一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料及其制备方法

摘要

一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料，该复合材料包含天然橡胶、短切碳纤维和配合剂，所述的短切碳纤维直径为3～10μm，其长度为1～5mm，天然橡胶和短切碳纤维的常温重量份配比为：100∶0.5～11。由于充分利用天然橡胶和短切碳纤维良好的物理机械性能，制造电磁屏蔽的复合材料，使其既具有短切碳纤维优良的电磁波吸收性能，又具有橡胶材料优良的物理机械性能，可以适应多种环境的需要；电磁屏蔽性能高，制备方法简单，制造成本低，减少了能源消耗。

说明书

技术领域

本发明属于电磁屏蔽材料领域，确切地说是一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料及其制备方法

背景技术

电磁波辐射产生的电磁干扰不仅会影响各种电子设备的正常运行，对于长期处于电磁波辐射环境中人的身心健康也会造成严重的损害。由于高分子材料具有良好的物理及机械性能，因此开发电磁屏蔽性能高、制造成本低、制备方法简单的电磁屏蔽高分子材料是非常必要的。表层导电型电磁屏蔽高分子材料的金属薄复合层或镀层，在使用和加工过程中容易剥离，机械性能较差，因此使用较少。目前较多采用的填充型复合电磁屏蔽高分子材料用的填料一般是金属粉，如广泛用于EMC领域中的导电橡胶，就是使用银粉和镍粉做填料。中国专利ZL200820172030.0公开了“一种复合电磁屏蔽橡胶”技术，是采用双层复合或多层复合的方式，由装饰橡胶和具有电磁屏蔽性能的功能橡胶复合而成。功能橡胶由硅橡胶、硅氟橡胶或三元乙丙橡胶添加银粉、镀银铝粉、镀银玻璃微珠、镀银铜粉、镀银镍粉等具有电磁屏蔽作用的粉状物组成。是将装饰橡胶与导电橡胶复合。中国专利200910068462.6公开了“三维编织镀镍碳纤维与环氧树脂电磁屏蔽复合材料及制备方法”，提出将碳纤维电镀镍金属后，进行三维四向编织，然后采用树脂传递模塑工艺(RTM)，将镀镍碳纤维的编织体与环氧树脂复合，制备出电磁屏蔽复合材料。为了达到屏蔽效果，将碳纤维进行了表面改性(活性化处理、镀金属)，并且进行编织，以促进导电网络的形成。上述技术由于使用了银、镍、铜等贵重金属材料，而且所使用的材料仅局限于硅胶、氟胶、三元乙丙胶、环氧树脂等品种。因此普遍存在制造成本高、工艺复杂、易造成污染等问题，不适合大规模推广应用。

发明内容

本发明为了克服上述技术中的缺陷，充分利用天然橡胶材料具有拉伸和撕裂强度高，弹性、耐磨性、粘合性、耐老化性等综合性能好的特点，提出一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料及其制备方法。

本发明目的是由以下技术方案实现的：一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料，其特征在于该复合材料包含天然橡胶、短切碳纤维和配合剂，所述的短切碳纤维直径为3～10μm，其长度为1～5mm，天然橡胶和短切碳纤维的常温重量份配比为：100∶0.5～11。

由于天然橡胶98％以上是顺式1，4-聚异戊二烯构成的线型高分子化合物，其综合物理机械性能优于其他任何橡胶，天然橡胶具有良好的耐屈挠疲劳性能，动态滞后损失小，生热量低，并具有良好的气密性、防水性、电绝缘性和隔热性及耐寒性。天然橡胶属于结晶性橡胶，低温下和外力拉伸作用都会产生结晶，自补强性好，纯胶硫化胶拉伸强度可达到17-25MPa。天然橡胶的加工工艺性能优于其他所有橡胶。如塑炼、混炼比较容易，配合剂易于混入，分散均匀，生热量少，压型收缩率小，成型黏着性好等。

碳纤维是一种较好的导电填料，碳纤维比重小，直径细，长径比大，具有高强度、高模量、化学稳定性能好等优点，易形成导电网络，其导电性介于炭黑和石墨之间，而且它还具有耐腐蚀、耐辐射、耐高温等多种优良性能。用碳纤维增强的不饱和聚酯、环氧、酚醛等复合材料已广泛应用于航空航天，军用器材及化工防腐领域。但碳纤维加工困难、成本高，在一定程度上限制了它的发展。而短切碳纤维在橡胶基体中的行为类似于偶极子，在电磁场作用下，产生极化耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，这样电磁波能量转换为其它形式的能量，短切碳纤维橡胶复合材料对电磁波表现为吸波性。短切碳纤维含量的变化意味着谐振子间的距离发生了变化，从而使其对电磁波的作用呈现出多重效应：当含量较低时，各振子间的相互作用较弱，各独立谐振子间靠阻抗相互联系，各偶极对电磁波吸收叠加的结果使吸收峰增大；当短切碳纤维含量增加到一定程度时，相互靠近的振子间电力线相互排斥，电场相互叠加，显示出强电磁波反射特性。随着短切碳纤维掺量的增加，短切碳纤维橡胶复合材料逐渐具有导体特性，对电磁波反射率增加，短切碳纤维掺量达到一定值时，短切碳纤维橡胶复合材料由电磁波吸收性能向反射性能转变。将具有导电性能的短切碳纤维掺入天然橡胶中制备复合材料，既具有天然橡胶的优点，又具有较好的电磁屏蔽性能。掺入的短切碳纤维改变了天然橡胶的复相磁导率和相对介电参数，提高了对电磁波的反射能力。

本发明天然橡胶复合材料的厚度是0.5mm～15mm。可以满足对电磁屏蔽材料的要求。

所述的其他配合剂是硬脂酸、氧化锌、防老剂、炭黑、石蜡油、促进剂和硫化剂。

一种具有电磁屏蔽性能的天然橡胶复合材料的制备方法，其过程如下：

(1)将短切碳纤维在打浆机中充分分散，分散液进行抽滤并充分干燥，成短切分散的碳纤维单丝，其纤维直径为3～10μm，长度为1～5mm；

(2)将天然橡胶和短切碳纤维按照常温重量份100∶0.5～11的比例配备，其它配合剂用量按常规方法配备；

(3)在密炼机或开炼机中，先将按上述重量份配备的天然橡胶塑炼，然后加入短切碳纤维和其他配合剂进行混炼，混炼均匀后压片，得到混炼胶，将混炼胶在室温下停放24小时；

(4)硫化成厚度为0.5mm～15mm的片材。

制备方法中所述的其他配合剂是硬脂酸、氧化锌、防老剂、炭黑、石蜡油、促进剂和硫化剂。

该电磁屏蔽天然橡胶复合材料经性能测试：拉伸强度为14～16MPa，在10K～18GHz的条件下，电磁屏蔽效能为62.3～86.6dB。

本发明的优点是：充分利用天然橡胶和短切碳纤维良好的物理机械性能，制造电磁屏蔽的复合材料，使其既具有短切碳纤维优良的电磁波吸收性能，又具有橡胶材料优良的物理机械性能，可以适应多种环境的需要；电磁屏蔽性能高，制备方法简单，制造成本低，减少了能源消耗。

具体实施方式

实施例1

将短切碳纤维在打浆机中充分分散，分散液进行抽滤并充分干燥，得到短切分散的碳纤维单丝，纤维直径为3μm，其长度为1mm；在密炼机或开炼机中，先将100重量份的天然橡胶塑炼5min，然后按重量份依次加入2份硬脂酸、5份氧化锌、1份防老剂、60份炭黑、3份短切碳纤维、3份石蜡油、1份促进剂和2.5份硫磺，再进行混炼8min，混炼均匀后压片，得到混炼胶；将混炼胶在室温下停放24小时，然后在50T平板硫化机上硫化成型，硫化条件为140℃×30min，得到制品。

经性能测试，该电磁屏蔽天然橡胶复合材料的拉伸强度为14MPa，在10K～18GHz的条件下，电磁屏蔽效能为62.3～75.6dB。

实施例2

将短切碳纤维在打浆机中充分分散，分散液进行抽滤并充分干燥，得到短切分散的碳纤维单丝，纤维直径为6μm，其长度为3mm；在密炼机或开炼机中，先将100重量份的天然橡胶塑炼5min，然后按重量份依次加入2份硬脂酸、5份氧化锌、1份防老剂、60份炭黑、7份短切碳纤维、3份石蜡油、1份促进剂和2.5份硫磺，再进行混炼8min，混炼均匀后压片，得到混炼胶；将混炼胶在室温下停放24小时，然后在50T平板硫化机上硫化成型，硫化条件为140℃×30min，得到制品。

经性能测试，该电磁屏蔽天然橡胶复合材料的拉伸强度为15MPa，在10K～18GHz的条件下，电磁屏蔽效能为68.2～82.4dB。

实施例3

将短切碳纤维在打浆机中充分分散，分散液进行抽滤并充分干燥，得到短切分散的碳纤维单丝，纤维直径为10μm，其长度为5mm；在密炼机或开炼机中，先将100重量份的天然橡胶塑炼5min，然后按重量份依次加入2份硬脂酸、5份氧化锌、1份防老剂、60份炭黑、11份短切碳纤维、3份石蜡油、1份促进剂和2.5份硫磺，再进行混炼8min，混炼均匀后压片，得到混炼胶；将混炼胶在室温下停放24小时，然后在50T平板硫化机上硫化成型，硫化条件为140℃×30min，得到制品。

经性能测试，该电磁屏蔽天然橡胶复合材料的拉伸强度为16MPa，在10K～18GHz的条件下，电磁屏蔽效能为72.6～86.6dB。