碳纳米管/聚苯胺/水性聚氨酯复合导电涂层制备及其电磁屏蔽性能研究

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随着5G、人工智能、物联网和大数据的快速发展及其广泛应用,越来越多的新型电子设备进入到了人们的生活和工作当中。然而,电子设备在运行过程中会对外界产生电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI),这不仅会影响附近电子设备的正常运行,还增加了相关人员患头痛、抑郁症、免疫缺陷和其他疾病的风险。因此,为了有效保护正常运行的电子设备和人体健康,亟需开发可高效衰减电磁波的EMI屏蔽材料。在此背景下,高性能EMI屏蔽材料的设计和开发已经成为了当前的研究热点之一。电磁波的屏蔽可以通过多种方式来实现。相比较而言,在材料表面涂覆电磁屏蔽涂料,不仅可以获得很好的屏蔽效果,还具有成本较低、施工灵活简便和适用性好等优点。电磁屏蔽涂料能够通过喷涂或刷涂等方式涂覆在各种不同形状、不同材质的基材表面,形成能够有效屏蔽电磁波的导电固化膜。本文选取碳纳米管和聚苯胺作为导电填料,使用环保型水性聚氨酯作为涂料基体树脂,制备电磁屏蔽涂料。一方面,利用碳纳米管和聚苯胺的导电性赋予涂料较高的电导率和电磁屏蔽效能;另一方面,为了消弭导电填料的引入对涂层柔韧性和机械性能的不利影响,利用水性聚氨酯良好的相容性和优异的机械性能赋予电磁屏蔽涂料优良的涂层性质。1、首先分别采用工业级多壁碳纳米管(MWCNT)和导电聚苯胺(PANI)作为导电填料,以水性聚氨酯作为成膜物,通过机械共混及超声分散的方法制备了MWCNT/WPU(UC系列)及PANI/WPU(UP系列)两系列水性涂料,然后经过喷涂和固化工艺制备了相应的复合涂层。测试了两个系列涂层的基础性能、导电性和电磁屏蔽性能,考察MWCNT和PANI分别作为导电填料的有效性及不同填料比例对涂层性能的影响。测试结果表明UC系列和UP系列复合涂层的电导率和电磁屏蔽效能均随着导电填料含量的增加而提高。由于过高的填料比例导致涂层柔韧性大幅下降,为了保障涂层的质量和基本性能,确定了导电填料的适宜添加量比例应控制在20 wt%以内。相比于UP系列,UC系列复合涂层在导电填料添加比例相同时呈现出更高的电导率和电磁屏蔽效能,表明MWCNT比PANI作为单一电磁屏蔽导电填料的效果更好。UP系列复合涂层在20 wt%PANI添加量时,其电导率和比电磁屏蔽效能分别为9.93×10-4 S m-1和225.28 d B cm2 g-1。与之相比,UC系列复合涂层在20 wt%MWCNT添加量时,其电导率和比电磁屏蔽效能分别为97.79 S m-1和983.67 d B cm2 g-1。2、尽管MWCNT相比于PANI能够更显著提高涂层的电导率和电磁屏蔽效能,然而仅使用单一导电填料对涂层的性能提升较为有限。将MWCNT与PANI作为复合填料,有利于在涂层内部形成连通效果更好的导电网络,因此进一步通过调整复合填料中MWCNT与PANI的比例来改善导电网络并获得更高的电磁屏蔽效能。总填料量固定为20 wt%,研究具有不同MWCNT与PANI比例的MWCNT/PANI/WPU(UCP系列)复合涂层的基础性能、电导率和电磁屏蔽效能。在使用复合导电填料后,涂层仍然具有较好的基本性能。当复合填料中MWCNT与PANI比例从1:4增大到4:1时,电导率呈上升趋势。其中,复合填料中MWCNT与PANI比例为4:1时,UCP-41表现出了最高的电导率,为101.27S m-1,其数值高于UC-20。在8.2 GHz时,UCP-41的比屏蔽效能值达到1199.99d B cm2 g-1,相比于UC-20提高了20%。3、PANI具有独特的掺杂机理,利用大分子有机酸樟脑磺酸二次掺杂可以提高PANI的电导率。通过脱掺杂-再掺杂(二次掺杂)的方法处理PANI,得到CSA掺杂后的PANI(A-PANI)。利用MWCNT、A-PANI和WPU制备总填料量仍为20 wt%的MWCNT/A-PANI/WPU(UCAP系列)复合涂层。研究具有不同MWCNT和A-PANI比例时UCAP系列复合涂层的基础性能、电导率和电磁屏蔽效能。与UCP系列复合涂层相比,使用A-PANI的UCAP系列复合涂层在相同填料比例时均表现出更高的电导率。当MWCNT和A-PANI比例为4:1时,UCAP-41表现出了最高的电导率,其电导率相比于UCP-41提高了50%,达到了151.03 S m-1。在8.2 GHz下,UCAP-41复合涂层的比屏蔽效能为1293.73 d B cm2 g-1,其比屏蔽效能相较于UCP-41提高了7.8%。
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