CN107778847A - 一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法。包括如下步骤：（一）采用锰锌铁氧体磁粉、羰基铁粉、铁硅铬、铁硅铝、铈铁氮和铁镍软磁粉中的一种与热塑性高分子树脂经熔融混合后得到电感用软磁复合材料；（二）将绕好的漆包线线圈置于注塑模具型腔中，然后将第一步制备好的软磁复合材料熔融后经注塑机注射入模具中，将提前置于模具中的线圈完全包覆，得到电感器件，冷却后开模，得到一体注塑成型的电感。相比传统电感制备方法及其原材料，采用本发明的软磁复合材料制备的电感具有工序简单、生产效率高、电感制品密封性好、使用寿命长、成本低的特点。

Description

一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及软磁材料领域，特别涉及一种可一次性注射成型电感用的软磁复合材料的制备。
背景技术
电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件；具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，频率越高，线圈阻抗越大。电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁芯及磁芯的材料等。电感器的功用在于稳定电路中的电流并达到滤除杂讯的效果，作用与电容器类似，同样是以储存、释放电路中的电能来调节电流的稳定性，而且相较于电容是以电场( 电荷) 的形式来储存电能，电感器则是以磁场的形式来达成。
传统的电感器的制备方法主要有烧结锰锌铁氧体磁片粘结成磁盒后，放入线圈绕好磁芯然后用热固性树脂热封的方法，这种方法制备的电感器件虽然磁导率高，但是密封性差，不时会产生漏磁的现象；近年也开发出一部分可注塑成型的电磁材料，都是采用热固性胶黏剂和铁粉一起混合后注塑成型的，这种工艺相比传统烧结贴片的方法具有工艺简单，生产效率高的优点，但是其热固化时间仍旧需要2~3h，而且热固性树脂固化收缩率比较大、内部容易产生气孔、成型产品的一致性比较低的问题。
随着电子元器件逐渐向小型化、集成化发展，对电感器件的电磁性能、力学性能以及几何外形尺寸等要求越来越高。传统的烧结贴片法、热固性树脂-铁粉注塑方法已经难以满足电感器件向着小、精、尖的方向发展的需要，尤其在制备一些形状复杂、精度要求较高的器件和一些薄壁器件方面显得尤为不足。因此，本发明采用热塑性树脂体系，将软磁粉体和塑料粘结剂混合均匀后经双螺杆挤出机或密炼机混合造粒，通过注塑机一次成型即可得到产品。相比传统烧结工艺，热塑性体系的软磁性复合材料具有：加工工序简单、生产效率高、成本低、可生产形状复杂且精度要求较高的电感器件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电感成型技术工艺复杂、生产效率较低等缺陷，提供一种注射成型用的热塑性软磁材料工艺及其制备方法。相比传统工艺，该工艺工序简单、生产效率高、成本低及可快速成型形状复杂及薄壁器件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，包括如下步骤：（一）该一体注塑成型的电感原料采用表面处理过的锰锌铁氧体磁粉、羰基铁粉、铁硅铬、铁硅铝、铈铁氮和铁镍磁粉中的一种或任意两种的混合物，和热塑性树脂经双螺杆挤出机和密炼机中的一种设备熔融混炼造粒得到；（二）该一体注塑成型的电感是先将漆包线绕好的螺旋状线圈放入注塑模具型腔中，再将第一步制得的软磁复合材料熔融注射入模具，将线圈完全包覆，冷却后取出制品；其中所述步骤一的软磁复合材料包括的组分及各组分的质量百分数如下：
软磁粉末 70% ~ 96%
热塑性树脂 4% ~ 30%
表面处理剂（占软磁粉质量百分比） 0.1% ~ 2%
增韧剂（占塑料树脂质量百分比） 1% ~ 5%
润滑剂（占塑料树脂质量百分比） 0.2% ~ 0.6%
进一步，所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料用的软磁性粉末是锰锌铁氧体磁粉、羰基铁粉、铁硅铬、铁硅铝、铈铁氮和铁镍中的一种或几种的混合，粒径为1~30μm；更进一步，所述的热塑性树脂是聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)中的任意一种；所述的表面处理剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和磷酸中的一种或几种混合；所述的增韧剂是乙烯-辛烯共聚物（POE）、三元乙丙橡胶（EPDM）中的一种；所述的润滑剂是硬脂酸、聚酰胺蜡中的一种或两种混合。
再进一步，为实现上述可一体注塑成型的电感，其具体工艺步骤如下：
（1）软磁粉末预处理：按照权利要求1所述质量分数称取软磁粉末，添加0.1% ~ 2%质量份的表面处理剂中的一种或两种的组合，经过高速混合机进行软磁粉末表面预处理。
（2）热塑性树脂改性：将热塑性树脂、增韧剂和润滑剂等一起才有单螺杆挤出机混合造粒，得到冲击韧性高、流动性优异的改性塑料。
（3）混炼造粒：将预处理过的软磁粉末和改性好的热塑性塑料一起经双螺杆挤出机或密炼机熔融后混炼造粒，得一次性注射成型电感用的软磁颗粒料；挤出机温度设为215℃~265℃。
（4）注塑成型：将步骤（3）中制得的软磁颗粒料用注塑机注射成型，得到一体成型的电感器件。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述注射成型用软磁颗粒料的制备方法做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此，对本发明所做的任何形式上的改变都应在本发明的保护范围内。
实施例1
取27g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待完全溶解后，加入9㎏锰锌铁氧体软磁粉，搅拌均匀后，在100℃条件下干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得偶联锰锌铁氧体软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂硬脂酸、弹性体POE，按照100:1:5的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂，取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经双螺杆挤出机混合造粒，挤出机炮筒温度设定为245℃~265℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=24，饱和磁化强度为Bs=205mT；电感的感量L=88nH。
实施例2
取27g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待完全溶解后，加入9㎏铁硅铬软磁粉，搅拌均匀后，在100℃条件下干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得偶联铁硅铬软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂硬脂酸、弹性体EPDM，按照100:0.5:4.5的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂，取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，其中密炼机温度设定为245℃~255℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为225℃~235℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=30，饱和磁化强度为Bs=285mT；电感的感量L=92nH。
实施例3
取27g钛酸酯偶联剂NZD-201和9g磷酸用于适量无水乙醇混合均匀，待完全溶解后，加入9㎏羰基铁粉软磁粉，搅拌均匀后，在80℃条件下真空干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得表面处理过的羰基铁软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂聚酰胺蜡、弹性体POE，按照100:1:4的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂；取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，其中密炼机温度设定为245℃~255℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为225℃~235℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=40，饱和磁化强度为Bs=360mT；电感的感量L=95nH。
实施例4
取27g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待完全溶解后，加入9㎏铁硅铝软磁粉，搅拌均匀后，在100℃条件下干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得偶联铁硅铝软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂硬脂酸、弹性体EPDM，按照100:1:4的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂，取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，其中密炼机温度设定为245℃~255℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为225℃~235℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=35，饱和磁化强度为Bs=325mT；电感的感量L=102nH。
实施例5
取27g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待完全溶解后，加入9㎏铈铁氮软磁粉，搅拌均匀后，在100℃条件下干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得偶联铈铁氮软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂硬脂酸、弹性体EPDM，按照100:1.5:4.5的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂，取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，其中密炼机温度设定为245℃~255℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为225℃~235℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=42，饱和磁化强度为Bs=370mT；电感的感量L=108nH。
实施例6
取27g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待完全溶解后，加入9㎏铁镍软磁粉，搅拌均匀后，在100℃条件下干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得偶联铁硅铬软磁粉。
取尼龙6树脂、润滑剂硬脂酸、弹性体POE，按照100:1.5:4的质量比称取物料共计1.5公斤，在210~230℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性尼龙6树脂，取出1Kg改性树脂与上述9Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，其中密炼机温度设定为245℃~255℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为225℃~235℃，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=36，饱和磁化强度为Bs=336mT；电感的感量L=98nH。
实施例7
取27.6g硅烷偶联剂KH-550溶于适量去离子水中，待充分溶解后，加入到9.2㎏锰锌铁氧体软磁粉中，搅拌均匀后，在100℃条件下真空干燥4~6h，取出冷却后经粉碎机粉碎，筛分后得偶联复合软磁粉。
取聚丙烯树脂PP、润滑剂硬脂酸和弹性体POE，按照100:0.5:5的质量份数称取估计1Kg，采用单螺杆挤出机混合造粒得到改性PP，挤出机温度设定为150~190℃；取出0.8Kg的改性PP与偶联锰锌铁氧体磁粉一起经双螺杆挤出造粒，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为265℃~285℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=30，饱和磁化强度为Bs=320mT；电感的感量L=95nH。
实施例8
取28.2g钛酸酯偶联剂NZD-201和9.4g磷酸用于适量无水乙醇混合均匀，待完全溶解后，加入9.4㎏羰基铁粉软磁粉，搅拌均匀后，在80℃条件下真空干燥4~6h后，冷却、粉碎、筛分后得表面处理过的羰基铁软磁粉。
取聚对苯二甲酸乙二醇酯PBT树脂、润滑剂聚酰胺蜡、弹性体EPDM，按照100:1:4的质量比称取物料共计1公斤，在220~260℃下用单螺杆挤出机混合造粒，得到改性PBT树脂；取出0.6Kg改性树脂与上述9.4Kg软磁粉末一起经密炼机混炼均匀破碎后，通过单螺杆挤出机混合造粒，得到可直接注塑的电感用软磁复合材料；其中密炼机温度设定为265℃~285℃、单螺杆挤出机炮筒温度设定为255℃~265℃。
将上述颗粒料经注塑成型得到磁环（外径，内径高度h=5mm）和内部包含磁芯的电感器件（外部尺寸40mm×10mm×8mm），注塑温度设定为285℃~295℃。根据相关测试标准，线圈匝数10匝，测得样品的初始磁导率为µi=45，饱和磁化强度为Bs=400mT；电感的感量L=110n。

Claims (7)

1.一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于该一体注塑成型的电感是经过如下步骤得到的：（一）该一体注塑成型的电感原料采用表面处理过的锰锌铁氧体磁粉、羰基铁粉、铁硅铬、铁硅铝、铈铁氮和铁镍软磁粉中的一种或任意两种的混合物，和热塑性树脂经双螺杆挤出机和密炼机中的一种设备熔融混炼造粒得到；（二）该一体注塑成型的电感是先将漆包线绕好的螺旋状线圈或者含有磁芯的线圈放入注塑模具型腔中，再将第一步制得的软磁复合材料熔融注射入模具，将线圈完全包覆，冷却后取出制品；其中所述步骤一的软磁复合材料包括的组分及各组分的质量百分数如下：
软磁粉末 70% ~ 96%
热塑性树脂 4% ~ 30%
表面处理剂（占软磁粉质量百分比） 0.1% ~ 2%
增韧剂（占塑料树脂质量百分比） 1% ~ 5%
润滑剂（占塑料树脂质量百分比） 0.2% ~ 0.6%。
2.一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于所述的软磁复合材料按如下步骤制备：
（1）软磁粉末预处理：按照权利要求1所述质量份数称取软磁粉末，添加0.1% ~ 2%质量份的表面处理剂中的一种或两种的组合，经过高速混合机进行软磁粉末表面预处理；
（2）热塑性树脂改性：将热塑性树脂、增韧剂和润滑剂等一起才有单螺杆挤出机混合造粒，得到冲击韧性高、流动性优异的改性塑料；
（3）混炼造粒：将预处理过的软磁粉末和改性好的热塑性塑料一起经双螺杆挤出机和密炼机中的一种熔融后混炼造粒，得注射成型用软磁颗粒料；
（4）注塑成型：将步骤（3）中制得的软磁颗粒料用注塑机注射成型，注塑温度设定为265℃~285℃，得到一体成型的电感器件。
3.如权利要求1所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于所述的软磁性粉末是锰锌铁氧体磁粉、羰基铁粉、铁硅铬、铁硅镍中的一种或几种的混合，粒径为1~30μm。
4.如权利要求1所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料及 其制备方法，其特征在于所述的塑料树脂为热塑性树脂是聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)中的任意一种。
5.如权利要求1所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于所述的表面处理剂是硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和磷酸中的一种或几种混合。
6.如权利要求1所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于所述的润滑剂为硬脂酸类、聚酰胺蜡中的一种或几种混合。
7.如权利要求1所述的一体注射成型的电感用软磁性复合材料及其制备方法，其特征在于所述的增韧剂为乙烯-辛烯共聚物（POE）、三元乙丙橡胶（EPDM）中的一种。
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