КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

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;

- скорость ввода - примерно от 20 до 40 см³/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;

- скорость ввода - примерно от 20 до 40 см³/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.

Состав композиционного материала предложен в соответствии со способом настоящего изобретения. Физико-механические свойства композиционного материала представлены ниже в таблице 2.

Пример 2

Композиционный материал, имеющий указанный в таблице 3 состав, получают в соответствии со способом настоящего изобретения:

Физико-механические свойства композиционного материала приведены ниже в таблице 4.

Пример 3

Композиционный материал получают в соответствии со способом настоящего изобретения. Состав композиционного материала указан ниже в таблице 5.

Состав композиционного материала приведен в соответствии со способом настоящего изобретения. Физико-механические свойства композиционного материала представлены ниже в таблице 6:

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.