CN114149677A - 高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明解决的技术问题在于提供一种高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法，高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料包括以下质量分数的原料：玻璃纤维：5‑60wt％；聚碳酸酯：40‑90wt％；抗氧剂：0.1‑1wt％；润滑剂：0.1‑1wt％；玻璃纤维包括：54‑62wt％的SiO2；10‑14wt％的Al2O3；17‑24wt％的CaO；0‑4.5wt％的MgO；0‑1wt％的TiO2；5‑10wt％的BaO；0‑5wt％的ZnO；所述的ZnO和BaO总量不超过10wt％；Li2O、Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.2‑2wt％。本发明提供的高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料具有较高的折射率和透明度，可应用于光学器件领域中，同时还具有很好的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃纤维领域，特别涉及一种高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料及制备方法。
背景技术
聚碳酸酯(PC)是一种分子结构特殊、综合性能优良的热塑性工程树脂，目前它的应用迅速发展。聚碳酸酯的分子链上含有苯环和碳酸脂结构，因此，其分子链的刚性非常大。由于聚碳酸酯的这种特殊的分子结构，决定了聚碳酸酯具有优良的抗冲击性能、耐热性、耐寒性能和良好的耐磨性能。玻璃纤维增强聚碳酸酯不仅提高了聚碳酸酯的力学性能和尺寸稳定性，还降低了聚碳酸酯的线膨胀系数和模塑收缩率，同时还克服了聚碳酸酯不耐应力开裂、疲劳强度等技术缺陷，大大拓展了聚碳酸酯的应用范围。但由于玻璃纤维的折射率 (1.540-1.550)与聚碳酸酯折射率(1.570-1.590)相差较大，因此增强体玻璃纤维的加入，使得聚碳酸酯的光学透明度能劣化，大大限制了其在光学器件领域中的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，它具有较高的折射率和透明度，可应用于光学器件领域中。
本发明的一种高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，包括以下质量分数的原料：
玻璃纤维：5-60wt％；
聚碳酸酯：39-94wt％；
抗氧剂：0.1-1wt％；
润滑剂：0.1-1wt％。
作为优选，其中的玻璃纤维的折射率为1.570～1.590。
作为优选，所述玻璃纤维包括：
54-62wt％的SiO2；
10-14wt％的Al2O3；
17-24wt％的CaO；
0-4.5wt％的MgO；
0-1wt％的TiO2；
5-10wt％的Y2O3；
0-5wt％的ZnO；
所述的ZnO和Y2O3总量不超过10wt％；
Li2O、Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.2-2wt％。
作为优选，所述玻璃纤维包括0-0.4wt％的TiO2和大于5wt％小于等于10％的Y2O3。
作为优选，所述玻璃纤维包括：
54-62wt％的SiO2；
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5-10wt％的BaO；
0-5wt％的ZnO；
所述的ZnO和BaO总量不超过10wt％；
Li2O、Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.2-2wt％。
作为优选，所述玻璃纤维包括：0-0.4wt％的TiO2和大于5wt％小于等于10％的BaO。
作为优选，所述玻璃纤维的横截面形状为圆形、方形或椭圆形。
作为优选，所述玻璃纤维为长度为0.05mm-1mm的磨碎纤维或长度为1mm-18mm短切纤维或连续玻璃纤维中的一种或多种组合物。
作为优选，所述玻璃纤维直径为6um-22um。
作为优选，所述玻璃纤维的拉伸模量大于70GPa,拉伸强度大于 2000MPa。
作为优选，所述聚碳酸酯的折射率为1.580～1.590，对可见光的透射率为80％-90％。
作为优选，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂或亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或多种。
作为优选，所述润滑剂选硅酮粉、改性乙撑双脂肪酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、环形对苯二甲酸丁二醇酯或PE蜡中的一种或多种。
本发明还提供一种高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，用于制备上述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，包括以下步骤：
1)将聚碳酸酯、抗氧剂和润滑剂按设定比例在高速混料机中进行混合；
2)通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料加入到双螺杆挤出机内；
3)通过双螺杆挤出机的侧喂料将玻璃纤维加入到双螺杆挤出机；
4)挤出机加工过程中的物料温度控制在260-290℃。
本发明的高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料和其制备方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的高透明度玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料具有较高的折射率和透明度，同时具有更浅的颜色，使其可应用于光学器件领域中，同时该复合材料相比现有的同类材料还具有更好的机械性能。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，包括以下质量分数的原料：
玻璃纤维：5-60wt％；
聚碳酸酯：39-94wt％；
抗氧剂：0.1-1wt％；
润滑剂：0.1-1wt％。
本发明中采用的玻璃纤维包括：54-62wt％的SiO2；10-14wt％的 Al2O3；17-24wt％的CaO；0-4.5wt％的MgO；0-1wt％的TiO2；5-10wt％的 Y2O3；0-5wt％的ZnO；所述的ZnO和Y2O3总量不超过10wt％；Li2O、Na2O 和K2O的质量百分含量之和为0.2-2wt％。作为优选，所述玻璃纤维包括0-0.4wt％的TiO2和大于5wt％小于等于10％的Y2O3。
或者，本发明采用的所述玻璃纤维包括：54-62wt％的SiO2；10-14wt％的Al2O3；17-24wt％的CaO；0-4.5wt％的MgO；0-1wt％的TiO2；5-10wt％的BaO，0-5wt％的ZnO；所述的ZnO和BaO总量不超过10wt％；Li2O、 Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.2-2wt％。作为优选，所述玻璃纤维包括：0-0.4wt％的TiO2和大于5wt％小于等于10％的BaO。
所述玻璃纤维的更优选的方案为：57.3wt％的SiO2；12.1wt％的 Al2O3；18.2wt％的CaO；2.8wt％的MgO；7.5wt％的Y2O3/BaO；0.3wt％TiO2； 1.2wt％的ZnO；Li2O、Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.6wt％；所述 Y2O3/BaO和ZnO的质量百分含量之和为8.7wt％。
玻璃纤维成分和性能的实施例和对比例如表1所示：
表1
表1续
| 组成 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | 实施例12 | 比较例1 | 比较例2 |
| SiO<sub>2</sub> | 62 | 54.5 | 56.8 | 57.1 | 58.1 | 54.4 | 58.0 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 10 | 12.6 | 12.1 | 11.0 | 10.4 | 14.9 | 11.2 |
| CaO | 18.2 | 24 | 17 | 20.1 | 19.3 | 16.6 | 22 |
| MgO | 1.8 | 0.1 | 4.5 | 0.6 | 1.5 | 4.6 | 2.7 |
| TiO<sub>2</sub> | 0.4 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 微量 | 2.2 |
| BaO | 6.3 | 6.4 | 7.3 | 5.4 | 10 | <0.5 | - |
| ZnO | 0.6 | 1.0 | 1.4 | 5.0 | 0 | ～～～ | 2.7 |
| R<sub>2</sub>O | 0.7 | 1.0 | 0.6 | 0.6 | 0.4 | <0.5 | 0.8 |
| B | ～ | ～ | ～ | ～ | 8.5 | ～ | |
| F | ～ | ～ | ～ | ～ | 0.3 | ～ | |
| T<sub>logη＝3</sub>(℃) | 1240 | 1232 | 1233 | 1231 | 1227 | 1214 | 1261 |
| T<sub>液</sub>(℃) | 1145 | 1154 | 1164 | 1142 | 1145 | 1135 | 1173 |
| 折射率(nD) | 1.579 | 1.585 | 1.582 | 1.586 | 1.588 | 1.545 | 1.579 |
| 拉伸模量 | 88.5 | 88.6 | 88.9 | 87.8 | 87.1 | 81.9 | 83.1 |
本发明的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料采用的玻璃纤维的折射率为1.570-1.590，聚碳酸酯的折射率为1.580-1.590，二者的折射率具有良好的匹配性，且颜色更浅；所述玻璃纤维的拉伸模量大于70GPa,拉伸强度大于2000MPa。所述玻璃纤维浸胶纱线拉伸模量大于87GPa，具有良好的尺寸稳定性。所述玻璃纤维成型温度不超过 1250℃，析晶上限温度不超过1180℃。
本发明采用的玻璃纤维为长度为0.05mm-1mm的磨碎纤维或长度为 1mm-18mm短切纤维或连续玻璃纤维中的一种或多种组合物。连续玻璃纤维的长度不限，所述玻璃纤维直径为6um-22um。所述玻璃纤维的横截面形状为圆形、方形或椭圆形，对于非圆形截面的玻璃纤维，这里的直径是指等效直径，即相同面积时对应的圆形截面直径。
本发明实施例选用的玻璃纤维的物理参数如下：
A
圆截面高折射率玻璃纤维，重庆国际复合材料股份有限公司生产的ECS307HR-3-K,纤维直径13um，长度3mm，折射率1.583-1.585。
B
椭圆形截面高折射率玻璃纤维，重庆国际复合材料股份有限公司生产的ECS307HR-3-M3，纤维直径15um，在本发明中，对于非圆形截面的玻璃纤维，其直径是指相同面积对应的圆形截面的直径。纤维的长度3mm，折射率1.583-1.585。
本发明的对照例中选用的玻璃纤维的物理参数如下：
C
普通圆截面玻璃纤维，重庆国际复合材料股份有限公司生产的 ECS307-3-K,纤维直径13um，长度3mm。
D
普通椭圆形截面玻璃纤维，重庆国际复合材料股份有限公司生产的ECS307AT-3-M3,纤维直径15um，长度3mm。
本发明的所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂或亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或多种。在本实施例中，抗氧剂为季戊四醇酯类抗氧剂，采用中国台湾长春的1010。
本发明实例中选用的聚碳酸酯为沙伯基础的Lexan 123R，密度 1.2g/cm3,熔融指数17.5g/10min，折射率1.583-1.586。
润滑剂选硅酮粉、改性乙撑双脂肪酸酰胺或季戊四醇硬脂酸酯、环形对苯二甲酸丁二醇酯或PE蜡(聚乙烯蜡)中的一种或多种。在本实施例中，润滑剂为硅烷类润滑剂，采用晨光化工KH560。测试项目和标准如表2所示。
表2
| 测试项目 | 测试标准 |
| 拉伸强度 | ASTM D638 |
| 弯曲强度 | ASTM D790 |
| 弯曲模量 | ASTM D790 |
| 透光率 | ASTM D1003 |
| 缺口冲击强度 | ASTM D256 |
| 无缺口冲击强度 | ASTM D256 |
实施例1：
按质量百分比计，将89.2％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.3％抗氧剂 1010和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合物料加入到双螺杆挤出机内，最后将10％的玻璃纤维A通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，参照表3。
实施例2：
按质量百分比计，将79％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合物料加入到双螺杆挤出机内，然后将20％的玻璃纤维 A通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例3：
按质量百分比计，将69％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口进行加料，然后将30％的玻璃纤维A通过双螺杆挤出机的侧喂料口进行加料，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例4
按质量百分比计，将59％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料加入到双螺杆挤出机内，然后将40％的玻璃纤维A通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例5
按质量百分比计，将59％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料家加入到双螺杆挤出机内，然后将40％的玻璃纤维B通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例6
按质量百分比计，将94％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.9％抗氧剂1010 和0.1％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料家加入到双螺杆挤出机内，然后将5％的玻璃纤维B通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例7
按质量百分比计，将39％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.1％抗氧剂1010 和0.9％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料家加入到双螺杆挤出机内，然后将60％的玻璃纤维B通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
实施例8
按质量百分比计，将58％的聚碳酸酯Lexan 123R、1％抗氧剂1010 和1％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料家加入到双螺杆挤出机内，然后将40％的玻璃纤维B通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
对照例1
按质量百分比计，将79％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料加入到双螺杆挤出机内，然后将20％的玻璃纤维C通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
对照例2
按质量百分比计，将59％的聚碳酸酯Lexan 123R、0.5％抗氧剂1010 和0.5％润滑剂投入到高速混料机中进行混合，然后通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料加入到双螺杆挤出机内，然后将40％的玻璃纤维D通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入到双螺杆挤出机内，进行造粒。整个加工过程中，挤出机加工温度控制在260-290℃，双螺杆转数为300转/分钟。所得粒料按标准尺寸注塑成测试所需的标准样条，其性能参照表3。
表3
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，包括以下质量分数的原料：
玻璃纤维：5-60wt％；
聚碳酸酯：39-94wt％；
抗氧剂：0.1-1wt％；
润滑剂：0.1-1wt％；
所述玻璃纤维包括：
54-62wt％的SiO2；
10-14wt％的Al2O3；
17-24wt％的CaO；
0-4.5wt％的MgO；
0-1wt％的TiO2；
5-10wt％的BaO；
0-5wt％的ZnO；
所述的ZnO和BaO总量不超过10wt％；
Li2O、Na2O和K2O的质量百分含量之和为0.2-2wt％。
2.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，其中的玻璃纤维的折射率为1.570～1.590。
3.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维包括：0-0.4wt％的TiO2和大于5wt％小于等于10％的BaO。
4.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维的横截面形状为圆形、方形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维为长度为0.05mm-1mm的磨碎纤维或长度为1mm-18mm短切纤维或连续玻璃纤维中的一种或多种组合物。
6.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维直径为6um-22um。
7.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维的拉伸模量大于70GPa,拉伸强度大于2000MPa。
8.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述聚碳酸酯的折射率为1.580-1.590，对可见光的透射率为80％-90％。
9.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂或亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述润滑剂选硅酮粉、改性乙撑双脂肪酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、环形对苯二甲酸丁二醇酯或PE蜡中的一种或多种。
11.一种高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，用于制备权利要求1-10中任一项中所述的高透明度的玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，包括以下步骤：
1)将聚碳酸酯、抗氧剂和润滑剂按设定比例在高速混料机中进行混合；
2)通过双螺杆挤出机的主喂料口将混合后的物料加入到双螺杆挤出机内；
3)通过双螺杆挤出机的侧喂料将玻璃纤维加入到双螺杆挤出机；
4)挤出机加工过程中的物料温度控制在260-290℃。
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