專利名稱：可激光焊接聚合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可激光焊接聚合物，其由激光透明性部分(Teil)和激光吸收性部分構(gòu)成并且其特征在于激光吸收性部分包含氫氧化磷酸銅(Kupferhydroxidphosphat)和/或磷酸銅作為吸收劑。
背景技術(shù)：
透射激光焊接是開發(fā)用于將材料例如塑料焊接在一起的技術(shù)。這通過使兩個(gè)塑料元件彼此接觸來實(shí)現(xiàn)，其中它們中的一個(gè)是對(duì)于激光為透明性的，另一個(gè)是對(duì)于激光為不透光性的。然后將這兩個(gè)塑料元件之間的接觸區(qū)域暴露于激光束下。激光束穿過透明塑料元件并為第二個(gè)不透光性塑料元件所吸收。這導(dǎo)致不透光性塑料元件變熱，使得該兩個(gè)塑料元件之間的接觸區(qū)域熔融，從而形成了焊接部位。所使用的激光通常是波長(zhǎng)在808-1100nm之間的二極管激光或Nd:YAG激光。大多數(shù)聚合物在這一波長(zhǎng)下是或多或少透明的，使得通過添加添加劑可以獲得吸收性能。所使用的吸收劑通常是炭黑。它既在可見光區(qū)域，又在IR區(qū)域中顯示非常高的吸收。炭黑因此僅允許黑色作為顏色。淺色和透明體系是不可能的。
EP 1117502 B1描述了其中將吸收劑應(yīng)用于中間層中的方法。這一方法使得能夠?qū)⑺蓄伾木酆衔?，甚至透明塑料焊接。這一方法的缺點(diǎn)是吸收劑糊劑的附加施用步驟。焊縫通常也傾向于在表面上。在此使用的NIR吸收劑具有有機(jī)性質(zhì)并且不顯示或幾乎不顯示光散射。
用于激光打標(biāo)記的添加劑，例如銻、氧化銻、導(dǎo)電顏料和TiO2，通常允許以淺色來著色。它們被添加到激光吸收性一側(cè)的配制劑中并因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)透射激光焊接，而不需要將激光添加劑應(yīng)用到待焊接部位上的中間步驟。可焊性是可能的，但是由于長(zhǎng)的加工時(shí)間而在經(jīng)濟(jì)上不令人感興趣。除速度之外，缺點(diǎn)還在于這些添加劑的吸收低于在炭黑情況下的吸收。例如，TiO2是表面吸收劑并因此不允許激光輻射的高穿透深度。
雖然當(dāng)在透射激光焊接中使用較強(qiáng)吸收性添加劑用于激光吸收性部分時(shí)塑料熔融，但是不能獲得穩(wěn)定的焊接。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是找到可激光焊接聚合物，其當(dāng)暴露于激光下時(shí)能夠獲得良好的焊接，甚至對(duì)于淺色也是如此。因此，成功的吸收劑應(yīng)該具有非常淺的固有顏色或僅必須以非常小的量使用。
令人驚奇地已發(fā)現(xiàn)，由激光吸收性部分和激光透明性部分構(gòu)成的聚合物的可激光焊接性可以當(dāng)用于該激光吸收性部分中的激光吸收性物質(zhì)是氫氧化磷酸銅和/或磷酸銅時(shí)得到改進(jìn)。
因此，本發(fā)明提供由激光透明性部分和激光吸收性部分構(gòu)成的可激光焊接聚合物，其可以通過激光彼此焊接，其特征在于該激光吸收性部分包含氫氧化磷酸銅和/或磷酸銅作為吸收劑。
基于激光吸收性聚合物部分計(jì)，以0.5-10wt％，優(yōu)選0.5-7wt％，尤其是0.5-5wt％的濃度在該激光吸收性部分中添加作為淺色激光吸收性物質(zhì)的氫氧化磷酸銅或磷酸銅實(shí)現(xiàn)非常好的焊接。
適合的氫氧化磷酸銅或磷酸銅是，例如，Cu3(PO4)2*2Cu(OH)2(CHP＝磷銅礦)、堿性二磷酸銅Cu3(PO4)2*Cu(OH)2、焦磷酸銅Cu2P2O7*H2O、4CuO*P2O5*H2O、5CuO*P2O5*3H2O、6CuO*P2O5*3H2O、4CuO*P2O5*3H2O、4CuO*P2O5*1.2H2O、4CuO*P2O5、4CuO*P2O5*1.5H2O。也可以使用所述氫氧化磷酸銅或磷酸銅的混合物，其中總濃度和混合比不受任何特定限制。然而，總濃度不應(yīng)該超過10wt％。優(yōu)選使用氫氧化磷酸銅，尤其是磷銅礦。
為了提高焊縫的強(qiáng)度和焊接速度，可以任選地將散射添加劑，例如TiO2、CaCO3或MgCO3或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它白色顏料或填料等添加到激光透明性部分中。取決于所使用的聚合物而定，以≤2wt％，優(yōu)選≤0.5wt％，尤其優(yōu)選≤0.3wt％的量使用添加劑。
另外，可以同樣地將少量吸收劑添加到激光透明性聚合物部分中。在激光透明性部分中添加散射吸收劑通常提高焊縫的強(qiáng)度和允許更快焊接。適合的激光散射性吸收劑是導(dǎo)電性顏料，例如銻、Sb2O3、(Sn，Sb)O2、用(Sn，Sb)O2涂覆的云母、用(Sn，Sb)O2和SiO2涂覆的云母、用TiO2涂覆的云母顏料、氫氧化磷酸銅和磷酸銅。這類吸收劑例如可以從Merck KGaA公司以商標(biāo)Lazerflair獲得。
基于激光透明性聚合物部分計(jì)，優(yōu)選將吸收劑以0.001-2wt％，尤其是0.01-1wt％，非常尤其優(yōu)選0.05-0.5wt％的量添加到該聚合物部分中。然而，吸收劑在激光透明性聚合物部分中的比例總是比在激光吸收性部分中顯著地更小。一般而言，激光吸收性部分包含的吸收劑的量比激光透明性部分中的量高出2-20倍，優(yōu)選5-10倍。
激光透明性部分可以同時(shí)包含散射性吸收劑和散射性添加劑。如果散射性吸收劑是氫氧化磷酸銅或磷酸銅，則在激光透明性部分和激光吸收性部分中的吸收劑僅在濃度方面不同。激光透明性部分中的散射性吸收劑和散射性添加劑的總濃度不應(yīng)超過2wt％。
然而，在各聚合物部分中的所述一種或多種吸收劑的濃度取決于所使用的塑料體系而定。小比例的吸收劑微不足道地改變塑料體系并且不會(huì)影響其可加工性。
另外，可以將著色劑添加到塑料中，這允許所有類型的顏色變化并且同時(shí)確保保持激光焊接。適合的著色劑尤其是有色的金屬氧化物顏料和有機(jī)和無機(jī)顏料和染料。
另外，聚合物還可以包含填料?？梢允褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有填料，例如天然和合成云母、玻璃珠或玻璃粉、尼龍粉末、純的或填充的蜜胺樹脂、滑石、玻璃制品、高嶺土，鋁、鎂、鈣、鋅的氧化物或氫氧化物，BiOCl、硫酸鋇、硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂、碳和這物質(zhì)的物理或化學(xué)組合。
適合的聚合物是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有塑料，不管它們是否是無定形的、部分結(jié)晶的或多相的，例如在如Ullmann(烏爾曼)，第15卷，第457頁及后幾頁，VCH也版社中描述的那些，例如，聚烯烴，尤其是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚酯、聚醚、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚氨酯(PU)、聚甲醛(POM)、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙酸乙烯酯(PVAC)、聚乙烯醇縮醛(PVB)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)、ABS接枝聚合物、聚對(duì)苯二甲酸亞烷基酯，尤其是聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、聚醚酮、熱塑性聚氨酯(TPU)、熱塑性彈性體(PTE)和它們的共聚物和/或它們的混合物。尤其優(yōu)選熱塑性塑料。
經(jīng)摻雜的塑料顆粒通常如下制備先將塑料顆粒引入適合的混合器中，用可能的添加劑將它們潤(rùn)濕，然后添加和混入吸收劑。在引入吸收劑的過程中，任選地可以將散射性添加劑、粘合劑、有機(jī)聚合物相容性溶劑、穩(wěn)定劑和/或在工作條件之下為溫度穩(wěn)定性的表面活性劑添加到塑料顆粒中。通常經(jīng)由著色濃縮物(母料)或配混物進(jìn)行塑料的著色。然后可以直接地在擠出機(jī)或注塑機(jī)中將這樣獲得的混合物加工。在加工過程中形成的模制品顯示吸收劑的非常均勻的分布。最后，使用適合的激光進(jìn)行激光焊接。
本發(fā)明還提供根據(jù)本發(fā)明的可激光焊接聚合物的制備方法，其特征在于將激光吸收性聚合物部分和，任選地，激光透明性聚合物部分，與各自的吸收劑和，任選地，其它添加劑和助劑混合，然后在熱作用下進(jìn)行成型。
通過將試件引入連續(xù)波長(zhǎng)激光器，優(yōu)選Nd:YAG或二極管激光器的射線路徑中進(jìn)行采用激光的焊接。波長(zhǎng)優(yōu)選在808和1100nm之間。因?yàn)榇蠖鄶?shù)聚合物在這些波長(zhǎng)下是或多或少透明的，所以通過添加添加劑而獲得吸收性能。使用其它常規(guī)類型的激光的焊接也是可能的，條件是它們?cè)谒褂玫奈談╋@示高吸收的波長(zhǎng)下工作。焊接通過激光的輻射時(shí)間和輻射功率以及所使用的塑料體系來確定。所使用的激光的功率取決于各自的應(yīng)用而定并且在特定情況下可以容易地由本領(lǐng)域技術(shù)人員確定。
所使用的激光通常具有157nm-10.6μm，優(yōu)選800nm-1200nm的波長(zhǎng)。例如，可以在此提及Nd:YAG激光(1064nm)或二極管激光(750-1050nm，優(yōu)選808nm、940nm或980nm)。尤其優(yōu)選使用Nd:YAG激光(1064nm)和各種波長(zhǎng)的二極管激光。二極管激光器的最常用波長(zhǎng)是808nm、940nm和980nm。用于聚合物的激光焊接的激光器具有30-200瓦，優(yōu)選50-160瓦的功率。適合于將根據(jù)本發(fā)明的聚合物激光焊接的相應(yīng)激光器是可商購(gòu)的。
用根據(jù)本發(fā)明摻雜的聚合物的激光焊接可以在所有領(lǐng)域中進(jìn)行，在這些領(lǐng)域中至今使用常規(guī)接合方法，和在這些領(lǐng)域中至今由于激光透明性聚合物和淺色而不可能使用焊接方法。激光透射塑料焊接方法因此是常規(guī)接合方法的替代方案，所述常規(guī)方法例如高頻焊接、振動(dòng)焊接、超聲焊接、熱空氣焊接或者還有塑料部件的粘接。
因此，將由根據(jù)本發(fā)明摻雜的聚合物部分構(gòu)成的塑料制品或模制品激光焊接是可能的。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例旨在解釋本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。給出的百分比數(shù)據(jù)是重量百分比。
實(shí)施例使用150W二極管激光器(940nm)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。
使用厚度為1.5mm的PP薄片，其同時(shí)在激光透明性一側(cè)和激光吸收性一側(cè)具有各種添加劑和著色劑。所使用的氫氧化磷酸銅是磷銅礦。
作為對(duì)比體系，將天然PP與含1％Lazerflair820(得自MerckKGaA公司的導(dǎo)電激光顏料)的PP焊接。在此達(dá)到40mm/s的焊接速度。這對(duì)應(yīng)于37.5J/cm的單位長(zhǎng)度能量。
實(shí)施例1激光透明性部分天然PP激光吸收性部分含1％氫氧化磷酸銅的PP在此達(dá)到60mm/s的焊接速度。這對(duì)應(yīng)于25J/cm的單位長(zhǎng)度能量。
實(shí)施例2激光透明性部分含0.1％Lazerflair820的PP激光吸收性部分含1％氫氧化磷酸銅的PP在此達(dá)到120mm/s的焊接速度。這對(duì)應(yīng)于12.5J/cm的單位長(zhǎng)度能量。
實(shí)施例3用于淺色塑料配制劑的具有TiO2的配制劑激光透明性部分含0.1％Lazerflair820的PP激光吸收性部分含0.5％氫氧化磷酸銅和0.5％TiO2的PP在此達(dá)到150mm/s的焊接速度。這對(duì)應(yīng)于10J/cm的單位長(zhǎng)度能量。
在強(qiáng)度測(cè)試中，所有試樣在基礎(chǔ)材料中撕裂而不在焊縫中撕裂。列出的實(shí)施例說明，在吸收性一側(cè)使用較強(qiáng)吸收劑并且任選地在激光透明性一側(cè)使用弱吸收劑使焊接速度加速＞3倍，并且單位長(zhǎng)度能量因此僅是起始材料的1/3。
使用具有Ulbricht(烏布利希)球的Perkin-Elmer儀器(Lamda900)測(cè)量所使用的塑料薄片的總透射率、漫射透射率和總反射率的值。表1中的吸收率由總透射率和總反射率計(jì)算(100％＝A+R+T)
表1

在實(shí)施例2和3中的激光散射性吸收劑的情況下在800-1200nm范圍內(nèi)的光散射是40％(在1200nm下)-60％(在800nm下)。
權(quán)利要求
1.由激光透明性部分和激光吸收性部分構(gòu)成的可激光焊接聚合物，其可以通過激光彼此焊接，其特征在于該激光吸收性部分包含氫氧化磷酸銅和/或磷酸銅作為吸收劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的可激光焊接聚合物，其特征在于氫氧化磷酸銅或磷酸銅選自Cu3(PO4)2*2Cu(OH)2(CHP＝磷銅礦)、Cu3(PO4)2*Cu(OH)2，Cu2P2O7*H2O、4CuO*P2O5*H2O、5CuO*P2O5*3H2O、6CuO*P2O5*3H2O、4CuO*P2O5*3H2O、4CuO*P2O5*1.2H2O、4CuO*P2O5、4CuO*P2O5*1.5H2O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可激光焊接聚合物，其特征在于基于所述激光吸收性部分計(jì)，該激光吸收性部分包含0.5-10wt％氫氧化磷酸銅和/或磷酸銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于激光透明性部分還包含激光散射性吸收劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于該激光散射性吸收劑選自導(dǎo)電性顏料、銻、Sb2O3、(Sn，Sb)O2、用(Sn，Sb)O2涂覆的云母、用(Sn，Sb)O2和SiO2涂覆的云母、用TiO2涂覆的云母顏料、氫氧化磷酸銅、磷酸銅，它們單獨(dú)或組合使用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于基于激光透明性部分計(jì)，激光散射性吸收劑以0.001-2wt％的量存在于該激光透明性部分中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于該激光透明性部分還包含激光散射性添加劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于該激光散射性添加劑是TiO2、CaCO3、MgCO3、玻璃珠或它們的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于基于激光透明性部分計(jì)，激光散射性添加劑以≤1wt％的量存在于該激光透明性部分中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于使用二極管激光器或Nd:YAG激光器焊接所述可激光焊接的聚合物部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于該聚合物是熱塑性塑料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物，其特征在于該聚合物是聚烯烴、聚酰胺(PA)、聚酯、聚醚、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚氨酯(PU)、聚甲醛(POM)、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙酸乙烯酯(PVAC)、聚乙烯醇縮醛(PVB)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)、ABS接枝聚合物、聚對(duì)苯二甲酸亞烷基酯、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、聚醚酮、熱塑性聚氨酯(TPU)、熱塑性彈性體(PTE)和它們的共聚物和/或它們的混合物。
13.制備根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物的方法，其特征在于將吸收劑和任選地其它添加劑和助劑，添加到激光吸收性部分中，和任選地添加到激光透明性部分中，然后在熱的作用下將該聚合物成型。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的可激光焊接聚合物用于透射激光焊接的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及由激光透明性部分和激光吸收性部分構(gòu)成的并且可以通過激光彼此焊接的可激光焊接聚合物，該聚合物的特征在于激光吸收性部分包含氫氧化磷酸銅和/或磷酸銅作為吸收劑。
文檔編號(hào)C08K3/32GK101043970SQ200580035865
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者S·羅森伯格 申請(qǐng)人:默克專利股份有限公司