PL230918B1 - Sposób wytwarzania polimerowo-mineralnej kompozycji konstrukcyjnej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest kompozycja polimeru termoplastycznego z materiałem mineralnym pochodzenia wulkanicznego - perlitem. Do osnowy poliolefinowej, korzystnie w postaci proszku w ilości poniżej 90% masowych wprowadzono perlit o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek, o wielkości tych cząstek poniżej 0,1 mm w ilości powyżej 10% masowych, korzystnie 20 - 30% masowych, po czym tak otrzymaną kompozycję ujednorodniono i zhomogenizowano w temperaturze do 160°C. Z kolei w dalszym procesie wytłaczania w temperaturze do 190°C jest wytwarzany granulat o wielkości od 1,5 do 2,5 mm i następujących właściwościach: gęstość od 0,964 do 1,072 Mg/m3, masowy wskaźnik szybkości płynięcia MFR od 3,1 do 8,4 g/10 min. przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałość na rozciąganie od 17,56 do 21,3 MPa, moduł sprężystości przy statycznym rozciąganiu od 622 do 1088 MPa, siła maksymalna przy zginaniu od 27,3 do 34,1 N.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozycji polimeru termoplastycznego z materiałem mineralnym pochodzenia wulkanicznego - perlitem.

W literaturze naukowej znaleziono bardzo niewiele doniesień dotyczących mieszanin perlitu z tworzywami termoplastycznymi (np.: H. Tian, H. Tagaya, 2007, J. Materiał Sci., 2007, 42, 3244-3250). Perlit jest to minerał pochodzenia wulkanicznego. Ruda perlitowa sprowadzana jest ze Słowacji lub z Węgier, gdzie pozyskiwana jest w postaci litej skały w kopalniach odkrywkowych. W dawnych epokach geologicznych szybko stygnąca w środowisku wodnym lawa wydobywająca się z podmorskich wulkanów zamykała w swoim wnętrzu krople wody. To właśnie te zamknięte w zastygłej i zwietrzałej lawie krople wody (2-5%), są odpowiedzialne za jego specyficzne właściwości.

Perlit zawiera SiO2 (65-75%), AI2O3 (10-18%), K2O+Na2O (6-9%), MgO+CaO (2-6%) oraz Fe2O3 (1-5%). Jest on formą naturalnego szkła obojętną chemicznie (pH ok. 7). Masa właściwa perlitu surowego wynosi 2,23-2,40 Mg/m³, gęstość pozorna 1,00-1,30 Mg/m³, twardość 5,5-7,0 według skali Mohsa a temperatura topnienia 950-1300°C. Jest łamliwy i łatwo się kruszy.

Wydobyty ze złoża perlit zostaje zmielony do odpowiedniej granulacji a następnie wprowadzony na kilka sekund do pieca, w którym panuje temperatura 900-1100°C. Zamknięte w ziarenkach krople wody wytwarzają parę wodną o ciśnieniach wystarczających do rozkruszenia materiału do wielkości od kilkudziesięciu μm do kilku mm. Równolegle przebiega proces spiekania szkliwa wulkanicznego i tworzą się przeważnie wewnątrz puste i trochę nieregularne, szkliste „mikrobombki”. Proce s ten nosi nazwę ekspandacji (spęczania), a otrzymany produkt o białawej barwie to perlit ekspandowany. Objętość ziaren zwiększa się 5-20 razy.

Perlit stosowany jest głównie jako surowiec w procesie wytwarzania izolacyjnych materiałów budowlanych. Charakteryzuje się wysoką izolacyjnością cieplną i akustyczną oraz ogniotrwałością przy dużej wytrzymałości mechanicznej. Podczas prażenia mielonej skały dla celów budownictwa powstają frakcje perlitu ekspandowanego o różnej wielkości ziarna, z których frakcja o ziarnistości poniżej 200 μm, połamana w procesie transportu pneumatycznego, jest nieprzydatna dla budownictwa. Uważana jako odpad, stanowi problem dla środowiska. Od dawna próbowano wykorzystywać taką frakcję do wielu celów praktycznych. Po odpowiednim zmieleniu i dalszej obróbce znalazła ona zastosowanie jako wkłady filtracyjne, głównie w przemyśle spożywczym, a także doskonale sprawdziła się w zestawach naprawczych w mieszaninach tworzywowych w połączeniu z żywicami termo lub chemo-utwardzalnymi, przy renowacji dużych powierzchni elementów konstrukcyjnych np. na jachtach czy żaglówkach. Największe, przesiane ziarna perlitu nawet powyżej 2 mm w mieszaninie z humusem lub torfem używany jest też jak podłoże do upraw hydroponicznych stosowanych w ogrodnictwie, a także jako składnik dentystycznych past wybielających lub czyszczących.

Dokonano wstępnej oceny możliwości przygotowywania nowych mieszanin polimerów termoplastycznych napełnianych przetworzonym wulkanicznym materiałem mineralnym - perlitem, (np.: Frąszczak Z., Królikowski B., Buchelt A. Modyfikowanie materiałów polimerowych perlitem, Przemysł Chemiczny 2013, 92, 11, s. 2110-2114). Cząstki ekspandowanego perlitu posiadają nieregularny kulisty kształt o intensywnie użebrowanej powierzchni. Porowata powierzchnia perlitu zapewnia dobrą adhezję do różnego typu polimerów i żywic. Wymaga ona jednak osłony hydrofobowej celem zabezpieczenia przed ingerencją wilgoci, szczególnie podczas składowania a także absorbcji polimeru do wnętrza cząstek perlitu. Wstępnie wytworzono mieszaniny o różnym stopniu napełnienia oraz przeprowadzono badania określając ich właściwości użytkowe, które będą determinowały zakres zastosowania wytworzonego nowego materiału polimerowego. Jako osnowę polimerową do badań zastosowano polietylen dużej gęstości (HDPE) o następujących właściwościach: gęstość 0,938 Mg/m³, masowy wskaźnik szybkości płynięcia MFR 12,7 g/10 min przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałość na rozciąganie 20,3 MPa, moduł sprężystości przy statycznym rozciąganiu 448 MPa, siła maksymalna przy zginaniu 23,0 N. Mieszaninę przygotowywano w postaci granulatów na wytłaczarce dwuślimakowej o budowie segmentowej ślimaków.

Sposób wytwarzania polimerowo-mineralnej kompozycji konstrukcyjnej według wynalazku zawierającej osnowę polimerową w postaci rozdrobnionego tworzywa polimerowego typu poliolefiny, do której wprowadzono modyfikator mineralny pochodzenia wulkanicznego, drobnoziarnisty perlit charakteryzuje się tym, że do osnowy poliolefinowej, korzystnie w postaci proszku w ilości 70-90% masowych wprowadza się perlit o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości tych cząstek poniżej

PL 230 918 B1

0,1 mm w ilości 10-30% masowych, po czym tak otrzymaną kompozycję ujednorodnia się i homogenizuje się w temperaturze do 160°C, a następnie w dalszym procesie wytłaczania w temperaturze do 190°C wytwarza się granulat wielkości ziaren od 1,5 do 2,5 mm i następujących właściwościach: gęstości od 0,964 do 1,072 Mg/m³, masowym wskaźniku szybkości płynięcia MFR od 3,1 do 8,4 g/10 min przy 5 kg temperaturze 190°C, wytrzymałości na rozciąganie od 17,56 do 21,3 MPa, module sprężystości przy statycznym rozciąganiu od 622 do 1088 MPa, sile maksymalnej przy zginaniu od 27,3 do 34,1 N.

Nieoczekiwanie okazało się, że wprowadzenie modyfikat ora mineralnego pochodzenia wulkanicznego drobnoziarnistego perlitu o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości poniżej 0,1 mm w ilości 10-30% masowych do osnowy poliolefinowej w postaci proszku w ilości 70-90% masowych przy odpowiednim doborze parametrów technologicznych stanowiących istotę wynalazku pozwoliło na ujednorodnienie kompozycji, zapewnienie powtarzalności właściwości napełniacza związanego ze stabilnością jego struktury, co z kolei pozwoliło na uzyskanie wzrostu wartości wytrzymałości na rozciąganie z jednoczesnym znacznym wzrostem wartości modułu sprężystości, a więc sztywności materiału. Przeprowadzone badania wykazały, że kompozycje wytwarzane z użyciem tworzyw poliolefinowych napełnionych perlitem według wynalazku stanowią materiał konstrukcyjny o nowej jakości, który może znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach techniki, a za tym w różnych gałęziach gospodarki.

Tak więc możliwości zastosowania perlitu jako napełniacza do powszechnie stosowanych termoplastycznych tworzyw konstrukcyjnych, takich jak polietylen małej i dużej gęstości, polipropylen, polistyren, poli(tereftalan etylenu) oraz poliamid jest bardzo ważne z praktycznego punktu widzenia.

Przedmiot wynalazku ilustrują poniższe przykłady:

P r z y k ł a d I

Kompozycję o zawartości 15% masowych perlitu o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości poniżej 0,1 mm wraz z 85% masowych polietylenu dużej gęstości HDPE w postaci proszku, uplastyczniono i zhomogenizowano w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej w temperaturze 150°C, następnie wytworzono w temperaturze 190°C granulat o wielkości ziaren około 2 mm i następujących właściwościach; gęstości 0,995 Mg/m³ masowym wskaźniku szybkości płynięcia MFR

7.4 g/10 min przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałości na rozciąganie 18,3 MPa, module sprężystości przy statycznym rozciąganiu 737 MPa, sile maksymalnej przy zginaniu 28,3 N.

P r z y k ł a d II

Kompozycje o zawartości 20% masowych perlitu o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości poniżej 0,1 mm wraz z 80% masowych polietylenu dużej gęstości HDPE w postaci proszku, uplastyczniono i zhomogenizowano w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej w temperaturze 150°C, następnie wytworzono w temperaturze 190°C granulat o wielkości ziaren około 2 mm i następujących właściwościach; gęstości 1,025 Mg/m³ masowym wskaźniku szybkości płynięcia MFR

6.5 g/10 min przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałości na rozciąganie 19,1 MPa, module sprężystości przy statycznym rozciąganiu 853 MPa, sile maksymalnej przy zginaniu 29,4 N.

P r z y k ł a d III

Kompozycje o zawartości 30% masowych perlitu o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości poniżej 0,1 mm wraz z 70% masowych polietylenu dużej gęstości HDPE w postaci proszku, uplastyczniono i zhomogenizowano w wytłaczarce dwuślimakowej współbieżnej w temperaturze 160°C, następnie wytworzono w temperaturze 190°C granulat o wielkości ziaren około 2 mm i następujących właściwościach; gęstości 1,072 Mg/m³ masowym wskaźniku szybkości płynięcia MFR 3,1 g/10 min przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałości na rozciąganie 21,3 MPa, module sprężystości przy statycznym rozciąganiu 1088 MPa, sile maksymalnej przy zginaniu 34,1 N.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób wytwarzania polimerowo-minerlanej kompozycji kostruktorskiej zawierającej osnowę polimerową w postaci rozdrobnionego tworzywa polimerowego typu poliolefiny, do której wprowadzono modyfikator minerlany pochodzenia wulkanicznego, drobnoziarnisty perlit, znamienny tym, że do osnowy poliolefinowej, korzystnie w postaci proszku w ilości 70-90% masowych wprowadza się perlit o nieregularnej, ostrokrawędziowej strukturze cząstek o wielkości tych cząstek poniżej 0,1 mm w ilości 10-30% masowych, po czym tak otrzymaną kompozycję ujednorodnia się i homogenizuje się w temperaturze do 160°C, a następnie w dalszym procesie wytłaczania w temperaturze do 190°C wytwarza się granulat o wielkości ziaren od 1,5 do 2,5 mm i następujących właściwościach: gęstości od 0,964 do 1,072 Mg/m³ masowym wskaźniku szybkości płynięcia MFR od 3,1 do 8,4 g/10 min przy 5 kg i temperaturze 190°C, wytrzymałości na rozciąganie od 17,56 do 21,3 MPa, module sprężystości przy statyczym rozciąganiu od 622 do 1088 MPa, sile maksymalnej przy zginaniu od 27,3 do 34,1 N.