王睿1,萬怡灶1,何芳1,羅紅林1,蔡文廷2,王燕2,劉玉欣2
(1.天津大學復合材料研究所,天津300072;2.天津市飛榮達科技有限公司,天津300384)
摘要：為了提高碳纖維鍍鎳工藝的生產效率以及對填充復合型電磁屏蔽材料的開發(fā),使用自行研發(fā)的碳纖維(CF)連續(xù)電鍍鎳生產設備生產鍍鎳碳纖維(Ni-CF),并制備了鍍鎳碳纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)復合材料(Ni-CF/ABS),研究了偶聯劑對復合材料力學性能的影響,以及纖維金屬化及纖維含量對復合材料電磁屏蔽性能的影響。結果表明,偶聯劑使復合材料具有更好的力學性能,拉伸和彎曲強度分別達到41MPa和61.4MPa。纖維質量分數為12%時,復合材料達到最佳的電磁屏蔽效能。
關鍵詞：碳纖維;電鍍;復合材料;力學性能;電磁屏蔽
中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A
文章編號：1000-3851(2010)05-0019-05
隨著科學技術的發(fā)展和城市人口的迅速增長,汽車、電子、通信、計算機及電氣設備等大量進入家庭,生產和生活中的電子電氣設施越來越多,造成的電磁波輻射正以每年7%~14%的速度遞增,電磁波引起的電磁干擾(EMI)問題日益嚴重。
因此,如何減少電磁輻射強度,防止電磁輻射污染,保護環(huán)境,保護人體健康,已經急迫地提到議事日程。電磁屏蔽材料的研發(fā)已成為人們關注的重要課題。金屬材料是理想的防電磁波輻射的材料,也是目前應用較為廣泛的電磁屏蔽材料。新型電磁屏蔽材料的研究正向著高屏蔽效率、低密度的方向發(fā)展,用大量塑料代替金屬材料成為現代材料的發(fā)展趨勢。碳纖維強度高、質量輕,并且具有較高的導電性能,可直接用于制備輕質屏蔽材料,但其導電性不及相應的金屬材料。鍍金屬碳纖維不僅具有碳纖維的高強度,而且有類似金屬的導電性,是現代高性能屏蔽材料的理想添加體。
本研究組前期曾采用溶液混料法制備了Ni-CF/ABS電磁屏蔽材料,在30~1200MHz頻率范圍內,其電磁屏蔽效能達到83dB。但是溶液混料法步驟繁瑣,只局限于實驗室內研究使用,較難應用于實際生產。本文中研究采用單螺桿擠出工藝連接自動造粒設備制備Ni-CF/ABS電磁屏蔽復合材料。該工藝制備成本較低,能實現規(guī)模自動化生產,可以彌補國內迫切需求的工藝簡單、價格適中、電磁屏蔽效能優(yōu)良的碳纖維復合材料的空缺。
本文作者首先對碳纖維表面金屬化,然后采用單螺桿擠出工藝制備Ni-CF/ABS復合材料,并對復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能的影響因素進行研究,為設計高性能碳纖維電磁屏蔽材料提供依據。實驗結果顯示,Ni-CF/ABS復合材料具有優(yōu)良的力學性能和突出的電磁屏蔽性能,是一種具有很好發(fā)展前景的電磁屏蔽材料。
1 實驗部分
1.1 原材料
實驗用碳纖維為吉林碳素廠提供的T300型碳纖維,密度為1.75g/cm3,直徑為6~8μm,每絲束纖維含12000根單絲;電鍍用試劑為分析純,由天津江天化工技術有限公司提供;ABS由北京燕山石化有限公司提供;鈦酸酯由安徽泰昌化工有限公司提供。
1.2 碳纖維的電鍍與表面處理
將硫酸鎳、硼酸等化學試劑按照一定比例配制成溶液,在適當溫度下對碳纖維進行電鍍。將電鍍好的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)用大量清水反復沖洗,干燥后進行表面處理;之后將Ni-CF放入混和溶液中浸泡30min,烘干。
1.3 復合材料制備
將各種添加劑以一定比例與ABS充分混合。采用單螺桿擠出法將混合后的ABS包覆在Ni-CF表面。單螺桿擠出法即將混和好的ABS粒料從主料口加入,Ni-CF從側加料口加入,擠出溫度220~260℃,包覆好的原料從出料口擠出。將包覆好的原料切成長度適當的粒料,然后將粒料注塑成型加工成標準試樣。復合材料中碳纖維的質量分數(Wf)分別為9%、12%、15%,復合材料樣品厚度為2mm。
1.4 性能測試
采用SEM對碳纖維電鍍前后的形貌進行觀察;采用光學顯微鏡對材料鍍層厚度進行觀察;彎曲性能參照GB/T9341-2000,采用CSS-44001電子萬能試驗機測試;電磁屏蔽效能參照QJ2809-96,由中國計量科學研究院測定。測試環(huán)境條件:溫度為22.5℃;濕度為45%(RH);測試頻率范圍為30~1200MHz。
2 結果與分析
2.1 碳纖維連續(xù)電鍍鎳生產工藝研究
本研究首先對碳纖維進行表面電鍍鎳處理,電鍍鎳工藝采用自行研制的連續(xù)電鍍生產設備。圖1為收集的電鍍后碳纖維宏觀照片。從圖1可以看出,M電鍍后的碳纖維表面呈銀白色,有金屬光澤。電鍍生產設備的裝置示意圖如圖2所示。
2.2 電鍍前后碳纖維形貌
圖3為碳纖維電鍍前后的SEM照片。對比圖3(a)和3(b)可知,電鍍后碳纖維表面鍍鎳層均勻、連續(xù),同時鍍鎳層表面粗糙,有利于提高碳纖維與ABS之間的界面結合。圖4為鍍鎳碳纖維鑲嵌試樣的橫截面光學顯微鏡照片。鍍層厚度均勻,經過尺寸標定計算鍍層厚度約為1.5μm。
