高分子_磁粉复合材料的研究与应用进展_赵志鸿

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赵志鸿 等 高分子/磁粉复合材料的研究与应用进展

高分子/磁粉复合材料的研究与应用进展

赵志鸿1

，阳范文2

（1 《工程塑料应用》杂志社，山东济南 250031；2 广州医科大学生物医学工程系，广东广州 511463）

摘要：主要总结了高分子/磁粉复合材料的研究现状与应用进展，讨论了弹性体/磁粉复合材料、塑料/磁粉复合材料和可降解树脂/磁粉复合材料的研究进展，分析了高分子/磁粉复合材料在智能控制、吸波材料、电子电器、生物医学四大领域的应用情况。

关键词：磁粉，高分子，复合材料，进展 中图分类号：TQ31

Progress on Research and Application of Polymer

/Magnetic Powder Composites

ZHAO Zhi-hong 1，YANG Fan-wen 2

（1 The Magazine House of Engineering Plastics Application ，Jinan 250031，Shandong ，China ；

2 Biomedical Engineering Department ，Guangzhou Medical University ，Guangzhou 511463，Guangdong ，China )

Abstract: The research status and application development of polymer/magnetic powder composites were summarized, the research progress on the composites based on magnetic powder modifying elastomer, plastic and biodegradable resin was discussed, the application of the polymer/magnetic powder composites on intelligent control, microwave absorbing materials, electronics and biomedical was analyzed.

Key words: magnetic powder ，polymer ，composite ，progress

收稿日期：2015-03-20

磁性高分子材料是20世纪70年代发展起来的一种功能高分子材料[1]。与传统的磁性材料相比，磁性高分子材料具有密度小、耐冲击性好、加工方便、生产效率高等优点，其可通过挤出、注射、压延和模压等方法成型，可成型尺寸精度高、薄壁、复杂形状和带嵌件的制品，这对电磁设备的小型化、轻量化、精密化和高性能化具有重要作用[2]。

磁性高分子材料按组成可分为结构型和复合型两种。结构型磁性高分子材料是指采用合成的方法制备本身具有磁性的高分子材料，如自由基聚合物（纯有机磁性高分子）、金属配合聚合物（金属有机高分子磁性体）和茂金属聚合物等[3-5]，这类材料尚处于探索阶段，与实用化还有一定的距离。复合型磁性高分子材料通过将塑料或橡胶与磁粉共

混加工制备而成，现已广泛应用于电子电气、仪器仪表、通讯、医疗等领域。本文主要对高分子/磁粉复合材料的发展现状、制备方法和应用情况进行总结。

1 研究进展

按高分子基体材料的不同，高分子/磁粉复合材料可以分为弹性体/磁粉复合材料、塑料/磁粉复合材料和可降解树脂/磁粉复合材料三大类。 1.1 弹性体/磁粉复合材料

将磁粉与弹性体复合制备所得的弹性体/磁粉复合材料通常称为磁流变弹性体（MRE ），是一种重要的智能材料[6-7]。MRE 是在磁流变液(MRF)基础上发展起来，采用高分子聚合物代替MRF 的液

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态母液，克服了MRF易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点。MRE兼具磁流变液和弹性体材料的特性，具有磁场可控的力学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等。

1.1.1 硅橡胶/磁粉复合材料

制备硅橡胶/磁粉复合材料时，先将磁粉预先分散在硅橡胶的前驱体中，然后进行交联反应。其优点有：（1）由于硅橡胶前驱体是液体，故磁粉很容易均匀地分散在硅橡胶基体中；（2）硅橡胶前驱体粘度较低，施加磁场固化时，很容易形成链状取向结构；（3）硅橡胶非常柔软，复合材料的磁流变效应高。

A.V.Chertaovich等[8]以SIEL硅橡胶为基体，加入75%的硅油制备了含有羰基铁粉和铁颗粒的复合材料，外加300mT的磁场后储能模量变化达到400倍以上，具有优异的磁流变效应。然而，由于体系中硅油含量太高（75%），材料的力学性能不理想、价格比较昂贵，难以满足普通工程领域的应用要求。

王银玲等[9]选择羰基铁作为磁性粒子，在无任何外加磁场下，采用射线辐照法固化硅橡胶基体制备各向同性的MRE。研究了固化时间、增塑剂、增强剂的种类及含量等对磁流变效应的影响。发现随着固化时间的延长，弹性体交联度增加，磁流变效应下降，力学性能提高；随着增塑剂的加入，材料的磁流变效应提高，力学性能降低；增强剂的加入可提高材料的力学性能，但不利于磁流变效应的改善。

为了提高硅橡胶/磁粉复合材料的磁流变效应，需提高磁粉和增塑剂含量，降低交联度；为了提高复合材料的力学性能，磁粉和增塑剂的含量不能太高，交联度则需适当提高；材料的最终性能取决于上述参数的平衡程度。

1.1.2 热固性橡胶/磁粉复合材料

以天然橡胶、丁腈橡胶、异丁烯橡胶或聚氨酯橡胶为基体制备的热固性橡胶/磁粉复合材料，可降低材料的成本，拓展材料的应用领域。

陈琳等[10-11]制备了磁粉含量为80%的天然橡胶基复合材料，在600mT的外加磁场作用下，剪切模量的相对增量可达133%。杨坤等[12]采用铁硅铝金属磁粉、硅金属磁粉和钡铁氧体为功能体、丁腈橡胶为基体制备了一种磁性橡胶阻尼复合材料，发现加入磁粉后,复合材料的阻尼性能得到提高,而当磁粉含量相同时,含有钡铁氧体颗粒的复合材料的阻尼性能要好于含有金属磁粉的复合材料。WangYinling 等[13]使用异丁烯橡胶制备了MRE，其最大磁流变效应达到20%。T.L.Sun等[14]以顺丁橡胶为基体，制备的MRE的最大磁流变效应达到80%。Wei Bing 等[15]制备了磁粉含量达到80%的聚氨酯橡胶基MRE，最高磁流变效应达到120%。

与硅橡胶基磁粉复合材料相比，热固性橡胶基体品种多，根据基体特性可以采用硫磺交联、过氧化交联和离子交联等方法进行。材料成本相对较低，在制备磁粉复合材料的方面具有一定的优势，近年来得到了快速发展和应用。

然而，采用热固性橡胶与磁粉复合制备磁性复合材料的不足之处在于橡胶交联产生了三维网络结构，存在磁流变效应不太理想、材料无法重复利用和成型加工过程比较复杂等不足。

1.1.3 热塑性弹性体/磁粉复合材料

热塑性弹性体如SBS、SEBS、TPE、TPU等材料兼具有热塑性材料的加工特性和热固性橡胶的弹性，在很多领域取代了部分的热固性橡胶，显示出良好的发展势头。

P.Zajac等[16]采用SEBS为基体、以平均粒径约为60μm的铁颗粒（ASC300）和BASF CD羰基铁粉复合，制备了各向同性MRE，应力改变量只有30%。肖玉红等[17]采用SEBS为基体，制备了羰基铁粉含量达到70%的磁粉热塑性弹性体复合材料，其最大磁流变效应为155%；乔秀颖等[18]采用SEEPS为基体，制备了羰基铁粉含量达到80%的磁粉热塑性弹性体复合材料，最大磁流变效应达到383%。

与热固性橡胶基磁粉复合材料相比，热塑性弹性体基磁粉复合材料的磁流变效应有所提高，材料可重复利用，加工过程简单，是磁性复合材料未来值得深入研究和拓展的方向之一。

1.2 塑料/磁粉复合材料

塑料/磁粉复合材料又称磁性塑料或塑料磁铁，兼有磁性材料和塑料的特性。根据填充磁粉的不同，磁性塑料可分为铁氧体类磁性塑料和稀土类磁性塑料。

磁性塑料一般通过先高速混合再挤出造粒的方法制备。如发明专利201410491577.7公开了一种磁性塑料及其制备方法[19]，将氯化聚乙烯（80~100份）、磁粉（60~70份）和其它添加剂于混合机中混合均匀，然后采用螺杆挤出机熔融混炼制备磁性塑料。根据产品的最终用途，可采用注塑或挤出成型