專利名稱:擠出天然纖維和回收的熱塑性材料以生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的擠出裝置的制作方法
本發(fā)明涉及木材和回收的熱塑性材料的擠出及其制成的復(fù)合材料產(chǎn)品。
通過擠出木材和熱塑性材料的混合物生成復(fù)合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)方法是公知的。例如1995年4月25日授權(quán)的加拿大專利2102979(Woodhams)披露了一種由塑性材料和其它的特殊材料生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的方法，該特殊材料可以是木材。分別在1995年4月18日和1996年3月12日授權(quán)的美國專利5406768和5497594(Giuseppe等等)披露了一種以擠出的或者注射模制的熱塑性件的形式由聚合物和木材纖維復(fù)合材料制成的用于住宅和商業(yè)建筑的復(fù)合材料構(gòu)件。
1996年5月14日授權(quán)的美國專利5516472(Laver)披露了一種用于使有機(jī)纖維材料與熱塑性材料結(jié)合以形成仿木復(fù)合材料的裝置和方法。在Laver專利中，混合材料被擠入一模具系統(tǒng)中，該模具系統(tǒng)包括一過渡模，一絞合模和一成型模。通過模具系統(tǒng)的材料流速由用過渡模使混合材料預(yù)成型以形成與最終產(chǎn)品類似的形狀，用絞合模將材料絞合以形成單股材料和用成型模擠壓從絞合模中出來的單股材料來平衡。
然而，由于各種原因，已知的這種方法和產(chǎn)品在商業(yè)上都沒有成功，而且，已知的產(chǎn)品沒有被回收。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的方法，用于擠出木材和回收的熱塑性材料以生產(chǎn)高密度的復(fù)合材料，該復(fù)合材料能夠用作建筑產(chǎn)品，例如托盤以及窗戶和門的框架。根據(jù)本發(fā)明，擠出木材和回收的熱塑性材料以生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的擠出裝置包括一進(jìn)料器，該進(jìn)料器用于向具有縱向延伸的流動(dòng)通道的擠出模供給特殊形式的木材、回收的熱塑性材料和功能添加劑的混合物。所述流動(dòng)通道具有一漸擴(kuò)部分，一接著該漸擴(kuò)部分的收縮部分，和一接著該收縮部分的成型部分，用以生產(chǎn)密度高于所述木材和回收的塑性材料的混合物的密度的成型復(fù)合材料產(chǎn)品。例如，當(dāng)使用特殊形式的木粉和回收的高密度聚乙烯(HDPE)混合物時(shí)，所得到的高密度可以在從大約1.1克/cc到大約1.5克/cc之間的范圍中，而木粉和高密度聚乙烯兩者的密度通常都小于大約1.0克/cc。除了HDPE外，低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚對酞酸乙烯(PET)和其它熱塑性材料也已被用于合成加工。利用本發(fā)明制造的復(fù)合材料產(chǎn)品包括托盤、柵欄或者甲板、窗戶和門的框架以及其它能夠承載的建筑產(chǎn)品。
流動(dòng)通道的漸擴(kuò)部分可以以大約10°到大約75°之間的角度從流體通道的縱向軸線偏斜，流動(dòng)通道的收縮部分可以以大約10 °到大約75°之間的角度向流體通道的縱向軸線收斂。
擠出模的縱向延伸通道可以有一潤滑部分，復(fù)合材料產(chǎn)品離開成型部分后經(jīng)過該潤滑部分，擠出模具有一潤滑器，該潤滑器確定了縱向延伸通道的潤滑部分，且該潤滑器具有一個(gè)圍繞縱向延伸通道的潤滑部分的周邊的潤滑油槽，該潤滑油槽離該潤滑部分周邊的間距很短，并通過周邊延伸的狹小潤滑油流動(dòng)通道與潤滑部分相連，從而，壓力下的潤滑油能夠被供給到潤滑油槽，以使?jié)櫥鸵曰揪鶆虻膲毫臐櫥筒哿鹘?jīng)潤滑油流動(dòng)通道，從而與經(jīng)過縱向延伸通道的潤滑部分的復(fù)合材料產(chǎn)品的周邊接觸。擠出裝置也可以包括一壓力潤滑油源，用于以脈動(dòng)壓力向潤滑油槽供給潤滑油，這樣，除去狹小的潤滑油流動(dòng)通道中的任何堵塞的材料變得更為方便。
潤滑器可以包括一潤滑器主體和一潤滑器蓋體，該潤滑器主體中有形成油槽的凹槽，該潤滑器蓋體可拆卸地固定到潤滑器主體上，以蓋住凹槽并形成油槽，在潤滑器主體和潤滑器蓋體之間形成潤滑油流動(dòng)通道。潤滑器主體和潤滑器蓋體可以設(shè)有潤滑油流動(dòng)通道，流過該潤滑油流動(dòng)通道的潤滑油的流動(dòng)方向成銳角地向前傾斜到復(fù)合材料產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)方向。
擠出模的縱向延伸通道可以具有一校準(zhǔn)部分，復(fù)合材料產(chǎn)品離開潤滑部分后經(jīng)過該校準(zhǔn)部分，擠出模具有定型器，該定型器確定了縱向延伸通道的校準(zhǔn)部分，定型器由熱傳導(dǎo)材料制成，從而僅通過定型器的熱傳導(dǎo)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品的冷卻。
定型器最好緊密地固定到潤滑器上，兩者之間沒有間隙，在縱向延伸通過定型器的通道中也沒有間隙，這樣，迫使復(fù)合材料產(chǎn)品通過定型器時(shí)不會(huì)增大和降低密度。
現(xiàn)在將參考附圖，以舉例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的擠出裝置的側(cè)視圖，圖中省略了定型器；圖2是擠出模的縱剖圖；圖3是成型器的上下部分的分解圖；圖4所示為沿圖1和圖3中a-a，b-b，c-c，d-d和e-e線的剖面圖；圖5是潤滑器的主體和蓋體的分解圖；以及圖6是圖5所示的潤滑器的主體和蓋體在裝配好結(jié)構(gòu)時(shí)的中心垂直剖面圖；圖7是木材—塑料復(fù)合材料托盤的分解圖，該托盤有三種利用本發(fā)明的技術(shù)擠出的型面。
參考附圖，圖1所示為擠出裝置10，該擠出裝置10用于利用特殊形式的木材、回收熱塑性材料和功能添加劑的混合物生產(chǎn)高密度的復(fù)合材料產(chǎn)品。該擠出裝置具有底座12，螺旋進(jìn)料器14安裝在該底座12上。特殊形式的木材和回收熱塑性材料的混合物16從料斗18被加入到螺旋進(jìn)料器14中。螺旋進(jìn)料器14傳送和擠壓混合物16以產(chǎn)生熔融的流體，對于木材和回收的高密度聚乙烯(HDPE)的混合物通常是在大約300°F(150℃)的溫度，該溫度大大低于HDPE的通常擠出溫度，該通常擠出溫度為400°F(200℃)以上，排氣由通風(fēng)口20排出。低溫處理防止木材纖維的燃燒，并使產(chǎn)品保持更好的機(jī)械特性。
如圖2詳細(xì)所示，熔融流體從螺旋進(jìn)料器14經(jīng)破碎板22進(jìn)入擠出模24，該擠出模24具有縱向延伸的通道26，該通道26帶有起始的漸擴(kuò)部分28，該漸擴(kuò)部分28以一角度偏離通道26的縱向軸線。漸擴(kuò)部分28后面接著是收縮部分30，該收縮部分30以一角度朝著通道26的縱向軸線A收斂。收縮部分30后面接著是由成型器32形成的成型部分31。縱向延伸通道26的成型部分31后面接著是由潤滑器34形成的潤滑部分33和由定型器36形成的延伸校準(zhǔn)部分35。
擠出模24的部件由合適的、具有適當(dāng)鍍層的合金鋼或者不銹鋼制成。定型器36具有兩個(gè)不銹鋼部分33，40，一個(gè)鋁部分42和一個(gè)延伸部分44。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員從圖2可容易地看出，擠出模24的各個(gè)部件由分開的組件以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ谝黄鹬瞥?。一直到潤滑?4并包括潤滑器34的各部件由分開的電加熱器25加熱，以便在經(jīng)過的流動(dòng)通道26的各部分保持期望的溫度。
破碎板22具有小的平行的縱向延伸的通道23，木材/塑料混合物通過該通道23從螺旋進(jìn)料器14輸送到流動(dòng)通道26的漸擴(kuò)部分28。破碎板22起到對材料整流的作用，并將流動(dòng)特性由在螺旋進(jìn)料器14中的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诹鲃?dòng)通道26中的層流狀態(tài)。破碎板22還濾掉混合物中的過大顆粒。應(yīng)當(dāng)注意，螺旋進(jìn)料器14的殼體通過夾子21被固定到流動(dòng)通道26的漸擴(kuò)部分28的殼體上。夾子21是易于拆卸的，以便能夠除去混合物中由破碎板22擋住的過大顆粒。
流動(dòng)通道26的漸擴(kuò)部分28以大約10°到大約75°范圍之間的角度偏離流體通道26的縱向軸線A，收縮部分30以大約10°到大約75°范圍之間的角度向流體通道26的縱向軸線A收斂。漸擴(kuò)部分28和收縮部分30的組合能夠獲得具有理想的機(jī)械特性的高密度復(fù)合材料產(chǎn)品，該高密度復(fù)合材料產(chǎn)品適合于商業(yè)建筑用途，例如托盤、滑軌、窗戶、甲板、門和混凝土模。
漸擴(kuò)和收縮部分28、30的發(fā)散和收斂的實(shí)際角度取決于最終產(chǎn)品的橫截面，當(dāng)混合物通過收縮部分30輸送時(shí)，混合物通常所承受的壓縮比在從大約3∶1到大約10∶1之間的范圍內(nèi)。
漸擴(kuò)部分28的橫截面是圓形。收縮部分30的橫截面最初為圓形，如圖4(a)所示，但是逐漸變成矩形，如圖4(b)和圖4(c)所示。流動(dòng)通道26的成型部分31最初具有如圖4(c)所示的截面，但是逐漸變成最終產(chǎn)品的形狀，如圖4(d)和4(e)所示。圖4(e)所示的截面形狀因而在本發(fā)明的該實(shí)施例中是最終產(chǎn)品的截面形狀。在這種情況下，該產(chǎn)品是負(fù)載托盤的頂板(圖7(a))?？v向延伸通道26的收縮部分30和成型部分31的截面變化可以準(zhǔn)確確定，例如，通過計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)(CAE)、利用合適的流動(dòng)特性、幾何條件、溫度設(shè)定的技術(shù)，等等。圖3所示為流動(dòng)通道31的形狀沿成型器32的長度方向變化的方式，在本實(shí)施例中，該成型器32包括用螺栓連接的下部32a和上部32b。
特別是如圖5和圖6所示，潤滑器34包括潤滑器主體52和潤滑器蓋體54，該潤滑器主體52具有一軸向延伸流動(dòng)通道56，其形狀如圖4(e)所示，即最終產(chǎn)品的形狀。同樣，潤滑器蓋體54具有同樣形狀的流動(dòng)通道58。使用時(shí)，潤滑器蓋體54通過螺釘60固定到潤滑器主體52上，該螺釘60穿過潤滑器蓋體54的孔62擰入潤滑器主體52的螺紋孔64中。
潤滑油槽由凹槽66形成，該凹槽66位于潤滑器主體52的靠近潤滑器蓋體54的表面68上。凹槽66在離流動(dòng)通道56很近處連續(xù)環(huán)繞流動(dòng)通道56。在油槽66和流動(dòng)通道56之間的潤滑器主體52的表面68的部分70與潤滑器蓋體54的相鄰表面72稍微間隔開，以便在兩者之間形成間隙74。該間隙74的尺寸在從大約0.0005英寸到大約0.001英寸之間的范圍內(nèi)，這是通過潤滑器主體52和潤滑器蓋體54的精密加工獲得的。潤滑器蓋體54有密封墊76，該密封墊76與潤滑器主體52的表面68配合以防止?jié)櫥蛷陌疾?6越過密封墊76的泄漏。
潤滑器蓋體54的表面72的環(huán)繞著流動(dòng)通道58的部分73呈斜錐形并容納有環(huán)繞著流動(dòng)通道56的潤滑器主體52的相應(yīng)斜錐部分70，因此，兩斜錐部分之間的潤滑油流動(dòng)間隙74以朝著復(fù)合材料產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方向呈銳角傾斜的角度接觸流動(dòng)通道56、58中的復(fù)合材料產(chǎn)品。
潤滑油是從合適的潤滑油源(未示出)以一定壓力通過潤滑器主體52中的孔78供給到潤滑油槽66。優(yōu)選是，該壓力是脈動(dòng)壓力，例如在500磅/平方英寸和1000磅/平方英寸之間變化，以產(chǎn)生在從大約5ml/min到大約10ml/min的范圍內(nèi)變化的潤滑油流速。
當(dāng)復(fù)合材料產(chǎn)品以其最終形狀離開成型器32并通過潤滑器34時(shí)，如圖6所示，在脈動(dòng)壓力下的潤滑油由凹槽66流經(jīng)間隙74，并與復(fù)合材料產(chǎn)品外表面的整個(gè)周邊接觸，以便能很好地保持相對較高的擠出速率，例如，大約4英尺/分到大約5英尺/分的擠出速率。油槽66使油壓在流動(dòng)通道66周圍保持均勻。流過間隙74的潤滑油的任何堵塞都會(huì)導(dǎo)致油槽66中的壓力增加。由于壓力的脈動(dòng)特性，這種壓力增加通常會(huì)清除這種由于潤滑油中的污垢或者復(fù)合材料產(chǎn)品的沉淀而引起的堵塞。
潤滑了的復(fù)合材料產(chǎn)品然后通過定型器36，該定型器36的定型器部分38、40、42和44使復(fù)合材料產(chǎn)品在其冷卻過程中保持截面形狀，該冷卻是從大約300°F(150℃)的成型溫度到大約80°F(30℃)的較低溫度。應(yīng)當(dāng)注意，沒有附加的冷卻器，即，復(fù)合材料產(chǎn)品的冷卻僅僅是通過定型器部分的金屬壁面的熱傳導(dǎo)而發(fā)生的。精確設(shè)計(jì)定型器通道35，這樣，復(fù)合材料產(chǎn)品得到充分冷卻，并且不會(huì)由于該復(fù)合材料產(chǎn)品在保持其設(shè)計(jì)形狀時(shí)的收縮或者膨脹而卡住定型器壁面。
定型器36用螺栓緊密連接到潤滑器34上，定型器部件38、40、42、44彼此用螺栓緊密連接，以保持復(fù)合材料產(chǎn)品的高密度，該產(chǎn)品被螺旋進(jìn)料器14推動(dòng)，以指定的速度通過精確設(shè)計(jì)的定型器通道35。這與傳統(tǒng)的型材擠出模相反，例如，對于PVC型材擠出模，其中在成型器和定型器之間留有間隙，以便使擠出物在被拉入真空進(jìn)料的定型器之前膨脹或者收縮，真空是由與定型器相連的真空泵產(chǎn)生的，以便將擠出的型材吸入到定型器通道。這一公知技術(shù)也可以包括一個(gè)在真空進(jìn)料的定型器后面的拔具。該拔具并不適合現(xiàn)在的木材纖維和熱塑料的合成擠出。
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到天然硬木材有比軟木更高的密度從而有更高的機(jī)械特性這一事實(shí)。木材是多孔的，因此在高壓擠出過程中體積可能被壓縮。利用特殊形式的木材，例如鋸木屑或者木粉，本發(fā)明能夠使生產(chǎn)的復(fù)合材料產(chǎn)品的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其組分的密度。本發(fā)明直到定型器42的起始端才放松擠出物，因此復(fù)合材料產(chǎn)品能保持高密度。
如圖3、圖4、圖5和圖6所示，經(jīng)過擠出裝置10、帶有潤滑器34的擠出模24和定型器38、40、42和44的木材-塑料產(chǎn)品80是圖7(a)中托盤79的七個(gè)頂板中的一個(gè)。圖7中桁條81和底板82也能用同樣的擠出過程和類似的擠出模制成。頂板80的開口型面被設(shè)計(jì)為承載、重量輕和使托盤79成一整體。外支架83承受來自頂面84的負(fù)載和來自側(cè)面85的沖擊。中間肋條86承受來自頂部的負(fù)載，并有螺釘穿過其中心插入，以便與托盤79的桁條81連接(螺釘未示出)。肋條86也減小了頂面84的跨距，因此更堅(jiān)固。螺釘頭固定在小凹槽87中，因此表面84是平的。底面88比支架的橫截面寬，以便能穩(wěn)固。頂板80是143mm寬，35mm高。由支架和肋條圍繞的空腔充分減小了重量。帶有中間凸緣的桁條81的工字梁設(shè)計(jì)對于整個(gè)托盤79的剛性來說非常重要，因此桁條能夠架設(shè)在承載托盤的末端。頂部凸緣89是59mm寬，其厚度足夠防止局部斷裂。中間肋90是19mm寬，以保持剛性。中間凸緣91不能省略。當(dāng)托盤79上制有豁口92時(shí)，中間凸緣91使托盤增加了剛性，從而使托盤在受到載荷時(shí)不會(huì)撓曲得太厲害。工字梁81是59mm高。相對較平的底板82使得托盤79能夠在輸送機(jī)上移動(dòng)。底板用螺釘穿過桁條81的中間肋90擰緊。倒角93使手動(dòng)叉式起重車能翻轉(zhuǎn)該托盤并進(jìn)入托盤79內(nèi)部。對復(fù)合材料和托盤所作的實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合材料的機(jī)械特性高于其原始組分，該托盤比優(yōu)質(zhì)硬木托盤更耐久，如表1和表2所示。
表1.木材-回收塑料復(fù)合物、純HDPE和木材的性能
表2. 1000×1200mm復(fù)合材料托盤性能
通過上述對優(yōu)選實(shí)施例的說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明能使高密度復(fù)合材料產(chǎn)品能夠以優(yōu)選生產(chǎn)速度生產(chǎn)，例如以每分鐘4到5英尺的速度，該高密度復(fù)合材料產(chǎn)品有著相對于木材的理想機(jī)械特性并且能完全回收。本發(fā)明的其它實(shí)施例對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說也是很明顯的，本發(fā)明的范圍將由附加的權(quán)利要求
限定。
權(quán)利要求
1.一種擠出天然纖維和回收的熱塑性材料以生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的擠出裝置，該擠出裝置包括一連接器，該連接器將由擠出機(jī)加熱、加壓、塑化的回收塑料，特殊的塑料、天然纖維耦聯(lián)劑和天然纖維粉末傳遞進(jìn)料到具有縱向拉伸流道的擠出模具系統(tǒng)，所述流道具有一漸擴(kuò)段，一連接該漸擴(kuò)段的收縮拉伸段，一連接著該收縮段的特殊成型段，一連接該成型段的潤滑段，以及連接該潤滑段的定型器，該整個(gè)擠出模具系統(tǒng)將連接器輸送入的塑料、天然纖維復(fù)合材料加壓、拉伸、潤滑并定型于所需的產(chǎn)品形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的擠出裝置，其特征在于流動(dòng)通道的漸擴(kuò)部分以10°到75°之間的角度偏離流體通道的縱向軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的擠出裝置，其特征在于流動(dòng)通道的收縮部分以10°到75°之間的角度向流體通道的縱向軸線收斂。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的擠出裝置，其特征在于擠出模的縱向延伸通道具有潤滑部分，復(fù)合材料產(chǎn)品離開成型部分后經(jīng)過該潤滑部分，該潤滑器確定了縱向延伸通道的潤滑部分，所述潤滑器具有圍繞縱向延伸通道的潤滑部分周邊的潤滑油槽，該潤滑油槽離該潤滑部分周邊的間距很短，并通過周邊延伸的狹小潤滑油流動(dòng)通道與潤滑部分相連，因而壓力下的潤滑油能夠被供給到潤滑油槽，使?jié)櫥陀蓧毫揪鶆虻臐櫥筒哿鹘?jīng)潤滑油流動(dòng)通道，與經(jīng)過縱向延伸通道的潤滑部分的復(fù)合材料產(chǎn)品的周邊接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的擠出裝置，其特征在于還包括一壓力潤滑油源，用于以脈動(dòng)壓力向潤滑油槽供給潤滑油，這樣能方便地除去狹小潤滑油流動(dòng)通道中任何堵塞的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的擠出裝置，其特征在于潤滑器包括潤滑器主體和潤滑器蓋體，該潤滑器主體中有形成油槽的凹槽，該潤滑器蓋體可拆卸地固定到潤滑器主體上以蓋住所述凹槽并形成所述油槽，同時(shí)在潤滑器主體和潤滑器蓋體之間形成潤滑油流動(dòng)通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的擠出裝置，其特征在于潤滑器主體和潤滑器蓋體設(shè)有所述潤滑油流動(dòng)通道，流過該潤滑油流動(dòng)通道的潤滑油的流動(dòng)方向成銳角地向前傾斜到復(fù)合材料產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的擠出裝置，其特征在于擠出模的縱向延伸通道有定型部分，復(fù)合材料產(chǎn)品離開潤滑部分后經(jīng)過該校準(zhǔn)部分，所述擠出模有定型器，該定型器確定了縱向延伸通道的校準(zhǔn)部分，所述定型器由熱傳導(dǎo)材料制成，因此僅通過定型器的熱傳導(dǎo)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品的冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的擠出裝置，其特征在于定型器緊密連接到潤滑器上，兩者之間沒有間隙，縱向延伸通過定型器的通道中也沒有間隙，這樣迫使復(fù)合材料產(chǎn)品通過定型器時(shí)不會(huì)增大和降低密度，高密度的木材-回收塑料型材有良好的機(jī)械特性，這使得該型材適于用作高品質(zhì)的托盤和其它的建筑構(gòu)件。
專利摘要
用于擠出木材和回收的熱塑性材料以生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的擠出裝置包括進(jìn)料器，該進(jìn)料器用以向擠出模供給特殊形式的木材和回收的熱塑性材料的混合物，該擠出模有縱向延伸的流動(dòng)通道。該流動(dòng)通道有一漸擴(kuò)部分，漸擴(kuò)部分后面接著是收縮部分，收縮部分后面接著是成型部分，成型部分后面接著是潤滑部分，以便生產(chǎn)密度高于所述木材和回收塑料的混合物的密度的成型復(fù)合材料產(chǎn)品。所制成的產(chǎn)品包括托盤和其它建筑構(gòu)件，這些產(chǎn)品有著優(yōu)良的機(jī)械特性。
文檔編號(hào)B65D19/18GKCN1094824SQ00100143
公開日2002年11月27日 申請日期2000年1月13日
發(fā)明者宋維寧 申請人:宋維寧導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1),