曾德明，王燕華，唐紹其，黃 穎，樊麗琳，胡振丹

（1.廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530100；2.廣西武鳴中健包裝有限公司，廣西 南寧 530105）

隨著國家政策的推動，具有高頻、高速、低延遲等特點的5G通訊技術(shù)發(fā)展迅速。5G通訊毫米波的信號延遲、信號損耗和信號傳輸速度等，受材料的介電性能的影響很大，因此，材料的介電性能是評判其能否在5G領(lǐng)域應用的關(guān)鍵性能參數(shù)。介電性能主要是指介電常數(shù)和損耗角正切值，是評判材料透波性能的主要指標[1]。介電常數(shù)是材料在電場作用下極化能力的反映，而介電損耗則是指在電場作用下，因材料電導和極化的滯后而造成的能量損耗。降低材料的介電常數(shù)和介電損耗，有利于提高信號的傳輸速度，降低延遲，減少損失。因此，低介電材料的研究意義重大。

低介電PBT復合材料是實現(xiàn)5G技術(shù)必需的基礎(chǔ)材料之一，主要應用于5G基站、智能終端、天線與射頻模塊等。從現(xiàn)有的技術(shù)手段來看，實現(xiàn)PBT復合材料的低介電性能非常容易，但在保持低介電性能的同時，實現(xiàn)優(yōu)異的機械性能則是行業(yè)難點。目前改性塑料行業(yè)制備低介電PBT復合材料主要通過以下途徑實現(xiàn)：1）選用低介電樹脂作為基材或合金部分，如PCTG、PS、PPE、POK等，但是低介電樹脂通常與PBT的相容性差，耐熱性低，成本高，存在供應不穩(wěn)定的情況[2]；2）降低玻璃纖維的含量。目前5G手機隔斷條件材料均為PBT添加20 % GF的材料，如Dupont CE 2092、Sabic WF004N等，其介電常數(shù)和介電損耗角正切值分別為2.92和0.006。但降低玻璃纖維的添加量會導致PBT復合材料的機械性能和耐熱性下降；3）通過特殊工藝改變材料的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)。因受限于PBT樹脂的性能及相關(guān)的工藝技術(shù)，未有實際應用。

普通PBT材料通常以玻璃纖維作為增強材料，其中無堿E型玻璃纖維（EGF）的技術(shù)成熟，原料來源廣泛，具有機械強度高、耐熱性好、絕緣性能優(yōu)良、抗腐蝕、成本低等諸多優(yōu)點，但是存在性脆、耐磨性差等不足。此外，EGF的介電常數(shù)高，1MHz下的介電常數(shù)在6.6~8.1之間[3-6]。

玄武巖纖維（BF）是一種性能優(yōu)異的環(huán)保型無機纖維，具有耐高溫、強度高、耐腐蝕等特點[7-9]，目前主要應用于航空航天、建筑、環(huán)保等熱固性樹脂領(lǐng)域，極少用于熱塑性塑料的改性研究。根據(jù)文獻報道，BF的透波性能好，介電常數(shù)、介電損耗角正切值分別低至2.63和0.005，電磁波透過損耗小[10-13]。

低介電玻璃纖維（DGF）是一種新型玻璃纖維，其在1MHz下的介電常數(shù)可達4.3。DGF的生產(chǎn)要嚴格控制其金屬化合物的組成，熔融溫度高，成本高昂且產(chǎn)量低，因此較少用于PBT改性，目前未見DGF增強PBT復合材料介電性能的相關(guān)研究報道。

本文使用BF、DGF、EGF來增強PBT材料，采用雙螺桿擠出，制備了PBT復合材料，研究了3種不同的纖維對PBT復合材料的機械性能、耐熱性能及介電性能的影響，以期為BF、DGF、EGF在低介電PBT材料中的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PBT樹脂，短切玄武巖纖維，E型玻璃纖維，D型玻璃纖維，乙烯-丁烯彈性體接枝馬來酸酐，四[β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯，季戊四醇硬脂酸酯(均為工業(yè)品)。

1.2 主要設備及儀器

缺口沖擊性能按GB/T 1843-2008進行測試，測試儀器：GT-7045-MD型擺錘式?jīng)_擊試驗機。

拉伸性能按GB/T 1040-2018進行測試，測試儀器：CMT型萬能試驗機。

彎曲性能按GB/T 1449-2005進行測試，測試儀器：CMT型萬能試驗機。

熱變形溫度按GB/T 1634.1-2019 進行測試，載荷0.45MPa，測試儀器：ZWK型熱變形維卡軟化點測試儀。

結(jié)晶性能測試：氮氣氣氛，流量50mL·min-1，升溫速率20℃·min-1，測試儀器：差示掃描量熱儀。

熱分解性能測試：氮氣氣氛，流量50mL·min-1，升溫速率20℃·min-1，測試儀器：熱重分析儀。

介電性能按GB 7265.1-1987進行測試，測試儀器：Agilent 8720ET矢量網(wǎng)絡分析儀。

1.3 纖維增強PBT復合材料的制備

稱取3%的乙烯-丁烯彈性體接枝馬來酸酐、0.1%的[β-（3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸]季戊四醇酯、0.5%的季戊四醇硬脂酸酯，與PBT樹脂混合均勻后，分別加入STS35型雙螺桿擠出機加料斗中，經(jīng)側(cè)喂料添加20%的BF、DGF和EGF，經(jīng)熔融擠出、水冷、風刀冷卻干燥、造粒和均化等工序，得到纖維增強PBT復合材料。加工參數(shù)：雙螺桿擠出機第一區(qū)溫度200~220℃，二區(qū)溫度240~250℃，三區(qū)溫度245~255℃，四區(qū)溫度245~255℃，五區(qū)溫度235~245℃，六區(qū)溫度235~245℃，七區(qū)溫度225~235℃，八區(qū)溫度225~235℃，模頭溫度245~255℃。螺桿轉(zhuǎn)速 400~450 r·min-1，真空度0.3~0.8 MPa，冷卻水溫度40~60℃。所得塑料顆粒在80℃下干燥4h后，在EM80-V型注塑機上注塑測試試樣，注塑溫度240~270℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維增強PBT復合材料的機械性能

圖1為纖維增強PBT復合材料的機械性能。由圖可知，3種纖維均能明顯提高PBT復合材料的機械性能，DGF的效果最優(yōu)，其次為BF，EGF的效果最差。與未添加纖維增強的PBT材料相比，20%DGF增強的PBT復合材料的拉伸強度、缺口沖擊強度、彎曲強度和彎曲模量，分別提高了106.9%、98.83%、96.94%和140.24%。分析認為，3種無機纖維都具有高強度、高模量的特點，其表面均經(jīng)過偶聯(lián)劑處理，與PBT界面的相容性好，通過螺桿擠出后均勻分散于PBT基體中，能明顯提高PBT復合材料的機械強度。纖維增強PBT復合材料的性能差異，主要是纖維材料本身特性所致。

圖1 纖維增強PBT復合材料的機械性能Fig.1 Mechanical properties of fiber reinforced PBT composites

2.2 纖維增強PBT復合材料的熱性能

圖2 為纖維增強PBT復合材料的熱性能，表1為熱性能數(shù)據(jù)表。由圖2(a)可知，3種纖維均能明顯提高PBT復合材料的熱變形溫度，使之接近PBT的熔點。20% EGF增強PBT復合材料的熱變形溫度，較未增強PBT復合材料提高了105.14 %。

由圖2(b)及表1可知，纖維增強PBT能明顯提高PBT復合材料的耐溫性，初始分解1%溫度Td1、初始分解5%溫度Td5、最大分解溫度Tmax均向高溫方向偏移，BF增強PBT復合材料的Td1最高，較未增強PBT復合材料提高了28.5℃。BF增強PBT復合材料的殘余量Char，較DGF和EGF增強PBT復合材料大。

由圖2(c)及表1可知，BF的添加并不影響PBT復合材料的結(jié)晶，與未增強PBT復合材料相比，BF增強PBT復合材料的結(jié)晶峰溫度TC、結(jié)晶峰面積和起始結(jié)晶溫度TOnset、TEnd基本一致。DGF和EGF增強PBT復合材料的TC、TOnset、TEnd均向低溫方向偏移，結(jié)晶峰面積變小。

圖2 纖維增強PBT復合材料的熱性能Fig.2 Thermal properties of fiber reinforced PBT composites

表1 纖維增強PBT復合材料的TGA、DSC數(shù)據(jù)表Tab.1 The data sheet of fiber reinforced PBT composites

分析認為，3種纖維均是具有一定長徑比的無機纖維，本身耐高溫，添加后一方面能降低PBT含量，另一方面BF對PBT有增強作用，受熱時可限制PBT分子鏈的運動，從而明顯提高PBT復合材料的耐熱性。BF的耐熱性優(yōu)于DGF和EGF，因此其復合材料的耐熱性能更好。

2.3 纖維增強PBT復合材料的介電性能

圖3是纖維增強PBT復合材料的介電性能。由圖可知，PBT樹脂經(jīng)纖維增強后，介電常數(shù)值增大，介電損耗角正切值降低，但變化趨勢不大。3種纖維增強的PBT復合材料中，DGF增強PBT復合材料的介電常數(shù)最低，明顯優(yōu)于BF和EGF。分析認為，3種纖維均為無機纖維，與純PBT樹脂相比，本身的介電常數(shù)高，介電損耗角正切值低，通過熔融共混制備成復合材料后，會提高PBT材料的極化能力，降低PBT材料的電導和極化的滯后，從而提高PBT復合材料的介電常數(shù)，降低其介電損耗角正切值。不同纖維增強的PBT復合材料在介電性能上的差異，主要取決于纖維本身的介電性能。

3 結(jié)論

1）BF、DGF、EGF均能有效提高PBT復合材料的機械性能和耐熱性，DGF增強PBT材料的綜合性能最優(yōu)；

2）BF能明顯提高PBT復合材料的耐熱性，效果優(yōu)于DGF和EGF，且不影響PBT結(jié)晶；

3）與BF和EGF相比，DGF增強PBT復合材料具有更低的介電常數(shù)和介電損耗角正切值。