PL232239B1 - Sposób wytwarzania pojemników kompozytowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania pojemników kompozytowych, przede wszystkim skrzynek transportowych.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą wytwarzania elementów z termoplastycznych tworzyw sztucznych jest formowanie wtryskowe. Istota formowania wtryskowego polega na nagrzaniu porcji materiału wyjściowego, na ogół w postaci granulatu, do stanu plastycznego, a następnie wtryśnięciu go pod wysokim ciśnieniem do zamkniętej formy, której gniazdo odwzorowuje kształt wytwarzanego elementu. Po wtryśnięciu tworzywo zestala się na skutek spadku temperatury i gotowa kształtk a jest usuwana z wnętrza formy wtryskowej.

Typowo proces wytwarzania pojemników kompozytowych składa się z dwóch etapów:

1. ) homogenizacja mieszanki przeznaczonej do wtrysku, najczęściej przeprowadzana poprzez wysokotemperaturowe uplastycznienie składników kompozytu metodą wytłaczania,

2. ) proces wtrysku kompozytu.

W takim procesie konieczne jest wykorzystanie co najmniej jednej niezależnej wytłaczarki najczęściej dwuślimakowej oraz wtryskarki. Należy zaznaczyć, że wytłaczarka jest urządzeniem bardzo drogim w zakupie i eksploatacji. W takim rozwiązaniu kompozyt jest dwukrotnie ogrzewany powyżej temperatury topnienia tworzywa (powyżej 130°C). Poza dodatkowym generowaniem kosztów dwuetapowy proces wtrysku wydłuża również czas produkcji gotowego wyrobu.

W celu zmniejszenia kosztów związanych z wielokrotnym ogrzewaniem tworzywa w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach stosuje się linie, w których wytłaczarka jest sprzężona z wtryskarką, dzięki czemu wytłoczyna transportowana jest bezpośrednio do wtryskarki. W efekcie skraca się czas produkcji oraz zmniejsza się energochłonność procesu. Formowanie wtryskowe kompozytów poliolefinowych z udziałem nanonapełniaczy mineralnych według tego rozwiązania przedstawiono, w książce pt. „Multi-Functionality of Polymer Composites: Challenges and New Solutions”, ISBN: 978-0-32328434-1.

Znane są sposoby mające na celu skrócenie czasu i obniżenie kosztów formowania wtryskowego kompozytów polipropylenowych, zarówno poprzez optymalizację składu mieszanki wtryskowej, jak i warunków procesu wtrysku. W opisie patentowym CN103030883 ujawniono skład kompozytu polipropylenowego, który umożliwia skrócenie czasu cyklu wtrysku kształtek. Kompozyt zawierał 55-94% wagowych polipropyleny, 0,5-5% wagowych modyfikatora płynności, 0,1-1% środka przyspieszającego krystalizację, 5-30% wagowych napełniaczy mineralnych, 0-20% wagowych elastomerów, 0,1-2% wagowych stabilizatorów, 0-5% innych dodatków. W opisanym rozwiązaniu homogenizację kompozytu prowadzono dwuetapowo z wykorzystaniem wytłaczarki dwuślimakowej. Z kolei w opisie patentowym CN 103802264 ujawniono sposób formowania wtryskowego kompozytów polipropylenowych z talkiem, którego główną zaletą było skrócenie czasu cyklu wtrysku. Znane są również kompozyty polipropylenowe przeznaczone do wytwarzania metodą formowania wtryskowego pojemników o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej. W opisie patentowym CN105542375 ujawniono skład kompozytów polipropylenowych przeznaczonych na wyroby cienkościenne, cechujących się zwiększoną płynnością, sztywnością oraz odpornością na uderzenia. Skład kompozytów obejmował 40-70% wagowych polipropylenu, 15-25% wagowych napełniaczy mineralnych: talku, miki i wollastonitu, 5-25% wagowych elastomerów, na przykład kopolimerów etylenu z propylenem i/lub oktenem i/lub butenem, 0,1-2% wagowych stabilizatora, 0-5% wagowych innych dodatków. Przed etapem wtrysku wszystkie składniki kompozytu mieszano w szybkoobrotowym mieszalniku przez 3-15 minut, po czym tak przygotowaną mieszaninę homogenizowano przy użyciu wytłaczarki dwuślimakowej.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania pojemników kompozytowych odznaczających się korzystnymi właściwościami użytkowymi, zwłaszcza właściwościami mechanicznymi, takimi jak odporność na uderzenia, z kompozytów polipropylenowych, których skład umożliwia wytwarzanie pojemników w procesie bezpośredniego formowania wtryskowego.

Okazało się, że kompozyty na bazie polipropylenu, zawierające granulaty i/lub regranulaty polipropylenowe o wskaźniku szybkości płynięcia nie mniejszym niż 50 g/10 minut, kopolimery etylenu z jednym bądź dwoma monomerami z grupy olefin C2-C8 i/lub ze styrenem, napełniacze mineralne o strukturze iglastej i sferycznej oraz środki poślizgowe, można wykorzystać do wytwarzania pojemników, odznaczających się korzystnymi właściwościami użytkowymi zwłaszcza właściwościami mechanicznymi takimi jak odporność na uderzenia, w procesie bezpośredniego formowania wtryskowego,

PL 232 239 B1 z wykluczeniem typowo stosowanego, poprzedzającego etapu homogenizacji składników kompozytu w procesie wytłaczania.

Istota sposobu według wynalazku, polega na tym, że do wtryskarki wyposażonej w dwa dozowniki grawimetryczne, o profilu temperaturowym w kierunku od strefy zasypowej do formy od 180 do 250°C, temperaturze formy od 45 do 70°C i czasie obciążenia cieplnego kompozytu w zakresie od 4 do 8 minut wprowadza się:

- do pierwszego dozownika 83-97 części wagowych granulatów i/lub regranulatów polipropylenowych o wskaźniku szybkości płynięcia nie mniejszym niż 50 g/10 minut,

- do drugiego dozownika mieszaninę:

• 0,5-5 części wagowych kopolimerów etylenu z jednym bądź dwoma monomerami z grupy olefin C2-C8 i/lub ze styrenem o proporcjach wagowych kopolimerów etylenu z udziałem styrenu względem pozostałych kopolimerów wynoszących od 1:1 do 1:2, • 1,5-10 części wagowych napełniaczy mineralnych o strukturze sferycznej i iglastej o średnim wymiarze cząstek w zakresie 12-60 gm, których proporcje wagowe wynoszą 1,8:1 - 2:1, a napełniacz o strukturze iglastej jest modyfikowany mieszaniną alkoholu polioksyetyleno-cetylo-stearylowego oraz oleju kokosowego, których proporcje wagowe wynoszą od 1:1 do 1:1,2, • 0,5-1 części wagowych etoksylowanego utwardzonego oleju rycynowego o liczbie jodowej < 2, • 0,5-1 części wagowych oleju parafinowego o gęstości od 854 do 868 kg/m³, ciężarze cząsteczkowym od 360 do 530 g/mol oraz o 20-28 atomów węgla po przedestylowaniu 5% oleju, sporządzoną w następujący sposób do odstojnika z mieszadłem wprowadza się kopolimery etylenu oraz olej parafinowy i miesza się przez co najmniej 3 minuty, po czym wyłącza mieszadło i po upływie co najmniej 1 godziny ponownie uruchamia się mieszadło i po upływie co najmniej 5 minut wprowadza się kolejno napełniacz mineralny o strukturze sferycznej i etoksylowany olej rycynowy, a następnie modyfikowany napełniacz o strukturze iglastej w odstępie co najmniej 10 minutowym, proces mieszania kontynuuje się przez kolejne co najmniej 10 minut w temperaturze od 22 do 35°C, po czym prowadzi się proces formowania.

Korzystnie jest, jeżeli mieszaninę przeznaczoną do formowania wtryskowego przygotowuje się w czasie nieprzekraczającym 2 godzin.

Korzystnie jest, jeżeli mieszanie prowadzi się w temperaturze nie mniejszej niż 30°C.

Korzystnie jest, jeżeli proces formowania wtryskowego prowadzi się w temperaturach od 190 do 230°C w kierunku od strefy zasypowej do formy.

Korzystnie jest, jeżeli temperaturę formy utrzymuje się w zakresie 55-70°C.

Skład kompozytów według w sposobie według wynalazku umożliwia wytwarzanie pojemników kompozytowych w ekonomicznym procesie bezpośredniego wtrysku kompozytu z pominięciem kosztownego etapu wysokotemperaturowej homogenizacji składników kompozytu w wytłaczarce. W sposobie według wynalazku składniki kompozytu za wyjątkiem granulatu i/lub regranulatu polipropylenowego homogenizuje się w niskiej temperaturze (do 35°C) przy użyciu typowego odstojnika z mieszadłem, po czym uzyskaną mieszaninę kieruje się do dozownika wtryskarki, natomiast homogenizację granulatu i/lub regranulatu polipropylenowego z tak uzyskaną mieszanką prowadzi się bezpośrednio, w układzie plastyfikującym wtryskarki.

P r z y k ł a d 1

Składniki kompozytu wprowadza się do wtryskarki wyposażonej w dwa dozowniki grawimetryczne:

- do pierwszego dozownika wprowadza się regranulat polipropylenowy o wskaźniku szybkości płynięcia 64 g/10 minut,

- do drugiego dozownika wprowadza się mieszaninę pozostałych składników:

• 3 części wagowe mieszaniny kopolimerów SEPS Kraton G 1701E i Engagae 8480 w stosunku wagowym 1:2, • 5 części wagowych mieszaniny perlitu EP 100 (d50 = 60 gm) i modyfikowanego wollastonitu (d50 = 12) w stosunku 2:1, • 1 część wagową etoksylowanego utwardzonego oleju rycynowego,

PL 232 239 B1 • 1 część wagową oleju parafinowego Ondina 934 o gęstości od 866 kg/m³, ciężarze cząsteczkowym od 485 g/mol, którego ilość atomów węgla po przedestylowaniu 5% oleju wynosi 23, sporządzoną następująco: do odstojnika z mieszadłem wprowadza się kopolimery etylenu oraz olej parafinowy i miesza się przez 3 minuty, po czym wyłącza się mieszadło. Następnie po upływie 1 godziny uruchamia się mieszadło; w tym czasie olej jest absorbowany przez kopolimery etylenowe. Po upływie 5 minut od uruchomienia mieszadła wprowadza się napełniacz mineralny perlit oraz etoksylowany olej rycynowy, a następnie modyfikowany wollastonit w odstępie 10 minutowym. Mieszanie składników kontynuuje się przez kolejne 10 minut. Proces mieszania prowadzi się w temperaturze 25°C.

Proces formowania wtryskowego prowadzi się przy użyciu wtryskarki laboratoryjnej o średnicy ślimaków 25 mm i stosunku L/D wynoszącym 14.

Proces formowania wtryskowego prowadzi się w następujących warunkach:

- profil temperaturowy w kierunku od strefy zasypowej do formy wynosi od 180 do 220°C,

- temperatura formy 70°C,

- czas docisku 6 s,

- ciśnienie wtrysku 950 bar,

- ciśnienie docisku 390 bar,

- czas obciążenia cieplnego kompozytu 4 minuty.

Nie obserwuje się problemów podczas procesów mieszania i wtrysku. Kształtki uzyskane sposobem według wynalazku cechują się równomierną barwą (brak przebarwień) oraz wytrzymałością na rozciąganie 19,5 MPa i modułem elastyczności 343 MPa.

P r z y k ł a d 2

Kompozyt przygotowuje się w następujący sposób: składniki kompozytu wprowadza się do wtryskarki wyposażonej w dwa dozowniki grawimetryczne:

- do pierwszego dozownika wprowadza się mieszaninę granulatu i regranulatu polipropylenowego o wskaźniku szybkości płynięcia 50 g/10 minut,

- do drugiego dozownika wprowadza mieszaninę pozostałych składników o składzie jak w przykładzie 1 sporządzoną następująco: do odstojnika z mieszadłem wprowadza się kopolimery etylenu oraz olej parafinowy i miesza się przez 3 minuty po czym wyłącza się mieszadło i po upływie 1 godziny ponownie uruchamia się mieszadło. Po upływie 10 minut od uruchomienia mieszadła wprowadza się napełniacz mineralny perlit oraz etoksylowany olej rycynowy, a następnie modyfikowany wollastonit w odstępie 15 minutowym. Mieszanie składników kontynuuje się przez kolejne 15 minut. Proces mieszania prowadzono w temperaturze 35°C.

Proces formowania wtryskowego prowadzi przy użyciu wtryskarki laboratoryjnej o średnicy ślimaków 25 mm i stosunku L/D wynoszącym 14.

Proces formowania wtryskowego prowadzi się w następujących warunkach:

- profil temperaturowy w kierunku od strefy zasypowej do formy wynosi od 210 do 250°C,

- temperatura formy 50°C,

- czas docisku 6 s,

- ciśnienie wtrysku 950 bar,

- ciśnienie docisku 390 bar,

- czas obciążenia cieplnego kompozytu 8 minut.

Kształtki uzyskane sposobem według wynalazku cechują się równomierną barwą (brak przebarwień) oraz wytrzymałością na rozciąganie 20 MPa i modułem elastyczności 335 MPa. Nie obserwuje się problemów podczas procesów mieszania i wtrysku.

P r z y k ł a d 3 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 1, z tym, że temperaturę mieszania utrzymuje się na poziomie 19°C. Nie uzyskuje się homogenicznej mieszaniny. Składniki proszkowe mieszaniny rozdzielają się podczas transportu do dozownika wtryskarki.

P r z y k ł a d 4 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 2, z tym, że temperaturę cylindra wtryskarki w kierunku od strefy zasypowej do formy utrzymuje się w zakresie od 190 do 280°C, a temperaturę formy na poziomie

95°C. Na otrzymanych kształtkach obserwuje się przebarwienia. Kształtki mają wytrzymałość na rozciąganie 17,2 MPa.

PL 232 239 B1

P r z y k ł a d 5 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 2, z tym, że temperaturę cylindra wtryskarki w kierunku od strefy zasypowej do formy utrzymuje się na poziomie od 150 do 220°C, temperatura formy wynosiła 30°C. Obserwuje się wady materiałowe w postaci skurczu.

P r z y k ł a d 6 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 2, lecz przy czasie obciążenia cieplnego kompozytu 2 minuty. Kształtki posiadają wady materiałowe w postaci niedolewów - nie są uformowane w całości.

P r z y k ł a d 7 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 1, lecz przy czasie obciążenia cieplnego kompozytu 11 minut. Na otrzymanych kształtkach występują przebarwienia.

P r z y k ł a d 8 porównawczy

Proces prowadzi się jak w przykładzie 1, z tym, że przy czasach w mieszalniku skróconych o 25%. Składniki proszkowe mieszaniny rozdzielają się podczas transportu do dozownika wtryskarki.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (5)

1. Sposób wytwarzania pojemników kompozytowych, znamienny tym, że do wtryskarki wyposażonej w dwa dozowniki grawimetryczne, o profilu temperaturowym w kierunku od strefy zasypowej do formy od 180 do 250°C, temperaturze formy od 45 do 70°C i czasie obciążenia cieplnego kompozytu w zakresie od 4 do 8 minut wprowadza się:

- do pierwszego dozownika 83-97 części wagowych granulatów i/lub regranulatów polipropylenowych o wskaźniku szybkości płynięcia nie mniejszym niż 50 g/10 minut,

- do drugiego dozownika mieszaninę:

• 0,5-5 części wagowych kopolimerów etylenu z jednym bądź dwoma monomerami z grupy olefin C2-C8 i/lub ze styrenem, o proporcjach wagowych kopolimerów etylenu z udziałem styrenu względem pozostałych kopolimerów wynoszących od 1:1 do 1:2, • 1,5-10 części wagowych napełniaczy mineralnych o strukturze sferycznej i iglastej o średnim wymiarze cząstek w zakresie 12-60 gm, których proporcje wagowe wynoszą 1,8:1-2:1, a napełniacz o strukturze iglastej jest modyfikowany mieszaniną alkoholu polioksyetyleno-cetylo-stearylowego oraz oleju kokosowego, których proporcje wagowe wynoszą od 1:1 do 1:1,2, • 0,5-1 części wagowych etoksylowanego utwardzonego oleju rycynowego o liczbie jodowej < 2, • 0,5-1 części wagowych oleju parafinowego o gęstości od 854 do 868 kg/m³, ciężarze cząsteczkowym od 380 do 530 g/mol oraz o 20-28 atomów węgla po przedestylowaniu 5% oleju, sporządzoną w następujący sposób: do odstojnika z mieszadłem wprowadza się kopolimery etylenu oraz olej parafinowy i miesza się przez co najmniej 3 minuty, po czym wyłącza mieszadło i po upływie co najmniej 1 godziny ponownie uruchamia się mieszadło i po upływie co najmniej 5 minut wprowadza się kolejno napełniacz mineralny o strukturze sferycznej etoksylowany olejem rycynowym, a następnie napełniacz o strukturze iglastej w odstępie co najmniej 10 minutowym, proces mieszania kontynuuje się przez kolejne co najmniej 10 minut w temperaturze od 22 do 35°C, po czym prowadzi się proces formowania.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę przeznaczoną do formowania wtryskowego przygotowuje się w czasie nieprzekraczającym 2 godzin.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszanie prowadzi się w temperaturze nie mniejszej niż 30°C.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces formowania wtryskowego prowadzi się w temperaturach od 190 do 230°C w kierunku od strefy zasypowej do formy.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę formy utrzymuje się w zakresie 55-70°C.