CN115368701B - 一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。本发明的聚丙烯复合材料,包括如下重量份的组分:聚丙烯60~85份,增韧剂1~20份,填充剂1~20份,黑色着色剂0.5~2.5份,其他助剂0.1~1.5份;所述增韧剂为乙烯‑辛烯共聚物、乙烯‑丁烯共聚物或乙烯‑丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物中的一种或者几种;所述黑色着色剂为苯胺黑和/或油化黑。通过选择特定的黑色着色剂,使聚丙烯复合材料获得黑色效果;并引入特定种类的增韧剂,使材料保持优异的激光透过率,可用于激光焊接;同时,增韧剂、黑色着色剂与填充剂的复配大大改善了聚丙烯复合材料的耐候性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域,更具体的,涉及一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
激光焊接技术是借助激光束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。最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接。激光透射焊接技术的过程为:首先将两个待焊接塑料零部件夹在一起,将一束短波红外区的激光定向到待粘结的部位,激光束通过上层材料、被下层材料吸收,激光能量被吸收使得下层材料温度升高,熔化上层以及和下层的塑料,从而完成焊接。在激光投射焊接中,要求上层材料对激光的透光率高,以保证有足够的激光通过。
目前很多户外材料的外观是黑色或深色,比如汽车的外饰件,光纤包装材料等,汽车内外饰上的改性材料通常以黑色的外观为主。常规的黑色材料大部分采用炭黑作为着色剂进行着色,但炭黑对激光的透过率较低,大部分光线都被吸收,导致激光焊接无法在这类材料上应用。
现有技术公开了一种用于激光焊接的聚丙烯树脂组合物和包括其的用于车辆的模制产品,用过引入三原色有机颜料来进行材料着色。虽然通过三原色有机颜料复配也可以得到黑色效果,但其本身分子结构决定了其耐光、耐热相对较差,长时间光照或热辐射会破坏分子结构,导致其显色基团破坏,最终出现褪色现象。通过三原色有机颜料复配着色得到的黑色材料在户外耐候性相对较差。
因此,需要开发出一种耐候性能优异的黑色可激光焊接聚丙烯复合材料。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的耐候性能差的缺陷,提供一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,通过选择特定的黑色着色剂,使聚丙烯复合材料获得黑色效果;并引入特定种类的增韧剂,使材料保持优异的激光透过率,可用于激光焊接;同时,增韧剂、黑色着色剂与填充剂的复配大大改善了聚丙烯复合材料的耐候性能。
本发明的另一目的在于提供上述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料的应用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,包括如下重量份的组分:
聚丙烯60~85份,
增韧剂1~20份,
填充剂1~20份,
黑色着色剂0.5~2.5份,
其他助剂0.1~1.5份;
所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物(POE)、乙烯-丁烯共聚物或乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物,英文名称为SEBS)中的一种或者几种的一种或几种;
所述黑色着色剂为苯胺黑和/或油化黑。
所述苯胺黑的CAS号为11099-03-9,所述油化黑的CAS号为106-51-4。
本发明通过选择特定的黑色着色剂,苯胺黑和油化黑均为油溶性的黑色有机颜料,具有更好的透光性,对光的吸收较少,使聚丙烯复合材料获得黑色效果并保持良好的耐候性能;并引入特定种类的增韧剂,使材料保持优异的激光透过率,可用于激光焊接;同时,增韧剂、黑色着色剂与填充剂的复配,通过协同作用,进一步提高了聚丙烯复合材料的耐候性能。
POE、乙烯-丁烯共聚物或SEBS作为增韧剂,一方面可以一定程度上降低聚丙烯复合材料的结晶度,使得材料的透光性更高;另一方面还可以促进黑色着色剂在聚丙烯体系中分散更均匀,从而进一步使得材料的透光性更均匀。
优选地,所述聚丙烯为嵌段共聚聚丙烯。
相比于无规共聚聚丙烯,嵌段共聚聚丙烯由于结晶度更低,自身透光率更高,并且拉伸剪切力更高,使得聚丙烯复合材料的力学性能更优。
优选地,所述黑色着色剂为油化黑与苯胺黑按照质量比1∶(0~1)的混合物。
更优选地,所述黑色着色剂为油化黑。
发明人研究发现,油化黑与苯胺黑虽然均可以使黑色聚丙烯复合材料具有良好的耐候性能,但采用油化黑作为黑色着色剂的聚丙烯复合材料的耐候性能更优,且对于950nm的激光透过率更高。因此,优选黑色着色剂中油化黑占比较多,或全部为油化黑。
优选地,所述增韧剂为SEBS。
SEBS具有非结晶弹性体结构,可以使得聚丙烯复合材料的激光透过率更高,从而更适合用于激光焊接,并且SEBS作为增韧剂可以显著提高材料的拉伸剪切力,从而使得聚丙烯复合材料经激光焊接处理后焊接力更强。同时,采用SEBS为增韧剂的聚丙烯复合材料的耐候性能更好。
可选地,所述增韧剂在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.5~10g/10min,密度为0.8~0.95g/cm3。
所述熔体流动速率按照ASTM D-1238-2010方法检测。
所述密度按照ISO 1183-1-2019标准方法检测。
优选地,所述填充剂为滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、云母粉、硫酸镁晶须中的一种或几种。
更优选地,所述填充剂为滑石粉和/或云母粉。
滑石粉和云母粉均具有片状结构,发明人研究发现,上述两种填充剂在本发明的聚丙烯复合材料体系内,可以使得材料的耐候性能更优。
优选地,所述填充剂的平均粒径为300~400目。
优选地,所述其他助剂为抗氧剂和/或润滑剂。
所述抗氧剂可以为聚丙烯材料中常用的抗氧剂。
可选地,所述抗氧剂为单酚和双酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、含硫类抗氧剂、胺类抗氧剂、半受阻酚类抗氧剂中的一种或几种。
可选的,所述润滑剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、乙撑双硬脂酸酰胺、古尔胶或脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
本发明还保护上述聚丙烯复合材料的制备方法,包括如下步骤:
将聚丙烯、增韧剂、填充剂、黑色着色剂和其他助剂混合后,加至挤出机,经熔融混合、挤出造粒,得到所述聚丙烯复合材料。
优选地,所述挤出机为双螺杆挤出机。
优选地,所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为45~50∶1,挤出温度为T1区80~120℃,T2~T5区180~200℃,T6~T12区200~230℃;螺杆转速为450~2800r/min。
本发明还保护上述聚丙烯复合材料作为焊接材料的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明开发了一种耐候性能优异的黑色、可激光焊接的聚丙烯复合材料。通过选择特定的黑色着色剂,使聚丙烯复合材料获得黑色效果;并引入特定种类的增韧剂,使材料保持优异的激光透过率,可用于激光焊接;同时,增韧剂、黑色着色剂与填充剂的复配大大改善了聚丙烯复合材料的耐候性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例中的原料均可通过市售得到。
聚丙烯-1,K7227H,宁波台化,嵌段共聚聚丙烯;
聚丙烯-2,RP346R,苏州瑞塑源塑化,无规共聚聚丙烯;
填充剂,滑石粉,TYT-777A,厦门海川达工贸,3000目;
填充剂,云母粉,HYC,江门市精达云母材料有限公司,325目;
填充剂,硫酸镁晶须,WS-1S2,营口威斯克化学,平均粒径30μm;
填充剂,碳酸钙,A523,高安民太化工,平均粒径2000目;
增韧剂-1,POE,三井化学DF640,在230℃、2.16kg条件下熔体流动速率为3.6g/10min,密度0.862g/cm3;
增韧剂-2,SEBS,基石塑料(东莞)有限公司6165,在230℃、2.16kg条件下熔体流动速率为4.0g/10min,密度0.908g/cm3;
增韧剂-3,乙烯丁烯共聚物,LC575,韩国LG化学,在230℃、2.16kg条件下熔体流动速率为34.5g/10min,密度:0.938g/cm3;
增韧剂-4,茂金属聚乙烯,3518PA东莞市天金塑胶,在230℃、2.16kg条件下熔体流动速率为2.0g/10min,密度0.918g/cm3。
着色剂,油化黑,日本大日精化675;
着色剂,苯胺黑,济南旭创化工TN-870;
着色剂,炭黑,天津华远化工ZX105;
着色剂,复配黑色颜料,酞青蓝、酞青红、酞青绿的复配物,深圳鼎泰。
抗氧剂,抗氧剂1010,市售;
润滑剂,乙撑双硬脂酸酰胺,市售。
本发明平行的实施例和对比例中使用的抗氧剂和润滑剂种类相同。
除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1~17
实施例1~17分别提供一种聚丙烯复合材料,组分含量见表1,制备方法如下:
按照表1将所有组分混合后,加至双螺杆挤出机,经熔融混合、挤出造粒,得到聚丙烯复合材料;
双螺杆挤出机的螺杆长径比为45~50∶1,挤出温度为T1区80~120℃,T2~T5区180~200℃,T6~T12区200~230℃;螺杆转速为2000r/min。
表1实施例1~17的聚丙烯复合材料的组分含量(重量份)
对比例1~5
对比例1~5分别提供一种聚丙烯复合材料,组分含量见表2,制备方法如下:
按照表2将所有组分混合后,加至双螺杆挤出机,经熔融混合、挤出造粒,得到聚丙烯复合材料;
双螺杆挤出机的螺杆长径比为45~50∶1,挤出温度为T1区80~120℃,T2~T5区180~200℃,T6~T12区200~230℃;螺杆转速为2000r/min。
表2对比例1~5的聚丙烯复合材料的组分含量(重量份)
性能测试
对上述实施例和对比例的聚丙烯复合材料进行性能测试,具体方法如下:
将聚丙烯复合材料注塑成100mm*100mm*3mm的样板,分别进行耐候性能测试和透光率测试;
耐候性能:利用X-rite Color-Eye Ci7800台式测色仪测对样板进行QUV紫外老化测试前后的DL、Db值进行表征;每个样品取5块色板进行测试,结果取平均值;DL、Db值越大,表示色差越大耐候性越差;QUV紫外老化条件为:UVA-340(340nm)光谱,1.55W/m2/nm,在黑标准温度60℃(±3℃)条件下UV照射暴露8h;然后无照射,自然降温且0.25h喷水;继续在黑标准温度50℃(±3℃)条件下辐射暴露3.75h;
透光率:通过LPKF-TMG 3乐普科光电有限公司透光率测色仪测试950nm条件下的100mm*100mm*3mm样板透过率;
将聚丙烯复合材料注塑成100mm*10mm*3mm的焊接样条,分别进行焊接试验,检测焊接强度;焊接强度通过大族激光焊接仪将可透光聚丙烯与同尺寸的焊接样条进行激光焊接后,在950nm光谱条件下以GB/T 11336-2004标准方法测试其焊接力。
实施例的测试结果见表3,对比例的测试结果见表4。
表3实施例的测试结果
根据表3的测试结果,本发明各实施例的聚丙烯复合材料的耐候性能优异,经QUV紫外老化后,DL值≤2.3,Db值≤2.3;且透光率均≥22%,可用于激光焊接;经激光焊接后,焊接力≥690N,焊接强度高。
根据实施例1、2,可以看出,相比于无规共聚聚丙烯,采用嵌段共聚聚丙烯作为聚丙烯基体,制得的聚丙烯复合材料的透光率更高一些,且焊接力更强。
由实施例1、3、4,POE、乙烯-丁烯共聚物或SEBS作为增韧剂,制得的聚丙烯复合材料的耐候性能和焊接性能均可满足要求,但不同的增韧剂对于聚丙烯复合材料的透光率和耐候性能还有一定差异。增韧剂为SEBS时,由于SEBS具有非结晶弹性体结构,可以使得聚丙烯复合材料的激光透过率更高,并且经QUV紫外老化后色差更低,耐候性更好。
由实施例1、5~7,填充剂为具有片状结构的滑石粉或云母粉时,在本发明的聚丙烯复合材料体系内,可以使得材料的耐候性能更优。虽然相比于实施例1(填充剂为硫酸镁晶须),实施例5、6的透光率略低一些,但也可以满足激光焊接的使用要求,综合考虑到耐候性能,认为填充剂优选为滑石粉和/或云母粉。
由实施例1、9~11,可以看出,对于黑色着色剂,油化黑与苯胺黑虽然均可以使黑色聚丙烯复合材料具有良好的耐候性能,但采用油化黑作为黑色着色剂的聚丙烯复合材料的耐候性能更优,且对于950nm的激光透过率更高。因此,优选黑色着色剂中油化黑占比较多,或全部为油化黑。
根据实施例14、15与实施例1的测试结果对比,当填充剂含量为20份时,可能由于含量较多、出现部分团聚,而对材料的耐候性能造成一定负面影响;当填充剂含量较少时,虽然聚丙烯复合材料的透光率较高,但耐候性能略差一些。
表4对比例的测试结果
根据表4的测试结果,对比例1中,增韧剂为茂金属聚乙烯,虽然也含有乙烯基团可用于聚丙烯材料的增韧,但由于结晶度过高,使得聚丙烯复合材料的透光率低,焊接性能差,经激光焊接后焊接力低,且聚丙烯复合材料的耐候性能较差。对比例2、对比例3中,黑色着色剂分别替换为炭黑、三原色有机复配黑色颜料,炭黑的加入导致材料对激光的透过率较低;有机复配黑色颜料的耐光、耐热性能较差,使得聚丙烯复合材料的耐候性能较差。
对比例4中,黑色着色剂油化黑的含量过多,超出本发明技术方案范围,导致材料对光吸收过多,耐候性能较差,且透光率低,造成激光焊接后焊接力低。对比例5中增韧剂含量过少,难以与黑色着色剂形成有效的协同增效作用,使得聚丙烯复合材料的耐候性能较差,也难以促进黑色着色剂的均匀分散,导致材料的透光率较低。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,包括如下重量份的组分:
聚丙烯 60~85份,
增韧剂 1~20份,
填充剂 1~20份,
黑色着色剂 0.5~2.5份,
其他助剂 0.1~1.5份;
所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物或SEBS中的一种或者几种;
所述黑色着色剂为油化黑与苯胺黑按照质量比1∶(0~1)的混合物。
2.根据权利要求1所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述聚丙烯为嵌段共聚聚丙烯。
3.根据权利要求1所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述黑色着色剂为油化黑。
4.根据权利要求1所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述增韧剂为SEBS。
5.根据权利要求1所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述填充剂为滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、云母粉、硫酸镁晶须中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述填充剂为滑石粉和/或云母粉。
7.根据权利要求1所述耐候可激光焊接的聚丙烯复合材料,其特征在于,所述其他助剂为抗氧剂和/或润滑剂。
8.权利要求1~7任一项所述聚丙烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将聚丙烯、增韧剂、填充剂、黑色着色剂和其他助剂混合后,加至挤出机,经熔融混合、挤出造粒,得到所述聚丙烯复合材料。
9.根据权利要求8所述制备方法,其特征在于,所述挤出机为双螺杆挤出机,螺杆长径比为45~50∶1,挤出温度为T1区80~120℃,T2~T5区180~200℃,T6~T12区200~230℃;螺杆转速为450~2800r/min。
10.权利要求1~7任一项所述聚丙烯复合材料作为焊接材料的应用。
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