CN102300690B - 用于向原料中加入偶联剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造复合材料的方法，该复合材料含有基于纤维和基于聚合物的材料，其中所述制造包括初步处理过程以形成原料混合物。根据本发明，初步处理过程包括热冷混合装置——该装置包括至少一个加热阶段，含有无木质素的材料的原料和偶联剂被投入到混合装置以形成原料混合物，和原料的基于纤维和基于聚合物的物质之间的粘合被偶联剂改善。
Description
发明领域
本发明涉及如1的前序中所限定的用于在复合材料的制造中向原料加入偶联剂的方法。
发明背景
从现有技术得知用于从主要固体的原料制造复合材料的不同方法和设备。原料和任选的添加剂可被直接引入到挤压过程或通过初步的处理过程，例如成粒或混合过程，被引入到挤压过程，以制造复合材料。
此外，从现有技术，例如从参考文件US 2004/0126515得知，在挤压阶段向复合材料尤其是木质复合材料的制造中的原料加入偶联剂。已知在木质复合物的制造中使用马来酐改性的聚烯烃，例如MAPE和MAPP作为偶联剂。MAPE或MAPP与木质纤维反应，在酐的羰基和纤维的羟基之间形成共价键。偶联剂的聚烯烃部分机械地结合到原料的聚合体基质。还使用基于硅烷的偶联剂。在偶联剂的加入阶段需要高工艺温度，主要为180℃以上，以便在偶联剂和原料之间获得充分的粘合。无分离加热阶段地提供足够高的工艺温度常常有问题。另一个问题是在无木质素的纤维和塑料之间提供足够好的粘合。以前，在存在偶联剂时尚未在无木质素的纤维和塑料之间提供足够牢固的结合。在这种情况下，将要形成的复合材料的机械性能很差。
发明目的
本发明的目的是公开用于制造复合材料的新方法。此外，本发明的目的是公开在初步处理阶段已向原料加入偶联剂。此外，本发明的目的是公开一种方法，在该方法中偶联剂和原料之间以及原料的不同物质之间的粘合能够被改善。
发明概述
根据本发明的方法由权利要求书中所述的特征描述。
本发明基于用于制造复合材料的方法，该材料含有基于纤维和基于聚合物的材料，其中该制造包括初步处理过程以形成用于制造复合材料的原料混合物。根据本发明，初步处理过程包括热冷混合装置，该装置包括至少一个加热阶段。根据本发明，将含有无木质素的材料和偶联剂的原料投入热冷混合装置以形成原料混合物，原料的基于纤维和基于聚合物的物质之间的粘合被偶联剂改善。
在该上下文中，原料混合物指可含有一种或多种原料和/或一种或多种原料材料例如再生材料的混合物。此外，原料混合物含有在初步处理过程中所要加入的偶联剂。此外，原料混合物可含有添加剂和/或另外的塑料。原料指至少一种原料或多种不同原料的混合物。原料可以是含有基于无木质素纤维，例如基于木质纤维、稻草、芦苇或亚麻或基于其他植物纤维、和/或基于聚合物诸如基于塑料的组分的任何原料或原料材料。在一个实施方式中，基于木质纤维的无木质素的材料可包括从上述植物制备的基于纸的材料。
原料的基于纤维的材料含有无木质素的材料，例如基于化学浆的纸或纸纤维或不含有木质素的纯化学浆纤维。
在该上下文中，偶联剂指改善不同物质之间的粘合的任何粘合剂或材料。
在本发明的一个实施方式中，将含有马来酐的有机材料用作偶联剂。在一个实施方式中，偶联剂选自MAPE(马来酐聚乙烯)、MAPP(马来酐聚丙烯)和它们的混合物。在一个实施方式中，偶联剂基于硅烷。可选地，可使用任何本身已知的和适于该目的的偶联剂。
在一个优选的实施方式中，基本上均匀的原料混合物在混合装置中形成。优选地，将原料和偶联剂以及任选的添加剂和另外的塑料在混合装置中混合成均匀的原料混合物。
在本发明的一个实施方式中，团块在混合装置中由原料混合物形成。
在本发明的一个实施方式中，将原料混合物在混合装置中加热到180℃以上的温度，在这种情况下原料和偶联剂反应以通过偶联剂提供原料基于纤维和聚合物的物质之间的粘合。在一个实施方式中，将原料混合物在混合装置中加热到185℃以上的温度，在这种情况下原料和偶联剂反应以通过偶联剂提供原料基于纤维和聚合物的物质之间的粘合。为原料和偶联剂之间的反应提供足够高的温度可通过足够长的停留时间确保。特别是热冷型混合装置的结构保证了足够长的停留时间，例如15至20min的停留时间，以提供原料和偶联剂之间的反应。
在本发明的一个实施方式中，使用包括加热和冷却阶段的混合装置。在所有的运转应用中应用冷却阶段不是必须的，即，即使包括冷却段，也可使用没有冷却阶段的混合装置。在一个优选的实施方式中，冷却阶段在加热阶段后。
在一个实施方式中，在加热阶段中提供相当强力的混合。由于混合，在原料和偶联剂之间提供大接触面积。混合还有助于水的蒸发，其减弱偶联，并有助于其从过程中离开。在一个实施方式中，在冷却阶段也提供混合。
在一个优选的实施方式中，安排加热部分以为原料流提供相对长的停留时间。在一个实施方式中，混合装置是热冷混合器，该混合器具有高混合速率、长停留时间，并且团块在其中形成。用热冷混合器达到高温。
在一个优选的混合装置中，将材料混合物加热，通常到大约200℃的温度，在这种情况下塑料和/或原料含有的另外的塑料至少部分熔化以形成团块。加热之后，在冷却段例如通过水套将混合物冷却，优选冷却到大约70℃的温度。
在本发明的一个实施方式中，将主要固体的原料投进混合装置以形成原料混合物。
在本发明的一个实施方式中，将含有基于木质纤维和/或基于聚合物的材料的再生材料用作至少一种原料。
在本发明的一个实施方式中，将粘合层压废料(adhesive laminate waste)投进混合过程作为至少一种原料。在一个优选的实施方式中，原料主要由粘合层压废料组成。在一个实施方式中，原料含有至少一种粘合层压废料组分。在一个实施方式中，原料含有多于一种粘合层压废料组分。
在一个实施方式中，粘合层压废料含有粘合材料，在粘合材料上已经提供有胶水层，而剥离材料被置于胶水层上作为保护片，该剥离材料在贴纸(sticker)的施用位置上可被容易地剥离。在一个优选的实施方式中，粘合材料和/或剥离材料包含基于木质纤维的组分和/或基于塑料或聚合物的组分或其它有机组分。同样，可以使用不同的无机材料。在一个实施方式中，粘合材料和/或剥离材料包括基于木质纤维的纸、纸板或类似物。在一个实施方式中，基于木质纤维的纸、纸板或类似物含有基于塑料或聚合物的材料，或经基于塑料或聚合物的材料处理。在一个实施方式中，粘合材料和/或剥离材料可以由基本上为基于塑料或聚合物的材料形成。在一个实施方式中，剥离材料主要由基于塑料的材料组成，含有例如聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或其混合物。在一个实施方式中，剥离材料含有基于硅氧烷的组分，诸如硅化处理的材料，例如硅化膜材料。在一个实施方式中，用基于硅氧烷的材料或化合物涂布剥离材料。
在一个实施方式中，粘合层压成品、由其产生和/或在其制造中产生的废料可在复合材料的制造中使用。此外，可以使用来自生产的废料和来自粘合层压产品的改质步骤或最终应用的再生材料。在一个实施方式中，粘合层压废料来自粘合层压材料的生产，该生产主要产生生产排放废料、从轧辊和轧辊端头切除的切边废料；来自粘合层压材料印刷厂，该粘合层压材料印刷厂主要生产轧辊端头和由模切贴纸和标签剩余的粘合材料以及排放废料；和/或来自粘合层压材料终端用户消费者，所述消费者将打印的贴纸和标签或类似物粘贴到产品上。来自终端用户的废料主要包括剥离材料、轧辊端头和成品的废料。
在一个实施方式中，粘合层压废料可含有可变量的不同粘合层压废料组分，诸如粘合材料、胶水和剥离材料。可优选在粘合材料和/或剥离材料中提供胶水。通常，粘合材料和/或剥离材料含有无木质素的材料。
在一个实施方式中，在普通再生纸内不被接受的并且也可含有胶水的特殊再生纸，诸如不同的目录、电话簿或类似物等，可用作至少一种原料。
在本发明的一个实施方式中，将原料在引入到混合装置之前压碎到预定粒度。例如将原料切成期望的粒度。在一个实施方式中，原料的粒度优选在1和10mm之间的范围内。
在本发明的一个实施方式中，将至少一种添加剂投入混合装置。在一个实施方式中，将另外的塑料投入混合装置。可将添加剂和/或另外的塑料各自单独或全部组合投入混合装置，或在混合装置之前可将它们与一些其它原料组合。
在一个优选的实施方式中，将用于复合材料的添加剂、另外的材料和/或另外的塑料的其中至少一部分在初步处理过程，诸如混合过程中投入原料混合物中。在一个实施方式中，在添加剂中，例如润滑剂、阻燃剂和助粘剂可被投入混合装置。
塑料原料或者再生塑料可用作另外的塑料。复合材料可以用或不用另外的塑料制造。在一个实施方式中，将与例如聚烯烃、聚丙烯、聚乙烯(HDPE、LDPE)或其它合适的塑料或其混合物一起加入作为另外的塑料的粘合层压废料用作原料以制造木质复合材料。
在一个实施方式中，将选自纤维材料、有机填料、无机填料、粉状加强剂、粉状添加剂、滑石、木质纤维、化学浆纤维、纸和它们的组合的材料投入混合过程作为添加剂。
根据本发明的方法相比起现有技术提供相当大的优势。
在初步处理装置中，尤其是在含有加热阶段的热冷混合装置中，为原料和偶联剂之间的反应提供足够高的温度、长的停留时间和大的接触面积，在这种情况下提供原料的基于聚合物和基于纤维的物质之间的极好的粘合。此外，在热冷混合装置中将水——如果存在的话——有效地除去，其改善了粘合，因为水干扰偶联剂起作用。由于本发明，在无木质素的木质纤维、偶联剂和聚合物之间也获得良好的粘合。
由于本发明，归因于改善的粘合，提供了均匀的复合产品以及为产品提供了高机械性能。
在根据本发明的方法中，可增大将被引入到混合装置的切碎原料的粒度，因为由于混合，在混合装置发生颗粒的压碎。
本发明获得在初步处理阶段，优选地在团块生成阶段已向复合材料原料中加入偶联剂的工业上可应用的简单、快速和有用的方式，在这种情况下复合材料制造设备——例如对于粒化装置或另外的挤压器的部分——能被简化。
发明详述
在以下部分，将参考本发明实施方式的具体实施例描述本发明。
实施例1
在这些试验中，对用于向复合材料原料加入偶联剂的不同方法进行比较。
将含有基于化学浆的纸纤维和塑料的粘合层压废料用作原料。该纸纤维含有无木质素的材料。
在试验中对用于向复合材料原料加入偶联剂的不同初步处理过程，诸如热冷混合过程、初步粒化过程和重磨过程进行比较。将从初步处理过程获得的结果与在复合材料的挤压中将偶联剂直接加入到原料中时从复合材料挤压制造过程中获得的结果进行比较。
在试验中观察到在热冷混合过程中在原料和偶联剂之间提供成功的结合，在原料的纸纤维和塑料之间提供极好的粘合。在这种情况下，复合材料获得良好的机械性能。例如，在应用热冷过程中，为复合材料提供良好的材料强度，在一个试验中的材料强度甚至比利用直接挤压得到的材料强度高55％。
实施例2
在该试验中，复合材料中间产物，即团块，在包括加热和冷却段和混合装置的热冷混合装置中生成。将切碎的粘合层压废料投入混合装置作为原料，该切碎的粘合层压废料含有基于化学浆的纸纤维和基于塑料的材料。将原料在混合装置中预处理以形成中间产品。还可以在混合装置中将另外的塑料和添加剂投入到原料中。此外，将偶联剂与原料在混合装置的加热段混合。将MAPP用作偶联剂。在有效搅拌下将原料和偶联剂混入原料混合物并加热到185℃以上的温度。
可将在混合装置中形成的团块贮存、销售和/或引入到挤压器或引入到压铸器以制造复合材料。
在该试验中观察到由于有效的混合，在原料和偶联剂之间提供大接触面积，在这种情况下使偶联剂良好地粘合到原料。在该试验中观察到由于混合、足够高的温度和长的停留时间，实现了原料和偶联剂之间的成功的结合以及原料的化学浆纤维和塑料之间的极好的粘合。
基于这些试验，观察到根据本发明的方法特别好地适于提供原料和偶联剂之间的反应和增大原料不同组分之间的粘合。基于这些试验，观察到与在前使用的初步粒化和挤压技术相比，根据本发明的方法能改善复合材料的机械性能，在一种情况下甚至改善30至40％，在根据本发明的该方法中形成团块，并且在该方法中在团块形成之前已将偶联剂加到原料中。
根据本发明的方法适于不同的实施方式，以用于关于大多数不同的复合材料的制造应用。
本发明并不仅仅限于以上所涉及的实施例，相反，在权利要求书所限定的发明构思的范围内，可以有多种变型。
Claims (11)
1.用于制造复合材料的方法，所述复合材料含有基于纤维的无木质素的材料和基于聚合物的材料，其中用于制造的所述方法包括初步处理过程以形成原料混合物，其中所述初步处理过程包括热冷混合装置——所述装置包括至少一个加热阶段和冷却阶段，所述热冷混合装置用于提供180℃以上的温度，至少15分钟的停留时间、提供原料和偶联剂之间的反应的接触面积和混合速率，其中所述偶联剂和含有所述基于纤维的无木质素的材料和所述基于聚合物的材料的所述原料被投入到所述热冷混合装置以形成所述原料混合物，所述原料混合物在所述热冷混合装置的所述加热阶段中被加热到所述180℃以上的温度，和所述原料的所述基于纤维的无木质素的材料和所述基于聚合物的材料之间的粘合被所述偶联剂、所述温度、所述停留时间、所述混合速率和所述接触面积改善，并且所述原料混合物在所述热冷混合装置的所述冷却阶段中被冷却，并且也在所述冷却阶段提供混合，其中团块在所述热冷混合装置中由所述原料混合物形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用包括加热和冷却阶段的混合装置。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于将所述原料混合物在所述混合装置中加热到185℃以上的温度。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将主要固体的原料投入所述混合装置。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将含有基于木质纤维和/或基于聚合物的材料的再生材料用作至少一种原料。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将粘合层压废料用作至少一种原料。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于在将所述原料引入到所述混合装置之前将所述原料压碎到预定粒度。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将另外的塑料投入所述混合装置。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将添加剂投入所述混合装置。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于将含有马来酐的有机材料用作所述偶联剂。
11.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于所述偶联剂选自MAPE、MAPP和它们的混合物。
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