本发明涉及生产用于制造复合材料粒料的前体材料的方法。
背景技术：
木纤维复合材料或纤维素纤维复合材料是一类新开发的聚合物复合材料，其受益于在多个工业部门中的增加的使用。
为了生产大量这些新开发的聚合物复合材料，优选依赖于已经存在的用于生产其他聚合物材料的机器，例如挤出机，以避免购买新设备的资金支出。当单独引入挤出机筒中时，现有的配混机不适合于加工纤维状纤维素材料(例如，纤维素绒毛)和聚合物材料二者，因为配混机需要较长的时间来制造具有期望的分散质量(即，纤维在聚合物中)的复合材料，因为挤出机螺杆大多设计为加工在筒中变成液体并因此容易与其他细的非丝状颗粒共混的粒料聚合物。然而，由于纤维素纤维具有大于5的纵横比并且不熔化，因此必须使组分的混合物在挤出机筒中保持额外的停留时间，以用聚合物基体充分润湿纤维并将纤维分散在聚合物基体中。然而，由于纤维的体积密度较低，因此配混机的生产量相对较低。同样局部地，最初白色的纤维素由于高温可能燃烧，然后使获得的复合材料产生不期望的棕色和刺激性气味，特别是当纤维素不含木质素时也是如此。
因此，期望提供一种允许以更有效的方式生产聚合物和纤维素纤维的复合材料的方法，其提高了挤出设备的生产量并允许纤维更好地分散在最终挤出的复合材料中。
技术实现要素：
本发明提供了一种生产用于制造复合材料粒料的前体材料的方法，所述前体材料包含聚合物材料和纤维材料，所述方法包括按此顺序的以下步骤：
a.将聚合物材料和纤维材料合并以形成预混物；
b.在包括共混装置的共混设备中通过以足以导致预混物的温度升高至至少超过vicat软化点的温度或者在聚合物材料的熔化温度范围内或超过聚合物材料的熔化温度范围的温度的速度操作共混装置来搅拌预混物；
c.保持共混装置的速度直至保持共混装置的速度所需的比马达功率增加预定的第一量或达到预定的第一值，然后将速度降低预定的量；
d.重复前述步骤c.直至达到最终的预定速度；
e.保持共混装置的最终速度直至保持共混装置的最终速度所需的比马达功率增加预定的第二量或达到第二预定的值，由此形成中间材料；
f.在优选冷却的包括粉碎装置的粉碎设备中通过以允许中间材料的温度降低直至温度降至低于最终阈值的速度操作粉碎装置来粉碎所形成的中间材料，由此形成前体材料。
本发明还提供了通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料，以及具有配置成用于根据上述方法生产这样的前体材料的控制单元的器件。
本发明还提供了配置成用于实施根据上文的方法的用于生产用于制造复合材料粒料的前体材料的器件，其包含包括共混装置的共混设备和包括粉碎装置的粉碎设备。
本发明的另一些实施方案在从属权利要求中示出。
附图说明
以下参照附图描述了本发明的优选实施方案，这些附图是为了说明本发明的当前优选实施方案的目的而不是为了限制其的目的。在附图中，
图1示出了具有总共五个叶片即四个共混叶片(2×直的形状(1)，2×弯曲形状(2))和一个底部刮刀叶片(3)(所有这些沿着垂直方向叠加)的立式混合器的共混装置。
图2示出了用于制造复合材料粒料的前体材料的样品(4)。
具体实施方式
本发明提供了用于生产用于制造复合材料粒料的前体材料的方法，所述前体材料包含聚合物材料和纤维材料，所述方法包括按此顺序的以下步骤：
a.将聚合物材料和纤维材料合并以形成预混物；
b.在包括共混装置的共混设备中通过以足以导致预混物的温度升高至至少超过vicat软化点的温度或者升高至至少在聚合物材料的熔化温度范围内或超过聚合物材料的熔化温度范围的温度的速度操作共混装置来搅拌预混物；
c.保持共混装置的速度直至保持共混装置的速度所需的比马达功率已经增加至少预定的第一量或已经达到至少预定的第一值，然后将共混装置的速度降低预定的量；
d.重复前述步骤c.直至达到最终的预定速度；
e.保持共混装置的最终速度直至保持共混装置的最终速度所需的比马达功率增加预定的第二量或达到第二预定的值，由此形成中间材料；
f.在优选冷却的包括粉碎装置的粉碎设备中通过以使中间材料的温度降低直至温度降至低于最终阈值的速度操作粉碎装置来粉碎所形成的中间材料，由此形成前体材料。
在本发明的上下文中，表述“保持速度”意指有效速度不偏离设定速度大于10％，优选5％。
在本发明的上下文中，表述“不含木质素”意指具有按重量计小于1％的木质素。
在本发明的上下文中，表述“(共聚)聚合物”意指共聚物或均聚物。
在本发明的上下文中，表述“比马达功率”意指每单位重量的材料的马达功率，例如步骤b中的每单位重量的预混物的马达功率。
在本发明的上下文中，表述“纤维状纤维素材料”意指包含松散纤维素纤维或纤维素纤维束形式的纤维素的纤维材料。示例性形式为松散填充纤维素或干燥的绒毛浆(fluffpulp)。
在本发明的上下文中，表述“vicat软化点”意指根据astmd1525b具有1mm2圆形截面的平头针穿过聚合材料试样至1mm的深度时的温度。
因此，本发明基本上提供了用于生产用于制造复合材料粒料的前体材料的方法，其中在所述方法的第一步骤中，原材料例如聚合物材料和纤维材料主要是由于通过在使用共混装置的共混设备中搅拌原料产生的原料颗粒之间的摩擦而被加热，直至聚合物材料部分和/或局部软化或熔化并润湿纤维材料，由此产生聚合物和纤维材料的团聚物。除了允许聚合材料和纤维素材料合并以外，所产生的热量还允许释放可能存在于纤维材料和/或聚合物中的残余水分。在所述方法的第二步骤中，将由较小的和较大的团聚物形成的中间材料在合适的通常冷却的设备中粉碎，以使较大的团聚物破碎并聚结较小的团聚物，从而产生具有较窄的颗粒尺寸分布的前体材料。即使纤维状纤维素材料并不总是均匀地分散在整个聚合物中，本发明的所形成的前体材料也可以方便地通过料斗供给至挤出机筒中，其中前体材料中的聚合材料被完全熔化，随后将该熔体进行造粒以产生纤维材料在聚合物材料基体中的分散增强的最终复合材料粒料。换言之，本发明的方法允许在实际挤出成准备好发生随后的模制加工的复合丸粒之前用聚合物至少部分地预润湿纤维素材料。
包括共混装置的共混设备可以是任何这样的设备：所述设备能够通过其共混装置搅拌聚合物材料和纤维材料，使得聚合物材料、纤维材料与共混装置之间的摩擦导致至少部分聚合物材料的温度升高超过其vicat软化点，或者优选升高至在其熔化温度范围内或超过其熔化温度范围的温度。在聚烯烃例如聚丙烯或聚乙烯(共聚)聚合物的情况下，并且特别是在mfi为10至100之间的聚丙烯或聚乙烯(共聚)聚合物的情况下，在聚合物材料的熔化温度范围内或超过聚合物材料的熔化温度范围的温度将为120℃至180℃之间的温度。
聚合物材料可为丸粒或粉末形式，并且可为原始聚合物或回收的聚合物。聚合物材料可与添加剂、着色剂、润滑剂或可用于本发明的方法中的任何其他另外的组分预配混。
根据本发明的方法获得的前体材料适用于制造复合材料粒料。复合材料粒料通常被称为复合材料丸粒并且构成用于运输和进一步加工成模制品的聚合物的优选形式。
在一个优选的实施方案中，本发明的方法的聚合物材料包含一种或更多种合成的聚合物例如缩合或加成聚合物或者由其组成，并且有利地包含一种或更多种聚烯烃，优选热塑性聚烯烃，例如聚丙烯或聚乙烯(共聚)聚合物或者由其组成。在一个特别优选的实施方案中，本发明的方法的聚合物材料包含当在230℃下根据astmd1238使用2.17kg负载测量时mfi为10至100之间的一种或更多种聚丙烯或聚乙烯或者由其组成。一个示例性聚丙烯等级是mfi为37且密度为905kg/m3的sabicpp512mn10聚丙烯嵌段共聚物。具有太低(即，低于10)的熔体流动指数的聚合物变得难以在共混设备中加工，因为粘度倾向于太高，使得纤维将不会转移到待润湿的聚合物基体中。
在又一个优选的实施方案中，步骤e.的第二预定量或值大于步骤c.的预定的第一量或值，并且特别地比步骤c.的预定的第一值大1.1倍至2倍，优选1.5倍至2倍。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，足以提高预混物中的聚合物材料的温度的速度对应于8m/s至69m/s，优选25m/s至52m/s，更优选30m/s至39m/s的叶尖速度。一般而言，速度越高，预混物的聚合物材料和纤维材料就越快地加热并开始根据需要合并。然而，高于一定的速度，共混装置的叶片将局部加热到导致聚合物或纤维材料在叶片表面上热分解的温度，这是不期望的。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，纤维材料优选具有小于15％的残余水含量，并且优选进一步基本上不含木质素。残余水可使过程减缓并通过水解聚合物骨架而损害水敏感聚合物例如大多数缩合聚合物，这就是为什么聚合物材料以及纤维材料应当在共混设备中预先或同时干燥。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，共混设备为立式混合器，并且共混装置为常用于pvc混合设备的热阶段的叶片式搅拌器类型。示例性的立式混合器为turbomixertmx或technosrl-z100。混合装置可为例如具有多个叶片的叶轮或螺旋桨，一个或更多个叶轮或螺旋桨沿垂直方向对齐。一个或更多个螺旋桨或叶轮可具有相同形状或不同形状，例如两个相同形状和一个不同形状的组合。图1中示出了示例性共混装置。
共混设备可配备有允许主动加热/冷却前体材料的加热和/或冷却装置，例如内衬在共混设备的内壁表面上的油夹套。
任选地，共混设备还可配备有切碎机或偏转装置(deflectormean)以帮助实现预混物材料的有效搅拌。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，粉碎设备为卧式混合器，例如单轴或双轴卧式桨式混合器或螺条混合器(ribbonmixer)。粉碎设备用于允许所形成的中间材料冷却并使较小的颗粒聚结成预定尺寸的较大颗粒以形成前体材料的目的。当存在时，切碎机用于将较大的前体材料块粉碎成预定尺寸的较小颗粒以帮助聚结的目的。粉碎设备可配备有允许主动冷却中间材料的冷却装置，例如内衬在粉碎设备的内壁表面上的水夹套。示例性的粉碎设备为promixonhorizontalcoolercmx。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，在步骤c.中，速度降低例如20％、25％、33％或50％(相对于足以带来步骤b.的温度升高的初始速度)，这然后允许在步骤c.的有限重复次数内达到步骤d.的最终速度。结合步骤d.根据步骤c.的速度的迭代降低允许形成可以容易地从共混设备中分离的中间材料，因为如果在该过程期间速度没有因此降低，聚合物材料和纤维材料将合并形成粘附到共混装置的叶片上且不容易从叶片上分离或从共混设备中排出的一个单个化合物团/块，甚至当处于塑性状态和更甚至处于硬化状态时也如此。因此逐步迭代降低允许配量和调节传送给预混物材料的能量以避免整个过程的复杂化。控制速度降低的另一种可能性是使用通过将转矩保持在一定水平(例如25％最大马达功率)的设备的转矩控制(这将导致连续的而不是逐步的速度降低)。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，在步骤c.中，当保持共混装置的速度所需的比马达功率增加2百分比至40百分比，优选10百分比至30百分比，更优选15百分比至25百分比时，将速度降低预定的量。
在另一个优选的实施方案中，在本发明的方法中，纤维材料是漂白的和/或不含木质素的纤维素。纤维材料可以以能够由干浆片制备的体积密度为90g/l的蓬松漂白的和/或不含木质素的纤维素形式用于本发明的方法中。
制备蓬松漂白的和/或不含木质素的纤维素的一个示例性方法是通过压型引入辊(profileddraw-inroller)将干浆片输送到刀式磨机的切割室中。在壳体中的定子刀与转子刀之间执行尺寸减小到期望的最终尺寸。其中，最终细度由转子的速度和筛网插入件的类型等确定。可以通过经由200μm筛网筛出绒毛来达到有利的细度。
本发明还提供了通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料。
在一个优选的实施方案中，通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料包含2重量百分比至64重量百分比的纤维材料和35重量百分比至97重量百分比的聚合物材料，重量百分比是基于前体材料的总重量。优选地，通过上述方法获得的复合材料粒料包含40重量百分比至63重量百分比的聚合物材料和35重量百分比至58重量百分比的纤维材料，重量百分比是基于前体材料的总重量。低于太低(即低于2)重量百分比的纤维材料，所得中间材料形成粘附在粉碎装置的叶片上的单个团，因为没有足够的纤维素表面来限制熔融聚合物表面粘附并形成大的团聚物，而太高(即高于64)重量百分比的纤维材料，用聚合物润湿纤维表面是不充分的。纤维素材料的含量过高导致共混设备中较高的温度，这也会导致中间产品和/或复合材料粒料的部分变深，因为纤维素材料开始变褐，即分解。
在一个优选的实施方案中，通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料还包含偶联剂，优选0.5重量百分比至10重量百分比的偶联剂，并且更优选2重量百分比至5重量百分比的偶联剂，重量百分比是基于前体材料的总重量。
在一个优选的实施方案中，通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料，偶联剂为mapp(马来酸酐接枝的聚丙烯)或mape(马来酸酐接枝的聚乙烯)。偶联剂通过与纤维素的酯化形成共价键并允许可通过加工前体材料获得的最终复合材料的更好的机械稳定性。
在一个优选的实施方案中，通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料还包含润滑剂。特别地，润滑剂可为0.5重量百分比至5重量百分比，重量百分比是基于前体材料的总重量。
在一个优选的实施方案中，通过上述方法获得的用于制造复合材料粒料的前体材料为颗粒形式，优选地为自由流动的颗粒形式。
在一个非常优选的实施方案中，前体材料包含约35重量百分比至64重量百分比的聚丙烯、约35重量百分比至60重量百分比的不含木质素的纤维素并且优选还包含1重量百分比至5重量百分比的mapp；在包括共混装置的立式混合器中通过以在预混物中导致温度升高至约155℃至175℃的30m/s至39m/s的尖端速度操作共混装置来搅拌聚合物材料、偶联剂和纤维材料的预混物，并且其中保持共混装置的尖端速度直至保持共混装置的尖端速度所需的比马达功率增加约10％至50％，然后共混装置的尖端速度降低约10％至35％；并且保持由此设定的尖端速度直至比马达功率再次增加相同的量并且尖端速度再次降低。重复此过程直至达到4m/s至19m/s的最终尖端速度，并且保持该最终尖端速度直至保持最终尖端速度的比马达功率再次增加优选大于10％至50％的量。此时，将所形成的中间共混物倒入冷却的卧式混合器中，在此处中间共混物被粉碎并且优选还在包括粉碎装置和任选的切碎装置的冷却的卧式混合器中通过以3m/s至8m/s的尖端速度操作粉碎装置直至温度降至低于至少低于40℃至50℃的温度而被切碎，从而形成前体材料。
本发明还提供了用于生产用于制造复合材料粒料的前体材料的器件，其包含包括共混装置的共混设备，所述共混装置的速度通过第一速度控制单元设置和控制，所述单元能够通过计算机控制的中央控制单元控制并向所述计算机控制的中央控制单元提供速度和功耗读数，所述计算机控制的中央控制单元配置为根据从第一速度控制单元接收的读数来执行用于实施根据上文的方法的程序。用于生产用于制造复合材料粒料的前体材料的器件还可包括包含粉碎装置的粉碎设备。
实施例
将57kg的聚丙烯(pp512mn10，可获自sabic)、3kg的mapp偶联剂(priex20098，可获自addcomp)和40kg的纤维材料(可获自sappi并随后用可获自pallmann的psc型精密刀式磨机研磨的tcf漂白的山毛榉亚硫酸盐浆)引入mtim400/k1600混合器的垂直部分中。
将混合器设置为34.2m/s的初始速度(其对应于800rpm的角速度)并启动。当共混物的温度随时间升高时，保持34.2m/s所需的比马达功率首先是恒定的直至显示约155℃的温度，此时保持34.2m/s所需的比马达功率上升，并且当达到0.55kw/kg的比马达功率时，将混合器设置为25.6m/s的速度(其对应于600rpm的角速度)，并且操作混合器所需的比马达功率也立即降低。一旦以25.6m/s的速度操作混合器所需的比马达功率达到0.55kw/kg，则将混合器设置为17.1m/s的速度(其对应于400rpm的角速度)，并且操作混合器所需的比马达功率也立即降至低于0.55kw/kg。一旦以17.1m/s的速度操作混合器所需的比马达功率达到0.55kw/kg，则将混合器设置为8.5m/s的速度(其对应于200rpm的角速度)，并且操作混合器所需的扭矩也立即降低。保持速度直至以8.5m/s的速度操作混合器所需的比马达功率再次达到0.88kw/kg，此时材料通过立式混合器的侧出口排出到卧式混合器mtiflex-line/k1600中。一旦材料被完全排入卧式混合器部分，则关闭立式混合器，以8m/s的速度(其对应于90rpm的角速度)操作配备有内置冷却夹套的卧式混合器并且两个切碎机以对应于3000rpm的角速度操作直至材料的温度为约70℃。然后，停止切碎机，然后一旦温度达到50℃就将共混物排出，并关闭混合器。对应于根据本发明的一种前体材料的分离的材料呈自由流动的颗粒形式，具有亮白色外观并且示于图2中。
附图标记列表
1直型共混叶片
2弯曲型共混叶片
3刮刀叶片
4用于制造复合材料粒料的前体材料