CN105038178A

CN105038178A - 玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN105038178A
Application number: CN201510443273.8A
Authority: CN
Inventors: 王浩; 方万漂; 黄瑞杰; 周国剑; 肖红伟; 姜小龙; 黄志杰
Original assignee: Shanghai Jun'er New Material Co Ltd; Cgn Juner New Materials Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jun'er New Material Co Ltd; Cgn Juner New Materials Co Ltd
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: CN105038178B

Abstract

本发明公开了一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法和在制备笔记本外壳中的应用，该复合材料，以重量份100份计，由以下重量份的原料制成：聚碳酸酯40-65份；异型玻璃纤维30-50份；阻燃剂2-8份；抗滴落剂0.1～1份；相容剂2-8份；抗氧剂0.2-3份；润滑剂0.2-3份；所述的异型玻璃纤维为无碱扁平短切玻璃纤维，该异型玻璃纤维的宽度为30～40μm，厚度为2～5μm，长度为350～450μm。本发明材料同时具有超高的模量、低翘曲、高阻燃、高冲击性能，以及良好的涂覆性能等特性，同时注塑加工简单，成本低廉，非常适合用于制备笔记本外壳。

Description

玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及聚碳酸酯复合材料技术领域，具体涉及一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法和在制备笔记本外壳中的应用。

背景技术

随着中国经济的飞速发展，以及互联网的普及，人们对于电子设备的这种轻薄化、美观化、携带的便捷性等使用体验的要求越来越高。笔记本电脑自其问世就以体积小、便以携带等优点得到了快速地发展。目前，随着手机、平板电脑等的快速发展，笔记本电脑的这种便捷化体验遭到了巨大的挑战。因此，如何使得笔记本电脑具有更加的轻薄化、外观三维结构的多元化、丰富的颜色可选择性以及优良的表面质感体验等特性，是保持其市场地位的必在要求，这样对于笔记本外壳用材料就提出了巨大的挑战。

目前，常用的笔记本外壳材料主要有三类：以铝镁合金为代表的金属外壳材料，以聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物为代表的工程塑料材料，以及以碳纤维复合材料为代表的特种材料。铝镁合金硬度高，是超薄笔记本外壳的首选材料，但其成型加工比较繁琐，成本较高，同时其具有不耐磨性，长久使用易刮伤掉色；而以聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)为代表的工程塑料材料力学强度不够，无法达到轻薄化的强度要求；碳纤维复合材料虽有很高的强韧性，但其成本较高，加工成型较普通工程塑料要更加困难，同时其着色困难，无法满足外观三维结构的多元化以及丰富的颜色可选择性要求。

申请公布号为CN104072969A(申请号为201410331894.2)的中国专利文献中公开了一种高模量、低翘曲、高光泽平板电脑后盖材料及其制备方法，该材料采用如下重量百分比的组分组成：聚碳酸酯45％～75％、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物5％～20％、高模量玻璃纤维10％～20％、阻燃剂BDP8％～12％、辅料2％～5％，其中PC树脂采用熔体流动速率(300℃/1.2KG)为18～25g/10min的树脂，高模量玻璃纤维的截面为扁平形状，厚度比为1:2～3.5、宽度为17～25微米。该技术方案采用扁平形状的玻纤增强聚碳酸酯与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物合金，相对于普通玻璃纤维增强的材料具有更高的模量和低翘曲度。但该专利文献中所选用的扁平玻纤的厚、宽尺寸，也没有对玻纤的保留长度，并没有最大限度地实现复合材料的强度与翘曲性能之间的综合平衡，其力学性能有待进一步提高，同时该复合材料的耐热和涂覆性能也均欠佳。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法和在制备笔记本外壳中的应用，该复合材料同时具有超高的模量、低翘曲、高阻燃、高冲击性能，以及良好的涂覆性能等特性，同时注塑加工简单，成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料，以重量份100份计，由以下重量份的原料制成：

所述的异型玻璃纤维为无碱扁平短切玻璃纤维，该异型玻璃纤维的宽度为30～40μm，厚度为2～5μm，长度为350～450μm；

所述的相容剂为乙烯-辛烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯接枝马来酸酐共聚物中的一种或两种。

作为优选，所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，以重量份100份计，由以下重量份的原料制成：

本发明中，以聚碳酸酯为基料，通过采用特定尺寸的无碱扁平短切玻璃纤维，配合特定的相容剂，促进各组分更好的融合在一起，体现出优异的性能，不但能够很好地增强复合材料的力学性能，而且还能够保证材料的低翘曲特性，同时，还能增强材料的涂覆粘结性强度。本发明在上述特定含量的组分组合下，各组分能够非常好的融合在一起，在获得良好的阻燃性和良好的耐老化性能的同时，其力学性能得到最大的保留，几乎没有影响。润滑剂的加入方便材料的加工，并且注塑加工后，笔记本外壳会比较光滑，当然，这其中也有特定尺寸的无碱扁平短切玻璃纤维等其他成分的作用。本发明上述各特定含量的组分缺一不可，各组分相互作用，相互协同，特定含量的组分组合在一起，才能体现出优异的性能。

所述的异型玻璃纤维为无碱扁平短切玻璃纤维，该异型玻璃纤维的宽度为30～40μm，厚度为2～5μm，长度为350～450μm；较大的宽度能够很好地降低制品的翘曲，同时制备的复合材料具有更高的弯曲强度与模量；厚度选择2～5μm，较薄的厚度能够使得玻纤在树脂基体中分散的更加规整，同时与树脂基体的界面相容性也更好。所述的异型玻璃纤维与聚碳酸酯复合后，玻纤的最终保留长度在350～450μm之间，玻纤过短会导致材料的力学强度较差，玻纤过长会导致注塑困难、浮纤严重以及导致材料表面的涂覆粘结强度大大降低。

作为优选，所述的聚碳酸酯在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为8～15g/10min，重均分子量为2.5～4.0万的树脂，如LG-DOWPC201-10。

作为优选，所述的阻燃剂为磺酸盐阻燃剂与磷系阻燃剂的复配物。其中磺酸盐阻燃剂为市售的KSS、HES、2025(Arichem)以及RM-65(MITENI)中的其中一种；磷系阻燃剂为日本大塚化学的SPB-100。该复配阻燃剂，较小的添加量就能获得极好的阻燃效果，由于添加量较小，对于材料的物理力学性能影响较小。

相比于RDP、BDP等磷系阻燃剂，该复配阻燃剂，能够较大程度的保留材料的热变形温度，增强材料的耐热性能。

作为优选，所述的抗滴落剂为市售的SN3300(广州熵能创新材料股份有限公司ShinePolymer)。

作为优选，所述的抗氧剂为市售抗氧剂1076与抗氧剂168的复配物，其重量比例为1:1。

作为优选，所述润滑剂为硬脂酸钙、乙撑双硬脂酸酰胺、硅酮粉中的一种或两种以上(包括两种)。

一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚碳酸酯、阻燃剂、抗滴落剂、相容剂、抗氧剂和润滑剂混合均匀，得到混合物料；

2)将步骤1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，异型玻璃纤维从侧喂料口加入，经挤出、造粒、干燥后即得玻纤增强聚碳酸酯复合材料。

作为优选，步骤1)中，将聚碳酸酯、阻燃剂、抗滴落剂、相容剂、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合搅拌机中，先500～1500rpm搅拌1～5min，后1000～200rpm搅拌2～8min，得到混合物料。

作为优选，步骤2)中，所述的双螺杆挤出机从进料到挤出出料各温区的温度设置为：一区：250℃、二区：265℃、三区：275℃、四区：275℃、五区：290℃(侧喂料)、六区：260℃、七区：250℃、八区：240℃、九区：240℃、模头：260℃，所述的双螺杆挤出机的螺杆转速450～600rpm。

本发明玻纤增强聚碳酸酯复合材料同时具有超高的模量、低翘曲、高阻燃、高冲击性能，以及良好的涂覆性能等特性，非常适合用于制备笔记本外壳。

本发明的有益之处在于：

本发明玻纤增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法，该笔记本外壳材料同时具有超高的模量、低翘曲、高阻燃、高冲击性能，以及良好的涂覆性能等特性，同时注塑加工简单，成本低廉，非常适合用于制备笔记本外壳。

本发明采用异型扁平玻纤增强聚碳酸酯，玻纤的宽度30～40μm，厚度2～5μm，玻纤保留长度350～450μm，即保证了材料的低翘曲特性，同时其力学强度与冲击韧性等性能得到了很好的平衡。采用磺酸盐与磷系阻燃剂的复配体系，在较小添加量的情况下获得了良好的阻燃性能，同时其力学强度与耐热性能得到了很好的保留。采用接枝极性官能团的相容剂，即起到了增韧增强的作用，同时其极性基团还能增强复合材料的涂覆性能，赋予了笔记本外壳丰富的颜色可选择特性。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，但本发明的技术范围不限于这些实施例。本发明中，未特别说明的情况下，份均指重量份。

实施例1～10：

实施例1～10涉及玻纤增强聚碳酸酯复合材料，该复合材料的各组分含量如表1所示；其中，PC树脂选用LG-DOWPC201-10的树脂(在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为8～15g/10min，重均分子量为2.5～4.0万的树脂)；异型玻璃纤维选用泰山玻纤公司的无碱扁平短切玻璃纤维，其玻纤宽度为30～40μm，厚度为2～5μm；抗氧剂选用Ciba公司的Iraanox1076和Iraanox168的复配物，其重量比为1:1。

表1配方组分及其重量份

*其中相容剂1为乙烯-辛烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物，相容剂2氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯接枝马来酸酐共聚物；润滑剂1为硬脂酸钙，润滑剂2为乙撑双硬脂酸酰胺，润滑剂3为硅酮粉。

玻纤增强聚碳酸酯复合材料的制备步骤如下：

1)将聚碳酸酯、阻燃剂、抗滴落剂、相容剂、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合搅拌机中，先低速1000rpm搅拌2min，后高速1500rpm搅拌3min混合均匀，得到混合物料；

2)将步骤1)所得的得到混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，异型玻璃纤维从侧喂料口加入，挤出、造粒，干燥后即得玻纤增强聚碳酸酯复合材料。

采用相应的螺杆组合方式，使扁平玻纤的最终保留长度在350-450μm之间。

所用双螺杆挤出机温度设置为：一区：250℃、二区：265℃、三区：275℃、四区：275℃、五区：290℃(侧喂料)、六区：260℃、七区：250℃、八区：240℃、九区：240℃、模头：260℃，螺杆转速450～600rpm，挤出机真空泵控制双螺杆挤出机内真空度高于0.06MPa。

试验测试方法：

物理力学性能：拉伸性能测试参照GB/T1040.2-2006标准；断裂伸长率测试参照GB/T1040.2-2006标准，拉伸速率为5mm/min；拉伸模量测试参照GB/T1040.2-2006标准，拉伸速率为1mm/min；弯曲性能测试参照GB/T9341-2008标准，弯曲形变速率为5mm/min；弯曲模量测试参照GB/T9341-2008标准，弯曲形变速率为2mm/min；冲击性能测试参照GB/T1043.1-2008标准；热变形温度(1.82Mpa)参照GB/T1634.2-2004标准。

阻燃性能：垂直燃烧参照GB/T2408-2008标准。

翘曲性能：将实施例中所得材料烘干后，注塑成210mm×140mm×2mm的平板，将其放置于70℃的温度、70％的湿度条件下12小时，然后取出样板待其冷却后放置在水平工作台上，测试其样板翘曲的高度H。

喷涂性能：材料的涂层附着力测试采用聚氨酯涂料喷涂2层，将其放置于70℃的温度、70％的湿度条件下48小时后，按照ASTMD3359-02(B)的测试方法测试，所用胶带为市售的3M610胶带。

将实施例1～10制备的玻纤增强聚碳酸酯复合材料按上述试验测试方法进行测试，其各项性能数据如下表2所示。

表2

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						拉伸强度(Mpa)	118.3	114.6	114.8	132.4	128.8
拉伸模量(Mpa)	9367.8	9287.6	9253.6	12985.6	12896.5
						断裂伸长率(％)	2.8	2.9	2.9	0.8	1.5
弯曲强度(Mpa)	173.2	169.2	170.2	205.6	201.4
						弯曲模量(Mpa)	10102.3	9946.2	9987.5	11505.4	11328.4
简支梁冲击强度(KJ/m²)	40.2	48.7	45.8	32.8	37.9
						简支梁缺口冲击强度(KJ/m²)	9.2	14.9	13.8	8.0	12.3
热变形温度(℃)	120	118	118	124	123
						垂直燃烧UL 94(1.0mm)	V-2	V-1	V-0	V-0	V-1
翘曲高度H(mm)	0.8	0.9	0.8	1.2	1.2
						喷涂等级	4B	5B	5B	4B	5B

续表2

	实施例6	实施例7	实施例8	实施例9	实施例10
						拉伸强度(Mpa)	129.2	152.5	148.6	150.8	149.5
拉伸模量(Mpa)	12954.2	15896.3	15526.1	15673.5	15511.2
						断裂伸长率(％)	1.4	0.8	1.5	1.3	1.3
弯曲强度(Mpa)	200.5	220.5	210.4	214.3	215.6
						弯曲模量(Mpa)	11356.8	13125.3	12895.4	12963.2	12856.2
简支梁冲击强度(KJ/m²)	35.5	25.3	29.9	28.4	28.2
						简支梁缺口冲击强度(KJ/m²)	12.0	5.3	9.8	9.2	9.0
热变形温度(℃)	123	127	126	126	127
						垂直燃烧UL 94(1.0mm)	V-0	V-0	V-0	V-0	V-0
翘曲高度H(mm)	1.1	1.8	1.7	1.8	1.8
						喷涂等级	5B	4B	4B	5B	4B

从上述表格可以看出，本发明优选合适的扁平玻纤尺寸以及保留长度，制得了翘曲度低，强度高的复合材料，该复合材料用来注塑笔记本外壳能够使得笔记本外壳更轻、更薄。采用复配的阻燃剂体系，较小添加量就能获得极好的阻燃性能，既节约经济成本，同时其制备的材料的热变形温度更高，赋予了笔记本外壳更好的耐热稳定性。对比实施例7～10可以看出，相容剂的加入即保证了材料的良好韧性，同时其接枝的极性基团还增强了材料的涂覆粘着力，在高玻纤含量填充下，也能获得极好的涂覆粘着效果。本发明的旨在提供一种可更轻、更薄、可实现多色外观的低成本笔记本外壳材料。

对比例1～3：

本对比例的目的在于研究扁平玻纤的宽度与厚度对于本发明的笔记本外壳材料的物理力学与翘曲性能的影响。本对比例分别在各自对比实施例的基础上分别改用宽度为15～20μm，厚度为8～12μm的扁平玻纤，采用实施例相对应的试验配方比例与实施方法。其测试结果如表3所示。

表3

从表3中的对比数据可以看出，相同含量的扁平玻纤增强聚碳酸酯的复合材料，优选玻纤厚度为2～5μm，宽度为30～40μm的扁平玻纤，制备的材料的力学强度以及冲击韧性都好于对比例宽度为15～20μm，厚度为8～12μm的玻纤，特别是玻纤的宽度增大后，其制备的材料的弯曲强度与模量获得了很大的提升，同时翘曲性能得到了更好的改善。

对比例4：

本对比例的目的在于研究扁平玻纤的最终玻纤保留长度对于本发明的笔记本外壳材料的物理力学与翘曲性能的影响。本对比例在实施例5的基础上，采用实施例5相同的原料配比与实施方法、不同的螺杆组合，使扁平玻纤的最终保留长度处在不同的区间。其测试结果如下表4所示。

表4

由表4可知，较短的玻纤保留长度，材料的力学强度较差，而较长的玻纤保留长度又会导致材料的翘曲、外观浮纤以及喷涂性能都变差。综合材料的力学强度、翘曲度以及喷涂等性能的平衡，将玻纤的最终保留长度定为350～450μm的区间较为合适。既能满足笔记本外壳材料对于材料力学强度的要求，又能保证材料在装配后不会发生大的翘曲变形，以及具有较好的喷涂性能。

Claims

1.一种玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，以重量份100份计，由以下重量份的原料制成：

2.根据权利要求1所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，以重量份100份计，由以下重量份的原料制成：

3.根据权利要求1或2所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的聚碳酸酯在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为8～15g/10min，重均分子量为2.5～4.0万的树脂。

4.根据权利要求1或2所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂为磺酸盐阻燃剂与磷系阻燃剂的复配物。

5.根据权利要求1或2所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为抗氧剂1076与抗氧剂168的复配物，其重量比例为1:1。

6.根据权利要求1或2所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的润滑剂为硬脂酸钙、乙撑双硬脂酸酰胺、硅酮粉中的一种或两种以上。

7.根据权利要求1～6任一项所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)将步骤1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，异型玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经挤出、造粒、干燥后即得玻纤增强聚碳酸酯复合材料。

8.根据权利要求7所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将聚碳酸酯、阻燃剂、抗滴落剂、相容剂、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合搅拌机中，先500～1500rpm搅拌1～5min，后1000～200rpm搅拌2～8min，得到混合物料。

9.根据权利要求7所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的双螺杆挤出机从进料到挤出出料各温区的温度设置为：一区：250℃、二区：265℃、三区：275℃、四区：275℃、五区：290℃、六区：260℃、七区：250℃、八区：240℃、九区：240℃、模头：260℃，所述的双螺杆挤出机的螺杆转速为450～600rpm。

10.根据权利要求1～6任一项所述的玻纤增强聚碳酸酯复合材料在制备笔记本外壳中的应用。