DE69533432T2

DE69533432T2 - Kompositprodukt auf Plastikbasis und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69533432T2
Application number: DE69533432T
Authority: DE
Inventors: Dirk Benenden van Dijk; Fransiscus Bernardus Antonius De Vries
Original assignee: Tech Wood International Ltd
Current assignee: Tech Wood International Ltd
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2015-04-28
Also published as: DK0830424T3; ATE274555T1; US20050013984A1; US6929841B1; EP1172404A1; EP1172404B1; ATE226609T1; EP0830424A1; DE69528669T2; WO1996034045A1; DE69528669D1; DE69533432D1; EP0830424B1; ES2225404T3; AU2319695A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kompositprodukt auf Kunststoffbasis, das wenigstens teilweise aus einem Kunststoff besteht, in dem ein Material, das im Wesentlichen aus Teilchen besteht, homogen eingebettet ist, wobei die Teilchen eine Zugfestigkeit in wenigstens einer Hauptrichtung haben.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Produkt zur Verfügung zu stellen, das zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann, das aber trotzdem hohen Anforderungen entspricht, die bezüglich verschiedener Eigenschaften erforderlich sein können. Diese Eigenschaften können beispielsweise mechanische Eigenschaften, Feuerfestigkeit, Wetterfestigkeit, alterungsverhindernde Eigenschaften usw. betreffen.
Im Hinblick auf das oben Stehende stellt die Erfindung ein Produkt gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung.
Eine spezielle Ausführungsform hat die Eigenschaft, dass die großen Teilchen Platten aufweisen und die Teilchenhauptrichtung sich in deren Hauptebene erstreckt.
Um leicht die gewünschte Orientierung der Platten zu erreichen, wird die Ausführungsform empfohlen, bei der die Platten eine wenigstens mehr oder weniger isotropische Zugfestigkeit in ihrer Hauptebene haben.
Sehr geeignet ist in diesem letztgenannten Zusammenhang die Abwandlung, bei der die Platten im Wesentlichen aus Glimmer bestehen.
Es ist hervorzuheben, dass die Teilchen erfindungsgemäß auch eine insgesamt langgestreckte Form haben können, weshalb sie als Fasern bezeichnet sein können.
Eine spezielle und sehr vorteilhafte Abwandlung weist das Merkmal auf, dass die Teilchen hauptsächlich aus Holzmaterial bestehen und der Kunststoff ein thermo plastisches Polymermaterial ist, insbesondere wenigstens ein Polyolefin oder ein Polymer auf einer Styrolbasis, wobei

a) die Querabmessung der großen Holzteilchen vorzugsweise so ist, dass das Verhältnis der Länge in der Hauptrichtung der Teilchen zu dieser Querabmessung wenigstens 4 beträgt, aber bevorzugt in dem Bereich von 6–80 liegt;
b) die Holzteilchen in einer Menge von 40–80 Massen-% vorhanden sind, aber bevorzugt von 50 bis 70 Massen-% im Verhältnis zu der Produktmasse;
c) das erhaltene Produkt mindestens den folgenden Anforderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften entspricht:
– Biegefestigkeit in Faserrichtung: 8 MPa
– Biegemodul in Faserrichtung: 3 GPa
– Zugfestigkeit in Faserrichtung: 6 MPa
– Zugfestigkeitsmodul in Faserrichtung: 3 GPa
– Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung: 0,3 MPa
– Zugfestigkeitsmodul quer zur Faserrichtung: 1 GPa.

Die Erfindung stellt damit ein Produkt zur Verfügung, das auf die unten beschriebene Art auf Holzbasis ohne Abfall, und, wenn gewünscht, in einem fortlaufenden Verfahren hergestellt werden kann, wobei das Produkt nicht nur mechanische und physikalische/chemische Eigenschaften aufweist, die Holz entsprechen, sondern das Produkt auch auf der Basis von Basisholz hergestellt werden kann, das, wenn gewünscht, minderwertig sein kann und als Innenholz, Außenholz oder Bauholz klassifiziert sein kann. Dieses erfindungsgemäße Produkt wird im Folgenden als technisches Holz bezeichnet.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, das erhaltene Produkt an Orten zu verwenden, wo tropisches Hartholz noch immer notwendig ist.
Zu diesem Zweck sind Teilchen mit Zugfestigkeit, z. B. Holzteilchen, die vorzugsweise von Abfallholz oder Holzabfall stammen, wahlweise zusammen mit geeigneten Festigungsteilchen, hauptsächlich durch ein thermoplastisches Polymer orientiert und gebunden, bevorzugt auf einer Basis von Olefinen oder Styrol, wobei der Anteil verwendeter Teilchen bezüglich des Bindepolymers extrem hoch ist, so dass es nicht darum geht, dass dies ein fasergefülltes thermoplastisches Material ist, sondern ein außerordentlich holzartiges Material, das auf eine Art verarbeitet werden kann, die für den Fachmann üblich ist.
Es ist wichtig, dass das Verfahren fortlaufend durchgeführt werden kann und die Stufen des Komprimierens, Mischens, Faserorientierens und Formens umfasst, wobei die folgenden Anforderungen erfüllt sein müssen:

1. die Komprimierungsstufe, bei der das Auslassen von eingeschlossenen Gasen sowohl zwischen als auch in den Fasern ebenfalls unter Bedingungen stattfinden muss, bei denen die Fasern intakt bleiben;
2. die Mischungsstufe, bei der das Mischen der Komponenten und das Befeuchten mit Polymerschmelze unter Bedingungen stattfinden muss, bei denen die Fasern, die empfindlich gegenüber Bruch und Spaltung sind, intakt bleiben;
3. die Orientierungsphase, bei der eine Hauptorientierung langer Teilchen in dem komprimierten Kunststoffmaterial unter Bedingungen stattfinden muss, die so sind, dass die Position der Teilchen zueinander in der Mischung im Großen und Ganzen aufrechterhalten wird, d. h. dass die Orientierung entlang von Fließlinien erfolgt, schrittweise und ohne so hohe Scherspannungen, dass dadurch eine Gefahr einer thermischen Schädigung aufträte;
4. die Formphase, bei der die Mischung ihre feste Form und Abmessungen in dem Querschnitt senkrecht zu der Flussrichtung erlangt, ebenfalls unter Bedingungen, bei denen die Position der Teilchen zueinander praktisch unverändert bleibt, wobei zu diesem Zweck das Material unter Überdruck aus dem Formkopf fließt und unter Druck in der Kalibrierungseinheit bleibt, bis die Bindepolymerphase auf einen Wert unterhalb der Vicat-Erweichungstemperatur abgekühlt ist.

Hier findet keine Extrusion statt, da beim Extrudieren die geschmolzene Masse nach Verlassen des Strangpresskopfes relativ drucklos ist oder wenigstens unter einem relativ geringen Überdruck steht, der notwendig ist, um ein Nachfließen des Kunststoffkerns des geformten Produkts in der Kalibrierungseinheit zu ermöglichen, um so ein Wiederauffüllen des Materialdefizits zu ermöglichen, das durch Schrumpfung verursacht wurde. Dieses Nachfließen muss immer vermieden werden, denn es würde mit einer Delaminierung und einer Verringerung der Kohäsion zwischen Teilchen und Kunststoff einhergehen, und die gewünschten Eigenschaften würden daher nicht erreicht werden.
Pulltrusion kommt ebenfalls nicht in Frage, da dabei nach und in der Endstufe der Konsolidierungsstufe zum Zweck des fortlaufenden Auslassens des geformten Produkts Zugkräfte auf auf das geformte Produkt ausgeübt werden, das sonst seine Form auf drucklose Art oder unter relativ geringem Überdruck durch ein Verschmelzen von thermoplastischem Kunststoff und Faserverstärkung erhält.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Formvorgang unter kontinuierlichem beträchtlichem Überdruck, wobei das Material nicht fließt, sondern als Kunststoffpfropfen durch eine Orientierungs-, Formungs- und Konsolidierungsphase vorwärts geschoben wird.
Dieses Verfahren wird daher als Pushtrusion bezeichnet.
Das erhaltene Produkt auf der Basis von Holzteilchen und Kunststoff, technisches Holz, ist aufgrund der Faserbindung durch einen thermoplastischen Kunststoff voll wiedergewinnbar. Es ist klar, dass wiedergewonnene Polyolefine und Styrole ebenfalls als Faserbinder verwendet werden können.
Zusatzstoffe können außerdem während der Mischungsphase zugesetzt werden, wodurch das technische Holz Eigenschaften erhält, die diejenigen von natürlichem Holz übertreffen, insbesondere wenn als Ausgangsmaterial schnell wachsende Sorten wie Tannen, Kiefern, Birken und Pappeln verwendet werden.
Das Verfahren als kontinuierlicher Vorgang wird als Compushtrusion bezeichnet, und die Vorrichtung, in der das Verfahren durchgeführt wird, wird als Compushtruder bezeichnet.
Beipiele sind aus der Patentliteratur bekannt, wobei Kunststoffprodukte hergestellt werden, die Holz ähneln, wobei aber die mechanischen Eigenschaften, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht werden, dort nicht erreicht werden.
Die bekannten Verfahren, soweit dabei ein relativ hoher Anteil von Holzmasse in dem Produkt verarbeitet wird, nutzen außerdem ohne Ausnahme eine Maschine mit starker Knettätigkeit, z. B. den Banbury-Mischer oder den Buss-Co-Kneter, die bei dem neuen Verfahren bewusst nicht verwendet wird, da eine solche Knetmaschine sich schädlich auf Abmessungen und Eigenschaften der benutzten Holzfasern auswirkt.
Die Anwendungen der Produkte gemäß den bekannten Verfahren sind auf Ornamente, Abdeckungen, Zaunpfähle usw. beschränkt, wobei der Holzteil als Füllmaterial betrachtet wird:
EP-A-0 114 409, E. I. Du Pont de Nemours, 1994
US-A-5 030 662, A. K. Banerjie, 1991
US-A-4 866 110, Chang Y. Lee, 1989
US-A-5 082 605, J. G. Brooks et al., 1992
NL-A-77 04265, Lankhorst Touwfabrieken, 1978
WO-A-90108020, Polywood Patent AB, 1990.
Beschreibung des Aufbaus des Compushtruders
An dem Compushtruder sind zu unterscheiden:

(1) Mischer: bevorzugt mit Zwillingsschnecke oder Einzelschnecke mit angepasster Schneckengeometrie,
(2) rotierende Verdrängungspumpe, vorzugsweise Zahnrad, Kolben oder Schnecke,
(3) Verteilerkopf,
(4) Orientierungsmittel,
(5) Formkopf, auch Kalibrierungseinrichtung,

(1) Mischer
Die Funktion des Mischers, z. B. aus der Serie Theyson TSK-N, Leistritz ZSE-GL, besteht im Umschließen von Teilchen, insbesondere Holzfasern, in dem flüssigen thermoplastischen Kunststoff. Dies muss so geschehen, dass die Holzfaser vollständig von Polymer eingeschlossen ist, jedoch ohne dass dabei die Fasern durch Brüche in der Länge effektiv verkürzt werden. Die Holzfasern können jedoch in Längsrichtung gespalten werden. Diese Situation wird erreicht, indem die Polymerschmelze die Fasern befeuchtet. Wegen der relativ starken Adhäsionseigenschaften der Schmelze bezüglich der Fasern werden diese mitgenommen und weiter in der Schmelzphase gleichmäßig verteilt. Ein Anpassen der Schneckengeometrie verhindert, dass die Mischung einer zu intensiven Knettätigkeit ausgesetzt wird, was üblicherweise z. B. bei dem Banbury-Mischer oder einem Standardmischer der Fall ist. Die Entscheidung für einen langen Mischweg an Stelle eines kurzen, starken Mischweges wurde bewusst getroffen, wobei die Holzteilchen sorgfältig behandelt werden, während trotzdem eine gleichmäßige Verteilung erfolgt. Die Holzteilchen werden vorzugsweise komprimiert eingeführt und kompakt gemacht, um überschüssige Lufteinschlüsse zu verhindern, die die Qualität des Endprodukts beeinflussen könnten.
Durch aufeinander folgendes Komprimieren, Dekomprimieren und Entgasen unter Vakuum der Mischungen durch die gewählte Schneckengeometrie werden Luft und Gase sowohl aus der Mischung als auch aus den Poren in den Fasern ausgestoßen. Bei einem Einzelschneckenmischer wird die Mischung in einem komprimierten Pfropfenfluss bewegt, woraufhin der thermoplastische Teil geschmolzen wird.
Die Adhäsion zwischen Holzteilchen und Polymerschmelze ist so groß und adheriert so, dass fakultative weitere Zusätze der Mischung beigefügt werden können, ohne die Adhäsion zwischen Polymer und Holzteilchen zu zerstören.
Fakultative Verstärkungsfasern auf einer Basis von Zellulose, z. B. Flachs, Hanf oder Mineralfasern von Glas, (Glimmer-)Platten oder Ähnliches, können auf dem oben genannten Weg mitgenommen werden.
Der Druck auf die Mischung für den Zweck der Formphase wird nicht wie üblich durch das Prinzip der Extrusionstätigkeit der Schnecke, sondern durch eine rotierende Verdrängungspumpe ausgeübt, die für diesen Zweck zwischengeschaltet ist.
(2) Rotierende Verdrängungspumpe
Der Druck, der erforderlich ist, um die Mischung durch den Verteilerkopf (der unten beschrieben wird), die Orientierungsmittel und den Formkopf/die Kalibrierungseinrichtung zu pressen, wird durch eine Verdrängungspumpe erzeugt, vorzugsweise eine Schneckenpumpe oder Schraubenradpumpe, z. B. Maag, Expac, Typ Estrex 56/56 oder Witte, Typ ESTHF 92,6 LKK. Hohe Drücke können ohne nennenswerte Auswirkung auf Teilchenform und -abmessungen erzielt werden. Da große Scherkräfte praktisch nicht auftreten, kann darüber hinaus der gewünschte Druckanstieg ohne übergroße thermische Belastung und Qualitätsverlust der Mischung erzielt werden.
(3) Verteilerkopf
Der Verteilerkopf ist eine notwendige „Schnittstelle" zwischen der rotierenden Verdrängungspumpe und den Orientierungsmitteln. Das laminare Strömungsbild von der rotierenden Verdrängungspumpe muss in einen Pfropfenfluss umgewandelt werden.
Den Teilchenorientierungsmitteln muss ein konstanter Strom der Mischung zugeführt werden, dessen Menge und Geschwindigkeit gleichmäßig über die Strömungsoberfläche der Orientierungsmittel verteilt sind; dies dient der Verhinderung von Verstopfungen und Verwirbelung als Folge von Geschwindigkeitsunterschieden nach jeder Phase der Teilchenorientierung. Der Verteilerkopf sorgt daher für die erforderliche Ruhe im Strömungsprofil. Der Pfropfenfluss kann optimiert werden:

– mechanisch durch Variieren der Durchflussfläche pro Kanal unter Verwendung von Einstellbolzen, die von außen zugänglich sind; und/oder
– thermisch durch Variieren des Durchflusswiderstands pro Kanal unter Verwendung von Heizelementen.

Die Form des Verteilerkopfs hängt teilweise oder ganz von dem gewünschten Produkt ab.
(4) Orientierungsmittel
Die Orientierungsmittel bestehen aus einer Vielzahl von in Reihe angeordneten Platten mit Schlitzen (bei Platten) oder (zylindrischen) Öffnungen (bei Fasern) in der Flussrichtung. Die gesamte Durchflussfläche pro Platte ist jeweils gleich. Der Durchmesser der Öffnungen verringert sich über die in Reihe angeordneten Platten. Der Durchmesser und dessen Verringerung über die Platten hängen von den Teilchenabmessungen und dem gewünschten Orientierungsgrad ab. Wenn Kurzfasern mit einer Länge von 2 mm und einem L/D-Verhältnis von 4 durch eine Öffnung von 2,5 mm geleitet werden, erfolgt eine geringe oder keine Orientierung.
Wenn eine Langfaser mit einer Länge von 4 mm und einem L/D-Verhältnis von 8 durch die gleiche Öffnung hindurchgeht, erfolgt eine Orientierung.
Die Zahl der Platten hängt von dem Grad der Einheitlichkeit der Faserlänge, deren L/D-Verhältnissen und dem gewünschten Orientierungsgrad ab.
Die Länge der Schlitze oder zylindrischen Öffnungen ist bevorzugt wenigstens gleich der maximalen linearen Teilchenabmessung.
Übergangsplatten zwischen den Öffnungsplatten mit unterschiedlichen Durchmessern haben natürlich die gleiche Durchflussfläche wie die Öffnungsplatten.
(5) Formkopf/Kalibrierungseinrichtung
Um ein zweidimensional geformtes endloses Produkt aus der „Holzmischung" mit den orientierten Teilchen herzustellen, sind ein Formkopf und eine Kalibrierungseinrichtung notwendig. Im Gegensatz zu dem typischerweise angewandten Extrusions-Formverfahren sind Formkopf und Kalibrierungseinrichtung bei dem Compushtrusion-Verfahren einteilig ausgebildet, da das pushtrudierte Material nicht gezogen werden darf und kein Druck in Längsrichtung darauf ausgeübt werden darf.
Eine wesentliche Bedingung zum Erzielen von technischem Holz ist, dass die Mischung nach dem Formen unter Druck bis unter die Vicat-Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindekunststoffs abgekühlt wird. Dieser Konsolidierungsvorgang ist notwendig, um eine Delaminierung und eine Zerstörung der Matrix zu verhindern.
Der Systemdruck ist aus dem Durchflusswiderstand zwischen Mischung und Formkopf/Kalibrierung abgeleitet.
Um eine Delaminierung und eine Zerstörung der Matrix bei der Kalibrierung zu verhindern, wird deren erster Teil mit einer Beschichtung bedeckt, die den Oberflächenwiderstand wesentlich auf einen Wert reduziert, bei dem keine Delaminierung und keine Zerstörung der Matrix auftritt. Der äußere Teil des Produkts, der inzwischen in der Kalibrierung auf einen Wert unterhalb der Vicat-Erweichungstemperatur abgekühlt ist, bietet eine Matrixstützung für diesen Teil des Produkts, den Materialkern, der noch immer unterhalb der Vicat-Erweichungstemperatur liegt.
Verfahrensparameter
Es ist klar, dass bei dem Compushtrusion-Verfahren viele Parameter zu unterscheiden sind, die alle ihren Einfluss auf die Herstellung, die Qualität und die Eigenschaften des technischen Holzes haben.
Die Verfahrensparameter können wie folgt unterteilt werden:

(1) Variable Parameter, die einstellbare Parameter sind, die während der Verarbeitung variiert werden können.
(2) Anpassbare Parameter werden einmal gesetzt, in Abhängigkeit von der Art des technischen Holzes und dem gewünschten Produktsegment.

(1) Variable Parameter
Die variablen Parameter können weiter in zwei Kategorien unterteilt werden:

(1a) diejenigen, die auch bei dem bekannten Mischungs/Extrusionsverfahren auftreten:
– Temperaturen, z. B. ein gesetztes Temperaturprofil des Schneckenzylinders, die Temperatur des Formkopfs,
– Schneckendrehzahl,
– bei einem Zwillingsschneckenmischer: die Füllhöhe durch Beschickung,
– Druck, interaktiv,
– Entgasung, absoluter Druck des Vakuums.
(1b) neue Compushtrusion-Parameter:
– Durchflussfläche, eingestellt durch Einstellbolzen und/oder Temperaturprofil der Kanäle in dem Verteilerkopf,
– Temperatur der Teilchenorientierungsvorrichtung,
– Temperatur der Kalibrierung,
– Temperatur der rotierenden Verdrängungspumpe,
– Druck und Leistung der rotierenden Verdrängungspumpe.
(2) Anpassbare Parameter
– Schneckengeometrie,
– Art und Positionierung der Beschickung,
– Entgasungszonen und Anzahl,
– L/D-Verhältnis des Compushtruders,
– Zahl der Orientierungsplatten,
– Durchmesser und Längsrichtungs-Veränderung der Öffnungen in den Orientierungsplatten,
– Durchflusswiderstand in dem Formkopf/der Kalibrierungseinrichtung,
– Position und aktive Länge der widerstandsreduzierenden Beschichtung in der Kalibrierungseinrichtung.

Beispiel des Verfahrens und der mechanischen Eigenschaften des erzielten technischen Holzes.
Das Verfahren wird in einem Compushtruder wie dem oben beschriebenen mit einer Kapazität von 200 kg pro Stunde durchgeführt.
Die Zusammensetzung der Mischung ist wie folgt:

– 60 Massen-% Kiefernholz, Länge der faserartigen Teilchen 0,6–3 mm, L/D = 4, Feuchtigkeitsgehalt 2,2 Massen-%
– 40 Massen-% Polypropylen. MFI = 15 dg/min., (230/2,16)
– keine weiteren Zusätze.

Die wichtigstens Verfahrensparameter sind wie folgt:

– Temperaturprofil im Bereich von 160–195°C
– Mischerbeschickungsdruck 15 bar
– Druck der rotierenden Verdrängungspumpe 95 bar
– Vakuum 20 kPa.

Gemessene mechanische Eigenschaften des technischen Holzes:
Sechs Proben wurden gemessen, wobei die folgenden Ergebnisse bezüglich der Längenorientierung der Holzteilchen erzielt wurden:
Zufestigkeitstests (ISO 527), Standardabweichung
Biegetests (ISO 178)
Ein Zusatz von 10% Glas- oder Flachsfaser mit einer Länge von 4 mm und L/D von 150 bis 400 ergibt Werte, die um ungefähr 25% höher sind als die oben angegebenen.
Ein Produkt kann im Prinzip auf eine beliebige geeignete Art hergestellt werden, beginnend mit dem vorgemischten Material oder einem Halbfertigprodukt, z. B. durch (isostatisches) Pressen, Spritzgießen, Extrudieren, Compushtrudieren.
Eine spezielle Ausführungsform weist das Merkmal auf, dass das Produkt im Wesentlichen aus einem Laminat besteht, das eine Kompositschicht auf Kunststoffbasis gemäß der oben stehenden Beschreibung, eine erste Hautschicht, die an einer Seite daran anhaftet und ausgewählte Eigenschaften hat, und wahlweise eine zweite Hautschicht, die an der anderen Seite daran anhaftet und ausgewählte Eigenschaften hat, aufweist, wobei diese Schichten z. B. durch Kleben, Schweißen, Spiegelschweißen, durch Infrarotlaser, durch Heißluft oder eine andere geeignete Behandlung aneinander befestigt werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich durch wenigstens einen Zusatzstoff zum Erzielen gewünschter Eigenschaften aus, wobei dieser Zusatzstoff dem Verfahrensfluss an einer geeigneten Stelle in dem Compushtruding-Verfahren während der Herstellung des Produkts zugefügt wird.
Diese gewählten Eigenschaften der Hautschichten können zum Beispiel die Haftung von Farbe, Lack und Klebstoff betreffen.
Eine Variante dieser letzten Ausführungsform hat die Eigenschaft, dass die Hautschicht oder wenigstens eine der Hautschichten von erfindungsgemäßer Art ist und ihre Orientierung der langen Teilchen eine gewählte Richtung bezüglich der Orientierung der oben genannten Kunststoffschicht hat. Spezifische mechanische Eigenschaften können hierdurch erreicht werden. Diese können zum Beispiel auf dem Stringer-Effekt beruhen.
Wie bereits erwähnt bietet sich das erfindungsgemäße Produkt sehr gut für eine Herstellung durch ein Verfahren an, dass am besten als Compushtrusion bezeichnet werden kann. In dieser Hinsicht stellt die Erfindung ebenfalls eine Compushtrusion-Vorrichtung zur Herstellung eines Produkts der oben genannten Art zur Verfügung, wobei diese Vorrichtung umfasst: Einen Mischer, der bei niedrigem Druck arbeitet, um eine Mischung zu plastifizieren, die im Wesentlichen aus Kunststoff und Teilchen mit einer Zugfestigkeit besteht, wobei diese Teilchen entweder zuvor oder in dem Mischer mit dem Kunststoff gemischt werden und die Kunststoffmischung über eine Auslassöffnung nach außen gepresst wird;
eine rotierende Verdrängungspumpe, die die Kunststoffmischung weitertransportiert; einen Verteilerkopf, der die Mischung weiterleitet, um die Kunststoffmischung im Wesentlichen als Pfropfenfluss weiterzutransportieren;
Orientierungsmittel, die die Mischung weiterleiten und wenigstens ein Bündel im Wesentlichen paralleler Kanäle aufweisen, durch die die Kunststoffmischung fließen kann und die bezüglich der langen Teilchen so dimensioniert sind, dass sie, außer in einer dominierenden Ausrichtung in der Hauptteilchenrichtung, zu klein sind, um ein Passieren der langen Teilchen, die in der Kunststoffmischung enthalten sind, zu ermöglichen; und
einen im Wesentlichen prismenförmigen Formkopf, der mit den Auslassöffnungen der Kanäle verbunden ist und dessen Form der gewünschten Querschnittsform des Produkts entspricht;
so dass die Hauptrichtung der Teilchen der Längsrichtung des Formkopfs und der Hauptrichtung des Produkts entspricht;
wobei der Formkopf so lang ist und eine solche Temperaturkurve in der Längsrichtung hat, dass am Ende der Mündung das Produkt auf einen Wert unterhalb seiner Vicat-Erweichungstemperatur abgekühlt ist.
Wie bereits diskutiert, kann die Haftung von Lack, Farbe und Klebstoff durch mechanische Mittel verstärkt werden, zum Beispiel aufgrund einer bestimmten Porosi tät und vorstehender Fasern. Eine weitere Ausführungsform, die die gleiche Wirkung auf chemophyskalischem Weg erreicht, zeichnet sich durch einen Zusatzstoff mit einem gewünschten Einfluss auf ausgewählte Eigenschaften des Produkts aus, der zu wenigstens einer der folgenden Klassen gehört:

– Stoffe, die die Haftung zwischen Teilchen mit Zugfestigkeit und Matrixpolymer beeinflussen (Klasse H),
– Stoffe, die die Eigenschaften der Oberfläche des Produkts, insbesondere bezüglich Beschichtungen oder Haftstoffen für ein Aufbringen in Schichtenstruktur beeinflussen (Klasse O),
– Stoffe, die die Pyrogeneigenschaften beeinflussen (Klasse P),
– Stoffe, die die Lebensdauer der Teilchen beeinflussen (Klasse D),
– Schäummittel zum Erzielen einer geschäumten Struktur (Klasse B) im Fall eines genügend hohen Temperaturanstiegs.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
1 eine stark schematische, zum Teil weggebrochene perspektivische Seitenansicht einer Compushtrusion-Vorrichtung zeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Produkt hergestellt werden kann;
2 eine stark schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zeigt, mit der ein anderes erfindungsgemäßes Produkt hergestellt werden kann;
3 eine abgeschnittene perspektivische Ansicht einer Variante ist, die 1 entspricht, und
4 eine abgeschnittene perspektivische Ansicht in vergrößertem Maßstab eines Teils der Vorrichtung aus 3 zeigt.
1 zeigt einen Compushtruder 1. Dieser umfasst einen Mischer 2, eine rotierende Verdrängungspumpe 3, einen Verteilerkopf 4, ein Teilchenorientierungsglied 42 und eine Formkopf-/Kalibrierungseinheit 43. Der Verteilerkopf 4 und der Orientierungskopf 5 umfassen durchgehende Kanäle, durch die der plastifizierte Kunststoff passieren kann, in den Fasern mit Zugfestigkeit eingearbeitet sind. Die Langfasern haben eine Länge vornehmlich im Bereich von 2–6 mm. Um diesen Fasern die gewünschte Orientierung zu geben, d. h. die Längsrichtung, die mit dem Pfeil 6 wünschte Orientierung zu geben, d. h. die Längsrichtung, die mit dem Pfeil 6 bezeichnet ist, umfassen die durchgehenden Kanäle in dem Verteilerkopf 4 und dem Orientierungskopf 5 Unterkanäle, die einen effektiven Durchmesser z. B. im Bereich von 6–8 mm haben, wobei der Wunsch berücksichtigt wird, die Durchmessergröße dieser Kanäle so zu wählen, dass die Orientierung der Kurzfasern nicht beeinflusst wird. Es ist klar, dass diese Passagen für die anderen Faserlängen entsprechend angepasst werden können. Das Produkt 7 besteht im Wesentlichen aus der verfestigten Kompositmasse, in der die Langfasern sich insgesamt wenigstens grob in der Längsrichtung 6 erstrecken.
2 zeigt eine Alternative. Zwei Compushtruder 8, 9 liefern Produkte 10 bzw. 11 in die Richtung der Quetschstelle zwischen zwei Rollen 12, 13. An der Position der Quetschstelle 14 wird eine kunststoffimprägnierte Fasermatte 15, die z. B. Glas- oder Aramidfasern aufweist, durch Transportrollen 16, 17 zwischen die plattenartigen Produkte 10, 11 eingeführt. Ein Laminat 18 wird so durch Erhitzen und durch die Kraft, die durch die Rollen 12, 13 ausgeübt wird, gebildet. Die Fasern in der Fasermatte 15 erstrecken sich im Wesentlichen in der Längsrichtung 6. Wenigstens eines der Produkte 10, 11 zeigt eine gewünschte Porosität, um Eigenschaften zu gewährleisten, die Holz entsprechen.
Für größere Dicken kann ein Produkt aus einer Vielzahl von Laminaten hergestellt werden, die aufeinander angeordnet und durch Wärmebehandlung und Druck aneinander befestigt sind.
Weiterhin ist allgemein anzumerken, dass auch Bindemittel zu dem Grund-Kunststoff zugefügt werden können, um die Haftung zwischen Fasern, Kunststoff und anderen Zusatzstoffen zu verbessern. Die Haftung von Farben und Lacken auf Acryl-Wasser-Basis an dem erfindungsgemäßen Produkt kann hierdurch ebenfalls verbessert werden.
Die Verwendung von Farbstoffen oder Pigmenten in der Masse kann den Vorteil bieten, dass ein gleichmäßiges Produkt erzielt wird.
Unter Bezugnahme auf 2 wird darauf hingewiesen, dass, indem z. B. Co-Extrusion oder eine andere geeignete Technik an dem erfindungsgemäßen Produkt angewandt wird, auf die sichtbare Seite des Produkts eine zusätzliche Beschichtung aufgebracht werden kann. Eine solche Beschichtung kann eine extra stabile Farbe, einen verstärkten UV-Widerstand oder Widerstand gegenüber Schmutz- und Wettereinflüssen haben.
Im Gegensatz zu dem oben erwähnten Stand der Technik bietet die Erfindung ein Produkt, das für eine Verarbeitung und Behandlung als Holz geeignet ist. Die folgenden Erwägungen sind hier von besonderer Bedeutung.
Das erfindungsgemäße Produkt kann eine lineare Ausdehnung ähnlich wie Holz haben und hat auch eine ähnliche Stärke und Steifigkeit mit vergleichsweise großer Zähigkeit und ausgezeichneter Reißfestigkeit. Das Produkt kann Feuereigenschaften zeigen, die, unter Anwendung von Umweltschutzvorschriften, wenigstens gleich den Feuereigenschaften von normalem Holz sein müssen, wobei es, wenn es brennt, nicht mehr Rauch und Schadstoffe erzeugen darf als normales Holz. Bei einem spezifischen Gewicht von 750–1.250 kg/m³ dürfen das Verfahren und die erforderlichen Rohmaterialien und Zusatzstoffe den Preis von normal verarbeitetem Holz nicht übersteigen.
Bezüglich Aussehen und Gewicht kann das erfindungsgemäße Produkt, wenn gewünscht, eine verblüffende Ähnlichkeit mit natürlichem Holz oder herkömmlich gepresstem Holz wie MDF- oder Holzfaserbrettern zeigen.
Das erfindungsgemäße Produkt kann mit normalen Werkzeugen und normalen Holzverarbeitungsmaschinen bearbeitet werden. Wie bei Holz üblich kann es genagelt, gesägt, geschraubt, geklebt, bemalt und lackiert werden.
Das erfindungsgemäße Produkt kann kann einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber klimatischen Bedingungen wie Feuchtigkeit, Sonnenlicht mit ultravioletter Komponente, Temperaturschwankungen usw. haben.
Die erfindungsgemäßen Produkte sind besser für ein Recycling nach der Verwendung geeignet als natürliches Holz.
Die erfindungsgemäßen Produkte sind bezüglich Feuchtigkeitsabsorption, Verrottung, Schwellung usw. gegenüber Holz überlegen.
3 zeigt einen Compushtruder 21, dessen Aufbau teilweise von dem in 1 dargestellten abweicht. Ein Verteilerkopf 23 ist mit der rotierenden Verdrängungspumpe 3 verbunden (s. auch 4). Dieser Block weist einen sich mehr oder weniger konisch verjüngenden Einlassraum 24 auf, der in einen Fächer von neun Kanälen 25–33 mündet. Insbesondere 4 zeigt deutlich den Innenaufbau des Verteilerkopfs 23. Durch von außen steuerbare Schrauben, die der Einfachheit halber alle mit 34 bezeichnet sind, kann der effektive Durchlass und damit der Durchflusswiderstand der Kanäle 25–33 individuell eingestellt werden. Eine ausgezeichnete Homogenität der durchfließenden Mischung kann hierdurch sichergestellt werden. Alternativ kann der effektive Durchfluss der Kanäle durch selektives Erwärmen beeinflusst werden. Der Durchfluss eines Kanals kann in jedem Fall verbessert werden, indem der Durchflusswiderstand verringert wird. Dies kann nicht nur durch Einstellen des Durchlasses, sondern auch durch Änderung der Temperatur erreicht werden, wodurch sich die Viskosität der durchfließenden Mischung wenigstens an der Grenzfläche ändert und dadurch der effektive Durchfluss geändert wird.
Durch einen Sammelraum 35 wird die durchgelassene Kunststoffmischung in ein Bündel 36 von Kanälen eingespeist, das von Platten begrenzt ist, die sich aufeinander in Querrichtung erstrecken. Durch Kanäle 37 kann der durchfließenden Mischung ausreichende Wärme zugeführt werden, um sie in einem plastischen Zustand zu halten. Ein zweites Bündel 38 folgt dem ersten Bündel 36 durch einen Zwischenraum 37. Ein drittes Bündel 40 folgt durch einen Zwischenraum 39.
Stromabwärts dieses letztgenannten Bündels 40 ist der Formkopf 41 des Compushtruders 21 angeordnet. Durch Kalibrierungs- und Kühlungsmittel wird das Produkt anschließend schrittweise abgekühlt, während ein ausreichender Druck aufrechterhalten wird, und in den richtigen Abmessungen nach außen getragen. Das Produkt 42 gemäß 3 hat eine Orientierung der Langfasern, die der Längsrichtung der Form entspricht.
Die Durchmesser der aneinander angrenzenden runden Kanäle in den Bündeln 36, 38, 40 betragen bei dieser Ausführungsform jeweils 14 mm, 8 mm und 6 mm, während die Durchflussfläche gleich gehalten wird.
Aus dem in 4 gezeigten Aufbau wird deutlich, dass die Masse, die durch die weiter innen angeordneten Kanäle fließt, einen geringeren Durchflusswiderstand hat als die Masse, die durch die weiter außen angeordneten Kanäle fließt, da diese länger sind. In diesem Zusammenhang können die weiter innen angeordneten Kanäle einen etwas kleineren Durchmesser haben.
Es ist zu beachten, dass bei allen Compushtrudern die Mischung mit den darin eingebettenen Fasern durch die rotierende Verdrängungspumpe bei relativ hoher Temperatur oberhalb der Vicat-Erweichungstemperatur in den Formkopf eingeführt wird, z. B. 180°C, während des Transports durch den Formkopf abkühlt und am Ende eine reduzierte Temperatur erreicht hat, so dass das Endprodukt eine Temperatur unterhalb der Vicat-Erweichungstemperatur hat, wodurch es so ausreichend gehärtet ist, dass es keiner wesentlichen Formänderung mehr unterworfen wird.

Claims

Kompositprodukt auf Plastikbasis, das zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, worin ein hauptsächlich aus Teilchen bestehendes Material homogen eingebettet ist, welche Teilchen Zugfestigkeit in zumindest einer Hauptrichtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen umfassen: kleine Teilchen, hauptsächlich Platten oder Fasern, mit einer beliebigen Orientierung und einer Länge von 0,2–2 mm; und große Teilchen mit einer Hauptorientierung, zum Beispiel 80–95%, der Hauptrichtung der Teilchen in einer gewählten Produkthauptrichtung und einer Länge in der Teilchenhauptrichtung von ungefähr 2–6 mm.
Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Teilchen Platten sind und die Teilchenhauptrichtung sich in dessen Hauptfläche erstreckt.
Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Teilchen Fasern sind, worin die Hauptrichtung der Teilchen die Längsrichtung jeder Faser ist.
Produkt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen verlängert sind.
Produkt nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen überwiegend aus Holzmaterial bestehen.
Produkt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein thermoplastisches Polymer ist, hauptsächlich zumindest ein Polyolefin.
Produkt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß a. die Querabmessung der großen Holzteilchen vorzugsweise derartig ist, daß das Verhältnis zwischen der Länge in der Hauptrichtung der Teilchen und dieser Querabmessung minimal 4 beträgt, aber vorzugsweise in der Größenordnung von 6–80 liegt. b. die Holzteilchen in einer Menge von 40–80% Massenprozentsatz, jedoch vorzugsweise von 50 bis 70% Massenprozentsatz bezüglich der Produktmasse vorhanden sind. c. das erhaltene Produkt minimal den nachfolgenden Anforderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften in – Biegesteifigkeit in der Faderrichtung: 8 MPa – Biegemodul in der Faderrichtung: 3 GPa – Zugfestigkeit in der Faserrichtung: 6 MPa – Zugbeanspruchungsmodul in Faserrichtung: 3 GPa – Zugfestigkeit quer auf der Faserrichtung: 0,3 MPa – Zugbeanspruchungsmodul quer auf der Faserrichtung: 1 GPa entspricht.
Produkt nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Holzteilchen aus Weichholz oder Hartholz, vorzugsweise aus einem der nachfolgenden Typen: Tanne, Fichte, Birke, Pappel, hervorgehen.
Produkt nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch andere Teilchen mit einer Zugfestigkeit in einer Menge von 3–25% Massenprozentsatz, vorzugsweise 5–18% Massenprozentsatz.
Produkt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Teilchen aus zumindest einem Typ der Klasse von anorganischen Polymeren auf einer Basis von Silikaten, vorzugsweise Glas, hervorgehen, oder aus Glasfasern, gehackten Strähnen mit einer Länge von 4–5 mm und einem Diameter von 0,013 mm und einem Verhältnis zwischen der Länge und dem Diameter in der Größenordnung von 300–400 bestehen.
Produkt nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch andere Fasern mit einer Zugfestigkeit von einem oder mehreren Typen der Klasse von den natürlichen Biopolymeren auf einer Basis von Cellulose, vorzugsweise von Flachs, Jute, Hanf, Sisal, Kokosnuß, Bambus und Miscanthus.
Produkt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer aus Polypropylen, Polystyren, Polyethylen oder Polyacrylat besteht.
Produkt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zusatzstoff mit einem gewünschten Einfluß auf die gewählten Eigenschaften des Produkts und gehörend zu zumindest einer der nachfolgenden Klassen: – Haftungseinflüsse zwischen Teilchen mit Zugfestigkeit und Matrixpolymer (Klasse H), – Mittel zum Beeinflussen der Eigenschaften der Produktfläche, besonders bezüglich der Beschichtungen oder Klebstoffe zur Anwendung in Schichtenstrukturen (Klasse O), – Mittel zum Beeinflussen der Pyrogeneigenschaften (Klasse P), – Mittel zum Beeinflussen der Dauer der Teilchen (Klasse D), – Blasmittel zum Erhalten einer Schaumstruktur (Klasse B), in dem Fall einer unabsichtlichen, genügend großen Temperaturzunahme.
Produkt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Produkt während Herstellung zumindest einer Farbstoff oder Pigment zugefügt wird.
Produkt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt verlängert ist und die gewählte Hauptrichtung die Längsrichtung des Produkts ist.
Produkt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt hauptsächlich aus einem Laminat besteht, umfassend: eine auf Kunststoff basierte zusammengesetzte Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche; eine an einer Seite daran gehaftete erste Hautschicht, im Besitz gewählter Eigenschaften; fakultativ eine an der anderen Seite daran gehaftete zweite Hautschicht, im Besitz gewählter Eigenschaften; welche Schichten gegenseitig durch zum Beispiel leimen, schweißen, spiegelschweißen, mit einem Infrarot-Laser, mit Heißluft oder mit anderer geeigneter Behandlung gehaftet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Produkts nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit dem Kunststoff gemischt werden und die Mischung plastifiziert wird und anschließend zumindest ein Teil der Teilchen durch Orientierungsmittel in Flußrichtung orientiert wird, wobei anschließend die Mischung des Kunststoffs und der Teilchen einen Formkopf mit einer Durchlaßöffnung, die auf die Ausläße der Orientierungsmittel anschließt, wobei die Form der Durchlaßöffnung des Formkopfs mit der gewünschten Querschnittsform des Produkts übereinstimmt, passieren, wobei die größeren Teilchen, die eine Länge von ungefähr 2–6 mm haben, in Flußrichtung orientiert sind, während die kleineren Teilchen eine beliebige Orientierung aufweisen, wobei das Material unter fortwährendem Überdruck ist und als einer Kunststoffpfropfen durch Orientierungs, Formungs- und Konsolidierungsphase weitergeführt wird.