NO325706B1 - Kompositt plastmateriale - Google Patents

Abstract

Sammensetning for fremstilling av et plastkomposittmateriale omfattende en polymer, trefibre og microsilica.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører kompositt plastmaterialer, særlig plastmaterialer med naturlig organisk fyllstoff eller plastmaterialer forsterket med naturlige organiske fibre. Oppfinnelsen kan anvendes for termoset og termoplast materialer og en andel av fyllstoffene eller fibrene kan være syntetiske. Oppfinnelsen er særlig relevant for termoplast-materiale forsterket med trepulver eller trefibre.

Fiberforsterket plastmateriale blir utstrakt benyttet i bygningsindustrien, i bilindustrien og i flere andre høykvalitetsanvendelser på grunn av disse materialenes spesifikke egenskaper så som termisk stabilitet, slagseighet og strekkstyrke. I de senere år har bruk av naturfiber, hovedsakelig trepulver (eller fiber) blitt spesielt populært på grunn av deres tilgjengelighet, lave priser og lav tetthet sammenlignet med glassfiber. Disse naturfibrene har imidlertid også visse ulemper som inkluderer vanskelig prosesserbarhet (temperaturømfintlig), høy brennbarhet, dårligere mekaniske egenskaper og mest signifikant, høyere vannabsorbsjon enn for eksempel glassfiber. For å muliggjøre erstatning av glassfiber med naturfiber for lignende anvendelser, er det derfor nødvendig å forbedre egenskapene av den ferdige artikkel ved tilsetning av ytterligere materialer til komposittmaterialet.

Flammereduserende tilsetningsmidler kan være nødvendig for noen anvendelsesområder. Fyllstoffer slik som talk, kalsiumkarbonat eller wollastonitt eller kombinasjoner av disse med syntetiske fibre (for eksempel glass- eller karbonfibre) kan benyttes for å forbedre de generelt dårlige mekaniske egenskapene, men tilsats av disse materialene kan føre til andre negative effekter. En av disse ulempene er den høye kompoundviskositeten som fører til redusert prosesseringshastighet. Optimalisering av kompoundegenskapene og prosesseringsegenskaper og egenskapene til den ferdige artikkel fremstilt av disse plastkompoundene er derfor meget vanskelig.

Hovedproblemet med plastmaterialer som inneholder naturlige organiske fyllstoffer eller fibre, spesielt trefibre, er imidlertid vannabsorbsjon. Når plastmaterialet utsettes for vann eller fuktighet, vil materialet på grunn av innholdet av naturfibre absorbere vann og degradere.

Dette problemet har tidligere blitt adressert på to prinsipielle metoder:

a) Belegging av de naturlige organiske fibrene før de tilsettes til polymerresinen. Beleggingen utføres ved behandling av fibrene med

modifiserte polymerer, kalt kompatibilisatorer, for å frembringe et vanntett belegg på de individuelle fibrene eller partiklene. Denne metoden er meget kostbar og fører til økte kostnader for de ferdige produktene.

b) Belegging av de ferdige komposittplastmaterialene med et vanntett belegg. Denne metoden fører også til økte kostnader for de ferdige

produktene.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et kompositt plastmateriale med forbedrede egenskaper og en sammensetning for fremstilling av slike materialer. Mer spesifikt er det at formål å fremskaffe et plastmateriale med et naturlig fyllstoff eller naturfiber som oppviser redusert vannabsorbsjon samt en sammensetning for fremstilling av et slikt materiale.

I henhold til oppfinnelsen er det fremskaffet en sammensetning for fremstilling av kompositt plastmateriale omfattende en polymer i en mengde av 10 til 60 vekt %, et naturlig fyllstoff og/eller en naturfiber i en mengde av 40 til 80 vekt % og microsilica i en mengde av 3 til 20 vekt %.

Uttrykket microsilica brukt i beskrivelsen og i kravene i foreliggende søknad er partikkelformet amorf Si02 fremstilt fra en prosess hvor silika (kvarts) reduseres til SiO-gass og hvor reduksjonsproduktet oksideres i gassfase til amorf silika. Microsilica kan inneholde minst 80 vekt % silika (Si02) og har en spesifikk densitet av 2,1-2,3 g/cm<3> og et spesifikt overflateareal av 15-50 m<2>/g. Primærpartiklene er i det vesentlige kuleformede og har en midlere størrelse på ca. 0,15 ^im. Microsilica er fortrinnsvis fremstilt som et koprodukt ved produksjon av silisium eller silisiumlegeringer i elektriske reduksjonsovner. Microsilica gjenvinnes på konvensjonell måte i posefilter eller i andre oppsamlingsapparaturer og kan prosesseres videre for fjerning av grove partikler, overflate-modifikasjon og annet.

Fortrinnsvis inneholder microsilica mer enn 90 vekt % Si02 og har mindre enn 0,1 vekt % partikler med en partikkelstørrelse over 45 (j,m. Problemet med vannabsorbsjon blir løst ved den foreliggende oppfinnelse ved tilsetning av microsilica til polymeren. Selv om det er kjent at andre typer av amorf silika så som presipitat silika og pyrogent silika er porøse og absorberer vann, har det overraskende blitt funnet at tilsetning av microsilica sterkt reduserer vannabsorbsjonen i kompositt materialer som inneholder naturfibre.

Polymeren kan være en termosetpolymer eller en termoplastpolymer. Passende materialer inkluderer polyetylen (PE), polyvinylklorid (PVC), polypropylen (PP), polytelen tereptalate (PET). Naturfyllstoffet og naturfiberen inkluderer fibre så som trefibre, tremel, treflak, sagspon, kenat, lin, hamp og kombinasjoner av disse selv om andre fyllstoffer kan benyttes i tillegg til de som er nevnt ovenfor, slik som talk, CaC03, wollastonitt, aluminium trihydrat og kombinasjoner av disse.

Sammensetningen kan inkludere tilsetningsmidler slik som pigmenter, stabilisatorer, smøremidler og andre konvensjonelle tilsetningsmidler som benyttes i termoset- eller termoplastpolymerer.

Andelen av naturlig fyllstoff og/eller fibre er fortrinnsvis 45-60% for eksempel 50 til 60 vekt %.

Andelen av polymer er fortrinnsvis i området 20-50 vekt %, for eksempel 30-50 vekt %.

Andelen av microsilica er fortrinnsvis i området 5 til 15 vekt %, for eksempel 5 til 10 vekt %.

Når det benyttes en termosetpolymer benyttes det et konvensjonelt "cross linking" middel.

Det er blitt funnet at når sammensetningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse benyttes for fremstilling av et komposittmateriale, har materialet forbedrede egenskaper.

Det er blitt funnet mulig å redusere vannabsorbsjonen vesentlig samtidig som man oppnår ekstraordinær flammemotstandsdyktighet og samtidig forbedrer de mekaniske egenskapene og prosesserbarheten av materialet. Disse fordelaktige virkningene oppnås på grunn av tilstedeværelsen av microsilica. Ettersom bruk av microsilica sterkt reduserer sammensetningens vannabsorbsjon er det ikke nødvendig å belegge fibrene før disse blandes med polymerer eller å påføre et vanntett belegg på det ferdige produktet, og følgelig vil det resulterende komposittmaterialet være mindre kostbart enn de nåværende alternativene. I tillegg er det mulig å redusere andelen av relativt kostbar polymer.

Komposittmateriale kan fremstilles ved varmekstrudering av en sammensetning som beskrevet når polymeren er en termoplast, eller ved å forme sammensetningen og herde polymeren når polymeren er en termosetpolymer eller en annen form av "cross-linking" polymer.

Prosesseringsbetingelsene vil variere sterkt, men det er blitt funnet at tilsetning av microsilica ikke endrer prosesseringen av kompounden vesentlig. Konvensjonelt prosesseringsutstyr og prosesserings-betingelser kan derfor benyttes.

Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av sammensetning for fremstilling av et plast komposittmateriale.

Oppfinnelsen kan utføres på forskjellige måter og vil nå bli illustrert ved hjelp at de etterfølgende ikke-beregnende eksemplene.

I de etterfølgende tegningene viser;

Figur 1 et SEM bilde av polyetylen med høy densitet (HDPE) med trefiber; Figur 2 viser et SEM bilde av HDPE med trefiber, men som inneholder 10 vekt % microsilica; Figur 3 er et diagram som viser strekkmodul og strekkstyrke for et komposittmateriale omfattende HDPE både med og uten microsilica; Figur 4 viser et diagram som i figur 3 som viser bøyningsmodul og bøyningsstyrke; Figur 5 viser et diagram som viser Charpy slagfasthet for komposittmaterialer omfattende HDPE både med og uten microsilica; Figur 6 viser et diagram lignende Figur 5 som viser vannabsorbsjon; Figur 7 viser et diagram for strekkmodul og strekkstyrke for et komposittmateriale inneholdende PVC, både med og uten microsilica; Figur 8 viser et diagram tilsvarende til Figur 7 og viser bøyningsmodul og bøyningsstyrke; Figur 9 viser et diagram for Charpy slagfasthet for komposittmaterialer inneholdende PVC, både med og uten microsilica, og Figur 10 viser et diagram tilsvarende til Figur 9 og viser vannabsorbsjon. Figur 1 viser HDPE fyllt med trefibre i en forstørrelse på 1200 ganger. Materialet omfatter 60% trefibre og 40 vekt % HDPE. Figur 2 viser HDPE fyllt med trefibre i samme forstørrelse, men med tilsetning av 10% microsilica istedenfor polymer som gir en sammensetning på 10% microsilica, 30% HDPE og 60% trefibre, alt basert på vekt. Det kan ses at microsilica er jevnt dispergert i det trefiberforsterkede høydensitets polyetylen (HDPE). Det er viktig å legge merke til at god dispergering er essensielt for å oppnå de ønskede forbedrede egenskapene i sluttproduktet.

Eksempel 1: Tilsetning av amorf silica til trefiberfvllt HDPE

Det ble fremstilt prøver i henhold til parametrene i tabell 1.

Når blandingen blir prosessert er temperaturen slik at fuktighet blir avgitt. Av denne grunn avviker total vekt % fra 100%.

HDPE som ble benyttet var AD 60-007 (Exxon)

Microsilica som ble benyttet var SIDISTAR (Elkem)

Smøremiddel var STRUKTOL (Schill & Seilacher)

Konsentrasjonen av fibre og smøremiddel ble holdt konstant og tilsetning av silika reduserte dermed mengden av polymer. Dette betyr at ved 10% silikatilsetning inneholdt kompoundet bare 32% polymer. Det ble funnet at materialet kunne prosesseres uten vanskelighet. Ekstruderingsparametrene er vist i tabell 2.

Det er også overraskende at med en konstant ekstruderingshastighet og smeltetemperatur så avtar smeltetrykket med økende mengde av silika. Økningen i ekstruderingskraft har sin årsak i den energi som er nødvendig for å bryte ned silikaagglomeratene. Når agglomeratene er brutt ned til sfæriske primærartikler forbedrer de flyten og derved reduseres smeltetrykket.

Egenskaper relatert til strekkstyrke er vist i tabell 3. Test ble utført i samsvar med ISO 527-1 ved bruk av en konstant hastighet av 2 mm/min ved en temperatur av 23°C. Middelverdier og standardavvik er gitt for 5 forsøk per prøve. Resultatene er vist i diagramform på figur 3.

Egenskapene relatert til bøyningsstyrke av prøvene er vist i tabell 4. Forsøk ble utført i samsvar med ISO 178 ved bruk av en konstant hastighet av 2 mm/min, en temperatur av 23°C og en prøvelengde av 64 mm. Middelverdier og standardavvik er gitt for fem forsøk for hver prøve. Resultatene er vist i diagramform på figur 4.

Egenskaper relatert til Charpy slagfasthet er vist i tabell 5. Forsøkene ble utført i samsvar med ISO 179 ved 23°C inntil fullt brudd. Middelverdier og standardavvik er gitt for ti forsøk per prøve. Resultatene er vist i diagramform på figur 5.

Som det kan ses er de mekaniske egenskapene i tabell 3, 4 og 5 ikke dårligere i de tilfellene hvor microsilica er tilsatt, og i noen tilfeller er egenskapene forbedret.

Tabell 6 og 7 viser egenskaper relatert til vannabsorbsjon. I hvert tilfelle ble prøvene veid, neddykket i vann og deretter fjernet hvoretter vann fikk dryppe av i 15 minutter. Prøvene ble deretter veiet på nytt. Resultatene i tabell 6 tilsvarer 2 timers neddykking og resultatene i tabell 7 tilsvarer 24 timers neddykking.

Resultatene er vist i diagramform på figur 6.

Som det kan ses viser prøvene inneholdende microsilica en signifikant lavere vannabsorbsjon enn prøvene uten microsilica både etter neddykking i både 2 timer og 24 timer.

I eksempel 1 var prøvene kuttet i lengder fra ekstruderte plater med tverrsnittsdimensjon på 134 mm (bredde) og 9 mm (tykkelse).

Eksempel 2: Tilsetning av amorf silika til trefiberforsterket PVC

Silika ble tilsatt til et trefiberforsterket PVC kompound med forskjellige tilsatsmengder og sammenlignet med kompounder som bare inneholdt trefibre (se tabell 8 og 9). PVC kompundet inkluderer et konvensjonelt smøre/stabilisatorsystem.

Prøveresultatene er oppsummert i diagrammene på figurene 7 til 10.

På figur 7 til 10 representerer tallene på x-aksen i hvert tilfelle summen av trefibre og microsilicainnhold. Det vil ses at for mixene 1-4 er forholdet mellom trefibre og microsilica konstant på 9:1, d.v.s. at microsilicainnholdet i blandingen er konstant på 10 vekt %. I mix 5 er innholdet av PVC kompound 50%, men forholdet mellom trefibre og microsilica av de resterende 50 vekt % er 17:3, d.v.s. microsilicainnholdet av trefibre/microsilicablandingen er øket til 15 vekt %. Mix 5 verdiene er vist separat helt til høyre på figurene. Figur 7 viser strekkmodul og strekkstyrke av de forskjellige sammensetningene, kontroll 1-4 og blandingene 1-5 i henhold til oppfinnelsen. Figur 8 viser bøyningsmodul og bøyningsstyrke av kontroll 1-4 og blandingene 1-5. Figur 9 viser Charpy slagfasthet av kontroll 1-4 og blandingene 1-5. Figur 10 viser vannabsorbsjon for kontroll 1-4 og blandingene 1-5 etter at prøvene har vært neddykket i vann i 2 timer.

Forsøkene utført for å bestemme resultatene vist på figur 7 til 10 ble utført på samme måte som de tilsvarende forsøkene utført i forbindelse med HDPE beskrevet i eksempel 1.

Det kan ses at alle kompoundene inneholdende microsilica opp til en total konsentrasjon av 80% av fiber/silika er overlegne i de målte egenskapene i forhold til de som ikke inneholder microsilica. Dette betyr at kompounder som bare inneholder 20% polymer ikke bare er mulig å fremstille, men at de også har utmerkede egenskaper som har overlegne egenskaper i forhold til kjente komposittmaterialer av denne type.

Det er også meget sannsynlig at den brannundetrrykkende effekt av disse komposittmaterialene som inneholder en lavere mengde polymer og en viss mengde av ikke-brennbar materiale vil bli signifikant bedre.

Kombinasjonen av høy modul, høy slagstyrke og vesentlig forbedret brannmotstandsdyktighet uten å benytte halogen eller fosforinneholdende flammeretardere. Viktigst er imidlertid at den vesentlige reduserte vannabsorbsjon tilveiebringer en ny type av materialegenskaper som er fordelaktig for utvikling av en rekke produkter, for eksempel for bilindustri, konstruksjonindustri og elektrisk industri.

Claims (11)

1. En sammensetning for fremstilling av et plast komposittmateriale, omfattende: en polymer i en mengde av 10 til 60 vekt %, et naturlig (organisk) fyllstoff og/eller en naturlig (organisk) fiber i en mengde av 40 til 80 vekt % samt microsilica i en mengde av 3 til 20 vekt %.

2. Sammensetning ifølge krav 1, hvor polymeren er polyetylen (PE), polyvinylklorid (PVC), polypropylen (PP) eller polyetylentereftalat (PET).

3. Sammensetning ifølge krav 1 eller 2, hvor naturlige fyllstoffer er trefibre eller tremel, trespon sagspon, kenaf, lin, hamp eller kombinasjoner av disse.

4. Sammensetning ifølge et av de foregående krav, som i tillegg inneholder et ikke-organisk fyllstoff.

5. Sammensetning ifølge krav 4, hvor det ikke-organiske fyllstoffet er talk, kalsiumkarbonat, wollastonitt, aluminiumtrihydrat og kombinasjoner av disse.

6. Sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor microsilicaen har en spesifikk tetthet i området 2,1 til 2,3 g/cm<3>.

7. Sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor microsilicaen har et spesifikt overflateareal av 15 til 50 m<2>/g.

8. Sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor polymeren representerer fra 20 til 50 vekt % av sammensetningen.

9. Sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor det naturlige fyllstoffet og/eller naturfiberen representerer fra 40 til 60 vekt % av sammensetningen.

10. Sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor microsilica representerer fra 5 til 15 vekt % av sammensetningen.

11. Anvendelse av en sammensetning ifølge krav 1 for fremstilling av et plast komposittmateriale.