聚苯硫醚复合材料的制备与性能研究.doc

电磁屏蔽聚苯硫醚复合材料的制备与性能研究摘要：本文使用粉末浸渍工艺制得连续玄武岩纤维和不锈钢纤维增强聚苯硫醚预浸料，预浸料的编织物经层压成型制备了聚苯硫醚复合材料，对复合材料的力学和电磁屏蔽性能进行了研究。结果表明：不锈钢纤维/聚苯硫醚预浸料与玄武岩纤维/聚苯硫醚预浸料层压所形成的复合材料其力学性能和电磁屏蔽性能均优于铝箔与玄武岩纤维/聚苯硫醚预浸料层压所形成的复合材料；当电磁波频率小于200MHz时，复合材料的电磁屏蔽效能较高，不锈钢纤维/聚苯硫醚预浸料中不锈钢纤维含量为30%时，复合材料的电磁屏蔽效果达到较高值，当电磁波频率在200-1500MHz范围内，材料的屏蔽效能在20-30dB间波动。关键词：聚苯硫醚，玄武岩纤维，电磁屏蔽，不锈钢纤维，编织物信息技术迅猛发展方便了人类的生活，但所产生的电磁辐射也成为了一种新型的环境污染。向周围辐射的电磁波会干扰周围其它电子设备，影响了计算机信息的安全；过多的电磁辐射会影响人们的健康和生态环境；更为重要的是在国防上，电磁信号没有得到有效屏蔽，会引起军事泄密，严重危害国防安全。因此人们对具有电磁屏蔽功能的材料进行了广泛研究1-3。聚苯硫醚具有优良的热稳定性、耐腐蚀性、自阻燃性，是热塑性聚合物基复合材料理想的基体材料。在绝缘的高分子材料中加入导电的材料，可赋予高分子材料一定的导电性能，但高分子材料的电阻值降低到一定的范围，可赋予材料电磁屏蔽效能。本文使用粉末浸渍工艺制备连续玄武岩纤维及不锈钢纤维与聚苯硫醚预浸料，分别编织形成预浸料的编织物，经层压工艺获得聚苯硫醚复合材料，在复合材料中分别引入铝箔和不锈钢纤维与聚苯硫醚的编织物作为屏蔽层，制备了具有电磁屏蔽功能的结构-功能一体化的热塑性复合材料，研究了屏蔽层的种类、纤维含量对材料力学性能及电磁屏蔽效能的影响。1 实验部分11 主要原材料PPS：PPS-hb，60目，四川得阳科技股份有限公司产品；玄武岩纤维：连续无捻粗纱，牡丹江金石玄武岩纤维公司产品；不锈钢纤维：800Tex, 直径12um，上海雅丰化工材料有限公司；铝箔：厚0.01-0.025（mm）, 上海爱邦铝箔制品有限公司产品。12 实验方法纤维增强聚苯硫醚预浸料的制备采用粉末浸渍法，玄武岩纤维无捻粗纱及不锈钢纤维由牵引装置以适当的速度牵引，经导辊进入聚苯硫醚粉末槽。纤维束在树脂槽中吸附树脂粉末后，进入加热烘道，树脂熔融并经适当的分散得到玄武岩纤维预浸料。预浸料编织而成的织物经层压工艺得到复合材料，在制备层压复合材料的过程中添加铝箔和不锈钢纤维预浸料编织物作为电磁屏蔽层，得到具有电磁屏蔽性能的聚苯硫醚复合材料。13 测试方法 弯曲性能按GB/T9341-88制样，使用GMT-4024 电子万能试验机测试；按GB/T1843-96测定缺口悬臂梁冲击强度。依据ASTM D4935-99进行薄板电磁屏蔽效能测试。2 结果与讨论2. 1 铝箔和不锈钢纤维的引入对复合材料力学和电磁屏蔽性能的影响 不同组成复合材料的弯曲性能见图1。 图1 铝箔和不锈钢纤维的引入对复合材料弯曲性能的影响图中1号样为纯的玄武岩纤维预浸料编织复合材料，2号样为引入了不锈钢纤维编织物复合材料，3号样为铝箔层压复合材料。由图可知：不锈钢纤维编织层引入使得材料的弯曲性能有一定程度的下降，而铝箔层加入后使得复合材料的的弯曲性能大幅下降，原因在于：铝箔本身的强度较差，当受到外力作用时，复合材料容易在铝箔产生层间开裂，不锈钢纤维预浸料编织物中纤维浸渍良好，本身具有较高的强度，不锈钢纤维/聚苯硫醚预浸料编织物与玄武岩纤维/聚苯硫醚预浸料编织物间可通过熔融的聚苯硫醚融为一体。不同组成复合材料对电磁波的屏蔽情况见图2。由图可知：铝箔和不锈钢纤维的引入使得复合材料的电磁屏蔽有了明显的提高，不锈钢纤维编织复合材料的电磁屏蔽性能明显优于铝箔层压复合材料的性能。当电磁波频率在200MHz以下时，复合材料的电磁屏蔽效果较好，如频率在6MHz时复合材料的屏蔽效能高达60dB；当电磁波频率在200-950MHz时，复合材料的屏蔽效能变化不图2 铝箔和不锈钢纤维层压复合材料的电磁屏蔽性能大，铝箔层压复合材料的屏蔽效能在25dB左右，不锈钢纤维编织复合材料的屏蔽效能要大于铝箔复合材料5dB左右；当电磁波频率在1GHz附近时复合材料的屏蔽效果最差，频率更高时，复合材料的屏蔽效能又有所回升。2. 2 不锈钢纤维含量对复合材料力学和电磁屏蔽性能的影响 不锈钢纤维/聚苯硫醚编织物中纤维含量对层压复合材料力学性能及电磁波屏蔽性能的影响见图3图5。图3 预浸料中不锈钢纤维含量对聚苯硫醚复合材料弯曲性能的影响图4 预浸料中不锈钢纤维含量对聚苯硫醚复合材料冲击性能的影响由图可知，不锈钢纤维预浸料编织层的加入使复合材料的弯曲强度、弯曲模量和冲击强度有所下降，随着预浸料中不锈钢纤维含量的增加，复合材料弯曲性能先上升后下降，当纤维含量为50%时复合材料的性能较大值，而冲击强度则随着纤维含量的增加而增加。图5 不同纤维含量的不锈钢纤维层压复合材料的电磁屏蔽性能不锈钢纤维预浸料编织层的引入使复合材料获得显著的电磁屏蔽功能, 30%不锈钢纤维含量的复合材料屏蔽效果较好，但复合材料的电磁屏蔽效果并没有随着预浸料中不锈钢纤维含量的增加而提高， 50%、70%不锈钢纤维含量的复合材料其电磁屏蔽效果反而不如30%纤维含量的复合材料。其原因在于：当不锈钢纤维含量达到30%时，复合材料已经具备较好的导电性能，随着纤维含量的增加，预浸料的刚性增大，编织时预浸带柔韧性下降，编织物的紧密程度有所下降，织物中预浸带间的孔洞增大，电磁波容易从这些缝隙中透过，使材料的电磁屏蔽性能下降。3 结论1）引入不锈钢纤维/聚苯硫醚预浸料编织物的玄武岩增强增强聚苯硫醚层压复合材料其力学性能及电磁屏蔽性能明显高于引入铝箔的玄武岩增强增强聚苯硫醚层压复合材料。2）当电磁波频率小于200MHz时，引入不锈钢纤维/聚苯硫醚预浸料编织物及铝箔作为屏蔽层，复合材料的电磁屏蔽效能较高，当电磁波频率200-1500MHz时，复合材料的电磁屏蔽效能在20-30dB之间波动。3）在作为屏蔽层的不锈钢纤维/聚苯硫醚编织物中，不锈钢纤维含量为30%即可获得较好的电磁屏蔽效果，高纤维含量(50%、70%)并未使其电磁屏蔽性能进一步提高。Study on preparation and property of electromagnetic shielding PPS functional Composite Yuan Guanjun1，2, Zhou Xiaodong1, Fang Li1,Hu Fuzeng2,Du Shiguo3,Lu Ai4(1 State Key Labof Chemical Eng, East China University of Sciand Tech, Shanghai 200237, China; 2 School of Materials Sciand Tech, ECUST, Shanghai 200237, China; 3 Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003，China; 4 Institute of Chemical Materials，Academy of EngPhysics of China, Mianyang 621900, China)Abstract: The prepreg of continuous basalt fiber and SSF reinforced PPS was prepared by using powder impregnation process. We manufactured PPS composite by the process of compression molding and investigated the mechanical properties and electromagnetic shielding effectiveness of the composite. It was found that the mechanical properties and electromagnetic shielding effectiveness of the SSF composite was superior to AF composite, shielding effectiveness of SSF composite was excellent at low frequency and fluctuated in the interzone of 20-30dB from the frequency of 200 MHz to1500MHz.Keywords：Poly(phenylene sulfide); basalt fiber; electromagnetic shielding; SSF; knitted fabrics参考文献1 罗刘军，熊国宣，邓敏，郑淑芳有电磁屏蔽功能的水泥基复合材料J混凝土2009，238（8）：50-522 K. B. Cheng, S. Ramakrishna, K. C. LeeElectromagnetic shielding effectivene