DE69913972T2

DE69913972T2 - Geschäumter polymer/faser-verbundstoff

Info

Publication number: DE69913972T2
Application number: DE69913972T
Authority: DE
Inventors: J. David STUCKY; Randall Elinski
Original assignee: Certainteed LLC; Certain Teed Corp
Current assignee: Certainteed LLC
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: CN1142056C; IL138728A0; US20040170818A1; ATE257078T1; AU3467199A; WO1999051425A1; CA2325692A1; KR20010034724A; US6344268B1; DE69913972D1; CN1298342A; JP2002510568A; EP1100675A1; EP1100675A4; AU757392B2; EP1100675B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein geschäumtes Polymerkomposit-Baumaterial gemäß dem einleitenden Teil von Anspruch 1, ein Verfahren zur Bildung eines geschäumten Polymer-zelluloseartigen Kompositbaumaterials, gemäß dem einleitenden Teil von Anspruch 14, sowie einen geschmolzenen Vorläufer für ein Baumaterial gemäß dem einleitenden Teil von Anspruch 16.
Hintergrund der Erfindung
Synthetisches Bauholz wurde als Ersatz für Holz in Gegenden verwendet, in denen Holz aufgrund der Umweltbedingungen schnell verderben kann. Obwohl in der Vergangenheit die Vermarktung durch die Kosten beschränkt war, haben moderne Recyclingtechniken sowie die Fähigkeit, eine Extrusionsherstellung mit niedrigen Kosten durchzuführen, den Polymerfaser-Kompositmaterialien einen größeren Zugang in die Handelsmärkte sowie in die Märkte vor Ort ermöglicht. Ein solches Produkt, das von der Firma Trex Company, LLC, Winchester, VA, unter dem Warenzeichen TREX hergestellt wird, besteht aus einer Polyethylen-Holzfasermischung, die für die Anwendung für Terrassen in Brettmaße extrudiert wird.
Polyethylen-Holz-Kompositbretter in Dicken von 32 mm (5/4 Inch) weisen ein ausreichende Steifheit für die Verwendung als Terrassenbohlen auf, aber sie werden für gewöhnlich nicht als Ersatz for Holzstrukturen empfohlen, wie zum Beispiel die Gitterstruktur, die häufig als Träger für Terrassen verwendet wird.
Polyethylenkomposite sind attraktiv, da sie schraubbaren Befestigungsmitteln erlauben, derart zu "Versinken", daß die Schraubenköpfe ohne Vorbohren versunken sind, oder zumindest mit der Oberfläche des Brettes plan sind. Diese synthetischen Holzprodukte sind wetterbeständig und verhältnismäßig wartungsfrei. Sind sie erst einmal montiert, sind sie beständig gegen Splittern und Wölbung, das normalerweise mit Holzbohlen einhergeht. Sie sind auch durch ihre "Farbverwitterungsfähigkeit" gekennzeichnet; das Produkt TREX ist zum Beispiel zu Beginn von einer leicht kaffeebraunen Farbe und wandelt sich zu einem verwitterten grauen Aussehen, wenn es Regenwasser und Sonnenlicht ausgesetzt wird.
Polyethylen-Holz-Kompositbohlen müssen nicht gestrichen werden und weisen niemals Astlöcher auf, die häufig zu einer Beschädigung der Oberfläche von herkömmlichem Nutzholz führen und bei denen es für gewöhnlich schwieriger ist, Befestigungsmittel einzuhämmern oder einzuschrauben. Diese Kompositmaterialien geben auch keinen Pflanzensaft ab und weisen eine glatte Oberflächenstruktur auf, die selbst beim Barfußlaufen angenehm ist.
Zusätzlich zu Polyethylen wurde anderes Plastik für die Verwendung bei der Herstellung von synthetischen Holzprodukten vorgeschlagen. Polyvinylchlorid- ("PVC")Thermoplasten wurden in Verbindung mit Holzfasern zur Herstellung von extrudierten Materialien verwendet, für die Verwendung, zum Beispiel, bei Fenstern und Türen. Siehe US Patent Nr. 5 486 553, übertragen an Andersen Corporation. Solche Komponenten wurden entworfen, um strukturelle hölzerne Teile zu ersetzen, und sie weisen typischerweise ein Zug- oder Elastizitätsmodul von ca. 3 447 379 kPa (500 000 psi) oder größer auf. Da sie häufig eine Last tragen, sind einige dieser Holzfaser-PVC verstärkten Artikel dicht, relativ schwer, und von ihnen wird geglaubt, ein Vorbohren sei notwendig, um einen Schraubenkopf zu versenken.
Folglich besteht noch immer Bedarf an einem Baumaterial, dessen Gewicht gering ist, und bei dem ein Schraubenkopf ohne Vorbohren versenkt werden kann. Es besteht ebenfalls Bedarf an einem extrudierbaren Polymerfaserkomposit, das in einer Vielzahl von permanenten oder halbpermanenten Farben gefärbt werden kann, oder das ein verwittertes Aussehen zur Verfügung stellen kann.
POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE; Band 37; Nummer 7, Juli 1997, Matuana et al, "Processing and Cell Morphology-Relationships for Microcellular Foamed PCV/Wood Fiber Composites" ("Verarbeitung und Zellmorphologieverhältnisse für mikrozelluläre geschäumte PVC/Holzfaserkomposite"), Seiten 1137–1147, offenbart die Auswirkungen der Materialien und der Verfahrensbedingungen auf die Zellmorphologie der geschäumten PVC/Holzfaserkomposite im Hinblick darauf, die Beziehungen zwischen Verfahren und Struktur zu etablieren.
US-A-3983295 offenbart eine starre oder halbstarre zelluläre Plastikstruktur, die selbst eine Haut besitzt, die durch Hitze reparierbar und thermoelastisch ist, und die durch ein Verfahren hergestellt wird, bei dem ein Plastisol oder eine vorher gelifizierte Trockenmischung aus einem Homo- oder Copolymer aus Vinylchlorid, einem polymerisierbaren Allyl- oder Vinylmonomer, und einem Peroxidkatalysator hergestellt wird, und das Plastisol oder die Trockenmischung werden derart erhitzt, dass sich die reagierende Masse frei ausdehnen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt geschäumte Polymerfaserkomposit-Baumaterialien zur Verfügung, die ein Polymerharz, Fasern sowie eine gegebene Porösität und spezifische Dichte umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Polymerkomposit ungefähr 35–75 Gew.-% Polymerharz und ungefähr 25 bis 65 Gew.-% Fasern umfasst und eine spezifische Dichte von weniger als etwa 1,2 g/cc aufweist, wobei das Komposit-Baumaterial eine Porösität von wenigstens einem Volumenprozent basierend auf dem Volumen der Feststoffe hat; und das Komposit-Baumaterial aus einem geschmolzenen Vorläufer gebildet wird, der etwa 1,0 Gewichtsteile bis zu etwa 1,5 Gewichtsteile eines gasförmigen Mediums oder eines Treibmittels pro 100 Gewichtsteile Polymerharz umfasst.
Das resultierende Komposit weist in sich eine Vielzahl von Poren oder Zellen auf, die aus der Hinzufügung eines Treibmittels oder eines dispergierten Gases in einen geschmolzenen Vorläufer des Komposits resultiert.
(Die Präambel des Anspruches 1 basiert auf dem zitierten Artikel aus Polymer Engineering And Science.)
Die Komposite der vorliegenden Erfindung sind nahezu 10% leichter als die nicht geschäumten synthetischen Bohlen einer ähnlichen Zusammensetzung. Die bevorzugten Vinylharz-Bohlen sind steifer als Polyethylenholzkomposite mit einer ähnlichen Dicke. PVC kann durch das Hinzufügen eines Treibmittels zu einer compoundierten Mischung aus Harz und Holzmehl geschäumt werden. Dies resultiert in einem Porösitätsgehalt von wenigstens ungefähr einem Volumenprozent an Feststoffen, die primär in einem zentralen Bereich des Querschnittes der extrudierten Kompositformen, die aus diesen Mischungen hergestellt wurden, konzentriert sind. Die Zug- und Biegeschwingung der bevorzugten bohlenartigen Teile dieser Erfindung beträgt weniger als ungefähr 3 447 379 kPa (500 000 psi) und im Allgemeinen 689 476 bis 3 102 641 kPa (100 000 bis 450 000 psi). Die resultierenden bohlenartigen Oberflächen erlauben das Versenken der Schraubenköpfe ohne Vorbohren.
Die Polymer-Faserkomposite dieser Erfindung können auch Additive zur Verbesserung der Schmelzstärke eines geschmolzenen Vorläufers des Komposits während des Extrusionsvorgangs beinhalten. Die bevorzugten Additive für diesen Zweck beinhalten Acrylmodifikatoren in Mengen, die von 1 bis ungefähr 15 Gewichtsprozent reichen. Baumaterialien, die aus solchen Kompositen hergestellt werden, können durch das Hinzufügen von Farbstoffen wie zum Beispiel vermischten Metalloxiden und Titandioxid, Pigmenten oder Flugasche, gefärbt werden, um einen verwittertes Erscheinungsbild zu erhalten. Um die Kosten zu reduzieren, können größere Holzmehlpartikel, die größer als 594 μm (30 mesh) sind, verwendet werden.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Bildung eines geschäumten Polymer-Cellulose-Kompositbaumaterials zur Verfügung, umfassend:

(a) Compoundierung von einem Polymerharz, einer Zellulosefaser und einem Treibmittel, um eine compoundierte Mischung herzustellen,
(b) Zuführen dieser compoundierten Mischung in einen Extruder, wobei die Mischung geschmolzen wird und das Treibmittel ein Gas generiert, das innerhalb dieser Mischung dispergiert wird; und
(c) Extrudieren der geschmolzenen Mischung, die das Gas enthält, durch einen Blaskopf (die), dadurch gekennzeichnet, dass etwa 35–75 Gew.-% des Polymerharzes, etwa 25–65 Gew.-% der zelluloseartigen Faser und etwa 0,1–2 Gew.-% des Treibmittels vermischt werden, um die compoundierte Mischung zu bilden.

Die Erfindung stellt ferner einen geschmolzenen Vorläufer für ein Baumaterial zur Verfügung, das ein Polyvinyl-Chlorid-Harz, Holzfasern und ein Treibmittel umfasst, das durch einen Gehalt von ca. 45–60 Gew.-% des Polyvinyl-Chlorid-Harzes, ca. 25–65 Gew.-% des Holzmehles, ca. 0,1–15 Gew.-% des Acrylmodifikators, und ca. 0,1–2,0 Gew.-% eines chemischen Treibmittels charakterisiert ist; wobei das Baumaterial eine spezifische Dichte von weniger als 1,2 g/cc aufweist und wobei eine Schraube ohne Vorbohren derart darin befestigt werden kann, daß der Kopf der Schraube im Wesentlichen plan mit der Oberfläche des Komposits ist, wobei das Baumaterial eine Biegeschwingung von etwa 689 476 bis zu 3 102 641 kPa (100 00 bis 450 000 psi) aufweist. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1: stellt eine teilweise Querschnittsansicht aus der Frontperspektive eines bevorzugten geschäumten Polymer-Faser-Kompositbaumaterials dieser Erfindung dar;
2: stellt eine Teilansicht aus der Frontperspektive einer Terrassenkonstruktion und eines Hauses dar, bei der das bevorzugte Kompositbaumaterial dieser Erfindung verwendet wird;
3: stellt eine Seit-Querschnittsansicht des Kompositbaumaterials der 1 dar, wobei eine Schraube dargestellt wird, die in die obere Oberfläche des Baumaterials so eingebracht wurde, dass sie versunken ist;
4: stellt eine Querschnitts-Teilansicht aus der Frontperspektive eines bevorzugten Geländers dieser Erfindung dar;
5: ist ein Graph, der die spezifische Dichte gegen die Holzmehlkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
6: ist ein Graph, der die spezifische Dichte gegen die Acrylmodifikatorkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
7: ist ein Graph, der die spezifische Dichte gegen die Konzentration des chemischen Treibmittels für die Komposite der Erfindung darstellt;
8: ist ein Graph, der die Biegeschwingung gegen die Holzmehlkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
9: ist ein Graph, der die Biegeschwingung gegen die Acrylmodifikatorkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
10: ist ein Graph, der die Biegeschwingung gegen die Konzentration an chemischem Treibmittel für die Komposite der Erfindung darstellt;
11: ist ein Graph, der die Biegestärke gegen die Holzmehlkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
12: ist ein Graph, der die Biegestärke gegen die Acrylmodifikatorkonzentration für die Komposite der Erfindung darstellt;
13: ist ein Graph, der die Biegestärke gegen die Konzentration an chemischem Treibmittel für die Komposite der Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die geschäumten Polymer-Faser-Komposite dieser Erfindung können alleine für sich, oder in Verbindung mit "capstock" oder Koextrusion anderer Materialien, wie, zum Beispiel, reine Harze oder Copolymerharze, Harze, die mit Holz- oder Glasfaser gefüllt sind, oder Additive, wie zum Beispiel Sand, um eine bessere Zugkraft, Stärke, Schutz vor UV-Strahlung, zur Verfügung zu stellen, oder Strukturen, die das holzähnliche Erscheinungsbild verstärken, verwendet werden. Diese Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Polymer-Faser-Kompositen, wie zum Beispiel Baumaterialien, inklusive Dachschindeln, Seitenverkleidungen, Bodenfliesen, Vertäfelungen, Formen, Strukturkomponenten, Stufen, Tür- und Fensterrahmen sowie Schieberahmen; Haus- und Gartenelemente wie zum Beispiel Übertöpfe, Blumentöpfe, Landschaftsfließen, Terrassenbeplankung, Gartenmöbel, Umzäunungen, Pfosten und Scheunenkomponenten; sowie Elemente in maritimer Umgebung, wie zum Beispiel Decks, Schutzwände und Pfahlwerk.
In den Figuren, insbesondere in 1, wird ein bevorzugtes geschäumtes Polymer-Faser-Komposit 100 dargestellt, das etwa 35–75% eines Polymerharzes umfasst, etwa 25–65% Faser mit einer spezifischen Dichte von weniger als etwa 1,25 g/cc, und vorzugsweise etwa 0,5–1,2 g/cc. Dieses Komposit 100 umfasst eine Vielzahl von Poren und Zellen, die die Porösität 20 festlegen, die in ihm aufgrund des Hinzufügens eines Treibmittels oder Gases zu einem geschmolzenen Vorläufer des Komposits 100 entstanden sind. Es ist wünschenswert, dass die Porösität wenigstens etwa 1%, und vorzugsweise etwa 5–40 Volumenprozent der Feststoffe in dem Komposit 100 beträgt. Die Komposite dieser Erfindung können ebenfalls ein oder mehrere Additive umfassen, wie zum Beispiel ein Verfahrenshelfer, Pigment oder Weichmacher.
Wie in den 2–4 dargestellt, ist das geschäumte Polymer-Faser-Komposit 100 dieser Erfindung ideal für Hochterassen, Seitenverkleidungen, Geländer, Fensterrahmen, einschließlich Pfosten, Geländer und Geländersäulen geeignet. Obwohl das Komposit 100 ein geringes Gewicht aufweist, weist es im Wesentlichen eine Biegeschwingung, Zugschwingung, und/oder ein Elastizitätsmodul von etwa 689 476 bis 3 102 641 kPa (100 000 bis 450 000 psi) auf. Wie in 3 dargestellt, ermöglicht das Komposit 100 vorzugsweise, dass geschraubte und gehämmerte Haltevorrichtungen, wie eine Schraube 35, ohne Vorbohren in dem Komposit 100 verankert werden können, so dass die Schraube plan mit der Oberfläche ist, oder unter der Oberfläche liegt. Dies wird im Allgemeinen durch die Verwendung von Weichmachern erreicht, um die Kompressionsstärke des Komposits 100 herabzusenken, und/oder durch die sorgfältige Verwendung von Treibmitteln oder Gas in dem geschmolzenen Vorläufer des Komposits 100, um eine zelluläre innere Struktur zu schaffen, die die Porösität 20 umfasst, umgeben von einer polymeren Haut 10. Diese Porösität liefert eine ausreichende Verringerung der Kompressionsstärke, selbst ohne Weichmacher, um den schraubbaren Haltevorrichtungen zu gestatten, ohne Vorbohren eingedreht zu werden. Dies ermöglicht ein sehr ansprechendes Deck 40 aus aneinanderliegenden Kompositbrettern, wie in 2 dargestellt. Idealerweise werden in Anbetracht der Festigkeit und der Kosten die Trägerstruktur und die Säulen des Decks aus Holz hergestellt.
Wie ebenfalls in 2 dargestellt, kann das bevorzugte Komposit 100 zum Beispiel durch Extrusion in der Form der Verkleidung 55 oder der Fensterrahmenkomponenten 58 gestaltet werden, wie auch in Form von Pfosten und Geländern für ein Haus 50. Wie in 4 dargestellt, kann das Komposit 100 auch in Form eines Geländers oder einer Geländersäule 60 geformt werden.
Die bevorzugten Materialien dieser Erfindung werden im Nachfolgenden genauer beschrieben werden. Die Komposite umfassen im Allgemeinen etwa 35–75 Gew.-% an harzigen Materialien, wie thermoplastische und aushärtende Harze, zum Beispiel PVC, Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Polyester, Polysulfon, Polyphenylenoxide und Sulfid, Epoxidharze, Cellulosederivate, usw. Ein bevorzugtes thermoplastisches Material für die Paneele dieser Erfindung ist PVC. PVC Thermokunststoffe umfassen das grösste Volumen an gewerblich verwendeten thermoplastischen Polymeren. Vinylchloridmonomer wird aus einer Vielzahl von verschiedenen Prozessen, die die Umsetzung von Acetylen und Chlorwasserstoff sowie die direkte Chlorung von Ethylen einschließen, hergestellt. Polyvinylchlorid wird üblicherweise durch die freie radikalische Polymerisation von Vinylchlorid hergestellt. Nach der Polymerisation wird Polyvinylchlorid, wenn notwendig, üblicherweise mit Aufprallmodifikatoren, Wärmestabilisatoren, Schmiermitteln, Weichmachern, organischen und anorganischen Pigmenten, Füllmitteln, Bioziden, Verarbeitungshilfen, Flammhemmern oder anderen üblicherweise verfügbaren Additivmaterialien kombiniert. Polyvinylchlorid kann bei der Herstellung von Polyvinylchloridcopolymeren ebenfalls mit anderen Vinylmonomeren kombiniert werden. Derartige Copolymere können lineare Copolymere, Propfcopolymere, zufällige Copolymere, sich regelmäßig wiederholende Copolymere, Blockcopolymere, usw., sein. Monomere, die mit Vinylchlorid verbunden werden können, um Vinylchloridcopolymere zu bilden, umfassen Acrylonitril; Alphaolefine wie zum Beispiel Ethylen, Propylen, usw.; chlorierte Monomere wie Vinylidendichlorid; Acrylatmonomere wie zum Beispiel Acrylsäure, Methylacrylat, Methylmethacrylat, Acrylamid, Hydroxyethylacrylat, und andere; styrolartige Monomere wie zum Beispiel Styren, Alphamethylstyren, Vinyltoluen, usw.; Vinylacetat; oder andere allgemein erhältliche ethylenisch ungesättigte Monomerverbindungen. Solche Monomere können in einer Menge von bis zu 50 Mol-% verwendet werden, wobei der Rest Vinylchlorid ist. PVCs können derartig compoundiert werden, dass sie flexibel oder steif werden, robust oder stabil, dass sie eine hohe oder niedrige Dichte aufweisen, oder dass sie eine beliebige Eigenschaft des breiten Spektrums an physikalischen Eigenschaften oder an Verarbeitungsmerkmalen aufweisen. PVC-Harze können auch mit anderen Polymeren gemischt werden, wie zum Beispiel mit ABS, Acryl, Polyurethan, und Nitrilkautschuk, um die Aufprallbeständigkeit zu verbessern, ebenso wie die Zerreisfestigkeit, Stoßelastizität, oder Verarbeitbarkeit. Sie können wasserhell in entweder starren oder flexiblen Zusammensetzungen hergestellt werden, oder sie können in fast jeder Farbe pigmentiert werden.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung, wird starres PVC, das optimalerweise eine geringe Menge an Weichmachern umfasst, verwendet. Dieses Material ist hart und fest und kann so compoundiert werden, dass es ein breites Spektrum an Eigenschaften aufweist, einschließlich einer Aufprallbeständigkeit und Verwitterbarkeit, zum Beispiel, das Verbleichen der Farbe auf ein holzgraues Erscheinugsbild. Es weist zudem eine Zugfestigkeit von etwa 41 369–51 711 kPA (6 000–7 500 psi), einer prozentuale Ausdehnung um etwa 40–80%, auf, sowie eine Biegeschwingung von etwa 2 413 165–4 136 854 kPa (3,5–6,0 × 10⁶ psi). Ohne Chlorierung kann es in akzeptabler Weise bis zu etwa 60°C (140°F) verwendet werden, und mit Chlorierung bis etwa 104,4°C (220°F). Es weist ebenfalls einen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung von etwa (3–6 × 10^–5 Inch/Inch-°F) 3–6 × 10^–5- /10/18°C auf.
Die Kompositbaumaterialien dieser Erfindung können durch Injektions- oder Vakuumgeformt werden, extrudiert oder gezogen werden, wobei herkömmliche Herstellungstechniken für thermoplastische und hitzehärtbare Formmassen verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Mischung aus wieder gemahlenem PVC oder aus einer frisch hergestellten Verbindung compoundiert und danach erhitzt und durch einen Blaskopf extrudiert, um Bohlen oder andere Formen mit einer Länge von etwa 1,2–6,1 m (4–20 feet) und Dicken von 1,27–152,4 m (0,05–6,0 Inch) herzustellen. Die extrudierten thermoplastischen Bohlen können einer weiteren Formung, einer Kalandrierbehandlung und der Endbearbeitung unterzogen werden, um eine Holzmaserung oder eine phantasiervolle Oberflächenstruktur zu erhalten.
Das Baumaterial 100 dieser Erfindung umfasst auch etwa 25–60 Gew.-% Fasern, wie zum Beispiel Glas-, Holz-, Baum woll-, Bor-, Kohlenstoff-, oder Graphitfasern. Zusätzlich können anorganische Füllstoffe, wie zum Beispiel Calciumkarbonat, Talk, Siliciumdioxid, usw. verwendet werden. Vorzugsweise sind die Fasern von Natur aus "celluloseartig". Cellulosefasern können aus recycelten Papierprodukten stammen, wie zum Beispiel aus Agrarfasern, Faserstoff, Zeitungspapier, weichen Hölzern wie zum Beispiel Kiefer, oder harten Hölzern von Laubbäumen. Harte Hölzer sind generell für die Herstellung der Fasern bevorzugt, da sie weniger Feuchtigkeit absorbieren. Während Hartholz die primäre Quelle der Fasern für die Erfindung ist, kann die zusätzliche Auffüllung mit Fasern aus einer Anzahl von Sekundärquellen einschließlich weichen Holzfasern, Naturfasern einschließlich Bambus, Reis, Zuckerrohr und recyceeter oder wiedergewonnener Fasern aus Zeitungen, Pappkartons, Computerausdrucken, usw., stammen. Diese Erfindung kann Holzmehl von etwa 2000 μm–150 μm (10–100 mesh), vorzugsweise 841 μm–594 μm (20–30 mesh) verwenden.
Diese Erfindung kombiniert vorzugsweise die Harz- und Holzmehlkomponenten mit einem chemischen Treibmittel, oder führt ein gasförmiges Medium in eine geschmolzene Mischung des Harzes und der Holzfaser ein, um eine Reihe von eingeschlossenen Blasen vor der Thermoformung der Mischung, zum Beispiel durch Formung, Extrusion oder Koextrusion, zu erzeugen. Solche Verfahren zur Herstellung von starren Schaumartikeln sind im Allgemeinen wohlbekannt.
Bei dem bevorzugten Verfahren dieser Erfindung, wird eine Menge von gemahlenem PCV in kleinen Stücken mit 841–594 μm (20–30 mesh) Holzmehl vermischt, das in etwa Grassaamengröße aufweist und das vorher vorgetrocknet war, um sämtliche Feuchtigkeit als Dampf freizusetzen. Die Mischung umfasst auch ein Mittel zur Verbesserung des Schmelzens, wie zum Beispiel einen Acrylmodifikator mit hohem Molekulargewicht, der die Schmelzelastizität und -Stärke verbessert und die zelluläre Struktur, das Zellwachstum sowie die Zellverbreitung steigert.
Ein chemisches Treibmittel oder Gas kann ebenfalls der Mischung hinzugefügt werden, um die Dichte und das Gewicht des Komposits 100 durch Schäumen zu reduzieren. Wird ein chemisches Treibmittel verwendet, wird es während der Vermischung dem Gemisch untergemicht oder es wird etwa bei der Zufuhr in einen Extruder untergemischt. In dem Extruder wird das Treibmittel aufgespalten, wobei Gas, wie zum Beispiel Stickstoff oder CO₂ in die Schmelze abgeben wird. Während die Schmelze den Extrusionsblaskopf verläßt, erleben die Stellen, an denen sich das Gas befindet, einen Druckabfall, der sich in kleine Zellen oder Blasen ausdehnt, die durch das sie umgebende Polymer eingeschlossen sind.
Chemische Treibmittel können irgendwelche aus der Vielzahl an Chemikalien sein, die ein Gas bei einer thermischen Zersetzung freisetzen. Chemische Treibmittel können auch als Schäummittel bezeichnet werden. Das Treibmittel, oder die Mittel, wenn mehr als eines verwendet wird, können aus Chemikalien, die zersetzbare Gruppen wie Azo, N-niroso, Carboxylat, Carbonat, heterozyklische Stickstoffhaltige- und Sulfonylhydrazidgruppen aufweisen, ausgewählt werden. Im Allgemeinen handelt es sich um feste Materialien, die Gas freisetzen, wenn sie mittels einer chemischen Reaktion erhitzt werden oder zersetzt werden. Representative Verbindungen umfassen Azodicarbonamid, Bicarbonat, Dinitrosopentamethylentetramethylentetramin, p,p'-oxy-bis (benzolsulfonyl)-hydrazid, Benzol-1,3-disulfonylhydrazid, Aso-bis-(isobutyronitril), Biuret und Harnstoff.
Das Treibmittel kann dem Polymer auf mehrere verschiedene Arten zugefügt werden, die dem Fachmann bekannt sind, wie zum Beispiel durch Hinzufügen des Feststoffpulvers, der flüssigen oder gasförmigen Mittel direkt in das Harz in dem Extruder, während das Harz sich in dem geschmolzenen Zustand befindet, um eine gleichmäßige Dispersion des Mittels in dem geschmolzenen Kunststoff zu erhalten. Vorzugsweise wird das Treibmittel vor dem Extrusionsverfahren hinzugefügt und liegt in Form eines Feststoffes vor. Die Temperatur und der Druck, dem die schäumbare Komposition der Erfindung unterzogen werden, um eine geschäumte Komposition zur Verfügung zu stellen, werden innerhalb einer breiten Spanne variieren, je nach der Menge und der Art des verwendeten Schäummittels, des Harzes und der celluloseartigen Faser. Bevorzugte Schäummittel werden aus endothermen und exothermischen Arten ausgewählt, wie zum Beispiel Dinitrosopentamethylentetramin, P-Toluolsolfonylsemicarbazid, 5-Phenyltetrazol, Calciumoxalat, Trihydrazino-s-triazin, 5-Phenyl-3,6-dihydro-1,3,4-oxandiazin-2-on, 3,6-Dihydro5,6-diphenyl-1,3,4oxadiazin-2-on, Azodicarbonamid, Sodiumbicarbonat, und Mischungen hieraus.
Zusätzlich zu dem oben genannten, kann ein färbendes Mittel zu der verbundenen Mischung hinzugefügt werden, wie zum Beispiel Farbstoffe, gefärbte Pigmente, oder Flugasche, oder eine Mischung dieser Bestandteile, je nach der resultierenden Farbe und unter dem Gesichtspunkt der Kosten. Solche Additive können eine "Verwitterbarkeit" zur Verfügung stellen, oder eine verblichene gräuliche Farbe oder einen permanenten Farbton, wie zum Beispiel Blau, Grün oder Braun. Diese Erfindung kann ferner unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele verstanden werden.
BEISPIELE
Die Beispiele 1–16 wurden als Testbretter formuliert und extrudiert. Die mechanischen Eigenschaften jeder Formulierung wurden gemessen und verglichen.
Bei dem Vergleich der Eigenschaften wurde festgestellt, dass für den Erhalt einer Ziel-Biegeschwingung von etwa 1 378 951 kPa (200 000 psi), die folgende bevorzugte Formel verwendet wurde.
Tabelle II: Bevorzugte Formel
Diese Formel stellte die optimale Zusammensetzung von Kosteneffizienz und mechanischen Eigenschaften zur Verfügung.
Aus dem voranstehenden ist ersichtlich, dass die Erfindung verbesserte geschäumte Polymer-Holz-Kompositbaumaterialien zur Verfügung stellt, die eine niedrigere spezifische Dichte und eine hohe Biegeschwingung zur Verfügung stellen, während schraubbare Haltevorrichtungen versenkt werden können. Sie weisen ebenfalls eine große Beständigkeit und Festigkeit auf. Obwohl verschiedene Ausführungsformen dargestellt wurden, dienen sie nur Beschreibungszwecken, schränken die Erfindung jedoch nicht ein. Verschiedene Modifikationen werden sich dem Fachmann abzeichnen, und sind im Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben, enthalten.

Claims

Ein geschäumtes Polymerkomposit-Baumaterial (100) umfassend ein Polymerharz, Fasern und eine gegebene Porösität und spezifische Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß das geschäumte Polymerkomposit ungefähr 35 bis 75 Gew.-% Polymerharz und ungefähr 25 bis 65 Gew.-% Fasern umfaßt und eine spezifische Dichte von weniger als etwa 1,2 g/cc aufweist, wobei das Komposit-Baumaterial eine Porösität von wenigstens einem Volumenprozent basierend auf dem Volumen der Feststoffe hat; und das Komposit-Baumaterial aus einem geschmolzenen Vorläufer gebildet wird, der etwa 1,0 Gewichtsteile bis zu etwa 1,5 Gewichtsteile eines gasförmigen Mediums oder eines Treibmittels pro 100 Gewichtsteile Polymerharz umfaßt.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Fasern zelluloseartige Fasern umfassen.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei der geschmolzene Vorläufer von etwa 4 Gewichtsteilen bis zu etwa 10 Gewichtsteilen eines acrylischen Modifizierers pro hundert Gewichtsteile Polymerharz umfaßt und das Treibmittel ein chemisches Treibmittel ist.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1 mit einer Porösität von etwa 5 bis 40 Volumenprozent, basierend auf dem Volumen der Feststoffe.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Additiv zum Herstellen eines verwitterten Erscheinungsbildes für das Baumaterial, wobei das Additiv ein Farbstoff, ein Pigment, Flugasche oder eine Mischung daraus umfaßt.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1 mit einer Biegeschwingung von etwa 689 476 bis zu 3 102 641 kPa (100 000 bis 450 000 psi).
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Weichmacher.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Fasern Holzmehl von etwa 20 bis zu 30 mesh umfassen.
Das Kompositbaumaterial nach Anspruch 1, wobei das Polymerharz gemahlenes PVC (PVC regrind) umfaßt.
Das Komposit nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen akrylischen Modifizierer zum Verbessern der Schmelzestärke der geschmolzenen Mischung während der Extrusion.
Das Komposit nach Anspruch 1, wobei das Treibmittel etwa 0,1 bis 2,0 Gew.-% eines chemischen Treibmittels umfaßt.
Das Komposit nach Anspruch 1, wobei das Treibmittel unter das Polymerharz und die Holzfaser während des Compounding oder etwa bei der Zufuhr in einen Extruder untergemischt wird.
Das Komposit nach Anspruch 1, das in sich eine Vielzahl von Poren oder Zellen trägt, wobei das Komposit in der Lage ist, ohne Vorbohren einer Schraube Halt zu geben, so daß der Kopf der Schraube im wesentlichen plan mit der Oberfläche des Komposits ist.
Ein Verfahren zum Bilden eines geschäumten Polymerzelluloseartigen Komposit-Baumaterials, umfassend: a) Vermischen (Compounding) von einem Polymerharz, einer Zellulosefaser und einem Treibmittel, um eine vermischte Mischung herzustellen, b) Zuführen dieser vermischten Mischung in einen Extruder, wobei die Mischung geschmolzen wird und das Treibmittel ein Gas generiert, das innerhalb dieser Mischung dispergiert wird; und c) Extrudieren der geschmolzenen Mischung, die das Gas enthält, durch einen Blaskopf (die), dadurch gekennzeichnet, daß etwa 35–75 Gew.-% des Polymerharzes, etwa 25–65 Gew.-% der zelluloseartigen Faser und etwa 0,1–2 Gew.-% des Treibmittels vermischt werden, um die vermischtete Mischung zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die vermischte Mischung weiterhin einen Akrylmodifizierer zum Erhöhen der Schmelzelastizität und der Schmelzestärke umfaßt.
Ein geschmolzener Vorläufer für ein Baumaterial, der ein Polyvinylchloridharz, Holzfasern und ein Treibmittel umfaßt, gekennzeichnet durch den Gehalt von etwa 45–60 Gew.-% des Polyvinylchloridharzes, etwa 25–65 Gew.-% des Holzmehls, etwa 0,1–15 Gew.-% des Akrylmodifzierers und etwa 0,1–2,0 Gew.-% eines chemischen Treibmittels; wobei das Baumaterial eine spezifische Dichte von weniger als etwa 1,2 g/cc hat und in der Lage ist, ohne Vorbohren einer darin befestigten Schraube Halt zu geben, so daß der Kopf der Schraube im wesentlichen plan mit der Oberfläche des Komposits ist, wobei das Baumaterial eine Biegeschwingung von etwa 690 000 bis 3 100 000 kPa (100 000 bis 450 000 psi) hat.
Der geschmolzene Vorläufer nach Anspruch 16, umfassend ein Pigment zum Herstellen von einem verwitterten Holz-grauem Erscheinungsbild.