Композиційний матеріал з целюлозним наповнювачем

1 Композиционный материал с целлюлозным наполнителем и термопластичным связующим на базе полиэти лена, отл ичающийс я тем, что он изготовлен на основе предварительно дробленых гомогенизированных и гранулированных отходов ламинированной полиэтиленом бумаги и содержит целлюлозный наполнитель и термопластичное связующее на базе полиэтилена в объемном соотношении 1 (0,4-1,2) 2 Композиционный материал по п 1, отличаю щийся тем, что до трети объема термопластично го связующего составляет полистирол 3 Композиционный материал по п 1 отличаю щийс я тем, что до половины объема термопла стичного связующего составляет полипропилен Изобретение относится к составу полимерных композиционных материалов с целлюлозным наполнителем и термопластичным связующим на базе полиэтилена Эти материалы предназначены для изготовления изделий типа плиток, плит, листов и стержней (в том числе фасонных профилей) для последующего использования в строительстве (особенно - дачных домиков и хозяйственных построек на приусадебных участках), предпочтительно декоративных и отделочных деталей мебели, многооборотной тары и т д Из числа известных к предлагаемому по технической сущности наиболее близок композиционный материал, содержащий целлюлозный наполнитель и термопластичное связующее на базе полиэтилена [1] Этот материал (см пример 3 из текста описания изобретения и примеры 3 и 8 из таблицы 1 в нем) содержит в качестве термопласти чн о го свя з ую ще го чи сты й п о л иэти ле н (36% мае ) и шпон-дробленку с исходной влажностью 6-8% (остальное) Поскольку такой наполнитель имеет довольно высокую влажность, постольку этот материал получают совместной регулируемой подачей ингредиентов в червячный смеситель, их предварительным смешиванием при температуре 130-150°С и скорости шнека 18-40 мин1 с экструзией при той же температуре и давлении 5-8 МПа для попутного высушивания наполнителя и достижения остато чно й влажно сти комп озици онно го ма тер иала 0,5-2% Однако даже при двухстадийном смешивании и жёстком режиме экстр узии частицы влажного наполнителя не могут эффективно взаимодействовать с расплавом гидрофобного полиэтилена Поэтому из-за слабого сцепления связующего с неровностями поверхности и блокирования пор частиц наполнителя готовый композиционный материал получается рыхлым, расслаивается на изломе и нестоек во влажной среде Действительно, водопоглощение за 24 часа достигает 30% у материала, экструдированного при 5 МПа и 130°С, а у материала, полученного при 150°С и 8 МПа, водопоглощение снижается всего лишь до 23% Кроме того, удовлетворительная механическая прочность такого материала обеспечивается только прессованием при высоком давлении, что приводит к чрезмерному повышению его плотности, а удаление избытка влаги достигается лишь при высокотемпературной сушке и прессовании изделий, что энергетически невыгодно и существенно ухудшает условия труда Поэтому в основу изобретения положена задача путем уточнения рецептуры создать из целлюлозного наполнителя и термопластичного связующего на базе полиэтилена существенно более гомогенный, механически прочный и водостойкий композиционный материал Поставленная задача решена тем, что композиционный материал с целлюлозным наполнителем и термопластичным связующим на базе полиэтилена согласно изобретению изготовлен на основе предварительно дробленых, гомогенизированных и гранулированных отходов ламинированной полиэтиленом бумаги и содержит целлюлозный наполнитель и термопластичное связующее СМ О СМ 00 о 00 см о> 28082 н а базе по ли этиле на в объ емном со о тно шении 1 (0,4-1,2) Здесь и далее термином "ламинированная полиэтиленом бумага" обозначен упаковочный материал в виде бумаги или полукартона со слоем полиэтилена по меньшей мере на одной из его сторон Поскольку основой предложенного композиционного материала служат дробленые отходы такого упаковочного материала и поскольку дроблёный полуфабрикат предварительно гомогенизируют и гранулируют, постольку частицы наполнителя в материале оказываются практически полностью смочены связующим Поэтому на изломе образцов предложенного материала при их визуальном обследовании невозможно обнаружить частицы бумаги, и материал в целом при соблюдении указанных соотношений оказывается весьма гомогенным, изотропным по физико-механическим свойствам и водостойким Первое дополнительное отличие состоит в том, что до трети объема термопластичного связующего составляет полистирол Это позволяет эффективно утилизировать отходы переработки полистирола, например, получаемые при литье под давлением, и дополнительно повысить водостойкость композиционного материала согласно изобретению Второе дополнительное отли чие состои т в том, что до половины объема термопластичного связующе го соста вляет полипропилен Это, как и в предыдущем случае, позволяет утилизировать отходы этого ценного полимера и повысить прочность композиционного материала согласно изобретению Далее сущность изобретения поясняется описанием исходных материалов, примерами составов композиционного материала, описанием способа его изготовления и результатами физикомеханических испытаний Для композиционных материалов согласно изобретению основным сырьём служат отходы ла минированной полиэтиленом бумаги, получаемые, например, при расфасовке соков, молочных продукто в и т п по те хнологии "Tetrapack" Эти отходы (обрезки) содержат целлюлозу и от 25 до 75% по объему полиэтилена (далее ПЭ) Конкретное количество ПЭ в отходах должно быть определено до их измельчения и подачи на смешивание либо по техническим условиям на соответствующий вид упаковочного материала, либо хорошо известными специалистам химикоаналитическими методами Поскольку отходы различаются по соотношению целлюлозы и ПЭ, в них при недостатке одного из основных ингредиентов в соответствии с конкретной рецептурой композиционного материала может быть добавлено требуемое количество недостающего ингредиента Для корректировки состава каждой конкретной партии отходов под конкретную же рецептуру композиционного материала с фиксированным объемным соотношением "целлюлозный наполнитель/связующее на основе ПЭ" могут быть использованы светлая сухая макулатура и преимущественно вторичные (но без признаков термодеструкции) ПЭ, литьевой полистирол (далее ПС) или полипропилен (далее ПП) Упомянутые отходы могут также различаться по цвету Поэтому, когда готовые изделия должны иметь определенную окраску, обрезки ламинированной бумаги предварительно сортируют по цвету и/или вводят присадки подходящих красителей или пигментов Для обоснования пределов концентрации компонентов были проведены эксперименты, в которых объемное соотношение "целлюлозный наполнитель/связующее на основе ПЭ" соответствовало примерам, приведенным в таблице 1 Примеры с 1-го по 5-й задают предложенный материал в его основном виде, то есть как композицию целлюлозы и полиэтилена, а с 6-го по 9-й - комплексное связующее В примерах 2, 3, 4, 6, 7, 8 и 9 объёмное соотношение соответствуют заявленным пределам, а в примерах 1 и 5 - выходит за них Таблица 1 Примеры конкретных составов композиционных материалов Количество ингредиентов в объёмных частях Наименование ингредиентов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Целлюлоза 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Связующее -всего 0,35 0 , 4 ^ 0,8 | 1,2 1,3 0,4 0,4 | 1,2 1,2 -в том числе Полиэтилен 0,35 0,4 0,8 1,2 1.3 0,27 0,2 0,8 0,6 Полистирол 0,13 0,4 Полипропилен 0,2 - 0,6 В экспериментах для изготовления указанных менее 2 мм Для коррекции составов согласно рев таблице 1 конкретных композиционных материацептурам из таблицы 1 применяют упаковочную лов использовали отходы в виде обрезков ламибумагу, измельченную до получения частиц с уканированного ПЭ упаковочного полукартона со срезанными для основного материала размерами, и дним содержанием ПЭ 35% по объёму Способ (обычно вторичные) гранулированные ПЭ, ПС и изготовления предлагаемого композиционного ПП со средним размером гранул от около 2 до материала в общем случае состоит в следующем примерно 5 мм Отходы измельчают до получения смеси часИзмельченные отходы непосредственно или с тиц с размерами от 0,04 до 5, предпочти тельно добавками чистой целлюлозы и/или избранных в 28082 соответствии с конкретной рецептурой связующих (и, возможно, с присадками пигментов или красителей) интенсивно обрабатывают в червячном смесителе при температуре не менее 130°С (только при использовании ПЭ), предпочтительно 150-170°С (для ПЭ и ПС), или при 180-20СГС (для ПЭ и ПП) Полученную практически гомогенную смесь целлюлозы и связующего на основе ПЭ продавливают сквозь стренговую экструзионную головку и гранулируют с получением частиц со средним размерами по длине и диаметру 2-5 мм Эти гранулы можно хранить навалом или в мешках в сухом неотапливаемом помещении столько времени, сколько необходимо Максимальный срок в экспериментах составил 1 год Гранулы перерабатывают в целевые продукты с использованием обычных экструдеров, оборудованных подходящими экструзионными головками, или прессованием При этом выбор оборудования и оснастки не представляет затруднений для специалистов Для экспериментов по каждой из приведенных в таблице 1 рецептур экструзией через щелевые головки были изготовлены пластины толщиной 3 и 5 мм, из которых затем были вырезаны образцы для физико-механических испытаний, в том числе - для определения водопоглощения по ГОСТ 4650 -80 - в ви де квадратны х пласти н со стороной 50 мм и толщиной 3 мм, - для определения предела прочности при растяжении по ГОС Т 11262-80 - в ви де пластин толщиной 3 мм с шириной средней части 20 мм (два комплекта, в первом из которых образцы были вырезаны вдоль, а во втором - поперек листа), - для определения предела прочности при статическом изгибе по ГОСТ 4648-71 - в виде пря моугольных пластин сечением 20x5 мм и длиной 50 мм (также два комплекта), - для определения предела прочности при сжатии по ГОСТ 25602-80 - в виде пластин толщи ной 5 мм и площадью 10x10 мм Для испытания на водопоглощение использовали дистиллированную воду, в которой в течение 24 часов при температуре 20°С замачивали образцы Водопоглощение определяли в процентах как умноженное на 100 отношение разности массы каждого образца после испытаний и его исходной массы к исходной массе Предел прочности при растяжении определяли в МПа на разрывной машине РТ 250М-2 с постоянной от начала и до конца скоростью нагружения 1 м/мин Предел прочности при поперечном статическом изгибе определяли в МПа на испытательной машине типа РТМ 250М-2 при скорости нагружения 40 мм/мин до излома Предел прочности при сжатии определяли в МПа на стенде модели УМИ-1 с дополнительной оснасткой для фиксации образцов Результа ты испытаний при ведены в таблице 2 Таблица 2 Результаты физико-механических испытаний образцов композиционных материалов Номера примеров по Табл 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Наименование показателей и единицы измерения Предел прочности, МПа Водопоглощение, % по массе при растяжении при изгибе при сжатии До 4,5 15,0/14,8 14,0/13,9 25,0 3,0 15,3/14,9 15,0/14,5 27,0 2,2 16,1/15,8 14,8/14,7 27,5 1,5 16,8/16,2 14,3/14,0 28,0 1,5 16,9/16,4 14,2/13,9 25,7 2,8 20,4/20,0 14,5/14,0 30,0 2,8 22,3/21,8 16,0/15,5 25,0 1,1 24,2/23,7 15,5/15,3 36,0 1,2 27,3/26,8 18,0/17,2 23,5 Примечание значения пределов прочности при растяжении и изгибе даны для образцов, вырезанных "вдоль/поперек" листа Как видно из таблицы 2, наилучшие физикомеханические показатели предлагаемый композиционный материал имеет в случаях, когда суммарное содержание связующего на основе полиэтилена находится в пределах согласно изобретению При этом выход за нижнюю границу ухудшает все показатели, а выход за верхнюю границу, означающую увеличение расхода связующего, не даёт заметного изменения прочности, показатели которой достигают "насыщения" и даже незначительно ухудшаются При меньшем количестве связующего на основе полиэтилена его не хватает для надежного соединения частиц целлюлозного наполнителя, что особенно заметно повышает водонасыщение, а при избытке связующего "пробочное" экструдирование переходит в жидкостное, при котором нарушается сплошность экструдата из-за его сдвиговых деформаций вследствие увеличения времени релаксации свободных макромолекул полимеров 28082 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку Ь, 0