МАТЕРИАЛ-ЗАМЕНИТЕЛЬ ДРЕВЕСИНЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
WOOD SUBSTITUTE MATERIAL AND USE THEREOF

Изобретение относится к материалу-заменителю древесины для грифелей в корпусе из древесины, таких как карандаши, цветные карандаши или косметические карандаши с передающими краску карандашными стержнями, а также к разнообразным прочим сортам карандашей со стержнями, например, из резинки для стирания и т.д., а также его применению.
Материал-заменитель древесины используют для замены древесного материала в качестве корпуса для карандашей.
Карандаши с деревянным корпусом, в которых грифели охвачены или, соответственно, покрыты древесиной из источников естественного произрастания, известны с давних пор. В последние годы вследствие растущего дефицита древесины цена на высококачественные лесоматериалы возрастает, что непосредственно влияет на стоимость производства карандашей. К тому же на изготовление карандашей израсходованы сравнительно большие запасы природной древесины.
По этой причине уже в течение многих лет в других отраслях промышленности предпринимают попытки заменить природную древесину материалами-заменителями древесины, которые являются менее дорогостоящими и сберегают природные запасы древесины.
Одну из форм материалов-заменителей древесины представляют так называемые древесно-полимерные композиты, на немецком языке «древесно-полимерные композиционные материалы», в отношении которых речь идет о материалах, пригодных для термопластической обработки, с различным содержанием древесины, полимеров и добавок, которые перерабатывают способами термопластического формования, например, такими как экструзия, литье под давлением или прессование.
При этом добавки служат для оптимизации потребительских свойств, требуемых для конкретной цели применения, и в значительной степени влияют на них. Так, например, используют средства для повышения прочности сцепления, чтобы улучшить связывание между древесиной и полимером, воска для обеспечения обрабатываемости, пигменты для придания цвета, а также средства для создания устойчивости к ультрафиолетовому излучению, погодным условиям, насекомым и грибкам.
Областями применения, наряду с прочими, являются доски настила на террасах, ящики для посадочного материала, материалы для обшивки, перила, мебель или детали внутренней отделки в автомобилях.
Материалы-заменители древесины, имеющиеся в настоящее время на рынке, наряду с другими свойствами оптимизированы так, что они обладают по возможности высокими прочностными характеристиками, такими как прочность при изгибе или износоустойчивость.
Но материалы-заменители древесины такого рода не годятся или только ограниченно пригодны для замены древесины в корпусах карандашей, так как такие карандаши нельзя или только очень затруднительно затачивать с помощью стандартной ручной точилки.
Кроме того, известны вспененные полимеры или полимеры с неорганическими наполнителями, которые служат в качестве материалов-заменителей древесины.
Вспененные полимеры имеют пониженный модуль упругости и поэтому обычно являются очень эластичными. Вследствие этой высокой эластичности вспененные полимеры малопригодны в качестве материала-заменителя древесины для карандашей, поскольку эластичный корпус для стандартного грифеля не обеспечивает необходимой опорной функции для грифеля, и последний ломался бы при использовании карандаша. Хотя это можно было бы предотвратить соответствующим применением эластичного грифеля, однако грифель будет иметь ухудшенные пишущие свойства.
Поэтому задача изобретения состоит в создании затачиваемого материала-заменителя древесины, который пригоден для изготовления оболочки грифеля в карандашах вместо природной древесины.
Эта задача решена в соответствии с признаками по пункту 1 формулы изобретения.
Соответствующий изобретению материал-заменитель древесины составлен из следующих компонентов:
15-30% по весу по меньшей мере одного полимерного связующего средства,
50-80% по весу по меньшей мере одного органического наполнителя,
0-20% по весу по меньшей мере одного неорганического наполнителя,
0,5-5% по весу по меньшей мере одного средства для повышения прочности сцепления,
1-30% по весу по меньшей мере одного воска,
0-10% по весу по меньшей мере одного красящего пигмента и
0-10% по весу по меньшей мере одной добавки,
причем по меньшей мере одно средство для повышения прочности сцепления создает химическое связывание между по меньшей мере одним полимерным связующим средством и по меньшей мере одним органическим наполнителем, причем соотношение между по меньшей мере одним средством для повышения прочности сцепления и по меньшей мере одним воском выдерживают в диапазоне от 1:2 до 1:6, и причем суммарное количество органического и неорганического наполнителей составляет максимально 80% по весу.
Такое сочетание воска и средства для повышения прочности сцепления дает в результате пригодный к затачиванию материал-заменитель древесины, который в особенности может заменить природную древесину в карандашах с деревянным корпусом для оболочки грифеля. Это невозможно в случае с известными материалами-заменителями древесины согласно прототипу. Особенность соответствующего изобретению материала-заменителя древесины состоит в том, что сформированные из него карандаши, в которых оболочка грифеля выполнена из материала-заменителя древесины вместо древесины, имеют все привычные свойства известных карандашей с корпусом из древесины.
Указанная комбинация сырьевых материалов тем самым дает материал, который в особенной степени пригоден для изготовления затачиваемых корпусов или оболочек для грифелей при формировании пишущих устройств и/или косметических карандашей.
Таким образом, соответствующий изобретению материал-заменитель древесины исключительно пригоден в качестве оболочки для грифелей при изготовлении карандашей, так как полученный тем самым карандаш можно затачивать с использованием стандартной ручной точилки при незначительном усилии, и карандаш одновременно имеет необходимую устойчивость против разрушения при изгибе для пользования в качестве пишущей принадлежности. Кроме того, материал-заменитель древесины имеет сравнительно высокий модуль упругости, так что он может быть применен в качестве корпуса как для малоэластичных, так и для эластичных грифелей.
.
.
Для оценки способности материала-заменителя древесины к затачиванию и его пригодности для получения карандашей, из него изготовили сплошные детали и затачивали их. При этом применение одного материала-заменителя древесины, оцененного как хорошо затачиваемый, привело к тому, что изготовленный из него карандаш можно было затачивать с незначительным расходом энергии. При этом в качестве затачиваемого с незначительным расходом энергии пригоден карандаш и в особенности материал-заменитель древесины, который при испытании и, соответственно, затачивании проявляет так называемый момент силы для формирования острия на уровне менее 10 Нсм. Момент силы для формирования острия определяют с использованием разработанного для этой цели испытательного прибора, в котором испытательный образец в форме карандаша или сплошной детали из материала-заменителя древесины непрерывно затачивают в течение 20 секунд. Среднее значение крутящего момента [в Нсм], зарегистрированное во время затачивания, которое требуется для непрерывного затачивания испытательного образца с диаметром 7,6±0,2 мм при частоте вращения 43 об/мин при уже имеющемся конусном острие, то есть уже заточенного под желательным углом, в стандартной точилке с новым лезвием, обозначается как момент силы для формирования острия.
Разъяснение принципа действия устройства для измерения момента силы для формирования острия представлено на фиг.1. Для этого точилку 1 закрепляют в оправке 3, связанной с устройством 2 для измерения крутящего момента. Испытательный образец 5 устанавливают с возможностью вращения в зажимном устройстве 4 и вводят в точилку 1. Производят пневматическую подачу вращающегося испытательного образца 5 в направлении точилки 1 с помощью подающего устройства 6, которое прилагает к зажимному устройству 4 для испытательного образца 5 усилие подачи величиной 20 Н (см. стрелку справа в чертеже). Крутящий момент, измеренный устройством 2 для измерения крутящего момента во время процесса затачивания испытательного образца 5, регистрируют и усредняют по продолжительности испытания, чтобы определить момент силы для формирования острия.
Устойчивость к разрушению при изгибе, желательную для использования материала-заменителя древесины в качестве оболочки для грифелей в карандашах, в основном составляет по меньшей мере 50 МПа. Модуль упругости предпочтительно составляет по меньшей мере 5000 МПа. Определение устойчивости к разрушению при изгибе и модуля упругости выполняют в испытании на трехточечный изгиб согласно стандарту DIN 52186 (Испытание древесины - Испытание на изгиб).
На фиг.2 представлено измерительное устройство для проведения подобного испытания на трехточечный изгиб. Используют цилиндрический испытательный образец 7 в форме карандашей или сплошных деталей из материала-заменителя древесины с диаметром 7,6±0,2 мм и длиной 180±5 мм. Испытательный образец 7 размещают на подвижных роликах 8 с расстоянием между опорами 100 мм (расстояние между центрами роликов 8). Приложение усилия производят посередине с помощью испытательного пуансона 9. Ролики 8 и испытательный пуансон 9 имеют радиус 15 мм. Во время испытания равномерно нагружают испытательный образец 7 до тех пор, пока испытательный образец 7 не сломается. По величине разрушающего усилия и измеренному прогибу испытательного образца 7 при нарастающей нагрузке определяют устойчивость к разрушению при изгибе и модуль упругости.
Преимущественные варианты исполнения соответствующего изобретению материала-заменителя древесины приведены ниже.
В отношении прочности и пригодности к затачиванию в особенности преимущественным является материал-заменитель древесины, в котором соотношение между по меньшей мере одним средством для повышения прочности сцепления и по меньшей мере одним воском поддерживают в диапазоне от 1:2,5 до 1:4,5.
Дополнительно было показано, что в отношении способности к затачиванию, прочности и обрабатываемости особенно хорошие свойства получаются при следующем составе содержащихся компонентов:
20-25% по весу по меньшей мере одного полимерного связующего средства,
65-75% по весу по меньшей мере одного органического наполнителя,
1-5% по весу по меньшей мере одного неорганического наполнителя,
1-2% по весу по меньшей мере одного средства для повышения прочности сцепления,
2-12% по весу по меньшей мере одного воска,
1-4% по весу по меньшей мере одного красящего пигмента и
0-5% по весу по меньшей мере одной добавки.
Для способности к затачиванию является предпочтительным, чтобы по меньшей мере один воск выбирали из группы восков, включающей амидный воск, жирные кислоты, например, такие как стеариновая кислота и пальмитиновая кислота, монтанский воск, стеараты, сложные эфиры жирных кислот, парафиновый воск.
Для способности к затачиванию является в особенности предпочтительным, чтобы по меньшей мере один воск состоял из амидного воска и/или стеариновой кислоты.
Для способности к затачиванию оказалось наиболее предпочтительным, чтобы по меньшей мере один воск был составлен комбинацией амидного воска и стеариновой кислоты, причем отношение амидного воска к стеариновой кислоте варьирует в диапазоне от 1:0,5 до 1:2.
Для лучшего понимания изобретения в представленной ниже таблице приведено сравнение материалов-заменителей древесины с прототипными материалами. Привлеченные для сравнения испытательные образцы обладают одинаковой геометрической формой поперечного сечения и имеют диаметр 7,6±0,2 мм.
Природная древесина
Невспененный материал-заменитель древесины (прототип)
Материал-заменитель древесины (согласно изобретению)
Момент силы для формирования острия<b>,</b> Н<sup>.</sup>см
от 7 до 12
>14
≤10
Из соображений экономичности и хорошей доступности является предпочтительным, чтобы по меньшей мере одно полимерное связующее средство выбирали из группы полиолефинов.
Для получения материала-заменителя древесины с похожими на древесину свойствами предпочтительно, чтобы по меньшей мере один органический наполнитель представлял собой древесину и/или целлюлозу.
Для соединения древесины, которая имеет полярную поверхность, с полимерным связующим средством, которое имеет неполярную поверхность, например, таким как полиолефины, необходимо средство для повышения прочности сцепления. Поскольку средства для повышения прочности сцепления для полиэтилена (РЕ) и полипропилена (PP) могут быть приобретены на рынке, является предпочтительным, чтобы по меньшей мере одно полимерное связующее средство состояло из полиэтилена (РЕ) и/или полипропилена (PP).
Для соединения древесины и полиэтилена оказалось подходящим средство для повышения прочности сцепления, которое составлено из полиэтилена (РЕ) с привитым ангидридом малеиновой кислоты.
Для достижения значений устойчивости к разрушению при изгибе выше 50 МПа и модуля упругости более 5000 МПа в особенности предпочтительно, когда по меньшей мере одно полимерное связующее средство составлено полиэтиленом высокой плотности (PE-HD).
На фиг.3 схематически представлен принцип действия средства для повышения прочности сцепления в комбинации древесины и полиэтилена.
В верхней части фиг.3 представлена молекула малеиновой кислоты в общем виде. В середине чертежа представлена древесина со своей полярной поверхностью в форме ОН-групп, а также молекула средства для повышения прочности сцепления, которое присутствует в форме модифицированной молекулы ангидрида малеиновой кислоты с привитым полиэтиленом, которая приближается к поверхности древесины. В этой связи и в этом примере «модифицированный» означает, что полиэтилен (РЕ) привит на малеиновую кислоту. В нижней части фиг.3 затем представлено связывание модифицированной молекулы ангидрида малеиновой кислоты с полярной поверхностью древесины. В результате привитый полиэтилен в средстве для повышения прочности сцепления связывается с полимерным связующим средством в форме полиэтилена так, что достигается соединение с хорошей адгезией между древесиной и полиэтиленом.
Кроме того, оказалось предпочтительным, чтобы по меньшей мере одно средство для повышения прочности сцепления было образовано из сополимера этилена с ангидридом малеиновой кислоты (металлоценового полиэтиленового воска, привитого ангидридом малеиновой кислоты).
Для получения материала-заменителя древесины с похожими на древесину свойствами выше уже было указано, что предпочтительно, когда по меньшей мере один органический наполнитель образован древесиной и/или целлюлозой.
Для способности к затачиванию является в особенности предпочтительным, когда по меньшей мере один органический наполнитель образован частицами наполнителя с максимальным размером частиц 250 мкм, в особенности не более 100 мкм.
Для осветления цветового тона материала-заменителя древесины оказалось подходящим, чтобы материал-заменитель древесины содержал от 1 до 3% по весу белого красящего пигмента.
2
Для осветления цветового тона оказалось предпочтительным, чтобы белый красящий пигмент был образован диоксидом титана (TiO).
Для создания желательного цветового тона предпочтительно, чтобы материал-заменитель древесины содержал от 0,1 до 5% по весу цветного красящего пигмента.
Для регулирования ломкости и антифрикционных характеристик при затачивании является предпочтительным, чтобы по меньшей мере один неорганический наполнитель выбирали из группы наполнителей, включающей филлосиликаты, сульфат кальция, карбонат кальция, нитрид бора, тальк, графит.
Для достижения специальных свойств и удовлетворения особенных требований является предпочтительным, чтобы по меньшей мере одну добавку выбирали из группы добавок, включающей смазочный материал, пластификатор, поверхностно-активные вещества, термостабилизаторы, УФ-стабилизаторы.
Ниже приведены две примерных рецептуры материала-заменителя древесины, которые проявили себя наиболее пригодными:
Примерная рецептура 1
Полиэтилен высокой плотности (PE-HD)
25,0% по весу
Древесная мука
65,0% по весу
Полиэтилен с привитым ангидридом малеиновой кислоты
2,0% по весу
Амидный воск
3,0% по весу
Стеариновая кислота
3,0% по весу
Диоксид титана
2,0% по весу
Примерная рецептура 2
Полиэтилен (PP)
20,0% по весу
Древесная мука
70,0% по весу
Полиэтилен с привитым ангидридом малеиновой кислоты
1,0% по весу
Амидный воск
3,0% по весу
Стеариновая кислота
1,0% по весу
Нитрид бора
5,0% по весу
Применение соответствующего изобретению материала-заменителя древесины для получения карандашей с деревянным корпусом, в особенности карандашей или цветных карандашей или косметических карандашей, которые имеют красящий грифель и деревянную оболочку для грифеля, причем деревянная оболочка заменена оболочкой из материала-заменителя древесины, является идеальным. При этом в особенности используют грифели, которые имеют полимерное связующее средство.
Далее идеальным является применение соответствующего изобретению материала-заменителя древесины для получения карандашей в деревянном корпусе, которые имеют стирательную резинку в качестве грифеля и деревянную оболочку для грифеля, причем деревянная оболочка заменена оболочкой из материала-заменителя древесины.
При формировании карандашей с красящими грифелями или стирательной резинкой в качестве грифеля в особенности предпочтительно, чтобы оболочку из материала-заменителя древесины получали экструзией. При этом в особенности грифели также формируют экструзией. Экструзия представляет собой непрерывный производственный процесс и поэтому исключительно пригодна для экономичного массового производства карандашей.
Карандаш, который имеет оболочку из материала-заменителя древесины с полимерным связующим средством и грифель с полимерным связующим средством, может быть получен, в частности, способом соэкструзии. При этом грифель и оболочку формируют in-situ в одном экструдере и совместно выводят через сопло с желательной в каждом случае геометрической формой в виде бесконечной пряди, которую нужно только разрезать на отдельные карандаши.
Еще одна возможность состоит в том, что оболочку наносят на уже имеющийся грифель, что также может быть выполнено с помощью экструзии.
Экструзионный способ предоставляет то преимущество, что могут быть получены практически все геометрические формы поперечного сечения карандашей.