CN116003906A - 一种低比重聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低比重聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，属于高分子材料技术领域。本发明所述低比重聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂60‑99份、空心无机微球1‑40份、分散剂0.5‑10份、防碎剂0.5‑5份、耐候剂0.1‑5份；所述分散剂为端羟基聚丁二烯。该材料在聚丙烯树脂中，加入空心无机微球，同时引入特定的分散剂，所得产品不仅具有较低的比重，同时具有较好的激光透过率、焊接强度和耐光老化性能，尤其适用于制备激光焊接件。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种低比重聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
塑料激光焊接是近阶段发展起来的一种较为便捷、高效的高分子材料焊接方式，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，也不会对零部件工况产生污染。可实现高的焊接质量以及保持焊缝的美观，延伸了高分子材料的应用优势。
激光焊接技术又名红外透射焊接，通常要求被焊接的两个塑料制件有一个制件(制件1)具有一定的近红外(波长900～1060nm)透光率，另一个制件(制件2)对光束有明显的阻隔作用。这样就可以保证上层制件1能够透过足够的激光，下层制件2能够吸收足够的激光能量，激光能量被吸收使得下层材料温度升高，熔化上下层接触面的塑料，冷却后进而完成焊接。
通常选择在聚丙烯材料中加入空心微珠，制备低比重聚丙烯复合材料，用于制备激光焊接件。然而由于微珠易团聚、分散差，皮薄、易破碎，从而大大降低了聚丙烯微珠复合材料透光性，尤其是近红外光透过率下降显著，这也给低比重聚丙烯材料激光焊接带来了挑战与困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低比重聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，该材料在聚丙烯树脂中，加入空心无机微球，同时引入特定的分散剂等组分，不仅具有较低的比重，同时具有较好的红外透过率和耐候性，尤其适用于制备激光焊接件。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种低比重聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂60-99份、空心无机微球1-40份、分散剂0.5-10份、防碎剂0.5-5份、耐候剂0.1-5份；所述分散剂为端羟基聚丁二烯；所述防碎剂为金属有机酸盐。
本发明将聚丙烯树脂和空心无机微球相互组合，可以获得低比重聚丙烯复合材料，但在聚丙烯树脂加入空心无机微球会显著降低聚丙烯树脂的透光性，特别是近红外光透过率。经探索发现，在低比重聚丙烯材料中引入端羟基聚丁二烯，一方面可以作为聚丙烯和空心无机微球的相容剂，改善了两者相容性，减少和防止空心无机微球团聚，避免复合材料的透光率下降；另一方面，端羟基聚丁二烯的柔韧性与防碎剂的润滑性，相互协同作用，保护空心无机微球在加工时不被剪碎、保留完整的微球状态，进一步提高复合材料的近红外透过率。
分散剂或防碎剂的含量影响本发明复合材料的密度、激光透过率和焊接强度，当分散剂或防碎剂的含量小于0.5份时，产品的密度高，同时也会降低产品的激光透过率和焊接强度；分散剂或防碎剂的含量本发明的范围内，随着分散剂或防碎剂的含量增加，空心玻璃微珠的分散效果越好，且空心玻璃微珠的破碎率进一步减小；然而当分散剂或防碎剂的含量大于本发明的保护范围时，产品的有益效果增加不明显。
本发明中耐候剂主要影响产品的耐光老化性能，具体为影响产品的氙灯老化-色差；耐候剂的含量太小，起不到保护的作用，产品的氙灯老化-色差高；耐当耐候剂的含量为0.1-5重量份时，随着含量的增加，产品的耐光老化性能越好，而当候剂的含量过高，产品的耐光老化性能无明显变化。
优选地，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为20-50Pa·s。
在本发明中，端羟基聚丁二烯的粘度过低，则可能导致空心无机微珠容易破碎，且空心无机微珠的分散性差。经优选，在上述范围内，随着粘度的增加，空心无机微珠的分散性好，有利于提升产品的激光透过率。但端羟基聚丁二烯的粘度过高时，会使得聚合物基体粘度明显增加，空心无机微珠共混加工时易被碾碎，影响激光透过率。
优选地，所述防碎剂为2-乙基己酸钙、2-乙基己酸锌、环烷酸钠、壬酸钙、壬酸锌中的至少一种。
在本发明中，空心无机微球表面带有极性官能团，分散剂具有一定的酸性会造成耐候剂失效；选择2-乙基己酸钙、2-乙基己酸锌、环烷酸钠、壬酸钙、壬酸锌中的至少一种作为防碎剂，该组分具有较好的润滑作用，与分散剂相互发挥协同作用，使得复合材料在挤出和注塑加工过程中，防止空心无机微球被剪碎，保留完整的微球状态，进而提高复合材料的透光性；此外防碎剂为金属有机酸盐，具有吸酸作用，中和复合材料中的酸性组分，保护耐候剂，进而提高复合材料的耐候性。
优选地，所述空心无机微球为中空莫来石微球；所述中空莫来石微球的平均粒径为5～50μm。
相比常规的空心玻璃微球，中空莫来石微球由于其硬度高和耐压性好，可有效降低聚丙烯复合材料在挤出和注塑生产过程中，因空心无机微球破碎而造成的透光率低的问题。
优选地，所述耐候剂为邻羟基二苯甲酮、苯并三唑、水杨酸酯、受阻胺类中的至少一种。
优选地，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯树脂和/或共聚聚丙烯树脂，所述聚丙烯树脂在230℃，2.16kg负荷下的熔融指数为1～100g/10min。
所述熔融指数下的聚丙烯树脂有利于保障产品的密度。
优选地，所述低比重可激光焊接聚丙烯组合物还包括0.1-1重量份的抗氧剂和0.1-1重量份的加工助剂，所述加工助剂为润滑剂、热稳定剂中的至少一种。
优选地，所述抗氧剂为酚类、亚磷酸酯类、二价硫类或受阻胺类中的至少一种。
优选地，所述润滑剂为酰胺类、聚乙烯蜡、固体石蜡、液体石蜡中的至少一种。
抗氧剂和加工助剂可以有效提高产品的抗氧化性能和加工性能。
第二方面，提供一种所述低比重聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯树脂、分散剂、防碎剂、耐候剂经高速混合机混合均匀，得到混合物料；
(2)将步骤(1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，空心无机微球通过双螺杆挤出机的侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒，即得所述低比重聚丙烯复合材料。
本发明所述低比重聚丙烯复合材料的制备方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产。
若所得产品中含有抗氧剂和加工助剂，在制备过程中，优选在步骤(1)中加入抗氧剂和加工助剂。
优选地，步骤(2)所述熔融挤出造粒时，双螺杆挤出机从喂料口到机头的设置温度分别为：一区温度80-120℃，二区温度180-200℃，三区温度180-200℃，四区温度180-200℃，五区温度180-200℃，六区温度200-230℃。
第三方面，提供所述低比重聚丙烯复合材料在制备激光焊接件中的应用。
本发明所述低比重聚丙烯复合材料不仅具有较低的比重，同时具有较好的红外透过率和耐候性，应用于制备激光焊接件时，焊接强度高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种低比重聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，该材料在聚丙烯树脂中，加入空心无机微球，同时引入特定的分散剂，所得产品不仅具有较低的比重，同时具有较好的激光透过率、焊接强度和耐光老化性能，尤其适用于制备激光焊接件。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施所涉及的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。
下述实施例和对比例中，聚丙烯树脂1为PP H9018，所述聚丙烯树脂1在230℃，2.16kg负荷下的熔融指数为50g/10min，均聚聚丙烯，兰州石化；
聚丙烯树脂2为PP HEXP2019，所述聚丙烯树脂2在230℃，2.16kg负荷下的熔融指数为100g/10min，均聚聚丙烯，辽宁华锦化工；
聚丙烯树脂3为PP 1300，所述聚丙烯树脂3在230℃，2.16kg负荷下的熔融指数为1g/10min，均聚聚丙烯，燕山石化；
分散剂1：端羟基聚丁二烯，CN-15，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为50Pa·s，ARC公司；
分散剂2：端羟基聚丁二烯，CS-15，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为26Pa·s，ARC公司；
分散剂3：端羟基聚丁二烯，R-15M，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为20Pa·s，美国Sinclair公司；
分散剂4：端羟基聚丁二烯，R-45HT，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为5Pa·s，日本出光公司；
分散剂5为长碳链乙氧基酰胺，KF-027，佳华精化公司；
空心无机微球1为中空莫来石微球；所述中空莫来石微球的粒径为5μm，广东微珠新材料有限公司；
空心无机微球2为中空莫来石微球；所述中空莫来石微球的粒径为20μm，广东微珠新材料有限公司；
空心无机微球3为中空莫来石微球；所述中空莫来石微球的粒径为50μm，广东微珠新材料有限公司；
空心无机微球4为空心玻璃微球；所述空心玻璃微球的粒径为5μm，郑州圣莱特空心微珠新材料有限公司
防碎剂1为壬酸钙，市售；
防碎剂2为2-乙基己酸钙，市售；
防碎剂3为环烷酸钠，市售；
防碎剂4为聚二甲基硅氧烷，市售；
耐候剂1为邻羟基二苯甲酮，市售；
耐候剂2为苯并三唑，市售；
耐候剂3为水杨酸酯，市售；
抗氧剂为受阻酚类抗氧剂1076，市售；
润滑剂为聚乙烯蜡，市售。
实施例1-19和对比例1-4
实施例1-19和对比例1-4的低比重聚丙烯复合材料的组成组分如表1和表2所示。
实施例1-19和对比例1-4的低比重聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯树脂、分散剂、防碎剂、耐候剂、抗氧剂和润滑剂经高速混合机混合均匀，得到混合物料；
(2)将步骤(1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，空心无机微球通过双螺杆挤出机的侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒，即得所述低比重聚丙烯复合材料；所述熔融挤出造粒时，双螺杆挤出机从喂料口到机头的设置温度分别为：一区温度80-120℃，二区温度180-200℃，三区温度180-200℃，四区温度180-200℃，五区温度180-200℃，六区温度200-230℃。
表1低比重聚丙烯复合材料的组成组分(重量份数)
表2低比重聚丙烯复合材料的组成组分(重量份数)
将各实施例及对比例所得产品进行密度测试、激光透过率测试、焊接强度测试和耐候性能测试：
(1)密度测试：参照ISO 1183-1-2019测试；
(2)激光透过率测试：将样品注塑成100mm*100mm*2mm方板，通过透光率测试仪测试样品的激光透过率；
(3)焊接强度测试：将样品注塑成125mm*13mm*2mm样条，采用激光焊接仪进行激光焊接，其中上层为透光样条，下层为吸光样条。吸光样条所用材料为本发明配方中加入0.2％炭黑后材料制得。透光样条为本发明材料制得。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。
(4)耐候性能测试：将样品注塑成100mm*100mm*2mm方板，置于氙灯老化箱2000h，标准采用ISO 4892-3(type A)，通过色差计对比测试方板放置前后色差数值。
测试结果如表1和表2所示。
从表1和表2中可知，本发明各实施例所得产品的密度为0.70-0.95g/cm3，激光透过率为41-74％，焊接强度为476-1102N，氙灯老化色差为2.3-16.8。
与实施例1相比，对比例1的聚丙烯复合材料不含有分散剂、防碎剂和耐候剂，所得产品的密度高，激光透过率、焊接强度和耐光老化性能显著下降。
与实施例1相比，对比例2的聚丙烯复合材料不含有防碎剂，对比例3的聚丙烯复合材料不含有分散剂，对比例2和对比例3所得产品的密度高，激光透过率、焊接强度和耐光老化性能显著下降。
与实施例1相比，对比例4的聚丙烯复合材料采用长碳链乙氧基酰胺作为分散剂，所得产品的密度高，激光透过率、焊接强度和耐光老化性能显著下降。
综上，本发明以该材料在聚丙烯树脂中，加入空心无机微球，同时引入特定的分散剂组分，在通过添加防碎剂和耐候剂，进一步降低产品的比重，同时提高产品的激光透过率、焊接强度和耐光老化性能。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂60-99份、空心无机微球1-40份、分散剂0.5-10份、防碎剂0.5-5份、耐候剂0.1-5份；所述分散剂为端羟基聚丁二烯；所述防碎剂为金属有机酸盐。
2.如权利要求所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述端羟基聚丁二烯在30℃下的粘度为20-50Pa·s。
3.如权利要求1所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述防碎剂为2-乙基己酸钙、2-乙基己酸锌、环烷酸钠、壬酸钙、壬酸锌中的至少一种。
4.如权利要求1所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述空心无机微球为中空莫来石微球；所述中空莫来石微球的平均粒径为5～50μm。
5.如权利要求1所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述耐候剂为邻羟基二苯甲酮、苯并三唑、水杨酸酯、受阻胺类中的至少一种。
6.如权利要求1所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯和/或共聚聚丙烯，所述聚丙烯树脂在230℃，2.16kg负荷下的熔融指数为1～100g/10min。
7.如权利要求1所述的低比重聚丙烯复合材料，其特征在于，所述低比重聚丙烯复合材料还包括0.1-1重量份的抗氧剂和0.1-1重量份的加工助剂，所述加工助剂为润滑剂、热稳定剂中的至少一种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述低比重聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将聚丙烯树脂、分散剂、防碎剂、耐候剂经高速混合机混合均匀，得到混合物料；
(2)将步骤(1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，空心无机微球通过双螺杆挤出机的侧喂料口喂入，经熔融挤出造粒，即得所述低比重聚丙烯复合材料。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述熔融挤出造粒时，双螺杆挤出机从喂料口到机头的设置温度分别为：一区温度80-120℃，二区温度180-200℃，三区温度180-200℃，四区温度180-200℃，五区温度180-200℃，六区温度200-230℃。
10.权利要求1-7任一项所述低比重聚丙烯复合材料在制备激光焊接件中的应用。
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