專利名稱：：用于傳導(dǎo)復(fù)合材料的長(zhǎng)纖維熱塑性工藝和由其形成的復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及包括導(dǎo)電纖維以提供電磁干擾(EMI)屏蔽的聚合物制品，及其制造方法。更特別地，本發(fā)明涉及通過(guò)借助直接注入傳導(dǎo)性纖維到擠出工藝中，在聚合物材料內(nèi)浸漬傳導(dǎo)性纖維，形成屏蔽材料的方法。本發(fā)明的EMI屏蔽聚合物可形成為寬泛的各種產(chǎn)品，例如射頻和電磁屏蔽塑料制品。
背景技術(shù)：
：隨著電子設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字器件的使用增加，高度關(guān)心與電磁輻射，尤其雷達(dá)波、微波和電路所產(chǎn)生的電磁輻射有關(guān)的危害。由于電子工業(yè)繼續(xù)快步增長(zhǎng)，因此仍需要產(chǎn)生可摻入到電子產(chǎn)品內(nèi)的改進(jìn)的電磁波屏蔽材料。開(kāi)發(fā)了許多導(dǎo)電材料以制造復(fù)合制品，例如塑料制品使其具有電磁屏蔽、靜電耗散和其他電性能提高的特征。與常規(guī)的金屬材料相比，由導(dǎo)電材料形成的塑料制品尤其便利，這是因?yàn)樗鼈冚p質(zhì)、使用注塑技術(shù)容易生產(chǎn)且成本低。典型地，這些導(dǎo)電材料是塑料和傳導(dǎo)性粉末和短切纖維的復(fù)合材料。當(dāng)摻入導(dǎo)電粉末和短切纖維到復(fù)合制品內(nèi)時(shí)，使用過(guò)各種技術(shù)。圖1示出了常用的常規(guī)熱塑性擠出配混技術(shù)，熱塑性樹(shù)脂112被喂入到配混機(jī)110內(nèi)。加熱樹(shù)脂112到熔融溫度，然后將纖維或粉末(統(tǒng)一表示為114)喂入到配混機(jī)110內(nèi)，在傳導(dǎo)性粉末或短切纖維內(nèi)混合。擠出樹(shù)脂/破碎的纖維混合物118，在水浴120內(nèi)冷卻，然后通過(guò)線料切粒機(jī)122切成粒料124。然后將粒料124典型地喂入到注塑機(jī)(未示出)的熔融部分內(nèi)。圖1所示的工藝中的粒料包括因螺桿116的切割作用和熔融該樹(shù)脂所施加的剪切力導(dǎo)致破碎的纖維。在配混工藝過(guò)程中纖維破碎，以便所得復(fù)合制品含有僅僅相對(duì)短的破碎纖維。短纖維賦予復(fù)合材料降低的電磁屏蔽性能，這是因?yàn)樗鼈冃纬蓚鲗?dǎo)性纖維網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)該復(fù)合制品傳導(dǎo)電的能力降低?；蛘?，當(dāng)將傳導(dǎo)性粉末與熔融熱塑性塑料混合時(shí)，典型地需要使用非常大量的傳導(dǎo)性粉末。這樣大量的粉末可導(dǎo)致粉末分散性差或者最終產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度降低。因此，采用破碎纖維和粉末形成的復(fù)合制品要求較高的負(fù)載或填料濃度，這將導(dǎo)致所形成的復(fù)合制品的機(jī)械強(qiáng)度下降且材料成本較高。標(biāo)題為"MethodforFormingElectricallyConductiveFibersandFiberPellets(形成導(dǎo)電纖維和纖維粒料的方法)"的美國(guó)申請(qǐng)公料到Ni-涂布的纖維上，使纖維與熱塑性基體材料相容；(2)熱干燥施膠劑；(3)用熱塑性基體材料漆包線漆涂裝纖維；(4)猝滅該熱塑性基體材料；(5)干燥涂布的纖維；(6)短切或造粒涂布的纖維；(7)將該粒料喂入到注塑機(jī)內(nèi)；和(8)熔融該粒料并注塑部件而形成的電》茲波屏蔽粒料。造粒的纖維方法的每一步使得材料損失和低效，顯示出循環(huán)時(shí)間并提供缺陷幾率。存在數(shù)個(gè)額外的缺點(diǎn)。在漆包線漆涂裝工藝過(guò)程中和再次在注塑工藝過(guò)程中加熱熱塑性聚合物將劣化聚合物的性能。嚴(yán)重的劣化可使聚合物分解并形成氣體，而氣體會(huì)導(dǎo)致孔隙和隨后屏蔽性能與機(jī)械性能損失。另外，為了實(shí)現(xiàn)良好的模具填充，該聚合物必須有足以填充部件的凸緣或其他小的特征的熔體流動(dòng)性。通過(guò)選擇熱塑性材料、溫度、停留時(shí)間和來(lái)自螺桿的剪切，實(shí)現(xiàn)熔體流動(dòng)。來(lái)自螺桿的高剪切提供足夠高的熔體流動(dòng)，但使傳導(dǎo)性纖維破碎成越來(lái)越小的長(zhǎng)度并減少纖維形成連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)的能力?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效應(yīng)的美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)-D4935,或者通過(guò)測(cè)量近場(chǎng)效應(yīng)的美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)ES7-83，測(cè)定屏蔽效應(yīng)。US2002/0108699公開(kāi)了在30-1500MHz的頻率下和15重量％的纖維負(fù)載下，生產(chǎn)屏蔽效應(yīng)為80-90分貝(遠(yuǎn)場(chǎng))和小于80分貝(近場(chǎng))的電磁屏蔽制品。形成屏蔽制品的替代干混方法要求短切的傳導(dǎo)性纖維與樹(shù)脂直接在注塑操作時(shí)混合。這典型地導(dǎo)致非常差的纖維分散和部件與部件之間電性能的不一致。US2002/0108699乂^開(kāi)了在30-1500MHz的頻率下和15重量。/。的纖維負(fù)載下，干混方法產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)為60-70分貝(dB)的電磁屏蔽制品。圖1示出了根據(jù)US2002/0108699的在線工藝，其中從包裝或巻筒105處退繞纖維絲束103并通過(guò)含水硅烷浴106牽拉，施加傳導(dǎo)性涂層到絲束103上。然后絲束103牽拉通過(guò)含水硅烷浴104并通過(guò)烘箱108。絲束103然后穿過(guò)非含水的施膠浴107。然后絲束103巻繞在包裝(或巻筒)113上。隨后造粒涂布的纖維并置于注塑機(jī)的擠出機(jī)內(nèi)。形成EMI屏蔽復(fù)合制品的前述方法沒(méi)有完全令人滿意，這是因?yàn)樵谧罱K的部件內(nèi)的短纖維的長(zhǎng)度降低屏蔽并使得需要額外的纖維負(fù)載。來(lái)自漆包線漆涂裝、造粒和隨后注塑粒料的平均纖維長(zhǎng)度為約0.5毫米。由于傳導(dǎo)性纖維必須彼此接觸形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)并提供屏蔽，因此要求10-20重量％的碳纖維或鎳涂布的碳纖維提供充足的EMI屏蔽。這一高水平的纖維負(fù)載將增加復(fù)合制品的成本，因?yàn)槔w維的成本高且抑制聚合物在模具內(nèi)流動(dòng)。高的纖維荷載還顯著增加制品的模量，但降低抗沖擊性。在諸如移動(dòng)電話和桌面計(jì)算機(jī)之類的物品內(nèi)使用EMI屏蔽樹(shù)脂，其中預(yù)期所述樹(shù)脂可耐抗來(lái)自下落至多一米或還要大的距離的沖擊且不出現(xiàn)破壞。填充到10-20重量％纖維的熱塑性樹(shù)脂變脆且對(duì)破碎敏感。形成EMI屏蔽復(fù)合制品的前一方法的另一缺點(diǎn)是纖維分散性差。造粒的材料難以加工以便纖維充分地分散，并沒(méi)有在復(fù)合材料內(nèi)形成有效的傳導(dǎo)性纖維網(wǎng)絡(luò)。然而，當(dāng)有時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的纖維分布時(shí)，粒料和纖維被搗碎到使得平均纖維長(zhǎng)度為約0.5毫米的程度，和結(jié)果短纖維在復(fù)合材料內(nèi)沒(méi)有形成有效的傳導(dǎo)性纖維網(wǎng)絡(luò)。在任何一種情況下，需要用傳導(dǎo)性纖維過(guò)度加栽復(fù)合材料，以補(bǔ)償在復(fù)合材料內(nèi)不足的傳導(dǎo)性纖維網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)題為"ResinandFiberCompoundingProcessforMoldingOperations(用于模塑操作的樹(shù)脂和纖維配混工藝)，，的美國(guó)專利No.6676864(在此通過(guò)參考全文引入)公開(kāi)了制備纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂和模塑該樹(shù)脂的裝置與方法。US6676864專利表明注塑裝置包括兩段擠出機(jī)，第一個(gè)賦予剪切力使聚合物熔融，和第二個(gè)將熔融的熱塑性塑料喂入到模具內(nèi)。在擠出機(jī)的兩段之間供應(yīng)增強(qiáng)纖維，例如玻璃纖維、碳-石墨纖維或凱弗拉(Kevlar)纖維。美國(guó)專利No.6676864的;f莫塑裝置沒(méi)有考慮電磁屏蔽。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解答了與形成EMI屏蔽聚合物的前一方法有關(guān)的問(wèn)題。長(zhǎng)纖維熱塑性技術(shù)允許在較低的纖維負(fù)載下，傳導(dǎo)性纖維維持足以提供EMI屏蔽的長(zhǎng)度。形成EMI屏蔽復(fù)合制品的長(zhǎng)纖維熱塑性工藝還提供增加的抗沖擊性、提高表面的美學(xué)性能和在較低的材料成本和降低的廢物與邊角料情況下改進(jìn)的擠出與注塑加工。與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，本發(fā)明中用于傳導(dǎo)性復(fù)合材料的長(zhǎng)纖維熱塑性工藝和由其形成的復(fù)合材料更加簡(jiǎn)單，更加有效并提供改進(jìn)的性能。包括提供進(jìn)一步理解本發(fā)明并引入且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖，闡述了本發(fā)明的實(shí)施方案，且與說(shuō)明書(shū)一起起到解釋本發(fā)明原理的作用，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中配混EMI屏蔽熱塑性擠出材料的漆包線漆涂裝工藝的示意圖。圖2是可用于實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)擠出機(jī)的部分截面的平面視圖。具體實(shí)施方案從樹(shù)脂供應(yīng)處14向樹(shù)脂主擠出機(jī)12提供熱塑性樹(shù)脂，優(yōu)選粒料形式的熱塑性樹(shù)脂。該樹(shù)脂可以是擬用于產(chǎn)品目的的任何各種可接受的熱塑性樹(shù)脂，例如聚丙烯、尼龍、聚氨酯和聚酯。熔融螺桿16在擠出機(jī)10的熔融機(jī)筒18內(nèi)旋轉(zhuǎn)。盡管熔融螺桿16的剪切力可提供充足的熱量熔融并調(diào)節(jié)聚合物，但熔融機(jī)筒18可配有額外的熱源，這是本領(lǐng)域中已知的?？稍跈C(jī)筒40的下游端使用流動(dòng)控制板20，控制樹(shù)脂15流出擠出機(jī)機(jī)筒18并進(jìn)入涂布模頭22。通過(guò)直徑減少或者通過(guò)在其他情況下限制在機(jī)筒18內(nèi)的流動(dòng)，板20典型地限制樹(shù)脂15的流動(dòng)。涂布模頭22和與樹(shù)脂15接觸的任何裝置可包括合適的加熱元件以維持所需的樹(shù)脂溫度。可通過(guò)壓力傳感器監(jiān)控在涂布模頭內(nèi)的壓力，所述壓力傳感器向熔融螺桿16的驅(qū)動(dòng)電機(jī)17提供控制信號(hào)。纖維巻筒24提供屏蔽纖維絲束26的直接喂料。屏蔽纖維可以是任何合適的組合物，例如在碳、芳族聚酰胺纖維或玻璃或其他合適的基底上涂布的鎳、銅或和傳導(dǎo)性材料，或者可使用不銹鋼、銅或類似的金屬纖維。纖維被牽引通過(guò)注射噴嘴28進(jìn)入涂布模頭22的涂布腔室32內(nèi)。屏蔽纖維26然后緊密地與熔融聚合物材料15共混并用其涂布。涂布的屏蔽纖維26然后通過(guò)可互換的插件30中的模頭孔隙36流出涂布模頭22?？赏ㄟ^(guò)改變插件30調(diào)節(jié)模頭孔隙36的直徑，以控制屏蔽纖維26與樹(shù)脂15之比。樹(shù)脂15,纖維26的混合物流出涂布模頭22，并可在外殼54、56中的切割腔室50內(nèi)通過(guò)刮刀52切割屏蔽纖維26。樹(shù)脂15和纖維26的混合物經(jīng)孔隙58流出腔室50進(jìn)入擠出機(jī)60內(nèi)。擠出機(jī)60典型地包括將樹(shù)脂15和纖維26的混合物喂入擠出模頭64內(nèi)的機(jī)筒62。供料螺桿66與機(jī)筒62—起旋轉(zhuǎn)，并可任選地沿著軸72往復(fù)移動(dòng)，將模塑材料的原料經(jīng)孔隙63喂入到模頭64的模塑腔68內(nèi)。進(jìn)料螺桿66通過(guò)電源元件70驅(qū)動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)或更多個(gè)加熱元件和溫度探針控制的微處理器(未示出)來(lái)控制在機(jī)筒18內(nèi)的溫度、涂布腔室32、切割腔室50和擠出機(jī)60。合適的聚合物包括熱塑性聚合物，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET)、聚對(duì)苯二曱酸丁二酯(PBT)、聚乙烯(PA),和其他熱塑性材料具有合適的機(jī)械、熱和熔體流動(dòng)性能。其他纖維包括金屬涂布的玻璃和碳纖維，其中包括金屬，例如鋁、銅、鎳和鉛的涂層。等離子體沉積、熔融液體沉積和電沉積金屬是優(yōu)選的涂布纖維的方法。在模塑腔68內(nèi)模塑的制品包括許多單獨(dú)的屏蔽纖維26,其中每一纖維具有通過(guò)刮刀52的作用所確立的預(yù)定長(zhǎng)度。模塑制品包括長(zhǎng)度為圖1所示的漆包線漆涂裝法和造粒法的長(zhǎng)度約3倍的纖維。來(lái)自漆包線漆涂裝、造粒和注塑粒料的平均長(zhǎng)度為約0.5mm。預(yù)期的Ni-C纖維的平均長(zhǎng)度為大于或等于1.5mm。通過(guò)生成傳導(dǎo)性網(wǎng)絡(luò)的接觸的纖維數(shù)量，從而確定模塑材料的屏蔽性能。長(zhǎng)纖維熱塑性塑料(LFTP)應(yīng)當(dāng)能降低實(shí)現(xiàn)相同連接性所需的纖維數(shù)量為最初量的1/4-1/3。因此，與需要15%-20重量％的纖維負(fù)載相反，LFTP可降低所需的纖維低至復(fù)合材料的4-5重量％。降低碳纖維量例如到5%的負(fù)載將極大地改進(jìn)沖擊強(qiáng)度。損失沖擊強(qiáng)度將嚴(yán)重地限制傳導(dǎo)性復(fù)合材料的應(yīng)用數(shù)量，例如移動(dòng)電話外部。我們可預(yù)期最多50%的沖擊改進(jìn)或者纖維體積更多地下降到5重量%。5%的纖維負(fù)載還改進(jìn)表面美學(xué)性能，消費(fèi)品的外殼的另一問(wèn)題。在表面處的纖維得到差的外觀。5%的纖維負(fù)載可節(jié)約最多7"/。的纖維成本，這可節(jié)約$30美元/磅或更多。實(shí)施例下述實(shí)施例是預(yù)言性的，并估計(jì)了所有機(jī)械與屏蔽性能。在實(shí)施例1中，熔融丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)聚合物并將10%重量的鎳涂布的碳(NCC)纖維加入到ABS中。切割纖維為一定長(zhǎng)度，并擠出ABS/纖維熔體，形成復(fù)合部件。在實(shí)施例2中，熔融ABS聚合物，并將7.5%重量的NCC纖維加入到ABS中。切割纖維為一定長(zhǎng)度，并擠出ABS/纖維熔體，形成復(fù)合部件。在實(shí)施例3中，熔融ABS聚合物，并將5.0%重量的NCC纖維加入到ABS中。切割纖維為一定長(zhǎng)度，并擠出ABS/纖維熔體，形成復(fù)合部件。以下估計(jì)了各實(shí)施例的性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>以上既一般性又相對(duì)于具體實(shí)施方案，描述了本申請(qǐng)的發(fā)明。盡管列出了認(rèn)為是優(yōu)選實(shí)施方案的本發(fā)明，但可在一般的公開(kāi)內(nèi)容中選擇本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的寬泛的各種替代方式。本發(fā)明不受其限制，除非在以下列出的權(quán)利要求中的引證內(nèi)容。權(quán)利要求1.具有改進(jìn)的電磁屏蔽性能的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，它包括熱塑性聚合物；和小于10重量％傳導(dǎo)性纖維，其中該復(fù)合制品的電磁屏蔽效率為至少70dB。2.權(quán)利要求1的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，其中電磁屏蔽效率為至少90dB。3.權(quán)利要求1的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，其中所述傳導(dǎo)性纖維以小于5重量％的用量存在。4.權(quán)利要求1的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，其中所述熱塑性聚合物選自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚對(duì)苯二曱酸乙二酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚乙烯(PA)。5.權(quán)利要求1的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，其中因熔融歷史導(dǎo)致的所述熱塑性聚合物的性能劣化顯著下降。6.制造復(fù)合制品的方法，該方法包括下述步驟熔融熱塑性材料；添加傳導(dǎo)性纖維到所述熔融的熱塑性材料中；切割所述傳導(dǎo)性纖維為預(yù)定長(zhǎng)度；和注塑該熱塑性材料，形成電磁屏蔽效率為至少70dB的復(fù)合制品。7.具有電磁屏蔽層的數(shù)字器件，所述屏蔽層包括熱塑性聚合物；和小于10重量％的傳導(dǎo)性纖維，其中該復(fù)合制品的電磁屏蔽效率為至少70dB。8.權(quán)利要求7的纖維增強(qiáng)的聚合物制品，其中電磁屏蔽效率為至少90dB。全文摘要本發(fā)明涉及用于傳導(dǎo)復(fù)合材料的長(zhǎng)纖維熱塑性工藝和由其形成的復(fù)合材料以及包括導(dǎo)電纖維以提供電磁干擾(EMI)屏蔽的聚合物制品，及其制造方法。本發(fā)明包括通過(guò)借助直接注入傳導(dǎo)性纖維到擠出工藝中，在聚合物材料內(nèi)浸漬傳導(dǎo)性纖維，形成屏蔽材料的方法。本發(fā)明還包括EMI屏蔽聚合物和由通過(guò)本發(fā)明的屏蔽聚合物形成的部件進(jìn)行射頻和電磁屏蔽的產(chǎn)品。文檔編號(hào)C08K7/02GK101309959SQ200680042734公開(kāi)日2008年11月19日申請(qǐng)日期2006年10月20日優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日發(fā)明者T·P·黑格申請(qǐng)人:Ocv智識(shí)資本有限責(zé)任公司