背景技術(shù)：

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2011年4月21日申請(qǐng)的序列號(hào)為61/477，886的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)一般涉及尤其適用于一次性蓋子及類似物的聚合物組合物。具體地，本申請(qǐng)涉及一種包括熱成型片材的一次性蓋子，該熱成型片材具有聚烯烴和至少一種礦物填料的聚合物復(fù)合物。

現(xiàn)有技術(shù)

熱飲，例如為忙碌人士新鮮調(diào)制的咖啡通常盛放在具有一次性蓋子的厚紙杯中?？Х纫话阍?0-96℃下調(diào)制，在82-88℃下保持并在70-80℃下盛放?？Х缺w優(yōu)選地具有承受將蓋推至杯上所需之力以及在咖啡的溫度下保持尺寸穩(wěn)定性的機(jī)械強(qiáng)度。在一溫度范圍之內(nèi)的材料的機(jī)械強(qiáng)度可關(guān)系到材料的熱變形溫度(“HDT”)或負(fù)載下的變形溫度(“DTUL”)。目前用于熱飲杯的封蓋材料主要由高抗沖聚苯乙烯(“HIPS”)制成，由于其無(wú)定形結(jié)構(gòu)，其易于加工并且在剛性和強(qiáng)度之間具有良好的平衡。但是，高抗沖聚苯乙烯樹(shù)脂可能易受化學(xué)侵蝕以及由溶劑造成的碎裂。另外，樹(shù)脂中存在的殘留苯乙烯單體可散發(fā)惱人的氣味。此外，在所有的商品級(jí)樹(shù)脂中，高抗沖聚苯乙烯樹(shù)脂具有相對(duì)高的碳足跡。因此，仍需要制造改良的一次性蓋子。

發(fā)明概述

下文將描述本申請(qǐng)的目的和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)下文的描述以及通過(guò)實(shí)踐本申請(qǐng)所了解到的，可明顯地了解本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。由書面描述和權(quán)利要求中特別指出的裝置以及從附圖中，可實(shí)現(xiàn)以及達(dá)到本申請(qǐng)的額外的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到這些和其它優(yōu)點(diǎn)以及根據(jù)本申請(qǐng)廣義和具體的目的，本申請(qǐng)包括一次性蓋子，其包括用于熱飲容器的蓋子形狀的熱成型片材。該片材包括聚烯烴和至少一種礦物填料的聚合物復(fù)合物。該片材的厚度小于約0.035英寸，且熱變形溫度至少與高抗沖聚苯乙烯相當(dāng)。

根據(jù)一方面，該熱變形溫度至少約等于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度。特別地，根據(jù)受彎曲負(fù)載下的邊緣位置塑料的熱變形溫度的ASTMD648-06標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法(2006)，熱變形溫度可以至少為約87℃。

如本文所實(shí)施的那樣，礦物填料可包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料，例如，選自由滑石粉，云母，硅灰石或其組合構(gòu)成的群組。例如，聚合物復(fù)合物可包括至少約10重量％的高長(zhǎng)徑比的礦物填料。此外或替代地，礦物填料可包括低長(zhǎng)徑比的礦物填料，例如碳酸鈣。例如，聚合物復(fù)合物可以包括至少約20重量％的低長(zhǎng)徑比的礦物填料。聚烯烴可選自由聚丙烯均聚物、聚丙烯抗沖共聚物、乙烯-丙烯無(wú)規(guī)共聚物、高密度聚乙烯或其組合構(gòu)成的群組。

在一個(gè)實(shí)施例中，聚烯烴包括聚丙烯，礦物填料包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物包括至少約10重量％的礦物填料。在另一個(gè)實(shí)施方式中，聚烯烴包括聚丙烯，礦物填料包括低長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物包括至少約20重量％的礦物填料。在又一個(gè)實(shí)施方式中，聚烯烴包括高密度聚乙烯，礦物填料包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物包括至少約20重量％的礦物填料。在又一個(gè)實(shí)施方式中，聚烯烴包括高密度聚乙烯，礦物填料包括低長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物包括至少約40重量％的礦物填料。

根據(jù)另一方面，聚烯烴可以包括聚丙烯，礦物填料可包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物的收縮率可與高抗沖聚苯乙烯相當(dāng)。例如，根據(jù)ASTM D955標(biāo)準(zhǔn)(1996)測(cè)量時(shí)，聚合物復(fù)合物的收縮率可為約0.5％到約1.0％。在此方式中，聚合物復(fù)合物包括約20重量％到約40重量％的礦物填料。

根據(jù)另一方面，聚烯烴可包括聚乙烯，礦物填料可包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料，且該聚合物復(fù)合物的收縮率可與聚丙烯相當(dāng)。例如，根據(jù)ASTMD955標(biāo)準(zhǔn)(1996)測(cè)量時(shí)，聚合物復(fù)合物的收縮率可為約1.25％到約1.75％。在此實(shí)施方式中，聚合物復(fù)合物包括約30重量％到約50重量％的礦物填料。

根據(jù)所公開(kāi)的主題的一個(gè)方面，聚合物復(fù)合物主要由聚烯烴和至少一種礦物填料構(gòu)成。但是，該聚合物復(fù)合物可進(jìn)一步包括添加劑，其選自由著色劑，加工助劑及其組合構(gòu)成的群組。

如本文所實(shí)施的那樣，熱飲容器可以是咖啡杯，但是也可以預(yù)想一種用于其它合適容器的蓋子。

根據(jù)另一個(gè)方面，該聚合物復(fù)合物的碳足跡(footprint)低于高抗沖聚苯乙烯。例如，該聚合物復(fù)合物的溫室氣體排放低于高抗沖聚苯乙烯。

應(yīng)當(dāng)理解上文概述和下文詳細(xì)描述僅是示例性的，旨在進(jìn)一步解釋本申請(qǐng)的權(quán)利要求。

并入本說(shuō)明書并且構(gòu)成本說(shuō)明書一部分的附圖旨在圖解本申請(qǐng)的裝置，且提供對(duì)本申請(qǐng)裝置的進(jìn)一步的解釋。附圖連同書面描述用于解釋本申請(qǐng)的原理。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)所公開(kāi)的主題的純凈的高抗沖聚苯乙烯、純凈的聚丙烯、純凈的高密度聚乙烯以及某些礦物填充的聚合物復(fù)合物各自的熱變形溫度圖。

圖2是根據(jù)所公開(kāi)的主題的純凈的高抗沖聚苯乙烯、純凈的聚丙烯、純凈的高密度聚乙烯以及某些礦物填充的聚合物復(fù)合物各自的收縮特性圖。

優(yōu)選實(shí)施方式詳述

現(xiàn)將詳細(xì)參考本申請(qǐng)優(yōu)選的實(shí)施例，附圖中圖解本申請(qǐng)的實(shí)施例。本文呈現(xiàn)的一次性蓋子一般旨在與盛放高溫?zé)犸?，例如咖啡的杯子或其它容器配合使用。盡管本文將參考用于熱飲杯的蓋子，也可預(yù)想到其它類似或合適的用途。

典型地，聚烯烴的熱變形溫度低于高抗沖聚苯乙烯(“HIPS”)，因此不適合單獨(dú)(例如純凈的)用作熱飲杯的封蓋材料。然而，根據(jù)所公開(kāi)的主題，聚烯烴的熱變形溫度可通過(guò)加入至少一種礦物填料以形成聚合物復(fù)合物而得到改善。得到的聚合物復(fù)合物的熱變形溫度可至少約等于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度，因此可用作熱飲杯或類似物的封蓋材料。

根據(jù)所公開(kāi)的主題的一次性蓋子包括用于熱飲容器的蓋子形狀的熱成型片。所述片材包括聚烯烴和至少一種礦物填料的聚合物復(fù)合物。片材厚度小于約0.035英寸且熱變形溫度至少與高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度相當(dāng)。

在一個(gè)實(shí)施方式中，礦物填料可包括用于提高聚烯烴的熱變形溫度的任意合適的礦物填料。例如但不限于，礦物填料可包括高長(zhǎng)徑比的填料，低長(zhǎng)徑比的填料，或兩者的混合物。為便于理解，本文將術(shù)語(yǔ)顆粒的“長(zhǎng)徑比”定義為顆粒的最大尺寸除以顆粒的最小尺寸的比率。通過(guò)電子顯微鏡(放大2,000倍)掃描以及視覺(jué)上觀察顆粒的外表面來(lái)確定顆粒的長(zhǎng)度和厚度，從而確定長(zhǎng)徑比。

本文將高長(zhǎng)徑比填料定義為長(zhǎng)徑比至少為約5:1的填料。本文所公開(kāi)的主題的高長(zhǎng)徑比填料的長(zhǎng)徑比一般為約5:1到約40:1，優(yōu)選約10:1到約20:1。高長(zhǎng)徑比填料可包括滑石粉、云母、硅灰石或其組合。市售的滑石粉材料包括，但不限于，可從Luzenac America of Englewood,Colorado購(gòu)買的575。市售的云母材料包括可從ZemexIndustrial Minerals,Inc.購(gòu)買的325-PP。市售的硅灰石包括，但不限于，可從NYCO Minerals Inc.of Calgary,Alberta,Canada購(gòu)買的系列硅灰石。

所公開(kāi)的主題的低長(zhǎng)徑比填料的長(zhǎng)徑比一般為1:1到約3:1，優(yōu)選為1:1到約2:1。低長(zhǎng)徑比填料可包括碳酸鈣、硫酸鋇或其組合。市售的碳酸鈣包括，但不限于，可從OMYA Inc.of Cincinnati,OH購(gòu)買的或可從Imerys Performance Minerals Inc.of Alpharetta,Ga.購(gòu)買的市售硫酸鋇的一個(gè)示例是可從Polar Minerals inMentor,Ohio購(gòu)買的BARITE

當(dāng)所述的至少一種填料包括高長(zhǎng)徑比和低長(zhǎng)徑比填料的混合物時(shí)，所述填料混合物可包括任意合適重量百分比的高長(zhǎng)徑比填料和低長(zhǎng)徑比填料。例如，所述填料混合物可包括至少50重量％的高長(zhǎng)徑比填料。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述填料混合物可具有約50到約80wt.％的高長(zhǎng)徑比填料以及約20到約50wt.％的低長(zhǎng)徑比填料。

根據(jù)一方面，所述聚烯烴可以是任意合適的聚烯烴。例如但不限于，聚烯烴可選自由聚丙烯均聚物、聚丙烯抗沖共聚物、乙烯-丙烯無(wú)規(guī)共聚物、高密度聚乙烯或其組合構(gòu)成的群組。所述聚烯烴可以是均聚聚丙烯和抗沖共聚聚丙烯以任意需要的重量百分比，例如60/40混合，或以足夠達(dá)到復(fù)合物所需抗沖性質(zhì)的混合比例混合。

根據(jù)一個(gè)方面，聚合物復(fù)合物可主要由聚烯烴和至少一種礦物填料組成。但是，聚合物復(fù)合物可進(jìn)一步包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意的添加劑。例如，但不限于，添加劑可包括著色劑，加工助劑例如常用于加工組合物的那些，或其組合。

根據(jù)一個(gè)方面，可使用多種常規(guī)制造以及成型工藝形成該一次性蓋子，包括熱成型或注射成型工藝，但本文使用熱成型工藝。根據(jù)一種制造方法，在雙螺桿擠出機(jī)中熔融聚烯烴樹(shù)脂的團(tuán)塊。將至少一種礦物填料的粉末與聚烯烴熔體混合和/或加入到聚烯烴熔體中，以形成混合物。該混合物通過(guò)模具擠出，以形成擠出片材。然后將擠出片熱成型為所需的一次性蓋子的形狀。任選地，可從典型的化學(xué)工藝中制造團(tuán)塊形式的具有高填料含量的礦物填充的化合物，在片材擠出工藝中使該團(tuán)塊進(jìn)一步稀釋到需要的填料含量。

可根據(jù)需要選擇蓋的厚度，但是一般小于約0.15英寸，優(yōu)選小于約0.035英寸。優(yōu)選地，蓋的厚度可以是約0.01到約0.025英寸。蓋可以是聚烯烴/填料混合物的天然顏色，或各種顏色或顏色的組合。如本領(lǐng)域已知的，可根據(jù)需要選擇蓋的高度、重量、形狀以及設(shè)計(jì)，以配合合適的熱飲容器，例如咖啡杯。例如，蓋的重量可為約3到約4克。示例性蓋設(shè)計(jì)包括，但不限于，在美國(guó)專利號(hào)7,819,271、7,789,260、7,691,302、D556,573、D544,793、D541,651、D541,650、D541,153、D540,675、D540,674、D540,673、D540,672、D540,166、D540,165、D539,646、D533,778、D635,855、7,731,047、7,513,382、7,246,715、D540,167、D539,650、D539,649、D536,249、D535,561、7,159,732、7,156,251、7,134,566、7,131,551、D530,602、7,063,224、D514,445、D514,444、6,874,649、6,732,875、D489,260、D485,578、6,679,397、6,644,490、D478,006、D477,223、D476,891、D476,566、4,753,365、D287,919、4,615,459和4,589,569中描述和顯示的，其各自的內(nèi)容通過(guò)引用整體引入本文。

根據(jù)公開(kāi)的主題的一方面，熱變形溫度(“HDT”)，也被稱作負(fù)載下的變形溫度(“DTUL”)可根據(jù)受彎曲負(fù)載下在邊緣位置塑料的熱變形溫度的ASTM D648-06標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法(2006)測(cè)定。為了圖示的目的且不是限制，表1包括根據(jù)ASTM D648-06標(biāo)準(zhǔn)(2006)測(cè)定的純凈的高抗沖聚苯乙烯、純凈的聚丙烯(“PP”)、純凈的高密度聚乙烯(“HDPE”)以及根據(jù)公開(kāi)的主題的多種礦物填充的聚合物復(fù)合物的熱變形溫度。表1提供的數(shù)據(jù)名義上是基于寬度為12.7mm、厚度為3.17mm和跨度為101.6mm的注射模塑棒。施加2.5N負(fù)載以達(dá)到0.455MPa(66PSI)的纖維壓力。熱傳遞介質(zhì)的溫度以2.0℃/min的速度斜升。在30℃下將變形重設(shè)為0，以允許任何的低溫蠕變。樣品額外變形0.25mm下的溫度被認(rèn)為是熱變形溫度。為了圖示的目的且不是限制，圖1提供了表1中所提供的熱變形溫度數(shù)據(jù)的圖形表示。特別地，圖1顯示與純凈的HIPS作為對(duì)照相比，熱變形溫度隨著聚丙烯或高密度聚乙烯與滑石粉或碳酸鈣四種不同組合的礦物填料的含量而增加。

表1.HIPS、PP、HDPE和礦物填充的復(fù)合物的DTUL以及IM成型收縮率

¹高抗沖聚苯乙烯，Total Petrochemicals 940E

²高密度聚乙烯，密度＝0.963g/cc

³PP均聚物PP/抗沖共聚物混合物，混合比例60/40

⁴PP抗沖共聚物

⁵PP均聚物

⁶DTUL-根據(jù)ASTM D648的負(fù)載下(66psi)的變形溫度

由表1和圖1的數(shù)據(jù)可以看出，純凈的高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度為87℃，落入咖啡調(diào)制和供應(yīng)的溫度范圍內(nèi)。聚丙烯共聚物或聚丙烯均聚物/共聚物的混合物的熱變形溫度約為79-80℃，低于由純凈的高抗沖聚苯乙烯提供的熱變形溫度。然而，顯示純凈高密度聚乙烯的熱變形溫度為約69℃，不在由純凈高密度聚乙烯制成的蓋可發(fā)揮令人滿意的效果的溫度范圍內(nèi)。

根據(jù)表1所公開(kāi)的主題，實(shí)施例1-20顯示了在不同的礦物填料水平下多種聚烯烴和礦物填料組合的熱變形溫度。在不同的聚烯烴和礦物填料組合中，隨著礦物含量的增加，碳酸鈣填充的聚烯烴相對(duì)于各自未填充(即純凈)的聚烯烴，其熱變形溫度逐漸增加。相比之下，隨著礦物填料含量的增加，滑石粉填充的聚烯烴的熱變形溫度增長(zhǎng)幅度更大。出乎意料的是，即使滑石粉的含量低至約10％，滑石粉填充的聚丙烯的熱變形溫度增加更顯著。

由表1和圖1的數(shù)據(jù)所示，根據(jù)所公開(kāi)的主題的聚合物復(fù)合物的熱變形溫度與高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度相當(dāng)、相等或更大。例如，為了達(dá)到與高抗沖聚苯乙烯相等或更大的熱變形溫度，如果礦物填料包括高長(zhǎng)徑比的礦物(例如滑石粉)，所述聚合物復(fù)合物可包括少至約10重量％的礦物填料(參見(jiàn)實(shí)施例12)。實(shí)際上，如圖1所示，當(dāng)使用聚丙烯時(shí)，僅需要甚至少于10重量％的滑石粉就可以達(dá)到與高抗沖聚苯乙烯相同的熱變形溫度。相比之下，如果礦物填料包括低長(zhǎng)徑比的礦物填料(例如碳酸鈣)，聚合物復(fù)合物可包括至少約20重量％的礦物填料(參見(jiàn)實(shí)施例17)以達(dá)到與高抗沖聚苯乙烯相等或更大的熱變形溫度。

如實(shí)施例2所示，當(dāng)聚烯烴包括高密度聚乙烯，礦物填料包括高長(zhǎng)徑比的礦物填料(例如滑石粉)，且聚合物復(fù)合物包括至少約20重量％的礦物填料時(shí)，其熱變形溫度將大于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度。如實(shí)施例10所示，當(dāng)聚烯烴包括高密度聚乙烯，礦物填料包括低長(zhǎng)徑比礦物填料(例如碳酸鈣)，且聚合物復(fù)合物包括至少約50重量％的礦物填料時(shí)，其熱變形溫度將大于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度。如實(shí)施例12所示，當(dāng)聚烯烴包括聚丙烯，礦物填料包括高長(zhǎng)徑比礦物填料(例如滑石粉)，且聚合物復(fù)合物包括至少約10重量％的礦物填料時(shí)，其熱變形溫度將大于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度。如實(shí)施例17所示，當(dāng)聚烯烴包括聚丙烯，礦物填料包括低長(zhǎng)徑比礦物填料(例如碳酸鈣)，且聚合物復(fù)合物包括至少約20重量％的礦物填料時(shí)，其熱變形溫度將大于高抗沖聚苯乙烯的熱變形溫度。

為了闡明的目的而不是限制，表1和圖2顯示了聚丙烯、高密度聚乙烯、高抗沖聚苯乙烯和礦物填充聚丙烯以及礦物填充高密度聚乙烯的收縮特性?？筛鶕?jù)ASTM D955(1996)標(biāo)準(zhǔn)，使用根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)以及本領(lǐng)域公知的尺寸為12.7mm×3.2mm×127mm的注射模塑棒測(cè)量收縮率。與高抗沖聚苯乙烯相比，礦物填充的聚丙烯可以克服聚丙烯(純凈的)收縮失配的缺點(diǎn)，因此允許使用現(xiàn)有的高抗沖聚苯乙烯加工來(lái)制備具有約0.5％到約1.0％的類似收縮率的部件。例如，如圖2所示，從收縮率的角度，滑石粉含量為20-40％的滑石粉填充的聚丙烯適合代替高抗沖聚苯乙烯。類似地，與聚丙烯相比，礦物填充的高密度聚乙烯可以克服高密度聚乙烯收縮失配的缺點(diǎn)，因此允許使用現(xiàn)有的聚丙烯加工來(lái)制備類似于聚丙烯具有約1.25％到約1.75％收縮率的礦物填充的高密度聚乙烯部件。例如，如圖2所示，從收縮率角度，滑石粉含量為30-50％的滑石粉填充的高密度聚乙烯適合代替純凈的聚丙烯。

根據(jù)另一方面，該聚合物復(fù)合物的碳足跡低于高抗沖聚苯乙烯。例如，該聚合物復(fù)合物的溫室氣體排放低于高抗沖聚苯乙烯。為了闡明的目的而不是限制，表2顯示了與高抗沖聚苯乙烯蓋相比，根據(jù)所公開(kāi)的主題的蓋從制造到廢棄整個(gè)使用壽命期間的溫室氣體排放量。作為熱飲杯蓋，兩種蓋具有類似的剛性和發(fā)揮類似的性能。對(duì)比例是由約0.0214英寸厚的高抗沖聚苯乙烯片材制成，重量約為3.83克。根據(jù)所公開(kāi)的主題的實(shí)施例包括40％滑石粉-填充聚丙烯，其由0.0167英寸厚的片材制成，重量為約3.32克。使用由10,000片的基本單元計(jì)算溫室氣體排放。多種因素導(dǎo)致根據(jù)所公開(kāi)的主題的實(shí)施例的溫室氣體排放大幅度降低。這些因素包括聚合物密度、基礎(chǔ)聚合物以及礦物的GHG排放以及復(fù)合物中包括的礦物的含量。從圖2可以看出，與由高抗沖聚苯乙烯制成的具有類似性能的蓋相比，滑石粉填充的聚丙烯蓋的溫室氣體排放降低近50％。

表2.典型熱飲杯蓋的溫室氣體排放

雖然本文從特定優(yōu)選的實(shí)施例的角度描述本申請(qǐng)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，在不脫離本申請(qǐng)范圍下可作出多種變型或改進(jìn)。例如，本申請(qǐng)描述了一種用于熱飲容器例如咖啡杯的一次性蓋子，根據(jù)本申請(qǐng)的聚合物復(fù)合物可用于除了封蓋之外的其它的需要改良礦物填充聚合物的熱變形溫度的應(yīng)用中。因此，本申請(qǐng)旨在包括在附加的權(quán)利要求及其等效范圍內(nèi)的變型和變化。此外，盡管本文描述了或在一個(gè)實(shí)施方式的附圖中顯示了本申請(qǐng)一個(gè)實(shí)施方式的各自特征，且未在其它的實(shí)施方式中顯示，但是應(yīng)當(dāng)明白，一個(gè)實(shí)施方式中的各自特征可與另一個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)特征或來(lái)自多個(gè)實(shí)施方式的特征相結(jié)合。

除了下面請(qǐng)求保護(hù)的特定的實(shí)施例外，本申請(qǐng)也針對(duì)具有下面請(qǐng)求保護(hù)的附屬特征以及上述公開(kāi)的特征的任意可能組合的其它的實(shí)施方式。同樣，附屬權(quán)利要求以及上面公開(kāi)的特定的特征可以以在本申請(qǐng)范圍之內(nèi)的其它方式相互組合，因此應(yīng)該意識(shí)到，本申請(qǐng)也可以特別針對(duì)具有任意其它可能組合的其它的實(shí)施方式。因此，本申請(qǐng)?zhí)囟▽?shí)施方式的上述描述旨在闡明和解釋。其并非旨在將本申請(qǐng)窮舉或限制在那些公開(kāi)的實(shí)施方式中。