5G用尼龍復合材料介電常數影響因素

陳劍銳，張海生，徐美玲，顏瑞祥，杜國毅，閆廷龍，付立順，王飛飛

(上海普利特復合材料股份有限公司，上海 201707)

5G通訊技術在智能家居、智能家電、智能傳媒、智能汽車、智能交通等領域將廣泛應用。同時，與上述5G通訊設備相匹配的低介電常數材料的需求也迫在眉睫。介電常數對5G通訊毫米波的信號傳輸速度、信號延遲、信號損失等影響很大，在5G高頻傳輸情況下，低介電常數和低介電損耗的材料大有用途[1~5]。

改性塑料在5G時代可用于設備的框、蓋、殼、支架等部件，具備作為結構件使用時高強度、抗沖擊、耐高低溫等特性，且滿足作為非結構件使用時美學設計、低介電常數等新的要求[6~8]。

目前眾多學者針對固有介電常數低（ε≈2.3）的聚丙烯材料進行了廣泛的研究和報道，然而對于固有介電常數較高（ε≈3.5）的尼龍材料卻鮮有研究[9~11]。相比聚丙烯材料，尼龍材料具備更加優異的耐磨、耐刮擦、耐熱、耐化學性等特點[12~13]。2020年，伴隨著珠穆朗瑪峰上第一座5G基站的建立，作為5G基站內低壓配電系統中關鍵的智能斷路器外殼材料[14~15]，阻燃玻纖增強PA6系列產品憑著優異的阻燃、電絕緣、耐低溫（不開裂、不變形）、綠色環保、高性價比等優勢跟隨5G基站登上珠峰。因此，對尼龍材料介電性能的研究在5G設備的材料選擇中具有重要的指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

尼龍6（PA6）：YH800，湖南岳化化工股份有限公司；

尼龍66（PA66）：EPR27，神馬工程塑料有限責任公司；

聚間苯二甲酰己二胺（PA6I）：TM01，山東東辰瑞森新材料科技有限公司；

聚十二碳二酰癸二胺（PA1012）：山東東辰瑞森新材料科技有限公司；

聚己二酰間苯二甲胺（MXD6）：YH-1400，上海泰禾化工有限公司；

滑石粉：800目，江西榮恩礦業有限公司；

竹粉：325目，萬安金都竹粉纖維科技有限公司；

玻璃纖維：301HP，重慶國際復合材料股份有限公司；

玄武巖纖維：DBF-17 um-3 mm，鄭州登電玄武石纖有限公司；

抗氧劑：1098，天津利安隆新材料股份有限公司；

抗氧劑：168，天津利安隆新材料股份有限公司；

抗氧劑：618，宜興市天使合成化學有限公司；

抗氧劑：H318，布呂格曼；

潤滑劑：OP蠟，科萊恩；

潤滑劑：Cav102，科萊恩；

潤滑劑：AC540A，霍尼韋爾；

潤滑劑：GM-100，中藍晨光化工有限公司；

季戊四醇：雙季戊四醇，≥95%，江蘇瑞陽化工股份有限公司；

聚乙烯亞胺：PEI9M001，攻碧克新材料科技(上海)有限公司；

發泡劑：自制。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠出機：TSE-35/600-22-44，南京瑞亞擠出機械制造有限公司；

電子天平：XS104，瑞士梅特勒；

熱氧老化烘箱：UT 6200，賽默飛世爾；

網絡分析儀：N5232A ，是德科技(中國)有限公司；

帶狀線夾具：成都恩馳微波科技有限公司。

1.3 試樣制備

試樣的配方如表1和表2所示。以試樣1為例，將PA6、滑石粉和潤滑劑OP蠟按照一定配比在雙螺桿擠出機上擠出造粒，所得的塑料顆粒經注塑機注塑成方片（50 mm×30 mm×3 mm）。雙螺桿擠出機和注射機的溫度范圍設定在255~265 ℃。

1.4 測試與表征

樣品：50 mm×30 mm×3 mm方片。

測試方法：GB/T 12636—90《微波介質基片復介電常數帶狀線測試方法》；本文數據采用測試頻率5 GHz下的復介電常數。

干態：樣品在125 ℃烘箱中干燥 2 h，達到烘干時間后，放入干燥器皿冷卻，冷卻后進行測試。

濕態：樣品在23 ℃去離子水中浸泡24 h，取出擦干后，進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同種類尼龍樹脂的影響

尼龍樹脂種類多樣，特性存在差異。圖1中5種尼龍實測干態介電常數在3.2~3.7之間，其中PA6I最小，MXD6最大，這種差異由主鏈結構中鍵的特性和排列所決定。介電常數與材料分子的極化能力息息相關，為不同種類尼龍的固有屬性。通過對比干態和濕態下的數據可見，PA6和PA66在不同使用狀態下存在明顯變化，濕態下的介電常數大幅提升至6以上，而PA1012提高了0.5，PA6I和MXD6則分別只增加了0.3和0.1——以上變化與吸水率數據呈正相關，這是由于濕態下含水率高的材料中強極性的水分子大大提高了分子間的極化能力，導致介電常數飆升。由于尼龍在實際使用中主要以PA6和PA66為主（兩者總用量占比90%以上），因此兩者在濕態下的介電常數大幅提升不容忽視。

圖1 不同種類尼龍樹脂的介電常數

2.2 填充材料和助劑的影響

尼龍樹脂在實際使用中往往需要根據應用場合的要求添加各種增強材料、填料、助劑等以獲得各種性能的加成，從而獲得優異的綜合性能。

表1中試樣1~4為尼龍基不同填充材料的比較，從圖2(a)中可見，不同纖維材料、礦粉和有機質粉末填充增強的尼龍復合材料的介電常數存在非常大的差異，要求尼龍在5G應用中的選材需遵循材料本身的介電屬性，達到功能性和經濟性的平衡。

表1中試樣4~7為尼龍常用的潤滑劑的比較，其中OP蠟是褐煤蠟；Cav102是羧酸鈣鹽；AC540A是聚乙烯蠟；GM100是硅酮類。從圖2(b)中可見，使用潤滑劑Cav102的復合材料的濕態下介電常數上升非常明顯，這主要是羧酸鈣鹽中的鈣離子容易游離，導致分子在電場中極化能力較強，使得調濕后介電常數上升明顯。

表1中試樣8~11為尼龍常用的抗氧劑的比較，其中1098是受阻酚類主抗氧劑；168和628是亞磷酸酯類輔助抗氧劑；H318是銅鹽類抗氧劑。從圖2(c)中可見，四種抗氧劑對應的復合材料在干態下介電常數差異不大，因為微量添加劑在材料中的分散還不足以構成對整體的影響。然而，由于材料的耐水解性存在差異，調濕后最不耐水解的628導致介電常數上升明顯。

圖2 不同材料對尼龍復合材料介電常數的影響

表1 含不同填充物、潤滑劑、抗氧劑試樣配方

2.3 特殊助劑的影響

除前文提到的功能助劑如潤滑劑、抗氧劑外，某些特殊助劑同樣可以用于調控尼龍材料的介電性能。圖3展示了按表2配方體系制備的幾種試樣的介電常數數據。相對于12號常規配方，13號共混改性配方、14號相態改性配方和15號微發泡改性配方均達到了降低介電常數的目的。其中，14號配方不僅常態下介電常數低于3.2，濕態下的介電常數也低于3.5，這歸功于多元醇、多元胺、非晶態PA6I與PA6基體之間配合作用獲得的相態改變以及材料吸水率的降低，與13號配方相比，14號配方中多元醇、多元胺的參與獲得了1+1＞2的協同效果。15號配方則是利用空氣的介電常數接近1，采用微發泡技術減少樹脂相對含量的方法達到降低介電常數的目的，缺點是機械性能會隨發泡倍率的提高而降低。

表2 含特殊助劑試樣方案

圖3 特殊助劑對尼龍復合材料介電常數的影響

3 結論

（1）尼龍種類對濕態下的介電常數影響較大，其與化合物結構及本身吸水性密切相關，因此從實用性角度出發需考慮材料濕態性能。

（2）不同種類填充物對尼龍材料介電常數影響較大，篩選本身介電常數較低的填充材料是有效降低材料介電常數的主要手段，此外還需注意功能性和經濟性的平衡。

（3）不同潤滑劑和抗氧劑對尼龍材料介電常數的影響在干濕兩種狀態下不一致，且差別較大，具體應用需要結合配方體系篩選，以免造成負面影響。

（4）采用特殊助劑進行配方設計可以明顯降低尼龍材料的介電常數，滿足介電常數低于3.2甚至更低的應用要求。