JP2009502586A - 押出口金および充填剤入り重合体組成物押出品の製法 - Google Patents

Abstract

流れ制限帯域、流れ再分配帯域およびランド帯域を有する口金を通して充填剤入り重合体複合材料を押し出すことによって、高度に分散し均一に分布した充填剤を含む充填剤入り重合体複合材料押出品を調製する。流れ制限帯域は、押出機に隣接し、そして、充填剤の高い分散を引き起こすのに十分であるが、重合体溶融物成分の望ましくない劣化を引き起こすのには十分でない、押出機中の重合体溶融物背圧を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流れ制限帯域、流れ再分配帯域およびランド帯域を含む押出口金に関する。本発明は、また、高度に分散しかつ均一に分布した充填剤を含む充填剤入り重合体組成物押出品（extruded filled polymer composition）を調製するためにその押出口金を使用する方法に関する。

重合体母材中への充填剤の分散は、充填剤と重合体が特に相溶性でないときは特に、歴史的に挑戦されてきた。その挑戦は、母材材料に比べて充填剤の量が増加するにつれて、そして製品要求条件が高度に均一な組成物を求めるにつれて、増加する。疎水性の重合体の中に分散した親水性の充填剤を含む組成物の押出品の製造は、充填剤と重合体が特に相溶性ではないので、そのような挑戦に苦しむ。セルロース充填剤の場合のように、充填剤および／または母材材料が熱により劣下する傾向を有するときは、その挑戦はより困難である。熱可塑性母材中に木粉充填剤（wood filler）を入れた組成物の押出品の製造は、非常に困難である（たとえば、米国特許第５８５１４６９号明細書第１欄第５２行〜第２欄第２５行参照）。

製造が困難であるにもかかわらず、木材粒子を混ぜた熱可塑性重合体母材（木粉／プラスチックコンパウンド）からなる複合材料押出品は、甲板材料（たとえば板や手すり）のような用途のすべての木板の望ましい代替物である。木粉／プラスチック組成物は、単位体積当たりより少ない木材材料を必要とし、より低い等級の木材材料（再循環および廃物木材材料を含む。）を利用することができ、そしてすべての木材代替物より長い有効寿命を有することができる。

木粉／プラスチック組成物押出品は商業上入手可能である。しかしながら、製品および文献は、木粉充填剤が高度に分散しかつ均一に分布した木粉／プラスチック組成物、およびそのような組成物を製造する効率的な方法に対するニーズが残されていることを示している。

米国特許第４７０８６２３号明細書は、従来の一軸および二軸押出機スクリュー設計が重合体母材の中に木粉充填剤を分散させるのに不十分であることを教示し、押出機内で木部繊維を解きほぐす目的で非従来型のスクリュー帯域を開示している。米国特許第４７０８６２３号明細書は、多オリフィス口金（ストランド板）を用いて、封入された木粉充填剤のペレットを押し出し、その後それらのペレットを成形品に再製することを開示している。米国特許第５５１６４７２号明細書（下記参照）に明らかにされたウェルドラインを考慮して、当業者は、ストランド板を通して押し出された米国特許第４７０８６２３号明細書のペレットは充填剤の不均一な分布を有すると予想するであろう。さらに、充填剤入り重合体組成物をペレットに押し出し、その後それに続いてその組成物ペレットを物品に成型する方法は、望ましくないことに、単一の工程で組成物を配合し物品に押し出す一工程法より効率的ではない。

米国特許第５５１６４７２号明細書およびその関連特許（family members）は、ストランド口金を通して押し出すことを必要とするストランド方法を用いて、熱可塑性母材中に木粉充填剤を分散させ分布させる方法を教示している。しかしながら、米国特許第５５１６４７２号明細書のストランド方法は、押出製品中にウェルドラインを生成し、それは製品の押出方向に垂直な（真横の（end-on））押出製品の平らにした表面を見ると明らかである。おそらく、ウェルドラインは各ストランドのまわりの重合体に富んだ皮であり、それは結果としてストランド表面における不均質な分散を生じる。その結果、平らにしたときに、米国特許第５５１６４７２号明細書の製品は不均質な真横の外観に苦しむ。また、噂によれば、米国特許第５５１６４７２号明細書の押出製品は、長手方向の流路に沿った吸湿性問題にも苦しむ（米国特許第６１５３２９３号明細書第３欄第６５行〜第４欄第６行参照）。

押し出される重合体組成物の中への充填剤の混合を容易にする別の方法は、少なくとも３：１の圧縮比の口金を用いることである。圧縮比を増加させると、充填剤を含む押出製品の曲げ弾性率を増加させることもできる。圧縮比は、口金の出口オリフィスの断面積に対する口金の最も広い断面積の比である。３：１の圧縮比を有する口金は、口金の出口オリフィスの（すなわちおよそ押出製品の）断面積の少なくとも３倍の断面積を有する口金流路を必要とする。不運にも、少なくとも３：１の圧縮比を生み出す口金は、大きな断面積を有する製品を製造するために設計されたときは、不便にも大きくなる場合がある。さらに、または代替手段として、口金の圧縮比を増加させることによって混合を増強することは、口金の内部で高い溶融粘度を得るために重合体組成物を冷却することを必要とし、それは最終押出製品の高品質の表面外観を達成するのを妨げる傾向がある。

米国特許第５８５１４６９号明細書 米国特許第４７０８６２３号明細書 米国特許第５５１６４７２号明細書 米国特許第６１５３２９３号明細書

高度に分散しかつ均一に分布した充填剤、特にタルクまたは木粉充填剤を含む、充填剤入り重合体組成物、特にタルクまたは木粉を充填した組成物を調製する効率的な方法が望まれる。より望ましいは、ストランド口金または少なくとも３：１の圧縮比を必要とせずに、従来の押出機の使用を可能にする方法である。

本発明は、押出機から直接、重合体母材の中に高度に分散しかつ均一に分布した木粉充填剤を含む充填剤入り重合体組成物を効率的に製造するのに適した押出口金およびその口金を用いた方法を提供することによって、技術を進歩させる。

第一の態様において、本発明は、口金流路（Die Flow Channel）を定める（defining）押出口金（extrusion die）であって、
（ａ）入口オリフィスから流れ制限帯域の反対の端の出口オリフィスへ延びる制限的流路（Restrictive Flow Channel）を定める流れ制限帯域（Flow Restriction Zone）（ただし、制限的流路は、（ｉ）口金流路の最も小さな断面積と等しい断面積を有する出口オリフィス、および（ｉｉ）制限的流路入口端における周囲面積（circumferential area）よりも小さい平均断面積を有する。）、
（ｂ）制限的流路の出口オリフィスに隣接する入口オリフィスから流れ再分配帯域の反対端の出口オリフィスへ延びる再分配流路（Redistribution Flow Channel）を定める流れ再分配帯域（Flow Redistribution Zone）（ただし、再分配流路は、制限的流路と流体連通し、最初に制限的流路の出口オリフィスの断面積から断面積が増加する。）、および
（ｃ）再分配流路の出口オリフィスに隣接する入口オリフィスからランド帯域の反対端の出口オリフィスへ延びるランド流路（Land Flow Channel）を定めるランド帯域（Land Zone）（ただし、ランド流路は再分配流路と流体連通しており、そしてランド帯域の入口端と出口端との間の任意の２点における任意の断面の寸法の変動が５％未満である。）
を含み、
制限的流路は再分配流路またはランド流路よりも小さな平均断面積を有し、制限的流路、再分配流路およびランド流路の組み合わせが口金流路を定め、そして、口金流路は、制限的流路および口金の入口オリフィスを定める口金の入口端から、ランド流路および口金の出口オリフィスを定める反対の出口端まで、口金の全体を通じて、重合体溶融物の層流を提供する。

第二の態様において、本発明は、充填剤入り重合体組成物を押し出す方法であって、押出機から押出口金を通して重合体および充填剤を含む組成物を押し出すことを含み、押出口金が第一の態様の押出口金であることを特徴とする。

押出口金
本発明の口金は３つの帯域、すなわち、（ａ）流れ制限帯域（「帯域（ａ）」）、（ｂ）流れ再分配帯域（「帯域（ｂ）」）、および（ｃ）ランド帯域（「帯域（ｃ）」）を含む。

各帯域は、帯域の全体にわたって（すなわち帯域の１つの端（入口端）から反対の端（出口端）へ）延びる流路（導管）を定める。各流路は、帯域中の重合体溶融物の層流を可能にする。「重合体溶融物」とは、最後に口金から押し出され、そして軟化された重合体および重合体の中に存在するかもしれない添加剤（充填剤を含む。）を含む材料をいう。層流とは、分子流が止まるまたは９０度以上方向を変える「死点」が存在しないことを意味する。死点は、典型的には、重合体溶融物流れに垂直に延びる障壁から生じる。口金の帯域は、帯域（ｂ）が帯域（ａ）と（ｃ）との間のあり、帯域（ｂ）の入口端が帯域（ａ）の出口端に隣接し、そして帯域（ｃ）の入口端が帯域（ｂ）の出口端に隣接するように、互いに一直線に並べられる。各帯域中の流路は、互いと流体連通しており、望ましくは互いに同軸である。

帯域（ａ）（「制限的流路」）、帯域（ｂ）（「再分配流路」）および帯域（ｃ）（「ランド流路」）を通り抜ける流路は、口金を通り抜ける口金流路を形成するように一直線に並べられる。口金流路は、口金の入口端（口金の入口端は帯域（ａ）の入口端でもある。）から口金の出口端（口金の出口端は帯域（ｃ）の出口端でもある。）に延びている。口金流路は、口金の全体を通して重合体溶融物に層流を提供する。重合体溶融物は、口金の入口端の入口オリフィスを通って口金流路に入り、口金の出口端の出口オリフィスを通って口金流路を出る。好ましい実施態様においては、口金流路は入口および出口オリフィスを通ってのみ出入り可能である。

口金は、単一の構造であってもよいし、構成がモジュール式であってもよい。モジュール式とは、互いから分離可能な構成部品を有することをいう。たとえば、帯域（ａ）は帯域（ｂ）および（ｃ）から分離可能であってもよい。帯域（ｃ）は帯域（ａ）および（ｂ）から分離可能であってもよい。各帯域は他の帯域の各々から分離可能であってもよい。口金は、１つを超える帯域に及ぶ、または１つを超える帯域に及ぶ他の構成部品と組み合わされて単一の帯域内に存在する、各帯域内に取り外し可能な（モジュール式の）構成部品を含んでもよい。モジュール式の口金は、それらが口金の容易かつ低費用の変更を可能にするので、望ましい。たとえば、職人は、特定の配合物のために製品特性を最適化するために、口金が、帯域（ａ）中の多かれ少なかれ制限的な流れを有することを望むかもしれない。完全に新規の口金（すなわち、帯域（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）の各々）を製作するのではなく、モジュール式の口金を使用する職人は、単に帯域（ａ）中の流れ制限を制御するモジュール式の１つの構成部品または複数の構成部品を設計し直して製作し、その後、もとの構成部品を設計し直した構成部品に置き換えることができる。モジュール式の口金は、製造変更をするときに、時間と金を節約することができる。

口金は、押出機に隣接した帯域（ａ）の入口端で押出機に取り付けられる。本発明は、口金を押出機に取り付ける多数の方法があること、および本発明が特定の取り付け手段に限定されないことを予期する。

重合体溶融物は、押出機の出口オリフィスを通って押出機を出て、口金の入口オリフィスを通って口金に入る。望ましくは、流れ制限流路への入口オリフィスは、口金が取り付けられている押出機の出口オリフィスと類似の周囲輪郭（circumference profile）を有する。周囲輪郭は、オリフィスの形および寸法を定める。押出機の出口オリフィスと口金の入口オリフィスは、望ましくは類似の周囲輪郭を有し、好ましくは同一の周囲輪郭を有する。しかしながら、それらが押出機の出口オリフィスから口金の入口オリフィスを通って重合体溶融物の層流を提供する限り、押出機の出口オリフィスと口金の入口オリフィスは同一である必要はない。

帯域（ａ） − 流れ制限帯域
帯域（ａ）は、入口オリフィスから始まり出口オリフィスで終わる、帯域（ａ）の長さに及ぶ、制限的流路を定める。帯域（ａ）は、口金の入口端から、口金流路の断面積がその最も小さな断面積から増加する所まで及ぶ。したがって、制限的流路の出口オリフィスは、口金流路の最も小さな断面積に等しい断面積を有する。

帯域（ａ）の目的は、望ましくないことに重合体溶融物成分を劣化させるのに十分な熱を生ずるのに十分な背圧を回避しながら、重合体溶融物の中の充填剤の望ましい分散を達成するために十分な押出機中の背圧を作り出すことである。帯域（ａ）は、制限的流路を通る重合体溶融物流れを制限することによって、押出機中の背圧を増加させる。帯域（ａ）の流れパラメーターは、制限的流路を通る重合体溶融物流れの制限を制御する。たとえば、帯域（ａ）中の制限的流路の長さを増加させまたは平均断面積を減少させることは、帯域（ａ）を通る重合体溶融物流れの制限を増加させるであろう。当業者は、特定の重合体溶融物配合に基づいて最小限の劣化で最適の混合を達成するために、帯域（ａ）の適正な流れパラメーターを実験的に選択することができる。

望ましくは、帯域（ａ）は、制限的流路への入口オリフィスの周囲面積より小さい平均断面積を有する制限的流路で重合体溶融物流れを制限する。「周囲面積」とは、周囲によって囲まれた面積である。この特定の場合には、制限的流路への入口オリフィスの周囲面積は、重合体溶融流れに垂直な断面で測定された制限的流路の周囲内の面積である。制限的流路の平均断面積は、また、帯域（ｂ）中の再分配流路および帯域（ｃ）中のランド流路の平均断面積よりも小さい。

ここで、オリフィスまたは流路の断面積とは、オリフィスまたは流路中の重合体溶融物流れに垂直な断面におけるオープンスペース面積（たとえば重合体溶融物がそこを通って流れることができるスペース）をいう。流路の平均断面積は、そのオープンスペース体積を、その長さ（流路の中心を通って一方の端から反対の端までの距離）で割ることによって、決定する。オリフィスまたは断面は、「周囲面積」よりも小さな「断面積」を有することができることに注目すべきである。なぜなら、周囲面積はオリフィス周囲内の面積を測定したものであり、一方、断面積は周囲面積の中の自由空間のみを測定したものだからである。たとえば、静的混合機邪魔板を含む流路は周囲面積よりも小さな断面積を有するであろう。

第一の実施態様において、制限的流路は第一および第二の区画（section）を含む。制限的流路の第一の区画は、断面積が入口オリフィスの断面積から第二の区画の断面積まで減少する。その減少は、その減少が制限的流路を通る重合体溶融物の層流を提供する限り、いかなる寸法の輪郭に従ってもよく、たとえば最初に断面積が増加し、次に断面積が減少してもよい。典型的には、第一の区画は、重合体溶融物の層流を容易にするために、第二の区画の断面の寸法まで一様かつ流線形の勾配を定める。第二の区画は、一定の断面積を維持し、口金流路の任意の部分のうちで最も小さな断面積に等しい断面積を有する。第二の区画は、長さが１ｍｍ以下であってもよいが、長さが典型的には２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上である。制限的流路は第二の区画で終了し、第二の区画はその後重合体溶融物を再分配流路に供給する。

第二の実施態様において、もし静的混合機要素が制限的流路中の層流を可能にするならば、制限的流路は１つまたはそれ以上の静的混合機要素を含む。適切な静的混合機要素の具体例は、ケミニア社（Chemineer, Inc.）から入手可能なＫｅｎｉｃｓ^TM銘柄混合機（Ｋｅｎｉｃｓはロビンズ・アンド・マイヤーズ社（Robbins & Myers, Inc.）の商標である。）である。別の適切な静的混合機はＰｏｌｙｇｕａｒｄ混合機（スルザー社（Sulzer Corp.）から入手可能）である。静的混合機は、制限的流路の入口オリフィスの断面積から制限的流路の断面積を減少させなくとも、制限的流路中の重合体溶融物流れを制限することができる。

第一の実施態様と第二の実施態様は、第一の実施態様の第一の区画、第二の区画または第一の区画と第二の区画の両方が第二の実施態様の１つまたはそれ以上の静的混合機要素をも含むように、組み合わせることができる。

制限的流路が長すぎれば、溶融重合体溶融物は、口金を出ることができる前に、熱的に劣化し始めるであろう。したがって、制限的流路はできるだけ短いことが望ましい。典型的には、制限的流路の全長は、２４インチ（６１ｃｍ）以下、好ましくは１６インチ（４１ｃｍ）以下、より好ましくは８インチ（２０ｃｍ）以下、そして最も好ましくは４インチ（１０ｃｍ）以下である。制限的流路は、２インチ（５ｃｍ）以下の長さを有することができ、そして１インチ（２．５ｃｍ）以下の長ささえ有することができる。十分な背圧を確保するために、制限的流路の長さは典型的には少なくとも０．５インチ（１２．５ｍｍ）である。

１つの望ましい制限的流路は、円形断面を有し、長さが１〜２インチ（２．５〜５ｃｍ）であり、直径０．５〜１．５インチ（１．３〜３．８ｃｍ）の出口オリフィスを有し、静的混合機要素のないものである。数値範囲は両端の値を含む。

制限的流路の断面の形状は決定的でなく、たとえば、円形、楕円形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、星形または他の考えられるいかなる形状であってもよい。制限的流路の断面形状は、制限的流路の異なる点で異なっていてもよい。望ましくは、制限的流路は、重合体溶融物の一様な流速を促進しそして究極的に押出製品の寸法安定性を改善するために、重合体溶融物流れの軸のまわりに対称な形状を有する。好ましくは、制限的流路は円形の断面形状を有する。

帯域（ａ）は、帯域（ｂ）または帯域（ｂ）および帯域（ｃ）もまた含む単一の口金ユニットの一部として存在してもよいと考えられる。帯域（ａ）は、また、帯域（ｂ）および（ｃ）とは別に、モジュール式であってもよいと考えられる。帯域（ａ）は複数のモジュール式の構成部品をそれ自体含んでもよい。たとえば、区画１は１つのモジュール口金の構成部品の一部であってもよく、区画２は別のモジュール式の口金の構成部品の一部であってもよく、または静的混合機は帯域（ａ）の残りから取りはずしできるものであってもよい。そのような場合には、帯域（ａ）はモジュール式の口金の構成部品の組み合わせを含むか、または帯域（ａ）に存在するモジュール式の口金の構成部品のそれらの部分を含む。

帯域（ｂ） − 流れ再分配帯域
帯域（ｂ）は、口金の中の帯域（ａ）の後に続いて存在し、そして制限的流路からの重合体溶融物の流れを、ランド流路によって定められた望まれる最終製品形状に分配する役目を果たす。従って、帯域（ｂ）における流路すなわち再分配流路は、制限的流路からの重合体溶融物をランド流路の中へ分配するのに適した輪郭を有する。帯域（ｂ）は、口金流路がその最も小さな断面積から増加するところから始まり、口金流路がもはや形状を変えず、最終押出品の形状を定める所で終了する。再分配流路の平均断面積は、制限的流路の平均断面積よりも大きいが、ランド流路の平均断面積より小さい。

１つの実施態様において、再分配流路は、断面積が円柱状の最終の押し出された組成物の断面積まで対称的に増加する（対称的に広がる（flare up symmetrically））。その代わりに、再分配流路は、複雑な断面形状を有することができる。１つの望ましい帯域（ｂ）は、断面積が制限的流路出口から広がり、長方形の断面を形成するように１つの断面寸法が長くなり、そしてその長さ（長さは両端距離に相当する。）の少なくとも一部に「蝶ネクタイ（bow-tie）」または「犬用の骨（dog-bone）」の断面形状を含む再分配流路を有する。「蝶ネクタイ」部分は、通常長方形の断面形状を有する板に重合体溶融物流れを分配する。帯域（ｂ）および再分配流路の最適なパラメーターは、制限的流路、およびランド流路で求められる最終物品形状に大きく依存する。一般に、最適な再分配流路は、ランド流路を横切る一様な流速にできるだけ近づけるために、制限的流路からの重合体溶融物の流れを、徐々に、ランド流路の寸法に一致する形状に変える。同時に、再分配流路は、望ましくない程度まで熱的に劣化するのに十分長く、口金の中に重合体溶融物を存在させるほど長くてはならない。

当業者は、重合体溶融物流れの分配を最大にしそして口金中の重合体溶融物滞留時間を最小限にするために、彼らが望む最終押出品断面に基づいて、再分配流路として適切な流路形状を適切に設計することができ、そして歴史的にも適切に設計してきた。

帯域（ｂ）は、望ましくは、帯域（ａ）および／または（ｃ）中の構成部品を置き換える必要なしに、帯域（ｂ）中の構成部品の置き換えを可能にする、モジュール式の帯域である。当業者は、重合体溶融物の異なる組成物を調査するときに、帯域（ｂ）だけを変更することを望むかもしれない。異なる組成物は、たとえば粘度が異なるかもしれず、それは、物品の寸法安定性を最適化するために、帯域（ｂ）内の流れ分配輪郭を変更することを求めるかもしれない。帯域（ａ）のように、帯域（ｂ）は複数のモジュール式の構成部品をそれ自体含んでもよい。

帯域（ｃ） − ランド帯域
帯域（ｃ）は、口金の最終帯域であり、重合体溶融物を（最終押出品の冷却の前の）最終押出品の断面寸法に安定させる役目をする。帯域（ｃ）は、最終押出品の寸法安定性を高める傾向がある。帯域（ｃ）中の流路すなわちランド流路は、帯域（ｃ）の長さの全体にわたって、本質的に一定の断面形状のままである。すなわち、帯域（ｃ）内の任意の２点におけるランド流路の断面積の任意の寸法（すなわち重合体溶融物流れに垂直な寸法）の変動は、５％以内、好ましくは２％以内、より好ましくは１％以内であり、そして変動が存在しなくてもよい。ランド流路および帯域（ｃ）はそれ自体、口金の出口オリフィスで終わり、そこを通って重合体溶融物は口金を出る。帯域（ｃ）は、重合体溶融物流れを押出方向により平行に向けることによって、重合体溶融物の拡張を安定させる。

帯域（ｃ）の長さは、望ましくは、半径流れ勾配（流路の中心の近くの流れに対する流路の壁の近くの重合体溶融物の流速の差）を最小限に抑えながら、重合体溶融物の並流を最大にするのに十分なものである。この目的を達成するために、帯域（ｃ）は、典型的には０．２５インチ（６．３５ｍｍ）以上、好ましくは０．５インチ（１２．７ｍｍ）以上、より好ましくは１インチ以上（２５．４ｍｍ）以上、さらに好ましくは２インチ以上、さらに好ましくは３インチ以上、そして典型的には１０インチ（２５４ｍｍ）以下、好ましくは７インチ（１７８ｍｍ）以下の長さを有するランド流路を定める。これらの長さの値は一般的な指針を提供するが、最適の長さは特定の重合体溶融物組成物のために最も良く経験的に決定される。

ランド流路は、考えられるいかなる断面形状を有してもよい。たとえば、断面の形状は、正方形、長方形、角が丸いまたは面取りされた長方形、円形、楕円形、星形、三角形、六角形、または八角形でもよい。特に望ましい形状は、木板（たとえば、デッキボード、トリムまたはフェーシアとして適切なもの）、厚板、棒、マンドレル、手すり（railings）（曲線状の上面と直線的な底面を有する手すりおよびその変形のような異形（profiled）手すりを含む。）、成形品およびスピンドルに相当するものである。ランド流路は、望ましくは、所望の最終押出製品の断面積の１０％以内の断面積を有する。

望ましい押出製品は、四角形の断面寸法が１×５／４、２×４、４×４、２×６、１×１２、３／８×１２および２×２のもの、ならびにそれらの寸法によって知られている実際の木材の寸法のものを含む（たとえば、２は実際は１．５であり、４は実際は３．５であり、６は実際は５．５であり、そして１２は実際は１１．５である。）。ただし、最初の数字はインチ表示の厚さであり、２番目の数字はインチ表示の幅である。

ランド流路を定める１つまたはそれ以上の壁は、帯域（ｃ）の長さに実質的に平行に延びる、溝（groves）または他の成形輪郭（shaping contours）を含んでもよい。そのような成形輪郭は、押出品の１つまたはそれ以上の表面に組織を付与するのに望ましい。たとえば、１つまたはそれ以上の壁の中に延び、押出方向に延びる溝は、押出品に木目状の組織を与えるのに有用であり得る。

本発明の口金には、職人が、重合体溶融物成分の熱劣化を最小限にしながら、重合体母材に最適の充填剤混合を達成するために押出機背圧を正確にかつ効率的に制御できるようにすることによって、現存する押出技術を超える利点がある。特に、本発明の口金は、充填剤と重合体母材が概して不相溶のときに、そしてさらに充填剤または重合体の１つまたはそれ以上が熱により劣化しやすいときに、職人が重合体母材の中に充填剤を高度に分散させ均一に分布させることを可能にする。

さらなる利点として、本発明の口金は、３：１より小さい、さらには２：１より小さい圧縮比を利用しながら、押し出された重合体母材中に高度に分散し均一に分布した充填剤を達成することができる。その結果、本口金の設計は、３：１またはそれより大きな圧縮比を確立する口金に必要とされるよりも小さな流路寸法で、重合体母材中に充填剤が高度に分散し均一に分布した充填剤入り重合体押出製品の製造を提供する。より小さな流路寸法は、比較的大きな断面積の製品を押し出すときに、特に利点になる。３：１の圧縮比は、口金の出口オリフィスの（すなわちほぼ押出製品の）断面積の少なくとも３倍の断面積を有する口金流路を必要とする。したがって、口金は、少なくとも３：１の圧縮比を得るために、大きな断面の製品用には不便なほど大きくなる場合がある。特に、本発明の口金は、３：１またはそれより大きな圧縮比を生ずる設計を組込むことができるが、そのような圧縮比は、押し出された重合体母材の中に高度に分散し均一に分布した充填剤を達成するためには本口金には必要でない。

図１〜４は、本発明の典型的な口金を示す。

図１は、入口端１０３と出口端１０５との間の長さＬ_Dを有し、口金流路１１０を定める、口金１００の平面断面図を示す。出口端１０５は直径Ｄ_Dを有する。口金１００は、長さＬ_Aを有する流れ制限帯域Ａ、長さＬ_Bを有する流れ再分配帯域Ｂ、および長さＬ_Cを有するランド帯域Ｃからなる。流れ制限帯域Ａは、入口オリフィス１２（入口オリフィス１２は口金流路１１０への入口オリフィスでもある。）および出口オリフィス１４を有する制限的流路１０を定める。流れ再分配帯域Ｂは、入口オリフィス２２および出口オリフィス２４を有する再分配流路２０を定める。ランド帯域Ｃは、入口オリフィス３２および出口オリフィス３４を有するランド流路３０を定める。ランド流路３０は、Ｗ_Cの幅を有する。

口金１００は、モジュール式であり、複数の取り外しできる要素からなる。要素２００は、制限的流路１０および再分配流路２０の中への広がり（flare up）を定める。要素３００、３５０（図２に示される。）および４００は、再分配流路２０の中に半分の犬の骨の形状の再分配要素を定める。要素３００、３５０（図２参照）および４００はボルト５００で口金１００に取り付けられている。

図２は、口金１００の側面断面図を示し、口金１００を押出機（図示せず）に取り付けるボルト６００を示す。図２は、ランド流路３０用の出口オリフィス３４の高さＨ_Cを示す。出口オリフィス３４は、Ｗ_C（図１に示される。）がＨ_C（図２に示される。）よりも大きな長方形である。また、再分配流路２０は、その入口オリフィス２２（図１に示される。）において円形の断面およびその出口オリフィス２４において長方形の断面を有するという事実は、図１を図２と比較することによって明らかである。

図３は、入口端１０５（図示せず）の方を向いて再分配流路２０の中を見た、口金１００のＡ−Ａ断面図を示す。図３は、制限的流路１０の出口オリフィス１４および再分配流路２０の入口オリフィス２２の両方に相当する、オリフィスの一部を示す。要素３００は、重合体溶融物を再分配するのを支援するために、再分配流路２０の中へ延びる曲線状の輪郭を有する。

図４は、出口端１０５の方を向いて再分配流路２０の中を見た、口金１００のＢ−Ｂ断面図を示す。図４は、モジュール式の構成部品４００とともに、ランド流路３０ならびにその出口オリフィス３２および出口オリフィス３４（それらはこの図では重なり合う。）も示す。

押出方法
本方法は、直接かつ効率的に、充填剤を多量に含む重合体組成物を、高度に分散し均一に分布した充填剤を含む物品に押し出すための手段を提供することによって、従来の方法を改良するものである。本方法は、現行技術の複数工程方法（たとえば充填剤入りペレットを配合し、その後それらを物品に製作する方法）と対比して、一工程で配合および製作を行う製造方法を提供する。

肉眼で重合体母材を見たときに、充填剤粒子の大多数が重合体母材内に識別できないか、または他の充填剤粒子と凝集していないように見えるいずれかのとき、充填剤は重合体母材の中に高度に分散している。

組成物の平らにした断面が肉眼の観察者（たとえば拡大なしに目視検査したとき）に充填剤の均一な分布を有するように見えるならば、充填剤は重合体母材の中に均一に分布している。米国特許第５，５１６，４７２号明細書のストランド方法は、重合体組成物の平らにした断面の上に明瞭なストランドの輪郭を描くウェルドラインを有する充填剤入り重合体組成物を生産する。ウェルドラインは、組成物中の平均の充填剤濃度よりも低い充填剤濃度を有する規則的な局所領域を構成し、それによって、充填剤入り重合体組成物中の充填剤粒子濃度の規則的な変動を構成する。従って、米国特許第５，５１６，４７２号明細書の方法は、重合体母材中に粒子が均一に分布した充填剤入り重合体組成物を生産しない。

充填剤は親水性でも疎水性でもよく、有機でも無機でもよい。無機充填剤の具体例としては、粘土、ポルトランドセメント、セッコウ、炭酸カルシウムおよびタルクが挙げられる。本発明の方法は、疎水性重合体母材の中に分散した親水性充填剤を含む重合体組成物を押し出すのに特に有用である。その方法は、疎水性の重合体母材の中のセルロース系充填剤（たとえば木材パルプ、繊維、粉末）の組成物用に、より特に有用である。さらに特に、疎水性重合体母材の中に３５体積％以上、好ましくは４０体積％以上、より好ましくは４５体積％以上、さらに好ましくは５０体積％以上の充填剤（親水性充填剤およびタルクを含む。）を分散させ、充填剤入り組成物を形成するのに有用である。ここで、体積％は充填剤入り組成物の体積を基準とする。本発明の方法は、疎水性の重合体母材の中に、５０体積％を超える充填剤（親水性充填剤およびタルクを含む。）を適切に分散させ、充填剤入り重合体組成物を形成することができるが、典型的には７０体積％未満の親水性充填剤を含むことができる。ただし、体積％は充填剤入り組成物の体積を基準とする。ここで、「充填剤を多量に含む」組成物とは、組成物質量基準で３５体積％以上の充填剤を含む組成物をいう。

本発明の方法は、本発明の口金と組み合わせていかなる種類の押出機（単軸および二軸押出機を含む。）を適切に組込む。二軸押出機としては、逆回転二軸押出機、共回転二軸押出機および円錐押出機が挙げられる。米国特許第６４５０４２９号明細書は、たとえば、本方法に使用するのに適した二軸押出機を開示している。円錐二軸押出機、特に逆回転円錐二軸押出機は、セルロース系充填剤のような熱により劣化しやすい成分を扱うときに特に望ましい。円錐二軸押出機は、単軸押出機よりも高い程度の成分混合を提供するが、標準的な二軸押出機よりも熱の発生が少ない。

口金が取り付けられる押出機の出口オリフィスに形状と寸法が類似する入口オリフィスを有する口金を選択する。また、充填剤が重合体母材内に均一に分布するのを確実にするために十分な背圧であるが、押出機または帯域（ａ）中の重合体または充填剤の望ましくない劣化を引き起こすほど大きくはない背圧を提供する帯域（ａ）を選択する。適切な長さおよび流路断面を有する帯域（ａ）を設計するために、混合物粘度、重合体溶融流量、および既知の圧力損失および温度モデルを使用する。最小限の実証的検定での最適化は、当業者に帯域（ａ）の最適のパラメーターを提供することができる。

上記の口金の教示に従って適切な形状および寸法安定性を有する物品を形成するであろう帯域（ｂ）と帯域（ｃ）の組み合わせをも有する口金を選択する。

帯域（ａ）が押出機に隣接し、帯域（ｃ）が押出機から最も遠くなるように、そして口金の中の流路が押出機出口オリフィスと流体連通するように、口金を押出機に取り付ける。

押出の方法は、本発明の口金の選択と使用は別として、既知の技術に従うことができる。特に望ましい方法には、重合体母材中の木粉充填剤を押し出すための方法（たとえば、米国特許第５５１６４７２号明細書（第６欄第１４行〜第９欄第１５行）および封入された木粉充填剤を利用する米国特許第５０８２６０５号明細書（その全体）の方法（口金は別として）を参照。各文献は引用によってここに組み込まれる。）がある。一般に、押出機の中に充填剤成分および重合体母材成分を供給し、加熱および混合して重合体溶融物を形成し、その後、口金を通して重合体溶融物を押し出して、重合体母材の中に分散した充填剤を含む押出品を形成する。

重合体母材の主成分は、熱可塑性重合体、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリ塩化ビニルのような疎水性重合体である。ここで、ポリエチレンとは、いかなる単独重合体または全単量体単位を基準として５０％を超える重合したエチレン単位を含む共重合体をもいう。典型的なポリエチレンは低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）および高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）である。同様に、ポリプロピレンとは、単独重合体、および全単量体単位を基準として５０％を超える重合したプロピレン単位を含む共重合体をいう。特に望ましくは、本発明の方法において重合体母材として使用される重合体は、ＨＤＰＥ、ポリプロピレンおよびポリ塩化ビニルである。

いかなる充填剤も本発明において使用するのに適している。その方法は、疎水性重合体母材の中に親水性充填剤を分散させるのに特に有用である。親水性充填剤は、疎水性重合体母材の中で分散することに抵抗する傾向があり、そしてその結果重合体母材の中で凝集する傾向がある。本方法は、疎水性重合体の中で親水性充填剤を使用するときでさえ、高温加熱の有害な面（たとえば熱劣化）と分散作用の望ましい均衡を提供することによって、高度に分散し均一に分布した充填剤を含む重合体組成物の形成を可能にする。本発明において使用するのに適した典型的な親水性充填剤の具体例としては、木粉、木材パルプ、木繊維のようなセルロース系材料が挙げられる。

通常、押出機に重合体母材材料を加えると同時に、そのすぐ後に、または同時かつその後に、押出機に充填剤を加える。充填剤は、単独でまたは濃厚物（たとえば重合体母材の中に封入された充填剤を含むペレット）の形で加えることができる。

重合体母材用の重合体および充填剤に加えて、本発明の方法は、添加剤、たとえばステアリン酸金属塩および脂肪酸エステルのような潤滑剤、タルクおよび炭酸カルシウムのような無機充填剤、着色剤、紫外線安定剤、殺生剤、殺カビ剤、耐衝撃性改良剤、強化用繊維（たとえばガラスおよび珪灰石）、中空ガラス球、層状ケイ酸塩、およびカップリング剤の添加を含むことができる。

充填剤入り重合体組成物
本発明の方法は、疎水性重合体母材の中に高度に分散し均一に分布した親水性充填剤を含むことができる、充填剤を多量に含む重合体組成物押出品を生産することができる。充填剤は、充填剤入り重合体組成物の体積を基準として、充填剤入り重合体組成物の３５体積％以上、４０体積％以上、５０体積％以上、さらには６０体積％以上を含むことができる。好ましくは、充填剤はセルロース系材料である。より好ましくは、充填剤は、木粉、木材パルプ、木繊維、木材フレークまたはそれらの任意の組み合わせである。もっとも好ましくは、充填剤は木粉である。重合体は、望ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリ塩化ビニルであり、好ましくはポリエチレンはＨＤＰＥである。１つの望ましい充填剤を多量に含む重合体組成物は、ポリエチレンの中に高度に分散し均一に分布した木粉を含み、板の形状に押し出されたものである。

本発明の複合材料は、たとえば、甲板材料、フェンス材料、および現在木板、合い釘、厚板および棒が有用性を有する任意の用途としての有用性を有する。

次の実施例は、本発明の特定の実施態様を説明する役目をする。各実施例のために、８６ミリメートルの円錐二軸押出機（たとえばミラクロン社製ＴＣ８６）を使用し、ミラクロン入口アダプター（自在アダプター・フランジとしても知られている。）を使用して、図１〜４中の口金１００に類似する口金を押出機に取り付ける。自在アダプター・フランジは、押出機の断面を口金の入口オリフィスの断面に縮小する。図１〜４における記載のためには、アダプター・フランジを押出機の一部と見なす。

実施例１
口金は、長さＬ_Dが１６インチ（４０６ｍｍ）であり、その出口端における直径が１０インチ（２５４ｍｍ）である。流れ制限帯域Ａの長さＬ_Aは１．４インチ（３．６ｃｍ）である。流れ再分配帯域Ｂの長さＬ_Bは１０．６インチ（２６．９ｃｍ）である。ランド帯域Ｃの長さＬ_Cは４インチ（１０ｃｍ）である。

口金は、直径１．５７インチ（４０ｍｍ）の入口オリフィス１２を有する。出口オリフィス１４は、０．７５インチ（１９ｍｍ）の直径を有する。再分配流路２０は、長方形になる前に、１．５インチ（３８ｍｍ）の直径に対称的に広がる。ランド流路３０は、５．５０インチ（１４０ｍｍ）の幅Ｗ_Cおよび０．９４インチ（２４ｍｍ）の高さＨ_Cを有する。要素３００および３１０は、再分配流路２０の高さを減少させ、長さが３．３インチ（８．４ｃｍ）である。要素３００および４００は、流路の幅の中央に置かれ、半径１４．５インチ（３６．８ｃｍ）の曲線の４インチ（１０ｃｍ）の幅の部分に相応する最大突起を有する、対称な膨らみ（半分の犬用の骨の輪郭）で、再分配流路２０の中に突き出している。要素３５０は、流路の幅にわたって一様により狭い高さに先細になることを除いて、再分配流路２０の中に突き出していない。

木成分を１〜２質量％水分（木成分質量基準）まで乾燥させ、その後、表１の成分を個々に、示された濃度で二軸押出機の供給部に加え、充填剤入り重合体組成物を形成する（質量％は充填剤入り組成物の全質量基準）。充填剤入り組成物を達成するために、華氏３５０度（摂氏１７７度）の温度で押出機の中で成分を一緒に混合する。木成分（６０メッシュ多種松）を重合体成分（ＨＤＰＥ）と予備配合する必要はない。

１９５０ポンド毎平方インチ（１３メガパスカル）の押出出口圧力（押出機出口オリフィスでの圧力）を得るために、毎分３２回転のスクリュー速度で、毎時８５０ポンド（毎時３８６キログラム）の流量で、華氏３５０度（摂氏１７７度）の温度を維持しながら、充填剤入り重合体組成物を口金を通して押し出す。生じる物品は、冷却後、厚さ０．９２インチ（２．３ｃｍ）、幅５．３７５インチ（１３．７ｃｍ）の板である。板は、板の平らにした端を見たときに、視覚的に明らかな約１ｍｍよりも大きな木の凝集物がなく、視覚的に明らかな混ざっていない成分の渦がない。

実施例１の口金は、１．７の圧縮比を有する本発明の口金の例である。圧縮比は、再び、口金の出口オリフィスに対する口金の流路の最も広い断面積の比である。実施例１の方法は、１．７の圧縮比を有する口金を使用し、疎水性重合体母材中のセルロース系添加剤の均一の混合を生み出す、本発明の方法の実施例である。

実施例２
口金の中の要素２００として実施例１の口金の中の要素２００よりも長くかつ大きな制限的流路を定めるものを使用する以外は、実施例１の配合および方法を使用して、実施例２を調製する。異なる要素２００は、流れ制限帯域Ａの長さＬ_Aが５インチ（１３ｃｍ）になるように、流れ再分配帯域Ｂの長さＬ_Bが７インチ（１８ｃｍ）になるように、そして制限的流れ帯域の出口オリフィス１４が１インチ（２５ｍｍ）の直径を有するように、口金を変更する。

実施例２の口金および方法は、実施例１の板に類似する板を作る。実施例２の口金は本発明の口金の実施例であり、実施例２の方法は本発明の方法の実施例である。

比較例Ａ
口金から要素２００を取り除いた（それによって流れ制限帯域を省いた）以外は、実施例２と同じ手順、押出機および口金を使用して、充填剤入り組成物を調製する。比較例Ａの充填剤入り組成物を形成するために、表２の成分および濃度を使用する。

実施例２のように、木成分を１〜２質量％の水分量（木成分質量基準）まで乾燥させ、成分を個々に押出機に加えて充填剤入り重合体組成物を調製する。１５６０ポンド毎平方インチ（１１メガパスカル）の押出出口圧力（押出機出口オリフィスでの圧力）を達成するために、毎分３２回転のスクリュー速度を使用して、毎時１０１３ポンド（毎時４６０キログラム）の流量で、充填剤入り重合体組成物を口金を通して押し出す。生じる１インチ（２．５４ｃｍ）×５．３７５インチ（１３．７ｃｍ）の板は、視覚的に明らかな１ｍｍを超える木の凝集物および混ざっていない成分の渦を有し、成分の不十分な内部混合を示す。押出温度および速度を変えても、凝集物および渦は除去されない。

実施例２および比較例Ａは、押出口金の中の流れ制限帯域が、押出出口圧力を増加させて、流れ制限帯域のない口金よりも、充填剤入り重合体組成物の中により高度に分散した充填剤を生み出すことを示す。実施例２と比較例Ａとの組成物配合の差は、押出出口圧力または押し出された板の中の充填剤分散の程度に影響を及ぼさないはずである。

実施例２は、さらに、疎水性重合体母材の中のセルロース系添加剤の均一な混合を生み出す、１．７の圧縮比を有する口金を使用した本発明の方法を例証する。

本発明の１つのモジュール式の口金の平面断面図を示す。 図１と同じモジュール式の口金の側面断面図を示す。 押出機すなわち口金の入口端の方を見た、図１の口金のＡ−Ａ断面図を示す。 口金の押出機端と反対の方向を見た、図１の口金のＢ−Ｂ断面図を示す。

Claims (20)

1. 流れ制限帯域（ａ）、流れ再分配帯域（ｂ）およびランド帯域（ｃ）からなる押出口金であって、押出口金は押出口金の１つの端から押出口金の反対の端に延びる口金流路を定め、
   （ａ）流れ制限帯域は、流れ制限帯域の入口オリフィスから反対端の出口オリフィスに延びる制限的流路を定め、制限的流路は（ｉ）口金流路の最も小さな断面積に等しい断面積を有する出口オリフィスおよび（ｉｉ）制限的流路入口端での周囲面積よりも小さい平均断面積を有し、
   （ｂ）流れ再分配帯域は、制限的流路の出口オリフィスに隣接する入口オリフィスから、流れ再分配帯域の反対端の出口オリフィスに延びる再分配流路を定め、再分配流路は、制限的流路と流体連通し、最初は制限的流路の出口オリフィスの断面積から断面積が増加し、そして
   （ｃ）ランド帯域は、再分配流路の出口オリフィスに隣接する入口オリフィスからランド帯域の反対端の出口オリフィスに延びるランド流路を定め、ランド流路は、再分配流路と流体連通し、ランド帯域の入口端と出口端との間の任意の２点における任意の断面寸法の変動が５％未満であり、
   制限的流路は再分配流路またはランド流路よりも小さな平均断面積を有し、制限的流路、再分配流路およびランド流路の組み合わせが口金流路を定め、口金流路は、口金の入口端（入口端は制限的流路および口金の入口オリフィスを定める。）から反対の出口端（出口端はランド流路および口金の出口オリフィスを定める。）まで、口金の全体を通じて、重合体溶融物の層流を提供することを特徴とする押出口金。
2. （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）を通る口金流路が、２つの開口部（１つは口金の入口端に、もう１つは口金の出口端ある。）のみによって出入り可能であることを特徴とする請求項１に記載の口金。
3. 口金は少なくとも１つのモジュール式の構成部品を含むことを特徴とする請求項１に記載の口金。
4. 流れ制限帯域、流れ再分配帯域およびランド帯域の少なくとも１つが、モジュール式の構成部品を含むことを特徴とする請求項３に記載の口金。
5. 口金が２：１よりも小さい圧縮比を有することを特徴とする請求項１に記載の口金。
6. 口金が少なくとも３：１の圧縮比を有することを特徴とする請求項１に記載の口金。
7. 流れ制限帯域（ａ）が４インチ（１０センチメートル）以下の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の口金。
8. 制限的流路が流れ制限帯域のいかなる点においても円形断面を有することを特徴とする請求項１に記載の口金。
9. 流れ再分配帯域が制限的流路から長方形のランド流路の中に重合体溶融物を分配することを特徴とする請求項８に記載の口金。
10. ランド流路が、ランド流路の押出方向に延びる溝を有する少なくとも１つの壁を有することを特徴とする請求項１に記載の口金。
11. 制限的流路が、制限的流路中の層流を可能にする静的混合邪魔板を含むことを特徴とする請求項１に記載の口金。
12. 制限的流路には静的混合邪魔板がないことを特徴とする請求項１に記載の口金。
13. 制限的流路は、円形断面を有し、長さが１〜２インチ（２．５〜５ｃｍ）であり、直径０．５〜１．５インチ（１．３〜３．８ｃｍ）の出口オリフィスを有し、そして静的混合要素がないことを特徴とする請求項１に記載の口金。
14. 重合体および充填剤を含む組成物を押出機から押出口金を通して押し出すことを含む充填剤入り重合体組成物を押し出す方法であって、押出口金が請求項１に記載の押出口金であることを特徴とする方法。
15. 充填剤が、雲母、タルクおよびセルロース系材料からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 充填剤入り重合体組成物が、全充填剤入り重合体組成物体積を基準として４０体積％以上の充填剤を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 充填剤が親水性であり、重合体がポリエチレンまたはポリプロピレンであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 重合体が高密度ポリエチレンであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 押出機が円錐二軸押出機であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 押出口金が制限的流路を有し、制限的流路は、円形断面を有し、長さが１〜２インチ（２．５〜５ｃｍ）であり、直径０．５〜１．５インチ（１．３〜３．８ｃｍ）の出口オリフィスを有し、静的混合機要素がないことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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