CN104017347B - 选择性透过近红外线的聚碳酸酯‑有机硅氧烷共聚物材料 - Google Patents
选择性透过近红外线的聚碳酸酯‑有机硅氧烷共聚物材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于近红外线透过材料技术领域，公开了一种选择性透过近红外线的聚碳酸酯‑有机硅氧烷共聚物材料，该材料所制得制品具有高的抗低温冲击性能和近红外线选择性透过性能。该材料包含以下组分：聚碳酸酯‑甲基硅氧烷共聚物94.1～98.7wt％；阻燃剂0.1～0.3wt％；红外线穿透剂1～4wt％；紫外线阻隔剂0.1～1wt％；抗氧剂0.1～0.5wt％；润滑剂0～0.1wt％。本发明选择聚碳酸酯‑有机硅氧烷共聚物作为基材相对于现有材料力学性能更好，具有更高的抗低温冲击性能，且对近红外线透过率高。选择苝系有机颜料作为近红外线穿透试剂可实现极高的可见光遮盖性、近红外区的穿透性以及多种颜色选择。
Description
技术领域
本发明属于近红外线透过材料技术领域，特别涉及一种选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，该材料所制得制品具有高的抗低温冲击性能和近红外线选择性透过性能。
背景技术
可见光的波长范围在350-770nm之间，不同波长的电磁辐射给人以不同的颜色感觉：350-455nm为紫色；455-492nm为蓝靛色；492-577nm为绿色；577-597nm为黄色；597-622nm为橙色；600-770nm为红色。红外线的波长范围自770nm-400μm之间。红外线可以分为三个波段：780-1500nm为近红外区，1500-6000nm为中红外区，6000nm-1000μm为远红外区。太阳光中的热量主要是通过近红外区的电磁波进行传播。
选择性红外线透过材料能够允许某一特定波长范围内的红外线穿过，而且能够对其他波段的光线辐射产生选择性的吸收和反射。作为红外技术中的关键材料，透红外材料主要用于红外探测器和飞行器的窗口、整流罩等领域。目前，应用于红外线穿透材料主要包括透红外晶体材料和透红外玻璃材料。由于以上应用领域的应用环境要求日益苛刻，比如材料经常受到风沙、雨水以及热冲击的影响，特别是近年来隐身技术和反导技术的不断发展，人们对透红外材料耐低温冲击性能方面都提出了更高的要求。而且，虽然透红外玻璃材料和晶体材料具有优异的光学性能，但是这类材料的力学性能和加工性能差等缺点，限制了其更广泛的应用。因此，开发以热塑性的聚合物作为基材的红外线透过材料具有非常广泛的应用前景。
CN102690508A公开了一种不透光透红外线的聚碳酸酯材料：树脂基材为聚碳酸酯，红外线穿透材料为单晶系的金属卤化物，可见光吸收剂为炭黑与多种色粉的复配配方。
CN101939381A公开了一种阻燃性的红外线穿透聚碳酸酯材料，其配方包括：树脂基材为聚碳酸酯，阻燃剂为一种具有特殊结构的芳香族亚磷酸酯和氟代聚烯烃作为阻燃抗滴落剂。
上述文献中都特别提以聚碳酸酯材料作为红外线穿透的树脂基材。聚碳酸酯作为一种非晶型的聚合物材料，其在可见光区和近红外区基本上不会吸收，添加某种红外线穿透试剂之后能够有效的吸收或者反射可见光部分的电磁辐射，从而实现近红外线的选择性透过。然而，聚碳酸酯材料的抗低温冲击性能较差，且上述专利中所提到的无机红外穿透试剂或者其他小分子助剂的大量添加会严重影响材料的力学性能。因此，制备一种具有良好力学性能的近红外线可选择性透过的聚合物复合材料是一个非常重要的研究课题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，该选择性透过近红外线材料配方更简单、颜色更多样化、抗低温冲击性能更好。
本发明另一目的在于提供一种上述选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料在电子电器、航空航天、交通运输、工业控制等领域中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，包含以下组分：
本发明所选用的红外线穿透树脂基材为具有高强度抗低温冲击性能的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物，其中有机硅的共聚率为1～12％(摩尔百分数)，其中最优为3～9％(摩尔百分数)。
本发明所选用的红外线穿透剂是具有高耐温加工性的二萘嵌苯内酰亚胺母体结构的苝系有机颜料，其化学结构如下所示：
本发明所选用的苝系有机颜料具有红色、紫色、蓝色和黑色四个类别，当R为时，对应为苝红；当R为-CH3为时，对应为苝紫；当R为时，对应为苝蓝；当R为时，对应为苝黑。
本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料中红外线穿透剂的含量为1～4wt％，其中最优选为2～3wt％。
本发明所选用的红外线穿透剂粒径分布范围在800～1200nm之间，优选为900～1100nm之间。为了使红外线穿透剂粒径达到上述粒径范围，可将试剂经过研磨机研磨过筛后再使用。
本发明所选用的阻燃剂为透明磺酸盐系的阻燃剂，优选为：全氟烷基磺酸钾盐(Dyneon-FR2025)。
本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料中阻燃剂的含量为0.1～0.3wt％，其中优选为0.1wt％。
本发明所用的紫外线阻隔剂优选为2-(4,6-双(2,4-二甲基苯基)-1,3,5-三嗪-2-基)-5-辛氧基酚(UV1164)、2-(2H-苯并三唑-2-基)-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚(UV5411)、2,2’-(1,4-亚苯基)双(4H-3,1-苯并噁嗪-4-酮)(UV3638)和1,3-双[(2-氰基-3,3-二苯基丙烯酰基)氧基]-2,2-双[[(2-氰基-3,3-二苯基丙烯酰基)氧基]甲基]丙烷(UV3030)等中的一种。
本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料中紫外线阻隔剂的含量为0.1～1wt％，优选为0.5wt％。
本发明所选用的抗氧剂优选为亚膦酸酯类抗氧剂，如：3,9-二(2,4-二枯基苯氧基)-2,4,8,10-四氧杂-3,9-二磷杂螺[5.5]十一烷(S9228)，三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(168)等，其中优选为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(168)。
本发明所选用的润滑剂为季戊四醇酯类化合物，其中优选为：季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯等，更优选为季戊四醇硬脂酸酯。
本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料近红外线穿透率高，抗低温冲击性能优良。
本发明提供了上述选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料的制备方法，具体步骤为：把94.1～98.7wt％聚碳酸酯-甲基硅氧烷共聚物、0.1～0.3wt％阻燃剂、1～4wt％红外线穿透剂、0.1～1wt％紫外线阻隔剂、0.1～0.5wt％抗氧剂和0～0.1wt％润滑剂混合后投入挤出机中挤出造粒，得到选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料。
优选地，控制挤出机各加热段的温度在230～260℃之间，主机的螺杆转速为250～330r/min，料斗进料螺杆的转速为24～35r/min。
本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料加工性能良好，且耐热氧老化性能优良，相对普通聚碳酸酯材料具有更高的抗低温冲击性能，可应用于电子电器、航空航天、交通运输、工业控制等领域中。特别可以应用于一些对力学性能要求较高的信号传导窗口，主要应用在红外线发射器和红外线感应器等领域。
本发明的机理为：
本发明选择聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物作为红外线穿透材料的基材具有相对于聚碳酸酯更高的抗低温冲击性能，其原因在于共聚型的有机硅微球与聚碳酸酯基质之间的界面粘接强度更高，从而能够最大限度的提高聚碳酸酯的低温冲击性能。本发明的红外穿透聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料与现有的红外线穿透PC材料相比具有更高的力学性能的原因在于其他添加剂的添加量比现有材料更低，对材料力学性能影响更小。
本发明中作为基材的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(PC-PDMS)是一种无定形的聚合物，对红外线透过率高。选择粒径分布为900～1100nm的苝系有机颜料作为红外线穿透试剂，该试剂对可见光部分的电磁辐射可以进行有效的吸收和反射，近红外区的电磁辐射波长大于吸收试剂的粒径可以顺利的通过树脂基材而不产生吸收。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料选择聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(PC-PDMS)作为树脂基材，进一步提高了材料对近红外线的穿透效率和材料本身的力学性能。
(2)本发明的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(PC-PDMS)材料中红外线穿透剂具有极高的可见光遮盖性、近红外区的穿透性以及多种颜色选择。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中聚合物的制备方法为：将按下述配方称量好的物料加入到高速搅拌机中搅拌10min，然后将搅拌均匀的物料加入到长径比L/D为38:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共六区)：230℃，240℃，245℃，255℃，260℃，260℃，主机的螺杆转速为300r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min，进而将物料共混熔融挤出；上述样条经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，注塑，得到选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料的制品。
材料的简支梁冲击强度按ISO179进行，试样尺寸80×6×4mm，缺口深度为试样厚度的三分之一；材料的低温冲击性能采用三箱式低温冲击箱测试；材料的阻燃性能测试标准为GB2409-84采用垂直燃烧法；可见光和红外线的穿透率的测定采用制备3cm×3cm的正方形注塑样板，通过PE-lambda950型紫外-可见-红外分光光度计测试(UV-Vis-IR)。
实施例1
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo Rc1700，有机硅共聚率3％)97wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝红(百灵威试剂，粒径为1100nm)2wt％；紫外线阻隔剂0.6wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果：制品颜色：红色；常温和低温缺口冲击强度测试：64KJ/m2，52KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：≤3％；起始穿透波长：723nm；红外线透过率(800-1500nm)：89％。
实施例2
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo AG2530，有机硅共聚率9％)97wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝红(百灵威试剂，粒径为1100nm)2wt％；紫外线阻隔剂0.6wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇油酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：红色；常温和低温缺口冲击强度测试：65KJ/m2，57KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：≤3％；起始穿透波长：723nm；红外线透过率(800-1500nm)：75％。
实施例3
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo Rc1700，有机硅共聚率3％)98wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝红(百灵威试剂，粒径为1100nm)1wt％；紫外线阻隔剂0.6wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：红色；常温和低温缺口冲击强度测试：68KJ/m2，59KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；起始穿透波长：723nm；可见光透过率(350-760nm)：≤10％，红外线透过率(800-1500nm)：90％。
实施例4
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo Rc1700，有机硅共聚率3％)95wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝红(百灵威试剂，粒径1100nm)4wt％；紫外线阻隔剂0.6wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂S9228)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：红色；常温和低温缺口冲击强度测试：68KJ/m2，59KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；起始穿透波长：723nm；可见光透过率(350-760nm)：＜3％，红外线透过率(800-1500nm)：70％。
实施例5
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo Rc1700，有机硅共聚率3％)96wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝紫(百灵威试剂，粒径1050nm)3wt％，紫外线阻隔剂0.6wt％(UV3030)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：紫色；常温和低温缺口冲击强度测试：63KJ/m2，50KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：≤3％；起始穿透波长：739nm；红外线透过率(800-1500nm)：88％。
实施例6
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon Neo Rc1700，有机硅共聚率3％)96wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝蓝(百灵威试剂，粒径1050nm)3wt％，紫外线阻隔剂0.5wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：蓝色；常温和低温缺口冲击强度测试：62KJ/m2，51KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：≤3％；起始穿透波长：650nm；红外线透过率：88％。
实施例7
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon NeoRc1700，有机硅共聚率3％)96wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂苝黑(百灵威试剂，粒径1100nm)3wt％，紫外线阻隔剂0.5wt％(UV5411)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：制品颜色：黑色；常温和低温缺口冲击强度测试：65KJ/m2，54KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：≤3％；起始穿透波长：750nm；红外线透过率：87％。
对比例1
聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物(Tarflon NeoRc1700，有机硅共聚率3％)99wt％，阻燃剂0.1wt％(Dyneon-FR2025)，红外线穿透剂0wt％；紫外线阻隔剂0.6wt％(UV1164)，抗氧剂0.2wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)，润滑剂0.1wt％(季戊四醇硬脂酸酯)。
测试结果表明：常温和低温缺口冲击强度测试：67KJ/m2，58KJ/m2(-30℃)；阻燃测试：在1.6mm厚度满足阻燃UL94V-1等级；可见光透过率(350-760nm)：88％；红外线透过率：92％。
由上述实施例可见，本发明采用聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物作为基材获得的红外穿透聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料具有优异的抗低温冲击性能，且其他组分添加量低，对基材影响减少；通过添加目标粒径的苝系有机染料作为红外线穿透剂，有效实现选择性透过近红外线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，其特征在于包含以下组分：
所述聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物中有机硅的共聚率为1～12％摩尔百分数；
所述的红外线穿透剂是具有二萘嵌苯内酰亚胺母体结构的苝系有机颜料，其化学结构如下所示：
-CH3、
所述的阻燃剂为透明磺酸盐系的阻燃剂；
所述的红外线穿透剂粒径分布范围为900～1100nm。
2.根据权利要求1所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，其特征在于：所述的阻燃剂为透明磺酸盐系的阻燃剂；所述的抗氧剂为亚膦酸酯类抗氧剂；所述的润滑剂为季戊四醇酯类化合物。
3.根据权利要求1所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，其特征在于：所述红外线穿透试剂的含量为1～4wt％；所述阻燃剂的含量为0.1wt％；所述紫外线阻隔剂的含量为0.6wt％。
4.根据权利要求1所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料，其特征在于：所述的阻燃剂为全氟烷基磺酸钾盐；所述的抗氧剂为3,9-二(2,4-二枯基苯氧基)-2,4,8,10-四氧杂-3,9-二磷杂螺[5.5]十一烷或三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；所述的润滑剂为季戊四醇油酸酯或季戊四醇硬脂酸酯；所述的紫外线阻隔剂为2-(4,6-双(2,4-二甲基苯基)-1,3,5-三嗪-2-基)-5-辛氧基酚、2-(2H-苯并三唑-2-基)-4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯酚、2,2’-(1,4-亚苯基)双(4H-3,1-苯并噁嗪-4-酮)和1,3-双[(2-氰基-3,3-二苯基丙烯酰基)氧基]-2,2-双[[(2-氰基-3,3-二苯基丙烯酰基)氧基]甲基]丙烷中的一种。
5.一种根据权利要求1～2任一项所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：把94.1～98.7wt％的聚碳酸酯-甲基硅氧烷共聚物、0.1～0.3wt％阻燃剂、1～4wt％红外线穿透剂、0.1～1wt％紫外线阻隔剂、0.1～0.5wt％抗氧剂和0～0.1wt％润滑剂混合后投入挤出机中挤出造粒，得到选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料。
6.根据权利要求5所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料的制备方法，其特征在于：所述挤出机各加热段的温度为230～260℃，主机的螺杆转速为250～330r/min，料斗进料螺杆的转速为24～35r/min。
7.根据权利要求1～4任一项所述的选择性透过近红外线的聚碳酸酯-有机硅氧烷共聚物材料在电子电器、航空航天、交通运输、工业控制领域中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Conghua Ao town Guangzhou city Guangdong province 510940 Longtan Jubao industrial district (Village) Applicant after: GUANGZHOU SUPER-DRAGON ENGINEERING PLASTICS CO., LTD. Address before: Conghua City Ao town Guangzhou city Guangdong province 510945 Longtan Jubao Industrial Zone Applicant before: Guangzhou Super-Dragon Engineering plastic Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |