翟皓雯

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院,陜西 西安 710018)

包裝視覺傳達(dá)是包裝設(shè)計(jì)中重要的組成部分,如果要想產(chǎn)品的銷售取得良好的成績,包裝視覺傳達(dá)是不可或缺的,因?yàn)樗且曈X信息的一種傳達(dá)[1],能夠很直觀的給客戶群體對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、公司形象的良好宣傳,而要想獲得良好的包裝視覺傳達(dá)效果,用于包裝的復(fù)合材料需要具有良好的性能,包括具有良好的電磁屏蔽性能以克服外界環(huán)境的干擾[2-3]。尤其是隨著近年來電子設(shè)備的不斷普及和通訊行業(yè)的快速發(fā)展,電磁污染在人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常出現(xiàn),如何開發(fā)出具有良好電磁屏蔽性能的包裝材料[4],滿足基于包裝視覺傳達(dá)的復(fù)合材料的需求,是需要研究的課題,目前這方面的研究還處于起步階段。本文為了提升包裝視覺傳達(dá)中復(fù)合材料的電磁屏蔽性能,制備了氧化石墨烯(GO)/Fe3O4/碳纖維(CF)/聚乙烯醇樹脂(PVA)復(fù)合材料,對(duì)比分析了單一摻雜Fe3O4和碳纖維、碳纖維與納米Fe3O4比、雙層結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料電磁屏蔽性能的影響,結(jié)果將有助于基于包裝視覺傳達(dá)的復(fù)合材料的開發(fā)并推動(dòng)其在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料:Hummers法制備的氧化石墨烯(GO)、納米Fe3O4粒子、聚乙烯醇樹脂(PVA)、短切碳纖維(CF)。

1.2 試樣制備

將8 mg/g的氧化石墨烯進(jìn)行超聲分散處理后,均勻涂覆在聚乙烯醇樹脂薄膜上,烘干后備用;將PVA、納米Fe3O4和短切碳纖維混合均勻,涂覆在之前的烘干薄膜上,之后涂覆2 g氧化石墨烯并烘干,制備得到GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料。如果要制備雙層復(fù)合材料,則重復(fù)上述步驟2次,制備雙層GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料。

1.3 測試方法

采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡和JEM 1200EX型透射電子顯微鏡觀察顯微形貌;采用Agilent N5234A型電磁屏蔽測試儀,根據(jù)ASTM D4935標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行電磁屏蔽性能測試,試樣尺寸為22 mm× 10 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微形貌

圖1為氧化石墨烯的表面形貌,分別列出了氧化石墨烯的掃描電鏡顯微形貌和透射電鏡顯微形貌。

a、b-SEM;c、d-TEM圖1 氧化石墨烯的表面形貌

由圖1可見,氧化石墨烯呈透明薄片狀,局部可見褶皺,這主要是因?yàn)樵谥苽溲趸┻^程中,強(qiáng)酸作用下石墨烯發(fā)生了氧化[6],在邊緣部位形成了一定數(shù)量的—OH、—COOH和C—O—C等活性基團(tuán),使得石墨烯片層間距發(fā)生變化,在內(nèi)部作用力下發(fā)生褶皺[7-8]。

復(fù)合材料呈現(xiàn)典型三明治結(jié)構(gòu),其中表層為厚度9 μm左右的氧化石墨烯層,中間層為碳纖維層,且四氧化三鐵基本均勻分散在碳纖維表面,并形成了團(tuán)簇包覆結(jié)構(gòu)。從表面氧化石墨烯和中間碳纖維層的界面處觀察可知,氧化石墨烯與碳纖維結(jié)合緊密,未見明顯缺陷存在,這種三明治結(jié)構(gòu)有助于電子流動(dòng)和傳輸[9-11],使得復(fù)合材料具有良好的電磁屏蔽性能,有助于包裝視覺傳達(dá)。

2.2 電磁屏蔽性能

圖2為3種復(fù)合材料的電磁屏蔽性能,分別列出了GO/Fe3O4/PVA復(fù)合材料、GO/CF/PVA復(fù)合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料的電磁屏蔽性能隨頻率的變化曲線。

圖2 3種復(fù)合材料的電磁屏蔽性能

由圖2可知,經(jīng)對(duì)比分析,GO/Fe3O4/PVA復(fù)合材料、GO/CF/PVA復(fù)合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料的電磁屏蔽性能存在較大差異。電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料、GO/CF/PVA復(fù)合材料、GO/Fe3O4/PVA復(fù)合材料。由此可見,單一添加CF和單一添加Fe3O4的效果,都不如復(fù)合添加Fe3O4/CF的效果,同時(shí)摻雜Fe3O4/CF有助于提升包裝視覺傳達(dá)用復(fù)合材料的電磁屏蔽性能。究其原因,這可能與其電磁屏蔽性能同時(shí)由介電和磁決定有關(guān)[12];而Fe3O4/CF二者可以發(fā)揮協(xié)同作用,如前者有助于優(yōu)化阻抗,其獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)有助于在復(fù)合材料中形成微結(jié)構(gòu)等[13]。

表1為不同碳纖維含量復(fù)合材料的成分配比,分別列出了氧化石墨烯、納米Fe3O4、碳纖維和PVB的含量,從碳纖維與納米Fe3O4比值來看,可分為3∶5、4∶5、5∶5和6∶5。不同碳纖維含量復(fù)合材料的電磁屏蔽性能結(jié)果如圖3所示。

表1 不同碳纖維含量的復(fù)合材料的成分配比Tab.1 Composition ratio of composites with different carbon fiber content

(a)電磁屏蔽性能

從圖3(a)可知,復(fù)合材料的電磁屏蔽性能會(huì)隨著頻率升高逐漸減小,但是在相同頻率下,復(fù)合材料的電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為4∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為5∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5,由此可見,碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí)復(fù)合材料具有最好的電磁屏蔽性能。從圖3(b)的吸收損耗和圖3(c)的反射損耗結(jié)果可知,隨著包裝視覺傳達(dá)中復(fù)合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強(qiáng)的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最差;當(dāng)碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最好。此外,電磁屏蔽性能會(huì)隨著頻率升高而降低,這主要是因?yàn)閺?fù)合材料的屏蔽與吸收損耗有關(guān),頻率升高會(huì)使得吸收損耗和反射損耗都有所提升[14-16],相應(yīng)的電磁屏蔽性能會(huì)有所減小。整體而言,GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料良好的電磁屏蔽性能主要與碳纖維和納米Fe3O4的協(xié)同作用有關(guān),碳纖維會(huì)有助于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)而提升電子傳輸效率,而納米Fe3O4有助于提升介電和磁性能[17-18]。

表2為雙層復(fù)合材料的成分配比,分別列出了氧化石墨烯、納米Fe3O4、碳纖維和PVB的含量,以及復(fù)合材料層數(shù),從碳纖維與納米Fe3O4比值來看,也分為3∶5、4∶5、5∶5和6∶5,只是層數(shù)為雙層。雙層復(fù)合材料的電磁屏蔽性能結(jié)果如圖4所示。

表2 雙層復(fù)合材料的配比Tab.2 Proportion of double-layer composite materials

(a)電磁屏蔽性能

從圖4(a)可知,復(fù)合材料的電磁屏蔽性能會(huì)隨著頻率升高逐漸減小,但是在相同頻率下,復(fù)合材料的電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為5∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為4∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5,由此可見,碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí)復(fù)合材料具有最好的電磁屏蔽性能。從圖4(b)、圖4(c)可知,隨著包裝視覺傳達(dá)中復(fù)合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強(qiáng)的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最差;當(dāng)碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最好。此外,雙層復(fù)合材料與單層復(fù)合材料類似,其電磁屏蔽性能會(huì)隨著頻率升高而降低,這也與復(fù)合材料的屏蔽與吸收損耗有關(guān),頻率升高會(huì)使得吸收損耗和反射損耗都有所提升[19-20],相應(yīng)的電磁屏蔽性能會(huì)有所減小。整體而言,相同碳纖維與納米Fe3O4比時(shí),雙層復(fù)合材料的電磁屏蔽性能要優(yōu)于單層復(fù)合材料,如碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí),雙層復(fù)合材料和單層復(fù)合材料的電磁屏蔽值分別為29.7、20.7 dB,前者約為后者的143.48%。

3 結(jié)語

(1)GO/Fe3O4/CF/PVA復(fù)合材料呈現(xiàn)典型三明治結(jié)構(gòu),其中表層為厚度9 μm左右的氧化石墨烯層,中間層為碳纖維層,且四氧化三鐵基本均勻分散在碳纖維表面,并形成了團(tuán)簇包覆結(jié)構(gòu);

(2)隨著包裝視覺傳達(dá)中復(fù)合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強(qiáng)的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最差,而當(dāng)碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能最好;

(3)相同碳纖維與納米Fe3O4比時(shí),雙層復(fù)合材料的電磁屏蔽性能要優(yōu)于單層復(fù)合材料,如碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時(shí),雙層復(fù)合材料和單層復(fù)合材料的電磁屏蔽值分別為29.7、20.7dB,前者約為后者的143.48%。