CN110450488A - 一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/tpu复合材料的制备方法 - Google Patents

一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/tpu复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法。该方法通过硅烷偶联剂KH‑550将碳纤维布进行改性处理以及将TPU颗粒熔融冷却成型变成TPU板，最后在高温下施加较小的压强即可完成碳纤维布/TPU复合材料的制备，同时也可以完成不同堆叠层的碳纤维布/TPU复合材料的制备。本发明得到的产品具有低成本、高强度及电磁屏蔽性能优异等特点。

Description

一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材 料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，尤其涉及一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着现代科学技术的飞速发展，无线通信设备对周围环境造成了严重的电磁污染，电磁污染问题日益突出。金属材料和金属基复合材料是目前市场上常见的电磁屏蔽材料，但是其具有密度高、机械弹性差、腐蚀性强、工艺繁琐等缺点以至于其逐渐落后于科技发展的步伐，难以满足要求。近年来，研究人员发现，一些碳纤维复合材料具有重量轻、抗疲劳、减震性好、耐腐蚀以及电磁屏蔽性能优异等优点。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维一般与树脂进行结合形成碳纤维复合材料。碳纤维复合材料由于具有重量轻，强度高，硬度高，耐热性好等特点，碳纤维复合材料越来越受到人们的关注。热塑性聚氨酯(TPU)是一种常见的高分子材料，也是一种具有软、硬交替段特性的重要材料。它是一种生物相容性和生物可降解的弹性体，已广泛应用于生物医学科学领域。TPU具有耐磨性好、加工性能好、化学稳定性高、机械性能好等优点，广泛应用于汽车、鞋类、建筑、电线电缆、软管、管道等领域。
现有研究公开了将电磁屏蔽热塑性聚氨酯(TPU)表面修饰导电材料或与导电填料熔融共混制备TPU电磁屏蔽复合材料的技术方案，但发明人发现：无论是熔融共混还是表面修饰，都存在导电填料排布方向一致性差，特别是在轴向的取向不一致，以及分散性差的问题，限制了其电磁屏蔽性能的提升。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法。该方法通过硅烷偶联剂将碳纤维布进行改性处理以及将TPU颗粒熔融冷却成型变成TPU板，最后在高温下施加较小的压强即可完成碳纤维布/TPU复合材料的制备。本发明得到的产品具有低成本、高强度及电磁屏蔽性能优异等特点。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料，包括：偶联剂改性的碳纤维布层和TPU板，偶联剂改性的碳纤维布层和TPU板交替放置，最外层为TPU板。
本申请研究发现：通过在碳纤维布层之间设置TPU板作为隔离层可以有效地提高复合材料的电磁屏蔽性能。
研究发现：随着碳纤维布层层数增加，高电磁屏蔽性能增强，但碳纤维布层层数过多，复合材料厚度过后，不易安装，成本较高。因此，在一些实施例中，所述碳纤维布层为1-3层，所制备的碳纤维布/TPU复合材料具有高电磁屏蔽性能，能够满足航空航天及军用电子仪器所需材料的屏蔽效能的要求。
本发明还提供了一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，包括：
对碳纤维布进行偶联剂改性，形成偶联剂改性的碳纤维布；
将TPU颗粒模压成TPU板；
将偶联剂改性的碳纤维布与TPU板交替放置，最外层为TPU板，熔融、压合，即得具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料。
本申请中对偶联剂的种类并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、KH-551、KH-560、KH-561等，以通过硅烷偶联剂对碳纤维布的改性，提高碳纤维在TPU板上的结合强度。
在一些实施例中，所述偶联剂改性的碳纤维布的具体步骤为：将碳纤维布放置无水乙醇和硅烷偶联剂的混合液中，于80～85℃下静止2～2.5小时，洗涤、干燥，即得。有效地增强了碳纤维布与TPU的结合强度，保证二者热压后可以稳定地结合在一起，同时碳纤维布的力学性能也得到了增强。
研究发现：随着偶联剂的加入和浓度增加，碳纤维布的剪切强度增大，因此，在一些实施例中，所述无水乙醇和硅烷偶联剂的质量比为4:1～2:1，所制备的改性碳纤维布具有较优的力学性能和粘结强度。
在一些实施例中，所述模压的条件为180～185℃下保温20～24分钟。TPU颗粒在该温度下经闭模加压，可以有效地固化成型TPU板。
本申请研究发现：对于碳纤维布与TPU板的复合，采用热压的方式不仅制备效率高、而且形成的碳纤维布/TPU复合材料的屏蔽效能也较高。因此，在一些实施例中，所述熔融、压合的条件为180～185℃下熔融5～10分钟，再施加0.5～0.6MPa的压力，持续5～10分钟。所制备的碳纤维布/TPU复合材料的拉伸强度最大能够达到108.3MPa，三层复合材料在8.2～12.4GHz可达到51～59dB。
本发明还提供了任一上述的方法制备的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料。
本发明还提供了上述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料在制造电子设备或通讯设备中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用硅烷偶联剂KH-550可以对碳纤维布表面进行改性，提升碳纤维布与TPU的结合强度，其中三层复合材料拉伸强度最大能够达到108.3MPa。
(2)本发明所制备出的复合材料具有优良的电磁屏蔽性能，其中三层复合材料在8.2～12.4GHz可达到51～59dB，大大高于商用电磁屏蔽20dB的标准，能够很好的满足航空航天及军用电子仪器所需材料的屏蔽效能的要求。
(3)本发明利用的材料是碳纤维布和TPU，其本身就具有质量轻的优点，故制备出来的复合材料也具有质量轻的特点，满足了轻量化的要求。
(4)本发明使用的碳纤维布和TPU价格低廉，材料成本大大低于目前大量使用的金属材料。
(5)本发明使用的工艺简单、高效，反应溶液可以多次重复利用，而且不产生其他副产物，对环境无污染，绿色环保，具有大规模工业化生产的前景。
(6)本发明完全利用已有设备，因此无需增加设备投资，在基本不增加成本的前提下就可得到高强度、电磁屏蔽性能优良的碳纤维布/TPU复合材料，增强了产品竞争力。
(7)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1的实物照片。
图2为实施例1的碳纤维表面改性处理后的X射线光电子能谱图。
图3为实施例1-3的碳纤维布/TPU复合材料的拉伸强度。
图4为实施例1-3的碳纤维布/TPU复合材料的电磁屏蔽性能曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，针对TPU复合材料电磁屏蔽性能不佳的问题。因此，本发明提出一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法。该方法通过硅烷偶联剂将碳纤维布进行改性处理以及将TPU颗粒熔融冷却成型变成TPU板，最后在高温下施加较小的压强即可完成碳纤维布/TPU复合材料的制备。本发明得到的产品具有低成本、高强度及电磁屏蔽性能优异等特点。
本发明采用下述技术方案：
第一步，首先将碳纤维布放置在超声清洗机内进行小幅度的清洗，清洗时间为2小时。
第二步，将清洗完的碳纤维布放置在盛有无水乙醇和硅烷偶联剂KH-550的混合液的烧杯中进行碳纤维布表面改性，并将烧杯放置在80℃的恒温水浴锅中2小时。
第三步，将表面改性完的碳纤维布取出来，用蒸馏水清洗一下，然后放置在干燥箱中烘干处理，烘干温度为100℃，烘干时间为2小时。然后取出来密封处理。
第四布，将TPU颗粒放置在干燥箱中2小时进行干燥处理，温度设置为100℃。
第五步，将TPU颗粒填充在模具中，然后将模具放置手动压片机上进行熔融处理。为了放置熔融的TPU粘在设备上，在模具上下两方各放一张油纸。熔融温度为180℃，时间为20分钟。然后取出室温冷却。此时TPU从颗粒状变成板状。
第六步，将改性处理之后的碳纤维布放置在两块TPU板中间，成夹心状。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融5分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续5分钟，完成含有一层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料。
第七步，将改性处理之后的碳纤维布和TPU板中间交替放置，其中碳纤维布为两层，TPU板为三层。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融7分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续8分钟，完成含有两层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料。
第八步，将改性处理之后的碳纤维布和TPU板中间交替放置，其中碳纤维布为三层，TPU板为四层。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融10分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续10分钟，完成含有三层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料。
所述无水乙醇的浓度为99.97％。
所述无水乙醇和硅烷偶联剂KH-550混合液的含量比为4:1。
所述不同堆叠层在本发明专利中只考虑一、二、三层。
上述方法不止适用于含有一、二、三层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料的制备，也适用于其他层数的碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料的制备。
上述一种不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，所用的原材料都是通过商购获得，所用的设备是本技术领域公知的。
以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。
其中，拉伸强度标准是ASTM D3039/D 3039M-00；
电磁屏蔽性能是利用矢量网络分析仪测试。
以下实施例中，采用的碳纤维布的厚度皆为0.2mm，制备的碳纤维布/TPU复合材料皆控制其厚度为1.5±0.1mm。
实施例1
第一步，首先将碳纤维布放置在超声清洗机内进行小幅度的清洗，清洗时间为2小时。
第二步，将清洗完的碳纤维布放置在盛有无水乙醇和硅烷偶联剂KH-550的混合液(无水乙醇与硅烷偶联剂KH-550的质量比为4:1)的烧杯中进行碳纤维布表面改性，并将烧杯放置在80℃的恒温水浴锅中2小时。
第三步，将表面改性完的碳纤维布取出来，用蒸馏水清洗一下，然后放置在干燥箱中烘干处理，烘干温度为100℃，烘干时间为2小时。然后取出来密封处理。
第四布，将TPU颗粒放置在干燥箱中2小时进行干燥处理，温度设置为100℃。
第五步，将TPU颗粒填充在模具中，然后将模具放置手动压片机上进行熔融处理。为了放置熔融的TPU粘在设备上，在模具上下两方各放一张油纸。熔融温度为180℃，时间为20分钟。然后取出室温冷却。此时TPU从颗粒状变成板状。
第六步，将改性处理之后的碳纤维布放置在两块TPU板中间，成夹心状。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融5分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续5分钟，完成含有一层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料。
图2是经过硅烷偶联剂KH-550处理之后的碳纤维布表面的X射线光电子能谱图。可以看到出现了硅元素的峰，而未处理的碳纤维布表面是不存在硅元素的，所以可以表面经过上述处理之后的碳纤维布表面改性成功，成功把硅烷偶联剂KH-550里面的硅元素接枝在碳纤维布表面。
实施例2
第一步，首先将碳纤维布放置在超声清洗机内进行小幅度的清洗，清洗时间为2小时。
第二步，将清洗完的碳纤维布放置在盛有无水乙醇和硅烷偶联剂KH-550的混合液(无水乙醇与硅烷偶联剂KH-550的质量比为4:1)的烧杯中进行碳纤维布表面改性，并将烧杯放置在80℃的恒温水浴锅中2小时。
第三步，将表面改性完的碳纤维布取出来，用蒸馏水清洗一下，然后放置在干燥箱中烘干处理，烘干温度为100℃，烘干时间为2小时。然后取出来密封处理。
第四布，将TPU颗粒放置在干燥箱中2小时进行干燥处理，温度设置为100℃。
第五步，将TPU颗粒填充在模具中，然后将模具放置手动压片机上进行熔融处理。为了放置熔融的TPU粘在设备上，在模具上下两方各放一张油纸。熔融温度为180℃，时间为20分钟。然后取出室温冷却。此时TPU从颗粒状变成板状。
第六步，将改性处理之后的碳纤维布和TPU板中间交替放置，其中碳纤维布为两层，TPU板为三层。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融7分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续8分钟，完成含有两层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料。
实施例3
第一步，首先将碳纤维布放置在超声清洗机内进行小幅度的清洗，清洗时间为2小时。
第二步，将清洗完的碳纤维布放置在盛有无水乙醇和硅烷偶联剂KH-550的混合液(无水乙醇与硅烷偶联剂KH-550的质量比为4:1)的烧杯中进行碳纤维布表面改性，并将烧杯放置在80℃的恒温水浴锅中2小时。
第三步，将表面改性完的碳纤维布取出来，用蒸馏水清洗一下，然后放置在干燥箱中烘干处理，烘干温度为100℃，烘干时间为2小时。然后取出来密封处理。
第四布，将TPU颗粒放置在干燥箱中2小时进行干燥处理，温度设置为100℃。
第五步，将TPU颗粒填充在模具中，然后将模具放置手动压片机上进行熔融处理。为了放置熔融的TPU粘在设备上，在模具上下两方各放一张油纸。熔融温度为180℃，时间为20分钟。然后取出室温冷却。此时TPU从颗粒状变成板状。
第六步，将改性处理之后的碳纤维布和TPU板中间交替放置，其中碳纤维布为三层，TPU板为四层。然后放置在两块钢板中间，钢板与TPU板接触的两面各放一张油纸。然后再180℃的温度下使材料熔融10分钟，然后再施加0.5MPa的压力，持续10分钟，完成含有三层碳纤维布的碳纤维布/TPU复合材料，厚度为1.5mm。
测试结果表明：三层复合材料拉伸强度为108.3MPa，在8.2～12.4GHz电磁屏蔽性能为59dB。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料，其特征在于，包括：偶联剂改性的碳纤维布层和TPU板，偶联剂改性的碳纤维布层和TPU板交替放置，最外层为TPU板。
2.如权利要求1所述的碳纤维布/TPU复合材料，其特征在于，所述碳纤维布层为1-3层。
3.一种具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
对碳纤维布进行偶联剂改性，形成偶联剂改性的碳纤维布；
将TPU颗粒模压成TPU板；
将偶联剂改性的碳纤维布与TPU板交替放置，最外层为TPU板，熔融、压合，即得具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料。
4.如权利要求3所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU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KH-550、KH-551、KH-560或KH-561。
5.如权利要求3所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，其特征在于，所述偶联剂改性的碳纤维布的具体步骤为：将碳纤维布放置无水乙醇和硅烷偶联剂的混合液中，于80～85℃下静止2～2.5小时，洗涤、干燥，即得。
6.如权利要求5所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，其特征在于，所述无水乙醇和硅烷偶联剂的质量比为4:1～1.2。
7.如权利要求3所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，其特征在于，所述模压的条件为180～185℃下保温20～24分钟。
8.如权利要求3所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料的制备方法，其特征在于，所述熔融、压合的条件为180～185℃下熔融5～10分钟，再施加0.5～0.6MPa的压力，持续5～10分钟。
9.如权利要求3-8任一项所述的方法制备的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料。
10.权利要求9所述的具有高电磁屏蔽性能的不同堆叠层碳纤维布/TPU复合材料在制造电子设备或通讯设备中的应用。
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