CN112694661A - 一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料及其制备方法，先将微米级碳化硅粉进行掺杂处理得到掺杂碳化硅粉，再经偶联改性处理得到改性碳化硅粉；然后将改性碳化硅粉与聚丙烯熔融挤出制备得到。这种电磁屏蔽聚丙烯复合材料由以下原料按重量百分比组成：聚丙烯72～93％，改性碳化硅粉5～15％，弹性体0～10％，分散剂0.5～1.5％，抗氧剂0.1～1％和其它添加剂0.5～2％。本发明采用掺杂超细镍粉和偶联改性处理的碳化硅粉作为功能填料，制备得到的电磁屏蔽聚丙烯复合材料具有良好的导热和吸波性能，可广泛应用于电子通讯及电气相关领域，特别适用于5G通讯领域。

Description

一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料及其制备方法，更具体的是通过将微米级碳化硅粉进行掺杂处理和偶联改性处理得到改性碳化硅粉，然后与聚丙烯熔融挤出制备得到，属于聚合物改性和加工领域。
背景技术
近年来，随着电子电气及通讯系统的不断发展，设备芯片和模组的集成度越来越高，设备功能越来越强大的同时导致发热和电磁波干扰的问题变得越来越突出。这不仅影响电子设备系统的正常运转，同时给人们的工作和生活环境带来了严重危害。为了降低发热和电磁波污染带来的危害，研制开发高性能的电磁屏蔽材料已成为大势所趋。特别是5G应用的大规模普及，移动终端和基站等对兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽材料产生了大量的需求。
目前市场上使用的电磁屏蔽材料大都是以金属材料为原料制成，如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和铁(Fe)等由于具有良好的导磁性而被广泛应用。但这类材料普遍存在密度大、不耐腐蚀、难加工及价格昂贵等缺点，同时其电磁屏蔽基本是靠反射作用来实现的，导致其吸波性能极差。当电磁波入射到材料表面时，大量的电磁波被反射出去，造成了电磁辐射的二次污染，电磁波干扰问题并未得到彻底解决。
填充复合型电磁屏蔽材料由于具有质轻、成本低、易加工成型等特点受到越来越多的重视。这类复合材料以碳基纳米填料为主，如中国专利CN109135056A采用碳纤维作为导电导磁材料，以及中国专利CN108929487A采用纳米级碳纳米管、石墨烯或碳纤维的一种作为导电剂。然而碳基纳米填料由于极大的比表面积，在聚合物基体中容易发生团聚，通常需要较高的填料含量以获得所需的电磁屏蔽效能。但过高的填料含量不仅会增加材料生产成本，同时会降低复合材料的加工性能及力学性能，限制了其规模化应用。
碳化硅(SiC)具有优良的导热性能、化学性能稳定和热膨胀系数低等特点，作为一种新型的导热吸波填料备受人们关注。由于碳化硅属于电损耗型吸波材料，材料的电导率对吸波性能有很大的影响。单一的碳化硅材料吸波性能不高，因此需要对其进行改性优化。
聚丙烯(PP)作为一种通用塑料，因具有密度小、优良的耐化学腐蚀性、良好的加工性能和价格相对低廉等优点而广泛应用于电子、通讯元器件和电气设备等领域。设备工作时发热及产生的电磁干扰问题已严重影响人们的日常生活，制备兼具导热及吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，具有广泛的应用前景。
发明内容
为了克服现有材料存在的问题，本发明的目的在于提供一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料。
本发明的技术方案是先将微米级碳化硅粉进行掺杂超细镍粉处理，利用超细镍粉具有磁导率、介电常数及电磁损耗大、大比表面积表面原子多的特点，与碳化硅粉构建导电导热网络通路，使得材料具有多种吸波损耗机制，大幅度提高复合材料的导热和吸波性能；然后对掺杂碳化硅粉进行偶联改性处理以提高粉体与基体之间的相容性，最终提升聚丙烯复合材料的整体性能，更好地应用于电子电气等领域。
本发明的另一个目的在于提供这种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，由以下重量百分比计的原料组成：
Figure BDA0002864938300000021
本发明的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其中所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯，或是它们的组合物，其熔体流动速率为5～70g/10min(测试条件：230℃×2.16kg)。
所述的改性碳化硅粉是经偶联改性处理的掺杂碳化硅粉，其中偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂的一种或几种。
所述的掺杂碳化硅粉是以微米级碳化硅粉为基质，掺杂10％超细镍粉，采用球磨法使两者混合均匀而得到。
所述的微米级碳化硅粉是通过可变电流激光离子束气相法制备得到，其平均粒径为0.6～1.2μm。
所述的弹性体为一种乙烯-辛烯的共聚物，其熔体流动速率为0.5～10g/10min(测试条件：190℃×2.16kg)。
所述的分散剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种或两种组合。
所述的抗氧剂为受阻酚类、硫代酯类和亚磷酸盐类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物。
所述的其它添加剂为各种颜色添加剂、光稳定剂和各种酯类或脂肪酸类润滑剂中的一种或几种的混合物。
上述兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料的制备方法如下：
(1)按重量配比称取聚丙烯、弹性体、分散剂、抗氧剂和其它添加剂，在高速搅拌机中混合5～15分钟。
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，改性碳化硅粉从螺杆中部的侧喂料口加入，经熔融挤出后冷却切粒得到。
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为25:1～40:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用微米级碳化硅粉对聚丙烯材料进行填充改性，有效提高聚丙烯材料的导热和吸波性能的同时，可避免碳基纳米填料由于比表面积大，在聚合物基体中容易发生团聚的问题。
2、本发明通过先将微米级碳化硅粉进行掺杂超细镍粉处理，构建导电导热网络通路，使得材料具有多种吸波损耗机制，大幅度提高复合材料的导热和吸波性能。
3、本发明使用硅烷偶联剂对掺杂碳化硅粉进行改性处理，提高粉体与聚丙烯基体之间的相容性，最终提升复合材料的整体性能。
4、本发明制备的电磁屏蔽聚丙烯复合材料具有低密度、良好的导热和吸波性能等特点，可广泛应用于电子通讯及电气相关领域，特别适用于5G通讯领域。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
在实施例和对比例的材料配方中，所用聚丙烯为上海石化公司生产的聚丙烯，商品名为M2600R，其熔体流动速率为28g/10min(测试条件：230℃×2.16kg)。微米级碳化硅粉选用上海函朗公司生产的HL-SiC-01，其平均粒径为0.8μm。掺杂碳化硅粉：采用球磨法在碳化硅粉中掺杂10％超细镍粉(采用化学还原方法制得，其平均粒度为0.2μm)而得到。改性碳化硅粉：将掺杂碳化硅粉经硅烷偶联剂(KH550，市售)改性处理制得。弹性体为陶氏公司生产的乙烯-辛烯共聚物，商品名为Engage 8180，其熔融指数为0.5g/10min(测试条件：190℃×2.16kg)。分散剂选用聚乙烯蜡(市售)。抗氧剂为Ciba公司的1010和168的组合物，比例为1:2。此外还包括黑色母(市售)。
实施例及对比例的配方见表1：
表1：实施例1～6及对比例1～5材料配方表(重量％)
Figure BDA0002864938300000041
上述实施例和对比例聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量配比称取M2600R、POE 8180、聚乙烯蜡、1010、168和黑色母，在高速搅拌机中混合5～15分钟。
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，碳化硅粉从螺杆中部的侧喂料口加入，经熔融挤出后冷却切粒得到电磁屏蔽聚丙烯复合材料。
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为30:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
性能评价方式及实行标准：
将上述实施例1～6及对比例1～5所制备的粒子材料，在90～100℃的鼓风烘箱中干燥2～3小时，然后将干燥好的粒子在注塑机上制成标准样条及样板用于测试。
密度测试：按照ISO 1183-1标准进行；拉伸强度测试：按ISO 527-2标准进行，试样尺寸为170×10×4mm，速度为50mm/min；弯曲强度测试：按ISO 178标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，速度为2mm/min；缺口冲击强度测试：按ISO 179-1标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，缺口深度为试样厚度的三分之一；导热系数测试：按GB/T 22588-2008标准进行，试样为3.2mm厚度的样板；电磁屏蔽效能测试：根据GJB 8820-2015标准测试，依据150MHz～1.5GHz频率范围内的最高电磁屏蔽效能来评判。
实施例及对比例的各项性能测试结果见表2：
表2：实施例1～6及对比例1～5的性能测试结果
Figure BDA0002864938300000051
从实施例1～6、对比例2～5和对比例1的对比中可以看出，填充碳化硅粉后的聚丙烯复合材料的导热系数和电磁屏蔽效能都大幅度提高。特别是填充15％改性碳化硅粉的复合材料，其导热系数和电磁屏蔽效能分别达到4.7和41.6。从对比例2、4与对比例3、5的对比中可以看出，微米级碳化硅粉经超细镍粉掺杂处理后，可以明显提高聚丙烯复合材料的电磁屏蔽效能。从实施例1和对比例3以及实施例4和对比例5的对比中可以看出，掺杂碳化硅粉经偶联改性处理后，可进一步提高复合材料的导热和电磁屏蔽效能。此外，偶联改性处理提高了碳化硅粉体与聚丙烯基体的界面相容性，从而材料整体的性能均有所提升。本发明制得的聚丙烯复合材料具有良好的导热性和吸波电磁屏蔽性能，可广泛应用于电子通讯及电气相关领域，特别适用于5G通讯领域。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域的技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离发明技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：由以下重量百分比计的原料组成：
Figure FDA0002864938290000011
2.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯，或是它们的组合物，其熔体流动速率为5～70g/10min，测试条件：230℃×2.16kg。
3.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的改性碳化硅粉是经偶联改性处理的掺杂碳化硅粉，其中偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的掺杂碳化硅粉是以微米级碳化硅粉为基质，掺杂10％超细镍粉，采用球磨法使两者混合均匀而得到。
5.根据权利要求4所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的微米级碳化硅粉是通过可变电流激光离子束气相法制备得到，其平均粒径为0.6～1.2μm。
6.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的弹性体为一种乙烯-辛烯的共聚物，其熔体流动速率为0.5～10g/10min(测试条件：190℃×2.16kg)。
7.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的分散剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种或两种组合。
8.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为受阻酚类、硫代酯类和亚磷酸盐类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物。
9.根据权利要求1所述的一种兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的其它添加剂为各种颜色添加剂、光稳定剂和各种酯类或脂肪酸类润滑剂中的一种或几种的混合物。
10.根据权利要求1-9任意之一所述兼具导热和吸波功能的电磁屏蔽聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：其步骤为：
(1)按重量配比称取聚丙烯、弹性体、分散剂、抗氧剂和其它添加剂，在高速搅拌机中混合5～15分钟；
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，改性碳化硅粉从螺杆中部的侧喂料口加入，经熔融挤出后冷却切粒得到；
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为25:1～40:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
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