形状记忆EVA复合纤维膜的制备及电磁屏蔽性能研究

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物联网的飞速发展促进了电子设备的升级换代,使其逐渐向多功能化和智能化方向发展。柔性电子设备内置柔性印刷线路板(flexible printed circuit,FPC)上具有较多的微型化、集成化电子元器件,势必会受到更多的电磁干扰。因此,研发能够有效阻隔电磁波能量的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)屏蔽材料具有重大且深远的意义。导电聚合物纤维复合材料不仅可以弥补金属材料密度大、易腐蚀、难加工、高成本等不足,并克服导电聚合物本征材料结构和性能可设计性不强的缺点,还具有轻量化、超薄化、强屏蔽效能、宽屏蔽带等突出优势,有望成为新一代高性能EMI屏蔽材料。形状记忆聚合物纤维是一种在外界刺激下初始形状和临时形状可发生相互转变的智能材料,若选择形状记忆聚合物纤维为基体,即可赋予EMI屏蔽材料形状可编程性、实物可回收再利用性。在使用前,对EMI屏蔽材料施加一定的外界刺激即可令其完全贴附于不规则或凹凸的屏蔽体表面;在使用后,EMI屏蔽材料通过外界刺激即可回复至初始形状,节约成本,可重复利用。在形状记忆效应(shape memory effect,SME)的协同作用下,EMI屏蔽材料会逐渐向智能化、功能化发展。本课题选用微观形貌良好的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)纤维为芯层、聚多巴胺(PDA)层为中间层、强导电Ag层为壳层,此复合材料具有核壳结构和多孔结构的双重结构优势,提高了整体的反射、吸收和多重反射电磁波水平。更重要地,它还具有优异的电/热驱动SME,解决了FPC电磁屏蔽膜现存的局限性较强、报废率较高、空间占有率较大等问题,主要工作内容及研究结果如下:(1)采用了静电纺丝和紫外光交联技术制备了高交联的EVA纤维膜。研究了溶剂配比、进料速率、纺丝电压、溶液浓度等实验参数对纤维微观形貌的影响,并研究了溶质配比对纤维力学性能的影响。最终确定了制备EVA纤维膜的最佳实验条件为:溶质配比为100:3:1,溶液配比为7:3,进料速率为2.0 ml/h、纺丝电压为16 k V、溶液浓度为10%。此外,EVA纤维膜表现出优异的热驱动SME,形状固定率和形状回复率分别为97%和98%。(2)先后通过多巴胺自聚合、化学镀银对EVA纤维表面改性,制备了高导电率和强电磁干扰屏蔽效能(electromagnetic interference shielding effectiveness,EMI SE)的EVA@PDA@Ag纤维膜。探讨了Ag NO3浓度、葡萄糖浓度以及反应温度对纤维膜电导率的可调性。当Ag NO3浓度为10 g/L,葡萄糖浓度为20 g/L,反应温度为40 ℃时,纤维膜电导率高至2.5×10~5 S/m。因此,EVA@PDA@Ag-10-40 ℃纤维膜的EMI SE高达86.75 d B。超声、折叠、拉伸处理后的EVA@PDA@Ag-10-40 ℃纤维膜的电导率和EMI SE均保持在较高的水平,保持率分别在98%和99%,这表明该纤维膜是具有优异的电导率稳定性和卓越的EMI SE稳定性的EMI屏蔽材料。(3)EVA独特的链段结构、Ag层突出的导电性能和焦耳加热特性赋予了EVA@PDA@Ag-10-40 ℃纤维膜优异的电/热驱动SME。在0.55 V电压下可立即实现形状编程,形状固定率为97%的50%应变样品表现出50.91 d B的EMI SE,在2.5×10~4 S/m电导率的协同作用下可阻隔99.999%的电磁波。在80 ℃下可立即实现形状回复,形状回复率为98%的回复样品的电导率与EMI SE与初始值几乎相同,分别为2.0×10~5 S/m和87.06 d B,可损耗99.9999997%的电磁波。基于EVA@PDA@Ag-10-40 ℃纤维膜优异的电/热驱动SME和EMI屏蔽能力,提出了一种应用设想:当电子设备组装时,纤维膜在外界刺激下可根据FPC的大小自由变形,与众多FPC的匹配度较高,与此同时,它可完全贴紧FPC上稠密布局的电子元器件,既不占用过多空间又提高了界面结合程度,此时纤维膜的EMI SE仍保持在相对较高的水平。当电子设备废弃回收时,对纤维膜再次施加刺激即可令其形状回复以及EMI SE恢复,具有较强的回收再利用性,节省了重复生产的成本。综上所述,本课题制备的EVA@PDA@Ag-10-40 ℃纤维膜具有轻薄、高柔韧、高导电、强EMI SE、宽屏蔽带、形状可编程、材料可重复再利用等特征,为目前的FPC电磁屏蔽膜的优化提供了新的方向。
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