技术领域
本发明涉及聚合物复合材料领域，具体是一种聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子工业的快速发展，电磁干扰(EMI)问题日趋严重。电磁波干扰不仅会对精密的电子设备造成影响,同时对人体健康也有着极大的危害，因此研发高效的电磁屏蔽材料以解决电磁干扰问题已得到人们的广泛关注。传统的电磁屏蔽材料,如金属及其复合材料,虽然具有良好的电磁屏蔽效能,但存在自身重量大、生产效率低和成本高等问题，因而无法适应一些特殊场合的用途。与金属材料相比，导电高分子材料具有质量轻、易成型、生产效率高和成本低等优点，是一种可部分替代金属材料的新型电磁屏蔽材料[Chung D.Carbon,2012,50:3342]。
聚丙烯(PP)是目前应用最广泛的高分子材料之一，由于其原料来源丰富，价格低廉，综合性能优良，被广泛应用于工业生产、医药卫生等领域。改性后的聚丙烯可以部分替代工程塑料使用，进一步拓宽其应用范围。随着现代科技的飞速发展，聚丙烯的导电功能化成为其改性的重要方向之一。具有导电功能的聚丙烯复合材料可作为电磁屏蔽材料应用于微电子、军事通讯、航空航天等高精尖领域。
为满足电磁屏蔽材料屏蔽效能大于20dB的使用要求，导电高分子材料的体积电导率需大于1S/m[Thomassin M,et al.Mater.Sci.Eng.2013,74:211]，而通常高分子材料的体积电阻率在1010-1020Ω·cm之间，是优良的绝缘材料，通过添加导电填料对聚合物进行改性是实现聚合物导电功能化的主要手段。为使聚合物的导电率大于1S/m，常需要加入高含量的导电填料或采用特殊的制备方法以使导电填料在聚合物基体中实现导电网络的有效构建。Liu等在聚氨酯中加入20wt％的碳纳米管，所制得复合材料的电磁屏蔽效能为17dB[Arjmand M,et al.Carbon.2012,50:5126]。Yan等制备了具有隔离结构的聚苯乙烯/石墨烯复合材料，特殊的结构设计使石墨烯在极低含量下形成导电网络，当石墨烯含量为3.47vol％时，复合材料电导率达到43.5S/m，电磁屏蔽性能为45.1dB[Yan,et al.Adv.Funct.Mater.2015,25:559]。然而，上述方法在提高聚合物电导率的同时必然会带来成本增加、材料成型难度大、机械性能下降等问题[Arjmand M,et al.Carbon,2012,50:5126]。寻求高效、价廉的导电填料，并通过常规加工手段制备满足电磁屏蔽要求且易实现工业化生产的导电高分子材料仍是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明为了解决目前导电高分子材料生产效率低、成本高的问题，提供了一种聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料，是由85.0～92.0vol％的聚丙烯(PP)、7～14.0vol％的镀镍玻璃纤维(NCGF)以及0.5～1.0vol％的二氧化钛(TiO2)构成的。
本发明将二氧化钛与镀镍玻璃纤维作为二元填料对聚丙烯进行功能化改性。利用玻璃纤维具有较大长径比、易于搭接的结构特点，实现包覆镍层在聚丙烯中的连续分布与网络化构建，在极低金属镍含量下形成导电通路，赋予聚丙烯导电性能；同时利用二氧化钛的高介电常数及两极极化效应特点，在聚合物中加入纳米TiO2粒子，通过界面极化作用衰减电磁波，提高复合材料的电磁屏蔽效能。将具有高导电性的镀镍玻璃纤维和二氧化钛协同作用，可显著提高聚丙烯的电导率及电磁屏蔽效能。
进一步，本发明提供了所述聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料的制备方法，其步骤为：聚丙烯经密炼熔融后与二氧化钛混炼使混合均匀，随后加入镀镍玻璃纤维，混炼得到分散均匀的混合物，然后热压成型得到所述聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
优选的，所述聚丙烯的密炼时间为5～10min；所述聚丙烯与二氧化钛的混炼时间为5～10min；聚丙烯与二氧化钛的混合物与镀镍玻璃纤维的混炼时间为7～10min；密炼和混炼的搅拌速度为30～60rpm。
另外，所述密炼和混炼均是在转矩流变仪内实现的。转矩流变仪内的温度为180～210℃。
而且，聚丙烯、二氧化钛及镀镍玻璃纤维的混合物是在190～210℃、10～15MPa条件下热压成型的。
本发明所述复合材料的制备方法能有效提高聚丙烯的体积电导率，通过改变组分配比，可以调节复合材料的电导率及电磁屏蔽效能，得到具有良好导电性能及电磁屏蔽性能的聚丙烯复合材料，是一种高效、低成本、成型工艺简单的电磁屏蔽功能复合材料制备方法。
附图说明
图1为本发明制备的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料的电导率曲线图。从图中可以看出，随着导电粒子Ni含量的增加，复合材料得电导率显著提高；且二氧化钛与镀镍玻璃纤维有显著的协同效应，在PP/NCGF体系中加入少量(0.7-0.8vol％)TiO2，当镍含量(在复合材料中的体积含量)基本相同的前提下可使复合材料电导率提高1-2个数量级。
图2为聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料的电磁屏蔽性能随频率的变化曲线图。从图中可以看出，随着镀镍玻璃纤维含量上升，复合材料的屏蔽效能逐渐提高，当NCGF含量为12.7vol％时，复合材料屏蔽效能可达到42dB，表现出良好的电磁屏蔽性能(镍在镀镍玻璃纤维中的含量为4vol％)。
具体实施方式
实施例一：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至200℃，向其中加入38.5g聚丙烯，密炼5min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入1.5g纳米二氧化钛，混炼10min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入10g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为91.46:7.74:0.8混炼10min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在190℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例二：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至200℃，向其中加入36g聚丙烯，密炼5min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入1.5g纳米二氧化钛，混炼10min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入12.5g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为89.10:10.10:0.8，混炼10min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在190℃、10MPa的条件下热压成型，得到具有高电导率和电磁屏蔽效能的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例三：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至200℃，向其中加入34.5g聚丙烯，密炼5min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入1.5g纳米二氧化钛，混炼10min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入14g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为87.60:11.60:0.8，混炼10min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在190℃、10MPa的条件下热压成型，得到具有高电导率和电磁屏蔽效能的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例四：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至200℃，向其中加入33.5gml聚丙烯，密炼5min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入1.5g纳米二氧化钛，混炼10min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入15g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为86.55:12.65:0.8，混炼10min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在190℃、10MPa的条件下热压成型，得到具有高电导率和高电磁屏蔽效能的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例五：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入41.9g聚丙烯，密炼5min，转速为30rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入1.1g纳米二氧化钛，混炼5min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入9.9g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为92.0:7.5:0.5，混炼7min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在190℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例六：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至210℃，向其中加入38.7g聚丙烯，密炼10min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入2.1g纳米二氧化钛，混炼10min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入16.8g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为85.0:14.0:1.0，混炼10min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在210℃、15MPa的条件下热压成型，得到具有高电导率和高电磁屏蔽效能的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
实施例七：
聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛电磁屏蔽功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将转矩流变仪升温至190℃，向其中加入41.9g聚丙烯，密炼8min，转速为45rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向转矩流变仪中加入2.1g纳米二氧化钛，混炼8min，使二者均匀混合；
(3)再向转矩流变仪中加入9.3g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与镀镍玻璃纤维及纳米二氧化钛的体积比为92.0:7.0:1.0，混炼9min，得到分散均匀的混合物；
(4)将步骤(3)得到的混合物在200℃、12MPa的条件下热压成型，得到具有高电导率和高电磁屏蔽效能的聚丙烯/镀镍玻璃纤维/二氧化钛复合材料。
表1 实施例一到实施例四所制得复合材料的电导率及电磁屏蔽效能