CN111499974B - 具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂及其制备方法，该具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：75～90％，无规聚丙烯：5～15％，改性膨胀石墨：1～5％，相容剂：1～5％，加工助剂：1～5％。本发明通过在聚丙烯中加入无规聚丙烯和改性膨胀石墨材料，并适当加入相容剂和加工助剂，可有效提高聚丙烯的可焊性，提高材料整体的损耗模量，促进超声波焊接过程中热量的产生，并可以有效提高材料的导热性，有利于焊接界面熔核的萌生与发展，得到焊接强度较高的聚丙烯焊接接头。

Description

具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子改性技术领域，特别涉及一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂及其制备方法。
背景技术
聚丙烯树脂是四大通用型热塑性树脂之一，具有耐化学性、耐热性、电绝缘性、高强度机械性能和良好的高耐磨加工性能等；由于聚丙烯优异的性能，广泛应用在机械、汽车和食品包装等众多领域。近年来，随着我国包装、电子、汽车等工业的快速发展，其中聚丙烯制品的连接问题越来越突出。
超声波焊接工艺是一种摩擦焊接，利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。它与传统的热熔焊接、感应焊接或者摩擦焊接相比，超声波焊接工艺具有：高效、清洁、高质量等优点；目前广泛应用在包装袋密封、薄金属片焊接以及塑料/复合材料制品焊接等方面。
因为超声波焊接工艺在塑料制品的焊接具有巨大的优势，可以用来解决聚丙烯树脂制品的连接问题；聚丙烯是一种半结晶性聚合物，硬度相对较大，进行超声波焊接时，需要提高焊接振幅、延长焊接时间与提高静压力等参数调整，但是实现焊接得到的焊接接头的质量却不尽人意，如焊缝存在飞边、实际焊接面积较小、焊接强度低等。随着研究的深入，发现聚丙烯树脂超声波焊接强度的主要影响因素是材料本身的性质，影响超声波焊接过程中能量的利用效率，导致焊接界面的产热机制变化；所以如何提高材料的实际产热量，是能否提高焊接强度的关键，因此，需要对聚丙烯树脂进行合理改性，从而得到高焊接强度的焊接接头。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，以解决现有聚丙烯树脂焊接能量利用率低，产热少，导致聚丙烯树脂超声波焊接强度较低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：75～90％，无规聚丙烯：5～15％，改性膨胀石墨：1～5％，相容剂：1～5％，加工助剂：1～5％。
可选地，所述无规聚丙烯为重均分子量在40000～80000范围内的高分子量无规聚丙烯，且所述无规聚丙烯的粘度为2000～8000Pa·s。
可选地，所述改性膨胀石墨为由以下方法改性而得的改性膨胀石墨：
将膨胀石墨在800～950℃高温下预处理15～30s后，在酸性溶液中超声分散处理30～60min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH范围为2＜pH＜5，且酸性溶液包含硫酸、硝酸、过氧化氢中的一种。
可选地，所述膨胀石墨的平均粒径为100～500目。
可选地，所述相容剂为聚丙烯乳液、硅烷偶联剂、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
可选地，所述加工助剂包括抗氧剂和增透剂。
可选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述增透剂为山梨醇类、芳香基磷酸酯盐类、取代苯甲酸盐种的一种。
可选地，所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1070中的一种。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的方法，该制备方法，包括以下步骤：
将所述聚丙烯、所述无规聚丙烯、所述改性膨胀石墨，所述相容剂、所述加工助剂混合后，进行熔融密炼，待所述熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
可选地，所述熔融密炼的密炼温度为180-200℃、密炼机转数为50-70r/min，密炼时间为8～15min。
相对于现有技术，本发明所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂具有以下优势：
本发明通过在聚丙烯中加入无规聚丙烯和改性膨胀石墨材料，并适当加入相容剂和加工助剂，可有效提高聚丙烯的可焊性，提高材料整体的损耗模量，促进超声波焊接过程中热量的产生，并可以有效提高材料的导热性，有利于焊接界面熔核的萌生与发展，得到焊接强度较高的聚丙烯焊接接头。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明聚丙烯与实施例3的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的的损耗模量图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
以下各实施例中，聚丙烯选用上海赛科的牌号S1003聚丙烯树脂；无规聚丙烯选用美国陶氏注塑级，其粘度为2000～8000Pa·s；膨胀石墨选用青岛邦海的平均粒径为200目的膨胀石墨；相容剂选用聚丙烯乳液和聚乙烯吡咯烷酮复配溶液，复配比例为1∶1；加工助剂选用巴斯夫的Irganox1010抗氧剂和日本旭电化的有机磷酸盐类成核剂NA-10，复配比例为1∶1。
实施例1
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：90％，无规聚丙烯：5％，改性膨胀石墨：1％，相容剂：3％，加工助剂：1％。
在本实施例中，改性膨胀石墨由以下方法改性而得：
将膨胀石墨在850℃高温下预处理27s后，在酸性溶液中超声分散处理50min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH为3，且酸性溶液为硫酸溶液。
上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，具体包括以下步骤：
按照上述原料配方，将聚丙烯、无规聚丙烯、改性膨胀石墨，相容剂、加工助剂混合后，加入到密炼机中进行熔融密炼，其中，熔融密炼的密炼温度为195℃、密炼机转数为60r/min，密炼时间为13min，待熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
实施例2
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：85％，无规聚丙烯：8％，改性膨胀石墨：2％，相容剂：3％，加工助剂：1％。
在本实施例中，改性膨胀石墨由以下方法改性而得：
将膨胀石墨在850℃高温下预处理27s后，在酸性溶液中超声分散处理50min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH为3，且酸性溶液为硫酸溶液。
上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，具体包括以下步骤：
按照上述原料配方，将聚丙烯、无规聚丙烯、改性膨胀石墨，相容剂、加工助剂混合后，加入到密炼机中进行熔融密炼，其中，熔融密炼的密炼温度为195℃、密炼机转数为60r/min，密炼时间为13min，待熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
实施例3
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：83％，无规聚丙烯：10％，改性膨胀石墨：3％，相容剂：3％，加工助剂：1％。
在本实施例中，改性膨胀石墨由以下方法改性而得：
将膨胀石墨在850℃高温下预处理27s后，在酸性溶液中超声分散处理50min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH为3，且酸性溶液为硫酸溶液。
上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，具体包括以下步骤：
按照上述原料配方，将聚丙烯、无规聚丙烯、改性膨胀石墨，相容剂、加工助剂混合后，加入到密炼机中进行熔融密炼，其中，熔融密炼的密炼温度为195℃、密炼机转数为60r/min，密炼时间为13min，待熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
实施例4
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：80％，无规聚丙烯：12％，改性膨胀石墨：4％，相容剂：3％，加工助剂：1％。
在本实施例中，改性膨胀石墨由以下方法改性而得：
将膨胀石墨在850℃高温下预处理27s后，在酸性溶液中超声分散处理50min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH为3，且酸性溶液为硫酸溶液。
上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，具体包括以下步骤：
按照上述原料配方，将聚丙烯、无规聚丙烯、改性膨胀石墨，相容剂、加工助剂混合后，加入到密炼机中进行熔融密炼，其中，熔融密炼的密炼温度为195℃、密炼机转数为60r/min，密炼时间为13min，待熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
实施例5
一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：75％，无规聚丙烯：15％，改性膨胀石墨：5％，相容剂：4％，加工助剂：1％。
在本实施例中，改性膨胀石墨由以下方法改性而得：
将膨胀石墨在850℃高温下预处理27s后，在酸性溶液中超声分散处理50min，得到改性膨胀石墨，其中，酸性溶液的pH为3，且酸性溶液为硫酸溶液。
上述具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，具体包括以下步骤：
按照上述原料配方，将聚丙烯、无规聚丙烯、改性膨胀石墨，相容剂、加工助剂混合后，加入到密炼机中进行熔融密炼，其中，熔融密炼的密炼温度为195℃、密炼机转数为60r/min，密炼时间为13min，待熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
使用热压机将本发明实施例1～5的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂制备成焊接样条，尺寸为100mm×15mm×4mm，热压参数：热压温度190℃、热压压力20MPa和热压时间10min；对样条进行超声波焊接，焊接参数：焊接频率15KHz、时间1s、压力2MPa、保压时间5s和搭接长度14mm。
用焊接接头的拉伸断裂峰值载荷表征本发明实施例1～5的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂超声波焊接接头的焊接强度，并将其与聚丙烯超声波焊接接头的焊接强度进行对比(对照组)，测试结果如表1所示。
由表1可知，本发明实施例1～5的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂超声波焊接接头的焊接强度以及导热率远高于聚丙烯超声波焊接接头。
表1
Figure GDA0003015156040000081
对本发明实施例3的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的损耗模量进行测试，并将其与聚丙烯的损耗模量进行对比，测试结果如图1所示。
由图1可知，本发明实施例3的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的损耗模量高于聚丙烯树脂，促进焊接界面的粘弹性生热，有效地促使熔核的萌生和发展。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：聚丙烯：75~90%，无规聚丙烯：5~15%，改性膨胀石墨：1~5%，相容剂：1~5%，加工助剂：1~5%；所述无规聚丙烯为重均分子量在40000~80000范围内的高分子量无规聚丙烯，且所述无规聚丙烯的粘度为2000~8000Pa•s；所述相容剂为聚丙烯乳液和聚乙烯吡咯烷酮的混合；
所述改性膨胀石墨为由以下方法改性而得的改性膨胀石墨：
将膨胀石墨在800~950℃高温下预处理15~30s后，在酸性溶液中超声分散处理30~60min，得到改性膨胀石墨。
2.根据权利要求1所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，其特征在于，所述膨胀石墨的平均粒径为100~500目。
3.根据权利要求1所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，其特征在于，所述加工助剂包括抗氧剂和增透剂。
4.根据权利要求3所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述增透剂为山梨醇类、芳香基磷酸酯盐类、取代苯甲酸盐种的一种。
5.根据权利要求4所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂，其特征在于，所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1070中的一种。
6.制备权利要求1至5中任一项所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述聚丙烯、所述无规聚丙烯、所述改性膨胀石墨，所述相容剂、所述加工助剂混合后，进行熔融密炼，待所述熔融密炼结束后，切粒，得到具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂。
7.根据权利要求6所述的具有高超声波焊接强度的改性聚丙烯树脂的制备方法，其特征在于，所述熔融密炼的密炼温度为180-200℃、密炼机转数为50-70r/min，密炼时间为8~15min。
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