CN113698751A - 一种pc/pbt合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种pc/pbt合金材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PC/PBT合金材料，按重量份数计，包括组分：PC树脂67.6~88.5份；PBT树脂9~22份；乙烯‑丙烯酸丁酯‑甲基丙烯酸甲酯共聚物2~8份；相容剂0.45~2.2份；酯交换抑制剂0.05~0.2份。本发明通过控制PC/PBT合金中PBT的含量，同时选择添加乙烯‑丙烯酸丁酯‑甲基丙烯酸甲酯共聚物、相容剂和酯交换抑制剂，各组分协同配合，能够显著改善PC/PBT合金材料的超声波焊接效果，制备得到的PC/PBT合金材料具有良好的超声波可焊接性，其焊接强度高，且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤，采用超声波焊接的产品使用性高，进一步拓宽了PC/PBT合金材料的应用。

Description

一种PC/PBT合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及工程塑料技术领域，具体涉及一种PC/PBT合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
塑料超声波焊接是一种快速简便的塑料焊接方式，其原理是超声焊头将高频振动通过焊件传导到焊接面，在界面声阻的作用下在，聚集于预先设计的导能筋部位，借由诱发分子链摩擦产生高热和局部熔融，实现焊接。随着塑料及复合材料大量应用于工业生产和日常生活中以及电子工业的飞速发展和新型大功率换能器的出现，塑料超声波焊接以其简单高效、结合强度高、无需耗材、易于自动化、适合于大批生产等优势得到了极为广泛的应用并成为最常用的塑料焊接方法。
对于聚碳酸酯（PC）/聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）合金材料，其中存在的PBT晶体颗粒会使超声波在传导中发生明显的能量耗散，使得超声波能量传递至所需焊接面非常困难，导致超声波焊接效果差。目前市面上的PC/PBT合金材料，采用超声波焊接时，存在焊接面熔合性差，焊接强度低的问题；而且超声焊接后会在焊接局部出现应力集中和材料损伤，在后续使用过程中容易出现破裂，影响产品的正常使用。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种PC/PBT合金材料，具有良好的超声波可焊接性，其焊接强度高，且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤。
本发明的另一目的在于提供上述PC/PBT合金材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种PC/PBT合金材料，按重量份数计，包括以下组分：
PC树脂 67.6~88.5份；
PBT树脂 9~22份；
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物 2~8份；
相容剂 0.45~2.2份；
酯交换抑制剂 0.05~0.2份。
在本发明要求的PBT树脂添加量下，能够确保在合金体系中，PBT形成分散相，基体连续相为PC，减小PBT对超声波焊接的负面影响，从而可以很好的提高PC/PBT合金材料的超声波可焊接性。优选的，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为3.5:1~9:1；更优选的，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为4:1~6.5:1；最优选的，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为4.5:1~5.5:1。
优选的，所述的PC树脂的分子量为12000~45000；所述的PBT树脂的分子量20000~42000；在优选的分子量区间内，PC和PBT既有足够的分子量以保持稳定的机械性能，且树脂的粘度合适，材料容易在超声能量下发生可扩散融合，以获得良好的焊接效果。更优选的，所述的PC树脂的分子量为15000~28000；所述的PBT树脂的分子量22000~33000。
PBT本身韧性较差，且容易在超声焊接过程中形成应力集中，在后续使用过程中，外界冲击引发应力释放，将导致材料出现破坏开裂。本发明经研究发现，通过在PC/PCT合金材料中添加乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物，其与PBT有很好的相容性，会选择性的分布于PBT相中，且其软嵌段能够耗散PBT的局部应力集中，有效减小材料在进行超声波焊接后在焊接局部出现的应力集中和材料损伤，增强焊接强度。
优选的，所述的乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中丙烯酸丁酯含量为15%~47%，熔融温度低于80℃。丙烯酸丁酯含量在优选区间时，嵌段共聚物与PBT具有更高相容性；熔融温度低于80℃，有助于让略微远离焊接面的周边区域中的嵌段共聚物，在焊接过程中发生熔融软化，耗散其周边区域的应力集中，从而避免材料损伤。更优选的，所述的乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中丙烯酸丁酯含量为25~37%，熔融温度低于75℃。
所述的相容剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物或马来酸酐共聚物中的任意一种或几种；所述的甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物选自乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯二元共聚物、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物、乙烯-丙烯酸-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物，所述的马来酸酐共聚物选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯；优选的，所述的相容剂选自苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物。
本发明选择添加相容剂，可以减小材料中PBT相的尺寸，使PBT更均匀的分散在PC相中，PC基体更加连续，从而进一步改善超声波焊接效果。
优选的，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中的甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为5~50%，所述马来酸酐共聚物中的马来酸酐含量为1.5~10%。
所述的酯交换抑制剂选自磷酸二氢钠、焦磷酸二氢二钠、磷酸一氢锌或磷酸二氢锌中的任意一种或几种。PC与PBT在热加工过程中存在酯交换反应，严重的酯交换反应会导致合金性能劣化，本发明通过添加酯交换抑制剂确保酯交换反应在合理的程度。优选的，所述的酯交换抑制剂选自磷酸二氢钠。
根据材料性能需求，本发明的PC/PBT合金材料，按重量份数计，还包括0~1份助剂；所述助剂选自抗氧剂或润滑剂中的任意一种或几种；所述的抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或硫代酯类抗氧剂中的任意一种或几种；所述的润滑剂选自硅酮类润滑剂或季戊四醇硬脂酸酯类润滑剂中的任意一种或几种。
本发明还提供了上述PC/PBT合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1. 按照配比称量各组分，并将各组分进行预烘干处理，烘干温度为60~100℃，烘干时间为4h~6h；
S2. 将预烘干处理的各组分经过高混机混合均匀；再加入到双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机的温控设置温度为200℃~270℃，其中并设置至少1个抽真空，抽真空位于输料段的末端、熔融段的前端或计量段部分；将挤出模头的熔融长条通过水槽冷却口，引入到切粒机中进行均化切粒，干燥，得到PC/PBT合金材料。
本发明还提供了上述PC/PBT合金材料在电子电气设备中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过控制PC/PBT合金中PBT的含量，确保合金体系中PBT形成分散相，同时选择添加乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、相容剂和酯交换抑制剂，各组分协同配合，能够显著改善PC/PBT合金材料的超声波焊接效果。本发明的PC/PBT合金材料具有良好的超声波可焊接性，其焊接强度高，且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤，采用超声波焊接的产品使用性高，进一步拓宽了PC/PBT合金材料的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
对本发明实施例及对比例所用的原材料做如下说明，但不限于这些材料：
PC树脂1：重均分子量为20000，韩国LG公司；
PC树脂2：重均分子量为45000，山东鲁西化工化工；
PBT树脂1：重均分子量为25000，江苏仪征化纤公司；
PBT树脂2：重均分子量为40000，江苏仪征化纤公司；
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物1：其中丙烯酸丁酯含量为35%，熔融温度为72℃，法国阿科玛公司；
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物2：其中丙烯酸丁酯含量为42%，熔融温度77℃，法国阿科玛公司；
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物3：其中丙烯酸丁酯含量为13%，熔融温度为86℃；
甲基丙烯酸甲酯-丁二稀-苯乙烯共聚物：具有核壳结构，甲基丙烯酸甲酯含量12%，丁二烯含量70%，美国陶氏公司；
苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物：丙烯腈含量14%，丁二烯含量60%，山东万达公司；
乙烯-辛烯共聚物：辛烯含量39%，美国陶氏公司；
相容剂1：苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物，其中甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为8%，江苏日之升公司；
相容剂2：乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯二元共聚物，其中甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为8%，浙江能之光公司；
相容剂3：马来酸酐接枝聚乙烯，马来酸酐含量为2.5%，日本三井公司；
相容剂4：苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物，其中甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为2%，江苏日之升公司；
酯交换抑制剂1：磷酸二氢钠，江苏富润化工公司；
酯交换抑制剂2：磷酸一氢锌，四川海诺公司；
抗氧剂1：SONOX 168，山东三丰公司；
抗氧剂2：SONOX 1010，山东三丰公司；
润滑剂：LOXIOL P 861/3.5，德国科宁公司。
实施例和对比例的制备方法：
S1. 按照表1配比称量各组分，并将各组分进行预烘干处理，烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
S2. 将预烘干处理的各组分经过高混机混合均匀；再加入到双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机的温控设置温度为200℃~270℃，在输料段末端、熔融段前段分别设置1个抽真空；将挤出模头的熔融长条通过水槽冷却口，引入到切粒机中进行均化切粒，干燥，得到PC/PBT合金材料。
各项性能测试方法：
（1）超声波焊接结合力：将两个样片交叠放置并进行超声波焊接，交叠区域尺寸为12.5mm ◊40mm，并在样条中部平行于短边方向设置有1条高度为0.8mm，底部宽度0.5mm的等腰三角形导能筋，测试将其拉断所需要的力。以结合力大于100N为合格，以结合力大于160N为最佳。
（2）超声波焊接应力损伤情况：通过注塑成型制备两个尺寸相同的敞口半盒型制件，可以合并形成一个完整的盒子。其中一个半盒沿敞口边设计有一圈导能焊接线，另一个半盒在焊接线对应位置设计有U型溢料槽，用于容纳导能筋熔融后，在压实过程中外溢的胶料。用重量为500g的铁球，分别从1.3m、1.5m的高度，以自由落体方式撞击焊接部位，观察焊接部位是否出现破裂。以1.3m测试未开裂为合格，以1.5m测试未开裂为最佳。
表1：实施例1~11各组分配比（按重量份数计）及各项性能测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
PC树脂1 82.9 82.9 82.9 82.9 82.9 82.9
PC树脂2
PBT树脂1 11 11 11 11 11 11
PBT树脂2
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物1 6 6 6 6
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物2 6
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物3 6
相容剂1 1 1 1
相容剂2 1
相容剂3 1
相容剂4 1
酯交换抑制剂1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
酯交换抑制剂2
抗氧剂1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
抗氧剂2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
润滑剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
超声波焊接结合力/N 199 171 163 182 174 187
1.3m落球测试是否开裂 否 否 否 否 否 否
1.5m落球测试是否开裂 否 否 是 否 否 否
接表1：
实施例7 实施例8 实施例9 实施例10 实施例11 实施例12
PC树脂1 78.9 80.9 85.9 73.85 82.9
PC树脂2 82.9
PBT树脂1 15 13 10 18 11
PBT树脂2 11
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物1 6 6 6 4 8 6
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物2
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物3
相容剂1 1 1 1 0.8 2 1
相容剂2
相容剂3
相容剂4
酯交换抑制剂1 0.1 0.1 0.1 0.15 0.1
酯交换抑制剂2 0.1
抗氧剂1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 /
抗氧剂2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 /
润滑剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 /
超声波焊接结合力/N 168 240 212 193 161 201
1.3m落球测试是否开裂 否 否 否 否 否 否
1.5m落球测试是否开裂 是 否 否 是 否 否
表2：对比例1~7各组分配比（按重量份数计）及各项性能测试结果
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6 对比例7
PC树脂1 63.9 82.9 82.9 82.9 82.9 82.9 82.9
PC树脂2
PBT树脂1 30 11 11 11 11 11 11
PBT树脂2
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物1 6 / 6 6
甲基丙烯酸甲酯-丁二稀-苯乙烯共聚物 6
苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物 6
乙烯-辛烯共聚物 6
相容剂1 1 1 / 1 1 1 1
酯交换抑制剂1 0.1 0.1 0.1 / 0.1 0.1 0.1
抗氧剂1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
抗氧剂2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
润滑剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
超声波焊接结合力/N 84 202 88 117 74 175 86
1.3m落球测试是否开裂 否 是 否 是 否 是 是
1.5m落球测试是否开裂 是 是 是 是 是 是 是
由表1/表2数据看出，本发明通过控制PC/PBT合金中PBT的含量，同时选择添加乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、相容剂和酯交换抑制剂，各组分协同配合，能够显著改善PC/PBT合金材料的超声波焊接效果，制得的PC/PBT合金材料具有良好的超声波可焊接性，其焊接强度高（超声波焊接结合力大于160N），且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PC/PBT合金材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
PC树脂 67.6~88.5份；
PBT树脂 9~22份；
乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物 2~8份；
相容剂 0.45~2.2份；
酯交换抑制剂 0.05~0.2份。
2.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述的PC树脂重均分子量为12000~45000，所述的PBT树脂重均分子量为20000~42000；优选的，所述的PC树脂重均分子量为15000~28000，所述的PBT树脂重均分子量为22000~33000。
3.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为3.5:1~9:1；优选的，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为4:1~6.5:1；更优选的，所述的PC树脂与PBT树脂的重量比为4.5:1~5.5:1。
4.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述的乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中丙烯酸丁酯含量为15%~47%，熔融温度低于80℃；优选的，所述的乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物中丙烯酸丁酯含量为25%~37%，熔融温度低于75℃。
5.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述的相容剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物或马来酸酐共聚物中的任意一种或几种；所述的甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物选自乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯二元共聚物、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物、乙烯-丙烯酸-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物，所述的马来酸酐共聚物选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯；优选的，所述的相容剂选自苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元嵌段共聚物。
6.根据权利要求5所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物中的甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为5~50%，所述马来酸酐共聚物中的马来酸酐含量为1.5~10%。
7.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，所述的酯交换抑制剂选自磷酸二氢钠、焦磷酸二氢二钠、磷酸一氢锌或磷酸二氢锌中的任意一种或几种；优选的，所述的酯交换抑制剂选自磷酸二氢钠。
8.根据权利要求1所述的PC/PBT合金材料，其特征在于，按重量份数计，还包括0~1份助剂；所述助剂包括抗氧剂或润滑剂中的任意一种或几种。
9.根据权利要求1~8任一项所述的PC/PBT合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 按照配比称量各组分，并将各组分进行预烘干处理，烘干温度为60~100℃，烘干时间为4h~6h；
S2. 将预烘干处理的各组分经过高混机混合均匀；再加入到双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机的温控设置温度为200℃~270℃，将挤出模头的熔融长条通过水槽冷却口，引入到切粒机中进行均化切粒，干燥，得到PC/PBT合金材料。
10.根据权利要求1~8任一项所述的PC/PBT合金材料在电子电气设备中的应用。
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