CN115772295B - 一种低比重激光直接成型材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低比重激光直接成型材料，按照重量百分比计，其包含以下组分：70‑90wt％的聚丙烯；1‑10wt％的热塑性弹性体；5‑20wt％的聚苯醚；3‑8wt％的激光直接成型添加剂；1‑3wt％的无机填料；0.5‑2wt％其它添加剂。本发明还公开了一种低比重激光直接成型材料的制备方法。本发明的有益效果是：选择特定的聚合物基体、增韧剂、无机填料和激光直接成型添加剂进行复配，在控制复合材料具备低比重特性的同时，达到LDS功能性、模量和韧性的良好平衡。
Description
技术领域
本发明涉及功能高分子材料技术领域，尤其涉及一种低比重的激光直接成型材料及其制备方法，适用于对材料比重有特殊要求的LDS工艺相关应用。
背景技术
LDS，为Laser Direct Structuring的缩写，即激光直接成型，是一种专业镭射加工、射出与电镀制程的3D-MID生产技术，其原理是将普通的塑胶元件/电路板赋予电气互连功能、支撑元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等功能，以及由机械实体与导电图形结合而产生的屏蔽、天线等功能结合于一体，形成所谓3D-MID，适用于局部细线路制作。
LDS可以在很大程度上避免传统塑料电镀工艺对环境的污染和水耗，简化生产流程，通过激光的灵活性，精密度与工程塑料的可塑性和功能性有机结合，提供灵活多变的设计空间并可以实现迅捷的3D成型，同时加工分辨率高。此技术可应用在手机天线、笔记本电脑天线、汽车用电子电路、提款机外壳及医疗级助听器等。如目前最常见的手机天线应用，LDS可将天线直接镭射在手机外壳上，设计灵活、自由度高，不仅避免内部手机金属干扰，更缩小手机体积，起到节约空间和减轻产品重量的作用。
LDS的制作流程是，在塑料中添加金属添加剂和助剂，挤出成粒子，然后注塑成毛坯件，再对其进行激光镭射，目的是形成刻蚀区并激活金属，之后进行化学镀，在刻蚀区形成导电通路，最后组装。
通常，对于激光直接成型材料的性能评估着重于其稳定性、韧性、耐热和功能性等方面。但是对于目前已经商品化的LDS工程塑料系列，其比重均较高，以常见的聚碳酸酯基LDS为例，其比重在1.2g/cm3以上。功能性产品的轻薄化设计是未来的主流，针对一些特殊的应用需求，如对产品设计轻量化有较高要求的应用场景，需要在充分满足LDS功能性的前提下，探讨低比重激光直接成型材料的解决方案。
聚丙烯是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有耐化学性、耐热性、电绝缘性、高强度机械性能和良好的高耐磨加工性能。其密度为0.89～0.91g/cm3。然而作为低比重基材的优选，PP的分子结构中本身碳含量少，其应用于LDS制程对激光活化物质的氧化还原能力不足，如果不进行合理的改性，就不具备实用价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种低比重的激光直接成型材料。
本发明同时提供了一种低比重的激光直接成型材料的制备方法。
一种低比重激光直接成型材料，包括聚丙烯、热塑性弹性体、聚苯醚、激光直接成型添加剂、无机填料以及其它添加剂，其中聚苯醚的重量百分比含量为5～20％。
一种低比重激光直接成型材料，主要由如下重量百分比的组分制成：
作为优选，所述聚苯醚的重量百分比含量为5～15％。即，所述低比重激光直接成型材料主要由如下重量百分比的组分制成：聚丙烯：70-90％；热塑性弹性体：1-10％；聚苯醚：5～15％；激光直接成型添加剂：3-8％；无机填料：1-3％；其它添加剂：0.5-2％。
本发明中，所述的聚丙烯包含均聚聚丙烯树脂(比如上海石化T30S)和共聚聚丙烯树脂(比如上海石化M800E)。
本发明中，所述聚丙烯中均聚聚丙烯树脂和共聚聚丙烯树脂的质量比为1/10～3/10。作为进一步优选，所述聚丙烯中均聚聚丙烯树脂和共聚聚丙烯树脂的质量比为2/10～3/10；作为更进一步优选，所述聚丙烯中均聚聚丙烯树脂和共聚聚丙烯树脂的质量比为2/10～2.5/10。
作为优选，所述聚丙烯的重量百分比含量为70～85％。
本发明中，所述热塑性弹性体为乙烯与碳原子数为3至30的α-烯烃的共聚物，或苯乙烯基共聚物。比如，可以采用SEBS(Styrene Ethylene Butylene Styrene)(比如可以为台橡6154)、POE(聚烯烃弹性体，比如可以为美国杜邦8180)。作为优选，所述热塑性弹性体的重量百分比含量为3～8％。
本发明中，所述聚苯醚的特性粘度为0.30-0.55dl/g。比如可以采用蓝星LXR040。
本发明中，所述激光直接成型添加剂包括铜铁尖晶石、含铜氧化镁铝、铜铬锰混合氧化物、铜锰铁混合氧化物、碱式磷酸铜、锡酸锌、焦磷酸锡、磷酸锡、二氧化锡、焦磷酸亚锡、氧化亚锡中的一种或几种。作为进一步优选，所述的激光直接成型添加剂包括铜铁尖晶石、碱式磷酸铜和锡酸锌的一种或两种混合物。比如可以采用铜铬黑、锡酸锌、碱式磷酸铜中的一种或多种。作为进一步优选，所述激光直接成型添加剂选自铜铬黑、锡酸锌、碱式磷酸铜中的两个组份的组合。
本发明中，无机填料包括高岭土，滑石粉和硅灰石中的一种或几种，其平均粒径为0.5-2.5μm。
其它添加剂：除了上述的组分，所公开的低比重激光直接成型材料可以可选地包含一种或多种添加剂材料，包括例如抗氧化剂、光稳定剂、着色剂、增塑剂、热稳定剂和脱模剂中的一种或它们的组合，可根据实际需要添加。
一种由上述任一项技术方案所述的低比重激光直接成型材料制作而成的制品。
一种上述任一项技术方案所述的低比重激光直接成型材料的制备方法，其特征在于，包括：将各组分预混合后，通过在双螺杆挤出机中共混挤出得到。
作为优选，预混合在转速为1000转/分钟至3000转/分钟条件下进行。双螺杆挤出机工作温度为约230℃；螺杆速度保持在约200～400转/分钟以及扭矩值保持为约50％至约60％。
本发明所述的低比重激光直接成型材料，在赋予聚合物基材良好LDS功能性的同时，材料的比重小于等于1(进一步优选为小于等于0.95)，弯曲模量大于1500MPa，室温缺口冲击强度大于30J/m。
本发明的有益效果是：通过创新性的解决方案改进了PP在LDS制程中碳源不足的缺陷，使其具备LDS功能性。具体来讲，选择特定的聚合物基体、增韧剂、无机填料和激光直接成型添加剂进行复配，在控制复合材料具备低比重特性的同时，达到LDS功能性、模量和韧性的良好平衡。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。以下实施例旨在向本领域中普通技术人员提供如何制造和评价在本文中公开的和要求保护的方法和产品及应用的完整公开和描述，为纯粹示例性，而非旨在限制本公开。
本发明对比例和实施例中使用的原料均采用市售产品。
对比例和实施例中所用聚丙烯为上海石化T30S(PP-1)和M800E(PP-2)。
对比例和实施例中所用热塑性弹性体包括SEBS(台橡6154)和POE(美国杜邦8180)。
对比例和实施例中所用聚苯醚为蓝星LXR040。
对比例和实施例中所用激光直接成型添加剂包括铜铬黑(LDS-1)、锡酸锌(LDS-2)和碱式磷酸铜(LDS-3)。
对比例和实施例中所用无机填料：高岭土为Polyfil HG90，美国KaMin；滑石粉为R7，Luzenac；硅灰石为WP2500，湖北冯家山硅纤有限公司。平均粒径为0.5-2.5μm。
对比例和实施例中，物料总量为10kg，百分含量总和为100，配方中其余组分包括抗氧化剂(抗氧剂1010或/和抗氧剂168)和脱模剂等，加入量均为现有技术(比如实施例和对比例中抗氧剂1010或/和抗氧剂168的加入重量比例为1：1)。
按比例称量聚丙烯，热塑性弹性体，聚苯醚，激光直接成型添加剂、无机填料和其它添加剂等组分，将各种原料投入到高速混合机中高速预混合5分钟。将预混好的原料混合物加入到双螺杆挤出机料斗中进行熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒，双螺杆挤出机的螺杆温度控制在220-240℃之间，螺杆速度保持在约300转/分钟以及扭矩值保持为约50％至约60％，并且在本领域技术人员熟知的标准加工条件下进行操作。之后将挤出的粒料注塑成型，进行各项性能测试。采用的测试标准如下：
弯曲性能测试：ASTM D790
缺口冲击性能测试：ASTM D256
无缺口冲击性能测试：ASTM D4812
比重测试：ASTM D792
镀覆性能测试：ASTM B568，根据测试样品的镀层厚度和参考样品的镀层厚度计算镀覆指数，其数据设定值在1-10之间，其中10对应镀覆性能最佳的情况。通常认为该项指标大于或等于9才可以满足实用要求。
检测结果见表1：
表1
从表1可以看出，在对比例1-3中仅使用PP和增韧剂SEBS的情况下，材料比重在0.90左右。需要特别指出的是，本专利申请中采用均聚聚丙烯树脂(PP-1)和共聚聚丙烯树脂(PP-2)在一定的比例范围内协同使用，是基于其聚集态结构的不同对材料比重和韧性的影响。在对比例4-6中，随着无机填料和激光直接成型添加剂的引入，复合材料比重增大至接近于1，同时由于SEBS中苯乙烯碳源的少量存在，使其具备了一定的镀覆性能，但还无法满足实用要求。对比例7-9中，通过调低无机填料的加入量以控制比重，同时减少增韧剂SEBS的用量，但最终结果在降低比重的同时并没有完全解决材料机械性能和LDS功能性的平衡。而在实施例1-4中，通过一定量的聚苯醚的引入，材料达到了极佳的镀覆性能，同时其比重、冲击强度和模量均能达到较好的水平。进一步地，实施例5-6中通过不同种类增韧剂、无机填料和激光直接成型添加剂的合理复配，再次验证了本发明的有益效果，即在控制复合材料具备低比重特性的同时，达到LDS功能性、模量和韧性的良好平衡。
Claims (7)
1.一种低比重激光直接成型材料，其特征在于，包括聚丙烯、热塑性弹性体、聚苯醚、激光直接成型添加剂、无机填料以及其它添加剂，主要由如下重量百分比的组分制成：
所述聚丙烯包含均聚聚丙烯树脂和共聚聚丙烯树脂；所述聚丙烯中均聚聚丙烯树脂和共聚聚丙烯树脂的质量比为1/10～3/10。
2.根据权利要求1所述的低比重激光直接成型材料，其特征在于，所述聚苯醚的重量百分比含量为5～15％。
3.根据权利要求1所述的低比重激光直接成型材料，其特征在于，所述热塑性弹性体为乙烯与碳原子数为3至30的α-烯烃的共聚物，或者苯乙烯基共聚物；所述聚苯醚的特性粘度为0.30-0.55dl/g；所述激光直接成型添加剂包括铜铁尖晶石、含铜氧化镁铝、铜铬锰混合氧化物、铜锰铁混合氧化物、碱式磷酸铜、锡酸锌、焦磷酸锡、磷酸锡、二氧化锡、焦磷酸亚锡、氧化亚锡中的一种或几种；所述无机填料包括高岭土、滑石粉和硅灰石；所述其它添加剂包括抗氧化剂、光稳定剂、着色剂、增塑剂、热稳定剂和脱模剂中的一种或多种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的低比重激光直接成型材料，其特征在于，材料比重小于等于1。
5.根据权利要求1～3任一项所述的低比重激光直接成型材料，其特征在于，材料弯曲模量大于1500MPa；材料的室温缺口冲击强度大于30J/m。
6.一种权利要求1～3任一项所述的低比重激光直接成型材料的制备方法，其特征在于，包括：按照计量比，将聚丙烯，热塑性弹性体，聚苯醚，激光直接成型添加剂，无机填料和其它添加剂预混均匀，通过双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒，得到可用于激光直接成型的塑料模塑复合物材料。
7.一种包括根据权利要求1-5中任一项所述的低比重激光直接成型材料的制品。
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