CN114286839A - 适合用于潮湿环境中的工具部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含聚合物组合物的工具部件。所述工具部件适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中。本发明进一步涉及一种制备所述工具部件的方法。本发明还涉及一种制备所述工具部件的方法。本发明进一步涉及所述聚合物组合物用于制备所述工具部件的用途。

Description

适合用于潮湿环境中的工具部件
本发明涉及一种包含聚合物组合物的工具部件。该工具部件适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中。本发明进一步涉及一种制备工具部件的方法。本发明还涉及一种制备工具部件的方法。本发明进一步涉及聚合物组合物用于制备工具部件的用途。
工具部件中常用的材料是例如金属、陶瓷和聚合物。聚合物由于如轻重量、易加工成形等的特性而比金属和陶瓷更有利。本领域已知包含聚合物组合物的工具部件。通常将工程塑料用于聚合物组合物中以实现所需耐久性。例如，JP2003025254A公开了一种由聚酰胺制成的电动工具手柄；CN202644260U涉及一种聚酰胺纱线切割装置。然而，由于聚酰胺的亲水性质，包括聚酰胺的工具部件不适合用于潮湿环境中或与水直接接触。聚烯烃组合物也已被用作工具部件，例如CN101974180A公开了一种可用作工具外壳的聚丙烯/短玻璃纤维组合物，但由该组合物制成的外壳遭受高翘曲；CN106397988A公开了一种包含基于聚丙烯的聚合物和α-成核剂和β-成核剂的聚丙烯组合物，以及包含所述聚丙烯组合物的园艺电动工具。虽然所述丙烯组合物展现导致低翘曲的低收缩间隙，但所述丙烯组合物的刚性对于重载荷而言不够高。
本发明的目的在于提供一种具有极佳的刚性、韧性和低翘曲的工具部件；该工具部件适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中。
该目的是通过包含聚合物组合物的工具部件实现的，其中聚合物组合物包含聚合物和增强纤维，其中增强纤维的数均长度为0.80至11.1mm。
意外地发现，根据本发明的工具部件适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中，因为根据本发明的工具部件中的聚合物组合物具有非常高的拉伸强度保持率。此外，根据本发明的工具部件还展现出高刚性、极佳的韧性和低翘曲。
工具部件
工具是用来扩展个体修改周围环境的特征的能力的物体。根据本发明的工具部件是指基本上由塑料制成的工具的部件。合适的工具部件包括但不限于盖或外壳、手柄或夹具，和工具基部。
优选工具部件是外壳和/或工具夹具。
“基本上由塑料制成”意指在工具部件中本发明的聚合物组合物的量为基于工具部件的总量计至少50重量％，优选至少60重量％，优选至少70重量％，优选至少80重量％，优选至少90重量％，最优选100重量％。
根据本发明的工具部件是工具的部件，所述工具可为例如由人的劳动而非马达供能的手动工具，例如刀子、扳手、钳子、切割用具、锤子、钻子、锯子、剪刀。例如，工具可为由不同于仅体力劳动的附加电源和机构致动的电动工具，例如链锯、电钻、割草机、研磨机、电动修剪器。电动工具中常用的电源包括但不限于电力、压缩空气和内燃机。
根据本发明的工具部件是适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的潮湿环境中的工具的部件。例如，工具是园艺工具，其包括但不限于割草机、扫叶机、链锯、吹叶机、树枝修剪器、斧头、大镰刀、干草叉、锹、铲子、镘刀、锄头、耙子、叉子。
根据本发明的工具部件是适合于重载荷的工具的部件。这类工具包括但不限于锤子、钳子、锯子、链锯、电钻、研磨机。
优选根据本发明的工具部件是重载荷工具，例如电钻、锤子，或/和园艺工具，例如铲子、割草机的部件。
根据ISO 1183-1:2019测量，工具部件的密度优选为1.08至2.51g/cm3，优选1.10至2.03g/cm3，更优选1.12至1.82g/cm3。
根据ISO 527-2:2012测量，工具部件的拉伸模量优选为5350至15000MPa，更优选5355至10032MPa，甚至更优选5358至9527MPa，其中试样是通过注塑制备的并且在测试前在40℃和85％相对湿度下调节48小时。
聚合物组合物
根据本发明的聚合物组合物包含聚合物和增强纤维。
出于本发明的目的，该聚合物组合物适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中。
为了避免混淆，“适合用于与水直接接触和/或用于相对湿度等于或高于55％的环境中”意指在40℃、85％相对湿度(相对湿度(RH)是在给定温度下水蒸气的分压与水的平衡蒸汽压的比率)下调节聚合物组合物的试样48小时之后，根据ISO 527-2:2012在室温(23℃)下测试，聚合物组合物的拉伸模量为至少5350MPa、优选至少6000MPa、优选至少7000MPa、优选至少8000MPa；并且根据ISO 179-1:2010在室温(23℃)下测试，聚合物组合物的抗冲击性为至少20KJ/m2、更优选至少22KJ/m2、更优选至少25KJ/m2。
优选聚合物组合物的拉伸强度保持率为至少0.70，优选至少0.80，优选至少0.90，优选至少0.92，优选至少0.95。拉伸强度保持率被定义为，在室温(23℃)下根据ISO 527-2:2012测试，对在23℃、50％相对湿度下调节48小时的试样测试的拉伸强度与对在40℃、85％相对湿度下调节48小时的试样测试的拉伸强度之间的比率。
优选聚合物组合物表征为其满足下列不等式：
Figure BDA0003522646190000031
在不等式(1)中，用来测定拉伸模量的试样在40℃、85％相对湿度下调节48h，之后在室温(23℃)下根据ISO 527-2:2012测试；用来测定抗冲击性的试样在40℃、85％相对湿度下调节48h，之后在室温(23℃)下根据ISO 179-1:2010测试；平均纤维长度是指在聚合物组合物中纤维的数均长度。
本发明的聚合物组合物还表征为具有低翘曲。聚合物组合物的翘曲可使用收缩间隙来量化。出于本发明的目的，优选聚合物组合物的收缩间隙为至多0.40％，优选至多0.38％，优选至多0.35％。收缩间隙是流动方向上的收缩与流动的垂直方向上的收缩之间的差异。收缩可例如根据以下程序来测量：
用来测定收缩的试样是通过将材料从侧面(60mm×2mm)的垂直方向注塑至尺寸为60mm×60mm×2mm的板形模具中制备的。
在试样冷却至室温(23℃)后，基于正面的大小(在收缩后略小于60mm×60mm)在流动方向和流动的垂直方向上测定收缩。根据以下方程计算收缩：
Figure BDA0003522646190000041
其中收缩f是流动方向上的收缩，60mm是收缩前试样正面的长度、等于模具的长度，lf是在流动方向上收缩后试样正面的长度。流动的垂直方向上的收缩可相应地使用在流动的垂直方向上收缩后试样正面的长度来计算。
聚合物
在本发明的聚合物组合物中的聚合物优选为非极性聚合物。
术语“非极性聚合物”意指聚合物包含很少的极性结构部分或不含极性结构部分。在极性结构部分中，电荷分离为带负电端和带正电端。聚合物中典型的极性结构部分包括但不限于醇、醚、羧酸、胺、腈或它们的混合物。
优选在根据本发明的聚合物中极性结构部分的量为基于聚合物的总量计至多40重量％，优选至多30重量％，优选至多20重量％，优选至多10重量％，优选至多5重量％，优选至多1重量％，甚至更优选0重量％。
合适的聚合物包括但不限于聚苯乙烯和聚烯烃。
优选在本发明的聚合物组合物中的聚合物为聚烯烃。
优选在本发明的聚合物组合物中的聚合物为聚丙烯。
例如，聚丙烯可为丙烯均聚物、丙烯无规共聚物或多相丙烯共聚物，优选聚丙烯为丙烯均聚物。
本领域已知生产聚丙烯的方法。优选本发明的聚丙烯在包括至少两个反应器的顺序聚合过程中产生，更优选本发明的聚丙烯在包括至少三个反应器的顺序聚合过程中产生。
用来生产聚丙烯的催化剂也是本领域已知的，例如齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂、茂金属催化剂。优选用来生产本发明的聚丙烯的催化剂不含邻苯二甲酸酯，例如催化剂包含IUPAC的第4至6族的过渡金属的化合物、第2族金属化合物和内部供体，其中所述内部供体是选自任选取代的丙二酸酯、马来酸酯、琥珀酸酯、戊二酸酯、环己烯-1,2-二羧酸酯、苯甲酸酯以及它们的衍生物和/或混合物的化合物，优选内部供体是柠康酸酯。
优选在本发明的聚合物组合物中的聚合物为聚丙烯，其中根据ISO 1133:2011在230℃、2.16kg载荷下，聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为15至200dg/min、优选30至100dg/min。
优选聚合物组合物中聚合物的量为基于聚合物组合物的总量计50重量％至90重量％、优选55重量％至80重量％、更优选57重量％至72重量％。
增强纤维
一般而言，纤维是其长度明显长于其截面直径的圆柱形物质。已知纤维可用于增强聚合物，从而导致改进的机械性质、例如刚性和/或韧性。
增强纤维的量优选为基于聚合物组合物的总量计10重量％至50重量％、优选20重量％至45重量％、更优选28重量％至43重量％。
在本发明中，增强纤维的数均直径为3至50μm，优选5至30μm，更优选7至25μm，更优选9至15μm。
常用于增强聚合物的纤维包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维、玄武岩纤维、纸纤维、木纤维、石棉纤维。
出于本发明的目的，优选增强纤维为无机纤维，例如玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维。
出于本发明的目的，优选增强纤维为玻璃纤维。
长增强纤维(在聚合物组合物中纤维的数均长度为0.5至50mm)和短增强纤维(在聚合物组合物中玻璃纤维的数均长度短于0.5mm)均可用于本发明中。
优选地，在根据本发明的聚合物组合物中使用的增强纤维为长增强纤维。
在聚合物组合物中增强纤维的数均长度为0.80至11.1mm，优选2.0至10.5mm，更优选4.0至8.3mm。增强纤维的数均长度可例如通过在800℃焚化5.0g聚合物组合物试样2小时、然后经由显微镜观察来测量玻璃纤维的长度而测定，其中聚合物组合物试样可通过将聚合物组合物注塑成尺寸为60mm×60mm×2mm的板、然后可从注塑板上切割5g试样来制备。
添加剂/冲击改性剂
本发明的聚合物组合物可含有常用的添加剂，例如成核剂和澄清剂、稳定剂、脱模剂、填料、过氧化物、塑化剂、抗氧化剂、润滑剂、抗静电剂、交联剂、抗刮擦剂、高效填料、颜料和/或着色剂、冲击改性剂、阻燃剂、发泡剂、除酸剂、再循环添加剂、偶联剂、抗微生物剂、防雾添加剂、滑爽添加剂、防粘连添加剂、聚合物加工助剂和类似物。这类添加剂是本领域众所周知的。技术人员将了解如何选择添加剂的类型和量以使得它们不会不利影响目标性质。
在优选实施方案中，本发明的聚合物组合物包含冲击改性剂，其中根据ASTMD2240-15ε1，冲击改性剂的Shore-A硬度为至多98。
方法
本发明进一步涉及制备工具部件的方法。
根据本发明的工具部件可通过将本发明的聚合物组合物注塑成所需形状来制备。
本发明的聚合物组合物可通过已知技术来制备，例如拉挤成型法，其中连续增强纤维纤丝束被展开成单个纤丝并经过浸渍口模拉制，向其中注入熔融聚合物，目的在于用熔融聚合物完全润湿并浸渍每一纤丝。从口模拉制约3mm直径的股线并随后冷却。最后，将股线切成具有所需长度的线段。在线段中玻璃纤维一般彼此平行，其中每一纤维单独被聚合物环绕。
例如，本发明的聚合物组合物可通过如WO2009080281A1中所描述的线材涂布法来生产。
例如，本发明的聚合物组合物还可通过挤出来制备。
优选本发明的聚合物组合物是通过根据WO2009080281A1的线材涂布法制备的。
本发明进一步涉及本发明的聚合物组合物用于制备工具部件的用途。
本发明进一步涉及本发明的聚合物组合物用于制备适合用于与水直接接触或用于相对湿度高于55％的环境中的制品的用途。
实施例
材料
在本发明中使用的所有材料都可商购获得：
比较例1：BASF
Figure BDA0003522646190000071
B3ZG6，包含30重量％玻璃纤维的基于聚酰胺的组合物。
比较例2：
Figure BDA0003522646190000072
PPCOMPOUND G3230A，包含30重量％短玻璃纤维的基于聚丙烯的组合物。
比较例3：
Figure BDA0003522646190000073
PPCOMPOUND G3240U，包含40重量％短玻璃纤维的基于聚丙烯的组合物。
实施例1：
Figure BDA0003522646190000074
STAMAXTM 30YK270，包含30重量％长玻璃纤维的基于聚丙烯的组合物。
实施例2：
Figure BDA0003522646190000075
STAMAXTM 40YM240，包含40重量％长玻璃纤维的基于聚丙烯的组合物。
实施例3：实施例3由90重量％
Figure BDA0003522646190000076
STAMAXTM 40YM240和10重量％
Figure BDA0003522646190000077
FORTIFYTM C1055D组成。
试样制备
所有材料都以粒料形式提供，粒料在100℃在真空中干燥2小时，之后成型为试样。
为了制备实施例3的试样，在成型前使
Figure BDA0003522646190000081
STAMAXTM40YM240的粒料和
Figure BDA0003522646190000082
FORTIFYTM C1055D的粒料均化。
用来测定抗冲击性、拉伸模量、拉伸强度、收缩和数均玻璃纤维长度的试样是通过使用FANUC注塑机(S-2000i)注塑制备的。
为了制备用于测定收缩和数均玻璃纤维长度的试样，使用尺寸为60mm×60mm×2mm的板形模具，从侧面(60mm×2mm)的垂直方向注塑材料。用来测定数均玻璃纤维长度的试样是来自注塑板的5.0g切割件。
调节
标准调节：在测试前将试样在23℃和50％相对湿度下调节48小时；
高湿度下调节：在测试前将试样在40℃和85％相对湿度下调节48小时。
试验方法
抗冲击性是在Charpy冲击试验中获得的，根据ISO 179-1:2010，在室温(23℃)下在配备有5J摆锤的Toyoseiki Digital Impact DG-UB机上进行。在所用标准中定义了用于该试验的试样的形状。
拉伸模量和拉伸强度是经由在室温(23℃)下根据ISO 527-2:2012进行的拉伸试验获得的。在所用标准中定义了用于该试验的试样的形状。
密度是在23℃使用抗冲击性测量的试样根据ISO 1183-1:2019测量的。
收缩是在试样冷却至室温(23℃)之后，基于正面的大小(在收缩后略小于60mm×60mm)在流动方向和流动的垂直方向上测定的。根据以下方程计算收缩：
Figure BDA0003522646190000083
其中收缩f是流动方向上的收缩，60mm是在试样冷却前试样正面的长度、等于模具的长度，lf是在试样冷却后试样正面在流动方向上的长度。流动的垂直方向上的收缩可相应地使用在试样冷却后其正面的试样长度来计算。
收缩间隙是流动方向上的收缩与流动的垂直方向上的收缩之间的差异。
玻璃纤维的数均长度是通过在800℃焚化5.0g试样2小时、然后经由显微镜观察来测量玻璃纤维的长度测定的。
结果
所有实施例的性能如下表1中所示：
表1.所有样品的性能
Figure BDA0003522646190000091
出于本发明的目的，比较例1的高湿度下调节后的拉伸模量过低。比较例2、比较例3和所有发明实施例在高湿度下调节后展现极佳的拉伸模量，但仅发明实施例具有高于20KJ/m3的冲击性能和小于0.35％的收缩间隙。此外，仅发明实施例满足不等式(1)。
因此，仅发明实施例适合用于待在相对湿度等于或高于55％的高湿度环境中使用的工具部件中。

Claims (15)

1.包含聚合物组合物的工具部件，其中所述聚合物组合物包含聚合物和增强纤维，其中所述增强纤维的数均长度为0.80-11.1mm，其中所述聚合物组合物中的所述聚合物为聚丙烯，其中根据ISO 1133:2011在230℃利用2.16kg载荷，所述聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为30至100dg/min，其中根据ISO 1183-1:2019测量，所述工具部件的密度为1.08至2.51g/cm3。
2.根据权利要求1所述的工具部件，其中所述增强纤维的量优选为基于所述聚合物组合物的总量计10重量％至50重量％、优选20重量％至45重量％、更优选28重量％至43重量％。
3.根据权利要求1或2所述的工具部件，其中在所述聚合物组合物中所述增强纤维的数均长度为2.0至10.5mm，更优选4.0至8.3mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述增强纤维是无机纤维，优选玻璃纤维。
5.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中在所述工具部件中所述聚合物组合物的量为基于所述工具部件的总量计至少50重量％，优选至少60重量％，优选至少70重量％，优选至少80重量％，优选至少90重量％，最优选100重量％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述聚合物组合物的拉伸强度保持率为至少0.70、优选至少0.80、优选至少0.90、优选至少0.92、优选至少0.95，其中所述拉伸强度保持率是在室温(23℃)下根据ISO 527-2:2012测试，对在23℃、50％相对湿度下调节48小时的试样测试的拉伸强度与对在40℃、85％相对湿度下调节48小时的试样测试的拉伸强度之间的比率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中根据ISO527-2:2012在室温(23℃)下测试，所述聚合物组合物的拉伸模量为至少5350MPa、优选至少6000MPa、优选至少7000MPa、优选至少8000MPa，其中所述聚合物组合物的试样在40℃、85％相对湿度下调节48小时。
8.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中根据ISO179-1:2010在室温(23℃)下测试，所述聚合物组合物的抗冲击性为至少20KJ/m2、更优选至少22KJ/m2、更优选至少25KJ/m2，其中所述聚合物组合物的试样在40℃、85％相对湿度下调节48小时。
9.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述聚合物组合物表征为其满足以下不等式：
Figure FDA0003522646180000021
其中用来测定所述拉伸模量的试样在40℃、85％相对湿度下调节48小时，之后在室温(23℃)下根据ISO 527-2:2012测试；用来测定抗冲击性的试样在40℃、85％相对湿度下调节48小时，之后在室温(23℃)下根据ISO 179-1:2010测试；平均纤维长度是指在所述聚合物组合物中所述纤维的数均长度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述聚合物组合物中的所述聚合物的极性结构部分的量为基于所述聚合物的总量计至多40重量％，优选至多30重量％，优选至多20重量％，优选至多10重量％，优选至多5重量％，优选至多1重量％，甚至更优选0重量％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述聚合物组合物中的所述聚合物是聚丙烯均聚物。
12.根据前述权利要求中任一项所述的工具部件，其中所述工具是重载荷工具，例如电钻、锤子，或/和园艺工具，例如铲子、割草机。
13.制备根据前述权利要求中任一项所述工具部件的方法，所述方法包括将根据权利要求1至11中任一项所述的聚合物组合物注塑以获得所述工具部件的步骤。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的聚合物组合物用于制备工具部件的用途。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的聚合物组合物用于制备适合用于与水直接接触或用于相对湿度高于55％的环境中的制品的用途。
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