不锈钢纤维abs复合材料的制备与性能研究

不锈钢纤维abs复合材料的制备与性能研究

随着电子工业和塑料工业的发展，各种电子仪器设备的应用越来越多。其中大部分采用漂亮、轻薄、易加工制成的塑料作为外壳，但塑料外壳对磁干的干扰没有屏蔽。因此，如何对塑料外壳进行电磁分析被引起了国内外研究部门和生产部门的高度重视。由金属纤维填充聚合物制成导电复合材料是赋予材料屏蔽电磁波干扰的有效方法之一。由拉拔技术生产的不锈钢纤维具有直径小、不易氧化等优点。用这种不锈钢纤维填充聚合物时,所需纤维含量低、复合材料的导电性和电磁屏蔽效果好。但由于不锈钢纤维与聚合物基体的表面性能差异较大,纤维不容易在基体中分散均匀;所以如何改善金属纤维的表面性能,并优化复合工艺成为制备这类复合材料的关键。1材料、试剂和试药原材料PP:F401粉料,MFR为2.3g/10min,广州石化公司产品;ABS:PA-757,MFR为1.5g/10min,台湾奇美实业公司产品;不锈钢纤维(SSF):316L,Φ8μm,国产;有机硅偶联剂:A-187,美国OSI公司产品;钛酸酯偶联剂(TM200s):扬子石化公司产品;其它为化学纯试剂。试样的制备和性能测试方法照文献进行。电磁屏蔽效果的测量采用同轴传输线体系装置,测量频率范围为300KHz～1500MHz。2结果与讨论2.1表面张力和力学性能对纤维进行表面处理是制备纤维复合材料的重要工序。我们知道,通过使用偶联剂处理玻璃纤维或炭纤维,可以使纤维和树脂实现良好的界面粘结,能有效地防止水和其它介质的侵蚀,从而提高复合材料的力学性能[5.6]。对于金属纤维/聚合物导电性复合材料,能否通过对金属纤维进行表面处理,从而达到改善纤维在基体中的分散,提高复合材料的导电性能和力学性能的目的呢?我们用不锈钢片作不锈钢纤维的模拟物,水和乙二醇作测试液,用Kyowa接触角计测定了经不同表面处理的不锈钢片和聚合物薄膜的接触角,然后根据Girifaco-Good-Forkes法计算了它们的表面张力。测试的不锈钢片和聚合物的接触角及计算的表面张力(γs)及色散分量(γds)和极性分量(γps)分别列于Tab.1和Tab.2。一般而言,金属属于高表面能物质。正因为如此,金属表面极易吸附水分或油污等杂质,导致表面能急剧下降。从Tab.1中可看出,未处理的不锈钢与水及乙二醇的接触角都较大,表面张力很低。经不同表面处理剂处理后,与水和乙二醇的接触角降低,表面张力升高。通常低表面能聚合物容易在高表面能的金属上铺展;且金属的表面能越大,聚合物对金属的浸润性越好。从表中可看到,不锈钢经不同偶联剂处理后,表面张力有所增加,有可能提高聚合物对不锈钢纤维的浸润能力。Tab.3列出了经不同表面处理剂处理不锈钢纤维后与PP复合材料的导电性能和力学性能。对照Tab.1中γs和Tab.3中体积电阻率数据看,不锈钢纤维经表面处理剂处理后,随γs增加,电阻率依次增加。表明提高金属纤维的表面张力(即增加聚合物对金属纤维的浸润性),增加了纤维间的接触电阻,导致复合材料的电阻率增加,导电性下降。从复合材料的力学性能看,不锈钢纤维经不同表面处理剂处理后,复合材料的冲击强度、弯曲强度和弯曲模量都变化不大,且无明显的变化规律。这是因为要提高金属纤维/聚合物复合材料的力学性能,除了聚合物必须对金属纤维要有良好的浸润外,在金属纤维与聚合物基体之间还要有较强的界面粘结。2.2混料加工和体积电阻率制备金属纤维填充聚合物复合材料,一般是将金属纤维与聚合物基体在挤出机或混炼机中混合、塑化,然后经造粒机造粒,再将粒料用注塑机注塑成型而得。混料可采用单螺杆机、双螺杆机或流变仪进行。Tab.4列出了几种混料方法和加工条件,以及所得复合材料的体积电阻率。从表中数据看,用单螺杆机和双螺杆机混料所得复合材料的体积电阻率都较大。这是因为用单螺杆机混料时,由于混料时间短,螺杆转速慢,混炼后纤维虽有较大长径比,但由于纤维分散不均匀,所以材料的体积电阻率较大。而用双螺杆机混炼时,由于螺杆转速快,螺杆对纤维的剪切作用大,纤维容易破损,导致长径比下降,材料的体积电阻率大。而用流变仪混料时,由于螺杆转速和混料时间可调,可以使纤维有一定长径比而且分散较均匀,得到的复合材料体积电阻率较低。2.3聚合物复合材料的分散与审查用于屏蔽电磁波干扰的不锈钢纤维/聚合物导电复合材料,其导电能力和屏蔽效果取决于不锈钢纤维的长径比和在聚合物基体的分散程度。对于直径细且柔软的不锈钢纤维,由于其表面性能与聚合物基体不同,纤维不容易与基体混合均匀。过度的混炼将使纤维破碎,降低了纤维的长径比而使导电性下降。所以保持纤维在成型后的复合材料制品中仍有较大的长径比,并提高纤维在聚合物基体中的分散,成为制备这类材料的关键。母料法是解决这一问题行之有效的方法。该方法是将长金属纤维与树脂制成纤维含量高的母料,成型时再与其它树脂混合,这样就可避免一般混炼法那样容易将纤维折断,由于纤维长,在低填充量的情况下就可以得到较好的屏蔽效果。Tab.5是采用母料法所制得的复合材料的性能,与Tab.4相比,在相同纤维含量下,SSF/PP复合材料的体积电阻率要低2个数量级,SSF/ABS复合材料的体积电阻率要低5个数量级。可见母料法对改善纤维在基体中的分散,提高金属纤维/聚合物复合材料的导电性是极为有利的。Fig.1是将不锈钢纤维用上述母料法制成母料片后,再与树脂基体混炼所得到的复合材料的屏蔽效果。从图上看,2vol%SSF/PP复合材料的屏蔽效果在100～1500MHz范围内为30～40dB,而2vol%SSF/ABS复合材料的屏蔽效果在20～30dB之间。按(1)式计算则有99%～