基于塑料制造的物品和形成工艺的制作方法
【专利说明】基于塑料制造的物品和形成工艺
[0001] 相关申请案的交叉参考
[0002] 本申请案请求2013年5月22日提出申请的第61/826, 120号美国临时申请案的 优先权的权益，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。 发明领域
[0003] 本发明一般来说涉及建筑产品，并且更特定来说涉及通过定向塑料合成物物品的 模制、刨平（也被称为压刨）或刳刨制成的物品，以及涉及用于制造这些产品的工艺。
【背景技术】
[0004] 作为外部建筑应用中的装饰材料的木材具有许多优秀品质。其是耐用并且牢固还 略具挠性的自然存在的材料。其可使用锯、车床、刳刨机或其它普通木材机加工设备来机加 工。木材表面可被装饰成给出消费者所期望的各种各样的外观。然而，其还易于抵抗曝露 于阳光和湿气的影响。用于形成用于装饰件的成形物品必需的高质量木料也已经变得相对 缺乏并且昂贵。
[0005] 出于这些原因，塑料已经作为木材替代物用于在建筑工业中的多个应用中，特别 是在外部应用中。普通大体积外部应用包含众所周知"乙烯基"（聚氯乙烯）所用于的包覆 层和窗户。还知晓在门、铺板、围栏和其它应用中塑料用作木材替代物。然而，包含装饰性 模制品、门侧板和类似物的可需要圆形表面、尖角、内拐角、底切和其它难以制作形状的复 杂成形物品尚未易于被塑料替代，因为复杂塑料成形物品的制造尚不具成本效益。通常，复 杂形状仅可通过昂贵制作方法（举例来说，注射模制、精确型材挤压、机加工或针对昂贵工 程零件而设计的其它技术）来生产。具有所有所需要的功能性的所需要的复杂形状尚未通 过使用（举例来说）普通木材加工刳刨机、刨床（压刨机）、成型机和类似物的已知低成本 处理方法用低成本塑料容易地并且具成本效益地生产出。
[0006] -些塑料的机加工已知晓并且可被用于生产不可使用其它手段容易地制作成塑 料零件的复杂形状和尺寸公差。如2008年三月/四月在网上发布的《塑料品经销商与制作 商杂志》（Plastics Distributor? &Fabricator Magazine)中所总结，在塑料（例如，聚丙 烯）的机加工期间通常遇到的挑战中的一些包含废弃材料在切割刀具上的重新焊接或环 绕和获得所期望的表面抛光度的困难。一种用于解决这些挑战的所建议的方法包含使用产 生较大肩片的机床（例如，慢螺旋工具）。另外，由于有时聚丙烯的胶状性质和在机加工期 间通过切割作用产生的内热，建议不使用高速度钢刀具。增加通过机器的进给速率的试验 和错误过程和针对工具的较慢的主轴速度可被用于试图达成加工物品上的可接受抛光度。
[0007] 通常，给制作者（机器操作员）可能已经针对特定工程应用而设计并且填充有增 强材料（举例来说，玻璃纤维）的热塑性材料。在这些状况中，热塑性材料通常被选择用于 最终用途并且不必便于塑料的机加工。此外，工件通常被保持于固定位置中并且机加工工 具移动以生产所期望的形状。因此，机加工过程可能会很慢并且与将通常需要用作建筑应 用中的木材代替品的零件的大小相比零件较小。出于这些原因，用于这些机加工的应用的 工程热塑料对作为建筑应用中的木材代替品的应用来说可能成本太高。
[0008] 最近，木材填充的热塑性合成物已经被引入作为铺板、包覆层和不需要复杂形状 的简单装饰应用中的木材代替品。这些合成物通常通过型材挤压来生产，并且取决于材料 和生产形状的困难度，可能是昂贵的。此外，当使用可期望便宜热塑性材料时，成形物品的 许多可期望形状可能并不成功地生产有所需要的尺寸一致性。在其它应用中，型材挤压可 能太昂贵以至于不能提供优选地用于例如挤压式铝门槛或门坎的支撑板的应用中的具有 低尺寸可变性（紧密度公差）的零件。此外，对用于许多木材替代物应用的这些木材塑料合 成物零件来说存在多个挑战，包含但不限于美学、韧性（弹性和挠曲模量）和机械加工性。
[0009] 挤压的塑料合成物材料目前用作铺板和类似物。然而，作为用于复杂成形物品的 原材料，这些材料还可具有缺点。由通常被称为木材塑料合成物的挤压纤维素填充的聚乙 烯、聚丙烯或聚氯乙烯制成的产品可容易地用为铺板。然而，其对湿气具有不想要的敏感 性，并且在一些情形中对曝露于阳光的敏感性。当螺钉插入到挤压板的端部中时，这些中的 许多可遭受"爆裂";端部可倾向于"爆裂"（材料块脱离），因为材料可以是易碎的。相对于 木材，塑料合成物材料还可非常重并且可向应用物添加实质重量和成本。降低重量和成本 的发泡的使用可制造甚至更易于"爆裂"的塑料合成物，尤其是木材塑料合成物。最终，木 材具有极低热膨胀系数（CTE)，大约是典型木材塑料合成物材料的CTE的十分之一。在受到 约束的一些建筑外部应用中，举例来说，在门坎支撑物中，这可导致约束件的弯曲或翘曲。
[0010] 还已知晓用固态模具拉伸生产的填充式定向聚合物合成物（0PC)物品用作木材 代替品。固态模具拉伸的主要挑战是复杂形状和尺寸并不容易地拉伸成最终零件。具有 尖特征的内拐角、具有尖特征的通道、底切等可能非常难以借助于模具拉伸达成。因此，对 于用于建筑应用的成形物品，举例来说，装饰性装饰件、穹窿、砖模制件、门侧板等，机加工 (刨床/成型机/刳刨机）有必要达成可期望形状和尺寸。0PC物品的机加工或切割中遇 到的另一挑战是表面纤维化，所述表面纤维化可由在对定向聚合物合成物物品的各种类型 的切割操作期间定向聚合物缕的"裂缝"导致。当0PC物品如用锯切割或通过多个木材加 工技术（举例来说，刳刨、模制和类似物）中的任一个机加工时，表面的纤维化可发生。"裂 缝"是当在机加工过程期间小纤维或小纤维簇产生于切割或机加工表面处时，当拉动时所 述小纤维或小纤维簇可剥离或"削弱"邻近对准的聚合物链，从而在表面中留下间隙。
[0011] Courval等人的第5, 204, 045号美国专利通过形成低定向外皮解决了 0PC中的表 面纤维化。另一实例，0' Brien等人的第2009/0155534号美国公开案描述一种通过施加当 切割或刮擦物品表面时导致去定向表面层和减小的纤维化的表面处理来解决表面纤维化 的替代方法。表面层在厚度上是从80到400微米并且具有低于毗邻于去定向表面层的100 微米厚层的定向。然而，在两种情形中，仅在距物品表面的预定深度内解决了表面纤维化。
【发明内容】
[0012] 根据本发明的实施例，一种物品贯穿其整个体积由定向聚合物合成物（0PC)形 成并且具有其中宽度和厚度尺寸小于长度尺寸的长度、宽度和厚度尺寸，其中至少一个表 面已经被机加工成使得所述物品的部分沿着所述物品的所述长度尺寸的至少一部分在所 述宽度或厚度尺寸中的至少一个上减小，并且其中所述物品的密度介于大约〇.5g/cc与 1. Og/cc 之间。
[0013] 根据另一实施例，所述物品进一步包括至少一种填料。所述至少一种填料可以是 无机填料、有机填料或两者的组合并且包括所述物品的25wt%到60wt%。
[0014] 所述物品的额外实施例包含以下中的一个或多个：所述物品的挠曲模量介于 0. 60与5. 5GPa之间；所述0PC包括聚乙烯、聚丙烯、再生聚乙烯或再生聚丙烯、或其组合； 并且所述收缩比是0. 25或更大但小于0. 8。
[0015] 根据另一实施例，所述物品包括已经被机加工成使得与所述物品的最大宽度或厚 度尺寸相比，所述物品沿着所述长度尺寸的至少一部分相应地在所述宽度或厚度尺寸中的 至少一个上减小至少5%的至少一个表面。在另一实施例中，所述至少一个表面已经被机加 工成使得与所述物品的最大宽度或厚度尺寸相比，所述物品的一部分沿着所述物品的所述 长度尺寸的至少一部分相应地在所述宽度或厚度尺寸中的至少一个上减小至少400微米。 更进一步地，沿着所述物品的所述长度尺寸的至少一部分的在宽度或厚度中的至少一个上 的所述减小可在所述物品上形成外部轮廓，所述物品能够用作在建筑应用中的内部或外部 装饰部件。
[0016] 在又一实施例中，至少一个机加工表面没有肉眼可见的缺陷。
[0017] 根据本发明的实施例，建筑结构包含包括所述物品的至少一个部件。所述物品设 置为用于窗户、门或窗户配列开口的组件的部件。
[0018] 在另一实施例中，一种用于用定向聚合物合成物（0PC)制造机器成形物品的工 艺，所述机器成形物品贯穿其整个体积由所述0PC形成，所述工艺包括：（a)提供温度调节 的挤压式聚合物合成物到固态拉伸模具；(b)以小于7. 0的线性拉伸比拉伸所述聚合物合 成物以生产0PC工件；（c)提供所述0PC工件到包括一个或多个机床的机加工装置；和（d) 机加工所述0PC工件以生产通过使用机加工工具移除材料而在厚度上已经减小的表面以 生产0PC机器成形物品。
[0019] 本发明的额外实施例包括以下中的一个或多个：所述聚合物合成物被模具拉伸成 使得所述线性拉伸比介于2. 5与6. 5之间；所述一个或多个机床中的至少一个的所述旋转 速度介于2000RPM与12000RPM之间；多个机床在通过所述机床一次的情况下完成对所述 0PC工件的所述修整和机加工；所述0PC机器成形物品包括无机填料；所述工艺是半连续或 连续工艺；机加工所述0PC工件包括通过使用机加工工具移除材料而将所述物品的至少一 个表面在厚度上减小到至少400微米的深度；以及所述0PC机器成形物品没有肉眼可见的 表面缺陷。
[0020] 在另一实施例中，所述工艺进一步包括：在提供所述0PC工件到所述机加工装置 之前修整所述0PC工件到初始横截面尺寸。
【附图说明】
[0021] 当结合以下描述和附图考虑时，本领域的技术人员将变得更好地理解本发明的这 些和其它特征和优点：
[0022] 图1A是由根据本发明的实施例的0PC工件形成的0PC成形物品的透视图。
[0023] 图1B是根据本发明的实施例的0PC成形物品的透视图。
[0024] 图2A是由根据本发明的实施例的0PC工件形成的0PC成形物品的透视图。
[0025] 图2B是根据本发明的实施例的0PC成形物品的透视图。
[0026] 图3A是由根据本发明的实施例的0PC工件形成的0PC成形物的透视图。
[0027] 图3B是根据本发明的实施例的0PC成形物品的透视图。
[0028] 图4A是由根据本发明的实施例的0PC工件形成的0PC成形物品的透视图。
[0029] 图4B是根据本发明的实施例的0PC成形物品的透视图。
[0030] 图5A是由根据本发明的实施例的0PC工件形成的0PC成形物品的透视图。
[0031 ] 图5B是根据本发明的实施例的0PC成形物品的透视图。
[0032] 图6图示根据本发明的实施例的用于制作定向聚合物合成物工件和成形物品的 工艺。
【具体实施方式】
[0033] 术语
[0034] "固态"指代低于聚合物（或聚合物合成物）的软化温度的聚合物（或聚合物合成 物）。