基于多壁碳納米管和銀包銅粉的寬帶電磁屏蔽涂料的制備

基于多壁碳納米管和銀包銅粉的寬帶電磁屏蔽涂料的制備

電子和通信行業(yè)正在快速發(fā)展。使用電子和電子設備。產(chǎn)生的輻射不僅損害了人們的健康，而且還影響了周圍的電子儀器，導致信息泄露。填充型電磁屏蔽涂料的電磁屏蔽效能可以間接由其導電性來表征1實驗1.1材料、試劑和防沉劑環(huán)氧樹脂(環(huán)氧值為每100g0.48～0.51mol)，中藍晨光化工研究院有限公司；多壁碳納米管(純度97.50%以上，直徑10～20nm，長度≤100μm)，中國科學院成都有機化學有限公司；銀包銅粉(銀質(zhì)量分數(shù)10%，粒度3～5μm)，上海市合金粉末研究院；分散劑BYK2013(含有多種顏料親和基團的結(jié)構(gòu)化共聚物)，德國畢克化學公司；防沉劑1958(主要成分為有機物改性片狀硅酸鹽)，成都展聯(lián)商貿(mào)有限公司；偶聯(lián)劑KH550，南京創(chuàng)世化工；二甲苯、正丁醇，成都科龍化工。1.2防沉劑的組分b碳納米管的比表面積大，在分散過程中易出現(xiàn)團聚，但由于其用量較小，使用BYK2013分散劑可明顯減少團聚，再搭配KH550，就解決了填料在樹脂中的分散問題。稱取36.0%(占涂料總質(zhì)量的百分數(shù)，后同)環(huán)氧樹脂，加入25.0%溶劑[m(二甲苯)∶m(正丁醇)=4∶1]稀釋，用攪拌機(1200～1500r/min，后同)分散10min，然后依次加入1.0%防沉劑1958、1.5%分散劑BYK2013、25.0%～35.0%銀包銅粉、2.0%KH550硅烷偶聯(lián)劑和0.0%～4.0%碳納米管，繼續(xù)用攪拌機分散40min，得到組分A。以環(huán)氧樹脂酚醛胺固化劑作為組分B。將組分A與組分B按質(zhì)量比10∶1混合(可適當加10.0%稀釋劑來調(diào)整黏度)，在1000r/min的速率下攪拌15min，放置10～20min熟化。制作不同配比[m(銀包銅粉)∶m(碳納米管)=25∶4、30∶2、35∶1、35∶0和35∶2]的樣品，依次標記為1、2、3、4和5號。1.3噴槍的間距用酒精清洗玻璃板表面，干燥后再進行噴涂，然后在常溫下自然干燥。噴涂氣壓控制在0.4～0.6MPa，噴槍口與玻璃板之間的距離以0.15～0.25m為宜，注意噴槍的移動速率。當涂層過厚時，涂料里的填充物會發(fā)生沉降，而過薄時，填充物之間不能形成良好的導電結(jié)構(gòu)，都會影響整體的導電性，因此控制干膜厚度為0.2～0.8mm。1.4體積電阻率的測定利用QUANTA200掃描電鏡(SEM)觀察填料及涂層的微觀形貌，電壓20kV。利用數(shù)字式四探針電阻測試儀測量樣品的體積電阻率。按照SJ20524–1995《材料屏蔽效能的測量方法》和GJB6190–2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》的要求制備法蘭同軸，以屏蔽室法測屏蔽效能，頻率14kHz～1.5GHz。2結(jié)果與討論2.1導電網(wǎng)絡網(wǎng)絡從圖1可見，銀包銅粉呈片狀，容易在樹脂基體中形成導電通路，進而形成導電網(wǎng)絡。纖維狀的碳納米管能很好地彌補片與片之間的空隙，在各個導電回路中起到連接作用，使整個網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加立體，從而提高材料整體的導電性。2.2總電阻率和總比測得的體積電阻率列于表1。從1-3號樣品可以看出銀包銅粉與碳納米管的質(zhì)量比對涂層體積電阻率的影響：銀包銅粉添加量增加5個百分點，而碳納米管減少2個百分點，體積電阻率就出現(xiàn)了明顯的下降，降幅達2個數(shù)量級。而且對比2號和5號樣品，它們的碳納米管含量相同，但體積電阻率相差1個數(shù)量級。這說明在整體復合的導電結(jié)構(gòu)中，銀包銅粉的導電性起決定性作用，因為它的導電率更高。碳納米管減少對導電性造成的影響要小很多。整體電阻率的減小表明復合填料在涂層里形成的導電網(wǎng)絡增多，令電子遷移更容易。從3-5號樣品可見，添加碳納米管可以降低涂層的電阻率，在一定范圍內(nèi)隨著添加量增多，電阻率逐漸下降。但是由于碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)，吸油性較大，樣品表面的粗糙度會隨著碳納米管的增多而增大。1號樣品中，盡管碳納米管的含量較多，但由于出現(xiàn)團聚，且銀包銅粉含量較少，造成導電通道不連續(xù)，因此電阻率較大。另外，導電填料在樹脂基體中的分散性可以用涂層的體積電阻率來間接表征：在涂層的不同位置測量其電阻，如果出現(xiàn)較大的偏差，說明其分散不均勻，有團聚形成，反之則說明導電填料分散均勻。在測量過程中，在涂層表面的不同位置隨機選取測量點，得到的結(jié)果相差不大，說明填料分散較均勻，導電網(wǎng)路連續(xù)，涂層的整體電阻率穩(wěn)定。2.3涂層的表面粗糙度從表2可以直觀地看出，銀包銅粉和碳納米管比較均勻地分散在環(huán)氧樹脂中，沒有出現(xiàn)明顯的聚集現(xiàn)象。且隨著導電填料增多，從涂層表面可觀察到的導電結(jié)構(gòu)逐漸增多。含碳納米管最多的1號樣品的表面最粗糙，這是因為碳納米管的長徑比和比表面能很大，容易發(fā)生團聚，而且它的中空結(jié)構(gòu)具有較大的吸油性，在制備過程中一些環(huán)氧樹脂滲透到了碳納米管里，整體成膜樹脂減少，造成涂層表面比較粗糙。2號樣品的表面粗糙度明顯下降。3號樣品的表面粗糙度繼續(xù)降低，表面基本平整，有些許的凸起，裸露在表面的片狀結(jié)構(gòu)最多，可見在涂層表面形成了均勻的導電結(jié)構(gòu)。對比3號和4號樣品，兩者所含銀包銅粉含量一樣，但因為4號樣品不含碳納米管，所以成膜樹脂較多，能更好地包覆銀包銅粉，裸露在表面的片狀結(jié)構(gòu)較少，表面平整光滑，外觀質(zhì)量更佳。從截面微觀照片可以看出，環(huán)氧樹脂緊密連接著導電填料，在涂層內(nèi)部沒有出現(xiàn)空穴和團聚，進一步證明了導電填料在樹脂中的分散性良好。兩種不同結(jié)構(gòu)的填料之間很好地搭接組合在一起，形成了良好的導電結(jié)構(gòu)。在1-3號樣品的掃描電鏡照片中很容易觀察到裸露在外的銀包銅粉，放大1萬倍后可以看到一些線狀的碳納米管附著在片狀的銀包銅粉表面。同樣對比3號和4號樣品，發(fā)現(xiàn)線與片之間的互補可以形成更好的導電結(jié)構(gòu)，因此加入適量的碳納米管可提高涂層的導電性。2.4電磁屏蔽效能選取代表性的1號、3號和5號樣品做電磁屏蔽性能測試，結(jié)果如圖2所示。可見在10kHz～1GHz范圍內(nèi)用法蘭同軸法測量時，1號樣品的屏蔽效能最低，為5.00～20.00dB，這是因為其電阻率較高。3號樣品的屏蔽效能最高達40.50dB，在1GHz處的效果也有28.50dB，可以滿足使用要求。5號樣品的電磁屏蔽效能達到30.00dB之上，最高可達50.50dB，最低為34.20dB，屏蔽效果最好。由于碳納米管含量較高的話容易分散不好，吸油性大又導致需要的溶劑較多，最后制備的涂層的粗糙度也較大，綜合考慮選取電阻率稍高，屏蔽效果稍弱，但整體效果好的3號樣品，并使用屏蔽室法測量其電磁屏蔽性能，結(jié)果如圖3所示?？梢?號樣品的電磁屏蔽效能整體也達到30.00dB以上，最高值可以達到45.99dB。兩種測量方法具有一定的誤差，測得的結(jié)果有差別，但是最終結(jié)果都表明3號樣品能滿足使用要求。2.5碳納米管復合涂層從表3可知，涂層的整體性能優(yōu)秀，達到了使用要求。在相同的制膜工藝下，單一填充銀包銅粉的涂層的膜厚在0.10mm左右，與碳納米管復合后的膜厚增至0.24mm。成膜樹脂會大大影響涂層的性能。由于選取的是環(huán)氧值較大的環(huán)氧樹脂，其強度高，固化收縮率小，固化時間會長一些(24h實干)，且形成的涂層硬度較高(為4H)，附著力也能達到1級。500h鹽霧試驗后，涂層的表面不起泡、不脫落、不開裂，說明其耐蝕性優(yōu)異。3電磁屏蔽涂料的制備及性能展望以片狀銀包銅粉和線狀多壁碳納米管作為導電填料制備了填充型電磁屏蔽涂料。當二者的質(zhì)量分數(shù)為36%(銀包銅粉和碳納米管的質(zhì)量比為35∶1)時，所得涂層的體積電阻率低至0.103Ω·cm，在14kHz～1GHz低頻范圍內(nèi)整體的屏蔽效能達到30.00dB以上，具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能和綜合理化性能。本文是以具有異型結(jié)構(gòu)導電填料制備寬屏電磁屏蔽涂料的初步研究，接下來還需從以下幾方面進一步深入開展工作：(1)本文選擇溶