КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL (VERSIONS) AND METHOD OF ITS FABRICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение главным образом относится к композиционному материалу и к способу получения композиционного материала.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к композиционному материалу, который содержит первичный или повторно используемый термопластический полимер, усиленный природными волокнами, и к способу получения такого композиционного материала способом литья под давлением.
В настоящем описании используются следующие определения:
- природные волокна или целлюлозные волокна: природные волокна растительного происхождения, или лигноцеллюлозные волокна, которые содержат лигнин - природный полифенольный полимер;
- лигноцеллюлозные остатки: остатки растительного происхождения, которые содержат целлюлозу в качестве основного химического компонента и лигнин, например рисовая шелуха и древесная пыль.
Уровень техники
Композиционные материалы - это такие материалы, в которых связываются по меньшей мере два материала со специфическими механическими характеристиками, что приводит к образованию третьего материала с желаемыми механическими свойствами.
Обычно композиционные материалы образуются в результате объединения полимера с усиленным материалом, как правило, либо с синтетическим волокном, либо с волокном минерального или растительного происхождения. На современном уровне развития техники выявлено множество композиционных материалов, в состав которых входят различные классы полимеров, связанные с различными типами волокон, например со стекловолокном, минеральным волокном, минеральной ватой, природными волокнами и т.д.
В частности, на современном уровне техники выявлены композиционные материалы, полученные объединением полимеров полиолефинового класса, например, полипропилена или полиэтилентерефталата, с природными волокнами, например с лубяным волокном, какао волокном и т.д.
В настоящее время способ получения композиционных материалов за счет объединения полимера и природного волокна осуществляется прессованием, которое значительно ограничивает форму композиционного материала и, соответственно, его коммерческую применимость. Для специалиста в данной области техники ясно, что способ прессования позволяет получать объекты с ограниченной структурой и формой, тем самым ограничивая возможности применения композиционных материалов.
До настоящего момента способ прессования в форме еще не был эффективно осуществлен на композиционных материалах, полученных из полимеров и природных волокон. Данное ограничение в отношении способа прессования связано с некоторыми трудностями осуществления самого способа литья под давлением. Во-первых, из-за гигроскопической и гидрофильной природы природных волокон они склонны поглощать влагу, что приводит к образованию газов во время протекания процесса формования. Это происходит из-за того, что во время инжекции образуются летучие газы, которые захватываются в нижней части насосной секции (у горловины и винта), когда проводится дозирование (которое определяется по формуле - скорость винта x противодавление), и внутри полости пресс-формы при протекании цикла прессования. В результате, образуется продукт с порами и микроструктурой, которая подобна структуре, увеличенной в объеме. Более того, на распределение пор влияют условия, при которых проводится процесс формования (такие как давление, температура и время). Получаемое в результате распределение пор может ухудшать механические свойства материала.
Раскрытие изобретения
В связи с вышесказанным, целью настоящего изобретения является разработка такого способа получения композиционного материала, в котором были бы преодолены недостатки способа, обнаруженные на современном уровне техники.
Если говорить конкретнее, то целью настоящего изобретения является способ получения композиционного материала, который состоит из термопластического полимера, в частности из полиолефина, объединенного с природными волокнами.
Другой целью настоящего изобретения является разработка материала, который бы отвечал требованиям способа литья под давлением, в процессе осуществления которого получается композит.
Другой целью настоящего изобретения является способ литья композиционного материала, содержащего термопластический полимер, в частности полиолефин, объединенный с природными волокнами.
Другой целью настоящего изобретения является композиционный материал, полученный способом литья в соответствии с настоящим изобретением, который, в частности, пригоден для производства автомобильных запасных частей.
Вышеуказанные цели, наряду с другими, достигнуты в настоящем изобретении - разработан соответствующий материал, который можно заливать в пресс-форме под давлением. Этот материал содержит:
- вторичный термопластический полимер в количестве приблизительно от 30 мас.% до 90 мас.%;
- первичный термопластический полимер в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 70 мас.% и
- природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.%.
В частном случае термопластическим полимером является гомополимер полипропилена или полиэтилентерефталат (ПЭТ).
Композиционный материал настоящего изобретения может дополнительно содержать один или несколько следующих компонентов:
(а) в том случае, когда термопластический полимер - это гомополимер полипропилена:
- вторичное природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.%;
- лигноцеллюлозный остаток в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 30 мас.%;
- сополимер полипропилена со средним содержанием этилена, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 20 мас.%;
- сополимер полипропилена с высоким содержанием этилена, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 20 мас.%;
- полипропиленовый агент совмещения, функционализированный малеиновым ангидридом или ионсодержащим полимером, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.%;
- агент для вспомогательной обрабоки/диспергатор, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,5 мас.%;
- первичный антиоксидант и вторичный антиоксидант в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,3 мас.%;
- один или несколько пигментов в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.% и
- стабилизатор в ультрафиолетовом свете в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,2 мас.%.
(б) в том случае, когда термопластический полимер - это ПЭТ:
- вторичное природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.%;
- лигноцеллюлозный остаток в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 30 мас.%;
- модификатор эластомерного удара в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 15 мас.%;
- агент для вспомогательной обработки/диспергатор, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,5 мас.%;
- один или несколько пигментов в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.%.
Настоящее изобретение относится также к способу получения формуемого композиционного материала, который включает в себя следующие стадии:
1 - изготовление отрезков природных волокон одинаковой длины;
2 - поверхностная обработка природных волокон и лигноцеллюлозных остатков, если таковые имеются;
3 - предварительное смешивание компонентов композита;
4 - эктрузия и гранулирование композиционного материала;
5 - прессование под давлением для придания частям определенной формы.
При использовании ПЭТ-матрицы дополнительно проводят стадию (6) высушивания природных волокон и лигноцеллюлозных остатков, если таковые имеются, преимущественно перед стадией (3) и после стадии (2).
В соответствии с настоящим изобретением представлен композиционный материал и способ получения композиционного материала, содержащего термопластический полимер, например полиолефин и природные волокна.
Среди полиолефинов особенно пригодны полипропиленовый гомополимер, полиэтилентерефталат (ПЭТ), полистирол и т.д. Преимущественно используется гомополимер полипропилена или ПЭТ.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения композиционный материал состоит приблизительно на 30-90 мас.% из вторичного гомополимера полипропилена; на 0,01-70 мас.% из вторичного гомополимера полипропилена; и на 0,01-60 мас.% из природного волокна.
Среди природных волокон особенно пригодны волокна, получаемые из сизаля, черной патоки сахарного тростника, из дерева какао, пиачавы, сои, джута, китайской крапивы и из курау.
Композиционный материал настоящего изобретения может также содержать другое природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.%, которое преимущественно выбирают из вышеперечисленных природных волокон.
Более того, композиционный материал может также содержать лигноцеллюлозный остаток в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 30 мас.%. Среди лигноцеллюлозных остатков особенно пригодны древесная пыль или рисовая шелуха.
Таким образом, в других вариантах композиционного материала настоящего изобретения можно использовать либо только одно природное волокно, либо два типа природных волокон, либо только одно природное волокно, объединенное с лигноцеллюлозным остатком, либо два типа природных волокон, объединенных с лигноцеллюлозным остатком, что дает возможность для приготовления множества гибридных материалов.
В композиционный материал можно добавлять и другие компоненты, такие как сополимер полипропилена со средним содержанием этилена в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 20 мас.%; сополимер полипропилена с высоким содержанием этилена (около 8-12 мас.% этилена) в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 20 мас.%; полипропиленовый агент совмещения, функционализированный малеиновым ангидридом или иономером на основе сополимера этилена и акриловой или метакриловой кислоты, нейтрализованного гидроксидом натрия, в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.%; агент для вспомогательной обработки/диспергатор в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,5 мас.%; первичный антиоксидант и вторичный антиоксидант в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,3 мас.%; один или несколько пигментов в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.%; и стабилизатор в ультрафиолетовом свете в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,2 мас.%.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения композиционный материал содержит:
- вторичный полиэтилентерефталат в количестве приблизительно от 30 мас.% до 90 мас.%;
- вторичный полиэтилентерефталат в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 70 мас.%; и
- природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.%.
Композиционный материал согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать:
- вторичное природное волокно в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 60 мас.% и
- лигноцеллюлозный остаток в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 30 мас.%.
Среди природных волокон, в частности, пригодны волокна из сизаля, черной патоки сахарного тростника, из дерева какао, пиачавы, сои, джута, китайской крапивы и из курау.
Среди лигноцеллюлозных остатков, в частности, пригодны древесная пыль или рисовая шелуха.
Композиционный материал согласно данному варианту осуществления может дополнительно содержать модификатор эластомерного удара в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 15 мас.%; агент для вспомогательной обработки/диспергатор в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 0,5 мас.%; и один или несколько пигментов в количестве приблизительно от 0,01 мас.% до 2 мас.%.
Настоящее изобретение также относится к способу получения композиционного материала.
Способ его получения начинается после подбора состава композиционного материала в соответствии с определенными выше диапазонами содержания компонентов.
После выбора состава композита необходимо провести операцию (1) по созданию однородности отрезков волокон. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что природные волокна имеют различную длину, и порой длина превышает желаемое значение, в связи с чем преимущественно проводят создание одинаковой длины для того, чтобы волокна было удобнее использовать в способе настоящего изобретения. Операцию однородности длины волокна можно выполнять любым подходящим способом, например, в молотковой дробилке с подходящим набором ножей, а также эту операцию можно осуществлять при контролируемой скорости, тем самым предотвращая образование мелких частиц при получении гранулированного композита. В частности, длина отрезка волокна, подходящая для способа настоящего изобретения, составляет примерно 1-8 мм, в более частных случаях - примерно 2-6 мм.
После создания одинаковой длины проводят (2) обработку поверхности волокна. При использовании лигноцеллюлозных остатков вместе с природными волокнами следует обработать их поверхность. В соответствии со способом настоящего изобретения обработка поверхности волокон и/или лигноцеллюлозных остатков проводится при добавлении обрабатывающего агента в количестве приблизительно 1 мас.% от общей массы природного волокна и/или лигноцеллюлозного остатка. В частности, для использования в качестве обрабатывающих агентов пригодны силаны (диаминосиланы, метакрилатсиланы, катионные стеариламиновые силаны, эпоксисиланы, винилсиланы и хлоралкилсиланы); титанаты (моноалкокси, хелатные, координированные, четвертичные и неоалкоксильные); цирконаты; стеариновая кислота и стеарат кальция в различных соотношениях.
При использовании ПЭТ-стандарта проводят (6) высушивание компонентов композита, если уровень влагосодержания природного волокна не отвечает требованиям способа настоящего изобретения. Природные волокна можно высушивать любым подходящим способом, например в печи с воздушной циркуляцией или с помощью высокоэффективных осушителей, так чтобы влажность не превышала приблизительнотельно 0,1%.
Компоненты композиционного материала, за исключением волокон, (3) предварительно смешивают и физически гомогенезируют в смесителях с медленной скоростью вращения при комнатной температуре.
Затем проводят стадию (4) экструзии и гранулирования композиционного материала. На данной стадии природные волокна и возможные лигноцеллюлозные остатки внедряют в полимерные матрицы, после чего композиционный материал подвергается гранулированию. В случае экструзии, в соответствии со способом настоящего изобретения, в частности, используется модульный коротационный двухвинтовой экструдер с взаимопроникающими винтами, снабженный устройством для высокоточной гравиметрической дозировки и загрузки. Под модульным экструдером понимается экструдер профиля, винты которого не зафиксированы, т.е. профиль можно видоизменять в зависимости от параметров процесса, что тем самым увеличивает пластичность и упругость экструзионного процесса. Примером подходящего для способа настоящего изобретения является экструдер, производимый компанией Werner & Pfleiderer, Dinkelsbuhl, Germany.
Профиль модульных винтов, т.е. тип, число, последовательность распределения и соответствующее расположение элементов, определяет протекание экструзии, соответствующей способу настоящего изобретения. Для контроля слияния и смешивания - дисперсии и распределения компонентов композиционного материала предпочтительно используют профили модульных винтов с предустановленными конфигурациями переносных элементов: традиционный винт 42/42 и традиционный винтовой элемент 20/10 LH левосторонний; смягчающие элементы: вертикальные элементы KB 45/5/42; тонколистовые металлические элементы KB 45/5/14 левосторонний; и сильносдвигаемый элемент KB 90/5/28.
Природные волокна непосредственно помещают в загрузочную воронку экструдера и/или в промежуточное положение, где полимерная матрица уже находится в расплавленном состоянии.
После грануляции композиционный материал готов к (5) инжекции. Инжекция преимущественно проводится через инжектор, посредством которого можно регулировать переменные параметры ввода, такие как температура расплавленного элемента, скорость винта при дозировании и противодавление.
В случае инжекции композиционного материала с полипропиленовой матрицей параметры процесса предпочтительно имеют следующие диапазоны значений:
- давление ввода - примерно от 30 до 65 МПа;
3
- скорость ввода - примерно от 20 до 40 см/с;
- переключение - примерно при давлении 30-60 МПа;
- давление упаковывания - примерно от 30 до 55 МПа;
- время упаковывания - примерно от 8 до 12 с;
- скорость дозирования - примерно от 6 до 10 м/мин;
- противодавление - примерно от 0,5 до 1 МПа;
- время охлаждения - примерно от 15 до 24 с; и
- температура формования - примерно от 20 до 40°С.
В случае инжекции композиционного материала с полиэтилентерефталатной матрицей следует использовать следующие диапазоны значений для параметров ввода:
- давление ввода - примерно от 60 до 85 МПа;
3
- скорость ввода - примерно от 20 до 40 см/с;
- переключение - примерно при давлении 60-80 МПа;
- давление упаковывания - примерно от 40 до 75 МПа;
- время упаковывания - примерно от 10 до 15 с;
- скорость дозирования - примерно от 6 до 10 м/мин;
- противодавление - примерно от 0,5 до 2 МПа;
- время охлаждения - примерно от 18 до 24 с; и
- температура формования - примерно от 10 до 30°С.
Осуществление изобретения
Примеры
Чтобы лучше проиллюстрировать настоящее изобретение, оно описывается на примере отдельных вариантов его осуществления, без наложения каких-либо условий ограничительного характера, помимо тех, что указаны в прилагаемой формуле изобретения.
Пример 1
Композиционный материал получают в соответствии со способом настоящего изобретения. Состав композиционного материала соответствует тому, который указан ниже в таблице 1.
Таблица 1
Компонент
Массовая доля (%)
Полипропилен
70%
60% вторичный полипропилен
10% первичный полипропилен
Волокна из патоки сахарного тростника
30%
Состав композиционного материала предложен в соответствии со способом настоящего изобретения. Физико-механические свойства композиционного материала представлены ниже в таблице 2.
Таблица 2
Свойство/Тест
Метод тестирования
Значение
Показатель текучести - MFI
ISO 1133, 230°С/2, 160 г
2,5 г/10 мин
Плотность
ISO 1183, А
1,10 г/см<sup>3</sup>
Сопротивление растяжению в дренажной системе
ISO 527, 5 мм/мин
29 МПа
Коэффициент упругости при растяжении
ISO 527, 5 мм/мин
3,050 МПа
Удлинение при разрыве
ISO 527, 5 мм/мин
2,5%
Сопротивление изгибу
ISO 178, 2 мм/мин
38 МПа
Коэффициент упругости при изгибе
ISO 178, 2 мм/мин
2,450 МПа
Сопротивление удару по Изоду, с надрезом
ISO 180/ 1A
3,8 кДж/м<sup>2</sup>
HDT - температура тепловой дисторсии
ISO 75, A/1,8 МПа
63°С
ISO 75, В/0,45 МПа
105°С
Пример 2
Композиционный материал, имеющий указанный в таблице 3 состав, получают в соответствии со способом настоящего изобретения:
Таблица 3
Компонент
Массовая доля (%)
Полипропилен
70%
60% вторичный полипропилен
10% первичный полипропилен
Лубяное волокно
30%
Физико-механические свойства композиционного материала приведены ниже в таблице 4.
Таблица 4
Свойство/Тест
Метод тестирования
Значение
Показатель текучести - MFI
ISO 1133, 230°С/ 2,160 г
2,1 г/10 мин
Плотность
ISO 1183, А
1,12 г/см<sup>3</sup>
Сопротивление растяжению в дренажной системе
ISO 527, 5 мм/мин
31 МПа
Коэффициент упругости при растяжении
ISO 527, 5 мм/мин
3,000 МПа
Удлинение при разрыве
ISO 527, 5 мм/мин
2,0%
Сопротивление изгибу
ISO 178, 2 мм/мин
35 МПа
Коэффициент упругости при изгибе
ISO 178, 2 мм/мин
2,610 МПа
Сопротивление удару по Изоду, с надрезом
ISO 180 / 1A
3,3 кДж/м<sup>2</sup>
HDT - температура тепловой дисторсии
ISO 75, A/1,8 МПа
60°С
ISO 75, В/0,45 МПа
100°С
Пример 3
Композиционный материал получают в соответствии со способом настоящего изобретения. Состав композиционного материала указан ниже в таблице 5.
Таблица 5
Компонент
Массовая доля (%)
Полипропилен
50%
40% вторичный полипропилен
10% первичный полипропилен
Волокно из патоки сахарного тростника
30%
Древесная пыль размером 60 меш с 1% содержанием структола
20%
Состав композиционного материала приведен в соответствии со способом настоящего изобретения. Физико-механические свойства композиционного материала представлены ниже в таблице 6:
Таблица 6
Свойство/Тест
Метод тестирования
Значение
Показатель текучести -МFI
ISO 1133, 230°С/2, 160 г
3,4 г/10 мин
Плотность
ISO 1183, А
1,08 г/см<sup>3</sup>
Сопротивление растяжению в дренажной системе
ISO 527, 5 мм/мин
25 МПа
Коэффициент упругости при растяжении
ISO 527, 5 мм/мин
3,180 МПа
Удлинение при разрыве
ISO 527, 5 мм/мин
3,0%
Сопротивление изгибу
ISO 178, 2 мм/мин
37 МПа
Коэффициент упругости при изгибе
ISO 178, 2 мм/мин
2,500 МПа
Сопротивление удару по Изоду, с надрезом
ISO 180/1A
3,0 кДж/м<sup>2</sup>
HDT - температура тепловой дисторсии
ISO 75, A/1,8 МПа
68°С
ISO 75, В/0,45 МПа
112°С
Таким образом, очевидно, что настоящее изобретение решает проблемы, имеющиеся на современном этапе развития техники относительно композиционного материала, который пригоден для формования способом литья под давлением, а также в изобретении представлен способ получения композиционного материала данным способом. Получаемый композиционный материал обладает физико-химическими характеристиками, которые сочетаются с коммерческой применимостью, в частности для применения его в автомобильной промышленности.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано только в виде отдельных вариантов осуществления, специалист в данной области техники сможет раскрыть широкое разнообразие подробностей и применить описанные здесь способы в других сферах деятельности, не пренебрегая принципами настоящего изобретения. Например, несколько элементов, показанных в различных вариантах осуществления, можно объединить способом, не указанным в описании. Таким образом, следует рассматривать прилагаемую формулу изобретения, как охватывающую все эквиваленты, которые соответствуют объему и характеру изобретения.