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TW202428414A - 以包括天然材料之複合材料製造物件的方法及裝置 - Google Patents

以包括天然材料之複合材料製造物件的方法及裝置 Download PDF

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TW202428414A
TW202428414A TW112129985A TW112129985A TW202428414A TW 202428414 A TW202428414 A TW 202428414A TW 112129985 A TW112129985 A TW 112129985A TW 112129985 A TW112129985 A TW 112129985A TW 202428414 A TW202428414 A TW 202428414A
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TW
Taiwan
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temperature
composite material
amorphous
polymeric
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TW112129985A
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English (en)
Inventor
佛羅倫佐 帕瑞尼洛
法柏利索 葡吉
Original Assignee
義大利商沙克米機械合作伊莫拉公司
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Abstract

一種以包括至少一聚合材料之複合材料製造物件的方法，一天然來源材料分散在該至少一聚合材料中，該方法包含以下步驟： 在一擠壓站(2)中擠壓該聚合材料； 將該天然來源材料添加至該聚合材料，藉此獲得該複合材料； 壓製該複合材料以獲得該物件。 在已冷卻該擠壓站(2)下游之該聚合材料後，將該天然來源材料添加至該聚合材料。

Description

以包括天然材料之複合材料製造物件的方法及裝置
本發明係有關於以包括已添加天然來源材料之聚合材料之複合材料製造物件的方法及裝置。詳而言之，該天然來源材料可為來自天然纖維之一材料，例如來自如纖維素或木質素等木質纖維的一材料。
合成聚合材料被廣泛地使用在包裝產業中。但是，為了關係到環保之理由，有用例如以纖維素為基底之材料等天然來源材料取代合成聚合材料之強烈需求。
例如因為最終物件效能要求或為了關係到必須使用以獲得最終物件之製程的理由，所以用一天然材料取代合成聚合材料之許多應用還不可行。在這些情形中，需要用一天然來源材料成功地取代該聚合材料之至少一部份。
因此，產生使用具有由一合成聚合物形成之一基質且天然來源之纖維分散在其中的複合材料的想法。但是，尤其因為在製程中破壞天然來源之纖維的風險，所以這帶來相當多之生產困難。
本發明之一目的係改善以包括至少一聚合材料及一天然來源材料之一複合材料製造物件的方法及裝置。
另一目的係提供以包括至少一聚合材料及一天然來源材料之一複合材料製造物件的方法及裝置，其中當製造該等物件時破壞該天然來源材料之風險降低。
又一目的係提供一方法及一裝置，其容許比用完全地以合成聚合材料製成之物件低之一環境衝擊製成具有良好品質的物件。
再一目的係提供以包括至少一聚合材料及一天然來源材料之一複合材料製造物件的方法及裝置，其具有良好生產力。
在本發明之一第一態樣中，提供一種以包括至少一聚合材料之一複合材料製造物件的方法，一天然來源材料分散在該至少一聚合材料中，該方法包含以下步驟： 在一擠壓站中擠壓該聚合材料以獲得一聚合材料流； 將該天然來源材料添加至該聚合材料流，藉此獲得該複合材料； 壓製該複合材料以獲得該物件， 其中在已冷卻該擠壓站下游之該聚合材料後，將該天然來源材料添加至該聚合材料流。
因為本發明之這態樣，所以以往只以合成聚合材料製成之物件可以亦包含一天然來源材料之一複合材料製成，這容許減少最終物件之環境衝擊。
依據本發明之第一態樣的方法容許在未破壞該天然來源材料之情形下製成該物件。事實上，在添加該天然來源材料前，已在該擠壓站中被塑化之聚合材料被冷卻至比該擠壓站中之聚合材料的擠壓溫度低的一溫度，但此時該聚合材料無論如何都可藉由壓製成形以獲得該物件。依此方式可使該聚合材料之溫度達到該天然來源材料可在不降解之情形下承受的一值。依此方式獲得一良好品質物件。
藉由壓製成形亦容許減少該複合材料中產生之內應力及摩擦，這有助於保持其溫度受到限制。
此外，藉由壓製成形可與該聚合材料之擠壓聯機地實行，這可用一高生產速度獲得該物件。
因為在該聚合材料已部份地冷卻後成形該物件，而這可在成形後使該物件更快地冷卻且因此減少循環時間，所以該生產速度亦增加。
在一實施例中，該聚合材料係具有一玻璃轉移溫度之一非晶質聚合物。
在這實施例中，可在已冷卻該擠壓站下游之聚合材料至比該非晶質聚合物之玻璃轉移溫度高的一溫度後，將該天然來源材料添加至該聚合材料。
詳而言之，在該擠壓站中可使該非晶質聚合物達到比該玻璃轉移溫度高至少80℃之一擠壓溫度。
可在已冷卻該擠壓站下游之非晶質聚合物至比該玻璃轉移溫度高至少50℃的一工作溫度後，將該天然來源材料添加至該非晶質聚合物。
藉由這些值之工作溫度，該非晶質聚合物之黏度仍低到足以讓它可藉由壓製成形。
在另一實施例中，該聚合材料可包含一半結晶聚合物。
該半結晶聚合物包括一結晶部分及一非晶質部分。該結晶部分具有一熔化溫度及一結晶溫度。該非晶質部分具有一玻璃轉移溫度。
在該擠壓站中，可將該聚合材料加熱至比該結晶部分之該熔化溫度高的一溫度。
可在已冷卻該擠壓站下游之聚合材料至比該結晶部分之該結晶溫度高的一溫度後添加該天然來源材料。
在一實施例中，該方法包含混合該複合材料，以便將該天然來源材料均勻地分散在該聚合材料中之步驟。
混合該複合材料之該步驟可在一雙螺桿擠壓機內實行。
因為包含在該雙螺桿擠壓機中之二螺桿的共同作用，所以可獲得在未實質增加溫度之情形下混合該天然來源材料及該聚合材料的該天然來源材料在該聚合材料中之一特別均勻分散體。
此外，即使當該天然來源材料呈天然纖維之形式時，該雙螺桿擠壓機之螺桿亦可供給該天然來源材料，且該等纖維混合時未停在一固定位置。
在一實施例中，壓製該複合材料以獲得該物件之該步驟包含切割該複合材料之一連續流以獲得連續多劑之複合材料，及在一模中壓縮模製各劑以形成該物件。
藉由該壓縮模製，該複合材料可用高生產力形成且未對其組件過度地施加應力。
依據本發明之一第二態樣，提供一種以包括至少一聚合材料之一複合材料製造物件的裝置，至少一天然來源材料分散在該至少一聚合材料中，其中該裝置包含： 一擠壓站，用於擠壓該聚合材料； 一冷卻器，其定位在該擠壓站下游，用於冷卻該聚合材料； 一計量單元，其定位在該冷卻器下游，用於將該天然來源材料添加至已冷卻之該聚合材料，藉此獲得該複合材料； 一混合器，用於混合該複合材料； 一壓製裝置，用於壓製該複合材料以獲得該物件。
因為該冷卻器冷卻來自該擠壓站之聚合材料，所以可添加該天然來源材料至已部份地冷卻，但仍呈足以被壓製之流體化的一聚合材料。依此方式，即使未消除亦可降低由於高溫而破壞該天然來源材料之風險。
因此，可製造包含一明顯量之天然來源材料的物件，這容許減少該最終物件之環境衝擊。
圖1及2顯示用於製造物件，例如可在包裝產業中使用之物件的一裝置1。在該裝置1中製成之物件可為具有凹形之物件，例如容器、用於容器之蓋、膠囊或用於容器之預製件等。
該裝置1容許以包括一聚合基質之一複合材料製成物件，且一天然來源材料分散在該聚合基質中。
該聚合基質係由至少一聚合材料形成，該至少一聚合材料可為一種以往在包裝產業中使用之合成聚合物或一生物可分解聚合物。以往在包裝產業中使用之合成聚合物例子包括例如：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等聚酯系之聚合物。可用以形成該聚合基質之生物可分解聚合物包括聚乳酸(PLA)及其化合物，或例如來自玉米之聚合物等多醣體。
分散在該聚合基質中之天然來源材料可為來自木材之一材料，例如呈纖維形式或呈粉末形式之纖維素或木質素。
該用語「聚合基質」係用以表示先成為流體狀態且接著添加該天然來源材料之材料。該用語「聚合基質」非意圖對該天然來源材料之量加上限制，其甚至可以一明顯量存在。
由該裝置1處理之複合材料亦可包含其他添加劑，例如染料及潤滑劑等。
該聚合材料可為一非晶質聚合物或一半結晶聚合物。
非晶質聚合物具有稱為玻璃轉移溫度T g之一特性溫度。這溫度係該非晶質材料之玻璃轉移發生之溫度，換言之，加熱時該非晶質材料由一玻璃狀、剛性且易碎之固體狀態轉移至一流體化固體狀態的一固體至固體轉移。在該玻璃狀固體狀態中，該非晶質材料之聚合鏈實質上固定，而在該流體化固體狀態有該等聚合鏈之短程移動。
當因為溫度增加，所以該非晶質聚合材料之動態單位的旋轉移動未受阻時，該玻璃轉移發生。因為在相同材料中該等動態單位可為不同種類，所以該等旋轉移動在一溫度範圍內未受阻且因此該玻璃轉移發生在該溫度範圍中而非在一特定預定溫度。
藉由差分掃描量熱法(DSC)知道該非晶質聚合材料之動態單位的旋轉移動未受阻後，可藉由一習知計算決定該玻璃轉移溫度T g。
該玻璃轉移受到考慮之材料的加熱或冷卻速度的影響。
這可在顯示對一非晶質聚合材料之樣本進行差分掃描量熱法(DSC)之結果的圖5中看到。
在該差分掃描量熱法中多次加熱該樣本，保持在一固定溫度且接著冷卻。
為研究該樣本加熱或冷卻速度對該玻璃轉移溫度T g之效果，考慮在加熱或冷卻時之如下所述的多數掃描速度(換言之，加熱或冷卻速度)： v 1=5℃/分 v 2=20℃/分 v 3=50℃/分 v 4=80℃/分
在關於加熱之測試中，對各上述速度而言，當將後者由0℃加熱至200℃時研究樣本行為。在關於冷卻之測試中，對各前述速度而言，相反地在由200℃冷卻至0℃時研究樣本行為。
圖5顯示由上述測試獲得之展開示差熱圖。
圖5所示之測試結果已概述在以下表1中，且表1顯示玻璃轉移溫度T g隨著使用之加熱或冷卻速度(掃描速度)變化而變化。詳而言之，當加熱該樣本時，該玻璃轉移溫度T g隨著加熱速度增加而增加，由對一5℃/分之加熱速度而言的一89.2℃之值轉移至對一80℃/分之加熱速度而言的一99℃之值。
相反地，當冷卻該樣本時，該玻璃轉移溫度T g大致隨著冷卻速度增加而減少，由對一5℃/分之冷卻速度而言的一85.7℃之值轉移至對一80℃/分之冷卻速度而言的一82.1℃之值。
曲線編號 種類 掃描速度[℃/分] 初始T[℃] 最終T[℃] T g[℃]
1A 加熱 5 0°C 200°C 89.2
2A 加熱 20 0°C 200°C 91.5
3A 加熱 50 0°C 200°C 95.3
4A 加熱 80 0°C 200°C 99
1B 冷卻 5 200°C 0°C 85.7
2B 冷卻 20 200°C 0°C 86.3
3B 冷卻 50 200°C 0°C 83.7
4B 冷卻 80 200°C 0°C 82.1
表1
此外，如由以下表2可知，對一預定掃描速度而言在樣本加熱時測得之該玻璃轉移溫度與對相同掃描速度而言在樣本冷卻時測得之該玻璃轉移溫度間的差隨著掃描速度增加而增加。
掃描速度[℃/分] ΔT g=T g(加熱)–T g(冷卻)
5 89.2–85.7=3.5℃
20 91.5–86.3=5.2℃
50 95.3–83.7=11.6℃
80 99–82.1=16.9℃
表2
亦實行說明一非晶質聚合物之黏度亦如何受到該加熱或冷卻速度影響的數個研究。
圖6及7顯示對不同加熱或冷卻速度值而言，一非晶質聚合材料之黏度如何隨著溫度變化而變化。
詳而言之，圖6之曲線C1表示在1℃/分之一加熱速度的情形下，由160℃加熱至210℃之一樣本中的黏度變化。圖6之曲線C2相反地表示在1℃/分之一冷卻速度的情形下，由210℃冷卻至160℃之一樣本中的黏度變化。
圖7之曲線C3表示在10℃/分之一加熱速度的情形下，由150℃加熱至220℃之一樣本中的黏度變化。圖7之曲線C4相反地表示在10℃/分之一冷卻速度的情形下，由220℃冷卻至150℃之一樣本中的黏度變化。
在全部分析情況中，黏度隨著溫度增加而減少。但是，若該加熱/冷卻速度比較低，如在圖6之情形中地，加熱時依據溫度之黏度變化可幾乎重疊在冷卻時依據溫度之黏度變化上。
若相反地該加熱/冷卻速度比較高，如在圖7之情形中地，顯示冷卻時黏度如何變化之曲線與顯示加熱時黏度如何變化之曲線間注意到一明顯差異。
通常，對一預定溫度而言，若該加熱/冷卻速度夠高，冷卻時測得之黏度比加熱時測得之黏度低。
在該溫度相等的情形下，加熱時測得之黏度與冷卻時測得之黏度間的差異隨著該加熱/冷卻速度增加而增加。此外，在該溫度相等的情形下，加熱時黏度隨著該加熱速度增加而增加(換言之，顯示加熱時黏度如何變化之曲線在圖6及7所示類型之一圖中向上位移)，而冷卻時黏度隨著該冷卻速度增加而減少(換言之，顯示冷卻時黏度如何變化之曲線在圖6及7所示類型之一圖中向下位移)。
若比較加熱時及冷卻時該材料之行為，該非晶質聚合材料因此具有依據溫度之黏度遲滯趨勢。這遲滯越明顯，該加熱/冷卻速度越高。
因此，對一預定溫度而言，一非晶質聚合材料冷卻地越快，其黏度減少越多。
如上所述，半結晶聚合物具有一非晶質部分及一結晶部分。該非晶質部分具有如先前定義之一玻璃轉移溫度T g。該結晶部分相反地具有一熔化溫度T f及一結晶溫度T C。
該熔化溫度T f係該半結晶材料之結晶部分冷卻時由固體狀態轉移至該熔化狀態時之溫度。該結晶溫度T C係該半結晶材料之結晶部分冷卻時之溫度。該結晶溫度T C係低於該熔化溫度T F。
如先前關於該玻璃轉移所述地，該結晶及熔化未在一特定溫度而是在一溫度範圍中發生。但是，經常實際上是對該熔化溫度而言界定一單一值，且對該結晶溫度而言，這些值係用一標準化方式由該等相對範圍計算而得。
對一半結晶材料而言，該結晶部份之結晶溫度經常明顯地高於該非晶質部分之玻璃轉移溫度。
該裝置1包含一擠壓機2，其適用於被供給用以形成該複合材料之聚合基質的至少一聚合材料。該聚合材料可通過一漏斗3插入該擠壓機2。該聚合材料可呈顆粒之形式。若該複合材料之組成需要它，亦可將一個以上聚合材料插入該擠壓機2。
該擠壓機2可為一單螺桿擠壓機，換言之，具有一單一擠壓螺桿。但是，這條件不是必要的且可使用其他種類之擠壓機來取代該單螺桿擠壓機。
該聚合材料係初始地在該擠壓機2內沿著一路徑P供給。同時地，加熱該聚合材料以獲得呈一流體狀態之一聚合材料。該擠壓機2之螺桿容許該聚合材料由一熱觀點而言成為均質化。
該擠壓機2界定將該聚合材料之溫度加熱到它到達一擠壓溫度T 1之一擠壓站。
該裝置1更包含一冷卻器4，其定位在該擠壓機2下游用於冷卻該擠製聚合材料之連續流使得該聚合材料之溫度下降至該擠壓機2中到達之擠壓溫度T 1的值以下。
該冷卻器4可包含一熱交換器，例如具有一冷卻流體在其中循環之一外套的一熱交換器。該熱交換器可作為一逆流熱交換器來操作。
在另一實施例中，該冷卻器4可包含在該擠壓機2中，意即該冷卻器4可包含定位在該擠壓站下游之該擠壓機2中的一冷卻段。
通常，在該冷卻器4中該聚合材料之溫度減少至該聚合材料仍保持流體化而可足以進行後續成形。
更詳而言之，該聚合材料在該冷卻器4中冷卻之溫度可依據各種因素變化，其中一因素係處理之聚合材料的種類。
圖3表示在該裝置1中處理之聚合材料係一非晶質聚合物的情形且顯示在y軸上所示之該非晶質聚合物溫度如何依據在該裝置1內沿著該路徑P之該非晶質聚合物位置變化。這位置顯示在x軸上。
該非晶質聚合物在可等於該室溫T A之一初始溫度進入該擠壓機2。
圖3中之區段P1表示加熱該擠壓機2內之非晶質聚合物的一步驟。在這步驟期間，該非晶質聚合物之溫度由進入該擠壓機2時之非晶質聚合物的初始值增加至比該玻璃轉移溫度T g高之擠壓溫度T 1。
在一實施例中，它可為T 1≥T g+70℃，例如T 1≥T g+80℃之情形。
在該擠壓溫度T 1，該非晶質聚合物之聚合鏈已達到讓該非晶質聚合物可被擠製之足夠移動性。
當該聚合材料被供給在該擠壓機2內時，該聚合材料之溫度保持固定，等於該值T 1，如圖3中之水平區段P2所示。
在該冷卻器4中，該聚合材料之溫度減少至比該非晶質聚合物之玻璃轉移溫度T g高的一工作溫度T 2。
更詳而言之，它可為T 2≥T g+50℃之情形。
冷卻器4中之溫度減少係由圖3中之區段P3表示。在後續工作時，特別在該非晶質聚合物成形以獲得該物件時，如圖3中之區段P4所示地，該非晶質聚合物保持在等於該工作溫度T 2的一實質固定溫度。
圖4表示在該裝置1中處理之聚合材料係一半結晶聚合物之情形，對該非晶質部分之玻璃轉移溫度T g而言及對該結晶部分之結晶溫度T C及熔化溫度T f而言該半結晶聚合物具有預定值。
在這情形中，在該擠壓機2中將該半結晶聚合物加熱至比該結晶部分之熔化溫度T f高的一擠壓溫度T 1，如該區段P1所示。該半結晶聚合物保持在該溫度T 1，如該區段P2所示，直到它進入該冷卻器4。
在一第一實施例中，在該冷卻器4中該半結晶聚合物被冷卻直到它到達比該結晶部份之結晶溫度T C高但比其熔化溫度T f低的一工作溫度T 2(A)。這係由圖4中之區段P3(A)表示，而下一區段P4(A)表示該非晶質聚合物在該冷卻器4中冷卻後之溫度保持實質地固定，直到形成該物件。
在一第二實施例中，其情形可為在該冷卻器4中冷卻該半結晶聚合物直到它到達雖然比在擠壓機2之出料處的材料溫度T 1低但仍比該結晶部份之熔化溫度T f高的一工作溫度T 2(B)。這係由圖4中之區段P3(B)表示，而下一區段P4(B)表示該半結晶聚合物在該冷卻器4中冷卻後之溫度保持實質地固定，直到形成該物件。
在圖4所示之兩實施例中，該半結晶聚合物在該擠壓機2之出料處到達之工作溫度明顯地高於該非晶質部分之玻璃轉移溫度，因為該溫度遠低於該結晶溫度。
類似圖4中之區段P3(A)及P3(B)的斜率，圖3中之區段P3的斜率表示該冷卻器4中之聚合材料的冷卻速度且在一非晶質聚合物之情形中與視黏度相關。
在該冷卻器4下游，該裝置1具有一添加區5，用於將該天然來源材料，例如該等纖維素纖維或粉末添加至聚合材料之連續流。該添加區5可包含習知類型之一計量單元6，用於以一劑量將該天然來源材料插入該聚合材料流。
在該計量單元6中，或在放置成靠近該計量單元6之另一計量單元中，亦可添加其他添加劑至該聚合材料流。或者，該等添加劑可添加至該計量單元6上游，例如在該擠壓機2中或甚至在後者下游之該聚合材料。
該裝置1亦包含一混合器7，用於混合已添加該天然來源材料及任何添加劑的聚合材料之連續流以獲得一化學地且熱均勻之複合材料。
該混合器7可包含一雙螺桿擠壓機8，換言之，具有可環繞例如水平軸之各個平行軸旋轉且可均勻地混合該複合材料的二螺桿的一擠壓機。
該雙螺桿擠壓機8，除了由於該等二螺桿確保一特別有效之混合作用以外，亦容許在不對它過度地施加應力之情形下處理該複合材料，使得該複合材料之溫度保持實質地固定，換言之，避免明顯之熱增加。
在另一實施例中，該混合器7可為與該雙螺桿擠壓機不同之一類型。例如，該混合器7可包含一單一螺桿擠壓機或另一種動態混合器。
尤其若該天然來源材料包含纖維，則使用一動態混合器，換言之，具有可將該等纖維主動地向前推之一旋轉混合構件，防止該等纖維停止或堵塞該混合器是適當的。
該添加區5可相對該裝置1中之化合物的一供給方向定位在該混合器7之一初始部份。
該混合器7界定一混合站，用於混合至少包含該聚合材料、該天然來源材料及必要時之添加劑的複合材料。
該混合器7可例如利用油或另一流體進行熱調整以保持該化合物之溫度實質地固定。
在一實施例中，該冷卻站及該混合站可整合在該擠壓機2中，換言之，可呈定位在該擠壓機2之一擠壓站下游的各別冷卻及混合段形式。
該混合器7內之複合材料的溫度可保持固定，例如實質地等於在該冷卻器4之出料處的聚合材料溫度值，如由圖3中之區段P4或由圖4中之區段P4(A)或P4(B)所示。
該混合器7中之複合材料的溫度比該天然來源材料及/或任何添加劑開始降解之降解溫度低。依此方式，當該天然來源材料及/或任何添加劑添加至來自該冷卻器4之聚合材料流時，它們未被高溫破壞。
在該冷卻器4中，來自該擠壓機2之聚合材料可接受到比較高冷卻速度，例如高於或等於5℃/分。在一實施例中，在該冷卻器4中之聚合材料的冷卻速度可高於或等於10℃/分。
採用比較高冷卻速度具有重要意義，特別是在該聚合材料係一非晶質聚合物之情形中。
事實上，使用高冷卻速度，該非晶質聚合物之玻璃轉移溫度T g相對可用較低冷卻速度達到之玻璃轉移溫度減少，如先前參照圖5及表1及2所述。這表示在圖3之曲線中，藉由增加該區段P3中之冷卻速度(換言之，該區段P3之梯度)可在該區段P4中具有較低溫度。換言之，藉由快速地冷卻該冷卻器4中之材料，可減少該玻璃轉移溫度且因此減少該聚合材料在該混合器7中具有且當它成形時的工作溫度T 2。事實上，該工作溫度T 2係比T g高，例如50℃之一預定量，使得T g之減少亦使它可減少T 2。
此外，藉由在該冷卻器4中採用比較高冷卻速度，該聚合材料之黏度比該聚合材料緩慢地冷卻時可達到之黏度低，如先前參照圖6及7所述。這容許該複合材料保持足夠流體化，且因此即使在該冷卻器4中達到比較低溫度，且因此即使該複合材料在一比較低工作溫度T 2工作，亦容許它成形。
在該混合器7之出料處，具有終止於一出口之一出料管9，且包含該聚合材料、該天然來源材料及任何添加劑的一複合材料連續流在實質地等於該工作溫度T 2(或T 2(A)或T 2(B))之一溫度由該出口離開。
該出口可由位在該出料管9之末端之一噴嘴的出料段界定。
在所示例子中，該出口朝上，使得該化合物流朝一實質垂直向上方向離開該出口。但是，這條件不是必要的，且該出口可與圖1及2所示者不同地定向。例如，該出口可定向成使得該複合材料流朝一實質垂直向下方向或朝一實質水平或傾斜方向離開該出料管9。
該裝置1亦包含至少一分離元件11或分離器，用於使一劑量或一劑12之複合材料與離開該出口之複合材料連續流分離。該劑12對應需要形成一物件之化合物量。
該裝置1亦包含用於使一劑12移動遠離該出口之至少一輸送元件13或輸送器。
在所示例子中，該分離元件11係該輸送元件之一邊緣，特別是該輸送元件13之一下緣，該下緣通過該出口以便由該出口刮取在該等輸送元件13之二連續道次間之間隔時離開的複合材料量。但是，這條件不是必要的，因為亦可使用與圖1所示者不同之分離元件11，例如與該輸送元件13無關地移動之一單一刀片。
該裝置1亦包含一壓製裝置，該壓製裝置包括用於由一劑12形成一物件之至少 一模14。該模14係組配成藉由壓縮模製由該劑12形成該物件。
該模14可包含可沿著在所示例子中垂直的一模製線D在一開啟位置Q1與一關閉位置Q2之間互相相對移動之一第一半模15及一第二半模16。
在該開啟位置Q1，該第一半模15及該第二半模16係互相分開一距離，使得一劑12之複合材料可釋放在該第一半模15與該第二半模16之間。此外，在該開啟位置Q1可由該模14移除已形成之一物件。
在該關閉位置Q2，該第一半模15及該第二半模16互相靠近，使得該第一半模15與該第二半模16之間界定具有對應該物件形狀之一形狀的一封閉成形腔室。
在所示例子中，該第一半模15係具有一模穴之一母半模且該第二半模16係包含一衝頭之一公半模。該母半模係定位在該公半模下方，使得該劑12釋放進入該母半模之模穴。但是，這條件不是必要的且，在未顯示之另一實施例中，該公半模可定位在該母半模下方，使得該劑12釋放在界定該衝頭之一上表面上。
此外，該第一半模15及該第二半模16可定位成使得該模製線D非垂直。該模製線D可為例如水平或傾斜。
該輸送元件13可沿著例如但不限於圓形之可為一封閉路徑的一路徑移動，以便拾取該分離元件11已由該複合材料之連續流分離的一劑12及將該劑12朝該模14輸送。
在所示例子中，有可沿著該封閉路徑移動之複數輸送元件13。該等輸送元件13可由一輸送轉盤17支持，該輸送轉盤可環繞可為例如垂直之一旋轉軸Y旋轉。
當該輸送元件13設置在定位在該開啟位置Q1之一模14的該第一半模15與該第二半模16間時，該劑12藉由該輸送元件13釋放在下方之半模上且該輸送元件13朝向該管9之出口返回以拾取一新劑12。
在所示例子中，有可沿著可為圓形之一封閉路徑移動的複數模14。該等模14可例如安裝在一模製轉盤18之一周緣區域，該模製轉盤可環繞可為垂直之一軸Z旋轉。
操作時，將例如呈顆粒形式之一或多個聚合材料插入該擠壓機2。在此加熱且熔化該聚合材料直到它到達在一半結晶聚合物之情形中比該結晶部分之熔化溫度T f及該非晶質部分之玻璃轉移溫度T g高的一最大擠壓溫度T 1。若該聚合材料係一非晶質聚合物，在該擠壓機2中到達比該玻璃轉移溫度高至少80℃的該聚合材料之一溫度T 1，該溫度會接著在添加該天然來源材料前降低。
在該擠壓機2下游，在該冷卻器4中冷卻該聚合材料。在該冷卻器4中到達之聚合材料的溫度比該聚合材料在該擠壓機2中到達之最大溫度低，但無論如何都比該聚合材料(若為非晶質)之玻璃轉移溫度或若該聚合材料係一半結晶聚合物則比該結晶部分之結晶溫度高。
在已冷卻該聚合材料後，可添加該天然來源材料及/或一或多個添加劑。在該聚合材料之溫度已在該冷卻器4中減少後將該天然來源材料及/或該等添加劑添加至該聚合材料，以便降低因高溫而破壞該天然來源材料及/或該等添加劑之風險。
接著混合藉由將該天然來源材料及/或一或多個添加劑添加至該聚合材料獲得之化合物以使其組成例如在該雙螺桿擠壓機8中均質化。
依此方式獲得一複合材料之流體流，且可藉由分割或刮取由複合材料之流體流分離該等劑12。接著將各劑12朝向一模14輸送且釋放進入該模14。當形成該劑12之材料係在若該複合材料之聚合基質包含一非晶質聚合物則比該玻璃轉移溫度高或若該複合材料之聚合基質包含一半結晶聚合物則比該結晶部分之結晶溫度高的一溫度時，可在此壓縮模製該劑12。更詳而言之，形成該劑12之該化合物係在該第一半模15與該第二半模16之間成形，該第一半模及該第二半模保持在該關閉位置Q2直到獲得之物件已到達適用於在未被破壞之情形下處理的一致性。此時，使該模14成為用於取出該物件及接收一新劑12之該開啟位置Q1。
該裝置1及相關操作方法確保選擇該複合材料之組成的大自由度。事實上，藉由在添加該天然來源材料或該等添加劑前冷卻該聚合材料，可使用在一非常低溫度降解的多個天然來源材料且若它們會如在習知技術中之情形地添加至該擠壓機2中之聚合材料，則可不使用該等天然來源材料。
類似推論可應用於該等添加劑。藉由在該聚合材料已冷卻後添加該等添加劑，加大可使用之添加劑範圍，因為甚至可使用若如在該擠壓機2之情形中地將該聚合材料加熱至一高溫時會被破壞的感熱添加劑。
關於使用之添加劑量，該裝置1及相關操作方法亦增加該物件之組成的靈活性。例如，其中在擠壓中使用之其中一添加劑係塑化劑，該塑化劑甚至可用於避免到達在擠壓時太高之溫度。藉由在添加該天然來源材料及/或該等添加劑前冷卻該冷卻器4中之聚合材料，可減少塑化劑之量或甚至避免使用它。事實上就破壞該天然來源材料及/或該等添加劑之風險而言，該聚合材料在該冷卻器4中受到之冷卻使該擠壓機2中到達之溫度實質上不重要。
該裝置1及相關操作方法容許用高生產力製成相較完全地以合成聚合材料製成之物件具有有限環境衝擊的物件。
詳而言之，在該裝置1中該等物件係與該複合材料之生產聯機地製成，因為藉由混合該天然來源材料及該聚合材料產生該複合材料的該混合器7係定位成與該壓製裝置聯機。依此方式，該複合材料直接供給該壓製裝置而未被事先地冷卻至室溫。
該壓製裝置可如在圖1及2所示之情形中地包含一模製轉盤，或定位成具有一直線或矩陣配置之複數模或甚至在一固定位置之一單一模。
無論如何，藉由例如壓縮模製之壓製來成形容許定向該聚合材料之大分子或鏈及該天然來源材料之纖維，以便獲得由具有比較高強度機械性質之複合材料製成的一物件。
此外，若用以形成該聚合基質之聚合材料係半結晶聚合物，則該結晶部分會受到流動誘發結晶現象影響，因此該裝置1內之聚合材料所到達之高速度造成該結晶部份之結晶增加。依此方式，進一步改善形成之物件的機械性質。
1:裝置 2:擠壓機 3:漏斗 4:冷卻器 5:添加區 6:計量單元 7:混合器 8:雙螺桿擠壓機 9:出料管 11:分離元件 12:劑量或劑 13:輸送元件 14:模 15:第一半模 16:第二半模 17:輸送轉盤 18:模製轉盤 D:模製線 P:路徑 Q1:開啟位置 Q2:關閉位置 Y:旋轉軸 Z:軸
本發明可參照說明本發明之一非限制實施例的附圖而更佳地了解及實施，其中： 圖1係顯示以包含一天然來源材料之一複合材料製造物件的一裝置的示意俯視圖； 圖2係圖1之裝置的示意側視圖； 圖3係示意地顯示在使用一非晶質聚合物之情形中，圖1之裝置中的溫度分布圖； 圖4係關於一半結晶聚合物之類似圖3的圖； 圖5係顯示在不同掃描速度值的情形下，在一非晶質聚合物上DSC分析之結果的圖； 圖6係顯示在一比較低加熱/冷卻速度值之情形下，黏度如何依據用於一非晶質聚合物之溫度變化的圖； 圖7係關於一較高加熱/冷卻速度值之類似圖6的圖。
1:裝置
2:擠壓機
3:漏斗
4:冷卻器
5:添加區
6:計量單元
7:混合器
8:雙螺桿擠壓機
12:劑量或劑
13:輸送元件
14:模
P:路徑

Claims (16)

  1. 一種以一複合材料製造物件的方法，該複合材料包括至少一聚合材料，且一天然來源之材料分散在該至少一聚合材料中，該方法包含以下步驟： 在一擠壓站(2)中擠壓該聚合材料； 將該天然來源之材料添加至該聚合材料，藉此獲得該複合材料； 壓製該複合材料以獲得該物件， 其中在已冷卻該擠壓站(2)下游之該聚合材料後，將該天然來源之材料添加至該聚合材料。
  2. 如請求項1之方法，其中該物件係一包裝組件。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該物件係一凹物件，任擇地在包含下列之群組中選擇：用於一容器之一封閉元件、一容器、一膠囊、用於一容器之一預製件。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該聚合材料包含一半結晶聚合物，該半結晶聚合物包括一非晶質部分及一結晶部分，且其中當該聚合材料在高於或等於該結晶部分之結晶溫度(T C)的一溫度時，將該天然來源之材料添加至該聚合材料。
  5. 如請求項4之方法，其中在該擠壓站(2)中，將該半結晶聚合物加熱至比該結晶部分之熔化溫度(T f)高之一擠壓溫度(T 1)。
  6. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該聚合材料包含具有一玻璃轉移溫度(T g)之一非晶質聚合物，且其中當該聚合材料處在高於該非晶質聚合物之該玻璃轉移溫度(T g)的一工作溫度(T 2)時，將該天然來源之材料添加至該聚合材料，該工作溫度(T 2)任擇地係比該非晶質聚合物之該玻璃轉移溫度(T g)高至少50℃。
  7. 如請求項6之方法，其中在該擠壓站(2)中，將該非晶質聚合物加熱至比該非晶質聚合物之該玻璃轉移溫度(T g)高至少80℃的一擠壓溫度(T 1)。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，且更包含以下步驟：混合藉由將該天然來源之材料添加至該聚合材料所獲得之該複合材料，該混合步驟任擇地發生在一雙螺桿擠壓機(8)中。
  9. 如請求項1至8中任一項之方法，其中該聚合材料是在該擠壓站下游，以高於或等於5℃/分且較佳地高於或等於10℃/分之一冷卻速度冷卻。
  10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中壓製該複合材料以獲得該物件之步驟包含：切割該複合材料之一連續流以獲得一劑(12)之複合材料，且藉由在一模(14)中壓縮來成形該劑(12)以獲得該物件。
  11. 如請求項1至10中任一項之方法，其中該天然來源之材料包含呈纖維或粉末形式之纖維素。
  12. 一種以一複合材料製造物件的裝置，該複合材料包括至少一聚合材料，且至少一天然來源之材料分散在該至少一聚合材料中，其中該裝置包含： 一擠壓站(2)，用於擠壓該聚合材料； 一冷卻器(4)，其定位在該擠壓站(2)下游，用於冷卻該聚合材料； 一計量單元(6)，其定位在該冷卻器(4)下游，用於將該天然來源之材料添加至已冷卻之該聚合材料，藉此獲得該複合材料； 一混合器(7)，用於混合該複合材料； 一壓製裝置(18)，用於壓製該複合材料以獲得該物件。
  13. 如請求項12之裝置，其中該混合器(7)包含一雙螺桿擠壓機(8)。
  14. 如請求項12或13之裝置，其中該壓製裝置(18)包含一模(14)，其用於藉由壓縮模製來模製該物件。
  15. 如請求項14之裝置，且更包含一分離元件(11)，其用於從來自該冷卻器(4)之一複合材料的連續流分離出一劑(12)之複合材料。
  16. 如請求項15之裝置，且更包含一輸送元件(13)，其可沿著一用於朝向該模(14)輸送該劑(12)之路徑移動。
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