改性聚丙烯各組分對激光焊接性能的影響

秦玉潔, 盧先博, 王 俊

(1．延鋒彼歐汽車外飾系統有限公司， 上海 201805; 2.上海金發科技發展有限公司， 上海 201714)

0 前言

目前在汽車行業，塑料零部件之間的粘接主要有膠水粘接、振動摩擦焊接、超聲波焊接3種方式。其中，膠水粘接方式的設備投入高，且存在揮發性有機物，影響操作人員的身心健康；振動摩擦焊接方式受產品結構的影響，一些結構較為復雜的零件不適合使用；超聲波焊接是保險杠與雷達支架等零件連接的主要手段[1]，隨著保險杠壁厚逐漸降低，該焊接方式會在保險杠的正面出現一定程度的焊接印，影響制件外觀。

由于激光焊接的焊接路徑可通過電腦編程隨時變化，具有很強的靈活性，因此越來越受到推廣，也有越來越多的科研工作者對其進行了研究。目前，對聚酰胺、聚酯等的激光焊接研究相對較多[2-4]，而對聚丙烯(PP)的研究相對較少。KOSHIDA R[5]通過在常規聚烯烴樹脂中加入1～20份經羧酸、羧酸酐或環氧基團改性的聚烯烴，實現了聚烯烴與聚酰胺、聚酯等樹脂的激光焊接，焊接強度良好。秦玉潔等公布了在聚合物樹脂中加入苝系黑色顏料，在800～1 100 nm下激光可透過，開發出一種透光率高、易染色、遷移性低、樹脂中加入耐候性好、能滿足長期暴露在外的性能和外觀要求的改性塑料[6]。KIHARA T等[7]在配色方面也對苯胺黑和炭黑等黑色著色劑對激光焊接的影響進行了研究。GHORBEL E等[8]研究了PP的激光透射焊接，采用純凈PP/PP+2%(質量分數，下同)炭黑板搭接形式，討論了工藝參數對焊縫幾何形狀、缺陷和材料結晶度分布的影響，結果表明：增加激光功率和減小掃描速度后形成的焊接區域體積更大，焊縫熔深度也更大，焊接區域呈橢圓形。

目前，針對改性PP材料，從配方角度對透光率和激光焊接強度進行的研究很少，因此筆者將通過對改性PP材料從PP、彈性體、填料及助劑等多方面進行考察，分析其對材料透光率及激光焊接性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

嵌段共聚PP，牌號為PP EP548R，中海殼牌石油化工有限公司；

無規共聚PP，牌號為PP RP346R，中海殼牌石油化工有限公司；

彈性體，牌號為POE ENGAGE 8137、POE ENGAGE 8842、POE ENGAGE 7467，陶氏化學公司；

彈性體，牌號為SEBS，市售；

滑石粉，牌號為TYT-8875B，1 250目,遼寧北海實業有限公司；

滑石粉，牌號為TYT-777A，3 000目,遼寧北海實業有限公司；

滑石粉，牌號為HTPUltra 5L，5 000目,意大利意米法比公司；

云母，牌號為P325目，江門市精達云母材料有限公司；

晶須，牌號為堿式硫酸鎂晶須，市售；

抗氧劑，牌號為抗氧劑225G，市售；

增透劑，牌號為NX-8000K，美利肯化學公司。

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機,SHJ-30型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑機,HTB80型，寧波海天機械有限公司；

激光焊接儀,WFD120 W-PCTS333 SP，大族激光科技產業集團股份有限公司；

透光率測試儀,LPKF-TMG 3，樂普科光電有限公司；

萬能力學試驗機,Z010，德國茲維克集團。

1.3 試樣制備

將PP樹脂、彈性體、填料和助劑分別按實驗配方稱取，經攪拌機高速混合后，由雙螺桿擠出機進行擠出、造粒，然后按照指定的注塑工藝注塑成2.5 mm厚標準光面樣片用于透光率的測試，以及注塑成焊接樣條(130 mm×10 mm×3 mm)用于焊接實驗，所有的吸光層材料均使用同一種黑色滑石粉填充增韌PP材料。

1.4 性能測試和表征

激光焊接技術在汽車外飾行業是一種新興的焊接技術[9]，其借助激光束產生的熱量使塑料接觸面熔化，進而使制件粘接在一起。激光焊接技術通常要求被焊接的兩個塑料制件有一個制件(制件1)具有一定的透光率，另一個制件(制件2)對激光有明顯的阻隔作用(見圖1)。先將兩個待焊接塑料制件焊接面靠在一起，激光束可透過上層制件，由于下層制件不透激光，因此激光在兩個零件界面停留，激光能量被吸收使得下層材料溫度升高，熔化上層及下層接觸面的塑料，從而完成焊接。目前，用于激光焊接的激光波長主要集中在900～1 100 nm。

圖1 激光焊接示意圖

采用透光率測試儀對改性PP材料進行激光透光率測試；采用激光焊接儀進行激光焊接。進行激光焊接的透光層及吸光層樣條重疊長度為40 mm，接線條數為3條，間隔為12 mm，第2條位于重疊區域的中間，激光器的走向見圖2，其發射波長為915 nm，功率為20 W，移動速度為20 mm/s。圖3為焊接后的樣條。

圖2 焊接參數及激光器走向

圖3 焊接后樣條

使用萬能力學試驗機(見圖4)對焊接后樣條進行拉伸剪切測試以評估激光焊接效果,得到的剪切力作為評判焊接力大小的指標，拉伸速度為50 mm/min。

圖4 萬能試驗機

2 結果與討論

2.1 不同填料對PP材料透光率及焊接性能的影響

在20%(質量分數,下同)礦粉填充PP體系中，選擇同一款PP添加不同類型的填料，進行單因素分析。其中,填料包括不同目數的滑石粉，以及云母和堿式硫酸鎂晶須,具體配方及材料在915.63 nm處的透光率見表1。

表1 20%礦粉填充PP體系配方及材料在915.63 nm處的透光率

不同填料對材料透光率的影響見圖5。

圖5 不同填料對材料透光率的影響

由表1和圖5可以看出：未添加填料時，PPEP548R在915.63 nm處的透光率為59.8%，當添加填料后，透光率都有所下降;滑石粉對透光率的負面影響最大，透光率下降了50%以上，且不同目數的滑石粉，透光率差異并不大；對透光率降低影響次之的為云母，透光率從59.8%下降至39.3%；對透光率降低影響最小的是堿式硫酸鎂晶須，添加20%堿式硫酸鎂晶須，透光率仍能達到48.8%的較高水平。

焊接后樣條的拉伸剪切力與透光率有著很好的正相關對應關系(見圖6)。從圖6可以看出:當PP EP485R未添加填料時，拉伸剪切力為953 N；添加不同目數滑石粉的PP焊接強度差異不大，僅為300 N左右；而添加云母的PP由于透光率較添加滑石粉的PP高，因此其拉伸剪切力也得到有效的改善，達到了添加滑石粉的2倍以上；而對透光率影響最小的堿式硫酸鎂晶須填充體系拉伸剪切力則達到了788 N，明顯高于云母和滑石粉體系?；厶畛潴w系由于透光率明顯下降，導致焊接效果不佳，而云母和堿式硫酸鎂晶須體系具有較高的拉伸剪切力，適合用于激光焊接。

(a) 不同礦粉對材料激光焊接性能的影響

(b) 透光率與焊接性能的關系曲線

2.2 不同彈性體對PP材料透光率和焊接性能的影響

在堿式硫酸鎂晶須填充體系的基礎上，考察添加15%不同彈性體對透光率和激光焊接性能的影響,具體配方及材料在915.63 nm處的透光率見表2。

表2 15%彈性體填充PP體系配方及材料在915.63 nm處的透光率

未添加彈性體和添加不同類型彈性體材料的透光率譜圖見圖7。

圖7 不同彈性體對材料透光率的影響

從表2和圖7可以看出：彈性體的加入可以有效提高材料的透光率，這是由于彈性體的加入，降低了系統中PP的含量，而彈性體的結晶性較PP低很多，對激光的透光率也更好。從彈性體的類型上看，3種不同流動性和分子結構的POE對透光率的影響并不大;而SEBS則具有較好提高體系透光率的作用，材料在915.63 nm處的透光率從未添加彈性體時的48.8%，提高到添加SEBS時的54.8%，其原因為SEBS為非結晶彈性體，其透光率較POE更優，因此可以更近一步提高材料的透光率。

圖8為未添加彈性體和添加不同類型彈性體材料的激光焊接性能。從圖8可以看出：拉伸剪切力與透光率有較好的正相關對應關系;總體上，彈性體的添加提高了材料的拉伸剪切力，而其中以添加SEBS的提高最為明顯，從未添加彈性體時的788 N提高到添加15% SEBS時的933 N。

(a) 不同彈性體對材料激光焊接性能的影響

(b) 透光率與焊接性能的關系曲線

2.3 分子構型及增透劑對PP材料透光率和焊接性能的影響

以添加堿式硫酸鎂晶須和SEBS體系為基礎，評估了一般嵌段共聚PP與無規共聚PP的差異，以及增透劑在該體系中所起的作用(見表3)。

表3 不同PP及增透劑對材料透光率的影響

圖9為不同類型PP和在有無增透劑情況下，材料的透光率譜圖。從表3和圖9可以看出:無規共聚PP替換一般嵌段共聚PP可以使體系的透光率得到明顯的提高，透光率從采用PP EP548R時的54.8%提高到采用PP RP346R時的62.0%;而增透劑對改善材料透光率的作用并不明顯。

圖9 不同PP和增透劑對材料透光率的影響

不同PP和增透劑對材料激光焊接性能的影響，以及透光率與焊接性能的關系曲線見圖10。由圖10可以看出：采用PP RP346R的14#和15#拉伸剪切力明顯優于采用PP EP548R的12#和13#，拉伸剪切力提高了100 N以上，而增透劑對拉伸剪切力的影響也不明顯；透光率與拉伸剪切力有明顯的正相關對應關系。

(a) 不同PP和增透劑對材料激光焊接性能的影響

(b) 透光率與焊接性能的關系曲線

3 結語

通過對改性PP材料中不同組分對透光率的影響研究，得到以下結論：

(1) 對于填充體系，滑石粉的加入使材料透光率明顯降低，且不同目數滑石粉差異不大，云母對PP體系透光率的降低影響明顯小于滑石粉，而堿式硫酸鎂晶須對體系透光率的降低影響最小，拉伸剪切力與透光率有很好的正相關性。

(2) 彈性體POE與SEBS的加入可以提高PP體系的透光率，其中SEBS對體系透光率的提高影響高于POE，對體系拉伸剪切力的提高影響也高于POE，不同流動性和分子結構的POE對體系透光率和拉伸剪切力的提高差異不大。

(3) 無規共聚PP由于其結晶度較一般嵌段共聚PP低，其本身透明性較好，因此其配方體系具備較高的透光率和拉伸剪切力。

(4) 增透劑的加入對透光率和拉伸剪切力的影響不大。

筆者通過對PP填充配方各組分進行單因素分析，研究了各組分對體系透光率和激光焊接樣條拉伸剪切力的影響，但并未對其機理進行較深入的研究，有必要對結晶性能、材料的體系分散性和各組分的折光率等方面進行深入研究。