Композиционный материал на основе бумаги с полимерным покрытием

1 Данное изобретение относится к композиционным материалам на основе бумаги с полимерным покрытием и полимеру. Бумага, покрытая полимером (бумага с полимерным покрытием) имеет многочисленные применения. Например, бумага с полимерным покрытием применима для изготовления различных упаковок для продуктов питания, в том числе картонных коробок для соков индивидуального использования и коробок для замороженных продуктов. Полимеры также имеют многочисленные применения, например, для пищевых упаковок. Упаковки для пищевых продуктов, изготовленные из бумаги с полимерным покрытием или полимеров, обычно используют однократно, а затем выбрасывают. В результате образуется все возрастающее количество отходов бумаги с полимерным покрытием и полимеров. В целом изобретение предлагает композиционные материалы из текстурированной бумаги с полимерным покрытием и полимеров. Данное изобретение предлагает композиционные материалы, содержащие, по меньшей мере, около 2% по весу, более предпочтительно,по меньшей мере, 5% по весу, текстурированной бумаги с полимерным покрытием и полимер, такой как термопластичный полимер. Композиционный материал может также содержать целлюлозные или лигноцеллюлозные волокна. Данное изобретение также предлагает композиционный материал, содержащий полиэтилен и, по меньшей мере, около 50% по весу текстурированной бумаги с полимерным покрытием. Данное изобретение дополнительно предлагает композиционные материалы, содержащие бумагу с полимерным покрытием и полимер, имеющие прочность на изгиб, по меньшей мере, около 210,9 кг/см 2 или предел прочности при растяжении, по меньшей мере, около 210,9 кг/см 2. Кроме того, данное изобретение предлагает способ производства композиционного материала; способ предусматривает нарезку бумаги с полимерным покрытием с образованием текстурированной бумаги с полимерным покрытием с последующим соединением текстурированной бумаги с полимерным покрытием с полимером. Предпочтительный способ предусматривает нарезку бумаги с полимерным покрытием посредством резательного станка с циркулярными ножами. Данное изобретение предлагает также способ производства композиционного материала; способ предусматривает нарезку бумаги с полимерным покрытием и соединение бумаги с полимерным покрытием с полимером. Термин текстурированная бумага с полимерным покрытием означает, что бумага изрезана до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми. По мень 001353 2 шей мере, 50%, более предпочтительно, по меньшей мере, 70% этих волокон, также как и внешние полимерные волокна, имеют отношение длина/диаметр (L/D), по меньшей мере, 10,более предпочтительно, по меньшей мере, 25 или, по меньшей мере, 50. Пример текстурированной бумаги с полимерным покрытием показан на фиг. 1. Композиционные материалы данного изобретения являются прочными, легкими по весу и недорогими. Сырьевые материалы, использованные для изготовления этих композиционных материалов, легко доступны; например, они могут являться выброшенными упаковками из полимеров или выброшенными упаковками из бумаги с полимерным покрытием. Бумага с полимерным покрытием может быть трудной для повторного использования изза множества применений, бумага и полимерные слои должны быть разделены. В данном изобретении используют как бумагу, так и полимерный компонент, так что не существует необходимости в их разделении. Данное изобретение, таким образом, помогает повторно использовать выброшенные использованные потребителями упаковки с одновременным производством полезных материалов. Другие особенности и преимущества данного изобретения могут быть очевидны из описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения и из формулы изобретения. Фиг. 1 является фотографией примера выполнения текстурированной бумаги с полимерным покрытием, увеличенной в 50 раз. Предпочтительный композиционный материал содержит текстурированную бумагу с полимерным покрытием и полимер. Текстурированная бумага с полимерным покрытием придает композиционному материалу прочность. Композиционный материал может содержать от примерно 30% до примерно 90%, более предпочтительно от примерно 50% до примерно 70% текстурированной бумаги с полимерным покрытием по весу. Примерами бумаги с полимерным покрытием являются материалы, имеющие слои полимера и бумаги, и материалы, имеющие слои полимера, бумаги и алюминия. Предпочтительной бумагой с полимерным покрытием является бумага, имеющая слои полимера и бумаги. Бумага с полимерным покрытием доступна в различных формах. Например, листы необработанной бумаги с полимерным покрытием могут быть закуплены в International Paper, NewYork. В качестве альтернативы обрезки бумаги с полимерным покрытием могут быть получены вInternational Paper или других бумажных производствах. Использованная бумага с полимерным покрытием в виде выброшенной упаковки пищи и напитков может быть собрана из различных источников, включая мусорные отходы. Использованная бумага с полимерным покрытием 3 может также быть закуплена у брокеров таких материалов. Если в композиционные материалы вводят использованную бумагу с полимерным покрытием, она должна быть тщательно промыта перед ее использованием. Предпочтительны обрезки бумаги с полимерным покрытием, поскольку они менее дорогостоящи, чем целые листы. Полимеры капсулируют текстурированную бумагу с полимерным покрытием и помогают регулировать форму композиционного материала. Полимеры также переносят внешнюю нагрузку на бумагу с полимерным покрытием и защищают бумагу с полимерным покрытием от влияния окружающей среды и конструктивных повреждений. Предпочтительные композиционные материалы содержат от примерно 20% до примерно 60%, более предпочтительно от примерно 30% до примерно 50% по весу полимеров. Примерами полимеров являются полиэтилен (включая, например, полиэтилен низкой плотности и полиэтилен высокой плотности),полипропилен, полистирол, поликарбонат, полибутилен, термопластичные сложные полиэфиры, простые полиэфиры, термопластичный полиуретан, поливинилхлорид, найцлон и другие полимеры. Предпочтительно, чтобы полимеры имели низкий индекс вязкости расплава. Предпочтительными полимерами являются полиэтилен и полипропилен с индексом вязкости расплава менее чем 3 г/10 мин, и более предпочтительно менее чем 1 г/10 мин. Полимеры могут быть куплены в виде сырых материалов или получены в виде обрывков или отходов и обычно покупаются в таблетированном виде. Предпочтительно полимеры получают в виде обрывков или отходов, и эти материалы менее дорогостоящи. Предпочтительным источником полимеров являются полиэтиленовые молочные пакеты. Композиционные материалы содержат также связующие вещества. Связующие помогают соединить гидрофильные волокна бумаги с полимерным покрытием гидрофобные полимеры. Примерами связующих являются полиэтилены, модифицированные малеиновым ангидридом, такие как разновидности FUSABOND(доступный из Dupont, Delaware) и POLYBOND (доступные из Uniroyal Chemical, Connecticut). Предпочтительным связующим является полиэтилен высокой плотности, модифицированный малеиновым ангидридом, такой какFUSABOND MB 100D. Композиционные материалы могут также содержать целлюлозные или лигноцеллюлозные волокна. Эти волокна придают повышенную прочность композиционному материалу. Количество волокна, которое вводят в композиционные материалы, может быть различным, в зависимости от требуемых физических и механиче 001353 4 ских свойств конечных продуктов. Предпочтительные композиционные материалы содержат от примерно 5% до примерно 50%, более предпочтительно от примерно 10% до примерно 30% по весу целлюлозного или лигноцелюлозного волокна. Примерами таких волокон являются бумага и бумажные продукты, древесина, древесные волокна и родственные древесине материалы, также как и материалы, являющиеся производными кенафа, трав, рисовой шелухи,жома сахарного тростника, хлопка, джута и других целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов. Предпочтительными волокнами являются джут и кенаф. Эти волокна могут иметь,например, отношение L/D, по меньшей мере, 10 или, по меньшей мере, 25 или 50. Эти композиционные материалы могут также содержать добавки известных в технике комбинаций, такие как пластификаторы, смазочные вещества, антиоксиданты, придающие непрозрачность вещества, термостабилизаторы,красители, эластификаторы, фотостабилизаторы, замедлители воспламенения, биоциды и антистатики. Приготовление исходных материалов Если использованы обрывки бумаги с полимерным покрытием, они должны быть очищены и высушены. Бумага с полимерным покрытием должна быть затем текстурирована перед ее соединением с полимером. Бумага с полимерным покрытием может быть текстурирована с применением любого числа механических средств или их комбинаций. В процессе текстурирования полимерные слои срезают со слоев бумаги и таким образом подвергают воздействию бумажные волокна. Предпочтительный способ текстурирования предусматривает сначала нарезку бумаги с полимерным покрытием на куски от 0,635 см до 1,27 см с применением стандартных бумагорезательных машин. Эти куски затем режут дисковыми ножами, такими как (доступными из Sprout, Waldron Companies), описанные в Perry's Chem.Eng. Handbook, 6-е изд. стр. 8-29 (1984). Текстурированный материал затем пропускают через сито с 2 мм отверстиями. Текстурированная бумага с полимерным покрытием может быть затем складирована в запечатанные мешки. Она должна быть высушена примерно при 105 С в течение 4-18 ч (до содержания влаги менее чем примерно 0,5%) непосредственно перед употреблением. На фигуре показана фотография,полученная на сканирующем электронном микроскопе текстурированной бумаги с полимерным покрытием. Полимер может быть куплен в таблетированной или гранулированной форме и использован без дальнейшей очистки или сушки. Однако если на поверхности таблетированного или гранулированного полимера присутствует влага,он должен быть высушен перед использованием. 5 Если используют целлюлозные или лигноцеллюлозные волокна, они могут быть текстурированы согласно описанному выше способу. Композиционные материалы могут быть получены следующим образом. Стандартную 2 валковую мельницу для смешивания резин/пластмасс нагревают до 325-400 С. Полимер (обычно в форме таблеток или гранул) загружают в нагретую валковую мельницу. Примерно через 10 мин в валковую мельницу прибавляют связующее вещество. Еще через пять минут к расплавленной смеси полимер/связующее прибавляют текстурированную бумагу с полимерным покрытием. Текстурированную бумагу с полимерным покрытием прибавляют в течение примерно 10 мин. Композиционный материал извлекают из валковой мельницы, режут на пластины и оставляют остывать до комнатной температуры. Затем их отформовывают прямым прессованием в бляшки, используя стандартную технологию прямого прессования. В качестве альтернативы смеситель, такой как закрытый смеситель Бенбери, загружают ингредиентами. Ингредиенты перемешивают,поднимая температуру менее чем до примерно 190 С. Смесь затем может быть отформована прямым прессованием. В другом варианте осуществления изобретения ингредиенты могут быть смешаны в смесителе с экструдером, таком как экструдерMARIS (Turin) TM 85, снабженный совместно вращающимися шнеками. Полимер и связующее вводят в питательное отверстие экструдера; бумагу с полимерным покрытием (и целлюлозные или лигноцеллюлозные волокна, если они применяются) подают примерно на 1/3 пути длины экструдера в расплавленный полимер. Внутреннюю температуру экструдера поддерживают ниже примерно 190 С. У выхода композиционный материал таблетируют путем резки холодных пучков. В качестве альтернативы, смесь сначала может быть приготовлена в смесителе, затем перенесена в экструдер для экструдирования и стадии нарезания таблеток. В другом варианте осуществления изобретения композиционный материал может быть отформован в нити для вязания, коробления,ткачества и плетения и для изготовления нетканых материалов. В другом варианте композиционный материал может быть сделан в виде пленки. Свойства композиционного материала Полученные композиционные материалы представляют собой сетку волокон, энкапсулированных внутри полимерной матрицы. Обработанные волокна образуют сетчатую структуру, которая обеспечивает прочность композиционного материала. Поскольку бумага с полимерным покрытием текстурирована, площадь поверхности, способная соединяться с полиме 001353 6 ром, увеличена, по сравнению с композиционными материалами, полученными с нетекстурированной бумагой с полимерным покрытием. Полимер соединен с поверхностью обрабатываемых волокон, создавая тесную смесь волокон и полимерной матрицы. Тесное смешение волокон и полимерной матрицы придает дополнительную прочность композиционным материалам. Целлюлозные и лигноцеллюлозные волокна также могут быть добавлены для дополнительного усиления композиционного материала. Применение Композиционные материалы на основе бумаги с полимерным покрытием и полимера могут иметь многочисленные применения. Эти композиционные материалы прочные и легкие по весу; они могут быть использованы, например, в качестве древесной подструктуры. Полимерное покрытие придает композиционным материалам водостойкость, так что они могут быть использованы на открытом воздухе. Например, эти композиционные материалы могут быть использованы для изготовления поддонов,которые находятся на открытом воздухе длительное время. Эти композиционные материалы могут также быть использованы, например, в качестве основы или каркаса облицовочных материалов. Более того, эти композиционные материалы, если они лежат в основе, могут быть обработаны с поверхности, в них могут быть сделаны канавки, они могут быть размолоты,разрезаны, отпечатаны, текстурированы, уплотнены, отштампованы, окрашены и т.д. Поверхность может быть сделана гладкой или шероховатой. Примеры. Следующие примеры были подготовлены следующим образом. Стандартную 2-валковую мельницу для смешивания резин/пластмасс нагревали до 325-400 С. Полимер (обычно в форме таблеток или гранул) загружали в нагретую валковую мельницу. Примерно через 10 мин полимер осел на валки (то есть он расплавился и приплавился к валкам). Затем в валковую мельницу прибавили связующее вещество. Еще через пять минут к расплавленной смеси полимер/связующее прибавили бумагу с полимерным покрытием. Бумагу с полимерным покрытием прибавляли в течение примерно 10 мин. Композитный материал затем выгружали из валковой мельницы, разрезали на полосы и оставляли остывать до комнатной температуры. Порции примерно по 80 г отформовывали прессованием в бляшки размером 15,2415,240,32 см с применением стандартных технологий прямого прессования. Одна композиция содержит следующие ингредиенты: 7 Композиция 1. Ингредиенты Полиэтилен высокой плотности 1 Бумага с полимерным покрытием 2 Связующее вещество 3Marlex 607, индекс вязкости расплава 0,65 г/10 мин, коммерчески доступен из Phillips; 2 Текстурирована с применениeм дискового ножа с 2 мм отверстиями; 3 Бляшки были переработаны в соответствующие тестовые образцы согласно способам,приведенным в определенных методиках. Для каждого свойства было испытано по три различных образца, и для каждого испытания было вычислено среднее значение. Свойства композиции 1 следующие: Модуль упругости при 606,69 (АСМИ (Америрастяжении, 105 г/см 2 канский стандартный метод испытаний) D638) Предел прочности при 479,446 (АСМИ D638) разрыве, кг/см 2 Относительное удлинение при разрыве, % 5 (АСМИ В 638) Прочность на изгиб,857,66 (АСМИ D790) кг/см 2 Модуль упругости при 464,68 (АСМИ D790) изгибе, 105 г/см 2 Другие композиции содержали следующие ингредиенты: Композиция 2. Ингредиенты Количество, г Полиэтилен высокой плотности 1 160 Бумага с полимерным 240 покрытием 2 8 Связующее вещество 3 1 Измельченные молочные упаковки, индекс вязкости расплава примерно 0,8 г/10 мин; 2 Текстурирована с применением дискового ножа с 2 мм отверстиями; 3 Свойства композиции 2 следующие: Модуль упругости при растяжении, 105 г/см 2 Предел прочности при разрыве, кг/см 2 Относительное удлинение при разрыве, % Прочность на изгиб,кг/см 2 Модуль упругости при изгибе, 105 г/см 2 8 Композиция 3. Ингредиенты Полиэтилен высокой плотности 1 Бумага с полимерным покрытием 2 Связующее вещество 3 1 Измельченные молочные упаковки, индекс вязкости расплава примерно 0,8 г/10 мин; 2 Текстурирована с применением дискового ножа с 2 мм отверстиями; ЗFUSABOND MD 100D, коммерчески доступен из DuPont. Свойства композиции 3 следующие: Модуль упругости при растяжении, 105 г/см 2 Предел прочности при разрыве, кг/см 2 Относительное удлинение при разрыве, % Прочность на изгиб,105 г/см 2 Модуль упругости при изгибе, 105 г/см 2 Четвертая композиция содержит следующие ингредиенты: Композиция 4. Ингредиенты Количество, г Полиэтилен высокой плотности 1 160 Бумага с полимерным 240 покрытием 2 8 Связующее вещество 3 1Marlex 6007, индекс вязкости расплава 0,65 г/10 мин; 2 Текстурирована с применением дискового ножа с 2 мм отверстиями; 3 Свойства композиции 4 следующие: Модуль упругости при растяжении, 105 г/см 2 Предел прочности при разрыве, кг/см 2 Относительное удлинение при разрыве, % Прочность на изгиб, кг/см 2 Модуль упругости при изгибе, 105 г/см 2 Другие варианты осуществления изобретения содержатся в пунктах формулы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Композиционный материал, содержащий полимер, усиленный, по меньшей мере,примерно 2% бумаги с полимерным покрытием,которая нарезана до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми. 2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 9 50% по весу бумаги с полимерным покрытием текстурировано. 3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что бумага с полимерным покрытием содержит полиэтилен и бумагу. 4. Композиционный материал по п.3, отличающийся тем, что бумага с полимерным покрытием дополнительно содержит алюминий. 5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что полимер является термопластичным полимером. 6. Композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что термопластичный полимер является полиэтиленом. 7. Композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что термопластичный полимер является полипропиленом. 8. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал содержит от примерно 50% до примерно 70% по весу бумаги с полимерным покрытием, и от примерно 30% до примерно 50% по весу полимера. 9. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал дополнительно содержит лигноцеллюлозное волокно. 10. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал дополнительно содержит целлюлозное волокно. 11. Композиционный материал, содержащий полиэтилен, усиленный, по меньшей мере,примерно 2% бумаги с полимерным покрытием,в котором, по меньшей мере, около 50% по весу бумаги с полимерным покрытием нарезано до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми. 12. Композиционный материал, содержащий полимер, усиленный, по меньшей мере,примерно 2% бумаги с полимерным покрытием,в котором бумага с полимерным покрытием нарезана до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми, причем композиционный материал имеет прочность на изгиб, по меньшей мере, 210,9 кг/см 2. 13. Композиционный материал по п.12, отличающийся тем, что композиционный материал имеет прочность на изгиб, по меньшей мере,421,8 кг/см 2. 14. Композиционный материал по п.12, отличающийся тем, что композиционный материал имеет прочность на изгиб, по меньшей мере,730 кг/см 2. 15. Композиционный материал, содержащий полимер, усиленный, по меньшей мере,примерно 2% бумаги с полимерным покрытием,в котором бумага с полимерным покрытием нарезана до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми, причем композиционный материал имеет предел проч 001353 10 ности при растяжении, по меньшей мере, 210,9 кг/см 2. 16. Композиционный материал по п.15, отличающийся тем, что композиционный материал имеет предел прочности при растяжении, по меньшей мере, 351,5 кг/см 2. 17. Композиционный материал по п.15, отличающийся тем, что композиционный материал имеет предел прочности при растяжении, по меньшей мере, 421,8 кг/см 2. 18. Способ производства композиционного материала, включающий нарезку бумаги с полимерным покрытием до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми для образования текстурированной бумаги с полимерным покрытием и соединение бумаги с полимерным покрытием с полимером. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют полимер, который является термопластичным полимером. 20. Способ по п.18, отличающийся тем, что стадия нарезки бумаги с полимерным покрытием включает нарезку вращающимися циркулярными ножами. 21. Способ приготовления текстурированного волокнистого материала, включающий нарезку бумаги с полимерным покрытием,имеющей внутренние волокна, до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми, для получения текстурированного волокнистого материала. 22. Способ по любому из пп.18-21, отличающийся тем, что используют бумагу с полимерным покрытием, содержащую полиэтилен и бумагу. 23. Способ по п.22, отличающийся тем, что используют бумагу с полимерным покрытием дополнительно содержащим один или более слоев алюминия. 24. Способ по любому из пп.18-23, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% волокон имеют отношение длина/диаметр,по меньшей мере, около 10. 25. Способ по любому из пп.18-23, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% волокон имеют отношение длина/диаметр,по меньшей мере, около 25. 26. Способ по любому из пп.18-23, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% волокон имеют отношение длина/диаметр,по меньшей мере, около 50. 27. Текстурированный волокнистый материал, содержащий бумагу с полимерным покрытием, имеющую внутренние волокна, где указанная бумага с полимерным покрытием нарезана до такой степени, чтобы внутренние волокна по существу были открытыми. 28. Композиционный материал по любому из пп.1-5 и 8-17, отличающийся тем, что полимер выбран из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полистирола, поликарбоната, полибутилена, термопластичных сложных полиэфиров, простых полиэфиров, термопластичного полиуретана, поливинилхлорида и полиамидов. 29. Композиционный материал по любому из пп.1-17 и 28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% подвергнутых воздействию внутренних волокон имеют отношение длина/диаметр, по меньшей мере, 10. 30. Композиционный материал по любому из пп.1-17 и 28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% подвергнутых воздействию внутренних волокон имеют отношение длина/диаметр, по меньшей мере, 25. 31. Композиционный материал по любому из пп.1-17 и 28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 50% подвергнутых воздействию внутренних волокон имеют отношение длина/диаметр, по меньшей мере, 50. 32. Композиционный материал по любому из пп.1-17 и 28, отличающийся тем, что, по 12 меньшей мере, около 70% подвергнутых воздействию внутренних волокон имеют отношение длина/диаметр, по меньшей мере, 50.