PL231449B1 - Kompozyty polietylenowe - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są kompozyty polietylenowe stosowane w przemyśle budowlanym, rolniczym, samochodowym.

Polietyleny cieszą się na rynku tworzyw sztucznych największą popularnością. To materiały względnie tanie i bezpieczne dla środowiska naturalnego. Dodatek napełniaczy do tworzywa polietylenowego może służyć konstruowaniu kompozytu o zaplanowanych właściwościach, albo zmniejszaniu ceny materiału. Materiał o niższej cenie można uzyskać dodając do polimeru kredę czy talk, których koszt jest zazwyczaj mniejszy niż samego polimeru. Oszczędność jest tym większa, im więcej napełniacza wprowadzono do tworzywa. W ten sposób uzyskuje się materiały o jasnej - białej lub szarej barwie. Uzyskanie kompozytu o innym zabarwieniu wymaga wprowadzenia barwnika.

Kolor czarny uzyskać można przez dodatek sadzy czy czerni żelazową (magnetytu). Koszt każdego z tych dodatków, w przeciwieństwie do kredy czy talku, jest większy niż wartość samego polimeru. Dodatek taki jest uzasadniony, gdy wymienione barwniki pełnią w tworzywie dodatkową rolę na przykład stabilizatora UV, antystatyka, czy środka o dużej tolerancji cieplnej. Gdy jednak nie są wymagane szczególne właściwości materiału, poza ciemną lub czarną barwą, najważniejszą rolę odgrywa jego niska cena.

Dodatkowo sadza stanowi obciążenie podczas przetwórstwa, ze względu na jej silnie brudzące właściwości. Wymusza to żmudne i długotrwałe oczyszczanie urządzeń i pomieszczeń. W branży tworzyw sztucznych linia produkcyjna jest elementem drogim, ale najczęściej umożliwia wytwarzanie szerokiej gamy produktów o zróżnicowanym składzie, kształcie, czy przeznaczeniu. Przykładem takich urządzeń są wytłaczarki lub wtryskarki. Elementy robocze wytłaczarki, takie jak układ plastyfikujący, czyści się przepuszczając przez nie czysty polimer bazowy. Wadą takiego czyszczenia jest zużycie dodatkowych ilości polimeru, a co za tym idzie wytwarzanie znacznych ilości najczęściej bezużytecznych odpadów. Możliwe jest także do datkowe wykorzystanie specjalnych koncentratów czyszczących. Wytwarzanie produktów różniących się składem, przy każdorazowej zmianie asortymentu, wymaga usunięcia z układu plastyfikującego pozostałości uprzednio używanych surowców. W tym przypadku szczególnie uciążliwe jest czyszczenie elementów roboczych maszyny w przypadku zmiany koloru, ponieważ barwniki są najczęściej drobnymi cząsteczkami, które łatwo dyspergują w masie polimeru. W tym aspekcie jednym z najtrudniejszych do usunięcia typów zabrudzeń są czarne mieszaniny polimerowe z udziałem sadzy. Dlatego w przemyśle do produkcji kompozytów z udziałem sadzy najczęściej wydziela się osobną linię.

Sadza jest produktem przetwórstwa ciężkich olejów pochodzących z termiczno-chemicznej obróbki paliw. W przypadku magnetytu tylko niewielka jego część z ogólnej produkcji pochodzi ze źródeł naturalnych, najczęściej wykorzystuje się czerń syntetyczną. Tymczasem coraz częściej szczególną uwagę przywiązuje się do wykorzystywania materiałów zmniejszających obciążenie środowiska naturalnego. W zgłoszeniu WO 2015/135080 oraz publikacji S. C. Peterson, Journal of Elastomers and Plastic, DOI: 10.1177/0095244312459181 zaproponowano, jako zamiennik sadzy produkty pirolizy biomasy roślinnej lub zwierzęcej lub osadów ściekowyc h - tak zwany biowęgiel. Biowęgle zawierają względnie stabilny węgiel organiczny, węgiel wymywalny oraz popiół, a także związki aromatyczne, alifatyczne oraz łatwo ulegające degradacji utlenione związki węgla. Biowęgle wyróżniają się wysoką zawartością aromatycznych związków węgla, stąd udział węgla mieści się w zakresie 50-90%. Udział wody może wynosić 1-15%, substancji lotnych 0,40%, a substancji mineralnych 0,5-5%. Stosunek węgiel/azot może wynosić od 7 do 500, a nawet więcej. Zawartość fosforu i potasu znacznie się różni. Dla fosforu jest to zakres 2,7-480 g/kg, a dla potasu 1,0-58 g/kg [K. Malińska, Inżynieria i Ochrona środowiska, 2012,15(4), 387-403]. W efekcie parametry biowęgli różnią się pomiędzy sobą wpływając w znaczącym stopniu i nie zawsze k orzystnie, na właściwości przetwórcze i użytkowe kompozytów z ich udziałem. Zmniejsza to użyteczność biowęgli jako napełniaczy polimerów. Konieczne jest sporządzanie koncentratu, z którego w kolejnym etapie przygotowywany jest kompozyt, o docelowo niskiej zawartości biowęgla. Właściwości materiałów można dodatkowo poprawić stosując substancje pomocnicze. Operacje te jednak zwiększają koszty produktu.

Jako inną ekologiczną alternatywę uzyskania tanich, ekologicznych, wysoko napełnionych kompozytów o ciemnym zabarwieniu można rozważać zastosowanie w roli napełniacza drobnych

PL 231 449 B1 włókien naturalnych np. mączki drzewnej. Napełniacze tego typu cechuje jednak niska stabilność termiczna, z punktu widzenia warunków przetwórstwa większości tworzyw sztucznych, w tym polio lefin. Dodatkowo przetwórstwo takich kompozytów, bez dodatku środków pomocniczych, jest prawie niemożliwe, a uzyskana barwa nie jest jednolita. Nie można też za ich pomocą uzyskać barwy czarnej.

Celem wynalazku było uzyskanie tanich kompozytów tworzyw polietylenowych o ciemnym, jednorodnym zabarwieniu, zawierających napełniacz, stanowiący małe obciążenie dla środowiska naturalnego, a także stabilny w warunkach przetwórstwa polietylenów, którego rozkład termiczny następuje w temperaturze nie niższej niż 150°C, a także niepowodujący trudnych do usunięcia zabrudzeń linii przetwórczych, bez konieczności dodawania syntetycznych barwników.

Okazało się, że zastosowanie biowęgla otrzymanego w wyniku pirolizy osadów ściekowych, jako napełniacza w tworzywach polietylenowych, umożliwia uzyskanie tanich kompozytów o ciemnym, a nawet czarnym, jednorodnym zabarwieniu, bez konieczności stosowania dodatkowych barwników. Wprowadzenie do tworzywa napełniacza wyprodukowanego z osadu ściekowego, stwarza realną szansę zagospodarowania osadów i zmniejszenia obciążenia środowiska naturalnego.

Istota wynalazku polega na tym, że kompozyty zawierają 20-97 cg/g polietylenu i 3-80 cg/g biowęgla z osadów ściekowych, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze z zakresu 150-250°C.

Kompozyty według wynalazku zawierają polietylen i biowęgiel z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekr oczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze z zakresu 150-250°C. Koszt kompozytu jest tym mniejszy im więcej zawiera napełniacza. Barwa kompozytu jest tym ciemniejsza, im więcej zawiera on napełniacza. Zastosowanie biowęgla z osadu ściekowego w procesie przetwórstwa kompozytów nie powoduje uciążliwego zabrudzenia urządzeń przetwórczych. Nie ma zatem konieczności wydzielania osobnej linii produkcyjnej. Jest to bardziej ekonomiczne rozwiązanie, szczególnie dla firm wytwarzających szeroki asortyment kompozytów, wymagający częstych zmian surowców. Dodatkowo kompozyty z udziałem biowęgla są łatwo przetwarzalne; charakteryzują się niewielką zmianą wskaźnika szybkości płynięcia w porównaniu do czystego polietylenu. Przetwórstwo realizuje się w jednym etapie, bez konieczności stosowania substancji pomocniczych. Składnikiem kompozytów może być wyłącznie stabilny biowęgiel, czyli taki, którego rozkład oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze z zakresu 150-250°C.

P r z y k ł a d 1

Kompozyt zawiera:

• 3 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 200°C, zawierający 45% węgla całkowitego, w tym 25% węgla organicznego, • 97 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800s, o wskaźniku szybkości płynięcia 20 g/10 minut.

Kompozyt posiada barwę czarną (według modelu CIELab Commission Internationale d’Eclairage stosowanego jako fizyczna przestrzeń odniesienia, w którą odwzorowywane są inne modele koloru - parametry barwy są następujące: L = 31,55, a = 1,32, b = 3,35 oraz wskaźnik szybkości płynięcia 19,5 g/10 minut i wytrzymałość na rozciąganie 8 MPa.

P r z y k ł a d 2

Kompozyt zawiera:

• 5 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 150°C, zawierający 73% węgla całkowitego, w tym 55% węgla organicznego, • 95 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800s o wskaźniku szybkości płynięcia 20 g/10 minut.

Kompozyt posiada barwę czarną (według modelu CIELab parametry barwy są następujące: L = 26,13, a = -0,2, b = 0,35) oraz wskaźnik szybkości płynięcia 19 g/10 minut i wytrzymałość na rozciąganie 8 MPa.

PL 231 449 B1

P r z y k ł a d 3

Kompozyt zawiera:

• 50 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 250°C, zawierający 59% węgla całkowitego, w tym 20% węgla organicznego, • 50 cg/g polietylenu dużej gęstości o nazwie handlowej Hostalen GC 7260 (wskaźnik szybkości płynięcia 8 g/10 minut).

Kompozyt posiada barwę czarną (według modelu CIELab parametry barwy są następujące: L = a = -0,1, b = 0,5) oraz wskaźnik szybkości płynięcia 4 g/10minut, i wytrzymałość na rozciąganie 16 MPa.

P r z y k ł a d 4

Kompozyt zawiera:

• 80 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 200°C, zawierający 45% węgla całkowitego, w tym 25% węgla organicznego, • 20 cg/g polietylenu liniowego małej gęstości o nazwie handlowej Flexirene MS20A (MFI = 26 g/10 minut).

Kompozyt posiada barwię czarną (według modelu CIELab parametry barwy są następujące: L = a = -0,1, b = 0,2) oraz wskaźnik szybkości płynięcia 2,5 g/10 minut, i wytrzymałość na rozciąganie 8,5 MPa.

P r z y k ł a d 5

Kompozyt zawiera:

• 40 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 200°C, zawierający 45% węgla całkowitego, w tym 25% węgla organicznego, • 60 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800s. Kompozyt posiada barwę czarną. Wytłoczona ilość kompozytu wynosi 5 kg.

Do wyczyszczenia układu plastyfikującego wytłaczarki wystarczy 2,5 kg polimeru o handlowej nazwie LDPE Malen E 23D022.

P r z y k ł a d 6 porównawczy

Kompozyt zawiera:

• 40 cg/g sadzy Omcarb C140, produkcji OMSK Carbon Group, • 60 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800s. Kompozyt posiada barwę czarną. Wytłoczona ilość kompozytu wynosi 5 kg.

Do wyczyszczenia układu plastyfikującego wytłaczarki trzeba użyć aż 21 kg polimeru o handlowej nazwie LOPE Malen E 23D022.

P r z y k ł a d 7

Kompozyt zawiera:

• 3 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jato temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 200°C, zawierający 45% węgla całkowitego, w tym 25% węgla organicznego, • 97 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800s

Kompozyt posiada barwę czarną. Wytłoczona ilość kompozytu wynosi 5 kg. Do wyczyszczenia układu plastyfikującego wytłaczarki wystarczy 1,5 kg polimeru o handlowej nazwie LDPE Malen E 23D006. P r z y k ł a d 8 porównawczy Kompozyt zawiera:

• 3 cg/g sadzy Omcarb C140 produkcji OMSK Carbon Group, • 97 cg/g polietylenu o nazwie handlowej Lupolen 1800s.

Kompozyt posiada barwę czarną. Wytłoczona ilość kompozytu wynosi 5 kg Do wyczyszczenia układu plastyfikującego wytłaczarki potrzeba aż 16 kg polimeru o handlowej nazwie LDPE Malen E 23D006.

P r z y k ł a d 9 porównawczy

Kompozyt zawiera.

• 5 cg/g biowęgla z osadu ściekowego, którego rozkład termiczny oznaczany jako temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze 120°C, zawierający 75% węgla całkowitego, w tym 65% węgla organicznego, • 95 cg/g polietylenu małej gęstości o nazwie handlowej Lupolen 1800 s o wskaźniku szybkości płynięcia 20 g/10 minut.

PL 231 449 B1

Uzyskany kompozyt jest niehomogeniczny i posiada strukturę porowatą, co wynika ze zbyt niskiej stabilności termicznej biowęgla w stosunku do temperatur przetwórstwa polietylenu. Nie jest możliwe określenie parametrów jego barwy oraz właściwości reologiczno-wytrzymałościowych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Kompozyty polietylenowe, znamienne tym, że zawierają 20-97 cg/g polietylenu i 3-80 cg/g biowęgla z osadów ściekowych, którego rozkład termiczny oznaczany jato temperatura, w której ubytek masy biowęgla przekroczy 3% wagowych, rozpoczyna się w temperaturze z zakresu 150-250°C.