碳纤维_芳纶_碳化硅复合纸的制备及电磁屏蔽性能研究_董佳玥.pdf

研究与开发合成纤维工业，（）：收稿日期：；修改稿收到日期：。作者简介：董佳玥（），女，研究生，主要从事高性能纸基材料研究。：。基金项目：陕西省教育厅重点项目（）；国家自然科学基 金 项 目（）；西 安 市 科 技 计 划 项 目（）；陕西省重点研发计划项目（）；浙 江 省 重 点 研 发 计 划 项 目（）。通信联系人。：。碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸的制备及电磁屏蔽性能研究董佳玥，贾峰峰，郭子瞻，代曦怡，刘远清，徐明源，陆赵情（陕西科技大学轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西 西安）摘 要：以碳纤维为导电骨架、芳纶沉析纤维为辅助成形浆料、碳化硅为介电损耗填料，通过抄纸、干燥、浸渍等工艺制得碳纤维 芳纶 碳化硅电磁屏蔽复合纸；通过微机控制电子万能试验机、网络分析矢量仪、扫描电子显微镜对所制备复合纸的力学性能、电磁屏蔽性能、纸张结构进行了表征和分析。结果表明：当芳纶沉析纤维质量分数由 提升至 时，复合纸中碳化硅留着率由 提升至 ，最大拉伸应力从 增至 ，波段最高电磁屏蔽效能从 降至 ；经固含量为 的酚醛树脂 碳化硅混合液浸渍处理，当碳化硅加入量为 ，树脂浸渍复合纸在 波段最高电磁屏蔽效能达 ，最大拉伸应力为 ，大于未经树脂浸渍的复合纸。关键词：芳纶沉析纤维 碳纤维 碳化硅 复合纸 电磁屏蔽效能 力学性能中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）高速发展的电子信息技术在给人们带来高效便利生活的同时，所伴生的电磁辐射问题也日益严重。研究表明，人体长期暴露在电磁辐射环境下会因人体水分子热效应、滞后和累积效应而诱导产生各种疾病。此外，电磁辐射相互作用形成干扰，也会造成精密军事武器设备故障，甚至产生电磁泄露造成安全问题。因此，降低周围环境的电磁辐射及电磁干扰对于保障生命健康、军事设备安全至关重要。目前，避免电磁辐射造成危害最为有效的手段是使用电磁屏蔽材料对空间电磁辐射进行耗散和衰减。传统电磁屏蔽材料主要以金属材料为主，如铁、镍、铜、银、铝等，但这些金属材料存在密度高、耐腐蚀性差、加工复杂等不足，且金属固有的高导电性会使电磁波大部分反射，易导致二次污染。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，经过石墨化处理其导电性能可与金属导体比肩。碳纤维良好的导电特性使得电磁波可以被反射，从而达到电磁屏蔽的效果，是一类极具应用潜力的电磁屏蔽原材料。钟林新等采用植物纤维与碳纤维抄造了复合纸，结果表明碳纤维 植物纤维屏蔽纸对不同频率段电磁波产生不同的屏蔽效能。邢迪等将碳纤维与聚乙烯、聚丙烯皮芯纤维湿法抄造纸张，并在纸张表面进行化学镀镍处理，结果表明镀镍的纸张电磁屏蔽效能达到 。等将磁性金属颗粒装饰在酸刻蚀后的碳纤维上，并用聚酰亚胺封装后制得的柔性薄膜电磁屏蔽效能达到 。但很少有碳纤维复合材料可以兼具较好的力学性能、环境适应力及电磁波吸收能力，这阻碍了碳纤维复合材料的应用。作者选用导电性好、密度低的碳纤维作为导电骨架，引入耐高温、环境适应力强的芳纶沉析纤维为辅助成形浆料，通过酚醛树脂悬浮液浸渍的方式引入碳化硅颗粒，制备出一种兼具力学性能和电磁屏蔽效能的碳纤维复合纸，并对制备的复合纸的结构、力学性能、电磁屏蔽性能进行了表征和分析。实验 原料碳纤维：长度 ，直径 ，东丽碳纤维（广东）有限责任公司产；芳纶沉析纤维：比表面积 ，河北硅谷化工有限公司产；碳化硅颗粒：粒径 ，苏州远特新材科技有限公司产；聚环氧乙烯（）：相对分子质量 ，阿拉丁试剂（上海）有限责任公司产；酚醛树脂：分析纯，巩义市铂润耐火材料有限公司产；十二烷基苯磺酸钠（）：分析纯，天津市大茂化学试剂厂产。主要仪器与设备 标准纤维解离器：瑞典 公司制；纸页成型器：咸阳通达轻工设备有限公司制；纸页压榨机：咸阳通达轻工设备有限公司制；型傅里叶变换红外光谱仪：美国 公司制；网络分析矢量：德国罗德与施瓦兹公司制；扫描电子显微镜（）：捷克 公司制；微机控制电子万能试验机：济南鼎测试验设备有限公司制。实验方法 碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸的制备按照表 称取碳纤维、芳纶沉析纤维、碳化硅；将碳纤维置于 质量分数 的 溶液中常温搅拌 ，去离子水冲洗直至无泡沫过滤，以除去碳纤维表面油脂等杂质；将芳纶沉析纤维分散后浸泡在去离子水中 ，以提高分散性。将处理后的碳纤维和芳纶沉析纤维、碳化硅分散在水中，并加入 质量分数为 的分散剂；在转数 的标准纤维解离器中进行疏解；将浆料倒入纸页成型器中形成湿纸幅，并在 、下压榨 ；最后，在、下真空干燥 制得碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸。表 复合纸试样的组分配比 试样定量（）碳纤维质量分数，芳纶沉析纤维质量分数，碳化硅质量 树脂浸渍碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸的制备按照表 分别称取碳纤维、芳纶沉析纤维，预处理同上。将处理后的碳纤维和芳纶沉析纤维分散在水中，加入 质量分数为 的分散剂；在转速 的标准纤维解离器中疏解打浆；将浆料倒入纸页成型器中形成湿纸幅；将湿纸幅放入压榨机中，、下压榨；在、下真空干燥 制得碳纤维 芳纶复合纸；按照表 分别称取碳化硅，溶于固含量为 的酚醛树脂溶液（乙醇溶解），将制备的碳纤维 芳纶复合纸浸入溶液中，浸渍，常温风干，即制得树脂浸渍碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸。表 树脂浸渍复合纸试样的组分配比 试样定量（）碳纤维质量分数，芳纶沉析纤维质量分数，碳化硅质量 分析与测试微观形貌：试样经喷金处理后，采用 进行观察，加速电压为 。红外光谱：采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，扫描波数 ，分辨率 ，扫描次数。碳化硅颗粒留着率（）：称取一定质量的试样，放入坩埚中，在电炉上灼烧，使纸张炭化，然后放入高温炉中在 下灼烧 以上，取出坩埚，在干燥器内冷却后称量质量，直至质量恒定为止，计算出试样的灰分含量，根据式（）计算。（）（）式中：为试样灰分含量，为空白样灰分含量，为实际碳化硅添加量，为碳化硅灼烧损失量。力学性 能：将 试 样 尺 寸 裁 剪 成 ，采用电子万能试验机对试样进行测试，拉伸速率为 。电磁屏蔽效能：采用网络分析矢量对试样进行测量，测量方式为扫屏测量，测量频点范围为 波段 ，每间隔 取一个点。结果与讨论 复合纸的微观形貌从图、图 可看出：碳化硅主要附着在芳纶沉析纤维的表面，碳纤维表面基本上没有碳化硅的存在，究其原因是碳纤维表面光滑且润湿性差，没有可供碳化硅附着的点；碳纤维与丝状的芳纶沉析纤维之间结合较为紧密，这是因为芳纶沉析纤维表面有大量活性基团，使得碳纤维被均匀第 期 董佳玥等 碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸的制备及电磁屏蔽性能研究分散且被芳纶沉析纤维物理交织缠绕，有效解决了碳纤维易絮聚、难分散的问题，同时，芳纶沉析纤维间结合紧密，增强了复合纸的力学性能。图 复合纸表面及断面 照片 从图、图 可以看出，经酚醛树脂浸渍后，更多的碳化硅留在复合纸试样表面及内部，试样内部形成疏松的三维网络结构，这更有利于电磁波在材料内部形成多次反射，进行衰减作用，从而提升电磁屏蔽效能。复合纸的结构复合纸的红外光谱如图 所示。图 复合纸的红外光谱 从图 可以看出：位于 和 的峰分别为碳化硅的 伸缩振动和 伸缩振动的特征峰，随着芳纶沉析纤维含量增加，碳化硅的特征峰逐渐增强，说明芳纶沉析纤维对 有一定影响；芳纶沉析纤维在 和 处的特征吸收峰分别对应芳纶沉析纤维结构中的 弯曲伸缩振动和 伸缩振动，随着碳纤维含量的增加及芳纶沉析纤维含量的减小，弯曲伸缩振动和 伸缩振动的特征吸收峰逐渐减弱，说明复合纸中成功加入了碳纤维和芳纶沉析纤维。从图 可以看出：树脂浸渍复合纸在 有芳香骨架震动吸收峰；随着碳化硅添加量的增加，芳香骨架震动吸收峰减弱，说明碳化硅成功加入复合纸中。图 树脂浸渍复合纸的红外光谱 芳纶沉析纤维含量对复合纸 的影响从图 可以看出，随着芳纶沉析纤维含量的增加，由 提升至 ，这是因为芳纶沉析纤维形态如丝带，同时表面存在大量的活性基团，如酰胺基、氨基，这一方面使得其本身在纸基材料内部均匀分散，另一方面，固有的丝状形态对碳化硅有截流作用，因而 随着芳纶沉析纤维含量增加而增加。图 不同芳纶沉析纤维含量下复合纸的 复合纸的力学性能从图 可以看出，随着芳纶沉析纤维含量的增加，未经树脂浸渍的复合纸的最大拉伸应力增大，当芳纶沉析纤维质量分数从 增加到 时，最大拉伸应力从 增加到 ，增大了约 倍。合 成 纤 维 工 业 年第 卷图 复合纸的应力应变曲线 试样；试样；试样；试样试样；从图 可以看出：无碳化硅加入时，树脂浸渍复合纸的最大拉伸应力达到 ，是普通 纸的两倍；随着碳化硅含量增加，纸张厚度增加，最大拉伸应力由 下降至 ，但仍大于未经树脂浸渍复合纸的拉伸应力。这是因为在浸渍后，乙醇挥发，黏度大的酚醛树脂留在了碳纤维与芳纶沉析纤维之间，将二者黏连，从而表现出良好的力学性能。但随着碳化硅含量的增加，纤维之间的结合力受到碳化硅加入量的影响，纤维之间的连接和表面活性基团都会减弱或变少，因此无机颗粒组分拉低了整个纸张的力学性能，所以碳化硅含量增加，力学性能相对下降。图 树脂浸渍复合纸的应力应变曲线 试样；试样；试样；试样；试样 复合纸的电磁屏蔽性能从图 可以看出，随着芳纶沉析纤维含量的增加，未经树脂浸渍的复合纸的电磁屏蔽效能下降，当芳纶沉析纤维质量分数为 时，最高电磁屏蔽效能为 ，当芳纶沉析纤维质量分数为 时，最高电磁屏蔽效能为 ，但均满足商业应用要求（大于 ）。这是因为芳纶沉析纤维绝缘，无法形成导电通路，所以随着芳纶沉析纤维含量的增加，复合纸的导电通路变得不完整，从而导致电磁屏蔽效能下降。图 复合纸的电磁屏蔽效能 试样；试样；试样；试样；试样 由图 可以看出，随着碳化硅含量的增加，树脂浸渍复合纸的电磁屏蔽效能提升，在 波段最高可达到 。碳化硅的加入提升了电磁波的屏蔽效能，这是因为碳化硅本身具有高介电损耗能力、强吸波性能，在具有电磁波强反射能力碳纤维的基础上，更进一步的提高了电磁屏蔽效能，故经酚醛树脂 碳化硅浸渍后的纸张在特定频率表现出优异的电磁屏蔽效能。图 树脂浸渍复合纸的电磁屏蔽效能 试样；试样；试样；试样；试样 结论 芳纶沉析纤维可以提高碳纤维纸的力学性能和匀度，当复合纸中芳纶沉析纤维质量分数由 提 升 至 时，由 提 升 至，最大拉伸应力从 增加至 ，波段最高电磁屏蔽效能从 降至，但仍满足商业应用要求（大于 ）。第 期 董佳玥等 碳纤维 芳纶 碳化硅复合纸的制备及电磁屏蔽性能研究 经固含量为 的酚醛树脂 碳化硅混合液浸渍处理，更多的碳化硅着留在复合纸上，随着碳化硅加入量由 增至 ，树脂浸渍复合纸在 波段下的最高电磁屏蔽效能由 增至 ，最大拉伸应力由 下降至 ，但仍大于未经树脂浸渍的复合纸。参 考 文 献 赵雎泽 日常生活中如何降低计算机辐射危害 黑龙江环境通报，（）：王东霖 电磁波污染及其危害分析 数字通信世界，（）：王昆，邵霞 电离辐射危害与防护探析 石河子科技，（）：吴彬 电磁辐射对军械危害测试系统的研究 电子质量，（）：电磁辐射对燃料危害的若干考虑 安全与电磁兼容，（）：史有强，吴昕昱，张昳，等 电磁屏蔽材料及其测试技术研究 失效分析与预防，（）：宋仁达，武高健，陈俊祥，等 电磁屏蔽材料的发展现状及未来发展趋势 中国塑料，（）：宋斌，黄月文，祖伟皓，等 电磁屏蔽材料的研究进展广州化学，（）：张凯，吴连锋，桂泰江，等 电磁屏蔽材料的研究与进展 材料导报，（增刊）：姜立，李娜，陈鹏，等 碳纤维复合材料在轻量化的应用和前景 塑料工业，（）：，：，（）：顾昊，周胜，洪兴华，等 碳纤维在电磁屏蔽领域的应用研究综述 扬州职业大学学报，（）：，：钟林新 碳纤维导电屏蔽纸的研制及其性能研究 西安：陕西科技大学，（）：，：，（）：，（）：，（）：丁娉，宋欢，杨清，等 间位芳纶沉析纤维的制备、表征及应用 合成纤维，（）：高晓莹 碳化硅粉体表面极性调控与浆料性能研究烟台：烟台大学，（，）：，；，：；合 成 纤 维 工 业 年第 卷