一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料及其制备方法及其制备方法。该复合材料由一定配比的表面改性后的玄武岩短切纤维和热塑性塑料经熔融共混后制备而成。其中表面改性玄武岩短切纤维的制备方法为：将经过表面清洁处理的玄武岩纤维、表面亲油化改性Fe3O4纳米粒子、碳纳米管或石墨烯纳米片和多巴胺分散在缓冲溶液中进行聚合反应后，在玄武岩纤维表面形成聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层，同时在其表面粘附碳纳米管或石墨烯纳米片。本发明专利技术的复合材料不仅获得更优异的力学强度，且同时具备了电磁波屏蔽功能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及塑料改性和复合材料制备
，具体涉及一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]纤维增强热塑性工程塑料是塑料改性的常用手段，已经广泛应用于高性能复合材料制备
，所制备的复合材料产品也广泛应用于汽车、电子电气、办公设备、工业机械等各领域。传统的无机纤维如玻璃纤维及碳纤维增强有机高分子材料所获得的复合材料具有优异的拉伸性能、弯曲性能和高刚性，但其韧性往往会由于刚性纤维的引入造成一定损失。随着可持续化发展深入人心，节能减排技术的研究开发受到广泛重视，汽车轻量化技术开发得到广泛关注，这一领域急需大量高性能轻量化的复合材料应用其中，此外高性能无人机的飞速发展也对高性能轻量化、并具有电磁波屏蔽功能的复合材料有迫切需要。正是在这一应用背景下，针对轻量化高分子纤维增强热塑性工程塑料复合材料的需要不断增强，其中以玄武岩纤维为代表的高性能人工合成纤维在工程塑料增强改性领域中的应用受到重视。玄武岩纤维强度高(介于玻璃纤维和碳纤维之间)，其密度只有2.8g/cm3左右，具有明显的轻质优势，而且具有明显的成本价格优势。因此，将其应用于工程塑料的增强改性不但可有效提高材料的拉伸强度和模量，还能使增强塑料密度明显低于传统无机玻璃纤维增强的复合材料，而价格又远低于碳纤维增强复合材料。
[0003]传统纤维增强热塑性塑料通常采用短切纤维直接双螺杆挤出熔融共混，或者采用长纤维通过拉挤后熔融的方式来制备，由于玄武岩无机纤维光滑，与有机高分子材料难相容、界面张力大，不仅很难在塑料基体中均匀分散，而且材料断裂时，极易拔出而导致增强效果欠佳。鉴于纤维增强塑料复合材料的性能在很大程度的取决于各个组分之间的界面结合情况。复合材料的界面是增强相和基体相之间的中间桥梁，也是能量和信息的传递者，良好的界面结合性可以有效的传递载荷从而提高复合材料的力学性能。因此充分利用良好界面效应的优越性，提高玄武岩纤维表面的粗糙度和比表面积，提升其与基体材料的界面结合性能，可以很大程度的提高复合材料的力学性能和机械性能。
[0004]如果要使复合材料获得宽频段电磁波屏蔽功能，还需要在其中添加导电填料和磁性填料，通过电场和磁场屏蔽来实现高频段和低频段电磁波的同步屏蔽效能。然而，添加外来无机填料又会造成复合材料力学性能的下降，导致材料的综合性能恶化。例如，通过在复合材料中添加碳纳米管或石墨烯纳米片，利用其电场屏蔽作用使得复合材料的获得高频段电磁波屏蔽效能；而通过在复合材料中添加具有顺磁性的四氧化三铁(Fe3O4)无机粒子，可通过电磁波的磁涡流损耗，实现复合材料在低频段电磁波屏蔽效能，最终使制备的复合材料取得宽频区域内的电磁波屏蔽功能。然而，这些无机导电和磁性添加剂的加入都会导致复合材料力学性能的下降。然而，具有纳米结构的碳材料如碳纳米管和石墨烯纳米片也是玄武岩纤维表面改性的重要候选材料，这是由于其拥有着许多独特的物理性质和化学性
质。因为这两种纳米碳材料中的C＝C共价键被认为是自然界中最为稳定的化学键，所以，经过碳纳米管和石墨烯纳米片表面改性后的玄武岩纤维表面粗糙度显著增加，所以能够显著提升其对热塑性复合材料的增加效果。因此，如果能将上述无机添加剂通过界面改性的方式与玄武岩纤维有机结合，则不仅能够使复合材料获得电磁屏蔽功能，还能够使玄武岩纤维的增强效果明显提高，从而获得综合性能优异的复合材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的问题是改变玄武岩纤维表面惰性和电磁屏蔽功能外添加剂对热塑性复合材料力学性能的劣化问题，利用表面粘附纳米碳材料，可有效提高玄武岩纤维的表面粗糙度、降低表面能、提高其亲水性和比表面积，同时提高纤维与基体树脂的界面结合性能，从而有利于其应用于热塑性塑料的增强改性效果，此外，将Fe3O4无机粒子嵌入玄武岩纤维表面粘结层内，使电磁屏蔽功能填充剂与玄武岩纤维有机结合，利用本专利技术所制备的表面改性玄武岩纤维与热塑性塑料复合制备成热塑性复合材料，其不仅使复合材料的力学性能获得比传统增加材料更显著的提高，还能获得优异的宽频段电磁屏蔽功能。从而获得一种性能优异的电磁波屏蔽功能复合材料。
[0006]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0007](1)将玄武岩纤维切断至2－3mm的短切纤维，并用清水对其进行清洗；
[0008](2)采用含十二烷基苯磺酸钠的丙酮溶液对直径为50nm左右的进行表面亲油化改性；
[0009](2)将经过表面清洁处理的玄武岩纤维、表面亲油化改性Fe3O4纳米粒子、碳纳米管或石墨烯纳米片和多巴胺分散在缓冲溶液中进行聚合反应，反应温度为室温，反应时间为6h，反应后在玄武岩纤维表面形成聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层，同时在其表面粘附碳纳米管或石墨烯纳米片；
[0010](3)将一定量的表面粘附碳纳米管或石墨烯纳米片并具有聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层的玄武岩短切纤维与热塑性塑料通过熔融共混加工，获得增强热塑性复合材料。
[0011]所述热塑性塑料树脂为聚丙烯、聚乙烯、ABS树脂、HIPS树脂通用塑料和包括尼龙6、尼龙66、聚碳酸酯、PBT树脂工程塑料中的任意一种。
[0012]所述Fe3O4纳米粒子的直径为50nm左右。
[0013]所述Fe3O4纳米粒子表面亲油化改性方法为：以十二烷基苯磺酸钠为阴离子表面活性剂，将其溶解在丙酮溶剂中，形成质量百分比浓度为5wt.％的溶液，以每100g的Fe3O4纳米粒子分散在200g含十二烷基苯磺酸钠丙酮溶液中，常温下机械搅拌3小时，然后，过滤并在80℃真空烘箱内干燥12小时。
[0014]所述缓冲溶液由浓度为1.2mg/mL的三羟甲基氨基甲烷溶液和浓度为1mol/L的盐酸溶液配置而成，呈pH值为8.5的弱碱性。
[0015]所述碳纳米管为多壁碳纳米管，所述石墨烯纳米片为层数为10～30层的超薄石墨烯，在反应液中的添加量为相对于玄武岩短切纤维每100份质量份数的1.0～2.0份；所述表面亲油化改性的Fe3O4纳米粒子，在反应液中的添加量为相对于玄武岩短切纤维每100份质量份数的2.0～3.0份；所述多巴胺在反应液中的添加量浓度为相对于玄武岩短切纤维每
100份质量份数的10.0～15.0份。
[0016]所述表面粘附碳纳米管或石墨烯纳米片并含有聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层的玄武岩短切纤维在热塑性塑料的质量百分比含量为25～30wt.％。
[0017]所述复合材料中需要添加相对于热塑性塑料每100份质量份数的0.3份抗氧剂，抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的混合物，其质量比为1∶1。
[0018]通过如上的方法得到了表面附着碳纳米管或石墨烯纳米片并含有聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层的玄武岩短切纤维，提高了玄武岩纤维的表面粗糙度、降低表面能、提高其亲水性和比表面积，同时提高了纤维与基体树脂的界面结合性能，从而有利于其应用于热塑性塑料的增强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：由以下质量百分比的原料制备而成：表面改性玄武岩短切纤维25.0～30.0wt.％、热塑性塑料树脂70.0～75.0wt.％、抗氧化剂相当于100份热塑性塑料树脂质量份数的0.3份。2.如权利要求1所述的一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述热塑性塑料树脂为聚丙烯、聚乙烯、ABS树脂、HIPS树脂通用塑料和包括尼龙6、尼龙66、聚碳酸酯、PBT树脂工程塑料中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述表面改性玄武岩短切纤维长度在2.0～3.0mm之间，其表面通过包覆聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层并附着碳纳米管或石墨烯纳米片来实施改性。4.如权利要求1－3所述的一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料，所采用的表面改性玄武岩短切纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将玄武岩纤维切断至2.0～3.0mm的短切纤维，并用清水对其进行清洗；(2)将经过表面清洁处理的玄武岩纤维、表面亲油化改性Fe3O4纳米粒子、碳纳米管或石墨烯纳米片和多巴胺分散在缓冲溶液中进行聚合反应，反应温度为室温，反应时间为6h，反应后在玄武岩纤维表面形成聚多巴胺/Fe3O4纳米粒子复合包覆层，同时在其表面粘附碳纳米管或石墨烯纳米片。5.如权利要求4所述的一种具有电磁波屏蔽功能的玄武岩纤维增强热塑性复合材料中表面改性玄武岩短切纤维的制备方法，其特征在于：所述Fe3O4纳米粒子的直径为50nm左右，其表面亲油化改性方法为：以十二烷基苯磺酸钠为阴离子表面活性剂，将其溶解在丙酮溶剂中，形成质量百分比浓度为5wt.％的溶液，以每100g的Fe3O4纳米粒子分散在...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪晓东，闫东鹏，季生福，
申请(专利权)人：山东朋福新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：