RO121126B1 - Compoziţie termoplastică, pe bază de polimeri sintetici şi compuşi naturali, şi procedeu de obţinere a acesteia - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o compoziţie termoplastică, pe bază de polimeri sintetici şi compuşi naturali, sub formă de granule, plăci sau profiledestinate înlocuirii lemnului şi maselor plastice în construcţii, industria mobilei şi repere tehnice, sau de uz general, şi la un procedeu de obţinere a acesteia. Compoziţia conform invenţiei este constituită din 30...90 părţi în greutate stuf - Phragmites Communis măcinat, 10...60 părţi în greutate dintr-un polimer ales dintre: polietilenă, propilenă izotactică, copolimer olefinic, terpolimer acrilonitril-butadien-stirenic sau amestec al acestora şi 0,2...30 părţi în greutate agent de aderenţă, la care se pot adăuga, până la 10% faţă de amestecul total, auxiliari şi agenţi de prelucrare. Procedeul pentru obţinerea compoziţiei termoplastice, conform invenţiei, constă în aceea că se compoundează stuf măcinat, într-un extruder sau malaxor continuu, la temperaturi de 120...250°C şi viteze de forfecare de maximum 104 sec-1, timp de 2...10 min, împreună cu un polimer termoplastic, un agent de aderenţă şi unul sau mai mulţi auxiliari-aditivi, după care compoziţia rezultată se formeazăîn granule, profile sau plăci, la trecere printr-o duză, iar în final, se răcesc sub 100°C, în mod în sine cunoscut.

Description

Prezenta invenție se referă la o compoziție termoplastică, pe bază de polimeri sintetici și compuși naturali, și la un procedeu de obținere a acesteia sub formă de granule, plăci sau profite, compoziție destinată înlocuirii lemnului și maselor plastice în construcții, industria mobilei, cât și pentru producerea de repere tehnice sau de uz general.

Se cunosc compozite conținând polimeri termoplastici, ca policlorură de vinii (PVC), polietilenă, polipropilenă, acrilonitril-butadienă-stiren (ABS) și rumeguș sau făină din lemnul copacilor de diferite esențe, provenind ca subproduse ale industriei de cherestea și mobilă. Fiind vorba de amestecuri eterogene structural, aceste compozite prezintă dezavantajul unei fluctuații fizico-mecanice și de utilizare, nefiind posibilă selectarea unor măcinaturi de esență pură. Sursa acestor materiale lemnoase este limitată de continua scădere a suprafețelor de pădure și de restricționarea exploatării acestora pe considerente ecologice, cât și de concurența pentru aceeași sursă de materie primă a industriei de celuloză și hârtie, dar și de faptul că un copac din care se valorifică numai 50% este regenerabil în 20...50 de ani.

Un alt dezavantaj al compozițiilor și procedeelor de obținere cunoscute este acela că folosesc agenți de compatibilizare cu acțiune exclusiv fizică, ceea ce limitează adeziunea între particulele componente și, implicit, rezistența mecanică a materialului compozit.

Lemnul și materialele plastice au urmat și continuă să urmeze trasee paralele de utilizare în domeniile sus-menționate, fiecare având avantaje și dezavantaje specifice, încercarea de a îmbina avantajele, eliminând dezavantajele, a dus la apariția compozițiilor sau compozitelor polimer termoplastic-lemn cu proprietăți termoplaste, prelucrate prin metodele specifice acestora din urmă, dar prezentând proprietăți de utilizare specifice materiilor lemnoase.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este de a stabili rapoartele optime de asociere a componentelor și un procedeu specific de obținere a compoziției date.

Compoziția termoplastică, conform invenției, înlătură dezavantajele soluțiilortehnice cunoscute, prin aceea că este constituită din 30...90 părți în greutate siuf-Phragmites Communis măcinat, 10...60 părți în greutate dintr-un polimer ales dintre: polietilenă, polipropilenă izotactică, copolimer olefinic, terpolimeracrilonitril-butadien-stirenic sau amestec al acestor polimeri și 0,2...30 părți în greutate un agent de aderență, cunoscut în domeniu, la care se pot adăuga, până la 10% față de amestecul total, auxiliari și agenți de prelucrare, aleși dintre lubrifianți, stabilizatori, antioxidanți, biocizi, ignifuganți, porofori sau pigmenți cunoscuți în domeniu.

într-o altă variantă, în amestecul de stuf măcinat și polimer termoplast se introduc 2...10%. față de amestecul total, o anhidridă maleică, un acrilat sau un metacrilat și/sau 0,2...3%, față de amestecul total, un peroxid organic capabil de a genera radicali liberi, activi la temperatura de lucru.

Agentul de aderență este ales dintre: copolimeri lineari și grefați ai olefinelor cu monomeri conținând grupe funcționale hidroxil, carbonil, anhidridă, carboxil sau ester, polipropilenă atactică, amidon și/sau gluten în stare pură, sau alte substanțe naturale, care conțin acești compuși, și un neoalcoxititanat sau neoalcoxizirconat.

Stuful măcinat poate conține până la maximum 10% material lignocelulozic provenit din alte plante ce însoțesc stuful în zonele de recoltare.

Procedeul pentru obținerea compoziției termoplastice, conform invenției, constă în aceea că, pentru obținerea unei mase omogene compozițional și izotrope ca proprietăți, se compoundează stuf măcinat într-un extruder sau malaxor continuu, la temperaturi de 120...250°C și viteze de forfecare de maxim 10⁴ sec'¹, un timp de 2...10 min, adăugat la un polimer termoplastic, un agent de aderență și unul sau mai mulți auxiliari-aditivi, după care compoziția rezultată se formează în granule, profile sau plăci, la trecere printr-o duză, iar în final, se răcesc sub 100°C, în mod în sine cunoscut.

RO 121126 Β1

Procedeul are parametrii de lucru: temperatură, forfecare și timp, astfel aleși, încât 1 să asigure plasticizarea masei prelucrate și, în același timp, să prevină degradarea componentei celei mai sensibile, motiv pentru care stuful măcinat este introdus în masa de polimer, 3 plasticizată în prealabil.

Avantajele invenției sunt: 5

- prezintă proprietăți fizico-mecanice și de utilizare, superioare atât lemnului, cât și materialelor plastice, luate separat, proprietăți cum sunt: rezistența mecanică mărită, rigidi- 7 tate, stabilitate dimensională, rezistența la factori naturali și biologici, capacitate termoizolantă; 9

- compoziția este ușor prelucrabilă prin procedee specifice materialelor plastice, dar și celor specifice lemnului; 11

- prezintă o durată de viață și utilizare superioare lemnului și materialelor plastice;

- este reciclabilă asemenea unui termoplast; 13

- utilizează o materie primă, stuful, constantă și uniformă calitativ și regenerabilă anual, față de lemn, care se regenerează în circa 30...50 de ani, sau față de polimerii de pro- 15 veniență petrochimică (rezervele de țiței);

- consum energetic mai mic, atât ia fabricare, cât și la prelucrare; 17

- diminuează consumul de masă lemnoasă și, implicit, tăierea pădurilor cu implicații ecologice și climatice. 19

Compoziția conform invenției folosește, drept componentă lignocelulozică, stuful măcinat, material unitar și constant din punct de vedere structural, care reprezintă însă o sursă 21 de materie primă regenerabilă anual și care, pe această cale, este valorificată în proporție de sută la sută. în același timp, sunt folosiți agenți de aderență, substanțe capabile de a 23 forma legături stabile cu grupe funcționale ale polimerului, cât și cu cele ale componentei lignocelulozice din stuf. 25

Compoziția conform invenției este constituită din 30...90 părți în greutate stuf (Phragmites Communis) măcinat, care poate conține până la 10% material vegetal provenind 27 din plante recoltate împreună cu stuful; 10...60 părți în greutate un polimer termoplastic, ales dintre polietilenă, polipropilenă izotactică, copolimer olefinic, terpolimer acrilonitril-butadien- 29 stirenic sau amestec ai acestor polimeri și 0,2...30 părți în greutate un agent de aderență, la care se pot adăuga până la 10%, față de amestecul total, auxiliari și agenți de prelucrare 31 aleși dintre lubrifianți, stabilizatori, antioxidanți, biocizi, ignifuganți, porofori sau pigmenți cunoscuți în domeniu. 33

Agentul de aderență, care realizează compatibilizarea componentelor amestecului, este ales dintre copolimeri lineari și grefați ai olefinelor cu monomeri conținând grupele 35 funcționale hidroxil, carbonil, anhidridă, carboxil sau ester, polipropilenă atactică, amidon și gluten în stare pură sau ca substanțe naturale conținând acești compuși, un neoalcoxititanat 37 sau neoalcoxizirconat cu formula generală:

(RO)_n-M-(OxR’y)₄__n 39 în care:

RO - grup funcțional hidrolizat; 41

M - Titan sau Zirconiu tetravalent;

X - grup funcțional de legătură; 43

R’ - catenă polimeră termoplastică alifatică, naftenică sau aromatică; y - grup funcțional termoreactiv: acrilic, metacrilic, mercapto, aminic; 45 n - indice de funcționalitate, cuprins între 1 și 3.

în funcție de modul de formare, compoziția rezultată în final se prezintă sub formă de 47 granule destinate unei prelucrări ulterioare prin procedee specifice termoplastelor, sau ca plăci și profite, semifabricate pentru industria de mobilă și construcții, ca înlocuitor al 49 lemnului.

RO 121126 Β1

Compoziția conform invenției se obține prin alimentarea componentelor într-un extrudersau malaxor continuu, utilaje care, la temperaturi de 120...250’C, viteze de forfecare de maxim 10⁴ sec'¹ și timp de 2...10 min, realizează compoundarea componentelor sub forma unei mase uniform plasticizate, urmată de formarea într-o duză de profil adecvat și răcire la temperatură sub 100’C.

Alimentarea componentelor în utilajul de compoundare se poate face concomitent (individual sau ca preamestec), prin gura principală de alimentare, sau separat, succesiv, dea lungul utilajului, prin guri secundare de alimentare, special prevăzute, astfel încât măcinătura de stuf să fie introdusă în masa de polimer plasticizat.

într-o a doua variantă, la stuful măcinat și polimerul termoplast, alimentate în extruder sau în malaxor continuu, se adaugă 2... 10%, față de amestecul total, o substanță polimerizabilă, aleasă dintre anhidridă maleică, acrilat sau metacrilat și 0,2...3%, față de amestecul total, un peroxid organic capabil de a genera radicali liberi, activi la temperatura de lucru.

în condițiile de producere a compoziției, măcinătura de stuf cu caracter fibros realizează ranforsarea masei formate, în timp ce polimerul termoplast reprezintă matricea compoziției, cu condiția ca aceasta din urmă să realizeze o bună umectare. întrucât cele două componente sunt incompatibile din punct de vedere chimic, în condiții normale, în compoziție se adaugă agentul de aderență care conține atât grupe polare aderente la structura lignocelulozică a particulelor de stuf, cât și grupe hidrocarbură aderente la structura poliolefinică. Linele substanțe de aderență realizează acest efect prin structura lor amorfă, de exemplu polipropilenă atactică, în timp ce neoalcoxititanalii sau neoaicoxizirconații produc și o rearanjare moleculară asemenea, prin mecanism catalitic.

în varianta a doua, radicalii liberi generați de peroxizi, pe lângă o rearanjare moleculară, realizează și grefarea monomerului pe catena poliolefinică, formând in situ agentul de aderență.

Pentru ca acest proces fizico-chimic să aibă loc, este necesară supunerea compoziției unui proces de malaxare-forfecare la temperaturi și forțe de forfecare, astfel alese, încât să asigure contactul intim al componentelor la o viscozitate cât mai scăzută, dar evitând, totodată, ca prin temperaturi și forfecare peste anumite limite să se producă degradarea structurii lignocelulozice a particulelor de stuf. în mod optim, aceste condiții sunt îndeplinite prin punerea în contact a particulelor de stuf, cu polimerul în prealabil plasticizat.

Ca urmare a unei bune compatibilizări, masa de compoziție obținută prin procedeul conform invenției prezintă proprietăți fizico-mecanice superioare fiecărui component luat în parte, păstrând totodată caracterul de termoplast, adică capacitatea de a fi reprelucrat în repetate rânduri, prin procedeele specifice termoplastelor, element deosebit de important pentru reciclare.

Se dau, în continuare, 5 exemple de realizare a compoziției conform invenției.

Exemplul 1. într-o instalație ca cea prezentată în fig. 1, având partea activă sistemul șnec-cilindru, prezentat în fig. 2, se alimentează continuu un preamestec compus din 40 părți în greutate stuf măcinat, având densitate aparentă 0,10 g/cm³ și umiditate 6%, 40 părți în greutate polietilenă de înaltă densitate, având densitatea 0,954 g/cm³ și indicele de curgere a topiturii (ICT) 0,3 g/10 min, la 190°C (5 Kg), 10 părți în greutate un copolimer etilenă-acid acrilic conținând 6% acid acrilic și având ICT 6g/10 min, la 19O’C(2,16Kg), precum și aditivi.

Preamestecul este alimentat în zona de început a sistemului șnec - cilindru, fig. 2, având L/D= 45, și supus procesului de compoundare la o temperatură crescând treptat de-a lungul sistemului, de la 160’ la 200°C. Vaporii de apă formați sunt eliminați prin orificiul de degazare aeriană, aflat aproape de capătul sistemului. Topitura rezultată este extrasă printro duză perforată și granulată într-un granulator sub apă, fig. 1, pozițiile 5, 6, 7, 8, 9.

RO 121126 Β1

Uscarea și sortarea granulelor obținute sunt evidențiate în fig. 1 - pozițiile 10,11, 1

12,13 și însăcuirea granulelor conforme.

Rezultă un granulat având rezistența 29 MPa și modulul 1000 MPa. 3

Exemplul 2. într-o instalație identică cu cea prezentată în exemplul 1, vezi fig. 1, dar având sistemul șnec-cilindru cel prezentat în fig. 3, se alimentează prin orificiul 1, 40 părți 5 în greutate polipropilenă izotactică 96% și ICT 38 g/10 min, la 230°C (5 kg), 6 părți în greutate copolimer grefat de polipropilenă cu 0,2% anhidridă maleică, precum și aditivi. 7

Prin orificiul 2, se alimentează 60 părți în greutate stuf măcinat, având granulația 120 mesh, densitatea 0,12 g/cm³ și umiditate 4%. 9

Pe porțiunea între orificiile 1 și 2, amestecul de polimeri și aditivi este plasticizat la o temperatură de 180...200”C, astfel încât stuful măcinat este preluat în polimerul plasticizat. 11 în continuare, compoziția este supusă unui proces de compoundare la 200°C și viteză de forfecare de 10⁴ sec¹, concomitent cu evaporarea și evacuarea umidității reziduale prin 13 orificiile 3, la presiune normală, și prin 4în vacuum, după care masa plasticizată și degazată este prelucrată ca în exemplu 1. 15

Rezultă un granulat având rezistența la tracțiune de 20 MPa, modul de flexiune 5000 MPa, rezistență la impact Izod 60 J/m. 17

Exemplul 3. într-o instalație identică cu cea prezentată în exemplul 1, dar având sistemul șnec-cilindru cel prezentat în fig. 4, se alimentează prin orificiul 1, 80 părți în greutate 19 stuf măcinat, având granulația 110 mesh, densitatea 0,14 g/cm³ și umiditate 8%.

Stuful măcinat este preluat de cele două șnecuri și avansează de-a lungul cilindrului, 21 la o temperatură de 120...160’C, crescută gradual, timp în care majoritatea apei conținute este evaporată prin orificiu 2. 23

Prin orificiul 3, este alimentat un amestec de 20 părți în greutate polipropilenă izotactică 96% și ICT 38 g/10 min, la 230°C (5 Kg), 6 părți în greutate CAPS L 12/E. 25 în continuare, compoziția este supusă unui proces de compoundare la 200”C și viteză de forfecare de 10⁴ sec'¹, concomitent cu evacuarea sub vid, prin orificiul 4, a componentelor 27 volatile reziduale, după care procesul continuă ca în exemplul 1.

CAPS L 12/E este un concentrat de 20% Titan (IV) - 2,2-(b/'s-2-propenolatometil)- 29 butanolato, //'s(dioctil)-pirofosfat-o, produs al firmei Kenrich Petrochemicals Inc., USA.

Exemplul 4. într-o instalație identică celei din fig. 1 și 4, se alimentează prin 31 orificiul 1, 60 părți în greutate stuf măcinat, având granulația 120 mesh, densitatea 0,12 g/cm³ și umiditate 8%, iar prin orificiul 3, un amestec în stare plasticizată de 30 părți în 33 greutate polipropilenă izotactică 96% și ICT 38 g/10 min, la 230°C (5 Kg), cu 10 părți în greutate de polipropilenă atactică și cu aditivi. 35

Procesul decurge, în continuare, ca în exemplul 3.

Se obține un compozit având rezistența la tracțiune 35 MPa și modulul 4000 MPa. 37 Exemplul 5. într-o instalație identică celei din fig. 1 și 3, se alimentează prin orificiul 1, 40 părți în greutate polipropilenă izotactică 96% și ICT 38 g/10 min, la 230°C 39 (5 Kg), 6 părți anhidridă maleică, 0,5 părți diterțbutil peroxid sub formă de concentrat (60% în ceară poliolefinică) și Structol TR 016-lubrifiant, un amestec de stearat de calciu și amidă 41 alifatică (produs al firmei Structol Company of America - USA. Prin orificiul 3, se alimentează 60 părți în greutate stuf măcinat, având densitatea 0,12 g/cm³ și umiditate 6%. 43

Procesul decurge, în continuare, ca în exemplul 2, producându-se grefarea anhidridei maleice pe catena polipropilenei și modificarea masei moleculare a polipropilenei. 45

Rezultă un compozit având rezistența la tracțiune 38 MPa și modulul 4550 Mpa.

Claims (6)

1. Revendicări

   1. Compoziție termoplastică, sub formă de granule, plăci sau profile, caracterizată prin aceea că este constituită din 30.. .90 părți în greutate stut-Phragmites Communis, măcinat, 10.. .60 părți în greutate dintr-un polimer ales dintre polietilenă, polipropilenă izotactică, copolimer olefinic, terpolimer acrilonitril-butadien-stirenic sau amestec al acestor polimeri și 0,2...30 părți în greutate un agent de aderență, cunoscut în domeniu, la care se pot adăuga până la 10%, față de amestecul total, auxiliari și agenți de prelucrare aleși dintre lubrifianți, stabilizatori, antioxidanți, biocizi, ignifuganți, porofori sau pigmenți cunoscuți în domeniu.
2. 2. Compoziție conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, într-o altă variantă, în amestecul de stuf măcinat și polimer termoplast se introduc 2...10%, față de amestecul total, o anhidridă maleică, un acrilat sau un metacrilat și/sau 0,2...3%. față de amestecul total, un peroxid organic capabil de a genera radicali liberi, activi la temperatura de lucru.
3. 3. Compoziție conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că agentul de aderență este ales dintre copolimeri lineari și grefați ai olefinelor cu monomeri conținând grupe funcționale hidroxil, carbonil, anhidridă, carboxil sau ester, polipropilenă atactică, amidon și/sau gluten în stare pură sau alte substanțe naturale care conțin acești compuși și un neoalcoxititanat sau neoalcoxizirconat.
4. 4. Compoziție conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că stuful măcinat poate conține până la maximum 10% material lignocelulozic provenit din alte plante ce însoțesc stuful în zonele de recoltare.
5. 5. Procedeu pentru obținerea compoziției definite în revendicările 1.. .4, caracterizat prin aceea că, pentru obținerea unei mase omogene compozițional și izotrope ca proprietăți, se compoundează stuf măcinat într-un extruder sau malaxor continuu, la temperaturi de 12O...25O“C și viteze de forfecare de maximum 10⁴ sec'¹, timp de 2...10 min, împreună cu un polimer termoplastic, un agent de aderență și unul sau mai mulți auxiliari-aditivi, după care compoziția rezultată se formează în granule, profile sau plăci, la trecere printr-o duză, care, în final, se răcesc sub 100°C, în mod în sine cunoscut.
6. 6. Procedeu conform revendicării 5, caracterizat prin aceea că parametrii de lucru temperatură, forfecare și timp - sunt astfel aleși, încât să asigure plasticizarea masei prelucrate și, în același timp, să prevină degradarea componentei celei mai sensibile, motiv pentru care stuful măcinat este introdus în masa de polimer, plasticizată în prealabil.