[发明专利]一种具有电磁屏蔽功能的长碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种长纤维增强尼龙复合材料，尤其涉及一种基于长碳纤维增强的、具有电磁屏蔽功能的尼龙复合材料及其制备方法；本发明属于复合材料加工制备领域。本发明所制备尼龙复合材料即具有较高力学性能、又拥有全频段电磁波屏蔽功能，适用于电子电气领域的结构及零部件制造。

背景技术：

聚酰胺（PA）俗称尼龙，含有极性的酰胺基团，能够形成氢键。尼龙树脂具有优异的机械性能、耐热性、电绝缘性等，在工业中应用广泛。但同时尼龙也具有尺寸稳定性差、高吸水性等缺点，在某些对机械性能要求很高的应用领域，纯尼龙树脂无法满足其性能要求。纤维增强尼龙复合材料可以很好的改善尼龙的缺点并提高其力学性能和热变形温度，成为近年来尼龙类树脂增强改性技术的重点研发方向。

尽管传统的短切纤维增强尼龙类树脂取得了良好的增强效果，但在短纤维增强尼龙过程中，纤维在挤出机中与树脂混炼时，由于螺杆与机筒之间的剪切，纤维会受到很大的损伤，粒料中纤维长度只能维持在0.2～1mm，所得制品中纤维残留长度更短。而近年来迅速发展起来的长纤维增强技术显示了巨大的优越性，通常利用连续长纤维增强的尼龙复合材料中，纤维保留长度较长（约在5～10mm），且纤维的各向同性好，可以更大程度的提高制品的力学性能，且材料的耐疲劳性和制品的尺寸稳定性更佳。如质量分数30%的短玻璃纤维增强尼龙6，拉伸强度160MPa，弯曲强度230MPa，而相同条件下质量分数30%的长玻璃纤维增强尼龙6，拉伸强度可以达到190MPa，弯曲强度260MPa。与短纤维增强复合材料相比，正是由于纤维保留长度的增加使得长纤维增强热塑性树脂基复合材料表现出更高的力学性能。中国专利CN102010590A、CN103013099A采用熔融浸渍法，对低粘度尼龙进行长玻璃纤维增强，得到具有优异力学性能的增强材料。中国专利CN1775515A先对低粘度尼龙66进行长玻纤、长碳纤增强造粒，然后对造粒后切片在一定条件下进行固相缩聚提高粘度、性能，实现较好的增强效果。

某些特定的领域对于尼龙材料的具有特殊的性能要求，因此对于尼龙的功能化改性具有重要意义。随着电子电气行业的高速发展，电磁干扰已成为一种新的社会公害，对于具有电磁屏蔽功能的尼龙材料的开发也引起了重视。中国专利CN102888091A将合金粉末加入尼龙中，制备具有电磁屏蔽功能的导电尼龙材料，虽然其电磁屏蔽功能优异，但单一加入金属粉末使得尼龙的力学性能下降，远远不能满足某些领域的要求，并且金属粉末易从基体中脱落，极大影响其使用性能；中国专利CN102344674A以玻璃纤维、导电石墨为主要填料，通过成盐反应制备电磁屏蔽尼龙6，但工艺复杂且难以控制。

碳纤维具有较好的导电性，且具有优异的力学性能，因此填充改性尼龙制备具有电磁屏蔽功能尼龙复合材料成为碳纤维新的应用方向。美国专利US7022265通过加入碳纤维、石墨、氧化锌晶须、芳纶纤维、热塑性多酚制备具有电磁屏蔽功能增强尼龙，中国专利CN101717577A通过加入碳纤维、导电石墨、金属纤维三种导电材料制备电磁屏蔽尼龙66，中国专利CN102690514A通过加入碳纤维制备电磁屏蔽尼龙610复合材料，但均采用传统的挤出造粒工艺制备，加工过程中对于纤维的损伤较大，纤维保留长度较短，不仅不能最大化实现增强效果，复合材料导电性能也相对较差，对其电磁屏蔽功能也有一定影响，从而限制了其在结构性材料中的应用。

发明内容

虽然已公开发明中通过加入各种导电填充物实现电磁屏蔽功能，但填充物的添加必然导致复合材料力学性能的下降，因此本发明采用连续长碳纤维增强技术来增强尼龙类树脂，同时通过配方设计添加其它填料和助剂，开发出长纤维增强技术与熔融共混改性集成化制备技术。本发明的目的将有效克服现有技术上的缺陷，不但使所制备的尼龙基复合材料具备优异的全频段电磁屏蔽功能、同时也拥有长纤维增强材料所特有的高机械强度和优异的长期使用性能。

一种具有电磁屏蔽功能的长碳纤维增强尼龙复合材料，利用通用双螺杆挤出机及与其机头直接连接的经特殊设计的浸渍模具，形成一种一体化生产模式。其加工过程如下：将尼龙树脂，合金粉末以及各种助剂混合，该混合物经过双螺杆挤出机熔融共混后，熔体直接进入特殊设计的模具。同时将经表面处理过的碳纤维丝束在张力作用下，通过三组主动导丝辊和两组静止导丝辊强制性浸渍在模具内的熔体中，浸渍过的纤维丝束从模具中牵引出冷却并切粒，得到纤维长度为10±0.2mm的长条形切粒。

本发明所涉及的电磁屏蔽机理：