CN110607014A

CN110607014A - 一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN110607014A
Application number: CN201910806902.7A
Authority: CN
Inventors: 成惠斌; 罗洁玲; 黄宝铨; 陈庆华; 钱庆荣; 肖荔人
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-12-24

Abstract

本发明涉及导电高分子复合材料领域，特别涉及高强度高韧性UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料的制备方法。该制备方法按UHMWPE粉料、SCCB、PP粉料、复配抗氧剂、偶联剂重量份配比，先将UHMWPE、PP和SCCB粉料干燥，而后将SCCB与偶联剂在高混机中进行改性，之后将称UHMWPE、PP、复配抗氧剂和超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合得到混合均匀的原料，经模压成型，脱模后获UHMWPE/PP/SCCB复合材料。采用本发明方法得到的复合材料，具有较高的导电性能，实现制品特殊功能化，如电磁屏蔽效能和抗静电应用。

Description

一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及导电高分子复合材料领域，特别涉及高强度高韧性 UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料的制备方法。

背景技术

随着通信技术和电子工业的飞速发展，随之而来的电磁(EM)污染已成为一个不可避免的问题，严重危害着人们因为暴露在周围电子设备日常运行产生的电磁波环境下的健康，各种不同能量的电磁波对人类身体健康和精密电子仪器都会造成不同程度的危害，因此，为了满足屏蔽要求，需要更多先进的电磁屏蔽(EMI) 材料来满足不同领域的应用，其中导电聚合物复合材料(CPCs)作为一种极具应用前景的新型电磁屏蔽材料，因其具有质轻、价廉、成型加工性好、耐腐蚀、多功能性、重量轻、耐腐蚀性和可调性能等优点而引起广泛关注，在CPCs材料中，采用高电导率的导电填料有利于改善CPCs的电磁屏蔽性能，其中，碳基纳米导电填料，如碳纳米管(CNT)，石墨烯(GNS)，碳纳米纤维(CNF)等已被广泛使用。但碳基纳米导电填料由于极高的比表面积，在聚合物基体中容易发生团聚，通常需要较高的填料含量才能获得所需的电磁屏蔽效能。随着填料含量的上升，材料的电磁屏蔽性能有所上升，但过高的填料含量会增加材料生产成本，同时也会降低材料的加工性能和力学性能，限制了其工业化应用。

CPCs的电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)不仅与导电性能有关，而且与复合材料的内部结构有关。电磁波的反射是由阻抗匹配决定的，阻抗匹配与材料的电导率有关。导电损耗有助于入射波的吸收。但导电填料过多会对CPCs的其他如材料成本、加工性能、机械可靠性等重要性能产生不利影响。此外，电导率过高会引起电磁波反射高，导致二次电磁辐射污染严重。

中国专利CN104558777B公开一种低逾渗石墨烯/高分子电磁屏蔽材料的制备方法，利用材料热压制备过程中的高温原位还原氧化石墨烯，避免了氧化石墨烯在化学还原过程中的团聚。使复合材料拥有更低的导电逾渗值，更高的电导率和电磁屏蔽性能，且制备过程简单，工艺易于掌握，生产成本低，容易实现大批量生产。

中国专利CN106832522A公开了一种具有取向隔离结构的电磁屏蔽复合材料及其制备方法，利用CNT在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粒表面的选择性分布构建隔离结构，同时利用固相挤出提供的强流动场诱导UHMWPE基体相沿挤出方向高度取向，大幅增强力学性能，克服了常规隔离结构导电聚合物复合材料力学性能不足的问题；材料制备过程简单，无需任何高能超声设备和有机溶剂，容易实现工业化。

中国专利CN106832522A授权了一种天然石墨/聚合物电磁屏蔽复合材料的制备方法，利用价格低廉的NG作为电磁功能填料，利用其在聚合物粒子表面的选择性分布构建隔离结构，在低NG含量下获得了高电磁屏蔽效能复合材料。材料制备过程简单，仅需机械共混和压制成型，无需任何高能超声设备和有机溶剂，绿色环保，生产成本低，容易实现大批量生产。

本发明中涉及的超导炭黑(SCCB)与UHMWPE隔离结构CPCs直接通过高速机械混合和压制成型即可制备，生产过程中无需使用高能设备辅助分散和任何有机溶剂，工艺易于掌握，绿色环保，生产成本低，容易实现大批量生产。作为导电填料，炭黑来源丰富，价格低廉，通过高速机械混合可在UHMWPE表面形成均匀的导电包覆层，作为聚合物基体，UHMWPE具有高的分子链缠结，在熔融过程中的凝胶状态能够有效防止SCCB向其内部的扩散，故能成功制备出高电导率和EMI SE的电磁屏蔽复合材料。

目前有关电磁屏蔽用隔离结构CPCs的专利并不多，而成功将SCCB用于 UHMWPE基隔离结构CPCs中实现材料优异的电磁屏蔽性能更是未见报道。也没有查阅到通过高速机械混合和压制成型制备SCCB/聚合物电磁屏蔽复合材料的专利文献。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是采用塑料合金导电填料填充改性方法，提供一种高强度、高韧性UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料的制备方法，从而获得高性能、功能化的新材料，改善了塑料合金应用的机械性能，且实现了制品电磁屏蔽效能的工业化应用。

为了实现本发明的目的，具体技术方案如下：

一种高强度、高韧性电磁屏蔽复合材料，由下述重量配方组成：

1)组份配比：

UHMWPE粉料85～95重量份、超导炭黑(SCCB)1～15重量份、PP粉料5～15 重量份、复配抗氧剂0.1～0.5重量份、偶联剂0.1～0.5重量份。

所述UHMWPE为粉料，粒径分布范围30～200μm，数均分子量为250～650 万g/mol，拉伸强度≥38MPa。

所述PP粉料，采用牌号：PPH-T03，熔体流动速率3g/10min，粒径分布范围 200～600μm的小微珠粉末，由中国石油化工股份有限公司茂名分公司提供的产品。

所述超导炭黑，品牌：亿博瑞，型号：F900A，氮吸附比表面750～1100m2/Kg， DBP吸收值450ml/g，粒径范围9～17nm，超导炭黑经过偶联剂表面改性，其制备方法为：将超导炭黑与偶联剂按质量比15：0.1～0.5份称量，加入高速共混机中，保持转速500～1000rpm，高速搅拌5～30min。

所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

所述复配抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168(质量比2:1)复配。

2)制备方法为：

A.干燥：将UHMWPE、PP和SCCB粉料分别在干燥箱中60℃干燥4～6h；

B.称量：按照重量份数，称取干燥后的UHMWPE、PP和SCCB粉料、复配抗氧剂；

C.超导炭黑偶联剂改性：将超导炭黑与偶联剂与稀释液乙醇一并加入高混机中，保持转速500～1000rpm，高速搅拌5～30min，获得超导炭黑偶联剂改性产物；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料、PP粉料、抗氧剂与步骤C制得的超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合5～8min，通过高速机械混合实现SCCB在UHMWPE/PP表面的均匀包覆，所述高速混合机的转速为24000rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200～220℃ 加热、17MPa加压条件下，热压15min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在17MPa、室温下冷压20min，充分冷却，脱模，获高强度、高韧性和高电磁屏蔽效能的UHMWPE/PP/SCCB复合材料。

采用上述技术方案后，本发明具有如下特点和优点：1、制品具有高强度、高韧性和较好的硬度等特点；2、制品具有较高的导电性能；3、采用塑料导电改性方法，获得高性能、专用化的新材料，改善了塑料合金应用的机械性能；4、实现制品特殊功能化，如电磁屏蔽效能和抗静电应用。

附图说明

图1为本发明UHMWPE/PP/SCCB导电复合材料的力学性能。

图2为本发明UHMWPE/PP/SCCB导电复合材料的电磁屏蔽效能。

图3为本发明UHMWPE/PP/SCCB导电复合材料的FE-SEM形貌图。

具体实施方式

本发明下述实施例所采用的所述UHMWPE，厂家上海联乐化工科技有限公司，粒径分布范围30～200μm，数均分子量为250～650万g/mol，拉伸强度≥38MPa 的粉料；所采用PP粉料，牌号：PPH-T03，熔体流动速率3g/10min，粒径分布范围200～600μm的小微珠粉末，现有技术产品；所采用的超导炭黑，品牌：亿博瑞，型号：F900A，氮吸附比表面750～1100m²/Kg，DBP吸收值450ml/g，粒径范围9～17nm的粉末。

实施例1

一种高强度、高韧性UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料由：UHMWPE粉料95Kg 份、PP粉5Kg、超导炭黑SCCB 15Kg、抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比＝2/1) 0.5Kg份，偶联剂KH560 0.5Kg。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE、PP和SCCB粉料在干燥箱中60℃干燥6h；

B.称量：称取干燥后的UHMWPE、PP、SCCB粉料和抗氧剂1010/抗氧剂168 备用；

C.超导炭黑偶联剂改性：将超导炭黑与偶联剂KH560与稀释液乙醇一并加入高混机中，保持转速1000rpm，高速搅拌10min，获得超导炭黑偶联剂改性产物；

D.共混：将UHMWPE粉料、PP粉料、抗氧剂超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合8min，通过高速机械混合实现SCCB在UHMWPE/PP表面的均匀包覆，所述高速混合机的转速为24000rpm。

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温210℃加热、17MPa加压条件下，热压15min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在17MPa、室温下冷压20min，充分冷却，脱模，获高强度高韧性和高电磁屏蔽效能的UHMWPE/PP/SCCB复合材料。本实施例制备的UHMWPE/PP/SCCB导电复合材料的FE-SEM形貌图如图3所示，力学性能和电磁屏蔽效能指标值见表1。

实施例2

一种高强度、高韧性UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料由：UHMWPE粉料 90Kg、PP粉10Kg、超导炭黑SCCB 10Kg、抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比＝2/1)0.5Kg，偶联剂KH560 0.5Kg。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE、PP和SCCB粉料在干燥箱中60℃干燥4h；

C.超导炭黑改性：将超导炭黑与偶联剂KH560与稀释液乙醇一并加入高混机中，保持转速500rpm，高速搅拌30min，获得超导炭黑偶联剂改性产物；

D.共混：将UHMWPE粉料、PP粉料、抗氧剂与步骤C制得的超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合5min，通过高速机械混合实现SCCB 在UHMWPE/PP表面的均匀包覆，所述高速混合机的转速为24000rpm。

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温210℃加热、17MPa加压条件下，热压15min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在17MPa、室温下冷压20min，充分冷却，脱模，获高强度、高韧性和高电磁屏蔽效能的UHMWPE/PP/SCCB复合材料。所制备的复合材料的力学性能和电磁屏蔽效能指标值见表1。

实施例3

一种高强度、高韧性UHMWPE/PP/SCCB电磁屏蔽复合材料由：UHMWPE粉料 85Kg、PP粉15Kg、超导炭黑SCCB 5Kg、抗氧剂1010/抗氧剂168复配(质量比＝2/1) 0.5Kg，偶联剂KH560 0.5Kg。

制备方法，按以下的步骤进行：

A.干燥：将UHMWPE、PP和SCCB粉料在干燥箱中60℃干燥5h；

C.超导炭黑偶联剂改性：将超导炭黑与偶联剂KH560与稀释液乙醇一并加入高混机中，保持转速800rpm，高速搅拌20min，获得超导炭黑偶联剂改性产物；

D.共混：将UHMWPE粉料、PP粉料、抗氧剂与步骤C制得的超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合6min，通过高速机械混合实现SCCB 在UHMWPE/PP表面的均匀包覆，所述高速混合机的转速为24000rpm。

随着超导炭黑份数提高，复合材料的电磁屏蔽效能明显提升，拉伸强度则是先升后降，添加10份超导炭黑的复合材料拉伸强度下降的原因是由于纳米材料团聚效果加剧造成力学性能劣化，少量的纳米材料起到了纳米增容效果，提升了复合材料的力学性能。

表1为应用本发明实施例1、实施例2和实例3所制备的复合材料的性能指标值

Claims

1.一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征是：

组份配比：

UHMWPE粉料85～95重量份、SCCB 1～15重量份、PP粉料5～15重量份、复配抗氧剂0.1～0.5重量份、偶联剂0.1～0.5重量份；

2）制备方法为：

A.干燥：将UHMWPE、PP和SCCB粉料分别在干燥箱中60℃干燥4～6 h；

B.称量：按照重量份数，称取干燥后的UHMWPE、PP、SCCB粉料和复配抗氧剂；

C.超导炭黑偶联剂改性：将SCCB与偶联剂与稀释液乙醇一并加入高混机中，保持转速500～1000 rpm，高速搅拌5～30min，获得超导炭黑偶联剂改性产物；

D.共混：将称取后的UHMWPE粉料、PP粉料、抗氧剂与步骤C制得的超导炭黑偶联剂改性产物一起置于高速捏合机中高速混合5～8 min得到混合均匀的原料；所述高速混合，其转速为24000 rpm；

E.模压成型：将上述充分混合均匀的原料投入到模具，经过高温200～220℃加热、17MPa加压条件下，热压 15 min，使混合物充分在模具熔腔内熔融塑化，然后在 17 MPa、室温下冷压 20 min，充分冷却，脱模，获高强度、高韧性和高电磁屏蔽效能的UHMWPE/PP/SCCB复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于所述的UHMWPE为粉料，粒径分布范围30～200μm，数均分子量为250～650万 g/mol，拉伸强度≥38MPa。

3.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于所述PP粉料，采用牌号：PPH-T03，熔体流动速率3g/10min，粒径分布范围200～600μm的小微珠粉末，由中国石油化工股份有限公司茂名分公司提供的产品。

4.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于所述超导炭黑，品牌：亿博瑞，型号：F900A，氮吸附比表面750～1100 m2/Kg，DBP吸收值450 ml/g，粒径范围9～17nm，超导炭黑经过偶联剂表面改性，其制备方法为：将超导炭黑与偶联剂按质量比15：0.1～0.5份称量，加入高速共混机中，保持转速500～1000 rpm，高速搅拌5～30min。

5.根据权利要求1和4所述的一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

6.根据权利要求1和4所述的一种高强度高韧性电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于所述复配抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按照质量比2:1进行复配。