TW201520268A - 高分子複合材料及其製品與製備方法 - Google Patents

Abstract

一種高分子複合材料，包含至少二種高分子基體以及分散於該等高分子基體中的填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材，該填充材藉由與該橡膠基材混合，以使其分散於該等高分子基體中。此外，本發明亦提出一種製備高分子複合材料的製法，以及由該高分子複合材料所製成的高分子製品。

Description

高分子複合材料及其製品與製備方法

本發明係與高分子材料有關；特別是指一種高分子複合材料及其製品與製備方法。

近年來高分子科技蓬勃發展，且由於高分子材料具有優良的物理、化學性能以及優異的加工特性，故已被廣泛應用於衣、食、住、行、通訊、電子、生醫及航空等領域，如傳統產業中的塑膠、橡膠、纖維、輪胎、塗裝、黏著、合成皮等即是一例。

隨著現代科學技術的發展，人們對於高分子材料性能的要求日趨多樣化。單一均聚物或共聚物往往已難以滿足各種不同的要求。人們開始利用已有的聚合物材料並通過共混的方式來製備具有全新功能的複合材料，以滿足各種工業應用對高分子材料性能所提出的新要求，從而使得改進原聚合物性能或形成嶄新性能的聚合物共混體系，已經成為高分子科學中一個成長快速的領域。

然而，上述高分子複合材料的製備，仍然有許多可以進一步改進的地方，像是在提升高分子複合材料之物化性的同時，有時就得犧牲其加工性，例如造粒困難、分散不均、無法熱熔押出等情形。是以，習知技術實有未臻完善之處而有待改善。

本發明之主要目的之一在於提供一種高分子複合材料，係能夠兼具其特性以及加工性。

本發明之主要目的之一在於提供一種高分子製品，係由具備良好特性及加工性的高分子複合材料所製得。

為達上述目的，本發明之一較佳實施例提供一種高分子複合材料，包含至少二種高分子基體以及分散於該等高分子基體中的填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材。

為達上述目的，本發明之再一較佳實施例提供一種高分子複合材料，包括至少二種高分子基體以及填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材，且該填充材係藉由與該橡膠基材混合，以使其分散於該等高分子基體。

為達上述目的，本發明之另一較佳實施例提供一種高分子製品，其係由高分子複合材料所製得，且該高分子複合材料包含至少二種高分子基體以及分散於該等高分子基體中的填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材，且該填充材藉由與該橡膠基材混合，以使其分散於該等高分子基體中。

為達上述目的，本發明之又一較佳實施例提供一種高分子複合材料的製備方法，係包括將填充材與橡膠基材混合，以使填充材分散至該等高分子基體中。

本發明之高分子複合材料係至少藉由當中的橡膠，使填充材能夠均勻附著於橡膠上，或也可以說是將橡膠當作增黏分散劑，以使填充材最後能夠均勻分散或融入高分子基體中，以使高分子複合材料能夠兼具特性及加工性，以有助於高分子複合材料及其製品的製備。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，詳細說明本發明的構成內容。

實施例1：輕量型之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例所需原料，包括三元乙丙橡膠、軟木塞以及聚氨基甲酸酯樹脂，並且分別取1,193公克、1,193公克以及1,590公克；其中，聚氨基甲酸酯例如是選取硬度為85A(Shore Hardness)且比重為1.3者。備妥原料後，先將三元乙丙橡膠與軟木塞加入混鍊機，並在室溫下以轉速150rpm持續攪拌一小時，使軟木塞均勻附著於天然橡膠上；接著，才再加入聚氨基甲酸酯樹脂，並且以150rpm的轉速持續攪拌一小時，以製得一初步產物；最後，利用一單螺桿押出機將上述初步產物進行押出造粒，其製程條件例如可以控制在溫度為180℃，螺桿轉速為70rpm下進行，如此即可製得一種輕量型的聚氨基甲酸酯系高分子複合材料，且其硬度可降至65A，比重則可降至1.0。

由上述可知，本實施例利用橡膠(於此為三元乙丙橡膠)，使填充材(軟木塞)最後能夠均勻分散於高分子基體(聚氨基甲酸酯)中，以使最終的高分子複合材料能夠兼具要求的特性(輕量化)以及加工性，有助於高分子複合材料及其製品的製備。

實施例2：輕量型之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例1所製得的材料基本上相同，主要的差異在於，本實施例在製備的過程中，參與的並非已聚合的高分子基體本身，而是高分子基體的對應單體及對應起始劑。舉例來說，本實施例選擇使用聚氨基甲酸酯的對應單體及對應起始劑，亦即分別為二苯基甲烷二異氰酸酯，以及聚己二酸二丁酯與丁二醇。然須說明的是，上述單體及起始劑並不限制，舉凡包括有異氰酸酯的單體，如甲苯二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯，以及包括有多元醇的起始劑，如常見的各式聚醚多元醇或聚酯多元醇，均可用來合成聚氨基甲酸酯。以下茲說明本實施例的製備方法。

首先，備妥1,000公克的聚己二酸二丁酯、90公克的丁二醇、500公克的二苯基甲烷二異氰酸酯、1,193公克的三元乙丙橡膠，以及1,193公克的軟木塞。

接著，先將除了二苯基甲烷二異氰酸酯以外的成份加入混鍊機，並以150rpm的轉速持續攪拌一小時，待攪拌均勻後，才加入二苯基甲烷二異氰酸酯，並再以150rpm的轉速持續攪拌三十秒後，取出並靜置一天，以製得一個定型的初步產物；最後，將定型後的產物解碎後，利用單螺桿押出機將上述產物進行押出造粒，製程條件例如可同實施例1，如此即可製得一聚氨基甲酸酯系高分子複合材料，且其特性接近於上述實施例1，亦即同樣具有輕量化的特性，且加工性良好。另一提的是，由於本實施例係在製備複合材料的過程中同時聚合高分子基體，因此，本實施例的高分子複合材料中，除了具有已聚合的高分子基體以外，也可能含有未反應或未反應完的高分子基體的對應單體或/及預聚體，以及高分子基體的對應起始劑或/及其預聚體。

實施例3：輕量型之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例1、2所製得的材料基本上相同，主要的差異在於，本實施例更進一步地將實施例2中的聚己二酸二丁酯，改成以其單體替代，亦即己二酸，並且在製備本實施例之複合材料的過程中，同時聚合合成聚己二酸二丁酯，例如於製備過程中，加入二丁基氧化錫、亞磷酸以及可選擇的鏈增長劑(例如己二醯雙己內醯胺)，並配合既有的丁二醇，以合成聚己二酸二丁酯。以下說明本實施例的製備方法。

首先，將658公克的聚己二酸、495公克的丁二醇與1,193公克的軟木塞混合，同時，例如以上述聚合方法合成聚己二酸二丁酯，使得軟木塞均勻分散在聚己二酸二丁酯中；接著，將1,193公克的三元乙丙橡膠以及500公克的二苯基甲烷二異氰酸酯加入混鍊機進行混合，後續則可採用相同於實施例2的步驟，如此同樣可製得輕量化的聚氨基甲酸酯系高分子複合材料。相類似地，本實施例製得的高分子複合材料中亦可能含有高分子樹脂之起始劑的對應單體或/及預聚體，如己二酸、聚己二酸二丁酯低聚物。

實施例4：易流動型之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例1大致相同，主要的差異在於，填充材的材料從軟木塞置換成廢輪胎橡膠粉。以下說明其製備方法。

首先，先將795公克的三元乙丙橡膠及795公克的廢輪胎橡膠粉置入混鍊機中以室溫、轉速150rpm的條件持續攪拌一小時，使廢輪胎橡膠粉均勻附著於天然橡膠上；接著，再加入1,590公克的聚氨基甲酸酯，且聚氨基甲 酸酯係選擇熔液流動指數(Melt Flow Index，以下稱MI指數)在190℃及8.7公斤下為2.6g/10min且硬度為85A者；接著，以轉速150rpm持續攪拌一小時，最後並以一單螺桿押出機進行押出造粒作業，製程條件例如可以控制在溫度為180℃，螺桿轉速為70rpm下進行，如此即可製得一種易流動型的聚氨基甲酸酯系高分子複合材料。經測量，本實施例之MI指數在同樣的量測條件下提升至12.0g/10min，故本實施例之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料確實因為黏度降低而使流動性變好。順帶一提，硬度也稍微降至75A。

由此可知，本實施例利用橡膠(三元乙丙橡膠)，使填充材(廢輪胎橡膠粉)最後能夠均勻分散於高分子基體(聚氨基甲酸酯)中，以使最終的高分子複合材料能夠兼具要求的特性(高流動性)以及加工性。此外，硬度也可被適度調降。同樣地，在其他實施例中，亦可改為加入高分子基體的對應單體及起始劑。

實施例5：止滑、易成形及耐磨型之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例4大致相同，主要的差異在於，填充材的材料更增加了天然石墨粉。以下說明本實施例的製備方法。

首先，將84公克的天然橡膠、84公克的廢輪胎橡膠粉以及795公克的天然石墨粉加入混鍊機，並在室溫下，以轉速150rpm持續攪拌一小時，使廢輪胎橡膠粉及天然石墨粉均勻附著於橡膠上，待攪拌均勻後，加入1,590公克的聚氨基甲酸酯，並再以轉速150rpm持續攪拌一小時，最後改以單螺桿押出機以180℃/70rpm的條件進行押出造粒，如此即可製得易流動型的聚氨基甲酸酯系高分子複合材料。經量測，相較於單一聚氨基甲酸酯的成型時間(36秒)， 本實施例之聚氨基甲酸酯系高分子複合材料的成型時間更縮短至22秒。除此之外，廢輪胎橡膠粉的添加，也可提升複合材料的止滑效果，例如本實施例在後續的射出成型操作過程中，其推動力可由0.75增加至1.2公斤。至於天然石墨粉的添加，則可使本實施例的耐磨性由62.3提升至52.0mm3。

以上實施例所述之高分子基體均舉聚氨基甲酸酯為例，然而，應理解的是，高分子基體可視高分子製品的需求作調整。對此，如按照加工成型特性分類，本發明之高分子基體可選用熱塑性樹脂或熱固性樹脂，前者例如有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯以及熱塑性聚氨基甲酸酯(thermoplastic polyurethane,TPU)等，後者則例如有酚醛樹脂、聚氨酯樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等。如係按照聚合物主鏈結構分類，本發明之高分子基體則可選用聚烯烴樹脂、苯乙烯系樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂、矽樹脂及氟樹脂等。因此，本發明的高分子基體並不限制，且亦可使用對應的單體及起始劑。以下即再舉另一種高分子基體材料作說明。

實施例6：輕量型之聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例1大致相同，主要的差異在於，高分子基體的材料從聚氨基甲酸酯置換為聚甲基丙烯酸甲酯，且橡膠基材的種類也被置換。以下說明本實施例的製備方法。

首先，與實施例1類似，亦即先將相同重量份的苯乙烯異戊二烯橡膠及軟木塞於混鍊機中以相同的條件進行攪拌，使軟木塞均勻附著於天然橡膠上，接著，加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且所選用的聚甲基丙烯酸 甲酯的硬度為64D，比重為1.2；接著再以150rpm的轉速持續攪拌一小時；最後，利用單螺桿押出機以140℃/70rpm的條件進行押出造粒作業，如此即可製得一種輕量型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料，且其硬度變為98A，比重降至0.95。可見本實施例同樣可達到輕量化及加工性的要求。

實施例7：輕量型之聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例6所製得的材料基本上相同，主要的差異在於，本實施例在製備的過程中，參與的並非已聚合的高分子基體本身，而是其對應的單體及對應的起始劑。舉例來說，本實施例選擇使用聚甲基丙烯酸甲酯的對應單體及對應起始劑，亦即分別為甲基丙烯酸甲酯以及常見的聚合起始劑。另，橡膠基材在此置換為天然橡膠。以下說明本實施例的製備方法。

首先，先將1,590公克的甲基丙烯酸甲酯、1,193公克的天然橡膠、1,193公克的軟木塞及3公克的聚合起始劑於混鍊機中以室溫及轉速150rpm的條件持續攪拌一小時，接著使用單螺桿押出機以140℃/70rpm的條件進行押出造粒作業，如此即可製得一種輕量型之聚甲基丙烯酸甲酯高分子材料，且其特性接近於上述實施例6，亦即同樣具有輕量化的特性。

實施例8：輕量、易加工、耐磨型之聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例6大致相同，主要的差異處在於，本實施例更加入了另外二種填充材，分別為輪胎橡膠粉與石墨粉，以提升最終複合材料的流動性及耐磨性。此外，亦置換了橡膠基材的種類。以下茲說明其製備方法。

首先，先將80公克的苯乙烯丁二烯橡膠、160公克的輪胎橡膠粉、320公克的軟木塞以及80公克的石墨粉於混鍊機中以室溫、轉速150rpm的條件持續攪拌一小時，使各填充材均勻附著於橡膠上；接著，再加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且其硬度為64D，比重為1.2，並以轉速150rpm持續攪拌一小時，再使用單螺桿押出機以140℃/70rpm的條件進行押出造粒作業，如此即可製得一種輕量、易加工、耐磨型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料，且其硬度降至55D，比重降至1.1。至於流動性，其MI指數在同樣的量測條件下，從4.8g/10min提升為25.6g/10min，以利加工。至於耐磨性，則可從62.3提升58.7mm3。

實施例9：輕量、易加工、耐磨型之聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例8的差異僅在於，填充材更增加了無機發泡劑。此外，橡膠基材進一步經過氫化。詳言之，本實施例係取10公克的無機發泡劑與其它填充材一同先與氫化之苯乙烯/丁二烯橡膠混鍊，以使填充材均勻附著於橡膠上，之後再經由相同於實施例8的製程後，即可製得一種更輕量、易加工、耐磨型之聚甲基丙烯酸甲酯高分子複合材料。值得一提的是，因為有了無機發泡劑的加入，使得比重更大幅下降至0.5。其次，硬度也隨之降至85A，耐磨性則提升至23.6mm3。

實施例10：抗紫外線型之聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料及其製備方法。

本實施例與上述實施例6大致相同，主要的差異在於，填充材的材料從軟木塞置換成蒙脫土。以下說明其製備方法。

首先，將80公克的天然橡膠與80公克的蒙脫 土於混鍊機中以室溫及轉速150rpm的條件持續攪拌一小時，使蒙脫土均勻附著於橡膠；接著，加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且其硬度為64D，比重為1.2，並再以150rpm的轉速持續攪拌一小時，最後，使用單螺桿押出機以140℃/70rpm的條件進行押出造粒作業，如此即可製得一種抗紫外線型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子複合材料。值得一提的是，由於蒙脫土的加入，使得複合材料的抗紫外線性可獲得提升。具體來說，在常溫下，以波長介於240~300nm的紫外線下照射四天後，本實施例的試片只些微變黃。另一提的是，硬度也稍微提升至66D，比重則微幅升至1.3。

上述各實施例雖然僅舉數種填充材為例作說明，但可以理解的是，填充材的選用與搭配，係與高分子複合材料所要求的特性有關。因此，根據所需的特性，填充材至少可選自由回收高分子材料、回收纖維、軟木塞、橡膠粒、竹炭、沸石、發泡劑、木粉、黏土、榖殼、甘蔗渣、咖啡渣、茶葉渣、廢報紙、矽藻土、陶瓷粉、石墨粉、石灰石以及金屬粉末所組成之群組中的至少之一者，但不限於此。其中，上述回收高分子材料係可以為選自由廢輪胎橡膠粉、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、壓克力、氟塑膠、聚醯亞胺、聚碳酸酯、尼龍以及ABS塑膠所組成之群組中的至少之一者，惟亦不限於此。

此外，上述各實施例舉天然與合成橡膠為例作說明，且其涵蓋範圍除了一般常見的合成橡膠之外，還可包括改質橡膠，例如接枝馬林酸酐的橡膠即是一例；其中，合成橡膠例如可選自由順丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、丁納橡膠、乙丙橡膠、聚硫橡膠、丙烯酸酯橡膠、氟橡膠、矽橡膠、丁基橡膠、異戊橡膠、三元乙丙橡膠、苯乙烯丁二烯橡膠、氫化之苯乙烯/丁二烯橡膠、苯乙烯乙烯/丁 烯苯乙烯橡膠以及苯乙烯異戊二烯共聚物所組成之群組中的至少之一者，但不限於此。

又，如欲運用上述各實施例之高分子複合材料來製成高分子製品，係可採用常見的射出成形工藝來達成，但不限於此；舉凡其他成形工藝亦可，例如模壓成形等。由於高分子成型工藝已為習知技藝，於此容不再贅述。

綜合以上所述，本發明之高分子複合材料係至少藉由當中的橡膠，使填充材能夠均勻附著於橡膠上，或可說是將橡膠作為增黏分散劑，使填充材最終能夠均勻分散或融入高分子基體中，以使高分子複合材料可以兼具特性及加工性，從而有助於高分子複合材料及其製品的製備；同時，本發明也能夠實現循環利用回收填充材，以保護生態環境。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (28)

1. 一種高分子複合材料，包含至少二種高分子基體以及分散於該等高分子基體中的填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材。
2. 如請求項1所述之高分子複合材料，其中該等高分子基體包括至少一種樹脂與該橡膠基材。
3. 如請求項2所述之高分子複合材料，其中該樹脂包括聚氨基甲酸酯，或聚甲基丙烯酸甲酯。
4. 如請求項3所述之高分子複合材料，其中該聚氨基甲酸酯為熱塑性聚氨基甲酸酯。
5. 如請求項2所述之高分子複合材料，更包含該樹脂的對應單體或/及預聚體，以及對應起始劑或/及其預聚體。
6. 如請求項5所述之高分子複合材料，其中該樹脂係為熱塑性樹脂。
7. 如請求項5所述之高分子複合材料，其中該樹脂係為熱固性樹脂。
8. 如請求項5所述之高分子複合材料，其中該樹脂係選自由聚烯烴樹脂、苯乙烯系樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂、不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂以及聚甲基丙烯酸酯所構成之群組中至少之一者。
9. 如請求項5所述之高分子複合材料，其中該樹脂包括聚氨基甲酸酯，且該單體包括異氰酸酯，該起始劑包括多元醇。
10. 如請求項9所述之高分子複合材料，其中該單體包括二苯基甲烷二異氰酸酯。
11. 如請求項9所述之高分子複合材料，其中該起始劑包括聚己二酸二丁酯，以及丁二醇。
12. 如請求項11所述之高分子複合材料，更包含己二酸。
13. 如請求項5所述之高分子複合材料，其中該樹脂包括聚甲基丙烯酸甲酯，且該高分子複合材料更包含甲基丙烯酸甲酯單體。
14. 如請求項1所述之高分子複合材料，其中該橡膠基材係為天然橡膠。
15. 如請求項1所述之高分子複合材料，其中該橡膠基材係為合成橡膠。
16. 如請求項1或3所述之高分子複合材料，其中該橡膠基材包括乙丙橡膠、苯乙烯異戊二烯橡膠、苯乙烯丁二烯橡膠或氫化之苯乙烯/丁二烯橡膠。
17. 如請求項16所述之高分子複合材料，其中該乙丙橡膠為三元乙丙橡膠。
18. 如請求項1所述之高分子複合材料，其中該填充材係選自於由回收高分子材料、回收纖維、軟木塞、橡膠粒、竹炭、沸石、木粉、黏土、榖殼、甘蔗渣、咖啡渣、茶葉渣、廢報紙、矽藻土、陶瓷粉、石墨粉、石灰石以及金屬粉末所組成之群組中的至少之一者。
19. 如請求項18所述之高分子複合材料，其中該回收高分子材料係選自於由輪胎橡膠粉、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙 烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、壓克力、氟塑膠、聚醯亞胺、聚碳酸酯、尼龍以及ABS塑膠所組成之群組中的至少之一者。
20. 一種高分子複合材料，包括至少二種高分子基體以及填充材，其中該等高分子基體包括橡膠基材，且該填充材係藉由與該橡膠基材混合，以使其分散於該等高分子基體。
21. 如請求項20所述之高分子複合材料，其中該等高分子基體包括至少一種樹脂與該橡膠基材。
22. 如請求項21所述之高分子複合材料，更包含該樹脂的對應單體或/及預聚體，以及對應起始劑或/及其預聚體，該填充材係藉由與該樹脂的對應單體或/及預聚體先行混合後，再與該橡膠基材以及該樹脂的對應起始劑或/及其預聚體混合，以使該填充材連同該橡膠基材分散於由該單體或/及預聚體與對應起始劑或/及其預聚體所聚合而成的樹脂中。
23. 如請求項22所述之高分子複合材料，其中該樹脂包括聚甲基丙烯酸甲酯，且其對應單體為甲基丙烯酸甲酯。
24. 如請求項21所述之高分子複合材料，更包含該樹脂的對應單體或/及預聚體，以及對應起始劑或/及其預聚體，該填充材係藉由與該樹脂的對應起始劑或/及其預聚體先行混合後，再與該橡膠基材以及該樹脂的對應單體或/及預聚體混合，以使該填充材連同該橡膠基材分散於由該單體或/及預聚體與對應起始劑或/及其預聚體所聚合而成的樹脂中。
25. 如請求項24所述之高分子複合材料，其中該樹脂包括聚氨基甲酸酯，且該單體包括異氰酸酯，該起始劑包括多元醇。
26. 如請求項25所述之高分子複合材料，其中該聚氨基甲酸酯為熱塑性聚氨基甲酸酯。
27. 一種高分子製品，包括請求項1至26中任一項之高分子複合材料。
28. 一種製備如請求項1至19中任一項之高分子複合材料的製法，包括將填充材與橡膠基材混合，以使填充材分散至該等高分子基體中。