一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子设备的数字化、高频化发展趋势，环境中干扰信号的能量密度逐渐增大，生存环境发生前所未有的恶化，严重影响社会进程与人类生存和生态环境的协调与可持续发展。另一方面随着高分子材料的快速发展以及塑料成型技术的不断完善，工程塑料以其质轻、价廉等优点大量代替了金属应用于电子和通信设备，但工程塑料对电磁波几乎是“透明的”，不具备电磁波的屏蔽功能。如果我国的电子产品不采取电磁屏蔽措施，取得 EMI/FRI 合格证，将严重影响其进入国际市场，进而影响国民经济的可持续发展。因此，我国迫切需要进行自主研究和开发电磁波屏蔽材料，并尽快形成电磁屏蔽材料产业。重视和加强电磁屏蔽材料的应用基础研究，是关乎国民经济及其可持续发展的重要课题。

另外在军品方面，许多场合需要屏蔽电子信号，起到保护的作用，也需要电磁屏蔽，单纯的环氧碳纤维复合材料还无法达到完全屏蔽的效果，因此需要对碳纤维复合材料进行屏蔽。

现有填充型电磁屏蔽材料大多采用金属颗粒或纤维作为填料，导致屏蔽材料的密度较大，不符合屏蔽材料质轻、价廉的发展趋势。同时，也有以石墨、炭黑、碳纳米管等低密度材料作为导电填料的相关研究，但是与金属填料相比，存在导电性不足，较难满足高屏蔽性能要求的问题。因此，寻求可行、可靠的改性技术和理论指导，改善和提高电磁屏蔽材料中起主导作用的填料的综合性能显得尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料及其制备方法，可在填料添加量较少的情况下满足高电磁屏蔽性能要求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 20-30份；

热塑性预浸料 60-90份；

抗氧剂 0.3-0.7份；

润滑剂 0.2-0.5份；

增韧剂 1-2份。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述改性预处理是对碳纤维进行氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成涂层。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述氧化处理为硝酸氧化处理。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述热塑性预浸料为PEKK热塑性预浸料。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂1010中的至少一种。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述润滑剂为聚乙烯蜡润滑剂或乙烯丙烯酸共聚物类润滑剂。

进一步地，如上所述具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料中，所述增韧剂为马来酸酐接枝ABS。

一种如上述碳纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将60-90重量份热塑性树脂、0.3-0.7重量份抗氧剂、0.2-0.5重量份润滑剂、1-2重量份增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

本发明的有益效果是：

本发明方法的操作简单，

1、本发明在碳纤维表面电镀镍层的基础上制备出碳纤维复合材料，电磁屏蔽性能得到提高，可在填料添加量较少的情况下满足高电磁屏蔽性能要求，具有明显的进步。

2、本发明改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理，改性预处理是对碳纤维进行氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成涂层，该涂层能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用，将两者牢固地连接在一起。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的相关具体实施例如下：

实施例1

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 25份；

PEKK热塑性预浸料 76份；

抗氧剂168 0.5份；

聚乙烯蜡润滑剂 0.3份；

马来酸酐接枝ABS 1.5份。

本实施例中，改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。改性预处理是对碳纤维进行硝酸氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用的涂层。金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层，镍层厚度为0.6um。

本实施例中，碳纤维增强复合材料的制备方法包括如下步骤：

1）将干燥好的热塑性树脂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，螺杆1~6区温度分别为170~210℃，210~250℃，250~290℃，290~330℃，320~350℃，350~380℃，机头为370~390℃。熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股直径10um的连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

实施例2

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 20份；

PEKK热塑性预浸料 90份；

抗氧剂168 0.2份；

聚乙烯蜡润滑剂 0.5份；

马来酸酐接枝ABS 1份。

本实施例中，改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。改性预处理是对碳纤维进行硝酸氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用的涂层。金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层，镍层厚度为0.6um。

本实施例中，碳纤维增强复合材料的制备方法包括如下步骤：

1）将干燥好的热塑性树脂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，螺杆1~6区温度分别为170~210℃，210~250℃，250~290℃，290~330℃，320~350℃，350~380℃，机头为370~390℃。熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股直径10um的连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

实施例3

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 23份；

PEKK热塑性预浸料 80份；

抗氧剂264 0.4份；

聚乙烯蜡润滑剂 0.5份；

马来酸酐接枝ABS 1.4份。

本实施例中，改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。改性预处理是对碳纤维进行硝酸氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用的涂层。金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层，镍层厚度为0.6um。

本实施例中，碳纤维增强复合材料的制备方法包括如下步骤：

1）将干燥好的热塑性树脂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，螺杆1~6区温度分别为170~210℃，210~250℃，250~290℃，290~330℃，320~350℃，350~380℃，机头为370~390℃。熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股直径10um的连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

实施例4

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 27份；

PEKK热塑性预浸料 69份；

抗氧剂300 0.5份；

乙烯丙烯酸共聚物类润滑剂 0.3份；

马来酸酐接枝ABS 1.2份。

本实施例中，改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。改性预处理是对碳纤维进行硝酸氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用的涂层。金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层，镍层厚度为0.6um。

本实施例中，碳纤维增强复合材料的制备方法包括如下步骤：

1）将干燥好的热塑性树脂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，螺杆1~6区温度分别为170~210℃，210~250℃，250~290℃，290~330℃，320~350℃，350~380℃，机头为370~390℃。熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股直径10um的连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

实施例5

一种具有电磁屏蔽功能的碳纤维增强复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

改性连续碳纤维 30份；

PEKK热塑性预浸料 60份；

抗氧剂168 0.7份；

乙烯丙烯酸共聚物类润滑剂 0.2份；

马来酸酐接枝ABS 1份。

本实施例中，改性连续碳纤维的碳纤维表面先经改性预处理，再经金属化改性处理。改性预处理是对碳纤维进行硝酸氧化处理后，再对其浸渍硅烷偶联剂涂层液，使其表面形成能够在碳纤维、镀层之间起到化学媒介作用的涂层。金属化改性处理是通过电镀在碳纤维表面沉积金属镍层，镍层厚度为0.6um。

本实施例中，碳纤维增强复合材料的制备方法包括如下步骤：

1）将干燥好的热塑性树脂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂在高速混合机中进行混合得到混合物；

2）将步骤1）所得混合物加入双螺杆挤出机充分熔融混合，螺杆1~6区温度分别为170~210℃，210~250℃，250~290℃，290~330℃，320~350℃，350~380℃，机头为370~390℃。熔体由双螺杆挤出机导入浸渍槽；多股直径10um的连续碳纤维通过长纤维入口通道成股进入改性槽，连续碳纤维在改性槽中经改性预处理和金属化改性处理后，再进入浸渍槽，纤维在浸渍槽中被树脂熔体充分浸渍，并经过热处理消除内应力；

3）经过浸渍和热处理的碳纤维增强复合材料经牵引机引出，得到碳纤维增强复合材料。

实施例1-5所制备的复合材料，切纤维长度为2~4 mm作为样品，发现在1.0~1.5GHz频率范围内，纤维的填充量为25%，性能如下表：

表1

由上面的数据可知，加入少量的连续纤维就可以得到具有较好电磁屏蔽效果的材料，因此本发明具有成本优势；同时本发明选用的连续纤维对复合材料的力学性能有一定的增强作用。与现有技术相比，可在填料添加量较少的情况下满足高电磁屏蔽性能要求，具有明显的进步。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。