ist dieses Material überaus wetterfest, da es, auch
wenn es Sonnenlicht oder Umweltelementen ausgesetzt ist, nicht verblaßt oder
seine Farbe ändert. Überdies verfügt das Material über einen
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
einen hohen Modul (Biegefestigkeit) und eine hohe Reißfestigkeit.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt eine
Zusammensetzung zur Verwendung in extrudierten Strukturkomponenten
ein thermoplastisches Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Polyvinylchlorid, Polyethylen und Polypropylen, das homogen
mit Glasfasern eingebettet ist. Die Zusammensetzung umfaßt ferner
innere geschlossene Zellen oder Hohlräume. Die Zusammensetzung umfaßt Glasfasern
in einer Menge von 1 bis 18 Gew.-% und ein thermoplastisches Polymermaterial
in einer Menge von 82 bis 99 Gew.-%. Das thermoplastische Material
ist Polyvinylchlorid mit geschlossenen Hohlräumen oder Zellen darin, wobei die
Hohlräume
oder Zellen in dem Aggregat zwischen 30 und 70 % des Volumens des
Materials umfassen. Bevorzugt hat die Zusammensetzung eine relative
Dichte im Bereich von 0,5 bis 1,0. Die Glasfasern haben eine Faserlänge im Bereich
von 50 μm bis
900 μm.
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Bevorzugt
weisen die Glasfasern eine Siebklassierung im Bereich von 0,397
mm bis 6,35 mm (1/64 Inch bis 1/4 Inch); einen Faserdurchmesser
im Bereich von 5 μm
bis 30 μm
und eine Schüttdichte
im Bereich von 0,275 g/cm3 bis 1,05 g/cm3 auf.
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Andere
Besonderheiten, Vorteile und Ziele der hier offenbarten Erfindung
werden dem Fachmann durch die weitere Beschreibung der hier bevorzugten
Ausführungsform
ersichtlich.
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Die
hier bevorzugten Ausführungsformen der
offenbarten Erfindung werden in Verbindung mit den anhängenden
Figuren gezeigt und beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Darstellung, die eine bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung der offenbarten Zusammensetzung veranschaulicht,
ist;
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2 ein
Querschnitt des in 1 an der Stelle, die durch die
Linien 2-2 in 1 angezeigt ist, veranschaulichten
Extruders ist;
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3 eine
schematische Darstellung, die eine andere bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung der offenbarten Zusammensetzung veranschaulicht,
ist; und
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4 eine
Darstellung eines Gaseinspritzgerätes, das in Kombination mit
dem in 3 veranschaulichten Extruder verwendet wird, ist.
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Wie
in 1 gezeigt, umfaßt der Extruder 10 einen
Kraftantrieb und ein Getriebe 12, das mechanisch an einen
Extruderzylinder 14 gekoppelt ist. Der Extruder 10 umfaßt ferner
einen Speiser 16. Bevorzugt ist der Extruder 10 ein
konischer Doppelschneckenextruder eines Typs, wie er von Milacron,
Inc. erhältlich
ist, oder ein äquivalenter.
Kommerziell erhältliche
Einschnecken- oder parallele Doppelschneckenex truder können in
der Praxis der offenbarten Erfindung jedoch auch verwendet werden.
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Wie
einem Fachmann allgemein bekannt ist, fließt in solchen kommerziell erhältlichen
Extrudern das Beschickungsmaterial aus dem Speiser 16 zum Einlaßende 18 des
Zylinders 14. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der 1 und 2, definiert der Zylinder 14 eine
innere sich verjüngende Kammer 20,
die entlang der Längsachse 21,
die sich zwischen dem Einlaßende 18 und
dem Auslaßende 22 des
Zylinders 14 erstreckt, angeordnet ist. In der bevorzugten
Ausführungsform
der 1 und 2 ist der Extruder 10 ein
konischer Doppelschneckenextruder, so daß sich die Querschnittsfläche der Kammer 20 entlang
der Längsachse 21 an
Längspositionen
entlang der Achse 21, die sich vom Einlaßende 18 weg
in Richtung des Auslaßendes 22 bewegt,
verringert. Der Extruder 10 umfaßt ferner Schnecken 24 und 25 (nur 1),
die sich in der sich verjüngenden
Kammer 20 befinden und mechanisch mit dem Getriebe 12 gekoppelt
sind.
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Einem
Fachmann ist auch bekannt, daß sich durch
den Antrieb des Getriebes die Extruderschnecken 24 und 25 in
Kammer 20 drehen, wenn das Beschickungsmaterial aus dem
Speiser 16 zum Einlaßende 18 des
Zylinders 14 befördert
wird. Die Rotation der Extruderschnecken 24 und 25 trägt das Beschickungsmaterial
durch die Kammer 20 in Richtung des Auslaßendes 22 des
Zylinders 14. Eine Düse 26 mit
einer Düsenöffnung mit
einem ausgewählten Randprofil
ist mit dem Zylinder 14 am Auslaßende 22 verbunden.
Wenn das Beschickungsmaterial vom Einlaßende 18 zum Auslaßende 22 des
Zylinders 14 läuft,
verringert sich die Querschnittsfläche der Kammer 20 und
das Beschickungsmaterial wird komprimiert. Die Komprimierungs- und Reibungskräfte auf das
Beschickungsmaterial führen
dazu, daß der Druck
und die Temperatur des Beschickungsmaterials steigen. An einer bestimmten
Stelle in der Kammer 20 des Zylinders 14 zwischen
Einlaßende 18 und Auslaßende 22 wird
die Temperatur auf einen Punkt erhöht, bei dem das Beschickungsmaterial
eine Fluidschmelze bildet. Am Ende 22 des Zylinders 14 wird die
Fluidschmelze zur Erzeugung einer extrudierten Bahn durch die Öffnung der
Düse 26 gedrängt. Die extrudierte
Materialbahn weist ein Querschnittsprofil senkrecht zur Längsachse 21 auf,
das dem Profil der Düsenöffnung 26 entspricht.
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Gemäß der hier
offenbarten Erfindung umfaßt
das Beschickungsmaterial als Inhaltsstoffe ein thermoplastisches
Polymermaterial und Glasfasern. Wie hierin offenbart, ist das thermoplastische
Polymermaterial aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Polyvinylchlorid,
Polyethylen und Polypropylen. Bevorzugt ist das thermoplastische
Polymermaterial Polyvinylchloridkügelchen, da Polyvinylchlorid
zu einer Zusammensetzung führt,
die wettertest ist. Das Polyvinylchlorid und die Glasfasern werden
durch Vermischen oder Vermengen im Speiser 16, wenn das
Material aus dem Speiser 16 zum Einlaßende 18 des Zylinders 14 fließt, vereinigt.
In beiden Fällen
bilden das Polyvinylchlorid und die Glasfasern ein Beschickungsgemisch,
das am Einlaßende 18 in
den Zylinder 14 gespeist wird.
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Innerhalb
des Zylinders 14 befördern
die Schnecken 24 und 25 das Beschickungsgemisch durch
die Kammer 20 im allgemeinen entlang der Achse 21 weg
vom Einlaßende 18 in
Richtung des Auslaßendes 22.
Passiert das Beschickungsgemisch die Kammer 20, wird das
Polyvinylchlorid/Glasfasergemisch komprimiert. Die steigende Temperatur
des Beschickungsgemisches in dem Extruderzylinder 14 führt zum
Schmelzen oder Verflüssigen
des Polyvinylchlorids und Vereinigen mit den Glasfasern, wodurch
eine Thermoplast/Glasschmelze aus Polyvinylchlorid gebildet wird,
die mit Glasfasern eingebettet ist. Die Thermoplast/Glasschmelze
oder Polyvinylchlorid/Glasschmelze wird anschließend unter Bildung eines Teils
mit dem ausgewählten
Querschnittsprofil durch die Düsenöffnung 26 extrudiert.
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Es
ist herausgefunden worden, daß,
wenn Glasfasern, die in dem Beschickungsgemisch verwendet werden,
Parameter innerhalb ausgewählter Bereiche
aufweisen, das extrudierte Produkt einen relativ hohen Modul, d.
h. eine höhere
Biegefestigkeit haben wird. Solch eine Zusammensetzung ist besonders
bei bestimmten Anwendungen wie Außenbalkenbelag von Nutzen,
wo das extrudierte Produkt einer relativ hohen Scherlast ausgesetzt
ist. Gemäß der offenbarten
Erfindung haben die Glasfasern die folgenden Parameter: Siebklassierung
0,397 mm bis 6,35 mm (1/64 Inch bis 1/4 Inch); Faserdurchmesser 5 μm bis 30 μm; Faserlänge 50 μm bis 900 μm und Schüttdichte
0,275 g/cm3 bis 1,05 g/cm3.
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Die 1 und 2 veranschaulichen
eine Ausführungsform,
worin ein chemisches Treibmittel als Beschickungsgemisch-Inhaltsstoff
in Kombination mit dem thermoplastischen Polymermaterial und den
Glasfasern verwendet wird. Das chemische Treibmittel ist ein Schaumerzeuger,
der mit dem thermoplastischen Material und den Glasfasern als eine Komponente
des Beschickungsgemisches vereinigt wird. Das chemische Treibmittel
kann mit dem Polymermaterial und den Glasfasern zur Bildung des
Beschickungsgemisches gemischt werden, oder es kann zusammen mit
dem Polymer und dem Glas vermengt werden, wenn diese Materialien
aus dem Speiser 16 in den Extruderbeschickungseinlaß gespeist
werden.
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In
der Ausführungsform
der 1 und 2 reagiert das chemische Treibmittel
chemisch in Reaktion auf die Erhöhung
der Temperatur und des Druckes in der Kammer 20 des Extruderzylinders 14, wenn
die Extruderschnecken 24 und 25 das Beschickungsmaterial
aus dem Einlaßende 18 der
Kammer 20 zum Auslaßende 22 befördern. Die
chemische Reaktion des Treibmittels erzeugt Reaktantengase, die
sich mit der Thermoplast/Glasschmelze unter Bildung innerer geschlossener
Zellen in der Thermoplast/Glasschmelze vermischen. In der bevorzugten Ausführungsform
definieren die geschlossenen Zellen Hohlräume in der Zusammensetzung,
wobei die Hohlräume
den Bereich von 30 % bis 70 % des Volumens ausmachen, das innerhalb
der Oberfläche
des fertigen Verbundteils definiert ist. Die geschlossenen Zellen,
gebildet durch das chemische Treibmittel, verringern die Dichte
der Thermoplast/Glasschmelze und verringern anschließend auch
die Dichte der extrudierten Form. Bevorzugt liegt die relative Dichte des
Verbundmaterials im Bereich von 0,5 bis 1,0.
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Chemische
Treibmittel, wie sie hierin beschrieben sind, können sowohl als exotherme als auch
endotherme Art vorliegen. Das exotherme Treibmittel erzeugt bei
seiner Zersetzung Wärme.
Ein bevorzugtes Beispiel eines exothermen Treibmittels gemäß der hierin
offenbarten Erfindung ist Azodicarbonamid. Bei ausreichender Erwärmung zersetzt sich
Azodicarbonamid zu Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Ammoniak.
Das endotherme Treibmittel absorbiert bei seiner Zersetzung Wärme. Beispiele
für ein
bevorzugtes endothermes Treibmittel gemäß der hier offenbarten Erfindung
sind Natriumbicarbonat und Zitronensäure. Die endothermen und exother men
Treibmittel können
auch in Kombination verwendet werden. Beispielsweise kann Azodicarbonamid
mit Zitronensäure
und mit Natriumbicarbonat kombiniert werden.
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In
der hier offenbarten Ausführungsform
der 3 und 4 ist der Zylinder ferner mit
Einspritzöffnungen 28 und 30 versehen.
Die Einspritzöffnungen 28 und 30 werden
zur Einführung
eines physikalischen Treibmittels verwendet, das die Dichte der Schmelze
verringern soll, wie es hierin noch genauer beschrieben wird. Wie
in den 3 und 4 gezeigt, wird das Treibmittel
durch den Extruderzylinder und die Einspritzanordnung in die Schmelze
eingeführt.
Bei einigen Extrusionsanwendungen führen erhöhter Druck und erhöhte Temperatur
des thermoplastischen Materials dazu, daß am Ende 22 des Extruderzylinders 14 Abgase
erzeugt werden. Manchmal ist der Extruderzylinder mit Belüftungsöffnungen versehen,
damit eine Dekompressionszone zum Freisetzen unerwünschter
Gase geschaffen werden kann. In der in den 3 und 4 veranschaulichten
Ausführungsform
gibt es jedoch keine Dekompressionszone.
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Ähnlich wie
das chemische Treibmittel führt das
physikalische Treibmittel dazu, daß die Schmelze innere geschlossenzellige
Strukturen in die flüssige
Schmelze einführt.
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der 3 und 4 ist das Treibmittel ein physikalisches
Treibmittel, das ein Gas ist. Das physikalische Treibmittel wird
durch das Einspritzsystem, das in 4 veranschaulicht
ist, und durch den Extruderzylinder 14 in die Thermoplast/Glasschmelze
eingespritzt. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
kann das physikalische Treibmittel ein Druckgas wie Stickstoff,
Kohlendioxid, fraktionierte Butane oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe
sein. Der Gasförderdruck
muß größer sein
als der Druck der Schmelze. Typische Einspritzdrücke liegen im Bereich von 13,8
MPa bis 27,6 MPa (2.000 bis 4.000 psi). Das physikalische Mischen
findet im Bereich der Innenkammer 20 zwischen den Einspritzöffnungen 28 und 30 und
der Düse 26 statt.
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Die
in 4 gezeigte Einspritzanordnung umfaßt zwei
Düsen 32 und 34,
die mit einem T-Stück 36 durch
die Leitungen 38 und 40 verbunden sind. Das T-Stück 36 ist
mit einer Druckgasversorgung 42 durch ein Kontrollventil 44,
einen Regulator 46 und die Leitungen 48, 50 und 52 verbunden.
Ist die Einspritzanordnung in Betrieb, wird ein physikalisches Treibmittel
aus Druckgas bei einem Druck, der bezogen auf den Druck in der Innenkammer 20 relativ hoch
ist, an den Düsen 32 und 34 eingespritzt.
Typischerweise liegt der Einspritzdruck im Bereich von 13,8 MPa
bis 41,4 MPa (2.000 bis 6.000 psi). Das Gastreibmittel fließt aus der
Gasversorgung 42 durch den Regulator 46, das Kontrollventil 44,
das T-Stück 36 und
die Leitungen 38 und 40 zu den Düsen 32 und 34.
Das Gastreibmittel fließt
aus den Düsen 32 und 34 in
die Kammer 20 des Extruders 10 und vermischt sich
darin mit dem flüssigen
Polymer oder der Schmelze. Vermischt es sich mit dem eingespritzten Gas,
bildet das Polymer innere geschlossene Zellen. Wie bei dem chemischen
Treibmittel ist das physikalische Treibmittel der Schmelze ausgesetzt
und führt zu
geschlossenzelligen Hohlräumen,
die 30 bis 70 Vol.-% der Gesamtschmelze ausmachen. Die relative
Dichte der Schmelze liegt im Bereich von 0,5 bis 1,0. Diese geschlossenzellige
Struktur führt
sowohl zu einer geringeren Dichte der Schmelze als auch zu einer
geringeren Dichte des extrudierten Materials, nachdem die Schmelze
unter Erzeugung eines geraden Produktes mit einem Profil, das der
Form der Düsenöffnung in
der Düse 26 entspricht,
durch die Düse 26 extrudiert
wurde.
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Alternativ
können
die hierin in Verbindung mit den 1 und 2 offenbarten
chemischen Treibmittel in Kombination mit physikalischen Treibmitteln, wie
sie in Verbindung mit den 3 und 4 offenbart
wurden, verwendet werden.
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Die
Kombination der Polyvinylchlorid/Glasschmelze in Gegenwart eines
Treibmittels führt
zu einer Verbundextrusion, die wetterfest ist und die die zur Verwendung
als ein Ersatz für
Bauholz in Anwendungen wie Außenbalkenlage
geeignete Dichte hat. Ferner wird angenommen, daß aufgrund der Verwendung der
Glasfasern die offenbarte Zusammensetzung einen hohen Modul und
einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat. Die geschlossenzellige extrudierte Zusammensetzung aus Glasfasern
und Polyvinylchlorid verfügt über die
bevorzugten mechanischen Eigenschaften wie größere Zug-, Biege- und Stoßfestigkeit.
Ebenso ist herausgefunden worden, daß sie über eine größere dimensionale Stabilität und weniger
mechanische Verzerrung aufgrund einer höheren Temperatur verfügt.
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Obgleich
hierin mehrere derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt und beschrieben worden sind, ist die hierin offenbarte Erfindung
nicht darauf beschränkt,
sondern kann innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche anderweitig
verschieden ausgeführt
werden.