具有改进的可计量性的纤维素纤维及其制备方法和在增强复合材料中的应用技术

本发明专利技术涉及具有改进的可计量性能的纤维素纤维、该纤维的制备方法以及在用于增强复合材料，特别是用于增强热塑性聚合物中的应用。

Cellulose fibers with improved measurability and their preparation methods and applications in reinforced composites

The present invention relates to cellulosic fibers with improved measurable properties, methods of making such fibers, and applications in reinforcing composite materials, especially for thermoplastic polymers.

【技术实现步骤摘要】
具有改进的可计量性的纤维素纤维及其制备方法和在增强复合材料中的应用本申请是申请号为201080039124.0（PCT/AT2010/000274）、申请日为2010年7月27日的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及具有改进的可计量性的纤维素纤维、该纤维的制备方法以及该纤维在增强复合材料、特别是增强热塑性聚合物中的应用。
技术介绍
长期以来，在复合材料如纤维增强的聚合物中一直努力用轻质的可持续制备的和易于处置的纤维素纤维来取代广泛应用的玻璃纤维。首先似乎显然想到为此使用天然纤维，如棉花、亚麻、大麻或其它。但这些均具有天然纤维的各种典型问题：加工时和有时在成品中有气味、起雾和发黄。此外，依植物来源不同该纤维直径局限约为20-35μm。单个纤维也通常仍以明显较粗的纤维束存在。所有这些波动性或不均匀性一方面使加工困难，另一方面常引起制成的复合产品中的质量问题。为弥补这些缺点，公布过各种经中间步骤改进天然纤维的适应性的方法。例如将蕉麻纤维加工成梳条，然后将其直接加入挤压机中，在挤压机中除发生与聚合物的混合外还使纤维破碎。但在此方法中，挤压机中的能耗非常高。通过木料的化学过程得到的木浆含有非常纯的形态的纤维素。虽然其在复合材料中的应用是已知的，但如此制备的产品的机械性能不足以满足更高的要求，如后面由对比实施例（实施例8）所表明的。另一方法是使用纤维素质的人造纤维。对本专利技术的目的，纤维素质的人造纤维应指由溶液中得到的纤维素质纤维，在该溶液中纤维素以纯物理形式或基于化学衍生而呈溶解态存在。这类纤维的最熟知的代表是粘胶，包括特别是高强度粘胶轮胎帘布、Modal、Lyocell和Cupro，它们的命名是由BISFA的命名法定义的。这些纤维有高的化学纯度、高的均匀性和强度，并可针对性地以按应用目的达到最佳增强作用所需的纤维直径来制备。但问题在于其在用于复合材料的常用方法如挤压方法中的可加工性，特别是在塑料中的可计量性和均匀分布性。具有适于织物的截断长度（即约38mm）的标准纤维类型和具有约5mm的截断长度的短截断纤维都不可用于塑料增强领域，因为用标准塑料加工机不可将其加工成均匀的产品。主要问题之一在于由于纤维缠结和形成跨接而堵塞挤压机的计量设备。例如通过由连续长丝线制备纤维-塑料-粒料或借助于所谓的拉-钻方法或拉挤成型法来解决此问题的方法至今均未导致所期望的结果。此外，已含的聚合物使这种混合体不可再普遍使用，而是通常确定用于相同的聚合物中。因此例如Lyocell纤维的有利特性如高的抗断强度至今未曾被用于塑料增强领域中。
技术实现思路
鉴于这些问题，本专利技术的目的在于提供纤维素质纤维材料，该材料可在通常的塑料加工机中进行顺利加工，得到高质量的复合材料，并可简易和低成本制备。本专利技术的目的可通过平均直径为5-20μm和数权平均长度为200-800μm的纤维素质人造纤维实现。其平均长度对数权平均直径的比（L/D）为30-40的纤维是特别有利的。更长的纤维不再可计量。更短的纤维如不考虑可能更强的粉尘形成虽然同样是易于计量的，但在复合材料中不再产生足够的增强作用。此外，制备的价格也太贵，因为其在研磨机中仅可以小生产量制备。作为比较：约20-35μm的木浆纤维明显更粗，并因此仅有小的增强效应。当然也可制备具有更大直径的纤维素质人造纤维。如单纤维纤度为15dtex的纤维素质人造纤维的平均直径为35μm。这种较粗的纤维具有己提及的人造纤维的一般优点，即高纯度和均匀性，并且由于较高的刚度，在较大长度时仍可易于计量，但由于相同的原因在塑料中仅有小的增强效应。可从市场购得的粘胶或Lyocell的短截断纤维明显更长，约为5000μm。本专利技术的纤维的平均直径通常相应于原料纤维，因为如下所述在制备中直径基本不变。本专利技术的纤维优异地适用于纤维增强的塑料。由于Modal纤维和Lyocell纤维即抗断强度(调整过)至少为35cN/tex的纤维具有高机械强度，所以它们是优选的。作为具有高机械强度的纤维也可考虑使用为轮胎帘布制备的连续纤维。所有这些纤维也具有至少10GPa的模量(借助于具有50mg预负荷的Vibrodyn测量仪按Lenxing标准TIPQA03/06对干燥的单纤维测定)。具有至少35cN/tex的抗断强度(调整过)和至少10GPa的模量的纤维对于本专利技术的应用目的而言应视为“高强度”。特别优选Lyocell纤维。标准粘胶纤维虽然基本上也适于增强塑料，但由于其小得多的强度（约21cN/tex），所以预计其具有明显较小的增强效果。基本上各类热塑性聚合物均适合作为这种复合材料的基质聚合物，即基于石油原料和基于再生的原料制备的。首先广泛使用各种聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯的均聚物或共聚物以及其混合物。也可使用其它基于石油的聚合物如聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯以及热塑性弹性体（TPE）和其它的经冲击韧性改性的聚合物。目前特别有吸引力的是基于再生原料制备的和/或可生物降解的聚合物如聚乳酸（PLA）、共聚酯和PLA的混合物、多羟基链烷酸酯（PHA）（此组的实例是多羟基丁酸酯（PHB））、淀粉聚合物和基于淀粉的聚合物、聚乙烯醇/乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇（PVA，如Mowiol®）、聚丁酸乙烯酯（PVB，如Mowital®)以及应用再生原料制备的聚对苯二甲酸亚丙基酯(如Sorona®)。适用的还有各种以BioMax®商标市售的聚合物，其含热塑性淀粉（TPS）和/或应用再生原料制备的聚对苯二甲酸亚丙基酯，Mater-Bi®，即淀粉和聚酯的可生物降解混合物，其中该聚酯大部分基于可再生原料，和NAWAPUR®，即一种含有基于再生原料的多元醇的泡沫材料。因此本专利技术的还一目的是应用平均直径为5-20μm和数权平均长度为200-800μm的这种纤维素质人造纤维来制备热塑性聚合物的复合材料，其中将该纤维计量加入混合装置，并在该装置中均匀分布于热塑性聚合物中。本专利技术的再一目的是提供一种热塑性聚合物的复合材料，其含有平均直径为5-20μm和数权平均长度为200-800μm的上述的纤维素质人造纤维。令人意外的是，该纤维素质人造纤维均匀分布在该热塑性聚合物中。本专利技术的纤维是短的，其足以可用标准设备计量。其至少具有中等的自由流动性。否则对如此细的纤维会由于柔性和由此产生的纤维缠结而只有小的可计量性。较粗的(天然)纤维更具有流动性，因为其更为刚性。但也如实施例所示，较小的纤维直径在塑料增强中带来明显的优点。另外，在粉末中包含大量长度超过1mm的纤维对增强产生有利的作用。实施例表明，由在聚丙烯基质中的本专利技术的Lyocell纤维所组成的复合物的机械值与使用8mm长的市售短截断纤维的工件的机械值几乎一样。总之，用本专利技术的纤维在增强作用和可计量性之间达到了最佳兼顾。与天然纤维相比，使用本专利技术纤维的另一优点是始终不变的高质量，由此确保可经工业过程制备纤维素质人造纤维，并且天气与气候波动对该纤维的尺寸和特性无影响，而在天然纤维情况下却不是这样。因为本专利技术的纤维由高纯纤维素组成，所以在复合物中按本专利技术应用时就不会出现加工时（和部分在其后的工件中）由天然纤维产生的已知的气味问题。也不用关注如起雾和发黄等现象。如果通过标准纤维的研磨来进行制备，则本专利技术的纤维可由纯纤维素组成。此外，如果通过相应改性的原料纤维的本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于纤维增强塑料中的纤维素人造纤维，其由溶液中得到，在该溶液中纤维素以纯物理形式或基于化学衍生而呈溶解态存在，其特征在于，该纤维的平均直径为5‑20 μm，数权平均长度为200‑800 μm，平均长度对数权平均直径的比L/D为30‑40。

【技术特征摘要】
2009.09.03 AT A1388/2009;2010.02.24 AT A286/20101.用于纤维增强塑料中的纤维素人造纤维，其由溶液中得到，在该溶液中纤维素以纯物理形式或基于化学衍生而呈溶解态存在，其特征在于，该纤维的平均直径为5-20μm，数权平均长度为200-800μm，平均长度对数权平均直径的比L/D为30-40。2.权利要求1的纤维素人造纤维，其特征在于，其是高强度纤维素人造纤维。3.权利要求1或2的纤维素人造纤维，其特征在于，其属于Lyocell类纤维。4.纤维素人造纤维在制备热塑性聚合物复合材料中的应用，其中该纤维计量加入到混合装置中，并在混合装置中均匀分布在热塑性聚合物中，其特征在于，所用的纤维素人造纤维的平均直径为5-20μm，数权平均长度为200-800μm，平均长度对数权平均直径的比L/D为30-40。5.权利要求4的应用，其中除纤维素人造纤维外，还将其它纤维材料特别是木...

【专利技术属性】
技术研发人员：M戈布尔，J因纳洛欣格，F祖霍梅尔，
申请(专利权)人：连津格股份公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT