CN101563403A - 含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法和含有天然纤维的聚酰胺复合物 - Google Patents
含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法和含有天然纤维的聚酰胺复合物 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法和含有天然纤维的聚酰胺复合物,所述方法基于连续注射挤出和注射模塑,利用天然纤维以获得具有接近用无机填料获得的机械性能的复合物;通过所述注射方法可以获得具有准确尺寸和复杂结构的制成品;汽车工业如在制备具有更轻部件以消耗更少燃料的车辆时,通常对具有合适机械性能的含比无机填料复合物密度更低的天然Curauá纤维的复合物感兴趣。
Description
技术领域
本专利发明的目标为通过挤出/注射,获得由天然纤维增强的聚酰胺复合物,例如聚酰胺-6复合物。
因此,本专利目的之一是用有机材料纤维例如Curaua纤维,来代替聚酰胺复合物中的无机材料纤维例如玻璃纤维。
背景技术
工业中已经利用合成纤维作为聚合物补强剂,以获得具有更好机械性能的材料。然而,除了它们暴露至环境不可降解之外,它们具有较高的研磨力使得用于加工它们的设备被磨损。
人们一直对利用天然纤维作为与热塑性基体混合的补强剂感兴趣[M.Palabiyik,S.Bahadur.Wear,253(2002)369-376.],[J.J.Rajesh,J.Bijwe,U.S.Tewari,Journal of Materials Science 36(2001)351-356.],[S.-H.Wu,F.-Y.Wang,C.-C.M.Ma,W.-C.Chang,C.-T,Kuo,H.-C.Kuan,W.-J.Chen.Materials Letters49(2001)327-333.],[A.G.Pedroso,L.H.I.Mei,J.AM.Agnelli,D.S.Rosa.PolymerTesting,18(1999)211-215.],[A.G.Pedroso,LH.I.Mei,J.A.M.Agnelli,D.S.Rosa.Polymer Testing,21(2002)229-232.],[S.V.Joshi,LT.Dr-zal,A.K.Mohanty,S.Arora.],[M.A.Silva Spinace,K.K.G.Fermoselli,M.-A.De Paoli,PPS 2004Americas Regional Meeting,2004Proceedings,Floria-nópolis,S.C.,Brazil,48-49.]and [A.L.,Leao R.Rowell,N.Tavares,Sci.Technol.Polym.Adv.Mater,(1998)756.]。
该兴趣应归于与无机纤维相比,天然纤维具有低成本和优点如:它们是无毒的,由可再生源获得,可回收,可生物降解,具有低密度、良好机械性能和在工艺设备上低摩擦。此外,制备无机纤维,例如玻璃纤维,需要大量动力,增加其对环境的影响。然而,由于纤维和聚合物基体之间的弱界面相互作用,天然纤维的亲水性影响粘附性能,影响该复合物的机械性能。一种改善纤维与聚合物基体粘附的方法是利用物理和或化学方法,或利用偶联剂改性纤维表面。现在,已经研究出不同的天然纤维用于获得这些复合物。它们之中引人注意的是从发现于亚马孙河区域,属于凤梨科(bromeliaceous)系列的植物中提取的纤维。这些物种不需要高肥沃土壤,可以种植于具有高含量有机物质的砂质结构土壤中。
这类植物的一个实例是Curauá(物种L.B.Smith的Ananás erectofolius),其被认为是玻璃纤维在某些应用中的理想替代物,这是由于当其与玻璃纤维相比时,其密度,成本和对工艺设备的磨损更低。
发明概述
基于现有技术的工艺水平,并为了优化它,开发了本发明专利。
本发明采用连续法例如注射挤出和注射模塑,基于利用天然纤维获得具有类似于由无机填料获得的复合物的机械性能的事实。
本处理方法可以通过注射,获得具有精确和复杂尺寸结构的制成品。
优选的天然纤维是Curauá天然纤维,其性能类似于玻璃纤维。
具有合适机械性能的Curauá天然纤维的复合物比含有无机填料复合物的密度更小,这是制备更轻部件以消耗更少燃料的汽车工业感兴趣的。
此外,所讨论的复合物还可以用于土木建筑工业。
附图说明
基于以下附图详细描述本发明专利,即:
图1A和1B图解说明了制成品的实例,该产品是汽车工业的一个部件,通过如本发明处理的含有天然纤维的聚酰胺复合物注射模塑得到。该部件的外观和面层以及其性能表明可以利用天然纤维作为补强剂,通过注射模塑制备该制成品。
发明详述
如上所述,本发明专利具有两个目的,即含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法,以及真正的含有天然纤维的聚酰胺复合物。
含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法
为了制备该含有天然纤维优选Curauá纤维的聚酰胺复合物,优选聚酰胺-6,采用:
(A)松散形式的天然纤维,即没有经过洗涤、干燥和表面处理;和
(B)在传统烘干炉中在100℃干燥了1.5小时的干天然纤维,没有经过表面处理。
制备含有天然纤维的聚酰胺复合物的方法包括下列步骤:
1.制备天然纤维。该步骤包括下列亚步骤:
1.1)在切割(刮刀)磨中研磨A或B形式的天然纤维,直至获得0.1至15mm的平均长度;
1.2)在石英反应器中用O2或N2的冷等离子体表面处理已经研磨的天然纤维;
1.3)用10质量%NaOH溶液(pH近似等于5.0的溶液)处理该纤维30分钟至2小时,用自来水源的水洗涤一次,然后用蒸馏水(w/pH值约等于6.0)洗涤一次;和
1.4)随后,在烘干炉中在100℃干燥该纤维2小时。
2.制备含有天然纤维的聚酰胺复合物。该步骤包括下列亚步骤:
2.1)分离要使用的天然纤维的量;
2.2)匀化上面制得的天然纤维和聚合物基体;挤出由亚步骤2.2制得的复合物。
需要着重指出的是,使用的研磨纤维的数量,相对于使用的聚合物基体质量而言,为10至50质量%。
能制得具有更好性能复合物的天然纤维处理方法是使用氧气等离子的处理方法。
使用的聚合物基体是:没有任何改性的聚酰胺-6,和或包含约1至10质量%聚(乙烯-共-丙烯-共-二烯)弹性体、用无水马来酸(maleic)(EPDM-g-AM)官能化的聚酰胺-6。
应该在单螺杆(L/D=30,D=32mm),双螺杆(L/D=13,D=29mm,同向旋转,互穿,具有镶拼形状蜗杆螺纹)挤出设备中,使用50至300rpm的转速,和200至250℃的温度,挤出亚步骤2.2)中得到的复合物。
挤出后,拣出复合物,并使用200至260℃的温度进行注射模塑。
含有天然纤维的聚酰胺复合物
为了测试,对由上述详细方法获得复合物进行注射,通过该注射获得试验样品。
得到的试验样品用于牵引、弯曲、冲击、热变形温度(HDT)和密度试验。
使用ASTM标准:牵引试验(ASTM D 638-02)、弯曲(ASTM D 790-02)、冲击(ASTM D 256-02)、HDT(ASTM D 648-98c)和密度(ASTM D 792-00),对实验样品进行表征。
该复合物的牵引机械试验结果说明加入处理或没有处理的天然纤维作为聚酰胺-6的补强剂,因为该加入(20wt%)促进牵引模量增加最多300%,最大张力增加80%。
如下所述机械性能和HDT值参考三种含有80wt%聚酰胺-6和分别为20wt%Curaua纤维、滑石或玻璃纤维的复合物。得到的最大张力值(σmax)和牵引下杨氏模量(E)分别是80(±1),73(±1),101(±1)MPa;和5.1(±0.4),6.7(±0.6)和6.5(±0.5)GPa。上述三种复合物的耐冲击值,例如具有凹痕的摆式冲击分别是:9(±1),9(±2)和7(±1)J m-1,没有凹痕的抗冲击性测量分别为35(±2),58(±3)和32(±4)Jm-1。最大力的张力测量值分别是:116(±),114(±2),160(±5)MPa。弯曲下杨氏模量的测量值分别是:3.7(±0.1),4.4(±0.1)和5.0(±0.1)GPa。这些复合物使用1.82MPa张力的HDT值分别是:186(±10),110(±4)和194(±1)℃;使用0.45MPa张力的分别是:217(±1),206(±4)和214(±1)℃。这三种复合物的密度分别是:1.18(±0.01),1.27(±0.01)和1.27(±0.01)克/立方厘米。
能制得具有最好性能复合物的Curauá纤维处理方法是用氧气等离子体处理的方法。然而,用没有处理的Curauá纤维和没有预干燥的聚酰胺-6制备的复合物具有可与填充有滑石的聚酰胺-6相媲美的性能。对于用处理的Curauá纤维制备的复合物,性能结果高于各种利用滑石作为填料的复合物,并且具体机械性能可与含玻璃纤维的复合物相媲美。耐冲击性值和HDT值都类似于含玻璃纤维的复合物。
扫描光学和电子显微照相表明纤维基体具有良好的分布、分散和粘附。
分析聚酰胺-6、含有稳定添加剂且没有纤维加工和注射的聚酰胺-6,以及含有20wt%Curauá纤维的复合物注射试验样品的特性粘度分别是:η=96.59(±0.23),η=98.02(±0.66)和η=97.47(±3.03)mL g-1。因此,证明有或者没有Curauá纤维加工期间,聚酰胺-6都没有基体降解。为了评估表明光洁度(finishing)和外观,利用部件公司提供的模具注射一个部件,该模具用于制备用玻璃纤维增强的聚酰胺部件,如图1A和1B所示。
图1A和1B展示了利用本发明中描述的原料,通过注射模塑制得的制成品。用Curauá纤维增强的部件外观和表面光洁度都优于用玻璃纤维增强的聚酰胺-6制备的部件。汽车工业标准试验中部件的性能说明可以利用天然纤维作为补强剂,通过注模制备最终产品。该纤维是汽车、土木建筑工业等应用的可再生和可生物降解的原料。本发明上述说明的目的仅仅是举例说明和描述。此外,本说明书不是用于限定本发明。因此,本发明范围包括与上述教导和相关技术的认识或理解相容的改变和改进。
如上所述的内容的目的在于提供实践本发明已知模式的更好的说明,允许本领域技术人员利用本发明的这种或其它形态,并根据特定应用所需进行改进,或利用本发明。本发明包括在本发明范围内的全部改进和改变。
Claims (9)
1.“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,使用:(A)松散形式的天然纤维,和(B)没经过表面处理、在100℃常规干燥炉中干燥了1.5小时的天然纤维;所述含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法包括下列步骤:
(1)制备天然纤维,和
(2)制备含有天然纤维聚酰胺复合物;步骤(1)包括下列亚步骤:
(11)在切割(刮刀)磨中研磨A和B形式天然纤维,直至获得0.1至15mm的平均长度;
(1.2)在石英反应器中,用O2或N2冷等离子体表面处理已经研磨的天然纤维;
(1.3)用10质量%NaOH溶液处理该纤维,用来自自来水源的水洗涤一次,然后用蒸馏水洗涤一次;和
(1.4)随后,在100℃烘干炉中将该纤维干燥2小时;步骤(2)包括下列亚步骤:
(2.1)分离要使用的天然纤维的量;
(2.2)匀化上面制得的天然纤维和聚合物基体;和
(2.3)挤出亚步骤(2.2)得到的复合物。
2.根据权利要求1的“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,亚步骤(1.2)中的石英反应器具有13.56MHz的RF源,功率30W,压力4×10-2托,处理时间为15分钟;在亚步骤(1.3)中,纤维处理时间为30分钟至2小时,10质量%NaOH溶液的pH接近5.0,蒸馏水的pH接近6。
3.根据权利要求1的“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,使用的研磨纤维的量为10至50质量%,相对于使用的聚合物基体质量而言。
4.根据权利要求1的“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,聚酰胺化合物优选是聚酰胺-6,天然纤维优选是Curauá纤维。
5.根据权利要求1和4的“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,使用的聚酰胺基体是:没有任何改性的聚酰胺-6,和包含约1至10质量%聚(乙烯-共-丙烯-共-二烯)弹性体、用无水马来酸官能化的聚酰胺-6。
6.根据权利要求1的“含有天然纤维的聚酰胺复合物的制备方法”,其特征在于,在单或双螺杆挤出设备中以50至300rpm转速在200至250℃的温度,挤出亚步骤(2.2)中得到的复合物。
7.“含有天然纤维的聚酰胺复合物”,其是由80wt%的聚酰胺-6和20wt%的Curauá纤维形成的复合物,其特征在于,其密度约1.18克/立方厘米。
8.“含有天然纤维的聚酰胺复合物”,其特征在于,牵引模量增加300%,最大张力增加80%。
9.“含有天然纤维的聚酰胺复合物”,其特征在于,该复合物用于汽车和土木建筑行业。
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