[发明专利]纤维素－热塑性塑料复合材料及其制备方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年7月28日提交的美国临时申请系列号60/704,227的优先权，在此将其引入作为参考。

发明背景

发明领域

随着优质木材的日益缺乏，寻求能够替代木材的替代材料已变得最为需要。由塑料和天然纤维制备的复合材料广泛用作该木材替代品。这些复合材料在商业制品中的使用迅速增长。这些复合材料可以用于结构性和装饰性建筑用途以及汽车用途所使用的各种产品。可以按与天然木材相同的方式对这些复合材料进行切割、成形、砂磨、钻孔和固定。

含有由塑料和天然纤维制备的这些复合材料的建筑产品通常通过挤出制备。含有这些复合材料的建筑产品可以用于住宅用途和商业用途。这些用途的例子包括盖板、栏杆、栅栏、支柱、饰边、模塑品、壁板、屋顶板、格架、窗台和门窗的侧柱。与木材相比，消费者期待这些复合材料提供更长的耐久性和耐候性以及更低的维护性。由塑料和天然纤维制备的复合材料通常防霉和防虫害。

使由塑料和天然纤维制备的这些复合材料的耐久性最大化对消费者和生产者都极其重要。这些复合材料通常比天然木材更贵。此外，它们也通常比木材重，这对于施工人员是潜在的困难，而且对建筑师和工程师提出了额外的结构问题。为了克服这些缺点，复合材料应当提供耐久性上出众的优点和低维护性。

由塑料和天然纤维制备的复合材料还可以用于生产汽车用途中的制品。已制备了各种部件例如旋钮、内部门把手和装饰性内部仪表板；以及隐蔽部件例如隔音板、卡车衬里、轮胎罩、箱柜和地毯背衬。这些部件通常被压制或模塑。

由塑料和天然纤维制备的复合材料的其他用途包括纤维板、刨花板和胶合板的替代板材。复合材料可以用于制造各种各样的小型制品例如花盆、浴盆、壶罐和画框。

有用的复合材料可以由各种塑料，包括聚乙烯、聚丙烯和共聚乙烯-醋酸乙烯酯制备。为了降低成本，经常使用回收的塑料。高密度聚乙烯(HDPE)特别适合用于盖板、栏杆、栅栏和类似的用途。

为了降低复合材料的成本和重量，而且为了改善物理性能，尤其是劲度和拉伸强度，在复合材料中使用天然纤维。由于天然纤维的成本更低，因此天然纤维优于碳和玻璃这样的合成纤维。由于天然纤维产生更轻的复合材料，因此相对于矿物填料例如滑石和云母更优选天然纤维。天然纤维通常是来自其他工艺的废品。可以使用几乎任何纤维素粒子，包括木材、报纸、卡片纸板、稻草、农业和植物残体等。

在由塑料和天然纤维制备的复合材料的形成中众所周知的问题是纤维与塑料的不相容性。天然纤维是亲水的，表面具有许多游离的极性羟基。塑料是疏水的。因此，塑料不容易润湿天然纤维的表面并且粘附到其上。这使得到的复合材料产生强度损失。

该问题可以通过向复合材料中添加偶联剂而得以克服。据认为偶联剂通过反应性酸酐或酸部分与纤维表面上的羟基反应以形成酯键合而发挥作用。疏水聚合物链从纤维表面向外延伸，其间它们可以与庞大的聚合物基体相互作用。该相互作用的确切性质取决于偶联剂和聚合物的选择以及聚合物结晶性的程度。偶联剂通常充当改善塑料与天然纤维表面粘合性的过渡桥梁。改善的粘合性可以使由塑料和天然纤维制备的复合材料产生改善的物理性能，尤其是拉伸和弯曲强度、耐吸水性和耐蠕变性，以及产生热膨胀线系数(LCTE)的降低。

如果由塑料和天然纤维材料制备的复合材料要通过挤出来加工，通常添加润滑剂来辅助复合材料从模头通过。不适当的润滑体系会导致复合材料以不同的速率挤出。这会在复合材料中产生各种不能接受的物理缺陷，从鳞片状鲨鱼皮外观到锯齿状边缘撕裂。

通常使用的润滑剂体系是硬脂酸锌与N，N’-亚乙基双硬脂酰胺(EBS)蜡的共混物。其他润滑剂包括硬脂酸钙、硬脂酸镁、非金属硬脂酸盐；石蜡、聚酯蜡、聚丙烯蜡、由脂肪酸衍生的双酰胺、亚乙基双油酰胺、酯例如硬脂酸硬脂酯、邻苯二甲酸二硬脂酯、季戊四醇己二酸酯硬脂酸酯、乙二醇二硬脂酸酯、季戊四醇四硬脂酸酯、甘油三硬脂酸酯、聚乙二醇400单硬脂酸酯、甘油单油酸酯、甘油二硬脂酸酯、和共混的复合改性的脂肪酸酯。

不幸地是，已发现通常使用的硬脂酸锌-EBS润滑剂体系干扰偶联剂。据暗示硬脂酸锌对于干扰马来酸酐接枝的烯烃偶联剂负有责任。硬脂酸盐开环并且将酸酐基酯化，而锌与得到的羧酸酯络合。因此偶联剂对于由塑料和天然纤维制备的复合材料的物理性能提供比预期显著小的改善。

一些由塑料和天然纤维制备的商业复合材料使用硬脂酸锌/亚乙基双硬脂酰胺润滑剂体系而无任何偶联剂。这些配方很容易挤出，并且提供具有优异外观的产品。当与天然木材的物理性能比较时，这些复合材料的物理性能不足。