一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及特种工程塑料技术领域，具体涉及一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法。

背景技术

聚醚醚酮(PEEK)是一种性能优异的热塑性特种工程塑料。与其它特种工程塑料相比具有更多的显著优势，例如，PEEK具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能，并且可以在260℃的高温下正常工作。因此，PEEK材料广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域。

当前，由于注塑工艺等因素的限制，导致部分形状与结构复杂的制品不能一次注塑成型，往往需要多个部件粘接而成。而塑料焊接技术是热塑型塑料二次加工的主要方法之一，利用热塑性塑料受热熔融的特性，在热的作用下，使两个塑料部件表面同时熔融，在外力的作用下，使两个部件结为一体。由于加热方式的不同，塑料加热方式可以分为加热工具焊接、摩擦焊接、超声波焊接、高频焊接与激光焊接等。与其它焊接方法如超声波焊接、振动焊、热平板焊接相比，激光焊接具有成本和性能方面的优势。激光焊接的一大优势是，它是采用非接触式的加热方式对塑料工件进行加热，即使是复杂的三维待焊接面也可以被塑化。因此，红外线激光焊接技术尤其适用于复杂曲面的零件以及大型结构性塑料零件。

由于PEEK优异的性能，使得其在高端产品领域存在广泛的应用潜能。对于形状复杂的功能结构件，当采用现有注塑工艺条件无法满足一次注塑成型时，则需考虑激光焊接技术；但是，查阅相关文献资料，尚未见到关于可激光焊接碳纤维改性PEEK材料的报道。另外，由于传统碳纤增强PEEK中碳纤维为吸光材料，从而导致激光的透光率偏低，接触面焊接强度差。因此，需要研发出一种透光性好、可用于激光焊接，且制件接触面焊接强度高的PEEK材料。

发明内容

本发明目的在于提供一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法，采用透光性较好的玻璃纤维和空心玻璃微珠替代部分碳纤维，可在保障改性PEEK材料拥有良好线膨胀系数等性能的同时增强其透光率，进而提升制件接触面的焊接强度。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料，包括下列重量份的组分构成：

其中，所述第一PEEK树脂和第二PEEK树脂的熔融指数存在差异，两者的差值不小于15g/10min。

进一步的，所述碳纤维、低介电玻璃纤维、空心玻璃微珠和透光黑色颜料的配比为10:5:5:1。

进一步的，所述第一PEEK树脂熔的熔融指数为5～15g/10min，第二PEEK树脂的熔融指数为20～35g/10min，配方中二者的比例为4:1。

进一步的，所述透光黑色颜料为苯胺黑或溶剂黑，优选为苯胺黑。

进一步的，所述抗氧剂为抗氧剂9228、抗氧剂608、抗氧剂TP-24和抗氧剂1024中的一种或者几种混合物。

进一步的，所述润滑剂为聚硅氧烷、长链不饱和脂肪酸盐和乙烯硬脂酰胺中的一种或几种混合物。

进一步的，所述相容剂为接枝率0.5～1％POE接枝马来酸酐、SEBS接枝马来酸酐和丙烯酸正丁酯-缩水甘油酯中的一种或几种混合物。

进一步的，所述热稳定剂为N-苯基马来酰亚胺、有机铜盐、受阻酚类和亚磷酸酯类中的一种或几种混合物。

本发明还提供一种上述的可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料的制备方法，该方法将按重量份数称取的第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、抗氧剂、润滑剂和热稳定剂干燥混匀后与按重量份数称取的碳纤维、低介电玻璃纤维和空心玻璃微珠在预热好的双螺杆挤出机中经熔融反应、挤出、冷却、切粒与干燥后获得可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料；

其中，所述按重量份数称取的第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、抗氧剂、润滑剂和热稳定剂由双螺杆挤出机的主喂料斗加入双螺杆挤出机中，所述按重量份数称取的碳纤维和低介电玻璃纤维由双螺杆挤出机的第一侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，所述按重量份数称取的空心玻璃微珠由第二侧喂料斗加入双螺杆挤出机中。

进一步的，所述可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料的制备方法包括如下步骤：

1)PEEK树脂干燥：将第一PEEK树脂和第二PEEK树脂在100～200℃的温度条件下干燥2～5h；

2)混料：按重量份数称取第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂后进行高速混料，以混合均匀，混合机的转速为100～300r/min，混合时间为5～20min；

3)挤出机预热：检查双螺杆挤出机的各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到目标工作温度，双螺杆挤出机各区目标工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区的工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区的工作温度均为380～420℃；模头工作温度为410～430℃，待各区工作温度升到目标工作温度后恒温20～30分钟；

4)挤出造粒：将步骤2)得到的混料、碳纤维和低介电玻璃纤维，以及空心玻璃微珠分别加入到双螺杆挤出机中，挤出造粒获得可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法，获得了如下有益效果：

本发明公开的可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法，其中，改性PEEK材料的组成为60～120份第一PEEK树脂、15～30份第二PEEK树脂、10～20份碳纤维、5～10份低介电玻璃纤维、5～10份空心玻璃微珠、1～2份透光黑色颜料、1～2份相容剂、1～2份热稳定剂、1～2份抗氧剂和1～2份润滑剂，第一PEEK树脂和第二PEEK树脂熔融指数相差不小于15g/10min，具体为，第一PEEK树脂熔的熔融指数5～15g/10min，第二PEEK树脂的熔融指数20～35g/10min；即采用低粘PEEK树脂和中高粘PEEK树脂复配的方法，高粘PEEK树脂保证PEEK改性材料具有较高的断裂强度、硬度、韧性、耐老化稳定性等性能，低粘PEEK树脂在激光焊接过程中，可加快界面层高分子链段的浸润和迁移扩散过程，从而提高PEEK材料界面间的焊接强度；同时，采用透光性较好的玻璃纤维和空心玻璃微珠替代部分碳纤维，可在保障改性PEEK材料拥有良好线膨胀系数等性能的同时增强材料整体透光率，制件时实现采用激光焊接，同时提升制件接触面的焊接强度。

本发明制备方法采取三方进料的加料方式，第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、抗氧剂、润滑剂和热稳定剂由双螺杆挤出机的主喂料斗加料，碳纤维和低介电玻璃纤维由双螺杆挤出机的第一侧喂料斗加料，空心玻璃微珠由第二侧喂料斗加料，目的在于通过侧喂料投入碳纤维、低介电玻璃纤维和空心玻璃微珠填料降低由主喂料仓直接投料时对改性PEEK材料形貌结构造成的碎裂程度，并提高熔体的分散性；本发明制备方法简单，可操作性强，易于工业化生产。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为实施例一制备样品的断面扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

基于现有技术中传统的碳纤增强PEEK中碳纤维为吸光材料，采用激光焊接技术进行碳纤增强PEEK焊接制件时，存在材料对激光的透光率偏低，焊接接触面焊接强度差的技术问题；并且，现有技术中也缺乏对可激光焊接碳纤维改性PEEK材料的报道；因此，本发明旨在提出一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法，采用透光性较好的玻璃纤维和空心玻璃微珠替代碳纤增强PEEK中部分碳纤维，改性PEEK材料，增强其透光率，进而提升改性PEEK材料制件时激光焊接面的焊接强度。

下面结合实施例及附图对本发明的可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料及其制备方法作进一步具体介绍。

实施例一

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料由以下原料及其重量份数组成：熔融指数14g/10min的第一PEEK树脂63.2份、熔融指数20g/10min的第二PEEK树脂15.8份、碳纤维18份、低介电玻璃纤维9份、空心玻璃微珠9份、苯胺黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择接枝率0.5～1％POE接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂9228，润滑剂选择聚硅氧烷，热稳定剂选择受阻酚类；其制备方法的步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂、第二PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到目标工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料，其微观结构如图1所示，碳纤维和玻璃纤维较为整齐的嵌埋在PEEK基体中，且取向性良好。

实施例二

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料由以下原料及其重量份数组成：熔融指数12g/10min的第一PEEK树脂68份、熔融指数25g/10min的第二PEEK树脂17份、碳纤维12份、低介电玻璃纤维9份、空心玻璃微珠9份、苯胺黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择丙烯酸正丁酯-缩水甘油酯，抗氧剂选择抗氧剂9228和1024复配，润滑剂选择长链不饱和脂肪酸盐，热稳定剂选择有机铜盐。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂、第二PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为200℃，干燥时间为2h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

实施例三

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料由以下原料及其重量份数组成：熔融指数10g/10min的第一PEEK树脂62.6份、熔融指数30g/10min的第二PEEK树脂15.6份、碳纤维18份、低介电玻璃纤维9份、空心玻璃微珠9份、苯胺黑1.8份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择接枝率0.5～1％POE接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂608，润滑剂选择聚硅氧烷，热稳定剂选择受阻酚类。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂、第二PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

实施例四

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料，由以下原料及其重量份数组成：熔融指数8g/10min的第一PEEK树脂72份、熔融指数32g/10min的第二PEEK树脂18份、碳纤维10份、低介电玻璃纤维10份、空心玻璃微珠10份、苯胺黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择接枝率0.5～1％SEBS接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂TP-24，润滑剂选择长链不饱和脂肪酸盐，热稳定剂选择亚磷酸酯类。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂、第二PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

实施例五

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料，由以下原料及其重量份数组成：熔融指数5g/10min的第一PEEK树脂72份、熔融指数35g/10min的第二PEEK树脂18份、碳纤维10份、低介电玻璃纤维10份、空心玻璃微珠10份、苯胺黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择接枝率0.5～1％POE接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂1024，润滑剂选择乙烯硬脂酰胺，热稳定剂选择亚磷酸酯类和N-苯基马来酰亚胺复配。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂、第二PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、第二PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

对比例一

可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料，由以下原料及其重量份数组成：熔融指数14g/10min的第一PEEK树脂79份、碳纤维18份、低介电玻璃纤维9份、空心玻璃微珠9份、苯胺黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择接枝率0.5～1％POE接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂9228，润滑剂选择聚硅氧烷，热稳定剂选择受阻酚类。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、透光黑色颜料、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维和低介电玻璃纤维由三区第一侧喂料斗、空心玻璃微珠则由四区第二侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种可激光焊接的碳纤维改性PEEK材料。

对比例二

本对比例由以下原料及其重量份数组成：熔融指数14g/10min的第一PEEK树脂65份、碳纤维30份、炭黑1份、相容剂1份、抗氧剂1份、润滑剂1份和热稳定剂1份，相容剂选择0.5～1％POE接枝马来酸酐，抗氧剂选择抗氧剂9228，润滑剂选择聚硅氧烷，热稳定剂选择受阻酚类。其制备方法步骤如下：

(1)PEEK树脂干燥：采用烘箱对第一PEEK树脂进行干燥，控制干燥温度为150℃，干燥时间为4h；

(2)混料：按重量份数称取各类原材料，并采用混料机将第一PEEK树脂、炭黑、相容剂、热稳定剂、抗氧剂和润滑剂进行混料，使其混合均匀，控制混合机的转速为200r/min，混合时间10min；

(3)挤出机预热：检查设备和各部位转动完好情况，启动温控开关并将控温表调到工作温度，双螺杆挤出机各区工作温度如下：一区工作温度320～360℃；二区工作温度350～390℃；三区、四区、五区工作温度均为375～415℃；六区、七区、八区、九区工作温度均为380～420℃；模头温度为410～430℃，待温度升到目标温度后恒温20分钟；

(4)挤出造粒：将步骤(2)得到的预混料通过主喂料斗加入到双螺杆挤出机，碳纤维则由三区第一侧喂料斗加入到双螺杆挤出机中，由双螺杆挤出机塑化、捏合与挤出，并经切粒机剪切造粒，最后获得一种碳纤维改性PEEK材料。

分别取实施例一至五、对比例一和二的材料样品进行性能检测，包括透光率和截面焊接强度，结果如表1所示。

表1实施例和对比例材料性能检测结果

实施例和对比例的测试结果表明，本发明的技术构思采用透光性较好的玻璃纤维和空心玻璃微珠替代碳纤增强PEEK中的部分碳纤维达到保障改性PEEK材料拥有良好线膨胀系数等力学性能的同时提升PEEK改性材料透光率方法可行，其对产品透光率的提升显著，从对比例二中对1100nm近红外光透光率的8％提升至61％，使得复杂制件时激光焊接面的焊接强度显著提升，从对比例二的焊接强度6.7N/mm

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。