CN102803401A - 能由单螺杆塑料转化设备加工的经表面处理的密实材料的制造方法 - Google Patents

能由单螺杆塑料转化设备加工的经表面处理的密实材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及加工热塑性聚合物之领域，具体地，本发明涉及一种在无混配步骤的情况下制造适用于热塑性聚合物中的密实材料的方法，以及通过该方法获得的密实材料及其在热塑性聚合物中的用途，该方法包含以下步骤：a)提供至少一种初始粉末材料；b)提供至少一种熔融的表面处理聚合物；c)同时或先后将该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物进料至圆柱形处理室的高速混合机单元中；d)在该高速混合机中混合该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物；e)将获自步骤d)的混合材料传输至冷却单元中。

Description

能由单螺杆塑料转化设备加工的经表面处理的密实材料的制造方法
本发明涉及加工热塑性聚合物之领域，具体地，本发明涉及一种在无混配步骤的情况下制造适用于热塑性聚合物中的密实材料的方法，以及通过该方法获得的密实材料及其在热塑性聚合物中的用途。
混配为通过混合和/或共混熔融状态之聚合物及添加剂来制备塑料调配物。实现不同原料之均质共混物存在不同评判准则。分散及分布混合以及热量为重要因素。共捏合机(co-kneader)及双螺杆(同向及反向旋转)以及内部混合机为塑料工业中最常用之混配机。
几十年来，热塑性塑料加工工业使用添加剂制备改性的热塑性树脂组合物，其在极大程度上经由需要形成称为母料/浓缩物或混配物的中间产物的混配技术而引入聚合树脂中。
举例而言，WO 95/17441揭示一种制备热塑性树脂最终产物的方法，其包含制备热塑性塑料颗粒用于使它们与热塑性树脂共混。
在WO 01/58988中，描述一种制备矿物填料的母料或浓缩物以获得高度填充之热塑性材料的方法。
然而，根据这些文件，不可能获得初始粉末混配物充分分散于常规单螺杆挤压机中的聚合最终产物。实际上，其需要产生如母料或浓缩物的中间产物，亦即在无中间混配步骤的情况下不可能使精细初始粉末分散于常规单螺杆机器上。
在此方面，诸如WO 2007/066362之其他文件描述一种混合方法及仅具有一个材料入口之装置，而如EP 1 156 918、WO 2005/108045或WO 2005/065067之其他文件涉及挤压机或成份混合机。
然而，仍需要一种容易且有效之方式从初始粉末制造添加剂，其适合于在无需任何中间步骤的情况下引入热塑性聚合物中。
因此，本发明之第一目标为提供一种适于通过连续或不连续过程并入热塑性聚合物中的材料的制造方法，其中待引入热塑性聚合物中的初始粉末材料能充分分散于常规单螺杆挤压机中。
该目标通过本发明方法、亦即一种制造密实材料的方法来实现，该方法之特征在于其包含以下步骤：
a)提供至少一种初始粉末材料；
b)提供至少一种熔融的表面处理聚合物；
c)同时或先后将该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物进料至圆柱形处理室的高速混合机单元中；
d)在该高速混合机中混合该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物；
e)将获自步骤d)的混合材料传输至冷却单元中。
不受任何理论束缚，申请人认为使用常规单螺杆挤压设备，由于两个因素之组合，亦即使用高速混合机以及使用表面处理聚合物，密实材料可良好分散于热塑性聚合物中，亦即不形成任何团聚物，这些表面处理聚合物能够在初始粉末的个体化粒子周围形成薄层，其完全覆盖粒子表面，从而产生经表面处理的密实材料。个体化且被覆盖的粒子随后可形成疏松聚结体，但仍由聚合表面层隔。其为所需之密实步骤。如下文中详细描述，密实之结果为体密度增加、流动性改善及抑制粉尘。
充分分散意谓分散体(在50倍放大率的双目放大镜下对由所制得的各分散体制成的压膜进行视觉检验)展示无对应于基质聚合物的黑点亦无对应于初始粉末的白点。
根据密实材料，松散材料应理解为由通过筛分析使用Retsch AS200筛塔根据ISO 3310标准量测的平均粒径介于10μm至10mm范围内的形成材料的许多单粒子的聚结体组成。
在优选实施方案中，另一表面处理剂，优选至少一种表面处理剂，与至少一种初始粉末产品同时进料至或在至少一种初始粉末产品进料之后进料至圆柱形处理室的高速混合机单元中。该表面处理剂优选为液体或经液化的，其尤其以熔融状态提供。
表面处理剂与表面处理聚合物之间的主要差别为表面处理剂化学结合至初始粉末。优选地，其尤其用于改变粉末的表面张力且由此改变其疏水性。另一方面，如下所提及，蜡亦可用作表面处理剂，其并非化学结合，但特别用于改良分散且尤其降低高粘度表面处理聚合物之粘度。
与其对比，表面处理聚合物用以分隔密实材料中的单个粒子且并非化学结合至初始粉末粒子之表面。
根据本发明，表面处理聚合物优选具有在170℃下超出500mPa·s之粘度，而表面处理剂在170℃下之粘度优选低于500mPa·s。
本发明的方法此外允许使用极低浓度的表面处理产品(亦即表面处理聚合物及表面处理剂)，诸如基于所获密实材料之重量，介于2wt％至10wt％范围内之浓度，降低对于热塑性基质聚合物的负面影响且增加其相容性。
此外，宜在步骤e)之前，亦即在将获自步骤d)的混合材料传输至冷却单元之前，将其传输至第二混合单元。
在该第二混合单元中，任选地另外添加至少一种熔融的表面处理聚合物至步骤d)的混合材料中且与之混合。
本发明方法之另一实施方案为初始粉末材料的温度在20℃与300℃之间，优选在60℃与250℃之间。
在此方面，可添加之任选的表面处理剂的温度在20℃与300℃之间，优选在60℃与250℃之间，且更优选在60℃与120℃之间。
然而，最高温度必须低于任一种成份之分解温度。
本发明之初始粉末可为来源于诸如在存在或不存在初始表面处理的情况下例如与诸如硬脂酸、棕榈酸等脂肪酸之化学反应、磨碎或研磨之过程的任何粉末。
其可为天然来源或合成的。
在本发明方法的优选实施方案中，初始粉末材料为无机粉末。
无机粉末可选自包含以下各物的组：天然研磨碳酸钙(GCC)；沉淀碳酸钙(PCC)；含有碳酸钙之矿物，诸如白云石；基于混合碳酸盐之填料，诸如含有钙及镁之矿物，诸如滑石或粘土；云母；及上述各者的混合物，诸如滑石-碳酸钙或碳酸钙-高岭土混合物或天然研磨碳酸钙与氢氧化铝、云母或与合成或天然纤维的混合物，或矿物共结构，诸如滑石-碳酸钙或滑石-二氧化钛共结构。
无机粉末优选为天然研磨碳酸钙(GCC)，或沉淀碳酸钙(PCC)，或GCC与PCC的混合物，或GCC与PCC及粘土的混合物，或GCC与PCC及滑石的混合物，或滑石，或云母。
在优选实施方案中，无机粉末选自：GCC，该GCC优选选自包含大理石、白垩、方解石及石灰石的组；PCC，该PCC优选选自包含文石PCC、球霰石PCC、方解石PCC、菱面体PCC、偏三角面体PCC的组；以及它们的混合物。
在另一实施方案中，初始粉末物料为有机粉末。
有机粉末优选选自包含木粉及改性淀粉的组。
熔融的表面处理聚合物应该有利地具有在170℃下在500与400000mPa·s之间，更优选在1000mPa·s与100000mPa·s之间之粘度。其优选选自包含以下各物的组：乙烯共聚物，例如乙烯-1-辛烯共聚物、基于金属茂的聚丙烯、聚丙烯均聚物，优选无定形聚丙烯均聚物。
任选的表面处理剂有利地选自包含硬脂酸、氧化锌、合成链烷烃蜡、聚乙烯金属茂蜡及聚丙烯蜡的组。
应注意，可在混合过程期间将诸如抗冲击改性剂、稳定剂等常规功能性组份纳入，或这些功能性组份可纳入最终经表面处理的密实材料以及最终产物(亦即经混配的热塑性树脂)中。
本发明方法之优势在于其为低成本制造方法，获得较低成本之最终产物。
该优势尤其归因于经表面处理的密实材料可在常规单螺杆塑料转化设备上加工而无需混配该经表面处理的材料。
因此，在本发明方法之不同变型及实施方案内，圆柱形处理室优选在水平或竖直位置含有一单螺杆高速混合机。
含有单螺杆高速混合机的常规市售圆柱形处理室尤其适用于本发明，其具有例如以下参数：
长度350mm，直径90mm，在1000-4000rpm下；长度1200mmm，直径230mm，在400-3000rpm下；长度150mm，直径150mm，在600-1300rpm下。
优选长度∶直径之比率为1∶1至6∶1，更优选为2∶1至5∶1，尤其为3∶1至4∶1。
因此，可去除常规混配过程，诸如使用双螺杆或法劳连续混合机(Farrel continuous mixer)、共捏合机、班伯里分批混合机(Banburybatch-mixer)或其他等效设备的过程。
本发明之第二方面涉及由本发明方法获得的经表面处理的密实材料。
本发明的经表面处理的密实材料优选特征在于其能在无任何混配步骤的情况下完全再分散于热塑性聚合物基质中。完全再分散应理解为分散体(在50倍放大率之双目放大镜下对由所制得的各分散体制成的压膜进行视觉检验)展示无对应于基质聚合物之黑点亦无对应于初始粉末之白点。
这些经表面处理的密实材料有利地是不起粉尘的。该不起粉尘的密实材料通过过筛分析使用Retsch AS 200筛塔量测，在符合ISO 3310标准的45μm筛网上具有超过80wt％，优选超过90wt％的筛余物。
在经表面处理的密实材料中，初始粉末材料之含量有利地为50至99wt％，优选为60至98wt％，更优选为75至95wt％，最优选为80至90wt％，例如85wt％。
举例而言，若初始粉末为GCC，则其可以以75至98wt％，优选86至92wt％之量存在于经表面处理的密实材料中。若初始粉末为滑石，则若其以75至90wt％，更优选76至87wt％之量存在于经表面处理的密实材料中将会是尤其优选的。
密实材料中表面处理聚合物之含量典型地为1至50wt％，优选为2至40wt％，更优选为5至25wt％，尤其为8至14wt％，例如10至13wt％。
若本发明的密实材料中使用表面处理剂，则其含量一般视初始粉末之比表面积而定。有利地，其以0.01至10wt％，优选0.1至7wt％，更优选0.5至5wt％，例如1至3wt％之量存在。举例而言，若初始粉末为GCC，则基于密实材料之总重量，表面处理剂典型地以0.01wt％至10wt％，优选0.1wt％至3wt％之量存在。
本发明的密实材料的典型实例包含90wt％初始粉末、9.5wt％表面处理聚合物及0.5wt％表面处理剂。
本发明之第三目标涉及所获得的密实材料在热塑性聚合物中作为添加剂之用途。
因此，本发明允许密实材料在0.1至80wt％，优选1至50wt％，且更优选5至30wt％范围内的任何浓度下均匀分散于热塑性聚合物中，而无需为了形成聚合最终产物而制备中间母料(亦称为浓缩物和/或混配物)。
本发明之另一方面为本发明的经表面处理的密实材料在热塑性聚合物中作为添加剂之用途以及通过直接添加经表面处理的密实材料至最终热塑性聚合物中来制造热塑性聚合物的方法。
本发明的经表面处理的密实材料可用于制造或加工任何常规热塑性聚合物，尤其聚烯烃系、聚苯乙烯系、聚乙烯系、或聚丙烯酸系聚合物和/或共聚物。举例而言，本发明的经表面处理的密实材料可用于诸如以下聚合物：低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯(PP)(诸如聚丙烯均聚物、无规聚丙烯、非均相聚丙烯、或包括聚丙烯单元之嵌段共聚物)、聚苯乙烯(PS)、高耐冲击性聚苯乙烯(HI-PS)及聚丙烯酸酯。
在此方面，经表面处理的密实材料可在吹制膜、薄片、管材之制造中及在诸如管、异型材、电缆纤维或其类似物之挤压、压塑成型、注射成型、热成型、吹塑成型、滚塑成型等过程中充当添加剂。
最后，本发明之另一方面为包含本发明的密实材料的热塑性聚合物。
本发明之范畴及重要性将由于以下实施例而得以更好地理解，这些实施例意欲说明本发明之某些实施方案且为非限制性的。
附图简述
图1为实施例1之初始粉末的显微图像。
图2为实施例1的密实材料的显微图像。
实施例
实施例1
该实施例涉及制备本发明的经表面处理不起粉尘的密实材料。
使用具有1200mm加工长度及230mm直径，装备有3个进料口(按序)及1个排出口的水平“环层混合机/造粒机”亦即“Amixon RMG 30”。圆筒配备有加热/冷却双壁。由销钉固定的圆柱形旋转螺杆进行表面处理及密实。
组份A(初始粉末材料)：
将用0.5wt％硬脂酸处理过的具有2.7μm平均粒径的天然碳酸钙(GCC)预热至110℃且以22.6kg/h之速率称重进料至第一进料口中。
组份B：(表面处理聚合物)
在230℃的温度下，经由进料口2，以与待表面处理之组份A相关的所需速率(kg/h)以液态注射组份B，所述所需速率在该实施例中速率为2.4kg/h。
组份B由以下各者之共混物组成：
-80wt％乙烯-1-辛烯-共聚物(例如Affinity GA 1900/Dow)，密度(ASTM D792)0.87g/cm3，
-20wt％基于金属茂的聚丙烯蜡(例如LicocenePP-1302/Clariant)、密度(23℃；ISO 1183)0.87g/cm3。
混合
在“环层混合机/制粒机”中，在180℃及800rpm之螺杆速度下进行表面处理及密实。
经表面处理的产物经由排出口离开混合机/制粒机，称重传输至在140℃的温度及400rpm之螺杆速度操作下的第二环层混合机/制粒机中进行密实及冷却。在该实施例中，两个单元具有相同大小及尺寸。所得经表面处理的密实材料经由排出口离开该单元且无粉尘并自由流动。
应用：
经表面处理/密实的材料具有90.5wt％碳酸钙(GCC)浓度。通过挤压密实材料与原始聚合物之共混物时的再分散程度来评估表面处理之质量。
准确而言，在该实施例中，使用LLDPE(Dowlex NG 5056G/Dow)，添加17wt％密实材料及83wt％所述LLDPE来产生吹制膜。
该实施例所用设备为常规Dr.Collin单螺杆挤压机，E-25P型，装备有60mm直径及1.2mm厚度的吹制膜模具。该挤压机的温度轮廓为220℃，70rpm的螺杆速度。
LLDPB树脂及密实材料两种产品均通过重力投放来进料。所得膜具有40μm之厚度。
比较而言，含有70wt％碳酸钙之标准型基于LLDPE的碳酸钙母料(Omyalene 2011A/Omya)在相同条件下且在膜中碳酸钙最终浓度相同的情况下加工。
密实材料及Omyalene 2011A两种产品之所得膜在50倍放大率的双目放大镜下进行视觉对照且发现其不含任何未分散的团聚物。为进行其他评估，分别对含有17wt％密实材料及22wt％母料(Omyalene 2011A)的两种吹制膜样本进行落镖冲击测试(Dart-drop test)(ASTM D1709)及爱尔门道夫抗撕裂性测试(Elemendorf-tear resistancetest)(ISO 6383-2)。
由密实材料制成的膜的抗落镖冲击性(dart drop)为620g且纵向及横向抗撕裂性为710cN及810cN。
含有母料的膜的抗落镖冲击值为630g且纵向及横向抗撕裂性为670cN及880cN。
这些结果证实当在标准单螺杆挤压机上加工时，密实材料的碳酸钙(GCC)完全且均匀分散。
密实材料之自由流动性通过DIN-53492标准来评估。
结果如下：
未经处理的天然碳酸钙粉末：10mm开口：无流动
实施例1的密实材料：10mm开口：7s/150g
粒径
根据ISO 3310评估。
结果：
92wt％＜500微米
56wt％＜250微米
35wt％＜160微米
4wt％＜45微米
这些结果证实实施例1的密实材料无粉尘且自由流动。
参见初始粉末之显微图像图1及实施例1的密实材料的显微图像图2，亦清楚地显示加工之效果。
实施例2
使用与实施例1中相同之设备及加工参数进行表面处理及冷却。
组份A(初始粉末材料)：
具有10μm平均粒径之天然滑石粉末(Finntalc M30SL/MondoMinerals)以20kg/h之速率称重进料至进料口1中。
组份B(表面处理聚合物)：
在230℃的温度下，以5kg/h之速率注射液态组份B至进料口2中。
组份B由以下各者之共混物组成：
-90wt％基于金属茂的PP(例如Metocene HM1425/Lyondel-Basell)，
-10wt％硬脂酸锌(例如Zincum 5/Baerlocher)。
所得含有80wt％滑石的经表面处理及密实的材料无粉尘且自由流动。
应用：
通过挤压20wt％密实材料与80wt％原始聚合物的共混物评估分散度。在配备有平模(2×20mm开口)之常规E25P型Dr.Collin单螺杆挤压机上，以190℃的温度轮廓及80rpm之螺杆速度进行挤压。随后在热压机上将所得条状物压成0.2mm厚度之薄片。
对于该实施例，将TM-6100K/Montell型聚丙烯均聚物及Hostalene GC-7200/Clariant型HDPE用作原始聚合物。
在50倍放大率的双目放大镜下视觉检验压制的薄片，可检测到无团聚物或未分散之粒子，且判断两种聚合物中的分散均极佳。
密实材料之自由流动性通过DIN-53492标准来评估。
结果如下：
-未经处理之天然滑石粉末：10mm开口：无流动
实施例2的密实材料：10mm开口：18s/150g
实施例3：
对于粉末处理，使用具有2.5L容器及三部分标准混合工具之MTI-Mischtechnik Industrieanlagen GmbH LM 1.5/2.5/5型高速分批混合机。加热混合机至175℃。将364g与实施例1中相同之碳酸钙填充于容器中。关闭容器且使混合机在700rpm下运行2分钟。随后打开混合机且添加32g具有0.86g/ml固体密度及152℃熔点(DSC)的聚丙烯均聚物以及4g Barlocher Zincum 5型氧化锌至预热粉末中。再次关闭混合机且在700rpm下运行12分钟。
为检验所得经处理的粉末之分散，使用具有标准螺杆及标准带模的Dr.Collin室验室挤压机FT-E20T-IS。将所有加热区加热至175℃且使挤压机在100rpm下运行。通过称重计量投料系统将80wt％LyondellBasell Hostalen GC 7260型HDPE及20wt％所得粉末连续进料至挤压机中。随后将10g压出带在190℃下在两个铬钢板之间压塑成型。在50倍放大率的双目放大镜下光学检视所得膜且展示无可见的团聚物。
实施例4
评估含有90.5wt％天然碳酸钙及9.5wt％表面处理聚合物的实施例1的密实材料在聚苯乙烯中的薄片挤压应用。
使用BASF 158K型之通用聚苯乙烯(GPPS)及BASF 486M型之高耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)。添加56wt％各聚苯乙烯至44wt％所述密实材料中。
将两种组份持续称重计量投料至加工挤压机之进料斗中。就GPPS而言，总进料率为15.6kg/h而就HIPS而言，总进料率为14.7kg/h。使用具有Collin平膜挤压模及Collin抛光柱(stack)之常规E25P型Collin单螺杆挤压机产生250mm宽度且1mm厚度之薄片。挤压机的温度轮廓为180℃、195℃、230℃、230℃及230℃。将挤压模保持在230℃下且将压延辊保持在100℃下。模间隙为1.2mm且压延辊之辊隙宽度为1.0mm。线速度设定为0.8m/min。螺杆以160rpm之速度由下部进料。在此设置下，可产生在50倍放大率之双目放大镜下无可见团聚物的薄片。
随后将各10g的挤压薄片在190℃下两个铬钢板之间压塑成型。在50倍放大率之双目放大镜下光学检视所得膜且展示无可见的团聚物。

Claims (21)

1.一种制造经表面处理的密实材料的方法，其特征在于其包含以下步骤：
a)提供至少一种初始粉末材料；
b)提供至少一种熔融的表面处理聚合物；
c)同时或先后将该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物进料至圆柱形处理室的高速混合机单元中；
d)在该高速混合机中混合该至少一种初始粉末材料和该至少一种熔融的表面处理聚合物；
e)将获自步骤d)的混合材料传输至冷却单元中。
2.权利要求1的方法，其特征在于至少一种表面处理剂与该至少一种初始粉末产品同时进料至或在该至少一种初始粉末产品进料之后进料至圆柱形处理室的高速混合机单元中。
3.权利要求1或2中任一项的方法，其特征在于在步骤e)之前，将获自步骤d)的混合材料传输至第二混合单元中。
4.权利要求3的方法，其特征在于添加至少一种熔融的表面处理聚合物至该第二混合单元中步骤d)的混合材料中且与之混合。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于该初始粉末材料的温度在20℃与300℃之间，优选在60℃与250℃之间。
6.权利要求2-5中任一项的方法，其特征在于该表面处理剂的温度在20℃与300℃之间，优选在60℃与250℃之间，更优选在60℃与120℃之间。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于该初始粉末材料为无机粉末。
8.权利要求7的方法，其特征在于该无机粉末选自包含以下各物的组：天然研磨碳酸钙(GCC)；沉淀碳酸钙(PCC)；含有碳酸钙之矿物，诸如白云石；基于混合碳酸盐之填料，诸如含有钙及镁之矿物，诸如滑石或粘土；云母；及上述各者的混合物，诸如滑石-碳酸钙或碳酸钙-高岭土混合物，或天然研磨碳酸钙与氢氧化铝、云母或与合成或天然纤维的混合物，或矿物共结构，诸如滑石-碳酸钙共结构或滑石-二氧化钛共结构。
9.权利要求8的方法，其特征在于该无机粉末为天然研磨碳酸钙(GCC)、或沉淀碳酸钙(PCC)、或GCC与PCC的混合物、或GCC与PCC及粘土的混合物、或GCC与PCC及滑石的混合物、或滑石、或云母。
10.权利要求8的方法，其特征在于该无机粉末选自：GCC，该GCC选自包含大理石、白垩、方解石及石灰石的组；PCC，该PCC选自包含文石PCC、球霰石PCC、方解石PCC、菱面体PCC、偏三角面体PCC的组；以及它们的混合物。
11.权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于该初始粉末材料为有机粉末。
12.权利要求11的方法，其特征在于该有机粉末选自包含木粉及改性淀粉的组。
13.权利要求1-12中任一项的方法，其特征在于该熔融的表面处理聚合物选自包含以下各物的组：乙烯共聚物，例如乙烯-1-辛烯共聚物，基于金属茂的聚丙烯，聚丙烯均聚物，优选无定形聚丙烯均聚物。
14.权利要求2-13中任一项的方法，其特征在于该表面处理剂选自包含以下各物的组：硬脂酸、氧化锌、合成链烷烃蜡、聚乙烯金属茂蜡及聚丙烯蜡。
15.权利要求1-14中任一项的方法，其特征在于该经表面处理的密实材料能够在单螺杆塑料转化设备上被加工。
16.由权利要求1-15中任一项的方法获得的经表面处理的密实材料。
17.权利要求16的经表面处理的密实材料，其特征在于其在无混配步骤的情况下能完全再分散于热塑性聚合物基质中。
18.权利要求16或17中任一项的经表面处理的密实材料，其特征在于其是不起粉尘的。
19.权利要求16-18中任一项的密实材料的用途，其在热塑性聚合物中用作添加剂。
20.制造热塑性聚合物的方法，其通过直接合并权利要求16-18中任一项的密实材料至最终热塑性聚合物中来实现。
21.热塑性聚合物，其包含权利要求16-18中任一项的密实材料。
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