一种轻质宽频电磁屏蔽材料及其制备方法与流程

本发明涉及电磁屏蔽材料技术领域，具体涉及一种轻质宽频电磁屏蔽材料及其制备方法。

背景技术：

电磁干扰是由电场回路产生的电磁辐射信号。电磁波辐射造成了电磁污染、电磁干扰、泄密等棘手问题，妨碍了电子信息工业稳定发展。有效解决这一问题的方案，是研发出能够吸收特定频段电磁波的材料，因此，电磁屏蔽材料在军事及民事领域具有广泛的应用前景。

目前，船用电磁屏蔽电缆多采用金属薄膜或金属丝对电磁波进行屏蔽，屏蔽效果较好，但缺点是：金属薄膜或金属丝刚性大，无法弯曲，铺设难度大；且金属丝在编制过程中，不能完全杜绝断丝等缺陷，使得金属丝断丝处的毛刺易刺破电缆绝缘层，存在电磁泄露及安全隐患；此外由于金属的自身密度大，最终造成电缆的重量增加，不利于船体轻量化的要求。

高分子材料具有力学性能好、重量小、可柔性化等特点，将具有电磁屏蔽性能的功能填料加入到高分子材料中形成复合材料，是人们寻求高性能轻质宽频电磁屏蔽材料的一种解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种轻质宽频电磁屏蔽材料，该材料在30mhz~20ghz的频率范围内，具有较高的电磁屏蔽效能，且相对于金属薄膜或金属丝类电磁屏蔽材料，其单位面积质量减轻50%以上。

本发明为实现此目的所采用的技术方案为：一种轻质宽频电磁屏蔽材料，其原料由乙烯-醋酸乙烯酯橡胶、功能填料、补强填料和加工助剂组成，功能填料、增强填料、加工助剂的加入量占乙烯-醋酸乙烯酯橡胶重量的百分比依次为：功能填料为2~15%，增强填料为10~30%，加工助剂为17~47%；其中，功能填料是由石墨烯、铁盐和氢氧化钡通过化学接枝法制备而成的石墨烯-fe3o4-batio3填料。

本发明中的加工助剂由增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂组成，其中，增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂的重量比依次为10~30：2~4：2~5：2~3：1~5。

优选的，本发明采用的增塑剂为癸二酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯或邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种组合；防老剂为防老剂rd和防老剂4010na中的一种或两种组合；抗水解剂为聚碳化二亚胺。抗水解剂与防老剂并用。

优选的，本发明采用的交联剂为过氧化二异丙苯或双二五硫化剂；交联促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯。交联促进剂与交联剂并用。

优选的，本发明采用的增强填料为炭黑n330、炭黑n550或轻质碳酸钙中的一种或多种组合。

本发明采用的乙烯-醋酸乙烯酯橡胶中，醋酸乙烯酯的质量份数为60~70%。

优选的，本发明采用的石墨烯为层数在10层以下的石墨烯微片。

优选的，本发明采用的石墨烯的厚度＜5nm，石墨烯片层的直径为5~20nm。

本发明的目的之二时提供一种轻质宽频电磁屏蔽材料的制备方法，制备工艺简单可行，能够满足实际工程应用。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取一定量的乙烯-醋酸乙烯酯橡胶和石墨烯-fe3o4-batio3填料，将石墨烯-fe3o4-batio3填料置于80~100℃的真空干燥箱干燥10~12h，然后上述的重量百分比称取增强填料、加工助剂以及干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料，然后将干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料分散于四氢呋喃溶剂中，超声分散0.5~1h后，制得石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，备用；

步骤二、将步骤一称取的乙烯-醋酸乙烯酯橡胶溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌至乙烯-醋酸乙烯酯橡胶完全溶解，然后加入步骤一制备的石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，超声分散0.5~1h，制得混合物a；将得到的混合物a置于80~90℃的水浴锅中，水浴加热时间12~24h，制得表面触干的粘稠混合物b，备用；

步骤三、将开炼机辊温升至60~70℃，加入混合物b进行包辊，5~10min后，添加步骤一称取的加工助剂，进行各8~10次打三角包和打卷，使小料混合完全，得到石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶，备用；

步骤四、将步骤三制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶静置12~24h，塑炼后进行硫化，硫化温度150~165℃，硫化时间30~45min。

本发明中的铁盐为具有fe³⁺的铁盐，优选为fecl3•6h2o；氢氧化钡选用ba(oh)2·8h2o。

优选的，步骤一的加工助剂由增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂组成，其中，增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂的重量比依次为10~30：2~4：2~5：2~3：1~5。优选的，增塑剂为癸二酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯或邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种组合；防老剂为防老剂rd和防老剂4010na中的一种或两种组合；所述的抗水解剂为聚碳化二亚胺；交联剂为过氧化二异丙苯或双二五硫化剂；所述的交联促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯。

本发明中，石墨烯-fe3o4-batio3填料的制备方法为：

（1）、按照重量份数，取0.2~1重量份的石墨烯和2~10重量份的fecl3•6h2o，将二者加入乙二醇中搅拌至形成稳定的悬浮液，再加入10~30重量份的醋酸钠至均相后，加入3~10重量份的聚乙二醇，形成混合液a，将混合液a倒入高压反应釜，在150~200℃温度下反应6~10h，冷却后取出反应物a，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物a，抽滤后晾干，即得石墨烯-fe3o4；

（2）、另取ba(oh)2·8h2o、tio2以及步骤（1）制备的石墨烯-fe3o4，三者的质量比为，ba(oh)2·8h2o：tio2：石墨烯-fe3o4=6~16：2~5：8~20，将称取的ba(oh)2·8h2o全部熔解于蒸馏水中，并加入称取的tio2和石墨烯-fe3o4，在15~20khz频率下超声4~8min，形成混合液b，将混合液b倒入反应釜，在150~200℃温度下反应10~12h，冷却取出反应物b，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物b，抽滤后晾干，制得石墨烯-fe3o4-batio3填料。制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料为纳米尺寸。

本发明的基体采用乙烯-醋酸乙烯酯橡胶，即evm，其主链为饱和结构，化学稳定性好，具有优异的耐热、耐油、耐极性溶剂、耐臭氧、耐候性能，以及具有良好的低温柔顺性，此外阻燃性能优异，因此，适合作为船用电磁屏蔽电缆及屏蔽垫片的原材料使用。

本发明的原料之一采用石墨烯，石墨烯是由碳原子组成的六角型平面薄膜，仅仅只有一个碳原子厚度的二维材料；石墨烯是世界上最薄以及最坚硬的纳米材料；导热系数高于碳纳米管和金刚石，达到5300w/m•k；石墨烯为目前世上电阻率最小的材料，只有10^-6ω•cm；常温下，石墨烯电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，超过15000cm²/v·s。与传统材料相比，石墨烯可以突破原有的局限，成为有效的新型电磁屏蔽填料，满足电磁屏蔽材料对“薄、轻、宽、强”的要求。

有益效果：本发明通过对石墨烯进行改性，在表面接枝含铁、钡等铁磁性粒子，制备石墨烯-fe3o4-batio3三元纳米粒子作为电磁屏蔽功能填料，同时，通过特殊制备工艺解决三元纳米粒子在evm橡胶基体内的分散问题，从而制备轻质宽频电磁屏蔽材料。

本发明提供的轻质宽频石墨烯-fe3o4-batio3/evm电磁屏蔽材料，密度为1.20~1.23g/cm³，相对于金属薄膜或金属丝类电磁屏蔽材料，其单位面积质量减轻50%以上；在30mhz~18ghz范围内，电磁屏蔽材料试样厚度为2mm时，电磁屏蔽效能可以达到31~45db，具有非常优异的宽频电磁屏蔽效能；同时具有优良的耐热、耐油、耐极性溶剂、耐臭氧、耐候、阻燃性能及良好的低温柔顺性；且制备工艺简单可行，能够满足船用电磁屏蔽电缆及屏蔽垫片等相关材料实际工程应用。

附图说明

图1为实施例1制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料的sem图；

图2为各实施例制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm电磁屏蔽材料的试样图片；

图3为实施例1至实施例4制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm电磁屏蔽材料的电磁屏蔽效能对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料，其原料由乙烯-醋酸乙烯酯橡胶、功能填料、补强填料和加工助剂组成，功能填料、增强填料、加工助剂的加入量占乙烯-醋酸乙烯酯橡胶重量的百分比依次为：功能填料为2~15%，增强填料为10~30%，加工助剂为17~47%；其中，功能填料是由石墨烯、铁盐和氢氧化钡通过化学接枝法制备而成的石墨烯-fe3o4-batio3填料。乙烯-醋酸乙烯酯橡胶中，醋酸乙烯酯的质量份数为60~70%。

其中的加工助剂由增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂组成，其中，增塑剂、防老剂、抗水解剂、交联剂和交联促进剂的重量比依次为10~30：2~4：2~5：2~3：1~5。

所述的增塑剂为癸二酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯或邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种组合；所述的防老剂为防老剂rd和防老剂4010na中的一种或两种组合；所述的抗水解剂为聚碳化二亚胺；交联剂为过氧化二异丙苯或双二五硫化剂；交联促进剂为三烯丙基异氰脲酸酯；增强填料为炭黑n330、炭黑n550或轻质碳酸钙中的一种或多种组合。

所述的石墨烯为层数在10层以下的石墨烯微片；石墨烯的厚度＜5nm，石墨烯片层的直径为5~20nm。

实施例1：

一种轻质宽频电磁屏蔽材料，各组份的质量份数为：evm橡胶100份，石墨烯-fe3o4-batio3填料2份，n550炭黑10份，轻质碳酸钙5份，癸二酸二辛酯（dos）15份，防老剂rd2份，防老剂4010na2份，聚碳化二亚胺2份，过氧化二异丙苯(dcp)2份，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3份。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、取4.6g石墨烯和13g的fecl3•6h2o，将二者加入200ml的乙二醇中搅拌至形成稳定的悬浮液，再加入56g醋酸钠至均相后，加入15g聚乙二醇，形成混合液a，将混合液a倒入高压反应釜，在180℃温度下反应10h，冷却后取出反应物a，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物a，抽滤后晾干，即得石墨烯-fe3o4；

步骤二、取1.8g的ba(oh)2·8h2o，将其全部熔解于足量蒸馏水中至全溶，并加入0.7g的tio2以及3g步骤一制备的石墨烯-fe3o4，在15khz频率下超声6min，形成混合液b，将混合液b倒入反应釜，在180℃温度下反应12h，冷却取出反应物b，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物b，抽滤后晾干，制得石墨烯-fe3o4-batio3填料；

步骤三、将步骤二制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料置于80℃的真空干燥箱干燥10h，按配方称取100gevm橡胶溶解于足量四氢呋喃溶剂中，利用电动搅拌器进行搅拌直至完全溶解；按配方称取2g干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料，分散于足量四氢呋喃溶剂中，并超声分散0.5h后，在搅拌的同时匀速滴加石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，滴加完毕后再超声分散0.5h，制得混合物a；将得到的混合物a置于80℃的水浴锅中，水浴加热14h后，蒸发除去绝大部分四氢呋喃，制得表面触干的粘稠混合物b，备用；

步骤四、将开炼机辊温升至60℃，加入混合物b进行包辊，5~10min后，完全蒸发剩余四氢呋喃；依次添加n550炭黑10g，轻质碳酸钙5g，癸二酸二辛酯（dos）15g，防老剂rd2g，防老剂4010na2g，聚碳化二亚胺2g，过氧化二异丙苯(dcp)2g，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3g，进行各8次打三角包和打卷，使小料混合完全，得到石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶，备用；

步骤五、将步骤四制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶静置24h，塑炼后进行硫化，硫化温度160℃，硫化时间35min。

实施例2：

一种轻质宽频电磁屏蔽材料，各组份的质量份数为：evm橡胶100份，石墨烯-fe3o4-batio3填料5份，n550炭黑25份，轻质碳酸钙5份，癸二酸二辛酯（dos）15份，偏苯三酸三辛酯(totm)5份，防老剂rd2份，防老剂4010na1份，聚碳化二亚胺2份，过氧化二异丙苯(dcp)2份，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3份。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、取4.6g石墨烯和26g的fecl3•6h2o，将二者加入400ml的乙二醇中搅拌直到形成稳定的悬浮液，再加入75g醋酸钠至均相后，加入25g聚乙二醇，形成混合液a，将混合液a倒入高压反应釜，在150℃温度下反应9h，冷却后取出反应物a，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物a，抽滤后晾干，即得石墨烯-fe3o4；

步骤二、取5.9g的ba(oh)2·8h2o，将去全部熔解于足量蒸馏水中至全溶，并加入1.7g的tio2以及7g步骤一制备的石墨烯-fe3o4，在16khz频率下超声8min，形成混合液b，将混合液b倒入反应釜，在200℃温度下反应10h，冷却取出反应物b，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物b，抽滤后晾干，制得石墨烯-fe3o4-batio3填料；

步骤三、将步骤二制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料置于90℃的真空干燥箱干燥12h，按配方称取100gevm橡胶溶解于足量四氢呋喃溶剂中，利用电动搅拌器进行搅拌直至完全溶解；按配方称取5g干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料，分散于足量四氢呋喃溶剂中，并超声分散1h后，在搅拌的同时匀速滴加石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，滴加完毕后再超声分散1h，制得混合物a；将得到的混合物a置于85℃的水浴锅中，水浴加热12h，蒸发除去绝大部分四氢呋喃，制得表面触干的粘稠混合物b，备用；

步骤四、将开炼机辊温升至65℃，加入混合物b进行包辊，5~10min后，完全蒸发剩余四氢呋喃；依次添加n550炭黑25g，轻质碳酸钙5g，癸二酸二辛酯（dos）15g，偏苯三酸三辛酯(totm)5g，防老剂rd2g，防老剂4010na1g，聚碳化二亚胺2g，过氧化二异丙苯(dcp)2g，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3g，进行各9次打三角包和打卷，使小料混合完全，得到石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶，备用；

步骤五、将步骤四制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶静置12h，塑炼后进行硫化，硫化温度150℃，硫化时间40min。

实施例3：

一种轻质宽频电磁屏蔽材料，各组份的质量份数为：evm橡胶100份，石墨烯-fe3o4-batio3填料10份，n330炭黑15份，轻质碳酸钙5份，癸二酸二辛酯（dos）15份，偏苯三酸三辛酯(totm)5份，防老剂rd2份，防老剂4010na1份，聚碳化二亚胺2份，双二五硫化剂2.5份，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3份。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、取6.9g石墨烯和51.8g的fecl3•6h2o，将二者加入500ml的乙二醇中搅拌至形成稳定的悬浮液，再加入150g醋酸钠至均相后，加入35g聚乙二醇，形成混合液a，将混合液a倒入高压反应釜，在200℃温度下反应6h，冷却后取出反应物a，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物a，抽滤后晾干，即得石墨烯-fe3o4；

步骤二、取11.1g的ba(oh)2·8h2o，将去全部熔解于足量蒸馏水中至全溶，并加入3g的tio2以及12g步骤一制备的石墨烯-fe3o4，在20khz频率下超声6min，形成混合液b，将混合液b倒入反应釜，在165℃温度下反应11h，冷却取出反应物b，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物b，抽滤后晾干，制得石墨烯-fe3o4-batio3填料；

步骤三、将步骤二制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料置于100℃的真空干燥箱干燥11h，按配方称取100gevm橡胶溶解于足量四氢呋喃溶剂中，利用电动搅拌器进行搅拌直至完全溶解；按配方称取10g干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料，分散于足量四氢呋喃溶剂中，并超声分散0.8h后，在搅拌的同时匀速滴加石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，滴加完毕后再超声分散0.8h，制得混合物a；将得到的混合物a置于90℃的水浴锅中，水浴加热16h后，蒸发除去绝大部分四氢呋喃，制得表面触干的粘稠混合物b，备用；

步骤四、将开炼机辊温升至70℃，加入混合物b进行包辊，5~10min后，完全蒸发剩余四氢呋喃；依次添加n330炭黑15g，轻质碳酸钙5g，癸二酸二辛酯（dos）15g，偏苯三酸三辛酯(totm)5g，防老剂rd2g，防老剂4010na1g，聚碳化二亚胺2g，双二五硫化剂2.5g，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3g，进行各10次打三角包和打卷，使小料混合完全，得到石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶，备用；

步骤五、将步骤四制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶静置20h，塑炼后进行硫化，硫化温度155℃，硫化时间42min。

实施例4：

一种轻质宽频电磁屏蔽材料，各组份的质量份数为：evm橡胶100份，石墨烯-fe3o4-batio3填料15份，n330炭黑20份，轻质碳酸钙5份，邻苯二甲酸二辛酯（dop）15份，偏苯三酸三辛酯(totm)5份，防老剂rd2份，防老剂4010na1份，聚碳化二亚胺3份，双二五硫化剂2.5份，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3份。

一种轻质宽频电磁屏蔽材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、取9.2g石墨烯和104.1g的fecl3•6h2o，将二者加入1000ml的乙二醇中搅拌至形成稳定的悬浮液，再加入180g醋酸钠至均相后，加入50g聚乙二醇，形成混合液a，将混合液a倒入高压反应釜，在200℃温度下反应10h，冷却后取出反应物a，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物a，抽滤后晾干，即得石墨烯-fe3o4；

步骤二、取20.7g的ba(oh)2·8h2o，将去全部熔解于足量蒸馏水中至全溶，并加入4.8g的tio2以及20g步骤一制备的石墨烯-fe3o4，在20khz频率下超声4min，形成混合液b，将混合液b倒入反应釜，在150℃温度下反应12h，冷却取出反应物b，依次用乙醇、蒸馏水多次洗涤反应物b，抽滤后晾干，制得石墨烯-fe3o4-batio3填料；

步骤三、将步骤二制得的石墨烯-fe3o4-batio3填料置于95℃的真空干燥箱干燥12h，按配方称取100gevm橡胶溶解于足量四氢呋喃溶剂中，利用电动搅拌器进行搅拌直至完全溶解；按配方称取15g干燥后的石墨烯-fe3o4-batio3填料，分散于足量四氢呋喃溶剂中，并超声分散1h后，在搅拌的同时匀速滴加石墨烯-fe3o4-batio3四氢呋喃分散液，滴加完毕后再超声分散0.7h，制得混合物a；将得到的混合物a置于90℃的水浴锅中，水浴加热24h，蒸发除去绝大部分四氢呋喃，制得表面触干的粘稠混合物b，备用；

步骤四、将开炼机辊温升至62℃，加入混合物b进行包辊，5~10min后，完全蒸发剩余四氢呋喃；依次添加n330炭黑15g，轻质碳酸钙5g，癸二酸二辛酯（dos）15g，偏苯三酸三辛酯(totm)5g，防老剂rd2g，防老剂4010na1g，聚碳化二亚胺2g，双二五硫化剂2.5g，三烯丙基异氰脲酸酯（taic）3g，进行各10次打三角包和打卷，使小料混合完全，得到石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶，备用；

步骤五、将步骤四制得的石墨烯-fe3o4-batio3/evm混炼胶静置15h，塑炼后进行硫化，硫化温度165℃，硫化时间45min。

对实施例得到的轻质宽频石墨烯-fe3o4-batio3/evm电磁屏蔽材料进行各项性能测试，结果如表1所示。实施例的电磁波屏蔽效能图如图3所示。

表1实施例得到的轻质宽频电磁屏蔽材料的性能测试结果

从表1及附图1-3可以看出，不同组份配比的石墨烯-fe3o4-batio3三元纳米粒子在evm橡胶基体内分散良好，其制备的轻质宽频电磁屏蔽材料各项性能指标满足船用电磁屏蔽电缆及屏蔽垫片等相关材料实际工程应用，其实例二的电磁屏蔽效能最为优异。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明所作的等效分子结构或等效合成制备流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。