新型的塑料材料技术

作者:本刊编译 文章来源:PT《现代塑料》2014年1月刊 发布时间:2014-01-27
在最近一届的NPE展会中,一些新型的高科技塑料及添加剂产品代表了当前塑料工程技术的最新进展.

在最近一届的NPE展会中,一些新型的高科技塑料及添加剂产品代表了当前塑料工程技术的最新进展。

减轻重量的纳米-金属聚合物复合材料

MetaFuse技术是由杜邦工程聚合物公司﹑Morph科技公司﹑Integran科技公司和PowerMetal科技公司联合开发的。这种技术允许以工程塑料的设计灵活性制造具有金属强度/刚度的轻量化汽车零部件。该专利工艺可将一层非常薄的高强度纳米晶体金属层涂覆在成型的工程塑料(聚甲醛(POM)、尼龙(PA)及热塑性聚酯(PBT﹑PET)零部件上。与相同的钢部件相比,例如汽车发动机和传动系统的零部件,复合材料提供约47%的减重。在塑料部件表面上沉积纳米金属的能力使该金属可以形成复杂的形状,而用传统高强度金属成形是非常困难的。

纳米晶体金属具有20nm的平均粒径,这比传统金属的平均粒径小约1000倍。更小的晶粒尺寸转化为屈服强度的增加,同时也改善了拉伸强度﹑硬度﹑耐磨损性以及摩擦系数。采用这种工艺制成的复合物,具有一般金属沉积难以获得的结构特性。由于其高强度,这些合金能以25~200μm非常薄的金属层涂覆在塑料表面上。

根据基材塑料和纳米金属涂层的铺放和厚度,MetaFuse技术提高了挠曲模量和冲击强度,可达到单一塑料的2~4倍。这种复合材料零部件在聚合物遭受重大性能损失的温度下仍能保持良好的结构性能。取决于基材塑料的不同,MetaFuse技术的使用可扩大聚合物部件的温度范围50~75℃。同时,金属涂层可以被优化定位以增加材料刚度,这在一个给定的汽车部件中是非常有帮助的。

这些复合材料也能向塑料提供额外的好处,如耐磨损性﹑耐蠕变性﹑导电性﹑耐化学性﹑EMI屏蔽﹑气体/液体渗透性以及UV、吸湿稳定性。汽车中的目标应用包括转向和悬架部件﹑油门/刹车踏板﹑油挡﹑燃油发送器凸缘﹑电器外壳/盖和发动机盖下的部件。

高耐热注塑级生物树脂

NatureWork公司第二代Ingeo PLA(聚乳酸)生物树脂复合物的商品名为Ingeo 3801X,它是一种瞄准半耐用消费产品的注塑级材料,可满足半耐用产品的高耐热﹑耐冲击和周期时间的性能要求,其应用包括化妆品﹑消费电子产品﹑玩具﹑办公用品和促销产品。目前Ingeo 3801X还没有通过可堆肥性的认证。这种生物树脂复合物注塑件可达到如下性能:热尺寸稳定性高达120℃;悬壁梁缺口冲击强度> 106.7J/m;弹性模量约3.1GPa;注射周期时间与苯乙烯类树脂相类似。

NatureWorks公司已经将Ingeo 3801X的配方和复合过程的细节公开并提供给客户,期望这种“全面的披露”将有助于刺激创新,并推动生物聚合物更广泛地进入到耐用的注塑应用中。

藻类基混合生物塑料

配混商和加工商正在通过使用添加剂或将生物树脂与其他石油基或生物基树脂共混形成合金来加宽生物树脂的性能范围,最终扩大其应用范围。这类材料针对汽车﹑电子﹑建筑部件的半耐用品和耐久应用,可以降低整体“碳足迹”。案例包括RTP公司制备的六种聚合物共混物,它们包含20%~80%的聚乳酸(PLA);巴斯夫生产的Ecovio,采用巴斯夫的Ecoflex生物降解塑料和PLA的共混物制成。

Cereplast公司的藻类塑料正在开发之中,它是一种混合物,其中传统塑料树脂中所使用的高达50%的石油基成分被藻类生物质取代。Cereplast公司是专业的生物基可持续塑料的领先制造商。他们利用藻类提炼石油工艺(使藻类生长在光生物反应器中,然后将所产生的气体中的CO2和氮氧化物分离开来,以此实现从藻类中提取油成分而最终制成生物燃料)所剩下的的干燥生物质代替玉米﹑小麦和木薯淀粉,来生产这种混合塑料。

Cereplast公司认为使用非淀粉基原料十分关键,因为非淀粉原料对食品链的影响较小,并且不容易产生价格波动。该公司确信来自藻类衍生生物燃料的藻类生物质副产品将来会很丰富。Cereplast公司介绍,大约需要0.68kg的干压藻类来制备0.45kg的生物组分。这种可回收的藻类基树脂不能堆肥或生物降解,对Cereplast公司的可堆肥和混合树脂产品线是一个补充。

生物塑料的着色剂进展

生物塑料的添加剂包括着色剂,正在被广泛地研究。特别令人感兴趣的是这种着色剂对健康或环境没有不良的影响,并且不牺牲生物塑料树脂对可堆肥性标准的符合性。除了可用于生物聚合物的传统颜料外,现在多家公司还拥有以植物和其他可再生材料为基础的生物衍生着色剂。

科莱恩(Clariant)公司专用于聚乳酸(PLA)﹑聚羟基脂肪酸酯(PHA)和淀粉基生物聚合物的Renol-natur色母料采用100%可持续的天然资源制成。这些生物衍生着色剂是纯天然产品并具有有机外观。其中一些颜料虽然拥有优良的透明度,但耐光性可能会受到限制。当前的生物衍生着色剂种类包括:姜黄橙(来自姜黄香料植物的根)、乌鲁昆黄(来自热带花卉)、绿色(叶绿素及其他植物来源)、胭脂红(来自胭脂虫)以及蓝色(来自绣球花)。

通过混合颜色可能获得额外的深浅和色调。Renol-natur颜料具有生物降解性和可堆肥性。所有的Renol-natur颜色都达到或超过了用于生物可降解塑料包装的EN 13432标准。

普立万(PolyOne)公司的OnColor BIO着色剂是一系列色母料产品,它们提供一个“完整的”颜色选项,有透明和不透明的颜色,专为和生物降解树脂一起使用而开发,这些树脂包括PLA﹑PHA﹑PHBV(聚羟基丁酸戊酸)﹑PBS(聚丁二酸丁二醇酯)﹑PBAT(聚己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸乙二醇酯)以及这些不同聚合物品种的共混物。

OnColor BIO色母料可以在标准用量下使用,并用标准的方式加料。它们基于可持续的原材料,且符合几项全球性行业和可堆肥性标准,包括EN 13432(欧盟)﹑ASTM D6400(美国)﹑BPS GREENPLA(日本)和DIN CERTCO(德国)。

Teknor Apex公司的用于生物树脂的Teknor着色剂包括三大系列产品,适合用于PLA树脂及其共混物。这三个系列着色剂根据其载体树脂不同而有所不同。为易于混合,载体树脂可以是PLA,也可以是与PLA相容的聚酯。这些PLA载体母料可在与PLA相容的树脂中使用。

可生物降解的Teknor共聚酯载体母料有一款石化载体产品,建议用于吹膜和其他要求比100%PLA配方能提供更大弹性的应用中。PETek 作为PET载体母料适用于非生物降解的应用中,该应用要求使用一种生物聚合物基树脂如PLA。

塑料在绿色建筑应用中的机会

在平面或低斜坡屋顶上添加一层陶氏化学专用的丙烯酸基热塑性烯烃(TPO)弹性体白色涂料可以冷却屋顶,增加热量反射率,使大约每930m2的商用屋顶空间降低年空调成本高达25%,进而减少CO2年排放量达5t。陶氏化学估计,在美国约有4650~9300万m2的屋顶可使用这种TPO涂层。

IR反射丙烯酸酯片材通过反射大部分的入射太阳辐射,限制了热量进入建筑物。通过使用赢创公司专有的Acrylite Heatstop丙烯酸酯片材替代传统的丙烯酸玻璃材料,年均空调费用可以降低达33%。采用高性能Acrylite Heatstop片材更换一个标准的天窗白色漫射材料时,室内热量积聚可减少将近一半,而光的透射量保持相同。

在绿色建筑光伏应用中,通常使用沉重且不灵活的玻璃板来保护太阳能模块免遭环境影响。如果用塑料薄膜取代这些玻璃板,则塑料薄膜除了柔软性和性价比高外,还必须具有以下功能和性能:起到阻挡水蒸汽和氧气的作用;允许具有高透光度;能很好地粘接太阳能电池;具有电绝缘性;具有高的耐候性和抗紫外线性能。赢创公司已经开发出了一种可满足这些要求的多层Rohaglas薄膜,它包含几层功能层和粘接层,其中,外面是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层。PMMA具有所要求的特性,如高透明性﹑耐候性和紫外线稳定性。Rohaglas薄膜能非常有效地保护下层的太阳能电池组件,使之免遭环境影响,确保太阳能模块的使用寿命。它的水蒸汽阻隔性是0.001g/m2/天,透射率在短波和长波区域中分别为88%和90%,与玻璃板相当。赢创公司和10X技术公司已经结成了一个制造联盟,共同开发并生产基于PMMA的光伏产品,如太阳能聚光透镜等。这种用赢创有机玻璃制作的Fresnel透镜作为主透镜被插入入射光路径中,其微观到宏观的结构使它们的聚集太阳光因数可高达1000。这样,原本分散在几平方米上的光会被限制在狭小的区域内,进而被高效率地转化为电力。

高端改良的CFL灯泡和灯管

Osram公司新型Duluxstar迷你蜡烛型系列中的高端改良型CFL(紧凑型荧光灯)烛形灯泡,与传统白炽灯相比,能提供更长的使用寿命并降低能源消耗达80%。Sabic创新塑料的高科技Lexan FXD PC树脂被选用制造这种新型灯泡。

该烛形灯泡对树脂的性能要求包括:高抗冲击性,以避免破损;优良的光透射度,以获得最佳亮度;半透明,可以隐藏内部元件,并提供柔和且令人满意的效果;足够的光散射能力;符合灼热丝点火和球压试验要求;1.2mm阻燃等级达到UL94 V-2。目前,这种经典的迷你蜡烛型节能灯已遍及欧洲,它拥有10年的使用寿命,额定功率为5~10W。

为了适应新的设计和减轻重量,灯管壳正变得越来越薄,并且随着功率增加,材料需要满足更严格的阻燃标准。此外,它们还必须提供较高的相对热指数(RTI),以应对在LED(发光二极管)照明中产生的更高温度。Light Engine公司正使用Sabic创新塑料为其订制的Lexan LUX高扩散聚碳酸酯(PC),为OptiLED公司生产LED灯管。这种材料可遮挡热点,同时提供优良的透光性。

Sabic创新塑料新开发了Lexan LUX PC品级,以满足下一代LED照明不断变化的需求。新的Lexan PC品级(LUX9610、LUX2614和LUX2114)符合UL黄卡中1.5mm所有列表颜色的要求,且不含卤素。它们还提供高的相对热指数(RTI)值,分别可达到125、115和125。 LED技术成功的一个关键是遮盖力和亮度之间的平衡。Lexan LUX树脂可为客户提供订制光漫射水平所需的灵活性,以达到其应用要求的平衡。

纳米金属工程塑料复合材料(图片来自杜邦工程聚合物公司)(上) MetaFuse纳米金属(红色)与金属(土黄色﹑蓝色)的刚度比较(图片来自杜邦工程聚合物公司)(下)

Ingeo 3801X(下面)与PP(最上面)和PS(从上面下数第二个)的加热老化试验相比(图片来自NatureWorks公司)(上) Ingeo 3801X的配方组成(图片来自NatureWorks公司)(下)

藻类生物塑料(图片来自Cereplast公司)(左) OnColor BIO天然着色剂在生物树脂瓶中的应用(图片来自普立万公司)(右)

IR反射Acrylite Heatstop丙烯酸酯天窗玻璃(图片来自赢创公司)(上) 丙烯酸基TPO涂层可起到冷却屋顶的作用(图片来自陶氏化学)(下)

高扩散LED灯管(图片来自OptiLED公司/Sabic创新塑料)(右上) Duluxstar迷你蜡烛型灯泡(图片来自Osram公司/Sabic创新塑料)(左下)

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