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.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a materiales compuestos termoplásticos, para usar en aplicaciones estructurales y no estructurales.
Antecedentes de la invención
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.
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.
Resumen de la invención
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.
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.
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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.
Ejemplos Materiales
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.
Composición/procesamiento
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.
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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.
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TABLA 1A
1
2
3
TABLA 1B
4
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.
Caracterización
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.
Resultados
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:
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TABLA 2
5
La Tabla 3 proporciona los resultados de diferentes parámetros caracterizados para cada material compuesto.
TABLA 3
6
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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TABLA 4
7
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.
TABLA 5
8 
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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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TABLA 6
9
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)
TABLA 7 
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10 
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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.
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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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