ES2335434T3 - Boquilla de extrusion y procedimiento para producir una composicion polimerica cargada extruida. - Google Patents

Boquilla de extrusion y procedimiento para producir una composicion polimerica cargada extruida. Download PDF

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Abstract

Una boquilla (100) de extrusión que define un Canal (110) de Flujo de la Boquilla que se extiende desde un extremo (103) de la boquilla (100) de extrusión a un extremo opuesto de la boquilla (100) de extrusión y que comprende: (a) Una Zona (A) de Restricción del Flujo que define un Canal (10) de Flujo Restrictivo que se extiende desde un orificio (12) de entrada a un orificio (14) de salida en extremos opuestos de la Zona (A) de Restricción del Flujo, teniendo el Canal de Flujo (10) Restrictivo: (i) un orificio (14) de salida con un área de la sección transversal igual al área de la sección transversal más pequeña del Canal (110) de Flujo de la Boquilla y (ii) un área de la sección transversal media que es más pequeña que el área circunferencial en el extremo de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo; (b) Una Zona (B) de Redistribución de Flujo que define un Canal (20) de Redistribución de Flujo que se extiende desde un orificio (22) de entrada adyacente al orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo a un orificio (24) de salida en un extremo opuesto de la Zona (B) de Flujo Restrictivo, estando el Canal (20) de Redistribución de Flujo en comunicación de fluido con el Canal (10) de Flujo Restrictivo y aumentando inicialmente el área de la sección transversal desde el área de la sección transversal del orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo y (c) Una Zona (C) de Tierra que define un Canal (30) de Flujo de Tierra que se extiende desde un orificio (32) de entrada, adyacente al orificio (24) de salida del Canal (20) de Flujo de Redistribución a un orificio (34) de salida en un extremo opuesto de la Zona (C) de Tierra, estando el Canal (30) de Flujo de Tierra en comunicación de fluido con el Canal (20) de Flujo de Redistribución y variando menos del 5 por ciento en cualquier dimensión de la sección transversal en dos puntos cualesquiera entre el extremo de entrada y el extremo de salida de la Zona (C) de Tierra; En la que, el Canal (10) de Flujo Restrictivo presenta un área de la sección transversal promedio más pequeña que los Canales de Flujo de Redistribución (20) o de Tierra (30); una combinación de Canales (10, 20, 30) de Flujo Restrictivo, de Redistribución y de Tierra define el Canal (110) de Flujo de la Boquilla; el Canal (110) de Flujo de la Boquilla proporciona flujo laminar de la masa fundida polimérica completamente por la boquilla (100) desde un extremo (103) de entrada de la boquilla (100), que define el orificio (12) de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo y la boquilla (100), en un extremo (105) de salida opuesto, que define un orificio de salida del Canal de Flujo de Tierra y la boquilla (100) y en la que la boquilla (100) presenta una relación de compresión menor que 3:1.

Description

Boquilla de extrusión y procedimiento para producir una composición polimérica cargada extruída.
Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención se refiere a una boquilla de extrusión que contiene una Zona de Restricción de Flujo, una Zona de Redistribución de Flujo y una Zona de Tierra. La presente invención también se refiere a un procedimiento que usa la boquilla de extrusión para preparar una composición polimérica cargada, extruída, con una carga altamente dispersada y uniformemente distribuida.
Descripción de la técnica relacionada
Dispersar carga en una matriz polimérica, en particular cuando la carga y el polímero no son especialmente compatibles, ha sido históricamente un reto. El reto aumenta a medida que aumenta la cantidad de carga en relación con el material de la matriz y porque los requerimientos del producto imponen una composición altamente uniforme. Preparar una composición extruída que comprenda una carga hidrófila dispersada en un polímero hidrófobo representa un reto tal debido a que la carga y el polímero no son especialmente compatibles. El reto es más difícil cuando la carga y/o el material de la matriz tiene tendencia a degradarse térmicamente, tal como es el caso para las cargas de celulosa. Preparar composiciones extruídas de carga de madera en una matriz termoplástica presenta importantes dificultades (véase, por ejemplo, la Patente de EE.UU. (USP) 5.851.469 columna 1, línea 52 a la columna 2, línea 25).
A pesar de las dificultades de preparación, un material compuesto extruído de partículas de madera en una matriz polimérica termoplástica (composición de madera/plástico) es una alternativa deseable para un tablero de madera para aplicaciones tales como materiales de revestimiento (por ejemplo, tableros y enrejados). Una composición de madera/plástico requiere menos material de madera por unidad de volumen, puede utilizar un material de madera de grado inferior (incluyendo materiales de madera de reciclado y de desecho) y puede tener una duración de la vida útil mayor que una alternativa de madera.
Las composiciones de madera/plástico extruídas están comercialmente disponibles. Sin embargo, los productos y la bibliografía revelan que aún existe la necesidad de una composición de madera/plástico con carga de madera altamente dispersada y uniformemente distribuida y un método eficaz para preparar dicha composición.
La patente de EE.UU. 4.708.623 ('623) explica que los diseños de husillo de extrusora monoaxiales y biaxiales, convencionales, son insuficientes para dispersar carga de madera en una matriz polimérica y describe una zona de husillos no convencional con el propósito de liberar fibras de madera en una extrusora. La patente '623 describe la extrusión de gránulos de carga de madera encapsulada usando una boquilla con múltiples orificios (placa para trenzar) y volviendo a fabricar después esos gránulos en artículos moldeados. A la luz de las líneas de soldadura evidentes en la patente de EE.UU. 5.516.472 (véase a continuación), un trabajador cualificado esperaría que los gránulos de la patente '623, que han sido extruídos por una placa para trenzar, tuvieran una distribución de carga no uniforme. Adicionalmente, el procedimiento de extrusión de una composición polimérica cargada en gránulos y el moldeado después, con posterioridad, de los gránulos de la composición en un artículo, es indeseablemente menos eficiente que un proceso en una etapa que mezcle y extruya una composición en un artículo en una sola etapa.
La patente de EE.UU. 5.516.472 ('472) y los miembros de su familia explican un método para dispersar y distribuir carga de madera en una matriz termoplástica usando un método de trenzado que requiere la extrusión por una boquilla para trenzar. Sin embargo, el método de trenzado de la patente '472 produce líneas de soldadura en el producto extruído, que son evidentes a la vista de una superficie alisada del producto extruído, perpendicular a la dirección de extrusión del producto (desde el extremo). Presumiblemente, las líneas de soldadura son una piel rica en polímero alrededor de cada hebra, que da como resultado la dispersión no homogénea en las superficies de las hebras. Como resultado, los productos de la patente '472 presentan un aspecto desde el extremo, no homogéneo, cuando se alisan. Los productos extruídos de la patente '472 también presentan supuestamente problemas de absorción de la humedad a lo largo de
canales longitudinales también (véase la patente de EE.UU. 6.153.293 columna 3, línea 65 a la columna 4, línea 6).
Otro método para facilitar el mezclamiento de carga en una composición polimérica extruída es usar una boquilla con una relación de compresión de al menos 3:1. El aumento de la relación de compresión también puede aumentar el módulo de flexión de un producto extruído que contenga carga. Una relación de compresión es una relación del área de la sección transversal más ancha de una boquilla al área de la sección transversal de un orificio de salida de la boquilla. Una boquilla con una relación de compresión de 3:1 requiere un canal de flujo de la boquilla con un área de la sección transversal al menos tres veces el área de la sección transversal del orificio de salida de la boquilla (esto es, aproximadamente la del producto extruído). Desafortunadamente, una boquilla que produce una relación de compresión de al menos 3:1 puede llegar a ser inconvenientemente grande cuando se diseña para fabricar productos con grandes áreas de sección transversal. Además, o como alternativa, aumentar el mezclamiento por aumento de la relación de compresión de una boquilla requiere enfriar una composición polimérica para obtener una viscosidad elevada del fundido dentro de la boquilla, que tiende a inhibir que se consiga un aspecto superficial de calidad de un producto extruído, final.
La patente de EE.UU. 4015925 describe una estructura de boquilla de extrusión formada para proporcionar condiciones de flujo y control mejorados incluyendo la igualación del flujo del material de resina plastificado en una zona próxima a la porción del reborde de la boquilla.
La patente internacional WO 95/05932 describe un procedimiento para la extrusión de termoplástico, que puede incluir carga, por un conjunto de boquilla, para formar un producto termoplástico con componentes orientados.
Es deseable un método eficaz para preparar una composición polimérica cargada, en particular una composición cargada de talco o de madera, que presente carga altamente dispersada y uniformemente distribuida, en particular carga de talco o de madera. Es más deseable un método que permita el uso de una extrusora convencional sin la necesidad de una boquilla de trenzado o una relación de compresión de al menos 3:1.
Breve resumen de la invención
La presente invención adelanta la técnica proporcionando una boquilla de extrusión y un procedimiento que usa la boquilla que es adecuada para preparar eficazmente composiciones poliméricas cargadas que comprenden carga de madera altamente dispersada y uniformemente distribuida en una matriz polimérica directamente de una extrusora.
En un primer aspecto de la presente invención, una boquilla (100) de extrusión que define un Canal (110) de Flujo de la Boquilla que se extiende desde un extremo (103) de la boquilla (100) de extrusión a un extremo opuesto de la boquilla (100) de extrusión y que comprende:
(a)
Una Zona (A) de Restricción del Flujo que define un Canal (10) de Flujo Restrictivo que se extiende desde un orificio (12) de entrada a un orificio (14) de salida en extremos opuestos de la Zona (A) de Restricción del Flujo, teniendo el Canal de Flujo (10) Restrictivo: (i) un orificio (14) de salida con un área de la sección transversal igual al área de la sección transversal más pequeña del Canal (110) de Flujo de la Boquilla y (ii) un área de la sección transversal media que es más pequeña que el área circunferencial en el extremo de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo;
(b)
Una Zona (B) de Redistribución de Flujo que define un Canal (20) de Flujo de Redistribución que se extiende desde un orificio (22) de entrada adyacente al orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo a un orificio (24) de salida en un extremo opuesto de la Zona (B) Restrictiva de Flujo, estando el Canal (20) de Flujo de Redistribución en comunicación de fluido con el Canal (10) de Flujo Restrictivo y aumentando inicialmente el área de la sección transversal del área de la sección transversal del orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo y
(c)
Una Zona (C) de Tierra que define un Canal (30) de Flujo de Tierra que se extiende desde un orificio (32) de entrada adyacente al orificio (24) de salida del Canal (20) de Flujo de Redistribución a un orificio (34) de salida en un extremo opuesto de la Zona (C) de Tierra, estando el Canal (30) de Flujo de Tierra en comunicación de fluido con el Canal (20) de Flujo de Redistribución y variando por menos del 5 por ciento en cualquier dimensión de la sección transversal en dos puntos cualesquiera entre el extremo de entrada y el extremo de salida de la Zona (C) de Tierra;
En la que, el Canal (10) de Flujo Restrictivo presenta un área de la sección transversal promedio más pequeña que los Canales de Flujo de Redistribución (20) o de Tierra (30); una combinación de Canales (10, 20, 30) de Flujo Restrictivo, de Redistribución y de Tierra define el Canal (110) de Flujo de la Boquilla; el Canal (110) de Flujo de la Boquilla proporciona flujo laminar de la masa fundida polimérica completamente por la boquilla (100) desde un extremo (103) de entrada de la boquilla (100), que define el orificio (12) de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo y la boquilla (100), a un extremo (105) de salida opuesto, que define un orificio de salida del Canal de Flujo de Tierra y la boquilla (100) y en la que la boquilla (100) presenta una relación de compresión menor que 3:1.
En un segundo aspecto, la presente invención es un procedimiento para la extrusión de una composición polimérica cargada que comprende extruir una composición que comprende un polímero y una carga a partir de una extrusora y por una boquilla de extrusión en la que la mejora es que la boquilla de extrusión sea la boquilla de extrusión del primer aspecto.
Breve descripción de los dibujos
La Figura (Fig.) 1 ilustra una sección transversal de una vista en planta de una boquilla modular de la presente invención.
La Fig. 2 ilustra una sección transversal de alzado lateral de la misma boquilla modular de la Fig. 1.
La Fig. 3 ilustra una vista de la sección A-A de la boquilla de la Fig. 1, mirando hacia la extrusora o extremo de entrada de la boquilla.
La Fig. 4 ilustra una vista de la sección B-B de la boquilla de la Fig. 1, mirando lejos del extremo de la boquilla de la extrusora.
Descripción detallada de la invención La Boquilla de Extrusión
La boquilla de la presente invención comprende tres zonas: (a) una Zona de Restricción de Flujo ("Zona (a)"); (b) una Zona de Redistribución de Flujo ("Zona (b)") y (c) una Zona de Tierra ("Zona (c)").
Cada zona define un canal de flujo (un conducto) que se extiende todo el tiempo por la zona (esto es, desde un extremo (extremo de entrada) a un extremo opuesto (extremo de salida) de la zona). Cada canal de Flujo permite un flujo laminar de masa fundida polimérica por la zona. "Masa fundida polimérica" se refiere a material que se extruye por último a partir de la boquilla y comprende polímero ablandado y aditivos que pueden estar en el polímero, incluyendo la carga. Flujo laminar significa que no hay "puntos muertos" donde el flujo molecular se detenga o cambie de dirección 90 grados o más. Los puntos muertos surgen típicamente de barreras que se extienden perpendiculares al flujo de masa fundida polimérica. Las zonas de la boquilla se alinean entre sí a fin de que la Zona (b) esté entre las Zonas (a) y (c), con el extremo de entrada de la Zona (b) próximo al extremo de salida de la Zona (a) y el extremo de entrada de la Zona (c) próximo al extremo de salida de la Zona (b). Los canales de flujo por cada zona están en comunicación de fluido entre sí y, deseablemente, son coaxiales entre sí.
Los canales de flujo por la Zona (a) ("Canal de Flujo Restrictivo"), Zona (b) ("Canal de Flujo de Redistribución") y Zona (c) ("Canal de Flujo de Tierra") se alinean para formar un Canal de Flujo de la Boquilla por la boquilla. El Canal de Flujo de la Boquilla se extiende desde un extremo de entrada de la boquilla, que es también el extremo de entrada a la Zona (a), a un extremo de salida de la boquilla, que es también el extremo de salida a la Zona (c). El Canal de Flujo de la Boquilla proporciona un flujo laminar para masa fundida polimérica completamente por la boquilla. La masa fundida polimérica entra en el Canal de Flujo de la Boquilla por un orificio de entrada en el extremo de entrada de la boquilla y sale por el Canal de Flujo de la Boquilla por un orificio de salida en el extremo de salida de la boquilla. En una realización preferida, el canal de Flujo de la Boquilla sólo es accesible por los orificios de entrada y
de salida.
La boquilla puede ser una estructura única o puede ser modular en composición. Modular se refiere a que tiene componentes separables entre sí. Por ejemplo, se puede separar la Zona (a) de las Zonas (b) y (c). Se puede separar la Zona (c) de las Zonas (a) y (b). Se puede separar cada zona de cada una de las demás. La boquilla puede comprender componentes separables (modulares) en cada zona, que se extiendan a más de una zona o que residan en una única zona junto con otras que se extiendan a más de una zona. Son deseables boquillas modulares debido a que permiten una modificación fácil y económica de una boquilla. Por ejemplo, un trabajador cualificado puede desear que una boquilla tenga un flujo más o menos restrictivo por la Zona (a) para optimizar las propiedades del producto para una formulación particular. Más bien que fabricar una boquilla completamente nueva (esto es, cada una de las Zonas (a), (b), y (c)), un trabajador cualificado que use una boquilla modular puede rediseñar simplemente y fabricar un componente o componentes modular(es) que controle(n) la restricción del flujo en la Zona (a) y reemplazar después el (los) componente(s) original(es) con el (los) componente(s) rediseñado(s). Las boquillas modulares pueden ahorrar tiempo y dinero cuando se hacen modificaciones en la fabricación.
La boquilla se une a una extrusora con el extremo de entrada de la Zona (a) próximo a la extrusora. La presente invención prevé que hay numerosas formas de unir la boquilla a una extrusora y que la presente invención no está limitada a un medio de unión específico.
La masa fundida polimérica sale de la extrusora por un orificio de salida de la extrusora y entra a la boquilla por un orificio de entrada de la boquilla. Deseablemente, el orificio de entrada al canal de restricción del flujo tiene un perfil de circunferencia similar a un orificio de salida de la extrusora al que se une la boquilla. Un perfil de circunferencia define la forma y el tamaño de un orificio. El orificio de salida de la extrusora y el orificio de entrada de la boquilla tienen deseablemente perfiles de circunferencia similares y, preferiblemente, tienen perfiles de circunferencia idénticos. Sin embargo, no es necesario que los orificios de salida de la extrusora y de entrada de la boquilla sean idénticos mientras proporcionen flujo laminar de la masa fundida polimérica desde el orificio de salida de la extrusora por el orificio de entrada de la boquilla.
Zona (a) - La Zona de Restricción del Flujo. La Zona (a) define un canal de Flujo Restrictivo que se extiende a la longitud de la Zona (a) - empezando en un orificio de entrada y terminando en un orificio de salida. La Zona (a) se extiende desde el extremo de entrada de la boquilla a donde aumenta el área de la sección transversal del Canal de Flujo de la Boquilla desde su área de la sección transversal más pequeña. Por lo tanto, el orificio de salida del Canal de Flujo Restrictivo presenta un área de la sección transversal igual al área de la sección transversal más pequeña del Canal de Flujo de la Boquilla.
El propósito de la Zona (a) es crear suficiente contrapresión en una extrusora para conseguir la dispersión deseable de la carga en una masa fundida polimérica al tiempo que se evita la suficiente contrapresión para crear suficiente calor para degradar indeseablemente los componentes de la masa fundida polimérica. La Zona (a) aumenta la contrapresión en una extrusora por restricción del flujo de masa fundida polimérica por el Canal de Flujo Restrictivo. Los parámetros de flujo para la Zona (a) controlan la restricción del flujo de masa fundida polimérica por el Canal de Flujo Restrictivo. Por ejemplo, aumentar la longitud o disminuir el área de la sección transversal promedio del Canal de Flujo Restrictivo por la Zona (a) aumentará la restricción de flujo de masa fundida polimérica por la Zona (a). Un trabajador cualificado puede seleccionar experimentalmente los parámetros de flujo apropiados para la Zona (a) para conseguir el mezclamiento óptimo con la mínima degradación, basándose en una formulación de masa fundida polimérica particular.
Deseablemente, la Zona (a) restringe el flujo de masa fundida polimérica con un Canal de Flujo Restrictivo con un área de la sección transversal promedio menor que el área circunferencial del orificio de entrada al Canal de Flujo Restrictivo. Un "área circunferencial" es el área encerrada por la circunferencia. En este caso particular, el área circunferencial del orificio de entrada al Canal de Flujo Restrictivo es el área dentro de la circunferencia del Canal de Flujo Restrictivo cuando se mide en una sección transversal perpendicular al flujo de masa fundida polimérica. El área de la sección transversal promedio del Canal de Flujo Restrictivo es también menor que la del Canal de Flujo de Redistribución por la Zona (b) y el Canal de Flujo de Tierra por la Zona (c).
En la presente memoria, el área de la sección transversal de un orificio o canal de flujo se refiere al área de un espacio abierto (por ejemplo, el espacio por el que puede fluir masa fundida polimérica) en una sección transversal perpendicular al flujo de masa fundida polimérica por el orificio o canal de flujo. Se determina el área de la sección transversal promedio de un canal de flujo dividiendo su volumen de espacio abierto por su longitud (distancia en el centro por el canal de flujo desde un extremo a un extremo opuesto). Cabe destacar que un orificio o sección transversal puede tener un "área de la sección transversal" más pequeña que el "área circunferencial" puesto que la última es una medida del área dentro de una circunferencia del orificio mientras la primera sólo mide el espacio libre en el área circunferencial. Por ejemplo, un canal de flujo que contenga deflectores del mezclador estático tendrá un área de la sección transversal más pequeña que el área circunferencial.
En una primera realización, el Canal de Flujo Restrictivo comprende una primera y una segunda sección. La primera sección del Canal de Flujo Restrictivo reduce el área de la sección transversal desde la del orificio de entrada a la de una segunda sección. La reducción puede seguir cualquier contorno dimensional, incluyendo un incremento inicial en el área de la sección transversal seguido por una reducción en el área de la sección transversal, mientras la reducción proporciona flujo laminar de la masa fundida polimérica por el Canal de Flujo Restrictivo. Típicamente, la primera sección define una disminución uniforme y laminar en una dimensión de la sección transversal de la segunda sección para facilitar el flujo laminar de masa fundida polimérica. La segunda sección mantiene un área de la sección transversal uniforme y tiene un área de la sección transversal igual al área de la sección transversal más pequeña de cualquier porción del Canal de Flujo de la Boquilla. La segunda sección puede ser un milímetro de longitud o menos, pero típicamente es 2 mm o más, preferiblemente 5 mm o más, más preferiblemente 10 mm o más de longitud. El Canal de Flujo Restrictivo termina con la segunda sección, que después alimenta la masa fundida polimérica al Canal de Flujo de Redistribución.
En una segunda realización, el Canal de Flujo Restrictivo contiene uno o más elementos del mezclador estático, permitiendo los elementos del mezclador estático para el flujo laminar por el Canal de Flujo Restrictivo. Un ejemplo de un elemento del mezclador estático, adecuado, es un mezclador de la marca Kenics^{TM} (Kenics es una marca registrada de Robbins & Myers, Inc.), disponible en Chemineer, Inc. Otro mezclador estático adecuado es un mezclador Polyguard (disponible en Sulzer Corp.). Un mezclador estático puede restringir el caudal de masa fundida polimérica por un Canal de Flujo Restrictivo incluso sin haber reducido el área de la sección transversal del Canal de Flujo Restrictivo desde la del orificio de entrada del Canal de Flujo Restrictivo.
Se puede combinar la primera y la segunda realización de manera que la primera, la segunda o tanto la primera como la segunda sección de la primera realización, contenga también uno o más elementos del mezclador estático de la segunda realización.
Si el Canal de Flujo Restrictivo es demasiado grande, empezará a degradarse térmicamente una masa polimérica fundida antes de que pueda salir de la boquilla. Por lo tanto, es deseable que el Canal de Flujo Restrictivo sea tan corto como sea posible. Típicamente, la longitud total del Canal de Flujo Restrictivo es 24 pulgadas (61 centímetros (cm)) o menos, preferiblemente 16 pulgadas (41 cm) o menos, más preferiblemente 8 pulgadas (20 cm) o menos y lo más preferiblemente 4 pulgadas (10 cm) o menos. Un Canal de Flujo Restrictivo puede tener una longitud de 2 pulgadas (5 cm) o menos e incluso una pulgada (2,5 cm) o menos. Para asegurar una contrapresión suficiente, la longitud del Canal de Flujo Restrictivo es típicamente al menos 0,5 pulgadas (12,5 mm).
Un Canal de Flujo Restrictivo, deseable, presenta una sección transversal circular, tiene entre una y dos pulgadas (2,5 y 5 centímetros) de largo, presenta un orificio de salida que tiene entre 0,5 y 1,5 pulgadas (1,3 y 3,8 centímetros) de diámetro y está exento de elementos del mezclador estático. Los intervalos son inclusive los puntos extremos.
La forma de la sección transversal del Canal de Flujo Restrictivo no es crítica y puede ser, por ejemplo, circular, oval, cuadrada, rectangular, pentagonal, hexagonal, heptagonal, octagonal, en forma de estrella o cualquier otra forma imaginable. La forma de la sección transversal del Canal de Flujo Restrictivo puede ser diferente en diferentes puntos del Canal de Flujo Restrictivo. Deseablemente, el Canal de Flujo Restrictivo tiene una forma que es simétrica alrededor de un eje del flujo de masa fundida polimérica para fomentar un caudal uniforme en la masa fundida polimérica y mejorar por último la estabilidad dimensional en un producto extruído. Preferiblemente, el Canal de Flujo Restrictivo tiene una forma de la sección transversal circular.
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Es imaginable que la Zona (a) pueda existir como una porción de una única unidad de boquilla que también incluya la Zona (b) o la Zona (b) y la Zona (c). También es imaginable que la Zona (a) pueda ser modular aparte de las Zonas (b) y (c). La Zona (a) puede comprender múltiples componentes modulares. Por ejemplo, la primera sección puede ser parte de un componente de boquilla modular y la segunda sección puede ser parte de otro componente de boquilla modular o un mezclador estático puede ser separable del resto de la Zona (a). En tal caso, la Zona (a) comprende la combinación de los componentes modulares de la boquilla o esas porciones de los componentes modulares de la boquilla que residen en la Zona (a).
Zona (b) - La Zona de Redistribución de Flujo. La Zona (b) es posterior a la Zona (a) en la boquilla y sirve para distribuir el flujo de masa fundida polimérica desde el Canal de Flujo Restrictivo para una forma deseada de producto final, definida por el Canal de Flujo de Tierra. Por lo tanto, el canal de flujo en la Zona (b), el Canal de Flujo de Redistribución, presenta un perfil adecuado para distribuir masa fundida polimérica desde el Canal de Flujo Restrictivo al Canal de Flujo de Tierra. La Zona (b) empieza donde aumenta el área de la sección transversal más pequeña del Canal de Flujo de la Boquilla y termina donde ya no cambia la forma del Canal de Flujo de la Boquilla y define una forma para un artículo extruído final. El área de la sección transversal promedio del Canal de Flujo de Redistribución es mayor que la del Canal de Flujo Restrictivo, pero menor que la del Canal de Flujo de Tierra.
En una realización, aumenta simétricamente el área de la sección transversal del Canal de Flujo de Redistribución (sobresale simétricamente) a un área de la sección transversal de una composición extruída, final, cilíndrica. Alternativamente, el Canal de Flujo de Redistribución puede tener una forma de la sección transversal compleja. Una Zona (b) deseable presenta un Canal de Flujo de Redistribución que sobresale en el área de la sección transversal desde la salida del Canal de Flujo Restrictivo, se alarga en una dimensión de la sección transversal para formar una sección transversal rectangular e incluye una forma de la sección transversal de "pajarita" o "hueso de perro" para al menos una porción de su longitud (la longitud corresponde a una dimensión de extremo a extremo). La porción de "pajarita" distribuye el flujo de masa fundida polimérica en un tablero con una forma de la sección transversal generalmente rectangular. Los parámetros óptimos para la Zona (b) y el Canal de Flujo de Redistribución dependen ampliamente del Canal de Flujo Restrictivo y la forma final del artículo buscada con el Canal de Flujo de Tierra. En general, un Canal de Flujo de Redistribución óptimo cambia gradualmente el flujo de masa fundida polimérica desde el canal de flujo Restrictivo en una forma congruente con las dimensiones del Canal de Flujo de Tierra para conseguir que sea tan próximo a un caudal uniforme por el Canal de Flujo de Tierra, como sea posible. Al mismo tiempo, el Canal de Flujo de Redistribución no debería ser tan largo como para causar que la masa fundida polimérica resida en la boquilla lo suficiente como para que se degrade térmicamente hasta un punto no deseable.
Los trabajadores cualificados pueden diseñar adecuadamente e históricamente han diseñado adecuadamente formas de canales de flujo adecuadas como Canales de Flujo de Redistribución basándose en una sección transversal del artículo final extruído que se desea, para maximizar la distribución del flujo de masa fundida polimérica y minimizar el tiempo de permanencia de la masa fundida polimérica en la boquilla.
La Zona (b) es deseablemente una zona modular, que permite la sustitución de los componentes de la Zona (b) sin tener que sustituir los componentes en las Zonas (a) y/o (c). Un trabajador cualificado puede desear modificar sólo la Zona (b) cuando se exploran diferentes composiciones de masa fundida polimérica. Las diferentes composiciones pueden variar en, por ejemplo, viscosidad, que puede imponer modificar los perfiles de distribución del flujo dentro de la Zona (b) para optimizar la estabilidad dimensional del artículo. Como con la Zona (a), la Zona (b) puede comprender múltiples componentes modulares.
Zona (c) - La Zona de Tierra. La Zona (c) es la zona final de la boquilla y sirve para estabilizar la masa fundida polimérica en las dimensiones de la sección transversal de un artículo final extruído (previamente al enfriamiento del artículo final extruído). La Zona (c) tiende a aumentar la estabilidad dimensional de un artículo final extruído. El canal de flujo por la Zona (c), el Canal de Flujo de Tierra, mantiene una forma de la sección transversal esencialmente constante por toda la longitud de la Zona (c). Esto es, cualquier dimensión del área de la sección transversal (esto es, una dimensión perpendicular al flujo de masa fundida polimérica) del Canal de Flujo de Tierra en dos puntos cualesquiera en la Zona (c), varía el 5 por ciento (%) o menos, preferiblemente 2% o menos, más preferiblemente 1% o menos y puede estar libre de variación. El Canal de Flujo de Tierra y la propia Zona (c), termina en un orificio de salida para la boquilla por el que sale de la boquilla la masa fundida polimérica. La Zona (c) estabiliza la extensión de la masa fundida polimérica dirigiendo el flujo de masa fundida polimérica más paralelo a la dirección de extrusión.
La longitud de la Zona (c) es deseablemente suficiente para maximizar el flujo paralelo de la masa fundida polimérica mientras se mantienen los gradientes de flujo radial (diferencia en el caudal de masa fundida polimérica cerca de las paredes de los canales de flujo en relación con el flujo próximo al centro del canal de flujo) a un mínimo. Para conseguir este objetivo, la Zona (c) define un Canal de Flujo de Tierra que tiene típicamente una longitud de 0,25 pulgadas (6,35 mm) o más.
Preferiblemente 0,5 pulgadas (12,7 mm) o más, más preferiblemente una pulgada (25,4 mm) o más, aún más preferiblemente 2 pulgadas o más, incluso más preferiblemente 3 pulgadas o más y típicamente 10 pulgadas (254 mm) o menos, preferiblemente 7 pulgadas (178 mm) o menos. Aunque estos valores de la longitud proporcionan una guía general, las longitudes óptimas se determinan mejor empíricamente para una composición de masa fundida polimérica específica.
El Canal de Flujo de Tierra puede tener cualquier forma imaginable de la sección transversal. Por ejemplo, la forma de la sección transversal puede ser cuadrada, rectangular, rectangular con esquinas redondeadas o cónicas, circular, oval, en forma de estrella, triangular, hexagonal u octagonal. Las formas particularmente deseables son las que corresponden a tableros de madera (por ejemplo, adecuados como tablero para cubierta, guarnición o banda), tablones, varillas, mandriles, enrejados (incluyendo enrejados perfilados tales como los que tienen las partes de arriba curvas y los fondos rectilíneos y variaciones de los mismos), moldes y husos. El Canal de Flujo de Tierra presenta deseablemente un área de la sección transversal dentro del diez por ciento del área de la sección transversal de un producto final extruído, deseado.
Los productos extruídos deseados incluyen aquéllos con dimensiones de la sección transversal de cuadrilátero de 1x5/4, 2x4, 4x4, 2x6, 1x12, 3/8x12 y 2x2 así como tamaños reales de la madera aserrada, conocidos por esas dimensiones (por ejemplo, donde 2 es realmente 1,5, 4 es realmente 3,5, 6 es realmente 5,5 y 12 es realmente 11,5), donde el primer número es el espesor en pulgadas y el segundo número es el ancho en pulgadas (1 pulgada =
25,4 mm).
Una o más paredes que definen el Canal de Flujo de Tierra pueden incluir surcos u otros contornos de conformaciones que se extiendan sustancialmente paralelos a la longitud de la Zona (c). Tales contornos de conformación son deseables para impartir una textura a una o más superficies de un artículo extruído. Por ejemplo, los surcos que se extienden en una o más paredes y que se extienden en la dirección de extrusión pueden ser útiles para impartir textura de tipo grano de madera a artículos extruídos.
La boquilla de la presente invención ofrece ventajas sobre la presente tecnología de extrusión permitiendo que un trabajador cualificado controle de manera precisa y eficaz la contrapresión de la extrusora para conseguir el mezclamiento óptimo de la carga en una matriz polimérica mientras se minimiza la degradación térmica de los componentes de la masa fundida polimérica. En particular, la boquilla de la presente invención permite que un trabajador cualificado disperse altamente y distribuya uniformemente carga en una matriz polimérica cuando la carga y la matriz polimérica sean en general incompatibles y cuando además uno o más de la carga o el polímero sean degradables térmicamente.
Como una ventaja más, la boquilla de la presente invención puede conseguir carga altamente dispersada y uniformemente distribuida en una matriz polimérica extruída mientras se utiliza una relación de compresión menor que 3:1, incluso menor que 2:1. Como resultado, el presente diseño de la boquilla proporciona la fabricación de productos poliméricos extruídos, cargados, con carga altamente dispersada y uniformemente distribuida en la matriz polimérica con dimensiones de los canales de flujo más pequeñas de lo requerido en una boquilla que establece una relación de compresión de 3:1 o mayor. Las dimensiones más pequeñas de los canales de flujo llegan a ser ventajas en particular cuando se extruyen productos con áreas de la sección transversal relativamente grandes. Una relación de compresión de 3:1 requiere un canal de flujo de la boquilla con un área de la sección transversal al menos tres veces el área de la sección transversal del orificio de salida de la boquilla (esto es, aproximadamente la del producto extruído). Por lo tanto, las boquillas llegan a ser inconvenientemente grandes para productos de sección transversal grande para obtener una relación de compresión de al menos 3:1.
La Figuras 1 a 4 ilustran una boquilla ejemplar de la presente invención.
La Figura 1 ilustra una sección transversal de la vista en planta de la boquilla 100, con longitud L_{D} entre el extremo 103 de entrada, el extremo 105 de salida y que define el Canal 110 de Flujo de la Boquilla. El extremo 105 de salida tiene un diámetro D_{D}. La boquilla 100 comprende la Zona A de Restricción de Flujo con longitud L_{A}, la Zona B de Redistribución de Flujo con longitud L_{B} y la Zona C de Tierra con longitud L_{C}. La Zona A de Restricción de Flujo define el Canal 10 de Flujo Restrictivo con el orificio 12 de entrada (que es también el orificio de entrada al Canal 110 de Flujo de la Boquilla) y el orificio 14 de salida. La Zona B de Redistribución de Flujo define el Canal 20 de Flujo de Redistribución con el orificio 22 de entrada y el orificio 24 de salida. La Zona C de Tierra define el Canal 30 de Flujo de Tierra con orificio 32 de entrada y orificio 34 de salida. El Canal 30 de Flujo de Tierra tiene una anchura de W_{C}.
La boquilla 100 es modular, comprendiendo múltiples elementos separables. El elemento 200 define el Canal 10 de Flujo Restrictivo y un saliente al Canal 20 de Flujo Redistributivo. Los elementos 300, 350 (mostrados en la Fig. 2) y 400 definen un elemento de redistribución de tipo medio hueso de perro en el Canal 20 de Flujo de Redistribución. Los elementos 300, 350 (véase la Fig. 2) y 400 están fijados a la boquilla 100 con los pernos 500.
La Fig. 2 ilustra una vista transversal de alzado lateral de la boquilla 100 y muestra los pernos 600 que fijan la boquilla 100 a una extrusora (no mostrado). La Fig. 2 muestra la Altura H_{C} del orificio 34 de salida para el Canal 30 de Flujo de Tierra. El orificio 34 de salida es rectangular de manera que W_{C} (mostrado en la Fig. 1) sea mayor que H_{C} (mostrado en la Fig. 2). También es evidente por la comparación de la Fig. 1 a la Fig. 2, el hecho de que el Canal 20 de Flujo de Redistribución presenta una sección transversal circular en su orificio 22 de entrada (mostrado en la Fig. 1) y una sección transversal rectangular en su orificio 24 de salida.
La Fig. 3 ilustra la vista A-A de la sección transversal de la Boquilla 100, mirando al Canal 20 de Flujo Redistributivo hacia el extremo 105 de entrada (no mostrado). La Fig. 3 muestra una porción de un orificio que corresponde tanto al orificio 14 de salida del Canal 10 de Flujo Restrictivo como al orificio 22 de entrada del Canal 20 de Flujo de Redistribución. El elemento 300 presenta un perfil curvado que se extiende al Canal 20 de Flujo Redistributivo para favorecer la redistribución de la masa fundida polimérica.
La Fig. 4 ilustra la vista B-B de la sección transversal de la boquilla 100, mirando al Canal 20 de Flujo de Redistribución hacia el extremo 105 de salida. La Fig. 4 muestra el Canal 30 de Flujo de Tierra y su orificio 32 de salida y orificio 34 de salida (que se superponen en esta vista) así como el componente 400 modular.
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El Procedimiento de Extrusión
El presente procedimiento proporciona una mejora sobre los procedimientos previos ofreciendo un medio para extruir directamente y eficazmente una composición polimérica altamente cargada en un artículo con carga altamente dispersada y uniformemente distribuida. El presente procedimiento proporciona un proceso de elaboración de material compuesto y fabricación en una sola etapa, en vez de un procedimiento en múltiples etapas en el momento presente en la técnica (por ejemplo, procedimientos que mezclan gránulos cargados y los fabrican después en artículos).
Una carga está uniformemente distribuida en una matriz polimérica cuando, mirando la matriz polimérica con un ojo, sin ayuda, una mayoría de las partículas de carga son o indistinguibles en la matriz polimérica o parecen libres de aglomeración con otras partículas de carga.
Una carga está uniformemente distribuida en una matriz polimérica si una sección transversal con la superficie alisada, de una composición, parece tener una distribución de carga uniforme para un observador sin ayuda (por ejemplo, en la inspección visual sin aumento). El procedimiento de trenzado de la patente de EE.UU. 5.516.472 produce una composición polimérica cargada con líneas de soldadura perfilando las hebras evidentes en una sección transversal con la superficie alisada, de la composición polimérica. Las líneas de soldadura constituyen dominios locales regulares con concentraciones de carga menores que la media en la composición y constituyen de ese modo, variaciones regulares en la concentración de partículas de carga en la composición polimérica cargada. Por lo tanto, el procedimiento de la patente de EE.UU. 5.516.472 no produce composiciones poliméricas cargadas con una distribución uniforme de partículas en una matriz polimérica.
Las cargas pueden ser o hidrófilas o hidrófobas y u orgánicas o inorgánicas. Los ejemplos de cargas inorgánicas incluyen: arcilla, cemento Portland, yeso, carbonato de calcio y talco. El procedimiento de la presente invención es particularmente útil para extruir composiciones poliméricas que comprendan una carga hidrófila dispersada en una matriz polimérica hidrófoba. El procedimiento es incluso más útil en particular para composiciones de carga celulósica (por ejemplo, pulpa de madera, fibra, harina) en una matriz polimérica hidrófoba. Incluso más en particular, para dispersar 35 por ciento en volumen (% en vol) o más, preferiblemente 40% en vol o más, más preferiblemente 45% en vol o más, incluso más preferiblemente 50% en vol o más de carga (incluyendo carga hidrófila y talco) en una matriz polimérica hidrófoba para formar una composición cargada, donde el % en vol es relativo al volumen de la composición cargada. El procedimiento de la presente invención puede dispersar de manera adecuada más del 50% en vol de carga (incluyendo carga hidrófila y talco) en una matriz polimérica hidrófoba para formar una composición polimérica cargada pero típicamente comprende menos del 70% en vol de carga hidrófila, con % en vol relativo al volumen de composición cargada. En la presente memoria, composiciones "altamente cargadas" se refiere a una composición que tiene el 35% en vol o más de carga, basado en peso de composición.
El procedimiento de la presente invención incorpora convenientemente cualquier tipo de extrusor junto con la boquilla de la presente invención incluyendo extrusoras de un solo husillo y de doble husillo. Las extrusoras de doble husillo incluyen extrusoras de doble husillo a contrarrotación, extrusoras de doble husillo de co-rotación y extrusoras cónicas. La patente de EE.UU. 6.450.429, por ejemplo, describe una extrusora de doble husillo adecuada para su uso en el presente procedimiento. Las extrusoras de doble husillo, cónicas, especialmente las extrusoras de doble husillo cónicas a contrarrotación son particularmente deseables cuando se trabaja con componentes térmicamente degradables tales como la carga celulósica. Las extrusoras de doble husillo cónicas proporcionan un grado mayor de mezclamiento de componentes que las extrusoras de un solo husillo, sin embargo generan menos calor que las extrusoras de doble husillo clásicas.
Se selecciona una boquilla que tenga un orificio de entrada similar en forma y tamaño al del orificio de salida de la extrusora a la que está unida. También se selecciona una Zona (a) que proporciona una contrapresión suficiente para asegurar que la carga esté distribuida uniformemente en la matriz polimérica, sin embargo no tanta contrapresión como para causar la degradación indeseable del polímero o la carga en la extrusora o Zona (a). El uso de la viscosidad de la mezcla, caudal de masa fundida polimérica y caída de presión conocida y modelos de temperatura para diseñar una Zona (a) con una longitud y sección transversal del canal adecuadas. La optimización con ensayo empírico mínimo puede proporcionar parámetros óptimos para un trabajador cualificado para la Zona (a).
Se selecciona una boquilla que también tenga una combinación de Zona (b) y Zona (c) que formará un artículo que tenga una forma y una estabilidad dimensional adecuadas de acuerdo con las explicaciones para la boquilla, anteriores.
Se fija la boquilla a una extrusora de manera que la Zona (a) esté próxima a la extrusora y la Zona (c) esté lo más aislada desde la extrusora y a fin de que el canal de flujo por la boquilla esté en comunicación de fluido con el orificio de salida de la extrusora.
El procedimiento de extrusión, aparte de la selección y el uso de la boquilla de la presente invención, puede seguir al de la técnica conocida. Los procedimientos deseables en particular incluyen aquéllos para extruir carga de madera en una matriz polimérica (véase, por ejemplo, el procedimiento (aparte de la boquilla) de la patente de EE.UU. 5.516.472 (columna 6, línea 14 a columna 9, línea 15) y la patente de EE.UU. 5.082.605 en su totalidad que utiliza carga de madera encapsulada. En general, se alimenta un componente de carga y un componente de matriz polimérica en una extrusora, se calienta y se mezcla para formar una masa fundida polimérica y se extruye después la masa fundida polimérica por una boquilla para formar un artículo extruído que comprenda carga dispersada en una matriz polimérica.
El componente principal de una matriz polimérica es un polímero termoplástico, preferiblemente un polímero hidrófobo tal como: polietileno, polipropileno y poli(cloruro de vinilo). En la presente memoria, polietileno se refiere a cualquier homo o copolímero que contenga más del 50% de unidades de etileno polimerizadas, basado en unidades totales de monómero. Polietilenos ejemplares son polietileno de baja densidad (LDPE, por sus siglas en inglés) y polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en inglés). Similarmente, polipropileno se refiere a homo y copolímeros que contienen más del 50% de unidades de propileno polimerizadas, basado en unidades totales de monómero. Polímeros particularmente deseables para uso como matriz polimérica en el procedimiento de la presente invención son: HDPE, polipropileno y poli(cloruro de vinilo).
Cualquier carga es adecuada para uso en la presente invención. El procedimiento es particularmente útil para la dispersión de cargas hidrófilas en una matriz polimérica hidrófoba. Las cargas hidrófilas tienden a resistir a la dispersión en una matriz polimérica hidrófoba y, como resultado, tienden a aglomerarse en la matriz polimérica. El presente procedimiento permite la formación de composiciones poliméricas que contengan carga altamente dispersada y uniformemente distribuida proporcionando un equilibrio deseable de acción dispersante con aspectos perjudiciales de calentamiento extenso (por ejemplo, degradación térmica), incluso cuando se usan cargas hidrófilas en polímeros hidrófobos. Ejemplos de cargas hidrófilas típicas adecuadas para uso en la presente invención incluyen materiales celulósicos tales como harina de madera, pulpa de madera, fibra de madera.
Generalmente, añadir carga a una extrusora con, posterior a, o tanto con como posterior a la adición de material de la matriz polimérica a la extrusora. Se puede añadir carga misma o en forma de un concentrado, por ejemplo, gránulos que comprenden carga encapsulada en una matriz polimérica.
Además de polímero para la matriz polimérica y las cargas, el procedimiento de la presente invención puede incluir la adición de aditivos tales como lubricantes tales como estearatos de metal y ésteres de ácidos grasos; cargas inorgánicas tales como talco y carbonato de calcio; colorantes; estabilizantes ultravioleta; biocidas; fungicidas; modificadores de impacto; fibra de refuerzo (por ejemplo, vidrio y wollastonita); esferas de vidrio huecas; silicatos estratificados y agentes de acoplamiento.
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Composición Polimérica Cargada
El procedimiento de la presente invención puede producir una composición polimérica altamente cargada, extruída, que puede comprender una carga hidrófila altamente dispersada y uniformemente distribuida en una matriz polimérica hidrófoba. La carga puede comprender un 35% en vol o más, 40% en vol o más, 50% en vol o más, incluso 60% en vol o más de una composición polimérica cargada, basándose en el volumen de composición polimérica cargada. Preferiblemente, la carga es un material celulósico. Más preferiblemente, la carga es harina de madera, pulpa de madera, fibras de madera, virutas de madera o cualquier combinación de las mismas. Lo más preferiblemente, la carga es harina de madera. El polímero es deseablemente polietileno, polipropileno o poli(cloruro de vinilo), preferiblemente el polietileno es HDPE. Una composición polimérica cargada altamente deseable comprende harina de madera altamente dispersada y uniformemente distribuida en polietileno y extruída en la conformación de un tablero.
Los materiales compuestos de la presente invención tienen utilidad como, por ejemplo, materiales de revestimiento, materiales para vallas y cualquier uso en que tengan utilidad en la actualidad tableros de madera, espigas, tablones y postes.
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Ejemplos
Los siguientes ejemplos sirven para ilustrar realizaciones específicas de la presente invención. Para cada ejemplo se usa una extrusora de doble husillo cónica de 86 milímetros (por ejemplo, TC86 de Milacron) y se une una boquilla similar a la de la boquilla 100 en las Figuras 1-4 a la extrusora usando un adaptador de entrada Milacron (también conocido como manguito adaptador universal). El manguito adaptador universal reduce la sección transversal de la extrusora a la del orificio de entrada de la boquilla. Por la descripción en las Figuras 1-4, se considera el manguito adaptador como parte de la extrusora.
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Ejemplo 1
La boquilla tiene una longitud L_{D} de 16 pulgadas (406 mm) y un diámetro en su extremo de salida de 10 pulgadas (254 mm). La longitud L_{A} de la Zona A de Restricción de Flujo es 1,4 pulgadas (3,6 cm). La longitud L_{S} de la Zona B de Redistribución de Flujo es 10,6 pulgadas (26,9 cm). La longitud L_{C} de la Zona C de Tierra es 4 pulgadas (10 cm).
La boquilla presenta un orificio 12 de entrada que tiene 1,57 pulgadas (40 mm) de diámetro. El orificio 14 de salida presenta un diámetro de 0,75 pulgadas (19 mm). El Canal 20 de Flujo de Redistribución sobresale simétricamente a un diámetro de 1,5 pulgadas (38 mm) antes de hacerse rectangular. El Canal 30 de Flujo de Tierra tiene una anchura, W_{C}, de 5,50 pulgadas (140 mm) y una altura, H_{C}, de 0,94 pulgadas (24 mm). Los elementos 300 y 350 reducen la altura del Canal 20 de Flujo Redistributivo y tienen 3,3 pulgadas (8,4 cm) de largo. Los elementos 300 y 400 sobresalen en el Canal 20 de Flujo de Redistribución con una protuberancia simétrica (perfil de medio hueso de perro) centrada en la anchura del Canal y con una protusión máxima que corresponde a una porción de 4 pulgadas (10 cm) de ancho de una curva de 14,5 pulgadas (36,8 cm) de radio. El elemento 350 no sobresale en el Canal 20 de Flujo de Redistribución más allá de estrecharse a una altura más estrecha uniformemente por la anchura del Canal.
TABLA 1
1
Se seca el Componente de Madera al 1-2% en peso de humedad (basado en peso de Componente de Madera) y se añaden después los componentes de la Tabla 1 individualmente a la sección de alimentación de la extrusora de doble husillo, en las concentraciones indicadas, para formar una composición polimérica cargada (porcentaje en peso basado en el peso total de composición cargada). Se mezclan los componentes juntos en la extrusora a una temperatura de 350 grados Fahrenheit (177 grados Celsius) para conseguir la composición cargada. No es necesario el premezclado del componente de madera (pino multiespecies de malla 60) con el componente polimérico (HDPE).
Se extruye la composición polimérica cargada a través de la boquilla mientras se mantiene una temperatura de 350 grados Fahrenheit (177 grados Celsius) a una velocidad de 850 libras por hora (386 kilogramos por hora) con una velocidad de husillo de 32 revoluciones por minuto para obtener una presión de salida de extrusión (presión en el orificio de salida de la extrusora) de 1.950 libras por pulgada cuadrada (13 MegaPascales). El artículo resultante, después de enfriamiento es un tablero que tiene 0,92 pulgadas (2,3 cm) de espesor y 5,375 pulgadas (13,7 cm) de ancho. El tablero está exento de aglomerados de madera visualmente evidentes mayores que aproximadamente 1 mm y sin remolinos visualmente evidentes de componentes no mezclados, cuando se mira un extremo alisado del tablero.
La boquilla del Ejemplo 1 es un ejemplo de la boquilla de la presente invención que tiene una relación de compresión de 1,7. La relación de compresión, de nuevo, es la relación del área de la sección transversal más ancha del canal de flujo de la boquilla al orificio de salida de la boquilla. El procedimiento del Ejemplo 1 es un ejemplo del procedimiento de la presente invención, usando una boquilla con una relación de compresión de 1,7 y que produce mezclamiento uniforme de aditivos celulósicos en una matriz polimérica hidrófoba.
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Ejemplo 2
Se prepara el Ejemplo 2 usando la formulación y el procedimiento del Ejemplo 1, excepto el uso de un Elemento 200 en la boquilla que es mayor y define un Canal de Flujo Restrictivo más grande que en la boquilla del Ejemplo 1. El Elemento 200 diferente modifica la boquilla a fin de que la longitud L_{A} de la Zona A de Restricción de Flujo sea de 5 pulgadas (13 cm), la longitud L_{B} de la Zona B de Redistribución de Flujo sea de 7 pulgadas (18 cm) y el orificio 14 de salida de la Zona de Flujo Restrictivo tenga un diámetro de una pulgada (25 mm).
La boquilla y el procedimiento del Ejemplo 2 crean un tablero similar al del Ejemplo 1. La boquilla del Ejemplo 2 es un ejemplo de la boquilla de la presente invención y el procedimiento del Ejemplo 2 es un ejemplo del procedimiento de la presente invención.
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Ejemplo Comparativo A
Se prepara una composición cargada usando el mismo procedimiento, extrusora y boquilla que en el Ejemplo 2, excepto que se retira el Elemento 200 de la boquilla (eliminando de ese modo la Zona de Restricción de Flujo). Uso de los componentes y las concentraciones de la Tabla 2 para formar la composición cargada del Ejemplo A Comparativo.
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TABLA 2
2 
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Como en el Ejemplo 2, se seca el Componente de Madera a un 1-2% en peso de contenido en humedad (basado en el peso de Componente de Madera) y se añaden los componentes individualmente a la extrusora para preparar una composición polimérica cargada. Se extruye la composición polimérica cargada a través de la boquilla a un caudal de 1.013 libras por hora (460 kilogramos por hora) usando una velocidad de husillo de 3,35 rad/s (32 revoluciones por minuto) para conseguir una presión de salida de extrusión (presión en el orificio de salida de la extrusora) de 1.560 libras por pulgada cuadrada (11 MegaPascales). El tablero de una pulgada (2,54 cm) por 5,375 pulgadas (13,7 cm), resultante, revela deficiente mezclamiento interno de los componentes con aglomerados de madera mayores que un mm y remolinos de componentes no mezclados visualmente evidentes. Cambiar las temperaturas y las velocidades de extrusión no elimina los aglomerados y los remolinos.
El Ejemplo 2 y el Ejemplo A Comparativo revelan que una Zona de Restricción de Flujo en la boquilla de extrusión aumenta la presión de salida de extrusión y produce una carga más altamente dispersada en una composición polimérica cargada que una boquilla sin una Zona de Restricción de Flujo. Las diferencias en la formulación de la composición entre el Ejemplo 2 y el Ejemplo A Comparativo no deberían tener influencia en la presión de salida de extrusión o extensión de la dispersión de la carga en un tablero extruído.
El Ejemplo 2 ilustra además un procedimiento de la presente invención, usando una boquilla con una relación de compresión de 1,7 que produce el mezclamiento uniforme de aditivos celulósicos en una matriz polimérica hidrófoba.

Claims (20)

1. Una boquilla (100) de extrusión que define un Canal (110) de Flujo de la Boquilla que se extiende desde un extremo (103) de la boquilla (100) de extrusión a un extremo opuesto de la boquilla (100) de extrusión y que comprende:
(a)
Una Zona (A) de Restricción del Flujo que define un Canal (10) de Flujo Restrictivo que se extiende desde un orificio (12) de entrada a un orificio (14) de salida en extremos opuestos de la Zona (A) de Restricción del Flujo, teniendo el Canal de Flujo (10) Restrictivo: (i) un orificio (14) de salida con un área de la sección transversal igual al área de la sección transversal más pequeña del Canal (110) de Flujo de la Boquilla y (ii) un área de la sección transversal media que es más pequeña que el área circunferencial en el extremo de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo;
(b)
Una Zona (B) de Redistribución de Flujo que define un Canal (20) de Redistribución de Flujo que se extiende desde un orificio (22) de entrada adyacente al orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo a un orificio (24) de salida en un extremo opuesto de la Zona (B) de Flujo Restrictivo, estando el Canal (20) de Redistribución de Flujo en comunicación de fluido con el Canal (10) de Flujo Restrictivo y aumentando inicialmente el área de la sección transversal desde el área de la sección transversal del orificio (14) de salida del Canal (10) de Flujo Restrictivo y
(c)
Una Zona (C) de Tierra que define un Canal (30) de Flujo de Tierra que se extiende desde un orificio (32) de entrada, adyacente al orificio (24) de salida del Canal (20) de Flujo de Redistribución a un orificio (34) de salida en un extremo opuesto de la Zona (C) de Tierra, estando el Canal (30) de Flujo de Tierra en comunicación de fluido con el Canal (20) de Flujo de Redistribución y variando menos del 5 por ciento en cualquier dimensión de la sección transversal en dos puntos cualesquiera entre el extremo de entrada y el extremo de salida de la Zona (C) de Tierra;
En la que, el Canal (10) de Flujo Restrictivo presenta un área de la sección transversal promedio más pequeña que los Canales de Flujo de Redistribución (20) o de Tierra (30); una combinación de Canales (10, 20, 30) de Flujo Restrictivo, de Redistribución y de Tierra define el Canal (110) de Flujo de la Boquilla; el Canal (110) de Flujo de la Boquilla proporciona flujo laminar de la masa fundida polimérica completamente por la boquilla (100) desde un extremo (103) de entrada de la boquilla (100), que define el orificio (12) de entrada del Canal (10) de Flujo Restrictivo y la boquilla (100), en un extremo (105) de salida opuesto, que define un orificio de salida del Canal de Flujo de Tierra y la boquilla (100) y en la que la boquilla (100) presenta una relación de compresión menor que 3:1.
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2. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (110) de Flujo de la Boquilla por (a), (b) y (c) es accesible por sólo dos aberturas, una en el extremo (103) de entrada y otra en el extremo (105) de salida de la boquilla (100).
3. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que la boquilla (100) comprende al menos un componente modular.
4. La boquilla (100) según la reivindicación 3, en la que al menos una de: la Zona (A) de Restricción de Flujo, la Zona (B) de Restricción de Flujo y la Zona (C) de Tierra, comprende un componente modular.
5. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que la boquilla (100) tiene una relación de compresión menor que 2:1.
6. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que la Zona (A) de Restricción de Flujo presenta una longitud de 10 centímetros (4 pulgadas) o menos.
7. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (10) de la Zona Restrictiva presenta una sección transversal circular en cualquier punto en la Zona (A) de Restricción de Flujo.
8. La boquilla (100) según la reivindicación 7, en la que la Zona (B) de Redistribución de Flujo distribuye masa fundida polimérica desde el Canal (10) de Flujo Restrictivo a un Canal (30) de Flujo de Tierra rectangular.
9. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (30) de Flujo de Tierra tiene al menos una pared con surcos que se extienden en la dirección de extrusión del Canal (30) de Flujo de tierra.
10. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (10) de Flujo Restrictivo contiene deflectores de mezclamiento estático que permiten el flujo laminar por el Canal (10) de Flujo Restrictivo.
11. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (10) de Flujo Restrictivo está exento de deflectores de mezclamiento estático.
12. La boquilla (100) según la reivindicación 1, en la que el Canal (10) de Flujo Restrictivo tiene una sección transversal circular, tiene entre 2,5 y 5 centímetros (cm) (una y dos pulgadas) de largo, presenta un orificio (14) de salida que tiene entre 1,3 y 3,8 cm (0,5 y 1,5 pulgadas) de diámetro y está exento de elementos de mezclamiento estáticos.
13. Un procedimiento para extruir una composición polimérica cargada en un artículo, comprendiendo el procedimiento extruir una composición que comprende un polímero y una carga de una extrusora y por una boquilla (100) de extrusión, según la reivindicación 1.
14. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la carga se selecciona de un grupo que consiste en mica, talco y materiales celulósicos.
15. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la composición polimérica cargada contiene un 40 por ciento en volumen o más de carga, basado en el volumen total de composición polimérica cargada.
16. El procedimiento según la reivindicación 15, en el que la carga es hidrófila y el polímero es polietileno o polipropileno.
17. El procedimiento según la reivindicación 16, en el que el polímero es polietileno de alta densidad.
18. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la extrusora es una extrusora de doble husillo cónica.
19. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la boquilla (100) de extrusión presenta un Canal (10) de Flujo Restrictivo que presenta una sección transversal circular, tiene entre 2,5 y 5 cm (una y dos pulgadas) de largo, presenta un orificio (14) de salida que tiene entre 1,3 y 3,8 cm (0,5 y 1,5 pulgadas) de diámetro y está libre de elementos de mezclamiento estático.
20. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la boquilla (100) es la boquilla (100) según la reivindicación 10.
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