塑料系制成制品和用于形成所述制品的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年8月8日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/863,657的權(quán)益，其通過(guò) 引用全部結(jié)合在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施方案涉及取向塑料制品，具體涉及取向塑料復(fù)合制品。在一些方面 中，本發(fā)明的實(shí)施方案還涉及用于外部建筑應(yīng)用的建筑產(chǎn)品并且涉及用于制造此類(lèi)產(chǎn)品的 方法。
[0004] 背景
[0005] 木材和木材替代材料可以充當(dāng)外部覆層(cladding)、鋪板(decking)、裝飾(trim) 件、圍欄(fencing)等并且可以在建筑結(jié)構(gòu)外部周?chē)谋┞秴^(qū)域上找到。許多消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)從 美學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看木材覆層、鋪板裝飾和圍欄非常合乎需要的，但是通常選擇了備選產(chǎn)品（例 如，木材塑料復(fù)合鋪板，鋼壁板(siding)、乙烯壁板和圍欄、或模制塑料或壓制成形水泥護(hù) 套產(chǎn)品），這是由于當(dāng)與木材相比時(shí)它們較低的初始成本、維護(hù)容易程度、和感覺(jué)的長(zhǎng)壽。木 材產(chǎn)品，除了它們的較高成本之外，容易由于暴露于持續(xù)的水分(雨、雪、高濕度)和過(guò)度或 不足陽(yáng)光條件而隨時(shí)間劈裂、發(fā)霉和腐爛。
[0006] 在多種應(yīng)用和設(shè)計(jì)中被制成仿真木材的已知的商業(yè)合成產(chǎn)品，包括纖維水泥產(chǎn)品 和擠出塑料產(chǎn)品，尤其是聚氯乙烯壁板(通常被稱(chēng)為乙烯壁板），已經(jīng)取得了一定的市場(chǎng)成 就。然而，它們?nèi)匀蝗鄙僬嬲静谋诎?、鋪板、圍欄和?lèi)似產(chǎn)品的可靠性，尤其是對(duì)于鋪板和 雪松護(hù)墻板壁板(clapboard siding)來(lái)說(shuō)。合成木材替代材料暴露于水分和陽(yáng)光并且可能 會(huì)被它們改變。例如，乙烯壁板，作為其在每天的熱循環(huán)期間膨脹和收縮的結(jié)果，通常不直 接緊固至建筑結(jié)構(gòu)，而是必須懸掛并且相鄰部件的端部重疊，從而避免壁板的扭曲或相鄰 部件之間難看的空隙。然而，即使利用這些預(yù)防措施，作為由于陽(yáng)光照射的溫度增加的結(jié) 果，也可能會(huì)出現(xiàn)乙烯壁板的永久損壞，所述溫度增加取決于壁板顏色、來(lái)自窗戶(hù)的反射 等，并且可能會(huì)達(dá)到多至25°C以上或甚至40°C以上的高于環(huán)境的溫度增加。
[0007]已經(jīng)教導(dǎo)了填充取向塑料復(fù)合材料作為木材替代材料。這些材料通過(guò)以下方式制 成:將填充熱塑性塑料擠出以制造擠出的聚合物組合物，溫度調(diào)節(jié)并且之后在拉伸溫度下 將聚合物組合物拉伸通過(guò)固態(tài)拉模以制造取向聚合物組合物(OPC)。在拉伸過(guò)程期間，在填 料粒子附近產(chǎn)生腔室，從而制造與拉伸過(guò)程前的聚合物組合物相比密度降低的制品。OPC制 品特別適用于覆層，因?yàn)榭梢跃哂袑?duì)于OPC覆層來(lái)說(shuō)足夠低的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)(CLTE)，以直 接緊固至基板而不使相鄰部件的端部重疊。
[0008]然而，即使在適中的溫度下，許多高度取向的填充塑料組合物制品也可能會(huì)在板 長(zhǎng)度方向，即在拉伸過(guò)程期間將聚合物組合物取向的方向上收縮。長(zhǎng)度的減?。ㄊ湛s)可能 會(huì)是產(chǎn)物銷(xiāo)售前的儲(chǔ)存或最終用途應(yīng)用中的問(wèn)題。根據(jù)暴露的持續(xù)時(shí)間和溫度，多至1%、 2 %、或甚至3 %以上的長(zhǎng)度方向的收縮是可能的。在一些極端條件下，經(jīng)過(guò)數(shù)天、數(shù)周、或數(shù) 月，5%以上的收縮會(huì)是可能的。儲(chǔ)存期間的收縮可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物具有小于標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度的長(zhǎng) 度；用于鋪板或覆層的板的作為陽(yáng)光加熱的結(jié)果的收縮可能會(huì)引起板甚至更大的收縮，這 可能會(huì)導(dǎo)致鄰接的板之間難看的空隙。
[0009] 概述
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，取向聚合物組合物(OPC)制品包含可取向聚合物并且具 有主體，所述主體具有其中長(zhǎng)度尺寸大于寬度尺寸且寬度尺寸大于厚度尺寸的長(zhǎng)度尺寸、 寬度尺寸和厚度尺寸，所述OPC制品包括與所述主體的長(zhǎng)度尺寸對(duì)準(zhǔn)的所述可取向聚合物 的聚合物帶(polymer strand)和當(dāng)通過(guò)將所述OPC制品在至少高達(dá)且包括71攝氏度的溫度 下加熱24小時(shí)來(lái)測(cè)試時(shí)為至少99 %的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定性。
[0011] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，一種形成取向聚合物組合物(OPC)制品的方法，所述取向聚 合物組合物制品包含拉伸的可取向聚合物并且具有主體，所述主體具有其中長(zhǎng)度尺寸大于 寬度尺寸且寬度尺寸大于厚度尺寸的長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸和厚度尺寸，所述方法包括:在穩(wěn) 定化溫度下將所述OPC制品的長(zhǎng)度處理足以引起所述主體在長(zhǎng)度尺寸上的收縮的穩(wěn)定化時(shí) 間，以及在所述處理之后，將所述OPC制品冷卻至環(huán)境溫度以提供長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制 品。當(dāng)通過(guò)將所述長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制品在至少高達(dá)且包括71攝氏度的溫度下加熱24 小時(shí)來(lái)測(cè)試時(shí)，所述長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制品的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定性為至少99%。
[0012] 在又一個(gè)實(shí)施方案中，形成取向聚合物組合物(OPC)制品的方法包括：（a)提供包 含可取向聚合物的聚合物組合物；（b)將所述聚合物組合物調(diào)節(jié)至拉伸溫度，所述拉伸溫度 為低于所述聚合物組合物的軟化溫度10攝氏度以上；（c)將所述調(diào)節(jié)過(guò)的聚合物組合物拉 伸通過(guò)拉模以形成0PC，所述OPC具有主體，所述主體具有其中長(zhǎng)度尺寸大于寬度尺寸且寬 度尺寸大于厚度尺寸的長(zhǎng)度尺寸、寬度尺寸和厚度尺寸；（d)將所述模拉伸的OPC在穩(wěn)定化 溫度下處理足以引起所述主體在長(zhǎng)度尺寸上的收縮的穩(wěn)定化時(shí)間；以及(e)將所述處理過(guò) 的OPC冷卻至環(huán)境溫度以提供長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制品。當(dāng)通過(guò)將所述長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的 OPC制品在至少高達(dá)且包括71攝氏度的溫度下加熱24小時(shí)來(lái)測(cè)試時(shí)，所述長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化 的OPC制品的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定性為至少99%。
[0013] 本發(fā)明的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制品可以用于任何其中需要長(zhǎng)度尺寸的塑料制品 的應(yīng)用。本發(fā)明的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的OPC制品尤其可用于內(nèi)部或外部建筑應(yīng)用并且本發(fā)明 的制品特別適用于外部建筑應(yīng)用。本發(fā)明的長(zhǎng)度尺寸穩(wěn)定化的制品的非限制性應(yīng)用包括鋪 板、地板、圍欄或覆層以及其他外部應(yīng)用如模制或裝飾件。
[0014] 發(fā)明的實(shí)施方案的描述
[0015] 術(shù)語(yǔ)
[0016] "固態(tài)"是指低于該聚合物(或聚合物組合物)的軟化溫度的聚合物(或聚合物組合 物）。因此，"固態(tài)拉伸"是指拉伸低于聚合物(或聚合物組合物)的軟化溫度的聚合物或聚合 物組合物。"固態(tài)模拉伸"是指將低于其軟化溫度的聚合物或聚合物組合物拉伸通過(guò)成形 模。
[0017] "聚合物組合物"包括至少一種聚合物組分并且可以含有非聚合物組分。"填充"聚 合物組合物包括非連續(xù)的添加劑，如無(wú)機(jī)或有機(jī)填料。
[0018] "可取向聚合物"是可以通過(guò)固態(tài)形變(例如，固態(tài)拉伸)經(jīng)歷受誘導(dǎo)的分子取向的 聚合物?？扇∠蚓酆衔锟梢允欠蔷w或半晶體(半晶體聚合物具有熔點(diǎn)（Tm)并且包括被稱(chēng) 為"晶體"的那些聚合物）。理想的可取向聚合物包括半晶體聚合物，并且尤其是，線(xiàn)性聚合 物(其中在I，000個(gè)聚合物單元中的少于1個(gè)中發(fā)生鏈分支的聚合物）。半晶體聚合物可以是 特別理想的，因?yàn)樗鼈兛梢员确蔷w聚合物組合物在強(qiáng)度和撓曲模量方面產(chǎn)生更大的增 加。半晶體聚合物組合物在取向時(shí)可以產(chǎn)生為非晶體聚合物組合物的4-10倍的在強(qiáng)度和撓 曲模量方面的增加。
[0019] "可取向聚合物柑'是可以通過(guò)固態(tài)形變(例如，固態(tài)拉伸)經(jīng)歷受誘導(dǎo)的分子取向 的聚合物相。通常，基于總可取向聚合物相重量，可取向聚合物相中的聚合物的75wt%以 上、甚至90wt%以上或95wt%以上是可取向聚合物?？扇∠蚓酆衔锵嘀械娜烤酆衔锒伎?以是可取向聚合物?？扇∠蚓酆衔锵嗫梢园环N或多于一種類(lèi)型的聚合物以及一種或多 于一種類(lèi)型的可取向聚合物。
[0020] "取向聚合物組合物制品"、"0PC"和"取向聚合物組合物"是可互換的并且是指通 過(guò)將聚合物組合物的聚合物取向而制成的制品。取向聚合物組合物包含具有比從混合機(jī)中 擠出的聚合物組合物更高的分子取向度的聚合物分子。
[0021] 除非另外說(shuō)明，"重量％"和"wt%"是可互換的并且是相對(duì)于總聚合物重量。
[0022] 具有僅一種或多于一種的半晶體聚合物作為聚合物組分的聚合物或聚合物組合 物的"軟化溫度"（Ts)是聚合物組合物中連續(xù)相聚合物的熔化溫度。
[0023] 半晶體聚合物的"熔化溫度"（Tm)是通過(guò)晶體到熔體的相變的一半時(shí)的溫度，其在 以特定加熱速率加熱結(jié)晶的聚合物時(shí)通過(guò)差示掃描量熱法(DSC)測(cè)定。半晶體聚合物的Tm 可以根據(jù)ASTM方法E794-06中的DSC過(guò)程測(cè)定。也可以通過(guò)DSC使用ASTM方法E794-06中相同 測(cè)試條件測(cè)定聚合物的組合以及填充聚合物組合物的Tm。如果聚合物的組合或填充聚合物 組合物僅含有可溶混聚合物并且在DSC曲線(xiàn)中僅有一個(gè)晶體到熔體的相變是明顯的，則聚 合物組合或填充聚合物組合物的Tm是通過(guò)相變的一半時(shí)的溫度。如果歸因于不可混溶聚合 物的存在而在DSC曲線(xiàn)中多個(gè)晶體到熔體相變是明顯的，則聚合物組合或填充聚合物組合 物的Tm是連續(xù)相聚合物的Tm。如果多于一種聚合物是連續(xù)的并且它們是不可溶混的，則聚 合物組合或填充聚合物組合物的Tm是連續(xù)相聚合物的最高Tm。如在本文中所使用的，Tm-X °C是指熔化溫度Tm減去一些X°C。例如，Tm-60°C是指以攝氏度表示的材料的熔化溫度Tm減 去60°C的溫度。
[0024] 具有僅一種或多于一種的非晶體聚合物作為聚合物組分的聚合物或聚合物組合 物的"軟化溫度"（Ts)是聚合物組合物的連續(xù)相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
[0025]如果半晶體和非晶體聚合物相是共同連續(xù)（co-continuous)的，則組合的軟化溫 度是兩相中較低的軟化溫度。如果聚合物組合物含有半晶體和非晶體聚合物的組合，聚合 物組合物的軟化溫度是聚合物組合物的連續(xù)相聚合物的軟化溫度。
[0026]聚合物或聚合物組合物的"玻璃化轉(zhuǎn)變溫度"（Tg)是通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變相變一半時(shí) 的溫度，其通過(guò)DSC根據(jù)ASTM方法D3418-03中的過(guò)程測(cè)定。也可以通過(guò)DSC在D3418-03中的 相同的測(cè)試條件下測(cè)定聚合物的組合以及填充聚合物組合物的Tg。如果聚合物的組合或填 充聚合物組合物僅含有可溶混聚合物并且在DSC曲線(xiàn)中僅有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變相變是明顯 的，則聚合物組合或填充聚合物組合物的Tg是通過(guò)相變的一半時(shí)的溫度。如果歸因于不可 混溶非晶體聚合物的存在而在DSC曲線(xiàn)中多個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變相變是明顯的，則聚合物組合或 填充聚合物組合物的Tg是連續(xù)相聚合物的Tg。如果多于一種非晶體聚合物是連續(xù)的并且它 們是不可溶混的，則聚合物組合物或填充聚合物組合物的Tg是連續(xù)相聚合物的最高Tg。
[0027] 如果聚合物組合物含有半晶體和非晶體聚合物的組合，聚合物組合物的軟化溫度 是連續(xù)相聚合物或聚合物組合物的軟化溫度。
[0028] "拉伸溫度"是指聚合物組合物在其開(kāi)始在固態(tài)拉模中經(jīng)歷拉伸時(shí)的溫度。
[0029]技術(shù)人員理解的是，在加工期間聚合物組合物通常具有通過(guò)其橫截面（即沿著組 合物的橫截面尺寸)的溫度差異。因此，提及聚合物組合物的溫度是指沿著聚合物組合物的 橫截面尺寸的最高和最低溫度的平均值。在沿著聚合物橫截面尺寸的兩個(gè)不同點(diǎn)處的溫度 與沿著橫截面尺寸的最高和最低溫度的平均溫度適宜地相差10%以下，優(yōu)選5%以下，更優(yōu) 選1%以下，最優(yōu)選0%。可以通過(guò)將熱電偶插入至沿著橫截面尺寸的不同的點(diǎn)來(lái)測(cè)量沿著 橫截面尺寸的以攝氏度(°C)表示的溫度。
[0030] "線(xiàn)拉伸比（linear drawing ratio)"是在形成聚合物帶或纖維的拉伸過(guò)程期間 聚合物組合物在拉伸方向（拉伸組合物的方向）上伸長(zhǎng)多少的量度?？梢酝ㄟ^(guò)下列方式在加 工的同時(shí)測(cè)定線(xiàn)拉伸比：標(biāo)記聚合物組合物上以取向前組合物間距隔開(kāi)的兩個(gè)點(diǎn)并且在拉 伸之后測(cè)量那兩個(gè)點(diǎn)距離多遠(yuǎn)以得到取向組合物間距。最終間距與初始間距的比等于線(xiàn)拉 伸