CN104114643A - 不起泡的聚酰胺组合物 - Google Patents

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CN104114643A CN201380008477.8A CN201380008477A CN104114643A CN 104114643 A CN104114643 A CN 104114643A CN 201380008477 A CN201380008477 A CN 201380008477A CN 104114643 A CN104114643 A CN 104114643A
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Abstract

本发明涉及一种对例如由回流焊接工艺导致的起泡的抗性增强的聚酰胺组合物。所述组合物包括：A)99-50重量％的至少一种聚酰胺A，其中所述聚酰胺A来源于：A1)至少一种具有4个碳原子的二胺单体，且其中C4-二胺的量至少为二胺总量的2mol％，和A2)至少一种二酸单体，其中所述单体中的至少一种具有至少一个芳香族结构单元，且聚酰胺A的分子量(以Mn表示)至少为9000g/mol，和B)1-50重量％的至少一种增强剂和C)0-20重量％的无机填料和/或添加剂，D)0-49重量％的一种或多种不同于A)的聚合物其中A、B、C、和D的总量为100重量％。本发明还涉及所述聚酰胺组合物的用途和由所述聚酰胺组合物制成的成型制品。

Description

不起泡的聚酰胺组合物
本发明涉及包括聚酰胺和一定量增强纤维的组合物。本发明还涉及所述组合物用于生产成型制品的用途以及成型制品本身。
与许多其它热塑性模塑材料相比，聚酰胺树脂具有卓越的机械性能、可塑性和耐化学性，因此已被用于汽车零部件、电气/电子(E&E)元件、机械零件和许多其它应用领域。由聚酰胺树脂制成的物品具有极其令人满意的物理性能，例如高流动性、相关温度下的不起泡、高表面质量和/或高硬度以及良好的尺寸稳定性。由于E&E元件微型化的持续趋势，高流动性变得越来越重要。在表面贴装焊接工艺中，不起泡是至关重要的。例如用于电脑外壳时，需要高硬度、良好的尺寸稳定性和良好的表面质量。
由于经强化的高熔点聚酰胺的物理性能(例如高机械性能和高热变形温度)，它们通常被用于E&E元件的表面贴装应用。表面贴装技术(SMT)涉及将含有焊料的膏状物涂至印刷电路板(PCB)、将电子电气元件放置于PCB表面的合适位置、以及使整个组件通过红外回流焊炉，其中红外回流焊炉起着融化焊料并将元件永久粘在PCB上的作用。以前的通孔方法需要钻孔并将各个元件分别焊接在合适的位置。与使用通孔技术相比，SMT允许制造更小、更密集的布局组件，由此产生的电路板的生产成本通常也更低。然而，在SMT工艺中，部件可被加热至高达260℃，或者甚至更高，例如达到顶峰温度(270℃)。在这些条件下，可塑性电子部件不弯曲或不变形或不起泡是很重要的。
可以利用经强化的高熔点聚酰胺组合物通过熔融加工方法(例如注射模塑法)制造元件。但必须要留意贮存时的潮湿环境。
由于这种聚合物吸收水分，所以在加工过程中，当它们在焊炉中被加热时，元件中会形成空隙，这种现象也被称为起泡。所以，由此产生的部件是不合需要、不受欢迎的畸形部件。
根据电子电器器件尺寸减小的趋势，对用于SMT应用领域的树脂的高熔体流动性的要求不断增长。因为高熔体流动性(或低熔体粘度，因为这些术语可互换使用)使工艺(例如注射模塑法)的易操作性更强，因此它是可熔融加工聚合树脂组合物的一个非常理想的特征。具有高熔体流动性或低熔体粘度的组合物比不具有这种特征的另一种树脂更易被注射模塑。这种组合物能够在较低的注射压力和温度下更大程度地填充模具，而且能够更好地填充薄截面的复杂模具设计。对线型聚合物而言，聚合物的分子量和溶体粘度之间通常存在正相关；对支化聚合物而言，通常也是这种情况。
从EP-2354176中可获知用于生产电子电气元件的包括聚酰胺的组合物。EP-2354176中所述的组合物包括由作为酸组分的对苯二甲酸(和/或萘-二羧酸)和间苯二甲酸和作为胺单体的1，6-己二胺和C9-C12二胺构建成的聚酰胺。因此，聚酰胺总是包括胺单体混合物和羧酸混合物。除了聚酰胺之外，所述组合物还可包括填料、增强纤维、阻燃剂和添加剂。
根据EP-2354176所述的聚酰胺组合物的缺点在于那些组合物显示出不利的流动特性。此外，那些组合物很难与例如PA66、PA46、PA6和PA410的聚合物共混。
本发明的一个目标是克服或者至少减小上述缺点。下述聚酰胺组合物实现了该目标，其包括：
A)99-50重量％的至少一种聚酰胺A，其中所述聚酰胺A来源于：
A1)至少一种4个碳原子的二胺单体，且其中C4-二胺的量至少为二胺总量的2mol％，和
A2)至少一种二酸单体，
其中所述单体中的至少一种具有至少一个芳香族结构单元，且聚酰胺A的以Mn表示的分子量至少为9000g/mol，
和
B)1-50重量％的至少一种增强剂和
C)0-20重量％的无机填料和/或添加剂，
D)0-49重量％的一种或多种不同于A)的聚合物
其中A、B、C、和D的总量为100重量％。
根据本发明所述的组合物具有十分有利的组合性能：良好的流动性连同极低的起泡水平。因此，由这种组合物制成的成型制品可以是薄壁的且能够经受高温而不会在表面产生气泡。
“成型制品的起泡”是指表面的变形，其是由被包埋在物品中、加热(例如在回流焊接炉中)时无法被除去的存在于成型制品中的吸收水分导致的。由于焊炉中温度的增加，存在于物品中的水的蒸汽压力稳定增加，但由于材料性能和物品的结构，水分无法逸出，这会导致内部分层，即在物品的表面可观察到的所谓的气泡。起泡不仅在美学方面是极其不受欢迎的，它还是导致内部或外部裂缝的机械损伤的发生的标志。
如上所述，在回流焊接炉中加热成型制品期间会发生起泡。取决于具体的应用，成型制品在回流焊接炉中经受特定的温度曲线。温度曲线通常可包括四个阶段(也被称为区域或时期)：预热、热浸、回流和冷却。在回流焊接工艺的预热阶段，成型制品通常被相当快速地升温。上升速率通常在每秒1.0-3.0℃之间，直至约150℃。在该期间，焊膏中的溶剂开始蒸发。在第二个区域(热浸)，焊膏接近相变。对于不同的焊膏，热浸期的持续时间有变化，但通常在60-200秒之间。热浸期之后，被称为回流期的第三个时期开始。这是工艺中达到最高温度的一部分。这个时期的一个重要方面是峰值温度，即整个工艺中可允许的最高温度，大部分情况下为260℃左右。该温度限制是由组件中对高温具有最低耐受性的元件决定的。回流期的长度可以变化，通常在60-120秒之间。最后阶段是冷却期。冷却速率通常为约每秒6℃。
在电子电器工业，尤其是表面贴装器件领域，发展出了一种指示材料对那些不良效果的敏感性的分类方法并被广泛接受。这种分类***以电子装置工程联合委员会(Joint Electron Devices Engineering Council，JEDEC)之名而被称为JEDEC。JEDEC开发了一种用于评估非密闭固态表面贴装器件的水分/回流敏感性的试验和分类***。该***中的相关标准被称为IPC/JEDEC J-STD-020D.1。试验后得到的等级指示起泡的敏感性。等级1的结果指示即使暴露在水分中，物品也不会起泡；但等级5或等级6指示了起泡的高度敏感性。在85℃和85％的相对湿度下进行等级1的试验(通常被称为JEDEC-1)。在85℃和60％的相对湿度下进行等级2的试验(JEDEC-2)。
出人意料地，我们发现在条件最严苛的JEDEC-试验中，根据本发明所述的组合物能够达到等级1的试验结果。这个结果使得可以在相当高温和潮湿的条件下制造由这种组合物制成的物品，例如这适用于大部分电子电器工业生产所发生的亚洲国家。出人意料地，我们还发现额外包括阻燃剂的根据本发明所述的组合物在起泡性能方面仍然显示出相当好的结果。这之所以出人意料是因为众所周知阻燃剂的存在会对这种性能产生负面影响。
如上所述，根据本发明所述的组合物包括至少一种99-50重量％的聚酰胺(A)和至少一种1-50重量％的增强剂(B)。以上所给出的量基于组合物的总重量。当仅存在聚酰胺(A)和增强剂(B)时，它们的量总计应达100重量％；当另外存在其它组分(C和/或D)时，A、B、C和D的量总计共达100重量％。
存在于根据本发明所述的组合物中的至少一种聚酰胺(A)来源于：至少一种二胺单体(A1)和至少一种二酸单体(A2)，其中所述二胺单体中至少一种具有4个碳原子而且这种C4-二胺的量至少为二胺总量的2mol％。因此，根据本发明所述的组合物中的聚酰胺可以是例如由一种二胺单体和一种二酸单体制成的均聚物，但也可以是例如由两种不同的二胺单体和一种二酸单体或者由一种二胺单体和两种二酸单体等制成的共聚酰胺。
用于生产聚酰胺的二胺单体中，必须至少有一种具有4个碳原子。当更多的二胺单体被使用时，只要至少2mol％的二胺单体具有4个碳原子，其它二胺单体可含有多于或少于4个碳原子。当不止一种二胺单体被使用时，全部二胺单体的至少2mol％应该来自于C4-二胺单体。存在的所有二胺单体中，优选地至少5mol％，更优选地至少10mol％，甚至更优选地至少15mol％是C4-二胺。
可以相当自由地选择二胺单体(A1)和二酸单体(A2)，只要所述单体中的至少一种有至少一个芳香族结构单元。芳香族结构单元是二胺单体之一的一部分还是二酸单体之一的一部分并不重要。也可以存在不止一种具有芳香族结构单元的单体，所以可以使用例如两种带有芳香族结构单元的二酸单体。芳香族结构单元表示具有芳香族特征的结构单元。例如，因为间苯二甲酸带有具有芳香族特征的结构单元(此处是苯环)，所以当二酸是间苯二甲酸衍生物时，二酸单体含有芳香族结构单元。
用于根据本发明所述的组合物和满足上述给定要求的聚酰胺应该另外满足下述条件：分子量(数均分子量，Mn)至少为9000g/mol。我们发现如果分子量低于9000g/mol，则无法始终达到起泡要求(JEDEC-1)。优选地，分子量至少为10000g/mol。
利用尺寸排阻色谱(SEC)连同不同的检测器可以测定数均分子量(Mn)。由三个PFG线型XL色谱柱(300mm×8mm ID)组成的SEC***由Polymer Standards Service提供，其以0.4ml/min运转并用恒温器控制在35℃。使用折射率检测器(RI)、粘度计和直角激光扫描检测计进行测量，然后利用这些三重探测器信号计算摩尔质量从而获得摩尔质量。进样体积为75μl。使用含0.1％(w/w)三氟乙酸钾的六氟异丙醇作为洗脱液。进样前，通过0.1μm的过滤器过滤所有的样品。
在生产用于根据本发明所述的组合物的聚酰胺时使用的二胺单体(A1)可以有例如3-12个碳原子，优选地是4-10个碳原子，只要存在的所有二胺单体中至少2mol％是C4-二胺。C4-二胺表示分子中包含4个碳原子的单体。优选地，C4-二胺是1，4-丁烷-二胺。除C4-二胺外，其它合适的用于生产聚酰胺的二胺单体有例如戊二胺、己二胺和间苯二甲胺。
在生产用于根据本发明所述的组合物的聚酰胺时使用的二酸单体(A2)可以有例如3-14个碳原子。二酸单体的特征并不重要，它可以是例如脂肪族的、脂环族的或芳香族的。优选地，所述二酸是芳香羧酸。合适的芳香羧酸的实例是间苯二甲酸及其衍生物、邻苯二甲酸及其衍生物、对苯二甲酸及其衍生物或者萘二羧酸及其衍生物。优选地，所述二酸是间苯二甲酸、邻苯二甲酸或对苯二甲酸。
存在于根据本发明所述的组合物中的增强剂的量至少为1重量％，至多为50重量％。合适的纤维状增强纤维的实例是玻璃纤维或碳纤维。优选地使用玻璃纤维。
除了聚酰胺组分和增强剂之外，还可存在另一种组分C。这种组分C可以是例如一种或多种无机填料和/或一种或多种添加剂。存在于根据本发明所述的组合物的这种组分C的量为0-20重量％，其中所述量是相对于全部组合物(包括组分A、B和任选的C和/或D)的重量。当存在不止一种这类C中的组分时，所给出的C的量指的是所有C组分的总量。
合适的无机填料的实例是高岭土、黏土、滑石、云母、硅灰石、碳酸钙、二氧化硅、钛酸钾等。
合适的添加剂的实例是除酸剂、冲击改性剂、增塑剂、稳定剂(例如热稳定剂、氧化稳定剂、紫外光稳定剂和化学稳定剂)、加工助剂(例如脱模剂和成核剂)、固体润滑剂、着色剂(例如炭黑、其它色素、染料)、纳米粘土等。
除了聚酰胺组分A和增强剂B之外，还可存在一种或多种不同于A的聚合物D。这种组分D可以是例如具有不同于A的指定特征的其它特征的聚酰胺，例如不带有任何芳香族结构单元或者分子量(Mn)低于9000g/mol或者不含4个碳原子的二胺单体的聚酰胺。实例是其它脂肪族聚酰胺和芳香族聚酰胺。那些聚酰胺可以是均聚物或共聚物。合适的实例是PA410、PA6、PA66、PA1010、PA6I/6T、PA10T、和/或PA6T/4T。
存在于根据本发明所述的组合物的组分D的量为0-49重量％，其中所述量是相对于全部组合物(包括组分A、B和任选的C和/或D)的重量。当存在不止一种这类D中的组分时，所给出的D的量指的是所有D组分的总量。
可以通过熔融混合各成分的方法制备根据本发明所述的组合物。可以在熔融混合器中混合部分成分，然后加入剩余的材料并进一步熔融混合直至均一。可以使用本领域技术人员已知的任何恰当的方法实现熔融混合。合适的方法可包括使用单/双螺杆挤出机、搅拌机、捏合机、密炼机(Banbury mixer)、模塑机等。优选的是双螺杆挤出机，尤其是利用该方法制备含有添加剂和/或增强剂的组合物时。
特别地，由于根据本发明和上述的聚酰胺组合物显示出有利的流动特性，从而使其可被用于模塑和成型小型物品，因此所述组合物能够被有利地用于生产成型制品。所以，本发明还涉及制备成型制品的方法，其中所述方法至少包括提供根据本发明所述的聚酰胺组合物并将其模塑为所需形状的步骤。因为由本发明所述的聚酰胺组合物制成的物品没有起泡的问题，同时还保留了它们的其它有利性能(例如良好的机械强度)，所以本发明进一步还涉及这种组合物用于生产成型制品的用途和成型制品本身。成型制品被有利地用于电子或电器工业以生产电子或电器元件。尤其有利的成型制品是用于汽车应用领域的连接器。本发明还涉及制备成型制品的方法，其中所述方法至少包括提供根据本发明所述的聚酰胺组合物并将其模塑为所需形状的步骤。
采用下述实施例进一步阐释本发明，但本发明并不局限于此。
制备聚酰胺和组合物
实施例1：
根据下述程序制备含有至少一种具有4个碳原子的二胺单体的聚酰胺。
在2.5升高压釜中加热搅拌127.09g丁二胺、350.05g己二胺、487g水、0.66g次磷酸钠单水合物、91.59g己二酸和567.48g对苯二甲酸的混合物，并通过蒸馏除去水。值得注意的是，使用略微过量4重量％的丁二胺(相对于计算的聚酰胺组合物中的组分)以弥补聚酰胺制备过程中己二胺的损失。27分钟后，得到91重量％的盐水溶液，同时温度从170℃上升至212℃。然后关闭高压釜。在从210℃渐增至240℃的温度下聚合25分钟，期间压力升至2.4MPa，之后倾出高压釜的内容物，然后在氮气中进一步冷却固体产物。采用以下条件在金属管反应器(d＝85mm)中在固相下对预聚合物粉末进行后浓缩，首先在氮气流(2400g/h)中，在200℃下持续4小时；然后在氮气/水蒸气流(3/1重量比，2400g/h)中，在225℃下持续2小时，之后在250℃下持续18小时。然后冷却聚合物至室温。得到的聚酰胺的分子量是12.1kg/mol。
实施例2：
用实施例1中所述的方法制备聚酰胺，但其分子量为15.1kg/mol。
对比实施例3：
用实施例1中所述的方法制备聚酰胺，但其分子量为8.5kg/mol。
实施例4：
用实施例1中所述的方法制备聚酰胺，但其分子量为12.0kg/mol。
组合物1：
制备含有实施例1中的聚酰胺的组合物。向聚酰胺(69.58重量％)中加入30重量％的玻璃纤维以及0.42重量％的Irganox1098。
组合物2：
制备含有实施例2中的聚酰胺的组合物。向聚酰胺(69.48重量％)中加入30重量％的玻璃纤维以及0.47重量％的碘化钾和0.05重量％的碘化亚铜。
对比组合物3：
制备含有实施例3中的聚酰胺的组合物。向聚酰胺(70重量％)中加入30重量％的玻璃纤维。
组合物4：
制备含有实施例4中的聚酰胺的组合物。向聚酰胺(58重量％)中加入30重量％的玻璃纤维、12重量％的Exolit OP1230(一种含有二乙基膦酸铝的无卤素阻燃剂)。
注射模塑试样棒
将组合物1-4加工为干燥的颗粒材料，然后在模具中注射模塑以形成各种厚度(2.0mm、1.6mm、0.8mm和0.4mm)的试样棒。在评估中使用指定厚度的UL棒。
在注射模塑之前，采用下述条件预干燥材料：在0.02Mpa的真空中加热共聚酰胺至80℃，然后保持该温度和压力24小时同时使氮气流通过。此后，在螺杆直径为22mm的Arburg 5注塑成型机和Campus UL 0.8mm 2体注塑模具中注射模塑预干燥后的材料。设置缸壁温度为345℃，模具温度为140℃。
由此得到的Campus UL试样棒被用于进一步的试验以测量组合物的起泡性能，试验结果报告如下。
标准起泡试验
用如上所述的方法制备的厚度为0.8mm的UL试样棒被用于起泡试验。采用依照JEDEC等级1的试验条件进行起泡试验。首先将样品置于85℃和85％的相对湿度下适应168小时。在这种条件下适应之后，将样品转移至回流焊接炉经受代表焊接过程的温度曲线。将样品移出回流焊接炉后，检验其表面是否有气泡。如果回流焊接后没有观察到起泡，则达到JEDEC等级1。
表1：标准起泡试验结果
吸水率 260℃(*)下的起泡率
组合物1 2.9％ 0％
组合物2 3.1％ 0％
对比组合物3 2.4％ 80％
(*)在指定温度下显示起泡的试样棒的百分比
测试气泡起始温度
用如上所述的方法制备的UL试样棒被用于气泡起始温度试验。采用依照JEDEC等级1的试验条件进行起泡试验。首先将样品置于85℃和85％的相对湿度下适应168小时。然后将样品置于预热至指定温度的焊炉中2分钟。所用温度在240-280℃之间。在焊炉试验中，如果将试样棒暴露于至少260℃的温度后没有观察到起泡，则达到JEDEC等级1。换言之，当气泡起始温度高于260℃时，达到JEDEC等级1。当温度达到高于260℃时，材料甚至更适于回流焊接工艺。
每个炉温评估5个样品。
表2：与试样棒厚度相关的气泡起始温度
厚度 组合物1 组合物2 组合物4
2.0mm 260℃ 270℃ n.a.
1.6mm 270℃ 270℃ ＞280℃
0.8mm ＞280℃ ＞280℃ ＞280℃
0.4mm ＞280℃ ＞280℃ ＞280℃
n.a.＝无法得到
从这个表中可以得出结论：实施例1、2和4都达到了JEDEC-1等级。

Claims (13)

1.聚酰胺组合物，其中所述组合物包括：
A)99-50重量％的至少一种聚酰胺A，其中所述聚酰胺A来源于：
A1)至少一种具有4个碳原子的二胺单体，且其中C4-二胺的量至少为二胺总量的2mol％，和
A2)至少一种二酸单体，
其中所述单体中的至少一种具有至少一个芳香族结构单元，且聚酰胺A的以Mn表示的分子量至少为9000g/mol，
和
B)1-50重量％的至少一种增强剂和
C)0-20重量％的无机填料和/或添加剂，
D)0-49重量％的一种或多种不同于A)的聚合物
其中A、B、C、和D的总量为100重量％。
2.根据权利要求1所述的聚酰胺，其特征在于所述聚酰胺A是共聚物。
3.根据权利要求1或2所述的聚酰胺组合物，其中所述二胺单体包括2-50mol％的C4-二胺。
4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的聚酰胺组合物，其特征在于所述二酸单体是邻苯二甲酸、对苯二甲酸或间苯二甲酸。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的聚酰胺组合物，其特征在于存在多于一种所述二酸单体。
6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的聚酰胺组合物，其特征在于所述聚酰胺A的以Mn表示的分子量至少为10000g/mol。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的聚酰胺组合物，其特征在于组分D)至少包括一种不同于组分A)的聚酰胺。
8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的聚酰胺组合物，其特征在于增强剂B)之一是玻璃纤维。
9.根据权利要求1-8中的任意一项所述的聚酰胺组合物用于生产成型制品的用途。
10.制备成型制品的方法，其中所述方法至少包括提供根据权利要求1-8中的任意一项所述的聚酰胺组合物并将其模塑为所需形状的步骤。
11.由根据权利要求1-8中的任意一项所述的组合物制成的成型制品。
12.根据权利要求10所述的成型制品，其特征在于所述成型制品是电气或电子元件。
13.根据权利要求11或12所述的成型制品，其特征在于所述成型制品是用于汽车应用领域的连接器。
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