CN110485208A - 一种具有电磁屏蔽功能的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有电磁屏蔽功能的复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明以机械浆纤维为主原料、碳纳米管为导电填料、纳米纤维素为导电填料分散剂，辅以其他填料及助剂，设计制备了具有电磁屏蔽功能的复合材料。本发明方法制备工艺简单、过程环保，碳纳米管在机械浆纤维中分散良好，所制备的电磁屏蔽复合材料具有良好的导电性、优异的电磁屏蔽性能。

Description

一种具有电磁屏蔽功能的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种具有电磁屏蔽功能的复合材料及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的发展，电磁波逐渐成为人们传递信息和能量的一种主要方式，但电磁波带来利益的同时也产生了诸多弊端，如电磁波干扰、电磁波辐射与电磁波信息泄露等，对金属产品以及电子信息的运输带来极大影响。因此，有效防护电磁波污染，提升电子产品质量，成为当前研究热点；其中，防护电磁波污染的主要办法是利用电磁屏蔽技术。
电磁屏蔽技术是利用导电或导磁材料将电磁干扰源限制在一定范围内，可有效抑制或衰减电磁干扰，故具有屏蔽性能的新型材料的开发是研究的重中之重。传统的电磁屏蔽材料，如金属材料等，具有易腐蚀、密度大、价格较高等不足，限制其在一些场合的应用。因此研制高效、质轻、价廉的电磁屏蔽材料具有重要的意义。近年来，电磁屏蔽复合材料的研究已成为研究热点，特别以碳纤维为填料制备的导电屏蔽材料。
然而，不同配方的材料化学组分相差较大，所制备的电磁屏蔽复合材料性能迥异，在电磁屏蔽材料领域应用中，为了满足人们对不同电磁屏蔽效果的需求，对电磁屏蔽复合材料制备工艺的优化开展进一步研究意义重大。
发明内容
针对传统的电磁屏蔽复合材料电磁屏蔽性能无法进一步提升的问题，本发明提出一种高效制备兼具柔性、导电性的电磁屏蔽复合材料的方法，无需特殊设备，生产成本得到控制，制备的复合材料兼具柔性、导电性能好，并且形状、电阻可控，具有良好的电磁屏蔽效能。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种电磁屏蔽复合材料由如下原料按重量百分数构成：机械浆纤维：74~89%、碳酸钙：10%、碳纳米管：0~5%、纳米纤维素：0~5%、十二烷基苯磺酸钠：0~5%、消泡剂：0.5%、助留剂：0.5%。
其中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或两种的混合。单壁碳纳米管仅由一层石墨片卷曲层，直径在0.8~2 nm之间；多壁碳纳米管则由两层以上的石墨片卷曲层，直径在5~20 nm之间，管壁间距为0.34~0.4 nm，二者长度均在30 nm~几厘米之间。所述的纳米纤维素为纳米微纤丝、纳米微晶纤维素中的一种或两种的混合，所述纳米微纤丝的粒径小于100 nm，长度在500 nm~几微米之间，所述纳米微晶纤维素的粒径为5~40nm，长度在80~500 nm之间。
上述电磁屏蔽复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤（1）：按重量份计数：将0~5份表面活性剂，80份水，0～5份碳纳米管，0～5份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切混合，得到混合分散液A。
步骤（2）：取经过预处理后的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
步骤（3）：将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
进一步说，步骤（2）所述的碳酸钙作为填料，其为重质碳酸钙。
进一步说，步骤（2）所述的助留剂为阳离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯中的一种。
进一步说，步骤（2）所述的乳化剂为吐温-80。
进一步说，步骤（3）所述的电磁屏蔽复合材料，平均厚度为0.30±0.02 mm。
进一步说，步骤（3）所述的电磁屏蔽复合材料，电阻率为0.086 Ω·cm、电磁屏蔽效能达45.15 dB，屏蔽效能主要来自于碳纳米管以及基于纳米纤维素与表面活性剂协同作用使碳纳米管均匀分散于机械浆之间。
本发明与现有技术相比，其突出的特点在于：
依靠纳米纤维素作为导电填料的主要分散剂，辅以表面活性剂，使碳纳米管能够均匀分散于机械浆纤维之间，复合纸中机械浆纤维和碳纳米管能完美的结合成导电性良好的三维网络，制备的复合材料兼具柔性、导电性好，并且形状、电阻可控，具有良好的电磁屏蔽效能。
附图说明
对实施例1-5，对电磁屏蔽复合材料进行性能测试后，获得数据图所示：
图1 CNTs质量分数对电磁屏蔽复合材料电阻率性能的影响；
图2 CNTs质量分数对电磁屏蔽复合材料电磁波屏蔽性能的影响。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1：
（1）首先，按重量份计数：将1份表面活性剂，80份水，1份碳纳米管，1份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切，得到混合分散液A。
（2）其次，取经过浸泡4h打浆至打浆度34°SR的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
（3）最后，将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
实施例2：
（1）首先，按重量份计数：将2份表面活性剂，80份水，2份多碳纳米管，2份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切，得到混合分散液A。
（2）其次，取经过浸泡4h打浆至打浆度34°SR的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
（3）最后，将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
实施例3：
（1）首先，按重量份计数：将3份表面活性剂，80份水，3份多碳纳米管，3份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切，得到混合分散液A。
（2）其次，取经过浸泡4h打浆至打浆度34°SR的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
（3）最后，将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
实施例4：
（1）首先，按重量份计数：将4份表面活性剂，80份水，4份多碳纳米管，4份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切，得到混合分散液A。
（2）其次，取经过浸泡4h打浆至打浆度34°SR的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
（3）最后，将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
实施例5：
（1）首先，按重量份计数：将2份表面活性剂，80份水，2份多碳纳米管，2份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切，得到混合分散液A。
（2）其次，取经过浸泡4h打浆至打浆度34°SR的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B。
（3）最后，将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到电磁屏蔽复合材料。
将实例1至实例5所得的电磁屏蔽复合纸及对比例产品进行性能检测，具体检测方法如下：
采用苏州晶格电子有限公司的ST2258C型四探针测试仪和温州方圆仪器有限公司的FY300防电磁辐射测试仪对材料的电阻率及电磁屏蔽效能进行分析测试。电磁屏蔽测量方式为扫屏测量，测试过程中设定测试范围为30.2MHz～3180.2MHz。
由图1检测结果可知，电磁屏蔽复合材料电阻率随着CNTs添加量的增加呈下降趋势，在添加1% CNTs时电磁屏蔽复合材料电阻率最大（0.469 Ω·cm），当CNTs量达到5%时电磁屏蔽复合材料的电阻率降到最低（0.086 Ω·cm）。
由图2检测结果可知，随着碳纳米管添加比例的上升，复合材料的电磁屏蔽效能得到明显提高。在添加5% CNTs时，制得的电磁屏蔽复合材料电磁屏蔽效能较好，分别在频段为80.2 MHz、830.2 MHz、1530.2 MHz时的屏蔽效能为40.88 dB、45.15 dB、40.88 dB。在频段2430.2MHz附近，复合材料电磁屏蔽效能最低，其中，在添加5% CNTs时电磁屏蔽衰减值为28.16 dB，添加1% CNTs时为16.23 dB。本发明技术方案制备的电磁屏蔽复合材料具有优异的电磁屏蔽性能的特点，在复合材料制备技术行业的发展中具有广阔的前景。
综上，本发明提出一种高效制备兼具柔性、导电性的电磁屏蔽复合材料的制备方法，无需特殊的抄造设备，生产成本得以控制，具备规模化生产条件；本发明将碳纳米管作为填料来制备电磁屏蔽复合材料工艺和产品丰富了电磁屏蔽复合材料产品，进一步推动碳纳米管填充电磁屏蔽复合材料市场化发展。

Claims (9)

1.一种具有电磁屏蔽功能的复合材料，其特征在于：由如下原料按重量百分数制备而成：机械浆纤维：74~89%、碳酸钙：10%、碳纳米管：0~5%、纳米纤维素：0~5%、十二烷基苯磺酸钠：0~5%、消泡剂：0.5%、助留剂：0.5%；
其中：
所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或两种的混合；所述的纳米纤维素为纳米微纤丝、纳米微晶纤维素中的一种或两种的混合。
2.权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的复合材料，其特征在于：所述的单壁碳纳米管仅由一层石墨片卷曲层，直径在0.8~2 nm之间；多壁碳纳米管则由两层以上的石墨片卷曲层，直径在5~20 nm之间，管壁间距为0.34~0.4 nm，二者长度均在30 nm~几厘米之间。
3.权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的复合材料，其特征在于：，所述纳米微纤丝的粒径小于100 nm,长度在500 nm~几微米之间，所述纳米微晶纤维素的粒径为5~40 nm，长度在80~500 nm之间。
4.制备权利要求1所述复合材料的方法，其特征在于具体制备步骤如下：
步骤（1）：按重量份计数：将0～5份表面活性剂，60～80份水，0～5份碳纳米管，0～5份纳米纤维素，0.5份消泡剂，通过高速剪切混合，得到混合分散液A；
步骤（2）：取经过预处理后的机械浆纤维与不同组分的分散液A相混合，加入10份碳酸钙、0.5份助留剂、300份水及一滴乳化剂剪切分散，得到混合浆料B；
步骤（3）：将混合浆料B倒入抄片机中，注入8倍于混合浆料B的水搅拌均匀后在抄片机的网案上抄取湿纸幅，将网案上揭下来的湿纸幅在5 Bar压力下压榨10 min后，置于60oC快速烘干机干燥，即得到具有电磁屏蔽功能的复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的碳酸钙作为填料，采用重质碳酸钙。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的助留剂为阳离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯中的一种。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的乳化剂为吐温-80。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备得到的电磁屏蔽功能的复合材料平均厚度为0.30±0.02 mm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的复合材料的电阻率为0.086Ω·cm、电磁屏蔽效能达45.15 dB。
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