填充有黄铁矿灰的塑料材料，可提升电磁干扰屏蔽性能和阻燃效果

时间：2026年3月27日

来源：Materials Chemistry and Physics

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本研究利用磷石膏灰（PA）作为可持续填料，通过溶液混合和热压成型制备了PA/ABS复合材料，系统研究了其热、磁、阻燃及电磁屏蔽性能。结果表明，含40% PA的复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）表现出29.19 dB的屏蔽效能，电磁波衰减率达99%，并显著提升阻燃性能，达到UL-94 V-1等级。该材料为电子设备提供了一种经济环保的解决方案。

摩洛哥本盖里尔（Ben Guerir）穆罕默德六世理工学院（Mohammed VI Polytechnic University, UM6P）化学科学与工程学院（College of Chemical Sciences and Engineering, CCSE），材料科学与能源纳米工程系（Department of Materials Science, Energy and Nano-engineering, MSN），地址：660号地块 – 海穆莱拉希德（Lot 660 – Hay Moulay Rachid），邮编43150

摘要

工业无机废弃物对环境构成长期威胁，而现代电子系统需要具备有效电磁干扰（EMI）屏蔽和阻燃性能的多功能材料。本研究利用磷酸生产过程中的副产品——磁黄铁矿灰（pyrrhotite ash, PA），将其作为可持续的功能填料应用于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS）复合材料中。通过溶液混合和热压工艺制备了含有0-60 wt% PA的ABS/PA复合材料，并系统地研究了其热性能、磁性能、阻燃性能和EMI屏蔽性能。含有40 wt% PA的复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）厚度下实现了29.19 dB的最大屏蔽效果，衰减了99%的电磁波（EMWs），超过了商业EMI屏蔽应用所需的20 dB标准。这种屏蔽效果主要得益于PA中氧化物相所带来的介电损耗和磁损耗的协同作用。此外，添加60 wt% PA显著提升了材料的阻燃性能，使峰值热释放率和总热释放量分别降低了约58.6%和61.1%，并且达到了UL-94 V-1等级（无滴落现象）。这些结果表明，含PA的ABS复合材料为需要改进防火安全性的应用（如雷达系统、卫星通信、射频模块、汽车电子设备和新兴的5G/IoT技术）提供了一种经济高效且环保的解决方案。

引言

电子设备、无线通信系统以及新兴的5G网络的迅速发展从根本上重塑了现代技术基础设施，提高了数据传输能力和功能集成度[1],[2]。然而，这一技术进步也引发了人们对电子元件产生的电磁波（EMWs）的担忧。过量的电磁波会干扰信号传输，影响敏感电子系统的性能，根据世界卫生组织（WHO）的多项评估，长期暴露于电磁波可能对健康构成潜在风险[3],[4],[5],[6],[7]。因此，减轻电磁干扰已成为通信系统、医疗设备、消费电子、交通运输和国防应用领域的重要工程课题[8]。特别是在X波段（8.2–12.4 GHz）范围内，这一问题尤为突出，因为该频段广泛应用于雷达系统、卫星通信、电磁兼容性（EMC）测试以及各种5G/IoT应用[9],[10]。有效的电磁屏蔽材料主要通过三种机制实现屏蔽效果：反射、吸收和多次内部反射[11]。反射损耗发生在材料表面，是由于入射电磁波（EMWs）与屏蔽介质之间的阻抗不匹配；高电导率的材料由于电磁场与载流子之间的相互作用会产生表面电流，从而反射入射波。而吸收损耗则发生在材料内部，介电损耗和磁损耗通过与电偶极子或磁偶极子的相互作用来衰减电磁波，能量主要以热的形式耗散。此外，在高电导率和高磁导率的材料中，涡流损耗和磁滞损耗也会进一步促进电磁波的衰减。传统的金属材料（如铜和铝）主要依靠反射机制进行屏蔽[14],[15],[16],[17],[18]。尽管这些材料屏蔽效果显著，但它们存在密度高、易腐蚀、柔韧性差以及在轻量化应用中加工受限等缺点[19],[20]。此外，以反射为主的屏蔽方式可能会产生二次电磁污染，增加密集集成电子系统中的电磁兼容性管理难度。因此，人们越来越关注以吸收为主的屏蔽材料，这类材料通过介电损耗和磁损耗来耗散电磁能量。基于聚合物的复合材料因其重量轻、耐腐蚀、成本低和设计灵活性强而成为有前景的电磁屏蔽材料。为了提升屏蔽性能，研究人员通常会加入碳黑、石墨烯纳米片、MXene、碳纳米管（CNTs）和金属有机框架（MOFs）等导电填料，以建立导电网络并促进介电损耗[2],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27]。尽管这些填料效果显著，但往往需要较高的添加量才能达到满意的屏蔽效果，这可能会恶化材料的机械性能并增加成本。同时，颗粒团聚和强烈的界面相互作用也会影响材料的均匀分散和可加工性[28],[29]。氧化物和铁氧体材料提供了一种替代方案，由于它们具有良好的磁损耗和介电损耗特性，因此被广泛研究[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40],[41]。虽然结合磁性和碳基填料的混合系统可以进一步提高屏蔽效果，但这类多组分方法通常涉及复杂的合成过程和较高的生产成本，限制了其工业应用可行性[42]。与此同时，全球范围内仍堆积着大量工业矿物废弃物，这些废弃物未被充分利用，造成了环境问题。摩洛哥西南部磷酸生产过程中产生的磁黄铁矿灰（PA）就是其中之一[43]。尽管已有研究探讨了将其用于建筑材料、膜材料和吸附剂，以及作为铁源的潜力[43],[44],[45],[46],[47]，但仍有大量废弃物堆积在露天储存场所，导致土壤污染和地下水污染。磁黄铁矿（FeS）常见于Ni–Cu–PGE矿床中，主要分布在俄罗斯、加拿大、西澳大利亚、土耳其、中国、伊比利亚黄铁矿带（西班牙/葡萄牙）和摩洛哥等地区。这些硫化物矿的加工以及硫酸生产会产生大量含铁废弃物。尽管全球具体数据不统一，但区域数据显示这些废弃物的累积量巨大。例如，每年产生的磁黄铁矿灰达约1200万吨，其中只有少量被重新利用。摩洛哥、西班牙/葡萄牙和土耳其的庞大存量进一步说明了这些废弃物的潜在价值[48]。因此，开发高价值的PA应用符合循环经济原则和可持续废物管理策略。

从成分角度来看，PA主要由α-Fe₂O₃（71.2 wt%）和SiO₂（16.77 wt%）组成，还含有少量SO₃、CaO、Al₂O₃、P₂O₅和TiO₂等氧化物，这些氧化物有助于介电损耗和磁损耗。这些特性表明PA可作为多功能且经济高效的填料，用于以吸收为主的电磁屏蔽系统。与以往主要将其作为建筑材料或铁源的低价值添加剂的研究不同，其在电磁屏蔽应用中的功能潜力尚未得到充分研究。尽管ABS因其韧性、低成本和加工灵活性而被广泛用于电子外壳和结构部件[49]，但其电绝缘性和易燃性仍然是限制其电磁屏蔽应用的因素[50]。虽然许多研究集中在添加了碳纳米管（CNTs）、石墨、碳纤维和铁氧体等传统填料的ABS复合材料上，但这些系统通常依赖昂贵或合成材料，并且通常仅针对电磁屏蔽这一性能参数[51],[52],[53]。本研究首次将工业副产品PA作为多功能填料引入ABS中，通过溶液混合和压缩成型工艺提升电磁屏蔽性能和阻燃性能。据我们所知，这是首项研究PA在电磁屏蔽和阻燃ABS复合材料中应用的研究，系统地探讨了PA含量和样品厚度对X波段电磁屏蔽性能的影响，并评估了热稳定性、形态特征、磁性能和机械性能，以阐明结构与性能之间的关系。研究结果表明，PA增强了介电损耗和磁损耗机制，同时提高了材料的刚度和阻燃性。这项工作展示了将丰富的工业废弃物转化为多功能、环保填料的潜力，适用于卫星通信系统、电磁兼容性设施、汽车电子设备和下一代5G/IoT技术等高级应用。

所用材料

工业级磁黄铁矿灰（PA）来自摩洛哥萨菲（Safi）南部的废弃物堆放场，作为颗粒填料使用。热塑性ABS被选为聚合物基体。PA经过球磨并筛分至<100 μm网孔大小，以满足标准要求，避免大颗粒聚集，获得适合复合材料加工的均匀粉末。图1c展示了研磨和分类后的PA粉末的粒径分布，平均粒径约为75 μm。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

图3a显示了纯ABS和ABS/PAx复合材料的FTIR光谱。ABS是一种由三种单体单元组成的三元聚合物：丙烯腈（–C≡N）、丁二烯（C=C和–CH=CH–）和苯乙烯（芳香环）。纯ABS的FTIR光谱中，3027–3080 cm^-1处的吸收峰对应于苯环的C–H伸缩振动；2921–2854 cm^-1处的峰则来自–CH₂–和–CH₃基团的烷基C–H伸缩振动；2236 cm^-1处的独特峰

结论

本研究通过两步制备工艺（溶液混合和压缩成型），将丰富的工业副产品PA成功引入ABS基体中，开发出了基于ABS的复合材料。系统地研究了这些复合材料的结构、形态、磁性能和功能性能，特别关注了其在X波段（8.2–12.4 GHz）范围内的电磁屏蔽性能。

作者贡献声明

塔里克·马赫福德（Tarik MAHFOUD）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、数据验证、项目监督。尤瑟夫·埃斯胡巴（Youssef ESSHOUBA）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。莫尼尔·埃尔·阿查比（Mounir El Achaby）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、数据验证、项目监督。哈桑·埃尔·穆萨乌伊（Hassan EL MOUSSAOUI）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、数据验证、项目监督。埃尔·凯比尔·希利尔（El Kebir HLIL）：