MÉTODO PARA PRODUCIR MIEMBROS COMPUESTOS QUE TIENEN RESISTENCIA INCREMENTADA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona generalmente a estructuras que tienen materiales de núcleo estructurales dentro de una matriz compuesta. Más particularmente, la invención se relaciona · a materiales de construcción compuestos extruidos que tienen un material de núcleo seleccionado adaptado para incrementar la resistencia del miembro extruido. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un proceso de extrusión es uno de los métodos mucho más económicos de manufactura para producir materiales estructurales de ingeniería. Típicamente, se utiliza un proceso de extrusión para manufacturar tramos de miembros extruidos que tienen una sección transversal uniforme. La sección transversal de los miembros puede ser de varias formas simples tal como circular, anular o rectangular. La sección transversal de los miembros también puede ser muy compleja, que incluye estructuras de soporte internas y/o que tiene una periferia irregular. Típicamente, un proceso de extrusión utiliza compuestos de polímero termoplásticos que se introducen en una tolva de alimentación. Los compuestos de polímero termoplásticos pueden estar en polvo, líquido, en forma de
cubo, en forma de pelotilla y/o cualquier otra forma extruible. El polímero termoplástico puede ser virgen, reciclado o una mezcla de ambos. Además, el material termoplástico se puede incorporar con un (os) agente (s) de soplado o gas mecánicamente inyectado durante el proceso de extrusión para hacer un núcleo de estructura de espuma celular . Un material preferido utilizado para formar el núcleo es un compuesto de polvo de PVC rígido que es fácil de procesar, buena resistencia al impacto, una proporción de extrusión alta, buenas propiedades de superficie, buena estabilidad dimensional y resistencia a la indentación. Además, una formulación de extrusión preferida puede contener uno o más auxiliares de procesamiento. Un ejemplo de un auxiliar de procesamiento preferido es una resina basada en acrílico que tiene un peso molecular bajo tal como Acryloid K-125 o K-175 de Rohm y Haas. También, se pueden utilizar uno o más lubricantes. Se pueden proporcionar un lubricante interno y un lubricante externo. Lubricantes internos preferidos incluyen estearatos metálicos tales como sales de calcio y de zinc de ácido esteárico. Lubricantes externos preferidos incluyen parafinas. Adicionalmente , se pueden adicionar rellenadores a la formulación termoplástica para reducir el costo del producto y para mejorar las propiedades de impacto. Aunque
muchos tipos de rellenador son compatibles con la resina termoplástica, un rellenador típico es carbonato de calcio. Ejemplos de usos para los miembros extruídos incluyen materiales de construcción compuestos extruídos. Los materiales de construcción compuestos extruídos se han utilizado en aplicaciones de entablado de casas, molduras arquitectónicas, cercado, entarimado y otras aplicaciones. Una desventaja asociada con los materiales de construcción estructurales compuestos extruídos existentes es que los materiales existentes carecen de la resistencia necesaria para competir directamente con o reemplazar la madera estructural, por ejemplo, varias vigas de madera dimensionadas , es decir, 2x4, 2x6, 2x8, 4x4, 4x6, 4x8, etc. La estabilidad ambiental de los materiales compuestos, es decir, sin resquebrajamiento, sin termitas, sin pandeo, sin separación, etc., ha dado por resultado la popularidad incrementada de los materiales de entarimado y de cercado compuestos. Sin embargo, los materiales compuestos todavía típicamente requieren estructuras de soporte de madera para la resistencia estructural. Por ejemplo, la madera aserrada compuesta se utiliza actualmente para entarimado, sistemas ferroviarios y equipo de patio. Las fuentes indican que existe actualmente un mercado de $300 millones por año para la madera aserrada compuesta en los Estados Unidos. Se estima que el 80% del
mercado actual utiliza una forma de compuesto de madera plástica ( PC) . Se estima que el otro 30% es plástico sólido. Un compuesto de madera plástica (WPC) se refiere a cualquier compuesto que contenga partículas de madera mezcladas con un termoendurecedor o termoplástico . La industria de WPC utiliza especies de madera comunes relacionadas a su región para los Estados Unidos que incluyen pino, maple, roble y otros. Tamaños de partícula que se incorporan típicamente en los WPC varían de 10 a 80% de malla. La presencia de la fibra de madera incrementa la resistencia interna y las propiedades mecánicas del compuesto como es comparado a, por ejemplo, la madera flor. La WPC utiliza aproximadamente .relaciones de madera a plástico de 20% a 70% en masa en un proceso de manufactura típico. Las WPC s tienen características deseables como son comparadas a los sistemas de plástico. Por ejemplo, la adición de los rellenadores de madera en el plástico mejora generalmente la rigidez, reduce el coeficiente de la expansión térmica, reduce costo, ayuda a simular la sensación de madera real, produce una textura rugosa que mejora la resistencia al resbalamiento, y permite a la WPC ser cortada, formada y sujetada en una manera similar a la madera. La adición de partículas de madera al plástico también da por resultado algunas características indeseables. Por ejemplo, las partículas de madera pueden pudrirse y son
susceptibles al ataque fungal, las partículas de madera pueden absorber humedad, las partículas de madera que están sobre la superficie de un miembro de WPC pueden ser destruidas por el ciclo de congelamiento y descongelamiento, las partículas de madera son susceptibles a absorber el manchado ambiental, por ejemplo, de hojas de árboles, las partículas de madera pueden crear bolsas si se distribuyen inapropiadamente en un material de WPC, lo cual puede dar por resultado un riesgo de falla que no se puede detectar por inspección visual, y las partículas de madera crean dificultades de manufactura en el mantenimiento de los colores consistentes debido a la variedad de las especies de madera la absorción de color no es consistente. Los plásticos utilizan estabilizadores de luz UV que se desvanecen a través del tiempo. Como resultado, las partículas de madera sobre la superficie tienden a someterse al blanqueo ambiental. Consecuentemente, es difícil la reparación de un entarimado debido a la variación de color después de 6 meses a un año de exposición al sol. En un diseño compuesto de extrusión típico, la capacidad para llevar carga incrementada se puede incrementar mientras que se minimiza el peso al incorporar estructuras de soporte internas con núcleos de espuma internos. Ejemplos de tales diseños se enseñan en las patentes norteamericanas Nos. 4, 795, 666: 5, 728,330: 5,972, 475: 6,226, 944 ; y 6,233,892.
La capacidad para llevar carga incrementada, estabilidad y resistencia de los compuestos no extruidos se ha logrado al localizar el material de núcleo geométricamente formado entre las capas estructurales. Ejemplos de materiales de núcleo geométricamente formados preformados incluyen material de lámina de hexágono y maderas de peso ligero y espuma. Los problemas asociados con los materiales de núcleo preformados típicos incluyen dificultades asociadas con la incorporación de los materiales en el proceso de extrusión debido a la conformación preformada de los materiales. Otros esfuerzos para incrementar la resistencia con el diseño de fibra compuesto se han enfocado sobre la orientación de la fibra en el compuesto para obtener la resistencia incrementada a las relaciones de flexión. En un proceso compuesto de extrusión típico, la fibra/rellenadores se colocan aleatoriamente por toda la resina/plástico. Por lo tanto el incremento de la resistencia por la orientación de la fibra no es aplicable a un proceso de extrusión. El material de núcleo de espuma se ha utilizado en compuestos para la rigidez del material compuesto, por ejemplo, en la industria marina, puesto que al final de los años 1939 y 1940 y en la industria aeroespacial desde la incorporación de los plásticos reforzados con fibra. Recientemente, la espuma estructural para los materiales de núcleo ha mejorado grandemente en resistencia y
estabilidad ambiental. Las resistencias del material de núcleo estructural se pueden mejorar significantemente al adicionar fibras. Las espumas de poliuretano se pueden modificar con fibras de vidrio trituradas para incrementar la resistencia a la deformación flexible de 8.900 psi-62,700 psi . Las patentes de la técnica previa tienden a describir los materiales de núcleo de espuma como rígidos o que tienen una densidad alta. Sin embargo las propiedades mecánicas estructurales del núcleo de espuma tienden a no ser dirigidas. Un método común para obtener un cambio en la capacidad de carga es cambiar la densidad del material. Por ejemplo, esto se puede hacer en un poliuretano en el cual el agua está siendo utilizada como un agente de soplado. La densidad de un poliuretano disminuye con el incremento en la concentración de agua. Un problema que puede ocurrir cuando un material de núcleo y un material estructural no sean compatibles tanto química como físicamente es la deslaminación. La incompatibilidad química y física puede dar por resultado estructuras compuestas que sufren de fallas estructurales cuando el material de núcleo y el material estructural se separan entre sí. Como se discute en lo anterior, aunque el incremento de la capacidad para llevar carga, estabilidad y
resistencia se pueden incrementar al diseñar mejoras con nuevas resinas/plásticos, fibras /rellenadores y miembros de soporte estructurales internos, la capacidad para llevar carga todavía se limita por las mecánicas del proceso de extrusión. A pesar de las desventajas asociadas con los materiales de construcción diseñados, es decir, eliminación de los problemas asociados con el resquebrajamiento, termitas, pandeo, separación, etc., la falla de los materiales estructurales compuestos extruídos para lograr los atributos mecánicos de la madera han disminuido del valor del mercado económico potencial de los materiales de construcción diseñados . Adicionalmente, otras aplicaciones, tales como aplicaciones aeroespaciales , utilizan estructuras compuestas y han tenido que luchar con problemas asociados con la deslaminación de los materiales de núcleo y los estructurales . Por lo tanto, es deseable llevar los materiales de núcleo estructurales a la capacidad para llevar carga estructural más alta posible para que estas tecnologías se puedan incorporar en los compuestos extruídos para reemplazar las estructuras para llevar carga de madera y mejorar la industria de compuesto como un conjunto al estabilizar el núcleo compuesto para ayudar a mejorar los materiales de núcleo compuestos de la deslaminación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona a materiales compuestos extruidos, que se enfocan especialmente sobre la capacidad para llevar carga incrementada e incrementar la resistencia total de los compuestos. Un aspecto de la invención se relaciona a adecuar un material de núcleo para tener un coeficiente deseado de expansión térmica (CTE) con respecto a las propiedades mecánicas del material estructural. Un aspecto de la invención es dirigido hacia los procesos de manufactura que incorporan materiales de núcleo adaptados en un miembro estructural extruido. En una modalidad, la invención se relaciona a miembros compuestos que tienen una capacidad para llevar carga incrementada y resistencia total para permitir al miembro compuesto competir con la madera para el uso en proyectos de construcción, por ejemplo, tablones y postes para el uso con la construcción de entarimado doméstico y en otros proyectos. En otra modalidad, los procesos de la invención se pueden utilizar para construir componentes aeroespaciales que tienen resistencia incrementada. Los usos adicionales también se contemplan ya que caen dentro del alcance de la invención. Un objetivo de la invención es incrementar la capacidad para llevar carga y la resistencia de un miembro extruido al inyectar un material de núcleo conformable, tal como espuma en el miembro extruido. La invención contempla un
molde de extrusión que utiliza un sistema de inyección que se puede incorporar en un equipo de extrusión existente del fabricante. El material de núcleo conformable se inyecta en y alrededor de los miembros de soporte estructurales internos de un miembro extruido. Preferiblemente, mientras que el miembro está siendo extruido, el material de núcleo se inyecta para reemplazar los huecos de aire dentro del miembro. La inyección de material de núcleo estructural conformable al mismo tiempo y a la misma proporción conforme el miembro estructural está siendo extruido produce mejoras significantes al incrementar la capacidad para llevar carga, estabilidad y resistencia total y al mejorar la factibilidad económica. Por ejemplo, una espuma de poliuretano rígida es de aproximadamente 10 veces menos costosa por volumen que el PVC . Por lo tanto, al reemplazar algún volumen interior de un miembro extruido con espuma, el volumen de PVC se reduce mientras que mantiene la misma resistencia estructural o mayor. Por lo tanto, la inyección de una espuma conformable da por resultado unos ahorros de costo significantes. En algunas aplicaciones, el material de núcleo estructural conformable inyectable se puede aplicar a un miembro extruido que ha sido previamente curado. Un beneficio de un material de núcleo estructural conformable inyectable es que el material de núcleo no se
limita por el diseño estructural del miembro compuesto debido a que el material de núcleo se conforma a las conformaciones geométricas presentes en la estructura. Aunque un material de núcleo y un material estructural se pueden combinar inicialmente en un miembro compuesto sin considerar las CTEs de cada uno, esto no garantiza la integridad estructural a través del tiempo. Por lo tanto, la invención de la solicitud involucra la adaptación del material de núcleo estructural conformable por la selección de cantidades óptimas de rellenadores estructurales para lograr una CTE deseada de los materiales. La etapa de adaptar el material de núcleo estructural proporciona una solución para el diseño estructural compuesto sin considerar la composición de los materiales. Un aspecto de la invención es dirigido hacia la interacción mecánica y la relación entre un plástico térmico seleccionado y un material de núcleo de espuma seleccionado. Los plásticos térmicos tienen propiedades mecánicas que son influenciadas por las temperaturas ambientales. Por ejemplo, los plásticos térmicos son más fuertes a temperaturas más frías pero son más quebradizos. Los plásticos térmicos son más débiles en clima más caliente, pero son más flexibles. La espuma para un material de núcleo interno dentro de un material de plástico térmico se puede adaptar para superar las variaciones en las resistencias estructurales de
los plásticos térmicos. Por ejemplo, un material de núcleo ideal se selecciona para poseer propiedades de expansión térmicas que compensan las características de pandeo térmicas del material estructural plástico térmico que el material estructural experimenta debido al calentamiento térmico en el medio ambiente. La expansión térmica del núcleo y la rigidez mecánica del compuesto se pueden adaptar para lograr la resistencia deseada y la presión interna, dando por resultado rigidez mecánica del compuesto. La interacción del pandeo térmico del material plástico térmico en relación a la expansión térmica del material de núcleo interno se puede considerar seleccionar una espuma ideal para el uso con un plástico particular. Idealmente, los materiales funcionarán como un compuesto real. Debido a los usos enormes de esta invención asociados con el diseño de compuesto y sus aplicaciones con la selección abrumadora de los materiales y sus combinaciones, el método descrito en la presente permite los empare amientos de material óptimos a ser determinados. Ya que los miembros transversales internos de un miembro estructural y la estructura exterior se someten al debilitamiento mecánico conforme la temperatura se incrementa, un material de núcleo interno seleccionado que tiene una expansión térmica óptima con propiedades mecánicas térmicas aumentadas mejorará la rigidez y la resistencia mecánica del compuesto combinado en
una manera similar a inflar una llanta de automóvil para incrementar la rigidez mecánica del caucho. Una ventaja adicional asociada con el uso de los materiales de núcleo tales como espumas son las propiedades de aislamiento térmico de la espuma. Una ventaja mecánica insignificante se logra al reducir la proporción de transferencia de calor de la superficie de un miembro estructural a una estructura de soporte interna del compuesto, para de esta manera proteger térmicamente la estructura de soporte interna de las fluctuaciones de calor y mantener las resistencias internas incrementadas de las estructuras de celda en el compuesto durante las temperaturas elevadas . La CTE se puede adaptar en una matriz compuesta para mejorar la funcionalidad de superficie entre el material estructural y el núcleo, para de esta manera reducir las tensiones de esfuerzo cortante que se crean por el ciclo térmico y la interfaz de contacto de los dos materiales. Las densidades de la espuma de poliuretano son directamente proporcionales al agente de soplado, típicamente agua. Mientras menos agua, más alta es la estructura de celda, lo cual da por resultado espumas de densidad más altas. En una estructura de celda cerrada, el control de las fuerzas internas causado por el ciclo térmico producido por el material de núcleo se puede lograr al adaptar la CTE.
La CTE del material de núcleo se puede adaptar al ajustar una cantidad de rellenador en el material de núcleo. Por ejemplo, los rellenadores tales como fibras trituradas y microesferas tendrán una CTE mucho más baja en la espuma estructural. La CTE de las esferas de vidrio es de aproximadamente 100 veces más pequeña que la mayoría de los materiales de resina. Las esferas de vidrio o esferas de cerámica tienen enorme resistencia a la compresión en comparación a las celdas de espuma creadas por los agentes de soplado. Pro lo tanto, la adición de las microesferas no solo proporcionará la habilidad para adaptar la CTE de espuma sino reemplazarán las estructuras de celda de resistencia de compresión baja con las estructuras de celda de resistencia más altas. La incorporación de fibras trituradas ayuda a la resistencia estructural transversal notable por toda la espuma. El análisis del modelo mecánico del solicitante claramente ilustra una resistencia incrementada de los materiales que resultan de la presencia del material del núcleo sin considerar la estructura mecánica. El análisis se dirigió al PVC extruído. Algunos de los miembros de PVC extruídos se rellenaron con fibras trituradas y algunas no. Las fibras trituradas incrementaron la resistencia del miembro estructural y disminuyeron la CTE. Los aditivos de las fibras seleccionadas a los materiales de núcleo de espuma ilustran características similares. La selección de los
materiales apropiados para un compuesto se complica debido a que los compuestos no son materiales homogéneos. Sin embargo, los compuestos son requeridos para funcionar como una estructura homogénea sin la desviación estructural. Los modelos claramente muestran como las fibras de reforzamiento incrementan las capacidades para llevar carga en los materiales compuestos. Las fibras hechas por el hombre y rellenadores se pueden utilizar para mejorar las propiedades mecánicas asi como para disminuir las CTE' s de un material de núcleo. Idealmente, los materiales rellenadores deben ser ambientalmente estables y manipulables en configuraciones geométricas deseadas para que se puedan incorporar en un diseño estructural. Ejemplos de materiales de fibra incluyen fibra de vidrio, carbono y nailon. Estas fibras se pueden cortar a una longitud especifica con un diámetro deseado que se puede incorporar en un proceso de moldeo por inyección ya sea del fabricante de plástico si el material deseado es un plástico de espuma. Si la resina es un material reactivo tal como espuma de poliuretano, los rellenadores y fibras se pueden combinar ya sea en la etapa liquida previo al mezclado de los componentes reactivos o en la cámara de mezclado de espuma previo a ser extruidos. El coeficiente de la expansión térmica se relaciona directamente a la relación de rellenadores a plásticos en volumen.
Los materiales de núcleo sólidos se pueden hacer de poliuretano, poliureas y materiales epoxi de alta densidad etc., que tienen resistencia alta y tiempo de curado rápidos. Estos materiales se pueden rellenar con rellenadores o microesferas para producir materiales de núcleo inyectables de resistencia alta. En una modalidad, el método de la invención se utiliza para formar tablones compuestos para propósitos de entarimado y de construcción. La superficie superior del tablón se puede tratar o formar para tener un acabado texturizado tal como una textura rugosa, acanalada, de rallas transversales, estriada, de hoyos, agrietada o de grano de madera. Un rodillo grabador mecánico se puede localizar detrás del calibrador de enfriamiento y después del molde de extrusión para lograr la textura de superficie del núcleo extruido. Cualquier variedad de textura se puede crear mediante este método sobre el núcleo tal como los granos de madera y los similares. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIG. 1 es una vista de sección transversal de un molde de extrusión con estructuras de soporte internas para la estabilidad mecánica adicionada y la resistencia; la FIG. 2 es una vista de sección transversal de un miembro extruido del molde de la FIG. 1; la FIG. 3 es una vista de sección transversal de un
molde de extrusión que tiene un sistema de inyección para llenar las áreas de huecos de un miembro extruido con un material estructural de núcleo conformable; la FIG. 4 es una vista de sección transversal de un miembro extruido que tiene áreas de hueco rellenadas por el material de núcleo estructural conformable inyectable; las FIGs. 5a y 5b son vistas de sección transversal de los miembros extruidos que tienen una configuración marcada "modelo 1". La FIG. 5a muestra el miembro extruido con huecos vacíos, mientras que la FIG. 5b muestra el miembro extruidos que tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. Las FIGs. 6a y 6b son vistas de sección transversal de los miembros extruidos que tienen una configuración marcada "modelo 2". La FIG. 6a muestra el miembro extruido con huecos vacíos, mientras que la FIG. 6b muestra el miembro extruidos que tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. Las FIGs. 7a y 7b son vistas de sección transversal de los miembros extruidos que tienen una configuración marcada "modelo 3". La FIG. 7a muestra el miembro extruido con huecos vacíos, mientras que la FIG. 7b muestra el miembro extruidos que tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. La FIG. 8 es una vista de sección transversal de un
miembro extruido adecuado para el uso como un poste de soporte, en donde el poste tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. La FIG. 9 es una vista de sección transversal de un miembro extruido adecuado para el uso como un poste de soporte, en donde el poste tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. La FIG. 10 es una vista de sección transversal de un miembro extruido adecuado para el uso como un poste de soporte, en donde el poste tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. La FIG. 11 es una vista de sección transversal de un miembro extruido adecuado para el uso como un poste de soporte, en donde el poste tiene huecos rellenados con un material de núcleo conformable. La FIG. 12 es una representación de análisis de tensión de la viga sólida de la FIG. 8. La FIG. 13 es una vista de sección transversal de un material de núcleo estructural con la presencia de interacción de la fibra por toda una matriz de espuma de microesfera . DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Antes de explicar la presente invención en detalle, es importante entender que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de las modalidades y etapas
descritas en la presente. La invención es capaz de otras modalidades y de ser practicada o llevada a cabo en una variedad de maneras. Va a ser entendido que la fraseología y terminología empleadas en la presente es para el propósito de descripción y no de limitación. Con referencia ahora a la FIG. 1, se muestra una sección transversal del molde de extrusión de la técnica previa 10. El molde de extrusión 10 incluye el elemento de molde externo 12 los elementos de molde internos 14 que define las paredes del molde 16. Las paredes del molde 16 definen los canales 18 a través de los cuales se lleva un material fundido. Una vez que el material fundido se lleva fuera del molde 10, el material se enfría, dando por resultado un miembro extruído, por ejemplo, el miembro extruído 19, mostrado en sección transversal en la FIG. 2. Con referencia ahora a la FIG. 3, se muestra un molde de extrusión mejorado 20. El molde de extrusión 20 incluye el elemento de molde externo 22 y los elementos de molde internos 24 que definen las paredes del molde 26. Las paredes del molde 26 definen los canales 28, a través de los cuales se lleva el material. Las rutas inyectoras 30 se proporciona en un los elementos de molde internos 24 para facilitar la introducción de un material de núcleo, tal como una espuma u otro material. Por lo tanto, el material fundido se lleva a través de los canales 28 y fuera del molde 20
mientras que el miembro extruido se llena simultáneamente con el material de núcleo. El resultado es el miembro extruido 32 (FIG. 4) que tiene el material de núcleo 34 localizado en el mismo . Con referencia ahora a las FIGs. 5a - 7b, los miembros compuestos 36, 38, 40 y 42 se muestran en las FIGs. 5b, 6b y 7b con huecos rellenados con el material de núcleo 34. Los miembros compuestos 36, 38, 40 y 42 se pueden extruir teniendo varias configuraciones de soporte internas. Por ejemplo, el miembro compuesto 36 se muestra con una estructura interna que tiene ambos soportes verticales 42 y los soportes diagonales 44 en donde los huecos se rellenan con el material de núcleo 34 (FIG. 5b) . El miembro compuesto 38 se muestra que tiene soportes diagonales 46 que forman los huecos que se rellenan con el material de núcleo 34 (FIG. 6b) . El miembro compuesto 40 se muestra que tiene una pluralidad de los soportes internos verticales 48 rellenados en el material de núcleo 34 (FIG. 7b) . Otras configuraciones también son posibles. Como se puede observar en las FIGs. 8-11, las vigas estructurales compuestas 50, 52, 54 y 56 se muestran que tienen varias estructuras de soporte internas, en donde las vigas se rellanan con el material de núcleo 34. Por ejemplo, la viga 50 se muestra sin los soportes internos y se rellena con el material de núcleo 34 (FIG. 8) . La viga 52 se muestra
que tiene los soportes diagonales 58 y los soportes angulados derechos 60 y se rellena con el material de núcleo 34 (FIG. 9) . La viga 54 se muestra que tiene un primero y segundo soporte angulado derecho 62 que define cuatro huecos dimensionados iguales rellenados con el material de núcleo 34 (FIG. 10) . La viga 56 se muestra que tiene cuatro soportes angulados derechos 64, que definen nueve huecos rellenados con el material de núcleo 34 (FIG. 11) . Otras configuraciones de soporte internas son posibles. En una modalidad, por ejemplo la modalidad de las
FIGs . 2 y 4, el material de núcleo estructural conformable inyectable 34 se alimenta en el molde de extrusión 20 (FIG. 3) a través de las rutas inyectoras 30 mientras que el material estructural se lleva a través del molde 20. Durante un proceso de extrusión, se debe determinar una velocidad de alimentación óptima. Como un ejemplo, la geometría estructural de un miembro extruído es un tubo cuadrado ejemplar que tiene dimensiones de 1 pulgada por 1 pulgadas y un espesor de pared de 0.2 pulgadas. En un proceso de extrusión preferido, la velocidad de alimentación del material de núcleo estructural conformable inyectable se calcula para permitir el desempeño óptimo sin incrementar nocivamente la tensión sobre la cámara compuesta. Como un ejemplo, la espuma de poliuretano rígida o Styreenfoam se puede utilizar como el material de núcleo estructural
conformable inyectable, es decir, una espuma manufactura por Bayer, Baydur 726 IBS. Otros materiales también se pueden utilizar como se discute enseguida. Para calcular la velocidad de alimentación óptima, las siguientes etapas son seguidas. La etapa 1 calcula la velocidad de expansión de la espuma de liquido sólido. Las siguientes suposiciones se pueden utilizar con respecto a las propiedades de la espuma: Ig = 4.0 cm3 apropiadamente basado sobre la densidad de elevación libre de la espuma 1 = g (4.0 cm3 (1 pulgada3/ ( 2.45 cm)3)) = 0.27 pulgada3 La etapa 2 calcula los volúmenes de hueco que están siendo rellenados por base de piel lineal. 1 pie = 12 pulgadas Volumen de Hueco por pie = (12 pulgadas) (1 pulgadas) (1 pulgadas) = 12 pulgadas3 La etapa 3 calcula la velocidad de extrusión por pie del material compuesto. Esta calculación se basa sobre los parámetros accionadores del equipo. Para los propósitos de este ejemplo la velocidad de extrusión del material compuesto se asume que es 10 pies/min. La etapa 4 determina la velocidad de inyección de liquido de la espuma no expandida para igualar la velocidad de extrusión del compuesto. Las calculaciones de expansión en
la etapa 1, la calculación de volumen del hueco en la etapa 2 y la velocidad de extrusión calculada en la etapa 3 se utilizan en determinar la etapa 4. La velocidad de flujo de liquido calculada permitirá al material compuestos rellenar la estructura completamente si el hinchamiento que resulta del desajuste de expansión de volumen o creando huecos en la estructura interna. Las calculaciones de expansión en la etapa 1, la calculación en la etapa 2 y la velocidad de extrusión en la etapa 3 permiten la calculación de la velocidad de inyección de liquido de la espuma no expandida para igualar la velocidad de extrusión del compuesto. 10 pies/min(12 pulgadas3/! pie) (1 g/0.27 pulgada3) =
444 g/min La velocidad de flujo de liquido calculada de 444 g/min del material de espuma no reaccionado para rellenar la tabla extruida de 10 pies por minuto permite el material compuesto rellenar la estructura completamente sin el hinchamiento que resulta de el desajuste de expansión de volumen y sin crear huecos en el material compuesto estructural. Este ejemplo se enfoca sobre las características de expansión de una espuma sin la fibra y los rellenadores estructurares debido a que no cambian el volumen físico en la inyección . La mayoría de las espumas son de dos partes y son altamente reactivas. Por lo tanto, los controladores de flujo
de masa o los controladores de flujo de volumen se pueden utilizar en conjunción con el material extruido para controlar el sistema de inyección para que el proceso se pueda controlar o detener en cualquier momento. En una modalidad, el material de núcleo 34 se inyecta manualmente en los huecos estructurales o canales de un miembro extruido y el material de núcleo excedente 34 se recorta en el final del proceso. Si una estructura cerrada se rellena manualmente, existe una posibilidad de que el miembro extruido será deformado por la sobreexpansion del material de núcleo inyectable 34 dentro del miembro extruido. Mientras que los materiales reactivos similares a la espuma se pueden utilizar como el material de núcleo estructural conformable inyectable 34, los materiales no activos, tales como geles también se contemplan para caer dentro del alcance de la invención . Con referencia ahora las Tablas 1 - 12, las pruebas de tensión se condujeron sobre miembros extruidos de varios materiales estructurales y, varias configuraciones, con y sin un material de núcleo. Los tablones se soportaron con soportes espaciados a 16 pulgadas. Los miembros cada uno tiene dimensiones exteriores de 5 ½ pulgadas por 1 ½ pulgadas. Las estructuras internas y las paredes de los miembros tienen un espesor de pared de 0.2 pulgadas. Los miembros extruidos se aseguraron con extremos rígidamente
fijos y se sometieron a una carga de prueba de 500 libras suministrado por un miembro de 5 ½ pulgadas de largo por 1 ½ de ancho sobre el ancho del tablón centrado entre los soportes . La Tabla 1 muestra los datos para un miembro extruido para el modelo 1, es decir, un miembro extruido que tiene miembros de soporte internos tanto vertical como diagonal (ver, las FIGs. 5a, 5b) . El material estructural del miembro extruido consiste de un compuesto de vinilo-rigido PolyOne Duraflec LD800. En el caso 1, el miembro se probó con nada de material de núcleo presente (RPVC) . En el caso 1, el miembro se probó con nada de material de núcleo presente. Como se puede observar de la tabla 1, la deflexión máxima experimentada por el miembro durante la prueba fue de 0.0229 pulgadas. En el caso 25, un miembro que tiene construcción idéntica pero rellenada con un material del núcleo de Bayer material Science Baydure STR/C-405 IMR, Espuma SRIM de Compuesto de Poliuretano, Rellenado con Vidrio a 45% experimentó una deflexión de solo 0.00944. En el caso 45, un miembro que tiene construcción idéntica pero rellenada con un material de núcleo de Bayer material Science Baydure STR/C-405 IMR, Espuma de SRIM Compuesto de Poliuretano, Rellenado con Vidrio a 60% experimentó una deflexión de solo 0.00706. Por lo tanto, se puede observar que las estructuras rellenadas con espuma exhiben una resistencia incrementada a
la deflexión, es decir, exhiben mayor resistencia. Además, se puede observar que al incrementar el contenido de fibra de vidrio, la cantidad de deflexión disminuye adicionalmente , es decir, la resistencia del miembro se incrementa adicionalmente. Esta tendencia se puede observar para cada una de las configuraciones geométricas de los miembros extruidos, es decir, por referencia a cada una de las tablas 1-12. Para ciertos materiales y configuraciones, por ejemplo, materiales y configuraciones referenciados por las Tablas 2 y 9, el incremento de desempeño al incrementar el porcentaje del rellenador de vidrio fue insignificante. Se cree que los incrementos adicionales en probar la fuerza tendrían que llevar las diferencias de resistencia en los miembros que tienen las espumas de rellenadas de vidrio al 45% y rellenadas de vidrio al 60%. Esto ilustra también donde los ahorros de costo se pueden aplicar al disminuir el espesor de la pared del PVC y al incrementar el volumen de hueco con la espuma . En resumen, las Tablas 1 - 12 ilustran que la resistencia mejorada de un miembro compuesto se puede lograr al incorporar fibras en el material núcleo. La interacción del pandeo térmico del material plástico térmico en relación a la expansión térmica del material del núcleo interno se puede considerar que selecciona una espuma ideal para el uso con un plástico
particular. Como en los miembros transversales internos de un miembro estructural y la estructura exterior se somete al debilitamiento mecánico conforme la temperatura se incrementa, un material de núcleo interno seleccionado que tiene un coeficiente óptimo de la expansión térmica (CTE) con una temperatura de deflexión alta mejorará la rigidez y a resistencia mecánica del compuesto combinado. Un método para controlar la CET es al adicionar rellenadores estructurales. Por ejemplo, la adición de microesferas a ser mezcladas con la espuma. La adición de 40% - 50% en volumen de microesferas de vidrio disminuirá el peso del material del núcleo y disminuirán las CTE por aproximadamente 40% a 50%. Las microesferas de vidrio tienen propiedades ventajosas que incluyen el hecho de que las microesferas son rígidamente sólidas, es decir, sustancialmente incompresibles, y tienen adición excelente dentro de una matriz de poliuretano. Las microesferas de vidrio son química y térmicamente estables con absorción de agua de casi cero dependiendo de la manufactura. El tamaño de ¦ partícula de la microesfera de vidrio permite la capacidad de maquineo excelente con superficies lisas. La adición de una cantidad seleccionada de microesferas de vidrio permite el núcleo de espuma resultante a ser adaptado para tener una CTE deseada con respecto a la CTE del material estructural. Ejemplos de las CTEs de
materiales conocidos se pueden encontrar en la Tabla A, enseguida . TABLA A Categoría CTE, lineal 20°C Compuesto Rígido de Vinilo 61.2
(RPVC) PolyOne Duraflex LD800 Bayer 90 µm/? -0 Ventaja Genérica 5.8 /m-°C Compuesto Rígido de Vinilo 39.6
(RPVC) PolyOne Fiberloc 97510, Rellenado con Vidrio Compuesto Rígido de Vinilo 30.6
(RPVC) PolyOne Fiberloc 97520, Rellenado con Vidrio Compuesto Rígido de Vinilo (RPVC) PolyOne Fiberloc 97530, Rellenado con Vidrio Bayer Material Science Baydur 14 µ /m-°C SCT/C-400 BB, Espuma SRIM Compuesta de Poliuretano, Rellanada con Vidrio al 60%, Sistema Líquido Componente basado en MDI Bayer Material Science Baydur 26
SCT/C-405 IMR, Espuma SRIM
Compuesta de Poliuretano, Rellanada con Vidrio al 45%, Sistema Liquido Componente basado en MDI Plásticos North Wood HDPE con 20% de Fibra de Madera Plásticos North Wood HDPE con 58 µm/m-0 40% de Fibra de Madera Plásticos North Wood HDPE con 36
60% de Fibra de Madera Plásticos North Wood HDPE + UNIFILL 60% (20% de Fibra de Madera) Plásticos North Wood HDPE + UNIFILL 60% (40% de Fibra de Madera ) Compuesto Rígido de Vinilo 61.2
PolyOne Duraflec LD800 (RPVC) Bayer Material Science Baydur 90 |im/m-0C SCT/C-405 IMR, Espuma SRIM Compuesta de Poliuretano, Rellanada con Vidrio al 45%, Sistema Líquido Componente basado en MDI Fibra de Vidrio Generic 5.8 ^im/m-°C
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En el ejemplo enseguida, los rellenadores estructurales se utilizan para reducir la CTE y la densidad de un material de núcleo compuesto. La Tabla B, enseguida, muestra las relaciones de espuma de la microesfera y la CTE del material de espuma en concentraciones de microesfera diferentes . TABLA B
CTE de un material de PVC conocido, por ejemplo
Compuesto de Vinilo PolyOne Duraflec© LD800 - Rígido (RPVC) es conocido que es 61.2
de acuerdo a ASTM D696 (de la Tabla A, en lo anterior) . La Tabla B, inmediatamente anterior, muestra las propiedades de una espuma de ejemplo
particular, es decir, espuma de Espuma de Poliuretano Rígida Bayer Baydur 726IBS que tiene una referencia de partida de una densidad de 0.88 g/cc previo a los rellenadores estructurales que se adicionan y tiene una CTE de 90 µp?/??-?0. Al adaptar la cantidad de los rellenadores estructurales, en este caso 3 Scotchlite Glass Bubbles K Series que tiene una CTE de 3.3
una cantidad seleccionada de rellenador estructural se puede incorporar en la espuma para crear una espuma resultante en donde la CTE de material estructural de PVC y la CTE de núcleo de espuma se puede optimizar. En este ejemplo, la cantidad de rellenador requerido para optimizar las CTEs es entre 30% o 40% rellenada. En este ejemplo, un relleno de 40% que utiliza microesferas K20 da por resultado unas CTEs de espuma de 55. µta/p?-°0. La densidad combinada nueva es de 0.608 g/cc. Aunque el ejemplo anterior muestra la CTE del material estructura y el núcleo de espuma se puede seleccionar para reducir las diferencias de CTE, se contempla que cualquier relación deseada de la CTE del material estructural y el núcleo de espuma se pueden seleccionar para lograr un resultado deseado. Con referencia ahora a la FIG. 13, se muestran las microesferas 100 combinadas con las fibras trituradas 102 para permitir las innovaciones nuevas y la estabilidad estructural aumentadas adicionales dentro de la espuma
compuesta 104. La estructura de espuma celular 104 del poliuretano se puede adaptar al variar al agente de soplado. La influencia de los rellenadores sólidos, tal como microesferas 100, combinado con la presencia de las fibras 102 afianzarán grandemente el compuesto total. Por ejemplo, una fibra triturada de 1/8 pulgadas 102 que tiene un diámetro de 7 mieras se puede utilizar dentro de la espuma 104 que tiene una relación en volumen de 50% de microesferas 100 y 50% de espuma 104 en volumen. La fibra 102 hará contacto y se adherirá las microesferas 100 la microesfera más grande 100 que 3M® hace 120 mieras. La fibra de 1/8 pulgadas 102 dentro de la matriz de espuma sólida al 50% por lo tanto tendría una posibilidad de poner en contacto y adherirse a la superficie de 5,200 microesferas 100. El material de espuma 104 tiene propiedades elastoméricas y las partículas sólidas 100 no. Por lo tanto, las partículas sólidas 100 actuarán similar en un sistema de anclaje con una fibra 102 en la matriz de espuma que limitará el grado de libertad que la fibra 102 tiene que moverse dentro de la matriz de la resina. Este fenómeno reduce la cantidad de las fibras 102 necesarias para incrementar la rigidez debido a la naturaleza de anclaje del material sólido 100 que interactúa con la fibra 102 dentro de la geometría estructural de miera. Utilizando el método descrito en lo anterior, se puede observar que las espumas estructurales se pueden
adaptar para cumplir las necesidades de la industria aeroespacial . Generalmente, los criterios para los compuestos de espuma estructurales aeroespaciales incluyen la estabilidad térmica y la CTE baja, baja densidad y peso ligero (10 a 15 libras/pie3) , rigidez estructural, buena resistencia interna, temperaturas de operación arriba de 77 °C (170°F), maquinabilidad, celda cerrada, absorción de agua baja, tiempo de curado controlable, químicamente estable, excelente adición para epóxis, y materiales que se pueden moldear por vaciado a cualquier longitud. Al diseñar los materiales para núcleo estructurales para lo aeroespacial, las microesferas no necesitarán se adicionadas a una velocidad de porcentaje alto, por ejemplo, 40% - 80% en volumen a fin de disminuir la CTE y la densidad total del material de núcleo estructural. Los aditivos de fibras se pueden incorporar en esta aplicación de diseño en cantidades pequeñas si es necesario incrementar la estabilidad dimensional mecánica por todo el material de núcleo. La desventaja de adicionar la fibra es que la adición de la fibra incrementa el peso el miembro compuesto. Por lo tanto, cantidades pequeñas de fibras trituradas apropiadamente seleccionadas se pueden utilizar, es decir, de 4% a 10% en masa, como un punto de partida, debe ser suficiente, para lograr el desempeño estructural deseado. Las fibras de vidrio trituradas cortas con un diámetro
pequeño del intervalo de miera proporcionan beneficios de absorción de humedad baja con estabilidad química, mecánica y térmica. Además, el compuesto resultante es maquxnable, y las fibras de vidrio trituradas proporcionan excelente adición con uretanos. Los métodos descritos en lo anterior se pueden utilizar para producir madera aserrada compuesta que tiene atributos deseables. La madera cerrada compuesta que utiliza los métodos de la invención se puede producir teniendo estabilidad mecánica térmica excelente hasta o más alta que 77°C (170°F), baja absorción de humedad, materiales estructurales que reducen ahorros de costo, un tiempo de curado controlable para maximizar la producción, propiedades retardantes de fuego, propiedades resistentes de insectos, propiedades resistentes fúngales y que se cortan fácilmente con una sierra circular. La espuma estructural de poliuretano es la matriz de espuma de costo mucho más eficiente actualmente disponible. La espuma de poliuretano se puede formular para ser resistente al fuego, insectos y fungal basados sobre aditivos que han sido probados exitosos. Dependiendo de la selección de los materiales químicos estructurales extruídos y si la espuma está rellenada o no rellenada cambia insignificantemente la integridad estructural del material del núcleo. Sin embargo, los materiales de PVC diferentes al
polietileno o polipropileno se prefieren debido a las propiedades mecánicas térmicas superiores. Los aditivos estructurales se pueden utilizar para ahorros de costo. Las fibras naturales asi como las fibras de vidrio trituradas se pueden utilizar debido a que el PVC es resistente a la humedad, el cual protege las fibras naturales de la degradación. Un porcentaje más alto de fibras dará pro resultado una rigidez estructural más alta. 30% a 50% en peso con una relación de 50% de fibra de cáñamo y 50% de vidrio es preferida. Las fibras de vidrio son más térmicamente estables pero las fibras naturales son más eficientes de costo. Al utilizar las relaciones de fibra altas listadas en lo anterior, las cantidades incrementadas de agentes de soplado se pueden utilizar, las cuales disminuirán la densidad de la espuma sin sacrificar la integridad estructural. Cantidades pequeñas de partículas sólidas tales como microesferas de vidrio o sílice ahumada también se pueden adicionar para adaptar la CTE. Esta adaptación permitirá a los materiales funcionar homogéneamente promoviendo la mejor estabilidad térmica mecánica entre los componentes compuestos. En el caso de los plásticos de espuma se puede utilizar la misma mejora estructural previamente mencionada. La introducción de los rellenadores y fibras estructurales se pueden introducir en el material termoplástico previo a la extrusión del material en bruto de proveedor o en la etapa de
formación de compuesto antes de hacer contacto con un agente (s) de soplado o de gas mecánicamente inyectado. En el caso de los gases mecánicamente inyectados, los rellenadores y fibras estructurales se pueden incorporar en el plástico a través de la introducción del gas presurizado, que contiene la ración de mezcla apropiada de las partículas y fibras estructurales . Los plásticos también pueden incorporar estabilizadores de luz UV. Los estabilizadores de UV tienden a disminuirse con el tiempo. El estabilizador de luz UV se puede incorporar en el plástico como un aditivo por todo el espesor entero del plástico. En el uso, el ataque de luz UV típicamente viene de la luz solar. Por lo tanto, el compuesto plástico necesita un recubrimiento de luz UV protector antes que estabilidad de luz interna. Una superficie no de resbalamiento con resistencia a la abrasión excelente y un recubrimiento de luz UV que no pierde la estabilidad de luz UV con el tiempo sería un beneficio al sistema compuesto descrito en lo anterior, particularmente cuando se emplea en un método para crear tablones de manera compuestos para el uso en entarimado doméstico. El descubrimiento de no resbalamiento se puede hacer al adicionar rellenadores tales como arena, microesferas u otras partículas duras pequeñas. Estas partículas serán adicionadas a diferentes áreas a los
procesos de manufactura. La primera aplicación aplicará un recubrimiento de polvo previo a una rueda grabadora para de esta manera grabar las partículas pequeñas en la superficie del compuesto. El material excelente luego se puede aspirar de la superficie y reciclar. Un sellador aplicado con spray con un aditivo de luz UV así como una partícula resistente a la abrasión luego se puede aplicar. Este recubrimiento tendrá la apariencia de una mancha translúcida que da al grano de madera grabado una apariencia manchada natural de madera. Una herramienta grabadora se despliega para dejar hendiduras similares a las características de grano de madera, del cual hace el recubrimiento más espeso y más oscuro en el patrón de grano de madera para simular la apariencia de madera real. La selección del sistema de recubrimiento apropiado con el nivel de pigmento apropiado puede ayudar a sellar las partículas de madera en el compuesto así como igualar las variaciones de color inconsistentes del WPC. El plástico todavía necesitará un aditivo de pigmento básico de modo que si el recubrimiento se ralló o dañó no habrá una diferencia de color drástica. También es posible proporcionar un sistema de reparación de ralladuras para el consumidor para igualar su patrón de grano estético cuando una ralladura se sella. Hay una variedad de recubrimientos que se pueden utilizar. Por ejemplo, poliuretanos , poliureas y poliacrílieos con una variedad de posibilidades de curado, tal como a temperatura ambiente,
calor y catalizadas. La industria de compuestos ha desarrollado una variedad de materiales que se pueden utilizar para crear materiales estructurales que tienen propiedades deseadas. Se anticipa que la industria de la espuma puede producir espumas que tienen resistencias mayores que la madera por si misma que se pueden aumentar por el uso de los métodos de la invención para reforzar los materiales de espuma. La FIG. 9 ilustra que una coraza exterior durable se puede requerir o la espuma puede tener un proceso de autodesprendimiento durable en el cual la espuma crea su propia coraza exterior durable en el curado. Asi, la presente invención es bien adaptada para llevar a cabo los objetivos y lograr los fines y ventajas adicionados en lo anterior asi como aquellos inherentes en la presente. Mientras que las modalidades presentemente preferidas se han descrito para propósitos de esta descripción, serán evidentes numerosos cambios y modificaciones para aquellos expertos en la técnica. Tales cambios y modificaciones se abarcan dentro del espíritu de esta invención como es definida por las reivindicaciones adj untas .
TABLA 1
t
TABLA 2
o
TABLA 3
o
TABLA 4
un TABLA 5
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TABLA 6
TABLA 7
TABLA 8
l -L -
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TABLA 10
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TABLA
o
TABLA 12
TABLA 13