CN115418052B - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。聚丙烯复合材料，包括如下重量份的组分：聚丙烯55～85份，聚乙烯5～40份，三元共聚物10～30份，相容剂2～10份，无机纤维填料10～30份；聚丙烯的熔体流动速率为0.01～10g/10min；聚乙烯的熔体流动速率为0.01～10g/10min；三元共聚物的熔体流动速率为2～20g/10min。通过特定的三元共聚物、聚乙烯和相容剂、无机纤维填料的共同作用，使得本发明的聚丙烯复合材料在超声波作用下，可以以较短焊接时间，获得更大的焊接强度，并且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤，进一步拓宽了聚丙烯材料的应用。
Description
技术领域
本发明涉及超声焊接技术领域，更具体的，涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
塑料焊接是指用加热方法使两个塑料制件的接触面同时熔融，从而使它们结合成个整体的连接方法。超声波焊接具有快速、灵活、焊接过短稳定且不需焊剂或保护气体，也不产生有害气体或熔渣，产品焊接质量有保证，已发展成为应用最广泛的一种塑料焊接技术，其原理为通过高频超声振动施加于所需焊接的塑料件的接触界面，带动界面及界面附近分子间的剧烈擦瞬间产生高热量，从而使高分子材料熔合，从而达到焊接效果。
超声波在介质中的传播能量损耗主要为吸收损耗，扩散损耗和散射损耗。其中散射损耗为超声波在传播过程中遇到不同介质发生散射，其主要发生在介质的粗大晶粒表面，由于晶粒排列不规则，在倾斜的界面上发生反射、折射等导致能量损耗。聚丙烯为半结晶性高分子材料，具有较高的结晶度和熔融温度，导致超声波在聚丙烯中的散射损耗很大，同时由于其熔融温度较高，熔融焊接需要更多的能量，因此聚丙烯的超声焊接性能很差。
现有技术公开了一种提高聚丙烯超声波焊接效率的方法，通过加入超声敏化剂，可提高基体的弹性模量、降低基体的损耗模量，降低声波能量在基体材料中的损耗；从而缩短焊接时间、提高焊接质量。还有现有技术公开了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，通过在聚丙烯中加入无规聚丙烯和改性膨胀石墨材料，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。但上述技术方案，虽然可以提高材料的模量、改善超声传导，但无法改善聚丙烯的散射损耗，造成超声焊接聚丙烯材料所需的焊接温度高、时间长、焊接强度低。
因此，需要开发出一种焊接性能更优的聚丙烯复合材料。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的焊接性能差的缺陷，提供一种聚丙烯复合材料，通过特定的三元共聚物、聚乙烯和相容剂、无机纤维填料的共同作用，使得本发明的聚丙烯复合材料在超声波作用下，可以以较低的焊接温度、较短焊接时间，获得更大的焊接强度，并且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤，进一步拓宽了聚丙烯材料的应用。
本发明的另一目的在于提供上述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：
一种聚丙烯复合材料，包括如下重量份的组分：
聚丙烯55～85份，
聚乙烯5～40份，
三元共聚物10～30份，
相容剂2～10份，
无机纤维填料10～30份；
所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.01～10g/10min；
所述聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.01～10g/10min；
所述三元共聚物在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为2～20g/10min。
熔体流动速率的检测方法按照ISO 1133-1:2011。
发明人研究发现，由乙烯、1-丁烯和丙烯共聚得到的三元共聚物，在聚丙烯体系中降低了聚丙烯分子链段的结构规整性，同时限制了聚乙烯长链段的形成，降低了材料的熔融温度。
特定熔体流动速率的聚丙烯、聚乙烯和三元共聚物在相容剂的作用下，不同种类分子链相互纠缠破坏了聚丙烯材料的高结晶特性，从而大幅降低了超声波在聚丙烯复合材料中的散射损耗。
无机纤维填料为具有一定方向性的刚性材料，可以提高材料的超声波能量传导效率，缩短超声焊接时间，通过相容剂的添加改善无机纤维材料与基体树脂的界面结合，提高材料的焊接强度。
通过三元共聚物、聚乙烯和相容剂、无机纤维填料的共同作用，使得本发明的聚丙烯复合材料在超声波作用下，可以以较低的焊接温度、较短焊接时间，获得更大的焊接强度。
其中，聚乙烯可以为高密度聚乙烯和/或线性低密度聚乙烯。
优选地，聚乙烯为线性低密度聚乙烯。
优选地，所述三元共聚物的熔融峰温度为120～145℃。
更优选地，所述三元共聚物的熔融峰温度为126～140℃。
再优选地，所述三元共聚物的熔融峰温度为126～135℃。
熔融峰温度的检测方法按照GB/T 30794-2014。
优选地，所述三元共聚物为包括乙烯、1-丁烯和丙烯的三元共聚物。
优选地，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝POE中的一种或几种。
更优选地，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯，其与聚丙烯相容性更佳，可以使本发明的聚丙烯复合材料的焊接性能更优。
再进一步优选地，马来酸酐接枝聚丙烯中，马来酸酐的接枝率为0.8～1.2％。
优选地，所述无机纤维填料为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须、氧化铝晶须、氧化锌晶须或硅灰石中的一种或几种。
更优选地，所述无机纤维填料为玻璃纤维。
优选地，所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.5～9g/10min；所述聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.5～8g/10min；所述三元共聚物在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为5～7g/10min。
更优选地，所述聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.5～2.5g/10min。
优选地，所述聚丙烯复合材料还可以包括0.5～2重量份的抗氧剂和0.1～2重量份的润滑剂。
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、聚乙烯、三元共聚物、相容剂、无机纤维填料和抗氧剂(如有)、润滑剂(如有)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，螺杆长径比为36～52∶1，挤出温度为150～260℃；螺杆转速为300～800r/min。
本发明还保护上述聚丙烯复合材料作为超声焊接聚丙烯材料的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明开发了一种由于超声焊接的聚丙烯复合材料。通过特定的三元共聚物、聚乙烯和相容剂、无机纤维填料的共同作用，使得本发明的聚丙烯复合材料在超声波作用下，可以以较短焊接时间，获得更大的焊接强度，并且能够显著减小焊接局部的应力集中和材料损伤，进一步拓宽了聚丙烯材料的应用。
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。
实施例及对比例中的原料均可通过市售得到。
聚丙烯-1：牌号为PP B1101；中石化；230℃、2.16kg的熔体流动速率为0.5g/10min；
聚丙烯-2：牌号为PP M09；中石化；230℃、2.16kg的熔体流动速率为9g/10min；
三元共聚物-1：牌号为PP KS309；英力士；230℃、2.16kg的熔体流动速率为5g/10min，熔融峰温度为126℃；
三元共聚物-2：牌号为PP FL7632L；新加坡TPC；230℃、2.16kg的熔体流动速率为7.0g/10min，熔融峰温度为132℃；
三元共聚物-3：牌号为PP FL7540L；英力士；230℃、2.16kg的熔体流动速率为7.0g/10min，熔融峰温度为138℃；
聚乙烯-1：线性低密度聚乙烯，牌号为MLPE 3518CB；埃克森；190℃、2.16kg的熔体流动速率为2.5g/10min；
聚乙烯-2：高密度聚乙烯，牌号为HDPE 5502；中石化；190℃、2.16kg的熔体流动速率为0.5g/10min；
聚乙烯-3：高密度聚乙烯，牌号为HDPE DMDA8008；中石化；190℃、2.16kg的熔体流动速率为8g/10min；
相容剂-1，马来酸酐接枝聚丙烯：CA100，阿科玛，马来酸酐接枝率1.0％；
相容剂-2，马来酸酐接枝聚丙烯：MPP-1，金发，马来酸酐接枝率0.5％；
相容剂-3，马来酸酐接枝聚丙烯：MPP-3，金发，马来酸酐接枝率1.5％；
玻璃纤维：玻纤ECS13-04-508A，巨石，平均直径为13μm；
硫酸钙晶须：硫酸钙晶须粉，河北赛纳得，1250目。
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1～11
实施例1～11分别提供一种聚丙烯复合材料，其组分含量见表1，制备方法如下：
将组分加入到混合机中混合均匀，得到混合均匀的物料；将混合均匀的物料通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到所述易吸塑聚丙烯复合材料；其中，所述双螺杆挤出机的长径比为(36-52)：1，所述双螺杆挤出机的熔融段温度为150-260℃。所述混合机的转速300～800r/min。
表1实施例1～11聚丙烯复合材料的组分含量(重量份)
| 组分 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| 聚丙烯-1 | 55 | 85 | 85 | - | 85 | 85 | 85 | 85 | 85 | 85 | 85 |
| 聚丙烯-2 | - | - | - | 85 | - | - | - | - | - | - | - |
| 三元共聚物-1 | 10 | 30 | 30 | 30 | - | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | - |
| 三元共聚物-2 | - | - | - | - | 30 | - | - | - | - | - | - |
| 三元共聚物-3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 30 |
| 聚乙烯-1 | 40 | 5 | 40 | 40 | 40 | - | - | 40 | 40 | 40 | 40 |
| 聚乙烯-2 | - | - | - | - | - | 40 | - | - | - | - | - |
| 聚乙烯-3 | - | - | - | - | - | - | 40 | - | - | - | - |
| 马来酸酐接枝聚丙烯-1 | 2 | 10 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | - | - | 2 |
| 马来酸酐接枝聚丙烯-2 | - | - | - | - | - | - | - | - | 2 | - | - |
| 马来酸酐接枝聚丙烯-3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2 | - |
| 玻璃纤维 | 10 | 30 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 硫酸钙晶须 | - | - | - | - | - | - | - | 20 | - | - | - |
对比例1～7
对比例1～7分别提供一种聚丙烯复合材料，其组分含量见表2，制备方法如下：
将组分加入到混合机中混合均匀，得到混合均匀的物料；将混合均匀的物料通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到所述易吸塑聚丙烯复合材料；其中，所述双螺杆挤出机的长径比为(36-52)：1，所述双螺杆挤出机的熔融段温度为150-260℃。所述混合机的转速300～800r/min。
表2对比例1～7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制得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为测试样片，将两个测试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，通过测试将其拉断的焊接强度和焊接时间，以评估材料的焊接性能。
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
表4对比例的测试结果
根据表3的测试结果，可以看出，本发明各实施例所制备的聚丙烯复合材料具有优异的超声焊接性能，在超声波作用下，可以不超过1.4s的焊接时间，获得21MPa以上的焊接强度。
通过实施例与对比例的焊接时间和焊接强度，添加了三元共聚物可以降低材料的焊接温度，缩短焊接时间。通过聚乙烯与聚丙烯复配，降低了聚丙烯材料的结晶度，减少了聚丙烯的超声耗散，提高了超声传导效率，缩短了超声焊接时间，三元共聚物具有较低的熔点和软化温度，可以降低材料的熔融温度，缩短超声焊接时间；还可以改善聚乙烯与聚丙烯材料的相容性，提高材料的焊接强度；无机纤维材料为具有一定方向性的刚性材料，可以提高材料的超声波能量传导效率，缩短超声焊接时间，通过相容剂的添加改善无机纤维材料与基体树脂的界面结合，提高材料的焊接强度。
实施例1与实施例2相比，实施例2的玻璃纤维的比例提高，焊接时间缩短，焊接强度稍有降低。
实施例2与实施例3相比，三元共聚物比例提高，焊接时间降低程度明显，三元共聚物较聚丙烯树脂强度偏低，焊接强度稍有下降。
实施例4与实施例3相比，实施例4中的聚丙烯2较实施例3中的聚丙烯1熔体流动速率稍高，焊接强度稍低。
实施例3与实施例6～7相比，高密度聚乙烯-2和-3较线性低密度聚乙烯-1焊接时间稍长。
实施例8和实施例3相比，硫酸钙晶须较玻璃纤维的比表面积更大，熔融焊接面占比更高，因此焊接强度稍低。
实施例9～10与实施例3相比，马来酸酐的接枝率为0.8～1.2％，有较好的焊接强度和较短的焊接时间。
对比例1～4中，分别未添加三元共聚物、聚乙烯、相容剂和玻璃纤维，制得的聚丙烯复合材料的焊接性能较差，焊接所需要的时间更长，且经焊接后焊接强度很低。根据对比例5～7，可以看出，在超出本发明技术方案含量范围时，制得的聚丙烯复合材料也无法实现良好的焊接性能。
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 (9)
1.一种聚丙烯复合材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：
聚丙烯55～85份，
聚乙烯5～40份，
三元共聚物10～30份，
相容剂2～10份，
无机纤维填料10～30份；
所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.01～10g/10min；
所述聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.01～10g/10min；
所述三元共聚物在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为2～20g/10min；
所述三元共聚物为包括乙烯、1-丁烯和丙烯的三元共聚物。
2.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述三元共聚物的熔融峰温度为120～145℃。
3.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝POE中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述无机纤维填料为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须、氧化铝晶须、氧化锌晶须或硅灰石中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.5～9g/10min。
6.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚乙烯在190℃、2.16kg下的熔体流动速率为0.5～8g/10min。
7.根据权利要求1所述聚丙烯复合材料，其特征在于，所述三元共聚物在230℃、2.16kg下的熔体流动速率为5～10g/10min。
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、聚乙烯、三元共聚物、相容剂和无机纤维填料混合后，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.权利要求1～7任一项所述聚丙烯复合材料作为超声焊接材料的应用。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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