專利名稱：一種新型聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚合物基功能材料及其制備技術領域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材及其制備方法，該電磁屏蔽材料具有良好的電磁屏蔽效果和力學性能。
背景技術：
電磁屏蔽材料是通過消減、攔截或阻斷電磁輻射能量，而使其限定在所規(guī)定的空間內(nèi)，阻止電磁波的傳播與擴散的一類材料。電磁輻射已成為繼大氣污染、水污染后的又一大嚴重污染。使用屏蔽材料是一種簡便、有效的抑制電磁輻射的方法，傳統(tǒng)的屏蔽材料通常使用標準金屬及其復合材料，它們存在著缺乏機械加工性、價格昂貴、重量大、易腐蝕及屏蔽波段不易變換等缺點。而隨著高分子材料的不斷開發(fā)和樹脂成型工藝的日益完善，樹脂制件以其價廉、質(zhì)輕、加工性好、生產(chǎn)效率高等獨特的優(yōu)勢在電子工業(yè)中倍受青睞，高分子基電磁屏蔽材料正在愈來愈多地取代原來的金屬材料，作為電子電氣設備的殼體、底板等結構件。目前使用的高分子基電磁屏蔽復合材料，按結構和制備方法分為本征型和復合型兩大類。本征型屏蔽高分子材料由于本體剛度大、難溶、成型困難、成本昂貴，而且摻雜劑多屬劇毒、強腐蝕物質(zhì)，另外導電性與重復性較差以及導電率的變化范圍比較窄等諸多因素限制了其作為電磁屏蔽材料的應用。復合型屏蔽高分子材料又分為表層導電型和填充型。表層導電型一般是采取貼金屬箔、金屬熔射、電鍍或化學鍍等進行塑料面處理或是涂覆銀、銅及鎳等導電涂料。由于表層導電型屏蔽材料多采用金屬作為填料，價格昂貴，需要較大填充量才能達到理想的屏蔽效果，且金屬容易沉積，使用過程中存在氧化，加工過程復雜等問題使得表層導電型屏蔽材料只能應用于一些較為特殊的場合而不適合大規(guī)模生產(chǎn)。填充型復合屏蔽樹脂是由電絕緣性能較好的合成樹脂和具有優(yōu)良導電性能的填料及其它添加劑通過混煉造粒，并采用注射成型、擠壓成型及壓塑成型等方法制得。與表層導電型材料相比，填充型材料具有一次成型的特點，從而可以降低成本，提高產(chǎn)品的可靠性，因此使用較多，是電磁屏蔽材料的一個重要發(fā)展方向。雖然填充型單層電磁屏蔽材料被廣泛運用于各種電磁屏蔽領域，但單層屏蔽具有以下不足⑴屏蔽效果SE有一定的局限性，難以滿足高電磁屏蔽效能的要求；⑵難以實現(xiàn)寬頻屏蔽，單層材料只在某些頻段內(nèi)有較好的屏蔽效能；⑶難以實現(xiàn)綜合電磁屏蔽。各種類型的電磁波(平面波、電場波、磁場波等)在同一環(huán)境中可能同時存在，因而要求防信息泄露電磁屏蔽材料同時具備對多種波的屏蔽能力，而單層材料通常只針對某一種波有較好的屏蔽效果。例如，單層導電材料通常主要以反射來實現(xiàn)高屏蔽效果，對儀器、設備之外的自由空間又形成了新的輻射源；而單層導磁材料雖吸收較好，但總的屏蔽效能不高。若采用層狀復合可在寬的頻率范圍內(nèi)提高屏蔽效能，同時對各種類型電磁波都有好的屏蔽效能，還可以提高材料對電磁波的吸收能力。近年來，多層屏蔽結構材料的研究受到越來越多的關注。相對于單層屏蔽結構材料，多層屏蔽結構材料在材料選擇及屏蔽結構優(yōu)化等方面具有更大的設計空間。通過合理的優(yōu)化設計，可使材料的綜合屏蔽性能得到較大提高。多層屏蔽對電場和磁場兩者都有較好的防護，特別適合于以反射損耗為主的屏蔽體。隔開的材料可形成多次反射，比同樣厚度的單層屏蔽材料能產(chǎn)生更好的屏蔽效果。多層屏蔽的原則是各屏蔽層之間不能連接在一起，其間應該隔離空氣或者填充其他介質(zhì)，否則達不到應有的屏蔽效果?；诙鄬咏Y構可以改善復合材料電磁屏蔽性能，國內(nèi)外有不少人投入多層電磁屏蔽材料的研究中。但是目前制備出的多層屏蔽材料多是采用層壓方法，把單個屏蔽層進行疊加來構成多層屏蔽，制備工藝復雜，且形成材料的層數(shù)有限。另外，以這種方法制備出的多層屏蔽材料多采用環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂，無法使用擠出機等高效率的設備，故其應用和發(fā)展受到抑制。基于多層材料在電磁屏蔽方面的優(yōu)勢和一般加工方法難以達到多層結構的認識，本發(fā)明引入微層共擠，利用兩臺擠出機、匯合器和層倍增器來制備具有較高層數(shù)的填充型多層電磁屏蔽復合材料，利用材料的多層結構和填料的取向來達成良好的電磁屏蔽效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對制備聚合物基電磁屏蔽材料的現(xiàn)狀而提供一種新型聚合物基電磁屏蔽材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術制備的聚合物基電磁屏蔽材料屏蔽效果較差、形態(tài)結構難以設計、生產(chǎn)效率較低、力學性能差等技術問題。本發(fā)明的上述目的可通過具有以下技術方案的新型聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材來實現(xiàn)新型聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材的特征在于(1)該材料由導電層A和絕緣層B以交替層狀的結構疊合而成；(2)材料中存在至少一層連續(xù)的層狀界面；(3)導電層A和絕緣層B的高分子基體均為高分子樹脂C ； (4)導電層A添加了二維片狀導電物質(zhì)D，絕緣層B不添加別的填料。在上述技術方案中，絕緣層B和導電層A的電阻率之比大于IO4 ；二維片狀導電物質(zhì)D的長厚比大于5，而且平行于層狀界面；薄膜或片材的厚度為0. 05-5mm。在上述技術方案中，高分子樹脂C為聚乙烯、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、聚對苯二甲酸乙二醇酯、合成橡膠或聚氨酯中的一種；二維片狀導電物質(zhì)D為銅片、鎳片、石墨、石墨烯中的一種。在上述技術方案中，二維片狀導電物質(zhì)在導電層中的質(zhì)量含量為l_40wt%。制備上述技術方案所述新型高分子基電磁屏蔽薄膜或片材的方法，高分子樹脂C和二維片狀導電物質(zhì)D預混合后在雙螺桿擠出機中混合并造粒，得到導電層A物料；絕緣層B物料和導電層A物料分別投入微層共擠設備的兩臺擠出機，經(jīng)熔煉、匯流、切割、變流、疊合、擠出得到薄膜或片材。在上述制備新型高分子基電磁屏蔽薄膜或片材的方法中，熔體流經(jīng)的層倍增器數(shù)量為0-7個，得到的連續(xù)層狀界面數(shù)量為1-255，出口模厚度為0. 03-5mm可調(diào)。本發(fā)明公開的新型高分子基電磁屏蔽薄膜或片材及其制備方法，使用了一種高分子樹脂和一種高分子樹脂/片狀導電填料復合材料，通過微層共擠出方法使其以交替層狀的形式排列，在擠出方向上均為連續(xù)相，形成若干規(guī)整的層狀界面。由于兩種材料具有較大的電阻率差，因此入射電磁波可以在層狀界面處形成反射電磁波，并且層狀界面越多，電磁波反射的越多，電磁屏蔽效果越好。而且，由于片狀導電填料的取向，形成一種類似于砌墻的結構，進一步降低了電磁波的穿透，提高電了磁屏蔽效果。因此，我們可以在低的導電填料含量情況下，實現(xiàn)高的電磁屏蔽效果。實驗結果表明，采用本發(fā)明制備的新型聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材，具有電磁屏蔽效果好、頻帶寬、填料使用少、力學性能優(yōu)異、質(zhì)輕、柔軟、易于安裝等特點，可用于電視機的屏蔽后蓋、屏蔽罩、屏蔽箱體、電磁屏蔽膜、電磁屏蔽墻布等。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1、本發(fā)明所涉及的設備簡單易得，僅需將兩臺普通擠出機通過匯合器聯(lián)結，并在口模處加若干倍增器；所需原料均為市售，無須合成其他化學物。該方法具有簡單易操作，生產(chǎn)成本低，效率高等特點。2、通過本發(fā)明制備的層狀聚合物基電磁屏蔽材料，與傳統(tǒng)方法制備的電磁屏蔽材料相比，其力學性能大幅度提高。并且層狀聚合物基電磁屏蔽材料的層數(shù)越高，其力學性能的提高越明顯。3、可以通過改變層倍增器的個數(shù)和擠出機轉(zhuǎn)速比來設計聚合物基電磁屏蔽材料的層數(shù)以及導電層與絕緣層的層厚比，從而可有效地調(diào)控其形態(tài)結構。4、經(jīng)本發(fā)明提供的方法所制備的新型聚合物基電磁屏蔽材料，由于層狀界面的存在和片狀導電物質(zhì)的取向，電磁屏蔽效果大幅度提高。5、通過本發(fā)明制備的層狀聚合物基電磁屏蔽材料具有層狀結構，導電層和絕緣層交替排列，電磁屏蔽性能具有各向異性。本發(fā)明還具有其他方面的一些優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明制備的聚合物基電磁屏蔽材料的結構以及電磁屏蔽原理示意圖。在圖中，A:導電層，B:絕緣層，C:高分子樹脂，D: 二維片狀導電物質(zhì)。
具體實施例方式以下通過實施例對本發(fā)明進行進一步的具體描述。在以下各實施例中，各組分的用量均為重量用量。有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域技術熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明產(chǎn)生的積極效果可用實施例來進行說明。實施例1
原料為聚丙烯和石墨，石墨的長厚比為10，絕緣層和導電層分別為純聚丙烯和石墨填充聚丙烯，絕緣層和導電層的電阻率比為2X105。首先制備普通的石墨填充聚丙烯，石墨含量為5%，將聚丙烯和石墨干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。電磁屏蔽層和絕緣層粒料分別投入微層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為1 :1，擠出機各段溫度控制在170-200°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為200°C左右，使用3個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為2mm、層數(shù)為16層的聚丙烯基電磁屏蔽片材。該材料在低頻區(qū)(50M-2GHZ)內(nèi)的屏蔽值達到47dB，斷裂伸長率為651 %。作為比較，相同石墨含量且具有相同厚度的普通聚丙烯基電磁屏蔽材料在該波段的吸收峰值為18dB，斷裂伸長率為36%。實施例2
原料為聚丙烯和石墨，石墨的長厚比為50，絕緣層和導電層分別為純聚丙烯和石墨填充聚丙烯，絕緣層和導電層的電阻率比為6X106。首先制備普通的石墨填充聚丙烯，石墨含量為10% 將聚丙烯和石墨干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入微層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為1 :2，擠出機各段溫度控制在170-200°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為200°C左右，使用1個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為0. 2mm、層數(shù)為4層的聚丙烯基電磁屏蔽薄膜。該材料在Ku波段(12-lSGHz)內(nèi)的屏蔽峰值達到42dB，斷裂伸長率為457%。作為比較，相同石墨含量且具有相同厚度的普通聚丙烯基電磁屏蔽材料在該波段的吸收峰值為^dB,斷裂伸長率為對％。實施例3
原料為聚苯乙烯和鎳片，鎳片的長厚比為18，絕緣層和導電層分別為純聚苯乙烯和鎳片填充聚苯乙烯，絕緣層與導電層的電阻率比為8X106。首先制備普通的鎳片填充聚苯乙烯，鎳片含量為30% 將聚苯乙烯和鎳片干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入微層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為1 :1，擠出機各段溫度控制在170-200°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為200°C左右，使用5個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為3. 5mm,、層數(shù)為64層的聚苯乙烯基電磁屏蔽片材。該材料在低頻區(qū)(50M_2GHz)和中頻區(qū)(SG-ISGHz)內(nèi)的屏蔽峰值分別為49dB和56dB，斷裂伸長率為117%。作為比較，相同鎳片含量且具有相同厚度的傳統(tǒng)聚苯乙烯基電磁屏蔽材料的屏蔽峰值分別為35dB和33dB，斷裂伸長率為11%。實施例4
原料為尼龍6和石墨，石墨的長厚比為20，絕緣層和導電層分別為純尼龍6和石墨填充尼龍6，絕緣層與導電層的電阻率比為1X105。首先制備普通的石墨填充尼龍6，石墨含量為20% 將尼龍6和石墨干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入分層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為2 :1，擠出機各段溫度控制在210-250°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為250°C左右，使用5個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為2. 5mm，、層數(shù)為64層的尼龍6基電磁屏蔽片材。該材料在低頻區(qū)(50M-2GHz )和中頻區(qū)(8G-18GHz )內(nèi)的屏蔽峰值分別為53dB和61dB，斷裂伸長率為135%。作為比較，相同石墨含量且具有相同厚度的傳統(tǒng)尼龍6基電磁屏蔽材料的屏蔽峰值分別為27dB和35dB，斷裂伸長率為13%。實施例5
原料為聚乙烯和銅片，銅片的長厚比為10，絕緣層和導電層分別為純聚乙烯和銅片填充聚乙烯，絕緣層和導電層的電阻率比為1X106。首先制備普通的銅片填充聚乙烯，銅片含量為30%:將聚乙烯和銅片真空干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入分層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為1 :3，擠出機各段溫度控制在110-150°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為150°C左右，使用5個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為0. 1mm、層數(shù)為64層的聚乙烯基電磁屏蔽薄膜。該材料在低頻區(qū)(50M-2GHZ)和中頻區(qū)(8G-18GHZ)內(nèi)的屏蔽峰值分別為39dB和43dB，斷裂伸長率為549%。作為比較，相同銅片含量且具有相同厚度的傳統(tǒng)聚乙烯基電磁屏蔽材料的屏蔽峰值分別為14dB和^dB,斷裂伸長率為沈％。實施例6
原料為聚氯乙烯和鎳片，鎳片的長厚比為10，絕緣層和導電層分別為純聚氯乙烯和鎳片填充聚氯乙烯，絕緣層和導電層的電阻率比為2X105。首先制備普通的鎳片填充聚氯乙烯，鎳片含量為40% 將聚氯乙烯和鎳片真空干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入分層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為3 :1，擠出機各段溫度控制在160-200°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為200°C左右，使用6個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為3mm、層數(shù)為1 層的聚氯乙烯基電磁屏蔽片材。該材料在低頻區(qū)(50M-2GHZ)和中頻區(qū)(8G-18GHZ)內(nèi)的屏蔽峰值分別為52dB和39dB，斷裂伸長率為92%。作為比較，相同鎳片含量且具有相同厚度的傳統(tǒng)聚氯乙烯基電磁屏蔽材料的屏蔽峰值分別為35dB和21dB，斷裂伸長率為6%。實施例7
原料為聚丙烯和石墨烯，石墨烯的長厚比為100，絕緣層和導電層分別為純聚丙烯和石墨烯填充聚丙烯，絕緣層和導電層的電阻率比為2X106。首先制備普通的石墨烯填充聚丙烯，石墨烯含量為3% 將聚丙烯和石墨烯干燥后，在雙螺桿擠出機中熔融混合造粒。導電層和絕緣層粒料分別投入分層共擠裝置的兩臺擠出機中，擠出機轉(zhuǎn)速比為1 :1，擠出機各段溫度控制在170-200°C之間，匯合器、層倍增器和出口模的溫度均為200°C左右，使用7個層倍增器，熔體在牽引裝置的牽引下從出口模流出，經(jīng)冷卻裝置冷卻后，制備得到厚度為3mm、層數(shù)為256層的層狀聚丙烯基電磁屏蔽材料。該材料在低頻區(qū)(50M_2GHz)和中頻區(qū)(SG-ISGHz)內(nèi)的屏蔽峰值分別為44dB和63dB，斷裂伸長率為6觀％。作為比較，相同石墨烯含量且具有相同厚度的傳統(tǒng)聚丙烯基電磁屏蔽材料的屏蔽峰值分別為30dB和37dB，斷裂伸長率為57%。
權利要求
1.一種聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于(1)該材料由導電層A和絕緣層B以交替層狀的結構疊合而成；(2)材料中存在至少一層連續(xù)的層狀界面；(3)導電層A和絕緣層B的高分子基體均為高分子樹脂C ； (4)導電層A添加了二維片狀導電物質(zhì)D，絕緣層B不添加填料。
2.按照權利要求1所述聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于絕緣層B和導電層A的電阻率之比大于IO4 ；二維片狀導電物質(zhì)D的長厚比大于5，而且平行于層狀界面；薄膜或片材的厚度為0. 05-5mm。
3.按照權利要求1或2所述聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于高分子樹脂C為聚乙烯、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、聚對苯二甲酸乙二醇酯、合成橡膠或聚氨酯中的一種；二維片狀導電物質(zhì)D為銅片、鎳片、石墨、石墨烯中的一種。
4.按照權利要求3所述聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材，其特征在于二維片狀導電物質(zhì)在導電層中的質(zhì)量含量為l_40wt%。
5.制備權利要求1至4任一項權利要求所述聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材的方法，其特征在于高分子樹脂C和二維片狀導電物質(zhì)D預混合后在雙螺桿擠出機中混合并造粒，得到導電層A物料；絕緣層B物料和導電層A物料分別投入微層共擠設備的兩臺擠出機，經(jīng)熔煉、匯流、切割、變流、疊合、擠出得到薄膜或片材。
6.按照權利要求5所述的聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材制備方法，其特征在于微層共擠出過程中，熔體流經(jīng)的層倍增器數(shù)量為0-7個，得到的連續(xù)層狀界面數(shù)量為1-255，出口模厚度為0. 03-5mm可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型聚合物基電磁屏蔽薄膜或片材及其制備方法。該電磁屏蔽材料由絕緣層和導電層交替層狀排列而成，絕緣層為高分子樹脂，導電層為二維導電物質(zhì)填充高分子樹脂，絕緣層和導電層具有較大的電阻率比。材料中存在大量的層狀界面，而且二維片狀導電物質(zhì)取向且呈平行排列。其制備方法，將絕緣層和導電層物料分別投入微層共擠裝置的兩臺擠出機中熔融塑化，兩股熔體在匯合器處疊合成兩層，經(jīng)過n個層倍增器的切割和疊合后，得到2(n+1)層的電磁屏蔽材料。本發(fā)明的電磁屏蔽材料的層數(shù)和導電層與絕緣層的層厚比分別由層倍增器個數(shù)和擠出機轉(zhuǎn)速比決定，結構和性能具有可設計性，與傳統(tǒng)方法制備的電磁屏蔽材料相比，具有高電磁屏蔽效果和高斷裂伸長率。本發(fā)明所涉及的設備簡單易得，所需原料均為市售，無須合成其他化學物，操作簡單，生產(chǎn)成本低，效率高。
文檔編號B32B27/06GK102555375SQ20111044948
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者喻琴, 李姜, 郭少云 申請人:四川大學