CN109929241A - 一种激光焊接用尼龙材料组合体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接用尼龙材料组合体及其制备方法和应用，包括透光层尼龙和吸光层尼龙；透光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0‑90％，PA6树脂0‑90％，共聚尼龙10‑30％，玻纤0‑40％，有机色粉0.2‑0.6％，抗氧剂0.2‑0.5％；吸光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0‑90％，PA6树脂0‑90％，共聚尼龙10‑30％，玻纤0‑40％，炭黑0.25‑0.75％，抗氧剂0.2‑0.5％。本发明在玻纤增强尼龙体系中引入共聚尼龙可以降低尼龙材料的结晶度提高其透光率；有机色粉可满足黑色材料要求的同时，对尼龙透光率影响较小，本发明可用于汽车中结构复杂连接件或腔体结构。

Description

一种激光焊接用尼龙材料组合体及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种激光焊接用尼龙材料组合体及其制备方法和应用。

背景技术

塑料制件的连接是塑料广泛应用的关键环节。在实际应用中，塑料制件可以通过机械紧固、化学粘接或焊接进行连接。紧固连接一般通过卡扣或者螺纹设计实现塑料制件的连接，该方法速度快,适用于所有塑料,但易产生应力集中、增加额外成本,而且很难形成完全密封连接；化学粘接通过粘结剂实现塑料制件的连接，可以获得优良的性能和优质接头，但对材料表面化学要求较高，且操作困难，固化周期长；塑料焊接相对经济、简单、快捷、可靠，能形成静态强度接近于本体的连接，而且可以实现完全密封，在歧管和碳罐等汽车零部件中应用广泛。塑料焊接方法包括热板焊、振动焊和激光焊等技术，其中后者是一种新型、高效的焊接技术。激光焊接的过程中，高能量激光束穿透透光塑料层，达到下方的吸光塑料层。激光束的吸收导致吸光层塑料表面发热熔化，同时透光层塑料界面也被吸光层塑料加热和熔化，最终吸光层和透光层材料形成瞬间无缝焊接。相比热板焊和振动焊技术，激光焊产生热量集中而且很低，不与工件接触，能够加工结构复杂的零件；此外，激光焊接不产生飞边，连接处平整清洁，是一类无痕焊接技术。激光焊接组装已经成为汽车行业零件装配的重要和先进技术之一。

聚酰胺(PA，俗称尼龙)是工程塑料行业中用途最广、品种最多的一类高分子材料。改性尼龙具有优异的机械性能、耐热性、耐化学性，广泛应用于汽车的内外饰各类零部件。对于很多含有支管或者接头的复杂零件，难以通过传统注塑方法一步成型获得，需要借助焊接技术实现装配。目前，绝大多数尼龙材料能够满足振动焊接的技术要求，而可以激光焊接的尼龙材料仍处于发展的初步阶段，存在一些技术壁垒等待我们去克服。最主要难题的就是提高透光层尼龙的透光率和吸光层尼龙的吸光能力，从而保证激光焊接后焊接处的强度。除此以外，实际应用中尽量保持透光层和吸光层材料颜色的一致性，避免增加后续喷涂上色的额外工序。据我们所知，目前仅有专利CN106317864A中声称制备了可激光焊接的黑色玻纤增强PA6，其配方为PA6树枝+玻纤+透明改性剂+苯胺黑。我们研究发现苯胺黑对光的透过有不利影响，透过苯胺黑材料的光能量较弱，无法达到熔融吸光层尼龙的能量强度。上述专利中也的确没有实际验证该尼龙材料是否可以激光焊接以及测试焊接界面处的断裂强度。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种激光焊接用尼龙材料组合体及其制备方法和应用，本发明在玻纤增强尼龙体系中引入共聚尼龙，可以降低尼龙材料的结晶度，从而提高其透光率；有机色粉的使用，满足黑色材料要求的同时，对尼龙透光率不会有太大影响；炭黑的使用，作为吸光剂，可以吸收能量产生热量，熔融界面，实现无缝焊接，通过调节有机色粉和炭黑含量，确保透光层和吸光层尼龙的颜色一致；同时，透光层和吸光层尼龙树脂配方一致，可以尽可能提高材料的焊接强度。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的一种激光焊接用尼龙材料组合体包括透光层尼龙和吸光层尼龙；

透光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，有机色粉0.2-0.6％，抗氧剂0.2-0.5％；

吸光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，炭黑0.25-0.75％，抗氧剂0.2-0.5％；

PA66树脂为特性粘度为2.4～2.8；

PA6树脂为特性粘度为2.0～2.8；

玻璃纤维为直径为7～17μm的无碱短切玻璃纤维；

有机色粉为有机三原色色粉调配而成，有机色粉显示成黑色；

炭黑为用于改性塑料染色的普通炭黑或乙炔炭黑；

抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；

润滑剂为聚乙烯类、酯类润滑剂。

上述的一种激光焊接用尼龙材料组合体中透光层尼龙中的有机色粉和吸光层尼龙中的炭黑不同外其余组分相同。

上述的一种激光焊接用尼龙材料组合体中透光层尼龙和吸光层尼龙均为黑色，色差△E≤2。

上述的一种激光焊接用尼龙材料组合体中透光层尼龙透光率≥60％。

本发明还提供一种激光焊接用尼龙材料组合体的制备方法，包括以下步骤：

(1)分别按以下组分准备原料：

原料A：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，有机色粉0.2-0.6％，抗氧剂0.2-0.5％；

原料B：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，炭黑0.25-0.75％，抗氧剂0.2-0.5％；

(2)将原料A中PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、有机色粉、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，双螺杆挤出机设置温度为220～260℃，螺杆转速为350～450转/分；经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到透光层尼龙材料，即可；

(3)将原料B中PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、炭黑、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，双螺杆挤出机设置温度为220～260℃，螺杆转速为350～450转/分；经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到吸光层尼龙材料，即可。

本发明还提供一种激光焊接用尼龙材料组合体在汽车零部件中的应用，尤其是结构复杂连接件或腔体结构。

本发明通过在玻纤增强尼龙体系中引入共聚尼龙，可以降低尼龙材料的结晶度，从而提高其透光率；有机色粉的使用，满足黑色材料要求的同时，对尼龙透光率不会有太大影响；炭黑的使用，作为吸光剂，可以吸收能量产生热量，熔融界面，实现无缝焊接；通过调节有机色粉和炭黑含量，确保透光层和吸光层尼龙的颜色一致；同时，透光层和吸光层尼龙树脂配方一致，可以尽可能提高材料的焊接强度，可以用于汽车中结构复杂连接件或腔体结构。

具体实施方式

下面将结合实施例1～7和对比例1～7对本发明作进一步说明。

实施例1～7的配方如表1所示，对比例1～7尼龙组合体的配方如表2所示：

表1 实施例1～7的配方

注：透：表示透光层尼龙材料，吸：表示吸光层尼龙材料。

表2 对比例1～7的配方

注：透：表示透光层尼龙材料，吸：表示吸光层尼龙材料。

实施例1～7和对比例1～7其制备方法如下：

将PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、炭黑、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到吸光层尼龙材料；

将PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、有机色粉、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到透光层尼龙材料。双螺杆挤出机设置温度为220～260℃，螺杆转速为350～450转/分。

实施例1～7和对比例1～7性能测试方法如下，结果如表3所示：

色差测试：对吸光层和透光层尼龙样片进行色差测试，并计算二者的色差值△E，△E越小，表明吸光层和透光层颜色越接近；

透光率测试：采用色差仪法进行透光率测试，样品为2mm厚度样片；

焊接实验：对吸光层和透光层尼龙样片(125mm×13mm×2mm)进行激光焊接；

焊接强度测试：对焊接后的样条进行拉伸测试，采用万能试验机，拉伸速度为10mm/min，记录断裂时强度。

根据上述配方以及相应测试结果可以得出：

实施例4、1、5在对比例1的基础上分别加入了10％、20％、30％共聚尼龙，提高了透光层尼龙的透光率，相应的焊接强度也大大提高，实现了以PA6为基体的尼龙材料的激光焊接；结果显示，在限定范围内，共聚尼龙含量越高，透光层尼龙透光率越高，焊接强度越高。

实施例2在对比例2的基础上加入了20％共聚尼龙，提高了透光层尼龙的透光率，相应的焊接强度也大大提高，实现了以PA66为基体的尼龙材料的激光焊接；

实施例3在对比例3的基础上加入了20％共聚尼龙，提高了透光层尼龙的透光率，相应的焊接强度也大大提高，实现了以PA6和PA66合金为基体的尼龙材料的激光焊接；

实施例1与对比例4的配方和性能对比说明，透光层尼龙不能使用苯胺黑这一类尼龙常用的有机黑颜料，少量添加也会大大降低尼龙的透光率，导致材料无法实现激光焊接；

实施例1与对比例5的配方和性能对比说明，透光层尼龙不能使用炭黑这一类尼龙常用的无机黑颜料，少量添加也会大大降低尼龙的透光率，导致材料无法实现激光焊接；

实施例6、1、7与对比例6、7的配方和性能对比说明：①实现尼龙材料易激光焊接的透光层有机色粉浓度为0.2-0.6％，对应的吸光层炭黑浓度为0.25-0.75％；②在限定范围内，有机色粉浓度越高，透光层尼龙透光率越低，焊接强度越低；③有机色粉和炭黑浓度过低，虽然透光层透光率提高，但是由于吸光能力减弱，焊接强度也有所降低；④有机色粉和炭黑浓度过高，透光层透光率和焊接强度均会降低。

本发明通过在玻纤增强尼龙体系中引入共聚尼龙，可以降低尼龙材料的结晶度，从而提高其透光率；有机色粉的使用，满足黑色材料要求的同时，对尼龙透光率不会有太大影响；炭黑的使用，作为吸光剂，可以吸收能量产生热量，熔融界面，实现无缝焊接；本发明在设计尼龙组合体时可通过调节有机色粉和炭黑含量，确保透光层和吸光层尼龙的颜色一致；同时，透光层和吸光层尼龙树脂配方一致，可以尽可能提高材料的焊接强度；本发明所述尼龙组合体，可以实现激光焊接并具有较高焊接强度，可以用于汽车中结构复杂连接件或腔体结构。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种激光焊接用尼龙材料组合体，其特征在于，包括透光层尼龙和吸光层尼龙；

所述透光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，有机色粉0.2-0.6％，抗氧剂0.2-0.5％；

所述吸光层尼龙包括以下组分及质量百分含量：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，炭黑0.25-0.75％，抗氧剂0.2-0.5％；

所述PA66树脂为特性粘度为2.4～2.8；

所述PA6树脂为特性粘度为2.0～2.8；

所述玻璃纤维为直径为7～17μm的无碱短切玻璃纤维；

所述有机色粉为有机三原色色粉调配而成，所述有机色粉显示成黑色；

所述炭黑为用于改性塑料染色的普通炭黑或乙炔炭黑；

所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；

所述润滑剂为聚乙烯类、酯类润滑剂。

2.如权利要求1所述的一种激光焊接用尼龙材料组合体，其特征在于，所述透光层尼龙中的所述有机色粉和吸光层尼龙中的所述炭黑不同外其余组分相同。

3.如权利要求1所述的一种激光焊接用尼龙材料组合体，其特征在于，所述透光层尼龙和吸光层尼龙均为黑色，色差△E≤2。

4.如权利要求1所述的一种激光焊接用尼龙材料组合体，其特征在于，所述透光层尼龙透光率≥60％。

5.如权利要求1所述的一种激光焊接用尼龙材料组合体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别按以下组分准备原料：

原料A：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，有机色粉0.2-0.6％，抗氧剂0.2-0.5％；

原料B：PA66树脂0-90％，PA6树脂0-90％，共聚尼龙10-30％，玻纤0-40％，炭黑0.25-0.75％，抗氧剂0.2-0.5％；

(2)将原料A中PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、有机色粉、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，双螺杆挤出机设置温度为220～260℃，螺杆转速为350～450转/分；经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到透光层尼龙材料，即可；

(3)将原料B中PA66树脂、PA6树脂、共聚尼龙、炭黑、抗氧剂和润滑剂按照一定比例在高混迹中预混后，进入双螺杆挤出机熔融挤出，玻璃纤维由侧喂加入，双螺杆挤出机设置温度为220～260℃，螺杆转速为350～450转/分；经过拉条、冷却、切粒、干燥后，得到吸光层尼龙材料，即可。

6.如权利要求1～5的任一种激光焊接用尼龙材料组合体在汽车零部件中的应用。