专利名称：形成热活化粘合剂复合物的方法
技术领域：
两种主要的热活化粘合剂是热固性和热塑性化合物。这样，从热活化粘合剂和填料组分来形成复合物产品的领域可根据使用的粘合剂的特性，即热塑性的或热固性，来划分成两个主要的分支。
在制备重新组成的纤维素产物中使用了热固性聚合物。例如。为了从重新组成的木材，如薄木板或中密度纤维板中制成平板，需将热固性聚合物粘合剂与木纤维或颗粒混合以形成衬垫。衬垫然后放在压板之间并压制。在压制时，给衬垫加热使其软化，从而使衬垫易于压缩，也易于固化热固性聚合物粘合剂。压制/加热粘合剂到使其软化并最终固化所化费的时间使复合板的生产减慢，并且在很大程度上该时间依赖于用来给衬垫加热的热传递的机理。使形成产品所需的压制时间最小是很需要的。这里需说明一下，在大规模碎料板装置中一次压制循环减少一秒，就可使年销售额增加约$35,000。
在重新组成木板的常规压制中，热从加热的压板表面传导到衬垫上。由于纤维素和热固性聚合物组成物的热传导不良，该方法要求衬垫在压机中保持相当的时间以让衬垫的核心温度上升到足以使热固性聚合物粘合剂固化并完成平板形成程度。这对于厚衬垫是个难题，因为，压制时间随着衬垫的厚度明显增加。
人们试图通过升高压板的温度来减少传导压制中的压制时间。但是，只能稍稍减少压制时间，并且增加压板的温度会烧或损坏平板。
减少压制时间的常规措施也包括使用蒸汽通过对流给衬垫传热，从而利用了衬垫的天然孔隙。使用对流进行热传递的一个公知方法是“蒸汽震动”或“蒸汽喷气”技术，其中具有表面潮气的衬垫与蒸发水的热压板接触。所产生的蒸汽迅速向衬垫中心移动，从而升高了核心温度。更多的水可用来增加所得的核心温度。
但是，这类蒸汽方法也有缺陷，因为需要更多的压制时间来摆脱衬垫过量的潮气。平板表面也常常会由于蒸汽热而起泡。用其它的蒸汽方法，如通过穿孔压板给衬垫直接施加蒸汽的系统，已经观察到相似的混合结果。
不管所用的方法，核心温度必须为150-350°F以使大多数热固性化合物进行有效的固化。一般来说，在较低温度下固化的热固性化合物是优选的，因为其所需的总的循环时间少。
从对热固性粘合剂的关注转移到热塑性粘合剂的关注，总的思想是使呈粉末化或非粉末化的填料颗粒与热塑性化合物。目前，至少有两个使热塑性化合物与粉末化填料颗粒混合的已知方法。在一个方法中，固体热塑性小球和粉末化填料颗粒被预混合，然后通过加热的挤出机来熔融成粒料。该粒料和颗粒然后通过机械装置混合并从挤出机中射出。在另一个方法中，用热和极度高压以迫使热塑性粒料和粉末化的填料颗粒通过模头并进入铸模。
工业上形成热塑性聚合物和粉末化填料复合物的方法的一个例子适合目前的塑料挤出机技术。在挤出机中加工锯屑和聚乙烯膜的混合物。但是，该技术有严格限制。首先在螺杆挤出机的公差只允许使用锯屑大小的纤维素颗粒。这显然降低了材料的强度和刚度，因为纤维长度和取向对复合材料的机械性能有相当大的影响。由于挤出机的熔融/流动限制，该方法也限制了约50/50热塑性-纤维素的混合物。大于50％的纤维素得到了不合格的产物。由于纤维素主要是降低成本和最终产品的重量，故该限制有不利的经济后果。
至少有三个将热塑性聚合物与非粉末化填料混合的常规方法。一个方法是，将填料颗粒单个浸在热粘稠的热塑性塑料浴中，冷却后将浸渍涂覆的填料颗粒纺成织物状的形状。接着，所得的织物状材料被放在具有另外的热塑性材料的模具中。然后加热使热塑性塑料熔融入织物状材料的内部或周围以填充浸渍涂覆步骤未覆盖的干燥点。
第二个方法涉及极度高压下将热塑性材料喷入铸模以涂覆填料颗粒。但是，只有某些类型的填料可用该技术。
另外，已知可通过使热塑性粒料和填料材料在模具中成层、然后加热模具可制得较薄的复合材料。
美国专利5,088,910提出了将热塑性聚合物和非粉末化填料混合的再一个例子。该方法适合常规压板压机和塑料压制铸模技术以形成热塑性复合物。在该方法中，机器使线状的纤维素纤维，如稻草和聚丙烯绳掺合成松散的编织衬垫。然后将衬垫放在常规的压板压机中用已加热的或冷的压板进行压制。所得的材料可用来制备汽车内装饰部件，由于纤维素纤维的长度和它们的取向，所制得的材料很牢固。与塑料部件比较，其成本更低并更轻。但是，由于每个压制循环中整个平板必须加热或冷却，该方法的能量耗费大。它也限于较薄的部分，这是因为塑料的热特性，在试图从表面上使厚的部分加热时必然会增加循环时间。
一般来说，与制备热固性复合物的常规方法相比，制备热塑性复合物的常规方法是高成本的且有限制。这种差别的关键原因是与热塑性性材料的较高的粘度有关，高粘度使热塑性性材料难于得到生产出均匀、粘合的最终产品所需的填料颗粒湿润，热塑性塑料一般也有较高的熔点，因此需要高的温度来形成液态粘合剂。形成热塑性复合物所需的核心温度(约380°F)因此也比固化热固性复合物所需的温度(约200-350°F)高得多。另外，热塑性塑料的导热系数很低，这表明当热仅施加在表面上时(如用常规的压板压机)需化很长的时间来熔化厚衬垫中心的塑料。例如，使用常规的具有热压板的压板压机，需要约20分钟熔化热塑性塑料以形成1/2英寸厚度的热塑性复合板。
也可使用微波或射频辐照给复合物加热。虽然可用两种方法加热，但它们很昂贵，若纤维素组分中的水分含量改变时这些方法是极不可靠的。
尽管有上述的加工困难，但用热塑性聚合物形成复合产品也有很多有利之处。首先，近来增加再循环和保护环境资源的趋势迫切需要有再使用的热塑性塑料方法。家庭废物的重要部分有热塑性聚合物，它们可作为形成复合产品的热塑性塑料来源。EPA统计表明塑料占美国总废物的约7.3％，其中只有约1％被再循环。到2000年预计美国的塑料产量可达760亿磅。这样，可使该废物的任何部分利用的方法会有显著的社会效益。
热塑性塑料由于比热固性聚合物便宜，故也是需要的。与固化后若熔融不可再使用的热固性聚合物相反，它们可通过再熔融而被重复使用，故它们可被再利用。在有些情况下，复合物所需的性能可能要求使用热塑性聚合物而不是热固性聚合物。
因此本发明的一个目的是提供用热活化粘合剂和大量的填料颗粒形成复合产品的方法。
本发明的另一个目的是提供用废弃热塑性塑料形成热塑性产品的方法。
本发明的再一个目的是提供用已被颜色和外部物质，如标签、胶水和残留的有机物质污染的废弃的热塑性塑料形成热塑性产品的方法和装置。
本发明的再一个目的是用连续增强材料形成热活化粘合剂复合产品。
本发明的进一步目的是能通过分区来改变热活化粘合剂复合物的性质。
本发明的进一步目的是提供用热活化粘合剂形成产品的使能量有效使用的方法。
本发明的另一个目的是提供在用其它工业过程中的废能量给形成产品提供所需热量的情况下用热活化粘合剂形成产品的方法。
本发明的再一个目的是提供用热活化粘合剂形成产品的方法，所述的产品可用来形成深拉成形部件。
本发明的另一个目的是提供用热活化粘合剂形成产品的方法，所述的产品可用来形成片材产品。
本发明的再一个目的是提供用热活化粘合剂形成产品的方法，所述的产品可用来形成挤出产品。
本发明的再一个目的是提供用热活化粘合剂形成产品的方法，其循环时间比现有技术更快，产率比现有技术更大。
本发明的另一个目的是提供不需要高成本机器的制备热塑性性部件的方法。
本发明的一个目的也在于提供用加热步骤然后用冷固化步骤形成热活化粘合剂复合产品的方法。
本发明的另一个目的是提供用有未加热压板的压板压机用热活化粘合剂形成产品的方法。
本发明的进一步目的是提供适合将热气体喷入压机料中的压机压板。
本发明的另一个目的是提供具有绝缘表面的与压机料接触的压机压板。
本发明的再一个目的是提供适合于用热气体作为热源来形成热活化粘合剂复合产物的压机。
本发明的另一个目的是提供在喷入热气体和压机料时含有松散的原材料的压机料的容器外壳。
本发明的再一个目的是提供用热塑性粘合剂和1/4和6英寸长度的填料颗粒形成复合产品的方法。
发明综述通过将热空气喷入、灌注或吹入热活化粘合剂片和填料颗粒松散混合物的基底材料中给形成热活化粘合剂/填料复合产物供热的方法来达到本发明的目的。喷入的热空气有效地加热和活化了粘合剂组分-对于热塑性粘合剂是熔融，对于热固性粘合剂是加速了固化。热空气有效地升高了粘合剂的温度，结果不必再通过压板提供另外的热量。
本发明也包括用来制备平板或深度拉伸(多于两英寸)成型部件(即厚度32-英寸的部件)的压板压机，及其使用方法。压机包括上部和下部压板，在每个压板的表面上分布多个热空气喷入喷嘴。压板相互间隔，其每面围绕着透气的容器外壳结构，这样形成了放置要被压制的基底材料的压缩室。一旦基底材料被放置在压缩室内，将热空气喷入其中，并将压板汇集在一起。然后停止喷入热空气，将基底材料稍压制成预形成部件。所得的预形成部件从热空气压机中取出，在固结压机内被压制成最终的形状。
本发明也包括适合本文所述的各种方法的新颖的压板结构。特别提供了具有基本绝缘性质的压板，结果使热空气喷入后对来自热空气或活化粘合剂/填料混合物的热吸收最小。压板结构的其它特征使进入基底材料的热空气流的分布最佳。
本文所用的术语热活化粘合剂是指能通过加热被活化成作为粘合剂的任何化合物。两个主要的例子是热固性化合物和热塑性化合物。由于热塑性化合物加热时会熔融，它们可通过在填料颗粒周围流动并冷却时将它们粘合在一起来作为粘合剂。对于热固性化合物可在加热诱导固化时交联聚合产生粘合。虽然热固性和热塑性化合物是热活化粘合剂的主要例子，可起热活化粘合剂作用的任何其它物质都适合用于本发明。本发明也能从100％粘合剂中形成产品，此时粘合剂只是本身粘合，不必再加入填料组分。
重要的是使热活化粘合剂和填料完全混合。若使用不连续的热活化粘合剂片和填料颗粒，通常它们最好应有相同的大小和重量。这有助于在混合物中的片和颗粒达到均匀内部悬浮，并容易真正湿润填料颗粒。若液体热固性树脂被用作热活化粘合剂，可将其喷洒在填料上来达到相同的效果。类似地，粉末的热活化粘合剂可被施加在填料颗粒上以制得所需的分散物。需要时，可在粉末化粘合剂分散前将增粘剂，如Eastman G0003蜡喷在填料上，以确保粘合剂粘附在填料上。
为了在最终产品中得到所需的物理性能，加工时将偶合剂加到复合物中是有利的。偶合剂可喷洒在颗粒上以增加热塑性粘合剂和纤维素纤维之间的结合，从而增加最终产品的强度。也可加入阻燃剂以使最终的产品具有另外的阻燃性。
颗粒形式或粒料形式的热活化粘合剂也可在本发明中起作用，但由于难以与填料得到充分的混合物和悬浮，故不优选，另外具有较大尺寸的热活化粘合剂构型的加热慢得多，这样就延长循环时间和降低产率。本发明也已成功地从粉尘状大小的热活化片和填料颗粒中形成复合产品。对于较小的片和颗粒，保证合适的气体渗透是关键的。
本文的热塑性塑料是指在加热时软化并成为可流动的或胶粘的，在冷却到室温时恢复到原来的状况的聚合物。本发明使用的热塑性材料可为任何可模具或可挤出的塑料材料。合适的聚合物材料例子包括，但不限于，聚酰胺，如己内酰胺(尼龙6)、聚六亚甲基己二酰二胺(尼龙66)及其共聚物；聚烯烃和聚烯烃的共聚物，如聚乙烯(低、中和高密度)、聚丙烯、聚丁烯-1，聚-4-甲基戊烯-1，和这些与其它烯烃共聚单体(如氯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯、丙烯酸)的共聚物；聚苯乙烯和聚苯乙烯与其它共聚单体的共聚物(如苯乙烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁烯-1-丙烯腈共聚物)；聚碳酸酯、聚砜、聚酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、氯乙烯和偏氯乙烯与其它共聚单体，如乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸乙酯和其它共聚单体的共聚物。
最好是，本发明的热塑性性组分由热塑性性松散物组成，热塑性性松散物被定义为热塑性塑料和填料的混合物，或只是热塑性塑料，其密度低于或等于15磅/英尺3。这可包括未经压制的碎的聚乙烯杂物袋、牛奶硬纸盒或婴儿尿布的聚丙烯部分。特别合适的组合物可根据美国专利5,155,146和5,356,278以及本发明人的美国专利申请08/131,204的内容制备，这些专利和申请被结合入本文供参考。但是，一般来说，具有让热气体流入和流到热活化粘合剂周围以提供必须热量的、足够不紧密、松散或透的任何构型的热活化组合物都适合用于本发明。
可选择填料的特征来得到最终产物的所需性能。例如，可以用防腐剂处理填料颗粒以防止最终产物腐烂。通过研磨预处理和可能再循环的如用作铁路连接件的材料可得到相同的效果。也可选择拉伸强度和其它相似的性能以使产物具有所需的物理特性。
所用的术语热固性塑料是指加热时能固化或不可逆地定形的化合物，一般是聚合物。例子可包括酚醛塑料、醇酸树脂、氨基树脂、聚酯、环氧化物、聚硅氧烷以及另外需要如有机过氧化物的一些添加剂固化的化合物。
本文使用的术语干燥气体是指，气体中水不是主要组分。这表示不排除空气，例如，水蒸汽可少量存在的空气。特别是，水蒸汽量最好不应明显地超过室温下气体的饱和点，从而保证在物体冷却时或在冷压制部件上水不会冷凝。
术语非冷凝气体是指在环境条件下仍为气相的元素或化合物，其例子包括空气、氮气、二氧化碳等。蒸汽是可冷凝气体的例子，即蒸汽在室温和常压下冷凝成液体。本发明的优选的非冷凝气体是空气。
使用非冷凝气体气体的益处之一是可自由控制气体的压力和温度。对于蒸汽，需保持高压来得到高温。使用非冷凝气体时，可制造高温并即使在相对低的气体压力下也能保持。简而言之，本发明的干燥气体或非冷凝气体一般是指空气或热空气，因为空气是优选的气体。术语干燥气体或非冷凝气体不受术语热空气或空气的限制。
一般来说，热活化粘合剂具有活化温度，在该温度下它成为有效的粘合剂。对于热塑性塑料，该温度是使热塑性塑料可流动、粘稠或熔融到足以湿润填料并形成粘合产品的温度。该熔融过渡态随着温度的变化逐渐发生。因此不可能精确地定义出热空气必须将热塑性塑料加热。到的活化温度而是，活化温度被定义为热塑性塑料成为足以不粘地湿润填料组分、并在冷却或结合形成粘合的固体的最低温度。根据填料颗粒的性质，粘度必须有不同的下降以湿润和粘合填料颗粒来形成粘合的最终产品。对于粗糙或不规则的填料颗粒，需要热塑性组分能很好地流动。另一方面，若不使用填料颗粒，热塑性塑料可在相当粘稠时，即在较低的温度下形成粘合产品。因此，对于某些类型的热塑性塑料，热气体的温度仅需250°F，但更一般的是400-600°F。
热固性化合物的活化涉及固化过程。由于热固性聚合物的固化速率常随着温度的增加而增加，而不是在一明确的温度下被引发，故没有明确的活化温度。这样，热固性化合物的活化温度被定为产生最快的固化但不引发局部不均匀固化的温度。对于一些热固性复合物，100-200°F的热空气可促进以所需的速率固化，但其它的热固性复合物所需的温度会更高些。
假设热活化粘合剂必须加热到某个活化温度T活化，用来加热热活化粘合剂的喷入的空气量必须能提供足够的能量，将粘合剂从原始的温度T起始上升到最终的温度T活化。由气体提供给粘合剂的最大的热量H＝m气体c气体(T气体-T粘合剂)。类似地，根据等式H＝m粘合剂c粘合剂(DT粘合剂)，热量H会使粘合剂的温度上升到最大。使这两个等式相等并从起始的粘合剂温度T粘合剂积分到最终的温度T活化，下列等式给出的将粘合剂加热到T活化所需的气体的最小量
其中m气体＝喷入气体的质量，m粘合剂＝热活化粘合剂组分的质量，c粘合剂＝热活化粘合剂组分的比热，c气体＝气体的比热，T活化＝热活化粘合剂的活化温度，
T粘合剂＝热活化粘合剂的起始温度，和T气体＝气体喷入时的温度。
若补充的热量Hs来自另外的能源，如加热的压板时，设定喷入气体的较低质量下限的等式还包括抵销补充的热量项，其计算式如下
从能量效率来看，当然需要降低喷入的气体以尽可能地使上述等式的绝对热最小。
附图简述
图1a-g显示本发明压板的三个可采用的实施方案。
图2显示了适合使用图1a-f所示类型的压板并将热空气喷入压机料处的压板压机。
图3a-b显示了图2压板压机的变型的侧视图和端视图。
图4a-c显示了用图2、3a和3b压板压机进行固结压制的三个可采用的实施方案。
图5a-b显示了用于图2、3a和3b压机的两个容器外壳。
图6a-i显示了根据本发明，形成平板形式的热活化粘合剂复合产物的方法。
图7a-c显示了适合用来形成块体产品的本发明方法6一种变化。
图8显示了一个板，它具有图1e-g的压板并可选择压板上有效的空气喷嘴图案。
图9a-c图示了用图8的板可选择的有效空气喷嘴的各种图案。
图10a-f显示了将压机料从图3a-b的压机传送至图4c的压机的自动化过程。
实施例详述压板根据本发明的较佳实施例制成的压板10示于图1a。压板10设计成在压机上压制并传热给压机料。压板10包括支持压模14的支承框架12。压模14的一个表面形成内表面16与压机料接触。内表面16可制成平板状或有凸起18和/或凹陷20，使如图1b的所示的压制产品成形压模用高温(600°F)RTV橡胶，如Dow Chemical 3120 RTV Rubber通过铸模制成。凸起18和凹陷20可在铸模过程中直接加入压模14中。
压板10还包括多个位于压模14内的空气喷射口22和到内表面16上的开孔。空气喷嘴22提供了热空气喷入压机料的喷入点。空气分布歧管24铸入压模14内并将热空气从两根进气管道26分散至空气喷嘴22。歧管24包括两根相同的次歧管28，它们每一根都由大的(7.5英寸直径)循环导管30，小的(4.5英寸直径)的循环导管32，四根大的(6.5英寸×2英寸)L型导管34，和四根小的(4.5英寸×2英寸)的L型导管36组成。八根L型导管34，36的较短的脚在进气管道26内捆在一起。循环导管30，32互相共轴放置在入进气管道26周围，并连接到从进气管道26径向伸出的L型导管34，36上。导管30-36和空气喷嘴22是由外径1/4英寸水管制成。
将空气喷嘴22焊接到歧管24的导管30-36上。在压模14铸模时在每个空气喷嘴22末端放置一个钉子以防止RTV橡胶进入并有助于在压模14形成后对空气喷嘴22定位。空气喷嘴22的长度可防止空气将压模14和歧管24分离。空气喷嘴22位于压模14内，以提供通过压机料的均匀的空气循环，这对制成一个有粘合性的但无未连接的穴或区域的最终产品是很关键的。与压机料为较大的片状碎片和颗粒相比，较小的粉末化碎片和颗粒的压机料需要较大量的空气喷嘴22。
上述的压板的另一个实施方案通常以图1c-d的10′表示。压板10′在结构上与压板10非常类似，它包括一个支持有内表面16′的RTV压模14′的支承框架12′。压板10′和压板10一样也包括一个空气分布歧管24′把来自进气管道26′的空气分配给多个空气喷嘴22′。与压板10相反，压板10′内的空气喷嘴不直接与空气分布歧管连接。而是，空气喷嘴22′将热空气从充气箱27′抽入空气分配歧管24′射入热空气处。
充气箱的作用是使提供给每个空气喷嘴的压力的均匀效果比单用空气歧管更好。为使这个效果最大化，空气分布歧管24′通过开口29′将空气喷入充气箱27′，开口29′面对充气箱27′与空气喷嘴22′相对的一侧。均衡的压力对有效加热热活化粘合剂，消除最后产品中冷的或未结合的区域非常重要。充气箱也使喷嘴更均匀地分布在压机料表面上方。
一些支承31′被用来稳定充气箱27′内的空气分布歧管24′。分布在充气箱27′外表面上的定位器33′可将RTV材料固定在充气箱上。此外，在充气箱27′相对面之间设置了支持物35′以防止充气箱在压力下喷入热空气时膨胀。
第二种上述压板可采用实施方案的通常用图1e-f的10”表示。总体来说，压板10”实际上较大，但压板10”在结构上与压板10’相似，并包括一个支持有内表面16”的RTV压模14”的支承框架12”。压板10”与压板10′一样包括一个空气分布歧管24”把来自进气管通26”的空气分配给充气箱27”内的多个空气喷嘴22”。歧管24”包括附加的延伸至转角的导管来更均匀地在充气箱内传递热空气，热空气通过管道背侧的气孔29”排出。
压板10”也包括一些支承31”来稳定充气箱内的歧管。围绕充气箱27”的RTV通过多个分布在靠近内表面16”的充气箱外表面上的定位器来固定在其上。充气箱27”通过充气箱相对表面间伸出的支持物35”将它们卡在一起来防止其膨胀。
压板10′和压板10”间主要的差别是压板10”能改变内表面16”上的空气喷嘴22”的图案。内表面16”上的喷嘴22”以多行37”形式来排列。见图9a。在每一行内喷嘴相隔2英寸，行间相隔1英寸。此外，相邻行的喷嘴沿着行的长度方向偏移1英寸。
如图1f所示，滑动控制板39”位于充气箱27”内，刚好在内表面16”后。板39”沿压板10的长轴前后滑动来交替地封闭和打开各种图案的喷嘴22”。在充气箱每个侧向边缘固定有一个支持轨道41”，它使板39”固定靠在充气箱表面上。一对啮合在板39”的中心隔断器45”边缘的内支承轨道43”进一步固定了板。
板39”设计成在内表面16”后面具有三个位置，并包括如图8所示的孔47”图案。该板处于这种种位置中的每一种位置就封闭和打开各种喷嘴。在第一个位置处，板39”内的孔位于内表面16”的每一个喷嘴后。见图9a。这是完全开孔的位置，板39”对有效的空气喷嘴的分布没有影响。在第二个位置，每一边缘的第二和第四行被封闭，从而减少了靠近边缘的空气流速。见图9b。同样，在第三个位置处，每一个边缘的第二，第四，第六和第八行被封闭，从而进一步减少靠近边缘的空气流动。见图9c。
在压板边缘喷入的热空气往往会逸散，而不将热量传给压机料。因此需要减少压板边缘的空气流动以提高压制过程的效率。用板39”调节压板边缘的空气流动可按需调节空气流动以获得最优的热传递和效率。
在较佳实施例中RTV橡胶用来制成压模是因为它有低的导热系数。在压模中用RTV橡胶而提供的热绝缘是较佳的，这是由于在空气喷射和压缩时传递到压板上的热量减少。例如金属压模可能需要预热否则它们会从压机料和热空气中吸收大量的热量，因此减少了过程的能效，增加了加热压机料所需的时间。此外，如果压模吸收了过多的热量，则它们需要在下一步压制生产周期前冷却，这也进一步延长了生产周期。用RTV橡胶也减少了来自歧管的热传递，因而热传递至压板的热空气提高了离开喷嘴的空气温度。因此，本发明较佳的实施例用绝缘材料可形成高能效的系统来制成有热活化粘合剂的组合物产品，因为提供的最优量的能量可加热压机料。另外一个优点是，它更容易将RTV橡胶从压机料上分离下来，与将RTV橡胶从金属模具上分离相比。
尽管RTV橡胶是较佳的，但可预计许多其它材料可制成合适的形状。特别是，任何导热系数低的和可在空气喷嘴上成形的材料应是可接受的。有较高熔化温度的热固性性塑料和热塑性塑料以及陶瓷或甚至混凝土是有效的。如上所述，希望产品可很容易从压板的表面上分离下来。某些有其它所需物理性能用于模具但不易从压机料上分离下来的材料，如果对其提供一个涂层如特氟隆或Mylar，则可能有效，以便于产品和模具的分离。
本发明和已有技术的压机间的一个区别是在压制步骤中消除了压板需要加热的必要性。如上所述，在以前已知的形成复合物制品如碎料板或薄片板的方法中，与压机料接触的压板表面总要加热。甚至是在用蒸汽来对压机料提供热量的压机中，压板也必须仍然被加热来避免过量热吸收和蒸汽在压板上冷凝。本发明的方法和装置用一种绝热材料与压机料接触来避免过量的热吸收。如本发明中用干的或非冷凝的气体来提供热，则冷凝也不成为问题。
压板压机本发明的热空气压机通常以图2中的50表示。压机50包括框架52和上下压板54，56。压板通常根据上述描述来制备。较低的压板56是静止地固定在框架52的底部。上压板54是可移动的，其在框架52中置于下压板56之上。
固定上压板54的承载部件58定位在组成框架52的一部分的四根杆60上。杆60一端与框架52在靠近下压板56处连接，另一端与上构件62连接。液压缸64在上构件62和承载部件58之间伸展，使上压板54在压制过程中向下朝下压板56运动。液压缸64在压制过程结束后也提升压板54。
压缩室66的上下端分别与上下压板54，56连接。压缩室66通过一个容器状壳68固定在一侧。见图如5a。容器外壳68与下压板56框架啮合并可卸下地固定在其上，并向上延伸至紧密包围上压板54周围。上压板54可在容器外壳68中上下滑动，它可以由有多个1/32英寸和1/16英寸孔70的薄金属孔板制成。可以预料容器外壳68最好由一些低导热系数材料构成以减少从热空气和压机料吸热。可能的材料包括(但不局限于)那些上述的用于制成模具的材料和用一些绝热材料涂布的穿孔金属板。由于容器外壳最好可提供热空气的逸散路径，因此它应由本来是多孔材料或有多个穿孔的材料制成。
容器外壳68可沿垂直面裂成第一部分72和第二部分74以便于卸下。每个部分72，74包括接近上端的一个向外突出的开口76，通过它可将材料喷入压缩室66中。第一部分72还包括垂直取向的透明入口78，通过它可观察压制过程的进展情况。
由于压机料的相当低的起始密度和粘合性，因此容器外壳68在本发明中是有利的。需要用大体积的材料来制成少量的成品。在压制过程中一般的体积压缩比例为约30∶1。首先由于压制料非常稠，因此最好用一些封闭形式来防止其溢出压板54，56边缘。
可以预料，在一个工业实施例中，大概全将制成压机料的材料吹入压缩室66或通过如下所述的螺旋输送机或传输带送入，而不是通过开口76倒入。
热空气循环加热器80正好在将热空气喷入压缩室66前加热热空气，尽管也可用其它工业过程中的废热量。热空气由隔热管道82从加热器80输送至压板54，56上的空气入口。由于加热器和空气喷嘴之间流动缩颈，因此，空气喷嘴的热空气压力一般比空气循环加热器中的压力要低一些。
另一种压板压机通常图3a-b的50″显示了本发明另一种热空气压机的实施方案。压机”50″包括框架52”和上下压板54″和56″。上下压板54″，56″是图1e-g中的10”所示的类型。上压板56″安装在由液压缸64″来上下驱动的承载部件58″上。压缩室66”的顶部和底部受压板54”和56″约束，并且其边缘被容器外68”所包围。
容器外壳68″与压机50″一起使用，以含有压机料。外壳68″是一个有四面的箱子，它的大小接近上压板54″，但可使得上压板在壳中上下移动。见图5b。外壳68″的侧壁用1/8英寸厚的有大量1/8英寸孔70″的特氟隆孔板制成。在附图中，孔的相对大小被夸大，而孔的数量比图示的要多得多。金属板71″的外壳固定在特氟隆板69″的外侧上。板金属71″包括叠加在特氟隆板上的孔上的1/16英寸的孔。板金属上的较小的孔用来防止小颗粒在在喷入热空气时从压缩室中吹出。理想的是，尽管孔的最大可接受尺寸是由压机料中所用的颗粒大小来决定，但是特氟隆板上的孔也应该较小。容器外壳68″还包括位于长侧边缘的视窗78，使得压机操作者可观察压制过程的进展。
每个压板内的空气用一个独立的空气循环加热器80″来加热。上压板54″的加热器80″安装在承载部件58″上，这样它可随压板上下移动。这就消除了用如热空气压机50所示的挠性管的必要。由于挠性管经受高温和高压，这些挠性管在弯曲时很容易失效。通过将加热器以固定形式安装在压板上，挠性管只需用来输送冷的空气。
压机50″可用两种方法中的一种来加负荷。为准备加负荷，上压板56″升高至容器外壳68″顶部以上6至8英寸处。然后，在第一种方法中，可用简单的真空/鼓风机来吸入材料形成压机料并将其吹入压缩室66″中。或者，可用输送器83″来传送材料。见图10a。输送器83″从一侧到另一侧来回移动通过压缩室将材料平稳装入其中。
为使压机料的取出自动化，热空气压机50″还包括一个延伸通过下压板54″的内表面的开孔网式输送带84″。带84″如下所述直至第一压制阶段完成才影响压机50″的运行。由于带84″是开孔网，因此通过下压板54″喷嘴的热空气继续无防碍通过带84″。然而，当第一压制阶段结束时，容器外壳68″被液压缸86″稍稍抬起，带84用于将压机料输送出压机。
固结压机在较佳实施方案中，如图4a所示的固结压机100与热空气压机50合用。在压机料102已被加热并在热空气压机中预成形后，固结压机100进一步压制压机料形成最终产品。固结压机100包括一个框架104，和上下压板106，108。下压板108固定在框架104上，上压板106位于下压板108上方，并通过一对液压缸110与框架的上部连接。液压缸110将上压板106向下朝下压板108推动。通常固结压机100和热空气压机50在结构上相同，但是比它有更笨重以适应所需的更高的压力。
固结压机100用于生产平的板状产品。另一种固结压机100′用于从压机料102′来生产块状而不是平板状产品。见图4b。如果需要成形的部件，可对压机100或100′内的压板提供凸起和空隙来使部件按需成形。固结压机100′和固结压机100一样，包括框架104′，和上下压板106′，108′。下压板108′固定在框架104′上，上压板106′位于下压板108′的上方并通过液压缸110′与框架上部连接。液压缸110′将上压板106′向下朝下压板108′推动。来自热空气压机的压机料相对是平的，板状的。在固结压机100中，压机料沿相同的平面被压制成平板。相反，在固结压机100′中，压机料102′立着放在下压板108′内，该压板的表面积比相应的热空气压板的表面积要小数倍。因此当压机料102′在固结压机100′中压制时，结果形成窄的厚块而不是宽的薄板。
图4c显示了本发明的另外第二种固结压机100”的实施方案。固结压机100”设计成与热空气压机50”合用，这样压机料102”可在压机间自动输送。固结压机100”与压机100相同，它包括上下压板106”和108”。压板106”和108”包括多个内部开槽，冷冻液体流经那些开槽可有效地来冷却。最好液体冷冻至约20°F，它由水与某类抗冷冻剂混合组成。
除了压板，固结压机100和固结压机100”间的主要的差别是采用了相连的输送器120”来装载预成形的压机料102”和从固结压机上卸载成品。见图10c。输送器120”包括一个标准的转动循环带将压机料移动至输送器。附加的输送器120”是铰接的，这样它可整个移入和移出固结压机100”。
图10a-10f示意表示压机料的制成和从热空气压机50”传递至固结压机100”的步骤。如图10a所示，通过装载输送器83”将一个基底材料150”加入压缩室中。如上所述，装载输送器从一侧到另一侧来回移动均匀分配基低材料来形成压机料102”。压机料102”在压缩室66″中预成形后，如图10b所示，将容器外壳68″稍稍抬高形成空间使压机料滑出热空气压机。通过输送器120”的的游末端和输送器84″的下游末端相连及输送带在两个输送器上输送，预成形的压机料被运出热空气压机送至输送器120″。见图10c。如果需要，可用一个炉子来保持压机之间的压机料的温度。一旦压机料置于输送器120”上，输送器就移入固结压机100”的压板之间。见图10d-e。当输送器移动到固结压机100”后，引导边缘就与前一个完成其生产周期的平板啮合并将其推出。当输送器120”置于压板间之后，输送带重新启动，预成形的压机料102”被输送出输送器120”的末端。见图10f。同时，输送器120”被拉回到压机外仅使压机料留在压板间。
尽管不是所需的，但是本发明中两步压制过程由于几个原因是较佳的，至少对于热塑性性粘合剂来说是这样。首先，周期时间减少，因为下一个压机料可在前一个压机料在固结压机中冷却时被加热。第二，对于由可流动的材料或在加热时变成可流动的材料制成的压机料来说，在热空气压机50中用高压可使材料流入并阻塞空气喷嘴。此外，两步过程比等效的单步过程节省了能量，因为在热空气压机中不需要按制成热塑性性复合物一般所需的那样对压板加热和冷却。
与用于热塑性性粘合剂的较佳的方法相反，对于热固性性粘合剂，可预计较佳的方法只用有加热的压板单个压机。对于热固性性粘合剂，不必在取出前冷却压机料，因为粘合剂在冷却前就已固化，即聚合。相反，热塑性性塑料直至被冷却时才会固化。
应注意的是，尽管在两步压制过程中干燥的或非冷凝的气体是较佳的，但是并不局限于这些气体，也可用水蒸气来作为传热介质。
另一个重要的考虑因素是热空气压板与固结压机的压板的所要求的热导性的不同。在热空气阶段，压极不从热空气或基底材料中吸热是非常重要的。在冷却阶段，相反地，却希望从压机料到压板有最大的热传递，这样压机料可迅速冷却。因此在固结压机中希望有导热的压板而在热空气压机中有隔热压板。
在大量生产的实施方案中，固结压机压板最好进行加热和冷却。当部件首先进入时，固结压机的压板的面最好预热以使外加的热塑性性塑料接近表面，从而制成光滑的成品。由于只是与物体接触的压板表面需要加热，且只需暂时加热，因此可以预计某类薄的可用来快速加热和冷却的电阻加热器可置于压板表面以提供必需的短暂加热。这种电阻加热器可挂在稍微离开压板其余部分的弹簧上，在压板和加热器间形成瞬间的闭塞空间。这使得加热器只对压机料的表面提供一些热量，而不对整个压板加热。然后，当弹簧弹出时，加热器将关闭，热从压机料传递至整块压板。也可用压机料102来对两个插入固结压机100的薄金属板预热。预热的板获得与电阻加热器相同的效果，然后使热有效地传导离开压机料。固结压机中的压板最好根据强度用金属制成，它可以包括凸起和空隙按需成形制成最后产品。
在大量生产实施方案中，为减少压制生产周期时间，压板也可有效冷却以迅速将产品固定成其最后形状，至少对于热塑性粘合剂复合物来说要将它们充分冷却到使上述粘合剂组合物固化其形状才会稳定。
操作方法的描述适于如上所述的以热塑性性塑料松散形式的热塑性性粘合剂。然而，作为基本的因素，压机的压力，气体的温度和每步的时间将根据所用的热活化粘合剂的类型和物理尺寸而不同。
压制周期，示意图见图6a-g，一开始将基底材料150加入热空气压机50的压缩室66以制成压机料152。然后上压板54降低，如图6b所示将压机料152压成特定密度。通过可得到的空气流速，喷嘴相应的压力和热活化粘合剂片和填充剂颗粒的大小和类型以及其它考虑因素来确定确切的密度。
空气或其它热气体通常用常规空气压缩机来压缩，最好以5至80psi的压力提供给进入循环加热器80的入口，但是在一些场合下需要甚至更高的压力。所选的确切压力与所需的流速等价，而流速与热活化粘合剂片的大小，基底材料的总体渗透性和空气压缩机容量有关。每个基底材料组成有最优的压力/流速对应关系，该关系是由所需的周期时间，粘合剂片的物理形态，和混合物在空气压力下的稳定性来控制的。因此对于粉尘大小的粘合剂片/填充剂颗粒混合物，空气以较低压力喷入。如果用较高的压力和较高流速，粉尘大小的颗粒将在喷入的空气逸散时通过容器外壳68中的孔被吹出压缩室66。小的颗粒也将被容器外壳68的孔捕获，从而阻碍了适当的空气流动。相反，1/8英寸厚的填充剂颗粒和碎牛奶瓶热塑性性粘合剂的混合物需要较高的气体流速，以有可接受的周期时间，且其不会被吹出压缩室。
在最初压缩后，热空气如图6c所示喷入压缩室66中并渗入压机料152中为热活化粘合剂组分提供热量。热空气通过容器外壳68离开。循环加热器一般将空气温度提高到400-500°F。由于加热器80和压缩室66间有热损失，因此进入压缩室的空气的温度较低。对于用1/16英寸热塑性性片和相同大小的填充剂颗粒组成的热塑性松散物来说，在循环加热器80的入气口的空气压力为约30psi。在导致约150CFM空气流速的温度下，使热空气压制部分形成1/2英寸板的整个周期需要约3分钟。
提高热空气流速可减少活化粘合剂所需的时间。活化时间由较小颗粒接受空气而不吹入吹出压缩室的容许限量和空气至粘合剂片的最大热传递速率来限定。对于粉尘大小的颗粒，例如压力通常在5-10psi范围内。对于更一般的密度为1-3磅/立方英呎(pcf)的松散物，所用压力为30-80psi。范围为5-15pcf的较高密度的混合物，则需要更高的压力和流速。
周期时间和整个能效可通过对热活化粘合剂组分预热来减少。通过在将粘合剂组分加入压缩室前先对其预热，则需要更少的热空气来将它升高至活化温度。同样，在使粘合剂组分与任何填充剂组分混合前先对粘合剂组合物加热可减少填充剂吸收的能量。填充剂吸收的能量是浪费的且增加了对热塑性性粘合剂情况很重要的冷却最终产品所需的时间。例如，热塑性性塑料可在其与填充剂颗粒混合前利用预热至250-300°F来减少周期时间。
为减轻压机料垂直中心处即来自上下压板的热空气相遇处的冷点的形成，需要脉动压板内的空气压力。压板内的压力应异相脉冲，这样上压板内的喷嘴处的压力达到最大，而相应的下压板的压力达到最小。这使得两股气流相遇的的冷点在压机料内上下移动。压板间的压力变化约20％看来足以解决这个情况。
当热塑性性塑料开始熔化和压机料152开始下沉时，放下上压板54使压板和压机料的上表面保持接触。见图6c-e。压机料152的下沉可通过透明的入口78观察，使得操作者可以适当的速率下降上压板54以保持压板和压机料间所需的接触。这保证了热空气是通过压机料152，而不是通过容器外壳68直接离开。对于一般的轻松散物(1-5pcf)基底材料和三分钟的周期时间，闭合的速率为约5英寸/分钟，施加的压板压力通常小于20psi。当热塑性性组分块已熔化时，用上压板54施加压力稍稍压缩压机料152。见图6e。
压机料152在热空气压机中只是稍稍压制成最终产品的大致形状。这减少了流动的热塑性性塑料封闭空气喷嘴的可能性。此外，压板内的RTV压模并无足够刚性来抵抗完成压缩产品所需的高压。由于足够量的空气被稍稍压制的压机料125内的小穴截留，因此如果迫使空气排出，它就不可能很快地冷却。
根据本发明上述描述部分，可作许多变化来减少空气量和完成热空气阶段压制所需的时间。首先，喷入压机料的热空气的温度可在首先施加空气时得到提高。将最初空气温度提高到580°F可显著地减少周期时间。尽管空气温度可能瞬间超过了纤维素的燃烧点温度，但是其不会发生燃烧，因为纤维素在很短的提高温度时间内不能吸收过多的热量。
在热空气压机上加热后，将热的压机料152传递至固结压机上。见图6f-g。当压机料152被输送至固结压机100上时，它仍是柔韧的，且比最终产品厚数倍。固结压机100还将压机料152压缩成最后所需的尺寸以形成最终平板状的产品154。见图6g-I。
如上所述，可以在最后压制阶段将压机料制成平板状或制成厚块状。图7a-b图示了用固结压机100′来形成块状156的最终产品。将压机料立着放在固结压机100′内并在压缩成块状156时重新成形。见图7c。在大量生产较厚的产品如块状156的实施方案中，压机料的厚度将增加以为最后产品提供附加厚度，而不是在如所示的固结压机从一个末端或一侧压制。
固结压机100内施加于压机料的表面压力在100-1000psi范围内，典型的为500psi。通过在固结压机内选择一个合适的压力，可以制成有非常宽的密度的产品。用低压力和相当大的填充剂颗粒导致了适于用作门芯或其它类似用途的低密度填充物。较高的压力和较小的颗粒形成可一种在密度和外观上与碎块板非常相似的复合物产品。
固结压机100内的压力一直维持到部件充分冷却，以保持其形状，此时可取出部件完成加工。见图6i。如果部件在中心固化前就被从固结压机100取出，则内应力将使物品胀开和裂开。如果需要，最后产品可在固结压机上塑出模拟的木纹或其它样式。此外，固结压机上可施加纸，乙烯基或其它材料的表面层。
下表例举了具体的热塑性性塑料/纤维素复合物产品的各种参数的实际数值。
表1纤维素片的特性厚度 ＝0.035英寸长度 ＝1.5-2.5英寸种类 ＝刚松水分含量 ＝14％堆密度 ＝4.5pcf热塑性塑料特性类型 ＝发泡型聚乙烯压缩的厚度 ＝0.030英寸堆密度 ＝2pcf基底材料特性纤维素重量 ＝1.41b塑料重量 ＝1.41b未压缩堆密度 ＝2.75pcf未压缩厚度 ＝8英寸预压缩堆密度*＝6.3/pcf预压缩厚度*＝4英寸*在空气喷入时热空气压机室温 ＝68°充气箱的空气温度 ＝450°充气箱的空气压力 ＝10psi空气流速 ＝150cfm压制时间 ＝114秒压板压力 ＝最后厚度 ＝1.25最后密度 ＝固结压机时间 ＝180秒最初压板温度 ＝78°F压板应力 ＝350psi表面压力最后压板温度 ＝118°F成品密度 ＝44.2pcf厚度 ＝0.6英寸大小 ＝9.5×19英寸表1例举的实施例用热空气压机如压机50和压板如压板10′来制成。共固步骤用固结压机如压机100来进行。
可以预计本发明的方法和装置适用于制成下表2中列出的热活化粘合剂组合物产品。
表21.板壁(互搭板壁，平板壁，条板料)2.拱腹底板3.托板4.外部和内部装饰花边5.红木等价路沟料6.盖板(四方形板，T&C等)7.邮政和铁路木材8.外部和内部台阶9.顶棚盖屋板10. 屋顶板，特别是厚边屋顶板11. 齐平式平面外部门(护栏，门挺，芯，复合物等)12. 窗台和窗框13. 外部/内部门框14. 内部嵌条/细木工成形15. 湿和干衬垫16. 反向顶部料17. 门槛板木材18. 内部平面门芯(20-25磅密度)19. 园林木料20. 护栏和铁路基垫(四方形或人工劈开形状)21. 外部和内部非结构平板(狗屋，存储室等)22. 内部地板，湿的或干的区域(铺板，方板，拼花地板等)23. 小箱24. 运货车盖板25. 搁板料和桌顶部料26. 玩具27. 成形背垫/挡板28. 椅子底部29. 农用箱子的筐30. 预成形墙板现在很清楚本发明已提供了该领域的改进，它可实现前面提出的目的。尽管本发明是以且较佳形式来公开，但应理解这里公开和图示的具体的实施方案并不具有限制性，在所附的权利要求范围内还可作其它变化或改进。
权利要求
1.一种形成热活化粘合剂复合物产品的方法，它包括下列步骤选择对包括热活化粘合剂组分的透气的基底材料；将基本干燥的热气体喷入基底材料，其中气体的温度大于基底材料的热活化粘合剂的活化温度。
2.根据权利要求1所述的方法，它进一步包括压制基底材料的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，它进一步包括分段定时喷入和压制步骤，这样在压制基底材料时在至少一部分时间内喷入气体。
4.根据权利要求1所述的方法，它进一步包括选择空气作为基本干燥的热气体。
5.根据权利要求1所述的方法，它进一步包括从热塑性片和纤维素颗粒中形成基底材料。
6.根据权利要求5所述的方法，它进一步包括选择的纤维素颗粒的最大直径大于1/8英寸的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，它进一步包括选择的纤维素颗粒的最大直径为1/4英寸到6英寸的步骤。
8.一种形成热塑性复合产品的方法，包括下列步骤提供包括热塑性松散物的基底材料；将热非冷凝气体喷入基底材料；将基底材料压制成第一密度，其中喷入步骤至少部分与压制步骤重叠；以及使压制的基底材料固结以压制成第二密度并形成复合物产品，其中第二密度大于第一密度。
9.根据权利要求8所述的方法，它进一步包括在第一压制中进行喷入和压制的步骤，在第二压制中进行固结的步骤，以及在压制和固结步骤期间将基底材料从第一压机转移到第二压机的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，它进一步包括选择具有冷的压板的第二压机步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，它进一步包括选择包含填料颗粒的基底材料的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，它进一步包括选择线状的填料颗粒。
13.根据权利要求11所述的方法，它进一步包括从包括锯屑、碎纸、木片、木削、花生壳、玻璃纤维、硼纤维或Kevlar纤维的组中选择填料颗粒。
14.根据权利要求11所述的方法，它进一步包括在基底材料的热塑性部分与填料颗粒混合前进行预热。
15.一种形成热活化粘合剂复合物产品的方法，它包括下列步骤提供包括热活化粘合剂组分的基底材料；提供具有一对对置压板的压板压机以压制来自基底材料的压机料；选择有绝缘内壁的压板用于接触压机料；将热干燥气体喷入压机料；以及压制压机料。
16.根据权利要求15所述的方法，它进一步包括选择热空气作为喷入步骤中的热气体。
17.根据权利要求16所述的方法，它进一步包括在喷入步骤前将热空气加热到400-600°F。
18.根据权利要求15所述的方法，它进一步包括选择热塑性性松散物作为热活化粘合剂。
全文摘要
一种形成热活化粘合剂复合产品的方法,它通过喷入干热气体活化热活化粘合剂来进行。在较好的实施方案中,干热气体是空气。该方法特别可用来形成热塑性复合产品,尤其是热塑性塑料/纤维素复合物。本发明有一部分是两步压制方法,在第一阶段喷入热气体,且压机料被预压制。然后将压机料放在第二固结压机中,使其固结并冷却,在该压机中不再喷入热气体。实施该方法的机械包括具有上下压板的压机和固结压机。并公开了压机的构造。
文档编号D04H1/64GK1187225SQ96194664
公开日1998年7月8日 申请日期1996年6月7日 优先权日1995年6月7日
发明者W·R·里兹 申请人:工程复合材料公司