CN115477813A - 一种用于电磁屏蔽的pp基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚合物改性和加工技术领域，特别是一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料及其制备方法，由下列重量百分比的原料组成：57.2‑73%PP颗粒树脂、3‑5%相容剂、18‑25%导电电磁屏蔽剂、4‑8%发泡剂母粒、1‑3%增韧剂、0.2‑0.4%抗氧剂、0.6‑1.0%润滑剂、0.2‑0.4%光稳定剂。本发明使用碳纤维和石墨烯气凝胶复配方案，并结合微发泡工艺，制备的聚丙烯复合材料具有良好的力学性能，同时兼顾很高的电磁屏蔽能力。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物改性和加工技术领域，特别是一种电磁屏蔽的 PP基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，电子设备、通信设施和智能无线网络设备得到广泛应用。尤其是5G技术取得了前所未有的成就，这种电磁波技术的应用不仅会对电子设备的运行造成干扰，还会对人体健康和环境造成危害。传统的金属材料具有较高的导电性和优良的电磁干扰屏蔽性能，但存在密度高、耐腐蚀差，加工工艺复杂等缺点，因此逐渐被一些填充复合型电磁屏蔽材料所替代。
碳纤维作为电磁屏蔽填充材料的研究报道已经有很多，单纯使用碳纤维很难达使得复合材料很高的屏蔽能力。一般需要碳纤维表面电镀金属层或者与其他金属颗粒复配提升电磁屏蔽能力。电镀工艺可能存在环境污染，加入金属颗粒或者碳纳米管等会导致材料力学性能的下降。目前很多专利报道的填充型复合材料屏蔽效能都是在30-50DB，很难满足商业化要求60DB屏蔽效能以上的要求。
石墨烯作为一种先进碳材料，具有优异的导电性、电子效应和热性能。石墨烯气凝胶具有高孔隙率、低密度、大比表面积和高压缩性。其内部的多孔结构和三维网状结构解决了二维石墨烯中石墨烯片层易团聚、高电导率和阻抗失配等现象，有利于提高材料微波吸收性能。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种优异力学性能，兼顾高电磁屏蔽的PP基复合材料及其制备方法来解决上述问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，由下列重量百分比的原料组成：
作为本发明进一步的方案，所述PP颗粒树脂为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯一种或两种组合物，其熔体流动速率为10-60g/10min，所述相容剂为PP-g-MAH，其接枝率为0.8-1.5％。
作为本发明进一步的方案，所述导电电磁屏蔽剂为碳纤维和石墨烯气凝胶两种的混合物，其中碳纤维是连续碳纤维或短切碳纤维中的一种，石墨烯气凝胶含量占比为4-8％。
作为本发明进一步的方案，所述发泡剂母粒为发泡剂载体将发泡剂和发泡助剂包裹在内部制备而成，其中发泡剂载体为聚乙烯、乙烯 -醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物中的一种或几种组合，发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二甲酰胺中的一种或几种组合，发泡助剂为柠檬酸、氧化锌、硬脂酸锌中的一种或几种组合。
作为本发明进一步的方案，所述发泡剂载体为聚乙烯，发泡剂为碳酸氢钠，发泡助剂为柠檬酸。
作为本发明进一步的方案，所述增韧剂为乙烯-辛烯的共聚物，密度为0.86-0.90g/cm3，其熔体流动速率为0.5-10g/10min；抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，其中主抗氧剂为1010、3114和DSTP中的一种或几种；所述的辅抗氧剂为168和618中的一种或两种。
作为本发明进一步的方案，所述润滑剂为聚乙烯蜡、EBS或者硅酮中的一种或几种；光稳定剂为PP类载体的受阻胺类光稳定剂。
一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将碳纤维和发泡剂母粒以外的各原料组分在高速混合器中混合5分钟，然后加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min,整个挤出过程的停留时间为1-2min；
步骤二，将上述步骤制备的改性聚丙烯复合材料与发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有高电磁屏蔽的PP基复合材料。
由于本发明采用如上技术方案，本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明使用碳纤维与石墨烯气凝胶复配方案，因为石墨烯气凝胶高孔隙率和高压缩性的三维网络结构，用其部分替代碳纤维提升复合材料的电磁屏蔽效能，同时改善碳纤维改性聚丙烯复合材料的浮纤问题；
2、本发明利用发泡剂母粒在注塑成型过程中产生的惰性气体，可以降低碳纤维在基体中发生缠绕打结的情况，同时可以提升碳纤维和石墨烯气凝胶在聚丙烯材料的分散性，利用碳纤维与石墨烯气凝胶之间的界面，使得电磁波多次反射并衰减，从而提升复合材料的电磁屏蔽效能。同时碳纤维增强微发泡后的基体树脂的强度，防止发生破孔问题。不需要使用高熔体强度的聚丙烯基材，增加了基材的通用性；
3、本发明制备的聚丙烯复合材料具有良好的力学性能，同时兼顾优秀的电磁屏蔽性能，可应用于5G通讯领域有高电磁屏蔽要求的产品。
综上，本发明使用碳纤维和石墨烯气凝胶复配方案，并结合微发泡工艺，保证了复合材料具有良好的力学性能，同时兼顾很高的电磁屏蔽能力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
在实施例及对比例复合材料配方中，所用的PP颗粒树脂为天津中沙公司生产的PP511MK40T和上海石化生产的M1200HS；相容剂PP-g-MAH选用宁波能之光公司生产的GMP200A，接枝率为1.0％；碳纤维为中复神鹰公司生产的连续碳纤维SYT49S或者AmosComposites 公司生产CM70CP006-PEY；石墨烯气凝胶自制；发泡剂母粒为科莱恩公司生产的产品；所用的增韧剂为陶氏公司生产的Engage 8180。抗氧剂为BASF公司生产的1010和168，混合使用时两者质量比为1:1；润滑剂为聚乙烯蜡、硅酮或EBS，光稳定剂为UV3808PP5。
本申请的实施例1，将72.9％的M1200HS、3％相容剂、4％石墨烯气凝胶、1％增韧剂、0.3％抗氧剂、0.6％润滑剂硅酮、0.2％的光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将 14％的连续碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为 250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料与4％发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有电磁屏蔽的 PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的实施例2，将66.7％的PP511MK40T、4％相容剂、6％石墨烯气凝胶、2％增韧剂、0.3％抗氧剂、0.8％润滑剂聚乙烯蜡、0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将15％短切碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为 250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料与5％发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有电磁屏蔽的 PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的实施例3，将47％的PP511MK40T、12.5％的M1200HS、5％相容剂、8％石墨烯气凝胶、3％增韧剂、0.3％抗氧剂、1.0％润滑剂EBS、 0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将17％连续碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料与6％发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有电磁屏蔽的PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的实施例4，将47％的PP511MK40T、12.5％的M1200HS、5％相容剂、5％石墨烯气凝胶、3％增韧剂、0.3％抗氧剂、1.0％润滑剂EBS、 0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将20％连续碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料与6％发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有电磁屏蔽的PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的实施例5，将45％的PP511MK40T、12.5％的M1200HS、5％相容剂、8％石墨烯气凝胶、3％增韧剂、0.3％抗氧剂、1.0％润滑剂EBS、 0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将17％连续碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料与8％发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有电磁屏蔽的PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的对比例1，将71.5％的PP511MK40T、4％相容剂、2％增韧剂、0.3％抗氧剂、1.0％润滑剂聚乙烯蜡、0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将21％短切碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料采用注塑成型方法，制备具有电磁屏蔽的 PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的对比例2，将70.7％的PP511MK40T、4％相容剂、6％石墨烯气凝胶、3％增韧剂、0.3％抗氧剂、0.8％润滑剂聚乙烯蜡、0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将15％短切碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为 250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料采用注塑成型方法，制备具有电磁屏蔽的PP基复合材料，并制备标准测试样条。
本申请的对比例3，将65.5％的PP511MK40T、4％相容剂、5％石墨烯气凝胶、3％增韧剂、0.3％抗氧剂、1.0％润滑剂聚乙烯蜡、0.2％光稳定剂在高速混合器中混合5分钟，加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将20％短切碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为 250-350r/min。将制备好的改性聚丙烯复合材料采用注塑成型方法，制备具有电磁屏蔽的PP基复合材料，并制备标准测试样条。
性能评价方式及实行标准：
拉伸性能测试：按照ISO 527标准进行，测试速度5mm/min。
缺口冲击强度测试：按照ISO 179标准进行，测试条件23℃。
浮纤测试：样板尺寸为300*100*3mm，目视观察外观情况。
屏蔽效能测试：按照MIL-DTL-83528C标准进行，样板厚度为2mm，测试频率30MHz-10GHz。
实施例1-5和对比例1-3测试数据对比
从上表的实施例1-5可以看出，PP复合材料保持了很好的力学性能，同时兼顾优秀的电磁屏蔽能力；实施例2和4与对比例1-3可以看出，用石墨烯气凝胶部分替代碳纤维提升复合材料的电磁屏蔽效能，同时改善了碳纤维改性聚丙烯材料的浮纤问题。发泡剂母粒在注塑成型过程中产生的惰性气体，可以提升碳纤维和石墨烯气凝胶在聚丙烯材料的分散性，并提升复合材料的电磁屏蔽效能。
以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，由下列重量百分比的原料组成：
PP颗粒树脂 57.2-73%
相容剂 3-5%
导电电磁屏蔽剂 18-25%
发泡剂母粒 4-8%
增韧剂 1-3%
抗氧剂 0.2-0.4%
润滑剂 0.6-1.0%
光稳定剂 0.2-0.4%。
2.按照权利要求1所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述PP颗粒树脂为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯一种或两种的混合物，其熔体流动速率为10-60g/10min，所述相容剂为PP-g-MAH，其接枝率为0.8-1.5%。
3.按照权利要求1所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述导电电磁屏蔽剂为碳纤维和石墨烯气凝胶两种的混合物，其中碳纤维是连续碳纤维或短切碳纤维中的一种，石墨烯气凝胶含量占比为4-8%。
4.按照权利要求1所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述发泡剂母粒为发泡剂载体将发泡剂和发泡助剂包裹在内部制备而成，其中发泡剂载体为聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物中的一种或几种组合，发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二甲酰胺中的一种或几种组合，发泡助剂为柠檬酸、氧化锌、硬脂酸锌中的一种或几种组合。
5.按照权利要求4所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述发泡剂载体为聚乙烯，发泡剂为碳酸氢钠，发泡助剂为柠檬酸。
6.按照权利要求1所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述增韧剂为乙烯-辛烯的共聚物，密度为0.86-0.90g/cm3，其熔体流动速率为0.5-10g/10min，抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，其中主抗氧剂为1010、3114和DSTP中的一种或几种，所述辅抗氧剂为168和618中的一种或两种。
7.按照权利要求1所述的一种用于电磁屏蔽的PP基复合材料，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡、EBS或者硅酮中的一种或几种，光稳定剂为PP类载体的受阻胺类光稳定剂。
8.一种如权利要求1-7所述任一所述用于电磁屏蔽的PP基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，将碳纤维和发泡剂母粒以外的各原料组分在高速混合器中混合5分钟；然后加入双螺杆挤出机中主喂料口，同时将碳纤维加入纤维口中，然后经过熔融挤出后冷却造粒，制成改性聚丙烯复合材料，其挤出温度为190-230℃，螺杆转速为250-350r/min,整个挤出过程的停留时间为1-2min；
步骤二，将上述步骤制备的改性聚丙烯复合材料与发泡剂母粒混合均匀，采用注塑成型方法，在二次开模条件下制备具有高电磁屏蔽的PP基复合材料。
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