具有聚烯烃和矿物填料的聚合物复合物的一次性盖子的制作方法

背景技术：

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月21日申请的序列号为61/477，886的美国临时申请的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本申请一般涉及尤其适用于一次性盖子及类似物的聚合物组合物。具体地，本申请涉及一种包括热成型片材的一次性盖子，该热成型片材具有聚烯烃和至少一种矿物填料的聚合物复合物。

现有技术

热饮，例如为忙碌人士新鲜调制的咖啡通常盛放在具有一次性盖子的厚纸杯中。咖啡一般在90-96℃下调制，在82-88℃下保持并在70-80℃下盛放。咖啡杯盖优选地具有承受将盖推至杯上所需之力以及在咖啡的温度下保持尺寸稳定性的机械强度。在一温度范围之内的材料的机械强度可关系到材料的热变形温度(“HDT”)或负载下的变形温度(“DTUL”)。目前用于热饮杯的封盖材料主要由高抗冲聚苯乙烯(“HIPS”)制成，由于其无定形结构，其易于加工并且在刚性和强度之间具有良好的平衡。但是，高抗冲聚苯乙烯树脂可能易受化学侵蚀以及由溶剂造成的碎裂。另外，树脂中存在的残留苯乙烯单体可散发恼人的气味。此外，在所有的商品级树脂中，高抗冲聚苯乙烯树脂具有相对高的碳足迹。因此，仍需要制造改良的一次性盖子。

发明概述

下文将描述本申请的目的和优点，通过下文的描述以及通过实践本申请所了解到的，可明显地了解本发明的目的和优点。由书面描述和权利要求中特别指出的装置以及从附图中，可实现以及达到本申请的额外的优点。

为了达到这些和其它优点以及根据本申请广义和具体的目的，本申请包括一次性盖子，其包括用于热饮容器的盖子形状的热成型片材。该片材包括聚烯烃和至少一种矿物填料的聚合物复合物。该片材的厚度小于约0.035英寸，且热变形温度至少与高抗冲聚苯乙烯相当。

根据一方面，该热变形温度至少约等于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度。特别地，根据受弯曲负载下的边缘位置塑料的热变形温度的ASTMD648-06标准测试法(2006)，热变形温度可以至少为约87℃。

如本文所实施的那样，矿物填料可包括高长径比的矿物填料，例如，选自由滑石粉，云母，硅灰石或其组合构成的群组。例如，聚合物复合物可包括至少约10重量％的高长径比的矿物填料。此外或替代地，矿物填料可包括低长径比的矿物填料，例如碳酸钙。例如，聚合物复合物可以包括至少约20重量％的低长径比的矿物填料。聚烯烃可选自由聚丙烯均聚物、聚丙烯抗冲共聚物、乙烯-丙烯无规共聚物、高密度聚乙烯或其组合构成的群组。

在一个实施例中，聚烯烃包括聚丙烯，矿物填料包括高长径比的矿物填料，且该聚合物复合物包括至少约10重量％的矿物填料。在另一个实施方式中，聚烯烃包括聚丙烯，矿物填料包括低长径比的矿物填料，且该聚合物复合物包括至少约20重量％的矿物填料。在又一个实施方式中，聚烯烃包括高密度聚乙烯，矿物填料包括高长径比的矿物填料，且该聚合物复合物包括至少约20重量％的矿物填料。在又一个实施方式中，聚烯烃包括高密度聚乙烯，矿物填料包括低长径比的矿物填料，且该聚合物复合物包括至少约40重量％的矿物填料。

根据另一方面，聚烯烃可以包括聚丙烯，矿物填料可包括高长径比的矿物填料，且该聚合物复合物的收缩率可与高抗冲聚苯乙烯相当。例如，根据ASTM D955标准(1996)测量时，聚合物复合物的收缩率可为约0.5％到约1.0％。在此方式中，聚合物复合物包括约20重量％到约40重量％的矿物填料。

根据另一方面，聚烯烃可包括聚乙烯，矿物填料可包括高长径比的矿物填料，且该聚合物复合物的收缩率可与聚丙烯相当。例如，根据ASTMD955标准(1996)测量时，聚合物复合物的收缩率可为约1.25％到约1.75％。在此实施方式中，聚合物复合物包括约30重量％到约50重量％的矿物填料。

根据所公开的主题的一个方面，聚合物复合物主要由聚烯烃和至少一种矿物填料构成。但是，该聚合物复合物可进一步包括添加剂，其选自由着色剂，加工助剂及其组合构成的群组。

如本文所实施的那样，热饮容器可以是咖啡杯，但是也可以预想一种用于其它合适容器的盖子。

根据另一个方面，该聚合物复合物的碳足迹(footprint)低于高抗冲聚苯乙烯。例如，该聚合物复合物的温室气体排放低于高抗冲聚苯乙烯。

应当理解上文概述和下文详细描述仅是示例性的，旨在进一步解释本申请的权利要求。

并入本说明书并且构成本说明书一部分的附图旨在图解本申请的装置，且提供对本申请装置的进一步的解释。附图连同书面描述用于解释本申请的原理。

附图说明

图1为根据所公开的主题的纯净的高抗冲聚苯乙烯、纯净的聚丙烯、纯净的高密度聚乙烯以及某些矿物填充的聚合物复合物各自的热变形温度图。

图2是根据所公开的主题的纯净的高抗冲聚苯乙烯、纯净的聚丙烯、纯净的高密度聚乙烯以及某些矿物填充的聚合物复合物各自的收缩特性图。

优选实施方式详述

现将详细参考本申请优选的实施例，附图中图解本申请的实施例。本文呈现的一次性盖子一般旨在与盛放高温热饮，例如咖啡的杯子或其它容器配合使用。尽管本文将参考用于热饮杯的盖子，也可预想到其它类似或合适的用途。

典型地，聚烯烃的热变形温度低于高抗冲聚苯乙烯(“HIPS”)，因此不适合单独(例如纯净的)用作热饮杯的封盖材料。然而，根据所公开的主题，聚烯烃的热变形温度可通过加入至少一种矿物填料以形成聚合物复合物而得到改善。得到的聚合物复合物的热变形温度可至少约等于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度，因此可用作热饮杯或类似物的封盖材料。

根据所公开的主题的一次性盖子包括用于热饮容器的盖子形状的热成型片。所述片材包括聚烯烃和至少一种矿物填料的聚合物复合物。片材厚度小于约0.035英寸且热变形温度至少与高抗冲聚苯乙烯的热变形温度相当。

在一个实施方式中，矿物填料可包括用于提高聚烯烃的热变形温度的任意合适的矿物填料。例如但不限于，矿物填料可包括高长径比的填料，低长径比的填料，或两者的混合物。为便于理解，本文将术语颗粒的“长径比”定义为颗粒的最大尺寸除以颗粒的最小尺寸的比率。通过电子显微镜(放大2,000倍)扫描以及视觉上观察颗粒的外表面来确定颗粒的长度和厚度，从而确定长径比。

本文将高长径比填料定义为长径比至少为约5:1的填料。本文所公开的主题的高长径比填料的长径比一般为约5:1到约40:1，优选约10:1到约20:1。高长径比填料可包括滑石粉、云母、硅灰石或其组合。市售的滑石粉材料包括，但不限于，可从Luzenac America of Englewood,Colorado购买的575。市售的云母材料包括可从ZemexIndustrial Minerals,Inc.购买的325-PP。市售的硅灰石包括，但不限于，可从NYCO Minerals Inc.of Calgary,Alberta,Canada购买的系列硅灰石。

所公开的主题的低长径比填料的长径比一般为1:1到约3:1，优选为1:1到约2:1。低长径比填料可包括碳酸钙、硫酸钡或其组合。市售的碳酸钙包括，但不限于，可从OMYA Inc.of Cincinnati,OH购买的或可从Imerys Performance Minerals Inc.of Alpharetta,Ga.购买的市售硫酸钡的一个示例是可从Polar Minerals inMentor,Ohio购买的BARITE

当所述的至少一种填料包括高长径比和低长径比填料的混合物时，所述填料混合物可包括任意合适重量百分比的高长径比填料和低长径比填料。例如，所述填料混合物可包括至少50重量％的高长径比填料。在一个实施方式中，所述填料混合物可具有约50到约80wt.％的高长径比填料以及约20到约50wt.％的低长径比填料。

根据一方面，所述聚烯烃可以是任意合适的聚烯烃。例如但不限于，聚烯烃可选自由聚丙烯均聚物、聚丙烯抗冲共聚物、乙烯-丙烯无规共聚物、高密度聚乙烯或其组合构成的群组。所述聚烯烃可以是均聚聚丙烯和抗冲共聚聚丙烯以任意需要的重量百分比，例如60/40混合，或以足够达到复合物所需抗冲性质的混合比例混合。

根据一个方面，聚合物复合物可主要由聚烯烃和至少一种矿物填料组成。但是，聚合物复合物可进一步包括本领域技术人员已知的任意的添加剂。例如，但不限于，添加剂可包括着色剂，加工助剂例如常用于加工组合物的那些，或其组合。

根据一个方面，可使用多种常规制造以及成型工艺形成该一次性盖子，包括热成型或注射成型工艺，但本文使用热成型工艺。根据一种制造方法，在双螺杆挤出机中熔融聚烯烃树脂的团块。将至少一种矿物填料的粉末与聚烯烃熔体混合和/或加入到聚烯烃熔体中，以形成混合物。该混合物通过模具挤出，以形成挤出片材。然后将挤出片热成型为所需的一次性盖子的形状。任选地，可从典型的化学工艺中制造团块形式的具有高填料含量的矿物填充的化合物，在片材挤出工艺中使该团块进一步稀释到需要的填料含量。

可根据需要选择盖的厚度，但是一般小于约0.15英寸，优选小于约0.035英寸。优选地，盖的厚度可以是约0.01到约0.025英寸。盖可以是聚烯烃/填料混合物的天然颜色，或各种颜色或颜色的组合。如本领域已知的，可根据需要选择盖的高度、重量、形状以及设计，以配合合适的热饮容器，例如咖啡杯。例如，盖的重量可为约3到约4克。示例性盖设计包括，但不限于，在美国专利号7,819,271、7,789,260、7,691,302、D556,573、D544,793、D541,651、D541,650、D541,153、D540,675、D540,674、D540,673、D540,672、D540,166、D540,165、D539,646、D533,778、D635,855、7,731,047、7,513,382、7,246,715、D540,167、D539,650、D539,649、D536,249、D535,561、7,159,732、7,156,251、7,134,566、7,131,551、D530,602、7,063,224、D514,445、D514,444、6,874,649、6,732,875、D489,260、D485,578、6,679,397、6,644,490、D478,006、D477,223、D476,891、D476,566、4,753,365、D287,919、4,615,459和4,589,569中描述和显示的，其各自的内容通过引用整体引入本文。

根据公开的主题的一方面，热变形温度(“HDT”)，也被称作负载下的变形温度(“DTUL”)可根据受弯曲负载下在边缘位置塑料的热变形温度的ASTM D648-06标准测试法(2006)测定。为了图示的目的且不是限制，表1包括根据ASTM D648-06标准(2006)测定的纯净的高抗冲聚苯乙烯、纯净的聚丙烯(“PP”)、纯净的高密度聚乙烯(“HDPE”)以及根据公开的主题的多种矿物填充的聚合物复合物的热变形温度。表1提供的数据名义上是基于宽度为12.7mm、厚度为3.17mm和跨度为101.6mm的注射模塑棒。施加2.5N负载以达到0.455MPa(66PSI)的纤维压力。热传递介质的温度以2.0℃/min的速度斜升。在30℃下将变形重设为0，以允许任何的低温蠕变。样品额外变形0.25mm下的温度被认为是热变形温度。为了图示的目的且不是限制，图1提供了表1中所提供的热变形温度数据的图形表示。特别地，图1显示与纯净的HIPS作为对照相比，热变形温度随着聚丙烯或高密度聚乙烯与滑石粉或碳酸钙四种不同组合的矿物填料的含量而增加。

表1.HIPS、PP、HDPE和矿物填充的复合物的DTUL以及IM成型收缩率

¹高抗冲聚苯乙烯，Total Petrochemicals 940E

²高密度聚乙烯，密度＝0.963g/cc

³PP均聚物PP/抗冲共聚物混合物，混合比例60/40

⁴PP抗冲共聚物

⁵PP均聚物

⁶DTUL-根据ASTM D648的负载下(66psi)的变形温度

由表1和图1的数据可以看出，纯净的高抗冲聚苯乙烯的热变形温度为87℃，落入咖啡调制和供应的温度范围内。聚丙烯共聚物或聚丙烯均聚物/共聚物的混合物的热变形温度约为79-80℃，低于由纯净的高抗冲聚苯乙烯提供的热变形温度。然而，显示纯净高密度聚乙烯的热变形温度为约69℃，不在由纯净高密度聚乙烯制成的盖可发挥令人满意的效果的温度范围内。

根据表1所公开的主题，实施例1-20显示了在不同的矿物填料水平下多种聚烯烃和矿物填料组合的热变形温度。在不同的聚烯烃和矿物填料组合中，随着矿物含量的增加，碳酸钙填充的聚烯烃相对于各自未填充(即纯净)的聚烯烃，其热变形温度逐渐增加。相比之下，随着矿物填料含量的增加，滑石粉填充的聚烯烃的热变形温度增长幅度更大。出乎意料的是，即使滑石粉的含量低至约10％，滑石粉填充的聚丙烯的热变形温度增加更显著。

由表1和图1的数据所示，根据所公开的主题的聚合物复合物的热变形温度与高抗冲聚苯乙烯的热变形温度相当、相等或更大。例如，为了达到与高抗冲聚苯乙烯相等或更大的热变形温度，如果矿物填料包括高长径比的矿物(例如滑石粉)，所述聚合物复合物可包括少至约10重量％的矿物填料(参见实施例12)。实际上，如图1所示，当使用聚丙烯时，仅需要甚至少于10重量％的滑石粉就可以达到与高抗冲聚苯乙烯相同的热变形温度。相比之下，如果矿物填料包括低长径比的矿物填料(例如碳酸钙)，聚合物复合物可包括至少约20重量％的矿物填料(参见实施例17)以达到与高抗冲聚苯乙烯相等或更大的热变形温度。

如实施例2所示，当聚烯烃包括高密度聚乙烯，矿物填料包括高长径比的矿物填料(例如滑石粉)，且聚合物复合物包括至少约20重量％的矿物填料时，其热变形温度将大于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度。如实施例10所示，当聚烯烃包括高密度聚乙烯，矿物填料包括低长径比矿物填料(例如碳酸钙)，且聚合物复合物包括至少约50重量％的矿物填料时，其热变形温度将大于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度。如实施例12所示，当聚烯烃包括聚丙烯，矿物填料包括高长径比矿物填料(例如滑石粉)，且聚合物复合物包括至少约10重量％的矿物填料时，其热变形温度将大于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度。如实施例17所示，当聚烯烃包括聚丙烯，矿物填料包括低长径比矿物填料(例如碳酸钙)，且聚合物复合物包括至少约20重量％的矿物填料时，其热变形温度将大于高抗冲聚苯乙烯的热变形温度。

为了阐明的目的而不是限制，表1和图2显示了聚丙烯、高密度聚乙烯、高抗冲聚苯乙烯和矿物填充聚丙烯以及矿物填充高密度聚乙烯的收缩特性。可根据ASTM D955(1996)标准，使用根据该标准以及本领域公知的尺寸为12.7mm×3.2mm×127mm的注射模塑棒测量收缩率。与高抗冲聚苯乙烯相比，矿物填充的聚丙烯可以克服聚丙烯(纯净的)收缩失配的缺点，因此允许使用现有的高抗冲聚苯乙烯加工来制备具有约0.5％到约1.0％的类似收缩率的部件。例如，如图2所示，从收缩率的角度，滑石粉含量为20-40％的滑石粉填充的聚丙烯适合代替高抗冲聚苯乙烯。类似地，与聚丙烯相比，矿物填充的高密度聚乙烯可以克服高密度聚乙烯收缩失配的缺点，因此允许使用现有的聚丙烯加工来制备类似于聚丙烯具有约1.25％到约1.75％收缩率的矿物填充的高密度聚乙烯部件。例如，如图2所示，从收缩率角度，滑石粉含量为30-50％的滑石粉填充的高密度聚乙烯适合代替纯净的聚丙烯。

根据另一方面，该聚合物复合物的碳足迹低于高抗冲聚苯乙烯。例如，该聚合物复合物的温室气体排放低于高抗冲聚苯乙烯。为了阐明的目的而不是限制，表2显示了与高抗冲聚苯乙烯盖相比，根据所公开的主题的盖从制造到废弃整个使用寿命期间的温室气体排放量。作为热饮杯盖，两种盖具有类似的刚性和发挥类似的性能。对比例是由约0.0214英寸厚的高抗冲聚苯乙烯片材制成，重量约为3.83克。根据所公开的主题的实施例包括40％滑石粉-填充聚丙烯，其由0.0167英寸厚的片材制成，重量为约3.32克。使用由10,000片的基本单元计算温室气体排放。多种因素导致根据所公开的主题的实施例的温室气体排放大幅度降低。这些因素包括聚合物密度、基础聚合物以及矿物的GHG排放以及复合物中包括的矿物的含量。从图2可以看出，与由高抗冲聚苯乙烯制成的具有类似性能的盖相比，滑石粉填充的聚丙烯盖的温室气体排放降低近50％。

表2.典型热饮杯盖的温室气体排放

虽然本文从特定优选的实施例的角度描述本申请，本领域技术人员将意识到，在不脱离本申请范围下可作出多种变型或改进。例如，本申请描述了一种用于热饮容器例如咖啡杯的一次性盖子，根据本申请的聚合物复合物可用于除了封盖之外的其它的需要改良矿物填充聚合物的热变形温度的应用中。因此，本申请旨在包括在附加的权利要求及其等效范围内的变型和变化。此外，尽管本文描述了或在一个实施方式的附图中显示了本申请一个实施方式的各自特征，且未在其它的实施方式中显示，但是应当明白，一个实施方式中的各自特征可与另一个实施方式的一个或多个特征或来自多个实施方式的特征相结合。

除了下面请求保护的特定的实施例外，本申请也针对具有下面请求保护的附属特征以及上述公开的特征的任意可能组合的其它的实施方式。同样，附属权利要求以及上面公开的特定的特征可以以在本申请范围之内的其它方式相互组合，因此应该意识到，本申请也可以特别针对具有任意其它可能组合的其它的实施方式。因此，本申请特定实施方式的上述描述旨在阐明和解释。其并非旨在将本申请穷举或限制在那些公开的实施方式中。