鄒文俊，陸趙情，楊潔

（陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安710021）

鎳粉對(duì)碳纖維屏蔽紙的影響

鄒文俊，陸趙情，楊潔

（陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安710021）

利用濕法造紙工藝，將鎳粉和碳纖維/植物纖維混合漿料混合均勻，上網(wǎng)成形抄造碳纖維電磁屏蔽紙。研究發(fā)現(xiàn)不同鎳粉添加量對(duì)材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能均有顯著影響；并且測(cè)試了復(fù)合材料的屏蔽效能，發(fā)現(xiàn)填充鎳粉的碳纖維復(fù)合材料相對(duì)于未填充鎳粉的碳纖維電磁屏蔽材料的屏蔽效能提高了超過10 db；并且發(fā)現(xiàn)碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料能實(shí)現(xiàn)寬屏帶屏蔽。

電磁屏蔽紙；碳纖維；鎳粉；導(dǎo)電性；屏蔽效能

1 引言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展越來越迅猛，電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，電磁波始終存在于人們的日常生活中，由電磁干擾（electromagnetic interference，簡稱EMI）所引起的危害也越加受到人們的重視，它不僅影響各種電子電器的正常工作，還會(huì)危害人類的健康［1-3］。為了降低電磁波的有害影響，將電磁波的傳播控制在限定區(qū)域內(nèi)，就要進(jìn)行電磁屏蔽，即采用低電阻的導(dǎo)體材料，利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射和導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過程中的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用。電磁屏蔽復(fù)合材料以其屏蔽效果優(yōu)良、成形加工方便、質(zhì)輕、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者們的廣泛關(guān)注［4］。

本文主要是針對(duì)碳纖維和鎳粉復(fù)合材料的導(dǎo)電性能、電磁屏蔽性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，討論了鎳粉添加量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和電磁屏蔽效能的影響，并且探究了碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

短切碳纖維，長度3mm，南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司提供。鎳粉，粒徑≤1.5μm，無錫順達(dá)金屬粉末有限公司提供。植物纖維，漂白針葉木漿，打漿度40°SR，寧波中華紙業(yè)有限公司提供。陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），相對(duì)分子質(zhì)量1 000萬，日本住友精化公司提供。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)使用的儀器設(shè)備

2.3 試驗(yàn)方法

（1）將適量的十二烷基苯磺酸鈉溶解在溫度60℃的水中，加入碳纖維，用電動(dòng)攪拌器攪拌10 min，去除原來絲束上的表面油脂雜質(zhì)，用清水清洗后干燥備用。

（2）用高速分散機(jī)將導(dǎo)電鎳粉分散10 min，使其均勻分散，和CPAM加入到已分散良好的碳纖維/植物纖維混合漿料（其中碳纖維為25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以紙頁質(zhì)量計(jì)）中混合，疏解500 r后，利用抄紙技術(shù)，上網(wǎng)成形，研究不同鎳粉添加量對(duì)導(dǎo)電鎳粉的留著率及吸附率、材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響，并對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行探究。

2.4 分析測(cè)試

2.4.1 留著率和吸附率的測(cè)定及計(jì)算

（1）留著率的測(cè)定［5］

將每組紙頁撕好，平衡水分后，碳化約1 h，冷卻后放入高溫爐中于溫度900℃下進(jìn)行灼燒至恒重，冷卻后稱重。留著率的測(cè)定公式如下：

式中：A為紙頁灰分，%；B為紙料灰分，%；C為纖維灰分，%；D為填料灼燒減量，%；0.94為抄紙后紙漿得率及纖維原料和膠料中的灰分平均含量的總修正系數(shù)。

（2）吸附率的計(jì)算［6］

填料吸附率=填料留著量/原絕干纖維漿料×100

2.4.2 導(dǎo)電性能的測(cè)定

采用四針探法使用FZ-2006A電阻率測(cè)試儀測(cè)試試樣的電阻率，取2次極性相反的數(shù)值的絕對(duì)值的平均值。

2.4.3 屏蔽效能的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)屏蔽效能的測(cè)定采用法蘭同軸測(cè)試裝置，配套使用的還有衰減器和2根同軸電纜。樣品屏蔽效能的測(cè)定是在頻率范圍100 kHz～1.5 GHz內(nèi)進(jìn)行的（見圖1）。

圖1 屏蔽效能測(cè)試原理圖

2.4.4 紙張抗張強(qiáng)度的測(cè)定

紙張抗張強(qiáng)度采用抗張強(qiáng)度測(cè)試儀按QB/T 2303.13—2008測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 導(dǎo)電鎳粉添加量對(duì)材料性能的影響

鎳粉和纖維一樣表面都呈現(xiàn)電負(fù)性，二者在一起有排斥作用，而鎳粉主要依靠機(jī)械截留作用留著，造成其留著率較低；因此，本實(shí)驗(yàn)采用加入CPAM，利用靜電橋梁作用吸附填料和纖維，起到增強(qiáng)助留的作用［7］。

3.1.1 添加量對(duì)導(dǎo)電鎳粉留著率及吸附率的影響

圖2顯示了添加量對(duì)導(dǎo)電鎳粉留著率及吸附率的影響。

由圖2可知，隨著鎳粉加入量的不斷增加，鎳粉的留著率卻在不斷地下降，而鎳粉的吸附率隨之不斷提高。這是因?yàn)殒嚪哿糁菣C(jī)械截流和膠體吸附共同作用的結(jié)果，當(dāng)CPAM用量一定時(shí)，膠體吸附作用也是有一定限度的。當(dāng)鎳粉加入量較少時(shí)，每個(gè)鎳粉粒子被留著的幾率相對(duì)較高，表現(xiàn)出較高的留著率，但因?yàn)殒嚪奂尤肓勘旧砭蜕?，?dǎo)致即使有較高留著率，被留著的導(dǎo)電鎳粉粒子的數(shù)量也很少，因此剛開始吸附率較低；隨著加入量的逐漸增加，鎳粉粒子因數(shù)量較多被留著的幾率變得相對(duì)較低，留著率也隨之降低，但是留下的鎳粉粒子總量的增多，使吸附率不斷升高。

圖2 鎳粉加入量對(duì)其留著率和吸附率的影響

3.1.2 鎳粉吸附率對(duì)紙張力學(xué)性能的影響

影響紙張抗張強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素是纖維本身強(qiáng)度大小和纖維之間結(jié)合力的強(qiáng)弱。圖3顯示了鎳粉吸附率對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響。

圖3 鎳粉吸附率對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響

由圖3可以看出，紙張的抗張指數(shù)隨著鎳粉吸附率的增加而不斷下降。這是因?yàn)樵诶w維種類和用量都相同的情況下，纖維之間的結(jié)合力受到鎳粉加入量的影響，纖維的連接和氫鍵都會(huì)減弱或變少；因此，鎳粉吸附率越高，加入的鎳粉粒子數(shù)量越多，對(duì)紙張的力學(xué)性能影響越大，表現(xiàn)為抗張指數(shù)不斷下降。

3.1.3 鎳粉吸附率對(duì)紙張導(dǎo)電性能的影響

在碳纖維含量一定的情況下，鎳粉的吸附率是影響紙張導(dǎo)電性能的關(guān)鍵因素。圖4顯示了鎳粉吸附率對(duì)紙張電阻率的影響。

圖4 鎳粉吸附率對(duì)紙張電阻率的影響

由4圖可知，紙張的電阻率隨著鎳粉吸附率的提高不斷下降，導(dǎo)電性得到提高。這是因?yàn)樵诰哂休^大長/徑比的碳纖維貢獻(xiàn)較好遠(yuǎn)程導(dǎo)電能力［8-10］的同時(shí)，鎳粉的加入，提高了紙張的近程導(dǎo)電能力，發(fā)揮了二者的協(xié)同作用，從而使電阻率不斷下降，獲得了較好的導(dǎo)電性；因此，在選用導(dǎo)電材料時(shí)，應(yīng)將二者有機(jī)地結(jié)合起來，選用較大長/徑比和較小長/徑比的材料，綜合考慮遠(yuǎn)程導(dǎo)電能力和近程導(dǎo)電能力。

3.2 碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)理的探究

碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料是由碳纖維和鎳粉等2種導(dǎo)電物質(zhì)組成。如圖5所示。

圖5 碳纖維/鎳粉復(fù)合材料的掃描電鏡圖

由圖5可見，鎳粉基本上均勻分布在碳纖維之間的空隙內(nèi)或吸附在碳纖維和植物纖維表面。碳纖維具有較大的長/徑比，能貢獻(xiàn)遠(yuǎn)程導(dǎo)電能力，構(gòu)成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的主要通路；而鎳粉具有較小的長/徑比，能貢獻(xiàn)近程導(dǎo)電能力，很難形成和碳纖維一樣的導(dǎo)電通路；所以當(dāng)鎳粉含量較低時(shí)，鎳粉會(huì)對(duì)碳纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善、補(bǔ)充，降低電阻率，提高導(dǎo)電性能；當(dāng)鎳粉含量較多時(shí)，鎳粉除了對(duì)碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)空隙進(jìn)行填充，還會(huì)隨著數(shù)量不斷增多，距離變得很小，發(fā)生隧道效應(yīng)，使相鄰的導(dǎo)電鎳粉粒子發(fā)生電子躍遷，形成導(dǎo)電通路，與碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相輔相成，起到協(xié)同作用。

3.3 碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料的屏蔽效能

本實(shí)驗(yàn)屏蔽效能的檢驗(yàn)，按SJ 20524—1995，在100 kHz～1.5 GHz頻段內(nèi)測(cè)試試樣的屏蔽效能，除了給出100 kHz～1.5 GHz頻段內(nèi)的測(cè)試結(jié)果，還要在典型頻率點(diǎn)100 kHz、30MHz、50MHz、100MHz、300 MHz、500 MHz、1.0 GHz和1.5 GHz等給出測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)未填充鎳粉的碳纖維電磁屏蔽材料和填充了鎳粉的碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能進(jìn)行了測(cè)試和研究，結(jié)果見圖6（圖中：“A”表示未填充鎳粉的碳纖維電磁屏蔽材料的屏蔽效能；“B”表示碳纖維/鎳粉電磁屏蔽復(fù)合材料的屏蔽效能）。

圖6 碳纖維電磁屏蔽材料的屏蔽效能

通過對(duì)比圖6中“A”和“B”這2條屏蔽效能曲線可以看出，填充鎳粉的碳纖維復(fù)合材料相對(duì)于未填充鎳粉的屏蔽效能提高了超過10 db，說明鎳粉的填充使得材料的屏蔽效能大幅度提高。這主要是因?yàn)殒嚪鄣奶畛涫箯?fù)合材料的電阻率下降，導(dǎo)電性能得到明顯提升；線狀的碳纖維提供了遠(yuǎn)程導(dǎo)電能力，易搭接成網(wǎng)狀，而填充的鎳粉粒子提供近程導(dǎo)電能力，它分散在碳纖維之間或碳纖維之間的空隙，一方面可以給間隔較大的碳纖維提供導(dǎo)電橋梁；而另一方面是鎳粉粒子距離較小或接觸時(shí)可以提供更多的導(dǎo)電通路，使導(dǎo)電性提高，從而提高了反射損耗和渦流損耗［11］進(jìn)而提高了屏蔽效能。復(fù)合材料同時(shí)存在2種類型的導(dǎo)電材料，導(dǎo)電能力互補(bǔ)，其屏蔽效能在不同頻率波段都得到提高，屏蔽效能也得到了彌補(bǔ)。

4 結(jié)論

（1）隨著鎳粉添加量的增加，鎳粉留著率由高降低，吸附率由低升高。

（2）鎳粉的填充使材料的導(dǎo)電性能增大，但是力學(xué)性能有所下降。

（3）填充的導(dǎo)電鎳粉提供了近程導(dǎo)電能力同時(shí)碳纖維提供了遠(yuǎn)程導(dǎo)電能力，二者發(fā)生協(xié)同作用，大幅度提高了材料的導(dǎo)電性能；而且實(shí)現(xiàn)了寬帶屏蔽。

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Effect of Nickel Powder of Carbon Fiber Shielding Paper

ZOUWen-jun，LU Zhao-qing，YANG Jie
（College of Light Industry and Energy，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

The nickel powder and carbon fiber/plant fibermixed slurry mixing，the internetmanufacture paper with pulp molding of carbon fiber in electromagnetic shielding paper.The influence of nickel content on thematerial mechanical properties and electrical conductivity and electromagnetic shielding was researched.By testing the shielding effectiveness of composite materials，we found shielding effectiveness of nickel filling carbon fiber composite material increase more than 10 db，relatived to the composite which had no fillers.And it was found that carbon fiber/nickel electromagnetic shielding compositematerials can realize widescreen with shielding.

electromagnetic shielding paper；carbon fiber；nickel powder；conductive；shielding effectiveness

TS761.2

A

1007-2225（2016）04-0006-04

鄒文俊先生（1991-），在讀研究生；研究方向是高性能紙基功能材料；E-mail：18092157189@163.com。

2016-04-25（修回）

華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（201333）；陜西省科技廳科技新星專項(xiàng)（2015KJXX-34）；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（12JS018）

本文文獻(xiàn)格式：鄒文俊，陸趙情，楊潔.鎳粉對(duì)碳纖維屏蔽紙的影響［J］.造紙化學(xué)品，2016，28（4）∶6-9.