专利名称：一种新型聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及聚合物基功能材料及其制备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材及其制备方法，该电磁屏蔽材料具有良好的电磁屏蔽效果和力学性能。
背景技术：
电磁屏蔽材料是通过消减、拦截或阻断电磁辐射能量，而使其限定在所规定的空间内，阻止电磁波的传播与扩散的一类材料。电磁辐射已成为继大气污染、水污染后的又一大严重污染。使用屏蔽材料是一种简便、有效的抑制电磁辐射的方法，传统的屏蔽材料通常使用标准金属及其复合材料，它们存在着缺乏机械加工性、价格昂贵、重量大、易腐蚀及屏蔽波段不易变换等缺点。而随着高分子材料的不断开发和树脂成型工艺的日益完善，树脂制件以其价廉、质轻、加工性好、生产效率高等独特的优势在电子工业中倍受青睐，高分子基电磁屏蔽材料正在愈来愈多地取代原来的金属材料，作为电子电气设备的壳体、底板等结构件。目前使用的高分子基电磁屏蔽复合材料，按结构和制备方法分为本征型和复合型两大类。本征型屏蔽高分子材料由于本体刚度大、难溶、成型困难、成本昂贵，而且掺杂剂多属剧毒、强腐蚀物质，另外导电性与重复性较差以及导电率的变化范围比较窄等诸多因素限制了其作为电磁屏蔽材料的应用。复合型屏蔽高分子材料又分为表层导电型和填充型。表层导电型一般是采取贴金属箔、金属熔射、电镀或化学镀等进行塑料面处理或是涂覆银、铜及镍等导电涂料。由于表层导电型屏蔽材料多采用金属作为填料，价格昂贵，需要较大填充量才能达到理想的屏蔽效果，且金属容易沉积，使用过程中存在氧化，加工过程复杂等问题使得表层导电型屏蔽材料只能应用于一些较为特殊的场合而不适合大规模生产。填充型复合屏蔽树脂是由电绝缘性能较好的合成树脂和具有优良导电性能的填料及其它添加剂通过混炼造粒，并采用注射成型、挤压成型及压塑成型等方法制得。与表层导电型材料相比，填充型材料具有一次成型的特点，从而可以降低成本，提高产品的可靠性，因此使用较多，是电磁屏蔽材料的一个重要发展方向。虽然填充型单层电磁屏蔽材料被广泛运用于各种电磁屏蔽领域，但单层屏蔽具有以下不足⑴屏蔽效果SE有一定的局限性，难以满足高电磁屏蔽效能的要求；⑵难以实现宽频屏蔽，单层材料只在某些频段内有较好的屏蔽效能；⑶难以实现综合电磁屏蔽。各种类型的电磁波(平面波、电场波、磁场波等)在同一环境中可能同时存在，因而要求防信息泄露电磁屏蔽材料同时具备对多种波的屏蔽能力，而单层材料通常只针对某一种波有较好的屏蔽效果。例如，单层导电材料通常主要以反射来实现高屏蔽效果，对仪器、设备之外的自由空间又形成了新的辐射源；而单层导磁材料虽吸收较好，但总的屏蔽效能不高。若采用层状复合可在宽的频率范围内提高屏蔽效能，同时对各种类型电磁波都有好的屏蔽效能，还可以提高材料对电磁波的吸收能力。近年来，多层屏蔽结构材料的研究受到越来越多的关注。相对于单层屏蔽结构材料，多层屏蔽结构材料在材料选择及屏蔽结构优化等方面具有更大的设计空间。通过合理的优化设计，可使材料的综合屏蔽性能得到较大提高。多层屏蔽对电场和磁场两者都有较好的防护，特别适合于以反射损耗为主的屏蔽体。隔开的材料可形成多次反射，比同样厚度的单层屏蔽材料能产生更好的屏蔽效果。多层屏蔽的原则是各屏蔽层之间不能连接在一起，其间应该隔离空气或者填充其他介质，否则达不到应有的屏蔽效果。基于多层结构可以改善复合材料电磁屏蔽性能，国内外有不少人投入多层电磁屏蔽材料的研究中。但是目前制备出的多层屏蔽材料多是采用层压方法，把单个屏蔽层进行叠加来构成多层屏蔽，制备工艺复杂，且形成材料的层数有限。另外，以这种方法制备出的多层屏蔽材料多采用环氧树脂等热固性树脂，无法使用挤出机等高效率的设备，故其应用和发展受到抑制。基于多层材料在电磁屏蔽方面的优势和一般加工方法难以达到多层结构的认识，本发明引入微层共挤，利用两台挤出机、汇合器和层倍增器来制备具有较高层数的填充型多层电磁屏蔽复合材料，利用材料的多层结构和填料的取向来达成良好的电磁屏蔽效果。
发明内容
本发明的目的是针对制备聚合物基电磁屏蔽材料的现状而提供一种新型聚合物基电磁屏蔽材料及其制备方法，以解决现有技术制备的聚合物基电磁屏蔽材料屏蔽效果较差、形态结构难以设计、生产效率较低、力学性能差等技术问题。本发明的上述目的可通过具有以下技术方案的新型聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材来实现新型聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材的特征在于(1)该材料由导电层A和绝缘层B以交替层状的结构叠合而成；(2)材料中存在至少一层连续的层状界面；(3)导电层A和绝缘层B的高分子基体均为高分子树脂C ； (4)导电层A添加了二维片状导电物质D，绝缘层B不添加别的填料。在上述技术方案中，绝缘层B和导电层A的电阻率之比大于IO4 ；二维片状导电物质D的长厚比大于5，而且平行于层状界面；薄膜或片材的厚度为0. 05-5mm。在上述技术方案中，高分子树脂C为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、合成橡胶或聚氨酯中的一种；二维片状导电物质D为铜片、镍片、石墨、石墨烯中的一种。在上述技术方案中，二维片状导电物质在导电层中的质量含量为l_40wt%。制备上述技术方案所述新型高分子基电磁屏蔽薄膜或片材的方法，高分子树脂C和二维片状导电物质D预混合后在双螺杆挤出机中混合并造粒，得到导电层A物料；绝缘层B物料和导电层A物料分别投入微层共挤设备的两台挤出机，经熔炼、汇流、切割、变流、叠合、挤出得到薄膜或片材。在上述制备新型高分子基电磁屏蔽薄膜或片材的方法中，熔体流经的层倍增器数量为0-7个，得到的连续层状界面数量为1-255，出口模厚度为0. 03-5mm可调。本发明公开的新型高分子基电磁屏蔽薄膜或片材及其制备方法，使用了一种高分子树脂和一种高分子树脂/片状导电填料复合材料，通过微层共挤出方法使其以交替层状的形式排列，在挤出方向上均为连续相，形成若干规整的层状界面。由于两种材料具有较大的电阻率差，因此入射电磁波可以在层状界面处形成反射电磁波，并且层状界面越多，电磁波反射的越多，电磁屏蔽效果越好。而且，由于片状导电填料的取向，形成一种类似于砌墙的结构，进一步降低了电磁波的穿透，提高电了磁屏蔽效果。因此，我们可以在低的导电填料含量情况下，实现高的电磁屏蔽效果。实验结果表明，采用本发明制备的新型聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材，具有电磁屏蔽效果好、频带宽、填料使用少、力学性能优异、质轻、柔软、易于安装等特点，可用于电视机的屏蔽后盖、屏蔽罩、屏蔽箱体、电磁屏蔽膜、电磁屏蔽墙布等。本发明具有如下优点
1、本发明所涉及的设备简单易得，仅需将两台普通挤出机通过汇合器联结，并在口模处加若干倍增器；所需原料均为市售，无须合成其他化学物。该方法具有简单易操作，生产成本低，效率高等特点。2、通过本发明制备的层状聚合物基电磁屏蔽材料，与传统方法制备的电磁屏蔽材料相比，其力学性能大幅度提高。并且层状聚合物基电磁屏蔽材料的层数越高，其力学性能的提高越明显。3、可以通过改变层倍增器的个数和挤出机转速比来设计聚合物基电磁屏蔽材料的层数以及导电层与绝缘层的层厚比，从而可有效地调控其形态结构。4、经本发明提供的方法所制备的新型聚合物基电磁屏蔽材料，由于层状界面的存在和片状导电物质的取向，电磁屏蔽效果大幅度提高。5、通过本发明制备的层状聚合物基电磁屏蔽材料具有层状结构，导电层和绝缘层交替排列，电磁屏蔽性能具有各向异性。本发明还具有其他方面的一些优点。
图1为本发明制备的聚合物基电磁屏蔽材料的结构以及电磁屏蔽原理示意图。在图中，A:导电层，B:绝缘层，C:高分子树脂，D: 二维片状导电物质。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下各实施例中，各组分的用量均为重量用量。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。本发明产生的积极效果可用实施例来进行说明。实施例1
原料为聚丙烯和石墨，石墨的长厚比为10，绝缘层和导电层分别为纯聚丙烯和石墨填充聚丙烯，绝缘层和导电层的电阻率比为2X105。首先制备普通的石墨填充聚丙烯，石墨含量为5%，将聚丙烯和石墨干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。电磁屏蔽层和绝缘层粒料分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1 :1，挤出机各段温度控制在170-200°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为200°C左右，使用3个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为2mm、层数为16层的聚丙烯基电磁屏蔽片材。该材料在低频区(50M-2GHZ)内的屏蔽值达到47dB，断裂伸长率为651 %。作为比较，相同石墨含量且具有相同厚度的普通聚丙烯基电磁屏蔽材料在该波段的吸收峰值为18dB，断裂伸长率为36%。实施例2
原料为聚丙烯和石墨，石墨的长厚比为50，绝缘层和导电层分别为纯聚丙烯和石墨填充聚丙烯，绝缘层和导电层的电阻率比为6X106。首先制备普通的石墨填充聚丙烯，石墨含量为10% 将聚丙烯和石墨干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1 :2，挤出机各段温度控制在170-200°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为200°C左右，使用1个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为0. 2mm、层数为4层的聚丙烯基电磁屏蔽薄膜。该材料在Ku波段(12-lSGHz)内的屏蔽峰值达到42dB，断裂伸长率为457%。作为比较，相同石墨含量且具有相同厚度的普通聚丙烯基电磁屏蔽材料在该波段的吸收峰值为^dB,断裂伸长率为对％。实施例3
原料为聚苯乙烯和镍片，镍片的长厚比为18，绝缘层和导电层分别为纯聚苯乙烯和镍片填充聚苯乙烯，绝缘层与导电层的电阻率比为8X106。首先制备普通的镍片填充聚苯乙烯，镍片含量为30% 将聚苯乙烯和镍片干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入微层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1 :1，挤出机各段温度控制在170-200°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为200°C左右，使用5个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为3. 5mm,、层数为64层的聚苯乙烯基电磁屏蔽片材。该材料在低频区(50M_2GHz)和中频区(SG-ISGHz)内的屏蔽峰值分别为49dB和56dB，断裂伸长率为117%。作为比较，相同镍片含量且具有相同厚度的传统聚苯乙烯基电磁屏蔽材料的屏蔽峰值分别为35dB和33dB，断裂伸长率为11%。实施例4
原料为尼龙6和石墨，石墨的长厚比为20，绝缘层和导电层分别为纯尼龙6和石墨填充尼龙6，绝缘层与导电层的电阻率比为1X105。首先制备普通的石墨填充尼龙6，石墨含量为20% 将尼龙6和石墨干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入分层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为2 :1，挤出机各段温度控制在210-250°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为250°C左右，使用5个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为2. 5mm，、层数为64层的尼龙6基电磁屏蔽片材。该材料在低频区(50M-2GHz )和中频区(8G-18GHz )内的屏蔽峰值分别为53dB和61dB，断裂伸长率为135%。作为比较，相同石墨含量且具有相同厚度的传统尼龙6基电磁屏蔽材料的屏蔽峰值分别为27dB和35dB，断裂伸长率为13%。实施例5
原料为聚乙烯和铜片，铜片的长厚比为10，绝缘层和导电层分别为纯聚乙烯和铜片填充聚乙烯，绝缘层和导电层的电阻率比为1X106。首先制备普通的铜片填充聚乙烯，铜片含量为30%:将聚乙烯和铜片真空干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入分层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1 :3，挤出机各段温度控制在110-150°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为150°C左右，使用5个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为0. 1mm、层数为64层的聚乙烯基电磁屏蔽薄膜。该材料在低频区(50M-2GHZ)和中频区(8G-18GHZ)内的屏蔽峰值分别为39dB和43dB，断裂伸长率为549%。作为比较，相同铜片含量且具有相同厚度的传统聚乙烯基电磁屏蔽材料的屏蔽峰值分别为14dB和^dB,断裂伸长率为沈％。实施例6
原料为聚氯乙烯和镍片，镍片的长厚比为10，绝缘层和导电层分别为纯聚氯乙烯和镍片填充聚氯乙烯，绝缘层和导电层的电阻率比为2X105。首先制备普通的镍片填充聚氯乙烯，镍片含量为40% 将聚氯乙烯和镍片真空干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入分层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为3 :1，挤出机各段温度控制在160-200°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为200°C左右，使用6个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为3mm、层数为1 层的聚氯乙烯基电磁屏蔽片材。该材料在低频区(50M-2GHZ)和中频区(8G-18GHZ)内的屏蔽峰值分别为52dB和39dB，断裂伸长率为92%。作为比较，相同镍片含量且具有相同厚度的传统聚氯乙烯基电磁屏蔽材料的屏蔽峰值分别为35dB和21dB，断裂伸长率为6%。实施例7
原料为聚丙烯和石墨烯，石墨烯的长厚比为100，绝缘层和导电层分别为纯聚丙烯和石墨烯填充聚丙烯，绝缘层和导电层的电阻率比为2X106。首先制备普通的石墨烯填充聚丙烯，石墨烯含量为3% 将聚丙烯和石墨烯干燥后，在双螺杆挤出机中熔融混合造粒。导电层和绝缘层粒料分别投入分层共挤装置的两台挤出机中，挤出机转速比为1 :1，挤出机各段温度控制在170-200°C之间，汇合器、层倍增器和出口模的温度均为200°C左右，使用7个层倍增器，熔体在牵引装置的牵引下从出口模流出，经冷却装置冷却后，制备得到厚度为3mm、层数为256层的层状聚丙烯基电磁屏蔽材料。该材料在低频区(50M_2GHz)和中频区(SG-ISGHz)内的屏蔽峰值分别为44dB和63dB，断裂伸长率为6观％。作为比较，相同石墨烯含量且具有相同厚度的传统聚丙烯基电磁屏蔽材料的屏蔽峰值分别为30dB和37dB，断裂伸长率为57%。
权利要求
1.一种聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于(1)该材料由导电层A和绝缘层B以交替层状的结构叠合而成；(2)材料中存在至少一层连续的层状界面；(3)导电层A和绝缘层B的高分子基体均为高分子树脂C ； (4)导电层A添加了二维片状导电物质D，绝缘层B不添加填料。
2.按照权利要求1所述聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于绝缘层B和导电层A的电阻率之比大于IO4 ；二维片状导电物质D的长厚比大于5，而且平行于层状界面；薄膜或片材的厚度为0. 05-5mm。
3.按照权利要求1或2所述聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于高分子树脂C为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、合成橡胶或聚氨酯中的一种；二维片状导电物质D为铜片、镍片、石墨、石墨烯中的一种。
4.按照权利要求3所述聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于二维片状导电物质在导电层中的质量含量为l_40wt%。
5.制备权利要求1至4任一项权利要求所述聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材的方法，其特征在于高分子树脂C和二维片状导电物质D预混合后在双螺杆挤出机中混合并造粒，得到导电层A物料；绝缘层B物料和导电层A物料分别投入微层共挤设备的两台挤出机，经熔炼、汇流、切割、变流、叠合、挤出得到薄膜或片材。
6.按照权利要求5所述的聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材制备方法，其特征在于微层共挤出过程中，熔体流经的层倍增器数量为0-7个，得到的连续层状界面数量为1-255，出口模厚度为0. 03-5mm可调。
全文摘要
本发明公开了一种新型聚合物基电磁屏蔽薄膜或片材及其制备方法。该电磁屏蔽材料由绝缘层和导电层交替层状排列而成，绝缘层为高分子树脂，导电层为二维导电物质填充高分子树脂，绝缘层和导电层具有较大的电阻率比。材料中存在大量的层状界面，而且二维片状导电物质取向且呈平行排列。其制备方法，将绝缘层和导电层物料分别投入微层共挤装置的两台挤出机中熔融塑化，两股熔体在汇合器处叠合成两层，经过n个层倍增器的切割和叠合后，得到2(n+1)层的电磁屏蔽材料。本发明的电磁屏蔽材料的层数和导电层与绝缘层的层厚比分别由层倍增器个数和挤出机转速比决定，结构和性能具有可设计性，与传统方法制备的电磁屏蔽材料相比，具有高电磁屏蔽效果和高断裂伸长率。本发明所涉及的设备简单易得，所需原料均为市售，无须合成其他化学物，操作简单，生产成本低，效率高。
文档编号B32B27/06GK102555375SQ20111044948
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者喻琴, 李姜, 郭少云 申请人:四川大学