[发明专利]定向热塑和颗粒物质的复合材料

说明书

本发明涉及纤维或薄片增强的热塑性复合材料及其制备方法。特别地，涉及纤维素纤维增强的热塑性组合物，更特别地，涉及强度、模量和密度值可与典型的硬木或软木相比的泡沫组合物及其制备方法。

1993年8月10日公开的US5，234，652（Woodhams）描述了高分子量聚乙烯熔融相挤塑以生产在流动方向模量和强度均显著增加的挤塑物的方法。所描述的方法中，使在或接近其熔融温度的高分子量塑性材料通过有聚流料道的模头以生产高取向的挤塑物，模头界面的塑性材料处于显著的拉伸状态，即塞状流过聚流模头料道。

US5，234，652中所描述的发明是基于这样的提议，即当聚合物链以平行方式充分地拉伸和取回时，得到取向的挤塑物其强度和模量显著增大。尽管此概念已广泛地适用于纤维和膜，但应用此概念于较厚型材的企图已受到聚合物链在升温下迅速恢复其未拉伸的平衡形态的自然趋势的限制。该应变恢复通常表现为称作喷模头膨胀的现象，其中当挤塑物离开被加热的模头时，熔融挤塑物弹性收缩和膨胀。在US5，234，652描述的方法中，聚合物以半固态挤塑，即在强制挤塑，在流动方向拉伸可变形的聚合物链并保持如此赋予挤塑物的取向性的条件下熔融相挤塑。在此熔融态挤聚条件下，在低挤塑温度、足够高分子量和塞状流下，分子松驰时间足够长以便在冷却至环境温度的过程中和之后充分保持产品的取向性。已证明高分子量聚乙烯特别适用于此方法。

已知各种挤塑方法用于连续生产整体结构泡沫产品。特别相关的是1973年10月9日公开的US3，764，642（P.E.Boutillier）。这些方法使用所谓“Celuka die”而提供有内泡沫芯的、需要求尺寸的、高密度的硬皮挤塑产物。

尽管聚合物的流体静力挤压已知道一段时间了（N.Inoue，M.Nishihara，HYDROSTATIC EXTRUSION，Theory and Applications，Section4，Polymers，Elsevier Applide Science Publishers，PP.333-362，1985），但该方法一般只限于柱塞挤压，其在类似于金属流体静力挤压的条件下伴有坯料变形。挤压模头方面的现有技术很多，如可从由W.Michaeli出版的教材（EXTRUSION DIES，Design and Engineering Computations，Hanser Publishers，1984）中了解。但是，稳定光滑地挤塑没有熔融断裂或模头膨胀的高取向聚合物的精确条件不为挤压工业领域的技术人员所知。

本发明揭示了一种方法，借此，可在或接近其软化温度下容易地挤压多数充气的聚合物而直接生产高取向的型材。

发明人已发现通过挤压方法可制备结构性能可与天然软木和硬木相媲美的、强度和模量均特别高的如纤维或薄片增强的热塑性复合物形式的可取向的颗粒材料。这些方法使包括基质和分散颗粒材料的热塑性聚合物链均在纵向流动方向取向，并以该优选的取向固化挤塑的型材，基本上防止聚合物链在随后冷却至环境温度的过程中松驰。

热塑性弹性熔融的流动定向使链分子的平衡结构变形而使链段在流动方向优选取向。这种链定向增加固体定向结构在取向方向的强度和模量。术语“可定向的颗粒”是指其一尺寸远大于另一尺寸并可基本上在一种方向定向平行或平面排列的各向异性颗粒。因此，以薄片和纤维为代表的并埋入聚合物基质中的这种重叠颗粒一般称为“增强填料”。

所观测的机械性质是这两种增强机理相加或协同作用的结果。实践中将很好地理解这种增强理论（短玻璃纤维、石棉、云母、滑石、Wollastonite、木纤维）。

因此，一方面，本发明提供一种包括定向塑性材料和定向颗粒材料的复合物的高模量制品的连续生产方法，所述方法包括步骤：

a使接近或在软化温度并混有可定向的颗粒物质的可定向塑性物质连续通过横截面积沿塑性流动的前进方向递减的料道，从而制备挤塑物；

b使保持在或接近其熔融温度的挤塑物变形，而制备定向的、变形的挤塑物；和

c冷却该变形的挤塑物以保持该定向而提供所述的复合物。

术语“可定向颗粒物质”是指纤维、薄片等形式的物质，其可如前所述基本上以平行或平面排列取向。优选可定向颗粒物质由纤维素物质形成。

术语“软化温度”是指接近结晶型聚合物熔点的温度，或就非晶形聚合物而论，接近玻璃转化温度的温度，在玻璃转化温度下粘度有突变。