CN109233216A - 一种可激光焊接的黑色玻纤增强pbt复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料及其制备方法，复合材料由以下组分组成：PBT树脂、对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物、聚碳酸酯、改性玻璃纤维、增韧剂、相容剂、润滑剂、抗氧剂、酯交换抑制剂和黑色粉。本发明使用的原料来源广泛，添加量少，制备方法简单，可操作性强，易于工业化生产，产品性价比高；黑色高激光透射率复合材料，机械性能优异，满足汽车及电子电器等领域的材料要求；可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，完美地克服了“黑对黑”塑料激光焊接的掣肘，拓宽了激光焊接工艺的应用范围。

Description

一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及改性高分子材料领域，具体涉及一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料及其制备方法。
背景技术
塑料激光焊接技术是借助激光束穿透一层塑料，并被对偶层塑料吸收，借助激光产生的热量使塑料接触面熔化，进而将热塑性片材、薄膜或模塑零部件粘结在一起的技术。
激光焊接应用于塑料部件熔接的优点包括：焊接精密、牢固；密封不透气和不漏水，焊接过程中树脂降解少、产生的碎屑少，制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起；激光焊接不会产生塑料残渣，使它更适用于医药制品行业及电子传感器等；激光焊接工艺科应用于尺寸小或外形结构复杂的工件。由于激光便于计算机软件控制，而且光纤激光器输出可灵活地达到零件各个细微部位，采用激光焊接能够焊接其它焊接方法不易达到的区域，焊接具有复杂外形、甚至是三维几何形状的制品。与其他熔接方法比较，激光焊接大幅减少制品的振动应力和热应力。这意味着制品或者装置内部组件的老化速度更慢，可应用于易损坏的制品。能够焊接许多种类不同的材料。几乎所有的热塑性塑料和热塑性弹性体都可以使用激光焊接技术。常用的焊接材料有聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、ABS、聚酰胺(PA)、亚克力(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚酯(PET或PBT)等。激光焊接方式对一些材料而言也存在一些局限性，比如当两种材料中都为黑色时，它们是几乎很难被焊接在一起，这是由于黑色材料对激光能量吸收非常明显，使其无法到达焊接材料界面处。
发明内容
为应对现有技术的不足，本发明提供一种实现“黑对黑”塑料激光焊接的玻纤增强PBT复合材料，解决两种材料中都为黑色时，由于黑色材料对激光能量吸收，很难被焊接在一起，无法到达焊接材料界面处的技术问题。
其技术方案如下：一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份数组成：
所述黑色粉为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类的黄色染料按质量比为1:(0.8-0.85):(1-1.35):(0.9-0.95)的复配。
进一步的，所述PBT树脂特性粘度在0.8-1.25dl/g；所述对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物特性粘度为0.6-0.9dl/g；所述聚碳酸酯的数均分子量约为20000-28000g/mol，熔融指数约为10-15g/10min。
进一步的，所述对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物为对苯二甲酸-乙二醇酯缩聚物、对苯二甲酸-间苯二甲酸-乙二醇酯缩聚物、对苯二甲酸-乙二醇-环戊二醇缩聚物的一种或两种的复配物。
进一步的，所述改性玻璃纤维为经环氧硅烷偶联剂浸润的无碱E级短切玻纤原丝；所述无碱E级短切玻纤原丝的直径为7-13μm。
进一步的，所述增韧剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中的至少一种。
进一步的，所述相容剂为苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物，其中，甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为1-5wt％。
进一步的，所述润滑剂为硬脂酸季戊四醇酯、聚乙烯蜡、酸化聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸酰胺中的至少一种；所述抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯中的至少一种。
进一步的，所述酯交换抑制剂为亚磷酸、双酚A双二苯基磷酸酯、磷酸二氢钠、焦磷酸钠中的至少一种。
本发明的另一目的在于提供一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比将PBT树脂、对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物、聚碳酸酯、增韧剂、相容剂、润滑剂、抗氧剂、酯交换抑制剂和黑色粉加入高速搅拌机中混合1-2min，得到预混料；
(2)将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入20-30份的玻璃纤维，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料。
进一步的，所述双螺杆挤出机料筒温度230-250℃，螺杆转速为300-400r/min，真空度为-0.04--0.1MPa。
本发明的有益之处在于：
1、本发明所使用的原料均来自市售，来源广泛，添加量少，制备方法简单，可操作性强，易于大规模工业化生产，产品极具性价比。
2、本发明制备的黑色高激光透射率复合材料，机械性能优异，满足汽车及电子电器等领域的材料使用要求。
3、本发明制备的可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，完美地克服了“黑对黑”塑料激光焊接的掣肘，拖款了激光焊接工艺的应用范围。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整的说明。
在以下实施例1～4中，所述PBT树脂特性粘度为0.8-1.25dl/g；所述对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物特性粘度为0.6-0.9dl/g；所述聚碳酸酯的数均分子量约为20000-28000g/mol，熔融指数约为10-15g/10min。
实施例1
(1)将PBT树脂31份、PET树脂20份、PC树脂25份、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物3份、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物1份、聚乙烯蜡0.2份、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯0.6份、亚磷酸0.2份、黑色粉0.1份加入高速搅拌机中混合2min，得到预混料；其中，苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为1wt％，黑色粉各组分的质量比为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类＝1:0.85:1.35:0.95；
(2)将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入20份经环氧硅烷偶联剂浸润的直径为9μm无碱E级短切玻纤原丝，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，其中，双螺杆挤出机料筒温度230℃，螺杆转速为300r/min，真空度为-0.04MPa。
实施例2
(1)将PBT树脂41份、PET树脂15份、PC树脂15份、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物1份、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物1份、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物2份、硬脂酸季戊四醇酯0.2份、硬脂酸0.2份、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯0.3份、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.1份、焦磷酸钠0.1份、黑色粉1份加入高速搅拌机中混合1min，得到预混料；其中，苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为3wt％，黑色粉各组分的质量比为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类＝1:0.8:1:0.9；
(2)将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入25份经环氧硅烷偶联剂浸润的直径为13μm无碱E级短切玻纤原丝，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，其中，双螺杆挤出机料筒温度240℃，螺杆转速为350r/min，真空度为-0.08MPa。
实施例3
(1)将PBT树脂46份、PET树脂10份、PC树脂10份、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物1份、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物3份、酸化聚乙烯蜡0.4份、聚乙烯蜡0.2份、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯0.2份、磷酸二氢钠0.03份、双酚A双二苯基磷酸酯0.02份、黑色粉1.5份加入高速搅拌机中混合2min，得到预混料；其中，苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为5wt％，黑色粉各组分的质量比为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类＝1:0.8:1.35:0.95；
(2)将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入30份经环氧硅烷偶联剂浸润的直径为10μm无碱E级短切玻纤原丝，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，其中，双螺杆挤出机料筒温度250℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.1MPa。
实施例4
(1)将PBT树脂41份、PETG树脂15份、PC树脂15份、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物2份、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物2份、硬脂酸酰胺0.4份、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯0.4份、亚磷酸0.1份、黑色粉1份加入高速搅拌机中混合1min，得到预混料；其中，苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为1wt％，黑色粉各组分的质量比为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类＝1:0.85:1.35:0.9；
(2)将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入25份经环氧硅烷偶联剂浸润的直径为7μm无碱E级短切玻纤原丝，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料，其中，双螺杆挤出机料筒温度250℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.1MPa。
将上述实施例1～4制备的黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料的密度、拉伸强度、弯曲模量、悬臂梁缺口冲击强度、无缺口冲击强度、热变形温度、近红外激光透射率等进行检测，其检测标准与性能检测结果如表1所示。
表1复合材料性能测试
由表1可知，本发明实施例1-4制备的黑色玻纤增强复合材料具有较高的机械性能、特别是近红外激光透射率树脂极高，1.5mm厚度透过率甚至可达到66％，3mm厚度透射率也可达到33.5％，这一特性使其非常适用于“黑对黑”塑料激光焊接领域。
为了进一步突出本发明技术方案的技术效果，进行对比例1～3。
对比例1
在对比例1中，将实施例1中的PBT树脂31份、PET树脂20份换为51份PBT树脂，即对比例1中不添加PET树脂，其余添加组分、组分的配比及制备步骤均与实施例1相同，在此不再详细描述。
对比例2
在对比例2中，将实施例4中的PBT树脂41份、PC树脂15份换为56份PBT树脂，不添加PC树脂，其余添加组分、组分的配比及制备步骤均与实施例4相同，在此不再详细描述。
对比例3
在对比例3中，将实施例3中的1.5份黑色粉换为1.5份炭黑，其余添加组分、组分的配比及制备步骤均与实施例4相同，在此不再详细描述。
对比例1-3的检测标准与性能检测结果如表2所示：
表2对比例1-3复合材料性能测试
从表2可以看出，未加入PET或者PC组分时，其物理性能会稍稍降低，但是黑色复合材料的近红外激光的透射率下降至少50％以上，而将有机染料混合而成的黑色粉用常规的炭黑替代，复合材料的激光透射率直接衰减为0。由上可知，本发明制得材料的投射率有着不可比拟的优势，将代表着本申请制得材料的吸光性减弱，将大大有利于材料的焊接。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份数组成：
PBT树脂 31-46份；
对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物 10-20份；
聚碳酸酯 10-25份；
改性玻璃纤维 20-30份；
增韧剂 1-3份；
相容剂 1-3份；
润滑剂 0.2-0.6份；
抗氧剂 0.2-0.6份；
酯交换抑制剂 0.05-0.2份；
黑色粉 0.1-1.5份；
所述黑色粉为紫环酮类的红色染料：群青类的绿色染料：群青类的蓝色染料：蒽醌类的黄色染料按质量比为1:(0.8-0.85):(1-1.35):(0.9-0.95)的复配。
2.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述PBT树脂特性粘度在0.8-1.25dl/g；所述对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物特性粘度为0.6-0.9dl/g；所述聚碳酸酯的数均分子量约为20000-28000g/mol，熔融指数约为10-15g/10min。
3.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物为对苯二甲酸-乙二醇酯缩聚物、对苯二甲酸-间苯二甲酸-乙二醇酯缩聚物、对苯二甲酸-乙二醇-环戊二醇缩聚物的一种或两种的复配物。
4.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述改性玻璃纤维为经环氧硅烷偶联剂浸润的无碱E级短切玻纤原丝；所述无碱E级短切玻纤原丝的直径为7-13μm。
5.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述增韧剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述相容剂为苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物，其中，甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚单体的含量为1-5wt%。
7.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸季戊四醇酯、聚乙烯蜡、酸化聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸酰胺中的至少一种；所述抗氧剂为β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸正十八碳醇酯、三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料，其特征在于：所述酯交换抑制剂为亚磷酸、双酚A双二苯基磷酸酯、磷酸二氢钠、焦磷酸钠中的至少一种。
9.制备如权利要求1-8任一项所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按照配比将PBT树脂、对苯二甲酸与乙二醇酯共聚物及类似物、聚碳酸酯、增韧剂、相容剂、润滑剂、抗氧剂、酯交换抑制剂和黑色粉加入高速搅拌机中混合1-2min，得到预混料；
（2）将预混料经过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中，并在侧喂料处加入20-30份的玻璃纤维，经熔融、挤出、切粒得到黑色可激光焊接玻纤增强PBT复合材料。
10.根据权利要求9所述的可激光焊接的黑色玻纤增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机料筒温度230-250℃，螺杆转速为300-400r/min，真空度为-0.04--0.1MPa。
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