纤维增强PBT复合材料的性能研究

曾德明，王燕华，唐绍其，黄 颖，樊丽琳，胡振丹

（1.广西安全工程职业技术学院，广西 南宁 530100；2.广西武鸣中健包装有限公司，广西 南宁 530105）

随着国家政策的推动，具有高频、高速、低延迟等特点的5G通讯技术发展迅速。5G通讯毫米波的信号延迟、信号损耗和信号传输速度等，受材料的介电性能的影响很大，因此，材料的介电性能是评判其能否在5G领域应用的关键性能参数。介电性能主要是指介电常数和损耗角正切值，是评判材料透波性能的主要指标[1]。介电常数是材料在电场作用下极化能力的反映，而介电损耗则是指在电场作用下，因材料电导和极化的滞后而造成的能量损耗。降低材料的介电常数和介电损耗，有利于提高信号的传输速度，降低延迟，减少损失。因此，低介电材料的研究意义重大。

低介电PBT复合材料是实现5G技术必需的基础材料之一，主要应用于5G基站、智能终端、天线与射频模块等。从现有的技术手段来看，实现PBT复合材料的低介电性能非常容易，但在保持低介电性能的同时，实现优异的机械性能则是行业难点。目前改性塑料行业制备低介电PBT复合材料主要通过以下途径实现：1）选用低介电树脂作为基材或合金部分，如PCTG、PS、PPE、POK等，但是低介电树脂通常与PBT的相容性差，耐热性低，成本高，存在供应不稳定的情况[2]；2）降低玻璃纤维的含量。目前5G手机隔断条件材料均为PBT添加20 % GF的材料，如Dupont CE 2092、Sabic WF004N等，其介电常数和介电损耗角正切值分别为2.92和0.006。但降低玻璃纤维的添加量会导致PBT复合材料的机械性能和耐热性下降；3）通过特殊工艺改变材料的微观结构和形态。因受限于PBT树脂的性能及相关的工艺技术，未有实际应用。

普通PBT材料通常以玻璃纤维作为增强材料，其中无碱E型玻璃纤维（EGF）的技术成熟，原料来源广泛，具有机械强度高、耐热性好、绝缘性能优良、抗腐蚀、成本低等诸多优点，但是存在性脆、耐磨性差等不足。此外，EGF的介电常数高，1MHz下的介电常数在6.6~8.1之间[3-6]。

玄武岩纤维（BF）是一种性能优异的环保型无机纤维，具有耐高温、强度高、耐腐蚀等特点[7-9]，目前主要应用于航空航天、建筑、环保等热固性树脂领域，极少用于热塑性塑料的改性研究。根据文献报道，BF的透波性能好，介电常数、介电损耗角正切值分别低至2.63和0.005，电磁波透过损耗小[10-13]。

低介电玻璃纤维（DGF）是一种新型玻璃纤维，其在1MHz下的介电常数可达4.3。DGF的生产要严格控制其金属化合物的组成，熔融温度高，成本高昂且产量低，因此较少用于PBT改性，目前未见DGF增强PBT复合材料介电性能的相关研究报道。

本文使用BF、DGF、EGF来增强PBT材料，采用双螺杆挤出，制备了PBT复合材料，研究了3种不同的纤维对PBT复合材料的机械性能、耐热性能及介电性能的影响，以期为BF、DGF、EGF在低介电PBT材料中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PBT树脂，短切玄武岩纤维，E型玻璃纤维，D型玻璃纤维，乙烯-丁烯弹性体接枝马来酸酐，四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，季戊四醇硬脂酸酯(均为工业品)。

1.2 主要设备及仪器

缺口冲击性能按GB/T 1843-2008进行测试，测试仪器：GT-7045-MD型摆锤式冲击试验机。

拉伸性能按GB/T 1040-2018进行测试，测试仪器：CMT型万能试验机。

弯曲性能按GB/T 1449-2005进行测试，测试仪器：CMT型万能试验机。

热变形温度按GB/T 1634.1-2019 进行测试，载荷0.45MPa，测试仪器：ZWK型热变形维卡软化点测试仪。

结晶性能测试：氮气气氛，流量50mL·min-1，升温速率20℃·min-1，测试仪器：差示扫描量热仪。

热分解性能测试：氮气气氛，流量50mL·min-1，升温速率20℃·min-1，测试仪器：热重分析仪。

介电性能按GB 7265.1-1987进行测试，测试仪器：Agilent 8720ET矢量网络分析仪。

1.3 纤维增强PBT复合材料的制备

称取3%的乙烯-丁烯弹性体接枝马来酸酐、0.1%的[β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯、0.5%的季戊四醇硬脂酸酯，与PBT树脂混合均匀后，分别加入STS35型双螺杆挤出机加料斗中，经侧喂料添加20%的BF、DGF和EGF，经熔融挤出、水冷、风刀冷却干燥、造粒和均化等工序，得到纤维增强PBT复合材料。加工参数：双螺杆挤出机第一区温度200~220℃，二区温度240~250℃，三区温度245~255℃，四区温度245~255℃，五区温度235~245℃，六区温度235~245℃，七区温度225~235℃，八区温度225~235℃，模头温度245~255℃。螺杆转速 400~450 r·min-1，真空度0.3~0.8 MPa，冷却水温度40~60℃。所得塑料颗粒在80℃下干燥4h后，在EM80-V型注塑机上注塑测试试样，注塑温度240~270℃。

2 结果与讨论

2.1 纤维增强PBT复合材料的机械性能

图1为纤维增强PBT复合材料的机械性能。由图可知，3种纤维均能明显提高PBT复合材料的机械性能，DGF的效果最优，其次为BF，EGF的效果最差。与未添加纤维增强的PBT材料相比，20%DGF增强的PBT复合材料的拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲模量，分别提高了106.9%、98.83%、96.94%和140.24%。分析认为，3种无机纤维都具有高强度、高模量的特点，其表面均经过偶联剂处理，与PBT界面的相容性好，通过螺杆挤出后均匀分散于PBT基体中，能明显提高PBT复合材料的机械强度。纤维增强PBT复合材料的性能差异，主要是纤维材料本身特性所致。

图1 纤维增强PBT复合材料的机械性能Fig.1 Mechanical properties of fiber reinforced PBT composites

2.2 纤维增强PBT复合材料的热性能

图2 为纤维增强PBT复合材料的热性能，表1为热性能数据表。由图2(a)可知，3种纤维均能明显提高PBT复合材料的热变形温度，使之接近PBT的熔点。20% EGF增强PBT复合材料的热变形温度，较未增强PBT复合材料提高了105.14 %。

由图2(b)及表1可知，纤维增强PBT能明显提高PBT复合材料的耐温性，初始分解1%温度Td1、初始分解5%温度Td5、最大分解温度Tmax均向高温方向偏移，BF增强PBT复合材料的Td1最高，较未增强PBT复合材料提高了28.5℃。BF增强PBT复合材料的残余量Char，较DGF和EGF增强PBT复合材料大。

由图2(c)及表1可知，BF的添加并不影响PBT复合材料的结晶，与未增强PBT复合材料相比，BF增强PBT复合材料的结晶峰温度TC、结晶峰面积和起始结晶温度TOnset、TEnd基本一致。DGF和EGF增强PBT复合材料的TC、TOnset、TEnd均向低温方向偏移，结晶峰面积变小。

图2 纤维增强PBT复合材料的热性能Fig.2 Thermal properties of fiber reinforced PBT composites

表1 纤维增强PBT复合材料的TGA、DSC数据表Tab.1 The data sheet of fiber reinforced PBT composites

分析认为，3种纤维均是具有一定长径比的无机纤维，本身耐高温，添加后一方面能降低PBT含量，另一方面BF对PBT有增强作用，受热时可限制PBT分子链的运动，从而明显提高PBT复合材料的耐热性。BF的耐热性优于DGF和EGF，因此其复合材料的耐热性能更好。

2.3 纤维增强PBT复合材料的介电性能

图3是纤维增强PBT复合材料的介电性能。由图可知，PBT树脂经纤维增强后，介电常数值增大，介电损耗角正切值降低，但变化趋势不大。3种纤维增强的PBT复合材料中，DGF增强PBT复合材料的介电常数最低，明显优于BF和EGF。分析认为，3种纤维均为无机纤维，与纯PBT树脂相比，本身的介电常数高，介电损耗角正切值低，通过熔融共混制备成复合材料后，会提高PBT材料的极化能力，降低PBT材料的电导和极化的滞后，从而提高PBT复合材料的介电常数，降低其介电损耗角正切值。不同纤维增强的PBT复合材料在介电性能上的差异，主要取决于纤维本身的介电性能。

3 结论

1）BF、DGF、EGF均能有效提高PBT复合材料的机械性能和耐热性，DGF增强PBT材料的综合性能最优；

2）BF能明显提高PBT复合材料的耐热性，效果优于DGF和EGF，且不影响PBT结晶；

3）与BF和EGF相比，DGF增强PBT复合材料具有更低的介电常数和介电损耗角正切值。