JP5844415B2 - 押し出し成形された合成木材を作るためのダイおよびそれに関連する方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
これは、２００７年９月１７日にKellerらの名前で出願された米国特許出願１１／８５６，４３１号の一部継続出願であり、２００８年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／１９４，６２６号に対する優先権を主張し、その両願全体は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、複合材料を製造するための押出機ダイ・システムに関する。本発明は、特に、ユーザが、そのシステムの交換可能な入れ子式ダイを独立して操作することによって、複合材の混合、流れ、および形成を正確に制御できるようにする押出機システムの中に組み込まれる改良された押出機ダイに関する。

全体が参照することにより本明細書に組み込まれる米国特許第５，５１６，４７２号（Laver）は、セルロース・プラスチック複合材、およびその複合材を最終製品に加工する方法を開示する。Laverに開示される方法は、材料に、一連の入れ子式ダイから構成されるダイ押出機システムを通過させることから成り立つ。システムに含まれるダイのタイプの中には、アダプタダイ、移行金型、ストランディングダイ、成形用金型、およびセッティングダイが含まれる。各種ダイは、多くのチャネルを含む平板である。チャネルの大きさ、量、および形状は、各ダイの特定の機能によって決まる。

Laverのセルロース・プラスチック複合材を加工する方法は、均一な粒度および（純度ならびに多様な原材料の物理的特性および化学的特性の点で）一貫した品質原材料で、相対的に小さい製品サイズを生成するためには、適度な押出速度（毎時約６００ポンド）でよく機能する。しかし、押出速度が適度な値を超えて加速し、不均一な粒度または概してより低品質の原材料が使用される、または押出製品が最小サイズを超えて大きくなる場合、押し出された最終製品に欠陥が現れる。欠陥は、粗い表面、不規則に分散された成分、および強度の減少を含む。

本発明は、セルロース・プラスチック複合材の製造用のダイ押出機システムを目的とする。システムは、アダプタダイ、移行金型、ストランディングダイ、およびセッティングダイを含む。本発明は、改良ダイ設計、改良ダイ設計を使用する方法、および多岐に渡る条件下で使用するために、改良ダイ設計で製品を生み出すための方法を提供する。本明細書中で改良ダイの特性には、ダイの厚さ、およびダイのチャネルの量、向き、形状、および断面積が含まれる。各改善されたタイプの改良ダイは、標準的な改良されていないダイとともに使用されてよい。代わりに、改善された各ダイは、他の改善された改良ダイとともに使用され、統合システムを形成してよい。任意の特定の用途で使用されるダイの特定な組み合わせは、用途の条件および目標に左右される。本発明は、ユーザが、特定の複合材を加工するために最も適したダイだけを使用してダイ・システムを構築できるようにする。さらに具体的には、本発明は、ダイ押出機システムで使用するための改良ダイに、より幅広い範囲の稠度、純度レベル、押出速度、および製品サイズのための能力を与える。

各種のダイの役割、および本明細書中で改良されたパラメータは以下の通りに説明される。

アダプタダイはダイ・システムを押出機に接続し、その後者は、ダイ・システムで複合材料を押し通す。押出機と残りのダイ・システムの間の接合点として働く際に、アダプタダイは、複合材がダイ・システムに入る流量を制御する。本明細書に説明される改良アダプタダイは１つのチャネルを含み、チャネルは（ダイの厚さによって決まる）その形状、断面積よび長さが変化する。

移行金型は、アダプタダイから複合材料を受け取り、リシェイブし、そうでない場合は複合材をストランディングダイに送り出すために準備する。アダプタダイと同様に、移行金型も、通常、単一のチャネルを含む。チャネルの形状はダイの前部からその後部に向けて変化する。移行金型の前部はアダプタダイの後部オリフィスの形状に似ており、移行金型の後部は最終製品の形状に似ている。本明細書に説明されるように、移行金型チャネルの寸法は、ストランディングダイに送り出される材料の特性に影響を及ぼす可能性があり、それは最終製品の構造上の品質および美的な品質に影響を及ぼす。

ストランディングダイは、移行金型から受け取られる材料を、個別のストランドに分ける。ストランディングダイは、製品の最終的な形に似たパターンで配列される多くのストランディングチャネルを含む。本明細書に説明されるストランディングダイは、ダイの厚さ、ストランディングチャネルの量、断面積、および形状、ならびに各ストランディングチャネルの中心線の間の距離によって特徴付けられるストランディングチャネルの相対的な間隔が変わる。

成形用金型は、より合わせられた複合材を、その最終的な形に似た形状に圧縮し、個々のストランドの相互溶接を容易にする。このプロセスでは、成形用金型の入口にあるオリフィスの断面積が、出口にあるオリフィスの断面積よりも大きいことが必要になる。成形用金型の前部と後部のオリフィスの断面積の差異が、ダイが複合材に課す圧縮量を決定する。最終製品に影響を及ぼす他のパラメータには、最終製品のサイズ、および圧縮が発生する距離、つまりダイの厚さを決定する成形用金型の後部のオリフィスのサイズが含まれる。本明細書に説明されるダイは、成形用金型の上記のパラメータのより大きな可変性を可能にする。

本明細書に説明される改良ダイのある型は、前部オリフィス、後部オリフィス、および前部オリフィスを後部オリフィスにつなぐチャネルを含むアダプタダイを含み、このチャネルは、断面積が後部オリフィスの断面積よりも小さい制限されたゾーンを含む。

本明細書に説明される改良ダイの別の型は、前部穿孔面、後部穿孔面、および前部穿孔面から後部穿孔面に延在する複数の不均一なチャネルを含むストランディングダイを含む。複数の不均一なチャネルの個々のチャネルは、長さ、断面積、断面形状、またはその組み合わせで異なる可能性がある。複数の不均一なチャネルは、システムを通る押出品の流れを調整するように構成されてよい。

本明細書に説明される改良ダイの別の型は、前部オリフィス、後部オリフィス、および前部オリフィスを後部オリフィスにつなぎ、内面を有するチャネルを含む移行金型を含み、このチャネルは、前部オリフィスから後部オリフィスの断面積が減少する先細ゾーンを含む。移行金型は、システムを通る押出品の流れを調整するために、ストランディングダイと統合されてよい。

本明細書に説明される改良ダイの別の型は、前部オリフィス、後部オリフィス、および前部オリフィスを後部オリフィスにつなぐチャネルを含む成形用金型を含み、前部オリフィスの断面積対後部オリフィス断面積の比率が圧縮率を定め、この圧縮率は約１．５:１よりも大きい。成形用金型は、システムを通る押出品の流れを調整するためにストランディングダイおよび／または移行金型と統合されてよい。

本発明は、アダプタダイ、移行金型、ストランディングダイ、および成形用金型で押出品を順次通過させることを含む、セルロース・プラスチック複合材押出品を押し出すプロセスも目的とし、本明細書に説明される改良ダイのうちの１つは、押出プロセスで使用されてよい。

本発明は、さらに、押出システムにおける押出品の流量を測定し、調整する方法を目的とする。この方法は、押出ダイの断面外形の異なった部分での初期押出品流量を測定するステップと、そこから、断面外形の各部が部分に特定の初期流量とともに流量マップ上に表される流量マップを作成するステップと、流量マップ上に表された各部に特定の初期流量から初期圧力損失値を計算するステップと、断面外形の各部の所望される流量を達成するために必要とされる圧力損失値の変化を計算するステップと、ストランディングチャネルの長さおよび／または断面積を調整し、断面外形の各部の所望される流量が達成される、圧力損失値の変化を得るステップとを含む。他の型では、ストランディングチャネルの上流に位置するマニホールドが、ストランディングチャネルの長さおよび／または断面積と協調的に調整され、圧量低下値での必要とされる変化を取得する。

測定方法および調整方法のさらに他の型では、流量マップは、少なくとも第1の半分および第２の半分を生成するために線に沿って二分され、第1の半分は第２の半分と対称的であり、第１の半分の各部に特定の流量は第２の半分での対応する部分に特定の流量を有し、第１の半分の部分に特定の流量を、第２の半分の対応する部分に特定の流量で平均化する。流量マップは、２本の線、３本の線、または４本の線を含むが、これに限定されるものではない１本以上の線に沿って二分されてよい。

ユーザが、押出機システムにおいて本明細書に説明される特定のダイを選ぶことができるようにすることで、多くの優位点が提供される。

本発明によって提供される１つの優位点は、それが、押出機ダイ・システムを使用して加工できる複合材の範囲を広げるという点である。押出機システムは、複合材の流れに抵抗を課すことによって押出製品内部の均一性を促進する。Laverの方法では、これは、押出機システムの内部にストランディングダイを組み込むことによって達成される。ストランディングダイは、システムによって複合材に行使される壁剪断の量を増加することによって、複合材の流れに対するシステムの抵抗を高める。したがって、複合材の流れに対する抵抗は、おもに、ストランディングダイの中にストランディングチャネルの寸法に依存する。通過する複合材が相対的に低い粘度である状況では、または複合材流量の増加を必要とする用途では、ダイ・システムの、複合材の流れに対する抵抗のレベルにおける柔軟性が望ましい。ストランディングダイによって与えられる抵抗は、ストランディングチャネルの長さおよび断面積の関数である。Laverは、１．５インチというストランディングチャネル長を確定的に指定する。しかしながら、Laverによって説明される単一長は、システムが効果的に処理できる複合材の流量を制限する。本発明は、ストランディングダイに、変化する長さを有するストランディングチャネルを与えることによってLaverを改善する。この柔軟性が、押出機システムが従来無事に加工することができた複合材流量、および稠度の範囲を大幅に広げる。本発明は、同様に、ストランディングダイに、変化する断面積を有するストランディングチャネルを与える。ストランディングチャネルの断面積を改良し、システムの複合材の流れに対する抵抗を改変することは、長さの変更が実現できないときに有利である。

本発明は、押出品に浴びせられる熱を増加するための手段を提供することによって、加工され得る再利用物質の量を増加することも提供する。押出プロセスで使用されてよい２種類の再利用物質は、使用済みの再生プラスチックおよび製造後の再生プラスチックを含む。使用済みの再生プラスチックは、通常、より高い融点の類似するプラスチック、または複合材内での分散が困難である不適合プラスチック等の汚染物質を含む。製造後の再生プラスチックは、通常、障壁層を含むか、あるいは多層膜で検出されるようなプラスチックのさまざまな混合物を含む。これらの再利用物質のそれぞれに存在する多様なプラスチックは、通常、異なる加工要件を有する。どちらの種類の再生プラスチックを含む複合材も、最終製品が均一な未加工の減量から製造された複合材に見られる同じ均質性を有するように、製造の押出ステップの間に追加の熱および混合を必要とするだろう。

複合材の押出品がさらされる熱の量は、温度、時間、及び摩擦熱の関数であり、その後者は、押出機による複合材の混合及び搬送から生じる。熱への暴露を増すためには、これらの要因のうちの少なくとも１つを増加しなければならない。加工温度を高めることは、押出プロセス中のセルロース繊維の劣化につながる場合があるため好ましくない。加工時間を延ばすには、加工速度（単位時間あたりより少ない材料の産出）を遅くするか、または滞留時間（材料は、単位時間あたり同じ産出でより長い期間、押出機内に留まる）を延ばすかのどちらかが必要になる。加工速度の減速は、生産性を制限するため、好ましくない。したがって、熱の暴露を高める好ましい方法は、複合材の滞留時間を延ばすことによる。これは、生産速度の低下につながらず、混合時間の増加により、複合材に加えられる摩擦熱量を増加するという追加の利点を有する。

滞留時間の増加は、アダプタダイを通る流れを制限することによって達成できる。ただし、この点だけで流れを制限すると、残りのダイを通って流れる材料のストリームは小さく、高速になる。速度の加速は、ダイ空洞の周縁部との接触のために周辺部での材料間の摩擦を高める。これは、流れストリームの断面外形全体での流のアンバランスを生じさせ、外形の中心は、端縁よりも速く流れる。流れのアンバランスは、最終的な押出製品の外形形状のエッジの断裂、表面粗さ、および／または歪みを引き起こす。本発明は、アダプタダイ、移行金型、およびストランディングダイの設計を統合する設計プロセスによって、材料の流れのバランスを取ることによってこの問題を克服する。

本発明の追加の利点は、それが多岐に渡るサイズの押出製品を提供するという点である。Laverは、一例として、入口オリフィスが移行金型の出口オリフィスに類似して整形され、出口オリフィスは製品と同一に整形される、その入り口オリフィスからその出口オリフィスまで約１．５インチである成形用ダイを説明する。本明細書に説明されるように、成形用金型の長さは最終製品の強度および製品サイズに関係している。Laverの成形用金型の長さは、標準的なアダプタダイ、移行金型、およびストランディングダイが、強度を犠牲にすることなく生成できる製品のサイズに制限を課すために、制限される。本発明は、製造メーカが、最終製品の強度を保ちながらも、成形用金型の長さおよび複合材の流れの角度を改変するための手段を提供することによってこれらの制限を克服する。結果は、成形用金型が複合材上でさらされる圧縮量、および他の特性を、より大きな製品を生成するときに最大限にすることができるという点である。

本発明のさらに別の利点は、本発明が、押出外形の製造メーカが、その特定の最終用途のために外形の１つまたは複数の機械的な特性を最適化できるようにするという点である。Laverのストランディングダイは、ストランディングダイから発する流れストリームのアレイを作り出す。この流れストリームのアレイは、凝縮され、個々のストリームはともに融合される。本発明は、重大な領域でのストランド間の接着を改善する。

本明細書で提供される改良ダイは、Laverを含む従来の技術によって認識されていなかった問題に対処する。

本発明の目的および優位点は、添付図面とともになされた本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより完全に明らかになるであろう。

Laverに対する米国特許第５，５１６，４７２号による従来の技術のアダプタダイの正面図である。 線１Ｂ−１Ｂに沿って取られる図１Ａに示される従来の技術のアダプタダイの断面図を示す。 線１Ｃ−１Ｃに沿って取られる図１Ａに示される従来の技術のアダプタダイの断面図を示す。 本発明のアダプタダイの正面図を示す。 線２Ｂ−２Ｂに沿って取られる図２Ａに示されるアダプタダイの断面図を示す。 線２Ｃ−２Ｃに沿って取られる図２Ａに示されるアダプタダイの断面図を示す。 本発明の押出機およびアダプタダイの側断面図を示す。 クロスヘッド押出装置の平面図を示す。 クロスヘッド押出装置とともに使用するための保温発明の移行金型およびストランディングダイの断面図を示す。 クロスヘッド押出装置とともに使用するための、本発明の移行金型チャネルおよび対応するストランディングチャネル・グループの拡大図を示す。 マニホールドテーパーおよびストランディングチャネルの長さが統合された、本発明の移行金型およびストランディングダイの圧力損失計算を示す表である。 等しい長さのストランディングチャネルを有する従来の技術の移行金型およびストランディングダイの圧力損失計算を示す表である。 マニホールドテーパーおよびストランディングチャネルの長さが強盗されていない移行金型およびストランディングダイの圧力損失計算を示す表である。 低生産速度でのストランディングダイからの毎秒ｃｍ^３単位の押出品流量の見通し図を示す。 中生産速度でのストランディングダイからの毎秒ｃｍ^３単位の押出品流量の見通し図を示す。 高生産速度でのストランディングダイからの毎秒ｃｍ^３単位の押出品流量の見通し図を示す。 図１２の流量から引き出された毎秒ｃｍ^３単位の平均押出品流量の見通し図を示す。 図１３の平均流量から引き出された相対押出品流量の見通し図を示す。 図１４の相対流量から計算された相対圧力低下配布の見通し図を示す。 断面積が異なり、各ストランディングチャネルの中心線の間の距離が等しい、ストランディングチャネルを有するストランディングダイの前面図を示す。 ストランディングチャネル間の距離を最小限に抑えるために、断面積が異なり、各ストランディングチャネルの中心線の間の距離が等しくない、ストランディングチャネルを有するストランディングダイの前面図を示す。 押出品を厚さ１．０インチの外形に圧縮する成形用金型内の成形用チャネルを示す。 押出品を厚さ２．０インチの外形に圧縮する成形用金型内の成形用チャネルを示す。 配向面を示すストランディングチャネルの前面図である。 図１８に示される線Ａ−Ａに沿って試験されるデッキボード見本の剪断強度を示す表である。 図１８に示される線Ｂ−Ｂに沿って試験されるデッキボード見本の剪断強度を示す表である。 改良ストランディングチャネルを取り入れるストランディングチャネル・グループの前面図を示す。 図１８のストランディング設計に従って準備されたデッキボードの曲げ特性を示す表である。 図２０のストランディング設計に従って準備されたデッキボードの曲げ特性を示す表である。 図１８のストランディング設計に従って準備され、線Ｂ−Ｂに沿って試験されるデッキボードの剪断強度を示す表である。 図２０のストランディング設計に従って準備され、線Ｂ−Ｂに沿って試験されるデッキボードの剪断強度を示す表である。

本発明の一態様は、アダプタダイを通る流れを制限することによって複合材の滞留時間を増加する押出システムを提供する。

図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、Laverによる以下の典型的な従来の技術のアダプタダイ１０を示す。アダプタダイ１０は、前部オリフィス１２、後部オリフィス１４、アダプタチャネル１６、およびボルト穴１８を含む。前部オリフィス１２は、図３に示される押出機３２等の押出機を収容するように画定される。押出機は、前部オリフィス１２を通して複合材料を、アダプタダイ１０のアダプタチャネル１６の中に送る。後部オリフィス１４は、アダプタダイ１０のアダプタチャネル１６を通過する複合材料を移行金型の中に送るように画定される。従来の技術のアダプタダイの後部オリフィス１４は、一般医円形であり、直径は５０ｍｍから３００ｍｍに及ぶ。従来の技術のアダプタダイは、通常、押出機をダイ・システムの残りのダイにつなぐ働きだけをする。したがって、アダプタチャネル１６は、前部オリフィス１２の断面積から後部オリフィス１４の断面積に均等にかつ徐々に断面積を変更するように画定される。これは、図１Ｂおよび図１Ｃに示され、アダプタダイは、断面積が前部オリフィス１２の断面積から後部オリフィス１４の断面積に削減されるように、均等にかつ一貫してアダプタチャネル１６の断面積を減少する。アダプタチャネル１６は、後部オリフィスの断面積よりも少ない断面積に削減されない。ボルト穴１８は、アダプタダイ１０を押出機に固定するためにアダプタダイ１０上に構成され、位置付けられる。

図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、本発明のアダプタダイ２０を示す。従来の技術のアダプタダイ１０と同様に、本発明のアダプタダイ２０は、前部オリフィス１２、後部オリフィス１４、アダプタチャネル１６、およびボルト穴１８を含む。ただし、断面積を、前部オリフィス１２の断面積から後部オリフィス１４の断面積に均等に変更するのではなく、本発明のアダプタダイ２０のアダプタチャネル１６は、制限域２６を含む。制限域２６は、アダプタチャネル１６の一部であり、断面積は後部オリフィス１４の断面積よりも少ない。改良アダプタダイの１つの型では、後部オリフィス１４の断面積は約１２５７ｍｍ^２であり、制限域２６の断面積は、約１７５ｍｍ^２から約９００ｍｍ^２に及び、約６４５ｍｍ^２である場合がある。多様な断面積の制限域２６を有するアダプタダイ２０は、所望される制限の程度に応じて使用されてよい。後部オリフィス１４の断面積対制限域２６の断面積の比率は、約１:１、１．０１：１、１．０５：１、１．１：１、１．２：１、１．５：１、２：１、７：１、または１０：１以上であってよい。許容可能な比率範囲は、約１．１：１から約１０:１をフック御井、好ましくは約１．５:１から約８:１である。最も好ましい比率は、複合材の調製、使用される樹脂、及び再利用物質の量に従って変化する。

制限域２６をアダプタダイ２０の中に取り込むと、下降中に押出品に浴びせられる熱が増加する。これは、アダプタダイ２０の制限域２６に材料を押し通すために必要とされる圧力の増加、および結果として生じる影響の関数である。セルロース・プラスチック複合材は、溶融時、圧縮できる。増加した圧力は、押出システム内の制限域２６の上流でセルロース・プラスチック複合材を圧縮する。たとえば、図３に示される、アダプタダイ２０の上流に押出機３２を備えた押出システムでは、制限域２６によって、より多くの複合材料３４がつねに押出機３２内に常駐する。代わりに、これによって複合材料３４が、機械的な撹拌、混合、ひいては熱の暴露にさらされる押出機３２内に留まる時間の量が増加する。制限域２６を備えた改良アダプタダイ２０は、このようにして、産出生産速度を減少することなく、押出品に浴びせられる熱を増加する。

滞留時間、機械的な撹拌、混合、および熱の暴露の増加は、複合材基質内での調製成分を完全に分散させることによってより均質な複合材を促進する。これは、そこに含まれる純度のためにより高い加工温度及び混合を必要とする再利用物質を使用しているときに特に有利である。以上の理由から、制限域２６を有する改良アダプタダイ２０は、そうでなければ従来の押出システムで使用されるときにも有利である場合がある。ただし、後述されるように、最良の結果は、改良アダプタダイ２０が改良移行金型、改良ストランディングダイ、および改良成形用金型と統合されるときに達成される。

制限域２６を含むアダプタダイ２０は、ダイチャネルの断面積全体で不均一な流れを生じさせる傾向がある場合がある。本願の目的のため、「不均一な流」は、押出品の断面外形の一部の、押出品の断面外形の別の部分に比して、体積流量の１．１０倍という毎秒ｃｍ^３単位の体積流量の増加として定義される。最終製品の所望される特性に応じて、「不均一な流れ」は、断面外形の別の部分に比して、押出品の断面外形の一部の体積流量の約１．１０倍、約１．５０倍、約２．００倍、約４．００倍、または約８．００倍の増加となってよい。「均一な流れ」は、押出品の断面外形全体に不均一な流れが存在しないことと定義される。制限域２６を備えたアダプタダイ２０から生じる不均一な流れは、押出品が制限域２６を通過するのに伴う押出品流量の増加に始まる。しかしながら、押出品の流量は不均一に増加し、流量は、押出品とアダプタチャネル１６の内面との間の摩擦のために、アダプタチャネル１６の周囲においてよりも中心においてより多く増加する。制限域２６から後部オリフィス１４に向かう断面積の増加にも関わらず、通常はセルロース・プラスチック複合材によって示される「流れメモリ」は、押出品がアダプタダイ２０の後部オリフィス１４を出るのに伴う不均一流の継続を生じさせる。

また、不均一な流れは、一般に、システムを通る全体的な流量を増加することによって生産速度を加速した結果生じる。流路を通る押出品の流れは、押し足品と流路の壁の間の摩擦（壁剪断）による抵抗を受ける。流の全体的な速度が加速するにつれて、表面抵抗も高まる。Laverによって説明されるシステム等の標準的な押出システムでは、流れは不均一に増加し、流れは、流れが摩擦によって制限されるチャネルの表面においてよりも中心においてより多く増加する。このアンバランスは、生産速度が加速されるにつれて深刻になる。

不均一な流れが、制限域２６を備えた改良アダプタダイ２０の使用から生じるのか、または生産速度の全体的な増加から生じるのかに関わりなく、流量のアンバランスは、最終的な押出製品の外形形状のエッジの断裂、表面粗さ、および／または歪みを引き起こすことによって最終製品の不整合につながる。

本発明の改良ダイは、より高速の局所速度の領域で流れに対してより多くの抵抗を生成することによって不均一な流れの問題に対する解決策を提供する。これは、以下の例に示されるように、個別ストランディングチャネルの抵抗を高めることによってストランディングダイで行なわれる。所与の速度での流れ抵抗は、流体力学によって個別ストランディングチャネルのために計算できる。しかしながら、アダプタダイ、移行金型、および成形用金型の異なった領域での流量は、決定するのが困難である。本発明は、流れに対する抵抗が、ダイ組み合わせ時に、プロファイル断面の全領域で等しくなるように、個別ダイの設計を統合することによって流れの均一性を改善する。

流れの均一性を促進する改良ダイは、最初に、図４に示されるように、クロスヘッド押出装置４０について示される。不均一な流れは、かかるクロスヘッド押出装置４０を使用するときに、特に問題である。クロスヘッド押出では、ストランディングダイの上流でシステムを通る流れの方向は、ストランディングダイ６０内の材料の流れの方向に関して斜めである。クロスヘッド押出システムは、ストランディングダイの上流の流れの方向とストランディングダイ内での流れの方向の間で０°を超える任意の角度を有してよい。図４に示される特定のクロスヘッド押出装置では、押出機内の、および移行型５０に入る流れの方向は、ストランディングダイ６０内の流れの方向に関して直角（９０°）である。図４に示されるこのクロスヘッド押出装置は、コア材料４４の上部および下部にあるセルロース・プラスチックの複合材３４のブロックを押し出すように設計されている。コア材料４４は、典型的には、押出機からコアを形成するために使用される多様なダイを通って直線で材料が流れるように押し出される。対照的に、セルロース・プラスチック複合材３４は、コア材料に直角に押し出され、ブロックがコアの上下に形成されるのに伴い９０°回転しなければならない。この種の押出は、流れに対する抵抗がその経路に沿って最小であるため、流体が最短経路に沿って流れる傾向があるという問題を有する。流れのこのアンバランスは、流れの速度が加速するにつれて深刻化する。

図５は、クロスヘッド押出装置で使用するための、押出外形の全領域で均一な圧力損失および均一な流れを実現するように強調して設計される移行金型５０およびストランディングダイ６０を示す。図示される移行金型５０は、一方５２は上部ブロック向け、および一方５４は下部ブロック向けの２つの移行チャネルを有する。ストランディングダイ６０は、ストランディングチャネル６２，６４の２つの対応するグループを有する。

図６は、移行チャネル５２およびその対応するストランディングチャネル・グループ６２（組５４、６４は、後述されるように同様に構成されるであろう）の拡大図を示す。移行金型５０は、移行チャネル５２および後部オリフィス５１（移行金型５０の前部オリフィスは図示されていない）を有する。移行チャネル５２は、その断面積が前部オリフィスから後部オリフィス５１に向かって減少するように先細になっている。

図６のストランディングダイは、前部オリフィス６１（ストランディングダイ６０の後部オリフィスは図示されていない）、およびストランディングチャネル・グループ６２を構成する個別ストランディングチャネル６３を含む。ストランディングチャネル・グループ６２の個別ストランディングチャネル６３は、移行チャネル５２からの複合材料３４のソースに関するそれらの位置に応じて異なる長さを有する。ストランディングダイ５０のストランディングチャネル６３の長さは、複合材料３４のソースからの距離が増加するにつれて徐々に減少する。複合材料３４に最も近いストランディングチャネル６３（図６の左側に向かってより遠いストランディングチャネル）は、最も大きいストランディングチャネル長を有する。複合材料のソースから最も遠いストランディングチャネル６３（図６の右側に向かってより遠いストランディングチャネル）は、最も短いストランディングチャネル長を有する。および、介在するストランディングチャネル６３は、その間で徐々に変化する。ストランディングダイ６０のストランディングチャネルの長さの漸進的な減少は、ストランディングチャネルのグループ６２の入り口で傾斜した多孔表面６６を画定する。代わりに、これは移行チャネル５２の内面５５と傾斜面６６の間のマニホールド６５を画定する。ストランディングチャネル６３の変化する長さによって生み出される移行チャネル５２および傾斜面６６のテーパーは、減少する断面の流路を画定する。移行チャネル５２を出た材料は、最初に、ストランディングチャネル・グループ６２の近端側にある傾斜面に接触し、ストランディングチャネル・グループ６２の遠位側に達するために傾斜面６６を垂直に横切って流れなければならない。図６に示されるように、材料は表面６６を横切って進むので、材料の一部は各ストランディングチャネル６３に入る。ストランディングチャネル６３によって画定される移行チャネル５２および表面６６の傾斜のテーパーは、材料がストランディングチャネル６３の一連の列を通って移行金型５０を離れるにつれて発生する流れの削減を補償するために計算される。

図７は、図６に示されるように移行金型およびストランディングダイを協調して統合した結果を示す。表の各横列は、マニホールドの、およびストランディングチャネルのセグメントを表す。マニホールドのセグメントは、各ストランディングチャネル６３上にある面積である。ストランディングチャネルのセグメントは、各ストランディングチャネルによって画定される領域にある。図７の列１（最初の列）は、セグメント番号を示す。列２は、各セグメントのマニホールド幅を示す。列３は、セグメントの始まりおよびセグメントの終わりでの高さの平均として取られる、各セグメントの高さを示す。セグメント高さは、移行金型オリフィスのテーパーのために減少する。列４は、各セグメントを通る流量を示す。セグメント１の流れは、続くセグメント、およびストランでぃぐ・チャネルの第１の横列等の流れを送る。列５は、第４列に示される流量で、材料をマニホールドの入り口から各セグメントに移動するために必要とされる圧力損失を示す。列６および列７は、Kozicki（Kozicki、W. Chou, C. H.、およびTiu, C.、「Non-Newtonian flow in ducts of arbitrary cross section”、Chemical Engineering Science、１９６６年、第２１巻、６６５−５６９ページ）によって開発された方法に従って各セグメントの圧力損失を計算するために使用される形状形状因子ａおよびｂである。Kozickiによって開発された方程式を参照すること。

上式では、△Ｐは、計算された圧力損失であり、Ｌはダクト長であり、Ｍは材料の稠度（既知の方法によって粘度から計算される）であり、Ｒｈはダクトの水力半径であり、Ｑは流体の体積流量であり、ａおよびｂは形状因子であり、Ａはダクトの断面積であり、ｎは流体の挙動を説明するべき乗指数である。列８は、各ストランディングチャネルの長さを示す。列９は、列１０に示される流量で所定の直径の、その長さの管を通して材料を移動するために必要とされる圧力損失を示す。列１１は、セグメントごとのストランディングチャネルの圧力損失を加えた、マニホールド内の圧力損失を含む、総圧力損失を示す。用語「圧力損失」は、押出機システムの多様な内部部分間の圧力の差異を指す。

図７に示されるように、改善されたストランディングダイの全セグメントの予想総圧力損失は非常に均一であり、１５７０ｐｓｉから１５０４ｐｓｉに及ぶ。

図８は、図９で実行されるが、ストランディングチャネルが等しい長さ（図８の第８列を参照すること）の同じ計算を示す。図８の最も右側の列に示されるように、予測圧力損失には、１５７０ｐｓｉから１７６４ｐｓｉの範囲のはるかに幅広い変動がある。この設計は、本発明の設計で達成される一貫した総圧力損失および均一な流れを達成しない。

図９は、マニホールドのテーパー（第３列を参照）およびストランディングチャネルの長さ（第８列を参照）が統合されていないときに予想される圧力損失（一番右側の列を参照）を示す。かかる設計は、本発明の設計で達成される一貫した総圧力損失および均一な流れを達成しない。

図７から図９に示される例は、クロスヘッド・ダイ・システムにおける２つの寸法の流路から生じる圧力損失を示す。本発明の統合された移行金型およびストランディングチャネルの長さ設計も、標準的な（つまり、非クロスヘッドまたは「まっすぐな」）押出ダイ・システムで典型的な三次元流路の設計に適用されてよい。まっすぐな押出システムでは、通常、最短の流路はダイの中心にある。クロスヘッド押出装置内で均一な流れを生み出すための改良ダイを設計するために利用される方法は、ここで、標準的な押出システムで均一な流れを生み出すために、図１０から図１５を参照して示される。

図１０から図１２は、標準的なデッキボード押出システムで生産速度を加速すると、流れに不均一性が徐々に誘発されることを示す輪郭グラフである。グラフ上の各バンドは、狭い範囲の質量流量を表している。グラフ上の位置は、ストランディングダイの断面外形を横切る位置に相当する。グラフを作成するために、Laverに特有である、均一なストランディングチャネル・サイズおよび長さのストランディングダイが流れを分離するために使用された。成形用金型およびセッティングダイは、押し出された材料が、大気圧にストランディングダイを出るように取り除かれた。このように構成されたストランディングダイは、毛細管ダイのアレイのように機能する。毛細管ダイを通る流量は、Kozickiの方程式１を方程式２に整理し直すことによって特徴付けることができる。

均一なストランディングチャネル長さおよびサイズのストランディングダイでは、水力半径、面積、長さ、および形状因子はあらゆるチャネルに対して同じである。材料特性Ｍおよびｎは、ストランディングダイに入るセルロース・プラスチック複合材が均質であると仮定されるので、あらゆるストランディングチャネルを通過する材料で平均的に等しいと仮定できる。したがって、流量の差異は、材料がストランディングチャネルを通過するときに経験する圧力損失（△Ｐ）の差異に起因する可能性がある。材料は通常の大気圧へストランディング・プレートを出るため、あらゆるストランディングチャネルの出口圧力は同じである。△Ｐの差異は、ストランディングチャネルへの入り口での圧力の変動に起因する可能性がある。したがって、質量流量は、マニホールド内の圧力場のマップを提供する。

図１０、図１１、および図１２は、それぞれ低生産速度、中生産速度、および高生産速度での流量のマップである。グラフ内の輪郭線は、生産速度が加速するにつれてより多数に、かつより密集するようになる。これは、生産速度の加速に伴い材料の流れの均一性が減少することを示している。

図１２の非均一流量を補正するための座標移行金型およびストランディングダイの設計は、以下の通りに発生することがある。図１２の流量マップは、Ｘ軸およびＹ軸上のマップを均等に二分することによって４つの四分区間に分割できる。次いで、各ストランディングチャネルは、他の３つの四分区間内の対応する位置を占める３つの他のストランディングチャネルを有する。４つの四分区間の各対応する位置の４つのストランディングチャネルの流量を平均化すると、垂直軸および水平軸の回りで対称である流量マップを生じさせる。かかる平均化された流量マップは、図１３に示される。図１４では、図１３の平均流量が、場全体のための最小流量で、各場所の流量を除算することによって相対値、つまり無次元数に変換される。値は、１、つまり最小流量から２．２４、つまり最小流量の２倍よりもわずか超えるまでに及び、最高流量は外形の中心で発生し、最小流量は外形の周囲で発生する。

個別ストランディングチャネルの流量は、以下の通りにストランディングチャネルの長さを改変することによって均一な流量プロファイルを達成するために調整できる。流量は方程式１および方程式２に示されるように△Ｐに関連付けられているため、図１５に示されるように、図１４の相対流量マップを使用し、流路を横切って相対圧力損失分布のマップを作成できる。図１５の値は１から１．２１に及ぶ。図１５に示される相対圧力損失値の範囲は、この例で使用される特定の流体押出品の性質のために、相対流量の値よりもはるかに小さい。再び等式２を参照すると、流量Ｑは、１／ｎという指数によって圧力損失△Ｐに関連付けられ、ｎが流体の流れに誘発された挙動を説明するべき乗指数であることが分かる。この例で使用される流体を説明するべき乗指数は、圧力の変化が４倍にされる（１／０．２４＝４．１６７）流れで変化を引き起こすように、０．２４である。流れの方程式は、流路長Ｌが△Ｐと同じように流量Ｑに関連付けられることを示す。本発明の改善された方法を使用すると、流量は、移行金型の圧力分布を改変することなく、ストランディングチャネルの長さ（Ｌ）を改変することによって、ストランディングダイを通してバランスを取ることができる。標準押出システムの移行金型は、環状のテーパーを利用してよい。ストランディングダイの前面によって画定される傾斜面に関してマニホールドを画定する、かかるテーパーは、ストランディングチャネルの長さを決定する際に含まれる。

標準的な押出システムのための図１０から図１５に概略されるケースでは、ストランディングダイのストランディングチャネルの異なる長さによって画定される傾斜面６６は、図６の傾斜面６６について示されるように、一方の側から他方の側へ傾斜しないだろう。むしろ、図１０から図１５に概略されるケースでの傾斜面は、（ストランディングダイの前部から見られると）合成された凸面またはアーチ形の傾斜面を有し、最長のチャネルはストランディングダイ外形の中心に位置し、最短のチャネルはストランディングダイの周縁部に位置し、長さは中心から周辺部に漸次的に減少する。好ましい型では、個別ストランディングチャネルの実際の長さ（および傾斜面の傾斜）は、ストランディングダイの直前の移行チャネルのテーパーに依存するであろう。ストランディングダイ外形の最長のストランディングチャネル対最短のストランディングチャネルの比率は、約１:１、１．０１：１、１．０５：１、１．１：１、１．２：１、１．３：１、１．４：１、１．５：１、２：１、または４：１以上であってよい。許容比率範囲は、約１．１:１から約４：１を含み、好ましくは約１．３：１から約３:１である。もっとも好ましい比率は、調製および使用される樹脂に従って変化する。

本発明の別の型では、ストランディングダイの傾斜面６６は、ストランディングチャネル長が周辺部で大きくなり、長さが周辺部から中心に漸次的に減少するように逆にされてよい。したがって、（ストランディングダイの前部から見るときに）凸状の傾斜面を有するのではなく、この型のストランディングダイは、凹状の傾斜面を有するであろう。この種の傾斜面は、融点またはセルロース繊維の分解が開始する範囲内にある必須加工温度で樹脂を活用する複合材を押し出すときに特に有効と想定される。これらの樹脂は、セルロース複合材の生産で一般的に使用される樹脂よりも高い融点および／または加工温度を有し、より大きな熱抵抗度を必要とする下流用途で有効である。ナイロン、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、およびポリアリールエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の多くのいわゆるエンジニアリングレジンはがかかる樹脂の例である。これらのより高温の樹脂で製造されるセルロース複合材は、セルロース繊維を分解しないように可能な限り低温で加工しなければならない。樹脂の融点の低級での温度で加工すると、ダイ・システムの樹脂の硬化または結晶化につながり、これは多くの場合押出機内での製品の整形を妨げる。ダイを加熱すると、押出品の表面での流動性が維持されるが、熱は押出品の中心まで貫通しない。押出品の中心が冷却するにつれ、この領域で樹脂の粘度は高まる。この例では、ストランディングダイの中心で抵抗を減少させる−ストランディングチャネルを短くする−ことによってバランスのとれた流れを達成できる。本発明のこの型では、ストランディングダイの周辺部に位置する最長ストランディングチャネルの長さ対ストランディングダイの中心に位置する最短チャネルの比率は、約１:１、１．０１：１、１：０５：１、１．１：１、１．２：１、１．３：１、１．４：１、１．５：１、２：１、または４：１以上であってよい。好ましい範囲は、約１．１:１から約２:１である。

ストランディングダイを横切るバランスのとれた複合材の流れの移行金型およびストランディングダイを作り出すことは、ストランディングチャネルの断面積を調整することによっても達成できる。かかる移行金型およびストランディングダイの組み合わせの設計は、上記に示され、変化するストランディングチャネル長について図１０から図１５に示されるように実行されるであろう。しかしながら、流れに対して高められた抵抗は、チャネル長を調整するのではなく（あるいは調整することに加え）ストランディングチャネルの断面積を減少させることによって作成されるだろう。方程式１は、圧力損失△Ｐが、流路の断面積Ａｎｉ逆に関連付けられていることを示す。圧力損失および流れに対する抵抗は、ストランディングチャネルの断面積を縮小することによって増加できる。移行金型の圧力バランスは、前記のような流量および圧力損失を計算することによって維持されるだろう。かかる設計は、複合材の中の均質性を促進する一方で、静的な密度で製品の生産を促進するだろう。

標準押出システムについて図１０から図１５に概略されたケースで流れのバランスを取るために、ストランディングチャネルの断面積は、外形の中心で最小となり、外形の周辺部で最大となりプロファイルの中心から周辺部に向けて漸次的に増加するだろう。好ましい型では、個別ストランディングチャネルの断面積は、ストランディングダイの直前に進行する移行チャネルのテーパーに依存するであろう。ストランディングチャネルの最大断面積対ストランディングダイ外形の最小断面積の比率は、約１:１、１．０１：１、１．０５：１、１．１：１、１．２：１、１．３」１、１．４：１、１．５：１、または４：１以上であってよい。最も好ましい比率は、調製および使用される樹脂に従って変化する。

高融点のエンジニアリングレジンと使用するための型では、ストランディングチャネルの断面積は、外形の中心で最大となり、外形の周縁部で最小となり、外形の中心から周辺部へ漸次的に減少するだろう。この型では、外形の中心の最大断面積対外形の周辺部の最小断面積の比率は、約１：１、１．０１：１、１．０５：１、１．１：１、１．２：１、１．３：１、１．４：１、１．５：１、２：１、または４：１以上であってよい。許容比率範囲は、約１．１：１から約３:１を含む。好ましい範囲は、約１．１:１から約２:１である。

ストランディングチャネルの断面積を変更することによって押出品の流れを調整するとき、多様なストランディングチャネル構成が考えられる。図１６Ａに示される１つの構成では、各ストランディングチャネル６３は、各ストランディングチャネル６３の中心線６９間の距離が等しい、ストランディングダイ６０の断面外形の中に位置する。かかる構成は、ストランディングチャネル６３間の距離の変化を生じさせる。この構成を備え、ダイの周辺部においてより幅広いストランディングチャネル６３を、中心部でより狭いチャネル６３を有するストランディングダイ６０は、押出品がストランディングダイ６０を離れるにつれて、周辺部の押出品ストランドよりも多い拡大するための余地を、ストランディングダイ６０の中心の押出品ストランドに与えるであろう。この結果、押し出された製品の外形の中心の密度は削減される。

異なる断面積のストランディングチャネルを有するストランディングダイのための第２の構成は、図１６Ｂに示される。この構成では、ストランディングチャネル６３の中心線６９の間の距離は、ストランディングチャネル６３自体の間の距離が、幾何学形状の範囲内で可能な限り一定のままとなるように、チャネル６３の断面積が変化するにつれて変化する。この構成によって、断面外形の一部の密度を削減しなくても押出品流量の調製が可能になる。

本発明の新規性は、それによって、ユーザが特定の効果を生じさせるためのダイの異なる組み合わせを選ぶことができるようになる点である。たとえば、アダプタダイでの後部オリフィスは、ストランディングダイのストランディングチャネルの組み合わされた断面積に直接的に関連付けられている。通常、後者が増加するにつれて、前者も増加する。ただし、オリフィス・サイズは、複合材がシステムを完全に通過するために必要となる時間の長さにも直接的に関連付けられている。増加するオリフィス・サイズは生産速度を加速する一方、それは複合材混合物の均一性を減少させる。さらに、製造メーカは、多くの場合、ストランディングダイの有効性の最大化と最適滞留時間の提供の間で選ぶことが必要になる。本発明では、アダプタダイ・チャネルのサイズおよび形状は、本書に説明される流れを等しくする方法のため、ストランディング界のストランディングチャネルの結合された断面積とは関係なく、改変することができる。本発明の全てのダイは交換可能であるため、１つのダイでの改良のために失われる利点は、どこか他で改良を行うことによって取り戻すことができる。具体的には、オリフィス形状、移行金型設計、ストランディングダイ設計、またはこれらの特性の任意の組み合わせを、ストランディングダイの有効性、複合材の均質性、および生産速度を改変するために変えることができる。

本明細書に説明される、改良ダイおよび断面外形を横切る複合材の流れのバランスを取る方法は、改良成形用金型との組み合わせで使用できる。これは、特に幅広い範囲の製品サイズを生み出すために有効である。図１７Ａおよび図１７Ｂは、異なるサイズの製品を押し出すように構成された成形チャネル９２を有する２つの成形用金型９０、９１を示す。各成形用金型９０、９１の成形チャネル９２は、前部オリフィス９３、後部オリフィス９４、および長さ９８によって画定される。成形チャネル９２は、さらに、それ自体が前部オリフィス９３での成形チャネル９２の最も外側の位置と、後部オリフィス９４の成形チャネル９２の最も外側の位置の間の距離によって画定される成形チャネル・オフセット９６によって画定される。後部オリフィス９４のサイズは、最終製品のサイズを決定する。

最終押出製品の品質に影響を及ぼす成形用金型の３つの要因は、圧縮率、ダイ収束、および成形チャネル長９８である。圧縮率は、押出品に対して成形用金型によって課される圧縮の量を反映する。圧縮率は、前部オリフィス９３の断面積対後部オリフィス９４の断面積の比率によって定められる。たとえば、図１７Ａおよび図１７Ｂの成形用金型９０、９１の圧縮率は、それぞれ３：１および２：１である。より高い圧縮率がストランド間の溶接部の強度、ひいては押出製品の強度を高めるにつれて圧縮率を最大化することは有利である。

ダイ収束は、成形チャネル９２が、それが前部オリフィス９３のサイズから後部オリフィス９４に変化するにつれて削減される傾きを反映する。ダイ収束は、成形チャネル・オフセット９６対長さ９８の比率によって定められる。たとえば、図１７Ａおよび図１７Ｂの成形用金型９０、９１の圧縮率は、それぞれ１：３である。最終押出製品の品質が、これらの要因のどちらかの増加が押出品（以下を参照）の表面に課される壁剪断の量を増加するにつれて、ダイ収束および長さを最小限に抑えることは有利である。壁剪断は、押出品の周辺部に対して抵抗を課し、最終製品の表面上の亀裂、断裂、および粗さにつながる。

ダイの長さと壁剪断の関係性は、前述されたように、方程式１に示されている。対称的に、収束角度と壁剪断の関係性は、HuangおよびShroff（Huang, D.C.およびShroff, R.N.、「Converging Flow of Polymer Melts」、Journal of Rheology、１９８１年、第２１巻、第６号、６０５−６１７ページ）の方程式３によって示さすことができる。

Ｐ_０は、収束ダイへの入り口での圧力である。積分は、拡張流に関連付けられた圧力を表す（体積をより小さな空間の中に圧搾することによって引き起こされる流れの加速）。第２の項は、壁剪断力に関連付けられた圧力の部分を表す。第２の項では、Ｆ（β）は、ダイ形状および収束角度に関連付けられた形状因子であり、（σ_１２）_ｅは、ダイ出口での壁剪断応力である。図１７Ａまたは図１７Ｂに示されるチャネル等の平らな収束第チャネルの場合、形状因子は、Ｆ（β）＝１／２（β）であり、βが輻輳角度である。この関係性から、輻輳確度が大きくなるに従って、壁剪断に関連付けられた圧力は増加し、押出品に課される剪断応力も増加する。

上記の制約及び関係性を鑑みると、押出製品のサイズを大きくするときに問題が生じる。ダイ収束および成形チャネル長を一定に保ちながら製品サイズを大きくするためには、圧縮率は必ずや減少する。逆に製品サイズが大きくなるにつれて圧縮率を維持するには、ダイ収束および／または成形チャネル長が増加することが必要となる。トレードオフは、図１７Ａおよび図１７Ｂの成形用金型９０、９１に示される。図１７Ａは、後部オリフィス９４の幅が１．０インチの成形用金型を示す。図１７Ｂは、押出製品サイズを大きくするために１．０インチから２．０インチに後部オリフィス９４が拡大された成形用金型を示す。押出品の外側ストランドにかかる剪断力を最小限に抑えるために、図１７Ｂの成形用金型９１の前部オリフィス９３は、３．０から４．０インチに拡大され、ダイ収束および長さ９４を一定に保つ。しかしながら、これにより、図１７Ａの成形用金型９０（３：１）に比較して、図１７Ｂの成形用金型９１により低い圧縮率が生じ（２：１）、ストランド間溶接部の強度が減少する。圧縮率の増加は、前部オリフィス９３をさらに大きくすることによってだけ達成できるが、これには、ダイ収束または成形用金型９１の長さ９８のどちらかを大きくすることが必要となり、それは最終製品での表面欠陥につながるであろう。

本明細書に説明される改良ダイは、圧縮率とダイ収束／長さの間のトレードオフの影響を最小限に抑えるための解決策を提供する。ストランディングチャネル長または断面積を調整することによって、押出品外形の断面全体を横切る流れに対する抵抗は、押出品がストランディングダイを離れ、成形用金型に入るときに微調整できる。この微調整は、製品のサイズが増加するにつれて、ダイ収束および長さの任意の増加によって、押出品に課される剪断応力の増加を補償できる。簡略な矩形外形では、これは、外形がセッティングダイを出るときに均一な速度が達成されるように、ストランディングチャネル長を増加する、またはストランディングチャネル断面積を減少するかのどちらかによって外形の中心での流れを妨げることによって達成される。ストランディングダイと成形用金型の両方に対するかかる座標改良は、製造メーカが、最終製品の稠度または強度を最小限に抑えなくても、押出製品のサイズの増加を生じさせるために圧縮率を最大限にしつつ、成形用金型の長さおよび／またはダイ収束を改変できるようにする。本改良成形用金型で使用される長さは、２インチ、３インチ、４インチ以上であってよい。長さは、約２インチから約６位インチに及んでよく、好ましくは約２インチから約４インチである。本発明の改良ダイは、最終製品の稠度または強度を損なうことなく、改良成形用金型における圧縮率を、約１．５:１、２：１、４：１、６：１、または８：１以上にできる。許容圧縮率範囲は、約１．５:１から約８:１を含み、好ましくは約１．５:１から約６:１である。最も好ましい圧縮率は、外形形状、調製および使用される樹脂に従って変わる。

本発明は、特定の向きで押出最終製品を強化する改良ストランディングダイも提供する。製品を形成し、製品を剪断力に逆らって支持する結合剤が、ストランド間溶接部と呼ばれる。設計によって、ストランディングダイは、ストランド間溶接部を生じさせるために使用可能な表面積を決定する配向面を有する。これらの平面の角度は、予想される負荷に基づいて剪断変形および剪断応力に対するより大きな抵抗を与えるために改変できる。典型的な配向面は、ストランディングチャネルの１つの考えられる配列を示す図１８に示されている。これらのストランディングチャネルによって生じるストランドは、成形用金型でともに押し付けられ、それらの面でのポリマー鎖のインターロッキングによってともに溶接される。ストランドは、ストランディングチャネル間の空間が位置する、ストランド間の溶接部が発生するように、ストランディングダイによって課される空間位置を維持する。

剪断強度に対するこれらの配向線の影響は、図１９Ａおよび図１９Ｂに示されている。図１８の線Ａ−Ａに沿って剪断力を試験するために、１０個のデッキボード見本が、デッキボード外形のより狭い寸法に垂直な面に沿って剪断力をかけるために作成された。図１８の線Ｂ−Ｂに沿った剪断力を紙面するために、同一デッキボードから追加の１０個の見本が、外形のより幅広い寸法に垂直な面に沿って剪断力をかけるために作成された。線Ａ−Ａにそって試験された１０個の見本の平均剪断強度は、線Ｂ−Ｂ（図１９Ｂ）に沿って試験された１０個の見本の９２５ｌｂ／ｉｎ^２の平均剪断強度と比較して、１７９０ｌｂ／ｉｎ^２（図１９Ａ）であった。これは９３．５パーセントの増加である。

Ａ−ＡおよびＢ−Ｂによって画定される平面間の剪断強度の差異は、建築材料としてのセルロース・プラスチック複合材の使用で実際的な影響を与える。Laverによって提供される方法で製造されたセルロース・プラスチック複合材は、腐敗に強く、高レベルの圧縮強度を有する。これらの属性は、材料を、木造軸組構造における土台としての仕様に適した材料にする。ただし、この複合材は特定の向きでの剪断力に影響を受けやすいため、特定の用途に対しては理想的とは言えない。たとえば、土台は、木材フレーミングの残りと基礎の間にある平らな厚板形状の部材である。土台は、圧縮負荷と剪断負荷の両方を、構造の残りから基礎に、そして最終的には地面に伝える。圧縮負荷は、構造および内容物の重量による。剪断力は、風および地面の移動から生じる。土台の剪断強度を改善すると、構造はより高い剪断力に耐えることができるようになる。

ストランディングダイのチャネルの形状は、剪断力にさらされるストランド間溶接部表面の量を増加するように設計できる。より多くの表面積をストランド間容積に提供する形状は、剪断力に対してより大きな抵抗を提供するだろう。たとえば、デッキボード等の平らな厚板としての機能を果たすように設計された製品は、垂直中心、およびその幅に水平に位置する平面内に最高の剪断応力を起こす可能性が高い。Laverにおって明らかにされるストランディングダイでは、この平面は、最低の剪断抵抗の平面である、図１８の線Ｂ−Ｂに相当する。最高の剪断応力の平面が図１８の線Ａ−Ａに相当するように、ストランディングダイのストランディングチャネルの断面配向を変更すると、締め金具の位置で分割する可能性を高めるだろうデッキボードの厚さに平行に弱い面が生じるだろう。線Ｂ−Ｂに相当する平面内での剪断力により大きな抵抗を提供するように整形されたストランディングチャネルが有利であろう。

図２０は、ストランド間溶接部を形成するために使用可能な方面積を増加することによって押出外形の剪断強度を高めるように設計されたストランディングチャネル・グループ８０を示す。ストランディング・グループ・チャネル８０は、断面８２に実質的に円形のストランディングチャネル、および断面に実質的に非円形の断面を有する改良ストランディングチャネル８４を含む。改良ストランディングチャネル８４は、ストランディングチャネルの横列間の平面を中断するように配置される。好ましい改良ストランディングチャネル８４は、図２０に示されるように長円形の断面を有するチャネルを含む。しかしながら、ストランド間溶接部を形成するために使用可能な表面積を増加し、ストランディングチャネルの横列間の平面を中断する任意の他の形状が、本発明により考慮される。

改良ストランディングチャネルを取り入れたストランディングダイで生み出されたデッキボードの強度を試験するために、図２０に示される設計のストランディングダイ、および図１８に示された従来の設計のストランディングダイを使用してデッキボードが押し出された。見本は試験用の両方の見本から収集された。見本は、たわみおよび剪断の両方で試験された。ストランディングチャネルの一部の形状を改変することが、曲げ強度および剛性に悪影響を及ぼしたかどうかを判断するために曲げ試験が実施された。剪断試験見本が準備され、外形のより幅広い寸法に垂直な平面に沿って、つまり図１８および図２の線Ｂ−Ｂに沿って剪断力をかけるために試験された。

曲げ試験の結果は、図２１Ａおよび図２１Ｂに示される。曲げ強度は、破壊係数（ＭＯＲ）によって示される。曲げ剛性は、弾性係数（ＭＯＥ）によって示される。従来のストランディングチャネルで作成された見本の平均的な（中間）ＭＯＥおよびＭＯＲは、それぞれ６４５，４００ｌｂ／ｉｎ^２、および３，７００ｌｂ／ｉｎ^２であった（図２１Ａ）。改良ストランディングチャネルを含むストランディングダイで作成された見本の平均的な（中間）ＭＯＥおよびＭＯＲは、６７８，３００ｌｂ／ｉｎ^２および３，８００ｌｂ／ｉｎ^２であった（図２１Ｂ）。改良ストランディングチャネルの形状は、曲げ強度または合成のどちらにも悪影響を及ぼしていなかった。両方の特性で小さな上昇が見られた。

剪断試験結果は、図２２Ａおよび図２２Ｂに示される。従来のストランディングダイを用いて生産された１２個の見本の平均（中間）剪断強度は、７８３ｌｂ／ｉｎ^２であった（図２２Ａ）。改良ストランディングチャネルを含むストランディングダイで生産された１２の見本の平均（中間）剪断強度は、８６３ｌｂ／ｉｎ^２であった（図２２Ｂ）。小数の簡略な改良ストランディングチャネルは、所定の平面の剪断強度を、その平面におけるストランド間溶接部の表面積を増やすことによって高める上で効果的であった。

セルロース・プラスチック複合材は、木製の土台を置き換えてよい。複合材は、改善された耐久性、不織に対する強さ、及び土台の長さに垂直な（木製土台の木目に垂直な）より大きな圧縮強度を有する。本発明は、最大応力の平面で最大抵抗を提供するように配向できる強度特性を有する押出外形を生産する能力を提供する。木製土台は木材の弱い剪断強度を含むように設計されなければならないが、本発明で生産される複合材土台は、剪断強度が最も効率的に配向されるように設計され得る。

本発明のセルロース・プラスチック複合材は、セルロース成分およびプラスチック成分を含んでよい。セルロース成分は、実質的に、おがくずから池の汚泥、および新聞までどのような種類のセルロース材料でもあり得る。セルロース材料は、古新聞、アルファルファ、小麦パルプ、ウッドチップ、木材粒子、木粉、木片、木質繊維、研削木材、ベニヤ板、も木材積層板、ケナフ麻、紙、厚紙、その他のセルロース繊維物質を含んでよい。セルロース繊維製物質は、綿等の精製セルロース、またはケナフ、竹またはパーム、わらまたは任意の他のセルロース繊維材料等の粘着性がある、植物繊維を含んでもよい。

プラスチック成分は、大部分の種類の熱可塑性プラスチック材料を含んでよい。熱可塑性プラスチック材料は、おもにプロセス流動化装置としての機能を果たす。本発明で使用されてよい熱可塑性物質の例は、多層膜、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、塩化ビニル（ＰＶＣ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアリールエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の未使用の熱可塑性プラスチック、および他の再利用可能なポリマー材料だけではなく他の業界からのプラスチックおがくずを含む。熱可塑性物質は、出発物質の構成における好ましい構成要素であるが、必須ではない。出発物質が、押出機内の混合物を「可塑化するために」十分な量の架橋剤及び潤滑剤を含む限り（架橋剤および潤滑剤の例については、米国特許第５，５１６，４７２号を参照）、出発物質は必ずしも熱可塑性物質の使用を必要としない。

セルロース繊維対熱可塑性物質の比率は、約１:４および１：０の間であってよい。セルロース繊維と熱可塑性物質の比率は、好ましくは約１:１である。

本発明が、本明細書に示され、説明されているパーツの特定の構造および配列に限定されるのではなく、そのかかる改良された形式を、以下の特許請求の範囲の範囲内に該当するとして包含することを理解されたい。

１０ アダプタダイ
１２ 前部オリフィス
１４ 後部オリフィス
１６ アダプタチャネル
１８ ボルト穴
２０ アダプタダイ
２６ 制限域
３２ 押出機
３４ 複合材
４０ クロスヘッド押出装置
４４ コア材料
５０ 移行金型
５１ 後部オリフィス
５２ 移行チャネル
６０ ストランディングダイ
６１ 前部オリフィス
６２ ストランディングチャネル・グループ
６３ 個別ストランディングチャネル
６５ マニホールド
６６ 傾斜面

Claims (9)

1. 押出システムで使用するための装置であって：
   前部オリフィスと、後部オリフィスと、前記前部オリフィスを前記後部オリフィスに接続し、且つ内面を有するチャネルとを有する、移行金型であって、前記チャネルが前記前部オリフィスの断面積から前記後部オリフィスの断面積まで断面積が減少する先細域を含み、前記移行金型が押出機からの流体物を受けて、流体物が前記前部オリフィス、前記チャネル及び前記後部オリフィスを通過するようにする、移行金型；
   前記移行金型と接続し、且つ前記流体物を前記移行金型の前記後部オリフィスから受けるストランディングダイであって、凸状の前部穿孔面と、後部穿孔面と、前記前部穿孔面から前記後部穿孔面に延在する複数の不均一なチャネルとを有するストランディングダイであり、前記凸状の前部穿孔面の中央部は、前記凸状の前部穿孔面の外周部に比べて前記移行金型の前記後部オリフィスの方により伸びている、ストランディングダイ；および
   前記ストランディングダイに接続するように構成され且つ寸法決めされた成形用金型であって、前部オリフィスと、後部オリフィスと、該後部オリフィスに該前部オリフィスを接続するチャネルとを有する成形用金型であり、前記後部オリフィスの断面積に対する前記前部オリフィスの断面積の比が圧縮率を定め、前記圧縮率は１．５対１より大きい、成形用金型；
   を有する装置であり、
   前記移行金型の前記チャネルが、前記先細域の内面と、マニホールドを画定する前記ストランディングダイの前記前部穿孔面との間の空間をさらに有し、前記複数の不均一なチャネル及び前記マニホールドが複数のセグメントを画定し、該複数のセグメントの各々のセグメントは、前記複数の不均一なチャネルの一及び前記複数の不均一なチャネルの該一の直上流の前記マニホールドの全体により画定され、前記複数の不均一なチャネルの各々の長さおよび／または断面積は、前記複数のセグメントにおいて実質的に均一な圧力低下をもたらすよう、前記複数の不均一なチャネルの各々の直上流のマニホールドの部分と連携して構成され且つ寸法決めされている；
   装置。
2. 前記複数の不均一なチャネルが、異なる長さおよび／または異なる断面積を有するチャネルを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の不均一なチャネルの長さは、少なくとも１．０１の係数で最小長乃至最大長の範囲内にある、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記複数の不均一なチャネルの断面積は、少なくとも１．０１の係数で最も狭いチャネル乃至最も幅広いチャネルの範囲内にある、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記複数の不均一なチャネルの中央部は、前記複数の不均一なチャネルの周辺部のチャネルよりも大きな断面積を有するチャネルを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記複数の不均一なチャネルの周辺部は、前記複数の不均一なチャネルの中央部にあるチャネルよりも大きな断面積を有するチャネルを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記移行金型および前記ストランディングダイがまっすぐな押出機システム内に含まれ、前記先細域が環状のテーパーを画定する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記移行金型に接続するよう構成され且つ寸法決めされたアダプタダイであって：
   前部オリフィスと、
   後部オリフィスと、
   前記前部オリフィスを前記後部オリフィスに接続するチャネルであって、制限域を含むチャネルと
   を有するアダプタダイをさらに有する、請求項１乃至7のいずれか一項に記載の装置。
9. セルロース・プラスチック複合材を押し出すためのプロセスであって、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置を通して複合材を通過させることを含む、プロセス。
   

Images