一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法

1.本发明属于材料连接技术领域，具体涉及到一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法。


背景技术：

2.焊接技术在金属材料领域已经广泛应用，近些年来在高分子材料领域也开始逐步应用，但是将焊接技术应用在复合材料中是一个新兴领域。为了应用于复合材料的连接，许多传统的连接技术正在被改进，焊接技术则是其中的一大类。复合材料焊接技术主要应用在热塑性复合材料结构的连接中。在焊接时，焊接界面处的热塑性树脂被加热到熔融状态，分子链可以自由运动，穿过界面与另一侧的分子链交联结合。当分子链之间的缠结形成的新结构与母材本体无法区分开时(即完全愈合)，界面消失进而形成一个整体，焊接过程完成。分子在界面处的扩散是随机运动，其扩散速率与界面温度呈正相关。
3.超声焊接是利用高频振动波(15～40khz)传递到两个相互搭接的待焊接物体表面，在压力的作用下使搭接粘合面相互摩擦产生热量，进而使热塑性树脂熔融而形成分子层之间的熔合。超声振动是超声焊接的主要能量来源，高温只会在焊接区域的局部产生，并且整个焊接过程在很短的时间内(数秒钟)即可完成。
4.在复合材料的超声焊接过程中，在界面摩擦作用和分子间作用力的共同作用下导致材料加热，且界面摩擦热是该过程的起始热源，如果界面没有摩擦，焊接过程就无法开始，但一旦热塑性材料开始熔融，粘弹性热将成为焊接过程中的主要热源。一般来说复合材料超声焊接过程中的热源主要来自摩擦热和粘弹性热。在焊接初期，热塑性复合材料的刚度相对较大，且由于焊接界面处通常会有一些小的人造树脂凸面(能量导向器，又称ed)，在超声振动和焊接压力的耦合作用下，凸面的相对位移产生摩擦生成摩擦热。随着焊接的进行凸面逐渐熔化，形成一层流动的聚合物膜。然而随着焊接时间的延长摩擦产生的热量越来越少，并且现有的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜，采用现有的普通超声焊接，则容易产生气泡，焊接区域焊接不完全，并且因为耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的耐高温特点，如果提高焊接能量，则可能会烧焦薄膜或者直接焊穿，导致焊接接头强度降低。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法。利用超声波的高频振动，在压力的作用下使搭接粘合面相互摩擦产生热量致使热塑性聚芳醚酮熔融而形成分子层之间的熔合，并且利用聚芳醚酮涂层自身熔融达到焊接目的。通过异质的无机纳米颗粒材料对耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜进行处理，形成纳米颗粒凸起纹理，替代ed能够缩短焊接时间，提高焊接接头强度。
6.本发明的一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，包括以下步骤：
7.s1：在耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的聚芳醚酮(paek)膜上刮涂无机纳米颗粒浆料，形成纳米颗粒凸起纹理，得到修饰的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜；
8.s2：修饰的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜进行加热固化，得到固化后的复合膜；其中，加热固化温度为300-350℃，加热固化时间20-40min；
9.s3：将待焊接的两个固化后的复合膜的纳米颗粒凸起纹理的一面接触，并固定，进行超声焊接，超声焊接完成后保压，得到焊接后的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜；其中，超声焊接的振幅为15～30μm，超声焊接时间为1～5s，焊接压力0.2～0.6mpa，保压时间1～10s，焊接频率为15khz。
10.所述的s1中，耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜为聚酰亚胺膜表面设置有聚芳醚酮(paek)膜，其采用以下制备方法制得：采用等离子体刻蚀在聚酰亚胺表面接枝高分子接枝剂，再喷涂paek乳液后，再进行烘干-高温烧结制得，其中，高分子接枝剂为与paek具有良好相容性的高分子接枝剂，优选为4-炔基酰亚胺基封端的paek齐聚物。
11.进一步的，所述的烘干-高温烧结的温度为350～420℃，时间为1～5min。
12.所述的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜中，聚芳醚酮(paek)为一类高性能的热塑性树脂，熔点340～410℃，通过改变芳醚键和芳酮键相对含量、键接顺序、分子量能够调控paek的结晶性、熔点、熔融粘度和高温热分解性能，优选为聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚醚醚酮酮。
13.所述的s1中，无机纳米颗粒选用碳化硅纳米颗粒(sic)、二氧化硅纳米颗粒(sio2)和硅纳米颗粒(si)中的一种或几种的混合，优选为碳化硅纳米颗粒。
14.所述的s1中，无机纳米颗粒浆料中含有无机纳米颗粒质量百分浓度占无机纳米颗粒浆料的10％～15％，其制备方法为：将无机材料研磨，将得到的无机纳米颗粒置于溶剂中超声分散，再进行筛分，得到400目筛下物；将400目筛下物加入制浆剂，加热至120-130℃，超声搅拌，过筛，冷却，得到无机纳米颗粒浆料。
15.所述的制浆剂包括松油醇、丁基卡必醇、邻苯二甲酸二丁酯和乙基纤维素，因为混合溶剂中各组分相对含量决定了其蒸汽压的相对比值，有机载体在常温下不易挥发，高温易于挥发，松油醇和丁基卡必醇二者分压达到均衡状态时，混合溶剂的挥发性达到最小，按质量百分比，松油醇：丁基卡必醇：邻苯二甲酸二丁酯：乙基纤维素＝45wt％：45wt％：5wt％：5wt％。
16.所述的s1中，刮涂的方法为丝网印刷方法或喷涂纳米颗粒浆料，因为喷涂过程压缩空气，容易气孔，故优选为丝网印刷方法，其具体操作为：使用400目不同形状蒙皮模板，45
°
刮涂。
17.所述的s1中，纳米颗粒凸起纹理的形状为圆柱形、正方形、半球形、圆锥形或棱台形中的一种，其凸起高度为0.4mm。
18.所述的s3中，超声焊接中，热量和超声焊接时间呈正比，超声焊接时间越长所产生的热量就越大。这是因为超声焊接时间太短会导致无法产生足够的能量，不能形成高质量的焊接头。随着超声焊接时间的增加，焊接界面会吸收更多的能量，焊接头温度持续升高，超声焊接界面面积也会增加，焊接头的强度随之提高。然而焊接时间并不是越长越好，过长的超声焊接时间会造成焊接区域内材料热分解、变色、碳化以及溢出等破坏发生，焊接区域中熔融态的树脂流动是定向的，因此大量树脂流动甚至溢出将导致接头强度降低。
19.本发明的一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，其采用上述耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接制得的焊接后的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复
合膜，界面剥离强度为160～180mpa。
20.本发明的一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，其有益效果为：
21.1)该耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜焊接时，不需加入能量导向薄膜，可以利用聚芳醚酮膜自身熔融达到焊接目的。
22.2)耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜表面的纳米颗粒凸起纹理相当于起到ed的作用，并且，采用的为异质材料，焊接时由于激活了ed的粘弹性加热，此时，比不加入无机纳米颗粒的情况，超声焊接时间缩短，且由于无机纳米颗粒也吸收了一定量的热量，可以减少对pi薄膜的影响。
23.3)并且，在无机纳米颗粒浆料制备过程中，经过研磨分散筛分等多个制备工艺，能够保证其分散均匀，避免团聚。
24.4)无机纳米颗粒，在超声焊接前后均以小颗粒形式存在，表面活性高，焊接时无机纳米颗粒进入到熔融的paek中，十分容易与peek涂层中官能团作用，益于提高界面结合力；焊接时，超声波释放使paek熔融，在压力作用下，无机纳米颗粒在熔融paek中均匀分散和接触，界面充分连接，相比于纯基体产生的相互作用有了极大提高，当受到外力剥离作用时，基体分子链段受到相对均匀的阻力作用，从而有效提升了拉伸性能。
25.5)超声焊接具有周期短、高效率、容易实现自动化和适用于大批量生产的特点。并且也不需要特定的循环系统来去除烟雾或降温。且超声焊接技术的高效率使其相较于其他连接技术具有更高的产率和更低的成本。先进的超声焊接设备可全面控制和监控焊接的过程，使得焊接工艺很容易实现自动化。
附图说明
26.图1为丝网印刷不同形状纳米颗粒凸起纹理示意图；
27.图2聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜超声焊接及剥离示意图。
具体实施方式
28.以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
29.以下实施例中，采用的无机纳米颗粒浆料以以下制备方法制得：将无机材料研磨，将得到的无机纳米颗粒置于溶剂中超声分散，再进行筛分，得到400目筛下物；将400目筛下物加入制浆剂，加热至120-130℃，超声搅拌，过筛，冷却，得到无机纳米颗粒浆料。
30.采用的制浆剂为松油醇、丁基卡必醇、邻苯二甲酸二丁酯和乙基纤维素的混合物，按质量比，松油醇：丁基卡必醇：邻苯二甲酸二丁酯：乙基纤维素＝45wt％：45wt％：5wt％：5wt％。
31.以下实施例中，耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜为聚酰亚胺膜表面设置有聚芳醚酮(paek)膜，其采用以下制备方法制得：采用等离子体刻蚀在聚酰亚胺表面接枝高分子接枝剂，再喷涂paek乳液后，再至于400℃烘干-高温烧结2min制得，其中，高分子接枝剂为4-炔基酰亚胺基封端的paek齐聚物。
32.实施例1
33.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，具体包括以下步骤：
34.(1)采用丝网印刷技术在聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的paek膜(本实施例为聚醚醚
酮)上，采用丝网印刷方法，使用400目不同形状蒙皮模板，45
°
刮涂无机纳米颗粒浆料形成正方形纳米颗粒凸起纹理，得到修饰的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜；其中，纳米颗粒凸起纹理的凸起高度为0.4mm，正方形纳米颗粒凸起纹理示意图见图1，本实施例采用的无机纳米颗粒为碳化硅纳米颗粒，无机纳米颗粒质量百分浓度占无机纳米颗粒浆料的15％。
35.(2)将修饰的耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜放入烘箱中340
°
加热固化半小时，得到固化后的复合膜。
36.(3)将两个固化后的复合膜带有纳米颗粒凸起纹理面接触并固定在超声焊接机的平台的夹具上，进行超声焊接；
37.(4)超声焊接机的参数设置为：超声焊接头的振幅为24μm，焊接时间2s，焊接压力0.45mpa，保压时间5s。焊接机传递到焊接头的频率为15khz，焊接完成后，得到复合膜焊件。
38.(5)使用万能拉伸机对复合膜焊件进行剥离实验，其中，聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜超声焊接及剥离示意图见图2，焊接结果显示：焊接较牢固，气密性较好，强度符合要求，能够承受162mpa的应力不撕裂。
39.实施例2
40.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，步骤(1)中，采用的聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的paek膜为聚醚酮酮，采用的无机纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒，二氧化硅纳米颗粒质量百分浓度占二氧化硅纳米颗粒浆料的10％，纳米颗粒凸起纹理为圆柱形，凸起高度为0.4mm；其它步骤同实施例1。
41.焊接结果显示：焊接较牢固，气密性良好，强度符合要求，能够承受165mpa的应力不撕裂。
42.实施例3
43.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，步骤(1)中，纳米颗粒凸起纹理为半球形，凸起高度为0.4mm；其它步骤同实施例1。
44.焊接结果显示：焊接较牢固，气密性良好，强度符合要求，能够承受178mpa的应力不撕裂。
45.实施例4
46.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，步骤(1)中，采用的聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的paek膜为聚醚醚酮酮，采用的无机纳米颗粒为si纳米颗粒，si纳米颗粒质量百分浓度占si纳米颗粒浆料的12％，纳米颗粒凸起纹理为圆锥形，凸起高度为0.4mm；其它步骤同实施例1。
47.焊接结果显示：焊接较牢固，气密性良好，强度符合要求，能够承受176mpa的应力不撕裂。
48.实施例5
49.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，步骤(1)中纳米颗粒凸起纹理为棱台，凸起高度为0.4mm；其它步骤同实施例1。
50.焊接结果显示：焊接较牢固，气密性良好，强度符合要求，能够承受173mpa的应力不撕裂。
51.实施例6
52.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，同实施例1，不同在于，步
骤(1)中，采用喷涂法，喷涂纳米颗粒浆料纳米颗粒凸起纹理为棱台，凸起高度为0.4mm，焊接时间3s，焊接压力0.5mpa。
53.焊接结果显示：焊接较牢固，有少量气泡产生，强度符合要求，能够承受160mpa的应力不撕裂。
54.实施例7
55.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，同实施例2，不同在于，步骤(1)中，采用喷涂法，喷涂纳米颗粒浆料纳米颗粒凸起纹理为圆柱，凸起高度为0.4mm，焊接时间3s，焊接压力0.5mpa。
56.焊接结果显示：焊接较牢固，有少量气泡产生，强度符合要求，能够承受163mpa的应力不撕裂。
57.实施例8
58.一种耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜的超声焊接方法，同实施例4，不同在于，步骤(1)中，采用喷涂法，喷涂纳米颗粒浆料纳米颗粒凸起纹理为圆锥，凸起高度为0.4mm，焊接时间3s，焊接压力0.5mpa。
59.焊接结果显示：焊接较牢固，有少量气泡产生，强度符合要求，能够承受172mpa的应力不撕裂。
60.对比例1
61.同实施例1，不同之处在于，在两个耐高温聚酰亚胺/聚芳醚酮复合膜之间加入0.4mm能量导向薄膜，进行超声焊接，则焊接区域焊接不完全，焊接区域容易产生气泡，能承受120mpa的应力不撕裂。
62.对比例2
63.同实施例1，不同之处在于，超声焊接时间为0.5s，则焊接区域刚达到熔点，会导致焊接区域焊接的不完全，影响焊接接头强度。
64.对比例3
65.同实施例1，不同之处在于，超声焊接时间为6s，则焊接能量过大，会烧焦薄膜或者直接焊穿薄膜。
66.对比例4
67.同实施例1，不同之处在于，超声焊接压力为0.8mpa，则焊接压力过大，当达到paek熔点时，树脂和碳化硅会流动溢出，将导致接头强度降低。
68.对比例5
69.同实施例1，不同之处在于，超声焊接压力为0.1mpa，则较小的焊接压力，焊接区域摩擦减小，摩擦热无法转变为粘弹性热，接头非常脆弱。