复合型磁性塑料的性能特点及应用前景

复合型磁性塑料可制成各种制品，其主要品种有粘接磁铁（软质磁性塑料磁条、硬质磁性塑料）、磁性塑料纤维、磁性高分子微球、磁性离子交换树脂等。

1.复合型磁性塑料磁条

复合型磁性材料磁条是由树脂、热塑性弹性体、橡胶为粘结剂与磁性材料（铁氧体或稀土磁材等）组成的软质或硬质复合磁性塑料。目前常用的粘结剂有天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、CPE热塑性弹性体等。选用粘结剂的品种与磁条介电常数和力学性能有关，如大填充量时使用天然橡胶其综合性能比较好，加工性好，宜作高磁通量的磁条。

常用磁粉以铁氧体为主，但磁粉的质量和用量可决定磁条的磁性，而磁粉的磁性能决定于结晶性、结晶形状、粒子大小和分散性等，如结晶形状和磁致伸缩的各向异性会直接影响矫顽力等。此外，为了提高磁粉与橡胶之间的粘结性和相容性，配料中磁粉应经热处理，且需加入适应的增塑剂、偶联剂等助剂，从而可降低高填充体系的粘度，增进塑化，改善分散性，加工性及力学性能。不同磁粉含量天然橡胶磁条的物性见表16-55。

表16-55 不同磁粉含量天然橡胶磁条的物性

CPE-铁氧体磁条是常用磁性塑料磁条品种之一，用含氯量28%～30%的软质CPE为粘结剂，粒径1～1.2μm的铁氧体磁粉为填料，填充量为86%～90%（质量分数），具有良好的磁性能。填料含量为90%（质量分数）时，B_r≥0.15T，H_c≥99.52kA/m，（BH）max≥3.98kJ/m²，增塑剂（DOP）含量为20%（质量分数）时，其拉伸强度>8MPa，断裂伸长率约为1.0%，表面硬度约100H_D。其具有良好力学性能及CPE的耐热性、阻燃性、耐蚀性和耐候性，长期使用温度为120℃。不同磁粉填充量CPE磁条的性能见表16-56。

复合CPE-铁氧体塑料经充分混炼后造粒，再用挤出成型加工磁条。由于磁粉含量大，磁粉易聚积，分散性差，熔体粘度大，流动性差，故需采用较高的剪切率，且物料在口模处必须予以充分压结实后才能被挤出定型，因此要选用适当的螺杆参数、挤出温度、螺杆转数及较大功率的挤出机，主要目的是防止产生大量剪切热使树脂发生分解，但又要充分压实物料，使磁粉充分分散，保证磁条综合性能。

表16-56 各向同性塑料磁体中不同钡铁氧体磁粉含量的磁性能

因此，螺杆转速、料筒温度需按物料流动状态调节，螺杆采用渐变型结构，但长径比、压缩比要比加工普通塑料时小，长径比一般为9～15。为使物料在通过口模时压实，螺杆均化段螺槽深度可取大一些，从而降低压缩比及剪切热。

另外，物料对螺杆、料筒、机头和口模磨损很大，这些零件都应选用耐磨钢材制作。

电冰箱用的门磁条常为各向同性磁体，故可采用脉冲放电充磁极化工艺。

磁条应用很广，可用于无线电、电视机、音像设备、通信及计算机等产品中作记忆元件、密封条、填料，硬质磁条还可作教具、绘图板、玩具、文具和医疗器械等。

2.磁性高分子微球

磁性高分子微球是指以无机磁性材料为核心，表面包裹高分子材料组成的微球。它一般为核-壳结构，核心常用铁、钴、镍等金属氧化物，壳体常用蛋白质、乙基纤维素、淀粉等天然高分子材料，或用PS、聚乙烯醇、乙烯丙烯共聚物等合成高分子材料。但也有一些品种是以高分子材料为核心，以无机磁性材料作壳体。此外，还有三明治结构，即外层和内层为高分子材料，中间层为无机材料。

磁性微球有微球和多孔微球等品种。微球一般以聚苯乙烯或聚苯乙烯和聚氧乙烯共聚物等有亲磁性的高分子材料为核壳，选用Fe₃O₄为磁核，粒径在6～100_μm之间（98%在6～34μm之间），含Fe₃O₄约20～100mg/g。其表面光滑，具有磁响应性好，在外磁场下即可快速呈现磁分离的特性，可用于细胞分离、固化酶、靶向药物等方面，在生物医学、生物工程，细胞学等领域有广泛应用前景。

苯乙烯多孔磁性微球是以磁性聚苯乙烯微球为种子（粒径1～10μm），以邻苯二甲酸二丁酯和甲苯等惰性溶剂为致孔剂配制而成的粒径为1.53mm磁性多孔聚苯乙烯微球（MHP），其粒径小，表面粗糙多孔，比表面积大，质轻，密度小，可在磁场作用下作定向运动到指定地点或迅速从周围介质中分离出来，其表面带基团可以结合功能分子。与活性炭相比，苯乙烯多孔磁性微球质量轻，孔容性大，膨胀率小，工作稳定性好，可用于处理废水中悬浮物和微生物，吸附性大，使用寿命长。另外，微球更易流化，用作流化床填料时，只要变化外加磁场强度就可任意改变填料的运动方向或使其做间歇运动。活性炭与磁性多孔聚苯乙烯微球的性能比较见表16-57。

表16-57 活性炭与磁性多孔聚苯乙烯微球的性能比较

注：活性炭产自于石家庄高邑活性炭厂。

3.磁性聚丙烯纤维

磁性PP纤维是以PP为外层、PP/磁粉为芯层，在皮芯复合纺丝设备上纺丝成的磁性纤维。它经磁化处理后可具有良好的磁性能，一般磁粉含量<85%（质量分数，含量过高时纺丝困难），皮芯比为3∶7，平均纤径为35μm。磁粉可用稀土、锶铁氧体或钡铁氧体。其中，稀土磁性最好，但价格较高；其次为锶铁氧体。纤维磁性能随磁粉含量的增大、皮芯比的变小、纤维拉伸倍数的变小而增大。

磁性纤维现广泛用于屏蔽电磁辐射和吸收高频波，作变压器和电动机的芯，制造去除空气及水中磁性物质的过滤器，其织物可作医疗保健用品。

4.磁性交换离子树脂

它是用活性聚合物粘稠溶液与极细磁粉（如α-Fe₂O₃）混合，经机械分散、悬浮交联后制成微小球体磁铁，粒径一般为100～300μm，外壳为20～40μm厚的活性层，磁粉粒径0.1μm。这种树脂也分为阳、阴离子（酸、碱性）活性基团等品种，充磁后保持磁性，如再施加磁场则树脂微粒会强烈絮凝下沉。因此广泛用作大面积动态离子交换和吸附。当树脂随操作溶液流经磁场时收集磁粒，清理后即可输送再生循环使用。可用于处理各种含固态物质的液体、矿场废水、回收贵金属、生活及工业废水分离净化等，其固液分离效率高，可使工业液的离子交换、树脂分离、再生一体化，有效地降低处理成本。

5.复合磁性塑料

它是指复合型离分子材料中以树脂为粘结剂，以磁性材料（磁粉）为填料组成的磁性体。按磁性材料可分为铁氧体（锶铁氧体、钡铁氧体）塑料、稀土类塑料、铝镍钴塑料和钕铁硼塑料等，按树脂可分为热塑性塑料及热固性塑料两类。

用不同磁性材料及树脂可配制成各种特性的复合磁性塑料，它们兼有塑料与磁材的特性，虽然磁性能不及烧结磁铁或铸造永磁钢，但加工性、韧性和成型性好，可采用注射、挤出、模压等工艺加工形状复杂、尺寸精度高、大型及小型、薄壁及厚壁的制品。这类材料的品种很多，现举例简介如下：

（1）铁氧体磁性塑料 常用铁氧体有锶铁氧体及钡铁氧体等。锶铁氧体磁性能较好，而钡铁氧体价格便宜，是目前常用的磁材。与烧结磁铁相比，铁氧体磁性塑料质轻，柔韧，成型收缩小，成型性好，可加工薄壁及形状复杂的制品，配方可设计性好，耐热及耐化学药品性好，价格便宜，其缺点是磁性能一般，只宜作磁性要求不高的制品。另外，复合料中填料填充量较大，从而影响其力学性能及流动性。

制品主要用于家用电器、钟表、照相机、自行车、文具、玩具、传真机、复印机、磁控装置、传感器、计算机等产品作磁性塑料制品。其有关品种的性能见表16-58。

表16-58 铁氧体塑料典型的磁性能

EP（双酚A环氧-聚酰胺）/SrO·6Fe₂O₃（锶铁氧体）复合磁性塑料。其磁粉含量为80%～83%，磁化时间为50min时圆柱体制品的磁感应强度B为0.039～0.042T，薄片制品的磁感应强度为0.0115～0.013T，密度为305kg/m³，B_r=0.151T，iH_c=4.48×10⁶A/m，（BH）max=4.560kJ/m³，热固化温度为60～80℃；2～3h时的拉伸强度为0.1484MPa，硬度为24HB，软化温度为240℃，30℃以下无形变，30～90℃间线胀系数为7.2×10^-7K^-1。可用作教具、玩具、薄型贴壁装饰品和工艺品。

日本大同特殊钢公司开发的复合磁性塑料的性能见表16-59。

表16-59 日本大同特殊钢公司产铁氧体磁性塑料的性能

（续）

注：BBB12为含玻璃纤维增强品种。

日本大同特殊钢公司DPM系列铁氧体磁性塑料的耐化学性见表16-60，几种铁氧体磁性塑料注射成型工艺条件见表16-61。(www.xing528.com)

表16-60 日本大同特殊钢公司DPM系列铁氧体磁性塑料的耐化学药品性

注：1.DPM-4—可在10%HCl、H₂SO₄中使用。

2.DPM-2—取得UL94V-0标准许可。

①各百分数均为质量分数。

表16-61 几种铁氧体磁性塑料注射成型工艺条件

①均为质量比。

（2）稀土类复合磁性塑料 在精密机电设备中对磁性塑料零件的磁性能要求较高，一般要求B_r>0.43～0.45T，（BH）max>4.9～68J/m³，而铁氧体的（BH）max一般为0.49～2.1J/m³，磁性不够理想。但用稀土元素配制的磁性塑料具有较高的磁性能，且加工性优良，因此也是一种磁性能优良的塑料。用稀土元素可配制热塑性及热固性磁性塑料。前者常用的树脂有PA、PE、EVA等，后者常用树脂有EP等。配制塑料用的稀土合金磁粉有两类，即1对5型（由稀土元素与过渡金属元素组成，配比为1∶5，如SmCo₅和2对17型，如Sm₂（CO、Cu、Fe、M）17，M指Zr、Hf、Nb、Ni和Mn等。不同配方配制的磁性塑料的磁性能不同，见表16-62。

稀土类磁性塑料的磁性能虽不及烧结稀土磁铁，但优于烧结铁氧体磁铁，而加工性、尺寸精度、韧性、质量稳定性、各向异性等均比烧结磁铁好，可加工精密复杂制品、带有内外嵌件的制品，废角料可反复加工利用，使用温度一般在150℃以下都能保持稳定的磁特性。但稀土资源较少，价格较高。

日本稀土磁性塑料与烧结型磁铁的比较见表16-63，日本稀土类磁性塑料的性能见表16-64。稀土类磁性塑料的成型方法见表16-65。稀土类磁性塑料的注射成型工艺条件见表16-66。

由于稀土类磁性塑料性能优异，目前正在逐步取代传统烧结类磁铁，广泛应用于各领域，见表16-67。

表16-62 磁性塑料的典型磁性能

①1对5型为SmCo₅型；2对17型为Sm（Co、Fe、Cu、M）17型。

表16-63 日本稀土类磁性塑料与烧结型磁铁的比较

表16-64 日本稀土类磁性塑料的性能

（续）

表16-65 日本稀土类磁性塑料的种类及所用材料

表16-66 稀土类磁性塑料的注射成型工艺条件

①配比为质量分数。

表16-67 稀土类磁性塑料的应用领域

（3）钕铁硼复合磁性塑料 稀土磁性塑料中钕铁硼（NdFeB）系复合材料为新型稀土永磁材料，如PA6、PA12/钕铁硼磁性塑料等品种。

1）配方。磁粉为快淬钕铁硼磁粉，粒径为35～65μm，填充量为80%～93%；树脂为PA6、PA12；主要助剂：偶联剂（提高树脂磁粉粘合力及磁粉分散性）、润滑剂（提高流动性，降低磨损），抗氧化剂（防止磁粉热氧化）；包覆剂（包覆磁粉表面，防止吸湿生锈）；增塑剂（提高韧性及流动性）等。

2）PA/NdFeB系磁性塑料的性能简介如下：

①PA6/NdFeB。国产及日本Mate公司的RNI-50塑料的性能指标见表16-68。

②PA12/NdFeB。磁粉含量为91%的塑料的B_r=0.501T，iH_c=340kA/m，（BH）max=43.04kJ/m³，MI=79.3g/10min，弯曲强度为39.6MPa。与烧结磁体相比，其磁性能稍低，但成本低，尺寸精度高（±0.03mm），韧性好，可制复杂形状制品，成型工艺性好，密度小（5～7g/cm³），各向异性强，使用温度为150～160℃（烧结体为250℃），一体成型性好，且可回收再利用。另外，它可先成型后磁化，不需采用专用的磁场注射机。

3）NdFeB磁性塑料的成型工艺。热固性NdFeB可供模压成型，热塑性料可供注射和挤出成型。其成型特性主要表现在填料量大，熔体流动性差，填料易聚积，因此要采用高剪切率进行塑化，剪切热高，易导致树脂分解和磁粉热氧化。另外，NdFeB吸湿后易生锈而降低磁性能，因此要防吸湿和防锈。NdFeB为硬质料，对设备和模具磨损性很大，因此它们均需采用高强度、耐磨、耐蚀钢材制作。设备应选用功率较大及转矩稳定的液压马达作驱动动力，混炼时采用双螺杆效果较好。

常见NdFeB磁性塑料的成型工艺条件如下：

①PA6/NdFeB的挤出成型温度：加料段为210℃，压缩段为230℃；熔融段为250℃；计量段为250℃；螺杆转速为30r/min。

②PA6/NdFeB的注射成型工艺条件：料筒温度：加料段为240℃、中段为250～260℃、前段为275～280℃；喷嘴温度为275℃；注射压力为180MPa。

表16-68 钕铁硼注射磁体性能对比