CN101831110A - 一种可高频焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可高频焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法。可高频焊接的聚丙烯复合材料，按质量份数包括以下组分：聚丙烯100、主改性剂25-100、相容剂3-10、填充剂0-50、润滑剂0.5-1.0、抗氧剂0.2-0.6。本发明利用热稳定性和高频焊接性能都比较优良的PA或EVA作为聚丙烯的高频焊接改性剂对聚丙烯进行共混改性，从而使得复合材料具有良好的高频焊接性能。
Description
[技术领域]
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种可高频焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法。
[背景技术]
塑料的高频焊接是指利用高频能量作用于材料的连接区域，使材料极性分子在高频电场下发生频繁振动产生热量，使得介于电极之间的塑料材料同时达到熔化状态，进而达到将两个材料焊接在一起的目的。由于电极是冷的，而塑料发热时又可导走若干热量，所以塑料温度是中心最高而两面及四侧最低。这对于塑料的焊接是很理想的，是一种快速、高效、加热均匀、操作简单方便的塑料焊接方法。焊接最后得到的焊缝强度等同于母材。正由于这些优点，高频焊接广泛应用于汽车、医疗器械、文具、可吹胀物品、大中型制件、家电行业等领域用的塑料中。
聚丙烯材料(Polypropylene，简称PP)具有质轻、耐化学性、高频绝缘性能好、比重小、易于加工成型、价格低廉等优点，得以广泛的应用，是目前产量及用量仅次于聚乙烯(Polyethylene，简称PE)的第二大塑料品种。在汽车工业、电子电器工业、家电、纺织等等领域上有广泛的应用。但是聚丙烯分子偶极矩很小，作为非极性材料，普通的聚丙烯介电损耗系数很小为0.0008-0.0018(1MHz)，因此高频焊接性能很差，要使其制品具有高频焊接性能，必须先对聚丙烯材料本身进行改性。
对无高频焊接性能的材料进行高频焊接的方法有两种。一种方法是在塑料件中预埋入导磁体或感应元件，而金属或类金属嵌件的加入会影响塑料的力学性能，更加不适合用于薄壁制品的焊接，因此这种方法应用并不广泛。另一种方法是在基体树脂中加入高频焊接性能较强的塑料来进行共混改性，已达到复合材料具有高频焊接性能的目的。由于此种方法可以直接焊接，减少了注塑时要在塑料中嵌入金属件等复杂的工序，并且对焊接缝的性能影响很小，因此这种方法应用比较广泛。
在众多塑料中，具有高频焊接性能的塑料却很少，主要有聚氯乙烯(Polyvinylchloride，简称PVC)、聚酰胺(polyamide，简称PA)、聚偏二氯乙烯(Polyvinylidene chloride，简称PVDC)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer，简称EVA)等。在焊接这些材料时，能充分体现高频焊接的优点。对于PVC和PVDC材料虽然其具有很强的高频焊接性能，但其热稳定性差，熔融温度跟分解温度比较接近，加工范围窄，与聚丙烯材料相容性差、共混改性时需要加入增塑剂、热稳定剂等缺点。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种高频焊接性能好的聚丙烯复合材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种可高频焊接的聚丙烯复合材料，按质量份数主要由以下组分组成：
聚丙烯 100
主改性剂 25-100
相容剂 3-10
填充剂 0-50
润滑剂 0.5-1.0
抗氧剂 0.2-0.6。
以上所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述聚丙烯为聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物中的一种或两种复配。所述主改性剂为聚酰胺(PA)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)中的一种。所述聚酰胺是相对密度为1.10-1.15、熔点为225-235℃、熔体相对粘度为2.0-3.0的聚己内酰胺。所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物，醋酸乙烯(VA)含量不小于15％的质量份数。所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝聚丙烯(PP-g-AA)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物弹性体(POE-g-MAH)、丙烯酸接枝乙烯-辛烯共聚物弹性体、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)、丙烯酸接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-AA)中的一种或几种混合物。所述填充剂为滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、玻璃微珠、云母粉、硅灰石等中的一种或几种的混合物。所述润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂、硬脂酸类润滑剂、PE蜡、PP蜡、OP蜡、EVA蜡中的一种或几种混合物。所述抗氧剂为四[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯主抗氧剂和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯酯)辅抗氧剂的复配。添加抗氧剂的目地是降低材料在加工及使用过程中的老化性。
一种上述可高频焊接的聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按上述的配比称取所需物料，在高速搅拌机中高速搅拌5～10分钟；
(2)将混好的物料加入到双螺杆挤出机中，通过熔融挤出造粒；
(3)双螺杆挤出机工艺条件为：双螺杆挤出机温度，一区：170～225℃；温度：170～225℃；三区：170～225℃；四区：170～225℃；温度：170～225℃；六区：170～225℃；七区：170～225℃；八区：170～225℃；机头温度：170～225℃；停留时间：2～3min。熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa。
本发明可高频焊接的聚丙烯复合材料，用热稳定性和高频焊接性能都比较优良的PA或EVA作为聚丙烯的高频焊接改性剂对聚丙烯进行共混改性，从而使得复合材料具有较好的高频焊接性能，因此，可以广泛应用于汽车、医疗器械、文具、、家电行业等领域。
[具体实施方式]
为便于对本发明进一步理解，现结合具体实施例对本发明进行详细描述：
在以下的实施例中，所用到的聚丙烯包括均聚聚丙烯和共聚聚丙烯，均聚聚丙烯为茂名石化的T30S，共聚聚丙烯为茂名石化的EPC30R-H，其中，在实施例1-3中，所用聚丙烯材料为均聚聚丙烯，在实施例4-10中，所用聚丙烯材料为共聚聚丙烯。主改性剂聚酰胺为聚己内酰胺(PA6)，相对密度为1.10-1.15、熔点为225-235℃、熔体相对粘度为2.0-3.0；主改性剂EVA，VA含量为40％，典型牌号为美国杜邦公司的40W；所用马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)为南京德巴化工公司的MEPR-G-1；所用马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物弹性体(POE-g-MAH)为青岛海尔科化公司的KHEP680C3；所用马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)为宁波能之光公司的CPM200A；所用滑石粉(TALC)为合山化工(辽宁)公司的CMS-777A；所用碳酸钙(CaCO3)为广东嘉维化工公司的白樱华；硫酸钡为广州集美纳米科技公司的BSM-MC；所用抗氧剂为Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168，两者以重量份1∶1-1∶3的比例复配；PE蜡为霍尼韦尔公司生产的，牌号为AC-6A；EBS是韩国信元化学株式会社的，牌号为300P；OP蜡为科莱恩公司的，牌号为Licowax OP；EVA蜡为安徽亿维蜡业有限公司EVA-ZL3。
实施例1：实施例1配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 25
EPDM-g-MAH 3
滑石粉 0
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
制造工艺：按配比称取所需物料，在高速搅拌机中高速搅拌5～10分钟；将混好的物料加入到双螺杆挤出机中，通过熔融挤出造粒；双螺杆挤出机温度：一区温度：170～225℃；二区温度：170～225℃；三区温度：170～225℃；区温度：170～225℃；五区温度：170～225℃；六区温度：170～225℃；七区温度：170～225℃；八区温度：170～225℃；机头温度：170～225℃；停留时间：2～3min。熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa。
实施例2：实施例2配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 50
EPDM-g-MAH 5
滑石粉 25
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例3：实施例3配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 100
PP-g-MAH 10
碳酸钙 50
OP蜡 1.0
抗氧剂 0.4
制造工艺：同实施例1。
实施例4：实施例4配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 100
PP-g-MAH 10
滑石粉 50
EVA蜡 0.5
抗氧剂 0.6
制造工艺：同实施例1。
实施例5：实施例5配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 75
PP-g-MAH 8
滑石粉 40
PE蜡 0.8
抗氧剂 0.4
制造工艺：同实施例1。
实施例6：实施例6配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 50
PP-g-MAH 5
碳酸钙 20
润滑剂PE蜡 0.6
抗氧剂 0.3
制造工艺：同实施例1。
实施例7：实施例7配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 25
PP-g-MAH 3
滑石粉 0
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例8：实施例8配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 25
EPDM-g-MAH 3
滑石粉 0
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例9：实施例9配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 50
EPDM-g-MAH 5
滑石粉 25
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例10：实施例10配方如下(质量份数)：
PP 100
PA6 100
EPDM-g-MAH 10
滑石粉 50
润滑剂OP蜡 1.0
抗氧剂 0.6
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
在以下实施例中，所用聚丙烯材料包括均聚聚丙烯，典型牌号为茂名石化的T30S和共聚聚丙烯，典型牌号为茂名石化的EPC30R-H，两者按重量份以1∶1复配。
实施例11：实施例11配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 100
PP-g-MAH 10
滑石粉 50
EVA蜡 0.5
抗氧剂 0.6
制造工艺：同实施例1。
实施例12：实施例12配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 75
PP-g-MAH 8
滑石粉 40
PE蜡 0.8
抗氧剂 0.4
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例13：实施例13配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 50
PP-g-MAH 5
碳酸钙 20
润滑剂PE蜡 0.6
抗氧剂 0.3
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
实施例14：实施例14配方如下(质量份数)：
PP 100
EVA 25
PP-g-MAH 3
滑石粉 0
PE蜡 0.5
抗氧剂 0.2
紫外光吸收剂 0.2
制造工艺：同实施例1。
性能测试：
拉伸强度按GB/T 1040标准进行检验。试样类型为I型，样条尺寸(mm)：170(长)×(20±0.2)(端部宽度)×(4±0.2)(厚度)，拉伸速度为50mm/min；
弯曲强度和弯曲模量按GB 9341/T标准进行检验。试样类型为试样尺寸(mm)：(80±2)×(10±0.2)×(4±0.2)，弯曲速度为20mm/min；
缺口冲击强度按GB/T 1043标准进行检验。试样类型为I型，试样尺寸(mm)：(80±2)×(10±0.2)×(4±0.2)；缺口类型为A类，缺口剩余厚度为3.2mm。
实施例1～7配方及材料性能见表(一)：
| 原料名称及物性参数 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | 实例6 | 实例7 |
| 聚丙烯树脂(质量份数) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 主改性剂(质量份数) | 25 | 50 | 100 | 100 | 75 | 50 | 25 |
| 相容剂(质量份数) | 3 | 5 | 10 | 10 | 8 | 5 | 3 |
| 填充剂(质量份数) | 0 | 25 | 50 | 50 | 40 | 20 | 0 |
| 润滑剂(质量份数) | 0.5 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0.8 | 0.6 | 0.5 |
| 抗氧剂(质量份数) | 0.2 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 |
| 拉伸强度(MPa) | 38 | 47 | 58 | 16 | 18 | 19 | 20 |
| 弯曲强度(MPa) | 57 | 64 | 77 | 22 | 24 | 25 | 24 |
| 原料名称及物性参数 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | 实例6 | 实例7 |
| IZOD缺口冲击强度(KJ/M2) | 40 | 55 | 60 | 26 | 23 | 22 | 20 |
| 焊接件的拉伸断口 | 焊接区外 | 焊接区外 | 焊接区外 | 焊接区外 | 焊接区外 | 焊接区外 | 焊接区外 |
实施例8-14的配方除增加了紫外光吸收剂外，其他同实施例1-7相对应，而紫外光吸收剂对此材料无影响，因此相关物性表不另列表。
以上实施例的数据表明主改性剂含量的增加可以提高复合材料的高频性能，对复合材料的力学性能也会有大的影响，对于PP/PA合金材料，由于PA6力学性能比PP的高，所以随着PA6含量的增加其力学性能也会提高。因为EVA材料比PP软，所以EVA含量的增加，会使得复合材料硬度下降。填充剂的加入可以一定程度增加复合材料的硬度、改善材料的收缩、尺寸稳定性。相容剂的加入提高了材料的相容性，使材料的机械强度增加，但当增加到一定程度后，力学性能基本不再增加，甚至会出现下降。润滑剂和抗氧剂的变化，对材料力学性能和高频焊接性能没有必然联系，润滑剂的增加会材料的流动性，提高材料的加工性能；抗氧剂的加入可以降低材料在加工过程中的水解，使材料的使用寿命得以延长。在本发明中还可以添加一些其它助剂以制成有其他特殊性能的材料，如可以添加抗紫外吸收剂，以制得抗老化材料；可以添加抗菌剂，以制得抗菌材料；可以添加香精，以制得具有香味的材料等等。添加这些助剂，并不会对本发明材料的主要目的产生冲突。因此，不应该作为对本发明的限制。
本发明所提到但在所列实施例中未用到的相容剂与实施例中所用到的相容剂，由于本身性能的差异，对复合材料的性能方面也会有些差异，但表现出的原理和趋势是一致的；对于其他如填充剂、润滑剂等也是。但这不影响本发明所述的原理和思想。
以上对本发明所提供的可高频焊接的聚丙烯复合材料及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体各例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种可高频焊接的聚丙烯复合材料，其特征在于，按质量份数主要
由以下组分组成：
聚丙烯 100
主改性剂 25-100
相容剂 3-10
填充剂 0-50
润滑剂 0.5-1.0
抗氧剂 0.2-0.6。
2.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯为聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物中的一种或两种复配。
3.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述主改性剂为聚酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种。
4.根据权利要求3所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述聚酰胺是相对密度为1.10-1.15、熔点为225-235℃、熔体相对粘度为2.0-3.0的聚己内酰胺。
5.根据权利要求3所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物，醋酸乙烯含量不小于15％的质量份数。
6.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、丙烯酸接枝聚丙烯、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物弹性体、丙烯酸接枝乙烯-辛烯共聚物弹性体、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶、丙烯酸接枝三元乙丙橡胶中的一种或几种混合物。
7.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述填充剂为滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、玻璃微珠、云母粉、硅灰石等中的一种或几种的混合物。
8.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、PE蜡、PP蜡、OP蜡、EVA蜡中的一种或几种混合物。
9.根据权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料，所述抗氧剂为四[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯主抗氧剂和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯酯)辅抗氧剂的复配。
10.一种权利要求1所述的可高频焊接的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按权利要求1所述的配比称取所需物料，在高速搅拌机中高速搅拌5～10分钟；
(2)将混好的物料加入到双螺杆挤出机中，通过熔融挤出造粒；
(3)双螺杆挤出机工艺条件为：双螺杆挤出机温度，一区：170～225℃；温度：170～225℃；三区：170～225℃；四区：170～225℃；温度：170～225℃；六区：170～225℃；七区：170～225℃；八区：170～225℃；机头温度：170～225℃；停留时间：2～3min；熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa。
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Denomination of invention: Polypropylene composite material capable of being welded at high frequency and preparation method thereof Effective date of registration: 20170106 Granted publication date: 20121114 Pledgee: Bank of Shizuishan Limited by Share Ltd Yinchuan branch Pledgor: Anhui science and Technology Co., Ltd.|Shenzhen branch poly new materials Co., Ltd.|Xu Dong Registration number: 2016990001133 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180904 Granted publication date: 20121114 Pledgee: Bank of Shizuishan Limited by Share Ltd Yinchuan branch Pledgor: Polymer Science (Anhui) New Material Co., Ltd.|Shenzhen Keju New Material Co., Ltd.|Xu Dong Registration number: 2016990001133 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Polypropylene composite material capable of being welded at high frequency and preparation method thereof Effective date of registration: 20181119 Granted publication date: 20121114 Pledgee: Bank of Shizuishan Limited by Share Ltd Yinchuan branch Pledgor: Shenzhen Keju New Material Co., Ltd.|Polymer Science (Anhui) New Material Co., Ltd. Registration number: 2018440020071 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121114 Termination date: 20190423 |