DE69528669T2

DE69528669T2 - Kompositprodukt auf plastikbasis, herstellungsverfahren und vorrichtung

Info

Publication number: DE69528669T2
Application number: DE69528669T
Authority: DE
Inventors: Bernardus De Vries; Dirk Van Dijk
Original assignee: Tech Wood International Ltd
Current assignee: Tech Wood International Ltd
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2015-04-28
Also published as: ATE226609T1; DE69528669D1; ES2225404T3; EP0830424B1; EP0830424A1; DE69533432D1; DK0830424T3; AU2319695A; WO1996034045A1; DE69533432T2; US6929841B1; EP1172404A1; ATE274555T1; EP1172404B1; US20050013984A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist. Die Erfindung betrifft daneben eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
Solch ein Verfahren ist aus dem US-Patent US-A 5,082,605 bekannt. Dieses bekannte Verfahren ist insbesondere für die Produktion eines Komposits gedacht, das aus Holzteilchen, die in einer polymeren Matrix eingebettet sind, besteht. Die Eigenschaften des Komposits sind jedoch minderwertiger im Vergleich zu z. B. natürlichem Holz, da die polymere Matrix die Eigenschaften des Komposits dominiert. Die Holzteilchen sind relativ groß und fungieren als ein Füllmittel. Diese Holzteilchen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, deshalb kaum. Das Verfahren, das in diesem US-Patent beschrieben ist, ist ein Extrudierverfahren. Nach dem Verlassen des Extrudierwerkzeugs werden Walzen verwendet, um die Formbeständigkeit des Extrudats aufrecht zu erhalten. Diese Walzen werden so angewandt, dass sie nur minimalen Druck auf das Extrudat ausüben. Dieser minimale Druck kann nur dort ausgeübt werden, wo die Walzen mit dem Extrudat in Kontakt sind. Im Ergebnis ist der Druck auf das Kompositmaterial sehr gering und nicht gleichmäßig. Bei solchen Extrudierverfahren ist normalerweise ein Nachfließen in der Kalibriereinheit notwendig, um ein Nachfüllen des fehlenden Materials zu ermöglichen, das aus einem Schrumpfen resultiert. Dieses Nachfließen verursacht eine Entschichtung und eine Verringerung der Kohäsion zwischen den Teilchen und dem Kunststoff. Das ergibt relativ schlechte mechanische Eigenschaften. Die Anwendung von Produkten, die entsprechend dieses bekannten Prozesses hergestellt wurden, sind deshalb auf Ornamentierung, Abdeckung, Zaunpfähle etc. beschränkt.
Das US-Patent US 5,096,406 beschreibt ein Extruderaufbau für Kompositmaterialien, insbesondere Materialien, die aus länglichen Holzteilchen bestehen, die in ein polymeres Material eingebettet sind. Das Kompositmaterial wird unter hohem Druck extrudiert, der ein Zerbrechen der Teilchen verursachen kann. Nachdem das Kompsitmaterial den Formkopf verlassen hat, fällt der Druck auf das Material ab, was zu den gleichen Nachteilen führt, wie das Verfahren nach dem US- Patent 5,082,605.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, um ein Kompositprodukt mit geringen Kosten zu produzieren, das einher geht mit hohen Standards für die mechanischen Eigenschaften, vergleichbar mit den Eigenschaften von z. B. Holz, und auch einher geht mit hohen Standards für z. B. Feuerbeständigkeit, Wetterbeständigkeit, Nichtalterungseigenschaften und dergleichen, wobei eine große Menge von Teilchen ohne das Risiko einer Entschichtung und dergleichen angewandt werden kann.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist. Mit diesem Maß wird eine Verdichtung des Kompositmaterials erreicht, was Entschichtung und Matrixfehler verhindert. Im Ergebnis wird ein Kompositmaterial mit mechanischen Eigenschaften erhalten, die mit hohen Standards einhergehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung der oben erwähnten Art erreicht, wie sie in Anspruch 4 beschrieben ist. Mit solch einer Vorrichtung ist es möglich geworden, das Kompositmaterial auf kontrollierte Weise unter einem bestimmten Druck unter die Vicat Erweichungstemperatur innerhalb eines kontinuierlichen Prozesses abzukühlen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ein Kompositmaterial, das aus Teilchen besteht, die in eine polymere Matrix eingebettet sind, ohne Verschwendung von Teilchen und, wenn es gewünscht wird, in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt werden, wobei des Produkt nicht nur mit Holz übereinstimmende mechanische und physikalische/chemische Eigenschaften besitzt, sondern auch auf der Basis von Holz, z. B. minderwertiges Holz, das als Innenholz, Außenholz oder Bauholz klassifiziert werden kann, hergestellt werden kann.
Die Teilchen können Fasern sein oder können Holzplatten oder z. B. Glimmer sein.
Solch ein Kompositmaterial, das erfindungsgemäß hergestellt wurde, wird im folgenden als technisches Holz bezeichnet. Das erhaltene Produkt kann an Stellen eingesetzt werden, an denen immer noch tropisches Hartholz angezeigt ist.
Der Kunststoff ist bevorzugt ein thermoplastisches polymeres Material, insbesondere zumindest ein Polyolefin oder ein Polymer auf der Basis von Styrol, wobei
a. die Querabmessung der größeren Holzteilchen bevorzugt so ist, dass das Verhältnis der Länge der Teilchen in Faserrichtung zu dieser Querabmessung ein Minimum von 4 ausmacht, aber bevorzugt im Bereich von 6 bis 80 liegt;
b. die Holzteilchen in einer Quantität von 40 bis 80% des Gewichts, aber bevorzugt in 50 bis 70% des Gewichts in Bezug auf das Gewicht des Produkts, vorhanden sind;
c. das erhaltene Produkt mindestens die folgenden Anforderungen in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften erfüllt, welche sind
- Biegefestigkeit in der Faserrichtung: 8 Mpa
- Biegemodul in der Faserrichtung: 3 Gpa
- Zugfestigkeit in der Faserrichtung: 6 Mpa
- Zugspannungsmodul in der Faserrichtung: 3 Gpa
- Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung: 0.3 Mpa
- Zugfestigkeitsmodul quer zur Faserrichtung: 1 GPa
Für diesen Zweck sind die Teilchen mit einer solchen Zugfestigkeit, wie Holzteilchen, die ursprünglich aus Abfallholz oder Holzabfall stammen, wahlweise zusammen mit geeigneten Verstärkungsteilchen überwiegend mittels eines thermoplastischen Polymers, bevorzugt auf der Basis eines Olefins oder Styrols, orientiert und gebunden, wobei das Verhältnis der Teilchen zu dem Verbundpolymer extrem ist, so dass keine Rede von einem faserhaltigen thermoplastischen Material sein kann, sondern von einem besonderen holzähnlichen Material, das in einer für den Fachmann üblichen Art und Weise bearbeitet werden kann.
Es ist wichtig, dass das Verfahren kontnuierlich ausgeführt werden kann und die Stufen Komprimieren, Kompoundieren, Orientieren der Fasern, und Form geben umfasst, wobei die folgenden Anforderungen erfüllt sein müssen.
1. Die Stufe des Komprimierens, bei der ein Austreiben von eingeschlossenen Gasen, sowohl inter- als auch intrafibularen, gleichfalls unter Bedingungen stattfinden muss, bei denen die Fasern intakt bleiben.
2. Die Phase des Kompoundierens, bei dem das Mischen der Komponenten und das Benetzen mit der Polymerschmelze unter Bedingungen stattfinden muss, bei denen die bruch- und zersplitterungsempfindlichen Fasern intakt bleiben.
3. Die Phase des Orientierens, bei dem eine hauptsächliche Orientierung der langen Teilchen in dem komprimierten Kunststoffmaterial unter solchen Bedingungen durchgeführt werden muss, dass die gegenseitige Position der Teilchen in der Mischung im großen und ganzen beibehalten wird, d. h. die Orientierung vollzieht sich entlang flüssiger Fließlinien, allmählich und ohne solch hohe Scherspannungen, dass dadurch eine Gefahr der thermischen Zersetzung bestehen würde.
4. Die Phase der Formgebung, wobei die Mischung seine festgelegte Gestalt und Abmessung am Querschnitt senkrecht zur Fließrichtung erlangt, gleichfalls unter Bedingungen, bei denen die relative gegenseitige Position der Teilchen praktisch unverändert beibehalten wird, wobei zu diesem Zweck das Material unter einem Überdruck aus dem Formkopf fließt und unter Druck in der Kalibriereinheit verbleibt, bis sich die Verbundpolymerphase unter die Vicat Erweichungstemperatur abgekühlt hat.
Das hier ist kein Extrudieren, da beim Extrudieren die geschmolzene Masse, nachdem sie den Extrudierkopf verlässt, relativ drucklos ist oder wenigstens unter einem relativ kleinen Überdruck steht, wie er notwendig ist, um ein Nachfließen des Kunststoffkerns des geformten Produkts in die Kalibriereinheit zu erlauben, um damit ein Auffüllen des infolge Schrumpfens fehlenden Materials zu ermöglichen. Dieses Nachfließen muss immer vermieden werden, da es von Entschichtung und einer Abnahme der Kohäsion zwischen den Teilchen und dem Kunststoff begleitet würde und die gewünschten Eigenschaften würden konsequenterweise nicht erreicht werden.
Es kann auch keine Rede von Pultrusion sein, da darin Zugkräfte an dem geformten Produkt nach und während des letzten Teils der Verdichtungsphase zum Zweck einer kontinuierlichen Abgabe des geformten Produkts angewandt werden, das anderweitig seine Gestalt auf eine drucklose Art und Weise oder unter relativ kleinem Überdruck durch ein Schmelzen des Thermoplasten und Faserverstärkung erhält.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt einen Formungsprozess unter gleichbleibend signifikantem Überdruck ein, wobei das Material nicht fließt, sondern als ein Kunststoffpfropfen durch die Orientierungs-, Formungs- und Verdichtungsphase vorwärts gedrückt wird.
Dieses Verfahren wird daher mit dem Namen Pushtrusion bezeichnet.
Das erhaltene Produkt auf Basis von der Holzteilchen und Kunststoff, technisches Holz, ist infolge der Faserverbindung mittels eines Thermoplasten vollständig wiederverwertbar. Es wird ersichtlich, dass wiederverwertete Polyolefine und Styrole auch als Faserverbinder verwendet werden können.
Additive können außerdem während der Kompoundierungsphase zugefügt werden, wobei dem technischen Holz Eigenschaften gegeben werden, die jene von natürlichem Holz übertreffen, insbesondere wenn schnell wachsende Pflanzen, wie etwa Tanne, Kiefer, Birke und Pappeln als Ausgangspunkt verwendet werden.
Das Verfahren als kontinuierlicher Prozess wird als Kompushtrusion bezeichnet und die Vorrichtung, mit der das Verfahren ausgeführt wird, wird als Kompushtruder bezeichnet.
Es sind Beispiele aus der Patentliteratur bekannt, bei denen Holz ähnelnde Kunststoffprodukte hergestellt werden, aber bei denen die mechanischen Eigenschaften, wie sie nach dem Verfahren der Erfindung erhalten werden, damit nicht erhalten werden.
Die bekannten Verfahren machen darüber hinaus, insoweit ein relativ großer Anteil an Holzmasse in das Produkt verarbeitet wird, ohne Ausnahme von einer Maschine mit einem Knetwerk Gebrauch, wie etwa zum Beispiel den Banbury-Mischer oder den Buss-Kokneter, die mit Vorbedacht bei dem neuen Verfahren nicht verwendet werden, in Hinblick auf die schädliche Wirkung einer Knetmaschine auf die Abmessungen und Eigenschaften der angewandten Holzfasern.
Die Anwendungen der Produkte nach den bekannten Verfahren sind beschränkt auf Ornamentieren, Abdecken, Zaunpfähle etc., wobei das Holz als Füllmittel betrachtet wird:
EP-A-0 114 409, E. I. Du Pont de Nemours, 1994
US-A-5 030 662, A. K. Banerjie, 1991
US-A-4 ß66 110, Chang Y. Lee, 1989
US-A-5 082 605, J. G. Brooks et al. 1992
NL-A-77 04265, Lankhorst Touwfabrieken, 1978
WO-A-90/08020, Polywood Patent AB, 1990.
Am Kompushtruder kann unterschieden werden zwischen:
(1) Koumpoundiermaschiene: bevorzugt eine Doppelschraube oder eine Eifachschraube mit angepasster Schrraubengeometrie,
(2) rotierende Verdrängerpumpe, bevorzugt ein Zahnrad, ein Kolben oder eine Schraube,
(3) Verteilerkopf,
(4) Orientierungsmittel,
(5) Formkopf, auch Kalibriervorrichtung,
welche Teile im Folgenden weiter beschrieben werden.

(1) Kompoundiermaschine

Die Funktion der Kompoundiermaschine, z. B. aus der Serie Theysohn TSK-N, Leistritz ZSE-GL, ist, die Teilchen, insbesondere Holzteilchen, in den flüssigen Thermoplasten einzuschließen. Das muss so geschehen, dass die Holzfaser vollständig mit dem Polymer umschlossen ist, jedoch ohne dass dabei die Fasern wesentlich durch Brechen in der Länge verkürzt werden. Die Holzfasern können sich jedoch der Länge nach spalten. Dieser Zustand wird durch Benetzen der Fasern mit der Polymerschmelze erreicht. Infolge der relativ starken Adhesionseigenschaften der Schmelz in Relation zu den Fasern, werden die letzteren weiter getragen und ferner gleichmäßig in der Schmelze verteilt. Die Anpassung der Schraubengeometrie verhindert, dass ein zu intensiver Knetvorgang an der Mischung angewandt wird, wie es für gewöhnlich z. B. beim Banbury-Mischer oder einer Standard- Kompoundiermaschine der Fall ist. Eine bewusste Auswahl wurde zugunsten eines langen Kompoundierweges anstelle eines sehr kurzen getroffen, wobei die Holzteilchen sorgsam behandelt werden, während trotzdem eine gleichmäßige Verteilung eintritt. Die Holzteilchen werden bevorzugt unter Komprimieren eingeführt und verdichtet, um einen übermäßigen Lufteinschluss zu verhindern, der die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen könnte.
Durch hintereinander erfolgendes Komprimieren, Dekomprimieren und Entgasen der Mischung unter Vakuum mittels der ausgewählten Schraubengeometrie werden Luft und Gase ausgetrieben, sowohl aus der Mischung, als auch aus den Poren in den Fasern. Im Falle der einfachen Schraube wird die Mischung in einem Fluss zusammengedrückter Pfropfen weiter getrieben, wonach der thermoplastische Teil geschmolzen wird.
Die Adhäsion zwischen den Holzteilchen und der Polymerschmelze ist so groß und sie haften derart zusammen, dass wahlweise weitere Zugaben zu der Mischung vorgenommen werden können, ohne die Adhäsion zwischen dem Polymer und den Holzteilchen aufzubrechen.
Wahlweise können Verstärkungsfasern auf der Basis von Cellulose, wie etwa Flachs, Hanf oder Mineralfasern aus Glas, Glimmerplättchen oder dergleichen entlang des obigen Weges mitgetragen werden.
Der Druck auf die Mischung zum Zweck der Formungsphase wird nicht wie üblich durch das Prinzip des Extrudiervorgangs der Schraube, sondern für diesen Zweck durch eine rotierende Verdrängerpumpe geliefert.

(2) rotierende Verdrängerpumpe

Der Druck, der erforderlich ist, um die Mischung durch den Verteilerkopf (wird unten beschrieben), das Orientierungsmittel und den Formkopf/Kalibriervorrichtung zu pressen, wird von einer Verdrängerpumpe produziert, bevorzugt von einer Schraubenpumpe oder einer Zahnradpumpe, z. B. Maag, Expac Typ Estrex 56/56 oder Witte Typ ESTHF 92.6 LKK. Hohe Drucke können ohne signifikante Wirkung auf die Teilchenform und -abmessungen realisiert werden. Da große Scherkräfte praktisch nicht vorhanden sind, kann die gewünschte Druckzunahme darüber hinaus ohne übermäßige Wärmebelastung und Qualitätsminderung der Mischung realisiert werden.

(3) Verteilerkopf

Der Verteilerkopf ist eine notwendige "Schnittstelle" zwischen der rotierenden Verdrängerpumpe und dem Orientierungsmittel. Das laminare Fließmuster aus der rotierenden Verdrängerpumpe muss zu einem Fluss von Pfropfen umgewandelt werden.
Das Teilchen-Orientierungsmittel muss mit einem gleichbleibenden Strom der Mischung versorgt werden, der in Menge und Geschwindigkeit gleichmäßig über die Fließoberfläche des Orientierungsmittels verteilt wird, um dadurch ein Blockieren und eine Turbulenz als Folge eines Geschwindigkeitsunterschieds nach jeder Phase der Orientierung der Teilchen zu verhindern. Der Verteilerkopf leitet damit die erforderliche Spannungsfreiheit innerhalb des Fließprofils ein. Der Strom der Pfropfen kann optimiert werden:
- mechanisch, durch Variation der Durchflussfläche pro Kanal unter Verwendung eines Einstellbolzens, auf den von Außen zugegriffen werden kann und/oder
- thermisch, durch Variation des Fließwiderstands pro Kanal durch Verwendung eines Heizelements.
Die Gestalt des Verteilerkopfes hängt teilweise oder vollständig vom gewünschten Produkt ab.

(4) Orientierungsmittel

Das Orientierungsmittel setzt sich aus einer Vielzahl von Platten zusammen, die in Serie mit Schlitzen (im Falle von Plättchen) oder (zylindrischen) Löchern (im Falle von Fasern) in der Fließrichtung verbunden sind. Der Durchmesser und dessen Zunahme über die Platten hängt von den Abmessungen der Teilchen und dem gewünschten Grad an Orientierung ab. Wenn kurze Fasern mit einer Länge von 2 mm und einem Verhältnis L/D von 4 durch ein Loch von 2,5 mm geleitet wird, wird wenig oder keine Orientierung eintreten.
Wenn eine Lange Faser mit einer Länge von 4 mm und einem Verhältnis L/D von 8 durch das selbe Loch tritt, wird eine Orientierung eintreten.
Die Zahl der Platten hängt vom Grad der Gleichheit der Faserlänge, des Verhältnisses L/D davon und des gewünschten Grades der Orientierung ab.
Die Länge der Schlitze oder zylindrischen Löcher ist bevorzugt wenigstens gleich der maximalen linearen Abmessung der Teilchen.
Übergangsplatten zwischen den Lochplatten mit unterschiedlichen Durchmessern haben selbstverständlich die gleichen Durchflussfläche wie die Lochplatten.

(5) Formkopf/Kalibriervorrichtung

Um ein zweidimensional geformtes endloses Produkt aus der "Holzmischung" mit den orientierten Teilchen zu machen, sind ein Formkopf und eine Kalibriervorrichtung notwendig. Im Gegensatz zu dem typischerweise verwendeten Extrudier-Formungsprozess sind der Formkopf und die Kalibriervorrichtung beim Kompushtrusionsprozess einstückig konstruiert, da das Pushtrudat nicht der Länge nach gezogen werden oder daran ein Druck angelegt werden kann.
Eine unbedingt notwendige Bedingung um technisches Holz zu erhalten ist, dass die Mischung nach dem Formen unter Druck unter die Vicat Erweichungstemperatur des Verbundthermoplasten gekühlt wird. Dieser Verdichtungsprozess ist notwendig, um eine Entschichtung und Matrixfehler zu verhindern.
Der Druck des Systems wird aus dem Fließwiderstand zwischen der Mischung und Formkopf/Kalibrierung erhalten.
Um ein Entschichten und Matrixfehler bei der Kalibrierung zu verhindern wird der erste Teil hierbei mit einem Belag überzogen, der den Oberflächenwiderstand wesentlich auf einen Wert reduziert, bei dem kein Entschichten und keine Matrixfehler auftreten. Der äußere Teil des Produkts, der inzwischen beim Kalibrieren unterhalb die Vicat Erweichungstemperatur abgekühlt worden ist, sorgt für eine Matrixunterstützung des Teils des Produkts, des Materialkerns, der noch oberhalb der Vicat Erweichungstemperatur liegt.

Prozessparameter

Es wird offensichtlich werden, dass beim Kompushtrusionsprozess viele Parameter unterschieden werden können, die alle ihre Einflüsse auf die Erzeugung, Qualität und Eigenschaften des technischen Holzes haben.
Die Prozessparameter können wie folgt unterteilt werden:
(1) Variable Parameter, die einstellbare Parameter sind, welche prozessgekoppelt variiert werden können
(2) Adaptierbare Parameter werden einmal abhängig von der Art des technischen Holzes und dem gewünschten Produktabschnitt eingestellt.

(1) Variable Parameter

Die variablen Parameter können weiter in zwei Kategorien unterteilt werden: (1)a. wie sie auch in den bekannten Kompoundierungs-/Extrudierprozess auftreten:
- Temperaturen, z. B. das eingestellte Temperaturprofil des Schraubenzylinders, Temperatur des Formkopfes,
- Drehgeschwindigkeit der Schraube
- bei der Kompoundiermaschine mit Doppelschraube: der Füllstand mittels Dosierung,
- Druck, wechselseitig wirkend,
- Entgasen, absoluter Druck des Vakuums.
(1)b. neue Parameter der Kompushtrusion:
Durchflussfläche, eingestellt mittels eines Einstellbolzens und/oder das Temperaturprofil der Kanäle im Verteilerkopf,
- Temperatur der Orientierungsvorkehrung für die Teilchen
- Temperatur der Kalibrierung
- Temperatur der rotierenden Verdrängerpumpe
- Druck und Leistung der rotierenden Verdrängerpumpe

(2) Adaptierbare Parameter

- Schraubengeometrie,
- Art und Position der Dosierung,
- Entgasungszonen und -zahl,
- Verhältnis L/D des Kompushtruders,
- Zahl der Orientierungsplatten,
- Durchmesser und Veränderung entlang der Löcher in den Orientierungsplatten,
- Fließwiderstand im Formkopf/in der Kalibriervorrichtung,
- Position und aktive Länge der Widerstand reduzierenden Beschichtung in der Kalibriervorrichtung.
Beispiel des Verfahrens und der mechanischen Eigenschaften des erhaltenen technischen Holzes.
Das Verfahren wird in einem Kompushtruder mit einer Kapazität von 200 kg pro Stunde durchgeführt, wie es oben beschrieben wurde.
Die Zusammensetzung der Mischung ist wie folgt:
- 60% des Gewichts Kiefernholz, Länge der Faserteilchen 0.6 bis 3 mm, L/D = 4, Feuchtigkeitsgehalt 2.2% des Gewichts
- 40% des Gewichts Polypropylen. MFI = 15 dg/min (230/2.16)
- keine weiteren Zusätze.
Die wichtigsten Prozessparameter sind wie folgt:
- Temperaturprofil im Bereich 160 bis 19S ºC
- Förderdruck der Kompoundiermaschine 15 bar
- Druck der rotierenden Verdrängerpumpe 95 bar
- Vakuum 20 kPa.
Gemessene mechanische Eigenschaften des technischen Holzes:
Sechs Proben wurden gemessen, wobei die folgenden Ergebnisse hinsichtlich der Längenorientierung der Holzteilchen erhalten wurden:
Der Zusatz von 10% Glas- oder Flachsfasern mit einer Länge von 4 mm und L/D 150 bis 400 gibt Werte, die etwa 25% höher sind, als die oben gezeigten.
Ein Produkt kann im Prinzip auf jede geeignete Weise hergestellt werden, ausgehend vom vorkompoundierten Material oder Halbfabrikat, z. B. durch (isostatisches) Pressen, Spritzgießen, Extrudieren, Kompushtrudieren.
Ein bestimmtes Ausführungsbeispiel hat das Merkmal, dass sich das Produkt im Wesentlichen aus einem Laminat zusammensetzt, das aus einer kunststoffbasierten Kompositschicht entsprechend den oben aufgestellten Spezifizierungen; einer daran angelegten ersten Außenschicht auf der einen Seite, welche ausgewählte Eigenschaften besitzt; wahlweise eine zweite daran anliegende Außenschicht auf der anderen Seite, die ausgewählte Eigenschaften besitzt; und wobei diese Schichten gegenseitig haften durch Kleben, Verschweißen, Spiegelschweißen, mit einem Infrarotlaser, mit heißer Luft oder einer anderen geeigneten Behandlung.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist durch wenigstens ein Additiv gekennzeichnet, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten, wobei dieses Additiv dem Prozessfluss an einer geeigneten Stelle im Kompushtrudierprozess während der Herstellung des Produkts hinzugefügt wird.
Die ausgewählten Eigenschaften der Außenschichten kann sich z. B. auf das Haftvermögen von Farbe, Lack und Leim beziehen.
Eine Variante der letzten Ausführungsbeispiels weist das Merkmal auf, dass die Außenschicht oder wenigstens eine der Außenschichten von der erfindungsgemäßen Art sind und dessen Orientierung der länglichen Teilchen eine ausgewählte Richtung relativ zu dieser Orientierung der erwähnten ersten Kunststoffschicht aufweist. Besondere mechanische Eigenschaften können dadurch erreicht werden.
Wie bereits angemerkt wurde, eignet sich das erfindungsgemäße Produkt selbst sehr gut zur Herstellung mittels eines Prozesses, der am besten als Kompushtrusion beschrieben werden kann. In dieser Hinsicht stellt die Erfindung ebenso eine Kompushtrusions-Vorrichtung zur Herstellung eines Produkts des oben angegebenen Typs, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:
eine Kompoundiermaschine, die bei niedrigem Druck arbeitet, zum Plastifizieren einer Mischung, die im Wesentlichen aus Kunststoff und Teilchen mit Zugfestigkeit besteht, wobei die Teilchen mit dem Kunststoff entweder vor oder in der Kompoundiermaschine gemischt werden, und zum Drücken der Kunststoffmischung via einen Auslass zur Außenseite;
eine rotierende Verdrängerpumpe, welche die Kunststoffmischung weiter transportiert;
einen Verteilerkopf, der die Mischung weiter leitet, um die Kunststoffmischung im Wesentlichen als ein Strom von Pfropfen weiter zu transportieren;
Orientierungsmittel, welche die Mischung weiter leiten, bestehend aus wenigstens einem Bündel von im Wesentlichen parallelen Kanälen durch welche die Kunsstoffmischung fließen kann und welche relativ zu den länglichen Teilchen derart bemessen sind, dass sie, anders als zu einem bestimmenden Ausmaß in der Hauptrichtung der Teilchen, zu klein sind, um einen Durchgang der in der Kunststoffmischung anwesenden länglichen Teilchen zu erlauben; und
einen im Wesentlichen prismatischen Formkopf, der sich an die Auslässe der Kanäle anschließt und mit der Gestalt, die mit der gewünschten Gestalt des Querschnitts des Produkts übereinstimmt; derart, dass die Hauptrichtung der Teilchen mit der Längsrichtung des Formkopfes und der Hauptrichtung des Produkts übereinstimmt; wobei der Formkopf so lang ist und eine solche Temperaturkurve in der Längsrichtung aufweist, dass sich das Produkt am Ende der Mündung unterhalb seiner Vicat Erweichungstemperatur abgekühlt hat.
Wie bereits diskutiert wurde, kann die Haftung von Lack, Farbe und Leim durch mechanische Mittel gesteigert werden, z. B. infolge einer gewissen Porosität und überstehender Fasern. Ein anderes Ausführungsbeispiel, das die selbe Wirkung auf chemo-physikalische Art und Weise erreicht, ist durch ein Additiv gekennzeichnet, mit einem gewünschten Einfluss auf ausgewählte Eigenschaften des Produkts und wenigstens einer der folgenden Klassen angehörend:
- Beeinflusser der Adhäsion zwischen Teilchen mit Zugfestigkeit und dem Matrixpolymer (Klasse H),
- Beeinflusser der Eigenschaften der Oberfläche des Produkts, insbesondere in Hinsicht auf Beschichtungen oder Klebstoffe zur Anwendung in Sandwich-Strukturen (Klasse O),
- Beeinflusser der pyrogenen Eigenschaften (Klasse P),
- Beeinflusser der Teilchenhaltbarkeit (Klasse D),
- Blähmittel, um eine geschäumte Struktur zu erhalten (Klasse B), im Fall eines genügend großen Temperaturanstiegs.
Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung erläutert, wobei:
Fig. 1 eine hoch schematische, teilweise weg gebrochene Seitenansicht einer Kompushtrudiervorrichtung zeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Produkt hergestellt werden kann;
Fig. 2 eine hoch schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zeigt, mit der ein anderes erfindungsgemäßes Produkt hergestellt werden kann;
Fig. 3 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht entsprechend Fig. 1 einer Variante ist; und
Fig. 4 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht im vergrößerten Maßstab eines Teils der Vorrichtung entsprechend Fig. 3 ist.
Fig. 3 zeigt einen Kompushtruder 1. Dieser besteht aus einer Kompoundiermaschine 2, einer rotierenden Verdrängerpumpe 3, einem Verteilerkopf 4, einem Element 42 zur Orientierung der Teilchen und einem Formkopf/einer Kalibriereinheit 43 besteht. Der Verteilerkopf 4 und der Orientierungskopf 5 umfassen durchgehende Kanäle, durch die der plastifizierte Kunststoff, in dem Fasern mit Zugfestigkeit eingeschlossen sind, hindurch treten kann. Die langen Fasern weisen eine Länge hauptsächlich im Bereich von 2 bis 6 mm auf. Um diesen Fasern die gewünschte Orientierung zu geben, das ist die mit Pfeil 6 bezeichnete Längsrichtung, bestehen die durchgehenden Kanäle im Verteilerkopf 4 und im Orientierungskopf 5 aus Unterkanälen, die einen wirksamen Durchmesser in der Größenordnung von z. B. 6 bis 8 mm aufweisen, den Wunsch berücksichtigend, die Größe des Durchmessers der Kanäle auszuwählen, so dass die Orientierung der kurzen Fasern nicht beeinflusst wird. Es wird ersichtlich, dass für andere Faserlängen die Durchgänge entsprechend angepasst werden können. Das Produkt 7 setzt sich in Wesentlichen aus der verfestigten Kompositmasse zusammen, in der die langen Fasern sich allgemein wenigstens annähernd in Längsrichtung 6 erstrecken.
Fig. 2 zeigt eine Alternative. Zwei Kompushtruder 8 bzw. 9 übergeben Produkte 10 bzw. 11 in der Richtung der Kneifstelle zwischen zwei Walzen 12, 13. An der Position der Kneifstelle 14 wird eine mit Kunststoff imprägnierte Fasermatte 15, bestehend aus z. B. Glas- oder Aramidfasern, zwischen die plattenartigen Produkte 10, 11 durch Transportrollen 16, 17 eingeführt. Ein Laminat 18 wird so durch Erwärmen und durch die Kraft, die durch die Rollen 12, 13 ausgeübt wird, gebildet. Die Fasermatte 15 erstreckt sich im Wesentlichen in der Längsrichtung 6. Wenigstens eines der Produkte 10, 11 zeigt die gewünschte Porosität, um mit Holz übereinstimmenden Eigenschaften sicherzustellen.
Für eine größere Dicke kann ein Produkt aus einer Vielzahl von Laminaten hergestellt werden, die eines auf das Andere gelegt werden und gegenseitig durch eine thermische Behandlung und Druck aneinander halten.
Es wird weiter allgemein angemerkt, dass auch Bindemittel zu dem Basiskunststoff hinzugefügt werden können, um die Haftung zwischen den Fasern, Kunststoff und anderen Additiven zu verbessern. Die Haftung von Farben und Lacken auf Acryl- Wasserbasis auf dem erfindungsgemäßen Produkt können dabei ebenso verbessert werden.
Der Gebrauch von Färbemitteln oder Pigmenten in der Masse kann die Vorteile liefern, dass ein einheitliches Produkt erhalten wird.
Mit Bezugnahme auf Fig. 2 wird die Aufmerksamkeit auf die Tatsache gezogen, dass durch Gebrauch machen von z. B. Koextrudieren oder einer anderen geeigneten Technik an dem erfindungsgemäßen Produkt ein zusätzlicher Überzug auf der sichtbaren Seite des Produkts aufgetragen werden kann. Solch ein Überzug kann eine besonders stabile Farbe, eine gesteigerte UV-Beständigkeit oder Beständigkeit gegenüber Schmutz und Wettereinflüsse haben.
Im Gegensatz zum oben erwähnten Stand der Technik stellt die Erfindung ein Produkt bereit, das sich zur Bearbeitung und Behandlung wie Holz eignet. Die folgenden Gründe sind hier ausschlaggebend.
Das erfindungsgemäße Produkt kann eine lineare Ausdehnung ähnlich von Holz haben und hat auch eine ähnliche Festigkeit und Steifheit mit einer vergleichbar großen Widerstandsfähigkeit und ausgezeichneten Reißfestigkeit. Das Produkt kann Feuercharakteristika zeigen, durch Gebrauch machen von umweltfreundlichen Maßnahmen, die wenigstens gleich sein müssen wie die Feuercharakteristika von normalem Holz, und wenn es brennt, kann es nicht mehr Rauch und gefährliche Substanzen produzieren, als normales Holz. Bei einem spezifischen Gewicht von 750 bis 1250 kg/m³ können der Prozess und die erforderlichen Ausgangsmaterialien und Additive nicht die Preise von normal verarbeitetem Holz übersteigen.
Hinsichtlich des Erscheinungsbilds und des Gewichts kann das erfindungsgemäße Produkt, wenn es gewünscht wird, bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit natürlichem Holz oder traditionell gepreßtem Holz, wie MDF oder Holzfaserbretter, zeigen.
Das erfindungsgemäße Produkt kann mit normalen Werkzeugen und normalen Holzbearbeitungsmaschinen bearbeitet werden. In der Holz üblichen Art Weise kann es festgenagelt, gesägt, geschraubt, geklebt, bemalt und lackiert werden.
Das erfindungsgemäße Produkt kann eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber klimatischen Bedingungen wie Feuchtigkeit, Sonnenlicht mit einem ultravioletten Anteil, Temperaturänderungen etc. besitzen.
Die erfindungsgemäßen Produkte sind besser zur Wiederverwertung nach Gebrauch geeignet, als natürliches Holz.
Die erfindungsgemäßen Produkte überragen Holz in Hinsicht auf Feuchtigkeitsaufnahme, Verfaulen, Schwellen und dergleichen.
Fig. 3 zeigt einen Kompushtruder 21, der eine Struktur aufweist, die teilweise von der in Fig. 1 gezeichneten abweicht. Ein Verteilerkopf 23 schließt sich an die rotierende Verdrängerpumpe 3 an (siehe auch Fig. 4). Dieser Block weist einen sich mehr oder weniger konisch verjüngenden Einlassraum 24 auf, der in einen Fächer aus neun Kanälen 25 bis 33 einmündet. Fig. 4 zeigt im Besonderen klar die innere Struktur des Verteilerkopfes 23. Mittels von der Außenseite steuerbaren Schrauben, die alle zum Zweck der Vereinfachung mit 34 bezeichnet werden, können der wirksame Durchlass und damit der Fließwiderstand der Kanäle 25 bis 33 individuell eingestellt werden. Eine ausgezeichnete Homogenität der hindurch fließenden Mischung kann dadurch sicher gestellt werden. Alternativ kann der wirksame Fluss durch die Kanäle durch eine selektives Erwärmen beeinflusst werden. Der Fluss durch einen Kanal kann auf jeden Fall durch Verminderung des Fließwiderstands verbessert werden. Das kann nicht nur durch Einstellung des Durchlasses erreicht werden, sondern auch durch Veränderung der Temperatur, wodurch sich die Viskosität der hindurch fließenden Mischung verändert, zumindest an der Grenzfläche, und sich dabei der wirksame Durchfluss ändert.
Über einen Sammelraum 35, durch den die Kunststoffmischung gelassen wird, wird ein Bündel 36 von Kanälen gespeist, die durch Platten abgegrenzt werden, die sich eine auf der anderen in Querrichtung erstrecken. Mittels Kanälen 37 kann der hindurch fließenden Mischung genügend Wärme zugeführt werden, um sie im plastischen Zustand zu halten. Ein zweites Bündel 38 folgt dem ersten Bündel 36 über einen Zwischenraum 37. Ein drittes Bündel 40 folgt über einen Zwischenraum 39.
Flussabwärts dieses letzten Bündels 40 liegt der Formkopf 41 des Kompushtruders. Mittels Kalibrier- und Kühlmitteln wird dann das Produkt allmählich abgekühlt, während ein ausreichender Druck beibehalten wird, und wird mit den richtigen Abmessungen nach Außen getragen. Das Produkt 42 entsprechend Fig. 3 weist eine Orientierung der länglichen Fasern auf, die mit der Längsrichtung der Form übereinstimmt.
Die Durchmesser der gegenseitig aneinander liegenden runden Kanäle in den Bündeln 36, 38, 40 betragen bei diesem Ausführungsbeispiel 14 mm, 8 mm bzw. 6 mm, während die gleiche Durchflussfläche beibehalten wird.
Es wird aus der in Fig. 4 gezeigten Struktur ersichtlich, dass die durch die weiter innen liegend angeordneten Kanäle fließende Masse einen kleineren Fließwiderstand aufweist, als die durch die weiter außen liegend angeordneten Kanäle fließende Masse, da sie länger sind. In diesem Kontext können die weiter innen liegend angeordneten Kanäle geringfügig kleinere Durchmesser haben.
Es wird angemerkt, dass bei allen Kompushtrudern die Mischung mit den darin eingebetteten Fasern in den Formkopf durch die rotierende Verdrängerpumpe bei einer relativ hohen Temperatur eingeführt wird, die oberhalb der Vicat Erweichungstemperatur liegt, z. B. 180ºC, während des Transports durch den Formkopf abkühlt und am Ende eine solche verringerte Temperatur erreicht hat, dass das austretende Produkt eine unterhalb der Vicat Erweichungstemperatur liegende Temperatur aufweist, wodurch es ausreichend haltbar gemacht wurde, so dass es nicht länger irgend eine wesentliche Veränderung der Gestalt durchmacht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines auf Kunststoff basierten Kompositproduktes, das zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, worin ein hauptsächlich aus Langteilchen bestehendes Materialhomogen eingebettet ist, wobei zuerst die Teilchen mit dem Kunststoff gemischt und plastifiziert werden und anschließend zumindest ein Teil der Teilchen durch Orientierungsmittel in Flussrichtung orientiert wird, und wobei anschließend die Mischung von dem Kunststoff und den Teilchen einen Formkopf passieren mit einer Durchlassöffnung, die auf die Auslässe der Orientierungsmittel anschließt, wobei die Form der Durchlassöffnung des Formkopfs mit der gewünschten Querschnittsform des Produkts übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen eine Länge zwischen 0.2 und ungefähr 6 mm haben; wobei die größeren Teilchen mit einer Länge von ungefähr 2-6 mm in Flussrichtung orientiert sind, während die kleineren Teilchen eine beliebige Orientierung aufweisen, und dass, nach dem Hereinkommen in den mit einer hauptsächlich prismatischen Durchlassöffnung versehenen Formkopf, das Produkt eine Temperatur über die Vicat Erweichungstemperatur von dem angewandten Kunststoff beziehungsweise der höchsten Vicat Erweichungstemperatur von all dem angewandten Kunststoff hat, wobei das Produkt in einer gewünschten Form gestaltet wird, und wobei das Produkt in dieser Form bis unter der Vicat Erweichungstemperatur gekühlt wird während ein gewählter Überdruck bewahrt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Orientierungsmittel benutzt werden, umfassend zumindest ein Bündel von hauptsächlich parallelen Kanälen wodurch die Mischung fließen kann, wobei die Kanäle bezüglich der Langteilchen bemessen sind, derartig dass sie zu klein sind, um Durchlass von den größeren Teilchen, anders als in einer Richtung die großenteils mit der Flussrichtung übereinstimmt, zu gestatten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das benutzte Orientierungsmittel derartig gestaltet ist, dass die linearen Querabmessungen von zumindest den Teilen der am weitesten stromabwärts gelegenen Kanäle, ein Minimum von 2x der Länge der kürzesten Teilchen und ein Maximum von 1.5x der Länge der längsten Teilchen betragen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Teilchen überwiegend aus Holzmaterial bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Holzteilchen in einer Menge von 40- 80% Massenprozentsatz, vorzugsweise 50-70% Massenprozentsatz, vorhanden sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Kunststoff ein thermoplastisches Polymer ist, vorzugsweise zumindest ein Polyolefin.

7. Vorrichtung zum Herstellen eines auf Kunststoff gegründeten Kompositproduktes, welches Produkt zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, worin Langteilchen homogen eingebettet sind, welche Vorrichtung umfasst:

- eine Compoundmaschine zum Plastifizieren einer Mischung, hauptsächlich bestehend aus dem Kunststoff und den Teilchen, welche Teilchen mit Kunststoff gemischt sind, entweder bevor oder in der Compoundmaschine, und zum Drücken der Kunststoffmischung via einen Auslass zu der Außenseite;

- Orientierungsmittel zum hauptsächlich in die Flussrichtung Orientieren von zumindest einem Teil der Langteilchen;

- einen Formkopf mit einer Durchlassöffnung, die auf die Auslässe der Orientierungsmittel anschließt; wobei die Form der Durchlassöffnung des Formkopfs mit der gewünschten Querschnittsform des Produkts übereinstimmt;

- einen Verteilerkopf, der die Mischung von der Verdrängerpumpe zu den Orientierungsmitteln führt; und

- eine rotierende Verdrängerpumpe um die Mischung zu drücken, um durch die Orientierungsmittel und den Formkopf zu fließen,

dadurch gekennzeichnet, dass der Formkopf eine hauptsächlich prismatische Durchlassöffnung hat, dass die Länge des Formkopfs und die in Flussrichtung in der Durchlassöffnung bis unter seiner Vicat Erweichungstemperatur gekühlt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Compoundmaschine unter niedrigem Druck funktioniert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierungsmittel zumindest zwei gegenseitig in Serien verbundene Kanalbündel umfasst, wobei die Querabmessungen der Kanäle eines weiter stromabwärts gelegenen Bündels keiner sind als die der Kanäle eines weiter stromaufwärts gelegenen Bündels.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zufuhr zum Zuführen von Teilchenmaterial und/oder Zusätzen zu dem Kunststoff, mit der Compoundmaschine verbunden ist.