CN101861357A - 填充型聚酰胺模塑材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及填充型聚酰胺模塑材料,其除了包含两种不同聚酰胺的所选择的聚合物混合物外,还含有具有非圆形横截面的长玻璃纤维。本发明还涉及这种模塑材料用于制造模塑件的用途以及模塑件本身。
Description
本发明涉及填充型聚酰胺模塑材料,其除了所选择的由两种不同聚酰胺组成的聚合物混合物外,还含有具有非圆形横截面的长玻璃纤维。本发明还涉及这种模塑材料用于制造模塑件的用途以及模塑件本身。
目前,聚酰胺作为结构元件广泛用于室内和室外,这主要归因于其优异的机械性能。
改善机械性能,如强度和刚性,尤其可以通过添加纤维增强材料例如长玻璃纤维来实现。
例如EP 0 246 620B1描述了一种长玻璃纤维增强的热塑性塑料材料,该文中采用的切断形状的长玻璃纤维具有矩形、椭圆形或壳状横截面。
EP 0 376 616B1中公开了一种热塑性聚合物组合物,该组合物中含有纤维类的增强物,所述增强物具有非圆形横截面,并呈现弯曲的或半圆形轮廓。
但是已经发现,现有技术目前已知的长玻璃纤维增强的塑料,即使是含有长玻璃纤维的聚酰胺模塑材料,仍不能在所有情况下带来满意结果。因此希望提供这样的用长玻璃纤维增强的聚酰胺模塑材料和可由此制得的模塑件,其在增强纤维高填充度的同时,达到变形小、横向刚性和强度高以及表面质量优异。尤其是对于由含有长玻璃纤维的聚酰胺模塑材料制成的模塑件有大量需求,该模塑件在缺口冲击强度和热稳定性(HDT)方面具有优于现有技术的性能。
因此,本发明的目的是提供聚酰胺模塑材料,其可以被加工成模塑件,所述模塑件在有关变形、缺口冲击强度、横向刚性和强度以及表面质量和热稳定性方面应尽可能同时具有优异的性能。
该目的在模塑材料方面通过权利要求1的特征实现,在模塑件方面则通过权利要求14的特征实现。从属权利要求记载了有利的改进。
根据独立权利要求1,本发明所提供的填充型聚酰胺模塑材料的特征在于,该模塑材料含有一种形成聚酰胺基体的聚合物混合物,该聚合物混合物由特殊的原料(Edukte)形成。
为此,该聚合物混合物包含55至85重量%的至少一种脂族聚酰胺A1,A1选自PA6、PA46、PA66、PA610、PA612、PA6/12、PA1010、PA11、PA12、PA1012、PA1212和/或其混合物和/或共聚酰胺。
此外,该聚合物混合物含有15至45重量%的至少一种聚酰胺(A2)作为第二组分,A2选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T及其混合物和/或共聚酰胺以及包含以下单元的共聚酰胺:(i)一种或多种选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T、6I/6T的共聚酰胺单元,和(ii)一种或多种选自PA66、PA610、PA6和PA12的共聚酰胺单元。优选的聚酰胺是MACM12、MACMI/12、MACM12/PACM12、MXD6、MXD6/MXDI、6I、6I/6T、6T/66、6T/61/66、6T/610、6T/1010和6T/12。尤其是聚酰胺6I/6T和MXD6/MXDI优选作为组分(A2)使用。
作为一种替代方式(权利要求2),本发明包括这样的变形,就聚酰胺而言,所述聚合物混合物也可以仅包含聚酰胺(A1)。
在所提供的填充型聚酰胺模塑材料中,必要的是,在包含30至80重量%上述聚合物混合物的聚酰胺基体中,含有20至70重量%具有非圆形横截面并且主横截面轴与副横截面轴的尺寸比例为2至8的长玻璃纤维。
本发明使用的长玻璃纤维是指具有扁平(扁平的)形状和非圆形横截面的长玻璃纤维,优选以长纤维束(粗纱)的形式使用这些长玻璃纤维。在此情况下,主横截面轴与副横截面轴的尺寸比例优选介于3.5和6.0之间,特别优选介于3.5和5.0之间。在此情况下,所述横截面优选是长圆形、椭圆形或几乎是矩形。所述长玻璃纤维本身在此可以选自E-长玻璃纤维、A-长玻璃纤维、C-长玻璃纤维、D-长玻璃纤维、M-长玻璃纤维、S-长玻璃纤维和/或R-长玻璃纤维,其中优选E-长玻璃纤维。所述长玻璃纤维本身还可以具有氨基或环氧基硅烷涂层。
所使用的长玻璃纤维另一区别性特征在于,所述主横截面轴的长度优选为6至40μm,尤其优选17至30μm,并且所述副横截面轴的长度为3至20μm,尤其为4至10μm。
根据本发明的聚酰胺模塑材料可以通过用于制造长纤维增强的小棒颗粒的已知方法来制备,尤其是通过拉挤法制备,在此情况下,长纤维束(粗纱)用聚合物熔体完全浸透,接下来冷却并切断。
以此方式和方法获得的长纤维增强的棒状颗粒,其颗粒长度优选为3至25mm,尤其是4至12mm,可以用常用的加工方法(例如注塑,压塑)进一步加工成模塑部件,在此情况下用温和的加工方法获得模塑部件的特别好的性能。在本文中“温和的”是指,尽可能避免过度的纤维断裂以及由此引起的纤维长度的显著降低。在注塑中,这意味着应使用直径较大的螺杆。
从材料的角度来看,就形成聚酰胺基体的聚合物混合物(A)的组成而言,本发明基本上包含特征(A1)提到的脂肪族聚酰胺与聚酰胺(A2)的所有组合。所述脂肪族聚酰胺(A1)优选在间甲基苯酚(0.5重量%,20℃)中测得的溶液粘度ηrel为1.3至2.3,优选1.35至1.9,特别优选1.40至1.85。如现有技术已知的,该脂肪族聚酰胺的制备通过相应的内酰胺和/或氨基羧酸和/或二胺和二元酸进行聚合或缩聚来实现。
至于聚酰胺(A2),优选的是共聚酰胺6I/6T以及MXD6/MXDI。对于共聚酰胺6I/6T,特别优选的是两种不同的组成范围。一种是6T-单元比例小于50摩尔%的无定形共聚酰胺,组成范围6T∶6I优选为20∶80至45∶55,另一种是6T-比例大于50摩尔%的高熔点共聚酰胺,组成范围6T∶6I为55∶45至80∶20,尤其优选的是70∶30。对于共聚酰胺MXD6/MXDI,优选富含MXD6的组合物,尤其优选的是MXD6含量大于80摩尔%。
对于聚合物混合物(A),优选下列组合物:
(A1):PA 66
(A2):PA 6I/6T,摩尔比为65∶35至75∶25,或者尤其是67∶33。
(A1):PA 610和/或PA1010,在混合物情况下,这些组分以1∶1至4∶1的比例使用。
(A2):PA 6I/6T,摩尔比为65∶35至75∶25,或者尤其是67∶33。
(A1):PA6和PA66的混合物,其比例为1∶2至1∶4,尤其是1∶4
(A2):PA 6I/6T,摩尔比为65∶35至75∶25,或者尤其是67∶33。
(A1):PA 66
(A2):PA 6I/6T,摩尔比为40∶60至25∶75,或者尤其是30∶70。
(A1):PA 66
(A2):PA 6T/66,摩尔比为50∶50至70∶30,或者尤其是55∶45。
(A1):PA 66
(A2):PA MXD6/MXDI,摩尔比为70∶30至90∶10,或者尤其是88∶12。
(A1):PA 12
(A2):PA MACM12。
(A1):PA 12
(A2):PA MACMI/12,十二内酰胺的含量为15至45摩尔%,优选小于40摩尔%,尤其优选小于35摩尔%。
其中,组分(A1)优选分别以60至80重量%,特别优选以65至75重量%使用,并且组分(A2)优选以20至40重量%,特别优选以25至35重量%使用。
在一种具体实施方案中,就聚合物混合物(聚酰胺基体)而言,优选下列组合物:
(A1):70-100重量%的PA 1010或PA 1012或PA 11或PA 12
(A2):0-30重量%的PA MACM12或PA MACMI/12或PAPACM12/MACM12
其中,尤其优选聚合物基体只由组分(A1)形成。
在另一优选的实施方案中,组分(A2)具有比组分(A1)更高的熔点,其中,(A2)的熔点大于270℃,尤其是大于290℃。
在另一实施方案中,所述组分是无定形的,并且玻璃转变温度大于90℃,优选大于110℃,特别优选大于140℃。
本文中,聚酰胺(A2)的溶液粘度ηrel,在m-甲苯酚(0.5重量%,20℃)中测得,优选为1.3至2.0,优选为1.35至1.9,尤其是1.40至1.8。
聚酰胺(A2)的制备,同样如现有技术已知的那样,通过必需摩尔量的相应二胺和二元羧酸以及可能的内酰胺和/或氨基羧酸进行反应来实现。
如现有技术熟知的那样,形成聚酰胺基体的聚合物混合物还可以含有颗粒状和/或层状的填料。这些颗粒状和/或层状的填料(C)可以最多以30重量%的比例存在于聚合物混合物中。该填料的量优选为0.1至20重量%。
作为这种可以以颗粒状和/或层状存在的填料的实例,可列举晶须、滑石、云母、硅酸盐、石英、二氧化钛、硅灰石、高岭石、硅酸、碳酸镁、氢氧化镁、白垩、研磨型或沉淀型碳酸钙、石灰、长石、硫酸钡、永磁性或可磁化的金属或合金、玻璃球、空心玻璃球、空心球状硅酸盐填料、天然层状硅酸盐、合成的层状硅酸盐及其混合物。
作为优选的其他增强材料,可列举例如碳纤维(碳纤维,石墨纤维)、硼纤维、芳族聚酰胺纤维(p-或m-芳族聚酰胺纤维(例如Kevlar或Nomex,杜邦)或其混合物)和玄武岩纤维,其中,所述增强纤维以长纤维形式使用,也可以以不同纤维的混合物形式使用。在另一可选的本发明实施方案中,本发明使用的长玻璃纤维可以以与碳纤维(碳纤维,石墨纤维)形成混合物的形式存在。通过将一部分长玻璃纤维替换为碳纤维,从而制备混合纤维增强的复合材料,其刚性比纯的长玻璃纤维有所提高。玻璃纤维和碳纤维的混合物的长玻璃纤维/碳纤维的重量比可以为70/30至97/3,尤其是80/20至95/5。
优选本发明的模塑材料基本上只含有组分(B)作为增强纤维,尤其是唯一含有组分(B)作为增强纤维。根据另一优选的实施方案,组分(B)占聚酰胺模塑材料的30-60重量%,尤其是35-55重量%,优选至少40重量%,该比例的大部分或甚至是全部优选由具有非圆形横截面的长玻璃纤维形成。
在形成聚酰胺基体的聚合物混合物中,可以进一步含有的添加剂的量最多为5重量%,优选为0.1至5重量%。常用的添加剂为例如热防护剂、抗氧化剂、光防护剂、润滑剂、脱模剂、成核剂、颜料、着色剂和防滴剂及其混合物。
实验表明,尤其是含有下列组分的聚酰胺模塑材料具有优异的性能:
A:30-80重量%的聚酰胺基体,
B:20-70重量%的长玻璃纤维,
C:0.1-20重量%的填料,和
D:0.1-5重量%的添加剂,
这些组分之和为100重量%。
出乎意料地发现,当根据本发明将填充型聚酰胺模塑材料加工形成模塑件时,则获得具有平均水准以上的性能的模塑件,尤其在缺口冲击强度、强度和刚性以及耐热性方面。显然,本发明使用的长玻璃纤维,通过将制备模塑材料和模塑件时形成的纤维碎片进行缠结(Verwollung),从而形成模塑件中的纱线(纤维团聚物),这有效阻止了裂纹扩展,并对较高温度下的尺寸稳定性作出贡献,因此使优异的性能成为可能。模塑件中扁平的长玻璃纤维这种明显的缠结(Verwollung)由于以下原因得到进一步增强,该扁平的长玻璃纤维在复合和注塑时比具有圆形横截面的常见长玻璃纤维受损更少。更重要的是,低粘度的聚酰胺基体也有助于此,并确保即使在不利的环境下,例如在注塑模塑产品时的高剪切情况下,模塑件中的纤维碎片也具有足够的平均长度和长度分布,从而产生明显的三维纤维团聚,因而带来优异的性能。
对于本发明的模塑材料和由此制得的模塑件,应特别强调,在23℃时的缺口冲击强度,与含有具有圆形横截面的长玻璃纤维作为增强物质的对比聚酰胺模塑材料相比,高出至少15%。甚至还表明,缺口冲击强度高出对比聚酰胺模塑材料20-50%。
此外,应当强调的是,本发明的模塑材料和由此制得的模塑件按ASTM D648(HDT-C)在载荷下的耐热性,与含有具有圆横截面的长玻璃纤维作为增强物质的对比聚酰胺模塑材料相比,高至少5°。甚至还表明,HDT C比对比聚酰胺模塑材料最多高10℃。
出乎意料地,对于本发明的模塑材料和由此制得的模塑件,可以发现,与含有具有圆形横截面的长玻璃纤维的对比聚酰胺模塑材料相比,横向刚性和横向强度可得到明显提高。对于本发明的模塑材料和由此制得的模塑件而言,横向刚性(垂直于喷注方向测量)为所测得的纵向刚性的至少55%,优选至少58%。对于含有具有圆形横截面的长玻璃纤维的对比聚酰胺模塑材料而言,横向刚性最多是纵向刚性的50%。
此外,本发明的模塑材料还表现出非常好的加工性和流动性。适当选择的基体组分(A1)和(A2),以及另一方面长的扁平长玻璃纤维的特殊形状,都对此作出贡献。
以下参照下列实施例来更详细地解释本发明。
在实施例和对比实施例中使用以下所述的材料:
PA A型:聚酰胺66,ηrel=1.82,RADICI,意大利
PA B型:聚酰胺6I/6T(67∶33),ηrel=1.57,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA C型:聚酰胺6I/6T(30∶70),ηrel=1.52,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA D型:聚酰胺MXD6/MXDI(88∶12),ηrel=1.62,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA E型:聚酰胺12,ηrel=1.65,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA F型:聚酰胺12,ηrel=1.86,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA G型:聚酰胺MACM12,ηrel=1.74,EMS-CHEMIE AG,瑞士
PA H型:聚酰胺MACMI/12,ηrel=1.70,EMS-CHEMIE AG,瑞士
长玻璃纤维A型:扁平的长玻璃纤维粗纱,27μm宽,7μm厚,横截面轴的纵横比=3.8,氨基硅烷浸润剂(长的扁平长玻璃纤维,本发明)
长玻璃纤维B型:NITTOBO CSG3PA-820,3mm长,28μm宽,7μm厚,横截面轴的纵横比=4,氨基硅烷浸润剂,NITTOBOSEKI,日本(扁平的短切长玻璃纤维,现有技术)
长玻璃纤维C型:横截面为圆形的长玻璃纤维粗纱,OC4531,直径17μm,Owens Corning(具有圆形横截面的长玻璃纤维,现有技术)
用Werner和Pfleiderer公司的ZSK 30型双螺杆挤出机上制备表1和2中组合物的模塑材料。将组分(A1)和(A2)的颗粒以及添加物计量加入喂料区中。通过在喷嘴前机筒单元上的侧喂料机3将长玻璃纤维计量加入到聚合物熔体中。
以升高的曲线调节机筒温度至290℃。在150至200rpm时达到10kg的挤出量。通过水下造粒或水下热切的方式进行造粒,此时,聚合物熔体通过喷嘴压挤出,并在从喷嘴出来后立即用转动的刀具在水流中进行造粒。在造粒和110℃下干燥24h之后,评估颗粒性能并制备测试样品。
在Arburg注塑设备上制造测试样品,在此情况下,将机筒温度调节为260℃至300℃,螺杆圆周速度调节为15m/min。模塑温度选为100-140℃。
按照以下标准对以下测试样品进行测量。
拉伸弹性模量:
ISO 527,拉伸速度为1mm/min
ISO-拉伸样条,标准:ISO/CD 3167,A1型,170×20/10×4mm,温度23℃
对可按不同方向测量刚性和强度的BIAX测试样品(B1AX,发表于Noss′Ovra Personalzeitschrift,2006年12月,Nr.12,29。Jahrgang,EMS-CHEMIE AG)进行横向刚性的测定。
抗拉强度和断裂伸长:
ISO 527,拉伸速度为5mm/min
ISO-拉伸样条,标准:ISO/CD 3167,A1型,170×20/10×4mm,温度23℃
对可按不同方向测量刚性和强度的BIAX测试样品(BIAX,发表于Noss′Ovra Personalzeitschrift,2006年12月,Nr.12,29。Jahrgang,EMS-CHEMIE AG)进行横向强度的测定。
夏比冲击强度:
ISO 179/*eU
ISO测试样条,标准:ISO/CD 3167,B1型,80×10×4mm,温度23℃
*1=未仪器测量,2=仪器测量
夏比缺口冲击强度:
ISO 179/*eA
ISO-测试样条,标准:ISO/CD 3167,B1型,80×10×4mm,温度23℃
*1=未仪器测量,2=仪器测量
玻璃转化温度(Tg),熔融焓(ΔH)
ISO-标准11357-1/-2
颗粒
以加热速率为20℃/min进行差示扫描量热(DSC)。
相对粘度:
DIN EN ISO 307,在0.5重量%的间甲苯酚溶液中,温度20℃
MVR:(熔体体积速率)
根据ISO 1133,在330或340℃和21.6kg载荷下
流动长度:
流动长度是利用Arburg注塑模塑机(型号:ARBURG-ALLROUNDER320-210-750)来测定。在物料温度为290℃和模具温度为100℃情况下制作尺寸为1.5mm×10mm的流动螺旋(Fliessspirale)。
除非表中另有说明,使用干燥状态的测试样品。为此,在注塑后在室温下将测试样品在干燥环境中存放至少48h。
表1:实施例1-3和对比实施例VB1和VB2的组合物和性能
根据实施例1-3的模塑材料在耐热变形性HDT-C、缺口冲击强度、刚性和强度方面,尤其是垂直于喷注方向上,比对比实施例VB1和VB2表现出优势。同时,本发明的模塑材料具有良好的流动性能,因此即使对于薄壁的模塑件,也可以轻易地制造。现有技术模塑材料的加工常常被视为是关键的,因此与本发明的聚酰胺模塑材料相比,即使是温和的加工或特殊的工具形状也必然会对纤维造成更大的损伤。
表2:实施例4-7和比较实施例VB3的组合物和性能
实施例4-7和对比实施例VB3的比较表明,本发明的模塑材料在HDT-C、刚性和强度方面,尤其是垂直于喷注方向上,以及缺口冲击强度方面都优于现有技术的材料。此外,本发明的模塑材料可以明显更好地加工并具有更好的流动性。
Claims (18)
1.由以下A)和B)制成的填充型聚酰胺(PA)模塑材料,
A)30-80重量%的形成聚酰胺基体的聚合物混合物,其含有
A1)55至85重量%的脂肪族聚酰胺,其选自PA6、PA46、PA66、PA610、PA612、PA6/12、PA1010、PA11、PA12、PA1012、PA1212和/或其混合物和/或共聚酰胺,
和
A2)15至45重量%的聚酰胺,其选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T、6I/6T和/或其混合物和/或共聚酰胺,
或者
15至45重量%的至少一种共聚酰胺,其包含
(i)一种或多种聚酰胺单元,其选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T、6I/6T和
(ii)一种或多种聚酰胺单元,其选自66、610、6和12,以及
B)20至70重量%具有非圆形横截面并且主横截面轴与副横截面轴的尺寸比为2至8的长玻璃纤维。
2.由以下A)和B)制成的填充型聚酰胺(PA)模塑材料,
A)30-80重量%的形成聚酰胺基体的聚合物混合物,其含有
A1)55至100重量%的脂肪族聚酰胺,其选自PA1010、PA1012、PA11、PA12、PA1212和/或其混合物和/或共聚酰胺,
和
A2)0至45重量%的聚酰胺,其选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T和/或其混合物和/或共聚酰胺,
或者
0至45重量%的至少一种共聚酰胺,其包含
(i)一种或多种聚酰胺单元,其选自MACM10-18、PACM10-18、MACMI、MACMT、MXDI、MXD6、6I、6T、6I/6T和
(ii)一种或多种聚酰胺单元,其选自66、610、6和12,以及
B)20至70重量%具有非圆形横截面并且主横截面轴与副横截面轴的尺寸比为2至8的长玻璃纤维。
3.根据权利要求1或2所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,主横截面轴与副横截面轴的尺寸比介于3.5和6.0之间。
4.根据权利要求1至3至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,所述长玻璃纤维选自E-长玻璃纤维、A-长玻璃纤维、C-长玻璃纤维、D-长玻璃纤维、M-长玻璃纤维、S-长玻璃纤维和/或R-长玻璃纤维。
5.根据权利要求1至4至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,对于所述长玻璃纤维而言,主横截面轴的长度为6至40μm,并且副横截面轴的长度为3至20μm。
6.根据权利要求1至5之一所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,按ASTM D 648(HDT-C)在载荷下的热变形温度,与填充型聚酰胺基体用类似用量比例的具有圆截面的长玻璃纤维填充的对比填充型模塑材料的HDT-C相比,高至少5℃。
7.根据权利要求6所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,HDT-C高10℃。
8.根据权利要求1至7至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,垂直于喷注方向测量的横向刚性比纵向刚性大至少55%,优选大至少58%。
9.根据权利要求1至8至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,聚酰胺(A2)选自6T/6I、MXD6/MXDI、MACM12、PACM12/MACM12、6I、6T/66、6I/6T。
10.根据权利要求1至9至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,形成聚酰胺基体的聚合物混合物含有最多30重量%的颗粒和/或层状填料C。
11.根据权利要求10所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,含有0.1至30重量%的颗粒和/或层状填料C。
12.根据权利要求1至11至少一项所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,形成聚酰胺基体的聚合物混合物含有最多5重量%的添加剂D。
13.根据权利要求12所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,含有0.1至5重量%的添加剂D。
14.根据权利要求1至12之一所述的填充型聚酰胺模塑材料,其特征在于,形成聚酰胺基体的聚合物混合物含有以下组分:
A:30-80重量%的聚酰胺基体,
B:20-70重量%的长玻璃纤维,
C:0.1-20重量%的填料,和
D:0.1-5重量%的添加剂,
前提是,A+B+C+D为100重量%。
15.通过根据权利要求1至14之一所述的通过拉挤法获得的长纤维增强的棒状颗粒,其颗粒长度优选为3至25mm,特别优选为4至12mm。
16.根据权利要求1至14至少一项所述的模塑材料用于制造模塑件的用途。
17.由根据权利要求1至14之一所述的聚酰胺模塑材料制成的模塑件。
18.根据权利要求17所述的模塑件,其特征在于,其通过注塑、挤出、拉挤、吹塑或其他模塑技术制得。
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