CN113881219B - 一种激光焊接用吸光塑料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光焊接用吸光塑料,包括以下组分,按重量份计:热塑性树脂50~97重量份;表面改性玻璃纤维0~50重量份;碳量子点0.01~2重量份;抗氧剂0.1~0.5重量份;润滑剂0.3~1重量份。本发明还公开了一种激光焊接用吸光塑料的制备方法。本发明的优势在于:通过在材料中添加功能化的碳量子点,作为焊接材料中的吸光组分,吸收红外激光,快速激发高热量,熔融焊接界面,实现良好的焊接效果。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种激光焊接用吸光塑料及其制备方法。
背景技术
热塑性塑料以其密度低、韧性好、成本低等优异性能而被广泛应用于汽车、家具、生物和医疗领域。随着工业的快速发展,塑料制件之间的连接需求越来越广泛,以满足产品设计多样化的要求。
塑料制件之间的连接可以通过机械紧固、化学粘接或者焊接的方式实现。机械紧固需要通过卡扣或者螺纹设计,易产生应力集中,而且密封性难以完全保证。化学粘接对材料表面要求较高,加工周期长。激光焊接技术应用于塑料部件连接,可以大幅减少制品的振动应力和热应力,焊接精密、牢固、密封性好,焊接过程中树脂降解少,制件或者装置内部组件更稳定,也适用焊接多种不同类型的材料。
专利CN 109929241A使用炭黑作为吸光组分制备吸光PA6材料,但是我们研究发现激光焊接强度不高,焊接窗口较窄。专利CN 112812549A添加金属掺杂碳量子点制备PA6材料,金属离子的掺杂降低了尼龙的结晶度,使材料的透光率有一定程度的提高,反而有助于作为激光焊接技术中的透光材料。
碳量子点是一种新型的碳基零维材料。碳量子点具有优秀的光学性质,环境友好、原料来源广、成本低等诸多优点,已有的合成方法包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法等。碳量子点用于塑料添加剂,特别是作为激光吸收材料用途较少。
发明内容
本发明提供了一种激光焊接用吸光塑料,通过在材料中添加氨基功能化或羧基修饰碳量子点,作为焊接材料中的吸光组分,吸收近红外激光,激发高热量,熔融界面,实现良好的焊接效果。
本发明另一目的在于提供一种激光焊接用吸光塑料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现:一种激光焊接用吸光塑料,包括以下组分,按重量份计:
所述热塑性树脂不限品种,包括但不限于聚酰胺,聚酯,聚烯烃等;可选PA,PBT,PC,POM,PPE,PPS,ABS,ASA,PP,PE,TPE中的一种或多种复合物。
所述表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
所述碳量子点为氨基功能化碳量子点或羧基修饰碳量子点。
所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
所述润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
上述的激光焊接用吸光塑料的制备方法,包括以下步骤:
(1)、原料称取:按重量份计:
(2)、将步骤(1)中的热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂、润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;
(3)、将混合好的原料加入到双螺杆挤出机中,步骤(1)中表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,在树脂合适的挤出温度熔融挤出,冷却切粒得到复合材料。
所述步骤(2)中高速混合机的转速为400~600rpm;所述热塑性树脂不限品种,包括但不限于聚酰胺,聚酯,聚烯烃等;可选PA,PBT,PC,POM,PPE,PPS,ABS,ASA,PP,PE,TPE中的一种或多种复合物;所述表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维;所述碳量子点为氨基功能化碳量子点或羧基修饰碳量子点;所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2;所述润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
本发明原理如下:
通过添加玻璃纤维进行增强改性,可以提高材料的力学性能。用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理改性,利用偶联剂上官能团与树脂之间形成有效的化学键或相互作用,增强玻璃纤维与基体树脂之间的相容性,保证材料的力学性能。
通过在材料中添加氨基功能化或羧基修饰碳量子点,作为焊接材料中的吸光组分,吸收近红外激光,激发高热量,熔融界面,实现良好的焊接效果。
本发明相对于现有技术的优点和效果为:添加表面功能化修饰的碳量子点作为材料的吸光剂,吸收近红外光激发高热量,将材料界面熔融,实现高质量、高精度、高速度、高效率和低变形的焊接要求。
附图说明
图1是实施例1-5中所使用的碳量子点的透射电镜图,其中(a)为羧基修饰碳量子点,在实施例4-5中使用,(b)为氨基功能化碳量子点,在实施例1-3中使用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
称量热塑性树脂78重量份,碳量子点2重量份,抗氧剂0.5重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
本实施例中的热塑性树脂为聚酰胺6(PA6)。
本实施例中的表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
本实施例中的碳量子点为氨基功能化近红外碳量子点。上述氨基功能化近红外碳量子点制备过程如下:将少量柠檬酸作为碳源,溶于适量去离子水中,磁力搅拌至澄清,转移到100ml反应釜中,180℃下保温5h,冷却后的反应液中加入1ml氨水,超声使混合均匀,然后加热到200℃保持6h,最后冷却后取反应液离心、过滤得到氨基功能化近红外碳量子点。
本实施例中的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
本实施例中的润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
实施例2
称量热塑性树脂80重量份,碳量子点0.01重量份,抗氧剂0.1重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
本实施例中的热塑性树脂为聚酰胺6(PA6)
本实施例中的表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
本实施例中的碳量子点为氨基功能化近红外碳量子点。上述氨基功能化近红外碳量子点制备过程如下:将少量柠檬酸作为碳源,溶于适量去离子水中,磁力搅拌至澄清,转移到100ml反应釜中,180℃下保温5h,冷却后的反应液中加入1ml氨水,超声使混合均匀,然后加热到200℃保持6h,最后冷却后取反应液离心、过滤得到氨基功能化近红外碳量子点。
本实施例中的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
本实施例中的润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
实施例3
称量热塑性树脂80重量份,碳量子点0.2重量份,抗氧剂0.3重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
本实施例中的热塑性树脂为聚酰胺6(PA6)
本实施例中的表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
本实施例中的碳量子点为氨基功能化近红外碳量子点。上述氨基功能化近红外碳量子点制备过程如下:将少量柠檬酸作为碳源,溶于适量去离子水中,磁力搅拌至澄清,转移到100ml反应釜中,180℃下保温5h,冷却后的反应液中加入1ml氨水,超声使混合均匀,然后加热到200℃保持6h,最后冷却后取反应液离心、过滤得到氨基功能化近红外碳量子点。
本实施例中的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
本实施例中的润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
实施例4
称量热塑性树脂80重量份,碳量子点0.2重量份,抗氧剂0.3重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
本实施例中的热塑性树脂为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。
本实施例中的表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
本实施例中的碳量子点为羧基修饰碳量子点。上述羧基修饰碳量子点制备过程如下:将少量柠檬酸作为碳源,溶于适量去离子水中,磁力搅拌至澄清,转移到100ml反应釜中,180℃下保温5h,冷却后的反应液中边搅拌边加入氢氧化钠溶液至溶液用PH试纸测试为中性为止。最后过滤冷冻干燥得到羧基修饰碳量子点。
本实施例中的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
本实施例中的润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
实施例5
称量热塑性树脂90重量份,碳量子点0.2重量份,抗氧剂0.3重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将10重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度220℃,二区温度260℃,三区温度260℃,四区温度255℃,五区温度250℃,六区温度250℃,七区温度250℃,八区温度250℃,机头温度265℃;主机转速300rpm。
本实施例中的热塑性树脂为聚碳酸酯(PC)。
本实施例中的表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
本实施例中的碳量子点为羧基修饰碳量子点。上述羧基修饰碳量子点制备过程如下:将少量柠檬酸作为碳源,溶于适量去离子水中,磁力搅拌至澄清,转移到100ml反应釜中,180℃下保温5h,,冷却后的反应液中边搅拌边加入氢氧化钠溶液至溶液用PH试纸测试为中性为止。最后过滤冷冻干燥得到羧基修饰碳量子点。
本实施例中的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
本实施例中的润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
对比例1
称量PA6树脂80重量份,炭黑0.2重量份,抗氧剂0.3重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将PA6树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
对比例2
称量PA6树脂75重量份,炭黑0.2重量份,碳量子点0.1重量份,抗氧剂0.3重量份,润滑剂0.5重量份,按一定顺序加入到高速混合机中混合均匀,具体的为将PA6树脂、碳量子点、抗氧剂和润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机中,同时将20重量份的表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,经双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、造粒,得到激光焊接用吸光塑料,各段温度分别为:一区温度200℃,二区温度240℃,三区温度240℃,四区温度240℃,五区温度240℃,六区温度240℃,七区温度230℃,八区温度230℃,机头温度235℃;主机转速300rpm。
实施例与对比例按照以下标准测试性能:
拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别按照ISO 527、ISO 178和ISO 179标准进行测试;分别选取与实施例或对比例玻纤含量相同的增强热塑性作为透光材料,对吸光材料样品和透光材料样品(1.6*12.8*130mm)进行焊接实验,采用准同步焊接方式,焊接后对焊接后试样进行拉伸测试(拉伸速率为5mm/min),以断裂时拉力值(N)作为评价焊接效果标准。本发明实施例1~4性能测试结果和对比例结果如表1所示。
表1实施例1~4和对比例1~2所得到的复合材料测试结果
对比例1 | 对比例2 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |
焊接强度(N) | 630 | 830 | 860 | 680 | 780 | 680 | 710 |
偶联剂表面改性玻纤增强塑料具有优异的力学性能。
从实施例和对比例的测试数据得出以下结论:材料中添加碳量子点作为吸光组分,与对应透光组分配合具有更高的焊接强度;对比例1中添加炭黑作为吸光剂,材料对应的焊接强度偏低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光焊接用吸光塑料,其特征在于,包括以下组分,按重量份计:
2.根据权利要求1所述的激光焊接用吸光塑料,其特征在于:所述热塑性树脂选自聚酰胺,聚酯,聚烯烃;进一步选自PA,PBT,PC,POM,PPE,PPS,ABS,ASA,PP,PE,TPE中的一种或多种复合物。
3.根据权利要求1所述的激光焊接用吸光塑料,其特征在于:所述表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的激光焊接用吸光塑料,其特征在于,所述碳量子点为氨基功能化碳量子点或羧基修饰碳量子点。
5.根据权利要求1所述的激光焊接用吸光塑料,其特征在于:所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2。
6.根据权利要求1所述的激光焊接用吸光塑料,其特征在于:所述润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
7.根据权利要求1~6任一项所述的激光焊接用吸光塑料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)、原料称取:按重量份计:
(2)、将步骤(1)中的热塑性树脂、碳量子点、抗氧剂、润滑剂加入到高速混合机,混合20秒以上;
(3)、将混合好的原料加入到双螺杆挤出机中,步骤(1)中表面改性玻璃纤维通过侧喂料加入,在树脂合适的挤出温度熔融挤出,冷却切粒得到复合材料。
8.根据权利要求7所述的激光焊接用吸光塑料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中高速混合机的转速为200~600rpm;所述挤出参数根据不同树脂,采用一般公知的合适的挤出参数加工;所述热塑性树脂选自聚酰胺,聚酯,聚烯烃;所述表面改性玻璃纤维为采用偶联剂进行表面处理的玻璃纤维;所述碳量子点为氨基功能化碳量子点或羧基修饰碳量子点;所述抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类抗氧化剂中的一种或两种,两种时受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂重量配比为1:2;所述润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类、硅酮粉中的一种或多种的组合物。
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