專利名稱：發(fā)泡熱塑性聚合物和木纖維型材和構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造安裝在住宅及商用建筑中作為建筑組合件的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或裝飾件以及門窗單元的材料。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)良性能、能直接替代木材和金屬材料用于門窗、結(jié)構(gòu)件或建筑領(lǐng)域的改進(jìn)的型材或結(jié)構(gòu)構(gòu)件。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可包括凈規(guī)格木材替代品，具有復(fù)雜功能形狀的結(jié)構(gòu)部件如木門的橫檔、豎框、窗框、窗臺(tái)、滑軌、檔板和窗框以及各種各樣的裝飾件。此外，本發(fā)明還涉及用于制造商用和住宅建筑的門窗單元的結(jié)構(gòu)部件。
該結(jié)構(gòu)部件是由擠塑、復(fù)合的聚合物泡沫材料制造的。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)部件在建筑用組合件中能形成高強(qiáng)度連接。這種材料可利用常規(guī)緊固件和技術(shù)方便地進(jìn)行安裝、調(diào)整、填隙和修飾。這種部件具有好的耐熱性能和機(jī)械性能，因而具有耐用性而且還易于制造和安裝。
一般的工業(yè)、商用和住宅建筑通常涉及在常用單元組合件中采用結(jié)構(gòu)部件和非結(jié)構(gòu)部件。這種部件常由混凝土、石材、木材、玻璃或金屬制造。這些材料是眾所周知的，并且在建筑上的適用范圍也是很熟悉的。
木材已用來加工成為各種形狀的結(jié)構(gòu)部件如凈規(guī)格木料、裝飾件、柱和梁，并已用來形成能與玻璃組裝成門和窗單元的結(jié)構(gòu)部件。木材、凈規(guī)格木料、裝飾件、柱、梁及包含木料的組合單元顯然是有實(shí)用性的，并能很好地適用于許多住宅或商用設(shè)施中的多種用途。然而，在某些情況下，在這些用途中使用木材可能會(huì)產(chǎn)生一些問題。由于受真菌和昆蟲的侵襲，木材會(huì)發(fā)生腐朽。此外，采用木材構(gòu)件還會(huì)面臨與用于建筑上木材的可獲得性有關(guān)的價(jià)格問題，而且，木質(zhì)構(gòu)件還需要包括油漆或著色的大量維修費(fèi)用。
金屬(通常為鋁或鋼材)部件也是工業(yè)、商用和住宅建筑中常用的部件。金屬部件會(huì)發(fā)生銹蝕或腐蝕問題，因而各自需要專門的施工技術(shù)和專門維護(hù)規(guī)范。乙烯基聚合材料也已經(jīng)用于制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件和窗及門組合件的型材。這類乙烯基聚合物材料通常包含作為主體材料的乙烯基聚合物和各種添加材料。已能將填充的和未填充的(以添加材料如纖維、無機(jī)物、染料等充填的)剛性的和柔性的熱塑性材料擠塑或注塑成各種結(jié)構(gòu)材料和密封材料。許多年來，Andersen Corporation已經(jīng)將熱塑性聚氯乙烯與木質(zhì)構(gòu)件復(fù)合制成了PERMASHIELD商標(biāo)窗扇。這種聚氯乙烯貼面技術(shù)已公開在Zaninni的美國(guó)專利2926729和3432885中。這些在專利中公開的技術(shù)涉及通過擠塑或注塑沿木質(zhì)結(jié)構(gòu)件周圍松散地形成一薄的聚氯乙烯貼面層或包封層。
聚氯乙烯熱塑性材料也可與木產(chǎn)品結(jié)合用以制造擠塑材料。經(jīng)初步的努力，制成了能直接擠塑形成模量一般為約500000或較低的構(gòu)件。但這類構(gòu)件沒有足夠的抗壓強(qiáng)度，合適的熱膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)、足夠的緊固件保持性或缺乏許多建筑用途所需的其它適用性能。
最近，已轉(zhuǎn)讓給Andersen Corporation的美國(guó)專利5486553、5539027、5406768、5497594、5441801和5518677公開了采用熱塑性塑料(如聚氯乙烯)和木纖維，按FIBREX商標(biāo)材料制造技術(shù)制成了高強(qiáng)度復(fù)合材料。這種復(fù)合材料適用于制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件如可用于窗和門制造的中空型材。這些材料具有高彈性模量(800000磅/英寸2或更高)并且易于制造、組裝和安裝。這些具有極高強(qiáng)度的材料已很成功地用于窗和門的制造。
PERMASHIELD商標(biāo)制造技術(shù)和FIBREX商標(biāo)材料制造技術(shù)都具有顯著的實(shí)用性并在許多應(yīng)用領(lǐng)域中獲得了很大的成功。熱塑性聚合物技術(shù)的應(yīng)用可進(jìn)一步擴(kuò)展到其它需要獲得具有高性能材料的領(lǐng)域中。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料可用來替代石材、木材、玻璃和金屬制造構(gòu)件。該構(gòu)件是由一種熱塑性聚合物與一種木纖維混合的發(fā)泡復(fù)合物構(gòu)成的熱塑性泡沫體。木纖維可以由軟木或常綠樹木制得，或由通常稱為闊葉落葉性樹木的硬木制得。一般說來，由于由軟木制成的纖維較長(zhǎng)，其中木素含量高且半纖維素含量較硬木低，因此對(duì)于木纖維制造來說，軟木是優(yōu)選的。其它的纖維來源包括竹子、稻草、甘蔗以及來自新聞紙、紙盒、計(jì)算機(jī)打印紙等的回收纖維在內(nèi)的眾多二次或纖維回收源。本發(fā)明的一種優(yōu)選的木纖維來源是木纖維產(chǎn)品或是軟木經(jīng)鋸或磨木加工的木纖維產(chǎn)物或副產(chǎn)品。一種優(yōu)質(zhì)的纖維可經(jīng)磨木而制成，通稱為鋸末或磨渣的碾磨副產(chǎn)品也是可采用的。
各種熱塑性聚合物或樹脂都可用于本發(fā)明的發(fā)泡復(fù)合材料。對(duì)于本應(yīng)用目的來說，適用的樹脂是包括可含有或不合輔助的填料或增強(qiáng)材料(除木纖維外)的，具有適用于制造結(jié)構(gòu)部件、機(jī)械零件及化學(xué)加工設(shè)備零件所需的機(jī)械性能、化學(xué)性能及熱性能的普通熱塑性塑料。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，適用于本發(fā)明的樹脂包括縮聚物材料和乙烯基聚合材料。發(fā)泡材料能改善結(jié)構(gòu)件的熱性能和物理性能。各種乙烯基聚合材料可用于本發(fā)明的復(fù)合材料中。適用的乙烯基聚合物是經(jīng)均聚合、共聚合或三元共聚合方法制成的聚合物?？s聚物樹脂也可用于本發(fā)明的復(fù)合材料中。
有關(guān)發(fā)泡復(fù)合材料性能的改進(jìn)包括提高了抗收縮性，改善了COTE、抗壓強(qiáng)度及緊固件保持性。這類材料所表現(xiàn)的性能使其能成為工業(yè)用、商業(yè)用及家庭用建筑中理想的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該材料具有符合要求的熱性能，其中包括最小的熱膨脹系數(shù)，最低的收縮性以及最低的熱畸變。而且這種材料是容易制得、裝配成適用的結(jié)構(gòu)并易于安裝的。對(duì)本專利應(yīng)用來說，名詞“擠塑用料”是指經(jīng)擠塑機(jī)加工后形成泡沫熱塑性塑料木纖維復(fù)合材料的物質(zhì)。該擠塑用料可包括一種分散有木纖維的粉狀、片狀或粒狀熱塑性離散有木纖維的材料與一種單獨(dú)的發(fā)泡劑的混合物，而最后擠塑用料是通過混合物中每一成分混合在一起而形成的?；蛘?，擠塑用料可包含一種包括熱塑性材料、木纖維和預(yù)配的發(fā)泡劑的預(yù)成形粒料并預(yù)擠塑成粒料的組合物?；蛘撸瑪D塑用料可以包括一種混有發(fā)泡劑的熱塑性材料木纖維粒料的干燥混合物?；蛘?，擠塑用料可以包括由熱塑性材料與溶于或分散于熱塑性塑料中的發(fā)泡劑相混合，然后再與單獨(dú)的木纖維相共混的粒料。換言之，該擠塑用料可以包括熱塑性塑料、木纖維或發(fā)泡劑的、以任何一種適用的方式形成的可擠塑用料。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是本說明書中討論的用于物理性能試驗(yàn)的一種典型的窗臺(tái)檔板的立體正視圖。
圖2是本說明書中討論的用于物理性能試驗(yàn)的一種典型的窗臺(tái)檔板的正視圖。
圖3是本說明書中討論的用于物理性能試驗(yàn)的一種典型的軟簾盒等比例端視圖。圖1-3中的結(jié)構(gòu)是常用的門窗單元部件。
木纖維用于本發(fā)明的木纖維的主要來源包括木纖維產(chǎn)品或木質(zhì)材料(優(yōu)選為軟木)經(jīng)粉碎、鋸或碾磨后的副產(chǎn)品。優(yōu)質(zhì)的木纖維可經(jīng)碾磨木料而制成，通常稱為鋸末的碾磨副產(chǎn)品或碾磨尾渣也可采用。這種木纖維具有整齊的可重現(xiàn)的形狀及長(zhǎng)徑比。以隨機(jī)抽樣約100根纖維來說，纖維長(zhǎng)度通常為至少0.05毫米，優(yōu)選為0.1毫米，粗度為約0.02-1毫米，長(zhǎng)徑比通常為至少1.5。優(yōu)選的纖維長(zhǎng)度為0.1-5毫米而長(zhǎng)徑比為2與7之間，優(yōu)選為2.5-6。用于本發(fā)明的優(yōu)選纖維是來自通常制造門窗過程產(chǎn)生的纖維。通常，木質(zhì)構(gòu)件是沿垂直木纖維方向?qū)⒛玖吓苫蜾彸删哂羞m當(dāng)長(zhǎng)度和寬而制成的。這種鋸木操作會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品即鋸末。為了要使形狀規(guī)則的木料成為適用的已加過工的形狀，通常是使木材通過一種能選擇性地刨削木料而成為適用的形狀的機(jī)械。這種刨削操作會(huì)產(chǎn)生大量的鋸末或刨削尾渣副產(chǎn)品。最后，當(dāng)已成形的材料切割成一定規(guī)格和在預(yù)成形的木質(zhì)構(gòu)件內(nèi)開出斜榫接頭，平接頭，搭接頭，公母榫接頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量修整下來的廢邊角料。這類較大的邊角料通常經(jīng)機(jī)械粉碎而使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪其從┗蚺傧魑苍笮〉哪纠w維。用于本發(fā)明的木纖維源無論顆粒大小都可共混在一起而用于制造該復(fù)合材料。該木纖維可以預(yù)篩分至優(yōu)選的大小或在共混合后篩分。此外，該纖維在用于復(fù)合材料制造前可預(yù)先造粒。
這種鋸末材料中可包含相當(dāng)比例的與其相容的副產(chǎn)物廢料。這類副產(chǎn)物包括廢聚氯乙烯或其它已在木質(zhì)構(gòu)件上用作涂料、貼面或包封料的熱塑性或聚合物材料；回收的由熱塑性材料或復(fù)合材料制的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；涂層中的聚合物材料；熱熔粘合劑，溶劑基粘合劑，粉末狀粘合劑等形式的粘合劑成分；包括水基漆，醇酸漆，環(huán)氧漆等的油漆；防腐劑，防霉劑，抗菌劑，殺蟲劑等以及其它常見的制造木門、窗過程產(chǎn)生的廢料。木纖維材料中廢料總含量通常低于摻入復(fù)合材料中木纖維總量的25(重量)％。全部再利用廢料中熱塑性材料約占10(重量)％。通常，預(yù)期再利用廢料量為鋸末重量的約1-約25(重量)％，優(yōu)選為2-20(重量)％，最一般為約3-約15(重量)％。
水分控制是制造復(fù)合的線形擠出物或粒料的一個(gè)重要要素。水分會(huì)影響或改變復(fù)合物及發(fā)泡產(chǎn)品的恒定性。根據(jù)所用的設(shè)備和加工條件，控制材料中水含量對(duì)于形成密度基本上無顯著變化的、基本上沒有內(nèi)部孔隙或表面缺陷的合格的結(jié)構(gòu)件可能是很重要的。當(dāng)加熱形成粒料或使線形擠出體發(fā)泡時(shí)，鋸末中所含水分會(huì)從新擠出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面突然氣化，并且由于水分的迅速蒸發(fā)，在擠出的構(gòu)件內(nèi)部形成的深層蒸汽泡會(huì)從內(nèi)部通過熱的熱塑性擠出體而留下明顯的缺陷。與此相類似，表面的水分也會(huì)形成氣泡而在擠出的構(gòu)件中留下裂縫，氣泡或其它表面缺陷。此外，應(yīng)避免采用濕敏性工程樹脂。水能與某些縮聚物反應(yīng)而導(dǎo)致聚合物的熔體指數(shù)(MI)(MI按照ASTM1238測(cè)定)增加和分子量(Mn或Mw)降低。
根據(jù)砍伐樹木時(shí)的相對(duì)濕度和季節(jié)，其含水量可為30-300(重量)％(以纖維含量計(jì))。在粗鋸切和加工成凈規(guī)格材后，風(fēng)干的木材的含水量為20-30(重量)％(以纖維含量計(jì))。窯內(nèi)烘干的切成一定長(zhǎng)度的凈規(guī)格材的含水量典型的為8-12％，一般為8-10(重量)％(以纖維計(jì))。某些木材如楊樹或山楊可能有較高的水分，而某些硬木可能含水量較低。
由于木材纖維源中含水量的不同和擠出體對(duì)含水量的敏感性，將粒料中含水量控制在8(重量)％以下(以粒料重量計(jì))是重要的。對(duì)于按非排氣式擠出工藝擠出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，粒料應(yīng)盡可能干燥，其含水量應(yīng)在0.01-5％之間，優(yōu)選低于1.5(重量)％。當(dāng)采用排氣式設(shè)備制造擠出線形結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，如果在排氣式擠出設(shè)備的擠出頭中最后成形結(jié)構(gòu)構(gòu)件前能干燥該熱塑性材料的話，則含水量低于8(重量)％也是可允許的。
熱塑性聚合物、均聚物、共聚物及聚合物合金各種各樣的熱塑性聚合物或樹脂都可用于本發(fā)明的發(fā)泡復(fù)合材料。對(duì)于本應(yīng)用目的來說，適用的樹脂是包括含有或不含填料或增強(qiáng)材料的、具有適用作結(jié)構(gòu)部件、機(jī)械零件及化學(xué)加工設(shè)備組件所需的機(jī)械性能，化學(xué)性能和熱性能的普通熱塑性材料。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，適用于本發(fā)明的樹脂包括縮聚物材料和乙烯基聚合材料。乙烯基聚合物和縮聚物樹脂以及它們的合金包括諸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙?；鶚渲?、聚丙烯酸樹指、碳氟樹脂、尼龍、苯氧基樹脂、聚丁烯樹脂、聚芳醚如聚苯醚，聚苯基硫醚材料、聚碳酸酯材料、氯化聚氧樹脂、聚醚砜樹脂、聚苯醚樹脂、聚砜樹脂、聚酰亞胺樹脂、熱塑性聚氨酯彈性體以及許多其它樹脂材料。乙烯基聚合物一般通過含烯屬不飽和烯烴基團(tuán)的單體的聚合作用制得的?？s聚物樹脂一般通過縮聚合反應(yīng)制得，縮聚合反應(yīng)通常被認(rèn)為是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上分子結(jié)合的逐步化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中常常(但未必)伴有水或某些其它簡(jiǎn)單的揮發(fā)性物質(zhì)的分離。如果形成聚合物，則該反應(yīng)過程稱為縮聚合反應(yīng)。
乙烯基聚合物各種各樣可在復(fù)合材料中使用的乙烯基聚合材料都可用于本發(fā)明的復(fù)合材料中。適用的乙烯基聚合物是通過均聚合方法、共聚合方法或三元共聚合方法制造的聚合物。均聚物包括聚烯烴(如聚乙烯、聚丙烯、聚-1-丁烯等)、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯。也可采用α-烯烴與第二種單體的共聚物，如乙烯-丙烯共聚物、乙烯-己烯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物等。雖然苯乙烯的均聚物不是優(yōu)選的，但苯乙烯與第二種乙烯基單體聚合而成的共聚物材料是可采用的。
然而，一類優(yōu)選的熱塑性材料包括苯乙烯共聚物。名詞苯乙烯共聚物是指苯乙烯與第二種乙烯基單體共聚合而產(chǎn)生的乙烯基聚合物。這類材料含至少5(摩爾)％苯乙烯，其余是一種或多種其它乙烯基單體。這些材料中重要的一類是苯乙烯丙烯腈(SAN)聚合物。SAN聚合物是通過苯乙烯與丙烯腈及任選其它單體的共聚合而產(chǎn)生的無定形的無規(guī)線形共聚物。已經(jīng)利用乳液聚合、懸浮聚合和連續(xù)本體聚合技術(shù)對(duì)SAN進(jìn)行了共聚合。SAN共聚物具有透明性、優(yōu)良的熱性能、好的耐化學(xué)品性及硬度。這些聚合物的特征也在于其剛度、尺寸穩(wěn)定性及載荷能力。烯烴改性的SAN(OSA聚合材料)和丙烯酸苯乙烯丙烯腈(ASA聚合材料)都是大家知道的。這些材料較未改性的SAN稍軟，但有韌性的、不透明的，是已經(jīng)具有出乎意料地高的耐候性的兩相三元共聚物。
ASA樹脂是經(jīng)本體共聚合作用或經(jīng)接枝共聚合作用制成的無定形的無規(guī)三元共聚物。在本體共聚合作用中，丙烯酸單體、苯乙烯與丙烯腈結(jié)合形成雜三元聚合物。根據(jù)另外一種制備技術(shù)，可將苯乙烯丙烯腈低聚物與單體接枝到丙烯酸彈性體骨架上。這類材料的特征為具有優(yōu)良調(diào)節(jié)的色澤穩(wěn)定性，性能保持性以及在室外曝置下的性能穩(wěn)定性的戶外耐天候及耐紫外產(chǎn)品。這些材料也能與其它包括聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯在內(nèi)的各種聚合物共混或形成合金。一類重要的苯乙烯共聚物包含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯單體。這些樹脂是由三種單體共聚制得的、用途廣泛的一類熱塑性工程塑料。每種單體都賦予最終的三元共聚物材料一種重要性能。該最終聚合物材料具有優(yōu)良的與加工性、剛度及強(qiáng)度相聯(lián)系的耐熱性、耐化學(xué)品性和表面硬度。該聚合物也是堅(jiān)韌的和耐沖擊性的。苯乙烯共聚物類樹脂的熔體指數(shù)范圍為約0.5-25，優(yōu)選為約0.5-20。
能用于本發(fā)明復(fù)合材料中的一類重要的工程樹脂包括丙烯酸樹脂。丙烯酸樹脂包括主要單體成分為丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的范圍很寬的一系列聚合物和共聚物。這些樹脂常以硬的、透明片狀或粒狀形態(tài)提供。丙烯酸單體通常是通過過氧化物、偶氮化合物或輻射能引發(fā)的自由基聚合過程而聚合的。在商品聚合物配方中常添加有各種添加劑，添加劑作為改性劑在聚合過程可賦予聚合物某些特定的使用性能。樹脂級(jí)用途的粒料一般或是大批制造(連續(xù)溶液聚合)，然后經(jīng)擠出和切粒，或是在擠塑機(jī)中連續(xù)地聚合，聚合過程中未轉(zhuǎn)化的單體在減壓下除去并回收供循環(huán)利用。丙烯酸塑料通常是用丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸高級(jí)烷基酯及其它可共聚的乙烯基單體制造的。用于本發(fā)明復(fù)合材料中優(yōu)選的丙烯酸樹脂材料的熔體指數(shù)為約0.5-50，優(yōu)選為約1-30克/10分鐘。聚合物共混物或聚合物合金也可用于制造本發(fā)明的粒料或線型擠出體。這類合金通常包括兩種可溶混的聚合物共混成的一種均勻組合物。聚合物共混物領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步和工業(yè)發(fā)展已經(jīng)不需開發(fā)新的聚合物材料，而只需通過形成可溶混的聚合物共混物或合金來實(shí)現(xiàn)重要的物理性能的改進(jìn)。處于平衡態(tài)的聚合物合金包含以兩種大分子成分的鏈段均勻混合的單相狀態(tài)存在的兩種無定形聚合物的混合物?？扇芑斓臒o定形聚合物一旦充分冷卻就成為玻璃狀態(tài)，均勻的或互溶混聚合物的共混物只有一單個(gè)依賴于組成的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。不溶混的或非合金的聚合物共混物通常呈現(xiàn)出與不溶混的聚合物相有關(guān)的兩個(gè)或兩個(gè)以上玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。以最簡(jiǎn)單情況而言，聚合物合金的性能反映了組合物中各成分所擁有的權(quán)重平均性能。然而，一般來說，該性能是隨組合物中各成分的具體性能，各成分的形態(tài)(玻璃態(tài)，橡膠態(tài)或半結(jié)晶態(tài))，共混物的熱力學(xué)狀態(tài)以及其力學(xué)狀態(tài)(無論分子和相態(tài)是否取向)而以復(fù)雜方式變化的。對(duì)熱塑性工程樹脂材料的主要要求是樹脂要有足夠的熱塑性能以能與木纖維進(jìn)行熔體共混，成形為線形擠出體粒料，并使該復(fù)合材料或粒料可用熱塑加工方法進(jìn)行擠塑或注塑成剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件。工程樹脂及樹脂合金可從包括B.F.Goodrich,G.E.,Dow,及Dupont公司在內(nèi)的許多制造商購(gòu)得。
縮聚物樹脂能用于本發(fā)明復(fù)合材料中的縮聚物樹脂包括聚酰胺，聚酰胺-酰亞胺聚合物，聚芳基砜，聚碳酸酯，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，聚萘二甲酸丁二醇酯，聚醚酰亞胺，聚醚砜，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，熱塑性聚酰亞胺，聚亞苯基醚共混物，聚苯硫，聚砜，熱塑性聚氨酯等。優(yōu)選的縮聚工程樹脂包括聚碳酸酯材料，聚苯氧材料以及包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚萘二甲酸丁二醇酯材料在內(nèi)的聚酯材料。
聚碳酸酯工程樹脂是具有高沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、透明性、耐熱性的高性能、無定形熱塑性工程樹脂。聚碳酸酯通常歸為一種聚酯或帶有機(jī)羥基化合物的碳酸。最普通的聚碳酸酯是由雙酚A(作為羥基化合物)與碳酸共聚合而成的。這種材料常常是由雙酚A與光氣(COCl2)反應(yīng)而制成的。為了提高諸如耐熱等性能，可在制造聚碳酸酯時(shí)將苯二甲酸酯單體導(dǎo)入聚合擠塑機(jī)中。而且，也可采用三官能材料來提高熔體強(qiáng)度或者形成擠坯吹塑材料。聚碳酸酯可常作為一種與其它商品聚合物一起制造合金的成分，而可用作多用途共混物料。聚碳酸酯能與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂、苯乙烯馬來酸酐樹脂等相混合。優(yōu)選的合金包含苯乙烯共聚物與聚碳酸酯。聚碳酸酯材料的優(yōu)選熔體指數(shù)應(yīng)在0.5與7克/10分鐘之間，優(yōu)選為1與5克/10分鐘之間。
包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯等的各種聚酯縮聚物材料都可用于本發(fā)明的工程樹脂木纖維熱塑性復(fù)合材料中。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯與聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯是高性能縮聚物材料。這類聚合物常通過二元醇(乙二醇，1,4-丁二醇)與對(duì)苯二甲酸二甲酯或2,6-二羧基萘之間的共聚合作用制成的。在該聚合過程中，聚合混合物經(jīng)加熱至高溫而發(fā)生釋放甲醇的酯交換反應(yīng)并形成工程塑料。同樣，聚萘二甲酸乙二醇酯與聚萘二甲酸丁二醇酯材料可通過如上所采用的酸源、萘二羧酸的共聚合作用制成。萘二甲酸酯熱塑性材料較對(duì)苯二甲酸酯材料有更高的Tg和更高的高溫穩(wěn)定性。然而，所有這些聚酯材料都可用在本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中。這類材料具有優(yōu)選的以熔體流動(dòng)性能為特征的分子量。適用的聚酯材料的粘度，在265℃下為約500-2000厘泊(cp)，優(yōu)選約800-1300厘泊。
聚苯氧材料是可用在高達(dá)330℃溫度范圍的熱塑性工程塑料。聚苯氧具有優(yōu)良的機(jī)械性能，尺寸穩(wěn)定性及介電特性。通常，聚苯氧是以與其它聚合物或纖維結(jié)合時(shí)作為聚合物合金或共混物的形態(tài)制備和銷售的。聚苯氧通常包括2,6-二甲基-1-酚的均聚物。該聚合物通常稱為聚(氧-(2,6-二甲基-1,4-亞苯基))。聚亞苯基常用作與聚酰胺(一般為尼龍6-6)形成合金或共混物，與聚苯乙烯或高抗沖擊聚苯乙烯等形成合金。用于本發(fā)明的聚苯氧材料的優(yōu)選熔體指數(shù)通常為約1-20，優(yōu)選為約5-10克/10分鐘。265℃的熔體粘度約1000厘泊。
發(fā)泡發(fā)泡熱塑性塑料一般是通過將氣相分散在整個(gè)液態(tài)聚合物相中或使氣相在聚合物中膨脹而制成的，產(chǎn)生的泡沫體包含一種聚合物成分和一種包括在閉孔或開孔結(jié)構(gòu)中的氣體成分。制得的發(fā)泡狀態(tài)的保持性對(duì)維持所希望的結(jié)構(gòu)性能是很重要的。最普通的發(fā)泡方法涉及使待發(fā)泡的熱塑性材料膨脹。該膨脹過程一般包括三個(gè)步驟首先，在流體或塑料相中產(chǎn)生少量不連續(xù)體或泡孔，接著，這些不連續(xù)體增長(zhǎng)至產(chǎn)生泡孔結(jié)構(gòu)所要求的體積，然后，該泡孔結(jié)構(gòu)通過物理(冷卻)或化學(xué)(交聯(lián))方法得以穩(wěn)定而形成發(fā)泡或微孔聚合物結(jié)構(gòu)。
實(shí)際上所有熱塑性泡沫體是以惰性氣體發(fā)泡劑或以化學(xué)發(fā)泡劑分解的方法發(fā)泡的。惰性氣體發(fā)泡劑通常是利用惰性氣體如氮?dú)饣蚨趸?，?-5個(gè)碳原子的烴，氯化烴及含氯氟烴如CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114進(jìn)行發(fā)泡的。化學(xué)發(fā)泡劑是通過在高溫條件下分解產(chǎn)生惰性氣體發(fā)泡的。物理發(fā)泡劑是通過溶解或分散在塑料或熔融聚合物液相中的發(fā)泡劑，在壓力降低時(shí)突然氣化成能使聚合物產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)的氣態(tài)而實(shí)現(xiàn)發(fā)泡的。就本發(fā)明的應(yīng)用來說，優(yōu)選的發(fā)泡劑是通用的重氮發(fā)泡劑，這類發(fā)泡劑分解時(shí)產(chǎn)生的氮?dú)馐且环N能使整個(gè)聚合物/木纖維復(fù)合材料產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)的有效惰性發(fā)泡劑。更具體地說，能用于本發(fā)明方法中的發(fā)泡劑包括化學(xué)發(fā)泡劑如有機(jī)或無機(jī)碳酸氫鹽或草酸鹽、偶氮-化學(xué)品、酰肼(hydrozides)、及硝酸胺。在較低壓力區(qū)能氣化而產(chǎn)生氣體的低沸點(diǎn)液體包括二氧化碳、脂族烴如丙烷、丁烷、戊烷及它們的異構(gòu)體。氯代烴和氟代烴如二氯甲烷、二氯二氟甲烷及一氯三氟甲烷都是適用的。發(fā)泡劑通常以眾所周知的方法與熱塑性材料相混合。一般，化學(xué)發(fā)泡劑是在共混材料導(dǎo)入擠塑機(jī)入口前與熱塑性粒料或粉料相混合的。物理發(fā)泡劑可按計(jì)量導(dǎo)入擠塑機(jī)中，于發(fā)泡前在低壓段與熔融聚合物完全混合。這種發(fā)泡過程對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)熟練人員來說是一種眾所周知的方法。為了保證在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和位置產(chǎn)生發(fā)泡并且不浪費(fèi)發(fā)泡劑，必須小心控制發(fā)泡劑的加入量和擠塑溫度。
實(shí)施例發(fā)泡PVC-木纖維復(fù)合材料配方所有泡沫PVC木纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)都是采用按如下方法制造的材料來完成的*以每小時(shí)75磅的供料速率供入標(biāo)準(zhǔn)PVC木纖維復(fù)合粒料(見美國(guó)專利5486553、5539027、5406768、5497594、5441801和5518677中關(guān)于粒料的資料)。
*以每分鐘約13.5克的速率同時(shí)供入Reedy International AP-40(產(chǎn)生氮(N2)氣的疊氮化合物)發(fā)泡劑(1.786磅/小時(shí)，2.38％)。
*以每分鐘約36.1克的速率同時(shí)供入Rohm&Haas Paraloid K-415丙烯酸改性劑(4.776磅/小時(shí)，6.37％)。
擠塑機(jī)操作條件制造發(fā)泡PVC/木纖維復(fù)合材料所用材料和擠塑機(jī)操作條件列于下表中<
<p>發(fā)泡復(fù)合材料其它試驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)無貼面層密度(g/cc)細(xì)顆粒(50目)標(biāo)準(zhǔn) 平刨片60/40180.87 0.82 0.8470/30 未測(cè)出0.77 未測(cè)出**標(biāo)準(zhǔn)粒狀復(fù)合材料=1.4g/cc80/20 0.71 0.71 0.74松木=0.4g/cc熱膨脹系數(shù)細(xì)顆粒(50目)標(biāo)準(zhǔn) 平刨片(×10-5in/in°F)60/40 1.7470/30**PVC=4.0×10-5in/in°F80/20 2.57 2.81 標(biāo)準(zhǔn)粒料復(fù)合材料=1.2撓曲模量(psi) 細(xì)顆粒(50目)標(biāo)準(zhǔn) 平刨片60/40 333,115 未測(cè)出293,77570/30 未測(cè)出227,643 未測(cè)出**PVC=410,000psi80/20 147,663 132,611 170,608 標(biāo)準(zhǔn)粒料復(fù)合材料=1,000,000psi釘子釘入(磅) 細(xì)顆粒(50目)標(biāo)準(zhǔn) 平刨片60/40 129 未測(cè)出149**釘彎前未透入標(biāo)準(zhǔn)粒狀復(fù)合材料70/30 未測(cè)出118 未測(cè)出80/20 8477129 橡樹彎曲前稍穿透1PVC與木纖維的重量比線性熱膨脹系數(shù)對(duì)各種聚合物進(jìn)行線性熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)(ASTM No.D696-91ε1)。將每種聚合物擠塑成供試驗(yàn)的軟簾盒，試驗(yàn)結(jié)果匯集于下表中
發(fā)泡木纖維復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性較未發(fā)泡PVC木纖維復(fù)合材料更好，也較PVC更好。而且，發(fā)泡材料的熱膨脹系數(shù)較這些材料為低。低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能使窗扇與窗口相配合并使窗戶更能適應(yīng)氣候的變化。
平板彎曲試驗(yàn)采用16英寸跨距試樣，通過INSTRON試驗(yàn)機(jī)按三點(diǎn)負(fù)載方式進(jìn)行平板彎曲試驗(yàn)，以測(cè)得的力/位移數(shù)據(jù)組確定各種聚合物的橫向強(qiáng)度。該試驗(yàn)是在橫截面尺寸為0.688×2.078英寸，長(zhǎng)度為16英寸的試樣上進(jìn)行的。將標(biāo)準(zhǔn)力施加于試樣的中點(diǎn)并增加到試樣位移達(dá)0.25英寸為止。記錄每一試驗(yàn)所用的力和算得的楊氏模量。下表列出了每種預(yù)定撓曲為0.25英寸(ASTM試驗(yàn)方法No.D-1037-96a)的試樣材料的載荷(磅-力(lbs))及楊氏模量。
雖然發(fā)泡材料的強(qiáng)度不及木材或非發(fā)泡復(fù)合材料那樣高，但它的性能足可以用作平板并可用于一般住宅建筑領(lǐng)域應(yīng)用中。
保持力試驗(yàn)采用1000磅載荷傳感器、橫梁速度為每分鐘0.200英寸的型號(hào)為5500R INSTRON試驗(yàn)機(jī)，對(duì)發(fā)泡PVC-木纖維復(fù)合材料進(jìn)行保持力試驗(yàn)。緊固件以“窄的方式”也就是通過乙烯基面層擰入PVC-木纖維復(fù)合材料，并從另一側(cè)面層穿出。為此，采用帶有導(dǎo)向套管的以低速旋轉(zhuǎn)的螺旋式干油槍將若干個(gè)No.8×2英寸鍍鋅平圓柱頭螺釘旋入有定位孔和沒有定位孔的試樣中。同時(shí)借助錘子以手工釘入方法將若干個(gè)4D光制釘子釘入以進(jìn)行試驗(yàn)。所有試驗(yàn)都是以Ponderosa松木作為對(duì)照樣的。
該發(fā)泡復(fù)合材料的保持緊固件(如螺釘或釘子等)的性能基本上與松木相同(在試驗(yàn)偏差以內(nèi))。該結(jié)果出乎意料之處在于該復(fù)合材料既具有泡沫材料性能又有松木構(gòu)件的整體性。
螺紋擠損(strip-out)試驗(yàn)采用帶有導(dǎo)向套管的以低速旋轉(zhuǎn)的螺旋式干油槍將若干個(gè)No.8×2英寸鍍鋅平圓柱頭螺釘旋入有定位孔和沒有定位孔的試樣中，以進(jìn)行螺紋擠損試驗(yàn)。采用一種手動(dòng)轉(zhuǎn)矩板手來測(cè)定螺紋擠損所需的扭矩。為了使螺紋貫通整個(gè)試樣嚙合，旋入的每一螺釘要穿過隔塊和試塊。<
<p>與保持力試驗(yàn)類似，螺紋擠損試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)泡復(fù)合材料在組合成釘固結(jié)構(gòu)或螺釘固定結(jié)構(gòu)時(shí)，在結(jié)構(gòu)整體性方面是與松木結(jié)構(gòu)件等同的。
注釋*用于窗和門的ASTM D4726 PVC型材允許最大收縮率達(dá)2.2％，試驗(yàn)方法按ASTM D1042-在180°F空氣烘箱中加熱60分鐘。
*標(biāo)準(zhǔn)粒料復(fù)合材料擠塑型材的連續(xù)平均收縮率為約0.4％。
*未復(fù)合的PVC擠塑型材的典型平均收縮率為約2％。
本發(fā)明的發(fā)泡PVC/木纖維復(fù)合材料的收縮值是很低的。該收縮率低于10英寸標(biāo)準(zhǔn)發(fā)泡(famed)復(fù)合材料試樣的可測(cè)值。標(biāo)準(zhǔn)PVC(無纖維或未發(fā)泡)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的收縮率為約1.8-2.2％。標(biāo)準(zhǔn)PVC/木纖維復(fù)合材料在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的收縮率為約0.4％。在我們的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)大于未發(fā)泡復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，因此我們預(yù)期發(fā)泡復(fù)合材料的收縮率會(huì)比未發(fā)泡復(fù)合材料大，但出人意料的是發(fā)泡復(fù)合材料幾乎不發(fā)生收縮。
上述對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)施例的詳細(xì)說明，為了解本發(fā)明的方法和范圍提供了基礎(chǔ)，然而，在不違背本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明可以有許多種實(shí)施方案。因此本發(fā)明的范圍是由附后的權(quán)利要求書規(guī)定的。
權(quán)利要求
1．一種形成包含一種乙烯基聚合物組合物和一種增強(qiáng)木纖維的發(fā)泡復(fù)合材料的方法，該方法包括下列步驟(a)將包含一種聚合物組合物，一種木纖維源和一種能使聚合物組合物發(fā)泡的試劑的擠塑用料導(dǎo)入包括機(jī)筒、至少一個(gè)螺桿傳動(dòng)裝置的擠出機(jī)流徑，該流徑還包括一個(gè)位于溫度為約165-190℃的第一加熱區(qū)和溫度為約165-190℃的第二加熱區(qū)之間的排水汽孔，該擠塑流徑通向模芯和包括一定徑規(guī)的成形模頭；(b)由擠塑用料在模頭中形成發(fā)泡構(gòu)件；和(c)使定徑規(guī)中實(shí)心發(fā)泡構(gòu)件的表面與一種液體相接觸，以使構(gòu)件的至少部分表面具有硬而光滑的特征。
2．權(quán)利要求1的方法，其中擠塑用料到達(dá)排水汽孔前是經(jīng)剪切作用并加熱到至少100℃。
3．權(quán)利要求2的方法，其中在排水汽孔后，擠塑用料被加熱到熔點(diǎn)以上并形成熔融的擠塑用料，因而可防止發(fā)泡氣體經(jīng)排水汽孔逸出。
4．權(quán)利要求3的方法，其中擠塑用料的溫度在形成熔融擠塑用料前不超過發(fā)泡劑分解溫度。
5．如權(quán)利要求4的方法，其中分解溫度高于150℃。
6．權(quán)利要求1的方法，其中聚合物組合物包括一種含氯乙烯的乙烯基聚合物。
7．權(quán)利要求1的方法，其中擠塑機(jī)流徑包括靠近模芯，用來解除模頭中形成的氣體壓力的裝置。
8．權(quán)利要求1的方法，其中擠塑用料包含所述試劑和一種均勻地混有纖維的聚合物組合物的熱塑性粒料。
9．權(quán)利要求1的方法，其中擠塑用料包含穩(wěn)定泡沫的丙烯酸聚合物穩(wěn)定劑，發(fā)泡劑和一種含均勻地混有纖維的聚合物組合物的熱塑性粒料。
10．權(quán)利要求1的方法，其中構(gòu)件是空心構(gòu)件。
11．權(quán)利要求1的方法，其中構(gòu)件是實(shí)心構(gòu)件。
12．權(quán)利要求1的方法，其中定徑規(guī)包括一定徑塊。
13．權(quán)利要求1的方法，其中所述試劑包括一種產(chǎn)生氮?dú)獾陌l(fā)泡劑或產(chǎn)生二氧化碳的發(fā)泡劑或它們的混合物。
14．權(quán)利要求1的方法，其中模芯和模頭的溫度保持在約170-230℃。
15．權(quán)利要求1的方法，其中液體包括水。
16．一種包含乙烯基聚合物和木纖維的發(fā)泡復(fù)合材料構(gòu)件，為一種具有開孔泡沫結(jié)構(gòu)的發(fā)泡復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式，該構(gòu)件適用作木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的替代品，復(fù)合材料構(gòu)件含約90-50(重量)％乙烯基聚合物和10-50(重量)％木纖維，因復(fù)合材料中由泡孔構(gòu)成的開孔結(jié)構(gòu)與纖維的相互作用，復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)低于約3·10-5英寸/英寸-°F，收縮率低于約原尺寸的2％，平均緊固件保持力至少約是基本相似的松木構(gòu)件的70％。
17．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件包含約80-60(重量)％的聚合物和20-40(重量)％的纖維。
18．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中該構(gòu)件是空心構(gòu)件。
19．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中該構(gòu)件是實(shí)心構(gòu)件。
20．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其矩形截面較大一邊的尺寸大于約1厘米。
21．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其矩形截面中較小一邊的尺寸大于約1厘米。
22．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中構(gòu)件包括桁條板。
23．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中桁條板是一種成品尺寸至少約2英寸厚，12英寸寬的構(gòu)件。
24．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中該構(gòu)件包括住宅壁板。
25．權(quán)利要求20的復(fù)合材料構(gòu)件，其中板壁構(gòu)件包括緊固件連接板、可見的表面特征和一嚙合槽。
26．權(quán)利要求21的復(fù)合材料構(gòu)件，其中可見的表面特征包括一平坦的表面。
27．權(quán)利要求21的復(fù)合材料構(gòu)件，其中可見的表面包括一種木紋表面。
28．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件具有一定形狀的截面。
29．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件包括窗或門滑軌。
30．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件包括窗框。
31．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件包括裝飾件。
32．權(quán)利要求27的復(fù)合材料構(gòu)件包括窗扇檔板。
33．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其楊氏模量大于250000磅/英寸2。
34．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其熱膨脹系數(shù)為0.1·10-5與3·10-5英寸/英寸°F之間。
35．一種結(jié)構(gòu)單元，包含至少兩個(gè)以機(jī)械方法安全連接的權(quán)利要求16的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
36．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中構(gòu)件表面包括有發(fā)泡表面的區(qū)域和有硬的光滑表面區(qū)域。
37．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，具有厚度為約1-100密耳表面貼面層。
38．權(quán)利要求16的復(fù)合材料構(gòu)件，其中聚合物組合物包括一種含氯乙烯的乙烯基聚合物。
全文摘要
一種包含外貼面層和含發(fā)泡熱塑性材料的內(nèi)層的優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料型材結(jié)構(gòu)部件可用于住宅和商用結(jié)構(gòu)的門窗單元的組件中。這種型材結(jié)構(gòu)部件優(yōu)選可用于窗或門組件中。采用該型材構(gòu)件能簡(jiǎn)化門、窗單元的建造,這種型材構(gòu)件還易于安裝在框架構(gòu)件的粗開口中,并易于修飾,便于調(diào)整適當(dāng)位置。該型材在結(jié)構(gòu)上是堅(jiān)固的,是熱穩(wěn)定的、有抗縮性,能嵌入緊固件并永久地將其保留著,幾乎不會(huì)或完全不會(huì)損壞結(jié)構(gòu)單元。該型材結(jié)構(gòu)部件具有的強(qiáng)度足可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)泡型材構(gòu)件或其它常規(guī)構(gòu)件制成結(jié)構(gòu)上堅(jiān)固的門窗單元。
文檔編號(hào)B29C44/22GK1236700SQ99100988
公開日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1999年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月21日
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