隨著科學技術的發展和城市人口的迅速增長,汽車、電子、通信、計算機及電氣設備等大量進入家庭,生產和生活中的電子電氣設施越來越多,造成的電磁波輻射正以每年7%~14%的速度遞增,電磁波引起的電磁干擾(EMI)問題日益嚴重。

因此,如何減少電磁輻射強度,防止電磁輻射污染,保護環境,保護人體健康,已經急迫地提到議事日程。電磁屏蔽材料的研發已成為人們關注的重要課題。金屬材料是理想的防電磁波輻射的材料,也是目前應用較為廣泛的電磁屏蔽材料。新型電磁屏蔽材料的研究正向著高屏蔽效率、低密度的方向發展,用大量塑料代替金屬材料成為現代材料的發展趨勢。碳纖維強度高、質量輕,并且具有較高的導電性能,可直接用于制備輕質屏蔽材料,但其導電性不及相應的金屬材料。鍍金屬碳纖維不僅具有碳纖維的高強度,而且有類似金屬的導電性,是現代高性能屏蔽材料的理想添加體。

本研究組前期曾采用溶液混料法制備了Ni-CF/ABS電磁屏蔽材料,在30~1200MHz頻率范圍內,其電磁屏蔽效能達到83dB[8]。但是溶液混料法步驟繁瑣,只局限于實驗室內研究使用,較難應用于實際生產。本文中研究采用單螺桿擠出工藝連接自動造粒設備制備Ni-CF/ABS電磁屏蔽復合材料。該工藝制備成本較低,能實現規模自動化生產,可以彌補國內迫切需求的工藝簡單、價格適中、電磁屏蔽效能優良的碳纖維復合材料的空缺。

本文作者首先對碳纖維表面金屬化,然后采用單螺桿擠出工藝制備Ni-CF/ABS復合材料,并對復合材料的力學性能和電磁屏蔽性能的影響因素進行研究,為設計高性能碳纖維電磁屏蔽材料提供依據。實驗結果顯示,Ni-CF/ABS復合材料具有優良的力學性能和突出的電磁屏蔽性能,是一種具有很好發展前景的電磁屏蔽材料。

1 實驗部分

1.1 原材料

實驗用碳纖維為吉林碳素廠提供的T300型碳纖維,密度為1.75g/cm3,直徑為6~8μm,每絲束纖維含12000根單絲;電鍍用試劑為分析純,由天津江天化工技術有限公司提供;ABS由北京燕山石化有限公司提供;鈦酸酯由安徽泰昌化工有限公司提供。

1.2 碳纖維的電鍍與表面處理

將硫酸鎳、硼酸等化學試劑按照一定比例配制成溶液,在適當溫度下對碳纖維進行電鍍。將電鍍好的鍍鎳碳纖維(Ni-CF)用大量清水反復沖洗,干燥后進行表面處理;之后將Ni-CF放入混和溶液中浸泡30min,烘干。

1.3 復合材料制備

將各種添加劑以一定比例與ABS充分混合。采用單螺桿擠出法將混合后的ABS包覆在Ni-CF表面。單螺桿擠出法即將混和好的ABS粒料從主料口加入,Ni-CF從側加料口加入,擠出溫度220~260℃,包覆好的原料從出料口擠出。將包覆好的原料切成長度適當的粒料,然后將粒料注塑成型加工成標準試樣。復合材料中碳纖維的質量分數(Wf)分別為9%、12%、15%,復合材料樣品厚度為2mm。

1.4 性能測試

采用SEM對碳纖維電鍍前后的形貌進行觀察;采用光學顯微鏡對材料鍍層厚度進行觀察;彎曲性能參照GB/T9341-2000,采用CSS-44001電子萬能試驗機測試;電磁屏蔽效能參照QJ2809-96,由中國計量科學研究院測定。測試環境條件:溫度為22.5℃;濕度為45%(RH);測試頻率范圍為30~1200MHz。

2 結果與分析

2.1 碳纖維連續電鍍鎳生產工藝研究

本研究首先對碳纖維進行表面電鍍鎳處理,電鍍鎳工藝采用自行研制的連續電鍍生產設備。圖1為收集的電鍍后碳纖維宏觀照片。從圖1可以看出,M電鍍后的碳纖維表面呈銀白色,有金屬光澤。電鍍生產設備的裝置示意圖如圖2所示。