專利名稱：一種生產具有取向成分的熱塑性產品的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生產熱塑性混合物的方法和設備。更確切地說，本發(fā)明涉及生產具有縱向取向的聚合物分子的熱塑性混合物的方法。用本發(fā)明的方法制成的產品可為實心的或中空的產品，或具有一體發(fā)泡芯層的產品。
熱塑性聚合物已在各種應用領域使用多年。然而，這些用傳統(tǒng)方法擠出的熱塑性聚合物的缺點之一是，它們與其它的材料，諸如木材或金屬相比，這些聚合物的機械性能(諸如承載能力)較差。這些較差的機械性能限制了大部分熱塑性聚合物應用的范圍。
人們做出了許多努力用于開發(fā)具有改善的機械性能的聚合物，這些通常被稱為工程聚合物比通常被稱為通用熱塑性聚合物(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯)有較好的機械性能，然而這種機械性能改進的同時伴隨著產品價格的提高。
另外，各種各樣的手段已被用于提高通用熱塑性聚合物的機械性能。最常用的方法之一就是將增強性填料加入到熱塑性聚合物中。這些被用作為增強性填料的材料的縱橫比(即長度與有效半徑之比)大于1，這些填料，諸如纖維或薄片材具有的性能(諸如韌性)大于熱塑性聚合物的性能。由于填料具有的增強性能的原因，所以產生的復合材料比純的熱塑性聚合物具有優(yōu)良的機械性能。增強性填料即可用諸如玻璃、碳纖維、金屬纖維或陶瓷纖維制成，也可以用天然材料，諸如纖維素纖維、石棉、云母或滑石制成。含有各種纖維狀的或礦物質的填料的各種牌號的聚合物已商業(yè)化。
提高熱塑性聚合物機械性能的另一種方法是使一定數量的聚合物分子在同一個方向上成一直線或在同一個方向上取向。這是利用聚合物本身具有的堅固的碳-碳骨架而形成的。聚合物分子的取向使得到的產品的強度和韌性增加。各種各樣的通過取向來增加熱塑性聚合物的機械性能的方法已被采用。在纖維紡織過程中，聚合物纖維在擠出模頭后被牽伸，隨后，在牽伸的方向，聚合物分子被取向。在吹塑薄膜過程中，可通過在高壓空氣來吹脹圓筒狀的擠出物來達到薄膜的雙向取向(即對應于機器的方向進行水平和垂直方向的取向)。擠出物的這種吹脹可使薄膜產生圓周方向和軸向的拉伸。在這兩種加工過程中，最終的產品具有一定的規(guī)格，采用這種規(guī)格能使產品迅速的冷卻而保持已形成的分子取向。對較大的型材來說，為了保持任何已產生的取向而使型材冷卻的做法是很困難的，尤其由于傳統(tǒng)的擠出方法通常使用的溫度遠遠高于熱塑性聚合物的軟化點或熔融點的溫度。
解決充分冷卻問題的方法之一是采用固相擠出。在該方法中，聚合物分子的取向在低于熱塑性聚合物的熔融點或軟化點的溫度下進行。例如專利UK2 207436(Ward et al，989)描述了一利用固相擠出使線性聚乙烯的分子進行取向的方法。該固相形變過程是在液壓活塞擠出機及要求壓力在150～250MPa(22,000～36,000psi)壓力下使聚乙烯在低于其熔點的溫度下通過模頭被擠壓成錠料而形成的。然而，由于活塞擠出速度較慢和不能連續(xù)化生產，并且該過程需要高壓，因此對大多數工業(yè)化應用場合來說是不經濟的。
根據本發(fā)明，已發(fā)現任何分子量的熱塑性聚合物可被進行連續(xù)化擠出，以生產出具有基本取向的各種各樣的型材。與傳統(tǒng)的擠出方法相比，本發(fā)明的方法可增加最終產品的強度和模量。另外，本發(fā)明的擠出方法可以使熱塑性聚合物分子和可能存在的填料粒子在擠出過程中在同一方向上進行取向，同時可防止已產生的取向松馳。
本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)生產具有取向成分的熱塑性產品的方法。該方法包括的步驟為提供一種含有熱塑性聚合物的熱塑性混合物，將該混合物的溫度升高到一給定的溫度范圍，該溫度范圍恰好大于或等于該混合物的軟化點，因而產生一熔融的熱塑性混合物。將熔融的熱塑性混合物經模頭擠壓，該熱塑性混合物通過模頭經歷一個漸變流動過程而使熱塑性聚合物中的至少一部分產生縱向取向。熱塑性混合物在產生縱向取向后被冷卻到低于其軟化點的溫度來保持已產生的取向，及將熱塑性混合物進行固化。該產品可以是實心或中空的型材。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種連續(xù)生產具有取向成分和發(fā)泡芯層的熱塑性產品的方法。該方法包括的步驟為提供一種含有熱塑性聚合物和發(fā)泡劑的混合物；將該熱塑性混合物的溫度上升到一給定的溫度范圍，該溫度范圍恰好大于或等于熱塑性混合物的軟化點，因而產生一熔融的熱塑性混合物。將該熔融的熱塑性混合物通過一模頭進行擠壓，擠出物的內部形成一空腔。該熱塑性混合物通過模頭經歷一個漸變的流動過程而使至少一部分熱塑性聚合物產生縱向取向。由于在熱塑性混合物的外層產生縱向取向，因而形成一取向的外皮，熱塑性混合物向其內部空腔發(fā)泡。然后將熱塑性混合物冷卻到低于其軟化點溫度來將其固化。按照本發(fā)明的方法加工成的產品是一些一體發(fā)泡的型材，該型材是由取向的硬質外皮和發(fā)泡的芯層組成。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種用含有熱塑性聚合物的熱塑性混合物來生產一種含有取向成分的熱塑性產品的設備。該設備包括一種將熱塑性混合物的溫度升高到一給定的溫度范圍(該溫度范圍大于或等于熱塑性混合物的軟化點)的裝置，其后續(xù)裝置包括一模頭，該模頭包括一內壁、進、出料口及在進、出料口之間有一料道，其進料口的直徑大于出料口的直徑，內壁的一部分是漸縮形的。該內壁并被限定成一個漸縮形料道用于使通過模頭的熱塑性混合物形成一漸變流動過程而使至少一部分聚合物分子產生縱向取向。該設備還包括一擠壓裝置和一冷卻裝置，該擠壓裝置用于將熱塑性混合物通過模頭擠壓出；該冷卻裝置位于漸縮形料道的下游部位，用于將熱塑性混合物進行冷卻。較佳的設備可在模頭中包括芯模定位裝置，其中芯?？墒篃崴苄曰旌衔镄纬梢豢涨弧?br> 本發(fā)明的再一個目的是提供一種熱塑性產品，該產品包括一含有熱塑性聚合物的熱塑性混合物，且其有縱向取向的熱塑性聚合物的硬質外層及一體低密度發(fā)泡的芯層。
下面通過附圖及實施例對本發(fā)明的方法作進一步描述。
附圖簡要說明

圖1為按照本發(fā)明的方法生產熱塑性產品的設備。
圖2為圖1中用于成型實心產品的圓環(huán)部分2的放大剖面圖。
圖3為圖1中用于成型成中空的，一體發(fā)泡產品圓環(huán)部分2的放大剖面圖。
圖4為沿圖3中4-4線剖面圖。
圖5為用圖3中安裝的模頭生產的環(huán)形取向的中空型材的剖面圖。
圖6為用圖3中安裝的模頭生產的具有取向的硬質外皮和發(fā)泡芯層的圓形型材的剖面圖。
在本發(fā)明的方法中，熱塑性混合物通過一裝配有模頭的擠出機進行連續(xù)擠出。該模頭包括有一模頭接套，一儲料槽、一模頭和定型套，在生產空心的或一體發(fā)泡產品時，還應有一芯模。模頭接套用來將模頭組件連接到擠出機上?？蓪⑽锪霞訜峄蚶鋮s到所需要的溫度的儲料槽具有兩種功能。首先，儲料槽被用于均化熱塑性混合物的本體溫度，其次，使?jié)櫥瑒┰跓崴苄曰旌衔锱c模頭組件的內表面之間的交界面上被注入，使?jié)櫥瑒┰谶M入模頭之前被均勻地分散。由于擠出機螺桿的輸送作用，使熱塑性混合物最先通過模頭接套和儲料槽，然后被推壓通過一漸縮形模頭。潤滑劑被用作為促使物料產生拉伸流動并在物料通過模頭時減少剪切流動。模頭被設計成可使聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)產生縱向取向。加工條件的選擇是便于在模頭內產生取向，然后保持該取向并使產品固化。真空定型套或定徑套、冷卻水浴、履帶式牽引機及任一附加的后續(xù)裝置為本領域技術人員熟知的裝置。后續(xù)裝置定型套的使用，用于進一步提高產品的質量和生產率。當然，熱塑性混合物涉及到一種熱塑性聚合物與任何一種添加劑，諸如色料、穩(wěn)定劑、阻燃劑、潤滑劑、加工助劑等的混合物。另外，熱塑性混合物也可含有或不含有填料(尤其增強填料)、相容劑及物理和/或化學發(fā)泡劑。利用本發(fā)明的方法生產具有一定程度縱向分子取向或填料取向(當存在填料時)的實心產品、中空產品及具有一體發(fā)泡芯層的產品的設備的實例將通過討論原材料種類及其預處理而生產高分子量的產品而進行討論用于生產實心產品的方法和設備如圖1和2所示的實例中，顯示了一個使用本發(fā)明的方法來生產實心的、高模量的熱塑性產品的設備10的實施例。該設備包括，一擠出機12、一模頭組件14、一冷卻水浴16、一牽引機18及一切割裝置20。擠出機12可為本領域技術人員熟知的多種不同類型的單螺桿或雙螺桿擠出機之一，該擠出機被用于熔融熱塑性混合物或通過一模頭組件14中的料道17(如圖2所示)輸送該混合物。擠出機12的加工條件被選擇以使熱塑性混合物產生熔融圖2為使用本發(fā)明的方法生產實心或非發(fā)泡的取向的熱塑性圓形型材的模頭組件14的縱向剖面圖。正如本領域技術人員所熟知的那樣，“非發(fā)泡的”產品基本上為實心產品。當然，這將取決于材料、可能會存在的天然發(fā)泡劑(例如水)，其中水可引起某種程度的發(fā)泡。當然，如果提供用于成型所要求產品的模頭組件14，該加工方法可用于生產具有固定尺寸的任何截面型材的實心產品。模頭組件14包括連接于擠出機機筒24末端的模頭接套部分30，一放置于機筒24末端和模頭接套部分30之間的多孔板28。模頭組件14還進一步包括(從前到后順序)為連接于模頭接套部分30上的儲料槽40，模頭60及定型套100。位于擠出機機筒24中的具有輸送作用的擠出機螺桿26擠壓熔融的熱塑性混合物，使其通過多孔板28進入到模頭接套部分30，模頭接套部分30的形狀被設計成一定的形狀以便利用現有技術公知的方式在模頭接套部分30的前端32部分將其連接到擠出機機筒24上，以便使模頭接套部分30從前端部分32到后端部分或出口端部分34間有一個梯度變化，該模頭接套部分30與儲料槽40的前部入口端相鄰接。當然，在某些條件下模頭接套部分30和儲料槽40可構成一個單一的部件。
在儲料槽40的一側可提供有一個或多個孔槽52，通過該孔槽可使?jié)櫥瑒┳⑷氲絻α喜郾诿婧蜔崴苄曰旌衔锝唤用嫔稀?yōu)選的孔槽52的形狀，可被加工成所需要的尺寸或形狀以確保潤滑劑均勻地分布在儲料槽40的內壁周圍，這樣就使得熱塑性混合物能通過料道17被擠壓時，該潤滑劑被均勻地涂覆在熱塑性混合物的外面。熱塑性混合物內也可含有潤滑劑，該潤滑劑是在擠出之前加入到混合物中去的。如圖1所示，潤滑劑可利用裝置56，例如計量泵、注油泵、齒輪泵或其它公知的裝置來注入，該裝置56可在以能夠克服儲料槽40內部的壓力的足夠高的壓力下連續(xù)提供必要量的潤滑劑。該潤滑劑被用于促進物料的拉伸流動及減少物料通過模頭60的剪切流動。用于注入的適當的潤滑劑包括硅油、液體石蠟、甘油、脂肪族酰胺及其它液體形式的潤滑劑。
儲料槽40的長度被選擇以便在該長度內使?jié)櫥瑒┯凶銐虻臅r間在熱塑性混合物的外周進行均勻的擴散。另外，儲料槽40必須有足夠的長度以確保熱塑性混合物在所需要的溫度下進入模頭60內，并確?；旌衔锏臏囟仍谄浣孛嫔媳M可能均勻地分布。
模頭60的設計對擠出方法的成功起到至關重要的作用。首先，模頭60的出口部分的形狀應與所要求型材的截面相一致。其次，模頭的形狀應該是考慮了聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)在流動方向上產生的取向程度、生產率和產品的外觀而設計的，為了促成聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)在流動方向上的取向，最好是通過具有漸縮形狀的模頭擠壓熱塑性混合物，以便使該模頭對熔融混合物產生一個永久的形變。模頭60被加工成一定形狀，并能夠提供一個使整個熱塑性混合物產生漸變的流動過程。當然，在某些條件下儲料槽40和模頭60可構成一個單一的部件。
模頭的拉伸比被定義為模頭的入口段與出口段橫截面面積之比，模頭的拉伸比必須足夠大，以使產品中的聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)產生足夠的取向。然而，如果拉伸比太大的話，通過模頭向下牽引的力就大得不能讓人接受，產生的熔融破裂會使擠出物的表面產生缺陷。最佳的模頭拉伸比為3∶1～15∶1，然而，在給出適當的加工條件下，對某些熱塑性混合物來說，也可用較大的拉伸比。另外可預料到，對相同熱塑性混合物的產品來說，較大的拉伸比比較小的拉伸比可產生較大程度的取向。
模頭的外形可用相關的數學方程式來校正，以使熔融熱塑性混合物依據模頭漸縮段的拉伸應變和拉伸應力速率而產生粘彈形變。研究表明固定的拉伸應變速率通常是很有效的。拉伸應變速率被定義為每單位長度上的長度變化速率，這樣，產生的拉伸應變速率是熱塑性混合物通過模頭的體積流動速率的函數?？深A料最佳的結果是，模頭形狀，例如雙曲線(hyperbolic)形狀產生一遞減的拉伸應變速率。除雙曲線形狀以外，拋物線形狀或圓錐形狀的模頭也可使用。然而為了使熱塑性混合物通過模頭的流動速率增加至最大可接受的程度，模頭的漸變角度應該是小的角度，以便在模頭段產生的拉伸應變速率不超過開始產生熔融破裂(例如，較差的擠出物表面性能)的應變速率。這樣，熱塑性混合物通過模頭的最大可接受的流動速率，可通過選擇模頭形狀以及聚合物樹脂的分子量、填料的種類及用量、模頭的溫度及熱塑性混合物進入模頭時的溫度來確定。
外部的潤滑劑可被注入到儲料槽40中，或被加入到熱塑性混合物中，目的在于通過減少混合物與模頭60的內表面94間的摩擦而使物料在模頭60中產生拉伸形變?？衫酶叨葤伖饽ｎ^60的內表面，或施加涂覆層來增加模頭60內表面94的潤滑性，其目的在于將其間的摩擦減至最低程度模頭組件40的最后一個部分是定型套100，該定型套與鄰接的模頭60的出口端具有相同的橫截面。定型套100的主要作用是保持產品尺寸的穩(wěn)定性，并提供必要的冷卻手段以維持聚合物混合物中聚合物分子和填料(如果存在的話)的取向。定型套100的長度可被選擇以便其對熱塑性混合物產生充分的冷卻，用來維持已產生的取向。定型套100的溫度對確定定型套的長度來說是很重要的。另外，由于使用了定型套，設備10可包括一段以上的溫度控制段，或可包括由幾個部分組成的定型套而使型材達到一溫度，在該溫度下，可使熱塑性混合物產生逐漸的或漸序的冷卻。用于設備10所要求的型材溫度將在下面進一步討論。當然，在某些情況下模頭60或定型套100可構成一個單一的部件。
擠出機機筒24、模頭組件14(包括模頭接套部分30、儲料槽40、模頭60及定型套100)的溫度應被仔細選擇。例如，擠出機機筒24的溫度應足夠高以便熱塑性混合物熔融，以避免由于多孔板28的原因而使產品具有明顯的熔接縫或細紋。擠出機機筒24的溫度應被仔細控制以防止物料產生過大的轉矩。然而，如果熱塑性混合物的溫度過高，那么儲料槽40應足夠短以確?；旌衔餀M斷面上的溫度足夠均勻。模頭60的溫度應足夠高以便于取向，但溫度也應低到足以防止聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)從它們的取向狀態(tài)松馳掉。模頭溫度較佳為高于熔點(軟化點)溫度0～10℃(用于半結晶聚合物)，以及為高于玻璃化轉變溫度(例如高于軟化點溫度)10～60℃(用于無定形聚合物)。定型套100的溫度的選擇應使熱塑性混合物充分冷卻以維持已產生的取向并固化該產品。因此，定型套100的溫度必須低于熱塑性混合物的軟化點溫度。
再如圖1所示，由模頭組件14擠出的擠出物可通過冷卻水浴16(如圖1所示)去進一步冷卻以便于最終產品的加工。冷卻水浴16也可用于沖洗掉任何殘留的潤滑劑。在擠出物通過冷卻水浴16之后，履帶式牽引機18可被用于牽引擠出物。該最終的拉伸可防止由于在模頭組件后端出現的彎曲或下垂而引起擠出物產生任何形變，并有助于擠出過程。最后，切割裝置20可被用于將最終產品切割至所需要的長度。用于生產中空產品的方法和設備如圖3所示為根據本發(fā)明的方法生產具有中空環(huán)狀型材的熱塑性產品的模頭組件14’的縱向剖面圖。當然，如果模頭組件14’已給出的話，具有固定尺寸橫截面的任何截面的中空型材可被生產出。如圖3所示的模頭組件14’與如圖2所示的模頭組件14之間的明顯不同之處在于模頭組件14’有芯模46，該芯模46對于生產中空產品是必需的。模頭組件14和14’的所有其它元件均相同。該芯模46利用最初的芯模支撐部分42使其前端49得到支撐，該支撐部分42位于模頭接套部分30和儲料槽40之間。芯模支撐部分42的橫截面如圖4所示，其具有三個支撐件44，這些支撐件44被連接到芯模46上。支撐件44的數目和位置被選擇用于對芯模46提供足夠的支撐而同時不使熱塑性混合物產生破裂性流動，而支撐件44的形狀被選擇用于促進熱塑性混合物圍繞支撐件44產生流線型流動。在一個或一個以上支撐件44的中心，提供有一溝槽50，通過該溝槽50可將潤滑劑注入到芯模46和熱塑性混合物之間的界面上。其過程可通過與如圖1所示的56類似的方式來完成。當然，芯模46和芯模支撐部分42可作為一個部件或幾個部件被制成。
位于儲料槽40和模頭60之間的部件是第二個芯模支撐部分62。該支撐部分62的橫截面與圖4所示的支撐部分42的橫截面類似，但在這種情況下，芯模46并不與支撐部分62相連接，以便使模頭組件14’易于拆卸而便于維修該組件。如前所述，在芯模支撐部分62內的支撐件的數目和位置可被選擇用于提供給芯模足夠的支撐以確保當支撐件被成型成或按一定尺寸設計成用以保證熱塑性混合物圍繞支撐件產生流線型流動時，而使熱塑性混合物不產生明顯的破裂性流動。第二個支撐部分可存在也可不存在，這取決于芯模的尺寸和長度。
所有的為生產實心產品而設計的模頭組件14時所考慮的問題在生產中空產品而設計的模頭組件14’時也應該考慮。例如儲料槽40和定型套100的長度、模頭60的形狀、模頭組件14’和擠出機12的溫度的設定等因素應在考慮到如上所述的擠出物的外觀、生產率和形成的取向度而選擇確定。在生產中空產品過程中，芯模46的形狀/尺寸和長度也是重要的考慮因素。與模頭60和定型套100的橫截面結合的芯模46的橫截面也決定了產品的形狀及壁厚。芯模46的長度被選擇以便提供最終的中空型材內周面的尺寸的穩(wěn)定性。也可利用現有技術公知的方法對芯模進行加熱和/或冷卻。加工條件(如果使用加熱或冷卻的話)，包括芯模溫度的設定被選擇以便于熱塑性混合物在漸縮形模頭中產生取向，及維護已產生的取向并固化已成型的中空產品。
圖5所示為環(huán)狀中空型材的橫截面，該型材可根據本發(fā)明的方法，利用設備10中的模頭組件14’而成型。該中空型材124的厚度由模頭組件14’的設計情況來決定。用于生產一體發(fā)泡產品的方法及設備如圖1所示，使用圖3所示的模頭組件14’的設備10可被用于生產具有實心取向外皮和發(fā)泡芯層的一體發(fā)泡的圓形型材。當然，利用模頭組件14’可生產具有固定橫截面尺寸的一體發(fā)泡的型材。在這種情況下，擠出機12被用于熔融和輸送含有發(fā)泡劑的熱塑性混合物，使之通過如圖3所示的模頭組件14’，擠出機12也被用于引起必要的發(fā)泡作用，并通過使用活性發(fā)泡劑和產生必要的成型壓力來完成發(fā)泡芯層的制造過程。擠出機12的加工條件被選擇，以便使熱塑性混合物產生熔融，并使發(fā)泡劑發(fā)生作用并均勻地分布在混合物中。當然，在這種情況下，發(fā)泡劑可為物理發(fā)泡劑或化學發(fā)泡劑，或者兩者的結合物。
用于生產一體發(fā)泡產品的模頭組件的外形與用于生產中空產品的模頭組件14’的外形相類似。如上所述，將潤滑劑在芯模46及儲料槽40的內壁41與熱塑性混合物之間的界面上注入以促進拉伸流動及減少通過模頭60的剪切流動。用于生產中空產品的模頭組件14與用于生產一體發(fā)泡產品的模頭組件14’之間的不同之處在于芯模46的設計和作用。在生產中空產品時，芯模46的作用被用于確定成型的擠出物內周尺寸，并據此而設計相應的芯模。在生產一體發(fā)泡產品時，芯模46的作用在于在熱塑性混合物中產生一個空腔，使混合物在空腔內產生膨脹而用以形成一具有發(fā)泡芯層的一體發(fā)泡產品。
因此，芯模46的橫截面的選擇是為了便于形成一個具有均勻密度和開孔結構的發(fā)泡芯層。最重要的是芯模46外壁92和模頭60的內壁94間的間隙90的厚度。如果間隙90太小，及如果模頭60的溫度足夠低，那么熱塑性混合物可在產生發(fā)泡之前在間隙90中被完全固化。因此最終產品為中空產品而不是一體發(fā)泡的產品。太小的間隙可使物料在通過模頭60時產生不理想的高的壓力降，而太大的間隙由于不產生一足夠的壓力降而不能引起全部發(fā)泡在芯模46的端部47以外地方發(fā)生。在發(fā)泡產生時芯模46的長度起到至關重要的作用，其結果是芯模的長度將決定取向的硬質外皮的厚度以及發(fā)泡芯層的性能。為了達到所希望的外皮厚度及一定的發(fā)泡程度，芯模46的長度可延長幾英寸至模頭60的漸縮部分的后端。另外，模頭組件14’被設計以便保持沿模頭組件14’有一足夠高的壓力，以使全部發(fā)泡僅在芯模46的端部47以外的地方來完成。
在該過程中，定型套100的主要作用是保持產品尺寸的穩(wěn)定性，并產生一必要的冷卻以維持硬質外皮中的聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)的取向。定型套100也可防止發(fā)泡作用而使型材產生變形。定型套100的長度的選擇為足以使取向的外皮產生硬化，而使其內部充分發(fā)泡。定型套100的溫度，在決定定型套長度方面是至關重要的。
擠出機機筒24和模頭組件14’(包括模頭接套30、儲料槽40、芯模46、模頭60及定型套100)的溫度設定必須仔細選擇而產生一個發(fā)泡的產品。例如，擠出機機筒2 4的溫度應被設立得足夠高以熔融熱塑性混合物，并避免由于多孔板28的原因而在材料中產生可見的熔接縫及細線。模頭60的溫度應足夠高以便于取向，但也應足夠低以防止成型產品外皮中的聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)從它們的取向狀態(tài)產生松馳。定型套100溫度的選擇是為了產生取向的外皮而使熱塑性混合物充分地冷卻，但并不阻礙發(fā)泡芯層的形成。另外，為了保持熱塑性混合物內部的溫度以便于發(fā)泡芯層的形成，需要用現有技術公知的適當方式加熱芯模46的末端。
這樣，熱塑性混合物的本體溫度(取決于擠出機12和儲料槽40的溫度)、模頭60的溫度、芯模46、定型套100的溫度、芯模46的長度及這些因素的組合均決定擠出物取向硬質外皮的厚度。同樣，拉伸比、模頭60的形狀、注入的潤滑劑的種類及用量，混合物的本體溫度及模頭60的溫度均決定硬質外皮的取向程度。發(fā)泡芯層的密度取決于熱塑性混合物的組成、發(fā)泡劑的用量和種類(物理和/或化學發(fā)泡劑)成型材料的發(fā)泡溫度，芯模46的長度和形狀以及取向的硬質外皮的厚度。
如圖6所示是根據本發(fā)明的方法成型的圓形一體發(fā)泡型材的橫截面。該產品包括發(fā)泡芯層120和硬質外層或外皮122。如上所述，取向硬質外皮的厚度、硬質外皮中熱塑性聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)的取向程度、產品的外觀及發(fā)泡芯層120的最終密度和開孔尺寸均取決于模頭組件14’的設計(尤其取決于模頭60及芯模46)及加工條件(例如擠出機12和模頭組件中各部分的溫度)，所使用的潤滑劑的種類及用量以及整個加工生產率，并且取決于熱塑性混合物(包括發(fā)泡劑的選擇)的組成。一體發(fā)泡產品的密度將取決于硬質外皮122的厚度和硬質外皮122及發(fā)泡芯層120的密度。
通過本發(fā)明的方法生產的一體發(fā)泡產品的性能與通常的一體發(fā)泡產品的性能在幾個方面的比較，是合乎要求的。首先，根據本發(fā)明的方法生產的一體發(fā)泡產品的彎曲強度和模量明顯增加(為一般一體發(fā)泡產品的2～10倍)這種改進是由于在硬質外皮中的聚合物分子和填料粒子(如果存在的話)取向的結果。因此，由于一體發(fā)泡產品的強度和韌性受到環(huán)繞發(fā)泡芯層的硬質外皮的強度和韌性的限制，因此，一體發(fā)泡產品具有最大可接受的功效。其次，根據本發(fā)明方法生產的具有較厚外皮的一體發(fā)泡產品可允許被釘固或螺固而不致被破壞。除非由于硬質外皮較薄及發(fā)泡芯層較脆而使一體發(fā)泡產品不能被釘入或螺入。再次，根據本發(fā)明的方法生產的一體發(fā)泡產品可含有較高含量的填料(在某些情況下，含量可高達80重量百分比)，而一般一體發(fā)泡產品含有很少量的填料(低于30重量百分比)(如果可使用填料的話)。增加填料含量除了降低材料的成本以外(如果使用增強填料的話)，也可增加產品的機械性能。熱塑性混合物的成型和制備熱塑性混合物中的聚合物成分可含有熱塑性聚合物，其可從一組中選擇，它們是聚烯烴(包括聚乙烯、聚丙烯及它們的共聚物)、氯乙烯均聚物和共聚物、高耐熱性苯乙烯樹脂(聚苯乙烯、ABS和苯乙烯-馬來酸酐共聚物)、聚酯、聚酰胺、聚碳等。另外，該方法還進一步包括熱固性聚合物，諸如酚醛、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。該方法可用新的或回收的(廢料)熱塑性聚合物(塑料)。而該方法可用混合的(摻和的)回收塑料，擠出產品的質量取決于所使用的回收塑料的組成，更確切地說，取決于不同聚合物的種類和濃度?？紤]到經濟上的原因，從瓶或薄膜(在造粒前)回收的塑料顆粒(或碎片)為較佳，主要由于造粒過程可明顯增加成型材料的成本。
根據本發(fā)明的方法，一單個聚合物的多種牌號間的選擇過程中，所給定牌號的平均分子量可明顯影響取向的程度。典型地，對給定聚合物來說，具有較低平均分子量的樹脂牌號，由于其比具有較高平均分子量的樹脂牌號松馳較快，因此其可減少這些聚合物的取向。因此，為了保持由漸變模頭產生的最大程度的取向，優(yōu)選采用較高分子量的給定的聚合物樹脂牌號。另外，較高分子量的樹脂牌號可在漸變模頭中用較大的拉伸應變速率進行擠出，因此，可在較高的流動速率下加工。然而，聚合物分子量的選擇，將取決于后者與增強填料混合的能力，并因而受到限制。因此，在取向的松馳程度、加工性和便于混合之間采取一種妥善處理的辦法是必要的。所以，最高分子量的選擇應與便于混合相一致是較優(yōu)選的。
熱塑性混合物的填料成分可包含用作為增強填料的材料。如果填料的縱橫比(被定義為填料的長度與有效半徑的比例)大于1，可考慮使用增強性填料。無機的增強性填料包括玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、石棉、滑石、云母等。有機材料也可被用作增強性填料。例如，用聚合物制造的纖維是可能的，該纖維比熱塑性混合物中的聚合物成分的軟化點高，諸如尼龍或聚酯纖維。填料的含量是可變化的，但是在高含量的填料下(大于70重量百分比)，用于各種填料與聚合物結合時會使填料與聚合物的混合變得相當困難。
纖維素纖維或含有纖維素纖維的顆粒也可被用作為增強性填料。然而，纖維素在大于220℃的溫度下會產生分解，因此，如果使用纖維素作為填料，那么在該溫度以上被加工的聚合物必然會被排除掉。這樣，多數被稱為工程聚合物的聚合物就不能用本發(fā)明的方法與纖維素一起被使用(主要是由于工程聚合物的軟化點太高)。纖維素纖維可來源于木材或森林的副產品及廢品，諸如木粉或碎木屑、鋸末紙(報紙、雜志、紙板)、木漿(化學的、化學-機械的、機械的、漂白的或未漂白的木漿)及農業(yè)副產品、諸如稻殼、稻/麥桿、玉米皮、花生皮、各種堅果的殼等具有纖維素成分的材料。生產細微的、但可自由流動的纖維素填料粒子的工藝是眾所周知的技術，并很容易被用于本發(fā)明的方法。這樣，占有經濟優(yōu)勢的纖維素填料的使用幾乎不受到限制。例如，本發(fā)明的方法中通常使用短纖維素纖維，在其它情況下，也可考慮使用無商業(yè)價值的填料，例如來源于搗成漿狀的細碎的纖維素纖維。另外，試驗表明含有纖維素填料的熱塑性混合物可被重新研磨和再加工多次而不使最終產品的性能下降。由于纖維素纖維具有的超常的柔軟性和韌性，使其在再加工過程中能承受進一步的破壞。
在制備熱塑性混合物過程中，為了使非極性聚合物與高極性的填料，例如纖維素纖維進行分散和相容，有必要使用分散劑/偶聯劑。這些表面活性劑可優(yōu)先浸濕填料粒子的表面(這里是為了增加分散程度)，并使填料粒子的表面和聚合物的表面間的粘結性(偶合性)增加。例如，當使用聚乙烯時，馬來聚乙烯可作為有效的分散劑，而當聚丙烯作為熱塑性混合物的聚合物成分時，馬來聚丙烯為更有效的分散劑。所需要的分散劑的量取決于填料粒子的表面積，當以100重量份的熱塑性混合物為基準時，分散劑的用量為1～5份?？赏ㄟ^試驗來確定最佳的分散劑的用量。其它的成分，諸如脂肪酸、鈦酸鹽、鋯酸鹽、硅烷等也可被用作為相容劑或分散劑。
為了生產含有增強性填料的熱塑性混合物，首先將一已稱重的填料與一合適的聚合物、相容劑/分散劑(如果必要的話)及任何其它的添加劑，諸如色料、穩(wěn)定劑、阻燃劑等混合，該填料可被用于增加產品的性能。然后，將該混合物在雙螺桿擠出機中進行強烈的混合，可采用熱動力的混合機，例如Gelimat混合機(Draiswerke)或K-Mixer(Synergisties)，或任何相似型號的混合設備。熱動力的混合機尤其適合于制備填料含量高的熱塑性混合物，并發(fā)現這些混合機可使填料在混合物中有效地分散。另外，使用熱動力混合機來制備含有纖維素填料的熱塑性混合物。熱動力混合機的大強力混合作用不僅可減小不被接受的大顆粒纖維素粒子的尺寸，也可使纖維素間的結合被分離開，并增加纖維素填料的容積。
當使用圖1所示的設備10生產發(fā)泡產品時，發(fā)泡劑的選擇將取決于幾種因素，包括擠出條件、樹脂的種類及發(fā)泡劑的成本。發(fā)泡劑可被分類成化學發(fā)泡劑或物理發(fā)泡劑。當化學發(fā)泡劑被加熱到產生氣體時，該發(fā)泡劑被分解，然后使熱塑性混合物產生發(fā)泡。最常用的化學發(fā)泡劑包括可分解產生二氧化碳的碳酸氫鈉，及可分解產生氮氣的偶氮碳酸氫胺。物理發(fā)泡劑為在加工溫度下產生揮發(fā)物或氣體的化合物，并產生必要的壓力而使熱塑性混合物發(fā)泡。水、二氧化碳、氮及氯氟化碳最常被用作為物理發(fā)泡劑，這些發(fā)泡劑在擠出之前與混合物進行混合，或直接從擠出機機筒注入。然而，化學發(fā)泡劑比物理發(fā)泡劑的價格高，并能產生細微的開孔發(fā)泡產品(這些微孔發(fā)泡產品常常是希望得到的)。因此，為了減少發(fā)泡劑的成本，通常將化學發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑結合使用以達到所希望的開孔結構。
當使用纖維素填料時，由于水被纖維素吸收可利用加工足以產生一定程度的發(fā)泡，這樣，額外的發(fā)泡劑就沒有必要使用。例如，在正常環(huán)境下的木纖維，在與空氣達到平衡時可含有高達10％的水，這主要取決于空氣的濕度。被纖維素纖維吸收的一些水份在混合期間將被蒸發(fā)掉，但還有足夠量的水可用于熱塑性混合物的發(fā)泡。另外，熱塑性混合物也在混合過程中吸收水，例如使用水下造粒。然而，使用水作為發(fā)泡劑將受到縮聚反應聚合物的限制，例如聚酯、聚碳酸酯，在加工溫度下(仍存在有幾個ppm的水情況下)可產生解聚作用。這樣，水作為發(fā)泡劑就不適合用于這些聚合物。
下面的非限定的實施例中將結合圖1～3來說明本發(fā)明的制備方法。
可使用ASTM D-790的標準來測定彎曲性能。對環(huán)狀型材來說，在ASTM D-4476中夾緊裝置可被改進以適應樣品的彎曲部分。韌性的測定可用ASTM D-256 Izod試驗標準。
幾種沒有取向的實心樣品的性能(加入和沒加入填料)可通過模壓方法來制備(表1)，用以與各種取向樣品進行比較。
下列符號在實施例中使用聚合物HIPS 高抗沖聚苯乙烯，MI＝13.5MB回收的高密度聚乙烯(HDPE)牛奶瓶MC回收的混合有色料的HDPEMIPS 中等抗沖的聚苯乙烯，MI＝19PE1 吹塑級的高密度聚乙烯，MI＝0.4PE2 注射級的高密度聚乙烯 MI＝5PP聚丙烯MI＝0.8PVC 聚氯乙烯K值＝58纖維素填料CS玉米皮DIN 去墨跡的白報紙GC磨碎的紙板GN磨碎的白報紙GWP 磨碎的木漿RH稻殼SD鋸末TMP熱力學紙漿(Thermo-mechanical pulp)WF木粉WS麥稈相容劑IR 離子鍵樹脂MPE 馬來聚乙烯MPP 馬來聚丙烯PPS 反應的聚苯乙烯SMA 苯乙烯-馬來酸酐實施例1該實施例描述生產一圓形實心聚丙烯產品(外徑為0.33英寸)。
(a)本實施例中使用的熱塑性混合物包括擠出級的聚丙烯(Profax 6631 MI＝1，Himont)，將1份硅油(以100重量份計)(Dow Corning 200，12，500cs.Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑(b)本實施例使用的設備為0.75英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有適當尺寸的模頭組件以生產外徑為0.33英寸的圓形實心型材產品。儲料槽和模頭被構成單一部件，其進、出口直徑分別為0.75英寸和0.33英寸。定型套的長度接近7英寸。模頭組件的拉伸比為5∶1。
(c)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段的溫度(從前到后)分別為155℃、170℃、175℃；模頭組件控制段的溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為165℃、140℃、90℃；擠出機螺桿的轉速為8RPM。
(d)生產的圓形實心樣品具有外徑0.33英寸。樣品的機械性能如表2所示。實施例2本實施例描述生產具有外徑為0.33英寸的圓形實心聚苯乙烯產品。
(a)本實施例中使用的熱塑性混合物包括擠出級的聚丙烯(Crystal Polystyrene 202，MI＝3.0，Huntsonan Chemical Corp.)，將1份的硅油(以100重量份計)(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。
(b)本實施例使用的設備與實施例1的設備相同。
(c)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段的溫度(從前到后)分別為155℃、180℃、180℃；
模頭組件控制段的溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為160℃、140℃、90℃；擠出機螺桿的轉速為6RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。其機械性能如表2所示。實施例3本實施例描述生產具有1英寸外徑圓形實心聚乙烯產品。
(a)本實施例中使用的熱塑性混合物包括吹塑級的高密度的聚乙烯(Sclair 58A，MI＝0.4，DuPont)。
(b)本實施例使用的設備為2.5英寸單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)并安裝有具有適當尺寸的模頭組件，用以生產具有1英寸外徑的圓形實心型材。儲料槽的外徑為2英寸、長度為12英寸。定型套由二部分組成每部分為10英寸長，用各自的溫度控制系統(tǒng)進行控制，該定型套提供空氣冷卻。模頭組件的拉伸比為4∶1。
(c)本實施例的加工條件如下擠出機螺桿控制段的溫度(從前到后)為135℃、140℃、141℃、142℃；模頭組件控制段的溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為140℃、138℃、136℃、125℃、90℃；
擠出機螺桿的轉速為20RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為1.0英寸，其機械性能如表1所示。實施例4本實施例描述生產各種用纖維素填充的圓形實心聚乙烯產品(外徑為0.33英寸)。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括吹塑級高密度聚乙烯(Sclair あ擔福粒停桑劍愛4，DuPont)，占纖維素填料重量4％的偶聯劑(Fusnbond MB 226D，DuPont)，在填料濃度范圍內可使用各種纖維素填料。使用的纖維素填料為熱力學紙漿(TMP)、磨碎的木漿(GWP)、去墨跡的白報紙(DIN)，磨碎的白報紙(GN)、磨碎的木粉(WF)、磨碎的紙板(GC)、磨碎的玉米皮(CS)、磨碎的麥稈(WS)及磨碎的玉米殼(RH)。將1份(以100重量份計)的硅油(DowCorning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。適用于各種混合物的填料種類和用量如表3所示。
(b)本實施例所使用的設備與實施例1的設備相同。
(c)適用于所有混合物的具有代表性的加工條件如下擠出機機筒控制段的溫度(從前到后)為135℃、165℃、150℃；模頭組件控制段的溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為145℃、140℃、120℃；擠出機螺桿的轉速為20RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。各種樣品的機械性能如表3所示。實施例5本實施例描述生產具有0.33英寸外徑的用纖維素填充的各種圓形實心聚乙烯產品。
(a)本實施例中使用的熱塑性混合物包括50重量份各種牌號的聚乙烯，占纖維素填料重量4％的馬來聚乙烯(Fusabond MB226D，DuPont)作為偶聯劑，50重量份的熱力學紙漿或去墨跡的白報紙。所使用的不同的聚乙烯為注射級聚乙烯(Sclair 2907，MI＝5，DuPont)，從牛奶瓶回收的高密度聚乙烯和回收的混合有色料的高密度聚乙烯。適用于各種混合物的聚合物種類及填料的種類和用量如表4所示。將1份(以100份重量計)的硅油(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。
(b)本實施例使用的設備與實施例1的設備相同。
(c)本實施例的適用于所有混合物的具有代表性的加工條件與實施例4中使用的條件相似。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。各種樣品的機械性能如表4所示。實施例6本實施例描述生產具有0.33英寸外徑的用纖維素填充的環(huán)形實心聚丙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括50重量份的擠出級聚丙烯(Prafax 6631，MI＝1，Himont)，占纖維素填料的4％(重量)的馬來聚丙烯(Epolene E-43，MW＝4500，Eastman Chemicals)，50重量份熱力學紙漿或去墨跡的自報紙。適用于各種混合物的填料的種類和用量如表4所示。將1份(以100重量份計)的硅油(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。
(b)本實施例所使用的設備與實施例1相同。
(c)本實施例適合于各種混合物的具有代表性的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為165℃、190℃、180℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為180℃、165℃、130℃；擠出機螺桿的轉速為20RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。各種樣品的機械性能如表4所示。實施例7本實施例描述生產具有0.33英寸外徑的用纖維素填充的各種圓形實心的聚氯乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括70重量份的硬聚氯乙烯(K值為58)，其中含有穩(wěn)定劑和加工助劑，30份的木粉，并將1份(以100重量份計)的硅油(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。
(b)本實施例所使用的設備同實施例1。
(c)本實施例適用于所有混合物的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為140℃、190℃、180℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為170℃、150℃、105℃；擠出機螺桿的轉速為6RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。各種樣品的機械性能如表4所示。實施例8本實施例描述生產具有0.33英寸外徑的用纖維素填充的圓形實心聚苯乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括中等抗沖的聚苯乙烯(MI＝19)或高抗沖的聚苯乙烯(MI＝13.5)作為聚合物成分，熱力學紙漿或木粉作為填料成分，占纖維素填料4％(重量)的反應性聚苯乙烯或苯乙烯馬來酸酐。適用于各種聚合物的種類及填料的種類和濃度如表5所示。將1份(以100重量份計)的硅油(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑(b)適用于各種混合物的具有代表性的加工條件如下擠出機機筒控制段的溫度(從前到后)為100℃、160℃、145℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為130℃、120℃、110℃；擠出機螺桿的轉速為6RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。這些樣品的機械性能如表5所示。實施例9本實施例描述生產具有0.33英寸外徑的用云母填充的各種圓形實心聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括吹塑級高密度聚乙烯(Sclair 58A，MI＝0.4，DuPont)，云母(Mica White200，平均粒徑為35μ，L.V.Lomas)，及離子鍵樹脂(Surly 9950，MI＝5.5，DuPont)作為相容劑。用于各種混合物的填料和相容劑的含量如表6所示，將1份(以100重量份計)的硅油(Dow Corning 200，12，500cs，Dow Corning)加入到混合物中作為潤滑劑。
(b)本實施例所使用的設備同實施例1。
(c)本實施例適用于所有混合物的具有代表性的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為135℃、155℃、155℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為145℃、140℃、120℃；擠出機螺桿的轉速為10RPM。
(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為0.33英寸。這些樣品的機械性能如表6所示。實施例10本實施例描述生產具有1英寸外徑的用鋸末填充的各種圓形實心聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物包括50重量份的高密度聚乙烯(Sclair 58A，MI＝0.4，DuPont)，50份鋸末及4份馬來聚乙烯(Fusabond MB 226D，MI＝2，DuPont)。
(b)本實施例所使用的設備同實施例3。
(c)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為140℃、142℃、145℃、148℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽/模頭、定型套的溫度)為144℃、140℃、100℃、50℃；擠出機螺桿的轉速為14RPM；潤滑劑在儲料槽位置將200cs硅油(DowCorning)通過兩個注入孔以1ml/hr的速度注入。
生產率為20in/min；(d)所生產的圓形實心樣品的外徑為1.0英寸。這些樣品的機械性能如表7所示。實施例11本實施例描述生產具有1英寸外徑的用鋸末填充的環(huán)形中空聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物同實施例10。
(b)本實施例所使用的設備為2.5英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有具有合適尺寸的模頭組件，用以生產具有1英寸外徑的環(huán)形中空型材。儲料槽的外徑為2英寸，長度為12英寸。定型套由二部分組成，每部分長10英寸，具有空氣冷卻，分別控制溫度系統(tǒng)，模頭組件安裝有外徑為0.7英寸的圓形芯模，并經過模頭的末端延長8英寸。模頭組件的拉伸比為7∶1。
(c)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為140℃、145℃、148℃、151℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、芯模、支撐件、儲料槽、模頭、定型套的溫度)為149℃、146℃、142℃、135℃、124℃、63℃；擠出機螺桿的轉速為6RPM；潤滑劑200cs的硅油(Dow Corning)通過儲料槽上的兩個注入孔以2ml/hr的速率注入；生產率16in/min；(d)所生產的中空環(huán)形樣品的外徑為1英寸。這些樣品的機械性能如表7所示。實施例12本實施例描述生產具有1英寸外徑的用鋸末填充的圓形一體發(fā)泡的聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物同實施例10。水(混合物中的濕度)與碳酸氫鈉的結合物作為發(fā)泡劑(每100重量份中約2份水、1份碳酸氫鈉)。
(b)本實施例所使用的設備為2.5英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有適當尺寸的模頭組件，以生產具有1英寸外徑的圓形一體發(fā)泡的型材。儲料槽的外徑為2英寸，長度為12英寸。定型套由二部分組成，每部分長度為10英寸，分別用提供有空氣冷卻的溫度控制系統(tǒng)進行溫控。模頭組件安裝有外徑為0.7英寸的圓形芯模，該芯模在模頭末端以外的地方延長有2.5英寸。該模頭組件的拉伸比為7∶1。
(b)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為135℃、142℃、144℃、146℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、芯模、支撐件、儲料槽、模頭、定型套的溫度)為140℃、135℃、124℃、122℃、100℃、44℃；擠出機螺桿的轉速為15RPM；潤滑劑200cs硅油(Dow Corning)通過儲料槽上的二個注入孔以1ml/hr的速率注入。
生產率為20in/min；(d)所生產的圓形一體發(fā)泡樣品的外徑為1英寸，其具有硬質、光滑的外皮和內部開孔的發(fā)泡結構。這些樣品的機械性能如表7所示。實施例13本實施例描述生產具有1.5×2.5實心的長方形鋸末填充的聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物同實施例10。
(b)本實施例所使用的設備為2.5英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有適當尺寸的模頭組件，以生產具確1.5英寸×2.5英寸的長方形實心的型材。儲料槽由二部分組成，每部分長7.5英寸，內部尺寸為3×5英寸，分別用兩部分溫控系統(tǒng)進行控制。定型套由二部分組成，每部分長10英寸，并分別用提供有空氣冷卻的溫度控制系統(tǒng)進行控制。模頭組件的拉伸比為4∶1(c)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為140℃、142℃、143℃、146℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽、模頭、定型套的溫度)為144℃、142℃、138℃、136℃、115℃、80℃；擠出機螺桿的轉速為6RPM；潤滑劑200cs硅油(Dow Corning)在第一個儲料槽通過兩個注入孔以16ml/hr的速率注入；生產率3.25in/min。
(d)所生產的實心長方形樣品的外徑為1.5×2.5英寸。這些樣品的機械性能如表8所示。實施例14
本實施例描述生產具有1.5×2.5英寸的用鋸末填充的長方形中空聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物同實施例10。
(b)本實施例所使用的設備為2.5英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有適當尺寸的模頭組件，用以生產具有1.5×2.5英寸的長方形型材。儲料槽為9.0英寸長，其內徑為3×5英寸。定型套由二部分組成，每部分長10英寸，分別用供有空氣冷卻的溫度控制系統(tǒng)進行控制。模頭組件安裝有外徑為0.96×1.96英寸的長方形芯模，并延伸至模頭端部以外8英寸長。模頭組件的拉伸比為7∶1。
(b)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為139℃、141℃、142℃、144℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽、模頭、定型套的溫度)為140℃、127℃、136℃、100℃、70℃；擠出機螺桿的轉速為8RPM；潤滑劑200cs硅油(Dow Corning)在第一個儲料槽通過兩個注入孔以10ml/hr的速率注入；生產率為4in/min(d)所生產的中空長方形樣品為1.5×2.5英寸，壁厚為0.27英寸。這些樣品的機械性能如表8所示。實施例15本實施例描述生產具有1.5×2.5英寸的用鋸末填充的長方形一體發(fā)泡的聚乙烯產品。
(a)本實施例所使用的熱塑性混合物同實施例10，水被用作為發(fā)泡劑，熱塑性混合物中的濕度量被小心調節(jié)為4份(以100重量份計)。
(b)本實施例所使用的設備為2.5英寸的單螺桿擠出機(L/D比為24∶1)，并安裝有適當尺寸的模頭組件，以生產具有1.5×2.5英寸的長方形一體發(fā)泡的型材。儲料槽由二部分組成，每部分長度為7.5英寸，其內徑為3×5英寸，對這二部分分別進行溫度控制。定型套也是由兩部分組成，每部分長10英寸，并分別用提供有空氣冷卻的溫度控制系統(tǒng)進行控制。模頭組件安裝有外徑為0.96×1.96英寸的長方形芯模，該芯模延伸至模頭末端以外大約2英寸處。該模頭組件的拉伸比為7∶1(b)本實施例的加工條件如下擠出機機筒控制段溫度(從前到后)為140℃、141℃、143℃、143℃；模頭組件控制段溫度(模頭接套、儲料槽、模頭、定型套的溫度)為143℃、138℃、135℃、133℃、110℃、90℃；擠出機螺桿的轉速為8RPM；
潤滑劑200cs硅油(Dow Corning)在第一個儲料槽上的兩個注入孔以24ml/hr的速率注入；生產率為3.2in/min。
(d)所生產的長方形一體發(fā)泡樣品為1.5×2.5英寸，并具有硬質、光滑的外皮和內部開孔發(fā)泡結構。這些樣品的性能如表8所示。
表1注塑樣品的機械性能
1、該熱塑性混合物包括50重量份注射級高密度聚乙烯，50份熱力學紙漿和4份馬來聚乙烯(Fusabond MB 226D，MI＝2，DuPont)。
2、該熱塑性混合物含有50重量份聚丙烯(Profax 6631，MI＝2，Himont)，50份熱力學紙漿和4份馬來聚丙烯(EpoleneE-43，MW＝4500，Eastman Chemcial)。
表2各種非填充的實心樣品的彎曲模量
1、外徑為1.0英寸的樣品2、外徑為0.33英寸的樣品表3用纖維素填充的聚乙烯實心樣品的機械性能
1、所有混合物均含有(占填料重量)4％的相容劑表4各種用纖維素填充的實心樣品的機械性能
表5用纖維素填充的實心聚苯乙烯樣品的機械性能
1、該熱塑性混合物含有4％(占填料重量)的相容劑(當加入相容劑時)。
表6用云母填充的聚乙烯實心樣品的機械性能
1、云母(Mica white 200，L.V.Lomas)具有平均粒徑35μ及縱橫比大約為5；2.離子鍵樹脂(Surlyn 9970，DuPont)被用作為相容劑表7各種外徑為1英寸的用纖維素填充的聚乙烯樣品的機械性能
1、該熱塑性混合物含有50重量份高密度聚乙烯(Sclair 58A，MI＝0.4，DuPont)，50份鋸末，4份馬來聚乙烯(Fusabond MB 226D，MI＝2，DuPont)；2、為成型實心壁型材材料的密度。
表8各種1.5×2.5英寸的用纖維素填充的聚乙烯樣品的機械性能
1、該熱塑性混合物含有50重量份高密度聚乙烯(Sclair 58A，MI＝0.4，DuPont)，50份鋸末和4份馬來聚乙烯(Fusabond MB 226D，MI＝2，DuPont)；2、為型材的實心壁的材料的密度。
權利要求
1.一種連續(xù)化生產含有取向成分的熱塑性混合物和發(fā)泡芯層的熱塑性產品的方法，該方法包括(a)提供一種含有熱塑性聚合物和發(fā)泡劑的熱塑性混合物；(b)將熱塑性混合物的溫度升高到一給定的溫度范圍，該溫度范圍大于或等于該熱塑性混合物的軟化點，從而產生一熔融的熱塑性混合物；(c)通過模頭擠壓該熔融混合物，并在其中形成一個內部空腔，該熱塑性混合物通過模頭經歷一漸變流動過程而使至少一部分熱塑性聚合物產生縱向取向；(d)保持在熱塑性混合物的外層內已產生的取向，從而形成一取向的外皮；(e)該熱塑性混合物向形成的空腔內發(fā)泡，及(f)將熱塑性混合物的溫度冷卻到其軟化點溫度以下，以便固化該熱塑性混合物。
2.如權利要求1所述的方法，其中，熱塑性混合物通過模頭經歷一漸變的流動過程，并產生一個遞減的拉伸應變速率，使之不超過開始產生熔融破裂的拉伸應變速率。
3.如權利要求1所述的方法，其中，熱塑性混合物通過模頭經歷一漸變流動過程，并產生一個固定的拉伸應變速率，該應變速率不超過開始產生熔融破裂的應變速率。
4.如權利要求1所述的方法，其中，熱塑性混合物包括一與之充分混合的填料。
5.如權利要求4所述的方法，其中，填料的縱橫比大于1。
6.如權利要求5所述的方法，其中，通過橫頭的漸變流動速率使至少一部分填料產生縱向取向。
7.如權利要求4所述的方法，其中，填料從由纖維素纖維組成的一組填料中選擇，這些填料為纖維素粒子、云母碎片、滑石碎片、石棉纖維、玻璃纖維、金屬纖維和碳纖維。
8.如權利要求4所述的方法，其中，熱塑性混合物具有高達75％(重量)的填料。
9.如權利要求4所述的方法，其中，熱塑性混合物通過模頭經歷一個漸變的流動過程，并產生一個遞減的拉伸應變速率，該應變速率不超過開始產生熔融破裂的應變速率。
10.如權利要求4所述的方法，其中，熱塑性混合物通過模頭經歷一個漸變的流動過程，并產生一個固定的拉伸應變速率，該應變速率不超過開始產生熔融破裂的應變速率。
11.一種用含有熱塑性聚合物的熱塑性混合物生產具有取向成分的熱塑性產品的設備，該設備包括(a)將熱塑性混合物的溫度升高到一給定溫度范圍的裝置，該溫度范圍大于或等于熱塑性混合物軟化點的溫度；(b)(a)裝置的后面為一模頭，該橫頭具有內壁、進、出入口及位于進、出入口之間的料道，進口的面積大于出口的面積，模頭內壁的一部分是漸縮形的，并被限定成漸縮形料道，在料道中所使用的熱塑性混合物通過模頭經歷一個漸變的流動過程，使至少一部分熱塑性聚合物產生縱向取向；(c)通過模頭對熱塑性混合物進行擠壓的裝置；及(d)漸縮形料道的后面為一冷卻裝置，該裝置用于對熱塑性混合物進行冷卻。
12.如權利要求11所述的設備，其中，模頭具有一個拉伸比，該拉伸比被定義為模頭進口的橫截面與出口的橫截面之比，其中，拉伸比為3∶1～15∶1。
13.如權利要求12所述的設備，其中，漸縮形料道的形狀為雙曲線形狀。
14.如權利要求11所述的方法，其中，擠壓裝置包括一標準型螺桿的擠出機。
15.如權利要求11所述的設備，其中(a)裝置為與模頭鄰接的儲料槽。
16.如權利要求11所述的設備，其中，冷卻裝置包括具有一確定的內壁通道的定型套，該定型套鄰接于模頭，該內壁的橫截面形狀與模頭出口處的橫截面形狀相同。
17.如權利要求11所述的設備，其中，模頭進一步包括一位于模頭內的芯模，該芯模通過漸縮形料道延伸，其中芯模的使用可在熱塑性混合物內形成一個空腔。
18.如權利要求17所述的設備，其中，芯模在漸縮形料道的下方延伸距離可被選擇，以便使熱塑性混合物在達到芯模末端之前能夠充分冷卻，這樣，就可在其內形成一個空腔。
19.如權利要求17所述的設備，其中，芯模在漸縮形料道的下方延伸距離可被選擇，以便使至少一部分熱塑性聚合物在熱塑性混合物的外層產生縱向取向，這樣，熱塑性混合物向空腔內發(fā)泡，以成型一個具有一體發(fā)泡芯層的實心外皮的型材。
20.如權利要求17所述的設備，其中，模頭的拉伸比被定義為模頭的入口與出口的模截面面積之比，其中拉伸比為3∶1～15∶1。
21.如權利要求20所述的設備，其中漸縮形料道的形狀為雙曲線形狀。
22.如權利要求17所述的設備，其中，擠壓裝置包括一標準型螺桿的擠出機。
23.如權利要求17所述的設備，其中，(a)為鄰接于模頭的儲料槽。
24.如權利要求17所述的設備，其中，冷卻裝置包括具有一確定內壁通道的定型套，定型套鄰接于模頭，內壁的橫截面的形狀與模頭出口的橫截面形狀相同。
25.一種由含有熱塑性聚合物的熱塑性混合物生產的熱塑性產品，該產品具有一硬質的、實心的并縱向取向的熱塑性聚合物外皮，和一體低密度發(fā)泡的芯層。
26.如權利要求25所述的熱塑性產品，其中，熱塑性混合物包括一與之充分混合的填料，位于實心外皮中的填料與熱塑性聚合物一起產生縱向取向。
27.如權利要求26所述的熱塑性產品，其中，填料的縱橫比大于1。
28.如權利要求27所述的熱塑性產品，其中，填料可從下列一組纖維素纖維中選擇，它們是纖維素粒子、云母碎片、滑石碎片、石棉纖維、玻璃纖維、金屬纖維和碳纖維。
29.如權利要求27所述的熱塑性產品，其中，熱塑性混合物中的填料含量可高達75％(重量)。
30.如權利要求25所述的熱塑性產品，其中，熱塑性聚合物可從下列一組中選擇，它們是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和乙烯-丙烯共聚物。
31.如權利要求27所述的熱塑性產品，其中，熱塑性聚合物可從下列一組中選擇，它們是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯及乙烯-丙烯共聚物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)化生產具有取向成分的熱塑性產品的方法。該熱塑性混合物中可包含有填料及聚合物。使用該方法可生產具有各種形狀的一體發(fā)泡產品和實心產品。該產品中的填料量可高達75％(重量)。該產品可用擠出方法來成型，在擠出過程中熱塑性聚合物和填料均產生縱向取向。以一體發(fā)泡芯層的實例來說，將模頭組件設計成以便于聚合物分子和填料粒子的取向，并在熱塑性混合物內形成一空腔，使其在發(fā)泡劑作用下向空腔內發(fā)泡，冷卻后形成一體發(fā)泡芯層的產品。
文檔編號B29C70/00GK1141843SQ9311438
公開日1997年2月5日 申請日期1993年11月13日 優(yōu)先權日1993年11月13日
發(fā)明者戴多·蘇旺達, 阿魯納斯A·帕貝迪斯克斯, 文森特·韋興·周 申請人:Srp工業(yè)公司