方 鲲1 白树林2 高校维1 郭志山1
(1.北京纳盛通新材料科技有限公司,北京 100035; 2.北京大学工学院,北京 100871)
摘要 制备了不锈钢纤维(SSF)填充(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(A BS)导电工程塑料,研究了材料的屏蔽效能、网络结构、物理力学性能及加工性能。结果表明,SSF长径比和接触面积越大,搭接与分散越好,可获得越高的导电性能和屏蔽效能。随着SSF添加量的增加,材料的屏蔽效能显著提高,但其加工性能及冲击强度降低。
关键词 不锈钢纤维 (丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物 电磁干扰 屏蔽效能
抗电磁(波)干扰(E M I/RFI)用的导电塑料具有良好的导电性能和衰减电磁波性能,在较宽频率范围内具有很好的电磁屏蔽作用,并且具有轻质、耐腐蚀、易成型加工等特点,可作为屏蔽材料使用,在家电、通讯、防爆器材、军工、航空航天、医疗器材等领域具有十分重要的应用价值和广阔市场[1-2]。
导电塑料通常为复合型导电高分子材料,它由导电填料与高分子材料组成,根据导电填料的不同可分为抗静电剂系导电塑料、金属系(各种金属粉末、纤维、片材等)导电塑料、碳系(炭黑、石墨等)导电塑料等;也可以根据制品电阻值的不同分为抗静电型导电塑料、消除静电型导电塑料、E M I/RFI型导电塑料。其中,E M I/RFI用的金属纤维填充工程塑料是目前最重要和应用领域最广泛的导电塑料品种之一。
目前,国内外对金属纤维填充工程塑料的研究大多使用(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物、聚碳酸酯、聚酰胺等及其合金为基体,而导电填料多采用铝合金纤维、铜纤维、不锈钢纤维(SSF)等。SSF具有优良的导电性能和加工性能,尤其是在高温加工过程中不易产生表面氧化,无需进行繁杂的去氧化层和实施表面防护处理;且由冷拉拔技术生产的SSF 直径小,对塑料基体的性能如成型收缩率、拉伸强度、弯曲弹性模量等的影响较小。此外,SSF不仅对聚合物的外观颜色、力学性能、加工性能等的影响非常轻微,而且达到相同的屏蔽效能所需的添加量较少[3]。
在国外,比利时贝尔卡特公司、美国GE公司(LNP公司)、美国RTP公司、美国W ilson微纤公司、日本大噻璐塑料工业公司、荷兰DS M公司等都已有多种金属纤维填充型导电工程塑料生产,其应用非常广泛。而国内对这类导电工程塑料只有研究报道,还没有工业化生产,也未见到电磁兼容导电工程塑料制品的应用。在此笔者制备了SSF填充ABS (ABS/SSF)导电工程塑料,并研究了其屏蔽效能、网络结构、物理力学性能及加工性能。
1 实验部分
1.1 主要原料
SSF:316L,直径10~13 m,湖南惠同新材料有限公司;
ABS:CB1230(耐热级),上海普利特复合材料有限公司;
(乙烯/丙烯酸酯)共聚物:美国杜邦公司;
十溴联苯醚、三氧化二锑:美国大湖公司;
硅烷偶联剂:KH-560、KH-570,市售。
1.2 设备及仪器
单螺杆挤出机:SJ-30型,南京杰恩特机电设备有限公司;
注塑机:HTB110X/1型,宁波海天塑料机械有限公司;
缺口制样机:XQZ-1型,承德精密试验机有限公司;
冲击试验机:XJC-25ZD型,承德精密试验机有限公司;
电子拉力机:4045型,深圳市新三思检测仪器有限公司;
数字微欧电阻测量计:S W-2型,10-3~103 ,苏州无线电二厂;
数字万用电表测量计:DT-830型,102~106 ,日本NEC公司;
表面电阻测试仪:385型,103~1012 ,日本VAST公司;
H e w lett Packard远场屏蔽效能测试仪:东南大学电子工程系E MC研究室;
收稿日期:2006 12 20
16工程塑料应用2007年,第35卷,第3期扫描电子显微镜(SE M):520型,日本日立公司。
1.3 试样制备
在自制改装单螺杆挤出机上,通过特殊设计的V型胶道口模,调节牵引速率和控制十溴联苯醚、硅烷偶联剂、SSF等添加量,加入ABS熔融共挤出造粒,用切粒机切成8~11mm长的ABS/SSF粒料。用注塑机制成标准试样。
1.4 性能测试
拉伸性能按ISO527-1993(E)测试,拉伸速率50mm/m in;
弯曲性能按ISO178-1993(E)测试,弯曲速率2mm/m i m;
悬臂梁缺口冲击强度按I SO180-1993(E)测试,环境温度23 ,试样厚度3.21mm,摆锤能量1 J;
热变形温度按ISO75-1993(E)测试,试样厚度6.4mm,负荷1.85MPa,升温速率10 /m i n;
表面电阻率与体积电阻率按AST M D257-92测试[4];
试样形貌用SE M观察。
2 结果与讨论
2.1 屏蔽效能
影响ABS/SSF材料屏蔽效能的主要因素是SSF含量、SSF之间的相互搭接程度与分散性。经北京工业大学国家教委新型功能材料重点实验室采用传输线法兰同轴法对ABS/SSF材料进行标准制样和测试(频率范围30~1500MH z),按(1)式[5-6]计算屏蔽效能:
SE=20lg(P0/P1)(1)式中:SE屏蔽效能,dB;
P0无屏蔽材料时的接收功率,W;
P1有屏蔽材料时的接收功率,W。
表1列出不同SSF含量时ABS/SSF材料的导电性能与屏蔽效能。
表1 ABS/SSF材料的导电性能与屏蔽效能
项 目
SSF质量分数/% 0103050
表面电阻率/ 1!10151281.63251.3752.79体积电阻率/ ∀c m1!1012967.14168.2526.40屏蔽效能/dB030~5055~75
~85由表1可以看出,SSF质量分数越大,ABS/SSF 的表面电阻率和体积电阻率越低,屏蔽效能越高, E
M I/RFI能力越强。因此,从材料表面电阻率和体积电阻率大小可预测其屏蔽效能的高低。ABS/SSF 的屏蔽效能还可根据具体使用要求,通过对SSF含量与加工工艺等进行设计及对结构与性能的控制来调节。
2.2 三维导电网络结构
理论研究表明,ABS/SSF可形成图1所示的三维导电网络结构。SSF长径比和接触面积越大,相互之间搭接与分散越好,则越易形成三维网络结构。导电阈值(渗滤阈值)越低,电荷迁移形成导电通路越容易,从而可获得越高的导电性能和E M I/RFI性能[7-8]。
图1 ABS/SSF的三维导电网络结构示意图
图2为ABS/SSF试样的平面和断口SE M照片。
(a) (b)
a平面;b断口
图2 ABS/SSF试样的平面和断口SEM照片
从图2可以看出,试样平面和断口具有由长短尺寸不同的SSF组成的三维导电网络结构。实验中可通过设计与控制长短SSF的长径比,使纤维接触面积增大,长短纤维搭接与分散更好,三维导电网络结构分布更均匀,以印证三维导电网络结构的设计与控制是影响金属纤维填充型导电工程塑料获得较高的导电性能和屏蔽效能的重要因素[9]。
2.3 物理力学性能与加工性能
表2列出ABS/SSF材料的物理力学性能和加工性能。
由表2可见,SSF的加入量对ABS/SSF的物理力学性能、加工性能都有显著影响。这是因为SSF 很容易填充到ABS中,而且在较低填充量下就有很好的屏蔽效果。SSF填充量较低(#10%)时,材料的物理力学性能、加工性能都没有显著变化;但是SSF填充量较高(∃30%)时,材料的上述性能则有
17
方鲲,等:不锈钢纤维填充ABS的制备与性能研究表2 ABS/SSF材料的物理力学性能和加工性能
项 目
SSF质量分数/% 0103050
密度/g∀c m-3 1.131.371.652.73
拉伸强度/M Pa53.087.290.8127.4
断裂伸长率/%60.074.386.492.1
弯曲强度/M Pa87.683.965.357.6弯曲弹性模量/M Pa2250247333704185
缺口冲击强度/kJ∀m-2NB978167
冲击强度/kJ∀m-259473021
热变形温度/ 102115123133
成型收缩率/%1.31.20.90.7加工性能易易较难难
自然颜色本色本色浅灰深灰
显著变化[10]。随着SSF含量的提高,材料的加工性能和冲击强度降低。
由于SSF与ABS基体的表面能差异较大,不容易在基体中分散均匀,所以改善SSF的表面性能,并优化复合工艺成为制备导电工程塑料的技术关键。理论和实验研究表明[11],通过使用偶联剂对SSF进行表面处理,可改善其在树脂基体中的分散性与均匀性,从而提高复合材料的力学性能和加工性能。本实验利用偶联剂对SSF进行表面改性,可明显改善SSF与ABS基体的%湿润&状态,使复合材料的缺口冲击强度提高,并改善流动性。所用偶联剂在分子结构上具有如下特点:一端为亲油性基团,另一端为亲水性基团,亲水性基团可与SSF表面作用,而亲油性基团则可与ABS基体亲合。在SSF用量相同情况下,经表面处理后,材料的电阻率会下降1~3个数量级,但缺口冲击强度可提高30%~35%。
3 结语
ABS/SSF导电工程塑料具有优良的导电性能和屏蔽效能,且加工性能及物理力学性能好,是一类很有发展前途的轻质高分子屏蔽材料。选择合适加工设备与正确加工方法对SSF填充型导电工程塑料的力学性能和屏蔽效能提高具有十分重要的作用。这种填充型导电工程塑料在E M I/RFI领域具有广泛的用途。目前急需要解决的问题有:(1)降低SSF 填充量,增加分散性与取向性,设计与控制三维导电网络结构;(2)提高SSF的力学性能和导电、导磁性能;(3)研究与开发专用生产设备,降低材料制备与加工成本;(4)改善成型工艺技术和制品外观。
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STUDY ON PREPARATION AND PROPERTIES OF STA I NLESS STEEL FIBER FI LLED ABS
F ang K un1,Ba i Shu li n2,
G ao X i aow ei1,G uo Zhishan1
(1.B eiji ng NST A dvan ced M at eri als Co.Ltd.,B eiji ng 100085,Ch i na; 2.C ollege of Eng i neeri ng,Pek i ng Un i versity,100871 Beiji ng,Ch i n a) AB STRACT Sta i n l ess steel fi ber fill ed ABS(ABS/SSF)conductive plasti cs is prepa red.T he shieldi ng effecti veness(SE), net wo rk structure,m echan i ca l properties and processing properti es o f t he conducti ve plastics are stud ied.T he results show t hat t he l ar ger slenderness rati o and contact area of SSF,the m ore un ifor m l y SS joins and d i sperses,and the conductive plastics can ge t h i ghe r conduc ti v ity and i nterference sh i e l d i ng.T he i nte rference s h ieldi ng i ncreases ma rked l y wh ile the processi ng and i m pact strength de crease w it h t he i ncreasi ng of SSF con tent.
K EY W ORDS sta i nless steel fi ber,A BS,e l ectromagneti c i n terfere,i nte rference shielding
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