專利名稱：一種納米吸波塑料材料及其產(chǎn)品的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種塑料材料，特別涉及納米吸波復(fù)合塑料材料及其產(chǎn)品的制備方法。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)是信息時代，是新材料和先進(jìn)制造技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的時代，也是人們追求高效、潔凈和安全利用新能源的時代，科技的發(fā)展，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)必將引起新的產(chǎn)業(yè)革命。發(fā)展中國家相繼對材料科學(xué)投入了大量的人力、財力，特別是在航天、航空、交通、建筑等領(lǐng)域都對所用材料提出了更高的要求，其中對高科技材料的需求與日俱增，塑料是當(dāng)今三大材料之一，已得到廣泛的應(yīng)用。
隱身技術(shù)已廣范應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家的武器系統(tǒng)中，并已作為軍事領(lǐng)域中首要的高新技術(shù)被列為“競爭戰(zhàn)略”的基本要素。國外在研究并改進(jìn)傳統(tǒng)吸波塑料的同時，進(jìn)行了卓有成效的新材料研究。我國在隱身材料研究方面投入了很大的財力和人力，取得了一定的進(jìn)展，但與國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距很大。美國投入19億美元進(jìn)行隱身技術(shù)研究院，200億美元進(jìn)行裝備部隊，臺灣投入10億元裝備部隊，英國、日本、法國等都在爭奪這一技術(shù)的制高點(diǎn)。
吸波材料的研究國外發(fā)展很快，從20世紀(jì)70～80年代起，美國、前蘇聯(lián)等國家投入了大量的精力從事該項研究，并取得了顯著成果。90年代以來，發(fā)達(dá)國家也將其技術(shù)作為競爭戰(zhàn)略中優(yōu)先發(fā)展的新技術(shù)。
在電磁波在防護(hù)領(lǐng)域需求迅增。電磁波已被列為空氣污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染。我國國家環(huán)?？偩?999年5月7日正告各界電磁波輻射對機(jī)體(人體)有害，國標(biāo)號為GB8702-88，將電磁輻射納入了環(huán)保法制管理軌道。國家對電磁輻射防護(hù)明確規(guī)定了職業(yè)照射導(dǎo)出限值，電磁輻射的功率密度不能超過20μW/cm2；在生活環(huán)境中，電磁輻射的功率密度不能超過40μW/cm2。
美國、英國、日本、加拿大、瑞典、德國、法國、韓國等發(fā)達(dá)國家從三、四十年代就開始進(jìn)行特種防護(hù)織物的研究，到了八十年代，美國北美航空公司研制出為保護(hù)生物力量防止雷達(dá)探測被發(fā)現(xiàn)的防護(hù)衣和頭盔。到九十年代初期，發(fā)達(dá)國家為防止家用電器的輻射危害，諸如微波爐、電磁灶、電腦、電熱毯、吸塵器等對人體特別是對孕婦及少年兒童的影響，掀起了“主婦”穿屏蔽圍裙、屏蔽大褂以及青少年穿屏蔽馬甲，屏蔽西服的熱潮。到九十年代中期，日本率先研制成功金屬化材料，在普通材料基礎(chǔ)上進(jìn)行硫化物處理，國內(nèi)主要以鍍膜屏蔽織物居多，將鎳系、銅系屏蔽塑料涂刷在紡織品上形成屏蔽層，這樣的防護(hù)材料附著力差，透氣性差，不耐洗滌，質(zhì)地較硬。屏蔽效果主要以反射為主。國內(nèi)電磁波屏蔽材料主要為銅絲網(wǎng)、塑料、碳纖維、金屬材料等，軍用屏蔽室需用厚達(dá)3公分左右的鋼板制造，這些電磁波屏蔽材料的屏蔽性能主要以反射為主，吸收較少，性能較差，引起二次電磁污染等缺陷，發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種屏蔽波段范圍寬、電磁波吸收率高、反射率低、不產(chǎn)生二次污染的一種納米吸波塑料材料。
本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供一種產(chǎn)品的制備方法。
實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣解決的一種納米吸波塑料材料，由塑料母粒和納米材料組成，其突出的特點(diǎn)在于所說的塑料母粒包括丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS，聚甲醛POM，聚乙烯PE，聚酰胺PA，聚碳酸酯PC，聚甲基丙烯酸甲脂PMMA，聚苯乙烯PS，聚氯乙烯PVC，聚四氯乙烯PTFE，聚酯樹脂；所說納米材料包括納米β-炭化硅，納米鎳粉，聚苯胺；其中納米吸波塑料材料含有58％～83％的塑料母料，8～33％的納米β-炭化硅，1～6％的納米鎳粉，8～22％的聚苯胺。
一種實(shí)現(xiàn)納米吸波塑料材料產(chǎn)品的制備方法，依次按下述步驟進(jìn)行a.將塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻待用；b.制納米母粒將納米β-炭化硅、納米鎳粉、液態(tài)聚苯胺按重量百分比稱取所需的重量倒入另一混料器中，超聲波振蕩均勻，烘干制粒待用；c將制得的納米母粒與塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻，其混合重量比為納米母?！盟芰夏噶＃?～2.8∶1.3～5.6；d.除濕干燥；e、工藝流程①、納米母粒+塑料母?；炝希虎?、60℃～65℃除濕干燥；③、攪拌均勻加入料箱；④、在注塑機(jī)中升溫，其升溫溫度為60℃-200℃；⑤、在注塑機(jī)中調(diào)壓，其壓力為40-140MPa；⑥、注塑或吹塑；⑦、吸波材料成品。
材料要求①、納米β-炭化硅、納米鎳粉粒徑為d＜100nm，其純度≥99％；②、塑料母粒包括ABS，POM，PE，PA，PC，PMMA，PS，PVA；根據(jù)不同的用途選取不同的塑料母粒，上述不同的品種可以是其中單獨(dú)一種塑料母粒，也可以是兩種或兩種以上復(fù)合制成。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用納米粒子大的比表面效應(yīng)和電子隧道效應(yīng)使電磁波通過塑料時大部分被吸收阻隔，從而達(dá)到使電磁波高吸收低反射的效果，可做成各種寬帶高性能吸波屏蔽產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有屏蔽波段范圍寬、電磁波吸收率高、反射率低、不產(chǎn)生二次污染，是良好的吸波材料，納米吸波復(fù)合塑料的研究開發(fā)，將開創(chuàng)隱身和環(huán)保材料等新領(lǐng)域，極大地改善人們的工作及生活環(huán)境，預(yù)防疾病，創(chuàng)建綠色消費(fèi)空間，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、軍事、航天、建筑或居住、工作在變電站、廣播電臺、電視臺、無線雷達(dá)站、高壓線、電磁波發(fā)射塔附近的居民及工作人員；配有心臟起搏器的患者；經(jīng)常使用電子儀器設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、現(xiàn)代化辦公設(shè)備的人員；經(jīng)常使用微波爐的家庭主婦；在現(xiàn)代化辦公工作環(huán)境中的孕婦等領(lǐng)域，該產(chǎn)品的研發(fā)成功，具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
技術(shù)指標(biāo)1.屏蔽范圍400MHZ～20GHZ2.散射參數(shù)S110.3～0.7S220.2～0.9S120.6～0.83.功率反射率RP0.03～0.95-15.23dB～-0.22dB4.功率透射率TP0.3～0.8 -5.23dB～-0.97dB5.功率吸收率AP0.08～0.50-10.97dB～-3.01dB6.電磁衰減-26.2dB～-3.23dB


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明的微波衰減原理圖。
具體實(shí)施例方式
附圖為本發(fā)明的實(shí)施例。
下面對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明參照圖1所示，一種納米吸波塑料材料，由塑料母粒和納米材料組成，其所說的塑料母粒包括丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS，聚甲醛POM，聚乙烯PE，聚酰胺PA，聚碳酸酯PC，聚甲基丙烯酸甲脂PMMA，聚苯乙烯PS，聚氯乙烯PVC，聚四氯乙烯PTFE，聚酯樹脂；所說納米材料包括納米β-炭化硅，納米鎳粉，聚苯胺；其中納米吸波塑料材料含有58％～83％的塑料母料，8～33％的納米β-炭化硅，1～6％的納米鎳粉，8～22％的聚苯胺。
一種實(shí)現(xiàn)納米吸波塑料材料產(chǎn)品的制備方法，依次按下述步驟進(jìn)行a.將塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻待用；b.制納米母粒將納米β-炭化硅、納米鎳粉、液態(tài)聚苯胺按重量百分比稱取所需的重量倒入另一混料器中，超聲波振蕩均勻，烘干制粒待用；c將制得的納米母粒與塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻，其混合重量比為納米母?！盟芰夏噶＃?～2.8∶1.3～5.6；d.除濕干燥；e、工藝流程①、納米母粒+塑料母?；炝希虎?、60℃～65℃除濕干燥；③、攪拌均勻加入料箱；④、在注塑機(jī)中升溫，其升溫溫度為60℃-200℃；⑤、在注塑機(jī)中調(diào)壓，其壓力為40-140MPa；⑥、注塑或吹塑；⑦、吸波材料成品。
材料要求①、納米β-炭化硅、納米鎳粉粒徑為d＜100nm，其純度≥99％；因?yàn)榱讲煌?，比表面積、外露自由電子差異很大，對吸波性能影響很大，因而是吸波塑料的關(guān)鍵；②、母粒包括ABS，POM，PE，PA，PC，PMMA，PS，PVA，根據(jù)不同的用途選取不同的塑料母粒，上述不同的品種可以是其中單獨(dú)一種塑料母粒，也可以是兩種或兩種以上復(fù)合制成。
圖2所示，當(dāng)采用ABS母粒，添加納米β-炭化硅、納米鎳粉粒及聚苯胺制備成的塑料板，當(dāng)電磁波發(fā)射源發(fā)射的電磁波被傳輸?shù)剿芰媳砻鏁r，一部分被反射，反射角為175.5°，一部分被吸收轉(zhuǎn)化為其他能量，一部分穿透塑料，電磁波射出角度為34.8°。塑料具有屏蔽性能，其屏蔽性能與ε(介電常數(shù))；ρ(電阻率)；f(頻率Hz)；μ(相對導(dǎo)磁)；α/γ(γ為粒子半徑，α為原子半徑)密切相關(guān)；即與塑料中的吸波元素含量、納米粒子尺寸大小、塑料電阻率、介電常數(shù)、涂層厚度密切相關(guān)，不同的含量和厚度具有不同的屏蔽性能。
本發(fā)明的基礎(chǔ)原理如下納米材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)引起的量子尺寸效應(yīng)及隧道效應(yīng)，在一定尺寸范圍導(dǎo)致它產(chǎn)生良好的吸波性能。
電磁波屏蔽的目的主要有兩個方面一是控制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁場，不使其越出某一區(qū)域；二是防止外來的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。電磁波可看成是由電場分量E和磁場分量H有機(jī)疊加而成的平面波。電磁波的屏蔽主要依靠屏蔽體的反射、吸收作用來實(shí)現(xiàn)。在高頻條件下，屏蔽體表面產(chǎn)生渦流、渦流產(chǎn)生反磁場來抵消原干擾磁場，同時產(chǎn)生熱損耗。
電磁波在遇到屏蔽后，發(fā)生進(jìn)射、吸收、反射、折射等多種現(xiàn)象，總的電磁波屏蔽效能SE應(yīng)為電磁波被屏蔽物反射損耗R，吸收損耗A，內(nèi)部分射損耗B的總和，即SE＝R+A+BA＝1.7d√f/eR＝(Z0-Z1)/(Z0+Z1)＝50+10Log(ρ·f)-1式中Z0＝(μ0/ε0)1/2Z1＝(μ1/ε1)1/2μ0和μ1——自由空間和吸波材料的磁導(dǎo)率；
ε0和ε1——自由空間和吸波材料的介電常數(shù)。
ρ屏蔽物體積電阻率(Ω·cm)f頻率(MHz)d屏蔽層厚度(cm)為了不產(chǎn)生反射，反射系數(shù)必須為零。即滿足Z0＝Z1或μ0/ε0＝μ1/ε1，這就是理想吸波材料阻抗匹配原理。由于現(xiàn)實(shí)材料的μ常小于μ0而ε大于ε0，很難滿足上述要求，因而本項目中采用阻抗?jié)u變過渡的方法來近似地達(dá)到阻抗匹配。
由公式可以看出，當(dāng)f和d一定時，ρ值決定了屏蔽層導(dǎo)電性能，而SE值越高，屏蔽效果越好。納米微粒的表面原子數(shù)與粒子總原子數(shù)之比大體與α/γ成正比，(γ為粒子半徑，α為原子半徑)，納米粒子的表面原子存在大量的懸掛鍵和晶格畸變，具有較大的活性。納米粒子粒度越小，其表面原子就越多，其物理化學(xué)活性就越大。從吸波機(jī)理角度來說，吸波材料可分為導(dǎo)電型和導(dǎo)磁型兩類。所謂導(dǎo)電型吸波材料，即當(dāng)吸波材料受到外界磁場感應(yīng)時，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流又產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場，從而與外界磁場相抵消，達(dá)到對外界電磁場的屏蔽作用。導(dǎo)磁型吸波材料則是通過磁滯損耗和鐵磁共振損耗而大量吸收電磁波的能量，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。納米材料由晶相和非晶相組成，對于雙相軟磁材料在材料內(nèi)部出現(xiàn)不利于疇壁運(yùn)動的雜散磁化，使得磁損耗增加，隨磁損耗的增加會導(dǎo)致材料對電磁波吸收損耗的增強(qiáng)，宏觀反映材料的電磁參量增大，這就是粒徑小的納米材料的磁損耗大于粒徑大的納米材料的磁損耗的物理本質(zhì)。納米材料的吸波能力隨頻率的增加而增加，主要是由于磁潰損耗，渦流損耗等損耗方式有隨頻率的增加而增大的特性所致。
納米材料是指材料組分的特征尺寸在1-100nm范圍的材料。當(dāng)一個微粒的尺寸小到納米量級時，它的微觀結(jié)構(gòu)和性能既不同于原子、分子的微觀體系，也不同于顯示本特征性質(zhì)的大顆粒材料宏觀體系，而是介于二者之間的一個過渡體系。納米微粒尺寸小，比表面積大，具有很高的表面能，從而對其化學(xué)性質(zhì)有很大影響。實(shí)驗(yàn)證明，粒子分散度提高到一定程度后，隨著粒子直徑的減小，位于粒子表面的原子數(shù)與總原子數(shù)的比值急劇增大，當(dāng)粒徑降為5nm時，表面原子所占比例可達(dá)50％。由于表面原子數(shù)增加，微粒內(nèi)原子數(shù)減少，使能帶中的電子能級發(fā)生分裂，分裂后的能級間隔正處于微波的能量范圍內(nèi)(1×12-2-1×10-5eV)，從而導(dǎo)致新的吸波通道。納米材料由于其自身結(jié)構(gòu)上的特征而具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，因而與同組分的常規(guī)材料相比，在催化、光學(xué)、磁性、力學(xué)等方面具有許多奇異的性能，在電磁波吸收方面顯示出很好的發(fā)展前景。當(dāng)電磁波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時，會產(chǎn)生反射、折射、繞射和散射、吸收等現(xiàn)象，所謂防電磁波性能，是指當(dāng)電磁波射向某一屏蔽材料時有較大的傳輸衰減；從而達(dá)到使電磁波高吸收衰減的效果。
實(shí)施例1納米吸波塑料材料含有58％的ABS塑料母料，33％的納米β-炭化硅，1％的納米鎳粉，8％的聚苯胺。
實(shí)施例2納米吸波塑料材料產(chǎn)品的制備方法，依次按下述步驟進(jìn)行a.將塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻待用；b.制納米母粒將納米β-炭化硅、納米鎳粉、液態(tài)聚苯胺按重量百分比稱取所需的重量倒入另一混料器中，超聲波振蕩均勻，烘干制粒待用；c將制得的納米母粒與塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻，其混合重量比為納米母?！盟芰夏噶＃?～2.8∶1.3～5.6，或1～2.5∶2.0～5.0；d.除濕干燥；
e、工藝流程①、納米母粒+塑料母?；炝?；②、60℃～65℃除濕干燥；③、攪拌均勻加入料箱；④、在注塑機(jī)中升溫，其升溫溫度為60℃-200℃或80℃-180℃；⑤、在注塑機(jī)中調(diào)壓，其壓力為40-140MPa或60-120MPa；⑥、注塑或吹塑；⑦、吸波材料成品。
材料要求①、納米β-炭化硅、納米鎳粉粒徑為d＜100nm，其純度≥99％；因?yàn)榱讲煌缺砻娣e、外露自由電子差異很大，對吸波性能影響很大，因而是吸波塑料的關(guān)鍵；②、塑料母粒包括ABS，POM，PE，PA，PC，PMMA，PS，PVA，根據(jù)不同的用途選取不同的塑料母粒，上述不同的品種可以是其中單獨(dú)一種塑料母粒也可以是兩種或兩種以上復(fù)合制成。
實(shí)施例3納米吸波塑料材料含有63％的POM塑料母料，28％的納米β-炭化硅，3％的納米鎳粉，6％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例4納米吸波塑料材料含有68％的PE塑料母料，18％的納米β-炭化硅，4％的納米鎳粉，10％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例5納米吸波塑料材料含有75％的PA塑料母料，15％的納米納米β-炭化硅，2％的納米鎳粉，8％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例6
納米吸波塑料材料含有83％的PC塑料母料，8％的納米β-炭化硅，1％的納米鎳粉，8％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例7納米吸波塑料材料含有80％的PMMA塑料母料，10％的納米β-炭化硅，2％的納米鎳粉，8％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例8納米吸波塑料材料含有60％的PS塑料母料，20％的納米β-炭化硅，5％的納米鎳粉，15％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
實(shí)施例9納米吸波塑料材料含有65％的PVA塑料母料，17％的納米β-炭化硅，2％的納米鎳粉，16％的聚苯胺。制備方法同實(shí)施例2。
綜上所述，采用本發(fā)明的材料組合物，可以注塑成各種形狀的板材、異型材、管材、機(jī)殼等或吹塑成各種各樣防護(hù)罩及其他防護(hù)用品。
權(quán)利要求
1.一種納米吸波塑料材料，由塑料母粒和納米材料組成，其特征在于所說的塑料母粒包括丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，聚甲醛(POM)，聚乙烯(PE)，聚酰胺(PA)，聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚氯乙烯(PVC)，聚四氯乙烯(PTFE)，聚酯樹脂； 所說納米材料包括納米β-炭化硅，納米鎳粉，聚苯胺；其中納米吸波塑料材料含有58％～83％的塑料母料，8～33％的納米β-炭化硅，1～6％的納米鎳粉，8～22％的聚苯胺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米吸波塑料材料，其特征在于所說的納米吸波塑料材料含有63％～80％的塑料母料，12～28％的納米β-炭化硅，2～5％的納米鎳粉，12～18％的聚苯胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米吸波塑料材料，其特征在于所說的納米吸波塑料材料含有68％～75％的塑料母料，13～25％的納米β-炭化硅，3～4％的納米鎳粉，8～16％的聚苯胺。
4.一種實(shí)現(xiàn)納米吸波塑料材料產(chǎn)品的制備方法，依次按下述步驟進(jìn)行a、將塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻待用；b、制納米母粒將納米β-炭化硅、納米鎳粉、液態(tài)聚苯胺按重量百分比稱取所需的重量倒入另一混料器中，超聲波振蕩均勻，烘干制粒待用；c、將制得的納米母粒與塑料母粒按重量百分比稱取所需的重量倒入混料器中攪拌均勻，其混合重量比為納米母?！盟芰夏噶＃?～2.8∶1.3～5.6；d、除濕干燥；e、工藝流程①、納米母粒+塑料母粒混料；②、60℃～65℃烘干除濕干燥；③、攪拌均勻加入料箱；④、在注塑機(jī)中升溫，其升溫溫度為60℃-200℃；⑤、在注塑機(jī)中調(diào)壓，其壓力為40-140MPa；⑥、注塑或吹塑；⑦、吸波材料成品。材料要求①、納米β-炭化硅、納米鎳粉粒徑為d＜100nm，其純度≥99％；②、塑料母粒包括ABS，POM，PE，PA，PC，PMMA，PS，PVC，聚四氯乙烯PTFE，聚酯樹脂，上述不同的品種可以是其中單獨(dú)一種塑料母粒，也可以是兩種或兩種以上復(fù)合制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米吸波復(fù)合塑料材料及其制備方法。由塑料母粒和納米材料組成，塑料母粒包括ABS，POM，PE，PA，PC，PMMA，PS，PVA；納米材料包括納米β－炭化硅，納米鎳粉，聚苯胺。制備方法將塑料母粒倒入混料器中攪拌均勻待用；納米母粒倒入另一混料器中，超聲波振蕩均勻，烘干制粒待用；將制得的納米母粒與塑料母粒按百分比稱取重量倒入混料器中再攪拌均勻，除濕干燥，注塑或吹塑成品。具有屏蔽波段范圍寬、電磁波吸收率高、反射率低、不產(chǎn)生二次污染，可以注塑成各種板材、異型材、管材、機(jī)殼等或吹塑成各種防護(hù)罩及其他防護(hù)用品。廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、軍事、航天、建筑、交通等領(lǐng)域，有好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號C08K3/34GK1727401SQ200510043010
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者高建中 申請人:西安華捷科技發(fā)展有限責(zé)任公司