DE69711597T2

DE69711597T2 - Konstruktionskunstoff und holzfaserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69711597T2
Application number: DE69711597T
Authority: DE
Inventors: J Deaner; V Seethamraju
Original assignee: Andersen Corp
Current assignee: Andersen Corp
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1997-01-02
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2017-01-03
Also published as: JP2000503694A; EP0869988A1; CA2242326C; ATE215580T1; MX9805509A; DE69711597D1; CA2242326A1; WO1997025368A1; AU1693497A; EP0869988B1; US5948524A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft thermoplastische Verbundwerkstoffmaterialien, die für die Herstellung von Konstruktionselementen verwendet werden. Solche Elemente umfassen Konstruktionseinheiten oder Teile davon. Bevorzugt kann das Element bei der Herstellung von Fenstern oder Türen für die Architektur im Bereich des Wohnungsbaus und von Industriebauten Einsatz finden. Diese Verbundwerkstoffmaterialien können umfassen eine wahlweise, beabsichtigte Wiederverwendung (Recycling) von Nebenprodukten, die bei der Herstellung von Fenstern und Türen entstehen, wie z.B. thermoplastisches Harz, Klebstoff, Farbe etc. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Verbundwerkstoffmaterial, welches zum Extrudieren oder Spritzgießen geeignet ist und zu Konstruktionselementen verarbeitet wird, die bei Einsatz in Fenstern und Türen bessere Eigenschaften haben. Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffmaterialien können eingesetzt werden zur Herstellung von Konstruktionselementen wie z.B. Schienen, Pfosten, Friese, Türschwellen, Führungsbahnen, Stoppeinrichtungen und Schiebefenster sowie von nicht im konstruktiven Bereich Liegenden Gestaltungselementen wie z.B. Gitter, Wölbungen, Rippen, Viertelrundungen etc.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmliche Hersteller von Fenstern und Türen verwenden normalerweise Holz und Metallkomponenten zur Gestaltung von Konstruktionselementen. Fenster für den Wohnungsbau werden normalerweise hergestellt aus gefrästen Holzprodukten oder extrudierten Aluminiumteilen, die mit Glas zur Bildung von typischen Doppelschiebefenstern oder Fensterflügeln verbaut werden. Holzfenster sind in baulicher Hinsicht haltbar, für viele Anwendungen des Wohnungsbaus geeignet und eingerichtet, können sich jedoch unter bestimmten Umständen verschlechtern. Holzfenster müssen auch gestrichen werden und erfordern andere periodische Wartungsmaßnahmen. Holzfenster führen auch zu Kostenproblemen wegen der Verfügbarkeit von geeignetem Bauholz. Reine Holzprodukte werden allmählich seltener und wegen der zunehmenden Nachfrage teurer. Metallkomponenten werden oft mit Glas kombiniert und daraus Einscheibenschiebefenster hergestellt. Während der Wintermonate leiden Metallfenster typischerweise unter Energieverlust.
Es wurden auch extrudierte thermoplastische Materialien als Konstruktionskomponenten bei der Herstellung von Fenstern und Türen verwendet. Gefüllte und ungefüllte thermoplastische Kunststoffe wurden extrudiert zu geeigneten Versiegelungen, Gestaltungselementen, Abdichtungen, Beschichtungen und zu anderen Komponenten des Fensterbaus. Thermoplastische Materialien wie Polyvinylchlorid wurden kombiniert mit Holzelementen bei der Herstellung von Fenstern der Marke Permashield®, die seit Jahren von der Anderson Corporation hergestellt werden. Die in den US-Patenten 2 926 729 und 3 432 883 von Zanini offenbarte Technik wurde eingesetzt bei der Herstellung von Kunststoffbeschichtungen oder Umhüllungen auf Konstruktionselementen aus Holz oder anderer Art. Die bei der Herstellung von Permashield®-Fenstern eingesetzte Technik der Ummantelung oder Beschichtung umfasst eine dünne Beschichtung oder Umhüllung aus Polyvinylchlorid, die ein Konstruktionselement aus Holz umgibt.
Polyvinylchlorid wurde mit Holz zur Herstellung von extrudierten Materialien kombiniert. Solche Materialien wurden erfolgreich verwendet in Gestalt eines Konstruktionselementes, welches einen direkten Ersatz für Holz darstellt. Bei der Erzeugung eines direkten Ersatzmaterials stimmen diese extrudierten Materialien in Bezug auf Elastizitätsmodul, Druckfestigkeit sowie thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit Holz überein. Typische Verbundwerkstoffmaterialien haben einen Elastizitätsmodul von größer als etwa 3.447 MPa (500.000 psi) sowie akzeptable Werte für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die Zugfestigkeit und die Druckfestigkeit erreicht, so dass sie eingesetzt werden können. Deaner et al. (US-Patente 5 406 768 und 5 441 801, US-Serial Numbers 08/224 396, 08/224 399, 08/326 472, 08/326 479, 08/326 480, 08/372 101 und 08/326 481) offenbaren einen PVC/Holz-Faserverbundwerkstoff, der als hochfestes Material in einem Konstruktionselement eingesetzt werden kann. Dieser PVC/Faser- Verbundwerkstoff findet für Fenster und Türen vielfältigen Einsatz.
Es besteht ein erheblicher und beständiger Bedarf an der Zurverfügungstellung eines verbesserten Verbundwerkstoffmaterials (mit Einsatz von Polymeren, die keine Chlor enthaltenden Monomerkomponenten aufweisen), welches aus einem thermoplastischen Polymer und Holzfasern hergestellt werden kann. Der Verbundwerkstoff kann hergestellt werden mit wahlweiser, beabsichtigter Wiederverwendung (Recycling) von Abfallprodukten. Es besteht auch ein Bedarf für ein Verbundwerkstoffmaterial, welches in eine Gestalt extrudiert werden kann, die ein direkter Ersatz für die entsprechende gefräste Gestalt eines Konstruktionselements aus Holz oder Metall ist. Es wird ein thermoplastischer Kunststoff mit Faserverträglichkeit, guten thermischen Eigenschaften und guten Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Mechanik benötigt. Dies erfordert auch einen Verbundwerkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der an Holz heranreicht und in reproduzierbare stabile Abmessungen extrudiert werden kann, sowie einen hohen Elastizitätsmodul, eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Druckfestigkeit, eine niedrige Wärmeübertragung, eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Insektenbefall und Verrottung beim Einsatz und eine Härte und Festigkeit, die Sägen, Fräsen und Befestigungsbeständigkeit vergleichbar mit Elementen aus Holz gestattet. Unternehmen im Bereich der Herstellung von Fenstern und Türen sind außerdem äußerst empfindlich gegen Abfallstoffe geworden, die bei der Herstellung solcher Produkte anfallen. Wesentliche Mengen an Abfallholz, wie z.B. Holzstücke bei der Bearbeitung, Sägemehl, Nebenprodukte beim Schleifen von Holz, rückgeführte thermoplastische Materialien verursachen bei Fensterherstellern erhebliche Kosten. Normalerweise werden diese Materialien entweder verbrannt, um die Wärme bei der Stromerzeugung zu gewinnen oder in Deponien entsorgt. Solche Abfallprodukte sind mit erheblichen Mengen an Schmelzklebstoffen oder Klebstoffen auf der Basis von Lösemitteln, thermoplastischem Abfallmaterial, Farbe, Konservierungsstoffen und anderen organischen Materialien verunreinigt. Es besteht ein erheblicher Bedarf, für solche Abfallstoffe eine ökologisch unbedenkliche Verwendung zu finden, mit der verhindert wird, dass sie auf ökologisch schädliche Weise der Umgebung zugeführt werden. Ein Verbundwerkstoff, der mit den Eigenschaften dieser Abfallstoffe hergestellt werden kann, kann von Vorteil sein.

Kurzdiskussion der Erfindung

Es wurde gefunden, dass die Probleme bei der Bereitstellung eines Ersatzes für Konstruktionselemente aus Holz und Metall und die Probleme bei der Wiederverwendung (Recycling) von Abfallstoffen der Fensterfabrikation gelöst werden können, indem man ein technisches Harz/Holzfaser-Verbundwerkstoffmaterial gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Konstruktionselementen gemäß Anspruch 19 einsetzt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.
In den letzten Jahren wurde eine Großzahl von technischen Harzen zur Verfügung gestellt. Diese Harze sind in einer Vielzahl von Reinheiten, Molekulargewichten, Schmelzpunkten, Formulierungen verfügbar, die eine große Vielzahl von Materialien enthalten. Es wurde gefunden, dass nicht jedes thermoplastische technische Harz für die Herstellung von Holzfaser-Verbundwerkstoffen geeignet ist. Das technische Harz muss in geschmolzener Form mit Holzfasern kompatibel sein, damit ein hochfester Verbundwerkstoff entsteht. Die Holzfasern müssen von dem thermoplastischen Kunststoff vollständig benetzt und in ihrer Zellstruktur davon durchdrungen sein, damit ein hochfestes Verbundwerkstoffmaterial entsteht. Weiterhin muss das technische Harz thermische Eigenschaften (Schmelzflusseigenschaften oder Schmelzpunkt < 240ºC) aufweisen, die eine erfolgreiche Herstellung des Verbundwerkstoffs gestatten. Schließlich muss das Harz dem Verbundwerkstoffmaterial genügend Festigkeit geben, damit es bei Konstruktionselementen für die Fabrikation von Fenstern und Türen erfolgreich ist.
Das technische Harz kann mit Holzfasern und wahlweise mit Abfallstoffen kombiniert werden, um einen Harz/Holzfaser-Verbundwerkstoff in Gestalt eines thermoplastischen Extrudats gemäß Anspruch 15 zu bilden, bevorzugt in Form von Pellets. Die Holzfasern umfassen Sägemehl oder Fräsabfallprodukte beim Fräsen von Elementen aus Holz bei der Fensterfabrikation und können verunreinigt sein mit erheblichen Anteilen von Heißschmelzklebern, Farbe, Lösemitteln oder Haftklebern, Konservierungsmitteln, Harzen, Pigmenten, Weichmachern etc. Es wurde gefunden, dass der Verbundwerkstoff aus Harz und Holzfasern zu akzeptablen Ersatzstoffen für Elemente aus Holz verarbeitet werden kann, wenn das Harz- und Holzmaterial weniger als 8 Gew.-% Wasser enthält, bevorzugt weniger als 3,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Pellets. Die Zusammensetzungen ergeben im Endprodukt einen höhen Elastizitätsmodul, eine hohe Druckfestigkeit, reproduzierbare, stabile Abmessungen, einen guten Elastizitätsmodul und Wärmeausdehnungskoeffizienten, die mit denjenigen von Holz übereinstimmen.
Es wurde auch gefunden, dass die erfolgreiche Herstellung von Konstruktionselementen für Fenster und Türen die vorherige Herstellung des Harz/Holzfaser-Verbundwerkstoffs in Form eines Pellets erfordert, wobei die Materialien innig gemischt und miteinander in Kontakt gebracht werden, indem die Pellets vor der Extrusion der Elemente durch eine geeignet geformte Düse mit dem Verbundwerkstoff- oder Pelletmaterial hergestellt werden. Es wurde gefunden, dass das innige Vermischen von Harz, Holzfasern und wahlweise von Abfallstoffen bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs oder Pellets zusammen mit der Kontrolle des Feuchtegehalts ein pelletiertes Produkt ergibt, welches sehr gut angepasst ist an die Herstellung von Harz/Holzfaser-Komponenten durch Extrusion und zu einem für den Ersatz von Holz geeigneten Produkt führt.

Detailbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Verbundwerkstoffmaterialien aus einem technischen Harz und Holzfasern mit kontrolliertem Wassergehalt in Form eines Verbundwerkstoffs oder von pelletiertem Material, wobei die Holzfasern in innigen Kontakt miteinander gebracht und von dem Harz und den organischen Materialien benetzt werden. Der innige Kontakt und das Benetzen der Komponenten beim Pelletieren stellen sicher, dass die extrudierten Verbundwerkstoffmaterialien nach der Herstellung qualitativ hochwertige physikalische Eigenschaften haben.

Pellets

Das technische Harz und die Holzfasern können durch thermoplastisches Extrudieren kombiniert und daraus ein Pellet hergestellt werden. Das anfängliche Pelletieren ist bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes ein wichtiger Schritt. Die Holzfasern können dem Pelletierungsprozess in vielen Größen zugesetzt werden. Es wird angenommen, dass die Holzfasern eine minimale Länge von mindestens 0,1 mm haben sollten, weil Sägemehl (welches kleinere Abmessung hat) bei bestimmten Verhältnissen von Holz zu Luft zur Explosion neigt. Holzfasern mit einem geeigneten Höhe/Breite-Verhältnis (Aspektverhältnis) verbessern auch die physikalischen Eigenschaften der extrudierten Konstruktionselemente. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Aspektverhältnis mindestens 1,8.
Beim Pelletierungsprozess für die Pellets des Verbundwerkstoffs werden das Harz und die Holzfasern bei hohen Temperaturen und Drucken in innigen Kontakt miteinander gebracht, um sicherzustellen, dass die Holzfasern und das Polymermaterial so benetzen, gemischt und extrudiert werden, dass das Polymermaterial auf mikroskopischer Basis die Poren, Hohlräume etc. der Fasern beschichtet und in sie hineinfließt. Bevorzugt werden die fasern beim Extrusionsprozess in Extrusionsrichtung weitgehend ausgerichtet. Eine solche weitgehende Ausrichtung führt zu einer Überlappung von benachbarten parallelen Fasern und der Polymerbeschichtung der ausgerichteten Fasern, was zu einem Material führt, welches für die Erzeugung von verbesserten Konstruktionselementen mit besseren physikalischen Eigenschaften geeignet ist. Der Grad der Ausrichtung beträgt etwa 20%, bevorzugt 30% mehr als die Zufallsausrichtung, die etwa 45 bis 50% beträgt. Die Konstruktionselemente haben einen erheblich besseren Festigkeits- und Zugmodul sowie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen Elastizitätsmodul, der für Fenster und Türen optimiert ist. Die Eigenschaften stellen einen brauchbaren Kompromiss zwischen Holz, Aluminium und reinem Kunststoff dar.
Die Kontrolle der Feuchte ist ein wichtiges Element bei der Herstellung eines geeigneten linearen Extrudats oder Pellets. In Abhängigkeit von der eingesetzten Anlage und der Verfahrensbedingungen kann die Kontrolle des Wassergehaltes des linearen Extrudats oder Pellets wichtig sein bei der Herstellung eines erfolgreichen Konstruktionselementes, welches weitgehend frei von Hohlräumen in seinem Inneren oder von Fehlern auf der Oberfläche ist. Der Wassergehalt, der in Sägemehl bei der Herstellung von Pellets oder linearen Extrudaten vorhanden ist, kann beim Erwärmen von der Oberfläche des frisch extrudierten Konstruktionselements abspritzen und infolge einer schnellen Verdampfung tief im Inneren des extrudierten Elementes eine Gasblase bilden, die vom Inneren durch das heiße thermoplastische Extrudat verläuft und einen erheblichen Materialfehler hinterlässt. Auf ähnliche Weise kann Oberflächenwasser zu Blasen führen und Risse, Blasen oder ändere Oberflächenfehler in dem extrudierten Element hinterlassen. Weiterhin sollten technische Harze vermieden werden, die feuchtigkeitsempfindlich sind. Wasser kann mit einigen Kondensationspolymeren reagieren, was zu erhöhtem Schmelzindex und kleinerem Molekulargewicht führt.
Bäume enthalten beim Fällen in Abhängigkeit von der relativen Feuchte und der Saison 30 bis 300 Gew.-% Wasser bezogen auf den Fasergehalt. Nach dem Fällen und Schneiden kann Saisonholz einen Wassergehalt von 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den Fasergehalt, aufweisen. Nach dem Trocknen in einer Holztrocknungsanlage kann auf Länge geschnittenes Holz einen Wassergehalt von typischerweise im Bereich von 8 bis 12 Gew.-%, üblicherweise von 8 bis 10 Gew.-%, bezogen auf den Fasergehalt, aufweisen. Einige Holzsorten wie Pappel oder Espe können mehr Feuchtigkeit enthalten, wogegen der Wassergehalt einiger Harthölzer kleiner ist.
Wegen der Unterschiede im Wassergehalt von Holzfasern und der Empfindlichkeit des Extrudats gegenüber dem Wassergehalt ist eine Kontrolle des Wassers auf einen Wert von weniger als 8 Gew.-% im Pellet (bezogen auf das Pelletgewicht) wichtig. Für Konstruktionselemente, die mit entgasungsfreier Extrusion hergestellt wurden, sollte das Pellet so trocken wie möglich sein und einen Wassergehalt zwischen 0,01 und 5 Gew.-% haben, bevorzugt weniger als 1,5 Gew.-%. Wenn bei der Herstellung der extrudierten linearen Elemente eine Anlage mit Entgasung eingesetzt wird, kann ein Wassergehalt von weniger als 8 Gew.-% toleriert werden, wenn die Prozessbedingungen so sind, dass der Extruder mit Entgasung das thermoplastische Material vor der endgültigen Herstellung des Konstruktionselementes des Extrusionskopfes trocknet.
Die Pellets oder das lineare Extrudat gemäß der Erfindung werden hergestellt durch Extrudieren des technischen Harzes und des Holzfaser-Verbundwerkstoffs durch eine Extrusionsdüse, was zu einem linearen Extrudat führt, welches in die Gestalt von Pellets geschnitten werden kann. Der Querschnitt der Pellets kann in Abhängigkeit von der Geometrie der Extrusionsdüse jede beliebige Gestalt haben. Es wurde jedoch gefunden, dass ein Querschnitt mit regelmäßiger Geometrie nützlich sein kann. Solche regelmäßig gestaltete Querschnitte sind beispielsweise Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Sechsecke, Ovale, Kreise etc. Die bevorzugte Gestalt des Pellets ist ein regelmäßiger Zylinder mit ungefähr kreisförmigem oder geringfügig ovalem Querschnitt. Das Pelletvolumen ist bevorzugt größer als etwa 12 mm³. Das bevorzugte Pellet ist ein kreisförmiger Zylinder, der bevorzugte Radius des Zylinders beträgt mindestens 1,5 mm, wobei die Länge mindestens 1 mm beträgt. Das Pellet hat einen Radius von 0,1 bis 5 mm (bevorzugt 0,5 bis 5 mm) und eine Länge von 0,1 bis 50 mm (bevorzugt 1 bis 10 mm). Am meisten bevorzugt hat der Zylinder einen Radius von 1,5 bis 2,5 mm, eine Länge von 1,5 bis 4,7 mm, ein Volumen von größer als 40 mm³, bevorzugt größer als 100 mm³, ein Gewicht von 40 bis 130 mg und eine Schüttdichte von etwa 0,2 bis 0,8 g/mm³.
Es wurde gefunden, dass die Wechselwirkung, auf mikroskopischer Basis, zwischen der Harzmasse und den Holzfasern ein wichtiges Element der Erfindung ist. Die physikalischen Eigenschaften eines extrudierten Elementes werden verbessert, wenn die Polymerschmelze bei der Extrusion der Pellets oder des linearen Elements die Holzfaserteilchen gründlich benetzt und in sie eindringt. Das thermoplastische Material weist eine äußere kontinuierliche Phase aus organischem Harz auf, wobei die Holzteilchen als diskontinuierliche Phase in der kontinuierlichen Harzphase dispergiert sind. Beim Mischen und bei der Extrusion erhält das Fasermaterial ein Aspektverhältnis (welches beibehalten wird) von mindestens 1,5 und bevorzugt zwischen 2 und 7 und optimiert die Ausrichtung, so dass mindestens 20 Gew.-%, bevorzugt 30 Gew.-%, der Fasern in die Extruderrichtung ausgerichtet sind und die Fasern mit dem Polymer gründlich gemischt und davon benetzt werden, so dass die gesamte äußere Oberfläche der Holzfasern mit dem Polymermaterial in Kontakt stehen. Dies bedeutet, dass jede Pore, jeder Riss, Sprung, Durchgang oder Kerbe etc. vollständig mit dem thermoplastischen Material gefüllt ist. Das Eindringen wird erreicht durch Sicherstellung einer verringerten Viskosität der Harzschmelze, indem die Verfahrensschritte bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden und durch den Einsatz von genügend Druck, um das Polymer in die verfügbaren inneren Poren, Sprünge und Risse in und auf der Oberfläche der Holzfasern zu zwingen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Verbundwerkstoff zusätzlich ein Mittel, welches die Kompatibilität des technischen Harzes mit den Holzfasern verbessert.
Bei der Herstellung der Pellets oder des linearen Extrudats wird erheblicher Aufwand getrieben, um eine einheitliche Dispersion des Holzes im Polymermaterial zu erreichen. Dieser Aufwand führt zu einer erheblichen Ausrichtung, die beim Extrudieren zu einem fertigen Konstruktionselement eine größere Ausrichtung der Fasern im Konstruktionselement in Extruderrichtung gestattet, was zu besseren Festigkeitseigenschaften führt.
Die Pelletabmessungen werden ausgewählt unter dem Gesichtspunkt der leichteren Herstellung und der Optimierung der Eigenschaften des fertigen extrudierten Materials. Ein Pellet mit Abmessungen wesentlich unterhalb den vorstehend beschriebenen Abmessungen ist schwierig zu extrudieren, zu pelletieren und bei der Lagerung schwierig zu handhaben. Pellets, die größer sind als die angegebenen Bereiche, sind schwierig in einen Extruder oder eine Spritzgussanlage einzuführen und schwierig zu schmelzen und zu einem fertigen Konstruktionselement zu verarbeiten.

Thermoplastisches Polymer aus technischem Harz, Copolymere und Polymerlegierungen

Für das Pellet und die Verbundwerkstoffmaterialien gemäß der Erfindung kann eine Vielzahl von technischen Harzen eingesetzt werden. Für die Zwecke dieser Patentanmeldung ist ein technisches Harz ein allgemeiner Begriff, der einen thermoplastischen Kunststoff bedeutet, welcher Füllstoffe oder Verstärkungsmaterialien enthalten kann oder nicht, die mechanische, chemische und thermische Eigenschaften haben, welche für den Einsatz als Konstruktionskomponenten, Maschinenkomponenten und Komponenten der chemischen Verfahrenstechnik geeignet sind. Es wurde gefunden, dass für die Erfindung geeignete technische Harze sowohl polymere Kondensationsmaterialien als auch polymere Vinylmaterialien umfassen, Eingeschlossen sind polymere Vinyl- und Kondensationsharze und Legierungen davon wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyacetylharze, Polyacrylharze, Fluorkohlenwasserstoffharze, Nylon, Phenoxyharze, Polybutylenharze, Polyarylether wie z.B. Polyphenylether, Polyphenylensulfidmaterialien, Polycarbonatmaterialien, chlorierte Polyetherharze, Polyethersulfonharze, Polyphenylenoxidharze, Polysulfonharze, Polyimidharze, thermoplastische Urethanelastomere und viele andere Harzmaterialien. Vinylpolymere werden typischerweise hergestellt durch Polymerisation von Monomeren mit einer ethylenisch ungesättigten olefinischen Gruppe. Kondensationspolymerharze werden typischerweise hergestellt durch Kondensationspolymerisation, die typischerweise als schrittweise chemische Reaktion betrachtet wird, bei der zwei oder mehr Moleküle miteinander verbunden werden, was oft, jedoch nicht notwendigerweise, begleitet wird vom Austritt von Wasser oder von anderen einfachen und typischerweise flüchtigen Substanzen. Wenn ein Polymer gebildet wird, wird der Prozess als Polykondensation bezeichnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Polymer ein Polyacetal mit einem Schmelzfluss von 0,001 bis 0,1 g/10 min.

Wichtige Eigenschaften des Polymers

Für die erwähnten Holzfaser/Verbundstoff-Materialien ist nicht jedes technische Harz geeignet. Zunächst muss das technische Harz eine solche Oberflächenenergie aufweisen, dass das Material mit den Holzfasern kompatibel ist. Nicht mit den Holzfasern kompatible Harze benetzen die Holzfasern nicht genügend, um die Holzfasern fest zu binden und in sie einzudringen und ausreichende technische Eigenschaften zu erhalten. Für die Zwecke dieser Erfindung ist die Oberflächenenergie oder die Oberflächenbenetzbarkeit in ASTMD 724-89 (revidierte Fassung) definiert und wird erläutert in dem Artikel von Owens et al. "Estimation of the Surface Free Energy of Polymers," Journal of Applied Polymers Science, Band 13, Seite 1741-1747 (1969). Dieses Verfahren ist ein Standardverfahren zur Quantifizierung der Oberflächenenergie geworden. Es wurde gefunden, dass eine geeignete Oberflächenenergie größer als etwa 4 · 10&supmin;&sup4; N/cm² (40 dyn pro Quadratzentimeter) ist. Weiter wurde gefunden, dass das technische Harz bei Verfahrenstemperaturen, die wesentlich unterhalb der Zersetzungstemperatur der Holzfasern liegen, eine ausreichende Viskosität aufweisen muss. Dementsprechend muss die Verarbeitungstemperatur des thermoplastischen Materials wesentlich unterhalb von etwa 450ºF (340ºC) liegen, bevorzugt zwischen 180 und 240ºC. Weiter wurde gefunden, dass das für den Verbundwerkstoff der Erfindung eingesetzte technische Harz keine oder nur geringe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweisen darf. Mit anderen Worten gesagt, wenn das Harz bei thermoplastischen Temperaturen verarbeitet wird, verändert es sein Molekulargewicht oder seinen Schmelzindex nicht wesentlich aufgrund von Instabilität in Gegenwart von Feuchtigkeit. Eine wesentliche Veränderung des Molekulargewichtes oder des Schmelzindex ist eine Verringerung des Molekulargewichtes um 50% oder eine Verdoppelung des Schmelzindex. Nach der Herstellung des thermoplastischen Materials durch Kombinieren des thermoplastischen technischen Harzes mit den Holzfasern hat der entstehende Verbundwerkstoff schließlich einen Anfangsmodul bzw. Elastizitätsmodul von größer als etwa 3.447 MPa (500.000 psi), bevorzugt mindestens 4.137 MPa, bevorzugter mindestens 6.895 MPa. Weiterhin muss das Verbundwerkstoffmaterial nach ASTM D-57-81 über zwei Stunden eine Wasserabsorption von kleiner als 2% aufweisen, bevorzugt weniger als 1%, am meisten bevorzugt kleiner als 0,6%. Parameter der thermoplastischen technischen Harze
* Biegung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Polymer ein Additiv, welches ausgewählt ist aus einem Schmiermittel, einem Antioxidans, einem Pigment, einem thermischen Stabilisator oder einem Gemisch davon.

Kondensationspolymerharze

Für die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffmaterialien geeignete Kondensationspolymerharze sind z.B. Polyamide, Polyamidimidpolymere, Polyarylsulfone, Polycarbonat, Polybutylenterephthalat, Polybutylennaphthalat, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyethylenterephthalat, thermoplastische Polyimide, Polyphenylenether-Blends, Polyphenylensulfid, Polysulfone, thermoplastische Polyurethane u.a. Bevorzugte technische Kondensationsharze sind z.B. Polycarbonatmaterialien, Polyphenylenoxidmaterialien und Polyestermaterialien wie z.B. Polyethylenterephthalat-, Polybutylenterephthalat-, Polyethylennaphthalat- und Polybutylennaphthalatmaterialien.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Kondensationspolymer einen Schmelzflussindex von 1 bis 10 g/10 min.
Technische Polycarbonatharze sind hochleistungsfähige, amorphe, technische, thermoplastische Kunststoffe mit hoher Schlagfestigkeit, Klarheit, Wärmebeständigkeit und Formstabilität. Polycarbonate werden allgemein klassifiziert als Polyester oder Carbonsäure mit organischen Hydroxyverbindungen. Die gebräuchlichsten Polycarbonate basieren auf Phenol A als Hydroxyverbindung, welches mit einer Carbonsäure copolymerisiert ist. Die Materialien werden oft durch Umsetzung eines Bisphenols A mit Phosgen (COCl&sub2;) hergestellt. Polycarbonate können hergestellt werden mit Phthalatmonomeren, die zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit in den Polymerisationsextruder eingebracht werden; weiterhin können auch trifunktionelle Materialien eingesetzt werden, um die Schmelzfestigkeit von Materialien zu verbessern, die durch Blasextrusion hergestellt werden. Bei der Herstellung von Legierungen können Polycarbonate oft als Komponenten mit anderen handelsüblichen Polymeren als vielseitiges Blendmaterial eingesetzt werden. Polycarbonate können mit Polyethylenterephthalatacrylnitril/Butadien/Styrol-Harzen, Styrolmaleinsäureanhydridharzen und anderen kombiniert werden. Bevorzugte Legierungen umfassen ein Styrolcopolymer und ein Polycarbonat. Bevorzugte Werte für den Schmelzflussindex der polycarbonatmaterialien sollten zwischen 0,5 und 7, bevorzugt zwischen 1 und 5 g/10 min liegen.
Für die erfindungsgemäßen thermoplastischen Verbundwerkstoffe aus technischen Harzen und Holzfasern ist eine Vielzahl von Kondensationspolymeren in Gestalt von Polyestern geeignet, wie z.B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polybutylennaphthalat etc. Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat sind hochleistungsfähige Kondensationspolymere. Solche Polymere werden oft durch Copolymerisation eines Diols (Ethylenglycol, 1,4-Butandiol) mit Dimethylterephthalat hergestellt. Bei der Polymerisation des Materials wird das Polymerisationsgemisch auf eine hohe Temperatur erwärmt, was zur Umesterung unter Freisetzung von Methanol und Bildung des technischen Kunststoffes führt. In ähnlicher Weise können Polyethylennaphthalat- und Polybutylennaphthalatmaterialien wie oben durch Copolymerisation hergestellt werden, wenn als Säure eine Naphthalindicarbonsäure eingesetzt wird. Die Naphthalatthermoplaste haben im Vergleich zu den Terephthalatmaterialien eine größere Tg und eine höhere Stabilität bei hoher Temperatur. Jedoch sind all diese Polyestermaterialien für die erfindungsgemäßen Konstruktionsmaterialien aus Verbundwerkstoffen geeignet. Solche Materialien haben ein bevorzugtes Molekulargewicht, welches durch die Schmelzflusseigenschaften gekennzeichnet ist. Geeignete Polyestermaterialien haben eine Viskosität bei 265ºC von etwa 0,5 bis 2 Pa · s (500 bis 2000 cp), bevorzugt etwa 0,8 bis 1,3 Pa · s (800 bis 1300 cp).
Polyphenylenoxidmaterialien sind technische Thermoplaste, die in Temperaturbereichen von bis zu 330ºC geeignet sind. Polyphenylenoxid hat ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, Abmessungsstabilität und dielektrische Eigenschaften. Phenylenoxide werden üblicherweise hergestellt und verkauft als Polymerlegierungen oder Polymerblends, die dabei mit anderen Polymeren oder mit Fasern kombiniert werden. Polyphenylenoxid umfasst typischerweise ein Homopolymer aus 2,6-Dimethyl-1-phenol. Das Polymer ist üblicherweise bekannt als Poly(oxy-(2,6-dimethyl-1,4-phenylen). Polyphenylen wird oft als Legierung oder Blend mit einer Polyamidlegierung (typischerweise Nylon 6-6) mit Polystyrol oder hochschlagfestem Styrol und anderen eingesetzt. Ein bevorzugter Schmelzindex (ASTM 1238) für erfindungsgemäß geeignete Polyphenylenoxidmaterialien liegt typischerweise im Bereich von etwa 1 bis 20, bevorzugt etwa 5 bis 10 g/10 min. Die Schmelzviskosität bei 265ºC beträgt etwa 1000.

Vinylpolymere

Für die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffmaterialien kann eine Vielzahl von Vinylpolymermaterialien eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Klasse von Thermoplasten umfasst jedoch Styrolcopolymere. Der Begriff Styrolcopolymere deutet an, dass Styrol mit einem zweiten Vinylmonomer copolymerisiert wird, was zu einem Vinylpolymer führt. Solche Materialien enthalten mindestens 5 Mol-% Styrol, wobei der Rest durch ein oder mehr andere Vinylmonomere gebildet wird. Eine wichtige Klasse dieser Materialien sind Styrolacrylnitrilpolymere (SAN). SAN-Polymere sind zufallsverteilte amorphe lineare Copolymere, die durch Copolymerisation von Styrol, Acrylnitril und wahlweise anderen Monomeren hergestellt werden. Es wurden auch die Verfahren der Emulsions-, Suspensions- und der kontinuierlichen Substanzpolymerisation eingesetzt. SAN-Copolymere besitzen Transparenz, ausgezeichnete thermische Eigenschaften, gute chemische Beständigkeit und Härte. Diese Polymere werden auch gekennzeichnet durch ihre Festigkeit, Abmessungsstabilität und Tragfähigkeit. Olefinmodifizierte SAN (SAA-Polymermaterialien) und Acrylstyrolacrylnitrile (ASA-Polymermaterialien) sind bekannt. Diese Materialien sind etwas weicher als unmodifizierte SAN und sind geschmeidige, opake, Zweiphasen-Terpolymere mit erstaunlich verbesserter Witterungsbeständigkeit.
ASA-Polymere sind zufallsverteilte amorphe Terpolymere, die entweder durch Substanzcopolymerisation oder durch Pfropfcopolymerisation hergestellt werden. Bei der Substanzcopolymerisation werden ein Acrylmonomer als Styrol und Acrylnitril zur Bildung eines heterischen Terpolymers kombiniert. Bei einem alternativen Herstellungsverfahren können Styrolacrylnitriloligomere und -monomere zu einem Elastomergerüst auf Acrylbasis gepfropft werden. Solche Materialien werden gekennzeichnet als witterungsbeständige Produkte für den Außeneinsatz und als UV-beständige Produkte, die eine ausgezeichnete Anpassung von Farbbeständigkeit und Stabilität gegen Außenbewitterung ergeben. Diese Materialien können auch mit einer Vielzahl von anderen Polymeren gemischt oder legiert werden, wie z.B. Polycarbonat, Polymethylmethacrylat und andere. Eine wichtige Klasse von Styrolcopolymeren umfassen die Acrylnitril/Butadien/Styrol- Monomere. Diese Harze sind eine sehr vielseitige Familie von technischen Thermoplasten, die durch Copolymerisation der drei Monomere hergestellt werden. Jedes Monomer steuert in Bezug auf das entstehende Terpolymermaterial eine wichtige Eigenschaft bei. Dieses Material hat ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, chemische Beständigkeit und Oberflächenhärte, vereint mit Verarbeitbarkeit und Festigkeit. Diese Polymere sind auch zäh und schlagfest. Die Familie der Styrolcopolymerharze hat einen Schmelzindex im Bereich von etwa 0,5 bis 25, bevorzugt etwa 0,5 bis 20.
Eine wichtige Klasse von technischen Harzen, die für die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe verwendet werden kann, sind Acrylharze, Acrylharze umfassen ein breites Spektrum von Polymeren und Copolymeren, bei denen die Hauptmonomerbestandteile ein Esteracrylat oder -methacrylat sind. Diese Harze werden oft in Form von harten, klaren Folien oder Pellets zur Verfügung gestellt. Die Acrylmonomere werden mit freien Radikalen polymerisiert, die durch typische Peroxide, Azoverbindungen oder durch Strahlungsenergie ausgelöst werden. Es werden oft handelsübliche Polymerformulierungen zur Verfügung gestellt, bei denen eine Vielzahl von Additiven Modifizierstoffe sind, die während der Polymerisation eingesetzt werden und einen bestimmten Satz von Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zur Verfügung stellen. Für den Einsatz in Harzen bestimmte Pellets werden entweder ansatzweise hergestellt (kontinuierliche Lösungspolymerisation), gefolgt von Extrusion und Pelletieren oder kontinuierlich durch Polymerisation in einem Extruder, in dem nicht umgewandeltes Monomer bei vermindertem Druck entfernt und für die Wiederverwendung rückgewonnen wird. Die Herstellung von Acrylkunststoffen erfolgt üblicherweise unter Einsatz von Methylacrylat, Methylmethacrylat, höheren Alkylacrylaten und anderen copolymerisierbaren Vinylmonomeren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vinylpolymer ein Acrylpolymer mit Wiederholungseinheiten, die von einem Monomer stammen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylat, Methylmethacrylat und Gemischen davon. Bevorzugte Acrylharzmaterialien, welche für die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe geeignet sind, haben einen Schmelzindex von etwa 0,5 bis 50, bevorzugt etwa 1 bis 30 g/10 min. Vinylpolymerharze umfassen ein Acrylnitril, alpha-Olefine, wie z.B. Ethylen, Propylen, etc., Acrylatmonomere wie z.B. Acrylsäure, Methacrylat, Methylmethacrylat, Acrylamid, Hydroxyethylacrylat und andere, Styrolmonomere wie z.B. Styrol, alpha-Methylstyrol, Vinyltoluol etc., Vinylacetat und andere im Handel erhältliche ethylenisch ungesättigte Monomerzusammensetzungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Harz ein Polyvinylidenfluorid.
Polymerblends oder Polymerlegierungen können für die Herstellung der Pellets oder des linearen Extrudats der Erfindung geeignet sein. Solche Legierungen umfassen typischerweise zwei mischbare Polymere, die unter Bildung einer einheitlichen Zusammensetzung miteinander gemischt werden. Der wissenschaftliche und wirtschaftliche Fortschritt im Bereich der Polymerblends hat dazu geführt, dass wichtige Verbesserungen bezüglich der physikalischen Eigenschaften nicht durch die Entwicklung neuer Polymermaterialien verwirklicht wird, sondern durch die Herstellung mischbarer Polymerblends oder -legierungen. Eine Polymerlegierung umfasst im Gleichgewichtszustand ein Gemisch aus zwei amorphen Polymeren, welches existiert als einzelne Phase aus innig gemischten Segmenten der zwei makromolekularen Komponenten. Mischbare amorphe Polymere bilden bei genügender Kühlung Gläser, und ein homogenes oder mischbares Polymerblend zeigt eine einzelne, von der Zusammensetzung abhängige Glasübergangstemperatur (Tg). Ein nicht mischbares oder unlegiertes Polymerblend zeigt typischerweise zwei oder mehr Glasübergangstemperaturen, die mit nicht mischbaren Polymerphasen zusammenhängen. Im einfachsten Fall spiegeln die Eigenschaften von Polymerlegierungen den zusammensetzungsgemäß gewichteten Mittelwert der Eigenschaften wieder, die die Komponenten besitzen. Im Allgemeinen variiert jedoch die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung auf komplexe Weise mit einer bestimmten Eigenschaften, der Natur der Komponenten (glasig, gummiartig oder halbkristallin), dem thermodynamischen Zustand des Blends und seinem mechanischen Zustand, ob die Moleküle und Phasen ausgerichtet sind.
Die Hauptanforderung an das im Wesentlichen thermoplastische technische Harzmaterial besteht darin, dass es ausreichende thermoplastische Eigenschaften beibehält, damit das Schmelzmischen mit den Holzfasern und die Bildung von Pellets als lineares Extrudat sowie das Extrudieren oder Spritzgießen des Zusammensetzungsmaterials oder -pellets in einem thermoplastischen Prozess möglich ist, welches das feste Konstruktionselement bildet. Technische Harze und Harzlegierungen sind bei einer Anzahl von Herstellern erhältlich wie z.B B.F. Goodrich, G.E., Dow und DuPont.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Vinylprodukt eine Verarbeitungstemperatur von kleiner als 235ºC und einen Schmelzflussindex von 0,1 bis 20.

Holzfasern

Holzfasern können in Bezug auf Vorkommen und Eignung aus Weichhölzern oder immergrünen Bäumen oder Harthölzern stammen, die normalerweise als breitblättrige Laubwaldbäume bekannt sind. Weichhölzer sind für die Faserherstellung im Allgemeinen bevorzugt, weil die entstehenden Fasern länger sind, einen höheren Anteil an Lignin und kleinere Anteile an Hemicellulose als Harthölzer enthalten. Weichholz ist zwar die Hauptquelle für die Fasern der Erfindung, es können jedoch zur Veredelung weitere Fasern aus einer Anzahl von sekundären oder der Rückgewinnung dienenden Quellen stammen wie beispielsweise Bambus, Reis, Zuckerrohr und rückgewonnene Fasern aus Zeitungspapier, Schachteln, Computerausdrucken etc.
Die Hauptquelle für die Holzfasern der Erfindung umfassen jedoch Holzfaserabfällen beim Sägen oder Fräsen von Weichholz, die normalerweise als Sägemehl oder Frässpäne bekannt sind. Solche Holzfasern sind in Bezug auf Gestalt und Aspektverhältnis regelmäßig und reproduzierbar. Bei zufälliger Entnahme von etwa 100 Fasern haben die Fasern üblicherweise eine Länge von mindestens 0,1 mm, eine Dicke von bis zu 1 mm und ein Aspektverhältnis von mindestens 1,5. Bevorzugt haben die Fasern eine Länge von 0,1 bis 5 mm sowie ein Aspektverhältnis zwischen 2 und 7, bevorzugt 2,5 bis 6. Die bevorzugten Fasern für die Verwendung in der Erfindung sind Fasern aus Prozessen, die bei der Herstellung von Fenstern und Türen üblich sind. Holzelemente werden üblicherweise gegen die Faserrichtung mit Rippen versehen oder auf Maß gesägt, so dass geeignete Längen und Breiten von Holzmaterialien entstehen. Das Abfallprodukt bei solchen Bearbeitungen ist eine erhebliche Menge an Sägemehl. Bei der Formgebung eines regelmäßig gestalteten Holzteiles zur geeigneten, gefrästen Gestalt läuft Holz üblicherweise durch eine Maschine, die das Holz selektiv von dem Stück entfernt, wodurch die geeignete Gestalt zurückbleibt. Solche Fräsvorgänge erzeugen erhebliche Mengen an Sägemehl oder Frässpänen. Wenn schließlich gestaltete Materialien auf Maß geschnitten und aus vorgeformten Holzteilen Gehrungsverbindungen, stumpfe Verbindungen, überlappende Verbindungen und Zapfen- und Schlitzverbindungen hergestellt werden, entstehen erhebliche Mengen an Bearbeitungsabfällen. Solche großen Abfallstücke werden üblicherweise geschnitten und maschinell bearbeitet, um größere Objekte in Holzfasern umzuwandeln, die etwa die Abmessungen von Sägemehl oder Frässpänen haben. Die Quellen für Holzfasern der Erfindung können unbesehen der Teilchengröße gemischt und zur Herstellung des Verbundwerkstoffs eingesetzt werden. Das Fasermaterial kann vorher auf die Größe eines bevorzugten Bereiches gebracht, oder dies kann nach dem Mischen erfolgen. Weiterhin können die Fasern vor der Verwendung bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs vorpelletiert werden.
Solches Sägemehlmaterial kann erhebliche Anteile an Abfallprodukten enthalten. Solche Abfallprodukte sind z.B. Polymermaterialien, die auf Holzteilen zur Beschichtung, zur Umhüllung oder Ummantelung verwendet wurden; wiederverwendete Konstruktionselemente aus thermoplastischen Materialien; Polymermaterialien aus Beschichtungen; Haftkomponenten in Form von Heißschmelzklebstoffen, Klebstoffen auf Lösemittelbasis, Klebstoffe in Pulverform etc.; Farben wie z.B. auf der Basis von Wasser, Alkydfarben, Epoxyfarben etc.; Konservierungsmittel, Fungizide, Bakteriozide, Insektizide etc. und andere Abfallprodukte, die bei der Herstellung von Türen und Fenstern aus Holz üblich sind. Der Gesamtgehalt an Abfallstoffen von Holzfasermaterialien beträgt üblicherweise weniger als 25 Gew.-% des gesamten Holzfaserausstoßes in das Produkt aus Verbundwerkstoff. Etwa 10 Gew.-% der gesamten Abfallstoffe kann ein thermoplastisches Material sein. Die absichtliche Wiederverwendung liegt üblicherweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 25 Gew.-%, bevorzugt etwa 2 bis etwa 20 Gew.-%, am üblichsten etwa 3 bis etwa 15 Gew.-% der Verunreinigungen, bezogen auf das Sägemehl. Parameter des Verbundwerkstoffs
* Biegung

Herstellung der Zusammensetzung und der Pellets

Bei der Herstellung der Zusammensetzung und der Pellets der Erfindung erfordert das Herstellungsverfahren zwei wichtige Schritte, erstens das Mischen und zweitens das Pelletieren.
Beim Mischen werden das technische Harz und die Holzfasern durch Mischen mit hoher Scherwirkung innig mit Abfallmaterial vermischt, so dass ein Polymer/Holz-Verbundwerkstoff entsteht, bei dem das Polymergemisch eine kontinuierliche organische Phase umfasst und die Holzfasern zusammen mit den Abfallmaterialien eine diskontinuierliche Phase bildet, die in der gesamten Polymerphase suspendiert oder darin dispergiert ist. Die Herstellung der dispergierten Phase aus Fasern in einer kontinuierlichen Polymerphase erfordert erhebliche mechanische Kräfte. Solche Kräfte können mit einer Vielzahl von Mischeinrichtungen aufgebracht werden wie beispielsweise bevorzugt dem Mechanismus des Extrudierens, bei dem die Materialien mit hoher Scherwirkung gemischt werden, bis Benetzung und Kontakt im erforderlichen Ausmaß erreicht werden. Nach dem vollständigen Mischen der Materialien kann mit einer Station zur Entfernung der Feuchtigkeit der Gehalt an Feuchtigkeit eingestellt werden. Der erwärmte Verbundwerkstoff wird solange bei erhöhter Temperatur dem Atmosphärendruck oder vermindertem Druck ausgesetzt, dass so viel Feuchtigkeit entfernt wird, dass der Endgehalt etwa 8 Gew.-% oder weniger beträgt. Dann werden die Polymerfasern ausgerichtet und in eine geeignete Form extrudiert.
Die bevorzugte Einrichtung zum Mischen und Extrudieren der Zusammensetzung und der Holzpellets ist ein Industrieextruder. Solche Extruder sind bei vielen Herstellern erhältlich, wie z.B. Cincinnati Millicron, etc.
Die dem Extruder zugeführten Materialien können etwa 30 bis 50 Gew.-% Sägemehl umfassen, welches wiederverwendete Verunreinigungen enthält, wobei der Rest eine technische Harzzusammensetzung ist. Bevorzugt werden etwa 35 bis 50 Gew.-% Glasfasern oder Sägemehl mit 65 bis 50 Gew.-% Harz kombiniert. Das zugeführte Harz liegt üblicherweise in Form von kleinen Teilchen vor, die die Form von Flocken, Pellets, Pulvern etc. haben können. Jede Form von Polymerharz kann verwendet werden, so dass das Polymer mit dem Sägemehl trocken gemischt werden kann, wodurch ein weitgehend einheitliches Vorgemisch entsteht. Die Holzfaser- oder -sägemehlbeschickung kann von verschiedenen Arbeitsstätten stammen, wie z.B. Sägemehl, welches von einer Spaltsäge oder beim Sägen gegen die Faserrichtung erzeugt wird, beim Fräsen von Holzprodukten entsteht oder bei der absichtlichen Umwandlung oder Faserproduktion aus Holzabfällen. Solche Materialien können unmittelbar eingesetzt werden, wie sie dort entstehen und wo Holzfaserabfälle anfallen, oder die Abfälle können zu einem Mischprodukt gemischt werden. Außerdem kann jedes Holzfasermaterial alleine oder in Kombination mit anderen Holzfasermaterialien mit Abfallprodukten gemischt werden, die bei der erwähnten Herstellung von Holzfenstern entstehen. Die Holzfasern oder das Sägemehl können in üblichen Maschinen für den Umgang mit teilchenförmigem Material mit anderen Fasern kombiniert und rückgewonnen werden.
Dann werden das Harz und die Holzfasern in geeigneten Anteilen miteinander trocken gemischt, bevor sie der Mischeinrichtung zugeführt werden. Dieses Mischen kann in getrennten Geräten erfolgen, in denen pulverförmige Stoffe behandelt werden, oder die Polymerfaserströme können der Mischstation gleichzeitig mit geeigneter Beschickungsgeschwindigkeit zugeführt werden, um die richtige Produktzusammensetzung sicherzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Holzfasern in einen Trichter gegeben, der gewichts- oder volumengesteuert die Fasern anteilig in den Mischer gibt. Das Harz wird in ein ähnliches Harzzuführungssystem gegeben. Die Menge Harz und Fasern werden so eingestellt, dass das Verbundwerkstoffmaterial geeignete Anteile (gewichts- oder volumenbezogen) enthält. Die Fasern werden in einen Extruder eingeführt, bevorzugt in einen Doppelschraubenextruder. Der Extruder hat einen Mischbereich, einen Transportbereich und einen Schmelzbereich. Jeder Bereich hat ein gewünschtes Wärmeprofil, welches ein geeignetes Produkt liefert. Die Materialien werden in den Extruder mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 bis etwa 1.000 lb Material pro Stunde eingespeist und zunächst auf eine Temperatur erwärmt, die einen genügenden Schmelzfluss des Harzes sicherstellt. Es wird ein mehrstufiger Extruder eingesetzt, der ein Temperaturprofil erzeugt, welches das Harz und die Fasern wirksam miteinander mischt. Die letzte Stufe der Extrusion umfasst den Extruderkopf. Der Kopfbereich kann eine kreisförmige Verteilung (Durchmesser 6 bis 8 in) von 10 bis 500 oder mehr, bevorzugt 20 bis 250 Öffnungen enthalten, die einen Querschnitt haben, der zur Erzeugung eines regelmäßigen zylindrischen Pellets führt. Nach dem Extrudieren aus dem Extruderkopf wird das Material mit einem Doppelblattmesser mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 100 bis 400 min&supmin;¹ abgeschnitten, was zur gewünschten Länge der Pellets führt.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der vorstehend im Detail beschriebenen Erfindung. Die nachfolgenden Informationen erläutern die typischen Herstellungsbedingungen und -zusammensetzungen und den Zugmodul eines aus den Pellets hergestellten Konstruktionselements. Die folgenden Beispiele und Daten enthalten eine beste Ausführungsform.

Herstellung von Proben

Zur Herstellung von Proben aus technisches Harz/Sägemehl-Verbundwerkstoffen wird ein Doppelschrauben-Brabenderextruder im Labormaßstab eingesetzt. Die folgenden Harze wurden verwendet:
* Schmelzindex/Schmelzflussgeschwindigkeit, gemessen nach ASTM 1238
Die Polymere werden in einem Knetwerk mit Sägemehl vorgemischt (40 Gew.-%). Zur Unterstützung der Verarbeitungsfähigkeit wird ein Schmiermittel (oxidiertes Polyethylen AC 629A) mit 1,5 bis 2 phr (parts per hundred parts of resin, Teile pro hundert Teile Harz) zugesetzt. Beispielsweise werden 600 g Polymer gemischt mit 400 g Sägemehl und 900 g AC 629A. Das Polymer/Sägemehl-Vorgemisch wird dann in den Laborextruder eingespeist. Der Extruder ist mit einer Schlitzdüse (Breite 2,54 cm (1 in), Dicke 0,254 cm (0,1 in) und mit einer Abziehvorrichtung mit einem Luftmesser zur Kühlung ausgerüstet.
Das Polymer/Sägemehl-Gemisch wird dem Extruder unter Volumendosierung zugeführt. Die Zufuhrgeschwindigkeit wird so eingestellt, dass sich ein weicher Materialfluss ergibt. Der Extruder wird unter den nachfolgenden Bedingungen betrieben:

Parameter Einstellung

Schnecke in Zone 1, Temperatur 150ºC
Schnecke in Zone 2, Temperatur 165ºC
Schnecke in Zone 2, Temperatur 180ºC
Adaptertemperatur 185ºC
Düsentemperatur 180ºC
Schneckengeschwindigkeit 10-15
Beschickungseinstellung 15-20
Luftdruck zur Kühlung 1,378 bar (20 psi)
Die Temperaturen, Beschickungs- und Schneckengeschwindigkeiten wurden eingestellt, um den unterschiedlichen Fließeigenschaften der unterschiedlichen Polymere gerecht zu werden. Nach der Extrusion wurden Streifen mit einer Länge von etwa 4 ft für die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften aufgehoben.

Untersuchung der physikalischen Eigenschaften

Die nachfolgenden Untersuchungen wurden mit Proben durchgeführt, die aus den extrudierten Streifen erhalten wurden. Die Probengröße für die jeweilige Untersuchung der physikalischen Eigenschaften wird nachfolgen als Länge, Breite und Dicke in in angegeben. Vor der Durchführung der Untersuchungen wurden alle Proben 30 Minuten lang in einem Ofen bei 90ºC getempert und mindestens 12 Stunden lang bei Zimmertemperatur belassen.
Instron-Spannungs/Dehnungs-Kurven bei einer Umformungsgeschwindigkeit von 0,127 cm (0,05 in/min) von Proben mit 17,8 · 2,54 · 0,25 cm (7 · 1 · 0,1 in) nach ASTM D 3039 M
Bestimmung der Warmverformungstemperatur in einer erwärmten Luftkammer von Proben mit 12,7 · 2,54 · 0,25 cm (5 · 1 · 0,1 in) nach ASTM D 648-82
Wärmeausdehnungskoeffizient unter Einsatz eines Dilatometers von Proben mit 6,35 · 1,25 · 0,25 cm (2,5 · 0,5 · 0,1 in) nach ASTM D 696-91
Oberflächenenergie, berechnet aus dem Kontaktwinkel mit einem Ramé Hart Goniometer
Alle Untersuchungen wurden strikt gemäß den angegebenen ASTM-Normen durchgeführt. Das Instrongerät und das Goniometer wurden bei Zimmertemperatur betrieben. Aufgrund der Empfindlichkeit von Sägemehl gegenüber dem Öl, welches als Wärmeübertragungsflüssigkeit in einer standardmäßigen Messeinrichtung zur Bestimmung der Warmverformung eingesetzt wurde, wurde eine isolierte Box mit einer Streifenheizung und einer Temperaturregelung gebaut, so dass die Proben mit warmer Luft erwärmt werden konnten. Die mit einem Thermoelement in der Nähe der Proben gemessene Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur betrug etwa 1,85ºC/min. dieser Wert liegt nahe bei der ASTM-Norm von 2ºC/min. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird gemessen an Proben mit einer Länge von 2,5 in über einen Temperaturanstieg von 0 bis 45ºC.
Der Zusatz von Füllstoffen zu einem Polymer verbessert dessen Steifheit und Beständigkeit gegenüber Verformung und Ausdehnung bei Temperaturerhöhung, wie es durch die Messung des Moduls, der Warmverformungstemperntur und des Wärmeausdehnungskoeffizienten gezeigt wird. Der Kontaktwinkel bei Messung mit einem Goniometer spiegelt die Benetzbarkeit einer Oberfläche mit einer polaren (Wasser) und einer unpolaren (Methyleniodid) Flüssigkeit wider. Aus dem Kontaktwinkel, der beim Aufbringen eines Tropfens von Wasser und Methyleniodid auf die Oberfläche erhalten wurde, wurde ein Term für die Oberflächenenergie berechnet. Eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von null hat eine hohe Oberflächenenergie und eine gute Benetzbarkeit. Holz hat eine hohe Oberflächenenergie, thermoplastische Materialien eine kleinere. Je kleiner die Differenz der Oberflächenenergie zwischen Holz und Kunststoff, desto besser ist die thermodynamische Haftung zwischen ihnen. Diese Kriterien wurden zur Untersuchung der Auswirkungen des Zusatzes von Sägemehl zu thermoplastischen Materialien eingesetzt. Tabelle 1 Physikalische Eigenschaften
(+) nicht erfindungsgemäß
(*) zu Vergleichszwecken Tabelle 2 Abmessungen der untersuchten Proben
Die obige Beschreibung, Beispiele und Daten stellen eine vollständige Beschreibung der Herstellung und der Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung dar. Weil viele Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, ohne vom Geist und vom Bereich der Erfindung abzuweichen, sind für die Erfindung die beigefügten Patentansprüche maßgeblich.

Claims

1. Thermoplastischer Harz-Faser-Verbundwerkstoff, der zu einem Konstruktionselement geformt werden kann, ein thermoplastisches technisches Harz und Fasern enthält und im Wesentlichen aus:

(a) einer kontinuierlichen Phase aus einem thermoplastischen technischen Harz mit vinylchloridfreien Monomer-Wiederholungseinheiten, einer Oberflächenenergie von mehr als 4 · 10&supmin;&sup4; N/cm², einer Verarbeitungstemperatur von weniger als 250ºC und einer solchen Feuchtigkeitsempfindlichkeit, dass das Harz bei der Verarbeitung in Gegenwart von Wasser keine wesentliche Verringerung des Schmelzindex oder des Molekulargewichts erfährt; und

(b) einer dem Verbundwerkstoff Konstruktionstauglichkeit verleihende Menge Holzfaser mit einer minimalen Abmessung von 0,1 Millimeter und einem minimalen Aspektverhältnis von 1,5

besteht, wobei das Harz und die Holzfaser bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck unter Erzielung eines Endfeuchtigkeitsgehalts von 8 Gew.-% oder weniger so vermischt werden, dass sich ein inniges Gemisch ergibt, die Holzfasern in einer kontinuierlichen Phase aus thermoplastischem Harz dispergiert werden und der erhaltene Verbundwerkstoff recycelbar ist und einen Anfangsmodul von mindestens 3.447 MPa aufweist.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem das technische Harz ein unter einem Kondensationspolymer, einem Vinylpolymer und einer Polymerlegierung davon ausgewähltes Polymer enthält.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem das Kondensationspolymer ein unter einem Polyphenylenoxid, einem Polybutylenterephthalat, einem Polyethylennaphthalat, Celluloseacetatbutyrat, einem thermoplastischen Polyurethan, Polyamid, Polyphenylether und Polyphenylensulfid ausgewähltes Polymer enthält.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei dem das Vinylpolymer ein Polyvinylidenfluorid oder ein Styrol, Acrylnitril und Styrol oder Acrylnitril, Butadien und Styrol enthaltendes Copolymer enthält.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei dem das Vinylpolymer ein Acrylpolymer mit Wiederholungseinheiten, die sich von einem Monomer aus der Gruppe bestehend aus Acrylsäure, Methylacrylat, Methylmethacrylat und Gemischen davon ableiten, enthält.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem die Polymerlegierung ein Polycarbonatharz und ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz enthält.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Kondensationspolymer einen Schmelzflussindex von 1 bis 10 g/10 min aufweist.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem es sich bei dem Vinylpolymer um ein Polyacetal mit einem Schmelzfluss von 0,001 bis 0,1 g/min handelt.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, 4, 5 oder 8, bei dem das Vinylpolymer eine Verarbeitungstemperatur von weniger als 235ºC und einen Schmelzflussindex von 0,1 bis 20 aufweist.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem das Polymer ein unter einem Gleitmittel, einem Antioxidans, einem Pigment, einem Thermostabilisator oder einem Gemisch davon ausgewähltes Additiv enthält.

11. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Aspektverhältnis mindestens 1, 8 beträgt.

12. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Holzfaser eine Faserlänge von 0,1 bis 2 Millimeter und ein Aspektverhältnis von 2 bis 7 aufweist.

13. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Holzfaser ein Nebenprodukt des Fräsens oder Sägens von Holzbauelementen enthält.

14. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verbundwerkstoff außerdem auch noch ein Mittel enthält, das die Verträglichkeit des technischen Harzes mit der Holzfaser fördert.

15. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anfangsmodul mindestens 4.137 MPa, vorzugsweise mindestens 6.895 MPa, beträgt.

16. Thermoplastisches Extrudat, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 15.

17. Extrudat nach Anspruch 16 in Form eines Pellets in Form eines geraden Kreiszylinders mit einem Radius von 0,1 bis 5 Millimeter und einer Länge von 0,1 bis 50 Millimeter.

18. Extrudat nach Anspruch 17, bei dem der Zylinder einen Radius von 1,5 bis 2,5 mm und eine Länge von 1,5 bis 4,7 mm aufweist.

19. Extrudat nach Anspruch 18 oder 19, bei dem das Pellet 0,01 bis 5% Wasser enthält.

20. Aus einem thermoplastischen Extrudat nach einem der Ansprüche 16 bis 19 hergestelltes Konstruktionselement.

21. Element nach Anspruch 20 zur Verwendung in einem Fenster- oder Türprodukt.