一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料及其制备方法

1.本发明属于电磁屏蔽材料及制备技术领域，具体涉及一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，电子多媒体产品得以广泛使用，电磁波作为信息传播的载体，不可避免的带来了电磁污染。电磁波干扰对电气设备的正常使用、无线电通信系统以及人类健康产生了较大的危害，因此要求，
①
将电力线或磁力线限制在一定区域内；
②
使某一区域不受外来电力线和磁力线的影响，进一步降低电磁污染和干扰带来的危害。
3.在电磁屏蔽材料领域，屏蔽体通常可由铜、铝、钢、铁氧体等材料制成。随着复合材料技术的发展，现如今常见的电磁屏蔽材料是将导电填料和树脂基体进行物理共混得到导电复合材料。无论是传统的金属系电磁屏蔽材料，还是如今正快速发展的碳系电磁屏蔽材料均具有较好的电磁屏蔽效果。而随着低碳、环保、可再生资源高效利用政策的推行和消费者意识的提高，材料的多功能性开发越来越引起重视。轻质透气型电磁屏蔽材料逐渐成为新的研究热点。
4.单宁树脂发泡材料作为一种原材料95％都可再生的材料，其由于质轻、阻燃好、保温性佳、比强度高等优点在保温隔热、包装、工业、运输、军事、航空航天工业级日用品等领域均有较大的应用潜力，可替代现已广泛商业化使用的聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫和酚醛树脂泡沫等。
5.碳纳米管、纳米炭黑、石墨烯以及碳纳米纤维等众多新型导电纳米材料凭借自身超高长径比和大比表面积的结构特性，优异的电学和力学性能，越来越受到人们的关注。然而，如果碳纳米材料填充不当，容易在树脂基体中造成团聚，从而限制了它们发挥结构和性能上的优势。
6.申请号为cn201810659125.3的专利文件公开了一种电磁屏蔽材料，包括聚合物基体及分散在聚合物基体中的石墨烯-生物炭复合填料，按重量百分数计包括：石墨烯0.05-10％、生物炭0.05-20％、聚合物基体70-99.9％。其中，聚合物基体为聚乙烯醇、聚碳酸酯或聚酰胺中的任意一种或至少两种的混合物，生物炭为木屑、竹屑、稻壳、秸秆或椰壳中的任意一种或至少两种的混合物经热解碳化和活化处理得到。但其主要原料为聚合物基体，所采用的聚酰胺为不可降解材料。
7.申请号为cn201910039939.1的专利文件公开了一种碳纳米管/石墨烯/聚合物电磁屏蔽材料的制备方法，其是将三维碳纳米管/石墨烯复合物浸渍于高分子聚合物前驱体中固化得到。也可将氧化碳纳米管/石墨烯复合物置于管式炉中，以5-20℃/min的速率升温至800-1200℃，在惰性气体的保护下高温煅烧处理0.5-4h得到。但其也是采用聚合物作为前驱体制备而成，尤其是含有天然橡胶，而煅烧的温度在800-1200℃，在此温度下天然橡胶会分解，导致所制备材料的结构性能较差。
8.为了实现电磁屏蔽材料对使用环境的适应性，满足电磁屏蔽材料的新要求，以及
赋予材料更多的功能特性，研发高性能的电磁屏蔽材料变得极为必要。


技术实现要素：

9.本发明为解决上述问题，提供了一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料及其制备方法。
10.具体是通过以下技术方案来实现的：
11.1、一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其组成由重量份计为：栲胶10-30份、糠醇10-20份、交联剂5-10份、催化剂8-20份、水5-30份、导电材料0.1-1.5份。
12.进一步，所述栲胶中单宁的含量≥70％。
13.进一步，所述的交联剂包括但不限于甲醛、乙二醛和戊二醛。
14.进一步，催化剂为浓度为50-65％的对甲苯磺酸溶液。
15.进一步，所述的导电材料，包括但不限于碳纳米管、纳米炭黑和石墨烯。
16.2、上述具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其制备方法包括以下步骤：
17.(1)制备改性栲胶树脂：
18.将栲胶、糠醇、水、交联剂和催化剂充分搅拌均匀后，加入导电材料，在功率为1000-1800w的超声波作用下充分搅拌9-12min，使导电纳米材料在改性栲胶树脂中均匀分散；
19.(2)模板浇注：
20.选取现成的开孔聚氨酯泡沫作为模板，将模板完全浸入到已制备好的改性栲胶树脂中，实现树脂对开孔模板的充分渗透，浸泡时间可根据模板厚度尺寸进行调整，以达到充分浸泡和渗透，取出模板，晾晒至模板骨架上的改性栲胶树脂不再滴落；
21.(3)碳化工艺：
22.将步骤(2)中晾晒好的模板放入炭化炉中，在氮气保护的条件下进行炭化，炭化炉升至终点温度后恒温处理1-3h，处理结束后，关闭炭化炉，在氮气保护下冷却至室温，即得到具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料。
23.进一步，所述的终点温度为800-1000℃，升温速率为5-20℃/min。
24.综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过对栲胶进行改性制备栲胶树脂，再与功能性导电纳米材料混合制备为电磁屏蔽泡沫材料，使导电材料在泡孔壁上均匀分布，并且由于栲胶泡沫材料的微孔状特殊结构实现了泡沫材料的电磁屏蔽功能，同时通过对栲胶的改性处理使泡沫材料具备较好的阻燃及保温性能，扩大了应用范围，满足了电磁屏蔽材料的新要求，得到一种高性能、环保、可降解的电磁屏蔽材料。
25.其中，本发明的电磁屏蔽材料在采用模板法浸泡成型后又经过碳化工艺进行炭化，泡沫不会掉渣，导电材料的加入对栲胶树脂的阻燃性无明显影响，导电纳米材料可均匀分布在栲胶树脂泡沫的孔壁上，所制得的泡沫材料具有优异的电磁屏蔽功能。本发明的创新之处在于利用了模板法，而不是直接利用单宁树脂进行发泡，这也是与现有单宁树脂泡沫制备技术明显的区别之处。且在测试时发现，本发明所制备的栲胶泡沫材料不仅具备较高的电磁屏蔽效率值，同时还具备较好的阻燃性和保温隔热性能，可直接用于多媒体和电子元器件广泛使用的领域，防止电器设备受到干扰，减小电磁波对人体的危害。
附图说明
26.图1为具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料经树脂浸渍后的模板结构图，放大倍数为x10。
具体实施方式
27.下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
28.实施例1
29.1、一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其组成由重量份计为：栲胶20份、糠醇10份、交联剂10份、催化剂10份、水30份、导电材料1.0份。
30.进一步，所述栲胶中单宁的含量≥70％。
31.进一步，所述的交联剂为浓度为37％的甲醛。
32.进一步，催化剂为浓度为65％的对甲苯磺酸溶液。
33.进一步，所述的导电材料为多壁碳纳米管。
34.2、上述具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其制备方法包括以下步骤：
35.(1)制备改性栲胶树脂：
36.将栲胶、糠醇、水、交联剂和催化剂充分搅拌均匀后，加入导电材料，在功率为1800w的超声波作用下充分搅拌10min，使导电纳米材料在栲胶树脂中均匀分散；
37.(2)模板浇注：
38.选取现成的孔径为300μm的开孔聚氨酯泡沫作为模板，将模板完全浸入到已制备好的改性栲胶树脂中，浸泡30min，实现树脂对开孔模板的充分渗透，取出模板，晾晒至模板骨架上的栲胶树脂不再滴落；
39.(3)碳化工艺：
40.将步骤(2)中晾晒好的模板放入炭化炉中，在氮气保护的条件下进行炭化，炭化炉升至终点温度后恒温处理2h，处理结束后，关闭炭化炉，在氮气保护下冷却至室温，即得到具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料。
41.进一步，所述的终点温度为900℃，升温速率为10℃/min。
42.实施例2
43.1、一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其组成由重量份计为：栲胶10份、糠醇15份、交联剂10份、催化剂8份、水10份、导电材料0.3份。
44.进一步，所述栲胶中单宁的含量≥70％。
45.进一步，所述的交联剂为浓度为30％的六次甲基四胺。
46.进一步，催化剂为浓度为60％的对甲苯磺酸溶液。
47.进一步，所述的导电材料为石墨烯。
48.2、上述具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其制备方法包括以下步骤：
49.(1)制备改性栲胶树脂：
50.将栲胶、糠醇、水、交联剂和催化剂充分搅拌均匀后，加入导电材料，在功率为1500w的超声波作用下充分搅拌12min，使导电纳米材料在栲胶树脂中均匀分散；
51.(2)模板浇注：
52.选取现成的孔径为300μm的开孔聚氨酯泡沫作为模板，将模板完全浸入到已制备好的改性栲胶树脂中，浸泡30min，实现树脂对开孔模板的充分渗透，取出模板，晾晒至模板骨架上的栲胶树脂不再滴落；
53.(3)碳化工艺：
54.将步骤(2)中晾晒好的模板放入炭化炉中，在氮气保护的条件下进行炭化，炭化炉升至终点温度后恒温处理1h，处理结束后，关闭炭化炉，在氮气保护下冷却至室温，即得到具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料。
55.进一步，所述的终点温度为800℃，升温速率为5℃/min。
56.实施例3
57.1、一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其组成由重量份计为：栲胶15份、糠醇20份、交联剂8份、催化剂10份、水15份、导电材料0.3份。
58.进一步，所述栲胶中单宁的含量≥70％。
59.进一步，所述的交联剂为浓度为50％的戊二醛。
60.进一步，催化剂为浓度为50％的对甲苯磺酸溶液。
61.进一步，所述的导电材料为纳米炭黑。
62.2、上述具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其制备方法包括以下步骤：
63.(1)制备改性栲胶树脂：
64.将栲胶、糠醇、水、交联剂和催化剂充分搅拌均匀后，加入导电材料，在功率为1800w的超声波作用下充分搅拌9min，使导电纳米材料在栲胶树脂中均匀分散；
65.(2)模板浇注：
66.选取现成的孔径为300μm的开孔聚氨酯泡沫作为模板，将模板完全浸入到已制备好的改性栲胶树脂中，浸泡30min，实现树脂对开孔模板的充分渗透，取出模板，晾晒至模板骨架上的栲胶树脂不再滴落；
67.(3)碳化工艺：
68.将步骤(2)中晾晒好的模板放入炭化炉中，在氮气保护的条件下进行炭化，炭化炉升至终点温度后恒温处理2h，处理结束后，关闭炭化炉，在氮气保护下冷却至室温，即得到具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料。
69.进一步，所述的终点温度为1000℃，升温速率为10℃/min。
70.实施例4
71.1、一种具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其组成由重量份计为：栲胶30份、糠醇20份、交联剂7份、催化剂20份、水30份、导电材料1.5份。
72.进一步，所述栲胶中单宁的含量≥70％。
73.进一步，所述的交联剂为浓度为55％的乙二醛。
74.进一步，催化剂为浓度为65％的对甲苯磺酸溶液。
75.进一步，所述的导电材料为碳纳米纤维。
76.2、上述具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料，其制备方法包括以下步骤：
77.(1)制备改性栲胶树脂：
78.将栲胶、糠醇、水、交联剂和催化剂充分搅拌均匀后，加入导电材料，在功率为
1000w的超声波作用下充分搅拌12min，使导电纳米材料在栲胶树脂中均匀分散；
79.(2)模板浇注：
80.选取现成的孔径为300μm的开孔聚氨酯泡沫作为模板，将模板完全浸入到已制备好的改性栲胶树脂中，实现树脂对开孔模板的充分渗透，浸泡40min，取出模板，晾晒至模板骨架上的栲胶树脂不再滴落；
81.(3)碳化工艺：
82.将步骤(2)中晾晒好的模板放入炭化炉中，在氮气保护的条件下进行炭化，炭化炉升至终点温度后恒温处理3h，处理结束后，关闭炭化炉，在氮气保护下冷却至室温，即得到具有电磁屏蔽功能的栲胶泡沫材料。
83.进一步，所述的终点温度为800℃，升温速率为20℃/min。
84.对比例1
85.采用实施例1的原料配比及制备方法制备栲胶泡沫材料，区别在于不加入导电材料。
86.对实施例1-4及对比例1制备的栲胶泡沫材料进行保温性能、阻燃及电磁屏蔽效果测试，结果如表1所示。
87.表1
[0088][0089]
由表1可知，用本发明制备的电磁屏蔽功能性泡沫材料的热传导系数低于对比例，具有优异的保温隔热性，导电材料的加入，对单宁树脂的阻燃性无明显影响，具体表现为氧指数基本无变化。尤其值得注意的是，导电纳米材料加入并均匀的分布于栲胶树脂泡沫孔壁上后，泡沫材料具有较高的电磁屏蔽效率值，说明该栲胶树脂在加入功能性导电纳米材料后具有非常优异的电磁屏蔽功能，符合民用标准对电磁屏蔽材料的要求。
[0090]
对比例2
[0091]
按实施例1的方法及配方配制泡沫材料，区别在于，选用单宁含量为60％以下的栲胶作为原料。
[0092]
实验结果：采用单宁含量为60％以下的栲胶作为原料时，黏度过小，采用模板法浇筑泡沫材料时，大量栲胶树脂低落，不能较好的在原有泡沫骨架上成型固定。
[0093]
对比例3
[0094]
按实施例1的方法及配方制备泡沫材料，区别在于，分别将栲胶的用量更改为5份
和45份进行泡沫材料的制备。
[0095]
实验结果：当栲胶量在5份左右的时候，泡沫表现的太脆，掉渣率明显提高，栲胶量在45份时，栲胶树脂黏度过大，不易操作。
[0096]
对比例4
[0097]
按实施例1的方法及配方制备泡沫材料，区别在于，采用酚醛树脂替代栲胶进行泡沫材料的制备。
[0098]
实验结果：制得的泡沫材料电磁屏蔽效率值仅为10db左右，即便加入了导电材料后，导电材料极易在酚醛树脂中团聚，进而影响了电磁屏蔽率值。
[0099]
此外，采用酚醛树脂代替栲胶进行实验时发现，选用酚醛树脂作为原料会大大增加成本，并且在制备泡沫材料的过程中需要维持在一定的恒温环境中，恒温环境的维持也增加了生产成本。