КОМПОЗИТНЫЙ ПРОДУКТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА УПОМЯНУТОГО ПРОДУКТА
COMPOSITE PRODUCT AND TECHNOLOGICAL PROCESS OF PRODUCTION OF SAID PRODUCT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления изделия из вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт. Способ включает стадии получения сополимерной композиции, объединения сополимерной композиции и целлюлозных волокон, подвода тепла, энергии смешивания и давления для формирования вспениваемой смеси и формирования вспениваемого изделия в ходе операции формования и экструдирования. Способ характеризуется тем, что до объединения с сополимерной композицией, по меньшей мере, 10% целлюлозных волокон были подвергнуты термическому модифицированию.
Уровень техники
Традиционно ограждения, настилы, двери, окна, облицовку и обшивку изготавливали из компонентов, сконструированных из цельной древесины. Данные продукты зачастую рассматриваются как более эстетически привлекательные в сопоставлении с продуктами, изготовленными из металла или цемента, например, металлическими ограждениями или стенами или настилами из цементных блоков. Однако по истечении определенного периода времени продукты из цельной древесины естественным образом могут начать разрушаться вследствие погодного воздействия и биологического заражения. Как это известно, данное ухудшение качества может быть смягчено в результате обработки древесины при использовании широкодоступных погодостойких покрытий, красок, лаков, отделочных составов и тому подобного. Однако, к сожалению, зачастую ухудшение качества продуктов, подвергнутых такой обработке, представляет собой только вопрос времени, что требует проведения частичной или полной замены. Множество материалов из цельной древесины, которые являются подходящими для использования в ограждениях, настилах, окнах и дверях, является дорогостоящим. В дополнение к этому, вследствие естественных изменений древесины замена отдельных компонентов может в результате приводить к появлению несогласованного неоднородного внешнего вида продуктов.
Множество продуктов, технологий и идей было использовано для изготовления экструдированных или формованных термопластов в качестве альтернативы древесине в областях применения вспомогательных конструктивных элементов вне помещения, таких как настилы, парковые пешеходные дорожки, детские игровые площадки, сиденья и скамейки. Наиболее широко использующийся термопласт представляет собой полиэтилен, обычно продукт вторичной переработки молочных бутылок, пленки и тому подобного из полимеров HDPE (полиэтилен высокой плотности), LDPE (полиэтилен низкой плотности) и LLDPE (линейный полиэтилен низкой плотности). Другие широко использующиеся термопласты включают полистирол, высокоударопрочный полистирол, полимер PVC (поливинилхлорид) и полипропилен. Во множестве систем также используют и целлюлозный наполнитель, обычно древесные или другие натуральные волокна, компаундированный с термопластом для улучшения свойств и придания составу внешнего вида, в большей мере подобного внешнему виду деревянных планок, замену которых он производит. Для данных систем быстро нарастает их признание на рынке, в особенности в настилах, где они позволяют добиться преимуществ, заключающихся в долговременной долговечности и незначительности обслуживания. Они позволяют добиться дополнительного преимущества вследствие недавнего выявления проблем в здравоохранении в связи с химикатами и консервантами, использующимися для обработки древесины для областей применения вне помещения, и с учетом нехватки долговечной древесины твердых пород.
В качестве заменителей полностью натуральной древесины, древесно-стружечной плиты, вафельной плиты и другого подобного материала используют множество композитов, таких как композиты целлюлоза/полимер. Например, к технологическим процессам изготовления заменяющих древесину продуктов на основе пластмассы/целлюлозы относятся патенты США №№ 3,908,902; 4,091,153; 4,686,251; 4,708,623; 5,002,713; 5,087,400; 5,151,238; 5,417,904; 5,948,524; 6,280,667; 6,827,995 и 6,936,200.
Твердые композиты наполнителей на основе стирола-малеинового ангидрида и древесины раскрываются в патентах США №№ 3,765,934; 3,894,975 и 3,958,069; канадской опубликованной патентной заявке № 2,626,992 А1 и публикации «Properties of Styrene-Maleic Anhydride Copolymers Containing Wood-Based Fillers», Simonsen et al., Forest Products Journal, Vol. 48, No. 1, pp. 89-92, January, 1998.
В сопоставлении с разновидностями натуральной древесины композиты целлюлоза/полимер зачастую позволяют добиваться превосходной стойкости к изнашиванию и раздиранию. В частности, композиты целлюлоза/полимер характеризуются улучшенной стойкостью к воздействию влаги. Собственно говоря, как это хорошо известно, удерживание влаги представляет собой основную причину коробления, расщепления и изменения окраски для разновидностей натуральной древесины. Помимо этого, композиты целлюлоза/полимер имеют внешний вид натуральной древесины, и их можно пилить, ошкуривать, профилировать, вытачивать, скреплять и отделывать тем же самым образом, как и разновидности натуральной древесины. В соответствии с этим, композиты целлюлоза/полимер обычно используются для областей применения, таких как декоративные бытовые формованные изделия для размещения внутри и вне помещения, рамы для картин, мебель, настилы для крыльца, перильные ограждения настила, формованные изделия для окон, компоненты окон, компоненты дверей, кровельные конструкции, обшивка зданий и другие компоненты, подходящие для использования внутри и вне помещения. Кроме того, композиты целлюлоза/полимер могут заменить исключительно долговечную и имеющуюся в недостатке древесину твердых пород, например, древесину тропических твердых пород.
Специалисты в соответствующей области техники признали то, что избыточный уровень влагосодержания в синтетической древесной композиции может в результате привести к получению конечного продукта неудовлетворительного качества. В частности, избыточный уровень влагосодержания в синтетической древесной композиции может в результате привести к получению конечного компонента, который подвержен растрескиванию, пузырению и ухудшению внешнего вида. Следовательно, до введения какого-либо целлюлозного материала в синтетическую древесную композицию может оказаться необходимым его высушивание до предварительно определенного уровня. Даже после высушивания целлюлозного материала естественной тенденцией оказалось повторное поглощение влаги из окружающей среды. В результате в целях предотвращения повторного поглощения дополнительной влаги целлюлозным материалом необходимым может также оказаться хранение высушенного целлюлозного материала в среде с контролируемо регулируемой влажностью до добавления к синтетической древесной композиции. В свете данных соображений может оказаться затруднительным и дорогостоящим выдерживание достаточно сухого целлюлозного материала при транспортировании его между различными местоположениями.
В качестве альтернатив или дополнений к традиционным ограждениям из натуральной древесины были разработаны пластмассовые компоненты ограждений. Например, в патенте США № 5,100,109 описывается способ конструирования ограждения в результате изготовления гибкой пластмассовой раскатываемой доски ограждения, которая может быть раскатана и прикреплена к разнесенным друг от друга столбам ограждения. Гибкую доску ограждения изготавливают при наличии размеров по высоте и ширине, моделирующих стандартную деревянную доску, и при длине, составляющей 350 футов (106,7 м) и более. В соответствии с данным патентом доску ограждения формируют в ходе непрерывного технологического процесса экструдирования гибкого термопластического материала.
В патенте США № 5,404,685 описывается стена или ограждение, изготовленные отчасти из вспененных полистирольных пластмассовых компонентов, говоря более конкретно, пластмассовых колонн и панелей. Конструирование ограждения в соответствии с данным патентом требует проведения множества стадий. Например, устойчивости стены или ограждения добиваются в результате выливания материала армирующего наполнителя, такого как бетон, в пустотелые полистирольные пластмассовые колонны после фиксации колонн на земле. Получения затвердевшей внешней поверхности ограждения добиваются в результате нанесения на ограждение или стену внешнего отделочного состава, такого как штукатурный гипс или специальная краска для внешних поверхностей, после конструирования ограждения.
Однако описанным выше синтетическим древесным или древесно-композитным продуктам обычно свойственны недостатки, выявляемые при сопоставлении их механических свойств, в особенности прочности и жесткости, с тем, что имеет место для древесины, которую они заменяют. Кроме того, композиты древесина/целлюлоза, описанные выше, подвержены ползучести при воздействии непрерывных нагрузок и/или высоких температур окружающей среды. В дополнение к этому, данные материалы имеют тенденцию к короблению после долговременного воздействия тепла. Вследствие данных конструкционных ограничений использование синтетических древесных продуктов, описанных выше, зачастую сводится к областям применения, менее связанным со строительством. Например, в настилах они используются для досок настила, но обычно не могут быть использованы для вертикальных столбов и брусов, которые несут на себе нагрузку от всей конструкции.
В дополнение к этому, множество описанных выше синтетических древесных продуктов имеют плотности, большие, чем у воды, что делает их невыгодными материалами для использования в морских и родственных им областях применения.
Для стандартных композитов древесное волокно-полимер (WPC) обычная проблема заключается в ползучести, приписываемой как высокой массе, так и термопластической природе материала на основе волокна, термопластических смол и добавок. Ползучесть может быть индуцирована как массой, так и теплом и влагой и зачастую ограничивает использование стандартных композитов древесное волокно-полимер, не допуская их использования в областях применения, требующих более значительных кропотливости и взыскательности, где необходимы удлиненные пролеты, а от продуктов требуется выдерживание ими их собственной массы таким образом, как в случае облицовочной или фасадной доски.
3
В документе US 8,221,663 описывается способ изготовления вспененных изделий, имеющих плотность, составляющую не более чем 1,3 г/см.
Одна проблема, относящаяся к способам получения композиций полимер-древесина, заключается в обеспечении наличия условий, таких чтобы можно было бы добиться изготовления изделий, обладающих желательными свойствами, такими как свариваемость. В некоторых вариантах осуществления важным является наличие возможности получения симметричных изделий, имеющих мелкие детали и специфические профили и формы. Одна дополнительная проблема относится к обеспечению возможности использования достаточно высокой доли целлюлозного волокна, тем не менее, при получении в результате изделия, обладающего желательными свойствами.
Таким образом, на современном уровне техники имеется потребность в предложении продуктов из композитов полимер-древесина, которые преодолевают описанные выше проблемы, а также способов получения таких материалов композитов полимер-древесина.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на способ изготовления изделия из вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт. Способ включает стадии получения сополимерной композиции, объединения сополимерной композиции и целлюлозных волокон, подвода тепла, энергии смешивания и давления к смеси из сополимерной композиции и целлюлозных волокон для формирования вспениваемой смеси и формирования вспененного изделия в результате проведения для вспениваемой смеси операции формования или экструдирования.
Способ характеризуется тем, что до объединения с сополимерной композицией, по меньшей мере, 10% целлюлозных волокон были подвергнуты термическому модифицированию. При использовании целлюлозных волокон, которые были подвергнуты термическому модифицированию, вспенивание в способе можно контролируемо регулировать таким образом, чтобы легко можно было бы получить изделия, обладающие желательными свойствами. Как это также было установлено, при использовании термически модифицированных целлюлозных волокон может быть использована более высокая доля волокна, все еще при обеспечении наличия у изготовленных изделий желательных свойств.
Сополимерная композиция включает i) сополимер, полученный в результате проведения полимеризации смеси, содержащей а) от приблизительно 51% до приблизительно 99,9% (мас.) одного или нескольких основных мономеров, b) от приблизительно 0,1% до приблизительно 49% (мас.) одного или нескольких ангидридсодержащих мономеров и с) необязательно от приблизительно 1% до приблизительно 25% (мас.) одного или нескольких других полимеризуемых мономеров; и необязательно от приблизительно 0,1% до приблизительно 30% (мас.) одного или нескольких эластомерных полимеров при расчете на массу сополимера.
От приблизительно 30% до приблизительно 99,99% (мас.) сополимерной композиции объединяют с от приблизительно 0,01% до приблизительно 70% (мас.) одного или нескольких целлюлозных волокон при расчете на массу комбинации.
Тепло, энергия смешивания и давление обеспечивают проведение i) смешивания сополимерной композиции и целлюлозных волокон; ii) реакции между ангидридных группами в сополимере и гидроксильными группами в целлюлозных волокнах; и iii) производства пенообразователя в качестве побочного продукта реакции в позиции ii) для получения вспениваемой смеси из сополимерной композиции и целлюлозных волокон.
Подробное описание изобретения
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «эластомерный полимер» относится к материалу натуральных или синтетических полимера, каучука или рубероида, который обладает способностью претерпевать деформацию под воздействием усилия и восстанавливать свою первоначальную форму сразу после устранения воздействия силы.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «заключенная в кожух синусоидальная структура пеноматериала» относится к экструдированному изделию, которое включает внешний кожух, охватывающий внешнюю поверхность поперечного сечения изделия, и вспененную внутреннюю часть внутри внешнего кожуха, которая имеет меньшую плотность, чем внешний кожух и обладает волнообразной структурой в направлении экструдирования, осциллирующей относительно серединной точки изделия, где точки максимального отклонения от серединной точки находятся в контакте и сплавляются с внутренней частью внешнего кожуха.
В соответствии с использованием в настоящем документе термины «пеноматериал» или «вспененный» относятся к твердому веществу, которое включает композит целлюлозное волокно-термопласт, описанный в настоящем документе и включающий полости, карманы, ячейки, ячеистую структуру и/или пузыри, диспергированные в твердом веществе, которые содержат газ, который может включать в качестве неограничивающих примеров воздух, диоксид углерода, водяные пары и их комбинации.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокна льна» относится к целлюлозным волокнам, произведенным из растений, иногда называемых льном обыкновенным, которые является представителем рода Linum в семействе Linaceae.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокно древесины твердых пород» относится к целлюлозным волокнам, произведенным из широколиственных деревьев, при этом неограничивающие примеры включают дуб, эвкалипт и березу, имеющие относительно повышенные плотность и твердость в сопоставлении с тем, что имеет место для деревьев с древесиной мягких пород.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокна джута» относится к длинному, мягкому, глянцевитому растительному волокну, произведенному из растений рода Corchorus, семейства Malvaceae.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокна кенафа» относится к целлюлозным волокнам, произведенным из кенафа (Hibiscus cannabinus), вида Hibiscus, произрастающего в южной Азии.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокнистая масса из древесины твердых пород» относится к волокну древесины твердых пород, которое было раздроблено при использовании дефибреров, раздроблено при использовании рафинеров, использующих водяной пар при высоких давлениях и температурах, химически разрушено или подвергнуто воздействию комбинации из способов производства мягкой бесформенной массы.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокна пеньки» относится к целлюлозным волокнам, произведенным из растений, относящихся к роду Cannabis.
В соответствии с использованием в настоящем документе термины «(мет)акриловый» и «(мет)акрилат» подразумевают включение производных как акриловой, так и метакриловой кислот, таких как соответствующие алкиловые сложные эфиры, зачастую называемые акрилатами и (мет)акрилатами, включение которых подразумевает термин «(мет)акрилат».
Если только не будет указываться на другое, то все значения молекулярной массы определяют при использовании гельпроникающей хроматографии (ГПХ), использующей надлежащие полистирольные стандарты. Если только не будет указываться на другое, то значения молекулярных масс, указанные в настоящем документе, представляют собой среднемассовые молекулярные массы (Mw).
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «полимер» подразумевает охватывание без ограничения гомополимеров, сополимеров и привитых сополимеров.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокна рами» относится к целлюлозным волокнам, произведенным из цветкового растения в семействе крапивных растений Urticaceae, произрастающего в восточной Азии.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокно древесины мягких пород» относится к целлюлозным волокам, произведенным из шишконосных семенных растений, имеющих сосудистую ткань, при этом неограничивающие примеры включают кедры, кипарисы, тиссолистные лжетсуги, ели, можжевельники, каури, лиственницы, сосны, тсуги, вечнозеленые секвойи, канадские сосны и тисы.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «волокнистая масса из древесины мягких пород» относится к волокну древесины мягких пород, которое было раздроблено при использовании дефибреров, раздроблено при использовании рафинеров, использующих водяной пар при высоких давлениях и температурах, химически разрушено или подвергнуто воздействию комбинации из способов производства мягкой бесформенной массы.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «древесная мука» относится к измельченной в тонкий порошок древесине, в общем случае полученной из бессочных разновидностей древесины мягких пород, таких как сосна или ель, или в некоторых случаях из разновидностей древесины твердых пород.
В настоящем изобретении изделие, содержащее вспененный композит целлюлозное волокно-термопласт, включает сополимер, содержащий ангидридные функциональные группы, и может быть произведен в результате объединения волокна и термопласта в экструдере под давлением и экструдирования самовспенивающегося композита для формирования вспененного изделия.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения произведенное изделие представляет собой дверной или оконный элемент, облицовочные или обшивочные доски или несущие чистообрезные доски.
В настоящем изобретении до объединения с сополимерной композицией, по меньшей мере, 10% целлюлозных волокон были подвергнуты термическому модифицированию, также называемому тепловой обработкой. В одном варианте осуществления до объединения с сополимерной композицией, по меньшей мере, 10% целлюлозных волокон были подвергнуты термическому модифицированию. В одном варианте осуществления до объединения с сополимерной композицией, по меньшей мере, 20% или, по меньшей мере, 30% или, по меньшей мере, 40% или, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 60% или, по меньшей мере, 70% или, по меньшей мере, 80% или, по меньшей мере, 90% или, по меньшей мере, 95% или, по меньшей мере, 98% или, по меньшей мере, 99% использующихся целлюлозных волокон были подвергнуты термическому модифицированию.
Стадия термического модифицирования может быть проведена в по существу бескислородной среде. Это может представлять собой преимущество в случае использования высоких температур, поскольку при высоких температурах древесина легко возгорается, но отсутствие кислорода будет исключать данный риск.
Во время проведения стадии термического модифицирования древесное или целлюлозное волокно нагревают при температуре в диапазоне от 160°С до 250°С при атмосферном давлении или при температуре в диапазоне от 120°С до 230°С при давлении, большем, чем атмосферное давление. В одном варианте осуществления температура находится в диапазоне от 200°С до 250°С при атмосферном давлении.
Время, требуемое для стадии термического модифицирования, зависит от использующегося древесного или целлюлозного волокна, но в общем случае находится в диапазоне от 30 секунд до 5 часов, таким образом, как приблизительно от 2 часов до 4 часов. Технологические параметры, выбираемые для термического модифицирования древесного или целлюлозного волокна, зависит от использующегося древесного или целлюлозного волокна. Получающееся в результате волокно обладает необратимо модифицированными свойствами, такими как уменьшение значения РУВ (равновесный уровень влагосодержания) на целых 40-50% и значительно улучшенная стойкость к воздействию грибков, разрушающих древесину. Во время термического модифицирования экстрагирумые соединения испаряются, и термически модифицированные целлюлозные волокна содержат меньше летучих соединений в сопоставлении с целлюлозными волокнами, которые не были подвергнуты термическому модифицированию. Поэтому целлюлозные волокна, которые были подвергнуты термическому модифицированию, также являются менее воспламеняемыми в сопоставлении с целлюлозными волокнами, которые не были подвергнуты термическому модифицированию. Термическое модифицирование также может изменять морфологические и размерные свойства волокон, что может оказаться выгодным в вариантах осуществления настоящего изобретения. Кроме того, термически модифицированные целлюлозные волокна характеризуются меньшей теплопроводностью в сопоставлении с целлюлозными волокнами, не подвергнутыми термическому модифицированию.
В одном варианте осуществления во время проведения стадии термического модифицирования используют температурный градиент. В данном варианте осуществления древесное или целлюлозное волокно сначала нагревают до согласованной температуры по всему поперечному сечению кусков древесины или целлюлозных волокон с последующим быстрым охлаждением для создания температурного градиента, в результате чего сердцевина древесины волокна будет иметь более высокую температуру, чем поверхность.
Давление, использующееся во время проведения стадии термического модифицирования, может быть атмосферным давлением, но термическое модифицирование также может быть поведено и при повышенном давлении, таком как в диапазоне от 1,5 до 13 бар.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения целлюлозное волокно, которое было подвергнуто термическому модифицированию, может быть смешано с целлюлозным волокном, которое не было подвергнуто термическому модифицированию, таким как обычные опилки, на стадии предварительного смешивания до объединения с сополимерной композицией. В одном варианте осуществления настоящего изобретения смесь из термически модифицированных и немодифицированных термически целлюлозных волокон спрессовывают в виде гранул до объединения с сополимерной композицией.
В условиях в экструдере ангидридные группы в сополимере способны вступать в реакцию и связываться с гидроксильными группами в целлюлозном волокне, что в результате приводит к получению более прочной компаундированной матрицы из термопласта и целлюлозы. Данная реакция сополимер-целлюлоза в результате приводит к получению композита, демонстрирующего превосходные характеристики при растяжении совместно с другими превосходными физическими свойствами в сопоставлении с тем, что имеет место для материалов предшествующего уровня техники.
Один аспект реакции между ангидридными группами в сополимере и гидроксильными группами в целлюлозном волокне представляет собой получающийся в результате побочный продукт, который может включать воду и/или диоксид углерода. В условиях экструдирования вода и/или диоксид углерода исполняют функцию пенообразователя, что в результате приводит к получению ячеистой структуры или пеноматериала, по меньшей мере, в части поперечного сечения экструдированного изделия. Пеноматериал или ячеистая структура приводят к уменьшению плотности экструдированного изделия, зачастую приводя к получению плотности, меньшей, чем у воды, и обеспечивает получение множества уникальных свойств изделий из композита целлюлозное волокно-термопласт, изготовленных в соответствии с изобретением.
В вариантах осуществления изобретения смесь из сополимера и целлюлозы подвергают воздействию температур экструдера, составляющих, по меньшей мере, 180°С, в некоторых случаях, по меньшей мере, 185°С, в других случаях, по меньшей мере, 190°С, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, 195°С, а в других обстоятельствах, по меньшей мере, 200°С. Точная температура экструдера будет варьироваться исходя из продолжительности времени пребывания при температуре, температуры расплава и/или температуры стеклования (Tg) сополимера и температуры активирования, требуемой при прохождении реакции для конкретной комбинации сополимер-целлюлоза в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе. Смесь из сополимера и целлюлозы подвергают воздействию температур экструдера, доходящих вплоть до 240°С, в некоторых случаях вплоть до 237°С, в других случаях вплоть до 233°С, в некоторых обстоятельствах вплоть до 229°С, а в других обстоятельствах вплоть до 225°С. Точная максимальная температура экструдера будет варьироваться исходя из термического разложения, ожидаемого от использующихся сополимера и целлюлозного материала. Максимальные температуры выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму термическое разложение сополимера и целлюлозного материала. Температуры экструдера, воздействию которых подвергают сополимер и целлюлозный материал в целях промотирования прохождения реакции между ними, могут быть любой температурой или находиться в диапазоне между любыми из температур, описанных выше.
2
2
2
2
2
2
2
2
В вариантах осуществления изобретения смесь из сополимера и целлюлозы подвергают воздействию давлений экструдера, составляющих, по меньшей мере, 1 фунт-сила/дюйм (6,9 кПа), в некоторых случаях, по меньшей мере, 5 фунт-сила/дюйм (34,5 кПа), а в других случаях, по меньшей мере, 10 фунт-сила/дюйм (69,0 кПа). Кроме того, смесь из сополимера и целлюлозы подвергают воздействию давлений экструдера, доходящих вплоть до 2000 фунт-сила/дюйм (13790 кПа), в некоторых случаях вплоть до 1000 фунт-сила/дюйм (6895 кПа), в других случаях вплоть до 500 фунт-сила/дюйм (3447 кПа), в некоторых обстоятельствах вплоть до 250 фунт-сила/дюйм (1724 кПа), а в других обстоятельствах вплоть до 150 фунт-сила/дюйм (1034 кПа). Точное давление экструдера будет варьироваться исходя из конкретной использующейся комбинации сополимер-целлюлоза и величины и типа вспенивания, желательного от прохождения реакции в соответствии с описанием в настоящем документе. Давления экструдера, воздействию которых подвергают сополимер и целлюлозный материал в целях обеспечения возможности прохождения реакции вспенивания между сополимером и целлюлозным материалом, могут быть любым давлением или находиться в диапазоне между любыми из давлений, описанных выше.
В конкретных вариантах осуществления изобретения центральная часть поперечного сечения настоящего изделия из композита целлюлозное волокно-термопласт является вспененной, а часть вокруг кромки или периметра настоящего изделия из композита целлюлозное волокно-термопласт является минимально вспененной или совершенно не вспененной.
3
3
3
3
3
3
3
Плотность вспененных изделий из композита целлюлозное волокно-термопласт в целом в данном варианте осуществления зачастую составляет менее чем 1,1 г/см, во множестве случаев менее чем 1 г/см, а может составлять менее чем 0,97 г/см, в некоторых случаях менее чем 0,9 г/см, в других случаях менее чем 0,85 г/см, а в некоторых обстоятельствах менее чем 0,8 г/см. Плотность вспененных изделий из композита целлюлозное волокно-термопласт будет зависеть от состава сополимера, количества и типа целлюлозного материала, количества присутствующей влаги, а также конкретных условий переработки. В конкретных аспектах изобретения и в зависимости от любых дополнительных наполнителей, которые могут быть использованы, плотность микровспененного материала может доходить вплоть до 1,3, а в некоторых случаях вплоть до 1,2 г/см.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «микровспененный» относится к материалу, где целлюлозные волокна являются хорошо, а во множестве случаев гомогенно, диспергированными в сополимере, и по всему объему материала диспергированы маленькие полости, обычно составляющие менее, чем 50 мкм.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «структурированный пеноматериал» относится к материалу, где целлюлозные волокна являются хорошо, а во множестве случаев гомогенно, диспергированными в сополимере, и по всему объему материала располагаются большие полости, обычно составляющие более чем 50 мкм и разделенные стенками, которые могут иметь толщину в диапазоне от 50 мкм до 10 мм. В некоторых случаях распределение по размерам для больших полостей может быть большим.
В вариантах осуществления изобретения экструдированное изделие может быть однородно микровспененным. Как таковые, целлюлозные волокна являются хорошо, а во множестве случаев гомогенно, диспергированными в сополимере, и по всему объему материала диспергированы маленькие полости, обычно составляющие менее чем 50 мкм.
Таким образом, один важный аспект настоящего изобретения представляет собой контролируемое регулирование природы вспененного изделия (микровспененного или структурированного пеноматериала), плотности вспененного изделия, а также формы конечного произведенного вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт.
Количество сополимера в композите целлюлозное волокно-термопласт будет варьироваться в зависимости от его предполагаемого варианта использования в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе и физических свойств, желательных для изделия. Как таковой, композит целлюлозное волокно-термопласт будет содержать полимер при уровне содержания, составляющем, по меньшей мере, приблизительно 10%, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 15%, в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 20%, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 25%, в других обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 30%, а в некоторых ситуациях, по меньшей мере, приблизительно 35% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Также сополимер может присутствовать при уровне содержания, доходящем вплоть до приблизительно 94,9%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 92,5%, в других случаях вплоть до приблизительно 90%, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 85%, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 80%, в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 75%, а в некоторых ситуациях вплоть до приблизительно 70% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Количество сополимера в композите целлюлозное волокно-термопласт может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Количество целлюлозного волокна в композите целлюлозное волокно-термопласт будет варьироваться в зависимости от его предполагаемого варианта использования в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе, величины и типа желательного вспенивания и физических свойств, желательных для изделия. Как таковое, количество целлюлозного волокна в композите целлюлозное волокно-термопласт может составлять, по меньшей мере, приблизительно 0,01%, в некоторых ситуациях, по меньшей мере, приблизительно 0,1%, в других ситуациях, по меньшей мере, приблизительно 1%, в конкретных ситуациях, по меньшей мере, приблизительно 5%, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 10%, в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 15%, а в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 20% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Также количество целлюлозного волокна в композите целлюлозное волокно-термопласт может доходить вплоть до приблизительно 70%, в некоторых ситуациях вплоть до приблизительно 65%, в других ситуациях вплоть до приблизительно 60%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 55%, в других случаях вплоть до приблизительно 50%, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 45%, а в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 40% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Количество целлюлозного волокна в композите целлюлозное волокно-термопласт может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Сополимер, использующийся в композите целлюлозное волокно-термопласт, обеспечивает получение улучшенных прочности и жесткости в сопоставлении с тем, что имеет место для формованных полиолефиновых термопластов, наполненных древесиной или целлюлозой. В частности, сополимер, использующийся в настоящем композите целлюлозное волокно-термопласт, является в меньшей степени подверженным ползучести и/или короблению при воздействии непрерывных нагрузок и/или высоких температур окружающей среды. Теплостойкость согласно измерению по температуре прогиба под нагрузкой (ТППН) в соответствии с документом ISO-75-2 для настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт также улучшается в сопоставлении с тем, что имеет место для формованных термопластов, наполненных древесиной или целлюлозой, предшествующего уровня техники.
Сополимер, использующийся в композите целлюлозное волокно-термопласт, содержит остатки, образованные в результате проведения полимеризации смеси, которая содержит один или несколько основных мономеров, один или несколько ангидридсодержащих мономеров и необязательно один или несколько других полимеризуемых мономеров.
Основные мономеры выбирают из стирольных мономеров и олефиновых мономеров и их комбинаций.
Количество остатков основных мономеров в настоящем сополимере зависит от физических свойств, желательных для изготавливаемого изделия, количества и типа используемого целлюлозного волокна и типа и количества эластомерного полимера, который используется. Обычно количество остатков основных мономеров, присутствующих в сополимере, составляет, по меньшей мере, приблизительно 51%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 55%, а в других случаях, по меньшей мере, 60% при расчете на массу сополимера. Также количество остатков основных мономеров, присутствующих в сополимере, может доходить вплоть до приблизительно 99,9%, в некоторых ситуациях вплоть до приблизительно 99%, в других ситуациях вплоть до приблизительно 95%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 90%, в других случаях вплоть до приблизительно 85%, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 80%, а в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 75% (мас.) от сополимера. Количество и тип остатков основных мономеров в сополимере могут представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В качестве одного или нескольких основных мономеров в изобретении может быть применен любой подходящий для использования стирольный мономер. Подходящими для использования стирольными мономерами являются соответствующие соединения, которые обеспечивают получение желательных свойств в настоящем изделии в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе. Неограничивающие примеры подходящих для использования стирольных мономеров включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: стирол, п-метилстирол, α-метилстирол, трет-бутилстирол, диметилстирол, их бромированные или хлорированные в цикле производные и их комбинации.
В качестве одного или нескольких основных мономеров в изобретении может быть применен любой подходящий для использования олефиновый мономер. Подходящими для использования олефиновыми мономерами являются соответствующие соединения, которые обеспечивают получение желательных свойств для настоящего изделия в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе. Неограничивающие примеры подходящих для использования олефиновых мономеров включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: этилен; альфа-олефины, такие как пропилен, 1-бутен, 1-пентен, 1-гексен, 1-гептен, 1-октен, 1-нонен, 1-децен и 1-додецен; 2-бутен, 2-пентен; 2-гексен; 2-октен; и их комбинации.
Количество остатков ангидридсодержащего мономера в настоящем сополимере зависит от физических свойств, желательных для изготавливаемого изделия, и количества и типа используемого целлюлозного волокна. Обычно количество остатков ангидридсодержащего мономера, присутствующих в сополимере, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,1%, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 1%, в других обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 5%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 10%, а в других случаях, по меньшей мере, 15% при расчете на массу сополимера. Также количество остатков ангидридсодержащего мономера, присутствующих в сополимере, может доходить вплоть до приблизительно 49%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 45%, в других случаях вплоть до приблизительно 40%, а в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 35% (мас.) от сополимера. Количество остатков ангидридсодержащего мономера в сополимере может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В изобретении может быть применен любой подходящий для использования ангидридсодержащий мономер. Подходящими для использования ангидридсодержащими мономерами являются соответствующие мономеры, которые придают желательные свойства для настоящего изделия в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе и включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: соответствующие соединения, описывающиеся формулами I и II:
I
II
1
2
4
3
1
8
1
8
где каждый из R, R и R независимо представляет собой Н или С-С линейный, разветвленный или циклический алкильный или алкенильный радикал, а R представляет собой С-С линейную или разветвленную алкильную группу.
В рамках неограничивающих примеров один подходящий для использования ангидридсодержащий мономер, описывающийся формулой I, представляет собой малеиновый ангидрид, а один подходящий для использования ангидридсодержащий мономер, описывающийся формулой II, представляет собой итаконовый ангидрид.
Количество и тип остатков других мономеров в настоящем сополимере зависят от физических свойств, желательных для изготавливаемого изделия, количества и типа используемого целлюлозного волокна и типа и количества эластомерного полимера, который используется. При включении остатков необязательных других мономеров, присутствующих в сополимере, их количество составляет, по меньшей мере, приблизительно 1%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 5%, а в других случаях, по меньшей мере, 10% при расчете на массу сополимера. Также количество остатков других мономеров, присутствующих в сополимере, может доходить вплоть до приблизительно 25%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 20%, а в других случаях вплоть до приблизительно 15% (мас.) от сополимера. Количество остатков других мономеров в сополимере может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
1
12
1
12
В качестве «другого мономера» в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе может быть включен любой подходящий для использования полимеризумый мономер. Подходящие для использования другие мономеры представляют собой соответствующие соединения, которые обеспечивают получение желательных свойств для настоящего изделия в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе, и включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: дивинилбензол, сопряженные диены, С-С линейные, разветвленные или циклические алкиловые сложные моно- или диэфиры малеиновой кислоты, фумаровой кислоты и итаконовой кислоты; С-С линейные, разветвленные или циклические алкиловые сложные эфиры акриловой кислоты и метакриловой кислоты, акрилонитрил, метакрилонитрил и их комбинации.
Получающийся в результате сополимер, образованный в результате проведения полимеризации описанных выше мономеров, может иметь среднемассовую молекулярную массу (Mw, согласно измерению при использовании метода ГПХ, использующего полистирольные стандарты), составляющую, по меньшей мере, 20000, в некоторых случаях, по меньшей мере, 35000, а в других случаях, по меньшей мере, 50000. Также значение Mw для получающегося в результате сополимера может доходить вплоть до 1000000, в некоторых случаях вплоть до 750000, а в других случаях вплоть до 500000. Значение Mw для сополимера может являться любым значением или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В рамках одного неограничивающего примера подходящие для использования сополимеры, которые могут быть применены в изобретении, включают сополимеры стирола/малеинового ангидрида, доступные в компании Polyscope, Netherlands.
Необязательно и в некоторых вариантах осуществления изобретения в композит целлюлозное волокно-термопласт могу быть включены один или несколько эластомерных полимеров для получения термопластического композита, наполненного целлюлозным волокном и модифицированного каучуком.
При включении в настоящий композит целлюлозное волокно-термопласт эластомерных полимеров их количество в композите целлюлозное волокно-термопласт будет варьироваться в зависимости от предполагаемого варианта их использования в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе и физических свойств, желательных для изделия. Как таковое, количество эластомерных полимеров в композите целлюлозное волокно-термопласт может составлять, по меньшей мере, приблизительно 0,1%, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 0,25%, в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 0,5%, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 1%, в других обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 2,5%, а в некоторых ситуациях, по меньшей мере, приблизительно 5% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Также количество эластомерных полимеров в композите целлюлозное волокно-термопласт может доходить вплоть до приблизительно 30%, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 25%, а в других случаях вплоть до приблизительно 20% (мас.) от композита целлюлозное волокно-термопласт. Количество эластомерных полимеров в композите целлюлозное волокно-термопласт может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Эластомерные сополимеры могут быть объединены с сополимером в результате примешивания или подмешивания сополимера или в результате объединения эластомерных полимеров с мономерами до или во время проведения полимеризации.
В настоящем изобретении может быть применен любой подходящий для использования эластомерный полимер. В некоторых вариантах осуществления изобретения для достижения желательных свойств используют комбинации из эластомерных полимеров. Подходящие для использования эластомерные полимеры представляют собой соответствующие соединения, которые обеспечивают получение желательных свойств для настоящего изделия в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе и в желательном варианте способны восстанавливать свою форму после деформирования.
В одном варианте осуществления изобретения эластомерные полимеры включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: гомополимеры бутадиена или изопрена или другого сопряженного диена и статистические, блочные, АВ-двухблочные или АВА-трехблочные сополимеры сопряженного диена (при этом неограничивающими примерами являются бутадиен и/или изопрен) со стирольным мономером в соответствии с представленным выше определением изобретения и/или акрилонитрилом. В конкретных вариантах осуществления изобретения эластомерные полимеры включают сополимеры акрилонитрила-бутадиена-стирола (ABS).
В одном конкретном варианте осуществления изобретения эластомерные полимеры включают один или несколько блок-сополимеров, выбираемых из двухблочных и трехблочных сополимеров стирола-бутадиена, стирола-бутадиена-стирола, стирола-изопрена, стирола-изопрена-стирола, частично гидрированного стирола-изопрена-стирола и их комбинаций.
В соответствии с использованием в настоящем документе бутадиен относится к 1,3-бутадиену а при его полимеризации к повторяющимся элементарным звеньям, которые принимают формы 1,4-цис, 1,4-транс и 1,2-винила для получающихся в результате повторяющихся элементарных звеньев вдоль по полимерной цепи.
В некоторых вариантах осуществления изобретения эластомерный полимер не включает мономеров, относящихся к диеновому типу. В данных обстоятельствах эластомерные полимеры могут включать сополимеры С1-С12 линейных, разветвленных или циклических олефинов, С1-С12 линейных, разветвленных или циклических алкиловых сложных эфиров (мет)акриловой кислоты, стирольных мономеров и/или (мет)акрилонитрила. Неограничивающими примерами данного типа эластомерного полимера являются модификаторы ELVALOY для синтетических смол, доступные в компании E. I. Dupont de Nemours and Company, Wilmington, Del.
В одном варианте осуществления изобретения эластомерный полимер характеризуется среднечисленной молекулярной массой (Mn), составляющей более чем 6000, в некоторых случаях более чем 8000, а в других случаях более чем 10000, и среднемассовой молекулярной массой (Mw), составляющей, по меньшей мере, 25000, в некоторых случаях не менее чем приблизительно 50000, а в других случаях не менее чем приблизительно 75000, и значение Mw может доходить вплоть до 500000, в некоторых случаях вплоть до 400000, а в других случаях вплоть до 300000. Среднемассовая молекулярная масса эластомерного полимера может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
TM
Неограничивающие примеры подходящих для использования блок-сополимеров, которые могут быть применены в изобретении, включают бок-сополимеры STEREON, доступные в компании Firestone Tire and Rubber Company, Akron, Ohio; блок-сополимеры ASAPRENE, доступные в компании Asahi Kasei Chemicals Corporation, Tokyo, Japan; блок-сополимеры KRATON, доступные в компании Kraton Polymers, Houston, Tex.; и блок-сополимеры VECTOR, доступные в компании Dexco Polymers LP, Houston, Tex.
В композите целлюлозное волокно-термопласт изобретения может быть применено любое подходящее для использования целлюлозное волокно. Подходящие для использования целлюлозные волокна включают волокна, которые совместно с сополимером и необязательными эластомерными полимерами обеспечивают получение желательных свойств для изделия, описанного в настоящем документе.
Композит целлюлозное волокно-термопласт включают целлюлозные материалы, которые производят из древесины, а также соответствующие материалы, не произведенные из древесины, (то есть отличные от древесных муки, волокон или волокнистой массы и тому подобного), и которые могут быть использованы либо в дополнение к материалам, произведенным из древесины, либо вместо них. Таким образом, целлюлозные волокна могут включать целлюлозу в любой из нескольких форм, включающих в качестве неограничивающих примеров древесные муку или волокна, древесную волокнистую массу, пшеничные волокна, рисовые отруби, волокна кенафа, льна, пеньки, древесины твердых пород, волокна кенафа, пшеничные волокна, рисовые отруби, волокна пеньки, волокна джута, волокна льна, волокна рами, волокна древесины мягких пород, волокнистую массу из древесины твердых пород, волокнистую массу из древесины мягких пород, древесную муку и их комбинации. Во множестве случаев используют древесные волокна или муку, и в общем случае подходящим для использования в соответствии с изобретением является любая доступная на коммерческих условиях разновидность.
Целлюлозные волокна могут включать материалы, характеризующиеся высоким аспектным соотношением, материалы, характеризующиеся низким аспектным соотношением, и комбинации из каждых из них. Волокна, характеризующиеся высоким аспектным соотношением, позволяют добиться преимущества, заключающегося в более высоких прочности и модуле для одного и того же уровня содержания волокна в композите целлюлозное волокно-термопласт. Использование материалов целлюлозного волокна является выгодным по нескольким причинам. Целлюлозные волокна в общем случае могут быть получены при относительно низкой стоимости. Целлюлозные волокна являются относительно легкими по массе, могут выдерживать высокое аспектное соотношение после переработки в высокоинтенсивных термокинетических смесителях и демонстрируют наличие низких абразивных свойств, что, таким образом, продлевает срок эксплуатации оборудования.
В вариантах осуществления изобретения целлюлозные волокна, характеризующиеся высоким аспектным соотношением, характеризуются аспектным соотношение, составляющим более чем 10, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 15, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 20, и могут характеризоваться аспектным соотношением, доходящим вплоть до приблизительно 1000, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 750, в других случаях вплоть до приблизительно 500, а в других случаях вплоть до приблизительно 250. В конкретных вариантах осуществления изобретения целлюлозные волокна, характеризующиеся высоким аспектным соотношением, характеризуются аспектным соотношением, составляющим более чем 50, в некоторых случаях более чем 100, в других случаях более чем 200, а в некоторых обстоятельствах более чем 500. Аспектное соотношение для целлюлозных волокон, характеризующихся высоким аспектным соотношением, может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В вариантах осуществления изобретения целлюлозные волокна, характеризующиеся низким аспектным соотношением, характеризуются аспектным соотношением, составляющим, по меньшей мере, приблизительно 1, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 1,25, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 1,5, и могут характеризоваться аспектным соотношением, доходящим вплоть до 10, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 7,5, в других случаях вплоть до приблизительно 5, а в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 2,5. Аспектное соотношение для целлюлозных волокон, характеризующихся низким аспектным соотношением, может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В вариантах осуществления изобретения целлюлозные волокна имеют диаметр, составляющий, по меньшей мере, приблизительно 1, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 2,5, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 5 мкм, и могут иметь диаметр, доходящий вплоть до приблизительно 500, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 400, в других случаях вплоть до приблизительно 300, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 250 мкм. Диаметр целлюлозных волокон, характеризующихся низким аспектным соотношением, может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В некоторых вариантах осуществления изобретения древесная мука характеризуется размером частиц, соответствующим не более, чем 10, в некоторых случаях не более чем 20, в других случаях не более чем 30, а в некоторых обстоятельствах не более чем 40 меш, в других обстоятельствах не более чем 50 меш, а в некоторых ситуациях не более чем 60 меш. Древесная мука может характеризоваться уровнем влагосодержания, составляющим не более чем 10%, в некоторых случаях не более чем 9%, в других случаях не более чем 8%, в некоторых обстоятельствах не более чем 7%, в некоторых ситуациях не более чем 6%, а в других обстоятельствах не более чем 5% (мас.). Однако могла бы быть использована любая разновидность древесины твердых пород или древесины мягких пород, обычно в зависимости от местоположения изготовителя.
Как это необходимо отметить, не существует какого-либо однозначного разграничения для определения местоположения линии выделения варианта, когда конкретное целлюлозное волокно больше уже не рассматривалось бы в качестве древесной муки, а вместо этого считалось бы древесным волокном. В связи с этим в соответствии с настоящим изобретением зачастую будет иметь место ситуация, когда древесная мука будет содержать некоторое количество древесных волокон, а древесные волокна будут содержать некоторое количество древесной муки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения целлюлозное волокно может включать утилизованную макулатуру, а в конкретных вариантах осуществления гранулированную утилизованную макулатуру.
1
12
1
12
В одном варианте осуществления изобретения композит целлюлозное волокно-термопласт может быть компаундирован или другим образом смешан с одним или несколькими другими полимерами для получения смеси композита целлюлозное волокно-термопласт. Подходящие для использования другие полимеры, которые могут быть смешаны или компаундированы с композицией композита целлюлозное волокно-термопласт, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: кристаллический полистирол, разновидности высокоударопрочного полистирола, полифениленоксид, сополимеры стирола и малеинового ангидрида и/или С-С линейных, разветвленных или циклических алкил(мет)акрилатов, модифицированные каучуком сополимеры стирола и малеинового ангидрида и/или С-С линейных, разветвленных или циклических алкил(мет)акрилатов, поликарбонаты, полиамиды (такие как найлоны), сложные полиэфиры (такие как полиэтилентерефталат, РЕТ), полиолефины (такие как полиэтилен, полипропилен и сополимеры этилена-пропилена), полифениленовый простой эфир (РРЕ), поливинилиденфторид, сополимеры акрилонитрила/(мет)акрилата, сополимеры этилена/винилацетата, полиоксиметилен, ацеталевый сополимер, сополимеры этилена-винилового спирта и их комбинации.
В конкретных вариантах осуществления изобретения компаундированная смесь включает полиоксиметилен (РОМ или ацетал), который в рамках одного неограничивающего примера доступен под торговым наименованием DERLIN в компании E. I. DuPont De Nemours and Company, Wilmington, Del.
В случае использования смеси композита целлюлозное волокно-термопласт смесь обычно будет включать, по меньшей мере, 1%, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, 5%, а в других обстоятельствах, по меньшей мере, 10%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 25%, а в других случаях, по меньшей мере, 35% и вплоть до 99%, в некоторых обстоятельствах вплоть до 95%, в других обстоятельствах вплоть до 90%, в некоторых случаях вплоть до 75%, а в других случаях вплоть до 65% (мас.), при расчете на смесь, настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт. Также смесь обычно будет включать, по меньшей мере, 1%, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, 5%, а в других обстоятельствах, по меньшей мере, 10%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 25%, а в других случаях, по меньшей мере, 35% и вплоть до 99%, в некоторых обстоятельствах вплоть до 95%, в других обстоятельствах вплоть до 90%, в некоторых случаях вплоть до 75%, а в других случаях вплоть до 65% (мас.), при расчете на смесь, других полимеров. Количество настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт и других полимеров в смеси определяют исходя из желательных свойств для изделий, изготавливаемых при использовании композиции смеси. Количество настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт и других полимеров в смеси может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Настоящий композит целлюлозное волокно-термопласт может включать одну или несколько добавок, известных на современном уровне техники. Подходящие для использования добавки включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: термостабилизаторы, светостабилизаторы, антиоксиданты; пластификаторы, красители, пигменты; вещества, препятствующие слипанию; антифрикционные вещества; смазки; окрашивающие вещества; поглотители ультрафиолетового излучения; антистатики; модификаторы ударопрочности, противомикробные вещества и их комбинации. Если только не будет указываться на другое, то каждая из добавок может быть включена в количествах, составляющих менее чем приблизительно 5, в некоторых случаях менее чем приблизительно 4, в других случаях менее чем приблизительно 3, а в некоторых обстоятельствах менее чем приблизительно 2% (мас.) при расчете на композит целлюлозное волокно-термопласт. Обычно совокупное количество добавок в композите целлюлозное волокно-термопласт будет составлять менее, чем приблизительно 12, в некоторых случаях менее, чем приблизительно 10, а в других случаях менее, чем приблизительно 8% (мас.) при расчете на композит целлюлозное волокно-термопласт.
Подходящие для использования термостабилизаторы, которые могут быть применены в изобретении, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: фосфитные или фосфонитные стабилизаторы и пространственно-затрудненные фенолы, при этом неограничивающими примерами являются стабилизаторы и антиоксиданты IRGANOX, доступные в компании Ciba Specialty Chemicals.
В общем случае в настоящем изобретении может быть использован любой обычный стабилизатор ультрафиолетового излучения (УФ), известный на современном уровне техники. Неограничивающие примеры подходящих для использования УФ-стабилизаторов включают 2-гидрокси-4-(октилокси)бензофенон, 2-гидрокси-4-(октилокси)фенилфенилметанон, 2-(2'-гидрокси-3,5'-дитетраметилфенил)бензотриазол и семейство УФ-стабилизаторов, доступных под торговым наименованием TINUVIN от компании Ciba Specialty Chemicals Co., Tarrytown, N. Y.
Подходящие для использования пластификаторы, которые могут быть применены в изобретении, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: кумароноинденовая смола, терпеновая смола и масла.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «пигменты и/или красители» относится к любым подходящим для использования неорганическому или органическому пигменту или органической краске. Подходящими для использования пигментами и/или красителями являются соответствующие материалы, которые не оказывают неблагоприятного воздействия на желательные физические свойства изделия. Неограничивающие примеры неорганических пигментов включают диоксид титана, оксид железа, хромат цинка, сульфиды кадмия, оксиды хрома и алюмосиликатные комплексы натрия. Неограничивающие примеры пигментов, относящихся к органическому типу, включают азо- и диазопигменты, технический углерод, фталоцианины, хинакридоновые пигменты, периленовые пигменты, изоиндолинон, антрахиноны, тиоиндиго и красители, растворимые в органических средах. Пигменты могут иметь белую или любую другую окраску. Белый пигмент может быть произведен в результате присутствия диоксида титана, оксида цинка, оксида магния, оксида кадмия, хлорида цинка, карбоната кальция, карбоната магния и тому подобного или любой их комбинации в количестве в диапазоне от 0,1 до 20% (мас.) в зависимости от используемого белого пигмент. Цветной пигмент может быть произведен при использовании технического углерода, фталоцианинового синего, конго красного, титанового желтого или любого другого окрашивающего вещества, известного, например, в полиграфической промышленности.
Подходящие для использования вещества, препятствующие слипанию, антифрикционные вещества или смазки включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: силиконовые масла, жидкий парафин, синтетический парафин, минеральные масла, вазелиновое масло, нефтяной воск, низкомолекулярный полиэтилен, гидрированный полибутен, высшие жирные кислоты и их металлические соли, линейные жирные спирты, глицерин, сорбит, пропиленгликоль, жирнокислотные сложные эфиры моногидрокси- или полигидрокси-спиртов, фталаты, гидрированное касторовое масло, пчелиный воск, ацетилированный моноглицерид, гидрированное спермацетовое масло, этиленбис(жирнокислотные сложные эфиры) и высшие жирные амиды. Подходящие для использования смазки включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: сложноэфирные воска, такие как относящиеся к глицериновым типам, сложные эфиры на основе полимерных комплексов, сложноэфирные воска, относящиеся к типу окисленного полиэтилена, и тому подобное, металлические стеараты, такие как стеарат бария, кальция, магния, цинка и алюминия, соли 12-гидроксистеариновой кислоты, амиды 12-гидроксистеариновой кислоты, сложные эфиры, полученные из стеариновой кислоты и полиэтиленгликолей, касторовое масло, этиленбисстеарамид, этиленбискокоамид, этиленбислаурамид, адипинат-стеарат пентаэритрита и их комбинации.
Подходящие для использования поглотители ультрафиолетового излучения, которые могут быть применены в изобретении, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: 2-(2-гидроксифенил)-2Н-бензотриазолы, например, известные коммерческие гидроксифенил-2Н-бензотриазолы и бензотриазолы, гидроксибензофеноны, акрилаты, малонаты, пространственно-затрудненные аминовые стабилизаторы, пространственно-затрудненные амины, замещенные по атому N гидроксизамещенной алкокси-группой, оксамиды, трисарил-о-гидроксифенил-s-триазины, сложные эфиры замещенных и незамещенных бензойных кислот, соединения никеля и их комбинации.
Подходящими для использования наполнителями являются соответствующие материалы, которые не оказывают неблагоприятного воздействия на желательные физические свойства изделия, а в некоторых случаях улучшают их. Подходящие для использования наполнители включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: карбонат кальция в тонкодисперсной и осажденной форме, сульфат бария, тальк, стекло, глины, такие как каолин и монтмориллониты, слюда, диоксид кремния, оксид алюминия, металлический порошок, стеклянные шарики, стеарат бария, стеарат кальция, оксид алюминия, гидроксид алюминия, диоксид титана, диатомитовая земля, стеклянные волокна, стеклопластик и их комбинации. Количество наполнителя во множестве случаев составляет менее чем 10% от совокупной массы композита целлюлозное волокно-термопласт.
Примеры подходящих для использования антистатиков включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: глицерин, жирная кислота, сложные эфиры, сорбитановые жирнокислотные жирные эфиры, пропиленгликолевые жирнокислотные сложные эфиры, стеарилцитрат, пентаэритритовые жирнокислотные сложные эфиры, полиглицериновые жирнокислотные сложные эфиры и полиоксиэтиленглицериновые жирнокислотные сложные эфиры.
1
12
1
12
Примеры подходящих для использования модификаторов ударопрочности включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: высокоударопрочный полистирол (HIPS), блок-сополимеры стирола/бутадиена, сополимер ABS, сополимеры С-С линейных, разветвленных или циклических олефинов, С-С линейных, разветвленных или циклических алкиловых сложных эфиров (мет)акриловой кислоты, стирольных мономеров, блочные сополимеры стирола/этилена/бутена/стирола, сополимеры стирола/этилена. Количество использующегося модификатора ударопрочности обычно находится в диапазоне от 0,5 до 25% от совокупной массы композита целлюлозное волокно-термопласт.
Примеры подходящих для использования противомикробных веществ, которые могут быть применены в изобретении, включают одного или нескольких представителей, выбираемых из различных фунгицидов, гербицидов, инсектицидов и других таких веществ, известных на современном уровне техники. В рамках неограничивающих примеров противомикробные вещества могут включать натриевые, калиевые, кальциевые, цинковые, медные и бариевые соли угольной кислоты, кремниевой кислоты, серной кислоты, галогенисто-водородной кислоты и боной кислоты во всех формах; карбоксилаты цинка; борные кислоты; дихромат натрия; арсенат меди-хрома (ССА); хромированный борат меди (СВС); аммиачный арсенат меди (АСА); аммиачный арсенат меди-цинка (ACZA); фторид меди-хрома (CFK); фторборат меди-хрома (CCFB); медь-хром-фосфор (ССР); пропиконазол-тебуконазол; органохлорид, такой как пентахлорфенол (РСР); четвертичные аммониевые соединения (ААС); медь-8-гидрохинолин или медь-оксен; оксид три-н-бутилолова (ТВТО); нафтенат три-н-бутилолова (TBTN); бромид дидецилдиметиламмония (DDAB); хлорид дидецилдиметиламмония (DDAC); ионы серебра, ионы ртути, карбаматы, изотиазолоны, гидрохлориды хлорированного фенокси-соединения и полигексаметиленбигуанидина и их комбинации.
Другие противомикробные вещества, которые могут быть использованы в изобретении, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: 1-[(6-хлор-3-пиридинил)метил]-4,5-дигидро-N-нитро-1Н-имидазол-2-амин и циано(3-феноксифенил)метиловый сложный эфир 3-(2,2-дихлорэтенил)-2,2-диметилциклопропанкарбоновой кислоты (циперметрин), что представляет собой активный ингредиент, например, в продукте Demon TC, продаваемом в компании Zeneca; (3-феноксифенил)метиловый сложный эфир 3-(2,2-дихлорэтенил)-2,2-диметилциклопропанкарбоновой кислоты (перметрин), что представляет собой активный ингредиент, например, в продуктах Dragnet FT и Torpedo, продаваемых в компании Zeneca; 1-[(6-хлор-3-пиридинил)метил]-4,5-дигидро-N-нитро-1Н-имидазол-2-амин (имидаклоприд), что представляет собой активный ингредиент, например, в продукте Premise, продаваемом в компании Bayer.
Неограничивающие примеры некоторых специфических противомикробных веществ включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: моногидрат метабората бария (продаваемый под торговой маркой Busan 11-M1, производства компании Buckman Labs), 2-N-октил-4-изотиазолин-3-он Vinyzene IT (продаваемый под торговой маркой Skane Morton, производства компании DOW), октилизотиазолон, дихлороктилизотиазолон, трихлорфеноксифенол Triclosan, 10,10'-оксибисфеноарсин Vinyzene BP (продаваемый под торговой маркой Morton, производства компании DOW), гидроксиапатитовый комплекс серебра (продаваемый под торговой маркой Apacider, производства компании Sangi Co. Ltd.), 2,3,5,6-тетрахлор-4-(метилсульфонил)пиридин (продаваемый под торговой маркой Densi I, производства компании ICI), 2-(тиоцианометилтио)бензотиазол (продаваемый под торговой маркой Busan 1030, производства компании Buckman Labs), N-(трихлорметилтио)фталимид (продаваемый под торговой маркой Fungitrol II, производства компании Huels), 3-иод-2-пропинилбутилкарбамат (продаваемый под торговой маркой Polyphase AF-1, производства компании Troy Chemical). Данный перечень никоим образом не является исчерпывающим, но включает некоторых представителей, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением для контролируемого регулирования процессов биоразложения.
Другие противомикробные вещества, которые могут быть использованы, включают в качестве неограничивающих примеров продукты PHMD, Triclosan, Irgansan DP300, MICROBAN, хлорированный фенокси-5-хлор-2-(2,4-дихлорфенокси)фенол, гидрохлорид полигексаметиленбигуанидина, продукты СН3635, Ster-zac, 5-хлор-2-(2,4-дихлорфенокси)фенол, хлор-2-(2,4-дихлор)фенол, хлор-2-(2,4-дихлорфенокси)фенол, продукт Lexol 300, трихлор-2-гидроксидифениловый простой эфир и противомикробные вещества, описанные в следующих далее патентах США, соответствующие части которых посредством ссылки включаются в настоящий документ: патенты США №№ 5,586,643, 5,288,480, 4,098,877, 5,069,907 и 5,238,749. Множество данных соединений продают в компании Microban Products Company, Huntsville, N. C. В настоящем изобретении также могут быть применены и другие подходящие для использования химические компоненты, демонстрирующие наличие известных противомикробных биоцидных или биостатических характеристик.
Неограничивающие примеры природных противомикробных веществ, которые могут быть использованы в изобретении, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: эфирные масла, такие как масло чайного дерева, мятное масло, масло лелешвы, сандаловое масло, гвоздичное масло, лавандовое масло, масло чернушки посевной (черного тмина), лук и их комбинации.
В качестве неограничивающих примеров настоящее изделие из вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт может быть изготовлено в результате формирования гранул композита целлюлозное волокно-термопласт, а после этого формования или экструдирования гранул для формирования настоящего изделия, или композиция композита целлюлозное волокно-термопласт может быть получена в экструдере и экструдирована непосредственно для формирования изделий изобретения.
В вариантах осуществления настоящих способов любой способ может включать получение сухой смеси из сополимера, целлюлозного волокна и необязательных эластомерных полимеров и/или необязательных других добавок, а впоследствии добавление их в экструдер.
В вариантах осуществления изобретения сополимер, целлюлозные волокна и необязательные эластомерные полимеры и/или необязательные другие добавки могут быть объединены в результате смешивания в расплаве.
В других вариантах осуществления настоящего способа любой способ может включать добавление сополимера и необязательно эластомерного полимера в первый экструдер, а после этого объединение их с целлюлозным волокном и необязательными другими добавками во втором экструдере.
В вариантах осуществления изобретения сополимер и необязательный эластомерный сополимер могут быть объединены в результате смешивания в расплаве.
Вне зависимости от того, какой способ используется, во время стадии смешивания сополимер и целлюлозное волокно обычно тщательно смешивают в результате высокосдвигового смешивания для получения композита сополимер-целлюлозное волокно, где смесь включает непрерывную фазу сополимера и дисперсную фазу целлюлозного волокна при прохождении определенной реакции между сополимером и целлюлозными волокнами в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе. Диспергированные целлюлозные волокна могут быть суспендированы или диспергированы по всему объему фазы сополимера. Изготовление дисперсной фазы волокна в пределах непрерывной фазы сополимера может потребовать подвода существенной механической энергии. Получения такого подвода энергии можно добиться при использовании широкого спектра смесительных средств, в том числе экструдерных механизмов, где материалы смешивают в условиях воздействия высокого сдвига вплоть до достижения надлежащей степени смачивания, тесного контакта и прохождения реакции.
Во время технологического процесса экструдирования и/или гранулирования целлюлозные волокна, сополимер, необязательные эластомерные полимеры и любые необязательные добавки вводят в тесный контакт друг с другом при высоких температурах и давлениях для обеспечения смачивания, смешивания и экструдирования целлюлозного волокна и сополимера в форме, такой чтобы сополимер на микроскопическом уровне формировал бы покрытие и затекал бы в поры, пустоты и тому подобное у целлюлозных волокон. Во множестве случаев волокна являются по существу ориентированными в направлении экструдирования в результате осуществления технологического процесса экструдирования. Такое существенное ориентирование вызывает перекрывание примыкающих параллельных волокон и образование сополимерного покрытия для ориентированных волокон, что в результате приводит к получению материала, подходящего для использования при изготовлении улучшенных конструкционных элементов, обладающих улучшенными физическими свойствами. Степень ориентации (для фракции волокон, ориентированных в направлении экструдирования или продольном направлении) может превышать приблизительно на 20%, во множестве случаев приблизительно на 30% разупорядоченную ориентацию, которая находится в диапазоне приблизительно от 45 до 50%. Реакция между ангидридными группами в сополимере и гидроксильными группами в целлюлозном волокне зачастую «блокирует» данную ориентацию «по месту», а также обеспечивает получение пенообразователя, который осуществляет функцию вспенивания композиции при покидании ею экструдера.
В способах настоящего изобретения важным элементом технологического процесса может оказаться контролируемое регулирование уровня влагосодержания. В зависимости от использующегося оборудования и технологических условий контролируемое регулирование уровня содержания воды в компонентах может оказаться важным при формировании желательного изделия, демонстрирующего наличие контролируемо регулируемых характеристик пеноматериала. В случае чрезмерно высокого количества влаги в целлюлозном волокне во время стадий переработки, описанных в настоящем документе, это может в результате привести к мгновенному вскипанию воды с поверхности вновь экструдированного изделия в результате быстрого испарения в форме пузырька пара в глубине внутреннего пространства экструдированного изделия, который может проходить из внутреннего пространства через горячий термопластический экструдат, оставляя после себя существенный изъян. Подобным образом поверхностная вода может образовывать пузырьки и оставлять после себя трещины, пузырьки или другие изъяны поверхности на экструдированном изделии.
В вариантах осуществления изобретения в экструдере проводят отсос газов для высвобождения нежелательной влаги из целлюлозного материала и/или стравливания избыточного давления в экструдере, обусловленного прохождением реакции сополимер-целлюлоза.
В различных вариантах осуществления изобретения композит целлюлозное волокно-термопласт может быть эструдирован в результате смешивания в расплаве при температуре, достаточной для течения сополимера, и экструдирования через экструзионную головку экструдера любого композита целлюлозное волокно-термопласт, раскрытого в настоящем документе, один или несколько раз. В изобретении может быть использовано как однопроходное, так и многопроходное экструдирование.
В различных вариантах осуществления изобретения композит целлюлозное волокно-термопласт может быть получен при использовании смесителя Бенбери или смесителя компании «Brabender» и/или двухчервячного экструдера. Композит целлюлозное волокно-термопласт может быть смешан и замешан при использовании способов, известных на современном уровне техники, на любой подходящей для использования ступени в технологическом процессе вплоть до момента, непосредственно предшествующего производству конечного продукта. Смешивание может быть осуществлено при использовании различных способов, таких как применение подходящего для использования смесителя, такого как барабанный сушитель, смеситель компании «Henschel» и тому подобное, или подача измеренных количеств материалов компонентов в загрузочное устройство экструдера при использовании питателя и смешивания их в экструдере. Замешивание также может быть проведено в результате осуществления подходящих для использования способов, таких как применение одно- или двухчервячного экструдера.
Во множестве вариантов осуществления изобретения стадии компаундирования в общем случае будут включать экструдер. Экструдер может быть одночервячным или двухчервячным экструдером. Во множестве случаев экструдером является экструдер, который может осуществлять технологический процесс компаундирования под вакуумом или давлением.
В вариантах осуществления изобретения в экструдере выдерживают достаточное давление, когда объединяют сополимер и целлюлозные волокна, в целях предотвращения улетучивания из смеси из сополимера и целлюлозного волокна водяных паров, диоксида углерода или другого выделяющегося пенообразователя в результате прохождения реакции между сополимером и целлюлозным волокном.
В случае получения композиции композита целлюлозное волокно-термопласт в экструдере и экструдирования ее непосредственно для формирования изделий изобретения давление на смесь из сополимера и целлюлозного волокна будет стравливаться после выгрузки смеси из экструдера и поступления ее в экструзионную головку или другое профилирующее устройство, что стимулирует расширение экструдированной смеси с формированием вспененного изделия, имеющего желательные форму или размер.
Во множестве вариантов осуществления изобретения после экструдирования прореагировавшего/вспененного композита сополимер-целлюлоза через экструзионную головку проводят вакуумирование в целях выдерживания желательного профиля при одновременном охлаждении композита до температуры, меньшей, чем его температура плавления и/или его значение Tg.
В вариантах осуществления изобретения условия экструдирования и профилирования подстраивают для получения материала, который обладает полностью микровспененной структурой или представляет собой комбинацию из структурированного пеноматериала и микровспененных структур в соответствии с представленным выше описанием изобретения.
Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения предлагают способ непосредственного изготовления изделий из вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт. Способ может включать а) объединение сополимера и необязательных эластомерных полимеров для получения компаундированного сополимера; b) объединение целлюлозных волокон с компаундированным сополимером для получения системы целлюлоза-компаундированный сополимер; и с) экструдирование системы целлюлоза-компаундированный сополимер для формирования экструдированного изделия.
В вариантах осуществления изобретения для формирования изделия используют методики экструдирования профилированных изделий. В данном варианте осуществления композит целлюлозное волокно-термопласт добавляют в экструдер при использовании любого из способов, описанных выше, и материал непрерывно продвигают вперед при использовании вращающегося червяка внутри нагретого цилиндра и размягчают под воздействием как трения, так и тепла. После этого размягченный композит целлюлозное волокно-термопласт может быть продавлен через экструзионную головку и охлажден для формирования изделия. В некоторых вариантах осуществления размягченный композит целлюлозное волокно-термопласт продавливают через экструзионную головку и подают непосредственно в ванну с холодной водой, где композит целлюлозное волокно-термопласт затвердевает с формированием изделия.
В вариантах осуществления изобретения совместно с профильным экструдером могут быть использованы вакуумные калибровочные установки в целях получения платформы для придания размеров профилям из композита целлюлозное волокно-термопласт, таким как оконные коробки, панели ограждения, пластинки для жалюзи и доски настила.
Как это указывалось выше, настоящее изделие из вспененного композита целлюлозное волокно-термопласт может быть изготовлено в результате формирования гранул из композита целлюлозное волокно-термопласт, а после этого формования или экструдирования гранул для формирования изделий. В данных вариантах осуществления изобретения может быть использован способ первого прохода, при котором компоненты (целлюлозные волокна, сополимер, необязательные эластомерные полимеры и любые необязательные добавки) под действием силы тяжести подают в экструдер и формируют гранулы из гомогенной композиции.
В некоторых вариантах осуществления необходимо включать второй проход, который начинается при наличии уже гомогенных гранул, имеющих относительно однородный размер. При плавлении и повторном экструдировании гранул во втором проходе в значительной степени исключаются флуктуации свойств и производительности, обусловленные небезупречным смешиванием.
В вариантах осуществления изобретения при использовании композита целлюлозное волокно-термопласт в форме гранул изготовление гранул может включать две стадии, представляющие собой стадию смешивания в соответствии с представленным выше описанием изобретения и стадию гранулирования.
В вариантах осуществления изобретения сополимер и целлюлозное волокно могут быть объединены в виде сухой смеси при надлежащих соотношениях до введения в смесительное оборудование. Стадии смешивания могут иметь место в отдельном оборудовании для обращения с порошками, или потоки сополимера и волокна могут быть одновременно введены в смесительную станцию при надлежащих соотношениях подаваемых количеств для обеспечения получения надлежащего состава продукта.
В некоторых вариантах осуществления изобретения целлюлозное волокно располагают в загрузочном устройстве, контролируемо регулируют по массе или по объему для дозирования волокна в смеситель. Сополимер вводят в систему ввода смолы. Количество сополимера и волокна может быть подстроено для обеспечения содержания материалом композита надлежащих пропорций при расчете на массу или объем. Волокна могут быть введены в экструдирующее устройство, которое может включать смесительную секцию, транспортирующую секцию и плавильную секцию. Каждая секция обычно характеризуется желательным профилем температур при нагревании, что в результате приводит к получению подходящего для использования продукта. Материалы могут быть введены в экструдер при расходе в диапазоне от приблизительно 100 (45,36) до приблизительно 1000 фунтов (453,6 кг) материала в час и могут быть первоначально нагреты до температуры, которая может выдерживать эффективное течение расплава сополимера. Может быть использовано многоступенчатое устройство, которое формирует профиль температуры переработки для эффективного объединения сополимера и волокна. Конечная ступень экструдирования может включать секцию мундштука. Секции мундштука могут включать круговое распределение (с диаметром в диапазоне 6-8'' (15,2-20,3 мм)) от 10 до 500 и более, во множестве случаев от 20 до 250 отверстий, имеющих форму поперечного сечения, приводящую к производству правильных цилиндрических гранул. По мере экструдирования материала из мундштука материал разрезают при использовании двустороннего лезвия ножа при скорости вращения в диапазоне приблизительно от 100 до 400 об/мин, что в результате приводит к получению желательной длины гранулы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения гранулы, которые в некоторых случаях частично вспениваются во время формирования, могут быть расположены в пресс-форме, нагреты для стимулирования прохождения дальнейшей реакции между сополимером и целлюлозным волокном, что в результате приводит к дальнейшему расширению и сплавлению расширившихся гранул с формированием вспененной массы с профилем пресс-формы.
В других вариантах осуществления изобретения гранулы могут быть расположены в экструдере в соответствии с представленным выше описанием изобретения и экструдированы для формирования вспененного изделия в соответствии с описанием изобретения в настоящем документе.
Композит целлюлозное волокно-термопласт изобретения также может быть использован и в других технологических процессах формования, то есть в технологических процессах для структурного пеноматериала, полученного в результате литьевого формования, при литьевом формовании, прямом прессовании, совместном экструдировании и раздувном формовании или при использовании способов экструдирования для пленки или листа и термоформования для производства деталей, таких как соответствующие детали, описанные в настоящем документе.
В вариантах осуществления изобретения высушенное целлюлозное волокно подают при использовании загрузочного устройства для древесины в двухчервячный экструдер, который нагревает волокно до температуры при одновременном его транспортировании. Сополимер подают при использовании загрузочного устройства для полимера в одночервячный экструдер, в котором сополимер расплавляют, и подают в двухчервячный экструдер, где смешивают расплавленный сополимер и целлюлозное волокно. Вдоль по длине двухчервячного экструдера необязательно может быть включен отсос газов для обеспечения удаления избыточных водяных паров из смеси целлюлозное волокно-сополимер. Смесь покидает двухчервячный экструдер через профильную экструзионную головку, где смесь в общем случае профилируют. Смесь покидает профильную экструзионную головку и вспенивается при заполнении размеров секции профилирования калибровочного стола, где могут использовать вакуум для обеспечения вспенивания смеси целлюлозное волокно-сополимер до получения желательной формы профиля. При необязательном продолжении проведения вакуумирования охлаждающую секцию калибровочного стола погружают в водную ванну или другое подходящее для использования охлаждающее средство (хладагент, теплообменник и тому подобное), где температуру смеси целлюлозное волокно-сополимер доводят до температуры, составляющей менее, чем ее температура плавления, таким образом, чтобы выдерживалась бы ячеистая структура, и было бы сведено к минимуму возникновение вмятин или других несовершенств поверхности. После покидания калибровочного стола экструдированную вспененную смесь целлюлозное волокно-сополимер протягивают через движущуюся обрезную пилу и отводящий столик.
В конкретных вариантах осуществления изобретения оборудование, которое может быть использовано в настоящих способах, может включать систему WT-94 WOODTRUDER, которая может включать двухчервячный экструдер с противовращающимися параллельными червяками GP94 на 94 мм (28:1 L/D) с идущим в связке одночервячным экструдером Mark V на 75 мм. Система подачи может включать три гравиметрических дозатора (таких как от компании Colortronics Systems AG, Hunzenschwil, Switzerland), осуществляющих подачу в одночервячный экструдер на 75 мм при использовании поточной подачи и три гравиметрических питателя (таких как Colortronics), осуществляющих подачу в двухчервячный экструдер на 94 мм при использовании порционной подачи. Боковая подача расплава полимера в данной системе позволяет добиться преимуществ, заключающихся в создании эффективного механизма вспенивания. Во-первых, относительно низкие температура плавления и/или значение Tg, что является благоприятным для контролируемого регулирования вспенивания и роста ячеек, оказывают воздействие на распределение ячеек по размеру и плотность ячеек. Во-вторых, может быть предотвращено преждевременное вспенивание в середине экструдера, поскольку зародышеобразование при вспенивании начинается на выходе из цилиндра экструдера после термического смешивания с целлюлозными волокнами и расплавом сополимера.
2
В вариантах осуществления изобретения температура плавления и/или значение Tg для сополимера могут находиться в диапазоне от приблизительно 204°С до приблизительно 260°С в соответствии с конкретным использующимся технологическим процессом. В некоторых вариантах осуществления изобретения температуры последовательных зон цилиндра для одночервячного экструдера на 75 мм могут быть заданы, соответственно, на уровне 250°С, 240°С, 220°С, 210°С и 205°С. В данных условиях расплав сополимера может быть подан в двухчервячный экструдер на 94 мм при хорошей текучести. Температура плавления и/или значение Tg для сополимера, подаваемого из одночервячного экструдера, могут находиться в диапазоне от приблизительно 200°С до приблизительно 205°С. В целях контролируемого регулирования вспенивания температуру плавления обычно сохраняют по возможности наиболее низкой в пределах диапазонов температуры, которые обеспечивают получения достаточной текучести расплава. В некоторых вариантах осуществления температура плавления сополимера может выдерживаться на уровне всего лишь 204°С при давлении расплава, составляющем приблизительно 900 фунт-сила/дюйм (6205 кПа). Целлюлозные волокна могут быть поданы в двухчервячный экструдер и нагреты вплоть до приблизительно 175°С в течение нескольких минут при использовании нагретого цилиндра экструдера, а влага из древесной муки эффективно удаляется через зоны атмосферного и вакуумного отсоса газов.
2
Температура плавления для смеси из сополимера и целлюлозного волокна может находиться в диапазоне от приблизительно 170°С до приблизительно 185°С при давлении расплава для смеси, составляющем приблизительно 700 фунт-сила/дюйм (4826 кПа).
2
2
В вариантах осуществления изобретения давление расплава на конце цилиндра двухчервячного экструдера может находиться в диапазоне от приблизительно 560 фунт-сила/дюйм (3861 кПа) до приблизительно 760 фунт-сила/дюйм (5240 кПа). Во множестве вариантов осуществления давление не сохраняется постоянным, поскольку оно может оказаться чувствительным к циклу вращения червяков экструдера.
В вариантах осуществления изобретения производительность при экструдировании может составлять приблизительно 152,5 фунт/час (69,2 кг/час), что может включать приблизительно 90 фунт/час (40,8 кг/час) целлюлозного волокна, приблизительно 55 фунт/час (24,9 кг/час) сополимера и приблизительно 7,5 фунт/час (3,4 кг/час) смазки. Производительность может быть снижена в целях обеспечения получения более продолжительных времен охлаждения для экструдата. В случае чрезмерно высокой производительности скорость технологической линии будет большей, а время охлаждения экструдата будет более коротким.
В вариантах осуществления изобретения проводят вакуумирование для отсоса газов из смеси. Любая избыточная влага в целлюлозном волокне может в результате приводить к получению неудовлетворительных поверхностей при наличии набухания и отверстий. Во множестве вариантов осуществления вакуумный отсос газов может быть использован для контролируемого регулирования степени вспенивания, поскольку количество активного пенообразователя можно контролируемо регулировать при использовании величины вакуума.
В вариантах осуществления изобретения профильная экструзионная головка может быть экструзионной головкой, относящейся к типу Celuka, которая включает внешнюю оболочку и внутреннюю оболочку. Экструзионную головку для изготовления кожуха определяет пространство между внутренней поверхностью внешней оболочки и внешней поверхностью внутренней оболочки. Экструзионную головку для изготовления центральной части определяет пространство, образованное внутренней поверхностью внутренней оболочки.
В вариантах осуществления изобретения экструдированная смесь целлюлозное волокно-сополимер покидает экструзионную головку двумя потоками. Первый поток покидает экструзионную головку через эструзионную головку для изготовления кожуха при формировании внешних кожуха или оболочки, которые в общем случае являются микровспененными в соответствии с представленным выше описанием изобретения. Второй поток покидает экструзионную головку для изготовления центральной части и охватывается первым потоком и формирует центральный пеноматериал, который по своей природе представляет собой структурированный пеноматериал в соответствии с описанием в настоящем документе.
В вариантах осуществления настоящего изобретения несмотря на перемещение первого потока в общем случае линейным образом при наличии некоторого расширения второй поток перемещается синусоидальным образом, по возможности расширяясь при заполнении пространства во внешних кожухе или оболочке. При наличии синусоидального аспекта второго потока он может стать более толстым вследствие прохождения реакции вспенивания. Уникальным для данного варианта осуществления изобретения является то, что в то время, как второй поток, в конечном счете, вспенивается при заполнении пространства в пределах внешних кожуха или оболочки в качестве центрального пеноматериала, режимы течения и реакции целлюлоза-сополимер «блокируют» целлюлозные волокна в различных ориентациях.
В данном варианте осуществления получающаяся в результате структура охватываемого синусоидального пеноматериала включает внешний кожух, заключающий в себе внешнюю поверхность поперечного сечения экструдированного изделия, и центральный пеноматериал в качестве внутренней части, которая имеет меньшую плотность, чем внешний кожух. Центральный пеноматериал имеет волнообразную структуру в направлении экструдирования, осциллирующую относительно серединной точки изделия. Точки максимального отклонения от серединной точки находятся в контакте и сплавляются с внутренней частью внешнего кожуха.
Целлюлозные волокна во внешних кожухе или оболочке в общем случае ориентированы в направлении экструдирования. С другой стороны, целлюлозные волокна в центральном пеноматериале имеют изменяющуюся ориентацию вдоль волнообразной структуры изделия, которая следует синусоидальному рисунку. Данная ориентация целлюлозного волокна вносит свой вклад в количество свойств материалов термопластических композитов, описанных в настоящем документе.
В вариантах осуществления изобретения может быть использована экструзионная головка для самопроизвольного вспенивания. В рамках одного примера данных вариантов осуществления экструдер транспортирует целлюлозное волокно вдоль одного направления и производит его смешивание с сополимером, который добавляют в экструдер при использовании загрузочного устройства. Смесь сополимер-целлюлозное волокно проходит через экструзионную головку в контролируемо регулируемые по температуре придающие размер муфты, которые включают калибровочную трубку и располагаются в вакуумном охлаждающем резервуаре, содержащем воду. В данном варианте осуществления толщина оформляющего канала экструзионной головки обычно является постоянной. В данном варианте осуществления при самопроизвольном вспенивании вспенивание смеси сополимер-целлюлозное волокно начинается после края экструзионной головки или, говоря другими словами, вне экструзионной головки. Материалы термопластических композитов, произведенные в соответствии с данным способом, характеризуются переменной степенью расширения, в общем случае имеют низкую плотность и имеют хорошую внешнюю поверхность.
В вариантах осуществления изобретения может быть использована экструзионная головка для вспенивания, относящаяся к типу Celuka. В данном варианте осуществления экструдер транспортирует целлюлозное волокно и производит его смешивание с сополимером, который добавляют в экструдер при использовании загрузочного устройства. Смесь сополимер-целлюлозное волокно проходит через придающую размер и охлаждающую экструзионную головку, которая включает фиксированную торпеду в центре экструзионной головки. Вспененная смесь сополимер-целлюлозное волокно охлаждают в секции отбора. Материалы термопластических композитов, произведенные в соответствии с данным способом, имеют жесткую внешнюю поверхность, среднюю плотность, фиксированную степень расширения и хорошую прочность вследствие присутствия двух слоев.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения используют экструзионную головку для вспенивания, относящуюся к типу Celuka, в технологическом процессе внутреннего вспенивания. В данном способе по соседству с экструзионной головкой располагают калибровочную установку, которая имеет те же самые размеры, что и экструзионная головка, что способствует контролируемому регулированию расширения пеноматериала. Данный технологический процесс обеспечивает очень быстрое охлаждение. На поверхности продукта гасится образование пузырьков, и производится твердая внешняя кожица. В результате наличия двух слоев вспененный экструдат в общем случае демонстрирует наличие хороших механических свойств. В сопоставлении с самопроизвольным вспениванием технологический процесс, относящийся к типу Celuka, обеспечивает получение другой структуры ячеек и профиля плотности.
3
3
3
3
Материал, произведенный при использовании экструзионной головки для самопроизвольного вспенивания, имеет кожицу с более высокой плотностью на каждой кромке (в диапазоне от приблизительно 900 до приблизительно 1100 кг/м, в некоторых случаях от приблизительно 950 до приблизительно 1050 кг/м), и плотность быстро спадает на участке в диапазоне от приблизительно 3 до приблизительно 20, в некоторых случаях от приблизительно 5 до приблизительно 15 процентов от совокупной толщины изделия до центральной сердцевинной части с более низкой плотностью, которая имеет более низкую плотность в сопоставлении с кожицей с более высокой плотностью (в диапазоне от приблизительно 450 до приблизительно 650 кг/м, в некоторых случаях от приблизительно 500 до приблизительно 600 кг/м).
3
3
3
3
3
3
Материал, произведенный при использовании экструзионной головки, относящейся к типу Celuka, имеет слой с более высокой плотностью на каждой кромке (в диапазоне от приблизительно 1200 до приблизительно 1600 кг/м, в некоторых случаях от приблизительно 1300 до приблизительно 1500 кг/м), и плотность быстро спадает на участке в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 22, в некоторых случаях от приблизительно 7 до приблизительно 18 процентов от совокупной толщины изделия до центральной сердцевинной части с меньшей плотностью, который имеет меньшую плотность в сопоставлении с кожицей с большей плотностью (в диапазоне от приблизительно 250 до приблизительно 450 кг/м, в некоторых случаях от приблизительно 300 до приблизительно 400 кг/м). Наиболее центральная часть (в диапазоне от приблизительно 35% до приблизительно 70%, в некоторых случаях от приблизительно 40% до приблизительно 60% от кромки изделия) имеет наиболее низкую плотность в изделии (в диапазоне от приблизительно 100 до приблизительно 300 кг/м, в некоторых случаях от приблизительно 150 до приблизительно 250 кг/м). Во множестве случаев между слоем с большей плотностью, центральной сердцевинной частью с меньшей плотностью и наиболее центральной частью существует переходная зона.
В конкретных вариантах осуществления изобретения экструзионная головка для вспенивания, относящаяся к типу Celuka, может быть экструзионными головками для вспенивания, изготовленными в компании Futuresoft Technologies Inc., Manalapan, N. J. В данном варианте осуществления существуют три сопельных установки, расположенные на стенке экструзионной головки, и центральную оправку. Три потока расплава из различных сопел объединяются в экструзионной головке, и падение давления инициирует вспенивание. Ячейки от вспенивания быстро растут вплоть до перекристаллизации расплава полимера под воздействием эффекта охлаждения от калибраторной установки, которая может представлять собой придающую размер экструзионную головку, снабженную каналами с холодной водой. Внешние части или слои кожицы с большей плотностью могут быть сформированы на кромках или внешней поверхности экструдата вследствие относительно высокой скорости охлаждения поверхности экструдата в непосредственном контакте со стенкой экструзионной головки и калибраторными установками. В одном дополнительном оборудовании экструдер транспортирует целлюлозное волокно в продольном направлении и производит его смешивание с сополимером, который добавляют в экструдер при использовании загрузочного устройства. Смесь сополимер-целлюлозное волокно проходит через экструзионную головку для вспенивания, которая включает сопло, что доводит до максимума падение давления. В противоположность варианту осуществления при самопроизвольном вспенивании в данном варианте осуществления вспенивание смеси сополимер-целлюлозное волокно начинается внутри экструзионной головки, обычно по варианту микровспенивания в соответствии с представленным выше описанием изобретения. Вспененная смесь сополимер-целлюлозное волокно поступает в калибратор, где ей придают размер и ее охлаждают для отбора. Способы, соответствующие данному варианту осуществления, обеспечивают получение материалов термопластических композитов, характеризующихся большей плотностью ячеек и большей степенью расширения.
Сопельная система экструзионной головки для вспенивания в общем случае обеспечивает наличие механизма микроячеистого вспенивания. Сопло является относительно более тонким в сопоставлении со множеством экструзионных головок для вспенивания и подразумевает сохранение по возможности наиболее высокого давления расплава, что в результате приводит к получению большого падения давления на краю сопла. Система в данном варианте осуществления обеспечивает получение хорошего инициирования зародышеобразования, что в результате приводит к получению увеличенной плотности ячеек (количеству ячеек при расчете на единицу объема).
В вариантах осуществления изобретения система водных охлаждающих резервуаров может быть расположена после калибровочных установок для выдерживания охлаждения экструдата вплоть до достижения стабильных размеров продуктов. Система водных резервуаров может включать пластины из нержавеющей стали с толстыми эпоксидными боковыми стенками, верхними окошками и водными циркуляционными трубами.
В конкретных вариантах осуществления изобретения водной охлаждающий резервуар может иметь приблизительно 48 дюймов (121,9 мм) в длину 24 дюйма (61,0 мм) в ширину и 13,5 дюйма (34,3 мм) в глубину.
Как это необходимо отметить, длина калибровочных установок или количество калибраторных установок будут варьироваться исходя из желательной скорости охлаждения. В общем и целом при производстве композита древесина-пластмасса могут потребоваться три калибровочные установки для эффективной производительности при экструдировании.
В вариантах осуществления изобретения экструдат может быть охлажден в водном резервуаре и может быть введен в резервуар c водяным орошением для дальнейшего охлаждения. В конце резервуара c водяным орошением может быть использован воздушный нож для удаления водяных капель с поверхностей экструдата таким образом, чтобы устройство для съема, представляющее собой машину для отвода изделия, могло бы эффективно отводить экструдат при отсутствии значительного проскальзывания.
Скорость отвода экструдата на устройстве для съема может быть использована для контролируемого регулирования скорости расширения вспенивающегося экструдата и содействия экструдированию при ламинированном плавном течении.
В вариантах осуществления изобретения устройством для съема могут быть соответствующие устройства, доступные в компании Royal Machine Manufacture Ltd.
После экструдирования, профилирования и формирования изделие может иметь толщину, составляющую, по меньшей мере, приблизительно 0,1, в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 0,15, в других обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 0,25, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 0,5, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 1 см и может иметь толщину, доходящую вплоть до приблизительно 35, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 30 см, в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 25 м, в некоторых ситуациях вплоть до приблизительно 20 см, в других ситуациях вплоть до приблизительно 15, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 12 см, а в других случаях вплоть до приблизительно 10 см. Толщина изделия может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Маленькие полости в микровспененном материале могут иметь диаметр, составляющий, по меньшей мере, 0,01, в некоторых случаях, по меньшей мере, 0,1, а в других случаях, по меньшей мере, 1 мкм и могут составлять менее, чем 50, в некоторых случаях доходить вплоть до 49, в других случаях вплоть до 45, в некоторых обстоятельствах вплоть до 40, в других обстоятельствах вплоть до 35, в некоторых ситуациях вплоть до 30, а в других ситуациях вплоть до 25 мкм. Размер маленьких полостей в микровспененном материале будет варьироваться исходя из состава сополимера, типа целлюлозы и конкретных использующихся условий экструдирования. Размер маленьких полостей в микровспененном материале может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
3
3
3
В вариантах осуществления изобретения плотность микровспененного материала может составлять, по меньшей мере, 0,6, в некоторых случаях, по меньшей мере, 0,64, а в других случаях, по меньшей мере, 0,68 г/см и может доходить вплоть до 1,1, в некоторых случаях вплоть до 1,06, а в других случаях вплоть до 1,02 г/см. В конкретных аспектах изобретения и в зависимости от любых дополнительных наполнителей, которые могут быть использованы, плотность микровспененного материала может доходить вплоть до 1,3, а в некоторых случаях вплоть до 1,2 г/см. Плотность микровспененного материала будет варьироваться исходя из состава сополимера, типа целлюлозы, типов наполнителей и конкретных использующихся условий экструдирования. Плотность микровспененного материала может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Большие полости в структурированном вспененном материале могут иметь диаметр, составляющий, по меньшей мере, 50, в некоторых случаях, по меньшей мере, 55, а в других случаях, по меньшей мере, 60 мкм и могут доходить вплоть до 2500, в некоторых случаях вплоть до 2000, в других случаях вплоть до 1500, в некоторых обстоятельствах вплоть до 1000, в других обстоятельствах вплоть до 500, в некоторых ситуациях вплоть до 400, а в других ситуациях вплоть до 250 мкм. Размер больших полостей в структурированном вспененном материале будет варьироваться исходя из состава сополимера, типа целлюлозы и конкретных использующихся условий экструдирования. Размер больших полостей в структурированном вспененном материале может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
3
3
В вариантах осуществления изобретения плотность структурированного вспененного материала является меньшей, чем плотность микровспененного материала. В аспектах данного варианта осуществления структурированный вспененный материал может соответствовать, по меньшей мере, 0,45, в некоторых случаях, по меньшей мере, 0,50, а в других случаях, по меньшей мере, 0,55 г/см и может соответствовать вплоть до 0,80, в некоторых случаях вплоть до 0,75, а в других случаях вплоть до 0,7 г/см. Плотность структурированного вспененного материала будет варьироваться исходя из состава сополимера, типа целлюлозы и конкретных использующихся условий экструдирования. Плотность структурированного вспененного материала может представлять собой любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Одно конкретное преимущество настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт в сопоставлении с полиолефинами, наполненными древесным волокном и/или древесной мукой, предшествующего уровня техники заключается в превосходных свойствах при растяжении и теплофизических свойствах настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт.
В вариантах осуществления изобретения модуль при растяжении для настоящего композита целлюлозное волокно-термопласт согласно определению в соответствии с документом ISO 527-2 составляет более, чем 2000, в некоторых случаях более, чем 2500, а в других случаях более, чем 3000 МПа в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
В дополнительных вариантах осуществления изобретения предел прочности при растяжении согласно определению в соответствии с документом ISO 527-2 для композита целлюлозное волокно-термопласт может составлять, по меньшей мере, приблизительно 25, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 30, в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 35, а в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 40 МПа в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
В конкретных вариантах осуществления изобретения композит целлюлозное волокно-термопласт изобретения характеризуется модулем при растяжении согласно определению в соответствии с документом ISO 527-2, который является, по меньшей мере, в 1,5, в некоторых случаях, по меньшей мере, в 1,75, а в других случаях, по меньшей мере, в 2 раза большим, чем модуль при растяжении для подобным образом образованного материала, содержащего целлюлозное волокно и полипропилен. Вдобавок к данному варианту осуществления композит целлюлозное волокно-термопласт изобретения характеризуется пределом прочности при растяжении согласно определению в соответствии с документом ISO 527-2, который является, по меньшей мере, в 1,5, в некоторых случаях, по меньшей мере, в 1,75, а в других случаях, по меньшей мере, в 2 раза большим, чем предел прочности при растяжении для подобным образом образованного материала, содержащего целлюлозное волокно и полипропилен.
В других вариантах осуществления изобретения температура прогиба под нагрузкой (ТППН) при 1,82 МПа согласно определению в соответствии с документом ISO-75-2 для композита целлюлозное волокно-термопласт составляет, по меньшей мере, приблизительно 85°С.
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы модулем при разрушении для материала. В соответствии с данным вариантом осуществления модуль при разрушении согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790 составляет более, чем 750 (5171), в некоторых случаях более, чем 900 (6205), а в других случаях, по меньшей мере, 1000 фунт-сила/дюйм (6895 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе настоящего материала композита целлюлозного волокна-термопласта могут быть охарактеризованы модулем упругости для материала. В соответствии с данным вариантом осуществления модуль упругости согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790 составляет более, чем 75000 (517100); в некоторых случаях более, чем 90000 (620500), а в других случаях, по меньшей мере, 100000 фунт-сила/дюйм (689500 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы модулем при разрушении для материала. В соответствии с данным вариантом осуществления модуль при разрушении согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790 составляет более чем 750 (5171), в некоторых случаях более чем 900 (6205), а в других случаях, по меньшей мере, 1000 фунт-сила/дюйм (6895 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 20000 фунт-сила/дюйм (137900 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы модулем упругости для материала. В соответствии с данными вариантом осуществления модуль упругости согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790 составляет более, чем 75000 (517100); в некоторых случаях более чем 90000 (620500), а в других случаях, по меньшей мере, 100000 фунт-сила/дюйм (689500 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 1000000 фунт-сила/дюйм (6895000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при растяжении настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы модулем при разрушении для материала. В соответствии с данным вариантом осуществления модуль при разрушении согласно определению в соответствии с документом ASTM D 638 составляет более чем 500 (3447), в некоторых случаях более чем 650 (4481), а в других случаях, по меньшей мере, 750 фунт-сила/дюйм (5171 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 20000 фунт-сила/дюйм (137900 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при растяжении настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы модулем упругости для материала. В соответствии с данными вариантом осуществления модуль упругости согласно определению в соответствии с документом ASTM D 638 составляет более, чем 100000 (689500); в некоторых случаях более чем 125000 (861800), а в других случаях, по меньшей мере, 150000 фунт-сила/дюйм (1034000 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 1500000 фунт-сила/дюйм (10340000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
В вариантах осуществления изобретения свойства при ударе настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт могут быть охарактеризованы ударной вязкостью по Изоду для материала. В соответствии с данным вариантом осуществления ударная вязкость по Изоду определяется в соответствии с документом ASTM D 256 и составляет менее чем 80, в некоторых обстоятельствах менее чем 60, в других обстоятельствах менее чем 50, в некоторых ситуациях менее чем 40, в других ситуациях менее чем 30, в некоторых случаях менее чем 25, а в других случаях не более чем 22 Дж/м, а в некоторых случаях может составлять всего лишь 1 Дж/м в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе для микровспененной части настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт являются более значительными, чем соответствующие свойства части со структурированным пеноматериалом, что характеризуется модулем при разрушении для материала согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790. В данном варианте осуществления изобретения часть со структурированным пеноматериалом может характеризоваться модулем при разрушении, который составляет более чем 750 (5171), в некоторых случаях более чем 900 (6205), а в других случаях, по меньшей мере, 1000 фунт-сила/дюйм (6895 кПа) и может доходить вплоть до 10000 фунт-сила/дюйм (68950 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются. В данном варианте осуществления часть с микровспененным материалом может характеризоваться модулем при разрушении, который составляет более чем 1000 (6895), в некоторых случаях более чем 1150 (7929), а в других случаях, по меньшей мере, 1300 фунт-сила/дюйм (8963 кПа) и может доходить вплоть до 20000 фунт-сила/дюйм (13790 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при изгибе микровспененной части настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт являются более значительными, чем соответствующие свойства части со структурированным пеноматериалом, что характеризуется модулем упругости для материала согласно определению в соответствии с документом ASTM D 790. В данном варианте осуществления изобретения часть со структурированным пеноматериалом может характеризоваться модулем при разрушении, который составляет более чем 75000 (517100); в некоторых случаях более чем 90000 (620500), а в других случаях, по меньшей мере, 100000 фунт-сила/дюйм (689500 кПа) и может доходить вплоть до 700000 фунт-сила/дюйм (4826000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются. В данном варианте осуществления часть с микровспененным материалом может характеризоваться модулем упругости, который составляет более чем 100000 (689500); в некоторых случаях более чем 125000 (861800), а в других случаях, по меньшей мере, 150000 фунт-сила/дюйм (1034000 кПа), а может доходить вплоть до 750000 фунт-сила/дюйм (517100 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при растяжении микровспененной части настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт являются более значительными, чем соответствующие свойства части со структурированным пеноматериалом, что характеризуется модулем при разрушении для материала. В данном варианте осуществления изобретения часть со структурированным пеноматериалом может характеризоваться модулем при разрушении согласно определению в соответствии с документом ASTM D 638, который составляет более чем 500 (3447), в некоторых случаях более чем 650 (4481), а в других случаях, по меньшей мере, 750 фунт-сила/дюйм (5171 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 10000 фунт-сила/дюйм (68950 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются. В данном варианте осуществления часть с микровспененным материалом может характеризоваться модулем при разрушении, который составляет более чем 1000 (6895), в некоторых случаях более чем 1250 (8618), а в других случаях, по меньшей мере, 1500 фунт-сила/дюйм (10340 кПа) и может доходить вплоть до 20000 фунт-сила/дюйм (1379000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
2
2
2
2
В вариантах осуществления изобретения свойства при растяжении микровспененной части настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт являются более значительными, чем соответствующие свойства части со структурированным пеноматериалом, что характеризуется модулем упругости для материала. В данном варианте осуществления изобретения часть со структурированным пеноматериалом может характеризоваться модулем упругости согласно определению в соответствии с документом ASTM D 638, который составляет более чем 100000 (689500); в некоторых случаях более чем 125000 (861800), а в других случаях, по меньшей мере, 150000 фунт-сила/дюйм (1034000 кПа), а в некоторых случаях может доходить вплоть до 1500000 фунт-сила/дюйм (10340000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются. В данном варианте осуществления часть с микровспененным материалом может характеризоваться модулем упругости, который составляет более чем 200000 (1379000), в некоторых случаях более, чем 225000 (1551000), а в других случаях, по меньшей мере, 250000 фунт-сила/дюйм (1724000 кПа) и может доходить вплоть до 2000000 фунт-сила/дюйм (13790000 кПа) в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
В вариантах осуществления изобретения свойства при ударе по Изоду микровспененной части настоящего материала композита целлюлозное волокно-термопласт являются более значительными, чем соответствующие свойства части со структурированным пеноматериалом, что характеризуется ударной вязкостью по Изоду для материала. В данном варианте осуществления изобретения часть со структурированным пеноматериалом характеризуется меньшей ударной вязкостью по Изоду согласно определению в соответствии с документом ASTM D 256, которая составляет менее чем 30, в некоторых случаях менее чем 25, а в других случаях не более чем 22 Дж/м и в некоторых случаях может составлять всего лишь 1 Дж/м в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются. В данном варианте осуществления часть с микровспененным материалом может характеризоваться ударной вязкостью по Изоду согласно определению в соответствии с документом ASTM D 256, которая составляет менее чем 50, в некоторых случаях менее чем 40, а в других случаях не более чем 35 Дж/м и в некоторых случаях может составлять всего лишь 1 Дж/м в зависимости от конкретных термопласта и целлюлозного волокна, которые используются.
В одном варианте осуществления изобретения экструдированное изделие может представлять собой синтетическую доску, которая может включать смесь из сополимера и эластомерного полимера, множества целлюлозных волокон, компаундированных со смесью, для получения композита целлюлозное волокно-термопласт. Доска имеет ширину, толщину и сторону. Доска может быть применена в качестве компонента настила или любого другого подходящего для использования строительного материала. Например, доска может быть использована в качестве доски настила, перил, стойки перил, оконного компонента, дверного компонента, облицовочного компонента, обшивочного компонента и/или балки настила. В еще одном примере доска может быть использована для конструирования любой части жилищ, пешеходных дорожек, навесов и/или любой другой желательной конструкции.
Ширина доски может составлять, по меньшей мере, приблизительно 1 см, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 2 см, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 4 см и может доходить вплоть до приблизительно 250 см, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 244 см, в других случаях вплоть до приблизительно 215 см, в некоторых обстоятельствах вплоть до приблизительно 185 см, а в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 125 см. Ширина 3 иметь любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Толщина доски может составлять, по меньшей мере, 1 см, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 2 см, а в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 4 см и может доходить вплоть до приблизительно 12, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 11, а в других случаях вплоть до приблизительно 10 см. Толщина доски может составлять любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
Сторона доски может быть экструдирована при любой желательной длине. В вариантах осуществления изобретения доску экструдируют до подходящей для использования в коммерческих условиях длины стороны доски, которая может составлять по величине, по меньшей мере, приблизительно 5, в некоторых случаях, по меньшей мере, приблизительно 10, в других случаях, по меньшей мере, приблизительно 20, а в некоторых обстоятельствах, по меньшей мере, приблизительно 25 см и может доходить вплоть до приблизительно 1000, в некоторых случаях вплоть до приблизительно 625, в других случаях вплоть до приблизительно 475, а в других обстоятельствах вплоть до приблизительно 375 см. Длина стороны доски может составлять любое значение или находиться в диапазоне между любыми из значений, перечисленных выше.
В вариантах осуществления изобретения доски из композита целлюлозное волокно-термопласт могут иметь размеры, относящиеся к типу панели, в рамках одного неограничивающего примера в диапазоне от приблизительно 2 (0,61) до приблизительно 8 футов (2,44 м) в ширину, от приблизительно 6 (1,83) до приблизительно 12 футов (3,66 м) в длину и от приблизительно 0,5 (12,7) до приблизительно 4 дюймов (101,6 мм) в толщину. В данном варианте осуществления панель из композита целлюлозное волокно-термопласт может быть присоединена к брускам или брусам для получения поверхности стены, пола или кровли.
3
В аспектах изобретения плотность изделия из композита целлюлозное волокно-термопласт составляет менее чем 1 г/см, и изделия являются подходящими для использования в морских областях применения. Настоящие изделия являются в особенности хорошо подходящими для использования в морских областях применения, поскольку их плотность является меньшей, чем плотность воды, что обеспечивает получение желательной плавучести, а также формирует материал, который является очень стойким к микробному заражению.
Настоящее изобретение, кроме того, будет описываться при обращении к следующим далее примерам. Следующие далее примеры представляют собой просто иллюстрации изобретения и не предназначены для его ограничения. Если только не будет указываться на другое, то все уровни процентного содержания являются массовыми при условии отсутствия указания на другое.
ПРИМЕРЫ
Волокна из термически модифицированной древесины (HTW) оценивали по их реакционной способности по отношению к вспениванию при использовании технологического процесса реакционного экструдирования «по месту» совместно с сополимером стирола-малеинового ангидрида (SMA). Оценку проводили для измерения степени расширения экструдата при использовании экструзионной головки для самопроизвольного вспенивания. Измеряли относительные удельные массы образцов, которые сопоставляли с образцами невспененного сополимера SMA.
Материалы
В качестве подходящей для использования рецептуры сополимера с точки зрения вспениваемости выбрали сорт сополимера SMA (XIRAN SE700 от компании Polyscope). Он содержит каучуковый модификатор ударопрочности и малеиновый ангидрид при уровне содержания, составляющем приблизительно 10%. Использовали волокна из термически модифицированной древесины (HTW). Волокна представляли собой стружку от сосны, которая была подвергнута термическому модифицированию в результате нагревания до 212°C в течение 3 часов, а впоследствии измельчению в молотковой мельнице и перепусканию через сито. Смазывающие добавки (TPW 113) приобретали в компании Struktol, USA. Все материалы кондиционировали при 80°С в течение, по меньшей мере, 3 часов до проведения экспериментов на экструдирование. В таблице 1 продемонстрированы детали рецептур.
Таблица 1. Рецептуры образцов
<b>№ </b>
<b>Наименование </b>
<b>SMA </b>
<b>Древесина </b>
<b>Lub </b>
1
Контрольный образец сополимера SMA
100%
-
-
2
HTW SMA-WPC
70%
HTW 30%
-
3
HTW SMA-WPC/L
65%
HTW 30%
5%
4
30% HTW SMA-WPC
70%
HTW 9%+сосна 21%
-
5
50% HTW SMA-WPC
70%
HTW 15%+сосна 15%
-
SMA: сополимер стирола-малеинового ангидрида
HTW: волокно из термически модифицированной древесины
Lub: смазка
30% HTW: смесь из волокна из термически модифицированной древесины (30%) и сосны, не подвергнутой обработке, (70%)
50% HTW: смесь из волокна из термически модифицированной древесины (50%) и сосны, не подвергнутой обработке, (50%)
Способы
Реакционное вспенивающее экструдирование
. Для производства материала SMA-WPC совместно с волокнами HTW использовали лабораторную экструзионную систему (AEWC#955). Экструзионная головка для вспенивания, использующаяся в данном исследовании, являлась экструзионной головкой, относящейся к цилиндрическому типу, при внутреннем диаметре 0,36 дюйма (9,1 мм). Механизм вспенивания представлял собой самопроизвольное вспенивание при отсутствии калибровки и принудительного охлаждения. Экструдат охлаждали при температуре воздуха внутри помещения. Число оборотов в минуту для экструдирующего червяка задавали на уровне 40 для достижения надлежащего смешивания материалов. Расход материалов при подаче постоянно выдерживали на уровне фиксированного расхода для всех экспериментов. Время пребывания при экструдировании для материалов составляло 15-20 минут исходя из числа оборотов в минуту для червяка и низкой насыпной плотности материалов. Переменные, измеренные во время экструзионной переработки, представляли собой крутящий момент при экструдировании, производительности в единицу времени (120 секунд) и давление расплава в конце цилиндра экструдера для всех 18 рецептур. Относительные удельные массы для всего экструдата, произведенного в результате экструдирования, определяли в соответствии со стандартами ASTM. Таблица 2 подробно демонстрирует параметры экструдирования.
Таблица 2. Температурный профиль при экструдировании
Зона 1
Зона 2
Зона 3
Зона 4
Зона 5
Экструзионная головка
Температура, °С
215
215
220
220
215
215
Определения гидроксильного числа
. Анализ гидроксильного числа для материалов частиц проводили в соответствии со стандартом ASTM D 4274-11. До анализа целлюлозные материалы высушивали в печи при 105°С в течение ночи. Ацетилирование целлюлозных волокон проводили при использовании раствора уксусного ангидрида в пиридине при 98±2°С в течение 2 часов. Избыточный реагент подвергали гидролизу при использовании воды и раствор образца титровали по уксусной кислоте при использовании стандартного раствора гидроксида натрия. Те же самые методики ацетилирования и титрования проводили в отношении холостого раствора, который не содержал материал древесных частиц. Гидроксильное число (Н), выраженное в мг эквивалента КОН при расчете на один г образца, рассчитывали исходя из разницы чисел титрования между холостым раствором и раствором образца:
Н=56,1 (B-A)N/W,
где
А: требуемое количество NaOH (в мл) для титрования раствора образца
В: требуемое количество NaOH (в мл) для титрования холостого образца
N: нормальность раствора NaOH
W: абсолютно сухая масса (в г) для целлюлозных материалов
Уравнение нормируют по молекулярной массе КОН (56,1 г/моль).
Результаты
Переменные при экструдировании
. Таблица 3 демонстрирует переменные при экструдировании во время экспериментов по вспениванию. Отсутствуют какие-либо значительные тенденции для переменных. Как это можно отметить, волокна HTW уменьшают крутящий момент при экструдировании, что может подразумевать вероятность отличия межфазных свойств между двумя материалами от того, что имеет место для волокна из немодифицированной термически целлюлозы. Эффект от смазок не был явно выявлен у обоих образцов с обычной сосновой древесиной и волокнами HTW.
Таблица 3. Переменные при экструдировании, измеренные в ходе производства материала HTW-SMA-WPC
<b>Сосна при отсутствии смазки Lub </b>
<b>Сосна при наличии смазки Lub </b>
<b>HTW при отсутствии смазки Lub </b>
<b>HTW при наличии смазки Lub </b>
<b>HTW 30% </b>
<b>HTW 50% </b>
Давление расплава, МПа
2,48
2,76
1,38
1,31
1,34
1,45
Крутящий момент при экструдировании, н-м
20,0
20,4
14,7
14,5
20,0
21,0
Среднее значение ОУМ (КИ, %)
0,75 (4,95)
0,45 (21,67)
1,00 (1,82)
1,01 (1,90)
0,66 (2,23)
0,69 (5,14)
ОУМ: относительная удельная масса
Сосна при отсутствии смазки Lub: образец материала SMA-WPC, полученный из волокна из обычной сосновой древесины при отсутствии смазки
Сосна при наличии смазки Lub: образец материала SMA-WPC, полученный из волокна из обычной сосновой древесины при наличии 5% смазки
HTW при отсутствии смазки Lub: образец материала SMA-WPC, полученный из волокна из термически модифицированной древесины (HTW) при отсутствии смазки
HTW при наличии смазки Lub: образец материала SMA-WPC, полученный из волокна из термически модифицированной древесины (HTW) при наличии смазки
30% HTW: для 30%-ной древесной части использовали образцы материала SMA-WPC, полученные из смеси из волокна из термически модифицированной древесины (30%) и сосны, не подвергнутой обработке, (70%)
30% HTW: для 30%-ной древесной части использовали образцы материала SMA-WPC, полученные из смеси из волокна из термически модифицированной древесины (50%) и сосны, не подвергнутой обработке, (50%)
КИ: коэффициент изменчивости
Относительная удельная масса
. Отсутствует какое-либо значительное различие относительной удельной плотности между контрольными образцами и образцами материала HTW-SMA-WPC при наличии или при отсутствии смазок. Однако образцы со смесями материала HTW и древесины сосны продемонстрировали расширение при более значительных диаметрах. Вспениваемость волокон HTW может быть ограничена недостатком гидроксильной функциональности или неудовлетворительной доступностью гидроксилов вследствие топологии шероховатой поверхности, представляющей собой результат проведения обработок в виде термического модифицирования.
Гидроксильные числа
.
Анализ гидроксильного числа в отношении двух разновидностей древесной муки (не подвергнутой обработке и термически модифицированной) проводили в соответствии со стандартом ASTM D 4274-11. До анализа два образца высушивали в печи при 105°С в течение ночи. Гидроксильные числа, полученные для двух образцов, продемонстрированы в таблицы 4. Волокна HTW продемонстрировали 20%-ное уменьшение гидроксильных чисел в сопоставлении с сосной. Гидроксильные числа чистых целлюлозных волокон и крахмала представлены для целей сопоставления.
Таблица 4. Гидроксильные числа
Сосна
HTW
MCC
NFC
Крахмал
Гидроксильные числа (мг/г)
233
187
303
410
896
Сопоставление перцентилей
100%
80%
130%
176%
384%
HTW: термически модифицированная древесина
МСС: микрокристаллическая целлюлоза
NFC: нанофибриллированная целлюлоза
Заключения
Провели оценку вспениваемости волокон из термически модифицированной древесины (HTW) в результате определения гидроксильных чисел и относительной удельной массы для композитных образцов, наполненных волокнами HTW. Как это продемонстрировали результаты, вспениваемость волокон HTW в материале SMA-WPC уменьшилась в сопоставлении с обычной древесиной вследствие недостатка гидроксильных групп, доступных на поверхностях волокна.
Воздействие термически модифицированного волокна и комбинации с волокном из обычной сосны на крутящий момент при экструдировании и давления течения расплава
Оценивали воздействие волокна из термически модифицированной древесины (HTW) на вспениваемость образцов для образцов материала HTW-SMA-WPC и параметры в технологическом процессе экструдирования. Получили следующие далее результаты:
Таблица 5.
<b>Образец </b>
<b>Относительная удельная масса, н-м </b>
<b>Крутящий момент, н-м </b>
<b>Давление расплава, МПа </b>
SMA-WPC при наличии 30% сосны
0,75
20,0
2,48
SMA-WPC при наличии 30% HTW
1,02
14,7
2,48
SMA
1,05
28,1
2,56
SMA-WPC при наличии 20% HTW+10% сосны
0,86
23,7
1,90
SMA-WPC при наличии 15% HTW+15% сосны
0,88
24,9
1,96
Таблица 6.
<b>Образец </b>
<b>Относительная удельная масса, н-м </b>
<b>Крутящий момент, н-м </b>
<b>Давление расплава, МПа </b>
SMA
1,05
28,1
2,56
SMA-WPC при наличии 20% HTW+10% сосны
0,86
23,7
1,90
SMA-WPC при наличии 15% HTW+15% сосны
0,88
24,9
1,96
SMA-WPC при наличии 30% HTW+10% сосны
0,81
27,0
2,24
SMA-WPC при наличии 20% HTW+20% сосны
0,91
27,7
2,38
SMA-WPC при наличии 40% HTW+10% сосны
0,83
34,3
2,78
SMA-WPC при наличии 25% HTW+25% сосны
0,81
32,1
2,65
Полученные результаты иллюстрируют нижеследующее:
Термически модифицированные волокна уменьшали крутящий момент при экструдировании и давления расплава в сопоставлении с обычной сосновой древесиной. В результате можно было бы ожидать уменьшения потребности в смазке, что было бы выгодным. В дополнение к этому, меньший крутящий момент означает уменьшение потребления энергии во время экструдирования.
Термически модифицированные волокна оказывали меньшее воздействие на уменьшение плотности композитных образцов в сопоставлении с обычной сосновой древесиной вследствие уменьшения вспенивания, полученного в результате включения термически модифицированных волокон.
В случае использования термически модифицированных волокон в комбинации с маленькими количествами древесины сосны при экструдировании материала SMA-WPC (композитного древесного материала) было оказано воздействие на уменьшение плотности вследствие более активной природы вспенивания для сосны.
Результаты указывают на то, что возможным является регулирование величины вспенивания, течения расплава и крутящего момента в результате введения в рецептуру только маленького уровня процентного содержания сосны (всего лишь 5%), и, таким образом, существует потенциал оптимизации плотности, прочности и уровней вспенивания в результате модифицирования соотношения между термически модифицированным волокном и сосной. Вследствие наличия у термически модифицированного волокна меньшего количества доступных гидроксильных групп будет в меньшей степени протекать реакция с привитым сополимером SMA, и, таким образом, будет формироваться меньше вспенивателя, однако, в результате введения низких уровней содержания сосны это может увеличено, но все еще могут быть достигнуты структурные выгоды от термически модифицированного волокна. Данные результаты указывают на возможность увеличения совокупной доли органических волокон в композиции ближе к 40-50% при отсутствии неконтролируемых уровней вспенивания, что сделало бы переработку и точное формирование профиля очень затруднительными.
Сопоставление степени вспенивания термически модифицированных волокон и сосновых волокон при смешивании с сополимером SMA
Получали следующие далее образцы:
Образец 1: 70% SMA (SE700), 30% сосны
Образец 2: 80% SMA (SE700), 20% HTW
Образец 3: 70% SMA (SE700), 30% HTW
Образец 4: 60% SMA (SE700), 40% HTW
Технические характеристики лабораторной экструзионной системы представляли собой нижеследующее:
Производитель: Brabender
Тип червяка: сонаправленно вращающиеся параллельные два червяка
Размер червяка: 28 мм
Система подачи: сдвоенные объемные питатели с опцией многосторонней подачи
Определяли крутящий момент при экструдировании и давление расплава. Значения усредняли исходя из совокупного времени экструдирования, поскольку давление расплава и крутящий момент при экструдировании в течение экструдирования не были постоянными, что является очень широко распространенным явлением. Изменения крутящего момента и давления расплава продемонстрировали наличие тенденции к увеличению при увеличения уровней загрузки термически модифицированных волокон:
Таблица 7. Крутящий момент при экструдировании и давление расплава
<b>Только сополимер SMA </b>
<b>Образец 1 </b>
<b>Образец 2 </b>
<b>Образец 3 </b>
<b>Образец 4 </b>
<b>Крутящий момент, н-м </b>
20
22
16
20
25
<b>Давление расплава, МПа </b>
1,71
1,90
1,43
1,72
2,48
Как это продемонстрировано выше, даже использование больших количеств термически модифицированных волокон не оказывает значительного воздействия на крутящий момент, что, таким образом, выдерживает потребление энергии, как при экструдировании полимера основы.
Четыре описанных выше образца экструдата измеряли в отношении их размеров при расширении (масса/длина в единицу времени и диаметр образцов экструдата) и относительной удельной массы (рассчитанной в соответствии с документом ASTM D2395):
Таблица 8. Измерения плотности и расширение образцов
Образец
Единичная длина, мм
Средний диаметр, мм
Единичный объем, мм<sup>3</sup>
Единичная масса, г
1
198,89
11,505
20,66
14,680
2
210,20
10,245
17,32
17,346
3
266,84
11,041
25,53
18,141
4
241,46
9,915
18,63
15,981
Как это иллюстрируют результаты, при использовании термически модифицированных волокон в сопоставлении с обычной сосной увеличивается объем, приходящийся на экструдированную массу. Это представляет собой результат более мелкого размера частиц и характеристик уплотнения термически модифицированных волокон. Использование термически модифицированных волокон приводит к увеличению пропускной способности при заданном расходе, и на это указывают более значительная единичная длина, увеличенная единичная масса, но ограниченное различие среднего диаметра, что также указывает на пониженное вспенивание в сопоставлении с тем, что имеет место для обычной сосны.
Все четыре образца также измеряли в отношении их индекса течения расплава (ИТР). Образцы нагревали при 240°С в течение 10 минут и спрессовывали под воздействием массы 2,16 кг. Экструдат собирали для взвешивания в единицу времени (10 минут). Результаты перечисляются в приведенной ниже таблице. Значения ИТР для образцов композита с обычными сосновыми и термически модифицированными волокнами являются намного меньшими, чем у контрольного образца (SMA, SE700). При более высоких уровнях содержания термически модифицированных волокон (30% и 40%) значение ИТР в значительной степени не изменяется.
Таблица 9. Индекс текучести расплава для образцов
<b>Образец </b>
<b>Среднее значение ИТР, г/10 мин </b>
<b>Коэффициент изменчивости, % </b>
1
0,1803
12,2
2
0,2023
12,1
3
0,1770
7,4
4
0,1930
15,1
Контрольный образец (SMA)
0,2556
7,9
Механические свойства невспененного материала HTW SMA-WPC
Изготавливали образцы невспененного материала HTW SMA-WPC для испытания на растяжение, которые подвергали испытанию на их модуль и предел прочности при растяжении. В результате литьевого формования изготавливали четыре (4) образца при использовании гранулятов вспененных стержней, которые производили в результате реакционного экструдирования в лабораторном масштабе. Нагнетание проводили при 213°С (цилиндр) и 217°С (сопло). Давление составляло 69 МПа. Результаты могут подразумевать наличие потенциальной функции материала HTW в качестве добавок, исполняющих роль улучшителя жесткости. Таблицы 10 и 11 демонстрируют воздействие волокон HTW и полимерных матриц на свойства.
Таблица 10. Свойства образцов материала SMA-WPC при растяжении при наличии волокон из термически модифицированной древесины
Свойства при растяжении
SMA SE700
HTW SMA-WPC при отсутствии смазки Lub
HTW SMA-WPC при наличии смазки Lub
HTW SMA-WPC при наличии 30%
HTW SMA-WPC при наличии 50%
Модуль, ГПа
2,1
3,3
3,4
3,5
3,7
Прочность, МПа
35
40
41
39
42
Таблица 11. Сопоставление свойств при растяжении для образцов материала WPC при наличии волокон HTW и обычных разновидностей древесной муки в различных полимерных матрицах [WPC-HDPE: композит древесина-пластмасса на основе полиэтилена высокой плотности, WPC-PP: композит древесина-пластмасса на основе полипропилена, WPC-PS: композит древесина-пластмасса на основе полистирола. Все образцы содержат 30% (мас.) древесной муки. Процитировано по публикации Wolcott, Michael and Englund, Karl. A Technology Review of WPCs. 33rd International Particleboard/composite Materials Symposium]
Образец
Модуль, ГПа
Прочность, МПа
SMA SE700
2,1
35
HTW SMA-WPC при наличии смазки Lub
3,4
41
HTW SMA-WPC при наличии 30% HTW
3,5
39
HTW SMA-WPC при наличии 50% HTW
3,7
42
WPC-HDPE
1,6
20
WPC-PP
2,0
WPC-PS
2,4
34
С учетом вышеизложенного подробного описания настоящего изобретения для специалистов в соответствующей области техники должны стать очевидными и другие модификации и вариации. Однако должно быть очевидным и то, что такие другие модификации и вариации могут быть осуществлены без отклонения от объема и сущности изобретения.