本发明涉及一种用于木材包裹的铅笔的木材替代材料，其包含下述成分：15wt％-30wt％的至少一种聚合物粘合剂、50wt％-80wt％的至少一种有机填料、0wt％-20wt％的至少一种无机填料、0.5wt％-5wt％的至少一种助粘剂、1wt％-30wt％的至少一种蜡、0wt％-10wt％的至少一种颜料、以及0wt％-10wt％的至少一种添加剂，并且所述至少一种助粘剂在至少一种聚合物粘合剂和至少一种有机填料之间形成化学键，至少一种助粘剂与至少一种蜡的比例为1∶2至1∶6，以及有机填料和无机填料的总量不超过80wt％。
1.木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，所述木材包裹的铅笔是包含释放颜色的铅芯和用于所述铅芯的木质外壳的铅芯铅笔、彩色铅笔或化妆笔，其中所述木质外壳被由所述木材替代材料制备的外壳所取代，所述木材替代材料由下述成分形成：
其中所述至少一种有机填料由木材和/或纤维素形成，其中所述至少一种助粘剂由马来酸酐接枝的聚乙烯形成，或者所述至少一种助粘剂由马来酸酐接枝的聚丙烯形成，或者所述至少一种助粘剂由与马来酸酐接枝的茂金属聚乙烯蜡的乙烯-马来酸酐共聚物形成，其中所述至少一种助粘剂在所述至少一种聚合物粘合剂和所述至少一种有机填料之间形成化学键，其中所述至少一种助粘剂与所述至少一种蜡的比例为1:2.5至1:6，其中所述有机填料和无机填料的总量不超过80wt％，其中所述至少一种有机填料由最大粒径为100μm的填料颗粒形成，其中所述至少一种蜡由酰胺蜡和硬脂酸的组合形成，并且其中酰胺蜡与硬脂酸的比例为1:0.5至1:2。
2.根据权利要求1所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，所述至少一种助粘剂与所述至少一种蜡的比例为1:2.5至1:4.5。
3.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述木材替代材料包含：
4.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述至少一种聚合物粘合剂由聚乙烯和/或聚丙烯形成。
5.根据权利要求4所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述至少一种聚合物粘合剂由高密度聚乙烯形成。
6.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述木材替代材料包含1-3wt％的白色颜料。
7.根据权利要求6所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述白色颜料由二氧化钛形成。
8.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述木材替代材料包含0.1-5wt％的有色颜料。
9.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，所述至少一种无机填料选自层状硅酸盐、硫酸钙、碳酸钙、氮化硼、皂石和石墨。
10.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其特征在于，其中所述至少一种添加剂选自润滑剂、增塑剂、表面活性剂、热稳定剂和紫外稳定剂。
11.根据权利要求1或2所述的木材替代材料在制造木材包裹的铅笔中的用途，其中所述木材包裹的铅笔包含由橡皮材料制备的铅芯和用于所述铅芯的木质外壳，其中所述木质外壳被由所述木材替代材料制备的外壳所取代。
12.根据权利要求11所述的用途，其特征在于，所述外壳由所述木材替代材料通过挤出而成型。
木材替代材料及其用途
[0001] 本发明涉及一种用于木材包裹的铅笔的木材替代材料及其用途，所述木材包裹的铅笔例如是铅笔、彩色铅笔或带有释放颜色的铅芯的化妆笔，以及各种其它类型的带有由例如橡皮材料等制成的铅芯的铅笔。
[0002] 铅笔上用于包裹铅芯的木材被木材替代材料所取代。
[0003] 长期以来，铅芯被天然生长的木材所环绕或包覆的木材包裹的铅笔为人们所知。近年来，木材资源的匮乏造成高质量木材价格的上涨，直接影响了铅笔的制造成本。此外，铅笔的制造消耗了相当大量的天然木材储备。
[0004] 由于上述原因，多年来在其它商业领域人们不断尝试用更节省成本的木材替代材料来取代天然木材，并保持天然木材的外观。
[0005] 其中一种木材替代材料为“木材塑料复合材料”，其是具有不同比例的木材、塑性材料和添加剂的热塑性可加工材料，并通过热塑成型工艺例如挤出、注塑或模压而进行加工。
[0006] 所述添加剂优化了相应的预期应用所必需的特性，并对其造成显著的影响。因此使用例如用来改善木塑粘结性的助粘剂，用来保证加工性的蜡，用来产生色彩的颜料，以及保证抗紫外性、耐候性、抗虫性和抗真菌性的添加剂。
[0007] 其应用领域包括，尤其是天井地板、苗木箱、覆盖层、地表面、家具或汽车工业中的内部配件。
[0008] 除了其它性能，目前市场上使用的木材替代材料已经被优化使其具有最高可能的强度性能，例如弯曲强度或耐磨性。
[0009] 然而，这种类型的木材替代材料并不适合取代在木材包裹的铅笔中的木材，或者仅在一定程度上适合，因为这种类型的铅笔不能用常规的手持式卷笔刀削尖，或者难以削尖。
[0010] 已知发泡塑料或无机填充塑料也用作木材替代材料。
[0011] 发泡塑料具有低的弹性模量，因此通常富有弹性。由于高弹性，发泡塑料不太适合作为铅笔的木材替代材料，因为对传统铅芯的弹性包覆，缺乏对铅芯的必要支持作用，导致铅笔使用时铅芯可能断裂。尽管可通过铅芯的相应弹性构造来防止这种现象的发生，铅芯却表现出较差的书写性能。
[0012] 因此，本发明的目的是提供一种可削尖的并适合于包覆铅笔芯的木材替代材料，来替代天然木材。该目的通过权利要求1所述的技术特征来实现。
[0013] 根据本发明的木材替代材料由下述成分形成：
[0014] 15-30wt％的至少一种聚合物粘合剂、
[0015] 50-80wt％的至少一种有机填料、
[0016] 0-20wt％的至少一种无机填料、
[0017] 0.5-5wt％的至少一种助粘剂、
[0018] 1-30wt％的至少一种蜡、
[0019] 0-10wt％的至少一种颜料、以及
[0020] 0-10wt％的至少一种添加剂，
[0021] 所述至少一种助粘剂在所述至少一种聚合物粘合剂和至少一种有机填料之间形成化学键，所述至少一种助粘剂与至少一种蜡的比例为1∶2-1∶6，以及所述有机填料和无机填料的总量不超过80wt％。
[0022] 上述类型的蜡和助粘剂的组合使得木材替代材料能够被削尖，并且特别地，可替代木材包裹的铅笔中的天然木材来包覆铅芯。现有技术已知的木材替代材料不能这样。根据本发明的木材替代材料的特征在于，用其制造的铅笔，其中铅芯被该木材替代材料代替木材来包覆，展现出已知的木材包裹的铅笔的所有常规性能。
[0023] 因此，上述原料的组合产生了在特定程度上适用于制备可削尖的铅芯外壳的材料，以形成书写工具和/或化妆笔。
[0024] 因此，根据本发明的木材替代材料特别适合在铅笔制造中用作铅芯外壳，因为用其制造的铅笔可在不花费大力气的情况下使用常规的持式卷笔刀进行削尖，并且同时铅笔展现出用作书写工具所需的弯曲强度。此外，该木材替代材料还具有相对高的弹性模量，所以弹性差的以及富有弹性的铅芯均能被包覆。
[0025] 为了评价上述木材替代材料的可削性及其用于铅笔制造的适用性，将其制成固体并进行削尖。适合削尖的木材替代材料的使用使得用其制造的铅笔能在花费很小力气的情况下被削尖。在这种情况下，在测试或削尖过程中具有低于10Ncm的“削尖力矩”的铅笔以及，特别是木材替代材料，被归类为具有低能量消耗的可削性。在为此目的而设计的试验机中测定削尖力矩，其中将铅笔或固体形式的测试样品连续削20s。该铅笔或固体由木材替代材料制成。削尖力矩被认为是削尖过程中所确定的平均扭矩(单位为Ncm)，需要在带有新刀片的常规卷笔刀中，以事先预备好的锥顶点，即事先指向期望角度，以43rpm的速度对直径为7.6±0.2mm的测试样品进行持续削尖。
[0026] 图1示出了用于测量削尖力矩的设备的工作原理。卷笔刀1固定在支架3上，该支架3与扭矩测量设备2相连。将测试样品5置于旋转支座4中，并放入卷笔刀1中。使用供应装置6将旋转的测试样品5靠空气作用朝卷笔刀1的方向送入，所述供应装置6对测试样品5的支座
4施加20N的力(见图中右边的箭头)。在测试样品5的削尖过程中通过扭矩测量设备2测定的扭矩在测试周期上进行平均，以确定削尖力矩。
[0027] 用作铅笔芯外壳的木材替代材料的弯曲强度，特别为至少50MPa。弹性模量优选为至少5000MPa。根据DIN 52186(木材试验；弯曲试验)的三点弯曲试验来测量弯曲强度和弹性模量。
[0028] 图2显示了一种用于进行上述类型的三点弯曲试验的测量装置。使用直径为7.6±0.2mm以及长度为180±5mm的由木材替代材料制成的铅笔或固体形式的圆柱形测试样品7。
将测试样品7放置在轴承跨距为100mm(滚柱8的中心点之间的距离)的可移动滚柱8上。用测试柱塞9在中心施加力。滚柱8和测试柱塞9均具有15mm的半径。在测试过程中对测试样品7均匀施加载荷，直到测试样品7断裂。从所需的断裂力以及在递增的载荷下所测得的测试样品7的挠曲来确定测试样品7的弯曲强度和弹性模量。
[0029] 下面将阐述根据本发明的木材替代材料的有利配置。
[0030] 当至少一种助粘剂与至少一种蜡的比例为1∶2.5至1∶4.5时，木材替代材料在强度和可削性上是特别有利的。
[0031] 而且，已经发现用下述组成获得特别好的可削性、强度和加工性：
[0032] 20-25wt％的至少一种聚合物粘合剂、
[0033] 65-75wt％的至少一种有机填料、
[0034] 1-5wt％的至少一种无机填料、
[0035] 1-2wt％的至少一种助粘剂、
[0036] 2-12wt％的至少一种蜡、
[0037] 1-4wt％的至少一种颜料、以及
[0038] 0-5wt％的至少一种添加剂。
[0039] 如果所述至少一种蜡选自酰胺蜡、脂肪酸如硬脂酸和棕榈酸、褐煤蜡、硬脂酸盐、脂肪酸酯和石蜡，对于可削性是有利的。
[0040] 对于可削性，特别有利的是，所述至少一种蜡由酰胺蜡和/或硬脂酸形成。
[0041] 对于可削性，最有利的是，所述至少一种蜡由比例为1∶0.5至1∶2的酰胺蜡和硬脂酸的组合形成。
[0042] 为了更好的理解本发明，下表将木材替代材料和现有技术的材料进行了对比。用于对比的测试样品显示了相同的横截面几何形状，并均具有7.6±0.2mm的直径。
[0043]
[0044] 出于收益率和易获得性考虑，所述至少一种聚合物粘合剂选自聚烯烃是有利的。
[0045] 为了使木材替代材料达到类似于木材的特性，有利的是，所述至少一种有机填料由木材和/或纤维素形成。
[0046] 为了粘结具有极性表面的木材和具有非极性表面的聚合物粘合剂例如聚烯烃，助粘剂是必需的。由于用于聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的助粘剂可通过商购获得，因此有利的是，所述至少一种聚合物粘合剂由聚乙烯(PE)和/或聚丙烯(PP)形成。
[0047] 对于粘结木材和PE，由马来酸酐接枝的聚乙烯(PE)形成的助粘剂经证明是有效的。
[0048] 为了达到大于50MPa的弯曲强度和大于5000MPa的弹性模量，特别有利的是，所述至少一种聚合物粘合剂由高密度聚乙烯(PEHD)形成。
[0049] 图3示意性地阐述了助粘剂结合木材和PE的工作原理。
[0050] 图3的上部表示马来酸分子的基本结构。图的中部表示带有羟基形式的极性表面的木材，以及与木材表面接近的以带有接枝PE的改性马来酸酐分子形式存在的助粘剂分子。在上下文和实施例中，“改性”意味着聚乙烯(PE)被接枝到马来酸上。
[0051] 图3的下部显示了改性马来酸酐分子与木材极性表面的连接。然后助粘剂中接枝PE结合到PE形式的聚合物粘合剂上，使得在木材和PE之间实现良好的粘合。
[0052] 而且已经证明所述至少一种助粘剂由乙烯-马来酸酐共聚物(与马来酸酐接枝的茂金属聚乙烯蜡)形成是有利的。
[0053] 上面已经提到，为了使木材替代材料达到类似于木材的特性，优选至少一种有机填料由木材和/或纤维素形成。
[0054] 对于可削性，特别有利的是，所述至少一种有机填料由最大粒径为250μm，特别是100μm的填料颗粒形成。
[0055] 为了提亮木材替代材料的色调，木材替代材料包含1-3wt％的白色颜料经证明是有效的。
[0056] 为了提亮色调，经证明是有利的是，所述白色颜料由二氧化钛(TiO2)形成。
[0057] 为了调节所需的色调，有利的是，木材替代材料包含0.1-5wt％的有色颜料。
[0058] 为了调节脆性和削尖过程中的滑动特性，有利的是，所述至少一种无机填料选自层状硅酸盐、硫酸钙、碳酸钙、氮化硼、皂石和石墨。
[0059] 为了达到特殊的性能以及满足特殊需要，有利的是，所述至少一种添加剂选自润滑剂、增塑剂、表面活性剂、热稳定剂和紫外稳定剂。
[0060] 已经被证明是有效的两种木材替代材料的配方实例如下所示：
[0061] 配方实例1
[0062] 高密度聚乙烯(PEHD) 25.0wt％
[0063] 木尘 65.0wt％
[0064] 马来酸酐接枝的聚乙烯 2.0wt％
[0065] 酰胺蜡 3.0wt％
[0066] 硬脂酸 3.0wt％
[0067] 二氧化钛 2.0wt％
[0068] 配方实例2
[0069] 聚丙烯(PP) 20.0wt％
[0070] 木尘 70.0wt％
[0071] 马来酸酐接枝的聚丙烯 1.0wt％
[0072] 酰胺蜡 3.0wt％
[0073] 硬脂酸 1.0wt％
[0074] 氮化硼 5.0wt％
[0075] 使用根据本发明的木材替代材料来制造木材包裹的铅笔，特别是铅笔、彩色铅笔或包含释放颜色的铅芯和木质铅芯外壳的化妆笔是理想的，所述木质外壳被由木材替代材料制成的外壳替代。在这种情况下，特别使用具有聚合物粘合的铅芯。
[0076] 而且，使用按照本发明的木材替代材料来制造包含由橡皮材料制成的铅芯和木质铅芯外壳的木材包裹的铅笔是理想的，所述木质外壳被由木材替代材料制成的外壳替代。
[0077] 当形成带有释放颜色的铅芯或由橡皮材料制成的铅芯的木材包裹的铅笔时，特别优选外壳由木材替代材料通过挤出成型。特别地，铅芯也通过挤出成型。挤出是一种连续的制造方法，因此特别适合于具有成本效应的大批量的铅笔制造。
[0078] 特别地，具有由聚合物粘合的木材替代材料制成的外壳和聚合物粘合的铅芯的铅笔通过共挤出方法进行制造。铅芯和外壳在挤出机中原位成型，并按照各自所需的几何图形经由喷嘴一起制造成连续线，然后该连续线分成单独的铅笔。
[0079] 另外一种可能性是对事先提供的铅芯包上外壳，这也可通过挤出来实现。挤出方法的优势在于，可生产基本上所有横截面几何形状的铅笔。
