笔记本电脑外壳用改性复合材料的研究进展

黄 罡

（重庆交通职业学院，重庆 402247）

随着笔记本电脑行业的快速发展，笔记本电脑外壳朝着强度高、刚性大、轻量化的方向发展。笔记本电脑外壳根据壳体材料在电脑上的不同位置通常分为四部分，即笔记本电脑最外层部分、显示面板的边框部分、键盘操作部分和底座部分。目前，笔记本电脑外壳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、铝（镁）合金材料、碳纤维复合材料等。本文主要综述了PC/ABS工程塑料和碳纤维复合材料的改性及其在笔记本电脑外壳中的应用研究进展［1-2］。

1 PC/ABS工程塑料

塑料由于质量轻、耐化学药品腐蚀、易加工、易涂装着色且绝缘性能良好而广泛应用于电子产品的许多零部件。以塑料替代金属材料作为外壳材料的产品越来越多。市场上多数笔记本电脑、平板电脑的塑料外壳都采用PC/ABS工程塑料作为原料。这种材料既具有PC的优良耐热耐候性、尺寸稳定性和抗冲击性能，又具有ABS优良的加工流动性［3-5］。由于PC/ABS工程塑料的综合机械性能不够理想使整机偏厚且质量大，难以实现超轻薄设计。为实现便捷携带，笔记本电脑外壳材料需要具有高强度和低密度。为了保证待机时间和运算速度，还要求壳体材料具有良好的散热性能。另外，笔记本外壳还需耐磨、耐老化、不易龟裂和抗静电［6］。

合肥思博特软件开发有限公司［7］开发出一种强度高、密度较低、抗冲击性能优异的笔记本电脑外壳专用树脂。原料配比为：PC 30 phr、聚苯乙烯10 phr、聚丁二酸丁二酯15 phr、聚氯乙烯8 phr、聚烯烃弹性体3 phr、硬脂酸钙2 phr、纳米二氧化钛1 phr、玻璃微珠6 phr、聚硅氧烷1 phr、马来酸酐接枝聚己二酰己二胺相容剂2 phr、抗氧剂2 phr、改性硅藻土4 phr、无卤阻燃剂1 phr、香料2 phr。其中，改性硅藻土中添加了硅藻土质量3%的山梨坦单油酸酯。将PC、聚苯乙烯、聚丁二酸丁二酯、聚氯乙烯、聚烯烃弹性体、硬脂酸钙及相容剂置于混炼机中于90 ℃混炼10 min；将所得混合物与聚硅氧烷、纳米二氧化钛、玻璃微珠、改性硅藻土置于高速混合机中混合均匀，再依次加入抗氧剂、阻燃剂及香料并混合均匀得到母料；将母料投入到双螺杆挤出机熔融挤出，得到笔记本电脑外壳专用树脂。合肥东恒锐电子科技有限公司［8］开发了一种耐磨不易龟裂、抗老化和抗静电的笔记本电脑外壳专用树脂。原料配比为：PC 20 phr，ABS 35 phr，废旧ABS破碎料13 phr，聚丙烯6 phr，丙烯晴5 phr，邻苯二甲酸二异辛酯4 phr，碳酸镧3 phr，炭黑1 phr，改性石墨烯7 phr，玻璃纤维3 phr，增韧剂2 phr，云母1 phr，三氧化二铝2 phr，纳米银1 phr，硬脂酸钙1 phr，硬脂酸锌2 phr，抗氧化剂2 phr。将PC、废旧ABS破碎料、ABS、聚丙烯放入混炼炉中，加入硬脂酸钙、硬脂酸锌、抗氧化剂，升温到230 ℃，混炼至物料成熔融状态，再向熔融物料中依次加入丙烯晴、邻苯二甲酸二异辛酯、碳酸镧、炭黑及云母，继续混炼15 min，混合至物料分散均匀，然后依次加入三氧化二铝、纳米银、改性石墨烯、玻璃纤维及增韧剂，于2 000 r/min剪切共混3 h，获得混合均匀的混合料；将混合料放入挤出机供料槽，升温到230 ℃，升温速率为5 ℃/min，恒温2 h，得到笔记本电脑外壳专用树脂。该专用树脂抗老化性能好，韧性好，不易发生龟裂，耐磨，抗静电效果好，使用寿命长，并且成本低，适合工业生产。

为保持复合材料的加工性能，提高组合物的刚性防止翘曲，需要平衡组合物的刚性和韧性，并要保证组合物有良好的流动性。江苏金发科技新材料有限公司［9］公开了一种含增强填料的高流动性PC组合物的制备方法，原料配比为：黏均分子量为25 000的PC 58.1 phr，ABS 12.0 phr，阻燃剂双酚A双（二苯基磷酸酯）11.0 phr，重均分子量为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-羟基苯基）丙酸正十八碳醇酯0.1 phr，抗滴落剂0.5 phr。以上材料经高速混合机均匀混合后用双螺杆挤出机熔融挤出，机筒温度为250~260 ℃，螺杆转速为400~500 r/min，然后过水冷却，造粒，得到含氟聚烯烃增强填料的高流动性PC组合物。经测试，该组合物的熔体流动速率为19 g/10 min，悬臂梁缺口冲击强度为85 J/m，弯曲强度104 MPa，弯曲模量3 873 MPa，材料的垂直燃烧等级为V-0级。复合材料具有优异的韧性、流动性、刚性及薄壁阻燃等级，可广泛应用于笔记本电脑、平板电脑、电子书及其他电器用具外壳和边框。研究人员［10］发现，通过向含有填料的PC复合材料中添加较低可溶性铁含量的含铁化合物，当复合材料中铁元素质量分数在（0.1~50.0）×10-6时，复合材料的弯曲模量和冲击强度得以改善并具有优良的成型使用稳定性和颜色稳定性。如使用PC 50.0 phr， ABS 9.0 phr，阻燃剂双酚A双（二苯基磷酸酯）10.0 phr，滑石粉23.0 phr，增韧剂HR-181 5.0 phr，抗氧剂1076 0.3 phr，抗氧剂168 0.2 phr，脱模剂季戊四醇四硬脂酸酯0.2 phr，光稳定剂3896 0.3 phr，添加微量FeCl2使复合材料中铁元素质量分数为10×10-6。制备方法是先将PC，ABS，FeCl2，滑石粉，阻燃剂在高混机中混合均匀，得到预处理的树脂基体；将预处理的树脂基体与其他助剂按比例称量后通过高速混合机混合均匀，挤出温度为240 ℃，过水冷却，造粒，得到PC复合材料柱状颗粒。经检测，复合材料的弯曲模量为7 200 MPa，悬臂梁缺口冲击强度为108 J/m，颜色稳定性指标为0.1，垂直燃烧等级为V-0级，成型使用稳定性优良，可广泛应用于电气/电子产品、汽车部件等。

2 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一种综合性能非常好的材料，其高强度、高模量、低比重、低热膨胀系数、耐腐蚀等众多优点，成为解决设备轻量化、小型化问题的材料，在汽车、电子、家电、通信、仪表以及航空航天等领域的应用日益增多［11］。它既拥有铝镁合金高雅坚固的特性，又有ABS工程塑料的高可塑性，它的外观类似塑料，但强度和导热能力优于普通工程塑料，且碳纤维是一种导电材料，可以起到类似金属的屏蔽作用，而工程塑料外壳需要另外镀一层金属膜来屏蔽电磁波；但碳纤维笔记本外壳价格高，且加工工艺复杂，不能满足批量化生产的要求。目前，碳纤维复合材料多用于万元以上的高档机型笔记本电脑［12］。

北京中超伟业信息安全技术股份有限公司［13］提供了一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的制备方法。将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，硬化区为笔记本电脑外壳模具的中央部分，缓冲区为笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板。使用双酚A型热固性环氧树脂结合碳纤维布作为壳体硬化区，使用聚氨酯弹性体结合碳纤维布作为壳体缓冲区。不同成分在对应防护区域发挥出最大功效。先将25层平纹编织碳纤维布（T700型碳纤维布，面密度为198 g/m2，厚度为0.25 mm）平铺在笔记本电脑外壳模具内。对硬化区浇注，将双酚A型二缩水甘油醚预聚物12 phr与固化剂二乙基甲苯二胺6 phr充分混合后加热到90 ℃，浇注于硬化区持续45 min进行预固化得到预固化硬化区。移除硬化区与缓冲区模具隔离板，在硬化区和缓冲区界面涂覆硅烷偶联剂KH-570，硅烷偶联剂用量为24 mg/cm2。对缓冲区浇注，将38.00 phr聚氨酯预聚物、3.00 phr 2-甲基-1,3丙二醇、0.19 phr二丁基锡二月桂酸酯、1.10 phr聚碳化二亚胺及2.60 phr四溴双酚A按比例进行混合，加热到90 ℃注塑于缓冲区预交联30 min，得到预交联缓冲区。预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体。最后坯体加热固化85 min，加热温度为115 ℃（升温速率为10 ℃/min）。除去模具得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。结果表明，复合材料的壳体质量为241.9 g，拉伸模量为152.76 GPa，拉伸强度为2 931.23 MPa，比模量为97.26 GPa/（g·cm-3） ，比强度为1 897.59 MPa/（g·cm-3）。材料的氧指数为44.5%，熔融温度为114.8 ℃，电阻率为2 785.4 MΩ/m2。该碳纤维复合材料加固笔记本电脑保护外壳，质量低，具有高强度和高模量，同时具有阻燃性能和抗静电性，且对外界冲击和震动具有良好的缓冲性能。合肥东恒锐电子科技有限公司［14］提供了一种散热平板电脑外壳材料配方，原料配比为：硅烷偶联剂改性石墨烯53.0 phr，马来酸酐接枝聚丙烯4.0 phr，ABS 17.0 phr，复合纤维4.0 phr，氧化铝3.0 phr，聚丙烯12.0 phr，酸式焦磷酸钠3.0 phr，硅粉8.0 phr，聚氧乙烯十二烷基胺抗静电剂5.0 phr，氮丙啶交联剂1.3 phr，色母粒4.0 phr，阻燃剂3.0 phr，增韧剂2.0 phr。其中，复合纤维包括碳纤维材料层，碳纤维材料层上、下表面分别是由超细仿棉涤纶纤维和变性锦纶纤维按质量比1.0∶1.5制成的超细纤维层。该配方以石墨烯为基材，利用其比表面积大和高填充性的特点，与高韧性和热稳定性的复合纤维相结合，填充氧化铝、硅粉、色母粒后材料具有较强散热功能。安徽旭升新材料有限公司［15］开发了高强度笔记本电脑外壳用PC/碳纳米纤维复合材料，配比（质量分数）为：PC用量70.0%，碳纳米纤维用量20.0%，聚对苯二甲酸乙二酯用量4.8%，水性聚氨酯耐水解剂用量1.0%，亚磷酸酯类抗氧剂168用量1.0%，聚氨酯类增韧剂用量1.5%，润滑剂用量1.5%。所制PC/碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、高洁净取向等性能，且结构致密，外观上金属质感强，制成的笔记本电脑外壳强度高，耐冲击，且成本低廉。陈思［16］提出使用碳纤维布加固ABS材料顶盖。通过计算机仿真分析，结合相关加固理论设计的正交加固方案，可以在使用碳纤维布最少的情况下使顶盖最大变形量由6.17 mm降至4.51 mm。碳纤维布与ABS有更好的结合能力，不容易剥离，碳纤维布的强度也明显高于钢片。肖尧［17］研究了超薄笔记本电脑外壳用碳纤维增强热塑性树脂的力学性能，发现随着碳纤维用量的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲模量都增加，但当碳纤维用量增加到25%（w）时，复合材料的拉伸强度和弯曲模量都不再增加，反而开始呈下降的趋势。针对碳纤维填充性差的难题，对碳纤维增强热塑性树脂在型腔中的流动平衡进行分析，对材料在型腔中的进浇口位置和数量、浇口排布进行研究，提出了一种椭圆式的“五浇口”基本浇口布置模型，可以解决碳纤维增强热塑性树脂填充时欠注缺陷，同时也可以实现平衡流动，降低收缩的不均匀性。

3 其他复合材料

施维德［18］采用玻璃纤维布的炭黑浸染工艺和玻璃纤维布增强环氧树脂复合材料模压工艺制备了笔记本电脑外壳用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。最优工艺为：模压温度96 ℃，模压时间1 h，模压压力0.7 MPa，玻璃纤维布铺2层，制得厚度为0.96 mm着色均匀稳定的黑色玻璃纤维布增强环氧树脂复合材料模压板，其拉伸强度171.14 MPa，拉伸模量4.60 GPa。合肥民众亿兴软件开发有限公司［19］以聚对苯二甲酸乙二酯、PC、聚丙烯、聚酰胺酯为主要组分，添加增强填料和添加剂，经熔融混合，挤出造粒，注塑成型制备笔记本电脑外壳专用树脂。该专用树脂密度较低，在高强度、高刚性的前提下表现出优秀的抗冲击性能。桐城市华猫软膜有限公司［20］使用聚氯乙烯、萜烯树脂、聚乙酸乙烯酯乳胶为主要原料，添加增强填料和添加剂制备的电脑外壳专用树脂具有良好的耐磨性和抗老化性。

4 结语

笔记本电脑在近二十年时间里从昂贵、低速、笨重发展到现在的低价、高速、高产能、轻薄便携的笔记本电脑广泛应用于社会各领域。除了美观需求外，笔记本电脑外壳更要注重保护性和散热性，选取适合的材料是关键。复合材料采用注塑加工应用于笔记本电脑外壳制造，具有工艺简单、成型速度快等优点。通过不断研究，开发了多种适合笔记本电脑外壳制造的专用树脂，综合力学性能得到提升，具有良好散热性，并且抗老化性能好，抗静电效果好，使用寿命长。