一种石墨烯复合材料作为电磁屏蔽材料的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及新材料及其应用技术领域，具体涉及一种石墨烯复合材料作为电磁屏蔽材料的应用。
【背景技术】
[0002]现代电子器件的快速发展给人们的生活带来了极大的便利，同时也产生了严重的电磁辐射问题，给高精度电子设备以及人们的身心健康造成了严重的影响。电磁辐射污染已被公认为是继大气污染、水污染、噪音污染后的地球第四大污染。
[0003]防治电磁辐射最常用有效的方法是利用电磁屏蔽材料对于有害的电磁波加以屏蔽。因此开发高性能电磁屏蔽材料具有重要意义。材料电磁屏蔽效能的定义是入射电磁波的强度与透射电磁波强度比值的对数，单位为dB。电磁屏蔽效能数值越高意味着越少的电磁波可以穿透屏蔽材料。例如，商业应用要求的最低电磁屏蔽效能为20dB，意味着仅有1%的电磁波可以穿透屏蔽材料。
[0004]聚合物导电复合材料在电磁屏蔽上的应用引起了大量关注，这是因为其与常用的金属材料相比，具有轻质、抗腐蚀、柔性、易加工和低成本等优势。然而，在这些复合材料中，导电添加剂杂乱无章地分布在聚合物基体中，而且被聚合物分子所分隔，因此很难获得理想的电磁屏蔽性能。例如，复合材料中添加7wt%的多壁碳纳米管、15?丨％的单壁碳纳米管或15wt%的化学氧化剥离石墨稀才能获得约20dB的电磁屏蔽效能，这是一种电磁屏蔽材料能获得商业应用的最低性能要求。添加更多的导电材料有可能进一步提高复合材料的屏蔽效能，但过高的添加量会降低复合材料的力学性能和加工性能，同时增加材料的重量和成本。
[0005]除了具有高的电磁屏蔽性能以外，轻质和柔性是电磁屏蔽材料另外两个重要的技术要求，尤其是在飞机、航天器、手机和快速发展的柔性电子器件等领域(如便携电子设备和可穿戴电子器件等)中的应用。
[0006]石墨烯自被发现以来就以超高的导电能力、高强度、目前已知最轻薄的材料等性能受到广泛关注。利用石墨烯制备出自然连通的导电网络结构，有可能是获得轻质高效电磁屏蔽材料的有效途径。
【发明内容】
[0007]为了解决现有电磁屏蔽材料应用中遇到的上述问题，本发明提供一种石墨烯复合材料作为电磁屏蔽材料的应用，该石墨烯复合材料可有效屏蔽电子设备中电磁辐射干扰，提尚设备的的稳定性和使用寿命。
[0008]本发明的技术方案是:
[0009]—种石墨烯复合材料作为电磁屏蔽材料的应用，将石墨烯复合材料作为电磁屏蔽材料应用于各种电子设备；所述石墨烯复合材料由石墨烯材料和泡沫海绵组成，石墨烯均匀包覆于泡沫海绵骨架表面，石墨烯微片间紧密连接，形成三维连通的导电网络骨架结构；所述石墨烯材料在复合材料中所占的重量百分比为15?85%。
[0010]所述石墨烯为采用各种方法制备的石墨烯材料，包括通过剥离方法得到的石墨烯材料、氧化石墨烯、还原后氧化石墨烯以及化学气相沉积方法生长得到的石墨烯材料中的一种或几种。
[0011]所述泡沫海绵为多种具有良好弹性和热稳定性的海绵材料，包括聚氨酯海绵、橡胶海绵、三聚氰胺海绵等。
[0012]所述的石墨稀复合材料具有优异的电磁屏蔽性能，厚度1.5mm的该复合材料的电磁屏蔽效率可达40dB以上，密度仅0.05g/cm3，单位密度电磁屏蔽效能可达800dB.cm3/g，且具有良好的柔性和弹性，能够任意弯曲和承受达80%的压缩变形。
[0013]上述石墨烯复合材料的制备方法为:首先将泡沫海绵浸入表面活性剂溶液中处理5?30分钟，使其表面更易于石墨烯溶液的浸润，取出烘干；然后通过浸渍、滴加、喷涂或抽滤等方式将均匀分散的石墨烯材料的溶液填充到经过表面活性剂溶液处理后的泡沫海绵的孔隙中；最后在30?150°C条件下干燥固化0.5?5小时，获得石墨稀复合材料。同时为获得更好的柔性和弹性及表面绝缘性能，可将获得的石墨烯复合材料骨架表面再复合一层有机高分子聚合物。
[0014]所述表面活性剂溶液是指十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠的水溶液，溶液浓度为5?30mg/mL，也可以利用乙醇等易于表面浸润的有机溶剂对于泡沫海绵的表面进行预处理，达到与表面活性剂类似的效果。所述均匀分散的石墨烯材料的溶液是指添加了羧甲基纤维素钠等表面活性剂作为分散剂的石墨烯材料的水溶液，其中羧甲基纤维素钠的重量百分比为I?5% ;或不添加表面活性剂利用氧化石墨烯溶液自身的良好分散性将其他类型的石墨烯分散在氧化石墨烯中。石墨烯材料在溶液中的重量百分比为0.1?2%。
[0015]在将石墨烯材料的溶液添加到泡沫海绵孔隙的过程中，为了使石墨烯材料溶液充分进入到泡沫的孔隙中，可采取对泡沫海绵进行挤压或抽真空的方式排除其孔隙中的空气。
[0016]在石墨稀复合材料骨架表面再复合一层有机高分子聚合物时，选择有机高分子材料聚一■甲基娃氧烧、乙稀基娃油、甲基双苯基室温硫化娃橡Jj父、娃苯(联苯)撑娃氧烧聚合物和正硅酸乙酯等中的一种或几种作为原料。复合有机高分子聚合物时，先将所述有机高分子材料按照1: (I?50)的体积比例稀释于甲苯或乙酸乙酯中得到高分子聚合物稀释液，将稀释液通过喷涂、旋涂或提拉浸渍的方式填充到的石墨烯复合材料中，然后在60?120°C条件下，让高分子聚合物稀释液中的聚合物单体在石墨烯泡沫的孔隙中发生原位聚合反应，反应时间2?12小时。
[0017]上述石墨烯复合材料可以作为电磁屏蔽材料应用于各种电子设备，材料可有效屏蔽电磁辐射干扰，提高设备的的稳定性和使用寿命。
[0018]本发明具有如下优点:
[0019]1、本发明利用石墨稀材料的尚导电特性和聚氣酯等材质的海绵材料的优良的弹性和柔性制备石墨烯复合材料，该石墨烯复合材料，制备工艺流程简单，所需原料廉价易得，容易通过工艺放大实现工业化量产，成本较相关应用领域的传统产品有显著优势。
[0020]2、本发明所述石墨烯复合材料具有轻质、弹性、柔性和高效电磁屏蔽等特点，密度小于0.05g/cm3，其单位密度电磁屏蔽效能达800dB.cm3/g，比常用金属材料和传统炭材料/聚合物复合材料高出一个数量级。例如，铜片的单位密度电磁屏蔽效能仅为1dB *cm3/g,添加7wt%碳纳米管的泡沫复合材料的单位密度电磁屏蔽效能为33.1dB.cm3/go所述石墨烯复合材料如此高的单位密度电磁屏蔽效能，使其在对重量很敏感的领域如航空航天、移动电话和便携电子产品等中的应用具有更大的优势。
【附图说明】
[0021]图1为石墨烯复合电磁屏蔽材料的光学照片。
[0022]图2为石墨烯复合电磁屏蔽材料的扫描电镜照片；图中(b)为(a)的局部放大，可看出图中石墨烯微片紧密连接。
[0023]图3为实施例1的电磁屏蔽性能曲线。
[0024]图4为实施例2的电磁屏蔽性能曲线。
[0025]图5为实施例3的电磁屏蔽性能曲线。
[0026]图6为实施例4的电磁屏蔽性能曲线。
[0027]图7为实施例5的电磁屏蔽性能曲线。
[0028]图8为实施例6的电磁屏蔽性能曲线。
[0029]图9为实施例7的电磁屏蔽性能曲线。
[0030]图10为实施例8的电磁屏蔽性能曲线。
[0031]图11为实施例9的电磁屏蔽性能曲线。
[0032]图12为实施例10的电磁屏蔽性能曲线。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图及实施例详述本发明。
[0034]实施例1:
[0035]先将孔隙率为110PPI，厚度为1.9mm，密度为30mg/cm3的聚氨酯海绵浸入浓度为10mg/mL十二烷基硫酸钠水溶液中，浸泡10分钟。
[0036]将浸泡过的泡沫海绵样品取出放入烘箱中100°C进行干燥固化，时间设定30分钟。
[0037]将干燥后的泡沫海绵浸入以重量百分比为I %的羧甲基纤维素钠为分散剂的均匀分散的插层石墨烯含量为0.8%的水溶液中，利用铁辊对泡沫海绵进行挤压，排除泡沫海绵中的空气，浸泡10分钟后取出放入烘箱中120°C干燥固化，时间设定30分钟。
[0038]将干燥后的材料再次浸入以重量百分比为I %的羧甲基纤维素钠为分散剂的均匀分散的插层石墨烯含量为0.8%的水溶液中，利用铁辊对泡沫海绵进行挤压，排除泡沫海绵中的空气，浸泡10分钟后取出放入烘箱中120°C干燥固化，时间设定30分钟。
[0039]将干燥后的材料重新浸入以重量百分比为I %的羧甲基纤维素钠为分散剂的均匀分散的插层石