金属纤维_聚合物导电复合材料的性能研究
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图2和图3给出了铜纤维和不锈钢纤维与不同基体 复合所得复合材料的弯曲强度与纤维含量的关 系。从图 中可以看出, 用不锈钢纤维填充 ABS 和 PP 基体时, 随 纤维含量增加, 弯曲强度开始有所增加, 然 后 下 降。造 成这种现象的原因可能是: 直径细的不锈钢纤维在其含 量较低且均匀分散于基体中时, 可充当增强组份使复合 材料弯曲强度增加; 但当含量较高时, 由于分散不好而 缺陷增多使复合材料的力学性能下降。用这种不 锈 钢纤 维 填充 H IPS 时, 在测量范围内, 弯曲强度比纯 H IPS 有 所增加, 说明适量的不锈钢纤维对热塑性基体有一定的
致纤维的长径比下降, 使复合材料的导电性变差, 弯曲 强 度 降 低。但 材 料 的 冲 击 强 度 随 混 炼 时 间 增 加 而 升 高, 可能是随混炼时间增加, 纤维被基体浸润更 充 分 所 致。 从图4 和图5 可看出, 当混炼时间为 2m in 时, 纤维 长 度 在 2～ 5mm 之 间, 大 量 纤 维 未 能 分 散 开, 呈 团 束 状; 混炼时间超过 8 m in 后, 尽管纤维在树脂基体中分 散较好, 但大部分纤维被折断到 1mm 以下, 使导电性 变 差, 只有当混炼时间在 2～ 6m in 之间时, 纤维既有较 好的分散, 又有较大的长径比, 材料的导电性能和力学 性 能 都 较 好。为 了 在 短 时 间 内 使 金 属 纤 维 达 到 较 好 的 分 散并保持较大的长径比, 采用母料法工艺可以达到较佳 的 效 果。
表1 混炼时间对不锈钢纤维 PP 导电复合材料性能的影响
T ab le 1 Effects of m ix ing tim e on SSF PP com po sites p rop erties
混炼时间 2
4
6
8 10 10 (纯 PP)
m in
体积电阻率
8 cm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1416 018
116
118 3713
将一小块共混料于25吨平扳硫化机上压成薄片 (温 度 为2 0 0 ℃, 压力为9 18M Pa ) , 然后在显微镜下测量纤 维的长度, 并拍照。
3 结果与讨论
311 金属纤维填充量对复合材料导电性能的影响 图1是金属纤维含量与复合材料体积电阻率的关
系, 对于由切削法得到的铜纤维填充 ABS, 由于直径 大, 长径比小, 需要较大的填充量 ( 9vo l% 以上) 才能 使复合材料电阻率产生突降; 但用直径较细的不锈钢纤 维填充 AB S 和 H IPS , 在 4vo l% 以 上 就 可 以 使 材 料 的 体 积 电 阻 率 从 1 015 8 cm 突 降 到 1 04 8 cm 以 下, 显 示 出 纤 维长径比对导电复合材料渗滤过程的控制作用。当 用同 种不锈钢纤维填充结晶性的 PP 基体时, 临界填充量在 1vo l% 左右, 这可能是金属纤维受 PP 结晶的影响, 而在 非 晶 区 富 集 较 多 的 缘 故。Fow ler[5] 用 PAN 基 碳 纤 维 填 充 尼 龙26 6 和 聚 碳 酸 酯 时 也 发 现 在 相 同 填 充 量 下 结 晶 性尼龙26 6 比无定型聚碳酸酯的电阻率要低得多。 312 金属纤维填充量对导电复合材料力学性能影响
T an Song t ing Zhang M ingqiu Rong M inzh i Zeng H anm in L i B aoen (M a teria ls Science In st itu te, Zhong shan U n iversity,
L abo ra to ry of Po lym er Com po site and Funct iona l M a teria ls, Sta te Educa t iona l Comm ission of Ch ina)
金 属 纤 维 聚 合 物 导 电 复 合 材 料 的 性 能 研 究
金属纤维 聚合物导电复合材料的性能研究
Study o n P rop e rt ie s o f M e ta l F ib re F illed Po lym e r Com po site s
谭松庭 章明秋 容敏智 曾汉民 黎宝恩 (中山大学材料科学研究所, 聚合物复合材料及功能材料教育部开放研究实验室)
为了防止电磁波辐射造成的干扰与泄漏, 通常在塑 料壳体上涂敷导电涂料或将导电填料直接分散在树脂 中制成导电复合材料[1～ 2] , 国内对导电复合材料的研究 大多采用切削法生产的铜纤维或钢纤维作导电填料, 这 类金属纤维由于直径较大 ( 2 0～ 5 0 Λm ) , 须要较大的填 充量 ( 6～ 1 2 vo l% 或3 0～ 5 0w t % ) 才有一定的导电能 力, 如此高填充量的金属纤维, 不仅使塑料制品失去轻 质的 特 点, 而 且 使 复 合 材 料 的 力 学 性 能 大 幅 度 下
·16·
增强作用。而直径较粗的铜纤维, 由于长 径 比 小, 对 材 料没有增强作用; 并且这种纤维可能成为复合材料中的 应力集中点, 使材料的弯曲强度有较大幅度下降。
图1 金属纤维含量与材料体积电阻率的关系 F ig11 R elation sh ip betw een resistivity of
[ Abstract ] E lect rica l conduct ive com po sites w ere fab rica ted u sing AB S , H IPS and PP a s m a t rix resin s filled w ith Cu fib re and sta in less steel fib re 1T he effect s of m eta l fib re con ten t s and com pound ing cond it ion s on elect rica l and m echan ica l p rop ert ies in the elct rica l conduct ive com po s2 ites have been stud ied 1T he resu lt s ind ica te tha t the key to p rep a re elect rica l conduct ive com po s2 ites w ith sup erio r p rop ert ies is h igher L D ra t io of m eta l fib res and w ell2d isp ersion of the fib res in m a t rix 1 Keywords m eta l fib re po lym er elect roconduct ive com po sites
1 前言
由聚合物基体加工制成的电子仪器外壳具有良好 的 外观、质轻、易加工成型等优点, 已获得了广泛应用。 但不导电的塑料外壳对电磁波干扰毫无屏蔽作用, 而电 磁 干扰 ( E lectrom agn tic In terference ) 已成为一种新的社 会公害。一些经济发达国家对这一问题都非 常 重 视, 并 制订了抗电磁干扰法规, 如美国的 FCC 法, 德国的 VD E 法等; 对大多数电子仪器产品规定, 必须达到相应的标 准 才 允 许 进 入 市 场。
图3 铜纤维含量与材料弯曲强度的关系 F ig13 R elation sh ip betw een flexu ral streng th
and vo lum e p ercen t of copp er fib res
313 加工工艺条件对导电复合材料性能的影响 对于直径较粗的铜纤维, 由于不容易破碎, 只要采
319×1014
弯曲强度 33196 36157 40157 34189 33170
M Pa
37178
冲击强度
kJ m 2
5116 5161 6142 6167 10188
11184
从 表 1 可 看 出, 混 炼 时 间 太 短 ( 2m in ) 和 太 长 ( 1 0m in ) , 材料的体积电阻率都较高; 这 是 因 为 混 炼 时 间太短, 纤维还没有分散开, 纤维束之间不能达到充分 接触, 影响了导电性; 材料的力学性能 ( 弯曲强度和冲 击强度) 都较低。而混炼时间太长或螺杆转速太快, 导
将树脂和一定比例的金属纤维于 B rabender 转矩流 变仪中混炼, 然后在平扳硫化机上加热加压 成 试 样 片。 工艺条件如下:
PP , AB S 和 H IPS 双 辊 混 炼 及 压 片 温 度 分 别 为 1 9 0 ～ 2 0 0 ℃, 2 0 0～ 2 2 0 ℃, 和2 0 0～ 2 2 0 ℃; 螺杆转速为3 2
[ 摘要 ] 以铜纤维和不锈钢纤维为导电填料, 分别填充 AB S、H IPS 和 PP 树脂基体, 制得导电复合材 料。研究了金属纤维含量及工艺条件对复合材料的导电性能和力学性能的影响。结果表明, 选 择 合 适 的 工 艺 条件以保证金属纤维有较大的长径比并在树脂中有良好的分散状态, 是制造性能优良的导电复合材料的关 键。 关键词 金属纤维 聚合物 导电复合材料
将 测 完 电 学 性 能 的 试 样 片 裁 成 5 个 4 5mm × 8mm × 3 15mm 的试样条, 室温下用 LW K 25 型微控拉力机测定 试 样 的 弯 曲 强 度 和 弯 曲 模 量, 速 率 5mm m in , 跨 距 为 5 0mm 。
另压一片试样同上裁成5个试样条, 用摆锤式冲击 试验机测量简支梁冲击强度, 试样跨距为4 0mm 。 21313 纤维长径比的测量
降[3～ 4]。所以, 选择性能优良的导电填料, 并优化制备工 艺以降低填料的填充量已成为制备导电复合材料的关 键。
2 实验部分
211 主要原材料 AB S: PA 27 5 7 , 熔 体 流 动 速 率 (M FR ) 为 1 15g
1 0m in ; H IPS: PH 28 8H , M FR 为1 15g 1 0m in ; PP : M FR 为 2 13g 1 0m in ; 黄铜短纤维 (CuF ) : 直径3 0～ 8 0 Λm , 长 度 3 ～ 8mm ; 不 锈 钢 长 纤 维 ( SSF ) : 3 1 6L , 0 0C r 1 7Fe 6 6N i1 2 , 直径8 Λm , 使用时剪成5～ 8mm 。 212 试样制备
金 属 纤 维 聚 合 物 导 电 复 合 材 料 的 性 能 研 究
用相对较长的时间混炼均匀即可, 加工条件对材料的电 学性能和力学性能影响较小。而对于直径细的不 锈 钢纤 维, 因为在混炼过程中很容易折断, 加工工艺条件 (混 炼时间、 螺杆转速) 对材料的性能影响较 大。通 常 提 高 螺杆转速和延长混炼时间有助于填料分散均匀, 但会降 低 纤 维 的 长 径 比, 使 复 合 材 料 的 导 电 性 下 降。表 1 是 在 不 锈钢纤维含量 2 vo l% , 混炼温度 1 9 0～ 2 0 0 ℃, 螺杆 转 速 2 0 r m in 时, 经 不 同 混 炼 时 间 后 不 锈 钢 纤 维 PP 复 合 材 料 的 电 学 性 能 和 力 学 性 能 比 较。
com po sites and vo lum e p ercen t of m etal fib res
图2 不锈钢纤维含量与材料弯曲强度的关系 F ig12 R elation sh ip betw een flexu ral streng th and
vo lum e p ercen t of stain less steel fib res
·15·
材料工程 1998年12期
r m in ; 混炼时间为1 0m in。 213 性能测试 21311 体积电阻率的测试
当 试 样 电 阻 ≥ 1 06 8 时, 采 用 ZC 24 3 型 超 高 阻 计 测 量; 当试样电阻在1 0 0～ 1 06 8 之间时, 采用 D T 28 3 0 型数 字 式万用表测量; 当试样电阻< 1 0 0 8 时, 用 SW 22 型数 字 微 欧 计 测 量。 21312 力学性能测试
致纤维的长径比下降, 使复合材料的导电性变差, 弯曲 强 度 降 低。但 材 料 的 冲 击 强 度 随 混 炼 时 间 增 加 而 升 高, 可能是随混炼时间增加, 纤维被基体浸润更 充 分 所 致。 从图4 和图5 可看出, 当混炼时间为 2m in 时, 纤维 长 度 在 2～ 5mm 之 间, 大 量 纤 维 未 能 分 散 开, 呈 团 束 状; 混炼时间超过 8 m in 后, 尽管纤维在树脂基体中分 散较好, 但大部分纤维被折断到 1mm 以下, 使导电性 变 差, 只有当混炼时间在 2～ 6m in 之间时, 纤维既有较 好的分散, 又有较大的长径比, 材料的导电性能和力学 性 能 都 较 好。为 了 在 短 时 间 内 使 金 属 纤 维 达 到 较 好 的 分 散并保持较大的长径比, 采用母料法工艺可以达到较佳 的 效 果。
表1 混炼时间对不锈钢纤维 PP 导电复合材料性能的影响
T ab le 1 Effects of m ix ing tim e on SSF PP com po sites p rop erties
混炼时间 2
4
6
8 10 10 (纯 PP)
m in
体积电阻率
8 cm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1416 018
116
118 3713
将一小块共混料于25吨平扳硫化机上压成薄片 (温 度 为2 0 0 ℃, 压力为9 18M Pa ) , 然后在显微镜下测量纤 维的长度, 并拍照。
3 结果与讨论
311 金属纤维填充量对复合材料导电性能的影响 图1是金属纤维含量与复合材料体积电阻率的关
系, 对于由切削法得到的铜纤维填充 ABS, 由于直径 大, 长径比小, 需要较大的填充量 ( 9vo l% 以上) 才能 使复合材料电阻率产生突降; 但用直径较细的不锈钢纤 维填充 AB S 和 H IPS , 在 4vo l% 以 上 就 可 以 使 材 料 的 体 积 电 阻 率 从 1 015 8 cm 突 降 到 1 04 8 cm 以 下, 显 示 出 纤 维长径比对导电复合材料渗滤过程的控制作用。当 用同 种不锈钢纤维填充结晶性的 PP 基体时, 临界填充量在 1vo l% 左右, 这可能是金属纤维受 PP 结晶的影响, 而在 非 晶 区 富 集 较 多 的 缘 故。Fow ler[5] 用 PAN 基 碳 纤 维 填 充 尼 龙26 6 和 聚 碳 酸 酯 时 也 发 现 在 相 同 填 充 量 下 结 晶 性尼龙26 6 比无定型聚碳酸酯的电阻率要低得多。 312 金属纤维填充量对导电复合材料力学性能影响
T an Song t ing Zhang M ingqiu Rong M inzh i Zeng H anm in L i B aoen (M a teria ls Science In st itu te, Zhong shan U n iversity,
L abo ra to ry of Po lym er Com po site and Funct iona l M a teria ls, Sta te Educa t iona l Comm ission of Ch ina)
金 属 纤 维 聚 合 物 导 电 复 合 材 料 的 性 能 研 究
金属纤维 聚合物导电复合材料的性能研究
Study o n P rop e rt ie s o f M e ta l F ib re F illed Po lym e r Com po site s
谭松庭 章明秋 容敏智 曾汉民 黎宝恩 (中山大学材料科学研究所, 聚合物复合材料及功能材料教育部开放研究实验室)
为了防止电磁波辐射造成的干扰与泄漏, 通常在塑 料壳体上涂敷导电涂料或将导电填料直接分散在树脂 中制成导电复合材料[1～ 2] , 国内对导电复合材料的研究 大多采用切削法生产的铜纤维或钢纤维作导电填料, 这 类金属纤维由于直径较大 ( 2 0～ 5 0 Λm ) , 须要较大的填 充量 ( 6～ 1 2 vo l% 或3 0～ 5 0w t % ) 才有一定的导电能 力, 如此高填充量的金属纤维, 不仅使塑料制品失去轻 质的 特 点, 而 且 使 复 合 材 料 的 力 学 性 能 大 幅 度 下
·16·
增强作用。而直径较粗的铜纤维, 由于长 径 比 小, 对 材 料没有增强作用; 并且这种纤维可能成为复合材料中的 应力集中点, 使材料的弯曲强度有较大幅度下降。
图1 金属纤维含量与材料体积电阻率的关系 F ig11 R elation sh ip betw een resistivity of
[ Abstract ] E lect rica l conduct ive com po sites w ere fab rica ted u sing AB S , H IPS and PP a s m a t rix resin s filled w ith Cu fib re and sta in less steel fib re 1T he effect s of m eta l fib re con ten t s and com pound ing cond it ion s on elect rica l and m echan ica l p rop ert ies in the elct rica l conduct ive com po s2 ites have been stud ied 1T he resu lt s ind ica te tha t the key to p rep a re elect rica l conduct ive com po s2 ites w ith sup erio r p rop ert ies is h igher L D ra t io of m eta l fib res and w ell2d isp ersion of the fib res in m a t rix 1 Keywords m eta l fib re po lym er elect roconduct ive com po sites
1 前言
由聚合物基体加工制成的电子仪器外壳具有良好 的 外观、质轻、易加工成型等优点, 已获得了广泛应用。 但不导电的塑料外壳对电磁波干扰毫无屏蔽作用, 而电 磁 干扰 ( E lectrom agn tic In terference ) 已成为一种新的社 会公害。一些经济发达国家对这一问题都非 常 重 视, 并 制订了抗电磁干扰法规, 如美国的 FCC 法, 德国的 VD E 法等; 对大多数电子仪器产品规定, 必须达到相应的标 准 才 允 许 进 入 市 场。
图3 铜纤维含量与材料弯曲强度的关系 F ig13 R elation sh ip betw een flexu ral streng th
and vo lum e p ercen t of copp er fib res
313 加工工艺条件对导电复合材料性能的影响 对于直径较粗的铜纤维, 由于不容易破碎, 只要采
319×1014
弯曲强度 33196 36157 40157 34189 33170
M Pa
37178
冲击强度
kJ m 2
5116 5161 6142 6167 10188
11184
从 表 1 可 看 出, 混 炼 时 间 太 短 ( 2m in ) 和 太 长 ( 1 0m in ) , 材料的体积电阻率都较高; 这 是 因 为 混 炼 时 间太短, 纤维还没有分散开, 纤维束之间不能达到充分 接触, 影响了导电性; 材料的力学性能 ( 弯曲强度和冲 击强度) 都较低。而混炼时间太长或螺杆转速太快, 导
将树脂和一定比例的金属纤维于 B rabender 转矩流 变仪中混炼, 然后在平扳硫化机上加热加压 成 试 样 片。 工艺条件如下:
PP , AB S 和 H IPS 双 辊 混 炼 及 压 片 温 度 分 别 为 1 9 0 ～ 2 0 0 ℃, 2 0 0～ 2 2 0 ℃, 和2 0 0～ 2 2 0 ℃; 螺杆转速为3 2
[ 摘要 ] 以铜纤维和不锈钢纤维为导电填料, 分别填充 AB S、H IPS 和 PP 树脂基体, 制得导电复合材 料。研究了金属纤维含量及工艺条件对复合材料的导电性能和力学性能的影响。结果表明, 选 择 合 适 的 工 艺 条件以保证金属纤维有较大的长径比并在树脂中有良好的分散状态, 是制造性能优良的导电复合材料的关 键。 关键词 金属纤维 聚合物 导电复合材料
将 测 完 电 学 性 能 的 试 样 片 裁 成 5 个 4 5mm × 8mm × 3 15mm 的试样条, 室温下用 LW K 25 型微控拉力机测定 试 样 的 弯 曲 强 度 和 弯 曲 模 量, 速 率 5mm m in , 跨 距 为 5 0mm 。
另压一片试样同上裁成5个试样条, 用摆锤式冲击 试验机测量简支梁冲击强度, 试样跨距为4 0mm 。 21313 纤维长径比的测量
降[3～ 4]。所以, 选择性能优良的导电填料, 并优化制备工 艺以降低填料的填充量已成为制备导电复合材料的关 键。
2 实验部分
211 主要原材料 AB S: PA 27 5 7 , 熔 体 流 动 速 率 (M FR ) 为 1 15g
1 0m in ; H IPS: PH 28 8H , M FR 为1 15g 1 0m in ; PP : M FR 为 2 13g 1 0m in ; 黄铜短纤维 (CuF ) : 直径3 0～ 8 0 Λm , 长 度 3 ～ 8mm ; 不 锈 钢 长 纤 维 ( SSF ) : 3 1 6L , 0 0C r 1 7Fe 6 6N i1 2 , 直径8 Λm , 使用时剪成5～ 8mm 。 212 试样制备
金 属 纤 维 聚 合 物 导 电 复 合 材 料 的 性 能 研 究
用相对较长的时间混炼均匀即可, 加工条件对材料的电 学性能和力学性能影响较小。而对于直径细的不 锈 钢纤 维, 因为在混炼过程中很容易折断, 加工工艺条件 (混 炼时间、 螺杆转速) 对材料的性能影响较 大。通 常 提 高 螺杆转速和延长混炼时间有助于填料分散均匀, 但会降 低 纤 维 的 长 径 比, 使 复 合 材 料 的 导 电 性 下 降。表 1 是 在 不 锈钢纤维含量 2 vo l% , 混炼温度 1 9 0～ 2 0 0 ℃, 螺杆 转 速 2 0 r m in 时, 经 不 同 混 炼 时 间 后 不 锈 钢 纤 维 PP 复 合 材 料 的 电 学 性 能 和 力 学 性 能 比 较。
com po sites and vo lum e p ercen t of m etal fib res
图2 不锈钢纤维含量与材料弯曲强度的关系 F ig12 R elation sh ip betw een flexu ral streng th and
vo lum e p ercen t of stain less steel fib res
·15·
材料工程 1998年12期
r m in ; 混炼时间为1 0m in。 213 性能测试 21311 体积电阻率的测试
当 试 样 电 阻 ≥ 1 06 8 时, 采 用 ZC 24 3 型 超 高 阻 计 测 量; 当试样电阻在1 0 0～ 1 06 8 之间时, 采用 D T 28 3 0 型数 字 式万用表测量; 当试样电阻< 1 0 0 8 时, 用 SW 22 型数 字 微 欧 计 测 量。 21312 力学性能测试