CN115490953B - 一种黑色聚烯烃材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种黑色聚烯烃材料及其制备方法，包括以下重量组分：聚丙烯树脂30‑90份、玻璃纤维10‑40份、相容剂1‑5份、增透剂0.1‑2份、吸酸剂0.5‑5份、光稳定剂0.1‑4份、黑色着色剂0.1‑1份。本申请提供的黑色聚烯烃材料，以增透剂、吸酸剂和光稳定剂协同作用，赋予黑色聚烯烃材料较高的激光透过率、耐候性和机械强度。
Description
技术领域
本申请涉及复合材料技术领域，特别涉及一种黑色聚烯烃材料及其制备方法。
背景技术
黑色聚烯烃材料因其优势被广泛应用于汽车、电子、家电、通信等各领域，成为目前市场占有率较高的通用塑料，焊接是热塑性塑料二次加工的主要方法之一，通过输入热量使两塑料部件的接合面发生熔化或软化，在冷却过程中，施加一定的压力，使两塑料部件达到分子间的结合。
传统的焊接方法在焊接高分子材料时会存在一些缺陷。如焊接过程中两塑料部件容易发生粘接是热板焊接的缺点，而且还会产生有害气体；焊接过程中会产生热应力和残余振动应力是振动焊接和超声波焊接的主要缺陷，从而会降低产品的寿命。激光焊接具有广泛的应用前景，焊接速度快，生成的焊缝精密、牢固、密封性好；此外，由于激光的非接触性，也不会产生污染，可实现高的焊接质量以及保持焊缝的美观，因此被广泛应用于高分子材料焊接。
激光焊接技术通常要求被焊接的两个塑料制件有一个制件(制件1)具有一定的激光透光率，另一个制件(制件2)对激光有明显的阻隔作用。激光束可透过上层制件1，由于下层制件2不透激光，激光能量被吸收使得下层材料温度升高，熔化上层及下层接触面的塑料，从而完成焊接。
然而，现有黑色聚烯烃材料通常存在无法兼顾激光透过率、强度和耐候性的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种黑色聚烯烃材料及其制备方法，以解决相关技术中黑色聚烯烃材料无法兼顾激光透过率、强度和耐候性的问题。
第一方面，本申请提供了一种黑色聚烯烃材料，包括以下重量组分：
一些实施例中，所述吸酸剂包括磷酸盐。
一些实施例中，所述磷酸盐包括磷酸钠、磷酸钾中的至少一种。
一些实施例中，所述黑色粉为有机黑色着色剂。
一些实施例中，所述相容剂包括极性单体接枝聚乙烯；
所述极性单体包括马来酸酐及其衍生物、丙烯酸及其酯类衍生物中的一种或几种。
一些实施例中，所述聚丙烯树脂包括均聚聚丙烯树脂、共聚聚丙烯树脂中的至少一种。
一些实施例中，所述增透剂包括山梨醇类增透剂。
一些实施例中，其还包括以下重量组分：
抗氧剂 0.1-1份；
润滑剂 0.1-1份。
第二方面，本申请还提供了一种黑色聚烯烃材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例将聚丙烯树脂、相容剂、增透剂、吸酸剂、光稳定剂、黑色粉混合均匀得到预混料；
将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒获得黑色聚烯烃材料。
一些实施例中，熔融挤出造粒过程中双螺杆挤出机的温度设置为：
1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区：200-230℃。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请提供的黑色聚烯烃材料，增透剂的添加改变了材料结晶类型，使得激光更易从材料内部通过，有效提升黑色聚烯烃材料的激光透过率和激光焊接强度，玻璃纤维能够提高材料机械强度，吸酸剂能够降低材料体系的酸度，从而降低黑色着色剂的迁移率，减少产品色差，同时避免了光稳定剂因酸度过高而失效的现象，提高光稳定剂对材料的光老化保护作用，进而提高了黑色聚烯烃材料的耐候性。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
第一方面，本申请实施例提供了一种黑色聚烯烃材料，包括以下重量组分：
本申请通过在聚丙烯树脂体系中添加玻璃纤维，赋予材料成型后优异的机械强度，满足使用需求，相容剂能够提高玻璃纤维与聚丙烯树脂之间的界面结合力，减少浮纤，提高玻璃纤维分散均匀性；光稳定剂的作用是抑制户外可见光、紫外光对聚丙烯等高分子聚合物的光照分解，提高材料耐候性，然而，相容剂的加入容易导致体系整体酸性提高，酸性条件下一方面容易使得光稳定剂失效，无法起到对材料光老化的保护作用，另一方面，在酸性条件下，黑色着色剂容易出现迁移、析出现象，由此导致材料耐候性差，易褪色问题，本申请通过加入吸酸剂，降低材料体系酸性值，提高黑色着色剂和光稳定剂的稳定性，从而提高材料耐候性，减少褪色及色差现象；
增透剂的添加改变了材料结晶类型，使得激光更易从材料内部通过，有效提升黑色聚烯烃材料的激光透过率和激光焊接强度，本申请通过黑色聚烯烃材料配方的优化，使其兼顾机械强度高、耐候性好、激光透过率高的优点，可用于激光焊接，焊接强度高，极大的扩大了黑色聚烯烃材料的应用场景和范围。
在优选的实施例中，所述玻璃纤维为无碱短切玻璃纤维，进一步的，所述玻璃纤维的长度为0.5～10mm，所述玻璃纤维的直径为4～20μm。
在一些实施例中，所述光稳定剂包括邻羟基二苯甲酮、苯并三唑、水杨酸酯和受阻胺类中的一种或几种。
在一些实施例中，所述吸酸剂包括磷酸盐。
所述磷酸盐吸酸剂能够与本申请其它组分较好的搭配，有效降低体系酸性值。
在一些实施例中，所述磷酸盐包括磷酸钠、磷酸钾中的至少一种。
所述磷酸钠、磷酸钾能够进一步促进聚丙烯的异相成核作用，产生细晶微晶，使得聚丙烯整体透光性得到提升，相应的提高黑色聚烯烃材料的近红外激光透过率。
在一些实施例中，所述黑色粉为有机黑色着色剂。
有机黑色着色剂具有着色度高、分散均匀性好的特点，进一步的，本申请有机黑色着色剂为油溶性苯胺黑。
在一些实施例中，所述相容剂包括极性单体接枝聚乙烯；
所述极性单体包括马来酸酐及其衍生物、丙烯酸及其酯类衍生物中的一种或几种。
极性单体接枝聚乙烯与聚丙烯树脂相比具有更低的熔点和更低的熔体粘度，可以更好的浸润玻璃纤维表面，相容剂中的极性单体可以很好的与玻璃纤维相结合，极性单体接枝聚乙烯与聚丙烯树脂具有良好的相容性，因此其既能起到相容剂作用又能起到抗浮纤作用，提高黑色聚烯烃材料的外观品质和强度。
在一些实施例中，所述聚丙烯树脂包括均聚聚丙烯树脂、共聚聚丙烯树脂中的至少一种。
在优选的实施例中，所述聚丙烯树脂的熔融指数为5～100g/10min，在该熔融指数内的聚丙烯树脂可以更好的包裹、浸润玻璃纤维，在挤出过程中降低剪切，使得产品外观良好且玻璃纤维保留长度高。
在一些实施例中，所述增透剂包括山梨醇类增透剂。
聚丙烯为一种结晶性树脂，当从熔体状态冷却时，其中有序结构开始形成尺寸很小的晶坯，晶坯长大到一定尺寸时转变为初始晶核，随后分子链在热运动影响下重排形成初期晶片。增透剂能够促进聚丙烯的异相成核，细化结晶尺寸，形成比较均一的晶型构造和更厚的取向性皮层结构，减少对光的折射和散射，提高激光透过率，其中，山梨醇类增透剂在聚丙烯中，与其他类型的成核剂相比，具有更优的晶粒细化作用，在聚丙烯树脂的加工过程中在聚丙烯体系内形成三维网状结构，为聚丙烯的异相成核提供更多的支点，同时不会促进晶核的纵向伸长，从而避免了晶核在快速生长过程中，形成不完善的片晶。
在优选的实施例中，所述山梨醇类增透剂包括二苄叉山梨醇、1,3,2,4-二(对甲基二苄叉)山梨醇、正丙基苯甲醛-正丙基山梨醇的缩合物、1,2,3-三脱氧-4,6:5,7-双-O-[(4-丙苯基)亚甲基]-壬醇中的一种或几种。
在一些实施例中，其还包括以下重量组分：
抗氧剂 0.1-1份；
润滑剂 0.1-1份。
所述抗氧剂能够在加工过程中，防止聚丙烯树脂在高温高压条件下降解及后续使用过程中老化降解，可与光稳定剂协同作用，防止光氧和热氧老化，提高材料耐候性。
进一步的，所述抗氧剂可以选用丙烯酸树脂常用抗氧剂，例如：酚类、亚磷酸酯类、二价硫类或受阻胺类抗氧剂等；
所述润滑剂可以改善聚丙烯树脂的挤出性能，提高产物的表面光滑度；
进一步的，所述润滑剂可以选用丙烯酸树脂常用润滑剂，例如：酰胺类、金属皂类和低分子酯类等。
在优选的实施例中，为提高聚丙烯材料的性能，还可以包括：热稳定剂0.1-1份，热稳定剂能够减少聚丙烯材料的热降解，提高材料保持率。
第二方面，本申请实施例提供了一种黑色聚烯烃材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例将聚丙烯树脂、相容剂、增透剂、吸酸剂、光稳定剂、黑色粉混合均匀得到预混料；
将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒获得黑色聚烯烃材料。
本申请采用双螺杆熔融共混挤出造粒方法制备，具有高效率、分散性高特点，将玻璃纤维从侧喂料口喂入可降低剪切，进一步提升玻璃纤维的长度。
在一些实施例中，熔融挤出造粒过程中双螺杆挤出机的温度设置为：
1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃。
具体的，本申请所述双螺杆挤出机从喂料段至机头的温度依次设为：1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区：200-300℃。
其中，主喂料口设于1区，侧喂料口设于4区，通过设置该挤出温度，使得熔体更好浸润玻璃纤维以及降低剪切，进一步提高黑色聚烯烃材料的力学性能。
以下通过具体实施例对本申请进行进一步的说明。
实施例1
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、0.1份增透剂、0.5份磷酸钠吸酸剂、2份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，30份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例2
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、2份增透剂、0.5份磷酸钠吸酸剂、2份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，30份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例2
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、2份增透剂、0.5份磷酸钠吸酸剂、2份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，30份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例3
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、2份增透剂、5份磷酸钠吸酸剂、2份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，30份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例4
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、1份增透剂、3份磷酸钾吸酸剂、2份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，40份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例5
101：将70份聚丙烯树脂、5份相容剂、1份增透剂、2份磷酸钠吸酸剂、4份光稳定剂、0.4份有机黑色着色剂、0.5份抗氧剂、0.5份润滑剂经高速混合机混合均匀，得到预混料；
102：将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，30份玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，挤出机温度设置为1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区200-300℃，经熔融挤出、造粒得到黑色聚烯烃材料。
实施例6
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
采用氢氧化镁吸酸剂替代磷酸钠吸酸剂。
对比例1
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
不添加增透剂。
对比例2
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
不添加吸酸剂。
对比例3
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
不添加增透剂和吸酸剂。
对比例4
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
不添加增透剂和光稳定剂。
对比例5
包括实施例1的大部分操作步骤，其不同此处仅在于：
吸酸剂的添加量为0.2份。
性能测试
对实施例1-6和对比例1-5所制备的黑色聚烯烃材料进行如下性能测试，结果见表1：
激光透过率：将实施例1-6和对比例1-5提供的黑色聚烯烃材料注塑成100mm*100mm*2mm方板，通过透光率测试仪测试激光透过率；
焊接强度：将材料注塑成25mm*13mm*2mm样条，采用激光焊接仪进行激光焊接，其中上层为吸光样条，下层为透光样条，吸光样条由本申请配方中去掉有机黑色着色剂、加入0.2％炭黑后材料制得，透光样条为本申请实施例提供的黑色聚烯烃材料制得。焊接时两根样条搭接，重叠长度为40mm，接线条数为3条，焊线宽度为2mm、间隔为12mm，激光其发射波长为915nm，功率为20W，移动速度为20mm/s，每组焊接测试5根样条，焊接后常温下静置24小时，采用万能试验机进行拉伸测试得到拉脱力数据。
耐候性能：将实施例1-6和对比例1-5提供的黑色聚烯烃材料注塑成100mm*100mm*2mm方板，置于氙灯老化箱2000h，标准采用ISO 4892-2(cycle1)，对比测试方板放置前后色差数值以及机械强度变化。
表1
注：表1中“S”代表实施例，例如“S1”代表实施例1；“D”代表对比例，例如“D1”代表对比例1”。
根据表1，结合实施例1-6和对比例2的数据可以看出，实施例1-6通过在聚丙烯酸体系中添加吸酸剂，能够有效降低体系酸度，从而增强光稳定剂的稳定性，相比于不添加吸酸剂的对比例2，氙灯老化-色差降低由20降低至13以下，同时拉伸强度保持率由84％提高至94％以上，说明吸酸剂的加入能够有效提高材料耐候性；
结合实施例1-5和对比例1的数据可以看出，实施例1-5中通过在原料体系中添加增透剂，能够细化聚丙烯酸结晶粒度，提高激光透过率，相比于不添加增透剂的对比例1，激光透过率提高10％以上，焊接强度同样大幅提升，说明增透剂的加入能够有效提高材料透光率；
进一步的，结合实施例1-5和实施例6的数据可以看出，实施例1-5采用磷酸盐作吸酸剂相比于实施例6的氢氧化镁吸酸剂，磷酸盐类吸酸剂能够进一步促进聚丙烯酸的异相成核，细化晶粒，从而进一步提高材料的激光透过率和激光焊接强度；
结合实施例1与对比例5的数据可以看出，对比例5中吸酸剂添加量低于本申请范围，其激光透过率和激光焊接焊接强度、拉伸强度保持率均低于实施例1的，氙灯老化-色差高于实施例1的，说明实施例1无论是在激光透过率还是耐候性上均优于对比例5的，本申请通过进一步控制吸酸剂的添加量在不低于0.5份，能够同时显著提高材料的激光透过率和耐候性。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种黑色聚烯烃材料，其特征在于，包括以下重量组分：
聚丙烯树脂 70份
玻璃纤维 30-40份
相容剂 5份
增透剂 1-2份
吸酸剂 2-5份
光稳定剂 2-4份
有机黑色着色剂 0.4份
抗氧剂 0.1-1份
润滑剂 0.1-1份；
所述吸酸剂为磷酸钠、磷酸钾中的至少一种。
2.如权利要求1所述的黑色聚烯烃材料，其特征在于，所述相容剂包括极性单体接枝聚乙烯；
所述极性单体包括马来酸酐及其衍生物、丙烯酸及其酯类衍生物中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的黑色聚烯烃材料，其特征在于，所述聚丙烯树脂包括均聚聚丙烯树脂、共聚聚丙烯树脂中的至少一种。
4.如权利要求1所述的黑色聚烯烃材料，其特征在于，所述增透剂包括山梨醇类增透剂。
5.如权利要求1-4任一所述的黑色聚烯烃材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按比例将聚丙烯树脂、相容剂、增透剂、吸酸剂、光稳定剂、有机黑色着色剂、抗氧剂、润滑剂混合均匀得到预混料；
将预混料通过双螺杆挤出机主喂料口喂入，玻璃纤维通过双螺杆挤出机侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒获得黑色聚烯烃材料。
6.如权利要求5所述的黑色聚烯烃材料的制备方法，其特征在于，熔融挤出造粒过程中双螺杆挤出机的温度设置为：
1区：80-120℃，2区：180-200℃，3区：180-200℃，4区：180-200℃，5区：180-200℃，6区：200-300℃。
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