CN106750969A - 一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制造方法 - Google Patents

一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其组成主要包括：重量百分比计的10～40％长玻璃纤维，60～90％的改性聚丙烯树脂，1～8％的玻纤相容剂PP‑g‑MAH，1～5％的无机填充剂，0.5～5％的抗氧化助剂等；本发明具有如下有益效果：通过PP材料的改性，在精密度激光焊接加工过程中，焊接合格率得以提升，同时改善耐高温蠕变性，保证零部件使用生命周期；通过挑选合适的树脂原料，使得长玻纤增强聚丙烯制品中常见的翘曲现象得到缓解，注塑成型后得到的零部件尺寸稳定性高，本发明的制品具有较好的机械力学性能，如优良的拉伸、弯曲强度及抗冲性能。

Description

一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及 其制造方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料，具体地说涉及一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制造方法。
背景技术
长玻纤增强热塑性树脂(PP-LGF)是一种增强纤维单向排布且其长度与树脂粒料长度相同的增强热塑性树脂。与常规短纤维增强热塑性树脂(PP-GF)相比，它具有更加优异的力学性能、耐疲劳性能、抗蠕变性能、耐气候交变性等；特别是材料的低温抗冲击性能极为优异。与短纤增强尼龙(PA6,6-GF)材料相比，长玻纤增强聚丙烯材料不吸湿，尺寸稳定性相对较好，力学性能可与平衡态下的PA6,6-GF材料相媲美，性价比较高，能满足较多车内零部件的力学性能要求，因此具有很大的市场开发和应用前景。
随着汽车工业的蓬勃发展，很多汽车零件采用激光焊接加工成型，而激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配时有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床一般不能满足要求.必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。
为此，长玻纤增强聚丙烯材料在配方设计时，应充分考虑激光焊的特点以及对材料的要求，进行有针对性的产品体系开发，以提高产品合格率。一般来说，PP-LGF材料中影响焊接的因素有以下几点：PP基料的分子量，外加剂体系以及产品的后收缩情况。PP的分子量越大，在高温焊接状态下，焊接表面的熔体强度也越大，焊接效果越好；而外加剂体系(色粉体系，抗氧剂体系等)的热导率也严重影响焊接效率，对于热扩散效果不佳的添加剂，应予以剔除；最后，零件的后收缩对于装配精度要求高的焊接来说，收缩率小的体系会更加有利；
一直以来，长玻纤增强材料所制备车用结构件的尺寸稳定性与耐蠕变性都是业内较为关注的议题，由于长玻纤是取向性明显的极性材料，其与非极性基体树脂的相容性较差，虽然加入了一定量的相容剂来改善两者界面相的结合力，但纵横向收缩不均，翘曲等现象仍然时有出现，这大大限制了长玻纤增强聚丙烯材料这一高性价比材料在车用结构性零件上的应用。因此本发明的研究不仅着眼于焊接效率的影响因素，同时也对减少材料后收缩进行了研究，对应材料的选择进行了系统性的筛选。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接效率高、各项力学性能优异的低翘曲，耐蠕变长玻璃纤维增强聚丙烯的复合材料，以改善玻璃纤维增强聚丙烯制件的后收缩，同时不影响材料原有力学性能，低VOC和综合性能优异的PP-LGF复合材料，满足作为汽车内饰件材料的基础技术性能要求。
本发明的另一个目的是提供上述高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其包括以下按重量百分比计的原料：包括10～40％长玻璃纤维，60～90％的改性聚丙烯树脂，1～8％的玻纤相容剂PP-g-MAH，0.5～5％的抗氧化助剂。
所述改性聚丙烯树脂是对已有的商品化的聚丙烯树脂通过双螺杆等熔融浸渍设备进行反应挤出制备，所述改性聚丙烯树脂包含有以下重量百分比计的原料：
聚丙烯树脂 94.7～99.85％；
l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯 0.05～3％；
黑色母 0.1～5％。
在改性聚丙烯树脂体系中，
所述的聚丙烯树脂的熔融指数为10～60g/10min。
所述的黑色母为粒径在0.5mm-3mm之间的黑色母粒。
上述高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，包括如下步骤：
(1)制备带改性聚丙烯树脂：使用双组份计量称，在主进料口加入聚丙烯树脂，在侧向进料口l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯，黑色母，物料混合均匀后进入双螺杆挤出机；挤出加工温度为100～260℃，主机转速是200～500rpm。
(2)制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料：熔融改性聚丙烯树脂熔体浸渍连续长玻璃纤维束，浸渍加工温度为240～300℃，采用拉挤工艺制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料。
本发明复合物从挤出机进入浸渍模头，均匀包裹浸渍被牵引的连续玻璃纤维后，经水槽冷却、切粒机切粒成长度为8～15mm的长玻璃纤维增强聚丙烯材料颗粒。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过PP材料的改性，在精密度激光焊接加工过程中，焊接合格率得以提升，同时改善耐高温蠕变性，保证零部件使用生命周期；通过挑选合适的树脂原料，使得长玻纤增强聚丙烯制品中常见的翘曲现象得到缓解，注塑成型后得到的零部件尺寸稳定性高，本发明的制品具有较好的机械力学性能，如优良的拉伸、弯曲强度及抗冲性能。
具体实施方式
下面通过实施例和对比例进一步说明本发明，在不违反本发明的宗旨下，本发明应不限于以下实验例具体明示的内容。
实施例所用原材料如下：
聚丙烯树脂1(PP-l)：熔融指数30，测试条件230℃*2.16kg；
聚丙烯树脂2(PP-2)：熔融指数40，测试条件230℃*2.16kg；
聚丙烯树脂3(PP-3)：熔融指数50，测试条件230℃*2.16kg；
连续玻璃纤维；PPG公司EC I7-4588；
l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯：分析纯，市售。
玻纤相容剂：工业级，市售。
黑色母：粒径3mm,市售。
产品性能测试方法：
熔体质量流动指数(熔融指数)：按ISO 1133方法，在230℃，2.16千克载荷下测试。
拉伸性能：按ISO 527方法，拉伸速度5毫米/分钟。
弯曲性能：按ISO 178方法，试验速度2毫米/分钟。
缺口冲击强度：按ISO 179方法，4毫米厚试样。
热导率：按ASTM E1461标准,激光闪光法导热系数仪测试。
材料收缩率：根据ISO 294方法进行测试。
实施例1
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1496克聚丙烯树脂PP-1，在侧进料口加入10克黑色母，20克抗氧剂，4克l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯和70克玻纤相容剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：150℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是350rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例2
使使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1496克聚丙烯树脂PP-1，在侧进料口加入10克黑色母，20克抗氧剂，4克l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯和70克玻纤相容剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：150℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是350rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例3
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1496克聚丙烯树脂PP-1，在侧进料口加入10克黑色母，20克抗氧剂，4克l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯和70克玻纤相容剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：150℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是350rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例4
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1483克聚丙烯树脂PP-2，在侧进料口加入15克黑色母，20克抗氧剂，2克l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯和80克玻纤相容剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：150℃，190℃，200℃，220℃，240℃，245℃，265℃，270℃，主机转速是350rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为265℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例5
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1493克聚丙烯树脂PP-2，在侧进料口加入5克黑色母，20克抗氧剂，2克l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯和80克玻纤相容剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：150℃，190℃，200℃，220℃，240℃，245℃，265℃，270℃，主机转速是350rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为265℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
表1：性能测试结果
由上表可见，随着PP基料的熔指变大，相同玻纤含量的材料，韧性会有所降低；相比于熔指30和50的基料，熔指为40的材料纵横向收缩率分别最小；在相同熔指PP料制备的长玻纤增强聚丙烯材料中，相容剂含量增加，制品的纵横向收缩率差异会略有减小；色母粒使用量的变化会对热导率的结果产生影响。
本发明通过对已有的商品化的聚丙烯树脂采用双螺杆挤出机进行反应挤出，制备出流动性适中的改性聚丙烯，以此作为树脂基体，采用熔融浸渍方法，拉挤浸渍工艺制备了长玻璃纤维增强聚丙烯材料。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过PP材料的改性，在精密度激光焊接加工过程中，焊接合格率得以提升，同时改善耐高温蠕变性，保证零部件使用生命周期；通过挑选合适的树脂原料，使得长玻纤增强聚丙烯制品中常见的翘曲现象得到缓解，注塑成型后得到的零部件尺寸稳定性高，本发明的制品具有较好的机械力学性能，如优良的拉伸、弯曲强度及抗冲性能。
通过本发明得到的模塑制品可广泛应用于汽车工业和其他交通领域中的内部和外部零件；应用于通讯器材和设备、消费电子、家电、机械工程的外壳材料及附件等，市场应用前景广阔。

Claims (6)

1.一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：其包括以下按重量百分比计的原料：包括10～40％长玻璃纤维，60～90％的改性聚丙烯树脂，1～8％的玻纤相容剂PP-g-MAH，0.5～5％的抗氧化助剂。
2.根据权利要求1所述的一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述改性聚丙烯树脂是对已有的商品化的聚丙烯树脂通过双螺杆等熔融浸渍设备进行反应挤出制备，所述改性聚丙烯树脂包含有以下重量百分比计的原料：
聚丙烯树脂 94.7～99.85％；
l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯 0.05～3％；
黑色母 0.1～5％。
3.根据权利要求2所述的一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯树脂的熔融指数为10～60g/10min。
4.根据权利要求1所述的一种高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的黑色母为粒径在0.5mm-3mm之间的黑色母粒。
5.权利要求1-4任意之一所述的高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备带改性聚丙烯树脂：使用双组份计量称，在主进料口加入聚丙烯树脂，在侧向进料口l,4-(双叔丁基过氧)二异丙苯，黑色母，物料混合均匀后进入双螺杆挤出机；挤出加工温度为100～260℃，主机转速是200～500rpm。
(2)制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料：熔融改性聚丙烯树脂熔体浸渍连续长玻璃纤维束，浸渍加工温度为240～300℃，采用拉挤工艺制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料。
6.根据权利要求5所述的高焊接强度、低翘曲长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：复合材料从挤出机进入浸渍模头，均匀包裹浸渍被牵引的连续玻璃纤维后，经水槽冷却、切粒机切粒成长度为8～15mm的长玻璃纤维增强聚丙烯材料颗粒。
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