CZ29734U1 - Hybridní polymerní kompozit s přírodními a skleněnými vlákny - Google Patents

Description

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

Dosavadní stav techniky

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

Kompozity s polymemí 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 polymemí termoplastické matrice a přísad ve formě vláken. První přísadou jsou vlákna z přírodních materiálů, která zajišťují snížení hmotnosti při současném nárůstu mechanických vlastností. Druhou přísadou jsou skleněná vlákna, která zajišťují výrazné zvýšení mechanických vlastností, nárůst modulu pružnosti, pevnosti. Touto skutečností se tento kompozit odlišuje od v současnosti známých kompozitních materiálů s vlákennými plnivy a přináší neočekávaný synergický účinek skleněných a přírodních plniv oproti pouze jednodruhovým 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 polymemí 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 absence skleněných vláken.

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,

CZ 29734 Ul 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 přírodního vlákenného plniva nespecifikované distribuce 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 kenaíu nespecifikované distribuce a velké délky vláken, použiti amorfního polymeru a absence skleněných vláken.

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

Technické řešení si dává za cíl vytvoření hybridního kompozitu s cíleným složením matrice, aditiva a dvou typů vlákenných 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 skleněná vlákenná plniva.

Podstata technického řešení spočívá vtom, že kompozit obsahuje od 47 do 81 % hmotnostních syntetické matrice polypropylenu (PP), 5 až 20 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken, 10 až 25 % hmotnostních skleněných vláken a 4 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 skleněná vlákna potřebné pevnosti z hlediska dopadů a účinků teplot a namáhání během procesu přípravy vláken, procesu granulace a dalšího postupného zpracování, např. vstřikování.

Skleněná vlákna výrazně zvyšují mechanické vlastnosti, modul pružnosti. Použitá přírodní vlákna v kompozitu zvyšují mechanické vlastnosti, snižují hustotu a také z hlediska své pružnosti eliminují destrukci skleněných vláken při zpracování a v neposlední řadě z části eliminují opotřebení forem vlivem abraze při použití pouze skleněných vláken.

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 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 délka skleněných vláken v rozsahu od 0,5 do 3 mm.

CZ 29734 Ul

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

NF + GF<45 kde:

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

GF 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, nukleací činidla, apod. Toto procentuální doplnění může být provedeno z hlediska snížení hmotnostních % přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení hmotnostních % krátkých skleněných vláken.

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 polymerní kompozit s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu a skleněnými vlákny 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 skleněná vlákna (délka vláken od 0,5 až 3 mm) a složku D aditivum na bázi maleinanhydridu.

Příklady variant bez přísad:

Varianta 1:

Složka A: 47 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 20 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken

Složka C: 25 % hmotnostních skleněných vláken

Složka D: 8 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu

Varianta 2:

Složka A: 81 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 5 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken

Složka C: 10 % hmotnostních skleněných vláken

Složka D: 4 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu

Příklad varianty s použitím přísad:

Varianta 3:

Složka A: 63 % hmotnostních polypropylenu

Složka B: 15 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken

Složka C: 15 % hmotnostních skleněných vláken

Složka D: 5 % hmotnostních aditiva na bázi maleinanhydridu

Složka E: 2 % hmotnostní dalších přísad (pigmenty)

CZ 29734 Ul

Hybridní polymemí kompozit s přírodním vlákenným plnivem celulózy nebo kokosu a skleněnými vlákny 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, snížení opotřebení nástrojů (při vstřikování do dutiny formy), ekonomickou úsporou, zkrácením výrobních cyklů, environmentálními aspekty, apod. Průmyslová využitelnost:

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

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Hybridní polymemí kompozit spřírodními a skleněnými vlákny, vyznačující se tím, že kompozit obsahuje od 47 do 81 % hmotnostních polypropylenu (PP), 5 až 20 % hmotnostních přírodních celulózových nebo kokosových vláken, 10 až 25 % hmotnostních skleněných vláken a 4 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, apod. kdy toto procentuální doplnění je provedeno z hlediska snížení hmotnostních % přírodních vláken a/nebo z hlediska snížení % hmotnostních skleněných vláken.

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.

4. Hybridní polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že délka skleněných vláken je v rozsahu od 0,5 do 3 mm.

5. Hybridní polymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že součet hmotnostních procent jednotlivých typů plniv je dle vztahu NF + GF < 45, přičemž NF je hmotnostní procentuální obsah celulózových nebo kokosových vláken v kompozitu a GF je hmotnostní procentuální obsah skleněných dutých mikrokuliček v kompozitu.

Konec dokumentu