CN105505054A - 一种电磁屏蔽涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁屏蔽涂层的制备方法，以非金属部件为应用对象，通过突破石墨烯表面修饰、石墨烯导电网络结构设计等关键技术，解决石黑烯的团聚问题，充分发挥石墨烯的高导电特性，开发出基于高导电石墨烯功能填料的轻质、长效、系列化电磁屏蔽涂层材料，应用于武器装备后，不仅能有效提升装备的电磁防护能力，而且也能满足装备轻量化的需求，同时也能显著降低民用电子产品的电磁辐射。

Description

一种电磁屏蔽涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电磁屏蔽涂层的制备方法。
背景技术
电磁屏蔽涂料是一种在有机树脂中掺入导电颗粒，并能喷涂于复合材料、工程塑料、木材、水泥面等非金属基材上的功能性涂料。它具有室温固化，附着力强的优点，是使军事装备或家用电器等非金属外壳进行电磁屏蔽最为简便的一种处理方式。电磁屏蔽涂料的最大优点是成本低，简单实用且适用面广。国外先进发达国家，特别是美国、英国、日本等国己经形成生产各种类别和系列规格的电磁屏蔽涂料产业，产品已实现规模化应用。上世纪末，美国生产屏蔽涂料的公司己经超过50家，其年销售额正以每年50％的增长率增长。传统电磁屏蔽涂料的产品主要分为银系、铜系、镍系以及碳系4类。金属系屏蔽涂料的优点是屏蔽性能高，缺点是密度大(涂层面密度大于200g/m2)、耐腐蚀性差(耐盐雾48h)，而碳系电磁屏蔽涂料主要以碳黑、碳纤维为填料，虽然密度小，但导电性能不高，难以应用在屏蔽性能要求高的场合。纵观国内外的研究情况，电磁屏蔽涂料正向着低成本、纳米化、宽频化、耐腐蚀的方向发展。
石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学Geim领导的研究小组发现以来，其特殊的结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质，因而近几年已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点。石墨烯为目前世上电阻率最小的材料，只有10-6Ω·cm，其片状结构在二维平面上容易接触形成导电网络。与传统材料相比，石墨烯可以突破原有的局限，成为高效的新型屏蔽剂，满足屏蔽材料对“薄、轻、宽、高”的要求。因此，以石墨烯为方向研制具有优异性能的电磁屏蔽材料，从军事和民用、现在与将来考虑，都有重要的经济效益和价值。
随着石墨烯及其应用研究的不断深入，石墨烯产业化序幕也逐渐拉开。目前，国内外已有一批石墨烯企业开始量产。美国的VorbeckMaterials公司和XGSciences公司是国际上最早从事石墨烯微片生产的公司。其中XGSciences公司则采用无氧化的插层剥离路线制备石墨烯微片，并重点开发其在高分子复合材料领域的应用。
石墨烯电磁屏蔽涂料相对于传统的金属基电磁屏蔽涂料拥有密度小、耐腐蚀、柔韧性好、加工工艺简单等优势。石墨烯电磁屏蔽涂料不仅有效提升武器装备的电磁防护能力，而且能满足装备轻量化的要求，对于提高武器装备的战场生存能力具有重大军事意义。
石墨烯电磁屏蔽涂层材料是指向聚合物基体中引入石墨烯而制备的纳米复合涂层材料，这种新型纳米材料已成为当今研究的热点。
国内外虽然对石墨烯电磁屏蔽涂料进行了研究，但仍处在理论阶段，尚未进行实质上的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时兼顾民用领域和军用领域，利用石墨烯的高导电性，开发轻质、长效、系列化电磁屏蔽涂层材料，实现在军事装备和高端家用电器上的应用，从而有效提升军用装备的电磁防护能力，减少家用电器的电磁辐射，最终实现石墨烯电磁屏蔽涂层的产业化应用的一种电磁屏蔽涂层的制备方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)应用环境分析；
2)树脂选用；
3)石墨烯进行表面修饰、设计石墨烯的导电结构和设计屏蔽涂料配方；所述屏蔽涂料配方按重量份配比由：石墨烯20-30份、表面修饰剂2-4份、水性上光油1-3份、液体硅胶5-8份、树脂12-15份、聚乙烯蜡乳液6-9份、导电炭黑7-12份、烷基苯磺酸钠10-12份、香蕉水2-3份、聚合松香6-9份、定向排列助剂5-8份、流平剂1-3份、偶联剂2-4份、防沉剂1-3份和润湿剂2-4份组成；
4)屏蔽涂料的分散；
5)涂层应用技术研究以及基材的表面处理工艺和喷涂工艺；
6)应用考核试验；
7)批量生产工艺试验。
作为优选，所述导电结构为定向排列导电结构。
作为优选，所述树脂为丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。
作为优选，所述表面修饰为非共价键功能化修饰或离子键修饰。
作为优选，所述工艺试验由放大试验和平行试验组成。
作为优选，所述考核试验由屏蔽效能试验、耐盐雾性能试验、电阻率试验和力学性能试验组成。
作为优选，所述表面修饰剂为芘及其衍生物或钾盐
本发明的有益效果是：同时兼顾民用领域和军用领域，利用石墨烯的高导电性，开发轻质、长效、系列化电磁屏蔽涂层材料，实现在军事装备和高端家用电器上的应用，从而有效提升军用装备的电磁防护能力，减少家用电器的电磁辐射，最终实现石墨烯电磁屏蔽涂层的产业化应用的一种电磁屏蔽涂层的制备方法。
具体实施方式
1.一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)应用环境分析：根据环境筛选出丙烯酸树脂和聚氨酯树脂；
2)树脂选用：军用装甲车辆的舱门、舱盖、动力舱盖板以及巡航导弹的电子舱壳体、整流罩等大多采用复合材料制成，而手机等民用电子产品外壳也常采用工程塑料，对于这些暴露在外的硬质的非金属基材，其所用的屏蔽涂层也应是硬质的、耐光老化，故选用具有优良的耐光性及耐户外老化性能的丙烯酸树脂；
军事装备的门、窗结合处的缝隙主要采用高强度的橡胶条密封，容易引起电磁泄漏，在橡胶条上涂覆屏蔽涂层可以达到良好的电磁防护效果，对于类似这些弹性的或软质的非金属基材，其所用的屏蔽涂层也应是柔韧性的，故选用延伸、回弹性良好的聚氨酯树脂。
3)石墨烯表面修饰：针对不同的树脂体系采用不同的修饰方法。一种是针对丙烯酸树脂，采用芘及其衍生物具有大π键共轭结构的有机分子对石墨烯进行非共价键功能化修饰，利用石墨烯与有机分子之间的π-π相互作用,使其在丙烯酸树脂中形成稳定的分散,同时又不影响石墨烯的导电性能；另一种针对聚氨酯树脂，采用钾盐对石墨烯进行离子键修饰，获得了可溶于N-甲基吡咯烷酮的功能化石墨烯，利用了钾离子与石墨烯上羧基负离子之间的相互作用，使石墨烯能够稳定地分散到极性溶剂中。
设计石墨烯的导电结构：设计石墨烯的导电结构和设计屏蔽涂料配方；所述屏蔽涂料配方按重量份配比由：石墨烯20份、表面修饰剂2份、水性上光油1份、液体硅胶5份、树脂12份、聚乙烯蜡乳液6份、导电炭黑7份、烷基苯磺酸钠10份、香蕉水2份、聚合松香6份、定向排列助剂5份、流平剂1份、偶联剂2份、防沉剂1份和润湿剂2份组成；用定向排列助剂使石墨烯完全定向排列，石墨烯导电网络结构设计为紧密定向排列结构。形成涂层后，则整个石墨烯涂层成了一个近似的大π键结构，电子可以从中快速的迁移，从而大大提高其导电性，另外石墨烯片层结构的紧密堆积对于水气、盐雾可以起到物理阻隔作用，从而也大幅提高其防腐性能。
屏蔽涂料配方设计：以丙烯酸树脂或聚氨酯树脂为基体，根据基体添加制得的经表面修饰的石墨烯，并根据石墨烯的逾渗阈值，添加水性上光油、液体硅胶、聚乙烯蜡乳液、导电炭黑、烷基苯磺酸钠、香蕉水、聚合松香、流平剂、偶联剂和防沉剂，以进一步增强材料的导电性、附着力等性能。
4)屏蔽涂料的分散：为提高石墨烯的分散效果，选用了高速分散机、砂磨机、乳化机配套使用的分散方案。首先利用高速分散机对石墨烯进行预分散，并在此时添加润湿剂来降低石墨烯的高表面能，利用静电斥力和空间位阻效应避免石墨烯的团聚；接着将石墨烯进行砂磨，减少片层堆叠；最后用高精度的乳化机对石墨烯进行乳化，进一步提高石墨烯的分散性；
5)涂层应用技术研究以及基材的表面处理工艺和喷涂工艺：根据不同的基材，确定相应的表面处理工艺，以得到一定孔隙率和粗糙度的表面，从而增加涂层的附着力。对于容易产生内应力的基材如工程塑料，则应在喷涂前采用物理或化学的方法消除应力，以防止涂层因应力而开裂。确定屏蔽涂层的喷涂工艺，量化喷涂压力、喷涂扇面、喷涂速度等工艺参数，对涂层的施工周期进行研究。
6)应用考核试验：对石墨烯电磁屏蔽涂层材料样品进行体积电阻率及力学性能的测试，达到要求后，制成样件提供给需求单位进行应用考核试验，配合需求单位完成屏蔽效能、耐盐雾性能试验。
7)批量生产工艺试验：进行石墨烯电磁屏蔽涂料的工艺放大试验，通过研究工艺放大后对材料性能的影响，通过平行试验，确保材料配方及工艺的稳定性，编制工艺技术文件，形成批量生产能力。
本发明的有益效果是：同时兼顾民用领域和军用领域，利用石墨烯的高导电性，开发轻质、长效、系列化电磁屏蔽涂层材料，实现在军事装备和高端家用电器上的应用，从而有效提升军用装备的电磁防护能力，减少家用电器的电磁辐射，最终实现石墨烯电磁屏蔽涂层的产业化应用的一种电磁屏蔽涂层的制备方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)应用环境分析；
2)树脂选用；
3)石墨烯进行表面修饰、设计石墨烯的导电结构和设计屏蔽涂料配方；所述屏蔽涂料配方按重量份配比由：石墨烯20-30份、表面修饰剂2-4份、水性上光油1-3份、液体硅胶5-8份、树脂12-15份、聚乙烯蜡乳液6-9份、导电炭黑7-12份、烷基苯磺酸钠10-12份、香蕉水2-3份、聚合松香6-9份、定向排列助剂5-8份、流平剂1-3份、偶联剂2-4份、防沉剂1-3份和润湿剂2-4份组成；
4)屏蔽涂料的分散；
5)涂层应用技术研究以及基材的表面处理工艺和喷涂工艺；
6)应用考核试验；
7)批量生产工艺试验。
2.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述导电结构为定向排列导电结构。
3.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述树脂为丙烯酸树脂或聚氨酯树脂。
4.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述表面修饰为非共价键功能化修饰或离子键修饰。
5.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述工艺试验由放大试验和平行试验组成。
6.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述考核试验由屏蔽效能试验、耐盐雾性能试验、电阻率试验和力学性能试验组成。
7.如权利要求1所述的一种电磁屏蔽涂层的制备方法，其特征在于：所述表面修饰剂为芘及其衍生物或钾盐。
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