MXPA03009787A - Material mixto de madera - plastico celular de baja densidad y procedimiento para formacion. - Google Patents

Abstract

Un tanque de CO2 de baja presion o un compresor de aire con un secador de aire refrigerado esta fijo a la zona de ventilacion de un extrusor de tornillos gemelos estandar; durante extrusion, el gas es disuelto en la fusion de madera-plastico; el CO2 se expande lo cual espuma el material de madera-plastico.

Description

MATERIAL MIXTO DE MADERA - PLASTICO CELULAR DE BAJA DENSIDAD Y PROCEDIMIENTO PARA FORMACION SOLICITUD CORRESPONDIENTE Esta solicitud de patente reclama prioridad de conformidad con 35 U.S.C. §119(e) para la solicitud de patente provisional de E.U.A. No. de serie 60/286,848, titulada "Extrusión of Low-Density Cellular Wood Plástic Composite Using Low Pressure Injection of Carbón Dioxide and Moisture Vapor From Wood as the Blowing Agent, presentada el 26 de abril del 2001 , a nombre de David F. Dostal y Michael P. Wolcott.

CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un material mixto de madera-plástico celular extruido y un procedimiento para hacer el mismo. La presente invención se refiere específicamente a un material mixto de madera-plástico extruido de baja densidad comprendido de harina de madera blanda o madera dura y una resina termoplástica producida a través de la introducción de gas dióxido de carbono (C02), gas nitrógeno (N2), o aire como agentes de soplado físicos en el procedimiento de extrusión a baja presión. La resina temoplástica puede ser polietileno de alta densidad, polipropileno, o cualquier otra resina termoplástica adecuada para uso en un material mixto de madera-plástico. El material mixto de madera-plástico producido a través de este procedimiento puede estar en forma de una espuma homogénea o una forma en la cual se forma una cubierta densa alrededor de un núcleo celular.

DESCRIPCION DE LA TECNICA ANTERIOR ' El estado actual de la técnica en la extrusión de materiales mixtos de madera-plástico celular produce materiales mixtos de madera-plástico celular que contienen cloruro de polivinílo (PVC), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) o poliestireno (PS) como la resina de plástico. La espumación se realiza a través del uso de agentes de soplado químicos que elevan considerablemente el costo del producto. Se debe realizar una importante reducción de peso del material extruido mediante el uso de estos agentes de soplado para compensar el costo incrementado. Las espumas así producidas normalmente se dejan expandir hacia fuera al momento de salir del troquel. El perfil extruido es entonces configurado y dimensionado a través de métodos conocidos para los expertos en la técnica. En un procedimiento alternativo, el material mixto puede ser extruido como un perfil hueco y puede dejarse expandir o espumarse hacia dentro. El perfil se contiene en un dispositivo adecuado para mantener la forma extruida en este procedimiento alterno. El dióxido de carbono ha sido exitosamente utilizado como un agente de soplado físico en la espumación de plásticos microcelulares de baja densidad en un procedimiento de extrusión (Park, B. Et ai., "Low density microcellular foam processing ¡n extrusión using C02", Polymer Engineering and Science, p 1812, v.38 1998). Sin embargo, el procedimiento requería inyección del agente de soplado a presiones elevadas, utilizaba poliestireno de alto impacto (HIPS) como la resina de plástico, y no implicaba un material mixto de madera-plástico. Los procedimientos de extrusión que utilizan agentes de soplado físicos, tales como dióxido de carbono, actualmente producen material de plástico celular hecho a partir de polietileno de alta densidad (HDPE) y PP. Sin embargo, el gas es introducido en regiones de alta presión del extrusor y debe ser bombeado hacia la extrusión a presiones entre 70.3 y 351.5 kg/cm2. La resistencia y rigidez de materiales mixtos de madera-plástico disminuyen cuando son espumados. Esta disminución es por lo general inversamente proporcional a la densidad de la espuma. Como resultado, los elementos actualmente disponibles tales como cubiertas de tableros son relativamente de alta densidad (0.8-0.9 g/cm2) o tienen una capa estructural densa no espumada co-extruida en el exterior de la espuma. El procedimiento de co-extrusión requiere el uso de un segundo extrusor, el cual incrementa los costos de equipo.

BREVE DESCRIPCION PE LA INVENCION La presente invención se refiere a un material mixto de madera-plástico celular comprendido de harina de madera blanda y polietileno de alta densidad en donde la relación de harina de madera a polietileno de alta densidad varía de 1:4 a 3:2. La presente invención también se refiere a un procedimiento para formar un material mixto de madera-plástico celular estable de baja densidad que comprende: mezclar harina de madera finamente molida con plástico en un extrusor para formar una mezcla plastificada; introducir un agente de soplado en el material plastificado bajo presión suficiente para conducir el agente de soplado a la mezcla plastificada para formar celdas dentro de la mezcla plastificada, en donde el agente de soplado se introduce bajo un gradiente de presión en el extrusor suficiente para incrementar la solubilidad del agente de soplado en la mezcla plastificada y bajo una temperatura suficiente para evitar el colapso de las celdas; y reducir la presión antes de remover la mezcla plastificada del extrusor. La introducción del agente de soplado físico en la región de ventilación de un extrusor permite que el gas sea inyectado a presiones bajas utilizando solamente un regulador de presión simple de dos etapas. No se requiere bomba y no es necesaria tubería de alta presión. En este procedimiento, la mezcla de harina de madera finamente molida con el plástico incrementa el procedimiento de espumación. El número de celdas por unidad de volumen de la espuma incrementa y la densidad de la espuma disminuye. La harina de madera mejora el procedimiento de espumación a través de dos mecanismos, siendo el primer mecanismo la introducción de gases adicionales al material extruido y el segundo es alterar la viscosidad del material extruido. La humedad residual y otros gases volátiles son liberados de la madera durante el procedimiento de extrusión. Estos gases actúan como agentes de soplado adicionales. La harina de madera también incrementa la viscosidad del material extruido. Esto permite que el material extruido sea procesado a presiones de fusión más altas sin que éstas ocasionen el fluido de vuelta del material extruido hacia el múltiple de ventilación del extrusor. Las presiones más altas permiten que el agente de soplado se disperse en toda la resina de manera más fácil y completa, dando como resultado una estructura celular mejorada y densidad celular incrementada. La adición de harina de madera disminuye el costo del material al desplazar un ingrediente más costoso (resina de plástico) así como al incrementar la rigidez de la espuma. Por lo tanto, se efectúa un procedimiento mejorado para espumar materiales mixtos de madera-plástico. Una ventaja de la presente invención es que el agente de soplado químico costoso utilizado en la técnica anterior para producir un material mixto de madera-plástico espumado es ahora reemplazado con un agente de soplado físico menos costoso.

Una segunda ventaja es que se puede producir un elemento con una capa externa densa y un núcleo de espuma utilizando solamente un extrusor. Las ventajas adicionales son el método de bajo costo para introducir el agente de soplado, el costo disminuido de materiales necesarios para la producción, y la rigidez incrementada del producto en comparación con espuma de plástico. El producto puede ser utilizado para molduras decorativas dentro o fuera de una casa, marcos para pinturas, muebles, cubiertas de pórticos, molduras de ventanas, componentes de ventana, componentes de puerta, y sistemas para colocación de techos. Se contemplan otros tipos de uso. Ahora se hace referencia a detalle a las modalidades preferidas de la invención, cuyos ejemplos se ilustran en el dibujo anexo.

BREVE DESCRIPCION DEL DIBUJO La figura 1 es un diagrama de flujo que ilustra el procedimiento de la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Harina de madera Se puede utilizar harina de madera con un tamaño de partícula de malla 40 o más pequeño derivado de especie de madera dura o blanda. De preferencia, el tamaño de partícula es malla 60 o más pequeño. El contenido de humedad de la harina de madera puede variar de menos de 1% a 9%. Un contenido de humedad mayor, da como resultado una espuma de menor densidad pero incrementa el tamaño celular e incrementa la presencia de huecos en la estructura de la espuma. Preferiblemente, para la mayoría de las aplicaciones, la madera se seca hasta un 1% de contenido de humedad. Se conocen en la técnica las tecnologías de secado. Un ejemplo adecuado es un desecante fabricado por Premier Pneumatics, Inc. (Allentown, PA.). Aunque la harina de madera es el material preferido para la presente invención, está dentro del alcance de la presente invención utilizar una variedad de materiales de celulosa desde aserrín hasta barro de lavado y periódico. El material de celulosa también puede ser una materia prima que incluye periódico viejo, alfalfa, pulpa de trigo, astillas de madera, hojuelas de madera, fibras de madera, madera molida, chapas de madera, laminados de madera, una variedad de cáñamo, papel, cartón, paja y otros materiales de fibra de celulosa. Antes de combinarse con otros materiales de partida, los materiales de celulosa se deben secar hasta un contenido de humedad entre aproximadamente 1% y 9%. El contenido de humedad preferido no es mayor al 2%. Se conocen en la técnica las tecnologías de secado. Un ejemplo adecuado es un desecante fabricado por Premier Pneumatics, Inc. (Allentown, PA.).

Materiales termoplásticos Los materiales termoplásticos sirven principalmente como un fluidizador de procedimiento. Se puede usar la mayoría de los tipos de materiales termoplásticos, cuyos ejemplos incluyen películas de capas múltiples, termoplásticos vírgenes tales como polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo (PVC), polietileno de baja densidad (LDPE), etilo-acetato de vinilo y aserrín de plástico residual de otras industrias así como otros materiales poliméricos reciclables. Los materiales termoplásticos son esenciales para el procedimiento de la presente invención. Las celdas en desarrollo en la mezcla se forman en la porción termoplástica de la matriz de material. Los tipos preferidos de materiales termoplásticos que se pueden utilizar son HDPE y PP. La relación de fibras de celulosa al material termoplástico está aproximadamente entre 3:2 y 1 :4. De preferencia, la relación entre las fibras de celulosa al material termoplástico es de aproximadamente 2:3.

Extrusor Se hace referencia a la patente de E. U. A. 5,516,472 para Laver, la cual se incorpora a la presente como referencia, para una descripción de un extrusor adecuado. Un ejemplo es un extrusor Cincinnati Milacron E55 de tornillos gemelos de interengranaje de contra giro con descargas triples, que se utiliza para producir el material celular. Es posible controlar la temperatura del material extruido al utilizar los controladores de temperatura para las zonas de cuatro barriles y los tornillos del extrusor E55 de tornillos gemelos. Las aberturas en el múltiple de ventilación que normalmente soportan los vidrios de observación son obturadas al cubrirlas con un empaque a alta temperatura y una placa de aluminio de 12.7 mm de espesor. La tubería que corre del múltiple de ventilación al sistema de vacío del extrusor es modificada por la adición de una válvula esférica en la línea de vacío y un acoplador (para conexión de la botella de C02 o línea de aire comprimido) sobre el ensamble de válvula de descarga del múltiple de ventilación.

Agente de soplado Los agentes de soplado se añaden para disminuir la densidad al emplear pequeñas burbujas o celdas en el material. La sección de ventilación de los tomillos provee un área para introducción del agente de soplado a baja presión. Dióxido de carbono o nitrógeno de una botella de gas estándar de 22.65 kg o aire comprimido producido por un compresor de aire común y secado al pasar a través de un secador de aire refrigerado, se inyecta en el barril extrusor utilizando un regulador de dos etapas en el caso de los gases embotellados o un regulador de una sola etapa en el caso del aire comprimido.

Otros aditivos Se pueden incluir otros aditivos, como se describe en la patente de E. U. A. 5,516,472, para Laver, para alcanzar la máxima comercialización de este producto. Los aditivos incluyen agentes de entrelazamiento, lubricantes, compatibilizadores y aceleradores.

Operación Haciendo referencia ahora a la figura 1 , se muestran los principios básicos de la presente invención. La figura 1 ilustra un extrusor de tornillos gemelos 10, el cual se conoce en la técnica. El extrusor provee muchas proyecciones y ranuras que amasan los materiales provocando que se combinen de manera más completa. El extrusor 10 incluye una tolva 12 para recibir y formar una mezcla de harina de madera y el material termoplástico, el cuerpo del extrusor 14 para extruir la mezcla; y un troquel 16 conectado al extrusor. Tolva: La mezcla de los materiales antes de cargarlos al extrusor 10 se puede realizar a través de cualquier dispositivo simple de mezclado. No se requiere calor durante el mezclado y solamente una distribución uniforme de los diversos componentes. Se puede utilizar un tambor cilindrico para pequeñas cantidades o un mezclador de tipo intermitente mayor tal como un mezclador de listón conocido en la técnica. Una tolva de alimentación 2 típica utilizada en este procedimiento puede ser una tolva de alimentación por gravedad, de alimentación insuficiente o de alimentación forzada (también conocida como "dispositivo comprimidor"), dependiendo de las características de flujo del compuesto particular. Extrusor: La mezcla de materias primas luego es suministrada a un extrusor calentado 14. El extrusor 14 utiliza mezclado y extrusión a baja temperatura. Esto es único ya que la mayoría de los procedimientos de mezclado de plástico requiere la mezcla a una temperatura de plastificación, la cual es elevada. La temperatura de mezcla de la presente es sustancialmente inferior, de preferencia alrededor de 171°C. El material que pasa a través de la zona de mezcla del extrusor crea una masa de material homogéneo a una cierta temperatura, aproximadamente 163°C-177°C dependiendo del compuesto particular. La presente invención puede ser procesada con cualquier extrusor de capacidad. En la modalidad preferida, se puede utilizar un extrusor de alta presión de tornillos gemelos de contra giro y de interengranaje fabricado por Cincinnati Milacron (CM-55-HP). De preferencia, el procedimiento se realiza con extrusores de tornillos gemelos, los cuales son calentados a temperaturas de procedimiento suficientes para combinar el producto en una mezcla homogénea a baja temperatura. La temperatura del material extruido es controlada a un nivel que es 2.7-8.3°C superior a la temperatura de cristalización del termoplástico. Esto evita el colapso del producto formado como se describirá más adelante.

La temperatura del extrusor utilizado en la presente invención es controlada por la velocidad de extrusión, calentadores del extrusor externos, acción de esfuerzo cortante y calentadores en el sistema de troquel y monitoreada por termopares (no mostrados) y otros circuitos de monitoreo. El propósito de los termopares es monitorear el calor en cada estación.

Velocidad de flujo La velocidad de flujo del extrusor 14 está típicamente entre aproximadamente 45.3 y 1 ,132.5 kg por hora. En la modalidad preferida, la velocidad de flujo es de aproximadamente 135.9 kg. por hora con una temperatura de aproximadamente 132°C-163°C. El producto que sale del extrusor esencialmente son muestras redondas no unidas. Se disponen de orificios de extrusor de diversos tamaños con una escala de 25 milímetros (mm) a 72 mm. En la modalidad preferida, se utiliza un orificio de 38 mm. Como se ilustra en la figura 1 , el cuerpo del extrusor 14 está segmentado en cuatro zonas (zonas 1 , 2, 3 y 4). La zona 1 es la zona de alimentación en donde los materiales en polvo o granulados ingresan a las descargas de los tornillos desde la tolva 12 a través de la línea 13. El calor aplicado de fuentes externas y producido a través de la fuerza cortante del material extruido mediante los tomillos, empieza a fundir el termoplástico en esta zona. En la modalidad preferida, la temperatura de esta zona se mantiene a 163°C. La zona 2 es la primera zona de dosificación. En esta zona, se forma un sello entre el barril del extrusor y los tornillos, lo cual restringe la transferencia de presiones desarrolladas en la zona de ventilación (zona 3) de vuelta a la zona de alimentación (zona 1 ). La temperatura de esta zona en la modalidad preferida es de 171°C. La zona 3 es la zona de ventilación. Debido al aislamiento de esta zona por parte del sello formado en la zona 2, se puede mantener una presión positiva o negativa en la zona de ventilación. En la modalidad preferida, el agente de soplado está presente en esta zona a una presión positiva de 4.21 kg/cm2 y la temperatura se mantiene a 163°C. La zona 4 es la segunda zona de dosificación. Las descargas de tornillo en esta zona están diseñadas para proveer una acción de bombeo que es capaz de forzar el material extruido a través del troquel a presiones de 42.18 - 421.8 kg/cm2. El agente de soplado introducido en la zona de ventilación es incorporado en la masa de extrusión como un cuerpo disuelto en la zona 4. Esta zona también sirve para enfriar el material extruido a una temperatura adecuada para la producción de espuma celular. En la modalidad preferida, la temperatura de la zona 4 se mantiene a 132°C. La temperatura de los tornillos también puede ser controlada. En la modalidad preferida, la temperatura del tornillo se mantiene a 143-149°C. La forma gaseosa del agente de soplado, típicamente C02 o aire, que se localiza en la unidad 18, es inyectada en el extrusor a través de la línea 19, por lo regular en la zona 3 bajo presiones de 2.81 a 35.15 kg/cm2, de preferencia bajo 14.06 kg/cm2, en la región de ventilación del extrusor. El agente de soplado y gases volátiles emitidos por la harina de madera se mezclan con el material plastificado en la zona 4 del extrusor bajo presiones de 98.42 a 267.14 kg/cm2 con el fin de llevarlos a solución. Se mantiene un gradiente de presión en el extrusor y troquel para incrementar la solubilidad del agente de soplado en el plástico. La temperatura del material extruido se controla a un nivel que es 2.7 - 8.3°C superior a la temperatura de cristalización del termoplástico. Esto evita el colapso de las celdas formadas cuando el agente de soplado sale de solución cerca de la salida del troquel. Esta presión es liberada bajo una pendiente rápida, es decir, la presión se reduce rápidamente a medida que el extremo del troquel se acerca y se libera completamente cuando el material extruido sale del troquel. La espuma 20 se deja expandir hacia fuera a medida que sale del troquel 16 formando un producto celular de peso ligero o alternativamente, es extruida como una forma hueca con el exterior estando contenido y enfriado para producir una cubierta fuerte densa mientras la espuma se deja expandir y llenar el interior de la forma.

Configuraciones de troquel Se prefieren dos configuraciones de troquel para producción de espuma. 1. El material celular puede ser producido mediante espumación fuera de un troquel de un tamaño y longitud necesarios para producción de la caída de presión requerida. Se utilizó un troquel en forma de una ranura de 76.2 mm por 12.7 mm con molduras de ángulo de 6.35 mm de radio. La longitud de la ranura era de 57.15 mm. Se produjo espuma rígida con una densidad de 0.42 g/cm a partir de polietileno de alta densidad (HDPE) (Equistar LB 010000) utilizando esta configuración. Luego se formaron materiales celulares a partir de materiales mixtos que contienen HDPE y harina de madera de arce siendo variadas las proporciones relativas. Materiales mixtos que contienen 20, 30, 40 y 50% de madera en peso se espumaron exitosamente. Se seleccionaron de manera aleatoria muestras espumadas de cada categoría. La masa de muestra se midió en una balanza electrónica digital. El volumen de muestra se determinó por desplazamiento de volumen de agua. Se utilizó este método debido a la forma irregular de una muestra de espuma y a la presencia de huecos en el material. Los resultados se muestran en el cuadro 1. La producción de espumas de baja densidad fue posible con materiales mixtos que contienen, 20, 30 y 40% de madera y se produjo espuma de densidad media con el material mixto que contiene 50% de madera.

CUADRO 1 Posteriormente, se cortó un troquel explícitamente para la extrusión de espuma de material mixto de madera-plástico. Las densidades de las espumas producidas a partir de materiales mixtos que contienen 40% de madera utilizando este troquel se presentan en el cuadro 2.

CUADRO 2 Densidades de materiales celulares extruidos con diferentes niveles de humedad y agente de soplado Contenido de Agente de soplado Densidad Desv. humedad de media madera (%)* (g/cm2) 0.89% Ninguno 0.954 0.043 C02 4.21 kg/cm2 0.409 0.031 C02 7.03 kg/cm2 0.488 0.023 C02 112.48 0.022 kg/cm2 0.571 0.060 Aire 4.21 kg/cm2 0.525 0.030 Aire 7.03 kg/cm2 0.422 3.47% Ninguno 0.616 0.126 C02 4.21 kg/cm2 0.302 0.035 Aire 7.03 kg/cm2 0.401 0.017 6.21% Ninguno 0.325 0.021 C02 4.21 kg/cm2 0.254 0.017 Aire 7.03 kg/cm2 0.283 0.016 8.58% Ninguno 0.323 0.019 C02 4.21 kg/cm2 0.260 0.067 Aire 7.03 kg/cm2 0.309 0.061 Los datos presentados en el cuadro 2 ¡lustran sinergístico del agente de soplado añadido y los compuestos volátiles presentes en la harina de madera. La harina de madera añadida a los materiales mixtos en esta prueba era seca o no seca a una de tres temperaturas específicas. Como resultado, se probaron cuatro diferentes niveles de humedad de madera. Estas fueron 8.58% (no seca), 6.21 % (seca a 65°C), 3.47% (seca a 1 3°C), y 0.89% (seca a 163°C). Como se ve en el cuadro 2, las densidades de espuma más baja se obtienen cuando se añade C02 como un agente de soplado adicional, seguido de la adición de aire como un agente de soplado adicional. El efecto de presión de inyección de densidad de espuma varía con el agente de soplado. Incrementar la presión de inyección de aire ocasiona una disminución en densidad, mientras que incrementar la presión de inyección de C02 ocasiona un incremento en densidad de espuma. El uso de compuestos volátiles derivados de madera solamente da como resultado densidades de espuma más altas. También se ve que la densidad de espuma disminuye a medida que incrementa el nivel de humedad de madera. Estos datos indican que se pueden obtener densidades de espuma baja a través del procedimiento aquí descrito y que la adición de harina de madera a la resina de plástico mejora ei procedimiento de espumación. 2. El material celular puede ser producido por extrusión del material mixto de madera-plástico a través de un troquel diseñado para producir un perfil hueco. Este tipo de troquel típicamente tiene un mandril que forma el interior del hueco. Este tipo de troquel puede ser del tipo descrito en la patente de E.U.A. 5,516,472 para Laver. Cuando se utiliza este tipo de troquel, la extrusión del material a través del troquel trenzador desarrolla la presión necesaria para la incorporación del agente de soplado. Las espuma producida de esta manera se puede dejar expandir libremente o se puede contener. Si la espuma será contenida, un calibrador enfriado cuya superficie interna coincide con la forma deseada del elemento, se fija al troquel de manera que el mandril se extienda hacia la cavidad del calibrador. Esto da como resultado la formación de una cubierta solidificada en el exterior del material mixto que no se ha dejado espumar. El interior del perfil todavía no se solidifica cuando el material extruido llega al extremo del mandril. Este material se deja espumar hacia el interior del perfil creando un núcleo de espuma sólido rodeado por una cubierta no espumada. Los perfiles producidos de esta manera se puede hacer en formas intrincadas. El espesor de la cubierta y dimensiones del perfil se pueden diseñar de modo que se pueda producir un elemento adecuado para uso como un tablero de cubierta.

Modalidad de muestra 1 Para investigar las propiedades de materiales mixtos de núcleo de espuma que se pueden producir, se hicieron laminados con bridas externas de material compuesto de madera-plástico de alta densidad con un bloque de espuma fundido entre los mismos. Tanto el bloque de espuma como las bridas de alta densidad se calentaron sobre una platina de una prensa caliente ajustada a 170°C durante 2 minutos. Luego las dos superficies calentadas se prensaron juntas durante 2 minutos. Se dejó que las muestras se enfriaran a temperatura ambiente durante la noche y se probó la flexura. Se hicieron y probaron dos tipos de muestras. Un tipo se realizó a partir de espuma que contiene 20% de madera y el otro de espuma que contiene 30% de madera. Las bridas para ambos tipos se hicieron de una formulación que contiene 58% de madera, 31% de HDPE, 8% de talco, 2% de estearato de zinc, y 1% de cera de EBS.

Las muestras hechas de 20% de espuma de madera se rompieron en flexura en una máquina de prueba universal de tipo mecánico. Se utilizó un procedimiento de prueba automatizado que utiliza control de desviación e interrumpe la prueba cuando ocurre una reducción en la carga. Para las muestras de 20% de espuma de madera, la prueba se detuvo cuando falló la brida inferior. Esta vez no ocurrió falla en el núcleo de espuma. Luego se giraron las muestras y se probaron con la otra brida en tensión. Los resultados muestran una reducción en rigidez para la segunda prueba pero ninguna diferencia en resistencia. Las muestras de espuma de núcleo de madera de 30% se rompieron en flexura en una máquina de prueba universal de tipo mecánico Instron Modelo 4466 (Cantón, MA). La falla del núcleo de espuma resultó simultáneamente con la falla de la brida inferior para las muestras. Se probaron doce muestras pero cuatro se deslaminaron y no se utilizaron los datos de éstas. Las propiedades mecánicas de los laminados de 20% de núcleo de espuma, los laminados de 20% de núcleo de espuma rotos del segundo lado, los laminados del 30% del núcleo de espuma, y la sección de 2 cajas de control se presentan en el cuadro 3.

CUADRO 3 Densidad Módulo El (kg-cm2) Ruptura Deformación Módulo hiperbólico (0/1) (kg/cm2) (kg/cm2) en falla (kg/cm2) Control Promedio 490.37 20997.62 682923.76 110.37 0.010 22583.03 2 cajas Desviación 4.05 505.03 8485.52 1.61 0.000 620.67 como estándar Sección Coeficiente 0.8% 2.4% 1.2% 1.5% 3.2% 2.7% sólida de variación 20% de Promedio 592.88 15189.29 524922.56 91.67 0.011 16274.66 laminado de Desviación 12.24 1262.72 40704.8 9.56 0.002 1526.07 espuma de estándar madera Coeficiente 2.1 % 8.3% 7.8% 10.4% 20.3% 9.4% de variación 20% de Promedio 592.88 10890.59 378610.12 95.39 0.015 1 1275.83 laminado de Desviación 12.24 1271.02 45496.52 4.07 0.000 1436.29 espuma de estándar madera Otro lado Coeficiente 2.1 % 11.7% 12.0% 4.3% 2.8% 12.7% de variación 30% de Promedio 592.16 17938.80 525798.56 107.41 0.013 18447.21 laminado de Desviación 30.21 2376.28 73329.96 10.33 0.001 2489.60 espuma de estándar madera Coeficiente 5.1% 13.2% 13.9% 9.6% 8.2% 13.5% de variación Estos valores indican que un laminado producido mediante coextrusión de material mixto de madera-plástico de alta densidad con un núcleo de madera-plástico celular se desempeñará de manera similar a una sección neta hueca del material de alta densidad cuando se cargue en flexura. El núcleo de espuma añadirá resistencia al impacto y pandeo no presente en la sección neta. Los elementos se produjeron mediante los procedimientos de extrusión y coextrusión a través del procedimiento de espumación descrito anteriormente utilizando la configuración de troquel 2 en el cual el perfil es contenido a medida que se enfría. Los elementos producidos mediante coextrusión son referidos como elementos laminados en los siguientes párrafos. La brida para los elementos laminados se hicieron a partir de una formulación que contiene 58% de madera, 31% de HDPE, 8% de talco, 2% de estearato de zinc, 1% de cera de EBS. La formulación del material de núcleo de espuma fue de 60% de HDPE y 40% de fibra de madera. Se utilizó la misma formulación de 60%-40% en la producción de elementos de material mixto celular producidos mediante extrusión siempre (sin bridas de alta densidad). Un elemento laminado que consta de bridas de material mixto de madera-plástico de alta densidad con un núcleo de espuma se produjo mediante coextrusión de los dos materiales. El elemento se produjo con un ancho de 50.8 mm por 152.4 mm de profundidad de sección transversal conformada con una brida de materia! mixto de madera-plástico de alta densidad de 50.8 mm de ancho por 22.86 mm de profundidad en la parte superior e inferior de la sección con un núcleo de espuma de 50.8 mm por 106.6 mm entre las dos bridas. El núcleo de espuma contenía 40% de fibra de madera en este caso. Los elementos con este perfil se probaron de acuerdo con el método "B" de prueba "Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plástic Lumber" de ASTM estándar D6109 probando de lado. Los datos de esta prueba se presentan en el cuadro 4.

CUADRO 4 Rigidez y resistencia de elementos con perfiles laminados de material mixto Densidad Material Material Material Material de mixto mixto mixto mixto material I MOE El MOR mixto Muestra # g/l (cm4) (kg/cm2) (kg-cm2) (kg/cm2) 1 634 1376.37 28119 38625161 04 2 635 1376.37 24825 34099634 93 3 657 1376.37 26453 36336985 96 4 624 1376.37 25243 34674352 90 5 642 1376.37 27145 37287270 94 6 645 1376.37 27339 37553810 93 7 628 1376.37 26219 36015108 88 8 646 1376.37 27158 37305041 92 9 646 1376.37 27249 37429454 93 Promedio 639.66 26638.88 36591868.3 94 DESVEST 0.6465501 15113.232 499798.8 66.1 COV 1.62% 3.99% 3.99% 4.97% Un elemento laminado se construyó con un perfil de 139.7 mm de ancho por 35.56 mm de profundidad que consta de una brida de material mixto de madera-plástico de alta densidad de 139.7 mm de ancho por 5.8 mm de profundidad en la parte superior e inferior con un núcleo de espuma de 139.7 mm de ancho por 25.4 mm de profundidad entre las dos bridas. El núcleo de espuma nuevamente contenía 40% de fibra de madera. Este perfil se probó de acuerdo con el método de prueba "A" de AST estándar D6109, probando con el lado. Esta configuración simula el uso como material de cubierta. Los resultados de esta prueba se muestran en el cuadro 5.

CUADRO 5 Rigidez y resistencia de elementos de cubierta mixtos Densidad Material Material Material Material de mixto mixto mixto mixto material I MOE El MOR mixto Muestra # g/i (cm4) (kg/cm2) (kg-cm2) (kg/cm2) 1 605 55 27205 1476040 126 2 636 50 23420 1179414 105 3 621 78 21839 1692076 100 4 676 51 25464 1288920 92 5 629 50 25237 1261072 117 6 603 55 27086 1480168 117 7 660 94 23906 2251644 119 8 653 89 25764 2302683 118 9 594 58 23909 1392323 127 10 583 80 19507 1552111 99 Promedio 626 66 24333.7 1587645.1 112 DESVEST 1.9 0.4 33753.7 134540.4 170.5 COV 4.9% 2634% 9.8% 24.7% 10.7% Los datos presentados en los cuadros 4 y 5 muestran que el procedimiento de espumación antes descrito se puede utilizar en un procedimiento de coextrusión para producir un elemento de material mixto de madera-plástico con propiedades adecuadas para algunas aplicaciones estructurales. Además, la densidad del material mixto de este elemento es comparable con madera sólida 320.2 a 720.45 g/l. Se produjo un elemento con una sección transversal de 139.7 mm de ancho por 25.4 mm de profundidad mediante extrusión de material mixto de madera-plástico celular a través del procedimiento descrito anteriormente utilizando la configuración de troquel 2. El uso de esta configuración de troquel da como resultado la formación de una cubierta densa en la superficie del perfil. Esta cubierta añade resistencia y rigidez al elemento. Este perfil se probó de acuerdo con el método de prueba "A" de ASTM estándar D6109, probando con el lado. Los resultados de esta prueba se muestran en el cuadro 6.

CUADRO 6 Rigidez y resistencia de elemento de material mixto celular Densidad MOE MOR Muestra No. (g/i) (kg/cm2) (kg/cm2) 1 508 9414 100 2 453 8837 95 3 538 12536 111 4 548 11297 117 5 455 11038 93 6 437 8994 89 7 519 11546 121 8 501 12932 121 9 450 8447 86 10 477 9602 108 Promedio 488.6 10464.3 104.1 DESVEST 2.5 22648.1 189.5 COV 8.1 % 15.2% 12.8% La prueba se realizó de acuerdo con ASTM estándar D790, "Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials." Los resultados de esta prueba se muestran en el cuadro 7.

CUADRO 7 Propiedades de flexura de molduras decorativas Densidad MOE MOR Muestra No. (g/i) (kg/cm2) (kg/cm2) 1 612 14374 159 2 608 15133 155 3 608 15650 160 4 589 14415 145 5 602 15212 151 6 602 15392 153 7 602 12648 156 8 629 13179 163 9 592 13268 153 10 607 13357 152 Promedio 605.1 14262.8 154.7 DESVEST 0.7 15353 74 COV 1.8% 7.6% 3.4% Los cuadros 6 y 7 muestran que el procedimiento de espumación de baja presión se puede utilizar para producir elementos que tienen una densidad dentro de la escala de madera sólida natural que tiene propiedades materiales suficientes para uso como materiales para construcción. Además, el procedimiento de espumación de baja presión se puede utilizar para producir formas intrincadas y decorativas con el aspecto externo de madera natural acabada. Se entiende que la invención no está confinada a la construcción y disposición particular de las partes aquí ilustradas y descritas, sino que abarca dichas formas modificadas de la misma dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (19)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un material mixto de madera-plástico celular que comprende harina de madera blanda y polietileno de alta densidad en donde la relación de harina de madera a polietileno de alta densidad varía de 1 :4 a 3:2 y que además incluye un agente de soplado físico.

2. - El material mixto de madera-plástico celular de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la harina de madera comprende harina de la especie de harina dura.

3. - Un procedimiento para formar un material mixto de madera-plástico celular estable de baja densidad que comprende: a. mezclar harina de madera finamente molida con plástico en un extrusor para formar una mezcla plastificada; b. introducir un agente de soplado en el material plástificado a presión baja; c. posteriormente desarrollar presión suficiente para conducir el agente de soplado hacia la mezcla plastificada para formar celdas dentro de la celda plastificada, en donde el agente de soplado es incorporado bajo un gradiente de presión en el extrusor suficiente para incrementar la solubilidad del agente de soplado en la mezcla plastificada y bajo una temperatura suficiente para evitar el colapso de las celdas; y d. reducir la presión antes de remover la mezcla plastificada del extrusor.

4. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la harina de madera se selecciona del grupo que consta de harina de madera, aserrín, barro de lavado, periódico, alfalfa, pulpa de trigo, astillas de madera, hojuelas de madera, fibras de madera, madera molida, chapas de madera, laminados de madera, una variedad de cáñamo, papel, cartón, y paja.

5. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la harina de madera se selecciona de madera dura y blanda.

6. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la harina de madera tiene un tamaño de partícula no mayor a aproximadamente malla 40.

7. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la harina de madera tiene un tamaño de partícula no mayor a aproximadamente malla 60.

8. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el contenido de humedad de la harina de madera está en aproximadamente 1 % y 9%.

9. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el contenido de humedad de la harina de madera no es mayor a aproximadamente 2%.

10. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque los materiales termoplásticos se seleccionan del grupo que consta de polietileno, polipropileno, cloruro de poliviniio, polietileno de baja densidad, etilo-acetato de vinilo y aserrín de plástico residual.

11. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque los materiales termoplásticos se seleccionan del grupo que consta de polietileno de alta densidad y polipropileno.

12. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la relación de fibras de madera al material termoplástico es de aproximadamente entre 3:2 y :4.

13. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la relación de fibras de madera al material termoplástico es de aproximadamente 2:3.

14. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el agente de soplado se selecciona del grupo que consta de aire y dióxido de carbono.

15.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el agente de soplado es dióxido de carbono.

16.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el gradiente de presión está entre 98.42 kg/cm2 y 267.14 kg/cm2.

17.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la temperatura del material extruido es controlada a un nivel entre aproximadamente 2.7 y 8.3°C superior a la temperatura de cristalización de la mezcla plastificada.

18. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el agente de soplado es introducido en el material plastificado bajo presiones entre 2.81 y 14.06 kg/cm2.

19. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el agente de soplado es aire comprimido seco.