DE60108607T2

DE60108607T2 - Herstellungsverfahren für Strukturelemente aus holzfaser- oder holzmehlhaltigen geschäumten Plastikkompositen

Info

Publication number: DE60108607T2
Application number: DE60108607T
Authority: DE
Inventors: Chen Wang Kuei-Yung
Original assignee: Nan Ya Plastics Corp
Current assignee: Nan Ya Plastics Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: EP1243388B1; US20020042452A1; US6380272B1; CA2342532A1; EP1243388A1; CA2342532C; ES2236068T3; DE60108607D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Abfallprodukte aus Herstellungsverfahren mit Holzkonstruktionen umfassen Sägemehl und andere Holzabfälle. In der Vergangenheit wurden diese Produkte verbrannt oder auf Deponien gelagert. In letzter Zeit wurden diese Holzabfallprodukte als Füllstoffe in Kunststoffkompositen, wie z. B. Polyvinylchlorid (PVC) und anderen Kunstharzen verwendet. Eine derartige Verwendung dieser Abfallprodukte hat den Holzverbrauch vermindert und zu einer besseren umweltmäßigen Verwendung derartiger Abfälle beigetragen. Infolge der Verfügbarkeit von Holzabfallprodukten, wie hier beschrieben, wurde ihre Verwendung als Additive/Füllstoffe von organischen Polymeren sehr weitgehend untersucht, siehe z. B.,

Dalvag et al., "The Efficiency of Cellulosic Fillers in Common Thermoplastics. Part II. Filling with Process Aids and Coupling Agents", International Journal of Polymeric Materials, 11: 9–38 (1985).
Klason et al., "The Efficiency of Cellulosic Fillers in Common Thermoplastics. Part I. Filling Without Processings Aids or Coupling Agents", International Journal of Polymeric Material, pp. 159–187 (Mar. 1984).
Kokta et al., "Composites of Poly(Vinyl Chloride) and Wood Fibers. Part II: Effect of Chemical Treatment", Polymer Composites, 11(2): 84–89 (Apr. 1990).
Kokta et al., "Composites of Polyvinyl Chloride-Wood Fibers. I. Effect of Isocyanate as a Bonding Agent", Polym. Plast. Technol. Eng., 29(1 & 2): 87–118 (1990).
Kokta et al., "Composites of Polyvinyl Chloride-Wood Fibers. III. Effect of Silane as Coupling Agent", Journal of Vinyl Technology, 12(3): 146–153 (Sep. 1990).
Kokta et al., "Use of Wood Fibers in Thermoplastic Composites", Polymer Composites, 4(4): 229–232 (Oct. 1983).
Maldas et al., "Composites of Polyvinyl Cloride-Wood Fibers: IV. Effect of the Nature of Fibers", Journal of Vinyl Technology, 11(2): 90–98 (Jun. 1989).
Raj et al., "Use of Wood Fibers as Filler in Common Thermoplastic Studies on Mechanical Properties", Science and Engineering of Composite Materials, 1(3): 85–98 (1989).
Raj et al., "Use of Wood Fibers in Thermoplastics. VII. The Effect of Coupling Agents in Polyethylene-Wood Fiber Composites", Journal of Applied Polymer Science, 37: 1089–1103 (1989).
Rogalski et al., "Poly(Vinyl-Chloride) Wood Fiber Composites", Antec '87, pp. 1436–1441.
Sean et al., "A Study of the Mechanical Properties of Wood Fiber to Polystyrene Composites", Drevarsky Vyskum, Zvazuk 133 (1992).
Woodhams et al., "Wood Fibers as Reinforcing Fillers for Polyolefins", Polymer Engineering and Science, 24(15): 1166–1171 (Oct. 1984).
Yam et al., "Composites From Compounding Wood Fibers With Recycled High Density Polyethylene", Polymer Engineering and Science, 30(11): 693–699 (Jun. 1990).

Trotz dieser Literatur ist die Verbindung von Holzfasern oder Holzmehl mit Kunststoffen nicht sehr weit fortgeschritten. Beispielsweise ist in dem U.S. Patent 6,015,612 im Namen von Deaner et al. beschrieben, dass durch die Verwendung von Wärme und Druck Holzfasern besser interzellulär mit Kunstharzen in Verbindung gebracht werden können, wodurch man Komposite erhält, die Young Module aufweisen, die höher als die von reinem PVC sind.
Andere Patente befassen sich mit der Herstellung von Konstruktionsteilen für Türrahmen und ähnlichem aus Kompositen aus PVC und Holzfasern/-mehl, siehe beispielweise U.S. Patent 5,406,768 im Namen von Guiseppe et al.
Diese Erfindung unterscheidet sich darin, dass sie die Herstellung derartiger Konstruktionsteile aus geschäumtem PVC und Holzmehlkompositen umfasst. In dem U.S. Patent 6,066,680 im Namen von Cope wird das Einkapseln von Holzmehl mit Harz in Form von Pellets vor der Extrusion derartiger Teile beschrieben. Diese Erfindung vermeidet den Schritt der Herstellung von Pellets, wie dies in dem Patent von Cope beschrieben ist.
Die Herstellung von Konstruktionsteilen mit üblichen geschäumten Kunststoffkompositen ist typisch durch die physikalischen Eigenschaften derartiger Komposite begrenzt. Derartige Komposite haben große lineare Ausdehnungskoeffizienten, eine geringe Dimensionsstabilität und unterliegen einer bezeichnenden thermischen Verformung. Weiter haben derartige Komposite eine unzureichende Festigkeit (E-Modul) und neigen zum Verwerten, wodurch sie für Tür- und Fensterrahmen ungeeignet sind. Weiter weisen derartige Teile keine holzähnlichen oder kunststoffähnlichen Oberflächen auf, die in vielen Fällen ungeeignet sind, wo Holz üblicherweise in der Vergangenheit verwendet wurde, z. B. bei Fensterrahmen.
Das folgende Verfahren der vorliegenden Erfindung vermindert nicht nur die oben erwähnten unerwünschten Eigenschaften derartiger geschäumter Komposite, sondern erzeugt Konstruktionsteile, die besser für Anwendungen wie Tür- und Fensterrahmen und ähnlichem geeignet sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Herstellungsverfahren dieser Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, umfasst (a) das Mischen von Holzmehl mit pulverförmigem PVC-Harz zusammen mit anderen pulverförmigen Bestandteilen, wie z. B. thermische Stabilisatoren, Schäummittel, Gleitmittel, Füllstoffe und Pigmente, um eine Pulvermischung zu erhalten, (b) das Anordnen der Pulvermischung in einem thermischen Rührmischer bei Verwendung einer niedrigen Mischgeschwindigkeit, um die Pulvermischungen zu vermischen, woraufhin sie dann einer höheren Mischgeschwindigkeit unterworfen werden, um die Pulver in eine homogene Mischung zu dispergieren, (c) Anordnen der homogenen Mischung in einem kalten Rührmischer und Mischen bei niedriger Geschwindigkeit, um eine Agglomeration der homogenen Mischung aus dem thermischen Rührmischer zu verhindern, und (d) Einbringen der homogenen Mischung in einen Extruder und Extrudieren geschäumter Konstruktionsformen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Vorbereitung einer Pulvermischung für einen Extruder; und
2 ein schematisches Diagramm des Extrusionsverfahrens zur Herstellung von Konstruktionsteilen für Tür- und Fensterrahmen.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in 1 schematisch dargestellt, sind die Quellen der einzelnen Pulverbestandteile gemäß der Erfindung durch die Kästen 0 bis 11 wiedergegeben, die getrennte Dosiereinrichtungen für jede Quelle aufweisen, die mit 0' bis 11' bezeichnet sind, um die Menge jedes einzelnen, dem thermischen Mischer 12 zugeführten Bestandteils zu steuern. Die Quelle 0 steht für PVC-Pulver, die Quelle 1 für Holzmehl, die Quelle 2 für thermische Stabilisatoren, die Quelle 3 für anorganische Schäumhilfsmittel, die Quelle 4 für organische Schäummittel, die Quelle 5 für anorganische Schäummittel, die Quelle 6 für Verfahrenshilfsmittel, die Quelle 7 für Wandlermittel, die Quelle 8 für Gleitmittel, die Quelle 9 für andere Gleitmittel, die Quelle 10 für Füllmittel und die Quelle 11 für Pigmente. Typischerweise liegen diese verschiedenen Bestandteile in Pulverform vor und werden dem thermischen Mischer in den gewünschten Mengen mittels der Dosiereinrichtungen zugeführt. Die schematische Darstellung gibt ein kontinuierliches, absatzweise arbeitendes Verfahren wieder, mit dem die bestimmten Mengen der Bestandteile dem thermischen Mischer durch getrennte Zuführleitungen von den Dosiereinrichtungen zugeführt werden.
Das PVC-Pulver (Quelle 0) ist allgemein verfügbar und das erfindungsgemäße PVC-Pulver wird in Mengen durch Suspensionspolymerisation hergestellt. Geeignete PVC-Pulver werden von der Formosa Plastics Corporation als S-60, S-65 verkauft. Das Holzmehl (Quelle 1) erhält man von Hartholzabfällen, die vorzugsweise eine Faserlänge unter 0,6 mm und einen Faserdurchmesser zwischen 0,04 bis 0,6 mm mit einem Längenverhältnis zwischen 2 bis 6 aufweisen. Derartiges Holzmehl wird von der Firma JRS als CB-120 als auch von anderen Herstellern verkauft.
Die thermischen Stabilisatoren (Quelle 2) werden aus organischen und/oder anorganischen thermischen Stabilisatoren in Pulverform ausgewählt, die verwendet werden, um die thermische Verschlechterung des PVC-Harzes zu verhindern, wie z. B. organisches Zinncarboxylat, organisches Zinnmercaptid und Barium/Zink-Stabilisatoren.
Als anorganische Schäumhilfsmittel (Quelle 3) werden Magnesiumoxid und Zinkoxid verwendet, die zur Erhöhung des Gasvolumens der organischen und anorganischen Schäummittel dienen.
Als organische Schäummittel (Quelle 4) werden Azodicarbonamid, Benzolsulfohydrazid und Diphenyloxid-4,4'-disulfohydrazid verwendet, die als Blähmittel dienen, um das Gas für das geschäumte Produkt zu liefern.
Als anorganische Schäummittel (Quelle 5), die ebenfalls als Blähmittel dienen, um das Gas für das geschäumte Produkt zu liefern, wird beispielsweise Natriumbicarbonat verwendet.
Als Verfahrenshilfsmittel (Quelle 6) werden zur Verbesserung der Gelbildung der gemischten Pulver Methylmethacrylatcopolymer und hochmolekulares Acrylpolymer verwendet.
Häufig werden Abwandler (Quelle 7) verwendet, um die Festigkeit der Kunststoffbestandteile in dem Komposit zu erhöhen, die aus der Gruppe Ethylenvinylacetat, Acetat/Methylmethacrylat-Tropfpolymerisat und chloriertem Polyethylen ausgewählt werden.
Weiter ist es hilfreich, äußere Gleitmittel (Quelle 8) zu verwenden, die zur Verminderung der Reibung während des Extrusionsverfahrens dienen. Hier sind Polyethylenwachs und Paraffinwachs geeignet.
Weiter wird bevorzugt, innere Gleitmittel (Quelle 9) zu verwenden, wie z. B. Fettsäure, Fettalkohol und Fettsäureester, um die Gelbildung der Pulver während des Extrudierens zu erhöhen.
Weiter können Füllstoffe (Quelle 10) zur Kostenverminderung hinzugefügt werden, die aus Calciumcarbonat, ausgefälltem Calciumcarbonat bestehen, und wenn gewünscht, können Pigmente (Quelle 11) verwendet werden, um die extrudierten Teile zu färben. Pigmente, wie Titandioxid, Eisenoxid und Ruß können verwendet werden.
Ein Beispiel einer Pulvermischung für die Herstellung der Bauteile gemäß der Erfindung besteht aus (wobei Gew.-% die Gewichtsanteile des Harzes pro Einhundert bezeichnet):

(1) 100 Gew.-% PVC-Pulver
(2) 10–90 Gew.-% Holzmehl
(3) 0 bis 7 Gew.-% systematische oder anorganische thermische Stabilisatoren, in diesem Beispiel 2,5 Gew.-%
(4) 0 bis 5 Gew.-% systematische anorganische Schäumhilfsmittel, in diesem Beispiel 1,2 Gew.-%
(5) 0 bis 3 Gew.-% systematische organische Schaummittel, in diesem Beispiel 0,5 Gew.-%
(6) 0 bis 5 Gew.-% systematische anorganische Schaummittel, in diesem Beispiel 1, 5 Gew.-%
(7) 0 bis 15 Gew.-% Verfahrenshilfsmittel des organischen Polymersystems, in diesem Beispiel 12 Gew.-%
(8) 0 bis 10 Gew.-% Eigenschaftsabwandler des organischen Polymersystems, in diesem Beispiel 8 Gew.-%
(9) 0 bis 5 Gew.-% äußere Gleitmittelpulver, in diesem Beispiel 1,5 Gew.-%
(10) 0 bis 6 Gew.-% innere Gleitmittelpulver oder flüssige organische Teile, in diesem Beispiel 2, 5 Gew.-%
(11) 0 bis 10 Gew.-% systematische anorganische Füllmittelpulver, in diesem Beispiel 8 Gew.-%
(12) 0 bis 1,2 Gew.-% Pigmente, in diesem Beispiel 0,7 Gew.-%.

In dem thermischen Rührmischer 12 wird die oben beschriebene Pulvermischung zuerst bei 900 U/min (niedrige Geschwindigkeit) und dann bei 1800 U/min (hohe Geschwindigkeit) gerührt, um sicherzustellen, dass die Bestandteile ausreichend dispergiert und gemischt sind, um eine gleichförmige Pulvermischung zu erhalten. Die thermisch gerührte Mischung wird dann bei Raumtemperatur bis 100°C während dieses Verfahrensschrittes bearbeitet. Typisch wird bei diesem Verfahrensschritt der feuchte Gehalt der mechanisch gemischten Pulver auf etwa 8 Gew.-% vermindert. Dieser Verfahrensschritt dauert gewöhnlich 11 bis 12 min. Bei dem obigen Beispiel wurden die Pulver 2 min bei 900 U/min und 10 min bei 800 U/min gerührt. Ein für diesen Verahrensschritt geeigneter Mischer ist der CL-FB1000 der Firma CHYAU LONG Company.
In dem nächsten Verfahrensschritt werden die mechanisch gemischten Pulver von dem thermischen Rührmischer 12 in den kalten Rührmischer 13 übergeführt, wo sie bei niedriger Geschwindigkeit (900 U/min) gerührt werden, bis die Temperatur auf 100°C bis 40°C abgesunken ist, um die Wärme der gemischten Pulver von der thermisch gerührten Mischung zum Verhindern einer Agglomeration abzuführen. Die Pulver werden in dieser Mischung 11 bis 12 min lang gerührt, und ein für diesen Verfahrensschritt geeigneter Mischer ist der CL-MA2000 der Firma CHYAU LONG Company. Das sich im kalten Rührmischer befindliche Produkt sieht im Wesentlichen wie Sand aus.
Um Bauteile aus den in der obigen Weise verarbeiteten Pulver herzustellen, wird die sich ergebende Mischung 14 dem Zuführbehälter 15 des Extruders gemäß 2 zugeführt. Typisch weist ein derartiger Extruder zwei Extruderschnecken 17 auf, wie z. B. der Extruder CM-65 der Firma Cincinnate, in dem die Mischung weiter durch Scheren und Erwärmen verarbeitet wird, bis sie allmählich gelförmig ist. Die gelförmige Mischung wird durch den Extruder in den Adapter 18 und dann in die Extruderform 19 und schließlich durch die Kalibrierform 20 gedrückt, die das Querschnittsprofil des geschäumten Elements steuert. Das Abkühlen dieses Bauteils, wenn es den Extruder verlässt, wird in dem Kühltank 21 durchgeführt, und wenn Bauteile eine Oberflächenbearbeitung, wie z. B. eine Holzmaserung erfordern, werden die Oberflächen mittels Walzen 22 geprägt. Schließlich wird das abgekühlte und geprägte Bauteil mittels einer Ziehmaschine (nicht dargestellt) aus dem Extruder herausgezogen und in geeignete Längen für das erforderliche Produkt geschnitten.
Durch Steuern der Vakuumentlüftung des Extruders kann das Oberflächenerscheinungsbild der extrudierten Elemente gesteuert und verbessert werden.
Da die Kalibrierungsform 20 das Querschnittsprofil des mit diesem Verfahren hergestellten Elements steuert, kann man auch komplizierte Formen als auch übliche Formen herstellen, die für Türrahmen und ähnlichem verwendet werden. Typisch mit diesem Verfahren hergestellte Bauteile haben eine Dichte zwischen 0,5 und 1,1 g/cm³ und ein Molekulargewicht von ungefähr 90.000 ± 40.000. Derartige Bauteile haben eine lineare thermische Ausdehnung zwischen 1,9 × 10^–5 in/in-Grad Fahrenheit bis 2,7 × 10^–5 in/in-Grad Fahrenheit.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, wie Türrahmen, Dichtstreifen usw, aus Schaumstoff-Komposition mit Holzmehl, das folgende Schritte enthält: die Pulver von Polyvinylchlorid, Holzmehl, Stabilisator, Schaummittel, Gelatinisationsmittel und Lubrikant werden miteinander gemischt; das Gemisch wird in einem Wärmemischer zunächst mit einer niedrigeren Geschwindigkeit und dann mit einer höheren Geschwindigkeit von der Raumtemperatur bis 100°C gerührt, um die Pulver zu streuen, damit ein homogenes Gemisch erhalten wird; das homogene Gemisch wird in einen Kaltmischer gebracht und dort mit einer niedrigeren Geschwindigkeit gerührt, um die Wärme des Gemisches abzuführen, damit die Temperatur des Gemisches von 100°C auf 40°C reduziert wird, wodurch eine Agglomeration des Gemisches vermieden wird; das gekühlte Gemisch wird in eine Extrudiermaschine gebracht und dort extrudiert, wodurch ein Schaumteil erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Extrusionsprozeß eine Vakuumentlüftung durchgeführt wird, um die Oberflächenstruktur zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat eine Dichte zwischen 0.5 und 1.1 gramm/kubikmeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Wärmeausdehnung des Extrudates zwischen 1.9 × 10^–5 inch/inch-Fahrenheitgrad und 2.7 × 10^–5 inch/inch-Fahrenheitgrad liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat einen Young-Elastizitätsmodul zwischen 150,000 psi und 490,000 psi aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat ein Molekulargewicht von 90,000 ± 40,000 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchtigkeit des Extrudates zwischen 6% und 8% des Gewichtes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Holzmehl aus Hartholz gewonnen ist und die Holzfasern im Holzmehl eine Länge unter 0.6 mm und einen Durchmesser zwischen 0.04 und 0.6 mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aspektverhältnis der Holzfasern im Holzmehl zwischen 2 und 6 liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Holzmehls zwischen 10% und 55% des Gewichtes liegt.