ES2297451T3 - Materiales compuestos termoplasticos cargados de celulosa. - Google Patents
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Abstract
Un material compuesto termoplástico que comprende: (a) una poliolefina; (b) una carga celulósica; (c) una poliolefina de injerto de ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene un índice de ácido mayor que 35 mg de KOH/g; y (d) una carga reactiva básica presente en una cantidad de 10-20% en peso, basado en el peso del material compuesto.
Description
Materiales compuestos termoplásticos cargados de
celulosa.
La presente invención se refiere a materiales
compuestos termoplásticos, para usar en aplicaciones estructurales
y no estructurales.
Los materiales compuestos que comprenden una
mezcla de carga de celulosa y un material termoplástico granular
de la serie olefínica se moldean por moldeo por compresión, moldeo
por rotación, moldeo por extrusión o moldeo por inyección, y dichos
productos de material compuesto se usan ampliamente en una variedad
de aplicaciones estructurales, tal como en piezas, paneles, barras,
tableros y láminas. Las propiedades mecánicas, tales como
propiedades de flexión, propiedades de tensión y resistencia al
impacto, de dichos materiales compuestos son consideraciones
importantes para su uso en aplicaciones estructurales. En la
técnica existe una necesidad continua de mejorar las propiedades
mecánicas de dichos materiales compuestos. Además, hay una
necesidad continua en la técnica de mejorar la temperatura de
servicio, la resistencia al fuego y la resistencia biológica de
dichos materiales compues-
tos.
tos.
La patente de Estados Unidos 6.066.278 describe
un material compuesto, compuesto de una carga de celulosa de
madera y un plástico de la serie olefínica que tiene un agente de
mejora de la rigidez que consiste en propileno modificado con
anhídrido maleico y una cantidad cuidadosamente calculada de óxido
de calcio de modo que el agua de la carga de celulosa de madera
finalmente se haga el 2-5% en peso. Puesto que la
humedad varía de un lugar a otro, el procedimiento descrito en esta
patente es difícil ya que no siempre es fácil determinar la humedad
correcta de la madera. Esta patente sugiere en general que debe
producirse menos de 12% en peso de hidróxido de calcio en el
material compuesto, lo cual es equivalente al uso de menos de
aproximadamente 9% en peso de óxido de calcio. Más en particular,
esta patente enseña que se mantenga en un mínimo la cantidad de
hidróxido de calcio producido para evitar la reducción de la
resistencia al impacto. Esta patente también enseña que el uso de
CaO requiere el tratamiento de la superficie del CaO.
El documento EP 1026197A describe láminas de
material compuesto de carga de fibra leñosa/plástico olefínico que
comprende un plástico olefínico, una carga de madera celulósica que
tiene un contenido de agua que no supera 5%, y un polipropileno
modificado por anhídrido maleico.
De acuerdo con un aspecto de la invención se
proporciona un material compuesto termoplástico que comprende: una
poliolefina; una carga celulósica; una poliolefina de injerto de
ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene un
índice de ácido mayor que 35 mg de KOH/g; y una carga reactiva
básica presente en una cantidad de 10-20% en peso,
basado en el peso del material compuesto.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
proporciona un artículo de fabricación que comprende un material
compuesto termoplástico de la presente invención.
De acuerdo con otro aspecto más de la invención,
se proporciona un procedimiento para producir un material
compuesto termoplástico, comprendiendo el procedimiento: mezclar
una poliolefina, una carga celulósica, una poliolefina de injerto
de ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene
un índice de ácido mayor que 35 mg de KOH/g, y
10-20% en peso basado en el peso del material
compuesto de una carga reactiva básica, para formar una mezcla; y
moldear la mezcla.
Se ha encontrado sorprendentemente que la
combinación de aproximadamente 10-20% en peso de
carga reactiva básica con una poliolefina de injerto de ácido
carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene un índice
de ácido mayor que aproximadamente 35 mg de KOH/g en materiales
compuestos termoplásticos cargados de celulosa de la presente
invención, conduce a un mayor rendimiento del material compuesto en
comparación con materiales compuestos termoplásticos cargados de
celulosa de la técnica anterior, por ejemplo, los materiales
compuestos descritos en la patente de EE.UU. 6.066.278. Los
materiales compuestos de la presente invención también conducen a
mejores temperaturas de deflexión térmica, resistencia al fuego y/o
resistencia a la degradación biológica (por ejemplo, insectos,
putrefacción, termitas, etc.). Además, se ha encontrado
sorprendentemente que la cantidad de carga reactiva básica que se
puede usar en los materiales compuestos de la presente invención
depende menos de los niveles de humedad en la carga celulósica, a
diferencia de los materiales compuestos de la técnica anterior
tales como los descritos en la patente de Estados Unidos 6.066.278.
Además, los materiales compuestos de la presente invención
presentan mejores propiedades de flexión, resistencia y/o impacto
frente a los materiales compuestos de la técnica anterior. Además,
se puede usar una variedad más amplia de cargas reactivas básicas
en los materiales compuestos de la presente invención de los que se
podían usar en los materiales compuestos de la técnica anterior.
Además, la carga básica reactiva no requiere el tratamiento de
superficie antes de usarla.
Otras características de la invención se
describirán o serán evidentes en el transcurso de la siguiente
descripción detallada.
Tal como se usa en la memoria descriptiva y en
las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un",
"una" y "el/la" incluyen las referencias plurales salvo
que el contexto indique claramente lo contrario.
Los intervalos se pueden expresar en el presente
documento como de "alrededor" o "aproximadamente" un
valor particular y/o a "alrededor" o "aproximadamente"
otro valor particular. Cuando se expresa dicho intervalo, otra
realización incluye desde el valor particular y/o al otro valor
particular. De la misma forma, cuando los valores se expresan como
aproximaciones, mediante el uso delante de "aproximadamente",
se entenderá que el valor particular forma otra realización.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención comprende una poliolefina. La poliolefina puede
ser una sola poliolefina o una mezcla de dos o más poliolefinas. La
poliolefina también puede mezclarse con otros tipos de
termoplásticos y elastómeros. La poliolefina actúa como el
aglutinante de la matriz para el material compuesto dentro de la
cual están dispersos otros componentes. Las poliolefinas incluyen,
por ejemplo polietilenos (por ejemplo, LDPE, HDPE, LLDPE, UHMVYPE,
XLPE, copolímeros de etileno con otro monómero (por ejemplo,
copolímero de etileno-propileno)), polipropileno,
polibutileno, polimetilpenteno o mezclas de los mismos. Tienen
interés particular el polipropileno y el polietileno de alta
densidad (HDPE). Merece la pena destacar en particular que en esta
invención se pueden usar las poliolefinas recicladas. El componente
poliolefínico puede estar presente en el material compuesto en
cualquier cantidad adecuada. Por ejemplo, la poliolefina puede
estar presente en una cantidad de aproximadamente
20-90%, 30-70% o
40-60% todos en peso basados en el peso del material
compuesto. Debe haber suficiente poliolefina presente para actuar
como un aglutinante de la matriz eficaz para los otros componentes
del material compuesto.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención comprende una carga celulósica. La carga
celulósica actúa como un refuerzo en el material compuesto. La
carga celulósica se puede obtener de cualquier fuente adecuada de
celulosa. Algunas fuentes adecuadas de celulosa incluyen, por
ejemplo, fuente de madera (por ejemplo pasta, harina de madera tal
como serrín, virutas de madera, etc. de madera blanda y/o madera
dura), fuentes agrícolas (por ejemplo, frutas, cosechas de
cereales, verduras, cáñamo, hierba, paja de arroz, etc.) y papel
reciclado, cartón, etc. Tienen un interés particular las fibras
celulósicas. La carga celulósica puede ser de cualquier
distribución de tamaños dependiendo del uso final del material
compuesto y de las propiedades deseadas del material compuesto. Una
carga celulósica se puede usar sola o mezclada con diferentes
fuentes de celulosa. Son adecuadas cargas de celulosa que tienen un
tamaño medio de partículas de aproximadamente
0,1-20 mm, más particularmente de aproximadamente
0,1-5 mm. Cuando la carga celulósica es fibrosa, el
tamaño medio de partículas se refiere a la longitud media de la
fibra. La carga celulósica puede estar presente en el material
compuesto en cualquier cantidad de refuerzo adecuada. Por ejemplo,
la carga celulósica puede estar presente en una cantidad de
aproximadamente 30-80%, 30-60% o
35-50%, todos en peso, basado en el peso del
material compuesto.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención comprende una poliolefina de injerto de ácido
carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene un índice
de ácido mayor que aproximadamente 35 mg de KOH/g. Se cree que la
poliolefina de injerto de ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido
carboxílico actúa como un agente de acoplamiento para mejorar la
interacción entre el componente poliolefínico hidrófobo no polar y
el componente de carga celulósica hidrófila para mejorar así el
rendimiento del material compuesto.
La parte poliolefínica de la poliolefina de
injerto puede ser cualquier poliolefina adecuada como se ha
discutido antes para el componente de la matriz poliolefínica del
material compuesto. En general se prefiere que la parte
poliolefínica de la poliolefina de injerto sea tan compatible como
sea posible con el componente de la matriz poliolefínica del
material compuesto. Por ejemplo, cuando la poliolefina usada en la
poliolefina de injerto es la misma que el componente de la matriz
poliolefínica, se puede lograr una compatibilidad excelente.
Se puede usar cualquier ácido carboxílico y/o
anhídrido de ácido carboxílico adecuados en la poliolefina de
injerto. Algunos ácidos carboxílicos adecuados incluyen, por
ejemplo, ácido acrílico, ácido maleico, ácido tetrahidroftálico,
ácido fumárico, ácido itacónico, ácido nádico y ácido metilnádico.
Algunos anhídridos adecuados incluyen, por ejemplo, anhídrido
maleico, anhídrido tetrahidroftálico, anhídrido itacónico, anhídrido
nádico y anhídrido metilnádico. Tiene interés particular el
anhídrido maleico.
Como se ha indicado previamente, la poliolefina
de injerto tiene un índice de ácido mayor que aproximadamente 35
mg de KOH/g. Tienen interés particular las poliolefinas de injerto
que tienen un índice de ácido mayor que aproximadamente 40 mg de
KOH/g, más en particular de aproximadamente 40-50
mg de KOH/g. La poliolefina de injerto preferiblemente tiene un
peso molecular (Mn) menor que aproximadamente 50.000 g/mol. Tiene
un interés particular un peso molecular menor que aproximadamente
20.000 g/mol, o de aproximadamente 1000-10.000
g/mol. Las poliolefinas de injerto usadas en la presente invención
tienen un peso molecular bajo y una cantidad de injerto alta del
ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico, lo cual se
cree que mejora la penetración de la poliolefina de injerto en la
superficie y los poros de la carga celulósica conduciendo a una
mejor interacción entre la matriz poliolefínica y la carga
celulósica. Se puede usar un solo tipo de poliolefina de injerto o
una mezcla de dos o más tipos de poliolefinas de injerto. Se
pueden usar otros agentes de acoplamiento junto con la poliolefina
de injerto.
\global\parskip0.800000\baselineskip
La poliolefina de injerto está presente en el
material compuesto en cualquier cantidad para impartir una
interacción mejor entre la matriz poliolefínica y la carga
celulósica. Por ejemplo, la poliolefina de injerto puede estar
presente en una cantidad de hasta aproximadamente 5% en peso,
basado en el peso del material compuesto. Se pueden mencionar en
particular cantidades de aproximadamente 0,5-4% o
1-3% en peso.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención comprende una carga reactiva básica presente en
una cantidad de 10-20% en peso, basado en el peso
del material compuesto. La carga reactiva básica se puede usar
sola o mezclada con otros tipos de cargas reactivas o no reactivas.
Se pueden usar juntas más de un tipo de carga reactiva básica. En
el material compuesto se puede usar cualquier carga reactiva básica
adecuada. Por ejemplo, algunas cargas reactivas básicas adecuadas
con CaO, MgO, Al_{2}O_{3}, BaO, ZnO o mezclas de las mismas. Se
cree que la carga reactiva básica reacciona tanto con la parte
ácida de la poliolefina de injerto como con los componentes de tipo
ácido en la carga celulósica para mejorar las propiedades globales
del material compuesto sin pérdida de resistencia al impacto.
Además, se cree que la carga reactiva básica reduce la humedad en
la carga celulósica para minimizar la degradación del material
compuesto. A diferencia de la técnica anterior, no se requiere
tratamiento de la superficie de la carga reactiva básica con el fin
de usar la carga reactiva básica en la fabricación de los
materiales compuestos de la presente invención. Como se ha indicado
antes, la carga reactiva básica está presente en el material
compuesto en una cantidad de aproximadamente 10-20%
en peso.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención puede comprender además aditivos adicionales.
Algunos ejemplos de aditivos incluyen agentes de refuerzo
secundarios (por ejemplo, fibras de vidrio, materiales compuestos
de fibra de vidrio/poliolefina, nanotubos de carbono, filamentos de
carbono, arcillas laminares, nanotubos de óxido metálico, etc.),
lubricantes (por ejemplo ácido esteárico, PTFE, disulfuro de
molibdeno, etc.), modificadores de impacto (por ejemplo caucho de
etileno-propileo (EPR)), cargas (por ejemplo
carbonato de calcio, talco, negro de humo, etc.), colorantes,
pigmentos, antioxidantes, estabilizantes, retardantes de llama,
auxiliares de recalentamiento, auxiliares de cristalización,
compuestos reductores de acetaldehído, auxiliares de liberación de
productos de reciclado, depuradores de oxígeno, plastificantes,
flexibilizantes, agentes de nucleación, agentes espumantes, agentes
de desmoldeo y similares, o sus combinaciones.
Tienen interés particular los agentes de
refuerzo secundarios, en particular agentes de refuerzo sintéticos,
puesto que mejoran las propiedades mecánicas, en especial la
resistencia y la resistencia al impacto. Los aditivos se pueden
usar en cualquier cantidad adecuada para el propósito al que están
dirigidos. Los agentes de refuerzo secundarios se añaden
normalmente en una cantidad de hasta aproximadamente 20% en peso.
Los lubricantes normalmente se añaden en una cantidad de hasta
aproximadamente 4% en peso. Los modificadores de impacto normalmente
se añaden en una cantidad de hasta aproximadamente 10% en peso. Las
cargas normalmente se añaden en una cantidad de hasta
aproximadamente 20% en peso.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención se puede producir mediante cualquier técnica
adecuada de composición y moldeo conocida en la técnica. Se puede
encontrar una discusión de dichas técnicas en las tres siguientes
referencias: Polymer Mixing, de C. Rauwendaal, (Carl Hanser
Verlag, 1998); Mixing and Compounding of Polymers, de I.
Manas-Zloczower y Z. Tadmor (Carl Hanser Verlag,
1994); y Polymeric Materials Processing: Plastics, Elastomers
and Composites, de Jean-Michel Charrier (Carl
Hanser Verlag, 1991), cuyas descripciones se incorporan en el
presente documento por referencia en su totalidad. Dichas técnicas
son conocidas para el experto en la materia y no requieren
elaboración. A continuación se destacan algunos ejemplos de
técnicas adecuadas para formar materiales compuestos
termoplásticos.
En el moldeo por extrusión/inyección, los
componentes del material compuesto termoplástico se mezclan en seco
y se extruyen a través de una extrusora por dos tornillos a una
temperatura elevada para componer los componentes. La mezcla
extruida se inyecta a temperatura elevada mediante una máquina de
inyección en un molde en el que el material compuesto se forma en
el artículo deseado.
En la inyección de mezcla en seco, los
componentes del material compuesto termoplástico se mezclan en seco
y se alimentan directamente a la máquina de inyección que inyecta
la mezcla seca a temperatura elevada en un molde en el que se forma
en el artículo deseado.
En el moldeo por compresión, los componentes del
material compuesto termoplástico se mezclan en seco y se alimentan
directamente a una máquina de moldeo y se moldean a una temperatura
elevada a presión para formar el artículo deseado.
El material compuesto termoplástico de la
presente invención se puede usar en una variedad de aplicaciones,
en particular en aplicaciones estructurales. Por ejemplo, en
piezas, tableros, paneles, perfiles huecos, tablas y láminas de
material compuesto termoplástico que se pueden usar en la industria
de la construcción de casas, edificios de oficinas y similares, en
la industria del automóvil para piezas de coches, en especial
piezas interiores, etc.
La Tabla 1A proporciona información sobre la
naturaleza y fuente de los materiales. La Tabla 1B proporciona las
distribuciones de tamaños de serrín de pícea fino, serrín de pícea
y serrín de abeto. La designación MAgPP se refiere a polipropileno
de injerto de anhídrido maleico. El término CF se refiere a carga
celulósica.
Los materiales compuestos termoplásticos
cargados de celulosa se prepararon por técnicas de
extrusión-inyección, inyección de mezcla seca o
compresión. Para las técnicas de inyección de mezcla seca y
compresión, se puede hacer una mezcla de poliolefina y poliolefina
de injerto por extrusión antes de mezclar en seco con los otros
componentes.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Para la extrusión-inyección, la
extrusión se llevó a cabo en una extrusora por dos tornillos
Extrusion Spec W&P de 30 mm que tiene UD=40;
velocidad=150-175 rpm; T_{máx}=185°C y la
inyección se llevó a cabo usando una máquina de inyección
BOY^{TM} 30A a T=200°C. En un procedimiento de extrusión/inyección
típico, la carga celulósica (por ejemplo, serrín de pícea), carga
reactiva básica (por ejemplo CaO), polipropileno, polipropileno
injertado de anhídrido maleico y cualesquiera otros agentes de
refuerzo o cargas deseados primero se mezclaron en seco entre sí
antes de la extrusión por una extrusora por dos tornillos. Después
el extruido se inyectó en un molde con la máquina de inyección.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Para la inyección de mezcla seca, la inyección
se llevó a cabo usando una máquina de inyección BOY^{TM} 30A a
T=200°C. En un procedimiento típico de inyección de mezcla seca, la
carga de celulosa (por ejemplo, serrín de pícea), carga reactiva
básica (por ejemplo, CaO), polipropileno, polipropileno injertado
de anhídrido maleico y cualesquiera otros agentes de refuerzo o
cargas deseados, primero se mezclaron entre sí en seco antes de la
inyección en un molde con la máquina de inyección.
Para la compresión, el moldeo se llevó a cabo
usando una máquina Wabasch^{TM} a T=200°C, P= 7 kg/cm^{2}, t=5
min y después se enfrió a temperatura ambiente usando aire durante
6 minutos y agua durante 10 minutos. En un procedimiento de modelo
por compresión típico, la carga de celulosa (por ejemplo serrín de
pícea), carga reactiva básica (por ejemplo, CaO), polipropileno,
polipropileno injertado de anhídrido maleico y cualesquiera otros
agentes de refuerzo o cargas deseados, primero se mezclaron entre
sí en seco antes del moldeo por compresión.
Las propiedades de tracción (ASTM D638) se
midieron usando el ensayo de tipo I de hueso de perro a una
velocidad del ensayo de 5 mm/min.
Las propiedades de flexión (ASTM D790) se
midieron usando un ensayo de flexión en el que la longitud era 12,5
mm, la velocidad del ensayo era 1,3 mm/min y el intervalo era 48
mm.
La resistencia al impacto (ASTM D256) se midió
usando el ensayo de impacto IZOD en probeta no entallada.
Las muestras se ensayaron a temperatura ambiente
antes y después de acondicionamiento en agua durante diferentes
periodos de tiempo entre 1 y 7 días.
Las observaciones microestructurales del
material compuesto se hicieron usando un microscopio de barrido
electrónico (SEM) JEOL JSM-6100^{TM}. Las
observaciones de la dispersión entre la carga celulósica y la
matriz de poliolefina se hicieron usando un microscopio óptico (OM)
polarizado Leitz Dialux^{TM} 20 y su interfase usando un
microscopio electrónico de barrido (SEM).
Las mediciones de densidad se hicieron con un
picnómetro AccuPyc^{TM} 1330. La absorción de agua se determinó
por medición de la ganancia y pérdida de peso después de sumergir
la muestra en agua durante 1 a 4 días. La interacción entre la
carga reactiva básica y la poliolefina de injerto se estudió por
espectroscopia infrarroja de transmisión a temperatura ambiente
(\sim25°C) en un instrumento de transformada de Fourier Nicolet
Magna^{TM} 860 con una resolución de 4 cm^{-1}.
La interacción entre la carga reactiva básica y
la poliolefina de injerto se estudió por espectroscopia infrarroja
de transmisión a temperatura ambiente (\sim25°C) en un
instrumento de transformada de Fourier Nicolet Magna^{TM} 860 con
una resolución de 4 cm^{-1}.
Las propiedades mecánicas de los materiales a
alta temperatura se determinaron por análisis térmico
dinamomecánico (DMTA) usando un instrumento Rhemometric Scientific.
Las muestras se sometieron a un modo de torsión con una frecuencia
de 1 Hz de -50 a 120°C.
La estabilidad térmica de los materiales
compuestos se evaluó por el sistema de análisis térmico
Seteram^{TM} TG 96 de Scientific and Industrial Equipment. Las
muestras se calentaron en atmósfera de argón de 25 a 500°C con una
velocidad de calentamiento de 10°C/min.
Para calcular la ignifuguidad, las muestras se
pusieron en horizontal y un borde de la muestra se puso justo
exactamente encima de un inyector de gas butano y la distancia de
la cara inferior de la muestra era 20 mm desde la cabeza del
inyector. Las muestras se quemaron desde un extremo a atmósfera
ambiente y después se determinó la longitud de quemado en cada
intervalo de tiempo.
La tabla 2 proporciona la formulación de
diferentes materiales compuestos estudiados. Las cantidades se dan
en porcentaje en peso, basado en el peso del material compuesto.
Los números de ejemplo que empiezan por la letra "C" son
ejemplos comparativos:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla 3 proporciona los resultados de
diferentes parámetros caracterizados para cada material
compuesto.
Con referencia a las tablas 2 y 3, la
comparación del ejemplo C1 con el ejemplo 3 ilustra que los
materiales compuestos termoplásticos cargados de celulosa de la
presente invención (ej. 3) tienen propiedades mecánicas
significativamente mejores frente a un material compuesto
comparativo similar (ej. C1), no teniendo el material compuesto
comparativo una carga reactiva básica (por ejemplo CaO). Además, el
nivel de mejora proporcionado por los materiales compuestos de la
presente invención es superior cuando se compara con los resultados
publicados en la patente de EE.UU. 6.066.278.
Comparando el ejemplo 3 con los ejemplos
comparativos C4, C5 y C6, también es evidente que el uso de una
carga reactiva básica (por ejemplo CaO) proporciona una mejora
significativa en las propiedades de tracción y flexión que el uso
de un modificador de impacto (por ejemplo EPR) o una carga sencilla
(por ejemplo, CaCO_{3}) en un material compuesto similar.
Como se demuestra en los ejemplos 7 y 8, el uso
de Al_{2}O_{3} como la carga reactiva básica proporciona una
mejora significativa en las propiedades de flexión y la
resistencia al impacto del material compuesto. Aunque el nivel de
mejora de las propiedades de flexión y resistencia al impacto no es
tan alta como con CaO, el uso de Al_{2}O_{3} proporciona una
mejora mayor en la deformación por tracción en la rotura que el
CaO. Por lo tanto, el uso de CaO o Al_{2}O_{3} dependerá de la
aplicación específica a la que se aplique el material
compuesto.
Se han obtenido resultados similares usando
diferentes cargas celulósicas y polipropilenos reciclados, como se
demuestra, por ejemplo, con los ejemplos 3, C13, C15, 17 y C19.
En relación con el ejemplo 10, es evidente que
el aumento de la cantidad de CaO de 5% en peso a 10% en peso no da
como resultado la reducción de las propiedades mecánicas (excepto
para la deformación por tracción en la rotura), sino que más bien
da como resultado una gran mejora de las propiedades mecánicas.
Además, incluso cuando la cantidad de CaO es 15% en peso, no hay
reducción en dichas propiedades mecánicas. Esto está en
contradicción con las enseñanzas del documento de EE.UU. 6.066.278,
que enseña que es necesario controlar cuidadosamente la cantidad
de CaO y mantenerla pequeña, o habrá una reducción de las
propiedades mecánicas del material compuesto.
Los ejemplos comparativos C11, C12 y C13
ilustran que la presencia de CaO en un material compuesto que
comprende E3015 (índice de ácido < 35 mg de KOH/g) proporciona
una mejora significativa de las propiedades mecánicas cuando el CaO
es 5% en peso, pero que la mejora se vuelve insignificante cuando
la cantidad de CaO se aumenta más allá de 5% en peso. Esto ilustra
que el equilibrio entre la cantidad de carga reactiva básica en el
material compuesto y el índice de ácido de la poliolefina de
injerto es una consideración importante con respecto a las mejoras
de las propiedades mecánicas del material compuesto termoplástico
cargado de celulosa.
La importancia del equilibrio entre la cantidad
de carga reactiva básica y el índice de ácido de la poliolefina de
injerto se ilustra mejor en los ejemplos C14 y C15 en los que se
usa E3003. E3003 tiene un índice de ácido incluso menor que E3015.
Aunque hay una mejora pequeña en el módulo con la adición de CaO,
hay una reducción significativa tanto en la resistencia como la
resistencia al impacto, con todos los niveles de CaO en el material
compuesto.
El ejemplo 17 ilustra que se pueden obtener
mejoras similares de las propiedades mecánicas de acuerdo con la
presente invención usando otro tipo de polipropileno reciclado.
Además, el ejemplo 18 ilustra que la adición de fibra de vidrio
puede mejorar más las propiedades mecánicas, en especial la
resistencia y la resistencia al impacto.
También se consideró el efecto del tipo de
polipropileno usado. El polipropileno virgen conduce a propiedades
mecánicas más altas comparado con el polipropileno reciclado como
se ilustra mediante los ejemplos 17 y 20.
Para un PP virgen con índice de fusión muy alto
y bajo rendimiento, también se ha obtenido una mejora similar de
las propiedades mecánicas cuando se usa CaO (ejemplo C21 comparado
con el ejemplo 22). El ejemplo 23 tenía el mismo tipo de
componentes y formulación que el ejemplo 22, excepto que el ejemplo
22 se hizo usando madera seca (humedad relativa <2%) mientras
que en el ejemplo 23 se usó madera húmeda (aproximadamente 19% de
humedad relativa). Como se indica en la tabla 3, las propiedades
mecánicas del ejemplo 23 son peores en comparación con las del
ejemplo 22. Por lo tanto, aunque los materiales compuestos de la
presente invención dependen menos de la humedad de la carga de
celulosa que los materiales compuestos de la presente invención,
las cantidades extremas de humedad en la carga de celulosa pueden
conducir a cierta degradación de las propiedades mecánicas del
material compuesto.
La tabla 4 demuestra que los materiales
compuestos de la presente invención también tienen mejores
propiedades mecánicas a temperaturas más altas, que permiten una
temperatura de servicio más alta de los materiales compuestos.
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La tabla 5 demuestra que los materiales
compuestos de la presente invención son más resistentes a la
degradación térmica, como reflejan las mayores temperaturas para
una pérdida de peso de 10% en peso (T_{10%}) y 20% en peso
(T_{20%}) y la pérdida de peso a 500°C medido por TGA.
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La tabla 6 demuestra que los materiales
compuestos de la presente invención son más resistentes al quemado.
La velocidad de quemado del ejemplo 22 a 1 min (L_{1}) y 5 min
(L_{5}) es menor que la del ejemplo C21. Aunque el ensayo de
quemado usado no es un ensayo estándar, demuestra cualitativamente
la ignifuguidad de los materiales compuestos.
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\vskip1.000000\baselineskip
La tabla 7 proporciona los resultados de los
ensayos de absorción de agua en diferentes materiales compuestos
termoplásticos cargados de celulosa. Las cantidades en la
composición se dan en porcentaje en peso basado en el peso del
material compuesto. Los números de ejemplos que empiezan por la
letra "C" son ejemplos comparativos. La denominación
"arcilla" se refiere a una agente de refuerzo de arcilla
laminar, mientras que "arcilla-exf" se refiere
a la misma arcilla exfoliada. La arcilla usada era Cloisite^{TM}
15A de Southern Clay Products.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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A partir de la tabla 7 es evidente que aunque
haya presente una carga reactiva básica tal como CaO en el
material compuesto en cantidades tan altas como 10% en peso, la
cantidad de absorción de agua se puede mantener baja, lo cual está
en contradicción con las enseñanzas de la patente de EE.UU.
6.066.278. Además, las propiedades mecánicas del material compuesto
de los ejemplos 103 y 104 permanecen sin cambiar incluso después de
condicionamiento en agua de hasta 7 días.
Los estudios de FTIR confirmaron que se había
producido una reacción química entre el grupo anhídrido maleico de
E43 y la carga reactiva básica (CaO o Al_{2}O_{3}) durante la
extrusión de los materiales compuestos termoplásticos cargados con
celulosa.
Otras ventajas que son inherentes a la invención
serán obvias para un experto en la materia.
\newpage
Se entenderá que algunas características y
subcombinaciones son útiles y se pueden usar sin referencia a otras
características y subcombinaciones. Esto está contemplado y está
dentro del alcance de las reivindicaciones.
Puesto que son posibles muchas realizaciones de
la invención sin salirse del alcance de la misma, debe entenderse
que todo el material expuesto en el presente documento o mostrado
en los dibujos que acompañan deben interpretarse como ilustrativos
y no con un sentido limitante.
Claims (21)
1. Un material compuesto termoplástico que
comprende:
(a) una poliolefina;
(b) una carga celulósica;
(c) una poliolefina de injerto de ácido
carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico que tiene un índice
de ácido mayor que 35 mg de KOH/g; y
(d) una carga reactiva básica presente en una
cantidad de 10-20% en peso, basado en el peso del
material compuesto.
2. El material compuesto de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el índice de ácido de la poliolefina de
injerto es mayor que 40 mg de KOH/g.
3. El material compuesto de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el índice de ácido de la poliolefina de
injerto es 40-50 mg de KOH/g.
4. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la poliolefina
de injerto tiene un peso molecular menor que 50.000 g/mol.
5. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la poliolefina
de injerto tiene un peso molecular menor que 20.000 g/mol.
6. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la poliolefina
de injerto tiene un peso molecular de 1000-10.000
g/mol.
7. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la poliolefina
de injerto está presente en una cantidad de hasta 5% en peso,
basado en el peso del material compuesto.
8. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la poliolefina
de injerto está presente en una cantidad de 1-3% en
peso, basado en el peso del material compuesto.
9. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la poliolefina
de injerto de ácido carboxílico y/o anhídrido de ácido carboxílico
es polipropileno de injerto de anhídrido maleico.
10. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la carga
reactiva básica se selecciona del grupo que consiste en CaO, MgO,
Al_{2}O_{3} y mezclas de los mismos.
11. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la poliolefina
está presente en una cantidad de 20-90% en peso
basado en el peso del material compuesto.
12. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la poliolefina
es polipropileno o polietileno.
13. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la carga
celulósica está presente en una cantidad de 30-80%
en peso, basado en el peso del material compuesto.
14. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la carga
celulósica es fibrosa.
15. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la carga
celulósica es harina de madera.
16. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que además comprende un
agente de refuerzo secundario, un lubricante, un modificador de
impacto, una carga, un colorante, un pigmento, un antioxidante, un
estabilizante, un retardante de llama, un auxiliar de
recalentamiento, un auxiliar de cristalización, un compuesto
reductor de acetaldehído, un auxiliar de liberación de productos de
reciclaje, un depurador de oxígeno, un plastificante, un
flexibilizante, un agente de nucleación, un agente espumante, un
agente de desmoldeo o una mezcla de los mismos.
17. Un material compuesto termoplástico que
comprende:
(a) polipropileno;
(b) una carga celulósica;
(c) polipropileno de injerto de anhídrido
maleico que tiene un índice de ácido mayor que 35 mg de KOH/g;
y
(d) una carga reactiva básica presente en una
cantidad de 10-20% en peso, basado en el peso del
material compuesto.
18. El material compuesto de acuerdo con la
reivindicación 17, en el que la carga reactiva básica se selecciona
del grupo que consiste en CaO, MgO, Al_{2}O_{3} y mezclas de
las mismas.
19. El material compuesto de acuerdo con la
reivindicación 17 ó 18, en el que el polipropileno de injerto de
anhídrido maleico tiene un peso molecular menor de 20.000
g/mol.
20. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que el
polipropileno de injerto de anhídrido maleico está presente en una
cantidad de 1-3% en peso, basado en el peso del
material compuesto.
21. El material compuesto de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, que además comprende
fibra de vidrio.
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