CZ29559U1 - Hybridní polymerní kompozit s vlákny přírodního původu a skleněnými dutými kuličkami - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká složení polymemího hybridního kompozitu, který obsahuje jednak pojivo ve formě polymerní matrice a jednak plnivo ve formě přírodních vláken a skleněných dutých mikrokuliěek.

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.

Hybridní kompozit je složen z polymerní termoplastické matrice a přísad, které jsou geometricky velmi rozdílné. První přísadou jsou vlákna z přírodních materiálů, která zajišťují snížení hmotnosti při současném nárůstu mechanických vlastností. Druhou přísadou jsou skleněné duté mikrokuličky, které zajišťují snížení hustoty a nárůst modulu pružnosti a houževnatosti. Touto skutečností se tento kompozit odlišuje od v současnosti známých kompozitních materiálů a přináší neočekávaný synergický účinek oproti pouze vlákenným kompozitním materiálům anebo oproti materiálům pouze se skleněnými dutými kuličkami.

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. polymerní ch kompozitů se skelnými vlákny, např. kryty radaru letadel (1942) nebo díly karosérie osobních automobilů (1956, fy. Citroen), apod. Kromě skelných vláken jsou během vývoje polymerní ch 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 dutých skleněných mikrokuliěek.

-1 CZ 29559 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 dutých skleněných mikrokuliček a vznik pelet.

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 a velké délky vláken, která jsou pro vstřikování kontraproduktivní a použití amorfního polymeru.

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 skleněných dutých mikrokuliček a absence úpravy plniva pro zvýšení kompatibility s pojivém.

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.

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.

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.

Podstata technického řešení

Technické řešení si dává za cíl vytvoření hybridního kompozitu s cíleným složením matrice, aditiva a dvou z hlediska geometrie odlišných typů plniv pro zvýšení mechanických vlastností, snížení hustoty, zlepšení konečných a užitných vlastností plastových dílů s ekologicky mnohem nižší zatížitelností oproti 100 % syntetickým produktům (environmentální výhody). Prvním typem plniva jsou vlákenná plniva na bázi přírodních materiálů, druhým typem plniva jsou syntetická plniva kulovitého tvaru, skleněné duté mikrokuličky.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že kompozit obsahuje od 42 do 86 hmotnostních % syntetické matrice polypropylenu (PP), 5 až 38 hmotnostních % přírodních vláken celulózy nebo kokosu, 4 až 15 hmotnostních % skleněných dutých mikrokuliček a 5 až 8 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu pro zvýšení kompatibility na mezifázovém rozhraní.

Základem kompozitu jsou jednak celulózová nebo kokosová vlákna potřebné definované kvality a skleněné duté mikrokuličky potřebné pevnosti z hlediska dopadů a účinků teplot a namáhání během procesu přípravy vláken, procesu granulace a dalšího postupného zpracování, např. vstřikování.

Skleněné duté mikrokuličky výrazně snižují hustotu kompozitu a současně zvyšují modul pružnosti. Použitá přírodní vlákna v kompozitu zvyšují mechanické vlastnosti, snižují hustotu a také z hlediska své pružnosti eliminují destrukci skleněných kuliček při zpracování. Současně skleněné duté mikrokuličky díky svému tvaru zlepšují tekutost taveniny kompozitů s vlákenným plnivem.

Bylo odzkoušeno, že pro dosažení optimálních vlastností tohoto hybridního kompozitu by měla být délka celulózových nebo kokosových vláken v rozsahu od 0,2 mm do 5 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: 5 až 15 hmotnostních % z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,4 až

-2CZ 29559 Ul

1,7 mm

C: 66 až 83 hmotnostních % z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 1,8 až 5,0 mm

Bylo odzkoušeno, že pro dosažení optimálních vlastností tohoto hybridního kompozitu je pevnost dutých skleněných mikrokuliček nad hodnotou 15000 psí (103421,4 kPa) a průměr dutých skleněných mikrokuliček je v rozsahu od 13 do 37 pm.

Dále bylo odzkoušeno, že pro eliminaci vysoké křehkosti je doporučeno dodržet následující součet hmotnostního procentuálního plnění celulózových nebo kokosových vláken a skleněných dutých mikrokuliček:

NF + 3 · GB < 50 kde:

NF je hmotnostní procentuální obsah celulózových nebo kokosových vláken v kompozitu,

GB je hmotnostní procentuální obsah skleněných dutých mikrokuliček v kompozitu.

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 % skleněných dutých mikrokuliček.

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 uskutečnění technického řešení

Hybridní polymemí kompozit s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu a skleněnými dutými mikrokuličkami 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 5,0 mm), složku C skleněné duté mikrokuličky (průměr od 13 do 37 pm) 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 % skleněných dutých mikrokuliček Složka D: 5 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu

Varianta 2:

Složka A: 62 hmotnostních % polypropylenu

Složka B: 20 hmotnostních % přírodních v celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 10 hmotnostních % skleněných dutých mikrokuliček Složka D: 8 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu

-3CZ 29559 Ul

Příklad variant s použitím přísad:

Varianta 3 :

Složka A: 78 hmotnostních % polypropylenu

Složka B: 10 hmotnostních % přírodních celulózových nebo kokosových vláken Složka C: 5 hmotnostních % skleněných dutých mikrokuliček Složka D: 5 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu Složka E: 2 hmotnostní % dalších přísad (pigmenty)

Varianta 4:

Složka A: 68 hmotnostních % polypropylenu

Složka B: 10 hmotnostních % přírodních celulózových nebo kokosových vláken

Složka C: 12 hmotnostních % skleněných dutých mikrokuliček

Složka D: 8 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu

Složka E: 2 hmotnostní % dalších přísad (maziva)

Hybridní polymemí kompozit s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu a skleněnými dutými mikrokuličkami lze s výhodou použít pro výrobu plastových dílů rozdílnými technologickými procesy, které se vyznačují lepšími užitnými a konečnými vlastnostmi, např. mechanické vlastnosti, rozměrová stabilita, snížení hustoty, zlepšení kvality povrchu, zkrácením výrobních cyklů, environmentálními aspekty, apod.

Průmyslová využitelnost

Hybridní polymemí kompozit s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu a skleněnými dutými mikrokuličkami podle předloženého technického řešení je vhodný pro výrobu plastových dílů rozdílnými technologickými procesy.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Hybridní polymemí kompozit s přírodním vlákenným plnivem a skleněnými dutými mikrokuličkami pro výrobu plastových dílů, vyznačující se tím, že kompozit obsahuje od 42 do 86 hmotnostních % polypropylenu (PP), 5 až 38 hmotnostních % přírodních celulózových nebo kokosových vláken, 4 až 15 hmotnostních procent skleněných dutých mikrokuliček a 5 až 8 hmotnostních % aditiva na bázi maleinanhydridu pro zvýšení kompatibility na mezifázovém rozhraní.

2. Hybridní 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, nukleační činidla, kdy toto procentuální doplnění je provedeno z hlediska snížení hmotnostních % přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení hmotnostních % skleněných dutých mikrokuliček.

3. Hybridní polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že délka přírodních vláken je od 0,2 do 5,0 mm a procentuální distribuce přírodních vláken z hlediska délky je v rozsahu 12 až 19 hmotnostních % z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,2 až 0,3 mm, 5 až 15 hmotnostních % z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 0,4 až 1,7 mm, 66 až 83 hmotnostních % z celkového hmotnostního obsahu vláken pro délku vláken 1,8 až 5,0 mm.

-4CZ 29559 U1

4. Hybridní polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že průměr dutých skleněných mikrokuliček je v rozsahu od 13 do 37 pm.

5. Hybridní polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že součet hmotnostních procent jednotlivých typů plniv je dle vztahu NF + 3 · GB < 50, kde NF je hmot5 nostní procentuální obsah celulózových nebo kokosových vláken v kompozitu a GB je hmotnostní procentuální obsah skleněných dutých mikrokuliček v kompozitu.