ES2927856T3 - Material compuesto inyectable reforzado mediante fibras naturales - Google Patents

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Abstract

La invención se refiere a un material compuesto inyectable que incluye: (a) 28 a 95 % en peso de un copolímero de polipropileno/polietileno; (b) 0 a 10% en peso de un potenciador de flujo; (c) 1 a 20% en peso de un modificador de impacto; (d) 1 a 20% en peso de agente compatibilizante; y (e) 3 a 70% en peso de fibras naturales, en las que el copolímero de polipropileno/polietileno forma una matriz. La invención también se refiere a un método para preparar dicho material compuesto, así como a un método para utilizarlo en la fabricación de piezas por inyección o sobremoldeo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Material compuesto inyectable reforzado mediante fibras naturales
La presente invención se refiere a un material compuesto reforzado, en particular para la fabricación de piezas en el campo automotriz.
En el contexto de buscar reducir la presión de un producto sobre los recursos y el medio ambiente, a lo largo de su ciclo de vida, desde la extracción de las materias primas hasta su proceso final de vida útil, se busca particularmente el uso de materiales verdes del mundo vegetal.
Así, por el documento WO 2006/108256 se conoce la asociación de las fibras de cáñamo con un polímero termoplástico, en particular un polipropileno, para preparar un material inyectable.
Los materiales compuestos obtenidos son de interés, pero sus propiedades todavía presentan limitaciones, en particular en términos de resistencia al impacto. Además, no siempre cumplen los requisitos específicos en el campo automotriz, tales como los requisitos con respecto a los olores de los automóviles y la emisión de compuestos volátiles.
Así, el objetivo de la presente invención es el de proponer un material compuesto inyectable de este tipo que está mejorado, en particular con respecto a la resistencia al impacto, en comparación con el polipropileno que tiene una carga mineral.
Este objetivo se consigue según la invención mediante un material compuesto que comprende:
(a) 28 a 95 % en peso de un copolímero de polipropileno-polietileno;
(b) 0 a 10 % en peso de potenciador de flujo, en particular una poliolefina tal como homopolímero de polietileno o polipropileno;
(c) 1 a 20 % en peso de un modificador de impacto;
(d) 1 a 20 % en peso de un agente compatibilizante; y
(e) 3 a 70 % en peso de fibras naturales,
en donde el copolímero de polipropileno-polietileno forma una matriz.
Un material de este tipo permite, debido a su perfil técnico, en particular en lo que se refiere a la resistencia al impacto, conseguir una ganancia de masa de 3 a 50 % con respecto al polipropileno convencional con carga mineral, con una reducción del espesor de las piezas obtenidas mediante inyección, inyección a baja presión, inyección a alta presión, inyección-compresión y sobremoldeo. A modo de ejemplo, el espesor de una pieza inyectada de 2,5 mm puede reducirse en 0,5 mm, es decir, una ganancia de masa del 25 %.
En la presente descripción, el término "material compuesto" pretende cubrir materiales heterogéneos que se asocian a una pluralidad de tipos de materiales que no se mezclan. En particular, se pretende que los materiales compuestos estén constituidos por polímeros a base de hidrocarburos y generalmente obtenidos de forma sintética a partir del petróleo, y polímeros a base de hidratos de carbono, que tienen extractos o derivados de productos naturales. En particular, se pretenden materiales que asocien un polímero poliolefínico con fibras de origen natural, tal como se define a continuación. Las diferentes fases de un material compuesto se pueden detectar bajo un microscopio óptico.
El término "índice de fusión" (MI), a menudo denominado MFI ("índice de flujo de fusión"), significa el flujo de fusión de un polímero evaluado mediante el caudal del polímero fundido a una temperatura dada, a través de un capilar normalizado, durante un período dado, generalmente 10 minutos, bajo una carga de 2,16 kg, en las condiciones establecidas en la norma internacional ISO 1133.
El término "copolímero", en contraste con el término "homopolímero", pretende denotar un polímero que se origina a partir de la copolimerización de al menos dos tipos de monómero, que son químicamente diferentes, denominados comonómeros. Los copolímeros obtenidos mediante la copolimerización de dos monómeros a veces se denominan bipolímeros, los obtenidos a partir de tres monómeros se denominan terpolímeros y los obtenidos a partir de cuatro monómeros se denominan cuaterpolímeros. El copolímero está así formado por al menos dos unidades de repetición. Según la forma en que se distribuyen las unidades de repetición en las cadenas macromoleculares, se distingue entre los copolímeros de cadena aleatoria, alterna y estadística, y los copolímeros secuenciados o copolímeros de bloque. Además, se conocen copolímeros que se originan a partir de injertos.
El término “modificador de impacto” pretende englobar los agentes que se añaden a un material con el objetivo de mejorar las propiedades con respecto a la resistencia al impacto. Estos modificadores son polímeros o moléculas que forman sistemas multifásicos con la matriz, o que reaccionan químicamente con la matriz, para mejorar así su resiliencia.
El término "agente compatibilizante" pretende referirse a compuestos que tienen dos extremos de estructura química diferentes, que tienen, respectivamente, una afinidad particular por dos componentes de un material heterogéneo, lo que permite mejorar la compatibilidad entre estos dos componentes.
El término "fibras naturales" pretende significar materiales fibrosos que se originan a partir de materiales de origen vegetal o animal.
Finalmente, el término “matriz” pretende significar, en un material compuesto, la fase continua en la que se encuentran dispersos los demás componentes. Generalmente, pero no siempre, la matriz está formada por el componente presente en proporción mayoritaria.
Como matriz, el material compuesto según la invención comprende un copolímero de polipropileno-polietileno. En efecto, se ha comprobado que dicho copolímero proporciona al material compuesto de la invención una resistencia al impacto superior a los tradicionalmente usados, que comprenden una matriz de polipropileno.
Preferentemente, el material compuesto tiene, a su temperatura de transformación específica, un intervalo de viscosidad que varía de 5 Pa.s a 1000 Pa.s en un intervalo de velocidad de cizallamiento específico de la inyección que varía de 100 s-1 a 50000 s-1. En virtud de esta característica, el material compuesto es inyectable. Por lo tanto, se puede usar en la mayoría de los procesos de inyección conocidos, tales como la inyección a baja presión, la inyección a alta presión, la inyección en sándwich, la bi-inyección, la inyección-compresión y el sobremoldeo. La temperatura específica de transformación es la temperatura a la que el material es suficientemente fluido para poder inyectarlo en una cavidad (por ejemplo entre 220 y 240 °C para los polipropilenos y entre 260 y 280 °C para los policarbonatos (PC) y los polímeros de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Dicha temperatura de transformación específica es específica para cada material.
Se prefieren especialmente los materiales compuestos que comprenden una matriz a base de estos copolímeros que contienen del 10 al 90 % en moles de unidades de etileno.
El material compuesto comprende además de 0 a 10 % en peso de potenciador de flujo. Dicho potenciador de flujo es preferentemente un polímero que tiene un índice de fusión bajo (MI), preferiblemente un polímero que tiene un índice de fusión de entre 200 y 2000 g/10 min a 230 °C bajo una carga de 2,16 kg, y en particular un homopolímero o copolímero de poliolefina, en particular un homopolímero o copolímero de polietileno, o incluso un homopolímero o copolímero de polipropileno.
El potenciador de flujo permite, si es necesario, aumentar la fluidez del material para hacerlo inyectable. En dependencia de la selección realizada, puede contribuir además a mejorar la resistencia al impacto y reducir los compuestos volátiles emitidos por el material. Compuestos volátiles se refiere a todas las emisiones generadas por un material, que puede producir un olor, o compuestos orgánicos volátiles.
Así, los potenciadores de flujo se pueden obtener en particular mediante catálisis de metaloceno o mediante catálisis de Ziegler-Natta. Ventajosamente, el potenciador de flujo es una poliolefina que se obtiene mediante catálisis de metaloceno. De hecho, se encuentra que la catálisis de metaloceno conduce a poliolefinas cuya temperatura de fusión es mucho más baja que una poliolefina obtenida mediante catálisis de Ziegler-Natta, lo que conduce a una fluidez del material mucho mayor. Además, la catálisis de metaloceno da como resultado una distribución de masas moleculares mucho más estrecha y, por lo tanto, un menor contenido de moléculas de baja masa, lo que reduce el contenido de compuestos que pueden emitirse. Por tanto, no es necesario, como en el caso de las poliolefinas obtenidas mediante catálisis de Ziegler-Natta, usar medios químicos como la ruptura de cadenas mediante ataque ácido (por ejemplo anhídridos maleicos) para conseguir un incremento de la fluidez. Esta técnica genera así un gran número de compuestos volátiles.
La selección de tales potenciadores de flujo contribuye así a hacer que el material compuesto sea inyectable, debido a la longitud de cadena reducida de los compuestos, y a cumplir con los requisitos de los fabricantes de automóviles con respecto a la emisión de compuestos volátiles, debido a un bajo contenido de compuestos que pueden emitirse a partir del material.
El potenciador de flujo particularmente preferido es el polipropileno, preferentemente homopolímero de polipropileno, obtenido mediante catálisis de metaloceno.
Además, el polietileno, y en particular el polietileno modificado por alquenos o cualquier tipo de injerto, es un potenciador de flujo particularmente preferido para algunas aplicaciones, ya que permite mejorar el rendimiento en términos de resistencia al impacto, además de los modificadores de impacto, que se discuten más adelante.
El material según la invención contiene además de 1 a 20 % en peso, preferiblemente de 2 a 10 y más particularmente de 4 a 8 % en peso de modificador de impacto.
La adición del modificador de impacto permite aumentar la resistencia al impacto del material compuesto hasta en un 200 %.
El modificador de impacto es preferiblemente un compuesto elastomérico, en particular seleccionado del grupo que consiste en monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), monómero de etileno-propileno (EPM), caucho de etileno-propileno (EPR), elastómeros de poliolefina (POE), copolímeros y terpolímeros a base de etileno y propileno, caucho de nitrilo-butadieno (NBR), isobutileno (IB), caucho clorado, poli(estireno-butadieno-estireno) (SBS), copolímero de estireno-etileno-buteno-estireno (SEBS), caucho de isobutileno- isopreno (IIR), copolímero de estireno-isopreno-estireno (SIS), polietileno clorado (CM), isopreno, etileno-buteno, y sus mezclas y derivados, en particular injertados con ácido maleico y/o anhídrido de ácido maleico.
El material compuesto según la invención comprende además del 1 al 20 % en peso, preferiblemente del 5 al 15 % en peso, de un agente compatibilizante.
El agente compatibilizante asegura una buena afinidad entre las fibras y los demás componentes del material, en particular la matriz polimérica, y permite así obtener una mezcla homogénea.
El agente compatibilizante es un compuesto seleccionado a partir de las poliolefinas injertadas con grupos polares. Como poliolefinas, es concebible en particular el uso de (co)polímeros de polipropileno.
El agente compatibilizante se selecciona a partir del grupo que consiste en poliolefinas injertadas con un ácido carboxílico o uno de sus ésteres o anhídridos. A partir de los ácidos carboxílicos que se pueden usar para el injerto, se pueden mencionar en particular el ácido maleico y el anhídrido maleico.
El material compuesto según la invención contiene además del 3 al 70 % en peso, preferentemente del 5 al 40 % en peso y más particularmente del 10 al 30 % en peso de fibras naturales.
La presencia de fibras en particular permite aumentar la resistencia térmica del material.
Incluso en presencia de estas fibras naturales, el material sigue siendo inyectable. Sin embargo, se observa un comportamiento de inyección óptimo cuando el material compuesto contiene menos del 30 % en peso de fibras naturales.
Las fibras naturales se seleccionan preferentemente a partir del grupo que consiste en algodón, lino, cáñamo, cáñamo de Manila o abacá, banano, yute, ramio, rafia, sisal, retama, lana, alpaca, mohair, cachemira, angora, seda, bambú, miscanthus, kenaf, coco, agave, sorgo, pasto varilla y madera.
La longitud de las fibras naturales puede variar mucho, en dependencia de los usos previstos del material compuesto. Para la fabricación de piezas interiores de vehículos se usan preferentemente fibras cuya longitud media está comprendida entre 0,1 y 10 mm.
Las fibras se usan preferentemente después de secarse hasta un contenido de agua inferior al 5 % en peso. Entonces, pueden sufrir un tratamiento superficial para aumentar la compatibilidad con la matriz, en particular con los silanos.
Según un segundo aspecto, la invención se dirige a un método para preparar el material compuesto descrito anteriormente, que comprende los pasos de:
i) introducir los componentes poliméricos (a) a (d) y al menos parte del componente (e) en un dispositivo mezclador adecuado;
ii) fundir y mezclar dichos componentes en el dispositivo mezclador;
iii) si es necesario, introducir el resto del componente (e) en la mezcla;
iv) fusión y mezcla final de los componentes; y
v) granulación.
Preferentemente, los pasos (i) a (v) se llevan a cabo en una extrusora de tornillo.
Según un tercer aspecto, la invención se refiere al uso del material compuesto descrito para la fabricación de piezas mediante inyección, en particular destinadas al interior de vehículos.
El aumento de la resistencia térmica conseguido en particular gracias a las fibras es de particular interés para aplicaciones del tipo de piezas interiores de vehículos, tales como tableros y paneles de puertas. De hecho, estas partes del interior del vehículo pueden estar sujetas a altas temperaturas que pueden alcanzar los 120 °C, en particular en la región cercana a las superficies acristaladas.
La inyección de piezas con el uso del material compuesto descrito se puede realizar de manera convencional, por ejemplo como sigue.
El material plástico en forma de gránulo se introduce en un tomillo plastificador calentado y con temperatura regulada, y se reblandece bajo la acción combinada del tomillo y la temperatura para llegar al frente del tomillo en estado viscoso, que constituye el depósito de material listo para su inyección.
A continuación, el material presente en la parte delantera del tornillo plastificador se inyecta, a alta presión, en el interior de un molde (o cavidad) que tiene la forma de la pieza deseada, y cuya temperatura es inferior a la temperatura de transformación.
Se aplica una presión constante durante un tiempo determinado para seguir suministrando las impresiones con el fin de compensar el encogimiento del material durante el enfriamiento del mismo. Luego, la pieza se enfría durante unos segundos y luego se expulsa.
La invención se explicará con mayor detalle con referencia a los siguientes ejemplos, dados únicamente a modo de ejemplo.
Ejemplo
En una extrusora de doble husillo, a través de una primera tolva se introducen: 39 kg de un copolímero de propileno y etileno, 8 kg de polipropileno obtenido mediante catálisis de metaloceno (MFI 400) y, a modo de aditivo, 20 kg de un modificador de impacto (EP5 1060 comercializado por la empresa HIFAX), y 3 kg de un agente compatibilizante, luego 30 kg de fibras de cáñamo enriadas, la mitad de las cuales se introducen mediante una segunda tolva situada en una etapa posterior del proceso. Los componentes y sus respectivas proporciones se muestran en la tabla 1 a continuación.
Tabla 1: Com osición del material com uesto
Figure imgf000005_0002
La mezcla se somete a extrusión compuesta bajo las siguientes condiciones:
Temperatura: 180 °C
Presión: 5 a 30 bar
El material compuesto se obtiene en forma de gránulos que puede usarse para la fabricación de piezas mediante inyección.
La formulación del material compuesto permite conseguir un material con un perfil técnico superior a los materiales estándar, lo que permite reducir el espesor de las piezas de 2,5 mm a 2 mm. Dada, además, la reducción de densidad del material según la invención con respecto al material estándar, la ganancia de masa alcanza aproximadamente el 25 %. La siguiente tabla resume las propiedades clave del compuesto preparado.
Figure imgf000005_0001
Estas propiedades permiten usar dicho material compuesto para fabricar piezas destinadas a la moldura interior de vehículos automóviles, en particular tableros, paneles de puertas, revestidos o no, pero también piezas destinadas a la estructura de piezas de moldura interior de vehículos, por ejemplo tuberías de descongelación, o incluso piezas de refuerzo capaces de soportar impactos de una de las extremidades de los pasajeros contra dichas piezas de refuerzo durante el impacto de un vehículo contra otro vehículo.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Material compuesto inyectable, que comprende:
    (a) 28 a 95 % en peso de un copolímero de polipropileno-polietileno que comprende de 10 a 90 % en moles de etileno;
    (b) 0 a 10 % en peso de potenciador de flujo, el potenciador de flujo es un polímero que tiene un índice de fusión de entre 200 y 2000 g/10 min a 230 °C bajo una carga de 2,16 kg y que se selecciona del grupo que consiste en un homopolímero de polipropileno, un copolímero de polipropileno, un homopolímero de polietileno y un copolímero de polietileno;
    (c) 1 a 20 % en peso de un modificador de impacto seleccionado del grupo que consiste en monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), monómero de etileno-propileno (EPM), caucho de etileno-propileno (EPR), elastómeros de poliolefina (POE), copolímeros y terpolímeros a base de etileno y propileno, caucho de nitrilo-butadieno (NBR), isobutileno (IB), caucho clorado, poli(estireno-butadieno-estireno) (SBS), copolímero de estireno-etileno-buteno-estireno (SEBS), caucho de isobutileno-isopreno (IIR), copolímero de estireno-isopreno-estireno (SIS), polietileno clorado (CM), isopreno, etileno-buteno, y sus mezclas y derivados, en particular injertados con ácido maleico y/o anhídrido de ácido maleico;
    (d) 1 a 20 % en peso de un agente compatibilizante seleccionado del grupo que consiste en poliolefinas injertadas con un ácido carboxílico o uno de sus ésteres o anhídridos; y (e) 3 a 70 % en peso de fibras naturales seleccionadas del grupo que consiste en algodón, lino, cáñamo, cáñamo de Manila o abacá, banano, yute, ramio, rafia, sisal, retama, lana, alpaca, mohair, cachemira, angora, seda, bambú, miscanthus, kenaf, coco, agave, sorgo, pasto varilla y madera,
    en donde el copolímero de polipropileno-polietileno forma una matriz, la matriz está formada por el componente que está presente en una proporción mayoritaria.
  2. 2. Material compuesto según la reivindicación 1, en donde el potenciador del flujo es una poliolefina.
  3. 3. Material compuesto según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el potenciador de flujo es una poliolefina obtenida mediante catálisis de metaloceno.
  4. 4. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que tiene, a su temperatura específica de transformación, una viscosidad que varía de 5 Pa.s a 1000 Pa.s en un intervalo de velocidad de cizallamiento específico de la inyección que varía de 100 s-1 a 50000 s-1.
  5. 5. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende de 10 a 30 % en peso de fibras naturales.
  6. 6. Método para preparar un material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende los pasos de:
    (i) introducir los componentes poliméricos (a) a (d) y al menos parte del componente (e) en un dispositivo mezclador adecuado;
    (ii) fundir y mezclar dichos componentes en el dispositivo mezclador;
    (iii) si es necesario, introducir el resto del componente (e) en la mezcla;
    (iv) fusión y mezcla final de los componentes; y
    (v) granulación.
  7. 7. Método de preparación según la reivindicación 6, en donde los pasos (i) a (v) se llevan a cabo en una extrusora de tornillo.
  8. 8. Uso del material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para la fabricación de piezas mediante inyección.
  9. 9. Uso según la reivindicación 8 para la fabricación de piezas interiores de vehículos.
ES12700027T 2011-01-07 2012-01-06 Material compuesto inyectable reforzado mediante fibras naturales Active ES2927856T3 (es)

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