КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК C08L97/02 C08L97/02 C08L23/26 

Изобретение относится к высоконаполненным полимерным композиционным материалам со связующим на основе полиолефинов с древесным наполнителем.

Разработанные материалы могут найти применение для производства листовых конструкционных материалов для жилищного строительства, в мебельной промышленности, фурнитуры и автомобилестроении.

Известны композиции с древесным наполнителем, где в качестве связующего используются синтетические смолы: фенолформальдегидная [1, 2] карбамидоформальдегидная [2, 3] карбамидомеламиноформальдегидные [2] и др. Из-за дефицита и высокой стоимости меламина карбамидомеламиноформальдегидные смолы применяют редко (преимущественно в зарубежной практике) в производстве древесно-стружечных плит (ДСтП) [2]
Древесно-стружечные плиты на основе карбамидоформальдегидных смол имеют значительную прочность, но недостаточную водостойкость и постепенно теряют свою прочность при изменении температурно-влажностных условий окружающей среды.

К недостаткам перечисленных ДСтП следует отнести то, что смолы являются токсичными веществами. В мировой практике наблюдается тенденция к созданию ДСтП на основе нетоксичных связующих.

В настоящее время известны нетоксичные композиционные материалы с использованием древесного наполнителя и в качестве связующего вторичного полиэтилена (ВПЭ) с содержанием связующего от 15 до 50 мас. и соотношением связующего к измельченной древесине от 15 85 до 50 50 [4] Однако такие композиции обладают низкой прочностью при статическом изгибе, даже в случае введения большего количества связующего.

Цель изобретения получение нетоксичного экологически чистого материала с малым содержанием связующего и высокой прочностью. Задача решается тем, что композиционный материал, включающий связующее на основе полиолефинов и измельченную древесину, в качестве связующего содержит полиолефин, модифицированный при механическом воздействии в твердой фазе малеиновым ангидридом в количестве 1 10% от массы полиолефинов в присутствии свободно-радикального инициатора в количестве не менее 0,5% от массы полиолефина при массовом соотношении связующего к измельченной древесине от 5 95 до 50 50.

Согласно изобретению композиционный материал может содержать полиолефины, модифицированные в твердой фазе при механическом и тепловом воздействии. В качестве полиолефинов материал содержит, например, полиэтилен или полипропилен, модифицированные малеиновым ангидридом в присутствии свободно-радикального инициатора из группы органических перекисей или азосоединений, например, перекись бензоила или полиперекись бензоила с азо-бис-изобутиронитрилом или другие. В качестве измельченной древесины композиционный материал содержит древесину различных пород деревьев и, в частности частицы березы или древесную смесь (содержащую хвою), просеянную через сито 1 мм или фракционированную другим способом.

Предложенный композиционный материал может дополнительно содержать технологические целевые добавки, обычно применяемые и в обычных количествах, например, стабилизатор ирганокс 1010 в количестве 1% от массы полиолефина или стеарат кальция в количестве 1 2% от массы древесины. Соотношение компонентов в композиционных материалах и свойства последних приведены в табл. 1 и 2. Состав исходных компонентов для получения связующего и условия модификации полиолефинов приведены в табл. 3. Модификация может быть реализована на оборудовании, обычно применяемом для проведения различных процессов в твердой фазе при воздействии давления и сдвиговых деформаций, как, например, в экструдере. Модификацию полиолефинов согласно изобретению осуществляют в экструдере при взаимодействии полиолефинов, малеинового ангидрида и свободно-радикального инициатора в твердой фазе при механическом воздействии (в условиях деформации сдвига от 50 до 1000% давлении от 0,3 до 5 МПа) при температуре 20 100^oC (ниже температуры плавления полиолефинов). Кроме того, процесс модификации полиолефинов может быть приведен в присутствии измельченной древесины, что позволяет совместить оба процесса процесс модификации связующего и процесс получения композиционного материала (см. пример 36 табл. 2).

Заявляемые материалы, в отличие от существующих и известных по принципу, не содержат токсичных веществ, обладают высокой прочностью при статическом изгибе при пониженном содержании связующего. Последнее достигается, по-видимому, за счет большей адгезионной способности модифицированного полиолефина по сравнению со связующим согласно прототипа. Предлагаемые материалы нетоксичны, по прочностным свойствам соответствуют конструкционным материалам и могут быть использованы на практике взамен малотоксичных ДСтП.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.

А. Приготовление модифицированных полиолефинов
Примеры 2', 3', 4', 5', 7', 9' и 10': исходные компоненты полипропилен или полиэтилен низкой плотности, малеиновый ангидрид и свободно-радикальный инициатор в количествах, указанных в табл. 3, подают в двухшнековый экструдер фирмы Берсторф. Далее смесь в течение 10 30 мин подвергают воздействию деформации сдвига, давлению, и возможно, нагреванию. Величины этих параметров приведены также в табл. 3. Полученные модифицированные связующие используют для приготовления композиционных материалов в соответствии с нижеприведенными примерами (см. графу 3 табл. 1 и графу 4 табл. 2).

Б. Приготовление композиционного материала согласно изобретению
Пример 1. Для приготовления 25 г композиционного материала смешивают в смесителе для сыпучих компонентов 7,425 г модифицированного полипропилена (исходные компоненты и условия модификации указаны в табл. 3, пример 2') с 0,075 г стабилизатора, 17,425 г измельченной и просеянной через сито 1 мм древесины и 0,175 г стеарата кальция. Композиционный материал прессуют при температуре 150 200^oC и давлении 5 25 МПа. Прочность при статическом изгибе определяют по ГОСТ 4648-71 (СТ СЭВ 892-78). Она составляет 65,5 МПа (см. табл. 1).

Композиционные материалы по примерам 2 6, 9 11 и 16 27 получают аналогично примеру 1. Состав исходных компонентов и прочность при статическом изгибе приведены в табл. 1 и 2.

Сравнительные примеры
Композиционные материалы, содержащие немодифицированные полиолефины вместо модифицированных, получают также аналогично примеру 1. Данные о соотношении компонентов и прочности при статическом изгибе приведены в табл. 1 (примеры 8, 12 15) и в табл. 2 (примеры 28 31).

Примеры в соответствии с прототипом [4]
Данные о составе и прочности при статическом изгибе приведены в табл. 2 (примеры 32 35).

Примеры совмещения процессов модификации полиолефина и получения композиционного материала.

Пример 7. Композиционный материал приготовляют одновременным смешением всех компонентов в экструдере. Состав материала и прочность при статическом изгибе приведены в табл. 1.

Пример 36. Композиционный материал приготовляют аналогичным образом как в примере 7. Состав материала и прочность приведены в табл. 2.

Как видно из приведенных данных табл. 1 и 2, прочность при статическом изгибе значительно выше в случае использования в качестве связующего модифицированных полиолефинов и достигает до 70 МПа.

Кроме того, согласно изобретению, использование модифицированных полиолефинов в качестве связующего позволяет получать композиционные материалы с прочностью при статическом изгибе на уровне стандартного ДСтП (13 МПа) [5] при малой доле заявляемого связующего (5%). Согласно прототипу и данным сравнительных примеров для достижения такой же прочности необходимо ввести 15% немодифицированного связующего.

Прочность при статическом изгибе σ_изг., композиционного материала, содержащего 15% предлагаемого модифицированного полипропилена, составляет 45 МПа, что значительно выше прочности ДСтП (σ_изг.=35 МПа) с использованием 14% -ной модифицированной фенолоформальдегидной смолы СФЖ-3014, широко применяемой в настоящее время [2]
Таким образом, предлагаемые нетоксичные материалы по прочностным свойствам соответствуют конструкционным материалам и могут быть использованы на практике взамен малотоксичных ДСтП.

Использование: разработаны экологически чистые композиционные материалы, включающие связующие на основе полиолефинов, измельченную древесину и обычные технологические добавки в обычных количествах, отличающиеся тем, что в качестве связывающего на основе полиолефинов содержат полиолефины, модифицированные по крайней мере одним реакционноспособным ненасыщенным мономером в присутствии свободнорадикального инициатора и, возможно, в присутствии исходной древесины при массовом соотношении связующего к измельченной древесине от 5 : 95 до 50 : 50. В качестве связующего можно использовать полиолефин, модифицированный в твердой фазе при механическом и возможно тепловом воздействии. Композиционный материал обладает повышенной прочностью на изгиб, например 40 МПа при 10%-ном содержании связующего и 68 МПа при 30%-ном содержании связующего. 7 з. п. ф-лы, 3 табл.

1. Композиционный материал, включающий связующее на основе полиолефинов и измельченную древесину, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит полиолефин, модифицированный при механическом воздействии в твердой фазе малеиновым ангидридом в количестве преимущественно 3 5% от массы полиолефина в присутствии свободно-радикального инициатора в количестве не менее 0,5% от массы полиолефина, при массовом соотношении связующего к измельченной древесине от 5 95 до 50 50. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве связующего содержит полиолефин, модифицированный при тепловом воздействии. 3. Материал по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он в качестве полиолефина содержит модифицированный полиэтилен или полипропилен. 4. Материал по пп. 1 3, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит полиолефин, модифицированный в присутствии полиперекиси или перекиси бензоила или азо-бисизобутиронитрила. 5. Композиционный материал по пп. 1 4, отличающийся тем, что в качестве измельченной древесины он содержит частицы березы или древесную смесь, содержащую хвою, просеянные через сито 1 мм. 6. Материал по пп. 1 5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит технологическую целевую добавку в количестве 1 2% от массы древесины. 7. Материал по п. 6, отличающийся тем, что в качестве технологической добавки он содержит стабилизатор в количестве 1% от массы полиолефина. 8. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит полиолефин, модифицированный в присутствии измельченной древесины при массовом соотношении полиолефина и древесины, преимущественно 10 90.