CN101512677A - 致密导电材料和由相同材料制成的制品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了含有致密芯材料和至少一种电磁导电材料的电磁导电制品。本发明还公开了一种电磁导电制品，其包括至少一层致密织物材料，该致密织物材料至少一个表面的至少一部分电镀有一种或多种电磁导电颗粒物质。还提供了制备和利用这样的电磁导电制品的方法。

Description

致密导电材料和由相同材料制成的制品
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2006年9月11日提交的美国临时专利申请号60/825216的优先权，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。
技术领域
本发明整体涉及电磁导电制品，包括用于屏蔽电磁辐射的带材和其他制品。另外，本发明整体涉及制备和使用电磁导电制品的方法。
背景技术
多种类型的装置都会发射电子或电磁辐射。这些在如今的环境中变得越来越普遍的辐射源可以引起其他电子设备出现各种故障。例如，某些电子设备电路发射的电磁辐射可能干扰靠近源电路的其他电子设备或周边元件或引起故障。这一潜在干扰的有害影响可包括受影响设备的性能减退、由产生的电子噪声引起的电子图像的损坏或电子设备使用寿命的一般缩短。
已经应用多种方法来保护电子设备免受不需要的或过量的环境电磁辐射的影响。一个这样的方法包括使用防护罩或屏蔽材料来保护设备内部元件。一般来讲，这样的防护罩或屏蔽材料用来传导电磁辐射，使其远离受保护元件封装的区域。金属板、镀金属织物、导电涂料、导电带材和基于导电聚合物的材料已被用作适合屏蔽应用的材料。
由于环境电磁辐射可以通过宽频谱来观察，因此导电屏蔽材料的效能由其沿着所需的频带传导辐射的能力来确定，其中该所需的频带最需要保护。虽然寻求这样保护的频带可以依赖于任何具体应用，但总体上需要较广的屏蔽能力。最典型地，屏蔽材料的效能由其防止从约100MHz至约1000MHz频率范围的辐射通过该屏蔽材料的能力来衡量。
屏蔽材料的效能由其“屏蔽效能”(或“SE”)来定量衡量，用分贝(db)表示，由通过测量材料传输的功率或电压与未提供材料接收的功率或电压之间的比率来定义。关系表示如下：
SE = 10 log ( P 1 P 2 )
SE = 20 log ( V 1 V 2 )
其中：
P1＝辐射源和邻近材料的点之间存在材料时接收的功率
P2＝辐射源和邻近材料的点之间不存在材料时接收的功率；
V1＝辐射源和邻近材料的点之间存在材料时接收的电压；
V2＝辐射源和邻近材料的点之间不存在材料时接收的电压。
由于屏蔽材料一般用于保护小的电子元件，通常有希望构造由诸如薄的、轻型带材或薄膜材料制成的防护制品。这样的带材或薄膜可用于容纳或包封需要保护的区域的一个或多个表面。带材或薄膜通常包括易于涂敷于电子元件(如印刷电路板或射频识别技术(RFID)设备)的壳体表面的粘合剂(例如压敏粘结剂)。
发明内容
在一个方面，本发明提供包括致密芯材料和至少一种电磁导电材料的电磁导电制品。
在另一方面，本发明提供一种电磁导电制品，其包括至少一层致密织物材料，该致密织物材料至少一个表面的至少一部分电镀有一种或多种电磁导电颗粒物质。
仍然在另一方面，本发明提供一种电磁导电制品，其包括至少一层织物材料，该织物材料至少一部分被压延并且至少一部分镀有一种或多种电磁导电材料。
还提供了包括镀有至少一种电磁导电金属的织物的电磁导电制品，其中沿着通过其最小宽度切开织物形成的平面测量的织物透气率不大于约0.5立方米/分钟立方米/分钟。
本发明还提供制备电磁导电制品的方法。在一个实施例中，制备这样的电磁导电制品的方法包括：
(a)使织物密致；以及
(b)对织物电镀一种或多种电磁导电材料以形成电磁导电制品。
通过采用致密织物芯材料，可以利用相对较薄的构造将本发明的电磁导电制品用于针对不需要的电磁辐射形成有效防护，尤其是当所述制品制成薄片、带材或薄膜时。在另一方面，本发明提供构造电磁屏蔽制品的能力，与不由致密织物芯制成的那些屏蔽材料相比，以较小横截面尺寸表现出相当的屏蔽效能或有所提高的屏蔽效能。
附图说明
图1提供致密导电制品和两个未经压光处理的制品的屏蔽效能的比较图。
图2提供各种致密和非致密导电制品的透气率、屏蔽效能和表面电阻率比较图。
图3提供各种致密和非致密导电制品TABER耐磨试验的结果比较图。
图4提供致密(经压光处理)制品和非致密(未经压光处理)制品的屏蔽效能的比较图。
图5提供致密(经压光处理)制品和非致密(未经压光处理)制品屏蔽效能比较图。
优选实施例的具体实施方式
本发明所述的导电制品包含一般由无纺布或机织物制成的致密芯材料。所述的导电制品另外包含至少一种电磁导电材料的有效量。电磁导电材料可以包括一种或多种电磁导电有机或无机颗粒物质，包括诸如铜或镍的金属，或诸如炭黑的有机颗粒。优选地以类似柔韧片的形式制成的织物，在其一个或多个表面上可任选地包括粘合剂。粘合剂可以包括附加量的一种或多种电磁导电材料。制品可以包括与放置粘结剂层的表面或侧面相对的密封涂层。作为另外一种选择，制品可以包括施加到致密织物的每一侧的密封涂层。制品也可以包括邻近粘合剂的剥离层或内衬。
本发明的致密芯材料可以包括任何机织物或无纺布或类似织物的材料，该机织物或无纺布或类似织物的材料包含一定程度的空隙间距或在构成类似织物的材料的纤维或丝线内包含空间。尽管天然或合成织造纤维或丝线的幅材或薄片在本发明的制品中很有用，但一般非织造材料是优选，因为非织造材料成本相对较低且易于制造。
具有约100微米(μm)或更小直径的纤维，尤其是具有不大于约50μm直径的所谓的“微纤维”，在制造非织造幅材材料过程中很有用。这些纤维和微纤维通常以可用于制造多种产品的非织造幅材的形式使用，这些产品包括面罩和呼吸器、空气过滤器、真空袋、石油和化学品泄漏吸附剂、热绝缘、急救敷料、医疗包裹物、手术单、一次性尿布、擦拭材料等。纤维的非织造幅材尤其理想，因为它们提供具有大表面积的材料，且一般具有高度多孔性。
纤维可由多种熔融工艺制成，包括已知的纺粘和熔喷工艺。在纺粘工艺中，通过多组喷丝头将纤维从聚合物熔融流挤出到快速移动的多孔皮带上，从而一般形成非粘合幅材。然后，非粘合幅材通过粘结剂(通常为热粘结剂)，该粘结剂将一些纤维粘结到相邻纤维上并为幅材提供完整性。在典型的熔喷工艺中，利用高速空气抽长到旋转筒上以形成自生的粘合幅材，纤维通过细小喷丝孔挤出。与典型的纺粘工艺相比，熔喷工艺一般不需要进一步加工。这两种工艺在多种出版物中均有详细说明，包括Wente在“Superfine Thermoplastic Fibers”(超细热塑性纤维)中的介绍，《工业工程化学》，卷48，第1342页以及下列等等(1956年)。
通过熔融加工(包括上面刚描述的工艺)，形成纤维的任何材料可用于制备适当的非织造材料。可用的、一般优选的示例性聚合材料包含聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯的；聚亚烷基，例如聚乙烯或聚丙烯；聚酰胺，例如尼龙6；聚苯乙烯；和聚芳基砜。另外可用的是稍有弹性的材料，包括烯属的弹性体材料，例如一些乙烯/丙烯或乙烯/丙烯/双烯弹性体共聚物，和其他乙烯共聚物，例如乙烯-醋酸乙烯。
织造或非织造芯材料在其结合到本发明的成品之前要被致密。压实指的是通过施压，或通过施加或移除热量，或通过施压和施加或移除热量二者，或通过减少织造或非织造材料中空隙的任何其他方法减少机织物或非织造材料中空隙区域或空间的任何方法。例如，可以通过标准压延工艺来完成压实，由此，芯材料幅材通过一对或一系列通过受压保持的辊子。可以将辊子加热或冷却。芯材料还可以通过应用加热板或冷却板来加压，例如利用Flatten压板。
实现压实后，可以通过几种方式中的任何一种或多种来证实，包括下列一种或多种：制品厚度降低、制品密度增加、透气率降低、孔隙度降低或芯材料表面电阻率的改变。重要的是，在压实前和压实后，可以对芯材料的厚度、密度、渗透性、孔隙度或表面电阻率的绝对阈值进行定义。由于本发明提供电磁导电制品性能的相对增加，本发明制品的芯材料压实后将一般显示具有其横截面厚度、透气率、孔隙度或表面电阻率等一个或多个相对降低或其密度的增加。构造成后，与由非致密材料构造的制品相比，这种改变能够提供制品表现相同或甚至有所改善的电磁辐射屏蔽特性。
以举例的方式，织造或非织造芯材料的典型厚度范围可以为从约1至约10密耳，更典型地，从约3至约8密耳。一般来讲，根据为织造或非织造芯选择的材料，所述芯将被压延、加压或换句话讲处理(即致密)以将其厚度降低约10％至80％，更优选地约25％至60％。当如此致密时，芯材料(和/或由该材料制成的制品)的透气率通常将降低。通常，沿着通过其最小横截面尺寸分割材料的平面测量的织造或非织造芯材料的透气率将不大于约0.5立方米/分钟立方米/分钟，优选的是不大于约0.25立方米/分钟立方米/分钟，而更优选地不大于约0.2立方米/分钟。
本发明的导电制品也包括设置在致密芯织造或非织造材料上或内的一种或多种电磁导电有机或无机颗粒物质。可用的电磁导电颗粒包含：贵金属；非贵金属；镀贵金属的贵金属或非贵金属；镀非贵金属的贵金属或非贵金属；镀贵金属或非贵金属的非金属；导电非金属；导电聚合物；以及它们的混合物。更具体地讲，导电颗粒可包含贵金属，例如金、银、铂；非贵金属，例如镍、铜、锡、铝和镍；镀贵金属的贵金属或非贵金属，例如镀银的铜、镍、铝、锡或金；镀非贵金属的贵金属和非贵金属，例如镀镍的铜或银；镀贵金属或非贵金属的非金属，例如镀银或镍的石墨、玻璃、陶瓷、塑料、弹性体、或云母；导电非金属，例如炭黑或碳纤维；导电聚合物，例如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、聚(对亚苯基)、聚(苯硫醚)或聚(对苯乙炔)；以及它们的混合物。一般优选的是在整个宽频谱对电磁辐射显示传导性的那些贵金属和非贵金属(以及这样的金属的混合物)。由于其相对丰富，具体的优选金属包括银、镍和铜以及它们的混合物。
可以通过涂敷或电镀(电或化学)有效量的导电材料到芯材料上将电磁导电材料(或材料的混合物)涂敷到织造或非织造芯材料。在压实前或压实后，可以将导电材料涂敷到芯材料。可以采用任何量的导电材料来提供屏蔽性能所需的量，而该量将不可避免地根据所选择的电磁导电材料和采用的制品用量有所差别。在选择的电磁导电材料为金属的情况下，示例性应用到芯材料的金属范围可以是从5至100g/m2、从10至80g/m2或从20至50g/m2。
本发明的制品可以包含在织造或非织造芯材料或层的一个外表面的至少一部分上的粘结剂层。在芯材料为基本上平坦的幅材或薄片形式的情况下，可将粘结剂层置于顶部和底部表面的一个或两个的至少一部分上。为此，可以采用任何适用的粘合剂，并将选择粘合剂的类型或组成以与粘附制品的基底相容。一般来讲，当制品用于电子元件的保护时，将选择适用的电子级粘合剂。可以使用诸多已知的压敏粘结剂(或“PSA”)中的任何一种，包括天然或合成增粘橡胶PSA、可再贴PSA或丙烯酸类PSA。一般优选的是丙烯酸类粘接剂，且具体地讲，是那些包含至少50重量％或更多丙烯酸酯官能团。一种适合的丙烯酸类粘合剂在美国专利No.Re 24,906中所公开，该专利描述了95.4/4.5重量％丙烯酸异辛酯/丙烯酸共聚物压敏粘结剂。另外可用的是可光聚合的丙烯酸类粘接剂。通过任何适合的已知方法，包括通过溶剂或热熔融涂层或处理技术，可将选择的粘合剂组合物涂敷到织造或非织造芯材料的一个或多个表面。
粘合剂组合物也可以配制为包含一种或多种电磁导电材料。当添加到粘合剂时，这样的材料可以有助于进一步增强制品的屏蔽或保护特性。选择用于结合到粘合剂的电磁导电材料可以与选择与致密芯材料一起使用的材料相同或不同。一般来讲，如果存在，导电材料将被添加到粘合剂以占粘合剂组合物的0和75重量％之间，优选的是从10至50重量％。当电磁导电制品以粘合带的形式制成时，防粘衬垫也可以施用到粘合剂的外表面。粘合剂组合物也可以包括其他官能团组分或添加剂，例如一种或多种缓蚀剂或一种或多种耐腐蚀性添加剂。
密封涂层或表涂层可以可选地施用到电磁导电制品的外表面。该涂层可用于保护织造或非织造芯材料并密封或有助于将导电材料固定在制品内。可用于密封芯材料的任何材料均可用作表涂层或密封涂层。一种这样的可用材料为乙烯基聚合物，特别是一种透光的或基本上透光的乙酸乙烯酯-乙烯醇-氯乙烯共聚物。可以将密封涂层或表涂层涂布到芯基底上，直至任何所需的重量，但一般地涂布到足够填充或基本上填充芯材料的表面空隙的量，以提供基本上光滑的表面。与粘合剂一样，也可以将密封涂层或表涂层配制成包括一种或多种电磁导电材料的另外的量。当被添加到表涂层(当被添加到粘合剂)时，这样的材料有助于进一步增强制品的屏蔽或保护特性。选择用于结合到表涂层的电磁导电材料可以与选择用于致密芯材料和/或粘合剂的材料相同或不同。一般来讲，如果存在，导电材料将被添加到粘合剂以占涂层组合物的0至75重量％，更优选地为10至50重量％。
常规或可选的添加剂或辅助剂的任何数量可以被添加到本发明的电磁导电制品的层或元件中的一者或多者。例如，抗氧化剂、紫外光稳定剂和/或缓蚀剂可以被添加到粘合剂或密封涂层(或二者)，从而为电磁导电制品提供保护。与此相类似，可以添加其他官能团或非官能团添加剂或辅助剂。
本发明的制品可用于需要电磁罩的任何应用中。例如，制品可被成型为条带并被用于与以下设备相关的屏蔽应用：电子设备、电路、诸如RFID标签的RFID装置或受益于电磁屏蔽的其他装置。制品也可以被用于包含、阻止或遮罩装置或元件发出的辐射，该制品起到屏蔽的作用。当用在屏蔽装置的应用中时，应将电磁导电制品或其致密芯材料设置在接近该装置处，例如距离装置25mm以内，并优选地距离装置不到5mm。
通过采用致密织造或非织造芯材料，本发明的制品提供多种潜在优点。通过在织造或非织造芯基底材料的致密空隙区内更有效和更浓缩地使用一种或多种电磁导电材料，制品在其单位体积内可提供更大的屏蔽效能。与采用非致密芯基底材料的制品相比，这会形成一种能力，使得较薄的屏蔽制品构造具有等同或具有改善的屏蔽特性。本发明的制品通常也提供具有改善的表面电阻率和降低的物理和/或电渗透性(即减少的电流渗漏、改善的电缆特性和改善的电密封特性)。致密芯材料可以提供更一致的横截面尺寸(如厚度)，并提供增大的基底附着性，其中致密芯材料可以连接到该基底。芯材料的孔隙度和/或渗透性的降低也允许更有效的使用粘合剂和表涂层材料。致密芯材料内电磁导电材料的封装减少了腐蚀并有助于预防水分和湿度的其他有害影响。致密材料还不易受物理模压和磨损的影响，提供颜料和其他添加剂的更有效加成，并提供更大的耐用度。
实例
样品
如下表1所提供，准备五个产品样品以用于测试和评估：
表1
 
样本 具体实施方式
1 6.0密耳未经压光处理的产品
2 6.0密耳未经压光处理的芯材料
3 4.0密耳未经压光处理的产品
4 4.0密耳经压光处理的产品
5 4.0密耳经压光处理的芯材料
通过将具有铜和镍金属的芯材料电镀到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)织物上来制备6.0密耳未经压光处理的芯材料样品和4.0密耳经压光处理的芯材料样品(样品编号分别为2和5)。通过先将铜和镍金属电镀到PET织物上来制备6.0密耳未经压光处理的产品样品、4.0密耳未经压光处理的产品样品和4.0密耳经压光处理的产品样品(样品编号分别为1、3和4)。对于这些样品(样品编号分别为1、3和4)而言，填充有镍粒子的丙烯酸树脂粘合剂随后被层合到PET织物的一侧，而由乙烯基粘结剂和银构成的密封涂层被层合到PET织物的另一侧。
图4和图5中的曲线示出两种样品的比较：具有铜和镍电镀和粘合剂的4密耳经压光处理的芯材料对具有铜和镍电镀和粘合剂的6密耳未经压光处理的芯材料。
屏蔽效能
根据ASTM D4935-99，利用Hewlett-PackardTM 8510网络分析仪和横向电磁波(TEM)室评估每个样品的屏蔽效能。图1中的曲线示出在100MHz至1000MHz的频率范围收集的值。表3和图2曲线中示出的值为100MHz至1000MHz的频率范围内收集的单个值的平均值。图4中示出的曲线示出在0.3MHz至1000MHz频率范围内收集的值。图5中示出的曲线示出在0.3MHz至20MHz频率范围内收集的值。
表面由阳率
根据ASTM F43，利用DelcomTM 717涡流检测系统和/或四点测量系统对样品进行表面电阻率测量。结果在表3和图2中示出。
透气率
利用FrazierTM 2000差压式透气率测试仪对样品进行透气率测量。结果在下表2和表下3以及图2中示出。
表2
 
样品编号 渗透性(ft3/分钟) 目标确定(in.H2O) Nz1尺寸(mm) 开口直径(in.)
1 26.2 传感器1-0.50 4.0 2.75
2 33.4 传感器1-0.50 4.0 2.75
3 1.3 传感器1-10.00 1.0 2.75
4 小于0.1 传感器1-10.00 1.0 2.75
5 3.4 传感器1-0.50 1.4 2.75
Taber模压
与CS-5毡轮一起使用，利用TeledyneTM 503型模压测试仪测试每个样品的Taber模压。在测试前，对每个样品称重并测量初始电阻。完成1000次和2000次循环后，再次对样品称重以确定重量损失，并在完成100、200、400、1000和2000次循环后测量电阻。结果在图3中示出。
表3
 
样品编号 透气率(ft3/分钟)* 屏蔽效能(db) 表面电阻率(Ω/sq)
1 26.2 69.5 0.076
2 33.4 74.6 0.038
3 1.3 67.1 0.055
4 0.1 72.7 0.044
5 3.4 70.3 0.046
*样品每分钟每平方英尺透过的空气立方英尺数

Claims (22)

1.一种电磁导电制品，包括致密芯材料和至少一种电磁导电材料。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述致密芯材料为无纺布，并且其中所述无纺布包括热塑性聚合材料，并且其中所述热塑性聚合材料包括聚酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯，并且其中所述致密芯材料设置在紧靠RFID装置的位置。
3.根据权利要求2所述的制品，其中所述无纺布由可熔融加工的聚合材料制成，所述聚合材料选自由以下物质组成的组：聚酯；聚亚烷基；聚酰胺；聚苯乙烯；以及聚芳基砜。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述致密芯材料包含由天然纤维材料制成的机织物。
5.根据权利要求1所述的制品，其中所述电磁导电材料包括选自下述物质组成的组的一种或多种材料：贵金属；非贵金属；镀贵金属的贵金属或非贵金属；镀非贵金属的贵金属或非贵金属；镀贵金属或非贵金属的非金属；导电非金属；以及导电聚合物。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述电磁导电材料包括选自下述物质组成的组的一种或多种材料：金；银；铂；镍；铜；锡；铝；镀银铜、镀银镍、镀银铝、镀银锡或镀银金；镀镍铜或镀镍银；镀银或镀镍的石墨、镀银或镀镍的玻璃、镀银或镀镍的陶瓷、镀银或镀镍的塑料、镀银或镀镍的弹性体、或者镀银或镀镍的云母；炭黑或碳纤维；聚乙炔；聚苯胺；聚吡咯；聚噻吩；聚硫化氮；聚(对亚苯基)；聚(苯硫醚)或聚(对苯乙炔)；以及它们的混合物。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述电磁导电材料包括铜和镍。
8.根据权利要求1所述的制品，其中所述致密芯材料被压延或压制。
9.根据权利要求1所述的制品还包括设置在所述制品至少一个表面的至少一部分上的粘合剂层，并且其中所述粘合剂包含镍。
10.一种电磁导电制品，其包括至少一层致密织物材料，该致密织物材料至少一个表面的至少一部分电镀有一种或多种电磁导电颗粒物质。
11.根据权利要求10所述的制品，其中所述致密织物由选自下述物质组成组的可熔融加工的聚合材料制成：聚酯；聚亚烷基；聚酰胺；聚苯乙烯；以及聚芳基砜，并且其中所述致密织物材料设置在紧靠RFID装置的位置。
12.根据权利要求10所述的制品，其中所述电磁导电材料包括选自下述物质组成的组的一种或多种材料：贵金属；非贵金属；镀贵金属的贵金属或非贵金属；镀非贵金属的贵金属或非贵金属；镀贵金属或非贵金属的非金属；导电非金属；以及导电聚合物。
13.根据权利要求10所述的制品，其中所述电磁导电材料包括选自下述物质组成的组的一种或多种材料：金；银；铂；镍；铜；锡；铝；镀银铜、镀银镍、镀银铝、镀银锡或镀银金；镀镍铜或镀镍银；镀银或镀镍的石墨、镀银或镀镍的玻璃、镀银或镀镍的陶瓷、镀银或镀镍的塑料、镀银或镀镍的弹性体、或者镀银或镀镍的云母；炭黑或碳纤维；聚乙炔；聚苯胺；聚吡咯；聚噻吩；聚硫化氮；聚(对亚苯基)；聚(苯硫醚)或聚(对聚苯乙炔)；以及它们的混合物。
14.根据权利要求10所述的制品，其中所述电磁导电材料包括铜和镍。
15.根据权利要求10所述的制品，其中所述致密织物被压延或压制。
16.根据权利要求10所述的制品，其还包括设置在所述制品至少一个表面的至少一部分上的粘合剂层，并且其中所述粘合剂包含镍。
17.一种电磁导电制品，其包含至少一个织物材料层，该织物材料层的至少一部分被压延，并且所述织物材料层的至少一部分电镀有一种或多种电磁导电材料。
18.一种电磁导电制品，其包括电镀有至少一种电磁导电材料的织物，其中沿着通过其最小宽度分割所述织物的平面测量的所述织物的透气率不大于约0.5立方米/分钟。
19.根据权利要求18所述的制品，其中沿着通过其最小宽度分割所述织物的平面测量的所述织物的透气率不大于约0.25立方米/分钟。
20.根据权利要求18所述的制品，其中沿着通过其最小宽度分割所述织物的平面测量的所述织物的透气率不大于约0.2立方米/分钟。
21.一种制备电磁导电制品的方法，包括：
使织物致密；以及
对所述织物电镀一种或多种电磁导电材料。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述致密包括压延，并且其中所述电磁导电材料包括铜和镍，并且还包括将所述织物设置在紧靠RFID装置的位置。
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