专利名称：木材和回收塑料的挤出及其制成的高密度复合材料产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及木材和回收的热塑性材料的挤出及其制成的复合材料产品。
通过挤出木材和热塑性材料的混合物生成复合材料产品的生产方法是公知的。例如1995年4月25日授权的加拿大专利2102979(Woodhams)披露了一种由塑性材料和其它的特殊材料生产复合材料产品的方法，该特殊材料可以是木材。分别在1995年4月18日和1996年3月12日授权的美国专利5406768和5497594(Giuseppe等等)披露了一种以挤出的或者注射模制的热塑性件的形式由聚合物和木材纤维复合材料制成的用于住宅和商业建筑的复合材料构件。
1996年5月14日授权的美国专利5516472(Laver)披露了一种用于使有机纤维材料与热塑性材料结合以形成仿木复合材料的装置和方法。在Laver专利中，混合材料被挤入一模具系统中，该模具系统包括一过渡模，一绞合模和一成型模。通过模具系统的材料流速由用过渡模使混合材料预成型以形成与最终产品类似的形状，用绞合模将材料绞合以形成单股材料和用成型模挤压从绞合模中出来的单股材料来平衡。
然而，由于各种原因，已知的这种方法和产品在商业上都没有成功，而且，已知的产品没有被回收。
因此本发明的一个目的是提供一种改进的方法，用于挤出木材和回收的热塑性材料以生产高密度的复合材料，该复合材料能够用作建筑产品，例如平板架以及窗户和门的框架。
根据本发明，挤出木材和回收的热塑性材料以生产复合材料产品的挤出装置包括一进料器，该进料器用于向具有纵向延伸的流动通道的挤出模供给特殊形式的木材、回收的热塑性材料和功能添加剂的混合物。所述流动通道具有一渐扩部分，一接着该渐扩部分的收缩部分，和一接着该收缩部分的成型部分，用以生产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复合材料产品。例如，当使用特殊形式的木粉和回收的高密度聚乙烯(HDPE)混合物时，所得到的高密度可以在从大约1.1克/cc到大约1.5克/cc之间的范围中，而木粉和高密度聚乙烯两者的密度通常都小于大约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)、聚对酞酸乙烯(PET)和其它热塑性材料也已被用于合成加工。利用本发明制造的复合材料产品包括平板架、栅栏或者甲板、窗户和门的框架以及其它能够承载的建筑产品。
流动通道的渐扩部分可以以大约10°到大约75°之间的角度从流体通道的纵向轴线偏斜，流动通道的收缩部分可以以大约10°到大约75°之间的角度向流体通道的纵向轴线收敛。
挤出模的纵向延伸通道可以有一润滑部分，复合材料产品离开成型部分后经过该润滑部分，挤出模具有一润滑器，该润滑器确定了纵向延伸通道的润滑部分，且该润滑器具有一个围绕纵向延伸通道的润滑部分的周边的润滑油槽，该润滑油槽离该润滑部分周边的间距很短，并通过周边延伸的狭小润滑油流动通道与润滑部分相连，从而，压力下的润滑油能够被供给到润滑油槽，以使润滑油以基本均匀的压力从润滑油槽流经润滑油流动通道，从而与经过纵向延伸通道的润滑部分的复合材料产品的周边接触。挤出装置也可以包括一压力润滑油源，用于以脉动压力向润滑油槽供给润滑油，这样，除去狭小的润滑油流动通道中的任何堵塞的材料变得更为方便。
润滑器可以包括一润滑器主体和一润滑器盖体，该润滑器主体中有形成油槽的凹槽，该润滑器盖体可拆卸地固定到润滑器主体上，以盖住凹槽并形成油槽，在润滑器主体和润滑器盖体之间形成润滑油流动通道。润滑器主体和润滑器盖体可以设有润滑油流动通道，流过该润滑油流动通道的润滑油的流动方向成锐角地向前倾斜到复合材料产品的运动方向。
挤出模的纵向延伸通道可以具有一校准部分，复合材料产品离开润滑部分后经过该校准部分，挤出模具有校准器，该校准器确定了纵向延伸通道的校准部分，校准器由热传导材料制成，从而仅通过校准器的热传导就能实现复合材料产品的冷却。
校准器最好紧密地固定到润滑器上，两者之间没有间隙，在纵向延伸通过校准器的通道中也没有间隙，这样，迫使复合材料产品通过校准器时不会增大和降低密度。
现在将参考附图，以举例的方式描述本发明的实施例，其中
图1是本发明一个实施例的挤出装置的侧视图，图中省略了校准器；图2是挤出模的纵剖图；图3是成型器的上下部分的分解图；图4所示为沿图1和图3中a-a，b-b，c-c，d-d和e-e线的剖面图；图5是润滑器的主体和盖体的分解图；以及图6是图5所示的润滑器的主体和盖体在装配好结构时的中心垂直剖面图；图7是木材—塑料复合材料平板架的分解图，该平板架有三种利用本发明的技术挤出的型面。
参考附图，图1所示为挤出装置10，该挤出装置10用于利用特殊形式的木材、回收热塑性材料和功能添加剂的混合物生产高密度的复合材料产品。该挤出装置具有底座12，螺旋进料器14安装在该底座12上。特殊形式的木材和回收热塑性材料的混合物16从料斗18被加入到螺旋进料器14中。螺旋进料器14传送和挤压混合物16以产生熔融的流体，对于木材和回收的高密度聚乙烯(HDPE)的混合物通常是在大约300°F(150℃)的温度，该温度大大低于HDPE的通常挤出温度，该通常挤出温度为400°F(200℃)以上，排气由通风口20排出。低温处理防止木材纤维的燃烧，并使产品保持更好的机械特性。
如图2详细所示，熔融流体从螺旋进料器14经破碎板22进入挤出模24，该挤出模24具有纵向延伸的通道26，该通道26带有起始的渐扩部分28，该渐扩部分28以一角度偏离通道26的纵向轴线。渐扩部分28后面接着是收缩部分30，该收缩部分30以一角度朝着通道26的纵向轴线A收敛。收缩部分30后面接着是由成型器32形成的成型部分31。纵向延伸通道26的成型部分31后面接着是由润滑器34形成的润滑部分33和由校准器36形成的延伸校准部分35。
挤出模24的部件由合适的、具有适当镀层的合金钢或者不锈钢制成。校准器36具有两个不锈钢部分33，40，一个铝部分42和一个延伸部分44。本领域的熟练技术人员从图2可容易地看出，挤出模24的各个部件由分开的组件以适当的方式固定在一起制成。一直到润滑器34并包括润滑器34的各部件由分开的电加热器25加热，以便在经过的流动通道26的各部分保持期望的温度。
破碎板22具有小的平行的纵向延伸的通道23，木材/塑料混合物通过该通道23从螺旋进料器14输送到流动通道26的渐扩部分28。破碎板22起到对材料整流的作用，并将流动特性由在螺旋进料器14中的旋转状态转变为在流动通道26中的层流状态。破碎板22还滤掉混合物中的过大颗粒。应当注意，螺旋进料器14的壳体通过夹子21被固定到流动通道26的渐扩部分28的壳体上。夹子21是易于拆卸的，以便能够除去混合物中由破碎板22挡住的过大颗粒。
流动通道26的渐扩部分28以大约10°到大约75°范围之间的角度偏离流体通道26的纵向轴线A，收缩部分30以大约10°到大约75°范围之间的角度向流体通道26的纵向轴线A收敛。渐扩部分28和收缩部分30的组合能够获得具有理想的机械特性的高密度复合材料产品，该高密度复合材料产品适合于商业建筑用途，例如平板架、滑轨、窗户、甲板、门和混凝土模。
渐扩和收缩部分28、30的发散和收敛的实际角度取决于最终产品的横截面，当混合物通过收缩部分30输送时，混合物通常所承受的压缩比在从大约3∶1到大约10∶1之间的范围内。
渐扩部分28的横截面是圆形。收缩部分30的横截面最初为圆形，如图4(a)所示，但是逐渐变成矩形，如图4(b)和图4(c)所示。流动通道26的成型部分31最初具有如图4(c)所示的截面，但是逐渐变成最终产品的形状，如图4(d)和4(e)所示。图4(e)所示的截面形状因而在本发明的该实施例中是最终产品的截面形状。在这种情况下，该产品是负载平板架的顶板(图7(a))。纵向延伸通道26的收缩部分30和成型部分31的截面变化可以准确确定，例如，通过计算机辅助工程设计(CAE)、利用合适的流动特性、几何条件、温度设定的技术，等等。图3所示为流动通道31的形状沿成型器32的长度方向变化的方式，在本实施例中，该成型器32包括用螺栓连接的下部32a和上部32b。
特别是如图5和图6所示，润滑器34包括润滑器主体52和润滑器盖体54，该润滑器主体52具有一轴向延伸流动通道56，其形状如图4(e)所示，即最终产品的形状。同样，润滑器盖体54具有同样形状的流动通道58。使用时，润滑器盖体54通过螺钉60固定到润滑器主体52上，该螺钉60穿过润滑器盖体54的孔62拧入润滑器主体52的螺纹孔64中。
润滑油槽由凹槽66形成，该凹槽66位于润滑器主体52的靠近润滑器盖体54的表面68上。凹槽66在离流动通道56很近处连续环绕流动通道56。在油槽66和流动通道56之间的润滑器主体52的表面68的部分70与润滑器盖体54的相邻表面72稍微间隔开，以便在两者之间形成间隙74。该间隙74的尺寸在从大约0.0005英寸到大约0.001英寸之间的范围内，这是通过润滑器主体52和润滑器盖体54的精密加工获得的。润滑器盖体54有密封垫76，该密封垫76与润滑器主体52的表面68配合以防止润滑油从凹槽66越过密封垫76的泄漏。
润滑器盖体54的表面72的环绕着流动通道58的部分73呈斜锥形并容纳有环绕着流动通道56的润滑器主体52的相应斜锥部分70，因此，两斜锥部分之间的润滑油流动间隙74以朝着复合材料产品运动方向呈锐角倾斜的角度接触流动通道56、58中的复合材料产品。
润滑油是从合适的润滑油源(未示出)以一定压力通过润滑器主体52中的孔78供给到润滑油槽66。优选是，该压力是脉动压力，例如在500磅/平方英寸和1000磅/平方英寸之间变化，以产生在从大约5ml/min到大约10ml/min的范围内变化的润滑油流速。
当复合材料产品以其最终形状离开成型器32并通过润滑器34时，如图6所示，在脉动压力下的润滑油由凹槽66流经间隙74，并与复合材料产品外表面的整个周边接触，以便能很好地保持相对较高的挤出速率，例如，大约4英尺/分到大约5英尺/分的挤出速率。油槽66使油压在流动通道66周围保持均匀。流过间隙74的润滑油的任何堵塞都会导致油槽66中的压力增加。由于压力的脉动特性，这种压力增加通常会清除这种由于润滑油中的污垢或者复合材料产品的沉淀而引起的堵塞。
润滑了的复合材料产品然后通过校准器36，该校准器36的校准器部分38、40、42和44使复合材料产品在其冷却过程中保持截面形状，该冷却是从大约300°F(150℃)的成型温度到大约80°F(30℃)的较低温度。应当注意，没有附加的冷却器，即，复合材料产品的冷却仅仅是通过校准器部分的金属壁面的热传导而发生的。精确设计校准器通道35，这样，复合材料产品得到充分冷却，并且不会由于该复合材料产品在保持其设计形状时的收缩或者膨胀而卡住校准器壁面。
校准器36用螺栓紧密连接到润滑器34上，校准器部件38、40、42、44彼此用螺栓紧密连接，以保持复合材料产品的高密度，该产品被螺旋进料器14推动，以指定的速度通过精确设计的校准器通道35。这与传统的型材挤出模相反，例如，对于PVC型材挤出模，其中在成型器和校准器之间留有间隙，以便使挤出物在被拉入真空进料的校准器之前膨胀或者收缩，真空是由与校准器相连的真空泵产生的，以便将挤出的型材吸入到校准器通道。这一公知技术也可以包括一个在真空进料的校准器后面的拔具。该拔具并不适合现在的木材纤维和热塑料的合成挤出。
本发明认识到天然硬木材有比软木更高的密度从而有更高的机械特性这一事实。木材是多孔的，因此在高压挤出过程中体积可能被压缩。利用特殊形式的木材，例如锯木屑或者木粉，本发明能够使生产的复合材料产品的密度远远高于其组分的密度。本发明直到校准器42的起始端才放松挤出物，因此复合材料产品能保持高密度。
如图3、图4、图5和图6所示，经过挤出装置10、带有润滑器34的挤出模24和校准器38、40、42和44的木材-塑料产品80是图7(a)中平板架79的七个顶板中的一个。图7中桁条81和底板82也能用同样的挤出过程和类似的挤出模制成。顶板80的开口型面被设计为承载、重量轻和使平板架79成一整体。外支架83承受来自顶面84的负载和来自侧面85的冲击。中间肋条86承受来自顶部的负载，并有螺钉穿过其中心插入，以便与平板架79的桁条81连接(螺钉未示出)。肋条86也减小了顶面84的跨距，因此更坚固。螺钉头固定在小凹槽87中，因此表面84是平的。底面88比支架的横截面宽，以便能稳固。顶板80是143mm宽，35mm高。由支架和肋条围绕的空腔充分减小了重量。带有中间凸缘的桁条81的工字梁设计对于整个平板架79的刚性来说非常重要，因此桁条能够架设在承载平板架的末端。顶部凸缘89是59mm宽，其厚度足够防止局部断裂。中间肋90是19mm宽，以保持刚性。中间凸缘91不能省略。当平板架79上制有豁口92时，中间凸缘91使平板架增加了刚性，从而使平板架在受到载荷时不会挠曲得太厉害。工字梁81是59mm高。相对较平的底板82使得平板架79能够在输送机上移动。底板用螺钉穿过桁条81的中间肋90拧紧。倒角93使手动叉式起重车能翻转该平板架并进入平板架79内部。对复合材料和平板架所作的实验表明，复合材料的机械特性高于其原始组分，该平板架比优质硬木平板架更耐久，如表1和表2所示。
表1.木材-回收塑料复合物、纯HDPE和木材的性能
表2.1000×1200mm复合材料平板架性能
通过上述对优选实施例的说明，本领域普通技术人员将认识到本发明能使高密度复合材料产品能够以优选生产速度生产，例如以每分钟4到5英尺的速度，该高密度复合材料产品有着相对于木材的理想机械特性并且能完全回收。本发明的其它实施例对于本领域普通技术人员来说也是很明显的，本发明的范围将由附加的权利要求限定。
权利要求
1.一种挤出木材和回收的热塑性材料以生产复合材料产品的挤出装置，该挤出装置包括一进料器，该进料器用以向挤出模供给特殊形式的木材和回收的热塑性材料的混合物，该挤出模有纵向延伸的流动通道，所述流动通道具有一渐扩部分，渐扩部分后面接着是收缩部分，收缩部分后面接着是成型部分，以生产密度高于所述木材和回收塑料的混合物的密度的成型复合材料产品。
2.根据权利要求1所述的挤出装置，其特征在于流动通道的渐扩部分以大约10°到大约75°之间的角度偏离流体通道的纵向轴线。
3.根据权利要求1所述的挤出装置，其特征在于流动通道的收缩部分以大约10°到大约75°之间的角度向流体通道的纵向轴线收敛。
4.根据权利要求1所述的挤出装置，其特征在于挤出模的纵向延伸通道具有润滑部分，复合材料产品离开成型部分后经过该润滑部分，所述挤出模具有润滑器，该润滑器确定了纵向延伸通道的润滑部分，所述润滑器具有围绕纵向延伸通道的润滑部分周边的润滑油槽，该润滑油槽离该润滑部分周边的间距很短，并通过周边延伸的狭小润滑油流动通道与润滑部分相连，因而压力下的润滑油能够被供给到润滑油槽，使润滑油由压力基本均匀的润滑油槽流经润滑油流动通道，与经过纵向延伸通道的润滑部分的复合材料产品的周边接触。
5.根据权利要求4所述的挤出装置，其特征在于还包括一压力润滑油源，用于以脉动压力向润滑油槽供给润滑油，这样能方便地除去狭小润滑油流动通道中任何堵塞的材料。
6.根据权利要求4所述的挤出装置，其特征在于润滑器包括润滑器主体和润滑器盖体，该润滑器主体中有形成油槽的凹槽，该润滑器盖体可拆卸地固定到润滑器主体上以盖住所述凹槽并形成所述油槽，同时在润滑器主体和润滑器盖体之间形成润滑油流动通道。
7.根据权利要求4所述的挤出装置，其特征在于润滑器主体和润滑器盖体设有所述润滑油流动通道，流过该润滑油流动通道的润滑油的流动方向成锐角地向前倾斜到复合材料产品的运动方向。
8.根据权利要求4所述的挤出装置，其特征在于挤出模的纵向延伸通道有校准部分，复合材料产品离开润滑部分后经过该校准部分，所述挤出模有校准器，该校准器确定了纵向延伸通道的校准部分，所述校准器由热传导材料制成，因此仅通过校准器的热传导就能实现复合材料产品的冷却。
9.根据权利要求8所述的挤出装置，其特征在于校准器紧密连接到润滑器上，两者之间没有间隙，纵向延伸通过校准器的通道中也没有间隙，这样迫使复合材料产品通过校准器时不会增大和降低密度。高密度的木材-回收塑料型材有良好的机械特性，这使得该型材适于用作高品质的平板架和其它的建筑构件。
10.这样制成的复合材料产品包括平板架、栅栏和甲板。对平板架的实验表明该平板架的强度足够用于任何工业环境，并且比优质硬木平板架更耐久。
全文摘要
用于挤出木材和回收的热塑性材料以生产复合材料产品的挤出装置包括进料器,该进料器用以向挤出模供给特殊形式的木材和回收的热塑性材料的混合物,该挤出模有纵向延伸的流动通道。该流动通道有一渐扩部分,渐扩部分后面接着是收缩部分,收缩部分后面接着是成型部分,成型部分后面接着是润滑部分,以便生产密度高于所述木材和回收塑料的混合物的密度的成型复合材料产品。所制成的产品包括平板架和其它建筑构件,这些产品有着优良的机械特性。
文档编号B65D19/02GK1270095SQ0010014
公开日2000年10月18日 申请日期2000年1月13日 优先权日1999年1月13日
发明者宋维宁 申请人:宋维宁