筆記本電腦外殼用改性復(fù)合材料的研究進(jìn)展

黃 罡

（重慶交通職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

隨著筆記本電腦行業(yè)的快速發(fā)展，筆記本電腦外殼朝著強(qiáng)度高、剛性大、輕量化的方向發(fā)展。筆記本電腦外殼根據(jù)殼體材料在電腦上的不同位置通常分為四部分，即筆記本電腦最外層部分、顯示面板的邊框部分、鍵盤操作部分和底座部分。目前，筆記本電腦外殼材料常用的有聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）工程塑料、鋁（鎂）合金材料、碳纖維復(fù)合材料等。本文主要綜述了PC/ABS工程塑料和碳纖維復(fù)合材料的改性及其在筆記本電腦外殼中的應(yīng)用研究進(jìn)展［1-2］。

1 PC/ABS工程塑料

塑料由于質(zhì)量輕、耐化學(xué)藥品腐蝕、易加工、易涂裝著色且絕緣性能良好而廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的許多零部件。以塑料替代金屬材料作為外殼材料的產(chǎn)品越來越多。市場上多數(shù)筆記本電腦、平板電腦的塑料外殼都采用PC/ABS工程塑料作為原料。這種材料既具有PC的優(yōu)良耐熱耐候性、尺寸穩(wěn)定性和抗沖擊性能，又具有ABS優(yōu)良的加工流動性［3-5］。由于PC/ABS工程塑料的綜合機(jī)械性能不夠理想使整機(jī)偏厚且質(zhì)量大，難以實(shí)現(xiàn)超輕薄設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)便捷攜帶，筆記本電腦外殼材料需要具有高強(qiáng)度和低密度。為了保證待機(jī)時間和運(yùn)算速度，還要求殼體材料具有良好的散熱性能。另外，筆記本外殼還需耐磨、耐老化、不易龜裂和抗靜電［6］。

合肥思博特軟件開發(fā)有限公司［7］開發(fā)出一種強(qiáng)度高、密度較低、抗沖擊性能優(yōu)異的筆記本電腦外殼專用樹脂。原料配比為：PC 30 phr、聚苯乙烯10 phr、聚丁二酸丁二酯15 phr、聚氯乙烯8 phr、聚烯烴彈性體3 phr、硬脂酸鈣2 phr、納米二氧化鈦1 phr、玻璃微珠6 phr、聚硅氧烷1 phr、馬來酸酐接枝聚己二酰己二胺相容劑2 phr、抗氧劑2 phr、改性硅藻土4 phr、無鹵阻燃劑1 phr、香料2 phr。其中，改性硅藻土中添加了硅藻土質(zhì)量3%的山梨坦單油酸酯。將PC、聚苯乙烯、聚丁二酸丁二酯、聚氯乙烯、聚烯烴彈性體、硬脂酸鈣及相容劑置于混煉機(jī)中于90 ℃混煉10 min；將所得混合物與聚硅氧烷、納米二氧化鈦、玻璃微珠、改性硅藻土置于高速混合機(jī)中混合均勻，再依次加入抗氧劑、阻燃劑及香料并混合均勻得到母料；將母料投入到雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出，得到筆記本電腦外殼專用樹脂。合肥東恒銳電子科技有限公司［8］開發(fā)了一種耐磨不易龜裂、抗老化和抗靜電的筆記本電腦外殼專用樹脂。原料配比為：PC 20 phr，ABS 35 phr，廢舊ABS破碎料13 phr，聚丙烯6 phr，丙烯晴5 phr，鄰苯二甲酸二異辛酯4 phr，碳酸鑭3 phr，炭黑1 phr，改性石墨烯7 phr，玻璃纖維3 phr，增韌劑2 phr，云母1 phr，三氧化二鋁2 phr，納米銀1 phr，硬脂酸鈣1 phr，硬脂酸鋅2 phr，抗氧化劑2 phr。將PC、廢舊ABS破碎料、ABS、聚丙烯放入混煉爐中，加入硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、抗氧化劑，升溫到230 ℃，混煉至物料成熔融狀態(tài)，再向熔融物料中依次加入丙烯晴、鄰苯二甲酸二異辛酯、碳酸鑭、炭黑及云母，繼續(xù)混煉15 min，混合至物料分散均勻，然后依次加入三氧化二鋁、納米銀、改性石墨烯、玻璃纖維及增韌劑，于2 000 r/min剪切共混3 h，獲得混合均勻的混合料；將混合料放入擠出機(jī)供料槽，升溫到230 ℃，升溫速率為5 ℃/min，恒溫2 h，得到筆記本電腦外殼專用樹脂。該專用樹脂抗老化性能好，韌性好，不易發(fā)生龜裂，耐磨，抗靜電效果好，使用壽命長，并且成本低，適合工業(yè)生產(chǎn)。

為保持復(fù)合材料的加工性能，提高組合物的剛性防止翹曲，需要平衡組合物的剛性和韌性，并要保證組合物有良好的流動性。江蘇金發(fā)科技新材料有限公司［9］公開了一種含增強(qiáng)填料的高流動性PC組合物的制備方法，原料配比為：黏均分子量為25 000的PC 58.1 phr，ABS 12.0 phr，阻燃劑雙酚A雙（二苯基磷酸酯）11.0 phr，重均分子量為320 000的四氟乙烯-六氟乙烯共聚物0.3 phr，滑石粉15.0 phr，甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯3.0 phr，β-（3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸正十八碳醇酯0.1 phr，抗滴落劑0.5 phr。以上材料經(jīng)高速混合機(jī)均勻混合后用雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出，機(jī)筒溫度為250~260 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為400~500 r/min，然后過水冷卻，造粒，得到含氟聚烯烴增強(qiáng)填料的高流動性PC組合物。經(jīng)測試，該組合物的熔體流動速率為19 g/10 min，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為85 J/m，彎曲強(qiáng)度104 MPa，彎曲模量3 873 MPa，材料的垂直燃燒等級為V-0級。復(fù)合材料具有優(yōu)異的韌性、流動性、剛性及薄壁阻燃等級，可廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、平板電腦、電子書及其他電器用具外殼和邊框。研究人員［10］發(fā)現(xiàn)，通過向含有填料的PC復(fù)合材料中添加較低可溶性鐵含量的含鐵化合物，當(dāng)復(fù)合材料中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（0.1~50.0）×10-6時，復(fù)合材料的彎曲模量和沖擊強(qiáng)度得以改善并具有優(yōu)良的成型使用穩(wěn)定性和顏色穩(wěn)定性。如使用PC 50.0 phr， ABS 9.0 phr，阻燃劑雙酚A雙（二苯基磷酸酯）10.0 phr，滑石粉23.0 phr，增韌劑HR-181 5.0 phr，抗氧劑1076 0.3 phr，抗氧劑168 0.2 phr，脫模劑季戊四醇四硬脂酸酯0.2 phr，光穩(wěn)定劑3896 0.3 phr，添加微量FeCl2使復(fù)合材料中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10×10-6。制備方法是先將PC，ABS，F(xiàn)eCl2，滑石粉，阻燃劑在高混機(jī)中混合均勻，得到預(yù)處理的樹脂基體；將預(yù)處理的樹脂基體與其他助劑按比例稱量后通過高速混合機(jī)混合均勻，擠出溫度為240 ℃，過水冷卻，造粒，得到PC復(fù)合材料柱狀顆粒。經(jīng)檢測，復(fù)合材料的彎曲模量為7 200 MPa，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度為108 J/m，顏色穩(wěn)定性指標(biāo)為0.1，垂直燃燒等級為V-0級，成型使用穩(wěn)定性優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于電氣/電子產(chǎn)品、汽車部件等。

2 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一種綜合性能非常好的材料，其高強(qiáng)度、高模量、低比重、低熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為解決設(shè)備輕量化、小型化問題的材料，在汽車、電子、家電、通信、儀表以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多［11］。它既擁有鋁鎂合金高雅堅(jiān)固的特性，又有ABS工程塑料的高可塑性，它的外觀類似塑料，但強(qiáng)度和導(dǎo)熱能力優(yōu)于普通工程塑料，且碳纖維是一種導(dǎo)電材料，可以起到類似金屬的屏蔽作用，而工程塑料外殼需要另外鍍一層金屬膜來屏蔽電磁波；但碳纖維筆記本外殼價(jià)格高，且加工工藝復(fù)雜，不能滿足批量化生產(chǎn)的要求。目前，碳纖維復(fù)合材料多用于萬元以上的高檔機(jī)型筆記本電腦［12］。

北京中超偉業(yè)信息安全技術(shù)股份有限公司［13］提供了一種用于加固筆記本電腦外殼的碳纖維復(fù)合材料的制備方法。將筆記本電腦外殼模具分為硬化區(qū)和緩沖區(qū)，硬化區(qū)為筆記本電腦外殼模具的中央部分，緩沖區(qū)為筆記本電腦外殼模具的四周邊緣部分，硬化區(qū)和緩沖區(qū)之間設(shè)置模具隔離板。使用雙酚A型熱固性環(huán)氧樹脂結(jié)合碳纖維布作為殼體硬化區(qū)，使用聚氨酯彈性體結(jié)合碳纖維布作為殼體緩沖區(qū)。不同成分在對應(yīng)防護(hù)區(qū)域發(fā)揮出最大功效。先將25層平紋編織碳纖維布（T700型碳纖維布，面密度為198 g/m2，厚度為0.25 mm）平鋪在筆記本電腦外殼模具內(nèi)。對硬化區(qū)澆注，將雙酚A型二縮水甘油醚預(yù)聚物12 phr與固化劑二乙基甲苯二胺6 phr充分混合后加熱到90 ℃，澆注于硬化區(qū)持續(xù)45 min進(jìn)行預(yù)固化得到預(yù)固化硬化區(qū)。移除硬化區(qū)與緩沖區(qū)模具隔離板，在硬化區(qū)和緩沖區(qū)界面涂覆硅烷偶聯(lián)劑KH-570，硅烷偶聯(lián)劑用量為24 mg/cm2。對緩沖區(qū)澆注，將38.00 phr聚氨酯預(yù)聚物、3.00 phr 2-甲基-1,3丙二醇、0.19 phr二丁基錫二月桂酸酯、1.10 phr聚碳化二亞胺及2.60 phr四溴雙酚A按比例進(jìn)行混合，加熱到90 ℃注塑于緩沖區(qū)預(yù)交聯(lián)30 min，得到預(yù)交聯(lián)緩沖區(qū)。預(yù)固化硬化區(qū)、預(yù)交聯(lián)緩沖區(qū)和硅烷偶聯(lián)劑構(gòu)成坯體。最后坯體加熱固化85 min，加熱溫度為115 ℃（升溫速率為10 ℃/min）。除去模具得到用于加固筆記本電腦外殼的碳纖維復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合材料的殼體質(zhì)量為241.9 g，拉伸模量為152.76 GPa，拉伸強(qiáng)度為2 931.23 MPa，比模量為97.26 GPa/（g·cm-3） ，比強(qiáng)度為1 897.59 MPa/（g·cm-3）。材料的氧指數(shù)為44.5%，熔融溫度為114.8 ℃，電阻率為2 785.4 MΩ/m2。該碳纖維復(fù)合材料加固筆記本電腦保護(hù)外殼，質(zhì)量低，具有高強(qiáng)度和高模量，同時具有阻燃性能和抗靜電性，且對外界沖擊和震動具有良好的緩沖性能。合肥東恒銳電子科技有限公司［14］提供了一種散熱平板電腦外殼材料配方，原料配比為：硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯53.0 phr，馬來酸酐接枝聚丙烯4.0 phr，ABS 17.0 phr，復(fù)合纖維4.0 phr，氧化鋁3.0 phr，聚丙烯12.0 phr，酸式焦磷酸鈉3.0 phr，硅粉8.0 phr，聚氧乙烯十二烷基胺抗靜電劑5.0 phr，氮丙啶交聯(lián)劑1.3 phr，色母粒4.0 phr，阻燃劑3.0 phr，增韌劑2.0 phr。其中，復(fù)合纖維包括碳纖維材料層，碳纖維材料層上、下表面分別是由超細(xì)仿棉滌綸纖維和變性錦綸纖維按質(zhì)量比1.0∶1.5制成的超細(xì)纖維層。該配方以石墨烯為基材，利用其比表面積大和高填充性的特點(diǎn)，與高韌性和熱穩(wěn)定性的復(fù)合纖維相結(jié)合，填充氧化鋁、硅粉、色母粒后材料具有較強(qiáng)散熱功能。安徽旭升新材料有限公司［15］開發(fā)了高強(qiáng)度筆記本電腦外殼用PC/碳納米纖維復(fù)合材料，配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：PC用量70.0%，碳納米纖維用量20.0%，聚對苯二甲酸乙二酯用量4.8%，水性聚氨酯耐水解劑用量1.0%，亞磷酸酯類抗氧劑168用量1.0%，聚氨酯類增韌劑用量1.5%，潤滑劑用量1.5%。所制PC/碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高潔凈取向等性能，且結(jié)構(gòu)致密，外觀上金屬質(zhì)感強(qiáng)，制成的筆記本電腦外殼強(qiáng)度高，耐沖擊，且成本低廉。陳思［16］提出使用碳纖維布加固ABS材料頂蓋。通過計(jì)算機(jī)仿真分析，結(jié)合相關(guān)加固理論設(shè)計(jì)的正交加固方案，可以在使用碳纖維布最少的情況下使頂蓋最大變形量由6.17 mm降至4.51 mm。碳纖維布與ABS有更好的結(jié)合能力，不容易剝離，碳纖維布的強(qiáng)度也明顯高于鋼片。肖堯［17］研究了超薄筆記本電腦外殼用碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲模量都增加，但當(dāng)碳纖維用量增加到25%（w）時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲模量都不再增加，反而開始呈下降的趨勢。針對碳纖維填充性差的難題，對碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂在型腔中的流動平衡進(jìn)行分析，對材料在型腔中的進(jìn)澆口位置和數(shù)量、澆口排布進(jìn)行研究，提出了一種橢圓式的“五澆口”基本澆口布置模型，可以解決碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂填充時欠注缺陷，同時也可以實(shí)現(xiàn)平衡流動，降低收縮的不均勻性。

3 其他復(fù)合材料

施維德［18］采用玻璃纖維布的炭黑浸染工藝和玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模壓工藝制備了筆記本電腦外殼用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。最優(yōu)工藝為：模壓溫度96 ℃，模壓時間1 h，模壓壓力0.7 MPa，玻璃纖維布鋪2層，制得厚度為0.96 mm著色均勻穩(wěn)定的黑色玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模壓板，其拉伸強(qiáng)度171.14 MPa，拉伸模量4.60 GPa。合肥民眾億興軟件開發(fā)有限公司［19］以聚對苯二甲酸乙二酯、PC、聚丙烯、聚酰胺酯為主要組分，添加增強(qiáng)填料和添加劑，經(jīng)熔融混合，擠出造粒，注塑成型制備筆記本電腦外殼專用樹脂。該專用樹脂密度較低，在高強(qiáng)度、高剛性的前提下表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗沖擊性能。桐城市華貓軟膜有限公司［20］使用聚氯乙烯、萜烯樹脂、聚乙酸乙烯酯乳膠為主要原料，添加增強(qiáng)填料和添加劑制備的電腦外殼專用樹脂具有良好的耐磨性和抗老化性。

4 結(jié)語

筆記本電腦在近二十年時間里從昂貴、低速、笨重發(fā)展到現(xiàn)在的低價(jià)、高速、高產(chǎn)能、輕薄便攜的筆記本電腦廣泛應(yīng)用于社會各領(lǐng)域。除了美觀需求外，筆記本電腦外殼更要注重保護(hù)性和散熱性，選取適合的材料是關(guān)鍵。復(fù)合材料采用注塑加工應(yīng)用于筆記本電腦外殼制造，具有工藝簡單、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過不斷研究，開發(fā)了多種適合筆記本電腦外殼制造的專用樹脂，綜合力學(xué)性能得到提升，具有良好散熱性，并且抗老化性能好，抗靜電效果好，使用壽命長。