PL220611B1 - Hybrydowy warstwowy kompozyt (laminat) jednopolimerowo-drzewny i sposób wytwarzania kompozytu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy warstwowy kompozyt (laminat) jednopolimerowo-drzewny i sposób wytwarzania kompozytu.

Wyroby oparte na kompozytach polimerowo-drzewnych (WPC) na osnowie poliolefinowej wytwarzane przy zastosowaniu różnych metod przetwórstwa, stanowią konkurencję dla konwencjonalnych materiałów konstrukcyjnych.

Wprowadzenie cząstek drewna o zdefiniowanych rozmiarach i zawartości do osnowy polimerowej skutkuje wzrostem sztywności materiału, ograniczeniem skurczu przetwórczego jak również obniżeniem kosztów materiałów produkowanych z kompozytów polimerowo-drzewnych.

Dużą zaletą tych materiałów jest możliwość wytwarzania ich z surowców odpadowych pochodzących z przemysłu drzewno-papierniczego oraz recyklingu tworzyw polimerowych. Ponadto istnieje możliwość ich wielokrotnego przetwórstwa, co jest ważne z punktu widzenia obowiązującego ustawodawstwa dotyczącego ochrony środowiska i gospodarki odpadami. Stwierdzono jednak, że wraz ze wzrostem zawartości napełniacza drzewnego w kompozytach obniżają się ich właściwości mechaniczne takie jak udarność oraz wytrzymałość na zginanie i zerwanie w porównaniu do nienapełnionego polimeru, co ogranicza ich możliwości aplikacyjne.

Nową grupą materiałów konstrukcyjnych opartych na polimerach termoplastycznych są kompozyty jednopolimerowe charakteryzujące się tym, że zarówno wzmocnienie jak i osnowa wykonana jest z tego samego polimeru lub polimerów należących do tej samej grupy. Rolę wzmocnienia pełnią włókna lub taśmy polimerowe o wysokim stopniu orientacji, najczęściej w postaci tkanin o różnym ułożeniu i splocie. Rezultatem jednokierunkowej orientacji makrocząsteczek we włóknach i taśmach jest wielokrotny wzrost ich sztywności i wytrzymałości, jak również podwyższenie temperatury topnienia w porównaniu do polimeru w stanie izotropowym. Głównymi zaletami kompozytów jednopolimerowych są ich doskonałe właściwości mechaniczne oraz stosunkowo niski ciężar właściwy. Taka sama budowa chemiczna osnowy i wzmocnienia zapewnia bardzo dobrą adhezję na granicy faz. Ponadto możliwy jest ich pełny recykling termiczny oraz materiałowy po zakończonym okresie eksploatacji.

Wytwarzanie tzw. homokompozytów możliwe jest dzięki wykorzystaniu różnicy temperatury topnienia pomiędzy osnową a orientowanym wzmocnieniem. Znane metody produkcji kompozytów jednopolimerowych polegają na zespoleniu wzmocnienia z osnową na drodze prasowania. Niestopione włókna lub taśmy polimerowe łączone są ze stopioną osnową w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu. Różnice pomiędzy poszczególnymi technikami wynikają z prób poszerzenia „okna” przetwórczego, czyli różnicy pomiędzy temperaturą topnienia osnowy i włókna, a tym samym zwiększenia wydajności procesu przetwórczego.

Istotą wynalazku jest kompozyt i sposób wytwarzania nowego, kompozytowego materiału polimerowego, w którym warstwy kompozytu WPG wzmocnione są jedną warstwą lub wieloma warstwami kompozytu jednopolimerowego.

Zgodnie z wynalazkiem kompozyt złożony jest z warstw kompozytu polimerowo-drzewnego o różnej grubości, którego osnowę stanowi polimer z grapy poliolefin: polipropylen izotaktyczny lub syndiotaktyczny, polietylen małej, średniej lub dużej gęstości, statystyczny lub blokowy kopolimer typu etylen-propylen, osnowa kompozytu napełniona jest rozdrobnionym drewnem w ilości do 70%, którego rozmiary mieszczą się w zakresie od 10 μm do 10 mm, zaś poszczególne warstwy kompozytu polimerowo-drzewnego oddzielone są między sobą warstwą lub warstwami kompozytu jednopolimerowego, którego osnowę i/lub wzmocnienie w postaci włókien lub taśm, stanowi polimer z grupy poliolefin: polipropylen izotaktyczny lub syndiotaktyczny, polietylen małej, średniej lub dużej gęstości, statystyczny lub blokowy kopolimer propylenu i etylenu.

Kompozyt wytwarzany jest poprzez zespolenie pod ciśnieniem poszczególnych warstw kompozytowych na drodze prasowania, obtryskiwania, walcowania lub kalandrowania. Sposób według wynalazku umożliwia oddzielne wytworzenie poszczególnych warstw: kompozytu jednopolimerowego i kompozytu polimerowo-drzewnego, a następnie połączenie obu komponentów na drodze obróbki cieplno-ciśnieniowej lub wcześniejsze otrzymanie jednego z komponentów podczas gdy wytwarzanie drugiego ściśle związane jest z etapem otrzymywania produktu końcowego jakim jest laminat. Przebieg procesu zależy od rodzaju i kombinacji metod przetwórczych wykorzystanych w procesie produkcyjnym.

Arkusze obu typów kompozytów zespalane są pod odpowiednim ciśnieniem oraz w określonej temperaturze przetwórstwa. Zespolenie poszczególnych warstw komponentów możliwe jest przy zastosowaniu metod: prasowania, obtryskiwania, walcowania lub kalandrowania. Produktem procesu

PL 220 611 B1 przetwórstwa jest wielowarstwowy, hybrydowy kompozyt jednopolimerowo-drzewny charakteryzujący się lepszymi właściwościami mechanicznymi zarówno w porównaniu do pierwotnego kompozytu polimerowo-drzewnego, jak i nienapełnionego, izotropowego polimeru stanowiącego jego osnowę. Polepszenie właściwości mechanicznych jest efektem, uzyskania odpowiedniej adhezji pomiędzy poszczególnymi warstwami laminatu i przeniesieniem obciążeń mechanicznych na włókna lub taśmy stanowiące wzmocnienie kompozytu jednopolimerowego.

Istotną cechą hybrydowego kompozytu jednopolimerowo-drzewnego jest to, że liczba warstw poszczególnych jego składników oraz ich grubość może być różna w zależności od oczekiwanych przez użytkownika właściwości i efektów ekonomicznych, przy czym:

- matrycę kompozytu jednopolimerowego może stanowić polietylen małej, średniej lub dużej gęstości, lub polipropylen izotaktyczny bądź synd iotaktyczny, lub kopolimer blokowy lub statystyczny typu etylen-propylen.

- wzmocnienie kompozytu jednopolimerowego mogą stanowić włókna lub taśmy polimerowe jak również wykonane z nich tkaniny o różnym ułożeniu i splocie wytwarzane z polietylenu małej, średniej lub dużej gęstości, lub z polipropylenu izotaktycznego bądź syndiotaktycznego, lub kopolimeru blokowy lub statystyczny tupu etylen-propylen.

- osnowę kompozytu polimerowo-drzewnego może stanowić polietylen małej, średniej lub dużej gęstości oraz polipropylen izotaktyczny bądź syndiotaktyczny lub kopolimer blokowy lub statystyczny typu etylen - propylen.

- wypełnienie kompozytu WPC mogą stanowić cząstki drewna o wymiarach od 10 μm do 10 mm otrzymane z różnych gatunków drzew i zawartości do 70% wag.

Zastosowanie kompozytu polimerowo-drzewnego w postaci zewnętrznych warstw laminatu oprócz korzyści ekonomicznych stanowi aspekt proekologiczny, ze względu na wykorzystanie surowców odnawialnych oraz aspekt dekoracyjny w związku z wyglądem zbliżonym do drewna naturalnego. Ponadto obecność cząstek drewna w zewnętrznych warstwach laminatu zabezpiecza materiał przed działaniem promieniowania UV powodującego procesy starzenia poliolefin.

Przykład wykonania

Do wytworzenia warstwowego kompozytu jednopolimerowo-drzewnego wykorzystano arkusz wzmocnionego dwukierunkowo polipropylenowego kompozytu jednopolimerowego oraz dwa arkusze kompozytu polimerowo-drzewnego WPC o polipropylenowej osnowie i 40% zawartości napełniacza drzewnego. Moduł sprężystości (E) i wytrzymałość na rozciąganie (Rm) kompozytu jednopolimerowego mierzone wzdłuż jednego z kierunków ułożenia taśm wzmacniających przy użyciu maszyny wytrzymałościowej INSTRON 5966 z szybkością rozciągania v = 20 mm/min wynosiły odpowiednio ~4 GPa i ~150 MPa. Właściwości mechaniczne kompozytu WPC zawarte były w granicach E~2 GPa i Rm~20 MPa, z kolei moduł sprężystości i wytrzymałość na rozciąganie polipropylenu stanowiącego osnowę kompozytów były zawarte w granicach; E~1,5 GPa i Rm~35 MPa.

Warstwę kompozytu jednopolimerowego zespolono z dwoma warstwami kompozytu WPC na drodze prasowania w temperaturze wyższej od temperatury topnienia polipropylenowych struktur krystalicznych osnowy dwóch rodzajów kompozytów. Po zespoleniu poszczególnych warstw uzyskano laminat o grubości 0,9 mm, którego ~80% objętościowych stanowiły warstwy polimerowo-drzewne. Otrzymany kompozyt warstwowy typu „sandwich” charakteryzował się modułem sprężystości i wytrzymałością na rozciąganie wynoszącymi odpowiednio 3,5 GPa i 55 MPa.

Claims (3)

1. Hybrydowy warstwowy kompozyt (laminat) jednopolimerowo-drzewny, znamienny tym, że złożony jest z warstw kompozytu polimerowo-drzewnego o różnej grubości, którego osnowę stanowi polimer z grupy poliolefin: polipropylen izotaktyczny lub syndiotaktyczny, polietylen małej, średniej lub dużej gęstości, statystyczny lub blokowy kopolimer typu etylen-propylen, osnowa kompozytu napełniona jest rozdrobnionym drewnem w ilości do 70%, którego rozmiary mieszczą się w zakresie od 10 μm do 10 mm, zaś poszczególne warstwy kompozytu polimerowo-drzewnego oddzielone są między sobą warstwą lub warstwami kompozytu jednopolimerowego, którego osnowę i/lub wzmocnienie w postaci włókien lub taśm, stanowi polimer z grupy poliolefin: polipropylen izotaktyczny lub syndiotaktyczny, polietylen małej, średniej lub dużej gęstości, statystyczny łub blokowy kopolimer propylenu i etylenu.

PL 220 611 B1

2. Hybrydowy warstwowy kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowa ma postać włókien i/lub taśm o różnym splocie, ułożonych jedno bądź wieloosiowe.

3. Sposób wytwarzania hybrydowego warstwowego kompozytu określonego zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarzany jest poprzez zespolenie pod ciśnieniem poszczególnych warstw kompozytowych na drodze prasowania, obtryskiwania, walcowania lub kalandrowania.