DE69704364T2

DE69704364T2 - Kunstharz-und holzfaserverbundprofil-extrusionsverfahren

Info

Publication number: DE69704364T2
Application number: DE69704364T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Puppin
Original assignee: Andersen Corp
Current assignee: Andersen Corp
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: AU3308397A; EP0918603A1; EP0918603B1; WO1997049533A1; HK1021807A1; DE69704364D1; CN1222877A; US5882564A; ATE199851T1; CN1077837C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Thermoplast-Compositprofilen, die bei der Herstellung von Strukturelementen eingesetzt werden. Compositmaterialien können aus einem matrixbildenden Material, wie einem Thermoplast, und einer Verstärkung für die Matrix, wie einer Faser, hergestellt sein. Die Komponenten können dem elementbildenden Verfahren getrennt oder kombiniert unter Bildung eines vorgefertigten Composit-Ausgangsmaterials zugesetzt werden. Solche Elemente können jede beliebige Struktureinheit oder Teile hiervon umfassen. Das Element kann vorzugsweise bei der Herstellung von Fenstern oder Türen entweder für den privaten oder öffentlichen Gebäudebau eingesetzt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines verbesserten, zur Profil-Extrusionsverarbeitung ausgelegten Compositmaterials. Die erfindungsgemäßen Verfahren können zur Bildung von Strukturelementen mit verbesserten Eigenschaften zur Verwendung in Fenstern und Türen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Compositmaterialien können zur Herstellung von Strukturbauteilen, wie Schienen, Pfosten, Tür-Höhenfriesen, Schwellen, Gleisen, Anschlag- und Schieberahmen, nicht strukturgebenden Zierelementen, wie Vergitterungen, Leisten, Viertelsprossen. etc. eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Produkt weist ein Profil auf, das ein extrudiertes Compositmaterial mit einer gewünschten Strukturform mit einem oder mehreren praktisch hohlen Innenräumen ist. Während das Innere Strukturrippen oder -stützen enthalten kann, ist das Profil praktisch hohl. Das Äußere des Profils kann eine coextrudierte Schicht aufweisen, die entweder eine glatte Oberfläche oder ein gewünschtes farbliches Aussehen bereitstellt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Herkömmliche Fenster- und Türenhersteller verwenden zur Bildung von Strukturelementen in der Regel Holz- und Metallbauteile. Gewöhnlich werden Wohnhaus-Fenster aus gemahlenen Holzprodukten oder extrudierten Aluminiumteilen hergestellt, die unter Bildung der typischen Doppelflügel- oder Rahmeneinheiten mit Glas zusammengefügt werden. Holzfenster können, obgleich strukturell fehlerfrei und zum Gebrauch nützlich und gut geeignet, bei vielen Einbauten in Wohnhäuser unter bestimmten Umständen Schaden nehmen. Zudem benötigen Holzfenster einen Anstrich und weitere regelmäßige Wartung. Ein Nachteil von Holzfenstern sind auch die mit der Verfügbarkeit von geeignetem Bauholz zusammenhängenden Kostenproblemen. Reine Holzprodukte werden langsam immer seltener und teurer, da die Nachfrage steigt. Obschon Metallbauteile oft mit Glas kombiniert und zu Fensterflügel-Einzeleinheiten geformt werden, besitzen Metallfenster typischerweise den Nachteil eines beträchtlichen Energieverlustes während extremer warmer oder kalter Temperaturen.
Extrudierte thermoplastische Materialien werden bei der Fenster- und Türenherstellung auch als nicht strukturgebende Bauteile eingesetzt. Gefüllte und ungefüllte Thermoplaste werden zu geeigneten Versiegelungen, Verzierungen, Wetter- Abdichtungen, Beschichtungen und anderen Fensterbauteilen extrudiert. Thermoplastische Materialien wie Polyvinylchlorid werden bei der Herstellung von PERMASHIELD®-Markenfenstern, hergestellt von der Firma Andersen Corporation, seit vielen Jahren mit Holzelementen kombiniert. Die von Zanini, U. S. Patentschrift Nrn. 2 926 729 und 3 432 883, offenbarte Technik wird bei der Herstellung von Kunststoffbeschichtungen oder -Verkleidungen auf Holz oder anderen Strukturelementen eingesetzt. In der Regel umfaßt die bei der Herstellung von PERMASHIELD® -Fenstern eingesetzte Verkleidungs- oder Beschichtungstechnik die Extrusion einer getrennten dünnen Polyvinylchlorid-Außenschicht oder Verkleidung, die ein hölzernes Strukturelement umgibt.
Polyvinylchlorid wird zur Herstellung extrudierter Materialien mit Holzfaser kombiniert. Solche Materialien werden erfolgreich zur Bildung eines Strukturelementes eingesetzt, das ein direkter Ersatz für Holz ist. Diese extrudierten Materialien besitzen einen ausreichenden Modul, eine ausreichende Druckfestigkeit, einen ausreichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß sie zu Holz zu passen, um ein direktes Ersatzmaterial herzustellen. Geeigneterweise erreichen typische Compositmaterialien einen Modul von größer als etwa 500000 psi (3447,5·10&sup6; N/m²) (vorzugsweise zwischen 600000 (4136,9.10&sup6; N/m²) und 1500000 psi (10342,1.10&sup6; N/m²)), eine annehmbare COOT, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, etc.. Deaner et al., U. S. Patentschriften Nrn. 5 406 768, 5 441 801, 5 486 553, 5 497 594, 5 518 677 und die U. S. Serien-Nrn. 08/326 472, 08/326 480, 08/543 959 und 08/587 828, offenbaren ein PVC/Holzfaser- Composit, das als hochfestes Material in einem Strukturelement verwendet werden kann. Dieses PVC/Faser-Composit ist bei vielen Fenster- und Türanwendungen brauchbar.
Es bedarf wirklich immer noch der Bereitstellung eines verbesserten Compositmaterials, das aus einem thermoplastischen Polymeren und Holzfaser hergestellt werden kann. Das Composit kann mit einem frei wählbaren, zweckbestimmten Recyclingmaterial aus einem Abfallstrom hergestellt werden. Weiterhin bedarf es eines Compositmaterials, das zu einer Form extrudiert werden kann, die ein direkter Ersatz ist für die entsprechende gefräste Form in einem Holz- oder Metall- Strukturelement. Es ist ein Thermoplast mit Faserkompatibilität, guten thermischen Eigenschaften und guten strukturellen oder mechanischen Eigenschaft erforderlich. Dieser Bedarf erfordert auch ein Composit mit einem Holz gleichkommenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, das zu reproduzierbaren, stabilen Dimensionen extrudiert werden kann, mit hohem Modul, hoher Zugfestigkeit, hoher Druckfestigkeit, geringer Wärmedurchgangsrate, verbesserter Beständigkeit gegenüber Insektenbefall und Verrottung während des Gebrauchs und einer Härte und Starrheit, die Sägen, Fräsen und einen Befestigungsrückhalt gestatten, die mit Holzelementen vergleichbar sind. Weiterhin bedarf es der Optimierung der Struktureigenschaften des Materials und der Steigerung der Produktivität ohne Schmälerung der Composit-Struktureigenschaften.

KURZE DISKUSSION DER ERFINDUNG

Wir haben verbesserte Extrusionsverfahren zur Herstellung von verbesserten strukturgebenden Profilelementen gefunden. Solche Elemente können aus einem Thermoplast und einer Faser hergestellt werden. Solche Materialien können getrennt zugesetzt werden, oder es kann ein bevorzugtes Composit-Ausgangsmaterial verwendet werden. Harzfasercomposit ist in den erfindungsgemäßen Gegenständen ein ausgezeichneter Ersatz für Holz- und Metall-Strukturelemente.
Wir haben gefunden, daß bei den erfindungsgemäßen Verfahren eine breite Vielzahl von technischen Harzen und Fasern eingesetzt werden kann. Geeignete technische Harze sind in einer Vielzahl von Qualitätsgraden, Molekulargewichten, Schmelzpunkten, Formulierungen, Schmelzindizes etc. verfügbar. Wir haben außerdem gefunden, daß erfindungsgemäß eine Vielzahl von Fasern verwendet werden kann, allerdings ist eine Faser mit speziellen Dimensionen und Längenverhältnissen bevorzugt. Wir haben gefunden, daß nicht jedes technische Harz zur Herstellung der Harzfaser-Composites geeignet ist. Zur Bildung eines hochfesten Composits muß das technische Harz in der geschmolzenen Form mit Holzfaser kompatibel sein. Zur Bildung eines hochfesten Compositmaterials muß die Faser vollständig von der thermoplastischen Matrix benetzt und in sie eingearbeitet werden. Außerdem muß das technische Harz eine thermische Eigenschaft (Fließfähigkeitseigenschaften oder Schmelzpunkt größer als 200ºC) aufweisen, die die erfolgreiche Compositherstellung gestattet. Schließlich sollte das Harz in Verbindung mit der Faser dem Composit ausreichende Struktureigenschaften verleihen, um in Strukturelementen bei der Fenster- und Türenherstellung für private und öffentliche Bauten erfolgreich zu sein. Wir haben gefunden, daß eine vollkommen regellose, isotrope Faser-Verteilung die Struktureigenschaften in dem Profil bei den Verfahren zur Herstellung des Harz/Faser-Composits optimiert. Wir haben gefunden, daß die isotropartige Orientierung der Faser erhalten werden kann, wenn der Extrusionsweg oder der Schmelzfluß des thermoplastischen Composits mindestens eine Umlenkung um mehr als 75º einschließt. Auf eine solche Umlenkung sollte für das Composit ein langer kontinuierlicher linearer Weg folgen. Ein solcher linearer Weg kann die Faser unter Aufhebung der regellosen Orientierung wieder orientieren. Im Hinblick darauf sollte der Abstand von der Umlenkung zum Düsenausgang geringer sein als eine bestimmte, vom Fasercharakter abhängende Dimension. Diese Dimension hängt von der Faserlänge, der Faserkonzentration in dem Composit, der Wanddicke (Querschnitt) des Profils ab.
Der Abstand von der Umlenkung zur Austrittsdüse, auch bekannt als Länge der Profildüse, hängt von der Faserlänge und Faserkonzentration ab. Längere Fasern (z. B. 5-10 mm lang) werden beim Passieren der Düse langsamer reorientiert als relativ kurze Fasern (z. B. 0,1-1 mm). Demgemäß sollte bei Abnahme der Faserlänge von etwa 10 mm auf weniger als 2 mm die Austrittsdüsenlänge entsprechend kürzer werden. Zusätzlich kann die Länge der Austrittsdüse bei zunehmender Faserkonzentration ohne nennenswerte Reorientierung der Faser zunehmen. Niedrige Fasernkonzentrationen neigen in der Austrittsdüse zu einer schnelleren Reorientierung, während hohe Faserkonzentrationen proportional länger benötigen.
Gleichermaßen wird bei zunehmender, sich durch die Düse bewegender Materialmenge, die auch als Wanddicke oder Querschnittsfläche des Profils betrachtet werden kann, die Neigung zur Reorientierung in der Austrittsdüse geringer. Demgemäß neigen dicke Wände, ein beträchtlicher Materialdurchsatz und große Querschnittsflächen zu einer verminderten Düsen-Reorientierung. Die Austrittsdüse kann bei zunehmender Materialmenge, Wanddicke oder Querschnittsfläche proportional länger sein. Außerdem kann die Temperatur des extrudierten Materials ebenfalls die Reorientierung der Faser beeinflussen. Bei steigender Temperatur wird die Faser schneller reorientiert. Demgemäß sollte die Länge der Austrittsdüse bei steigender Temperatur verkleinert werden, um die regellose Orientierung beizubehalten.
Bei der individuellen Anwendungen dieser Technologie kann die ideale Austrittsdüsenlänge empirisch mit möglichst geringem experimentellem Aufwand bestimmt werden.
Die offenbarte einzigartige Extrudergeometrie erzeugt erstens eine regellose Faserorientierung, was zu einem isotropen Strukturmaterial führt, und gewährleistet zweitens unter Anwendung der obigen Richtlinien, daß die Faserorientierung bei der Compositherstellung nicht wieder in das Compositmaterial eingeführt wird.
Wir haben außerdem gefunden, daß die Anwendung der Änderung im Fluß die Verwendung einer einzigartigen Kühlweise gestattet, die eine schnelle Herstellung des Composits mit höherer Produktivität unter Beibehaltung der bevorzugten isotropen Faserorientierung gestattet. In die Austrittsdüse wird bei der Umlenkung eine Kühlfluidmenge so eingebracht, daß das Kühlfluid in das Innere des Profils eindringt. Das Kühlfluid durchströmt das Innere des Profils mit einer Geschwindigkeit, die zur Steigerung der Abkühlgeschwindigkeit und des Wärmeentzuges aus dem Harzfaser-Composit ausreicht. Durch die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit lassen sich die Produktionsgeschwindigkeit erhöhen und die Kosten senken.
Ein zweiter nützlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Zweierkonfiguration ist die Möglichkeit des Einbringens zusätzlicher Komponenten, Materialien, Strukturelemente etc. in die Innenräume des Profils. Ein geschäumtes thermoplastisches oder warmhärtendes Material kann in das Innere des Profils und parallel zu dem Kühlstrom eingebracht werden. Außerdem kann unter Verwendung geeigneter Förder- oder Einbringeinrichtungen Metall- oder Holz-Einarbeitungsmaterial eingebracht werden. Schließlich können lineare Elemente in das Innere des Profils eingebracht werden, die durch eine Wechselwirkung zwischen dem heißen Composit und dem linearen Element festgehalten werden. Das lineare Element, wie bei dieser Anmeldung verwendet, kann Metalldraht, Metallstab, organische Faser, anorganische (Silicat) Faser, Glasfaser-Rovings, Glasfaserstränge oder jedes andere lineare Element umfassen, das mit dem Profil unter Bereitstellung einer verbesserten Strukturintegrität oder -kapazität zusammenwirken kann.
Für den Zweck der Erfindung bedeutet der Begriff "Composit" ein thermoplastisches Material mit einer kontinuierlichen Phase, die eine Matrix umfaßt, die ein thermoplastisches Harz und dispergiert in dem Harz eine diskontinuierliche Verstärkungsphase aus einer Faser umfaßt. Für den Zweck der Erfindung bezeichnet der Begriff "Profil" das unter Verwendung einer bestimmten Austrittsdüsengeometrie hergestellte Produkt. Solche Profile sind lineare Elemente, die geschnitten, angegehrt oder anderweitig geformt und zu Strukturelementen geformt werden können, die üblicherweise beim Einsetzen von Fenstern und Türen in öffentliche und private Immobilien verwendet werden. Profile sind in der Regel praktisch hohle, extrudierte Formen mit typischerweise einer oder mehreren Struktur- Innenrippen, die von einer Wand zu einer gegenüberliegenden Wand verlaufen. Außerdem können Profile Schienen zur Fenster- und Jalousienbefestigung und ferner Befestigungselement-Verankerungsstellen und andere bei der Fenster- und Türenherstellung nützliche Formen oder Schienen aufweisen. Für den Zweck der Patentschrift bedeutet der Begriff "Kühlmittel" jedes Fluid mit einer Wärmekapazität, die zum Entzug von Wärme aus dem heißen extrudierten Material unmittelbar nach Austritt aus der Profildüse ausreicht. Der Begriff "Fluid" kann sowohl Gase als auch Flüssigkeiten oder flüssige Materialien umfassen, die bei Temperaturen verdampfen können, die in dem extrudierten Material üblich sind. Der Begriff "Fluid" kann auch feuchte Luft oder feuchte Kühlgase wie Stickstoff, Argon etc. umfassen. Ein bevorzugtes Kühlmittel ist einfach die umgebende Atmosphäre oder feuchte Atmosphäre. die dem Profil Wärme entziehen kann.
Wir haben gefunden, daß das interne Abkühlen des extrudierten erfindungsgemäßen Profils höhere Stranggeschwindigkeiten ohne praktisch einen Nachteil für Struktur oder Dimension bei der Profilherstellung gestattet. Demnach wird die Fließgeschwindigkeit des Kühlfluides (Luft, Wasser, feuchte Luft etc.) durch die Stranggeschwindigkeit des Extruderprofils gesteuert. Das Kühlmittel kann Luft bei 10-100 psi (6,9-68,9·10&sup4; N/m²) enthalten, die durch ein 0,25-Rohr strömt. Genauer gesagt, sollte der kalte Extruderstrang bei einer solchen Geschwindigkeit gehandhabt werden, daß das Kühlvermögen des durch das Profil strömenden Kühlmittels zur Aufrechterhaltung der mechanischen Integrität und der Dimensionsintegrität des Profils bei Exposition gegenüber mechanischer Belastung ausreicht. Bei dem Extrusionsverfahren wird das extrudierte Profil unter Anwendung eines Zugmechanismus von der Düse abgezogen. Das thermoplastische Material ist bei Austritt aus der Düse heiß (über 200ºC) und wird leicht verformt. Die Dimensionen des Profils werden hergestellt und durch ein bei solchen Extrusionsverfahren gebräuchliches Vakuumblocksystem aufrechterhalten.
Das die Vakuumblöcke durchlaufende Profil wird in einem Wasserbad abgekühlt und passiert anschließend die Ziehvorrichtung, die das Produktionssystem mechanisch antreibt. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist typischerweise der Geschwindigkeit der Ziehvorrichtung, die das Material durch den Prozeßmechanismus zieht, angepaßt. Eine solche Ziehvorrichtung belastet das extrudierte Profil beim Ziehen des Profils durch den Prozeß beträchtlich. Sowohl eine vertikale Verdichtung zwischen den Aufliegeflächen der Ziehvorrichtung als auch eine lineare Belastung entlang der Linie des Bewegungsweg des Profils werden auf das Profil ausgeübt. Das Profil muß kalt genug sein, derart, daß die Belastung durch die Ziehvorrichtung das Profil nicht verformt. Demnach sollte die Stranggeschwindigkeit bei der Extrusion so maximiert werden, daß die Anwendung der internen Kühlmethode und anderer Kühlmittel zu einem dimensionsstabilen Profil an der Ziehvorrichtung führt. Wir haben festgestellt, daß die Stranggeschwindigkeit der typischen Extrusionsapparatur unter Verwendung des internen Kühlstroms um 20 bis 33% des linearen Ausstoßes gesteigert werden kann.

KURZE BESPRECHUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Extruderapparatur. In der Düsenzone 14 erfährt das extrudierte Material eine Änderung des Weges oder der Richtung (nicht gezeigt) und wird beim Formen zu einem Profil unter Einsatz eines Kühlmittelstroms gekühlt.
Fig. 2 ist eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Extruders, einschließlich der Extrudervorrichtung, allgemein 200, und der Profildüse 202, die sowohl die Umlenkung des thermoplastischen Compositflusses als auch das Einbringen eines Kühlmittels in das Innere des extrudierten Profils umfaßt.
Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht einer Explosionsansicht der Profildüse. Die Profildüse zeigt den Profildorn mit den Innenräumen und das Kühlmittelabgabesystem, das das Profilinnere mit einem Kühlmittelstrom versorgt. In der Figur ist kein thermoplastisches Material gezeigt.
Fig. 4 ist eine Großaufnahme einer erfindungsgemäßen zusammengebauten Austrittsdüse und zeigt die Einrichtung zur Kühlmittelabgabe an das Innere des extrudierten Kunststoffprofils (nicht gezeigt).
Fig. 5 ist eine umgekehrte Ansicht von Fig. 3 und zeigt das Einführen der Einrichtung zur Abgabe des Kühlmittels an der Rückseite der Profildüse.
Fig. 6 ist eine isometrische Ansicht eines Ausschnittes des unter Verwendung des erfindungsgemäßen Extruders und der erfindungsgemäßen Düse hergestellten Profils. Das Profil 601 ist allgemein durch eine Außenwand 602 definiert. Die Außenwand 602 und die inneren Stützrippen 603, 603a, 603b, 603c stellen eine strukturelle Stütze des Profils bereit. Die Außenwand 602 und die Stützrippe 602a, 602b ... definieren Innenräume oder hohle Abschnitte 604a, 604b, 604c, 604d. Das Kühlmittel aus der in Fig. 5 gezeigten Kühlmittel-Zuführvorrichtung kühlt das Innere eines solchen Profils unter Verbesserung der Kühlproduktivität und Produktqualität.

AUSFÜHRLICHE DISKUSSION DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extrusion eines Holz-Compositprofils unter Anwendung einer Umlenkung des thermoplastischen Schmelzflußweges und eines einzigartigen Kühlstroms im Profilinneren unter Bildung eines Strukturelementes. Das Compositmaterial, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elemente eingesetzt werden kann, kann praktisch jedes thermoplastische matrixbildende Material und einen verstärkenden Faserbestandteil enthalten. Bei Formen des Profils durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können der Extrudervorrichtung Thermoplast und Faser unter Bildung des Profils getrennt zugesetzt werden. Alternativ können Thermoplast und Faser zuvor unter Bildung eines Composit- Ausgangsmaterials zusammengebracht werden, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Compositprofile eingesetzt werden kann. Praktisch jeder matrixbildende Thermoplast kann zusammen mit praktisch jedem verstärkenden Fasermaterial verwendet werden. Polyvinylchlorid ist ein bevorzugter Thermoplast, während handelsübliche Cellulosefaser, wie Holzfaser, bevorzugte verstärkende Bestandteile sind. Eine erhältliche Form für ein vorgefertigtes Compositmaterial liegt in Form eines unter Anwendung der Extrudertechnik hergestellten Granulats vor. Solche Granulate können eine kontinuierliche Phase des thermoplastischen Polymeren und eine Verstärkungsphase aus einer Faser enthalten.

THERMOPLASTISCHE POLYMERE

Das erfindungsgemäß hergestellte Granulat enthält ein durch Zusammenbringen eines thermoplastischen Polymeren mit einer cellulosischen Faser unter Bedingungen von hoher Temperatur, hohem Druck und Scherkraft hergestelltes Composit. Das Granulat erreicht im Vergleich mit den herkömmlichen Materialien eine überraschend hohe Dichte, was zu verbesserten physikalischen und strukturellen Eigenschaften führt.
Thermoplastische Polymere, die bei der Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden können, umfassen hinreichend bekannte Klassen von thermoplastischen Polymeren, einschließlich Polyolefinen wie Polyethylen, Polypropylen. Poly(ethylen-copropylen), Polyethylen-Co-α-olefin und andere. Eingesetzt werden können Polystyrol-Polymere, einschließlich von Polystyrol-Homopolymeren, Polystyrol-Copolymeren und -Terpolymeren; Polyester, einschließlich von Polyethylentherephthalat, Polybutylenterephthalat etc. und halogenierte Polymere, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und andere.
Das erfindungsgemäß hergestellte Granulat verwendet eine Cellulosefaser. Die Cellulosefaser schließt in der Regel Fasern mit hohem Längenverhältnis ein, die aus Zellen mit cellulosischen Zellwänden hergestellt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Zellwände aufgebrochen und Polymere in das innere Hohlvolumen der Zellen unter Bedingungen von hoher Temperatur und hohem Druck eingebracht. Das cellulosische Material kann aus einer Vielzahl von Quellen, einschließlich von Hart- und Weichholzprodukten und -Nebenprodukten. Zuckerrohr, Baumwolle, Flachs, und anderen bekannten Quellen für cellulosische Materialien stammen. Die erfindungsgemäß bevorzugte Quelle für Cellulosefaser umfaßt Holzfaser, die das Produkt oder Nebenprodukt bei der Herstellung von Bauholz oder anderen Holzprodukten sein kann.
Polyvinylchlorid ist ein handelsübliches thermoplastischen Polymeres. Das Vinylchloridmonomere wird durch eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren, wie Umsetzung von Acetylen und Chlorwasserstoff und direkte Chlorierung von Ethylen, hergestellt. Polyvinylchlorid wird typischerweise durch radikalische Polymerisation von Vinylchlorid unter Erhalt eines geeigneten thermoplastischen Polymeren hergestellt. Nach der Polymerisation wird Polyvinylchlorid in der Regel mit Wärmestabilisatoren, Gleitmitteln, Plastifizierern, organischen und anorganischen Pigmenten, Füllstoffen. Bioziden, Prozeßhilfen, Flammverzögerern und anderen üblicherweise verfügbaren Hilfsmaterialien kombiniert. Polyvinylchlorid kann bei der Herstellung von Polyvinylchlorid-Copolymeren auch mit anderen Vinylmonomeren kombiniert werden. Solche Copolymere können lineare Copolymere, verzweigte Copolymere, Pfropfcopolymere, statistische Copolymere, sich regelmäßig wiederholende Copolymere, Blockcopolymere etc. sein. Monomere, die mit Vinylchlorid unter Bildung von Vinylchlorid-Copolymeren kombiniert werden können. umfassen ein Acrylnitril, α-Olefine, wie Ethylen, Propylen etc., chlorierte Monomere, wie Vinylidendichlorid, Acrylatmonomere, wie Acrylsäure. Methylacrylat, Methylmethacrylat, Acrylamid, Hydroxyethylacrylat und andere, Styrolmonomere, wie Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol etc.; Vinylacetat und andere üblicherweise verfügbare ethylenisch ungesättigte Monomer-Zusammensetzungen.
Solche Monomere können in einer Menge von bis zu etwa 50 Mol-% verwendet werden, wobei der Rest Vinylchlorid ist. Polymer-Blends oder Polymerlegierungen können bei der Herstellung von Granulaten nützlich sein, die bei dem erfndungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Solche Legierungen umfassen typischerweise zwei mischbare Polymere, die unter Bildung einer gleichmäßigen Zusammensetzung gemischt werden. Der wissenschaftliche und industrielle Fortschritt auf diesem Gebiet der Polymer-Blends hat zu der Erkenntnis geführt, daß wichtige Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften nicht durch Entwicklung neuer Polymermaterialien, sondern durch die Bildung mischbarer Polymer- Blends oder -legierungen vorgenommen werden können. Eine Polymerlegierung im Gleichgewicht enthält ein Gemisch von zwei amorphen Polymeren, die als einzige Phase von mischungsunverträglichen Abschnitten der beiden makromolekularen Komponenten existieren. Mischbare amorphe Polymere bilden bei ausreichendem Kühlen Gläser, und ein homogenes oder mischbares Polymer-Blend zeigt eine einzige zusammensetzungsabhängige Glasübergangstemperatur (Tg), oder es zeigt als unmischbares oder nicht legiertes Blend von Polymeren typischerweise zwei oder mehr Glasübergangstemperaturen, die mit der unmischbaren Polymerphase zusammenhängen. In den einfachsten Fällen spiegeln die Eigenschaften der Polymerlegierungen einen nach der Zusammensetzung gewichteten Mittelwert der Eigenschaften, die die Komponenten aufweisen, wider. Im allgemeinen allerdings variiert die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung auf komplexe Weise, mit einer speziellen Eigenschaft, der Natur des Bestandteils (glasartig, gummiartig oder semikristallin), dem thermodynamischen Zustand des Blends und seinem mechanischen Zustand, ob die Moleküle und Phasen orientiert sind. Polyvinylchlorid bildet eine Anzahl von bekannten Polymerlegierungen, einschließlich beispielsweise Polyvinylchlorid/Nitrilkautschuk; Polyvinylchlorid und verwandten chlorierten Copolymeren und Terpolymeren von Polyvinylchlorid oder Vinylidendichlorid; Polyvinylchlorid/α-Methylstyrol- Acrylnitril-Copolymer-Blends; Polyvinylchlorid/Polyethylen; Polyvinylchlorid/chloriertes Polyethylen und anderen.
Die Hauptanforderung an das praktisch thermoplastische Polymermaterial besteht darin, daß es genügend thermoplastische Eigenschaften beibehält, um ein Schmelzmischen mit Holzfaser, die Bildung von Linearextrudat-Granulaten und die Extrusion des Zusammensetzungs-Materials oder Granulats durch ein thermoplastisches Verfahren unter Bildung des starren Strukturelementes zu gestatten. Polyvinylchlorid-Homopolymere, -Copolymere und -Polymerlegierungen sind von einer Reihe von Herstellern, einschließlich B. F. Goodrich, Vista Air Products, Occidental Chemicals etc., erhältlich. Bevorzugte Polyvinylchloridmaterialien sind ein Polyvinylchlorid-Homopolymeres mit einem Molekulargewicht Mn von etwa 90000 ± 50000, besonders bevorzugt von etwa 88000 ± 10000.
Compositmaterialien bestehen aus der kontinuierlichen Matrixphase, die eine Verstärkungsphasenstruktur umgibt. Typischerweise enthält die kontinuierliche Matrixphase ein thermoplastisches oder warmhärtendes Material.
Die Verstärkungsphasenstruktur enthält typischerweise einen teilchenförmigen Faserfüllstoff oder ein anderes diskontinuierliches Phasenmaterial. Das Composit enthält typischerweise eine kontinuierliche thermoplastische Matrixphase mit einer eingebetteten Struktur, die einschließt: (1) eine dreidimensionale Verteilung von statistisch orientierten Verstärkungselementen, z. B. ein Teilchen-gefüllter Composit; (2) eine zweidimensionale Verteilung von statistisch orientierten Elementen, wie eine Faserschnittmatte; (3) eine geordnete zweidimensionale Struktur mit Isometrie in der Ebene der Struktur, z. B. eine imprägnierte Tuchstruktur oder (4) eine hoch ausgerichtete Ansammlung von parallelen Fasern, die bezüglich der Faserrichtung statistisch verteilt sind, einschließlich einer Filament-Stabstruktur, eines Fertigtuches, bestehend aus parallelen Anordnungen von Fasern, die mit dem Matrix-Thermoplast imprägniert sind. Verstärkungsmaterialien verbessern die Festigkeit der gegebenen thermoplastischen Matrix. Es sind verschiedene Typen von Faserverstärkungen verfügbar, einschließlich Glas, Quarzgut, e-Glas, s- Glas, Kohlenstoff-Filmtypen (abgeleitet von Polyacrylnitril, Rayon oder kohlenstoffreicher Faser). Kohlenstoffasern, die typischerweise eine hohe Festigkeit und Steifheit besitzen. Polymeren (Aramid, Olefin, Nylon, Rayon), anorganischem Material (monokristallines Aluminiumoxid, polykristallines Aluminiumoxid, Whisker-Aluminiumoxid, Alumosilicate, Asbest, Wolfram, Borfasern, Bornitridfasern, Siliciumcarbid mit Kohlenstoffkern, polykristallinem Siliciumcarbid, polykristallinem Zirkoniumoxid etc.), und Metallen (Beryllium, Molybdän, Stahl, Wolfram, Aluminium etc.). Solche Verstärkungen können unter Verwendung von plattenartigen oder teilchenförmigen Materialien, wie Ton, Sand, Glimmer, Asbest etc., erhöht oder verdünnt werden.

HOLZFASER

Holzfaser kann hinsichtlich seiner überreichen Verfügbarkeit und seiner Eignung entweder von Weichhölzern oder Immergrünen oder von Harthölzern, die üblicherweise als breitblättrige laubabwerfende Bäume bekannt sind, stammen. Zur Faserherstellung sind in der Regel Weichhölzer bevorzugt, da die resultierenden Fasern länger sind und höhere Prozentsätze an Lignin und niedrigere Prozentsätze an Hemicellulose als Harthölzer enthalten. Während Weichholz die Hauptquelle für die erfindungsgemäße Faser darstellt, können zusätzliche Faseraufbereitungen aus einer Reihe sekundärer Quellen oder Faser-Rückgewinnungsquellen stammen, einschließlich Bambus, Reis, Zuckerrohr und recycelten Fasern aus Zeitungspapier, Karton, Computerausdrucken etc..
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Hauptquelle für Holzfaser umfaßt allerdings das Holzfaser-Abfallprodukt vom Sägen oder Fräsen von Weichhölzern, das üblicherweise als Sägemehl oder Fräsabfall bekannt ist. Eine solche Holzfaser besitzt eine regelmäßige reproduzierbare Form und ein regelmäßiges reproduzierbares Längenverhältnis. Die auf einer regellosen Auswahl von etwa 100 Fasern basierenden Fasern sind in der Regel mindestens 0,1 mm lang. Die Faser weist üblicherweise ein Längenverhältnis von mindestens 1-8 auf.
Vorzugsweise sind die Fasern 0,1 bis 10 mm lang, 0,3 bis 1,5 mm dick, mit einem Längenverhältnis zwischen 2 und 7, vorzugsweise zwischen 2,5 bis 6,0. Die zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugte Faser sind Fasern, die aus bei der Herstellung von Fenstern und Türen gebräuchlichen Verfahren stammen. Holzelemente werden in der Regel unter Erzeugung einer geeigneten Länge und Breite der Holzmaterialien in Faser-Querrichtung auf Größe gerissen oder gesägt. Das Nebenprodukt solcher Sägevorgänge ist eine beträchtliche Menge an Sägemehl. Beim Formen eines regelmäßig geformten Holzstückes zu einer geeigneten gefrästen Form durchläuft das Holz in der Regel Maschinen, die selektiv Holz von dem Stück entfernen und die geeignete Form hinterlassen. Solche Fräsvorgänge erzeugen als Nebenprodukte beträchtliche Mengen an Sägemehl oder Fräsabfall. Wenn schließlich das geformte Material auf Größe geschnitten wird und aus den vorgeformten Holzelementen angegehrte Verbindungsstücke stumpfe Verbindungsstücke, überlappende Verbindungsstücke, Zapfenverbindungen hergestellt werden, wird beträchlicher Abfall erzeugt. Solche großen Abfallstücke werden in der Regel zerschnitten und unter Umwandlung der größeren Objekte in Holzfaser mit Dimensionen, die Sägemehl- oder Fräsabfall- Dimensionen gleich kommen, maschinell bearbeitet. Diese Materialien können unter Bildung von Ausgangsmaterial für den Granuliervorgang trocken gemischt werden. Außerdem können die Ströme zuvor auf die bevorzugte Teilchengröße von Sägemehl zerschnitten oder im Nachhinein gemahlen werden.
Solche Sägemehlmaterialien können beträchtliche Anteile eines Nebenproduktstroms enthalten. Solche Nebenprodukte umfassen Polyvinylchlorid oder andere Polymermaterialien, die als Beschichtung, Überzug oder Verkleidung von Holzelementen eingesetzt werden; recycelte Strukturelemente, die aus thermoplastischen Materialien wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyethylenterephthalat etc. hergestellt sind; Polymermaterialien aus Beschichtungen; Klebebestandteile in Form von Hotmelt-Klebstoffen, Lösungsmittel-basierenden Klebstoffen. Pulverklebstoffen etc.; Farben einschließlich Farben auf Wasserbasis, Alkydfarben, Epoxyfarben, etc.; Konservierungsstoffe, Fungizide, Bakterizide, Insektizide etc. und weitere Ströme, die bei der Herstellung von Holztüren und - fenstern üblich sind. Der Nebenproduktstrom-Gesamtgehalt der Holzfasermaterialien beträgt in der Regel weniger als 25 Gew.-% des Holzfaser-Gesamteintrages in das Polyvinylchlorid-Holzfaserprodukt. Von dem gesamten Recyclingmaterial können ungefähr 10 Gew.-% ein Vinylpolymeres, in der Regel Polyvinylchlorid, enthalten. Üblicherweise reicht das beabsichtigte Recyclingmaterial von etwa 1 bis etwa 25 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 20 Gew.-%, am häufigsten von etwa 3 bis etwa 15 Gew.-% der auf Sägemehl basierenden Verunreinigungen.

Granulate

Das Polyvinylchlorid und die Holzfaser, die bei diesem Verfahren eingesetzt werden, liegen vorzugsweise in Form eines Holzfaser-Polyvinylchlorid-Composit- Granulats vor. Das Granulat wird in der Regel unter Anwendung eines thermoplastischen Extrusionsverfahrens gebildet. Das bevorzugte, bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verfahren zur Herstellung der Holzfaser-Polyvinyl-Granulate ist in den U. S. Patentschriften Nrn. 5 441 801 und 5 518 677 offenbart.
Die Holzfaser kann in einer Anzahl von Größen in ein Granulat- Herstellungsverfahren eingebracht werden. Wir glauben, daß die Holzfaser eine Minimalgröße in Länge und Breite von mindestens 0,1 mm aufweisen sollte, da kleinere Teilchen zu schlechteren physikalischen Eigenschaften in dem Element führen und da Holzmehl bei bestimmten Holz-zu-Luft-Verhältnissen zur Explosion neigt. Außerdem neigt Holzfaser von angemessener Größe und einem Längenverhältnis von größer als 1 zu verbesserten physikalischen Eigenschaften in dem extrudierten Strukturelement.
Geeignete Strukturelemente können jedoch mit einer Faser von großer Größe hergestellt werden. Fasern, die bis zu 3 cm lang und 0,5 cm dick sind, können als Ausgangsmaterial für das Granulat- oder das lineare Extrudat-Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Teilchen dieser Größe erzeugen allerdings nicht die Strukturelemente höchster Oberflächenqualität oder maximaler Festigkeit. Großteilige Holzfaser kann in der Größe durch Mahlen oder andere vergleichbare Verfahren, die eine Sägemehl entsprechende Faser mit den erwähnten Dimensionen und dem erwähnten Längenverhältnis erzeugen, vermindert werden. Ein weiterer Vorteil der Herstellung von Sägemehl gewünschter Größe besteht darin, daß das Fasermaterial vor Einbringen in das Granulat-Herstellungsverfahren vorgetrocknet werden kann.
Das Polyvinylchlorid und die Holzfaser werden unter Bildung des Compositmaterials bei hohen Temperaturen und Drücken innig kontaktiert, um zu gewährleisten, daß Holzfaser und Polymermaterial benetzt, vermischt und zu einer solchen Form extrudiert werden, daß das Polymermaterial mikroskopisch gesehen in die Poren, Hohlräume und Zwischenräume der Fasern einfließt und sie überzieht. Durch das Extrusionsverfahren werden die Fasern vorzugsweise in Extrusionsrichtung orientiert. Eine solche Orientierung bewirkt eine anisotrope Überlappung von nebeneinander liegenden parallelen Fasern und eine polymere Beschichtung der orientierten Fasern, was ein Material ergibt, das zur Herstellung von verbesserten Strukturelementen mit verbesserten physikalischen Eigenschaften geeignet ist. Die Strukturelemente besitzen eine beträchtlich erhöhte Festigkeit und einen beträchtlich erhöhten Zugmodul, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem Elastizitätsmodul, der für Fenster und Türen optimal ist. Die Eigenschaften stellen einen brauchbaren Kompromiss dar zwischen Holz, Aluminium und reinem Polymeren.
Die Feuchtigkeitskontrolle ist ein wichtiges Element bei der Herstellung eines geeigneten linearen Extrudates oder Granulates. Je nach eingesetzter Apparatur und eingesetzten Verfahrensbedingungen kann die Kontrolle des Wassergehaltes des linearen Extrudates oder Granulats beim Bilden eines erfolgreichen Strukturelements, das praktisch frei ist von inneren Hohlräumen oder Oberflächenfehlern, von Bedeutung sein. Wasser, das während der Bildung von Granulat oder linearem Extrudat in dem Sägemehl vorhanden ist, kann beim Erhitzen schnell von der Oberfläche des frisch extrudierten Strukturelementes verdampfen und kann als Ergebnis einer schnellen Verflüchtigung tief im Inneren des extrudierten Elementes eine Dampfblase bilden, die durch das heiße thermoplastische Material aus dem Inneren aufsteigen kann, wobei ein beträchtliche Fehler zurückbleibt. Auf ähnliche Weise kann Oberflächenwasser Blasen bilden und in dem extrudierten Element Risse, Blasen oder andere Oberflächenfehler hinterlassen.
Bäume können, wenn sie gefällt werden, je nach relativer Feuchtigkeit und Jahreszeit, bezogen auf den Fasergehalt, 30 bis 300 Gew.-% Wasser enthalten. Nach dem rohen Schneiden und Verarbeiten zu geschnittenem Bauholz kann das abgelagerte Holz, bezogen auf den Fasergehalt, einen Wasserhalt von 20 bis 30 Gew.- % aufweisen. Ofengetrocknetes, auf Länge geschnittenes Bauholz kann einen Wassergehalt typischerweise im Bereich von 8 bis 12%, in der Regel von 8 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Faser, aufweisen. Einige Holzquellen, wie Pappel oder Esche, können einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, während einige Harthölzer einen verminderten Wassergehalt besitzen können.
Aufgrund des schwankenden Wassergehaltes der Holzfaserquelle und der Empfindlichkeit des Extrudats gegenüber Wassergehalt ist die Kontrolle von Wasser auf einem Niveau von unter 8 Gew.-% in dem Granulat wichtig. Bei Verwendung einer belüfteten Apparatur zur Herstellung des extrudierten linearen Elementes kann ein Wassergehalt von über 8 Gew.-% toleriert werden, wenn die Verarbeitungsbedingungen so sind, daß die belüftete Extrusionsapparatur das thermoplastische Material vor der endgültigen Bildung des Strukturelementes am Extrusionskopf trocknen kann.
Die Granalien oder das lineare Extrudat der Ausführungsform der Erfindung werden durch Extrusion des Polyvinylchlorids und des Holzfaser-Composits durch eine Extrusionsdüse unter Erhalt eines linearen Extrudates hergestellt, das zu einer Granulatform zerschnitten werden kann. Der Granalien-Querschnitt kann je nach Extrusionsdüsengeometrie jede beliebige Form sein. Wir haben allerdings festgestellt, daß eine regelmäßige geometrische Querschnittsform geeignet sein kann. Solche regelmäßigen Querschnittsformen umfassen ein Dreieck, ein Quadrat, ein Rechteck, ein Sechseck, ein Oval, einen Kreis etc. Die bevorzugte Form der Granalie ist ein regelmäßiger Zylinder mit einem ungefähr kreisförmigen oder etwas ovalem Querschnitt.
Die bevorzugte Granalie ist ein normaler kreisförmiger Zylinder, der bevorzugte Radius des Zylinders beträgt mindestens 1,5 mm, mit einer Länge von mindestens 1 mm. Vorzugsweise besitzt die Granalie einen Radius von 1 bis 5 mm und eine Länge von 1 bis 10 mm. Am meisten bevorzugt besitzt der Zylinder einen Radius von 2, 3 bis 2,6 mm, eine Länge von 6,4 bis 8,5 mm und eine Schüttdichte von etwa 0,7-0,8 g/mm³.
Wir haben festgestellt, daß die Wechselwirkungen auf mikroskopischem Niveau zwischen Polymermasse und Holzfaser ein bedeutendes Element der Erfindung darstellt. Wir haben festgestellt, daß sich die physikalischen Eigenschaften eines extrudierten Elementes verbessern, wenn die Polymerschmelze während der Extrusion des Granulates oder des linearen Elementes die Holzfaserteilchen sorgfältig benetzt und durchdringt. Das thermoplastische Material enthält eine äußere kontinuierliche organische Polymerfaser, wobei die Holzteilchen als diskontinuierliche Faser in der kontinuierlichen Polymerphase dispergiert sind. In dem Material wird während des Mischens und Extrudierens ein Längenverhältnis von mindestens 1, 1 und vorzugsweise zwischen 2 und 4 erzeugt, die Orientierung so optimiert, daß mindestens 20%, vorzugsweise 40% der Fasern oberhalb der statistischen Orientierung von 40-50% in einer Extruderrichtung orientiert und sorgfältig vermischt und von dem Polymeren so benetzt sind, daß sämtliche Außenflächen der Holzfaser mit dem Polymermaterial in Kontakt sind. Dies bedeutet, daß jede Pore, jeder Spalt, jeder Riß, jeder Kanal, jede Vertiefung oder jeder Zwischenraum vollständig mit thermoplastischem Material gefüllt ist. Ein solches Durchdringen wird dadurch erreicht, daß eine verminderte Viskosität der Polymerschmelz durch Vorgänge bei erhöhter Temperatur und Anwendung eines ausreichenden Druckes gewährleistet ist, um das Polymere in die vorhandenen inneren Poren, Risse und Spalten in und auf der Oberfläche der Holzfaser zu pressen.
Während der Granulat- oder linearen Extrudatherstellung wird sehr darauf geachtet, eine gleichmäßige Dispersion des Holzes in dem Polymermaterial bereitzustellen. Dies erzeugt eine nennenswerte Orientierung, die bei Extrusion zu einem Struktur-Endelement die verstärkte Orientierung der Fasern in dem Strukturelement in Extruderrichtung gestattet, was im Sinne der Druckfestigkeit als Reaktion auf eine reguläre Kraft oder bei einem Torsions- oder Biegeversuch zu verbesserten Struktureigenschaften führt.
Die Granulatdimensionen werden sowohl zur zweckmäßigen Herstellung als auch zur Optimierung der Endeigenschaften der extrudierten Materialien gewählt. Ein Granulat mit Dimensionen, die praktisch kleiner sind als die vorstehend aufgeführten Dimensionen, ist schwer zu extrudieren, granulieren und bei der Lagerung zu handhaben. Granulate, die größer sind als der oben angegebene Bereich, sind schwer abzukühlen, in die Extrusionsapparatur einzufüllen, zu schmelzen und zu einem fertigen Strukturelement zu extrudieren.

PROFIL

Das extrudierte Profil weist eine Außenwand oder Verkleidung auf, die praktisch ein hohles Inneres umschließt. Das Innere kann mindestens eine Strukturrippe, die eine Stütze für die Wände bereitstellt, und mindestens eine Befestigungselement- Verankerungsrippe enthalten, um zu gewährleisten, daß das Compositelement unter Verwendung von handelsüblichen Befestigungselementen, die von der Befestigungselement-Verankerungsrippe gehalten werden, befestigt werden kann.
Typischerweise wird das Strukturelement durch das Extrusionsverfahren so geformt, daß das Element bei der derzeitigen Fenster- oder Türenherstellung eine Struktur- oder Zier-Komponente ersetzen kann. Solche Strukturelemente können eine Vielzahl von Formen einnehmen, wobei die Oberflächen-Umrisse dem Fenster- oder Tür-Montageverfahren und dem Gebrauch oder den Gebrauchsteilen des Fensters oder der Türe angepaßt sind. Solche Strukturelemente können Jalousien-Einschubträger, Schiebefenster- oder Schiebetür-Träger, Ausschnitte zur Befestigung von Beschlägen, Verankerungsstellen etc. enthalten. Das thermoplastische Compositmaterial bildet typischerweise eine Verkleidung oder Außenwand, die den Innenraum umgibt. Die Außenverkleidung oder Wand enthält eine nach Bedarf geformte Fläche zum Zusammenbauen des Fensters und der zum Zusammenwirken benötigten Flächen mit den anderen Funktionsteilen des Fensters und der Rohöffnung, wie vorstehend beschrieben.
Das Innere des Strukturelementes ist in der Regel mit einer oder mehreren Strukturrippen ausgestattet, die die Struktur in Richtung einer angelegten Belastung stützen. Strukturrippen umfassen typischerweise eine Wand, einen Pfosten, ein Trägerelement oder ein anderes geformtes Strukturelement, das die Druckfestigkeit, Torsionsfestigkeit oder andere strukturelle oder mechanische Eigenschaften verbessert. Eine solche Strukturrippe verbindet die nebeneinander oder gegenüber liegenden Flächen im Inneren des Strukturelementes. Es kann mehr als eine Strukturrippe eingelegt werden, um an den Belastungs-Anlegestellen zum Schutze des Strukturelementes vor Zerdrücken, Verdrehungsbruch, oder Bruch allgemein Belastung von Oberfläche zu Oberfläche zu transportieren. Typischerweise werden solche Stützrippen während der Herstellung des Strukturmaterials extrudiert oder spritzgegossen. Allerdings kann im nachhinein ein Träger aus Teilen eingefügt werden, die während getrennter Herstellungsvorgänge hergestellt wurden.
Der Innenraum des Strukturelementes kann auch eine Befestigungselement- Verankerung oder einen Befestigungselement-Montageträger enthalten. Eine solche Verankerung oder Trägereinrichtung stellt einen Ort zum Anbringen einer Schraube, eines Nagels, eines Bolzens oder eines anderen Befestigungselementes bereit, das entweder zum Zusammenfügen der Einheit oder zum Verankern der Einheit in einer Rohöffnung in dem öffentlichen oder privaten Bauwerk verwendet wird. Die Verankerungsrippe ist typischerweise dazu ausgelegt, sich der Geometrie der Verankerung anzupassen, und sie kann einfach eine winkelförmige Öffnung in einer geformten Compositstruktur, gegenüber liegende Flächen mit einem Spalt oder einer Vertiefung, die ungefähr der Schraubendicke entspricht, aufweisen, sie kann geometrisch geformt sein, so daß ein Schlüssel oder ein anderer Verschlußmechanismus hineinpaßt, oder sie kann die Form jeder handelsüblichen automatischen Befestigungseinrichtung einnehmen, die für die Fensterhersteller aus den von Firmen wie Amerock Corp., Illinois, Tool Works und anderen hergestellten Befestigungs- oder Verankerungsteilen erhältlich ist.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Strukturelement kann zum Durchlaufen von Tür- oder Fenstereinheiten, Befestigungselementen, wie Schrauben, Nägel etc., vorgeformte Wege oder Wege, die maschinell in das geformte thermoplastische Composit eingefügt sind, aufweisen. Solche Wege können eingelassen, metallausgekleidet oder anderweitig der Geometrie oder der Zusammensetzung der Befestigungselement-Materialien angepaßt sein. Das Strukturelement kann Paßflächen aufweisen, die zur Bereitstellung eines schnellen Zusammenbaus mit anderen Fensterbauteilen von ähnlicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung mit gleichermaßen angepaßten Paßflächen vorgeformt sind. Außerdem kann das Strukturelement Paßflächen aufweisen, die in der Verkleidung des Strukturelementes ausgebildet und an bewegliche Fenster- oder Türflügel oder andere bewegliche, beim Fenstergebrauch eingesetzte Teile angepaßt sind.
Die erfindungsgemäßen Strukturelemente können eine Paßfläche aufweisen, die zur Befestigung des schweren Hilfsbodens oder der Basis, der Rahmenstege oder der Seitenformen oder -balken, des Aufsatzteils des Strukturelementes auf die Rohöffnung ausgelegt ist. Solche Paßflächen können flach sein oder können eine Geometrie aufweisen, die zur leichten Montage, als ausreichende Stütze und als Befestigung an der Rohöffnung ausgelegt ist. Die Strukturelement-Verkleidung kann weitere Flächen, die zur Verzierung nach außen und zum Passen auf Holz- Einfaßelemente nach innen ausgelegt sind, und weitere Flächen, die in den exponierten Seiten des Strukturelementes ausgebildet und zur Befestigung von Metall- Laufschienen, Holz-Zierelementen, Türen-Laufschienenträgern oder anderen, üblicherweise bei der Montage von Fenstern und Türen eingesetzten Metall-, Kunststoff oder Holzelementen ausgelegt sind, aufweisen.

FEUCHTIGKEITSKONTROLLE

Holzfaser, Sägemehl besitzt einen beträchtlichen Wasseranteil, der mit der Faser assoziiert ist. Wasser ist natürlicherweise im Wachstumszyklus von lebendem Holz enthalten. Ein solches Wasser verbleibt auch nach beträchtlichen Trocknungszyklen bei der Herstellung von Bauholz in dem Holz. In abgelagertem, oberflächenbehandeltem Bauholz, das zur Herstellung von Strukturelementen aus Holz verwendet wird, kann das aus solchen Vorgängen stammende Sägemehl etwa 20% Wasser oder weniger enthalten. Wir haben festgestellt, daß die Kontrolle des Wassers, das in Holzfasern, die in den erfindungsgemäßen Polyvinylchlorid/Holzfaser-Compositmaterialien und den erfindungsgemäßen Granulatprodukten eingesetzt werden, in der Regel vorhanden ist, ein kritischer Gesichtspunkt beim Erhalt einer reproduzierbaren, hochqualitativen Oberflächenbeschaffenheit und einer Dimensionsstabilität der PVC/Holzfaser-Compositstrukturelemente ist. Wir haben festgestellt, daß die Entfernung von nennenswerten Anteilen des Wassers während der Herstellung des Granulatmaterials zum Erhalt eines Granulates erforderlich ist, das zur weiteren Verarbeitung zu den Strukurelementen optimiert ist. Der maximale Wassergehalt der Polyvinylchlorid/Holzfaser-Zusammensetzung oder des Polyvinylchlorid/Holzfaser-Granulates beträgt 10 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 8,0 Gew.-% oder weniger, und besonders bevorzugt enthält die Zusammensetzung oder das Granulatmaterial etwa 0,01 bis 3,5 Gew.-% Wasser. Vorzugsweise wird das Wasser nach Mischen und Formen des Materials durch Extrusion vor dem Zerkleinern zu Granulat entfernt. In diesem Stadium kann das Wasser unter Verwendung der erhöhten Temperatur des Materials bei Atmosphärendruck oder zur leichteren Wasserentfernung unter reduziertem Druck entfernt werden. Die Herstellung kann so optimiert werden, daß sich in dem Granulatprodukt eine merkliche Kontrolle und Gleichmäßigkeit des Wassers ergeben.

EXTRUDER

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Extruder ist ein im Handel erhältlicher Doppelschneckenextruder, der in Fig. 1 allgemein mit der Nummer 10 bezeichnet ist. Der bevorzugte Extruder verwendet zum kontrollierten Materialtransport durch eine Düse eine positive Verdrängerpumpe. Die Hauptbauteile der Einheit sind:
(a) ein Zylinder 11 und zwei Schnecken zum Transportieren, Mischen und Verdichten des Compositmaterials;
(b) ein Heiz- und Kühlsystem zur Kontrolle der zur Verarbeitung benötigten Wärme;
(c) ein Antrieb zum Antreiben der Schnecken; und
(d) eine Kontrollstation zur Kontrolle des Extruders einschließlich von Instrumenten zur Überwachung des Verfahrens und zur Anzeige möglicher Probleme.
Zylinder 11 besitzt ein konisches, spitz zulaufendes Doppelsiebloch. Die Kombination von spitz zulaufendem Zylinder und Schneckengang stellt eine angemessene Verdichtung des Compositmaterials bereit. Zylinder 11 ist in drei Abschnitten hergestellt, besitzt allerdings 4 Arbeitszonen.
Der größere Außendurchmesser der Schnecken in der Zylinder-Einzugszone, Zone 1, gestattet einen guten Materialeinzug und stellt eine größere Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Material bereit. Zwischen den Zonen 2 und 3 liegt eine Belüftung, die das Entweichen von Feuchtigkeit und anderen Gasen aus dem Zylinder 11 ermöglicht. Zur Beschleunigung des Feuchtigkeitsentzuges wird an die Belüftung vorzugsweise ein Vakuum angelegt. Zone 4 ist eine Meteringzone, in der das Material verdichtet und einer Düse 14 zugemessen wird. Zwischen Düse 14 und Extruderzylinder 11 befindet sich ein Adapter 12 mit einer Zone, die in Fig. 1 als Zone 7 bezeichnet ist.
Die Schnecken besitzen jeweils einen hohlen Kern, durch den Wärmeaustauschflüssigkeit zirkuliert wird. Dies gestattet das Abführen unerwünschter Reibungswärme aus Zone 4 zurück an Zone 1. Die vier Heizzonen am Zylinders 11 werden zur exakten Stabilisierung der Betriebstemperaturen unabhängig durch elektrische Heizbänder und Wärmeaustauscher kontrolliert. Gleichermaßen werden die Zonen 5 und 6 am Adapter 12 und die Zone 7 an der Düse 14 durch elektrische Heizbänder und Wärmeaustauscher zur exakten Temperaturkontrolle unabhängig kontrolliert. Die Temperatur der Wärmeaustauschflüssigkeit in den Schnecken wird ebenfalls unabhängig kontrolliert. Die bevorzugte Düse ist im Einklang mit dem gewünschten Profilquerschnitt hergestellt. Die Konfiguration der Extrusionsdüsen ist den Fachleuten hinreichend bekannt.
Den 4 Zylinderzonen wird über die elektrischen Heizbänder Wärme zugeführt. Die Wärme wird den Zylinderzonen durch Öl, das in Spulen, die in den Zonen 2, 3 und 4 um die Zylinder gewickelt sind, zirkuliert, entzogen. Das Öl wird über eine Pumpeneinheit durch einen Wärmeaustauscher, der in der Basis des Extruders liegt, zirkuliert. Das Zylinderkühlsystem ist zur visuellen Überprüfung der Kühlleistung in jeder Zylinderzone mit Strömungsanzeigern ausgestattet. Das Kühlen/Erhitzen des Schneckenkerns wird mit einer unabhängigen Temperaturkontrolleinheit erreicht.
Der Antrieb startet mit stufenloser Geschwindigkeit, einem konstanten Vorschubmotor, der mit einem Reduktionsgetriebe gekoppelt ist. Von dem Reduktionsgetriebe wird der Antrieb zu einem Zweiwellen-Verteilergetiebe weitergeleitet. Da die Antriebswellen sich auf den Mittelachsen ihrer entsprechenden spitz zulaufenden Schnecken befinden, ist die Verwendung großer Übersetzungen für die Vorschubübertragung und größerer Lager zur Aufnahme der beim Betrieb des Extruders erzeugten Axialkraft (Gegendruck) möglich.
Um eine reproduzierbare Produktqualität zu erzielen, werden die Geschwindigkeit und die Motorlast des Antriebs und die Axiallast der Kugeldrucklager gemessen. Der Kühlölfluß zu den Zonen 1 bis 7 wird durch System-Strömungsmesser überwacht. Die Granalien werden vorzugsweise in der Zone 1 des Zylinders 11 aus einem Granulat-Einfülltrichter 13 eingespeist. Der Fluß der Granalien in den Zylinder 11 wird vorzugsweise über eine Speiseschnecke dosiert.
In der Nähe des distalen Endes von Düse 14 befindet sich ein Kühlreservoir 15, durch das vorzugsweise Kühlwasser rezirkuliert wird. In dem Kühlreservoir 15, eingetaucht in das rezirkuliernden Kühlwasser, befinden sich ein oder mehrere kühlende Kalibrierblöcke. Jeder kühlende Kalibrierblock weist einen Kanal auf, der in der Größe ungefähr dem Querschnitt des Profils entspricht und der mit der Extruderdüse ungefähr axial ausgerichtet ist. An der Oberfläche des Kanals liegt ein Vakuum an.
Proximal zum distalen Ende des Kühlreservoirs 15 befindet sich ein Abzieher 16. Der Abzieher 16 ist mit der Extruderdüse und den Kalibrierblöcken in dem Kühlreservoir 15 ungefähr axial ausgerichtet. Der Abzieher 16 weist zwei sich gegenüber liegend angeordnete Bänder auf, die ungefähr um die Höhe des extrudierten Profilquerschnitts voneinander beabstandet sind. Proximal zum distalen Ende des Abziehers 16 befindet sich ein Abschneider 17.
Ein Abschneider 17 zum Schneiden des extrudierten Profils auf vorbestimmte Längen ist mit der Düse 14, den Kalibrierblöcken von Kühlreservoir 15 und dem Abzieher 16 ungefähr axial ausgerichtet. Der Abschneider 17 weist eine Schneidfläche und eine Klinge auf, die zur gleichzeitigen Bewegung mit dem extrudierten Profil unter Ausschaltung einer relativen Lateralbewegung zwischen Profil und Schneidklinge während des Schneidens des Profils befestigt sind.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um zu zeigen, daß das erfinderische Verfahren ein verbessertes Profil erzeugen kann. Es wurden Materialien mit linearer Fließrichtung (Beispiel 1-7) hergestellt. Zur Durchführung der Beispiele 8-21 wurde eine 90º-Fließänderung angewandt. TABELLE 1
Die Beispiele 3 und 5 wurden mit Stand-der-Technik-Materialien durchgeführt. Der Modul liegt beträchtlich unter dem des Materials "mit Fluß". Die Beispiele 8- 21 zeigen, daß die erfindungsgemäßen Materialien in allen Richtungen im wesentlichen den gleichen Modul aufweisen.

VERFAHREN

Bei dem erfindungsgemäßen Profil-Extrusionsverfahren sind die durch das Granulierverfahren geformten Granalien das Einzugmaterial. Die Granalien werden, wie in Fig. 1 gezeigt, in einen Einfülltrichter 13 eingefüllt und der Zone 1 des Extruderzylinders 11 zugeführt. Die bevorzugte Schneckengeschwindigkeit beträgt 10 U/min. ± 5 U/min. Die folgende Tabelle gibt die Zonentemperaturen für die Zylinderzonen 1 bis 4, die Adapterzonen 5 bis 6, die Düsenzone 7 und das Schneckenöl innerhalb einer annehmbaren Variationsbreite an.
Zone Temperatur
1 185ºC ± 10ºC
2 185ºC ± 10ºC
3 180ºC ± 10ºC
4 180ºC ± 10ºC
5 170ºC ± 10ºC
6 175ºC ± 10ºC
7 175ºC ± 10ºC
Schneckenöl 180ºC ± 10ºC
Der lineare Ausstoß beträgt etwa 4 bis 8 ft./min. (1,22-2,44 m/min.), und die Einzug-Fließgeschwindigkeit beträgt etwa 3 bis 6 1b/min. (1,35-2,7 kg/min).
In den Zylinderzonen 1-4 wird das Compositmaterial sorgfältig geschmolzen und gemischt. Zwischen den Zonen 2 und 3 wird zum Entzug zusätzlicher Feuchtigkeit aus dem Compositmaterial ein Vakuum angelegt.
Verläßt das extrudierte Profilmaterial die Profildüse, so ist es immer noch halb geschmolzen und dimensionsinstabil. Zur Kontrolle der Dimensionen des Profils wird das extrudierte Produkt vorzugsweise intern unter Anwendung eines Flusses von Kühlmittel aus der Kühlquelle 18 gekühlt und wird zudem in ein Kühlreservoir 15 mit einer oder mehreren Kühlstationen und Kalibrierblöcken extrudiert. Die extrudierten Profilblöcke innerhalb des Kühlreservoirs sind eingetaucht, und rezirkuliertes Wasser wird vorzugsweise bei ungefähr 65ºF (18,3ºC) oder darunter gehalten. An die Innenfläche der Kühlblocköffnungen wird ein Vakuum angelegt, wodurch das Vakuum wiederum an die Außenfläche des Profils angelegt wird. Das Anlegen dieses Vakuums an die Außenfläche des Profils ist zur Aufrechterhaltung der Dimensionsstabilität von Profilen, die oft praktisch hohl sind, besonders wichtig.
Das extrudierte Profil verläßt das Kühlreservoir und durchläuft einen Abzieher. Der Abzieher wird kontrolliert, um das Profil aus dem Kühlreservoir 15 mit einer Geschwindigkeit zum Abschneider 17 zu ziehen, die ungefähr der Geschwindigkeit der Extrusion durch die Düse 14 entspricht. An dem Abschneider wird das extrudierte Profil auf zuvor bestimmte Längen geschnitten. Vorzugsweise bewegt sich die Schneidklinge in Richtung der Bewegung des extrudierten Profils, so daß keine relative Lateralbewegung zwischen dem extrudierten Profil und der Schneidklinge auftritt.
In dem Profildüsenabschnitt erfährt der Fluß des thermoplastischen Composits eine Umlenkung unter Randomisierung der Faserorientierung. Diese Umlenkung gestattet die Verwendung eines neuen Kühlsystems. Zunächst stellt die Umlenkung des thermoplastischen Composit-Flusses sicher, daß jede Faser zur Bereitstellung der besten Struktureigenschaften für das Composit in der Orientierung optimiert wird. Ferner gestattet die Umlenkung des Flusses die Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit durch Anbringen eines Auslasses für einen Kühlstrom, der in der Extrusionsdüse so angebracht ist, daß der Kühlstrom auf das Innere des hohlen Kunststoffprofils gerichtet ist. Das Ausrichten des Kühlmittelstroms auf das Innere des Kunststoffprofils gestattet ein wesentlich stärkeres Kühlen des Profils nach der Extrusion. Durch die erhöhten Kühlgeschwindigkeiten läßt sich ein dickerer Teil unter Beibehaltung exakter Profildimensionen extrudieren. Außerdem stellt das verstärkte Abkühlen eine größere Kontrolle über die Struktureigenschaften in dem Profil bereit.
Fig. 2 ist eine Ansicht einer Vorrichtung, in der der einzigartige Extruder/die einzigartige Profildüse 202 montiert sind. Die Düse enthält die einzigartige Umlenkungen für den thermoplastischen Fluß und enthält auch angebrachte Einrichtungen zum Einbringen eines Kühlstromes in das hohle Innere des extrudierten Profils. Die Vorrichtung in Fig. 1 enthält in der Regel einen Material- Bearbeitungsabschnitt 200, einen Extrusionsabschnitt 201 und einen Profildüsenextrusionskopf 202. In einem Material-Bearbeitungsabschnitt 200 werden Polymeres und Holzfaser gemischt und in einen beheizten Ein- oder Zweischneckenextrudermechanismus 201 eingespeist. Der Extruder beliefert die Extrusionsprofildüse 202 mit einem geschmolzenen Fluß des thermoplastischen Composits, das ein thermoplastisches Polymeres und eine Holzfaser enthält. Die Profildüse 202 enthält die Umlenkung des Flusses für das thermoplastische Compositmaterial und enthält auch Einrichtungen zum Einbringen des Kühlstromes in das hohle Innere des Profils nach Verlassen der Extruderdüse.
Fig. 3 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht des Extruder-Profildüsenaufbaus 102 in Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Extruder 201 und den Weg des thermoplastischen Composits 301. Der Fluß des Thermoplasts (nicht gezeigt) schlägt von Extruder 201 durch eine Öffnung 305 den Weg 301 ein. Der Profildüsendorn 302 formt das Profil (nicht gezeigt) und stellt eine Öffnung 306 für die Kühleinrichtung zum Einbringen des Kühlmittelstroms 303 in das Innere des extrudierten Profils (nicht gezeigt) zusammen mit der Einrichtung zum Einbringen des Kühlmittelstroms 303 und der Richtung des Kühlmittelstroms 304 bereit.
Fig. 4 zeigt den in der Explosionsansicht in Fig. 3 gezeigten zusammengefügten Extruder-Profildüsenaufbau, wobei die Düsenlänge etwa 2 in. (5 cm) beträgt. Das Profil (nicht gezeigt) verläßt die Düse 202 von Raum 401 aus, der das Profil in einer praktisch vollständigen Form definiert, wobei bis zum Abschluß des Kühlens zur Aufrechterhaltung der Form nur noch ein Kalibrierblock erforderlich ist. Die Kalibrierblöcke sind eine konventionelle Apparatur, allerdings stellt die in der Zeichnung gezeigte Kühleinrichtung 303 für das erfindungsgemäße Extrusionsverfahren wesentliche Vorteile bereit. Ebenfalls in der Zeichnung gezeigt ist die Richtung des Kühlmittelstroms 304, der zum Kühlen des hohlen Inneren des extrudierten Profilelementes angewandt wird.
Fig. 5 ist eine umgekehrte isometrische Ansicht der Düse von Fig. 4. In der Figur sind der Extruder 201, die Düse 202 und das Einbringen einer Einrichtung zum Einbringen eines Kühlmittelstroms 303 in das Innere des extrudierten Profils gezeigt.
Die obige Beschreibung, die Beispiele und Daten stellen eine vollständige Beschreibung der Herstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bereit. Da viele Ausführungsformen der Erfindung ohne Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung durchgeführt werden können, ist die Erfindung in den im folgenden beigefügten Ansprüchen dargelegt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Profils durch Extrusion eines Harzes und einer Faser-Thermoplast-Compositzusammensetzung unter Beibehaltung einer statistischen Faserorientierung, wobei das Verfahren umfaßt, daß man

(a) ein Harz und ein Cellulosefaser-Thermoplast-Composit in einen mit einer Austrittsdüse von gewünschter Profilform ausgestatteten Extruder einspeist:

(b) Harz und Faser einen Fließweg vom Extruder zur Düse aufzwingt, wobei der Weg vor dem Verlassen der Austrittsdüse eine Umlenkung größer als etwa 75º einschließt, wobei der Abstand von der Umlenkung bis zum Verlassen der Austrittsdüse kleiner ist als etwa 10 cm, unter Bildung eines Profils; und

(c) das Profil-Innere mit einem von Kühleinrichtungen in der Austrittsdüse bereitgestellten Kühlmittel kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polymeres enthält, das aus Vinylchlorid gebildete Grundbausteine enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Cellulosefaser eine Holzfaser mit einer Minimaldimension von etwa 0,1 mm und einem Länge-zu-Breite- Verhältnis von größer als 1,5 umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Extruder bei einer Temperatur von über etwa 170ºC betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Austrittsdüse bei einer Temperatur von über etwa 175ºC betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Richtungsänderung des Composits zwischen 85º und 90º beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Extruder ein Mehrstationenextruder mit einer Composit-Einfüllöffnung, einem ersten Extruderabschnitt, einem zweiten Extruderabschnitt und einem Austrittsabschnitt ist, wobei die Temperatur der Einfüllöffnung größer ist als etwa 170ºC, die Temperatur des ersten und zweiten Extruderabschnittes unabhängig etwa 170 bis 190 ºC beträgt und die Temperatur der Austrittsöffnung größer ist als etwa 175 ºC.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Extruder zur Entfernung des Profils aus dem Extruder außerdem eine Strangzugvorrichtung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Extruder zur Aufrechterhaltung exakter Dimensionen in dem Profil nach seinem Austritt aus der Austrittsdüse außerdem einen Vakuum-Kalibrierblock aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Profil-Äußere nach dem Verlassen der Austrittsdüse durch Fluid-Strömung gekühlt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid Wasser enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid Luft enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid befeuchtete Luft enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Cellulosefaser eine Holzfaser mit einer Minimaldimension von etwa 0,1 mm und einem Länge-zu-Breite- Verhältnis von größer als 1,5 umfaßt.