CZ29526U1 - Polymerní kompozit s přírodními vlákny a lehčenou matricí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká složení polymemího kompozitu se strukturně lehčenou polymerní matricí plněnou přírodními vlákennými plnivy.

Dosavadní stav techniky

Polymerní materiály a jejich kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím se materiálům, protože polymerní materiály představují nej významnější segment výroby a spotřeby podle objemu mezi všemi technickými materiály.

Kompozity s polymerní matricí na bázi termoplastů nebo reaktoplastů jsou známé, přičemž jejich složení z hlediska pojivá a plniva a procentuální podíly jejich komponent se různí podle účelu použití nebo podle způsobu výroby.

Kompozit je složen z polymerní termoplastické matrice, která je procesně strukturně upravena fyzikálním nebo chemickým nadouvadlem do lehčené matrice, do které jsou aplikovány přísady ve formě vláken. Přísadou jsou vlákna z přírodních materiálů, která zajišťují snížení hmotnosti při současném nárůstu mechanických vlastností. Použití nadouvadel vede ke snížení hustoty. Touto skutečností se tento kompozit odlišuje od v současnosti známých kompozitních materiálů a přináší neočekávaný synergický účinek oproti pouze vlákenným kompozitním materiálům.

Z historického hlediska lze aplikaci kompozitů datovat od roku 1908, kdy bylo poprvé použito kompozitního materiálu na bázi fenolické pryskyřice zpevněné dřevěnou moučkou (L. Baekeland). Vývojem skelných vláken u firmy Owens-Illincis Glass Co. (1933) se postupně objevují první aplikace tzv. sklolaminátů, tj. polymemích kompozitů se skelnými vlákny, např. kryty radaru letadel (1942) nebo díly karosérie osobních automobilů (1956, fy. Citroen), apod. Kromě skelných vláken jsou během vývoje polymemích kompozitů aplikována jako výztuž také vlákna uhlíková, borová, keramická, aj.

Přírodní vlákna jsou v průmyslu používána nyní jako výztuž tvarovaných velkoplošných dílů, nebo jako plnivo u vstřikovaných dílů. Nejpoužívanějšími přírodními vlákny jsou především konopí, juta, len, bavlna, sisal a dřevo. Známými aplikacemi jsou díly v Mercedesu třídy C, Daimler AG. (např. výplně dveří a zvukové izolace), zadní kryt motoru autobusu vyrobený z rohože přírodních vláken, apod.

Navržené technické řešení reaguje na vzrůstající poptávku a požadavky na tyto materiály, které jsou však v České republice doposud velmi málo rozšířené. Tlak na aplikace takovýchto materiálů neustále vzrůstá, a to nejenom v důsledku ekonomické situace, ale hlavně v důsledku možností ovlivnění konečných a užitných vlastností výrobků.

Tak např. v dokumentu GB 2 090 849 A2 je znám polymerní kompozit s přírodními vlákennými plnivy, který obsahuje 10 hmotnostních dílů termoplastické pryskyřice nebo pryskyřičné směsi; 0,5 až 20 hmotnostních dílů přírodních vláken nebo jejich směsi, přičemž tato vlákna mají délku 10 mm nebo menší a mají nebo nemají povrchovou úpravu. Termoplastickou pryskyřicí může být polypropylen, a přírodní vlákna mohou zahrnovat např. lněné vlákno, konopné vlákno, jutové vlákno, sisalové vlákno, kokosové vlákno. V popisné části tohoto dokumentu se lze dočíst, že povrch plniva se běžně podrobuje úpravě za účelem zlepšení kompatibility s pryskyřicí, zlepšení dispergovatelnosti v pryskyřici a zlepšení adheze k pryskyřici, přičemž se pro tuto úpravu může například použít vazebné činidlo, které vytvoří silnou vazbu mezi plnivem a polymerem, tj. např. aditivum silanového typu, nebo se pro úpravu povrchu může použít například maleinanhydrid. Tento kompozit se zpracovával v extruderu nebo vstřikoval, přičemž dobré výsledky se mohou dosáhnout při délce vlákna 10 mm a menší, výhodně asi 0,1 až 2 mm. Nevýhodou tohoto materiálu je přítomnost pouze vlákenného plniva nespecifikované distribuce, absence strukturně lehčené matrice.

-1 CZ 29526 Ul

Dále je dokument US 2002/0010229 Al, ze kterého je znám kompozit zahrnující pryskyřici a vlákna, a to celulózová a lignocelulózová vlákna, přičemž tato vlákna mohou být např. jutová, kenafová, lněná, konopná, bavlněná, jutová atd. a přičemž pryskyřicí může být polypropylen v množství 30 až 70 % hmotn. Směs pro přípravu tohoto kompozitu se rovněž zpracovává v extruderu a zpracovává se na pelety. Nevýhodou tohoto materiálu je přítomnost pouze vlákenného plniva nespecifikované distribuce, absence strukturně lehčené matrice.

Dokument US 6171688 A popisuje kompozit obsahující mimo jiné přírodní vlákna (výhodně kenaf) o délce 0,6 až 2,5 cm, dále skleněné duté mikrokuličky a polymer, kterým může být také ABS. Nevýhodou tohoto řešení je použití vláken kenafu nespecifikované distribuce, použití kuliček, použití amorfního polymeru a absence strukturně lehčené matrice.

Dokument CN 101781472 A popisuje přípravu kompozitního polymerního materiálu s obsahem přírodních vláken (bambus, kokosová vlákna, vlákna cukrové třtiny) a dalších přísad se specifickými vlastnostmi. Nevýhodou tohoto řešení je absence strukturně lehčené matrice.

Kompozit je popsán v dokumentu CN 102140227 A, který popisuje přípravu kompozitního materiálu na bázi ABS, který obsahuje skleněná vlákna, skleněné duté mikrokuličky a soli kyseliny stearové. Nevýhodou tohoto materiálu je použití jiného typu polymeru a použití jiných vláken, absence strukturně lehčené matrice.

Dokument CN 103524997 A popisuje materiál na bázi ABS, modifikovaný skleněnými dutými mikrokuličkami, s obsahem dalších přísad, který vykazuje excelentní mechanické vlastnosti a lze jej využít v automobilovém průmyslu. Nevýhodou tohoto materiálu je absence přírodních vláken, absence strukturně lehčené matrice.

Dokument CN 103382291 A popisuje kryt vozidla (materiál), který obsahuje pryskyřici PET, ABS, stabilizátor, skleněné duté mikrokuličky, uhlíková vlákna a přísady. Nevýhodou dokumentu je jiný typ polymeru a jiný typ vláken, absence strukturně lehčené matrice.

Podstata technického řešení

Technické řešení si dává za cíl vytvoření kompozitu s cíleným složením matrice, aditiva, přírodního vlákenného plniva pro zvýšení mechanických vlastností, výrazné snížení hustoty, zlepšení konečných a užitných vlastností plastových dílů s ekologicky mnohem nižší zatížitelností oproti 100% syntetickým produktům (environmentální výhody). Plnivem jsou vlákenná plniva na bázi přírodních materiálů. Druhým typem plniva jsou plynné složky.

Podstata technického řešení spočívá vtom, že kompozit obsahuje od 64 do 86 % hmotnostních syntetické matrice polypropylenu (PP), 5 až 25 % hmotnostních přírodních vláken celulózy nebo kokosu, 4 až 6 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu a 5 až 15 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin.

Základem kompozitu je strukturně lehčená polymemí matrice vznikající pomocí plynné složky (např. dusíku, CO₂, stlačeného vzduchu, pentanu). Další složkou kompozitu jsou celulózová nebo kokosová vlákna potřebné definované kvality z hlediska dopadů a účinků teplot a namáhání během procesu přípravy vláken, procesu granulace a dalšího postupného zpracování, např. vstřikování.

Plynná složka vytvářející strukturně lehčenou matrici výrazně snižuje hustotu kompozitu, zlepšuje tekutost. Použitá přírodní vlákna v kompozitu zvyšují mechanické vlastnosti, snižují hustotu.

Bylo odzkoušeno, že pro dosažení optimálních vlastností tohoto kompozitu by měla být délka celulózových nebo kokosových vláken v rozsahu od 0,2 mm do 3 mm v následující distribuci délek:

A: 12 až 19 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,2 až 0,3 mm

B: 31 až 63 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,4 až 1,9 mm

-2CZ 29526 Ul

C: 25 až 50 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 2,0 až 3,0 mm

Bylo odzkoušeno, že pro dosažení optimálních vlastností tohoto kompozitu jsou dutiny v strukturně lehčené polymemí matrici o velikosti od 5 do 30 pm.

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, retardéry hoření, pigmenty, antistatika, nukleační činidla, apod. Toto procentuální doplnění může být provedeno z hlediska snížení % hmotnostních přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení % hmotnostních polymemí matrice.

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, např. vytlačování.

Příklady provedení technického řešení

Kompozit se strukturně lehčenou syntetickou polymemí matricí s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu je následně popsán na následujících příkladech včetně uvedení vhodné aplikace, přičemž složku A tvoří syntetická matrice polypropylenu (PP), složku B přírodní celulózová nebo kokosová vlákna (délka vláken od 0,2 do 3,0 mm), složku C plynná složka ve formě dutin a složku D aditivum na bázi maleinanhydridu.

Příklady variant bez přísad:

Varianta 1:

Složka A: 80 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 10 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 5 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin Složka D: 5 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu

Varianta 2:

Složka A: 62 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 20 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 10 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin Složka D: 8 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu

Příklady variant s použitím přísad:

Varianta 3:

Složka A: 68 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 10 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 10 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin Složka D: 5 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu Složka E: 2 % hmotnostní dalších přísad (pigmenty)

Varianta 4:

Složka A: 65 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 10 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 15 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin Složka D: 8 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu

-3CZ 29526 Ul

Složka E: 2 % hmotnostní dalších přísad (maziva)

Kompozit se strukturně odlehčenou syntetickou polymemí matricí a přírodními vlákny celulózy nebo kokosu je výhodný pro výrobu tvarově složitých plastových dílů, neboť výrazným způsobem snižuje tvarové deformace plastových dílů a zároveň umožňuje výrobu dílů s vyšší tuhostí při současném snížení hmotnosti. Dalšími výhodami jsou environmentální aspekty a ekonomická úspora při výrobě (zkrácení výrobního cyklu).

Průmyslová využitelnost:

Kompozit se strukturně odlehčenou syntetickou polymemí matricí a přírodními vlákny celulózy nebo kokosu podle předloženého technického řešení je vhodný pro výrobu vstřikovaných plasto-

Claims (4)

1. Kompozit se syntetickou polymemí matricí s přírodním vlákenným plnivem pro výrobu plastových dílů, vyznačující se tím, že kompozit obsahuje od 64 do 86 % hmotnostních polypropylenu (PP), 5 až 25 % hmotnostních přírodních vláken celulózy nebo kokosu, 4 až

15 6 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu a 5 až 15 % hmotnostních plynné složky ve formě dutin.

2. Polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že kompozit je doplněn dalšími přísadami, jako jsou maziva, anorganická plniva, barviva, UV stabilizátory, retardéry hoření, antistatika, nukleací činidla, apod. kdy toto procentuální doplnění je provedeno z hlediska

20 snížení % hmotnostních přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení % hmotnostních polymemí matrice.

3. Polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že délka přírodních vláken je od 0,2 do 3,0 mm a procentuální distribuce přírodních vláken z hlediska délky je v rozsahu 12 až 19 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken

25 0,2 až 0,3 mm, 31 až 63 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,4 až 1,9 mm, 25 až 50 % hmotnostních z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 2,0 až 3,0 mm.

4. Polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozměry dutin v strukturně lehčené polymemí matrici jsou v rozsahu od 5 do 30 pm.