本發(fā)明涉及聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，電子、電器和通訊設(shè)備在人們生活中的地位逐步提高，但它們?cè)谑褂眠^(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射，不僅影響電子設(shè)備的正常工作，對(duì)人體健康也存在著隱患，同時(shí)還可能引起電磁污染、電磁干擾、電磁波泄密等問(wèn)題。因此，防止電磁輻射成為當(dāng)務(wù)之急，使用電磁屏蔽材料是其中最有效的手段之一。因此，發(fā)展電磁屏蔽材料降低電磁污染在軍事與民用領(lǐng)域都具有重要意義。

常用的電磁屏蔽材料包括金屬材料、磁性材料、導(dǎo)電高分子復(fù)合材料等。隨著電子設(shè)備向便攜式方向發(fā)展，電磁屏蔽材料在具備高屏蔽性能的同時(shí)也需要具有輕質(zhì)等特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的金屬材料和磁性材料由于比重較大已不能滿足當(dāng)前電磁屏蔽材料的使用需求，與之相比，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料由于具有輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工、可二次成型等優(yōu)點(diǎn)，在電磁屏蔽領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景[Shen B,et al.ACS applied materials&interfaces,2016,8(12):8050-8057]。添加導(dǎo)電填料是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料電磁屏蔽功能的主要手段。通過(guò)改變導(dǎo)電填料在聚合物基體中的含量及分散形態(tài)可調(diào)控復(fù)合材料的電磁屏蔽效能[Chen Y,et al.Advanced Functional Materials,2016,26(3):447-455]。然而，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在特定波段對(duì)電磁波進(jìn)行選擇性屏蔽的研究目前還鮮有報(bào)道。

因此，針對(duì)當(dāng)前電磁屏蔽材料輕質(zhì)化以及部分通訊設(shè)備或電器需要在特定波段屏蔽電磁波的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)具有選擇性電磁屏蔽功能的輕質(zhì)屏蔽材料具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種復(fù)合材料，是由尼龍6和碳纖維混合攪拌并模壓形成的。

本發(fā)明所提供的復(fù)合材料具有選擇性電磁屏蔽功能，使得電磁屏蔽材料輕質(zhì)化及具有選擇性屏蔽特性。

另外本發(fā)明還提供了所述復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置6～10min；

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在80～120℃、10～15MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；之后在1～5MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到復(fù)合材料。

本發(fā)明提供的上述制備方法工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。復(fù)合粒子在模壓成型過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間的低溫定型過(guò)程有效的限制了碳纖維向基體內(nèi)部的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了碳纖維在尼龍6粒子表面的均勻包覆，最終獲得具有隔離結(jié)構(gòu)且電導(dǎo)率可控的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

進(jìn)一步，本發(fā)明提供了上述復(fù)合材料以及上述復(fù)合材料的制備方法制備獲得的復(fù)合材料作為在特定頻段范圍內(nèi)選擇性屏蔽電磁波的電磁屏蔽材料的用途。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用不同參數(shù)或型號(hào)(性能、規(guī)格或大小)的碳纖維與尼龍6混合攪拌并模壓，在合理質(zhì)量百分比的范圍內(nèi)，復(fù)合材料能夠在特定頻段范圍內(nèi)表現(xiàn)出選擇性電磁屏蔽特性。而且在該質(zhì)量百分比的范圍內(nèi)，隨著碳纖維含量的增加，其電磁屏蔽峰值向低頻方向移動(dòng)并逐漸增大，當(dāng)碳纖維含量增加到一定程度時(shí)(位于合理質(zhì)量百分比范圍外)，此種特性消失。當(dāng)然，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到：采用不同參數(shù)或型號(hào)的碳纖維，復(fù)合材料具有特性的質(zhì)量百分比范圍可能一樣、也可能不一樣，特性消失時(shí)的碳纖維含量也可能一樣、也可能不一樣。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到該選擇性電磁屏蔽特性是由碳纖維決定的，尼龍6起基體作用，僅決定復(fù)合材料的力學(xué)性能及其他除選擇性電磁屏蔽特性外的性能。當(dāng)然，發(fā)明人也并不排除其他材料與碳纖維在合理的質(zhì)量百分比范圍內(nèi)也具備選擇性電磁屏蔽的特性。

基于實(shí)際試驗(yàn)條件的限制，發(fā)明人不可能窮盡所有市售的碳纖維來(lái)對(duì)上述用途進(jìn)行完全驗(yàn)證。基于目前發(fā)明試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用兩種參數(shù)或型號(hào)的碳纖維與尼龍6混合攪拌并模壓形成的復(fù)合材料，在合理的質(zhì)量百分比范圍內(nèi)，其特定頻段范圍為11GHz～12.4GHz頻段。發(fā)明人基于此認(rèn)為，無(wú)論采用何種參數(shù)或型號(hào)的碳纖維，在適宜質(zhì)量百分比范圍內(nèi)形成的復(fù)合材料也始終在11GHz～12.4GHz頻段范圍內(nèi)可以表現(xiàn)出選擇性屏蔽特性，且該適宜質(zhì)量百分比范圍是可以通過(guò)有限試驗(yàn)獲得的。

上述提及的兩種參數(shù)或型號(hào)的碳纖維的規(guī)格分別是直徑為7μm、長(zhǎng)度為100μm、密度為1.76g/cm³，直徑為7μm，長(zhǎng)度為700μm，密度為1.76g/cm³。而且試驗(yàn)證明：在合理的質(zhì)量百分比范圍內(nèi)采用上述兩種規(guī)格的碳纖維形成的復(fù)合材料可作為在11GHz～12.4GHz頻段范圍內(nèi)選擇性屏蔽電磁波的電磁屏蔽材料。由于試驗(yàn)時(shí)，發(fā)明人不可能窮盡小數(shù)點(diǎn)后面無(wú)窮位數(shù)，因此選擇性電磁屏蔽特性消失時(shí)具體碳纖維的質(zhì)量百分比含量是多少，發(fā)明人無(wú)法精確確定。但是可以確定的是，前述的合理的質(zhì)量百分比范圍可以是：尼龍6含量在91.48～94.32vol％之間，碳纖維含量在0.28～5.68vol％之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員在更加精密試驗(yàn)時(shí)，前述的合理的質(zhì)量百分比范圍更寬，但是肯定包含前述提及的范圍。為了驗(yàn)證確實(shí)碳纖維含量增加到一定程度時(shí)特性消失，當(dāng)碳纖維含量增加到8.52vol％時(shí)，此種特性確實(shí)消失。

進(jìn)一步，本發(fā)明提供了一種尼龍6，所述尼龍6的熔融指數(shù)為12～25g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為65～90MPa和1600～2100MPa。

采用本發(fā)明所述方法獲得的復(fù)合材料包括兩種組分：碳纖維和尼龍6。碳纖維作為導(dǎo)電相提供電性能以及選擇性電磁屏蔽性能，尼龍6作為基體材料提供力學(xué)強(qiáng)度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)本發(fā)明使用的導(dǎo)電填料碳纖維來(lái)源豐富，而且相比于納米導(dǎo)電填料價(jià)格低廉，基體尼龍6粒子為市售原料，簡(jiǎn)單易得，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

2)本發(fā)明直接利用簡(jiǎn)單的高速機(jī)械混合即可實(shí)現(xiàn)碳纖維在基體尼龍6粒子表面的均勻包覆，之后再用常規(guī)的模壓成型即可獲得具有一定電性能以及選擇性電磁屏蔽特性的復(fù)合材料。制備工藝簡(jiǎn)單，易于掌握，且無(wú)需用到任何高能設(shè)備(超聲波生化儀、球磨機(jī)等)和有毒溶劑，綠色環(huán)保。因此，本發(fā)明極易實(shí)施，成本低廉。

3)本發(fā)明中碳纖維選擇性分布于尼龍6粒子的表面形成隔離導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得復(fù)合材料具有了選擇性電磁屏蔽特性；隨著碳纖維含量的增加，碳纖維間距減小，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐步完善，復(fù)合材料的選擇性屏蔽特性逐漸消失。此外，本方法所制備的復(fù)合材料與通過(guò)常規(guī)熔融共混方法制備的尼龍6復(fù)合材料相比具有更低的導(dǎo)電逾滲值。本發(fā)明的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料具有一定的電性能和選擇性電磁屏蔽特性，有廣闊的應(yīng)用前景，有望在電子電器封裝、特殊建筑裝飾(如屏蔽暗室、醫(yī)院CT室)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1左圖為具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料掃描電子顯微鏡圖片，其中碳纖維含量為4.55vol％。由圖可見(jiàn)，碳纖維在尼龍6粒子界面處相互搭接形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。中間圖是左圖的局部放大圖，右圖是中間圖的局部放大圖。

圖2為具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的光學(xué)顯微鏡圖片，碳纖維含量為4.55vol％。由圖可見(jiàn)，黑色部分為碳纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該圖說(shuō)明了本發(fā)明所述復(fù)合材料中碳纖維選擇性分布在PA6粒子界面處形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的其他實(shí)施方式也具備該特征。

圖3為由不同尺寸碳纖維制備的具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料在X波段的電磁屏蔽效能曲線圖(圖a為直徑7μm，長(zhǎng)度100μm的碳纖維所制備的復(fù)合材料在X波段的電磁屏蔽效能曲線圖，圖b為直徑7μm，長(zhǎng)度700μm的碳纖維所制備的復(fù)合材料在X波段的電磁屏蔽效能曲線圖)。由圖可見(jiàn)，該材料在11GHz～12.4GHz頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出選擇性屏蔽特性，屏蔽值最高可達(dá)35dB左右，隨著碳纖維含量的增加，電磁屏蔽峰值向低頻方向移動(dòng)并且逐漸增大。當(dāng)增加到8.52vol％時(shí)，此種特性消失。

具體實(shí)施方式

其中實(shí)施例一至實(shí)施例五所采用的碳纖維直徑為7μm，長(zhǎng)度為100μm，密度為1.76g/cm³，購(gòu)自南京維達(dá)復(fù)合材料有效公司，型號(hào)wd-200。實(shí)施例六所采用的碳纖維直徑為7μm，長(zhǎng)度為700μm，密度為1.76g/cm³，購(gòu)自南京維達(dá)復(fù)合材料有效公司，型號(hào)wd-50。實(shí)施例一至實(shí)施例六所采用的尼龍6購(gòu)自日本宇部，型號(hào)1013B。

實(shí)施例一：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比2.27：97.73在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置6min。所述尼龍6的熔融指數(shù)為12g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為60MPa和1600MPa。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在80℃、10MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在1MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

實(shí)施例二：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比2.84：97.16在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置7min。所述尼龍6的熔融指數(shù)為15g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為70MPa和1800MPa。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在90℃、11MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在2MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

實(shí)施例三：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比4.55：95.45在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置8min。所述尼龍6的熔融指數(shù)為18g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為80MPa和2000MPa。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在100℃、12MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在3MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

實(shí)施例四：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比5.68：94.32在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置9min。所述尼龍6的熔融指數(shù)為20g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為85MPa和2050MPa。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在110℃、13MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在4MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

實(shí)施例五：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：所述尼龍6的熔融指數(shù)為25g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為90MPa和2100MPa。

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比8.52：91.48在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置10min。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在120℃、15MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在5MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。

表1

表1為實(shí)施例一至實(shí)施例五的具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨之升高。

實(shí)施例六：

具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：所述尼龍6的熔融指數(shù)為25g/min，拉伸強(qiáng)度和模量分別為90MPa和2100MPa。

(1)尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子的制備：將80℃下干燥后的碳纖維與尼龍6粒子按照體積比2.27：97.73至8.52：91.48(參見(jiàn)圖3中b)在24000r/min的高速混合機(jī)中混合5min，在機(jī)械力作用下實(shí)現(xiàn)碳纖維在尼龍6表面的均勻包覆，得到尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子，靜置10min。

(2)模壓成型：將步驟(1)所制備的尼龍6/碳纖維復(fù)合粒子在120℃、15MPa下預(yù)壓2h；然后在225℃下預(yù)熱15min；接著在5MPa下熱壓8min；最后冷壓至室溫，得到具有選擇性電磁屏蔽功能的尼龍6/碳纖維復(fù)合材料。