CN104755537A - 含有可再生原料的复合材料和用于其制备的方法 - Google Patents

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Abstract

在由基于塑料的材料和其中包埋的可再生原料的颗粒或纤维比如木纤维、马尼拉麻、纤维素纤维、纸浆纤维、再生纤维素纤维、大麻纤维或亚麻纤维，和任选地增附剂组成的复合材料中，还含有选自多元醇和/或平均分子量90至40,000的聚乙二醇的润湿剂。

Description

含有可再生原料的复合材料和用于其制备的方法
本发明涉及由基于塑料的材料，和其中包埋的可再生原料的颗粒或纤维比如马尼拉麻、纤维素纤维、纸浆纤维、粘胶纤维、大麻纤维或亚麻纤维，和任选的增附剂组成的复合材料，并且涉及产生复合材料的方法，其中在混合装置将天然纤维比如纤维素纤维、再生纤维素纤维、纸浆纤维、大麻纤维或亚麻纤维与基于塑料的材料和任选的添加剂混合，并且在压模机或挤出机中压制成复合材料。
由塑料比如聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS等)和含有可再生原料的颗粒或纤维比如纸浆、粘胶、大麻、木料、亚麻等组成的复合材料或复合物用于各种应用领域，其中所述复合材料常常需要大量的增附剂以便提供在可再生原料的颗粒或纤维与塑料之间的密切附着。在这方面，例如将聚烯烃、接枝在聚丙烯或聚乙烯上的马来酸酐基团用作增附剂以便提供在塑料与可再生原料的颗粒或纤维之间的充足附着力。然而，所述复合材料遇到的又一问题在于，一旦其含有可再生原料的颗粒或纤维，其产生的产品的冲击强度或缺口冲击强度将戏剧性降低，使得所述材料的应用目的受到限制。已尝试通过加入更软的聚合物或具有较低分子量的聚合物来软化塑料和可再生原料的颗粒或纤维的基质，以便增加冲击强度；但是其仅展示有限的成功，在其中并未先提供或使用软的基础聚合物的情况下尤其如此。因此，为了使得所述聚合物可以用于比如汽车工业、电力/电子工业、物流业的应用，必需显著增加填充了可再生原料的颗粒或纤维或补充了可再生原料的颗粒或纤维的复合物的(缺口)冲击强度，而同时并不不利地影响其它特性或特征。
从WO 03/035393 A1可以知晓由PVC和木纤维组成的复合物，其中可以额外含有添加剂比如聚酯和润滑剂。将聚氯乙烯(PVC)加入木纤维是为了促进待制备的复合物的可加工性，原因在于它们可在低温度模压。
从US 2011028060 A1可以知晓含有纤维状物质和基质-树脂组合物的复合物结构，该复合物结构除了纤维状物质之外，还含有由聚酰胺组合物组成的基质-树脂组合物。根据该文献，聚酰胺组合物本身由聚酰胺树脂和具有多于两个羟基基团的多元醇构成。
WO 02/083824 A1描述用于模制品的复合物组合物，包含纤维素纤维、热塑性粘合剂、含有马来酸酐和马来酸酐官能团的偶联剂，和含有羧酸烷基酯的润滑剂。
因此，本发明的目的在于提供复合材料，与由基础聚合物和基于可再生原料的颗粒或纤维的添加剂组成的常规复合材料相比，其一方面具有增加的(缺口)冲击强度，而另一方面提供至少与常规复合材料同样良好的材料附着和物质特性。
为了解决该任务，根据本发明的复合材料的重要特征在于，还含有选自多元醇和/或平均分子量90至40,000的聚乙二醇的润湿剂。通过加入润湿剂，至少天然纤维被润湿剂浸渍以便使得复合材料中各纤维可以保持润湿或柔软，以待软化，其在负载情况下引起纤维的增加的延展或延展性。纤维的增加的延展或延展性进一步导致其在断裂成轻便的纤维抽出物(Faserauszug)的情况下从复合物中脱出，由此在纤维与塑料之间的界面上实现同时增加的润滑效果和润湿效果，因而与其中纤维未加浸渍的常规复合物相比，其导致总体复合物的增加的(缺口)冲击强度。
尤其是对于必须抵御升高的温度的复合材料，被证明有利的是，将平均分子量90至40,000的聚乙二醇用作润湿剂。通过使用平均分子量90至40,000、尤其是120至2,000的聚乙二醇，与不加入平均分子量90至40,000的低分子聚乙二醇的常规复合物相比，将尤其显著增加在纤维与塑料之间的界面上的润滑效果，借此也总体改善复合材料的冲击强度。
术语润湿剂在本申请上下文中意指各种醇、多元醇或平均分子量90至40,000的聚乙二醇，其附着至纤维表面和/或穿透至其中，从而使得纤维润湿或湿润，并且由此与比非润湿状态相比保持纤维处于更柔软的状态。
根据本发明的进一步实施方式，优选构造复合材料以使得用作润湿剂的多元醇选自山梨糖醇，甘油，二甘醇，乙二醇，丙二醇，丁二醇，1,4-丁二醇，1,5-戊二醇或丙二醇。来自上文定义的组的多元醇的特征在于，在一方面它们的挥发性足够低以便能够安全地避免在处理期间从复合材料的无意蒸发并干扰内部结构，而另一方面它们允许纤维的充分润湿或湿润以便实现保持冲击强度的希望效果。
用复合材料实现特别有利的结果，其中按总复合材料计以0.1重量％至6重量％的量包含润湿剂。在用所述量的情况下，与不含润湿剂的复合材料相比，成功地显著增加(缺口)冲击强度，尤其是多至150％。
用具有下述组分比率的复合材料实现特别高的(缺口)冲击强度：30至95重量％基于塑料的材料，5至70重量％可再生原料的颗粒和纤维，0.5至21重量％润湿剂，和多至20重量％添加剂。含有按可再生原料的颗粒或纤维计大约两倍至四倍的基于塑料的材料，和按所用的可再生原料的颗粒或纤维计约1至30％、尤其是10至20重量％润湿剂的复合材料成功地进一步提高填充了可再生原料的颗粒或纤维的塑料或复合材料的冲击强度。
为了安全地防止单独材料的混合和尤其是无意破裂或脱除，或包含于复合物的基础材料的分离，进一步构造根据本发明的复合材料，使得添加剂选自增附剂，而所述增附剂选自接枝马来酸酐的聚丙烯、或接枝马来酸酐的聚乙烯、或化学改性的聚烯烃。通过使用增附剂，成功地产生复合物，其抵御甚至高负载，和尤其是除了增加的缺口冲击强度之外还具有充足的刚性，而不导致任意单独组分的脱层。
根据本发明实现特别良好的结果，其中使用30至95重量％基于塑料的材料，其选自聚丙烯、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS聚碳酸酯、聚甲醛(POM)、聚乙烯，5至70重量％可再生原料的颗粒或纤维，其选自纤维素、木料、再生纤维素、大麻、亚麻，0.5至21重量％润湿剂，其选自聚乙二醇、甘油、山梨糖醇、二甘醇、1,3-丙二醇，和额外添加剂，其选自气味吸收剂、处理助剂、UV稳定剂、着色剂或增附剂。在使用上述的一种或多种复合材料时，尤其可能将(缺口)冲击强度增加100％或甚至更高。采用根据本发明的复合材料，成功地实现4.5至14kJ/m2的缺口冲击强度。具有上述缺口冲击强度的复合材料能够例如用于汽车工业、电力/电子工业和物流业中。采用常规材料，将由于低冲击强度而不能或仅能不充分地进行上述应用。
本发明的又一目的是提供制备根据本发明的复合材料的方法，其使得可以以快速和可靠的方式制备含有可再生原料的颗粒和纤维的复合材料，该复合材料的特征在于与常规材料相比增加的缺口冲击强度。
为了解决该任务，根据本发明的方法的重要特征在于，用润湿剂浸渍可再生原料的颗粒或纤维。通过用润湿剂浸渍可再生原料的颗粒或纤维，在混合之前和在混合期间实现纤维的润湿，借此实现纤维的柔化，从而总体上能够实现用浸渍的可再生原料的颗粒或纤维制备的复合物的增加的延展性。
在对应于根据本发明的优选进一步实施方式的情况下，方法进行如下：在内部搅拌器中将基于塑料的材料用可再生原料的颗粒或纤维和至少一部分润湿剂浸渍；其能够简单和快速地将形成复合材料所需的全部组分接触和密切混合，以确保用润湿剂充分润湿可再生原料的颗粒或纤维，并且确保安全地防止构成复合材料的单独组分的分层和无意分离。
在根据进一步实施方式的情况下，方法进行如下：将可再生原料的颗粒或纤维用一部分润湿剂浸渍，和随后在内部搅拌器中将经浸渍的可再生原料的颗粒和纤维与基于塑料的材料和剩余的润湿剂、和任选的添加剂混合；其在一方面能够确保用润湿剂充足和均匀地润湿可再生原料的颗粒或纤维，借此实现可再生原料的颗粒或纤维的润湿和柔化，其在另一方面确保全部材料密切混合以便提供全部材料的均匀和固体的复合物，该复合物在完成之后展示与常规材料相比显著增加的(缺口)冲击强度。
特别良好的结果，和尤其是缺口冲击强度的特别显著的增加实现如下：进行根据本发明的方法，使得在引入内部搅拌器之前将可再生原料的颗粒或纤维用30至60重量％润湿剂浸渍。如果可再生原料的颗粒或纤维在引入内部搅拌器之前用30至60重量％的全部所用的润湿剂进行浸渍，则能够实现可再生原料的颗粒或纤维的充分润湿，同时一直提供足够的润湿剂以用于均匀的材料复合物。
根据本发明的进一步实施方式，方法进行如下：添加剂选自增附剂，而增附剂选自接枝马来酸酐的聚丙烯、或接枝马来酸酐的聚乙烯、或化学改性的聚烯烃。
根据本发明进行方法如下以实现甚至更佳的分布，和尤其是甚至更有利的效果：在加入内部搅拌器之前，用润湿剂浸渍从压力机湿法排出可再生原料的颗粒或纤维。上述方法的进行成功获得甚至润湿剂在可再生原料的颗粒或纤维表面的更均匀的分布，从而允许制备在其整个体积和/或在其整个表面展示完全均匀特征的复合材料。
根据本发明方法的优选进一步实施方式，方法进行如下：将来自内部搅拌器的材料混合物供给至压模机或挤出机，在相对大气压升高的压力、尤其是5至40巴挤压，以便不仅能够获得展示完全均匀特性的产品，而且尤其是也允许用根据本发明的复合材料制备各种希望的形状或物品。
本发明将在下文中借助示范性实施方式或附图更详细地解释。其中，
图1是图解，其指出加入不同润湿剂的情况下缺口冲击强度的变化；
图2是框图，其指出加入不同润湿剂的情况下缺口冲击强度的变化；和
图3比较进行不同方法对终产品缺口冲击强度的影响。
实施例1：为了制备根据本发明的复合物，在内部搅拌器中在180℃，将复合材料的原料，即80重量％聚丙烯和20重量％纤维素纤维，捏合4分钟，压制成复合物。制得的复合物的缺口冲击强度经测定是3.27kJ/m2。随后改变原料，将2重量％的聚丙烯用润湿剂替换，用相同的方法过程来制备复合物。在加入2重量％的聚乙二醇的情况下，缺口冲击强度能够增加至4.77kJ/m2，在加入2重量％二甘醇之后，缺口冲击强度增加至5.79kJ/m2，而在加入丙二醇的情况下，缺口冲击强度能够提高至6.51kJ/m2，如附图1所示。
实施例2：重复实施例1的程序模式，例外是改变所用润湿剂的量以认知润湿剂量对缺口冲击强度的影响。
在实施例1原料中混合2重量％甘油作为润湿剂，借此实现10.55kJ/m2的缺口冲击强度。在加入4重量％的甘油至相同原料混合物的情况下，缺口冲击强度增加至13.82kJ/m2，如图2所示。从该比较，可以发现加入量的增加也增加缺口冲击强度。
实施例3：在不加任何润湿剂的情况下制备描述于实施例1的基础复合材料。将由此制得的基础复合材料与含有20％纤维部分和2％润湿剂的复合材料比较，其中选择描述于实施例1的方法过程，通过该方法获得5.85kJ/m2的缺口冲击强度，而不加润湿剂的复合材料的缺口冲击强度是4.75kJ/m2。润湿剂是平均分子量150的聚乙二醇。
最终在又一方法过程中，在将其引入内部搅拌器之前，用聚乙二醇来浸渍纤维素纤维，随后将如此浸渍的纤维素纤维加至内部搅拌器，按实施例1的描述与基于塑料的材料混合，压制成复合物。与描述于图1的制备方法相比，如此制备的复合物展示6.23kJ/m2的缺口冲击强度，而实施例1方法过程为5.85kJ/m2。这些结果明显可见，取决于所选的方法过程，缺口冲击强度能够进一步增加。
在实施例4至8，保持实施例1的方法过程，用不同的可再生原料的颗粒或纤维和不同的润湿剂来研究复合材料的缺口冲击强度的变化。
如前述实施例，在23℃测量缺口冲击强度值。
实施例4：如实施例1的描述，将由45重量％聚丙烯，50重量％木纤维和5重量％聚乙二醇组成的复合材料制备为复合物。对于实施例4中所用组合物，在室温下(23℃)测量的缺口冲击强度是6.46kJ/m2，而可比拟的不加润湿剂即聚乙二醇的复合材料为3.4kJ/m2。
实施例5：如实施例1的描述，将由67重量％聚丙烯，30重量％大麻纤维和3重量％丙二醇组成的复合材料制备为复合物。对于实施例5所用的组合物，在室温下(23℃)测量的缺口冲击强度是5.5kJ/m2，而可比拟的不加润湿剂即丙二醇的复合材料为2.2kJ/m2。
实施例6：如实施例1的描述，将由67重量％聚丙烯，30重量％稻壳和3重量％甘油组成的复合材料制备为复合物。对于实施例6所用的组合物，在室温下(23℃)测量的缺口冲击强度是3.2kJ/m2，而可比拟的不加润湿剂即甘油的复合材料为2.1kJ/m2。
实施例7：如实施例1的描述，将由67重量％聚丙烯，30重量％亚麻纤维和3重量％甘油组成的复合材料制备为复合物。对于实施例7中所用的组合物，在室温下(23℃)测量的缺口冲击强度是6.1kJ/m2，而可比拟的不加润湿剂即甘油的复合材料为3.2kJ/m2。
实施例8：如实施例1的描述，将由67重量％聚丙烯，30重量％粘胶纤维和3重量％聚乙二醇组成的复合材料制备为复合物。对于实施例8中所用的组合物，在室温下(23℃)测量的缺口冲击强度是6.2kJ/m2，而可比拟的不加润湿剂即聚乙二醇的复合材料为4kJ/m2。

Claims (14)

1.一种由基于塑料的材料、其中包埋的可再生原料的颗粒或纤维和任选的增附剂组成的复合材料，所述可再生原料是比如木纤维、马尼拉麻、纤维素纤维、纸浆纤维、再生纤维素纤维、大麻纤维或亚麻纤维，其特征在于，还含有选自多元醇和/或平均分子量90至40,000的聚乙二醇的润湿剂。
2.根据权利要求1的复合材料，其特征在于，所述多元醇选自山梨糖醇，甘油，二甘醇，乙二醇，丙二醇，丁二醇，1,4-丁二醇，1,5-戊二醇或丙二醇。
3.根据权利要求1或2的复合材料，其特征在于，含有0.1重量％至21重量％润湿剂。
4.根据权利要求1、2或3的复合材料，其特征在于，其包含30至95重量％基于塑料的材料，5至70重量％可再生原料的颗粒和纤维，0.5至21重量％润湿剂，和多至20重量％添加剂。
5.根据权利要求1至4中任一项的复合材料，其特征在于，所述添加剂选自增附剂，而所述增附剂选自接枝马来酸酐的聚丙烯，或接枝马来酸酐的聚乙烯，或化学改性的聚烯烃。
6.根据权利要求1至5中任一项的复合材料，其特征在于，所述复合材料具有2至30kJ/m2的缺口冲击强度。
7.根据权利要求1至6中任一项的复合材料，其特征在于，按可再生原料的颗粒或纤维的量计以1至30重量％，尤其是10至20重量％的量包含所述润湿剂。
8.产生复合材料的方法，其中在混合装置中将包埋的可再生原料的颗粒或纤维与基于塑料的材料和任选的添加剂混合，和在压模机或挤出机中压制成复合材料，所述可再生原料选自木纤维、马尼拉麻、纤维素纤维、纸浆纤维、再生纤维素纤维、大麻纤维或亚麻纤维，其特征在于，至少用润湿剂浸渍可再生原料的颗粒或纤维。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在内部搅拌器中用可再生原料的颗粒或纤维和至少一部分润湿剂浸渍所述基于塑料的材料。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，用一部分润湿剂浸渍可再生原料的颗粒或纤维，和在内部搅拌器中将经浸渍的可再生原料的颗粒或纤维与基于塑料的材料和剩余的润湿剂、和任选的添加剂混合。
11.根据权利要求8、9或10的方法，其特征在于，在引入内部搅拌器之前用0.5至30重量％润湿剂浸渍可再生原料的颗粒或纤维。
12.根据权利要求8至11中任一项的方法，其特征在于，将从压力机湿法排出的润湿纤维素纤维用润湿剂浸渍。
13.根据权利要求8至12中任一项的方法，其特征在于，将来自内部搅拌器的材料混合物供给至压模机或挤出机，并进行挤压。
14.根据权利要求8至13中任一项的方法，其特征在于，所述添加剂选自增附剂，而增附剂选自接枝马来酸酐的聚丙烯，或接枝马来酸酐的聚乙烯，或化学改性的聚烯烃。
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