CN106459493A - 用可再生内容物成形的热塑性塑料 - Google Patents

Abstract

提供了一种包含聚丙烯、玻璃纤维以及用作一填料的一纤维素粉末的模塑组合物配方。该填料可以为椰子壳粉末、胡桃壳粉末或稻壳中的至少一种。该模塑组合物配方可以进一步包括示例性地包括椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维、或香蕉皮纤维中的至少一种的天然纤维素纤维。该模塑组合物可以为可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)。该模塑组合物配方可以用于热成型中。在该模塑组合物的一个具体实施方式中，聚丙烯的配方比例为该配方的50％至60％；以及聚丙烯替代物为该配方的5％至15％，并且在另一个实施方式中，聚丙烯的配方比例为40％至80％，纤维素粉末为1％至25％，以及玻璃纤维为1％至50％。

Description

用可再生内容物成形的热塑性塑料

相关申请的交叉引用

本申请主张于2014年6月13日提交的序列号为62/011,949的美国临时专利申请的优先权，其通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明通常涉及热塑性模塑组合物(thermoplastic molding compositions)且特别涉及用可再生内容物(renewable content)成形的热塑性塑料(thermoplastics)。

背景技术

热成型是将一塑料片材加热至一柔韧的成型温度以在一模具中形成一特定形状且修整以产生一可用产品的一制造过程。当涉及较薄规格和某些材料类型时，在一烘箱中将片材或“薄膜”加热到一足够高的温度使得塑料可以拉伸到一模具中或一模具上并冷却成一成品形状。厚规格热成型包括如车门和仪表板、冰箱衬里、多用途车床以及塑料托盘的多种部件。热成型公司通常通过在一包装机(baling machine)中压缩或通过进料到一制粒机(研磨机)以及生产磨碎的碎片(ground flake)以出售给再加工公司或在其自己的设备中重复使用来回收它们的废料和废塑料。通常，来自热成型工艺的废料和废塑料被转换回用于再次成型的挤出片材，以及用于注射成型(injection molding)的颗粒。

聚丙烯(PP)是用于包括各种类型的包装、纺织品、塑料部件和可重复使用的容器、实验室设备以及汽车部件的各种应用的一热塑性聚合物。热塑性塑料是当加热时变成一液体并在充分冷却时冻结成一非常玻璃态(very glassy state)的一聚合物。因热塑性塑料可以重熔和再成型热塑性聚合物不同于热固性聚合物(胶木)(Bakelite)。一聚合物是由称为单体的重复结构单元组成的一大分子(高分子)。单体通常通过共价化学键彼此连接。

聚丙烯具有基于单体的一线性结构。在如氯化钛的一催化剂存在下由丙烯气体制备聚丙烯。因此，聚丙烯为石油精制过程的一副产物，且为石油基的。为了改变聚丙烯的一些材料性能，聚丙烯配方通常包括例如颜料、炭黑、橡胶、抗氧化剂以及UV稳定剂的添加剂。聚丙烯可作为模塑粉末(molding powder)、挤出片材、流延膜、纺织纤维(textile staple)以及连续长丝纱线(filament yarn)。

聚丙烯对一石油基的依赖性导致聚丙烯的价格随油和油的可用性的价格上升和下降变化。因此，存在一种用于降低材料例如包括可压模的长纤维热塑性塑料(LFTD)的热成型和可压模的热塑性塑料中低聚丙烯(virgin polypropylene)含量百分比以减少聚丙烯使用的需要。此外，通过使用“绿色”或基于农业的产品聚丙烯含量的减少也具有一积极的环境影响。

发明内容

提供了一种包含聚丙烯、玻璃纤维以及用作一填料的一纤维素粉末的模塑组合物配方。本发明的模塑组合物配方的实施例可以具有为椰子壳粉末、核桃壳粉末或稻壳中的至少一种的一填料。本发明的模塑组合物配方还可以包括示例性地包括椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维或香蕉皮纤维中的至少一种的一天然纤维素纤维。在一具体实施方式中，本发明的模塑组合物为一可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)。本发明的模塑组合物配方的实施方式可用于热成型。在本发明模塑组合物的一个具体实施方式中，聚丙烯的配方比例为该配方的50％至60％；并且聚丙烯替代物为该配方的5％至15％。在本发明模塑组合物的一个具体实施方式中，聚丙烯的配方比例为40％至80％，纤维素粉末为1％至25％，玻璃纤维为1％至50％。

提供了一种用于生产一模塑组合物包括混合和复合(mixing and compounding)可再生内容物以形成一聚丙烯替代组合物、以及结合该聚丙烯替代组合物与聚丙烯、一种或多种添加剂以及玻璃纤维的方法。在一具体实施方式中的混合和精梳(combing)方法为用一双螺杆挤出机进行的。在本发明方法的一具体实施方式中，可再生内容物为一纤维素天然填料，其可以为椰子壳粉末、胡桃壳粉末或稻壳中的至少一种。在本发明方法的一具体实施方式中，可再生内容物为一天然纤维素纤维，其可以为椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维或香蕉皮纤维中的至少一种。本发明方法的实施方式可用于生产为一可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)的一组合物。本发明方法的实施方式可用于生产用于热成型的一组合物。在本发明方法的一具体实施方式中使用的配方比例可以为配方的50％至60％的聚丙烯，其中聚丙烯替代物为配方的5％至15％。在本发明方法的一具体实施方式中使用的配方比例可以为配方的40％至80％的聚丙烯，其中纤维素粉末为1％至25％，以及玻璃纤维为1％至50％。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护的被认为是本发明的主题。从下面结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它目的、特征和优点是显而易见的，其中：

图1为碳酸钙与椰子壳基填料的片材模塑组合物(SMC)的密度对装载量(loading)(重量％)的一曲线图；

图2为椰子壳与碳酸钙的重量节省对填料装载量的百分比的一曲线图；

图3示出一大豆基填料和椰子壳基填料的一SMC材料的机械性能的一对比表；

图4示出了一5％和一10％椰子壳基填料的长纤维热塑性塑料(D-LFT)的机械性能的一对比表；

图5为主要由聚丙烯和玻璃纤维形成的可压塑的长纤维热塑性塑料的一现有技术配方和方法的一框图；以及

图6为一部分聚丙烯由可再生内容物替代的用于可压塑的长纤维热塑性塑料的一本发明配方和方法的一框图。

具体实施方式

本发明作为降低在热成型和可压塑的热塑性塑料中的聚丙烯(PP)含量的一经济和环境友好的替代品而具有实用性。再循环的和可再生内容物代替聚丙烯的引入，减少了较高成本的聚丙烯的使用，并且有助于减少在聚丙烯生产期间可能释放到环境中的潜在污染。热塑性塑料的热成型、注射和压塑均受益于本发明的包含物。

将纤维素粉末填料引入热成型和可压塑的热塑性材料中作为基础配方中聚丙烯含量的一替代物。在此有效的这种纤维素天然填料示例性地包括椰子壳粉末；坚果(treenut shell powder)壳粉末；花生壳；谷物壳以及示例性地包括稻、小麦的外壳、以及椰子壳纤维。典型的粉末具有5微米至200微米的一粒度分布，且更优选在15微米至100微米之间。

也可以将纤维素纤维与纤维素粉末填料一起引入热成型、注射成型以及可压塑的热塑性材料中作为基础配方中聚丙烯含量的一替代物。在此有效的纤维素天然纤维示例性地包括椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维、香蕉皮纤维、大麻、甘蔗(cane)、黄麻、蚕丝和椰子壳。

“绿色”农业纤维素基填料和纤维的使用用于降低材料密度和成本同时仍满足成品热成型和可压模的制品和部件的特定机械要求。例如，相比于矿物填料例如碳酸钙(CaCO₃)从椰子壳获得的填料提供高达百分之五十六(56％)的密度-1.2g/cc椰子壳相对于2.7g/cc碳酸钙。较低的材料密度有助于降低部件重量，这对于车辆和其它应用中的能量效率是重要的。此外，天然填料具有各向同性的机械性能。图1为碳酸钙相对于椰子壳基填料的片材模塑组合物(SMC)的密度对装载量(％重量)的一曲线图。图2为椰子壳基相对于碳酸钙的重量节省对填料装载量的百分比的一曲线图。

基于椰子壳的填料耐气味和霉变，并为复合材料提供各向同性性质、刚度和良好的热性能。此外，椰子壳基填料具有比其它测试的天然填料(例如胡桃壳、稻壳灰、木粉、山核桃壳、蛋壳等)一更低的吸水率，并且比传统的低密度(LD)填料更为经济竞争性。图3为一大豆基填料和一椰子壳基填料的SMC的机械性能的一对比表。即使天然填料的百分比从2.5％的大豆增加到10％的椰子基填料，SMC的强度也得到保持或改善。在没有模塑或可涂饰性的变化、具有一相等的表面外观情况下绿色含量的400％增加提供一10％的重量节省。

图4为具有一5％和一10％椰子壳基填料的长纤维热塑性塑料(D-LFT)的机械性能的一对比表。D-LFT为与长玻璃纤维的在线复合热塑性塑料。D-LFT产生能够模塑复杂零件几何形状的高强度和高冲击复合材料。如图4所示，代替聚丙烯的椰子壳形式的绿色内容物的引入没有导致机械性能降低，并且产生了材料挠曲性能的一增加。

图5为主要由聚丙烯10和玻璃纤维14形成的可压塑的长纤维热塑性塑料的一典型配方和方法的一框图。在图5的标准配方中，聚丙烯10和添加剂12在双螺杆挤出机16中混合和复合，然后并在挤出机18中与玻璃纤维14结合。图5的用于可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)的现有技术常规配方为在一给定装载量下例如45至80份为大多数的聚丙烯10，且在图5所示的实施例中的63份总热塑性组合物。玻璃纤维14通常以介于10和40份之间的一装载量提供以赋予所得制品以强度。如图5所示，玻璃纤维14以35份存在。任选地提供少量添加剂12以控制聚丙烯的材料性质。添加剂12通常以介于0至10份的一装载量提供。如图5所示，添加剂12以2份存在。典型的和优选的现有技术配方提供于下表1中：

表1.常规PP压缩模塑组合物

材料	典型重量份	图1中实施例的重量份
			聚丙烯	45～80	63
添加剂	0～10	2
			玻璃纤维	10～40	35

图6为用于一热成型和可压塑长纤维热塑性塑料的聚丙烯10的一部分由可再生内容物例如纤维素粉末填料代替形成的本发明的配方和方法的一框图。纤维素纤维22通常以介于0至15重量份的一装载量提供。如图6所示，纤维素纤维22以6重量份存在。一代表性的纤维素纤维22为椰子和/或竹纤维。纤维22在一挤出机中与聚丙烯20(6份)混合且复合以形成颗粒18A以形成一替代组合物24。挤出机18A为一另外的常规挤出机，例如一单螺杆或一双螺杆挤出机，可以理解，通过操纵挤出机的操作参数来控制均匀度。随后使用双螺杆挤出机16将颗粒形式24的替代组合物与聚丙烯10和添加剂12结合以形成一均匀的组合物。挤出机18将玻璃纤维14与其它组分结合以形成本发明的用于模塑和进一步加工的LFTD。进一步加工优选包括热成型或压塑以在一模具中形成一制品。图6中示出了各种部件的示例性装载量。应当理解，玻璃纤维14可以为示例性地包括短切纤维、粗纱以及垫子(mats)的多种形式。

图5中使用由可再生内容物形成的替代组合物24使得在本发明的LFTD中相对于传统LFTD的原始聚丙烯10的量的一降低。

相对于表1的常规组合物本发明组合物提供于表2中。

表2.一本发明组合物的典型值。

材料	量	典型重量份	图4中实施例的重量份
				聚丙烯	表1量的35～80％	70	36
添加剂	表1量的0％～10％	2	2
				玻璃纤维	表1量的15％～50％	30	35
纤维素粉末	0％～25％	5	6
				纤维素纤维	0％～25％	5	6

注意，根据LFTD的预期应用本发明的LFTD的单独组分的配方百分比可以在不同的实施方式中变化。

说明书中提及的专利文献和出版物指示本发明所属领域技术人员的水平。这些文献和出版物通过引用并入本文，其程度如同每个单独的文献或出版物通过具体和单独地引用并入本文。

前述描述是对本发明的特定实施例的说明，但不意味着对其实践的限制。以下权利要求书(包括其所有等同物)旨在限定本发明的范围。

Claims (19)

1.一种模塑组合物配方包含：

聚丙烯；

玻璃纤维；以及

作为一填料的一纤维素粉末。

2.根据权利要求1所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的填料为椰子壳粉末、胡桃壳粉末或稻壳中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的模塑组合物配方，其特征在于，还包含一天然纤维素纤维。

4.根据权利要求3所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的纤维进一步为椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维或香蕉皮纤维中的至少一种。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的组合物为一可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的组合物用于热成型。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的聚丙烯的配方比例为所述配方的50％至60％；以及其中所述的聚丙烯替代物为所述配方的5％至15％。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的聚丙烯的配方比例为40％至80％，所述的纤维素粉末为1％至25％，所述的玻璃纤维为1％至50％。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的模塑组合物配方，其特征在于，所述的填料为椰子壳粉末。

10.一种用于生产一模塑组合物的方法包括：

混合和复合可再生内容物以形成一聚丙烯替代物组合物；以及

将所述的聚丙烯替代组合物与聚丙烯、一种或多种添加剂以及玻璃纤维结合。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的混合和精梳用一双螺杆挤出机进行。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的可再生内容物为纤维素天然填料。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的纤维素天然填料为椰子壳粉末、核桃壳粉末或稻壳中的至少一种。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的可再生内容物为天然纤维素纤维。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的纤维素天然纤维进一步为椰子纤维、竹纤维、甘蔗纤维或香蕉皮纤维中的至少一种。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述的组合物为可压塑的长纤维热塑性塑料(LFTD)。

17.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述的组合物用于热成型。

18.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述的聚丙烯的配方比例为所述配方的50％至60％；并且其中所述的聚丙烯替代物为所述的配方的5％至15％。

19.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述的聚丙烯的配方比例为40％至80％，所述的纤维素粉末为1％至25％，所述的玻璃纤维为1％至50％。