Композитный материал и композитный продукт
Владельцы патента RU 2757685:
СТОРА ЭНСО ОЙЙ (FI)
ЮНИВЕРСИТИ ОФ МЭН СИСТЕМ БОРД ОФ ТРАСТИЗ (US)
Группа изобретений относится к композитным материалам. Композитный материал содержит, по меньшей мере, 20% (масс.) целлюлозного материала, по меньшей мере, 1% (масс.) и менее чем 20% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида и от 5% до 50% (масс.) ударопрочного полистирола. Указанный целлюлозный материал является термически модифицированным в результате проведения тепловой обработки при температуре в диапазоне 160-250°С, предпочтительно в диапазоне 200-230°С, при атмосферном давлении, или при температуре, составляющей более чем 120°С, при повышенном давлении. Подают термически модифицированный целлюлозный материал, ударопрочный полистирол и сополимер стирола-малеинового ангидрида в экструдер и выполняют экструдирование композитного продукта. Улучшаются характеристики прочности и жесткости, снижается ползучесть целлюлозного волокна, содержащегося в композитном материале. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение направлено на композитный материал, содержащий целлюлозный материал, ударопрочный полистирол (HIPS) и сополимер стирола-малеинового ангидрида (SMA). До включения в композитный материал целлюлозный материал может быть термически модифицирован. Настоящее изобретение также направлено на композитный продукт, который содержит композитный материал, соответствующий изобретению.
Уровень техники
Традиционно из компонентов, выделанных из цельной древесины, изготавливают ограждения, настилы, двери, окна, облицовку и обшивку. Данные продукты зачастую рассматриваются как эстетически более привлекательные в сопоставлении с соответствующими продуктами, изготовленными из металла или цемента, например, металлическими ограждениями или стенами или настилами из цементных блоков. Однако, по истечении определенного периода времени продукты из цельной древесины естественным образом могут начать разрушаться от воздействия погодных условий и биологического заражения. Как это известно, данное ухудшение качества может быть смягчено в результате обработки древесины при использовании широко доступных атмосферостойких покрытий, красок, лаков, отделочных составов и тому подобного. Однако, к сожалению, качество продуктов из обработанной древесины зачастую может ухудшиться в пределах короткого периода времени, что требует проведения частичной или полной замены. Техническое обслуживание множества цельнодревесных материалов, которые являются подходящими для использования в оградах, перекрытиях, окнах и дверях, является дорогостоящим. В дополнение к этому, вследствие существования естественных различий древесины замена отдельных компонентов может в результате привести к получению несогласованного, неоднородного внешнего вида продуктов.
Множество продуктов, технологий и идей используются для изготовления экструдированных или формованных термопластов в качестве одного альтернативного варианта для древесины во вспомогательных с точки зрения восприятия нагрузки конструкционных областях применения на открытом воздухе, таких как перекрытие, парковые пешеходные дорожки, детские игровые площадки, сидения и скамейки. Наиболее широко использующийся термопласт представляет собой полиэтилен, обычно продукт для вторичного использования от молочных бутылок, пленок и тому подобного из полимеров HDPE, LDPE и LLDPE. Другие широко использующиеся термопласты включают полистирол, полистирол с повышенной ударопрочностью, полимер PVC и полипропилен. Во множестве систем также используют неорганические наполнители, такие как карбонат кальция и тальк, или целлюлозный наполнитель, обычно древесные или другие натуральные волокна, компаундированные в термопласт для усиления свойств и придания составу внешнего вида, более похожего на внешний вид древесных пиломатериалов, которые он заменяет. Данные системы быстро приобретают признание рынка, в особенности для настилов, где они демонстрируют преимущества, заключающиеся в долговременной долговечности и уменьшенном техническом обслуживании. Они демонстрируют дополнительное преимущество вследствие появившихся недавно санитарно-гигиенических соображений в отношении химических реагентов и консервантов, использующихся в целях обработки древесины для областей применения на открытом воздухе, и с учетом дефицита долговечной древесины твердолиственных пород.
В качестве заменителей для полностью натуральной древесины, древесностружечной плиты, вафельной плиты и другого подобного материала используют множество композитов, таких как целлюлозно/полимерные композиты. Например, публикации US 3,908,902; US 4,091,153; US 4,686,251; US 4,708,623; US 5,002,713; US 5,087,400; US 5,151,238; US 5,417,904; US 5,948,524; US 6,280,667; US 6,827,995 и US 6,936,200 относятся к способам изготовления пластиково/целлюлозных заменяющих древесину продуктов.
Твердые композиты наполнителей на основе сополимера стирола-малеинового ангидрида и древесины раскрываются в публикациях US 3,765,934; US 3,894,975 и US 3,958,069; канадской опубликованной патентной заявке № 2,626,992 А1 и публикации «Properties of Styrene-Maleic Anhydride Copolymers Containing Wood-Based Fillers», Simonsen et al., Forest Products Journal, Vol. 48, No. 1, p. 89-92, January, 1998.
В сопоставлении с натуральной древесиной целлюлозно/полимерные композиты демонстрируют превосходную стойкость к изнашиванию и раздиранию. В частности, целлюлозно/полимерные композиты характеризуются усиленной стойкостью к влаге. Собственно говоря, как это хорошо известно, удерживание влаги представляет собой основную причину коробления, расщепления и обесцвечивания натуральной древесины. Помимо этого, целлюлозно/полимерные композиты имеют внешний вид натуральной древесины, и они могут быть подвергнуты пилению, зашкуриванию, приданию формы, токарной обработке, скреплению и отделочной обработке тем же самым образом, что и натуральная древесина. Целлюлозно/полимерные композиты также характеризуются лучшей стойкостью к изнашиванию поверхности, чем цельная древесина, в особенности в областях применения, подобных напольному покрытию и перекрытию, где имеет место обычное истирание. Следовательно, целлюлозно/полимерные композиты широко используются для областей применения, таких как внутренние и наружные декоративные формованные изделия для зданий, рамы для картин, мебель, настилы для веранд, перильные ограждения для настилов, формованные изделия для окон, компоненты окон, компоненты дверей, кровельные конструкции, обшивка и облицовка строений и другие подходящие для использования компоненты для использования внутри и вне помещения. Кроме того, целлюлозно/полимерные композиты могут заменить высокодолговечную и дефицитную древесину твердолиственных пород, например, древесину тропических твердолиственных пород.
Как это признали специалисты в соответствующей области техники, избыточный уровень влагосодержания в синтетической древесной композиции может в результате привести к получению конечного продукта неудовлетворительного качества. В частности, избыточный уровень влагосодержания в синтетической древесной композиции может в результате привести к получению конечного компонента, который является подверженным появлению набухания, растрескивания и раскрашивания. Следовательно, до введения целлюлозного материала в синтетическую древесную композицию может оказаться необходимым его высушивание до предварительно определенного уровня. Даже после высушивания целлюлозного материала он обнаруживает естественную тенденцию к повторному поглощению влаги из окружающей среды. В результате также может оказаться необходимым хранение высушенного целлюлозного материала в окружающей среде с контролируемым уровнем влагосодержания для предотвращения повторного поглощения целлюлозным материалом дополнительной влаги до добавления к синтетической древесной композиции. В свете данных соображений сохранение достаточно сухого целлюлозного материала во время транспортирования его между различными местоположениями может оказаться затруднительным и дорогостоящим.
Компоненты пластиковых ограждений были разработаны в качестве альтернативных или дополнительных вариантов для традиционных ограждений из натуральной древесины. Например, в публикации US 5,100,109 описывается технологический процесс сооружения ограждения в результате предложения гибкого пластикового скатываемого штакетника, который может быть раскатан и скреплен с разнесенными друг от друга столбами ограждения. Гибкий штакетник изготавливают с размерами по высоте и ширине, моделирующими стандартную деревянную доску, и с длиной, составляющей 350 футов (106,7 м) и более. В соответствии с данным патентом штакетник формируют в ходе способа непрерывного экструдирования гибкого термопластичного материала.
В публикации US 5,404,685 описывается стена или ограждение, изготовленные отчасти из вспененных полистирольных пластиковых компонентов, говоря более конкретно, пластиковых столбиков и панелей. Сооружение ограждения в соответствии с данным патентом требует проведения нескольких стадий. Например, достижения устойчивости стены или ограждения добиваются в результате выливания материала армирующего наполнителя, такого как бетон, в полость полистирольных пластиковых столбиков после фиксирования столбиков на грунте. Достижения затвердевшей наружной поверхности ограждения добиваются в результате нанесения на ограждение или стену наружного отделочного состава, такого как отделочный гипс или специальная фасадная краска, после сооружения ограждения.
Однако, синтетическим древесным или древесным композитным продуктам, описанным выше, обычно свойственны недостатки исходя из сопоставления их механических свойств, в особенности прочности и жесткости, с тем, что имеет место для древесины, которую они заменяют. Кроме того, древесно/целлюлозные композиты, описанные выше, подвержены ползучести при воздействии непрерывно действующей нагрузки и/или высоких окружающих температур. В дополнение к этому, данные материалы имеют тенденцию к короблению после долговременного воздействия тепла. Вследствие данных конструкционных ограничений использование синтетических древесных продуктов, описанных выше, зачастую лимитируется менее ответственными с точки зрения восприятия нагрузки конструкционными областями применения. Например, в настилах их используют в качестве досок для настила, но они обычно не могут быть использованы для вертикальных столбов и балок, которые воспринимают нагрузки от конструкции в целом. Однако, в сопоставлении с продуктами, изготовленными из термопластичных полимеров, которые обычно характеризуются высоким коэффициентом термического расширения, древесно/целлюлозные композиты в общем случае характеризуются улучшенной термической стабильностью. Чистые термопластические полимеры характеризуются высоким уровнем термического расширения. Введение лигноцеллюлозного волокна в полимер уменьшает коэффициент термического расширения.
В публикации US 8,221,663 описывается способ изготовления вспененных изделий, имеющих плотность, составляющую не более чем 1,3 г/см3.
Одна проблема, связанная с технологическими процессами получения полимерно-древесных композиций, заключается в обеспечении наличия таких условий, чтобы могло бы быть достигнуто получение изделий, обладающих желательными свойствами, такими как свариваемость термопластов. В некоторых вариантах осуществления важным является наличие возможности получения симметричных изделий, имеющих мелкие детали и конкретные профили и формы. Одна дополнительная проблема относится к обеспечению возможности использования достаточно высокой доли целлюлозного волокна при получении, тем не менее, в результате изделия, обладающего желательными свойствами.
Таким образом, на современном уровне техники имеет место потребность в предложении композитных материалов и композитного продукта, которые преодолевают описанные выше проблемы, а также технологических процессов изготовления таких композитных материалов и композитных продуктов.
Сущность изобретения
Одна цель настоящего изобретения заключается в предложении композитного материала, содержащего целлюлозное волокно, обладающее улучшенными свойствами, такими как улучшенные характеристики прочности и жесткости, а также низкая ползучесть.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в предложении композитного продукта, содержащего такой композитный материал.
Достижения данных целей и других преимуществ добиваются в настоящем изобретении.
Настоящее изобретение направлено на композитный материал, содержащий, по меньшей мере, 20% (масс.) целлюлозного материала, по меньшей мере, 1% (масс.) и менее чем 20% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида и от 5% до 50% (масс.) ударопрочного полистирола. В одном варианте осуществления настоящего изобретения композитный материал может содержать другие наполнители, такие как карбонат кальция и другие неорганические наполнители.
Целлюлозный материал может быть термически модифицированным целлюлозным материалом. Термическое модифицирование проводят в результате проведения тепловой обработки, предпочтительно при температуре в диапазоне 160-250°С, предпочтительно в диапазоне 200-230°С, при атмосферном давлении или при температуре, составляющей более чем 120°С, при повышенном давлении в соответствии с технологическими процессами, известными на современном уровне техники.
Композитный материал содержит, по меньшей мере, 20% (масс.) целлюлозного материала, предпочтительно 25-75% (масс.), а еще более предпочтительно 40-65%, 45-65% или 50-60%, (масс.) целлюлозного материала.
В одном варианте осуществления композитный материал содержит, по меньшей мере, 2% и менее чем 20% (масс.), таким образом, как от 2% до 15% (масс.) или от 2% до 10%, от 5% до 10% или от 2% до 7% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида (SMA).
Целлюлозный материал может состоять из одного вида целлюлозного материала или, например, смеси из различных типов волокон. Целлюлозный материал может быть, например, предложен в виде древесных частиц или волокнистой массы. Примеры волокнистой массы включают механическую волокнистую массу, полумеханическую или химическую волокнистую массу, такую как термомеханическая волокнистая масса, химикотермомеханическая волокнистая масса или химическая волокнистая масса (изготовленная в ходе сульфатного или сульфитного способа варки), или растворимую волокнистую массу. Древесные частицы могут, например, представлять собой измельченную молотую древесину, древесную муку или древесные опилки. Целлюлозный материал перед использованием для получения композитного материала, соответствующего настоящему изобретению, может быть уплотнен.
Целлюлозный материал может характеризоваться размером частиц, составляющим менее чем 1 мм, предпочтительно менее чем 0,50 мм, а еще более предпочтительно менее чем 0,25 мм или менее чем 0,1 мм. Предпочитается, чтобы целлюлозный материал характеризовался бы маленьким размером, поскольку тогда достигается более равномерные диспергирование и распределение целлюлозного материала в композитном материале. В случае наличия целлюлозного материала в виде целлюлозных волокон волокна предпочтительно будут характеризоваться длиной волокна, составляющей менее чем 1 мм, предпочтительно менее чем 0,50 мм, а еще более предпочтительно менее чем 0,25 мм или менее чем 0,1 мм.
Целлюлозный материал может иметь вид порошка. Таким образом, целлюлозный материал может включать целлюлозные волокна, которые были подвергнуты механической обработке для производства порошка. Размер целлюлозного материала имеет значение для обретения возможности получения композитного материала, где целлюлозный материал является равномерно распределенным. Как это было установлено, в случае наличия целлюлозного материала в виде порошка будет легко добиться получения хороших диспергирования и смеси с полимером.
Ударопрочный полистирол (HIPS) может представлять собой, например, привитой сополимер, когда полибутадиен добавляли во время полимеризации для достижения химического связывания с полистиролом, и который впоследствии смешали с обычным полибутадиеном. Полимер HIPS является доступным на коммерческих условиях, например, под наименованием Bextrene.
Сополимер SMA (стирола-малеинового ангидрида) представляет собой синтетический полимер, который образован из мономерных стирола и малеинового ангидрида.
Настоящее изобретение также относится к способу производства композитного продукта, где данный способ включает стадии: получения целлюлозного материала, ударопрочного полистирола (HIPS) и сополимера стирола-малеинового ангидрида (SMA), подачи упомянутых целлюлозного материала, полимера HIPS и сополимера SMA в экструдер и экструдирования композитного продукта.
Температура, использующаяся в экструдере, предпочтительно составляет более чем 180°С.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к композитному материалу, содержащему целлюлозный материал, ударопрочный полистирол (HIPS) и сополимер стирола-малеинового ангидрида (SMA). Как это к удивлению было установлено, композитный материал, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает получение усиленных характеристик прочности и жесткости.
Перерабатываемость композитного материала, соответствующего настоящему изобретению, является подходящей для использования в высокопрочных композитных профилях для областей применения, таких как в случае окон и дверей, и более серьезных с точки зрения восприятия нагрузки инфраструктурных областях применения, где обычные древесно-полимерные композиты и пластики не являются подходящими для использования.
Наблюдаемые улучшенные прочность и стабильность усиливают в результате проведения реакции этерификации с образованием сложных эфиров между целлюлозным материалом и матричными компонентами. В одном варианте осуществления настоящего изобретения гравиметрическая плотность композитного материала и композитного продукта составляет более чем 1,0 г/см3, таким образом, как более чем 1,3 г/см3.
Кроме того, как это было установлено, при использовании термически модифицированного целлюлозного материала в композите добиваются получения композита, демонстрирующего в особенности выгодные характеристики прочности.
Под термином «термически модифицированный целлюлозный материал» подразумевается то, что целлюлозный материал был подвергнут термической обработке при увеличенной температуре в диапазоне 160-250°С при атмосферном давлении или при температуре, составляющей более чем 120°С, при повышенном давлении, составляющем более чем 1 бар. Целлюлозный материал может представлять собой термически обработанные целлюлозные волокна, относящиеся к любому виду целлюлозного древесного материала. Термически модифицированные целлюлозные волокна могут быть подвергнуты дополнительной обработке для получения упомянутого термически модифицированного целлюлозного материала, например, подвергнуты механической обработке и/или химической обработке. Механическая обработка термически обработанных целлюлозных волокон может быть проведена для получения порошка, и одно из преимуществ, связанных с механической обработкой термически модифицированных целлюлозных волокон, заключается в легкости их разрыва с образованием очень маленьких частиц, имеющих уникальную форму. Размер и форма представляют собой ключевые параметры, оказывающие воздействие на многочисленные свойства композита, такие как прочность и впитывание воды. Вследствие наличия очень мелкого размера частиц и отсутствия смолы в сопоставлении с тем, что обнаруживается для обычной высушенной древесины, значительно уменьшается риск образования жгутов волокон при добавлении термически модифицированного целлюлозного материала к полимеру для получения композитного материала, что, в свою очередь, приводит к более равномерным диспергированию и распределению. Для улучшения реакционной способности материала может быть проведена химическая обработка термически обработанных целлюлозных волокон. Также возможной является и термическая обработка целлюлозных волокон, которые были подвергнуты механической или химической обработке, например, термическая обработка целлюлозного волокна, которое было размолото для получения порошка.
Композитный материал также может содержать добавки, которые будут усиливать эксплуатационные характеристики и технологические параметры композита. Возможные добавки могут представлять собой смазки, аппреты, пигменты, УФ-стабилизаторы или -блокаторы и/или наполнители. В одном варианте осуществления настоящего изобретения композитный материал содержит антипирен.
Настоящее изобретение также относится к способу производства композитного продукта, где данный способ включает использование экструдера для изготовления композитного продукта. Возможным является использование любого типа экструдера.
Композитный материал, соответствующий настоящему изобретению, может быть, например, произведен в виде пеллет или гранул при использовании компаундирующего экструдера. Такие пеллеты или гранулы могут быть использованы для изготовления композитного продукта, содержащего композитный материал. Такие композитные продукты могут быть, например, изготовлены в результате экструдирования, литьевого формования, центробежного формования, трехмерной печати или формования в пресс-формах. Композитный материал также может быть произведен в виде композитного продукта с приданной формой, например, в результате обеспечения наличия профилированной экструзионной головки, через которую экструдируют композитный продукт с приданной формой. Такие профилированные композитные продукты могут быть произведены с широким спектром форм и для множества целей.
Произведенный композитный продукт может быть использован для производства множества различных продуктов, таких как облицовка, перекрытие, оконные и дверные профили, мачты освещения, эркеры, столярно-строительные конструкции, мебель и тому подобное. Произведенные композитные продукты могут быть использованы для областей применения, таких как внутренние и наружные декоративные формованные изделия для зданий, рамы для картин, мебель, настилы для веранд, перильные ограждения для настилов, формованные изделия для окон, компоненты окон, компоненты дверей, кровельные конструкции, обшивка и облицовка строений и другие подходящие для использования компоненты для использования внутри и вне помещения. Композитный материал и композитные продукты, соответствующие настоящему изобретению, также могут оказаться подходящими для использования при креплении подпорками, а также в морских окружающих средах, таких как в случае подводных конструкций. Кроме того, целлюлозно/полимерные композиты, соответствующие настоящему изобретению, могут заменить высокодолговечную и дефицитную древесину твердолиственных пород, например, древесину тропических твердолиственных пород.
Примеры
Сокращения:
SMA: сополимер стирола-малеинового ангидрида (продукт Xiran от компании Polyscope)
TW: термически модифицированный целлюлозный материал
HIPS: ударопрочный полистирол
MOE: модуль упругости
STD: среднеквадратическое отклонение
WPC: древесно-полимерный композит
Avg: среднее значение
COV: вариационный коэффициент
Пример 1
В данном эксперименте исследовали механические свойства композитных продуктов, содержащих композитный материал, соответствующий настоящему изобретению.
Использовали термически модифицированные древесные (HTW) волокна. Волокна представляли собой стружки от сосны, которые были термически модифицированы в результате нагревания до 212°С на протяжении 3 часов, а впоследствии размолоты в молотковой мельнице и перепущены через сито.
Получали следующие далее рецептуры.
Таблица 1. Рецептуры образцов, % (масс.)
| Образец | Уровень содержания целлюлозного материала | Уровень содержания сополимера SMA | Уровень содержания сополимера HIPS |
| Контрольный образец - сосна | Сосна 50% | 0% | 50% |
| SMA-0% | TW 50% | 0% | 50% |
| SMA-2,5% | TW 50% | 2,5% | 47,5% |
| SMA-5,0% | TW 50% | 5,0% | 45,0% |
| SMA-7,5% | TW 50% | 7,5% | 42,5% |
| SMA-10,0% | TW 50% | 10,0% | 40,0% |
| SMA-12,5% | TW 50% | 12,5% | 37,5% |
| SMA-15,0% | TW 50% | 15,0% | 35,0% |
Технические характеристики опытно-промышленной экструзионной системы представляли собой нижеследующее: в экструдере использовали следующие далее технологические параметры.
Таблица 2. Параметры экструдирования, оборудование Woodtruder
Целлюлозные волокна непосредственно подавали в двухчервячный экструдер и при использовании одночервячного экструдера добавляли сополимер SMA. Производили композитные продукты в виде досок для перекрытия.
| Часть экструзионной головки | Двухчервячный экструдер WT 94 | |||||||||||||
| Экструзионная головка 3 | Экструзионная головка 2 | Экструзионная головка 1 | Зажим | Зона 8 | Зона 7 | Зона 6 | Зона 5 | Зона 4 | Зона 3 | Зона 2 | Зона 1 | об./мин | Р расплава | Т расплава |
| 200 | 200 | 200 | 210 | 200 | 190 | 190 | 185 | 180 | 180 | 170 | 165 | 37 | фунт/дюйм2 (6,89 кПа) | 193 |
| Норма выработки | Вакуум | Одночервячный экструдер T75 | ||||||||||||
| фунт/час (кг/час) | дюймы Hg (кПа) | Зажим | Переходник | Зона 5 | Зона 4 | Зона 3 | Зона 2 | Зона 1 | об./мин | Р расплава | Т расплава | |||
| 72~75 (21,9~22,9) | 30 дюймов (4 кПа) | 210 | 210 | 210 | 200 | 195 | 190 | 185 | 17 | фунт/дюйм2 (6,89 кПа) | 205 |
Для образцов определяли изгибные свойства (предел прочности при изгибе и модуль упругости при изгибе).
Таблица 3. Изгибные свойства образцов и контрольных/сравнительных образцов
| Образец | Прочность | MOE | ||
| Среднее значение, MПa | STD | Среднее значение, MПa | STD | |
| Контрольный образец - сосна | 31,07 | 1,36 | 4688 | 425 |
| SMA-0% | 31,26 | 1,17 | 5849 | 170 |
| SMA-2,5% | 45,71 | 3,26 | 6888 | 268 |
| SMA-5% | 49,82 | 1,80 | 6865 | 237 |
| SMA-7,5% | 50,26 | 1,80 | 6431 | 237 |
| SMA-10% | 50,29 | 1,99 | 6110 | 328 |
| SMA-12,5% | 49,85 | 2,86 | 5660 | 083 |
| SMA-15% | 49,01 | 2,14 | 5531 | 117 |
| Вспененный материал SMA-WPC * | 24,82 | - | 3534 | - |
| Материал WPC, доступный на коммерческих условиях, ** | 19,99 | - | 1379 | - |
* данные от образцов досок для перекрытий, изготовленных из продукта NovaChem SMA и древесины сосны; уровень содержания древесины 30%, и относительная плотность составляла 0,85.
** продукт, доступный на коммерческих условиях, (полипропилен/полиэтилен и 50% (масс.) обычных древесных опилок); данные из технического паспорта материала WPC, доступного на коммерческих условиях.
Пример 2
Определяли стабильность геометрических размеров образцов.
Образцы сначала кондиционировали при комнатной температуре, а после этого погружали в воду на протяжении в совокупности 28 дней. Измерения размеров проводили по истечении 24 часов, 7 дней, 14 дней, 21 дня и 28 дней в целях определения поглощения воды и изменений размеров для ширины, длины и толщины.
Таблица 4. Процентная величина набора массы для образцов, замоченных в воде
| Образец | 24 часа | 7 дней | 14 дней | 21 день | 28 дней | |||||
| Avg | COV | Avg | COV | Avg | COV | Avg | COV | Avg | COV | |
| SMA 0% | 0,085 | 4,47 | 0,525 | 2,38 | 0,822 | 2,16 | 1,131 | 3,54 | 1,222 | 3,07 |
| SMA 2,5% | 0,056 | 33,81 | 0,472 | 25,59 | 0,705 | 18,27 | 0,936 | 15,67 | 0,991 | 10,6 |
| SMA 5% | 0,049 | 36,39 | 0,381 | 16,89 | 0,613 | 13,91 | 0,817 | 3,35 | 0,884 | 9,62 |
| SMA 7,5% | 0,044 | 6,57 | 0,336 | 3,13 | 0,567 | 3,28 | 0,793 | 3,05 | 0,847 | 3,01 |
| SMA 10% | 0,051 | 11,07 | 0,363 | 8,16 | 0,568 | 8,71 | 0,799 | 6,12 | 0,884 | 7,23 |
| SMA 12,5% | 0,055 | 12,77 | 0,363 | 3,47 | 0,572 | 2,68 | 0,811 | 2,27 | 0,886 | 1,62 |
| SMA 15% | 0,058 | 8,70 | 0,355 | 1,63 | 0,603 | 2,09 | 0,818 | 1,83 | 0,888 | 1,08 |
| Контрольный образец - сосна | 0,300 | 13,39 | 1,385 | 8,59 | 2,028 | 7,80 | 2,646 | 7,49 | 2,817 | 7,61 |
Таблица 5. Процентная величина изменения размера (набухания толщины) для образцов, замоченных в воде
| Образец | 24 часа | 7 дней | 14 дней | |||
| Avg | COV | Avg | COV | Avg | COV | |
| SMA 0% | 0,510 | 12,420 | 0,742 | 15,270 | 0,888 | 2,080 |
| SMA 2,5% | 0,474 | 19,440 | 0,612 | 17,780 | 0,668 | 15,610 |
| SMA 5% | 0,523 | 9,750 | 0,650 | 13,840 | 0,706 | 12,110 |
| SMA 7,5% | 0,531 | 8,470 | 0,617 | 9,440 | 0,690 | 9,740 |
| SMA 10% | 0,479 | 17,580 | 0,563 | 18,340 | 0,650 | 14,190 |
| SMA 12,5% | 0,420 | 18,240 | 0,540 | 9,840 | 0,612 | 7,820 |
| SMA 15% | 0,392 | 10,300 | 0,532 | 8,750 | 0,616 | 8,410 |
| Контрольный образец - сосна | 1,011 | 6,460 | 1,518 | 6,550 | 1,836 | 6,680 |
| Образец | 21 день | 28 дней | ||||
| Avg | COV | Avg | COV | |||
| SMA 0% | 0,955 | 9,050 | 1,041 | 6,86 | ||
| SMA 2,5% | 0,685 | 16,800 | 0,769 | 21,43 | ||
| SMA 5% | 0,770 | 13,680 | 0,809 | 13,13 | ||
| SMA 7,5% | 0,748 | 10,750 | 0,750 | 10,63 | ||
| SMA 10% | 0,712 | 12,770 | 0,768 | 13,62 | ||
| SMA 12,5% | 0,689 | 8,090 | 0,730 | 7,31 | ||
| SMA 15% | 0,680 | 9,500 | 0,728 | 7,38 | ||
| Контрольный образец - сосна | 2,150 | 8,440 | 2,245 | 8,23 |
Как это было установлено, образцы, содержащие термически модифицированный целлюлозный материал, характеризовались меньшими поглощением воды (набором массы) и изменениями размеров в сопоставлении с образцом, изготовленным при использовании обычной сосны.
Значительное воздействие на поглощение воды (набор массы) и изменения размеров для образца оказывал уровень содержания сополимера SMA.
Пример 3
Коэффициент термического расширения (СТЕ) определяли в соответствии с документом ASTM Standard D 696 и сопоставляли с тем, что имеет место для других обычных пластиковых и композитных продуктов. Значение СТЕ измеряют для двух направлений - направления в длину (направления экструдирования) и направления в ширину (поперечного направления для экструдирования).
Таблица 6. Значения СТЕ для образцов
| Образец | CTE | ||
| Avg | STD | COV | |
| Контрольный образец - сосна - длина | 2,76 E-05 | 5,16 E-06 | 18,71 |
| Контрольный образец - сосна - ширина | 6,96 E-05 | 2,23 E-07 | 0,32 |
| SMA-0% - длина | 4,86 E-05 | 3,65 E-06 | 7,51 |
| SMA-0% - ширина | 6,94 E-05 | 3,07 E-06 | 4,42 |
| SMA-2,5% - длина | 2,40 E-05 | 2,13 E-06 | 8,88 |
| SMA-2,5% - ширина | 6,62 E-05 | 2,16 E-06 | 3,26 |
| SMA-5,0% - длина | 2,51 E-05 | 2,61 E-06 | 10,42 |
| SMA-5,0% - ширина | 6,68 E-05 | 7,61 E-07 | 1,14 |
| SMA-7,5% - длина | 2,30 E-05 | 9,67 E-08 | 0,42 |
| SMA-7,5% - ширина | 6,65 E-05 | 1,32 E-06 | 1,98 |
| SMA-10% - длина | 2,29 E-05 | 5,74 E-07 | 2,51 |
| SMA-10% - ширина | 6,72 E-05 | 4,77 E-07 | 0,71 |
| SMA-12,5% - длина | 2,02 E-05 | 2,16 E-07 | 1,07 |
| SMA-12,5% - ширина | 6,47 E-05 | 1,15 E-06 | 1,77 |
| SMA-15% - длина | 2,07 E-05 | 1,75 E-06 | 8,47 |
| SMA-15% - ширина | 6,46 E-05 | 3,48 E-06 | 5,39 |
| Профиль из полимера PVC * | 5,0 E-05 | ||
| Материал WPC, доступный на коммерческих условиях, ** | 2,0 E-05 |
* Значение СТЕ для профилей из полимера PVC предположительно соответствуют расширению в направлении длины, если только производители не упоминают направления расширения.
** Значение СТЕ для материала WPC, доступного на коммерческих условиях, предположительно соответствуют расширению в направлении длины.
Как это было установлено, образцы, соответствующие настоящему изобретению, продемонстрировали коэффициент термического расширения, подобный тому, что имеет место для материала WPC, доступного на коммерческих условиях, и составляющий приблизительно 50% от значения для профиля из полимера PVC, что представляет собой большое преимущество.
Как это было установлено, значение СТЕ для направления экструдирования (направления в длину) является намного меньшим, чем то, что имеет место в поперечном направлении (направлении в ширину).
Как это было установлено, образцы, содержащие термически модифицированный целлюлозный материал, продемонстрировали меньшие значения СТЕ, чем обычная сосна.
Как это было установлено, в меньшее значение СТЕ для образцов вносил свой вклад уровень содержания сополимера SMA.
Пример 4
Провели исследование для оценки возможности окрашивания на поверхностях композитных продуктов, соответствующих настоящему изобретению.
Получали следующие далее образцы (% (масс.)):
| Образец | Описание | Примечание |
| HIPS-TW-WPC-SMA 2,5% | HIPS 47,5% совместно с TW 50%/SMA 2,5% | Срез с досок для перекрытия |
| HIPS-TW-WPC-SMA 5,0% | HIPS 45% совместно с TW 50%/SMA 5,0% | Срез с досок для перекрытия |
| HIPS-TW-WPC-SMA 10% | HIPS 40% совместно с TW 50%/SMA 10% | Срез с досок для перекрытия |
| HIPS-TW-WPC-SMA 15% | HIPS 35% совместно с TW 50%/SMA 15% | Срез с досок для перекрытия |
SMA: сополимер стирола-малеинового ангидрида (продукт Xiran от компании Polyscope)
TW: термически модифицированный целлюлозный материал (*)
HIPS: ударопрочный полистирол
(*) Волокна представляли собой стружки от сосны, которые были термически модифицированы в результате нагревания до 212°С на протяжении 3 часов, а впоследствии размолоты в молотковой мельнице и перепущены через сито.
Условия окрашивания/нанесения покрытия представляли собой нижеследующее:
| Марка краски | NuCoat на водной основе |
| Наименование продукта для краски | Super anti-heat Signal Black & Bar Red |
| Подготовка поверхности | Зачищали абразивом Scotch Brite и омывали продуктом Zowo-Plast 1120 или использовали в том виде, как есть |
| Интенсивность распыления | Камера для окрашивания распылением, 75° при размере сопла 1,8 |
| Давление распыления | 55 фунт/дюйм2 (379,2 кПа) |
| Температурно-влажностный режим камеры | Комнатная температура при относительной влажности 39% |
| Температура отверждения | 90,5°F (32,5°С) при относительной влажности 21% |
| Время отверждения | 24 часа |
Метод испытаний: ASTM D4541, использовали стандартный метод испытаний на предел прочности при отрыве для покрытий при использовании портативных приборов для испытаний на прочность адгезии. Портативный прибор для испытания на прочность адгезии являлся прибором для испытаний на отрыв Model PosiTest AT-M от компании DeFelsko.
Получали следующие далее результаты:
| Образец | Среднее напряжение при отрыве |
| HIPS-TW-WPC-SMA 2,5% | 237 фунт/дюйм2 (1634,1 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 5,0% | 312 фунт/дюйм2 (2151,2 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 10% | 335 фунт/дюйм2 (2309,7 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 15% | 373 фунт/дюйм2 (2571,7 кПа) |
Испытание на отрыв проводили на твердых поверхностях, подвергнутых и не подвергнутых обработке, для оценки топологических свойств поверхностей образцов. Обработку поверхности проводили в результате зачистки поверхности при использовании губок с абразивом Scotch Brite® и омывания продуктом Zowo-Plast 1120, представляющим собой водный/биоразлагаемый очиститель, для очистки и подготовки до нанесения покрытия.
Для обработанных поверхностей получали следующие далее результаты:
| Образец | Среднее напряжение при отрыве |
| HIPS-TW-WPC-SMA 2,5% | 555 фунт/дюйм2 (3826,6 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 5,0% | 463 фунт/дюйм2 (3192,3 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 10% | 677 фунт/дюйм2 (4667,8 кПа) |
| HIPS-TW-WPC-SMA 15% | 646 фунт/дюйм2 (4454,0 кПа) |
Напряжения при отрыве для всех образцов являются очень высокими, что представляет способность окрашиваться для композитных продуктов, соответствующих настоящему изобретению. Как это было продемонстрировано выше, на прочность сцепления оказывают воздействие уровень содержания сополимера SMA и обработка поверхности.
С учетом вышеизложенного подробного описания настоящего изобретения для специалистов в соответствующей области техники очевидными станут и другие модификации и вариации. Однако, как это должно быть очевидным, такие другие модификации и вариации могут быть реализованы без отклонения от объема и сущности изобретения.
1. Композитный материал, содержащий, по меньшей мере, 20% (масс.) целлюлозного материала, по меньшей мере, 1% (масс.) и менее чем 20% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида и от 5% до 50% (масс.) ударопрочного полистирола, где указанный целлюлозный материал является термически модифицированным в результате проведения тепловой обработки при температуре в диапазоне 160-250°С, предпочтительно в диапазоне 200-230°С, при атмосферном давлении, или при температуре, составляющей более чем 120°С, при повышенном давлении.
2. Композитный материал по п.1, где композитный материал содержит от 2% до 15% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида.
3. Композитный материал по п.2, где композитный материал содержит от 5% до 10% (масс.) сополимера стирола-малеинового ангидрида.
4. Композитный материал по любому одному из пп.1-3, содержащий 25-75% (масс.) целлюлозного материала.
5. Композитный материал по п.4, содержащий 40-65% (масс.) целлюлозного материала.
6. Композитный материал по п.5, содержащий 45-65% (масс.) целлюлозного материала.
7. Композитный материал по п.6, содержащий 50-60% (масс.) целлюлозного материала.
8. Композитный материал по любому одному из пп.1-7, содержащий 35-50% (масс.) ударопрочного полистирола.
9. Композитный материал по любому одному из пп.1-8, где целлюлозный материал характеризуется размером частиц, составляющим менее чем 1 мм.
10. Композитный материал по любому одному из пп.1-9, где целлюлозный материал имеет вид порошка.
11. Композитный продукт, содержащий композитный материал по любому одному из пп.1-10.
12. Композитный продукт по п.11, где композитный продукт является подходящим для использования в облицовке, перекрытии, оконных и дверных профилях, мачтах освещения, эркерах, столярно-строительных конструкциях или мебели.
13. Способ производства композитного продукта, где данный способ включает стадии: а) получения термически модифицированного целлюлозного материала, полученного в результате проведения тепловой обработки при температуре в диапазоне 160-250°С, предпочтительно в диапазоне 200-230°С, при атмосферном давлении, или при температуре, составляющей более чем 120°С, при повышенном давлении, ударопрочного полистирола (HIPS) и сополимера стирола-малеинового ангидрида (SMA); b) подачи упомянутых целлюлозного материала, полимера HIPS и сополимера SMA в экструдер; и с) экструдирования композитного продукта.
