一种具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制作方法

本发明涉及聚合物复合材料领域，具体为一种具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，随着科技的快速发展，电子、电器和通讯设备在人们生活中的地位逐步提高，但它们在使用过程中产生的电磁辐射，不仅影响电子设备的正常工作，对人体健康也存在着隐患，同时还可能引起电磁污染、电磁干扰、电磁波泄密等问题。因此，防止电磁辐射成为当务之急，使用电磁屏蔽材料是其中最有效的手段之一。因此，发展电磁屏蔽材料降低电磁污染在军事与民用领域都具有重要意义。

常用的电磁屏蔽材料包括金属材料、磁性材料、导电高分子复合材料等。随着电子设备向便携式方向发展，电磁屏蔽材料在具备高屏蔽性能的同时也需要具有轻质等特点。而传统的金属材料和磁性材料由于比重较大已不能满足当前电磁屏蔽材料的使用需求，与之相比，导电高分子复合材料由于具有轻质、耐腐蚀、易加工、可二次成型等优点，在电磁屏蔽领域具有更加广阔的应用前景[Shen B,et al.ACS applied materials&interfaces,2016,8(12):8050-8057]。添加导电填料是实现导电高分子复合材料电磁屏蔽功能的主要手段。通过改变导电填料在聚合物基体中的含量及分散形态可调控复合材料的电磁屏蔽效能[Chen Y,et al.Advanced Functional Materials,2016,26(3):447-455]。然而，实现复合材料在特定波段对电磁波进行选择性屏蔽的研究目前还鲜有报道。

因此，针对当前电磁屏蔽材料轻质化以及部分通讯设备或电器需要在特定波段屏蔽电磁波的应用需求，开发具有选择性电磁屏蔽功能的轻质屏蔽材料具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种复合材料，是由尼龙6和碳纤维混合搅拌并模压形成的。

本发明所提供的复合材料具有选择性电磁屏蔽功能，使得电磁屏蔽材料轻质化及具有选择性屏蔽特性。

另外本发明还提供了所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置6～10min；

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在80～120℃、10～15MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；之后在1～5MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到复合材料。

本发明提供的上述制备方法工艺简单，易于实现工业化生产。复合粒子在模压成型过程中，长时间的低温定型过程有效的限制了碳纤维向基体内部的扩散，实现了碳纤维在尼龙6粒子表面的均匀包覆，最终获得具有隔离结构且电导率可控的尼龙6/碳纤维复合材料。

进一步，本发明提供了上述复合材料以及上述复合材料的制备方法制备获得的复合材料作为在特定频段范围内选择性屏蔽电磁波的电磁屏蔽材料的用途。

发明人发现采用不同参数或型号(性能、规格或大小)的碳纤维与尼龙6混合搅拌并模压，在合理质量百分比的范围内，复合材料能够在特定频段范围内表现出选择性电磁屏蔽特性。而且在该质量百分比的范围内，随着碳纤维含量的增加，其电磁屏蔽峰值向低频方向移动并逐渐增大，当碳纤维含量增加到一定程度时(位于合理质量百分比范围外)，此种特性消失。当然，所属技术领域的技术人员应该认识到：采用不同参数或型号的碳纤维，复合材料具有特性的质量百分比范围可能一样、也可能不一样，特性消失时的碳纤维含量也可能一样、也可能不一样。而且，本领域技术人员应该认识到该选择性电磁屏蔽特性是由碳纤维决定的，尼龙6起基体作用，仅决定复合材料的力学性能及其他除选择性电磁屏蔽特性外的性能。当然，发明人也并不排除其他材料与碳纤维在合理的质量百分比范围内也具备选择性电磁屏蔽的特性。

基于实际试验条件的限制，发明人不可能穷尽所有市售的碳纤维来对上述用途进行完全验证。基于目前发明试验发现，采用两种参数或型号的碳纤维与尼龙6混合搅拌并模压形成的复合材料，在合理的质量百分比范围内，其特定频段范围为11GHz～12.4GHz频段。发明人基于此认为，无论采用何种参数或型号的碳纤维，在适宜质量百分比范围内形成的复合材料也始终在11GHz～12.4GHz频段范围内可以表现出选择性屏蔽特性，且该适宜质量百分比范围是可以通过有限试验获得的。

上述提及的两种参数或型号的碳纤维的规格分别是直径为7μm、长度为100μm、密度为1.76g/cm³，直径为7μm，长度为700μm，密度为1.76g/cm³。而且试验证明：在合理的质量百分比范围内采用上述两种规格的碳纤维形成的复合材料可作为在11GHz～12.4GHz频段范围内选择性屏蔽电磁波的电磁屏蔽材料。由于试验时，发明人不可能穷尽小数点后面无穷位数，因此选择性电磁屏蔽特性消失时具体碳纤维的质量百分比含量是多少，发明人无法精确确定。但是可以确定的是，前述的合理的质量百分比范围可以是：尼龙6含量在91.48～94.32vol％之间，碳纤维含量在0.28～5.68vol％之间。本领域技术人员在更加精密试验时，前述的合理的质量百分比范围更宽，但是肯定包含前述提及的范围。为了验证确实碳纤维含量增加到一定程度时特性消失，当碳纤维含量增加到8.52vol％时，此种特性确实消失。

进一步，本发明提供了一种尼龙6，所述尼龙6的熔融指数为12～25g/min，拉伸强度和模量分别为65～90MPa和1600～2100MPa。

采用本发明所述方法获得的复合材料包括两种组分：碳纤维和尼龙6。碳纤维作为导电相提供电性能以及选择性电磁屏蔽性能，尼龙6作为基体材料提供力学强度。本发明的优点主要体现在以下几个方面：

1)本发明使用的导电填料碳纤维来源丰富，而且相比于纳米导电填料价格低廉，基体尼龙6粒子为市售原料，简单易得，容易实现大批量生产。

2)本发明直接利用简单的高速机械混合即可实现碳纤维在基体尼龙6粒子表面的均匀包覆，之后再用常规的模压成型即可获得具有一定电性能以及选择性电磁屏蔽特性的复合材料。制备工艺简单，易于掌握，且无需用到任何高能设备(超声波生化仪、球磨机等)和有毒溶剂，绿色环保。因此，本发明极易实施，成本低廉。

3)本发明中碳纤维选择性分布于尼龙6粒子的表面形成隔离导电网络，使得复合材料具有了选择性电磁屏蔽特性；随着碳纤维含量的增加，碳纤维间距减小，导电网络逐步完善，复合材料的选择性屏蔽特性逐渐消失。此外，本方法所制备的复合材料与通过常规熔融共混方法制备的尼龙6复合材料相比具有更低的导电逾渗值。本发明的尼龙6/碳纤维复合材料具有一定的电性能和选择性电磁屏蔽特性，有广阔的应用前景，有望在电子电器封装、特殊建筑装饰(如屏蔽暗室、医院CT室)等领域获得广泛应用。

附图说明

图1左图为具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料扫描电子显微镜图片，其中碳纤维含量为4.55vol％。由图可见，碳纤维在尼龙6粒子界面处相互搭接形成良好的导电网络。中间图是左图的局部放大图，右图是中间图的局部放大图。

图2为具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的光学显微镜图片，碳纤维含量为4.55vol％。由图可见，黑色部分为碳纤维形成的导电网络。该图说明了本发明所述复合材料中碳纤维选择性分布在PA6粒子界面处形成导电网络，当然在本发明保护范围内的其他实施方式也具备该特征。

图3为由不同尺寸碳纤维制备的具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料在X波段的电磁屏蔽效能曲线图(图a为直径7μm，长度100μm的碳纤维所制备的复合材料在X波段的电磁屏蔽效能曲线图，图b为直径7μm，长度700μm的碳纤维所制备的复合材料在X波段的电磁屏蔽效能曲线图)。由图可见，该材料在11GHz～12.4GHz频率范围内表现出选择性屏蔽特性，屏蔽值最高可达35dB左右，随着碳纤维含量的增加，电磁屏蔽峰值向低频方向移动并且逐渐增大。当增加到8.52vol％时，此种特性消失。

具体实施方式

其中实施例一至实施例五所采用的碳纤维直径为7μm，长度为100μm，密度为1.76g/cm³，购自南京维达复合材料有效公司，型号wd-200。实施例六所采用的碳纤维直径为7μm，长度为700μm，密度为1.76g/cm³，购自南京维达复合材料有效公司，型号wd-50。实施例一至实施例六所采用的尼龙6购自日本宇部，型号1013B。

实施例一：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比2.27：97.73在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置6min。所述尼龙6的熔融指数为12g/min，拉伸强度和模量分别为60MPa和1600MPa。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在80℃、10MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在1MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。

实施例二：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比2.84：97.16在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置7min。所述尼龙6的熔融指数为15g/min，拉伸强度和模量分别为70MPa和1800MPa。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在90℃、11MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在2MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。

实施例三：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比4.55：95.45在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置8min。所述尼龙6的熔融指数为18g/min，拉伸强度和模量分别为80MPa和2000MPa。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在100℃、12MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在3MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。

实施例四：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比5.68：94.32在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置9min。所述尼龙6的熔融指数为20g/min，拉伸强度和模量分别为85MPa和2050MPa。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在110℃、13MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在4MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。

实施例五：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：所述尼龙6的熔融指数为25g/min，拉伸强度和模量分别为90MPa和2100MPa。

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比8.52：91.48在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置10min。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在120℃、15MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在5MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。

表1

表1为实施例一至实施例五的具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的电导率测试结果。从表中可以看出，随着碳纤维含量的增加，复合材料的电导率随之升高。

实施例六：

具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：所述尼龙6的熔融指数为25g/min，拉伸强度和模量分别为90MPa和2100MPa。

(1)尼龙6/碳纤维复合粒子的制备：将80℃下干燥后的碳纤维与尼龙6粒子按照体积比2.27：97.73至8.52：91.48(参见图3中b)在24000r/min的高速混合机中混合5min，在机械力作用下实现碳纤维在尼龙6表面的均匀包覆，得到尼龙6/碳纤维复合粒子，静置10min。

(2)模压成型：将步骤(1)所制备的尼龙6/碳纤维复合粒子在120℃、15MPa下预压2h；然后在225℃下预热15min；接着在5MPa下热压8min；最后冷压至室温，得到具有选择性电磁屏蔽功能的尼龙6/碳纤维复合材料。