CZ25313U1 - Biokompozit s PLA matricí a vlákny lnu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká složení kompozitu s PLA matricí a přírodními vlákennými plnivy lnu pro výrobu plastových dílů s vyššími užitnými vlastnostmi.

Dosavadní stav techniky

Polymemí materiály a hlavně kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím se materiálům, protože polymemí materiály představují nejvýznamnější segment výroby a spotřeby podle objemu mezi všemi technickými materiály. Jejich spotřeba a aplikační možnosti neustále rostou a nelze pochybovat o tom, že jsou klíčové pro moderní technickou společnost. Jako kompozit se označují heterogenní materiály (matrice a plnivo), které jsou složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Spojením (míšením) těchto složek vznikne zcela nový materiál s unikátními vlastnostmi. Pro kompozitní materiály je charakteristický tzv. synergismus, což znamená, že vlastnosti kompozitu jsou vyšší, než by odpovídalo pouhému poměrnému sečtení vlastností jednotlivých složek. Exis15 tence synergismu je velmi významná, neboť vede k získávání materiálů kvalitativně zcela nových vlastností. Kompozitní materiály se proto stále častěji používají zejména v automobilovém a leteckém průmyslu, kde výrazně snižují hmotnost jednotlivých součástí, resp. umožňují aplikace, které by s klasickými materiály nešlo dosáhnout. Vzhledem ke svým dalším vlastnostem jako například vysoké odolnosti vůči korozi a chemikáliím, vynikajícím tepelně-izolačním vlastnos20 tem, dlouhé životnosti, atd. nacházejí své uplatnění např. i v chemickém a stavebním průmyslu.

V současnosti jsou vývojové snahy v oblasti produkce polymerních kompozitů stále více orientovány k minimalizaci negativního dopadu na životní prostředí. Snahou je vyvinout nejenom energeticky méně náročné výrobní postupy, ale současně také použít materiály, které jsou biodegradovatelné a obnovitelné, recyklovatelné a jsou tak alternativou k dnes nejhojněji používaným syntetickým materiálům prakticky výhradně vyráběných z ropných surovin. V současnosti je možné využít přírodních materiálů nejen jako vláknitých výztuží, ale i jako matrice kompozitů. Zde je již třeba rozlišovat pojem přírodní materiály a biologicky odbouratelné materiály. Ze všech biologicky odbouratelných materiálů, ať už reaktoplastů nebo termoplastů, je totiž pouze 13 % vyrobených čistě z biomasy, dalších 12 % je fosilního původu a 75 % má kombinovaný bio/fosilní původ, přičemž velmi zajímavou oblastí je využití plastů vyrobených právě z biomasy, jako obnovitelného surovinového zdroje. Proto současný vývoj polymerních materiálů a jejich technologií zpracování bude pokračovat ve stále větším objemu a úspěch jednotlivých materiálů vyvinutých základním a aplikovaným výzkumem bude v rozhodující míře ovlivněn poměrem mezi cenou a užitnou hodnotou materiálu.

Do této oblasti výzkumu patří nejenom náhrada skelných vláken vlákny přírodními, které jsou z environmentálního hlediska předmětem zájmu polymerních zpracovatelů, ale i náhrada syntetických matric matricemi přírodními, mnohem šetrnějšími k přírodnímu prostředí. Aplikace přírodních vláken a přírodních matric je významnou materiálovou obměnou, která tradičně směřuje nejenom do automobilového průmyslu, ale i do oblastí spotřebního průmyslu, zdravotnických aplikací, apod. Výhodou přírodních vláken, pri srovnání s ostatními vláknitými materiály (používanými pri výrobě kompozitů), je jejich nízká hmotnost, nízká abraze (zabraňující opotřebení zpracovatelských strojů), spalitelnost, netoxičnost, biodegradabilita a především nízká cena, nezávislá na ceně ropy. Výhodou přírodních matric je hlavně jejich biodegrabilita. Tedy aby bylo dosaženo kompozitu pouze z přírodních a obnovitelných zdrojů, je třeba nahradit také syntetic45 kou matrici, přičemž oblast vývoje 100% přírodního kompozitu spojením přírodních vláken s přírodní matricí je prakticky neprobádaná. Jako nejvhodnější kandidát k náhradě tradičních ropných polymerních matric pro přípravu 100% přírodního kompozitu se nabízí dnes velmi populární, biodegradovatelný polymer PLA (polymléčná kyselina). Polymléčná kyselina byla prvně syntetizována přibližně před 50 lety a v současnosti je vyráběna zejména z kukuřičného ale také z řepkového fermentovaného škrobu. K výrobě PLA je třeba přibližně o 30 až 50 % méně fosilních

J -1 i

CZ 25313 Ul paliv než při syntéze ropných polymerů, čímž jsou redukovány emise oxidů uhlíku. Současně je PLA kompostovatelná a za určitých podmínek se zcela rozpadne za vzniku pro přírodu neškodných sloučenin a ani při spalování neunikají do ovzduší škodlivé látky. PLA je alifatický polyester vysoce čirý a lesklý vykazující vysokou tuhost a dobré zpracovatelské vlastnosti na obvyk5 lých zpracovatelských zařízeních. Nicméně velkou nevýhodou PLA je jeho vysoká hustota (1,25 g/cc) oproti např. PP a PS. Zároveň je možné PLA snadno modifikovat kopolymerací (nejběžněji s cyklickými sloučeninami), různými aditivy a plnivy (např. antistatiky, organickými pigmenty, nukleaěními činidly pro urychlení krystalizace, aj.). Některé pokusy s plnivy či vláknitými výztuhami byly již provedeny. V roce 2007 firma NEC Co. oznámila vývoj kompoío žitu na bázi PLA s 10 až 30 hm. % uhlíkových vláken pro mobilní telefony. Tato společnost používá také kompozit PLA s kenafovými vlákny pro schránky přenosných počítačů, podobně jako japonská firma NTT DoCoMo, která vyrobila z PLA vyztuženého kenafovým vláknem pouzdro mobilního telefonu. Podobně přírodními vlákny vyztužuje PLA kenafovými vlákny fa. ICMA San Giorgo S.p.A., což mělo za následek na jedné straně pozitivní zvýšení tuhosti vyráběných dílů (s rostoucím obsahem kenafových vláken v PLA matrici), na druhé straně však pokles jejich pevnosti. Výzkum vlivu velikosti přidávaných částic na kinetiku krystalizace a mechanické hodnoty vstřikovaných dílů z PLA je v současnosti prováděno týmem společnosti Battelle Memoriál Institute Kolumbus (USA).

Nicméně přes to, že se výzkumné organizace i výrobní společnosti snaží soustředit na vývoj v uvedené oblasti, zcela chybí kompozity s důrazem na aplikaci těchto materiálů pomocí technologie vstřikování (dominantně se zpracovávají především vytlačováním), zejména pak v automobilovém průmyslu, kde jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu, rozměrovou a tvarovou přesnost vyráběných dílců. Vstřikování PLA kompozitů s přírodními plnivy je doposud velmi málo prozkoumanou oblastí s velkými možnostmi a potenciálem i předpokladem značného nárůstu a do této oblasti také směřuje toto navržené technické řešení.

Navržené technické řešení reaguje na vzrůstající poptávku a požadavky na zelené materiály, které jsou však v České republice doposud velmi málo rozšířené. Tlak na aplikace takovýchto materiálů neustále narůstá, a to nejenom v důsledku ekonomické situace (cena ropy se nejenom neustále mění, ale hlavně roste), nejenom v důsledku možností ovlivnění konečných a užitných vlastností výrobků, nejenom z hlediska klimatických změn (téměř neřešená recyklace současných dílů ze syntetických plastů, spalování syntetických plastů, skládkování), ale i z hlediska biodegrability pro udržitelnou společnost, která potřebuje environmentálně nezávadné a bezpečné materiály a produkční postupy.

Podstata technického řešení

Technické řešení si dává za cíl vytvoření kompozitu s cíleným složením PLA matrice a vlákenného plniva na bázi přírodních materiálů pro zlepšení konečných a užitných vlastností plastových dílů s ekologicky mnohem nižší zatížitelností oproti 100% syntetickým produktům. Podstata technického řešení spočívá v tom, že kompozit obsahuje od 50 do 90 % hmotnostních PLA polymeru a 10 až 50 % hmotnostních přírodních vláken lnu (délka vláken od 0,2 do 3 mm).

Takto připravený kompozit může být dle požadavků na konečné a užitné vlastnosti dílů a polotovarů nebo dle požadavků procesu doplněn dalšími přísadami, jako jsou maziva, anorganická plniva, barviva, UV stabilizátory, biocidy, retardéry hoření, pigmenty, antistatika, nukleační činidla, apod. Toto procentuální doplnění může být provedeno z hlediska sníženi % hmotnostních přírodních vláken anebo z hlediska snížení % hmotnostních PLA matrice.

Základem kompozitu jsou vlákna lnu potřebné definované kvality z hlediska dopadů a účinků teplot a namáhání během procesu přípravy vláken, procesu granulace a dalšího postupného zpracování, např. vstřikování. Získaný kompozit je standardně dodáván ve formě granulí z hlediska dobré sypné hmotnosti a snížení prašnosti a je určen zejména pro technologické procesy vstřikování, aleje aplikovatelný i pro další technologie zpracování plastů.

-2CZ 25313 Ul

Příklady provedení technického řešení

Kompozit s PLA matricí s přírodními vlákennými plnivy lnu je popsán na následujících příkladech včetně uvedení vhodné aplikace, přičemž složku A tvoří PLA matrice, složku B přírodní vlákna lnu (délka vláken od 0,2 do 3 mm), resp. složku C přísady.

Příklady variant bez přísad:

Varianta 1:

Složka A: 80 % hmotnostních PLA

Složka B: 20 % hmotnostních přírodních vláken lnu

Varianta 2:

Složka A: 70 % hmotnostních PLA

Složka B: 30 % hmotnostních přírodních vláken lnu

Příklady variant s použitím přísad:

Varianta 3:

Složka A: 78 % hmotnostních PLA

Složka B: 20 % hmotnostních přírodních vláken lnu

Složka C: 2 % hmotnostní dalších přísad (pigmenty)

Varianta 4:

Složka A: 70 % hmotnostních PLA

Složka B: 27 % hmotnostních přírodních vláken lnu

Složka C: 3 % hmotnostní dalších přísad (nukleační činidla)

Polymemí kompozit s PLA matricí a s přírodními vlákennými plnivy lnu lze s výhodou použít pro výrobu plastových dílů a polotovarů rozdílnými technologickými procesy, které se vyznačují lepšími užitnými a konečnými vlastnostmi, např. mechanické vlastnosti, tepelné a fyzikální vlastnosti, rozměrová stabilita, bezproblémová recyklace, biodegrabilita, atd., zkrácením výrobních cyklů, environmentálními aspekty, apod.

Průmyslová využitelnost

Kompozit s PLA matricí a s přírodními vlákennými plnivy lnu podle předloženého technického řešení je vhodný zejména pro výrobu plastových dílů a polotovarů technologií vstřikování, ale i dalšími technologickými procesy zpracování plastů.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kompozit s PLA matricí a vlákny lnu pro výrobu plastových dílů, vyznačující se tím, že kompozit obsahuje od 50 do 90 % hmotnostních PLA polymeru, 10 až 50 % hmotnostních přírodních vláken lnu S délkou vláken od 0,2 do 3 mm.
2. 2. Kompozit s PLA matricí a vlákny lnu pro výrobu plastových dílů podle nároku 1, vyznačující se tím, že kompozit je doplněn dalšími přísadami, jako jsou maziva, anorganická plniva, barviva, UV stabilizátory, biocidy, retardéry hoření, antistatika, nukleační činidla, apod. kdy toto procentuální doplnění je provedeno z hlediska snížení % hmotnostních přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení % hmotnostních matrice PLA.