一種能透射激光束的樹(shù)脂組合物及透光性黑色塑料制品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光焊接專用塑料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能透射激光束的樹(shù)脂組合 物及透光性黑色塑料制品。
【背景技術(shù)】
[0002] 塑料作為一種工程材料，使用不斷增加，因?yàn)槠淞己玫膹?qiáng)度，成本低、加工成型技 術(shù)簡(jiǎn)單、成品重量輕、物理特性優(yōu)良、能提供各種工程性能，其應(yīng)用于工業(yè)制造和日常使用 非常廣泛。塑料作為價(jià)格昂貴的鋼鐵、鋁、鎂等金屬和其他一些非金屬材料在工程上的替代 品。
[0003] 塑料由于注塑工藝等因素的限制，在相當(dāng)一部分形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料制品不能 一次注塑成型，往往需要多個(gè)部件粘接而成。因此，在塑料制品的加工過(guò)程中人們渴望一 種更加快速、有效、干凈的塑料加工方式。
[0004] 近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了工業(yè)領(lǐng)域的塑料零件的各種連接方法，主要有振動(dòng)摩擦焊接、 熱板式塑料焊接及超聲波焊接等焊接技術(shù)，這些現(xiàn)有方法存在著某些限制。熱板焊接方法 將塑料件容易和加熱源粘接在一起且會(huì)造成空氣污染；熱影響區(qū)大，表面會(huì)有變形等影響 外觀。而且焊接制品的熱應(yīng)力很大，導(dǎo)致內(nèi)部組件的老化速度很快或開(kāi)裂現(xiàn)象。大大縮短 了產(chǎn)品的使用壽命。摩擦焊接將會(huì)對(duì)焊接部件施加較大的機(jī)械力，會(huì)降低焊接強(qiáng)度，焊接產(chǎn) 品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷。超聲波焊接工件的缺陷不僅發(fā)生于結(jié)合面，而且也經(jīng)常發(fā)生在焊接 件表面，其中表面熱破壞是較常見(jiàn)的一種，表面熱破壞對(duì)材料的破壞最終也影響到制品的 強(qiáng)度、表觀質(zhì)量及使用壽命，另外超聲波焊接受到被粘合在一起的物體形狀和尺寸的限制。 在電子元件的裝配方面，超聲波焊接會(huì)損壞一些電子元件。
[0005] 因此，激光焊接作為一種能較好克服這些缺點(diǎn)的新方法正日益受到重視。激光以 其相干性好、能量密度高、準(zhǔn)直性好等優(yōu)異特性，可以焊接形狀特殊的工件其受熱敏感的材 料等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 塑料激光焊接技術(shù)是一種方興未艾的非接觸焊接技術(shù)。同其它焊接方法相比，它 具有非接觸、不透氣、不漏水、焊接速度快、精度高、焊縫強(qiáng)度高、無(wú)飛邊、無(wú)殘?jiān)?、無(wú)振動(dòng)、無(wú) 廢氣物、無(wú)污染、沒(méi)有噪音、熱應(yīng)力最小、靈活性好、適應(yīng)性好、自動(dòng)化精密數(shù)控成本相對(duì)較 低等諸多優(yōu)點(diǎn)。塑料的激光焊接技術(shù)主要用于普通焊接技術(shù)難以適應(yīng)的塑料制品（如高密 度線路板)、形狀復(fù)雜的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品（如醫(yī)藥設(shè)備、電子傳感器 等）等。
[0007] 塑料激光焊接的基本原理為：將兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，近紅外線激 光NIR (波長(zhǎng)810-1064nm)穿過(guò)一個(gè)制品(近紅外線激光透射)然后被另外一個(gè)制品吸收(近 紅外線激光吸收)。吸收激光能量的制品將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在塑料的接觸面熔化，同時(shí)熱 也傳導(dǎo)到透射近紅外線激光的制品的表面，形成熔化區(qū)。在夾緊力的作用下，兩零件的熔化 區(qū)緊密接觸。在材料熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)力和夾緊外力的共同作用下，熔化區(qū)域產(chǎn)生分子間混 合，在快冷過(guò)程中形成焊縫。
[0008] 激光對(duì)熱塑材料的焊接主要是采用激光透射焊接的方法。此方法對(duì)被焊接的兩種 材料性質(zhì)有一定的要求，為了實(shí)現(xiàn)激光焊接，待焊兩塑料零件在特定波長(zhǎng)下的光學(xué)吸收性 能不應(yīng)相同。上部零件應(yīng)盡可能透射激光，底部零件應(yīng)具有高的吸收率，在激光焊接過(guò)程 中，吸收性的零件升溫并且局部熔化，通過(guò)熱傳導(dǎo)將能量傳遞到透光的零件。在外部的壓力 下兩個(gè)零件結(jié)合在一起。兩零件的反射率應(yīng)保持最小，因?yàn)殡S著反射量的增加，需要更多的 能量產(chǎn)生焊接所需的熱量。同樣的道理，上部零件的吸收率應(yīng)最小。上部零件吸收率過(guò)大 的話，還可能在底部零件開(kāi)始軟化之前就發(fā)生降解。為了防止熱分解，透射激光材料比吸收 激光材料熔點(diǎn)低是有利的。
[0009] 激光焊接的應(yīng)用還存在一定局限性，在激光透射焊接中，一直使用非著色的塑料 作為透射塑料材料。此種材料的使用限制了材料在汽車(chē)工業(yè)和電氣/電子工業(yè)中要求各種 顏色的制品方面的應(yīng)用。尤其重要的是，這些領(lǐng)域中使用的黑色材料目前尚未滿意地普遍 采用傳統(tǒng)激光焊接操作。
[0010] 影響塑料激光焊接性的一個(gè)主要因素是塑料對(duì)激光的透射率。材料種類、壁厚、 填充物含量和染料影響透射程度。研究表明，聚合物對(duì)近紅外線激光的透射率至少達(dá)到 20-50%，采用激光焊接技術(shù)才能獲得優(yōu)良的焊接效果。由于黑色塑料在可見(jiàn)光和激光波長(zhǎng) 處的透過(guò)率近似為零，且吸收高。例如黑色塑料在激光波長(zhǎng)處的吸收率達(dá)到90%~95%(黑 色塑料對(duì)近紅外線激光的透射率極低5%~10%，則激光無(wú)法穿透)，這種情況下即不能采用 激光焊接。所以在塑料激光焊接工藝上，將兩個(gè)黑色塑料焊接在一起較困難，因?yàn)榧す饽芰?在到達(dá)焊接界面之前就已經(jīng)被吸收。另外，有人建議，黑色顏料可以經(jīng)過(guò)稀釋并用于透射塑 料的部分中或甚至采用較薄形狀的材料來(lái)提高透射率。然而，此種做法不能保證制成零件 的滿意外觀且零件設(shè)計(jì)的靈活性大受限制。
[0011] 另一方面，塑料對(duì)近紅外線激光的吸收率也是影響激光焊接效果的重要因素。吸 收劑的應(yīng)用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝，塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區(qū)的 待焊接塑料融化，隨后冷卻自然實(shí)現(xiàn)塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的 激光能量。塑料自身能夠以較高吸收率吸收激光能量自然最好，但一般在不添加吸收劑的 情況下，塑料對(duì)光波的吸收性不是很好，吸收效率很低，融化效率不理想。為了實(shí)現(xiàn)良好焊 接，需要在底部塑料中添加吸收劑以增強(qiáng)吸收效果。從而大大提高塑料的熱吸收效果，使得 熱作用區(qū)的材料融化更快、效果更好。
[0012] 針對(duì)黑色塑料激光焊接的上述技術(shù)難題，有必要研發(fā)一種能透射激光束的樹(shù)脂組 合物及透光性黑色塑料制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能透射激光 束的樹(shù)脂組合物，該樹(shù)脂組合物能應(yīng)用于激光焊接并表現(xiàn)出更好的可模塑性、在熱塑性樹(shù) 脂中的溶解性、耐化學(xué)品性、耐滲色與起霜性以及對(duì)激光束波長(zhǎng)的透明性。
[0014] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種能透射激光束的透光性黑色塑料制品，該透光性 黑色塑料制品在可見(jiàn)光區(qū)域（400-700nm)具有較大的光學(xué)吸收系數(shù)，同時(shí)，在近紅外區(qū)域 (波長(zhǎng)800-1200nm)具有較大透光系數(shù)；且耐熱性和力學(xué)性能優(yōu)異。
[0015] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種能透射激光束的透光性黑色塑料制品的制備方 法，該制備方法工藝簡(jiǎn)單，操作控制方便，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0016] 本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種能透射激光束的樹(shù)脂組合物，所述樹(shù) 脂組合物包括如下重量份的原料： 熱塑性樹(shù)脂 100份 透光性黑著色劑 0. 01-15份； 所述熱塑性樹(shù)脂是由聚氨酯和聚酯以重量比1:1. 2-1. 8組成的混合物； 所述透光性黑著色劑是由蒽醌染料和紫環(huán)酮染料組成的混合物。
[0017] 本發(fā)明通過(guò)采用聚氨酯和聚酯作為熱塑性樹(shù)脂復(fù)配使用，并控制其重量比為 1:1. 2-1. 8,具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，加工成型簡(jiǎn)便，具有較高的機(jī)械物理性能；而 且不起化學(xué)反應(yīng)，無(wú)論加熱和冷卻重復(fù)進(jìn)行多少次，均能保持這種性能。
[0018] 本發(fā)明通過(guò)采用蒽醌染料和紫環(huán)酮染料作為透光性黑著色劑復(fù)配使用，制得的透 光性黑色塑料制品在可見(jiàn)光區(qū)域（400-700nm)具有較大的光學(xué)吸收系數(shù)，同時(shí)，在近紅外區(qū) 域(波長(zhǎng)800-1200nm)具有較大透光系數(shù)。
[0019] 優(yōu)選的，所述聚氨酯是由聚己內(nèi)酰胺和聚己二酰己二胺以重量比2-3:1組成的混 合物。
[0020] 本發(fā)明通過(guò)采用聚己內(nèi)酰胺和聚己二酰己二胺作為聚氨酯復(fù)配使用，并控制其重 量比為2-3:1，具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，加工成型簡(jiǎn)便，具有耐磨、耐溫、密封、隔音、 加工性能好、可降解等優(yōu)異性能。
[0021] 優(yōu)選的，所述聚酯是由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯以重量比 1:0. 5-1. 5組成的混合物。
[0022] 本發(fā)明通過(guò)采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯作為聚酯復(fù)配 使用，并控制其重量比為1:0. 5-1. 5,具有良好的成纖性、力學(xué)性能、耐磨性、抗蠕變性、低吸 水性以及電絕緣性能；且低溫結(jié)晶速度快、成型性能好。
[0023] 優(yōu)選的，所述透光性黑著色劑是由蒽醌染料的藍(lán)染料、紫染料或綠染料與紫環(huán)酮 染料的紅染料、橙染料和蒽醌染料的黃染料或紫環(huán)酮染料的黃染料以重量比6:2:1組成的 混合物。即所述透光性黑著色劑是由蒽醌染料的藍(lán)染料、紫染料或綠染料三種中的任意一 種與紫環(huán)酮染料的紅染料、橙染料兩種中的任意一種和蒽醌染料的黃染料或紫環(huán)酮染料的 黃染料兩種中的任意一種以重量比6:2:1組成的混合物。
[0024] 本發(fā)明通過(guò)采用蒽醌染料的藍(lán)染料、紫染料或綠染料與紫環(huán)酮染料的紅染料、橙 染料和蒽醌染料的黃染料或紫環(huán)酮染料的