CN112218512B - 具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料及其制备方法，属于电磁屏蔽材料制备技术领域。本发明解决了现有技术中缺少以含铁尘泥、钢渣、废塑料及钢纤维制备具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料方法的问题。本发明的技术方案包括以下步骤：S1：备料；S2：制备：按比例分别称取含铁尘泥、废塑料、钢渣和钢纤维，并将各组分放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态；S3：成型：将熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，将熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于模具型腔上半部，然后加压成型，卸载，脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料。本发明适用于电磁屏蔽复合材料的制备。

Description

具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁屏蔽材料制备技术领域，具体涉及一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料及其制备方法。
背景技术
钢渣和含铁尘泥都是炼钢过程中排出的固体废弃物。据统计，2018年我国粗钢钢渣产生量约为1.1～1.9亿吨，含铁尘泥产生量约为9300万吨，钢渣和含铁尘泥的全国堆放总量已经超过10亿吨，亟待处理。钢渣骨料是一种坚硬、耐磨且表面粗糙的颗粒，置于熔融状态的热塑性废塑料基体中，在热压条件下无需偶联剂，依靠熔融塑料基体与钢渣骨料表面孔隙的嵌锁效应即可实现二者的紧密联接，提高复合材料的机械强度；同时钢渣及含铁尘泥化学组份中均含有大量金属铁及铁氧化物，在高长径比钢纤维辅助作用下可形成导电网络，赋予复合材料电磁波吸收能力。
经过文献检索发现，发明专利《在塑料制品生产中用废钢渣作为填充剂的方法》(申请号200610039377.3)中将钢渣经除铁、粉磨处理后，与废塑料混合经挤出机挤出成型制备复合材料，但是该专利只是将钢渣粉磨作为聚合物基复合材料中的填料使用。发明专利《用废弃物制备的导电性聚合物基复合材料及其制备方法》(申请号200610048853.8)中以导电金属机加工过程中产生的切屑与废塑料为原料制备导电性聚合物基复合材料，该专利存在以下不足①该专利使用的导电填料为导电金属机加工过程中产生的切屑，并未对含铁尘泥、钢渣进行利用；②该专利所使用的切屑需经粉碎筛分形成粒径在100～200目的颗粒待用，能耗较高；③该专利需要使用偶联剂改善增强导电填料与废塑料基体之间的联接，增强复合材料的机械强度；④该专利制备的材料为导电性复合材料，具有电磁屏蔽特性，但是不具有梯度结构，无法同时起到阻抗的匹配和改善电磁屏蔽复合材料机械强度的作用。发明专利《一种导电塑料》(申请号201811136792.X)、《一种导电塑料》(申请号201510518060.7)、《一种导电塑料》(申请号201711292465.9)等专利分别以聚氯乙烯、氯化丁二烯等为基体，以炭黑、石墨纤维或导电母粒为导电填料制备导电塑料，均与本发明不同。论文《掺钢渣钢屑复合砂浆电磁屏蔽性能研究》、《钢渣混凝土导电及力学性能的试验研究》、《掺钢渣水泥基复合材料的吸波性能》中以钢渣、钢屑作为导电材料分别加入砂浆、混凝土及水泥中制备水泥基电磁屏蔽材料，这与本发明所制备的聚合物基电磁屏蔽复合材料完全不同。
通过对以上文献资料的阅读可以发现，以含铁尘泥、钢渣、废塑料及钢纤维制备具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料方法尚未见到文献报道。
发明内容
针对现有技术中缺少以含铁尘泥、钢渣、废塑料及钢纤维制备具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料方法的问题，本发明提供一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料及其制备方法，其目的在于：对钢渣和含铁尘泥以及废塑料进行利用，同时满足电磁屏蔽材料的机械强度和电磁屏蔽性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料，所述电磁屏蔽复合材料具有上下两层梯度结构，上层为含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料，下层为钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料。
本发明的聚合物基电磁屏蔽复合材料具有上下两层梯度结构，上层由含铁尘泥和废塑料制备，作为阻抗匹配层与电磁波阻抗匹配，减小电磁波反射损耗，以含铁尘泥颗粒之间的导电通道效应及导电隧道效应形成导电网络，实现电磁波的吸收损耗；下层由钢渣、废塑料、钢纤维制备，以钢渣与热塑性废塑料基体之间的嵌锁效应及钢纤维对基体的增强效应提高材料的机械强度，以钢渣颗粒及钢纤维形成的导电网络实现电磁波的吸收损耗，为电磁屏蔽复合材料提供机械强度及吸波能力保证。本发明具有机械强度高，电磁屏蔽性能好、耐腐蚀以及成本低、便于加工成型等优点，具有显著的社会、经济及环保效益。
作为优选，所述含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料由含铁尘泥和废塑料组成，所述含铁尘泥与废塑料的重量百分比为42％～56％：44％～58％；所述钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料由钢渣骨料、废塑料和钢纤维组成，所述钢渣骨料、废塑料与钢纤维的重量百分比为30％～48％：45％～60％：6％～14％。
作为优选，所述钢纤维直径不大于0.08mm，长度为4mm～8mm。
本发明还提供一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：按比例分别称取含铁尘泥、废塑料、钢渣和钢纤维，将含铁尘泥和相应比例的废塑料放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料，将钢渣、钢纤维和相应比例的废塑料放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；
S3：成型：将熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，将熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于模具型腔上半部，将模具置于压力机下加压成型，卸载，脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料。
采用本技术方案，可以利用含铁尘泥、钢渣、废塑料和钢纤维制备具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料，实现含铁尘泥、钢渣和废塑料的回收利用。而且以热压条件下钢渣与热塑性废塑料基体之间的嵌锁效应及钢纤维对基体的增强效应提高电磁屏蔽复合材料的机械强度，不需要使用偶联剂，便于加工，降低能耗，具有显著的社会、经济及环保效益。
作为优选，步骤S3中压力机的压力为12MPa～20Mpa，保压时间为5min。
上述优选方案中给出的均为优选后的具有较好效果的参数，能够提高电磁屏蔽复合材料的抗压强度和电磁波屏蔽效能。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.利用含铁尘泥、钢渣、废塑料和钢纤维制备具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料，实现含铁尘泥、钢渣和废塑料的回收利用，具有显著的社会、经济及环保效益。
2.具有梯度结构，上层由含铁尘泥和废塑料制备，作为阻抗匹配层与电磁波阻抗匹配，减小电磁波反射损耗，以含铁尘泥颗粒之间的导电通道效应及导电隧道效应形成导电网络，实现电磁波的吸收损耗；下层由钢渣、废塑料和钢纤维制备，以钢渣与热塑性废塑料基体之间的嵌锁效应及钢纤维对基体的增强效应提高材料的机械强度，以钢渣颗粒及钢纤维形成的导电网络实现电磁波的吸收损耗，为电磁屏蔽复合材料提供机械强度及吸波能力保证。
3.以热压条件下钢渣与热塑性废塑料基体之间的嵌锁效应及钢纤维对基体的增强效应能够提高电磁屏蔽复合材料的机械强度，不需要使用偶联剂，使用含铁尘泥和钢渣，便于加工，降低能耗。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面对本发明作详细说明。
实施例一：
一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：取钢渣骨料30份，废塑料60份，钢纤维10份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；取含铁尘泥42份，废塑料58份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料。
S3：成型：将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，大致摊平；将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料上；然后将模具置于压力机下以12MPa压力加压成型，保压5min后卸载脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料成品。该具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的抗压强度为23MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为65dB。
作为对照组，仅改变各组分的比例(钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：钢渣骨料25份，废塑料71份，钢纤维4份；含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：含铁尘泥66份，废塑料34份)，在相同的条件下，采用相同的方法制备电磁屏蔽复合材料。采用该组分制备的电磁屏蔽复合材料抗压强度为13MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为27dB。
通过上述对比可以看出，在同样的条件下，采用本发明的组分比例所制备的磁屏蔽复合材料具有更高的抗压强度和电磁波屏蔽效能。
实施例二：
一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：取钢渣骨料48份，废塑料45份，钢纤维7份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；取含铁尘泥56份，废塑料44份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料。
S3：成型：将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，大致摊平；将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料上；然后将模具置于压力机下以20MPa压力加压成型，保压5min后卸载脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料成品。该具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的抗压强度为29MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为61dB。
作为对照组，仅改变各组分的比例(钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：钢渣骨料50份，废塑料42份，钢纤维8份；含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：含铁尘泥66份，废塑料34份)，在相同的条件下，采用相同的方法制备电磁屏蔽复合材料。采用该组分制备的电磁屏蔽复合材料抗压强度为17MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为32dB。
通过上述对比可以看出，在同样的条件下，采用本发明的组分比例所制备的磁屏蔽复合材料具有更高的抗压强度和电磁波屏蔽效能。
实施例三：
一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：取钢渣骨料30份，废塑料52份，钢纤维9份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；取含铁尘泥49份，废塑料51份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料。
S3：成型：将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，大致摊平；将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料上；然后将模具置于压力机下以15MPa压力加压成型，保压5min后卸载脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料成品。该具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的抗压强度为25MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为70dB。
作为对照组，仅改变各组分的比例(钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：钢渣骨料20份，废塑料75份，钢纤维5份；含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料中各组分的质量份数比例为：含铁尘泥28份，废塑料72份)，在相同的条件下，采用相同的方法制备电磁屏蔽复合材料。采用该组分制备的电磁屏蔽复合材料抗压强度为16MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为22dB。
通过上述对比也可以看出，在同样的条件下，采用本发明的组分比例所制备的磁屏蔽复合材料具有更高的抗压强度和电磁波屏蔽效能。
实施例四
一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：取钢渣骨料39份，废塑料50份，钢纤维11份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；取含铁尘泥49份，废塑料51份，放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料。
S3：成型：将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，大致摊平；将加热混炼均匀且仍处于熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料上；然后将模具置于压力机下以20MPa压力加压成型，保压5min后卸载脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料成品。该具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的抗压强度为30MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为59dB。
作为对照组，使各组分的比例与本实施例中的比例相同，在(压力9MPa，保压时间5min)的条件下，制备电磁屏蔽复合材料。在该条件下制备的电磁屏蔽复合材料抗压强度为11MPa，1GHz电磁波屏蔽效能为23dB。
通过上述对比也可以看出，各组分比例相同的情况下，采用本发明的制备条件所制备的磁屏蔽复合材料具有更高的抗压强度和电磁波屏蔽效能。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料，其特征在于：所述电磁屏蔽复合材料具有上下两层梯度结构，上层为含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料，下层为钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；
所述含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料由含铁尘泥和废塑料组成，所述含铁尘泥与废塑料的重量百分比为42%～56%：44%～58%；所述钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料由钢渣骨料、废塑料和钢纤维组成，所述钢渣骨料、废塑料与钢纤维的重量百分比为30%～48%：45%～60%：6%～14%。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料，其特征在于：所述钢纤维直径不大于0.08mm，长度为4mm～8mm。
3.根据权利要求1～2任一项所述具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：备料：将含铁尘泥风干晾晒成粉；将钢渣筛分后取粒径范围2.36mm～4.75mm颗粒；将废塑料破碎成尺寸小于30mm片状；
S2：制备：按比例分别称取含铁尘泥、废塑料、钢渣和钢纤维，将含铁尘泥和相应比例的废塑料放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料，将钢渣、钢纤维和相应比例的废塑料放入螺杆挤出机加热混炼至熔融状态，得到熔融状态下的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料；
S3：成型：将熔融状态的钢渣－废塑料－钢纤维聚合物基复合材料置于模具型腔下半部，将熔融状态的含铁尘泥－废塑料聚合物基复合材料置于模具型腔上半部，将模具置于压力机下加压成型，卸载，脱模，得到具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料。
4.根据权利要求3所述的具有梯度结构的聚合物基电磁屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中压力机的压力为12MPa～20Mpa，保压时间为5min。
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