[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及塑料改性和复合材料制备技术领域，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。

背景技术

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技术领域，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。

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。

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。

发明内容