CN107033588A - 激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其吸收激光部分包括聚酰胺、磷酸盐类化合物、卤化铜金属化合物、卤化金属盐化合物和玻璃纤维，其透射激光部分包括聚酰胺、卤化铜金属化合物、卤化金属盐化合物和玻璃纤维，卤化铜金属化合物中的卤离子为氯离子、溴离子或碘离子，铜离子为Cu+或Cu2+，卤化金属盐化合物中的金属元素为碱金属元素或碱土金属元素，玻璃纤维由20‑100％扁平玻璃纤维和0‑80％普通玻璃纤维组成，扁平玻纤长短轴直径比≥2，且短轴直径长度≥3μm；该复合材料性能保持率能够达到95％以上，外观更加优异，且大大提高了材料的刚性，尤其是垂直于玻璃纤维流动方向的模量及焊接强度。

Description

激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料
技术领域
本发明涉及一种激光焊接用的复合材料，尤其涉及一种激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，属于改性高分子复合材料技术领域。
背景技术
激光焊接的概念始于20世纪70年代，其通常使用波长在700-1200nm之间的二极管激光或掺钕钇铝石榴石合成晶体(Nd:YAG)激光在焊接部位产生大量的热，进而使元件接触区域熔融而形成焊接部位。
与传统塑料焊接工艺相比，激光焊接能够应用在灵活多变的各种结构上，其焊接强度高，所具有的快速的升温降温速率能够减少对材料的热影响，对焊件不产生外力作用从而使焊件的应力和变形都非常小；此外激光焊接的焊接工艺稳定、焊缝的表面和内在质量都非常好，其在真空、空气或其他气体环境中均能施焊，对焊接的介质要求不高，并能够透过玻璃或其他对光束透明的材料进行焊接。由于激光焊接具有上述独特的优点，其已成功应用于微小型零件的精密焊接中。
但在塑料领域中应用激光焊接具有一定的特殊性，这是因为聚合物在激光对应的波长范围内大多是透明的，因此需要在聚合物体系中添加额外的激光吸收剂或激光扩散吸收剂等成分来获得相应的吸收性能。目前现有技术中通常使用炭黑作为能够进行激光焊接的塑料的吸收激光部分中使用的激光吸收剂，但炭黑不仅在近红外区域有较强的吸收，而且在可见光波长和红外光波长范围内也有较强的吸收，因此炭黑无法应用在浅色或透明的塑料产品中。
尼龙由于具有优异均衡的机械性能、耐热性、润滑性、耐疲劳蠕变和耐有机溶剂性能而在各种领域中被广泛利用，尤其是随着尼龙材料在汽车、电子、电器、家电、工业设备中大规模普及应用与技术革新，以及在使用激光焊接代替传统焊接工艺的发展趋势下，可供激光焊接的尼龙材料成为备受青睐的材料之一。但如前所述，尼龙材料在激光焊接的波长下也是透明的，虽然可以通过添加添加剂可以获得相应吸收性能，但由于目前常用于尼龙材料的激光吸收剂通常是炭黑，它虽然在可见光区域和IR区域中均显示出非常高的吸收，但将其应用在浅色和透明体系中是不可能的。
在现有技术中，通常允许以浅色来着色的用于激光打标记的添加剂有锑、氧化锑、导电颜料、TiO2等，它们被添加到吸收激光部分的配制剂中并使其具有能够激光焊接的性能。虽然在吸收激光部分中单独添加上述激光打标记的添加剂，使材料具有可焊性是可以的，但由于需要较长的加工时间而不能被业界在实际加工时所接受；此外这些添加剂对焊接用激光波长的吸收程度远低于炭黑对激光波长的吸收程度。除了上述对成品外观以及焊接工艺步骤的要求外，焊接强度也是塑料高分子焊接技术所关注的指标。通常焊接后的高分子的性能相比于树脂本身的性能会发生衰减，尤其是在添加了一定长径比的填料(如玻纤、硅灰石等)之后，焊接材料的焊接强度相较未焊接材料本身的性能有明显的衰减，主要存在于焊接强度的应力集中、缺陷及性能衰减波动等方面，这些大大降低了最终焊接产品的使用寿命。因此，如何提高激光焊接强度，使其接近本体强度具有相当高的难度并且通过目前现有的技术无法获得相关的启发。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其具有明显增强的激光焊接强度，且能够应用于浅色或无色体系中。
本发明的技术方案是：
本发明提供了一种激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，包括吸收激光部分和透射激光部分。
所述吸收激光部分包括下述按重量份计的各组分：
聚酰胺30-100份，所述聚酰胺为一种或多种二元羧酸和一种或多种二元胺的缩合产物，或聚酰胺为一种或多种氨基羧酸的缩合产物，或聚酰胺为一种或多种环内酰胺的开环聚合产物，优选聚已内酰胺以及聚己二酰己二胺，上述可选用市面上的常规产品。
磷酸盐类化合物0.5-10份，优选为0.5-8.0份，更优选为0.5-6.0份，进一步优选为0.5-4.0份。所述磷酸盐类化合物为磷酸盐、次磷酸盐、磷酸氢盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐、聚偏磷酸盐、三聚磷酸盐和氢氧化磷酸盐中的一种。具体为磷酸钙、次磷酸钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、焦磷酸钙、磷酸钠、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、焦磷酸钾、聚偏磷酸钾、三聚磷酸钾、磷酸氢二铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、偏磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸铁、焦磷酸铁、磷酸氢镁、磷酸镁、次磷酸锰、焦磷酸铁钠、氢氧化磷酸铜和磷酸铜中的至少一种，优选为氢氧化磷酸铜和磷酸铜中的至少一种。
卤化铜金属化合物0.05-2.0份，该卤化铜金属化合物中的卤离子为氯离子、溴离子和碘离子中的至少一种，且所述铜离子为Cu+和Cu2+中的至少一种。
卤化金属盐化合物0.1-10份，该卤化金属盐化合物中的金属元素为碱金属元素和碱土金属元素中的至少一种。卤化金属盐化合物的加入有利于改善聚酰胺复合材料的结晶结构，更有利于提高激光焊接的强度，尤其是当其作用于透射激光部分时更加明显。
玻璃纤维5-60份，该玻璃纤维由20-100％扁平玻璃纤维和0-80％的普通玻璃纤维组成，优选为所述玻璃纤维由20-80％扁平玻璃纤维和20-80％普通玻璃纤维组成，或优选为所述玻璃纤维全部由扁平玻璃纤维组成。相比普通玻璃纤维而言，所述扁平玻璃纤维具有非圆形横截面，横截面一般为椭圆形，该扁平玻璃纤维沿玻璃纤维径向垂直的横截面的长轴直径和与之垂直的短轴直径比值不小于2，该比值优选为2-5，更优选为3-4；此外所述扁平玻璃纤维横截面短轴直径的长度不小于3μm，优选为3-20μm；而横截面长轴直径的长度为6-40μm，而上述扁平玻璃纤维以短切纤维束的形式存在，其长度为2-50mm。所述普通玻璃纤维的直径为5-20μm，且该普通玻璃纤维的长度为0.05-30mm。与普通的玻璃纤维相比较，扁平玻璃纤维的加入极大程度提高了该用于激光焊接的复合材料的机械性能和焊接制件的外观，尤其是玻璃纤维沿着流动性取向之后，与流动方向垂直的方向，扁平玻纤具有明显增强的机械性能。
所述透射激光部分的组成和用量与吸收激光部分的组成与用量相同，但不包括所述磷酸盐类化合物。
此外，上述吸收激光部分和透射激光部分还分别包括为了实现其他功能性目的而添加的其他助剂，包括但不限于冲击改进剂、增塑剂、紫外光稳定剂、热稳定剂、抗氧化剂、抗静电剂、成核剂、流动增强剂、润滑剂和着色剂中的至少一种。
本发明的有益技术效果是：本发明所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料与无焊接结合面的本体材料强度相比，具有较高的强度保持率甚至超越了本体材料的强度，其性能保持率基本高达70％以上，大多能够达到90％以上，甚至能够达到95％以上，且其性能明显优于含有普通短切玻璃纤维的焊接材料的性能。经过使用扁平玻璃纤维增强的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料具有比普通玻璃纤维更加优异的外观，尤其是应用于具有高焊接密封性要求的零件，使用扁平玻纤使本发明的材料还具有更高的刚性，尤其是垂直于玻璃纤维流动方向的模量及焊接强度。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下述具体实施例和对比例中所采用的原材料及相应的型号如下所述：
聚酰胺：聚酰胺6(PA6)选用俄国古比雪夫氮公司的Volgamid24；聚酰胺66(PA66)选用中国神马集团生产的EPR24。
磷酸盐类化合物：氢氧化磷酸铜(CAS No.:10103-48-7)选自广东翁江化学试剂有限公司；磷酸铜(CAS No.:7798-23-4)选自阿法埃莎(中国)化学有限公司；磷酸钠选自上海麦克林生化科技有限公司，规格为无水磷酸钠；磷酸铁选自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。
卤化铜金属化合物：碘化亚铜选用青岛拓海碘制品有限公司的TH-V；溴化铜选自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
卤化金属盐化合物：溴化钠选自郑州易阳化工产品有限公司，规格为工业级；碘化钾选自上海习致化学有限公司；溴化钾选自国药集团化学试剂有限公司。
普通玻璃纤维：普通短切玻璃纤维选用重庆国际复合材料有限公司的ECS301CL，直径10μm。
短切扁平玻璃纤维：购自日本Nitto Boseki，牌号为NITTOBO CSG3PA-820，3mm长，横截面长轴直径长度28μm，短轴直径长度7μm。
具体实施例1
吸收激光部分：90份PA66、5份氢氧化磷酸铜、0.05份碘化亚铜、1份溴化钠、5份CSG3PA-820；
透射激光部分：90份PA66、0.05份碘化亚铜、1份溴化钠、5份CSG3PA-820。
具体实施例2
吸收激光部分：70份PA66、2份磷酸铜、0.5份溴化铜、2份碘化钾、10份ECS301CL、10份CSG3PA-820；
透射激光部分：70份PA66、0.5份溴化铜、2份碘化钾、10份ECS301CL、10份CSG3PA-820。
具体实施例3
吸收激光部分：60份PA66、1份磷酸钠、2份碘化亚铜、5份溴化钠、10份ECS301CL、20份CSG3PA-820；
透射激光部分：60份PA66、2份碘化亚铜、5份溴化钠、10份ECS301CL、20份CSG3PA-820。
具体实施例4
吸收激光部分：50份PA6、0.5份磷酸铁、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、20份ECS301CL、20份CSG3PA-820；
透射激光部分：50份PA6、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、20份ECS301CL、20份CSG3PA-820。
具体实施例5
吸收激光部分：50份PA6、0.5份磷酸铁、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、40份CSG3PA-820；
透射激光部分：50份PA6、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、40份CSG3PA-820。
对比例1
吸收激光部分：90份PA66、5份氢氧化磷酸铜、5份ECS301CL；
透射激光部分：90份PA66、5份ECS301CL。
对比例2
吸收激光部分：70份PA66、2份磷酸铜、20份ECS301CL；
透射激光部分：70份PA66、20份ECS301CL。
对比例3
吸收激光部分：60份PA66、1份磷酸钠、2份碘化亚铜、5份溴化钠、30份ECS301CL；
透射激光部分：60份PA66、2份碘化亚铜、5份溴化钠，30份ECS301CL。
对比例4
吸收激光部分：50份PA6、0.5份磷酸铁、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、40份ECS301CL；
透射激光部分：50份PA6、0.5份碘化亚铜、1份溴化钾、40份ECS301CL。
上述具体实施例和对比例中的吸收激光部分和透射激光部分的聚酰胺复合材料可以经注塑、挤出、模压、发泡等根据需要由本领域技术人员决定的常用成型方法形成各种塑料制品，该各种塑料制备可以用于激光焊接，该激光焊接的激光辐照时间、辐射功率等焊接条件根据各自的实际应用而定。在下述具体实施例中和对比例中将上述复合材料分别制成板材，所使用的激光波长在150nm～15μm之间，优选808nm～1100nm之间，下述举例中采用由Nd:YAG或各种符合要求波长的二极管激光作为激光光源。
对具体实施例和对比例中配方制备所得样条进行下述各项测试，测试方法如下所述。
焊接样条抗拉强度保持率：将采用上述具体实施例和对比例中配方用量制备所得的吸收激光部分和透射激光部分的板材，放入连续波长激光器中，使用Nd:YAG的激光器以40mm/s的速度进行焊接，将焊接后所得板材根据ISO 527标准裁成哑铃状的拉伸试样，并使焊接面位于样条跨距的中间位置，在23℃下相对湿度为50％以及含水率不高于0.2％的干燥状态下进行抗拉强度测试。然后将吸收激光部分和透射激光部分以质量比为1:1共混后直接根据ISO 527标准模制成型制成测试棒，在与上述相同的条件下进行测试，分别测试至少5根相同构成的测试棒，以它们的抗拉强度均值作为最终测试结果。最后记录经激光焊接形成的焊接样条的抗拉强度与直接注塑形成的注塑样条的抗拉强度的比值，记为焊接样条抗拉强度的保持率，单位为“％”。
激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料的外观评价通过注塑工艺模制350mm×100mm×4mm的方板，使用位于方板长轴方向的一侧的单个浇口进行注塑，根据方板外观浮纤的情况进行评价，并分为5(优)、4(良)、3(中等)、2(差)、1(极差)五个不同等级，以无填充尼龙6模制品的外观作为等级5(优)的基线参照物。平行于玻璃纤维流动方向的弯曲模量，通过350mm×100mm×4mm的方板，垂直于玻纤流动方向，距离浇口100mm位置截取80mm×10mm×4mm的样条，使玻璃纤维的取向(流动方向)与样条的长轴方向垂直，根据ISO 178标准测试与玻璃纤维取向(流动方向)垂直的弯曲强度，分别测试至少5根相同构成与形状的以上方法得到的样条，其平均值为垂直玻纤流动方向的弯曲强度，单位MPa。
玻璃纤维含量：将焊接样条和测试棒分别在650℃下灼烧30分钟后，通过计算烧蚀前后的灰分百分比计算获得，单位为“％”。
具体实施例与对比例的测试结果参见下表所述。
表1具体实施例与对比例焊接强度测试结果
由上表可以看出，本发明所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料与无焊接结合面的本体材料强度相比，具有较高的强度保持率甚至超越了本体材料的强度，其性能保持率基本高达70％以上，甚至能够达到90％以上，甚至能够达到95％以上，且使用扁平玻璃纤维其性能明显优于含有普通短切玻璃纤维的焊接材料的性能，并且具有明显优异的外观，且在玻纤流动方向的垂直方向上具有明显优于普通玻纤的弯曲强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，包括吸收激光部分和透射激光部分，其特征在于：
所述吸收激光部分包括下述按重量份计的各组分：聚酰胺30-100份、磷酸盐类化合物0.5-10份、卤化铜金属化合物0.05-2.0份、卤化金属盐化合物0.1-10份和玻璃纤维5-60份；
所述透射激光部分包括下述按重量份计的各组分：聚酰胺30-100份、卤化铜金属化合物0.05-2.0份、卤化金属盐化合物0.1-10份和玻璃纤维5-60份；
其中所述磷酸盐类化合物为磷酸盐、次磷酸盐、磷酸氢盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐、聚偏磷酸盐、三聚磷酸盐和氢氧化磷酸盐中的一种；
所述卤化铜金属化合物中的卤离子为氯离子、溴离子和碘离子中的至少一种，且所述铜离子为Cu+和Cu2+中的至少一种；
所述卤化金属盐化合物中的金属元素为碱金属元素和碱土金属元素中的至少一种；
所述玻璃纤维由20-100％扁平玻璃纤维和0-80％的普通玻璃纤维组成，所述扁平玻璃纤维沿该玻璃纤维径向垂直的横截面的长轴直径和与之垂直的短轴直径的比值不小于2，且玻璃纤维横截面短轴直径的长度不小于3μm，该扁平玻璃纤维以短切纤维束形式存在，且长度为2-50mm；所述普通玻璃纤维的直径为5-20μm，且该普通玻璃纤维的长度为0.05-30mm。
2.根据权利要求1所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述玻璃纤维由20-80％扁平玻璃纤维和20-80％普通玻璃纤维组成，或所述玻璃纤维全部由扁平玻璃纤维组成。
3.根据权利要求2所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述扁平玻璃纤维沿该玻璃纤维径向垂直的横截面的长轴直径和与之垂直的短轴直径的比值为2-5，且玻璃纤维横截面短轴直径的长度为3-20μm，玻璃纤维横截面长轴直径的长度为6-40μm。
4.根据权利要求3所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述扁平玻璃纤维沿该玻璃纤维径向垂直的横截面的长轴直径和与之垂直的短轴直径的比值为3-4。
5.根据权利要求1所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述磷酸盐类化合物为磷酸钙、次磷酸钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、焦磷酸钙、磷酸钠、磷酸钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、焦磷酸钾、聚偏磷酸钾、三聚磷酸钾、磷酸氢二铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、偏磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸铁、焦磷酸铁、磷酸氢镁、磷酸镁、次磷酸锰、焦磷酸铁钠、氢氧化磷酸铜和磷酸铜中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述磷酸盐类化合物为氢氧化磷酸铜和磷酸铜中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述磷酸盐类化合物在所述吸收激光部分中的用量为0.5-4.0份。
8.根据权利要求1所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述吸收激光部分和透射激光部分还分别包括其他助剂。
9.根据权利要求7所述的激光焊接用扁平纤维改性浅色聚酰胺复合材料，其特征在于：所述其他助剂为冲击改进剂、增塑剂、紫外光稳定剂、热稳定剂、抗氧化剂、抗静电剂、成核剂、流动增强剂、润滑剂和着色剂中的至少一种。
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