ES2290363T3 - Una composicion para preparar formas extruidas y un metodo para preparar dicha composicion. - Google Patents

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Abstract

Una composición para usar en miembros estructurales, comprendiendo dicha composición: un material polimérico seleccionado entre el grupo compuesto por cloruro de polivinilo, polietileno y polipropileno en una concentración del 82% al 99% en peso de la mezcla, estando formado dicho material polimérico con células cerradas internas; y fibras de vidrio que están embebidas en el material polimérico de célula cerrada, estando dichas fibras de vidrio en una cantidad del 1% al 18% en peso de la composición y teniendo una longitud de fibra en el intervalo de 50 mim a 900 mim.

Description

Una composición para preparar formas extruidas y un método para preparar dicha composición.
La invención actualmente descrita se refiere a composiciones y métodos para preparar materiales de construcción compuestos.
Durante muchos años la madera ha sido el material elegido para ciertas aplicaciones estructurales tales como cubiertas y porches. Sin embargo, la madera tiene una desventaja principal que es sujeto de ataque de moho, añublo, hongos e insectos. La protección de estas causas normalmente se consigue mediante recubrimientos protectores o por tratamiento con productos químicos o metales tales como arsénico. Sin embargo, estos métodos protectores tienen la desventaja de que requieren mantenimiento periódico o emplean el uso de toxinas humanas.
Además, la madera también está sometida a cambios de color como resultado de la exposición a la luz del sol o elementos naturales. En algunas aplicaciones, tales como cubiertas al aire libre dicha reactividad se manifiesta de diversas maneras tales como manchas de color bajo el mobiliario o las esterillas, así como otros aspectos indeseables.
Para evitar estas dificultades, en algunos casos los materiales metálicos se han usado en la construcción de la técnica anterior como alternativa a la madera. Los materiales metálicos son impermeables a hongos e insectos peligrosos aunque están sometidos a procesos de corrosión. Además, el peso y/o coste de los materiales metálicos les hace poco adecuados para numerosas aplicaciones.
Para superar estas dificultades, en la técnica anterior se han desarrollado diversos sustitutos de tableros para cubiertas de madera y miembros estructurales similares. Como ejemplo, la Patente de Estados Unidos 5.660.016 de Erwin describe tableros de cubierta que están compuestos por una carcasa externa de cloruro de polivinilo extruída que está rellena con un núcleo de espuma de poliuretano rígido. Como otro ejemplo, la Patente de Estados Unidos 6.128.880 de Meenan describe un sistema de cubierta modular en el que diversos componentes del sistema están diseñados para interconectarse o ensamblarse de forma cooperativa. Sin embargo, dichos sistemas especializados a menudo requieren características especiales tales como sistemas de unión para asegurar los tablones. Otras mejoras en las cubiertas compuestas se han dirigido a características ornamentales tales como se muestra en Design Patent Des. de Estados Unidos Nº 418.926.
En algunos procesos para preparar miembros compuestos, se usa un polímero de vinilo en combinación con elementos de madera. Por ejemplo en las Patentes de Estados Unidos 2.926.729 y 3.432.885 describen un revestimiento de cloruro de polivinilo termoplástico que está combinado con miembros de madera para formar componentes arquitectónicos. De acuerdo con otra tecnología, una capa de resina termoplástica puede enlazarse a una capa de resina termoestable. Por ejemplo, en la Patente de Estados Unidos Nº 5.074.770 una preforma formada al vacío se trata para modificar la estructura polimérica de la superficie de la resina y mejorar la adhesión con una capa de resina termoplástica. Los procesos tales como los descritos en la Patente de Estados Unidos Nº 5.098.496 de Breitigam para preparar artículos a partir de composiciones poliméricas termoestables curables por calor se conocen también en la técnica anterior.
En otros casos, los materiales poliméricos de vinilo están comprendidos por un polímero de vinilo en combinación con uno o más aditivos. Ambos materiales termoplásticos rígidos y flexibles se han formado en materiales estructurales por procesos de moldeo por extrusión e inyección. En algunos casos, estos materiales incluyen también fibra, materiales inorgánicos, colorantes y otros aditivos. Los ejemplos de cloruro de polivinilo termoplástico y fibra de madera mezclada para preparar un material compuesto se encuentran en las Patentes de Estados Unidos 5.486.553; 5.539.027; 5.406.768; 5.497.594; 5.441.181; y 5.518.677.
En algunos casos, el material espumado se ha usado también para preparar miembros estructurales. Los termoplásticos espumados típicamente se hacen dispersando o expandiendo una fase gaseosa a través de una fase polimérica líquida para crear una espuma que comprende un componente polimérico y un componente gaseoso incluido en una estructura cerrada o abierta. La fase gaseosa se produce mediante agentes de soplado. Dichos agentes de soplado pueden ser agentes de soplado químicos o agentes de soplado físicos. Por ejemplo, la Patente de Estados Unidos 5.001.005 de Blaupied describe paneles laminados con núcleo espumado en los que un núcleo espumado, tal como una espuma plástica termoestable, está provisto con láminas rígidas planas o láminas de revestimiento flexibles reticuladas. Las láminas de revestimiento están formadas por diversos materiales tales como fibra de vidrio unida con aglutinantes de resina. Otros materiales de revestimiento incluyen papel, plástico, lámina de aluminio, metal, goma y madera.
En algunos casos, se han aplicado procesos en particular a la fabricación de componentes estructurales de polímero termoplástico espumado y fibras de madera. Se muestra un ejemplo en la Patente de Estados Unidos 6.054.207. Otras mejoras a los tablones de cubiertas de plástico extruídos rellenos de espuma se han dirigido a características funcionales tales como un recubrimiento con superficie no deslizante del material de grava sobre pintura acrílica que se describe en la Patente de Estados Unidos 5.713.165 de Erwin.
Sin embargo, en la técnica anterior no se ha conocido el uso de un material polimérico espumado, en particular cloruro de polivinilo, en combinación con una fibra de vidrio. Como se describe adicionalmente en conexión con la realización actualmente preferida, se ha descubierto que esta combinación de polímero espumado y fibra de vidrio da un material con propiedades que son especialmente adecuadas para usar como un sustituto de madera en aplicaciones estructurales. Entre otras ventajas, se ha descubierto que el material es altamente resistente a la intemperie en que resiste la decoloración o cambio de color debido a la exposición a la luz del sol o elementos ambientales. Además, se ha descubierto que el material tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, un alto módulo (y resistencia a torsión), y una alta resistencia a agrietamiento.
De acuerdo con la presente invención, una composición para usar en componentes estructurales extruidos incluye un material polimérico termoplástico seleccionado a partir del grupo compuesto por cloruro de polivinilo, polietileno y polipropileno, que está embebido homogéneamente con fibra de vidrio. La composición incluye adicionalmente células o huecos internos cerrados. La composición incluye fibras de vidrio en la cantidad del 1% al 18% en peso y material polimérico termoplástico en la cantidad del 82% al 99% en peso. Preferiblemente, el material termoplástico es cloruro de polivinilo que tiene huecos o células cerradas en su interior, dichos huecos o células en el agregado incluyen entre el 30% al 70% del volumen del material. También preferiblemente, la composición tiene una gravedad específica en el intervalo de 0,5 a 1,0. Las fibras de vidrio tienen una longitud de fibra en el intervalo de 50 \mum a 900 \mum. Preferiblemente, las fibras de vidrio tienen un tamaño de tamiz en el intervalo de 0,397 mm a 6,35 mm (1/64 pulgadas a ¼ pulgadas); un diámetro de fibra en el intervalo de 5 \mum a 30 \mum; y una densidad volumétrica en el intervalo de 0,275 g/cm^{3} a 1,05 g/cm^{3}.
Otras características, ventajas y objetos de la invención actualmente descrita resultarán evidentes para los especialistas en la técnica según transcurre la descripción de una realización actualmente preferida de la misma.
Las realizaciones actualmente preferidas de la invención descrita se muestran y describen en relación con las figuras adjuntas en las que:
La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra un proceso para preparar la composición descrita;
La Figura 2 es una sección transversal de la extrusora ilustrada en la Figura 1 en la localización indicada para las líneas 2-2 en la Figura 1;
La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra otro proceso para preparar la composición descrita;
La Figura 4 es un diagrama de un aparato de inyección de gas que se usa en combinación con la extrusora que se ilustra en la Figura 3.
Como se muestra en la Figura 1, una extrusora 10 incluye un mecanismo accionador y una caja de cambios 12 que está acoplada mecánicamente con un barril de la extrusora 14. La extrusora 10 incluye adicionalmente un suministrador 16. Preferiblemente, la extrusora 10 es una extrusora cónica de doble tornillo del tipo disponible en Milacron, Inc. o equivalente. Sin embargo, pueden usarse también extrusoras de un único tornillo o de doble tornillo paralelo, disponibles en el mercado en la práctica de la invención descrita.
Como saben bien los especialistas en la técnica pertinente, en dichas extrusoras disponibles en el mercado el material de suministro fluye desde el suministrador 16 al extremo de entrada 18 del barril 14. De acuerdo con la realización preferida de las Figuras 1 y 2, el barril 14 define una cámara ahusada interna 20 que está alineada a lo largo de un eje longitudinal 21 que se extiende entre el extremo de entrada 18 y el extremo de salida 22 del barril 14. En la realización preferida de las Figuras 1 y 2, la extrusora 10 es una extrusora cónica de doble tornillo de manera que el área de sección transversal de la cámara 20 disminuye a lo largo del eje longitudinal 21 a posiciones longitudinales a lo largo del eje 21 que se mueve en la dirección lejos del extremo de entrada 18 y hacia el extremo de salida 22. La extrusora 10 incluye adicionalmente tornillos 24 y 25 (Figura 1 únicamente) que están localizados en la cámara ahusada 20 y están acoplados mecánicamente a la caja de cambios 12.
Como saben bien también los especialistas en la técnica pertinente, cuando la caja de cambios está accionada, hace que los tornillos de la extrusora 24 y 26 giren en la cámara 20 según el material de suministro se suministra desde el suministrador 16 al extremo de entrada 18 del barril 14. La rotación de los tornillos de la extrusora 24 y 25 lleva el material de suministro a través de la cámara 20 en la dirección hacia el extremo de salida 22 del barril 14. Un troquel 26 que tiene un puerto de troquel con un perfil de perímetro seleccionado se conecta al barril 14 en el extremo de salida 22. Según el material de suministro pasa desde el extremo de entrada 18 al extremo de salida 22 del barril 14, el área de sección transversal de la cámara 20 disminuye y el material de suministro se comprime. Las fuerzas de compresión y fricción sobre el material de suministro hacen que la presión y la temperatura del material de suministro aumenten. En algún punto de la cámara 20 del barril 14 entre el extremo de entrada 18 y el extremo de salida 22, la temperatura se eleva hasta el punto de que el material de suministro forma un fundido fluido. En el extremo 22 del barril 14, el fundido fluido se fuerza a través del puerto del troquel 26 para producir una longitud extruída. La longitud extruída de material tiene un perfil de sección transversal en la dirección normal al eje longitudinal que corresponde al perfil del puerto del troquel en el troquel 26.
De acuerdo con la invención actualmente descrita, el material de suministro incluye como ingredientes un material polimérico termoplástico y fibras de vidrio. Como se describe en este documento, el material polimérico termoplástico se selecciona entre el grupo compuesto por cloruro de polivinilo, polietileno, y polipropileno. Preferiblemente, el material polimérico termoplástico son perlas de cloruro de polivinilo porque se ha encontrado que el cloruro de polivinilo da como resultado una composición que es altamente resistente a la intemperie. El cloruro de polivinilo y las fibras de vidrio se combinan mezclándolos juntos o mezclándolos en el suministrador 16 según el material fluye desde el suministrador 16 hasta el extremo de entrada 18 del barril 14. En cualquier caso, el cloruro de polivinilo y las fibras de vidrio desde la mezcla de suministro que se suministra al barril 14 en el extremo de entrada 18.
Dentro del barril 14, los tornillos 24 y 25 transportan la mezcla de suministro a través de la cámara 20 en la dirección general a lo largo del eje 21 lejos del extremo de entrada 18 y hacia el extremo de salida 22. Según la mezcla de suministro pasa a través de la cámara 20, la mezcla de cloruro de polivinilo/fibra de vidrio se comprime. El aumento de temperatura de la mezcla de suministro en el barril de la extrusora 14 hace que el cloruro de polivinilo se funda o licue y se combine con las fibras de vidrio para formar un fundido termoplástico/vidrio de cloruro de polivinilo que se embebe con las fibras de vidrio. El fundido termoplástico/vidrio o fundido de cloruro de polivinilo/vidrio se extruye posteriormente a través del puerto del troquel 26 para formar un miembro que tiene el perfil de sección transversal seleccionado.
Se ha descubierto que si las fibras de vidrio que se usan en la mezcla de suministro tienen parámetros dentro de los intervalos seleccionados, el producto extruido tendrá un módulo relativamente alto, es decir, una mayor resistencia a torsión. Dicha composición es particularmente útil en ciertas aplicaciones tal como cubiertas al aire libre en las que el producto extruido se expondrá a una carga de cizalla relativamente alta. De acuerdo con la invención descrita, las fibras de vidrio tienen los siguientes parámetros: diámetro de tamiz 0,397 mm a 6,35 mm (1/64 pulgadas a ¼ pulgadas); diámetro de fibra de 5 \mum a 30 \mum; longitud de fibra de 50 \mum a 900 \mum; y densidad volumétrica de 0,275 g/cm^{3} a 1,05 g/cm^{3}.
Las Figuras 1 y 2 ilustran una realización en la que un agente de soplado químico se usa como ingrediente de la mezcla de suministro en combinación con el material polimérico termoplástico y la fibra de vidrio. El agente de soplado químico es un agente espumante que se mezcla con el material termoplástico y la fibra de vidrio como componente de la mezcla de suministro. El agente de soplado químico puede mezclarse con el material polimérico y las fibras de vidrio para formar una mezcla de suministro, o puede mezclarse junto con el polímero y la fibra de vidrio según estos materiales se suministran desde el suministrador 16 a la entrada de suministro de la extrusora.
En la realización de las Figuras 1 y 2, según los tornillos de la extrusora 24 y 25 transportan el material de suministro desde el extremo de entrada 18 de la cámara 20 al extremo de salida 22, el agente de soplado químico reacciona químicamente en respuesta al aumento de temperatura y presión en la cámara 20 del barril de la extrusora 14. La reacción química del agente de soplado produce gases reactivos que se mezclan con el fundido de termoplástico/vidrio para formar células internas cerradas en el fundido de termoplástico/vidrio. En la realización preferida, las células cerradas definen huecos en la composición, estando dichos huecos en el intervalo del 30% al 70% del volumen que se define dentro de la superficie del miembro compuesto acabado. Las células cerradas formadas por el agente de soplado químico reducen la densidad del fundido de termoplástico/vidrio y, por lo tanto, reducen también la densidad de la forma extruída. Preferiblemente, la gravedad específica del material compuesto está en el intervalo de 0,5 a 1,0.
Los agentes de soplado químico tales como los descritos en este documento pueden ser de tipo exotérmico o endotérmico. El agente de soplado exotérmico crea calor según se descompone. Un ejemplo preferido de un agente de soplado exotérmico de acuerdo con la invención descrita en este documento es azodicarbonamida. Cuando se ha calentado suficientemente, la azodicarbonamida se descompone en nitrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y amoniaco. El agente de soplado endotérmico absorbe calor según se descompone. Los ejemplos de agente de soplado endotérmico preferido de acuerdo con la invención actualmente descrita son bicarbonato sódico y ácido cítrico. También, los agentes de soplado endotérmico y exotérmicos pueden usarse en combinación. Por ejemplo, la azodicarbonamida puede combinarse con ácido cítrico y con bicarbonato sódico.
En la realización actualmente descrita de las Figuras 3 y 4, el barril está provisto adicionalmente con puertos de inyección 28 y 30. Los puertos de inyección 28 y 30 se usan para introducir un agente de soplado físico que está destinado a reducir la densidad del fundido como se describe más específicamente en este documento. Como se muestra en las Figuras 3 y 4, el agente de soplado se introduce a través del barril de la extrusora y el ensamblaje inyector en el fundido. En algunas aplicaciones de extrusión, el aumento de presión y temperatura del material termoplástico hace que la descarga gaseosa se produzca en el extremo 22 del barril de la extrusora 14. En ocasiones se proporcionan purgas en el barril de la extrusora con propósito de establecer una zona de descompresión para liberar los gases no deseados. Sin embargo, en la realización que se ilustra en las Figuras 3 y 4 no hay zona de descompresión.
De forma similar al agente de soplado químico, el agente de soplado físico hace que el fundido se incorpore en estructuras celulares cerradas internas en el fundido líquido. De acuerdo con la realización preferida de las Figuras 3 y 4, el agente de soplado es del tipo que es un agente de soplado físico que es un gas. El agente de soplado físico se inyecta a través del sistema de inyección que se ilustra en la Figura 4 y a través del barril de la extrusora 14 hacia el fundido de termoplástico/vidrio. De acuerdo con la realización preferida, el agente de soplado físico puede ser un gas presurizado tal como nitrógeno, dióxido de carbono, butanos fraccionados o clorofluorocarbonos. La presión de suministro del gas debe ser mayor que la presión del fundido. Las presiones de inyección típicas están en el intervalo de 13,8 MPa a 27,6 MPa (2.000 a 4.000 psi). La mezcla física tiene lugar en el área de la cámara de interna 20 entre los puertos del inyector 28 y 30 y el troquel 26.
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El ensamblaje del inyector mostrado en la Figura 4 incluye dos boquillas 32 y 34 que están conectadas a una T 36 mediante las tuberías 38 y 40. La T 36 está conectada a un suministro de gas presurizado 42 a través de una válvula de control 44, un regulador 46 y las tuberías 48, 50 y 52. Durante el funcionamiento del ensamblaje de inyector, un agente de soplado físico de gas presurizado se inyecta a una presión que es relativamente mayor que la presión en la cámara interna 20 en la localización de las boquillas 32 y 34. Típicamente, la presión de inyección está en el intervalo de 13,8 MPa a 41,4 MPa (2000 a 6000 psi). El agente de soplado gaseoso fluye desde el suministro de gas 42 hacia el regulador 46, la válvula de control 44, la T 36 y las tuberías 38 y 40 hacia las boquillas 32 y 34. El agente de soplado gaseoso fluye desde las boquillas 32 y 34 hacia la cámara 20 de la extrusora 10 y se mezcla en su interior con el polímero líquido o fundido. Cuando se mezcla con el gas inyectado, el polímero forma células cerradas internas. Como con el agente de soplado químico, el agente de soplado físico se expone al fundido y da como resultado huecos o células cerradas que componen en el intervalo del 30 al 70% en volumen del fundido total. La gravedad específica del fundido está en el intervalo del 0,5 a 1,0. Esta estructura de células cerradas da como resultado una menor densidad del fundido así como una menor densidad del material extruido después de que el fundido se extruya a través del troquel 26 para producir un producto lineal que tiene un perfil que corresponde a la forma del puerto del troquel en el troquel 26.
Como alternativa, los agentes de soplado químicos como se han descrito en este documento en relación con las Figuras 1 y 2 pueden usarse en combinación con agentes de soplado físicos como se describe en relación con las Figuras 3 y 4.
Se ha descubierto que la combinación de fundido de cloruro de polivinilo/vidrio en presencia de un agente de soplado da como resultado una extrusión de compuesto que es resistente a la intemperie y que es de una densidad apropiada para usar como sustituto para maderos en aplicaciones tales como cubiertas al aire libre. Adicionalmente, se cree que debido al uso de las fibras de vidrio, la composición descrita tiene un alto módulo y un bajo coeficiente de expansión térmica. Se ha descubierto que la composición extruida de células cerradas de fibras de vidrio y cloruro de polivinilo tiene propiedades mecánicas preferidas en concreto mayor resistencia a tracción, de flexión, y a impacto. Se ha descubierto también que tiene mayor estabilidad dimensional y menos distorsión mecánica en respuesta a los aumentos de temperatura.
Aunque varias realizaciones actualmente preferidas de la invención se han mostrado y descrito en este documento, la invención actualmente descrita no se limita a las mismas si no que puede realizarse de otras diversas maneras dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (4)

1. Una composición para usar en miembros estructurales, comprendiendo dicha composición:
un material polimérico seleccionado entre el grupo compuesto por cloruro de polivinilo, polietileno y polipropileno en una concentración del 82% al 99% en peso de la mezcla, estando formado dicho material polimérico con células cerradas internas; y
fibras de vidrio que están embebidas en el material polimérico de célula cerrada, estando dichas fibras de vidrio en una cantidad del 1% al 18% en peso de la composición y teniendo una longitud de fibra en el intervalo de 50 \mum a 900 \mum.
2. La composición de la reivindicación 1 en la que las fibras de vidrio tienen un tamaño de tamiz en el intervalo de 0,397 mm a 6,35 mm (1/64 pulgadas a ¼ pulgadas).
3. La composición de la reivindicación 1 en la que las fibras de vidrio tienen un diámetro de fibra en el intervalo de 5 \mum a 30 \mum.
4. La composición de la reivindicación 1 en la que las fibras de vidrio tienen una densidad volumétrica en el intervalo de 0,275 g/cm^{3} a 1,05 g/cm^{3}.
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