一种制备超轻电磁屏蔽复合材料的方法与流程

本发明涉及碳基电磁屏蔽材料领域，具体为一种利用聚苯胺改性的碳纤维纸与树脂复合制备电磁屏蔽材料的方法。

背景技术：

伴随着电子工业的飞速发展，大量电器和电子设备广泛应用于工业生产和人们日常生活中，给人们带来便捷的同时也危害着人们的身体健康。例如，个人电脑和便携式电子器件的广泛使用导致了严重的电磁干扰污染，自由空间的电磁干扰辐射及无处不在的辐射源都对人体健康和电子器件的正常运转造成严重的危害，因此，各种各样的电磁屏蔽材料应运而生。所谓电磁屏蔽，就是利用导电或导磁的材料制成实体的或非实体的壳体，将电磁干扰限制在一定的范围内，形成电磁隔离。通俗的说就是利用屏蔽体(具有屏蔽特殊功能的材料)阻挡或衰减电磁波的传输。理想的电磁屏蔽材料除了具有超高的电磁屏蔽性能外，还应具有超轻质量、易加工成型、环境适应性强等特点。但传统电磁屏蔽材料为金属板材，主要是钢板，然而，钢板自身重量大、成本高、移动困难等缺点很大程度上限制了屏蔽材料的适用领域。因此，研究新型高效的电磁屏蔽材料成为一种趋势。现阶段已经研发的电磁屏蔽材料主要有导电性电磁屏蔽涂料、化学镀层型电磁屏蔽材料、多层复合型电磁屏蔽材料，这些屏蔽材料在一定程度上满足了人们对电磁波的屏蔽需求，但是由于高成本、高密度等因素，使得电磁屏蔽材料有了新的发展趋势。目前，具有超轻、高电磁效率的导电聚合物复合材料成为电磁屏蔽材料的首选，其中导电填料通常为石墨烯、碳纳米管等碳基材料。但是目前研究的导电聚合物复合材料在实现超轻高电磁效率的同时，降低了复合材料整体的力学性能，很难满足实际需求。因此，寻求一种制备高强、轻质化、高电磁屏蔽效率的导电聚合物复合材料的方法成为一种发展趋势。

技术实现要素：

本发明提供了一种高强轻质化、低成本、性能相互叠加的多功能电磁屏蔽材料制备方法，主要通过利用电聚合技术，在薄层低密度、结构稳定、导电性好的碳纤维纸的纤维表面及纤维之间聚合一层导电聚苯胺纳米纤维网，形成碳纸与聚苯胺的多级导电网络，构建出多孔的碳纸-聚苯胺结构体，然后与树脂基体复合，得到改性、复合化的多功能电磁屏蔽材料。

本发明的技术方案通过以下步骤完成：

一、将碳纤维纸在有机溶剂中进行超声清洗0.5～3h，然后将碳纸取出干燥。所述的有机溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。

二、将清洗干燥好的碳纸浸渍在电解液中，其中电解液为苯胺单体和质子酸掺杂剂组成的混合溶液，静置1～6h，然后利用电聚合技术，通过三电极体系进行电聚合反应，反应温度为5～35℃，反应时间为2～60min，在碳纸的纤维表面及纤维之间聚合一层导电聚苯胺纳米纤维网，获得碳纸与聚苯胺的复合导电结构体。然后将获得的碳纸-聚苯胺结构体进行清洗干燥处理。

所述的电解液由苯胺单体和质子酸组成，其中苯胺单体浓度为0.2～2mol/l；质子酸包括盐酸、硫酸、磷酸、高氯酸等，质子酸浓度为0.25～3mol/l。

所述的三电极体系：工作电极为碳纸，对电极包括铂丝、铂片、碳棒等，参比电极包括饱和甘汞、银/氯化银电极等。

三、将上述获得的碳纸-聚苯胺复合结构体与树脂基体复合，从而制备出多功能电磁屏蔽材料。

所述的树脂基体包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、导电环氧树脂等热固型树脂，聚乙烯、聚酯等热塑型树脂。

该方法在保持碳纸自身良好特性的情况下，实现了导电聚苯胺纤维网在碳纤维纸上的均匀聚合生长，得到导电性能良好的碳纸-聚苯胺结构体，使得作为屏蔽体的碳纸在树脂基体中形成了完整连续的导电通路，同时增加了屏蔽体与树脂基体的界面粘附性能，进而有效阻止了电磁泄露并提升了材料的力学性能，得到具有薄层轻质量、电磁屏蔽效率高、易加工成型的电磁屏蔽材料。

附图说明

图1是利用循环伏安法在碳纤维纸上聚合聚苯胺得到的循环伏安图

图2是被聚苯胺纤维网包覆的碳纤维纸的扫描电镜图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明提供的一种制备超轻电磁屏蔽复合材料的方法进行详细说明。

实施例1：

将碳纸浸渍在乙醇溶液中超声清洗1h，然后取出，进行干燥处理。将清洗干燥处理的碳纸浸渍在电解液中1h，其中苯胺单体的浓度为0.2mol/l，盐酸的浓度为1mol/l。然后在三电极体系下(工作电极为浸渍电解液的碳纸，对电极为碳棒，参比电极为饱和甘汞电极)采用循环伏安法，工作电位为-0.2～0.9v，扫描速率为50mv/s，所得循环伏安曲线如图1所示，体系反应温度为25℃，反应时间为15分钟，在碳纸上形成导电聚苯胺纤维网。将碳纸-聚苯胺复合结构体在水和乙醇中反复清洗几次，干燥处理，如图2所示。

将上述制备的碳纸-聚苯胺复合结构体与环氧树脂真空浸渍复合固化成型，得到高强、轻质化、高电磁屏蔽效率的碳纸-聚苯胺/环氧树脂复合材料，测试其拉伸强度约为411mpa，密度约为0.028g/cm³，导电率约30.4s/cm，电磁屏蔽效率为90.7db。

实施例2：

将碳纸浸渍在丙酮溶液中超声清洗0.5h，取出进行干燥。然后将清洗干燥处理的碳纸浸渍在电解液中2h，其中苯胺单体的浓度为0.5mol/l，硫酸的浓度为0.5mol/l。然后在三电极体系下(工作电极为浸渍电解液的碳纸，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极)采用恒电流法，试样电流密度为2ma/cm²，扫描速率为25mv/s，体系反应温度为20℃，反应时间为10分钟，在碳纸上聚合导电聚苯胺纤维网。然后将碳纸-聚苯胺复合结构体在水和乙醇中反复冲洗几次，烘干处理。

将上述制备的碳纸-聚苯胺复合结构体与酚醛树脂真空浸渍复合固化成型，得到高强、轻质化、高电磁屏蔽效率的碳纸-聚苯胺/酚醛树脂复合材料，测试其拉伸强度为389mpa，密度约为0.021g/cm³，导电率约29.6s/cm，电磁屏蔽效率为78.3db。

实施例3：

将碳纸浸渍在乙酸乙酯溶液中超声清洗1h，取出进行干燥处理。然后将清洗干燥处理的碳纸浸渍在电解液中1h，其中苯胺单体的浓度为0.75mol/l，硝酸的浓度为1mol/l。然后在三电极体系下(工作电极为浸渍电解液的碳纸，对电极为碳棒，参比电极为氯化银电极)采用恒电位法，试样电位为0.75v，扫描速率为50mv/s，体系反应温度为28℃，反应时间为20分钟，在碳纸上聚合导电聚苯胺纤维网。然后将碳纸-聚苯胺复合结构体在水和乙醇中反复冲洗几次，烘干处理。

将上述制备的碳纸-聚苯胺复合结构体与导电环氧树脂真空浸渍复合固化成型，得到高强、轻质化、高电磁屏蔽效率的碳纸-聚苯胺/环氧树脂复合材料，测试其拉伸强度为362mpa，密度约为0.037g/cm³，导电率约39.8s/cm，电磁屏蔽效率为98.3db。

技术特征：

技术总结
一种制备超轻电磁屏蔽复合材料的方法，具体步骤包括：把清洗干燥处理的碳纤维纸放置在电化学三电极体系中，利用电化学聚合技术在碳纤维纸的纤维表面及纤维与纤维之间聚合沉积一层导电聚苯胺纤维网，构建多尺度的具有完整导电网络的碳纸‑聚苯胺结构体，同时增加碳纤维纸与树脂基体之间的界面粘附性，得到一种力学强度高、轻质化、电磁屏蔽效率显著的复合材料。

技术研发人员：徐志伟;王开丽;王海波;李楠;刘梁森;单明景;傅宏俊;牛家嵘
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2017.09.14
技术公布日：2018.03.20