CN1883013A - 包含碳纳米管和金属作为电导体的电磁屏蔽材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁屏蔽材料，其通过采用碳纳米管和金属作为电导体而具有增强的屏蔽效率和机械性能。该电磁屏蔽材料包含用于基质的聚合物树脂以及包括碳纳米管和金属的两种导电性填料，其中碳纳米管的体积百分比为约0.2～10％，金属粉末的体积百分比为约7.0～30％，使得导电性填料的总体积百分比为约7.2～40％。

Description

包含碳纳米管和金属作为电导体的电磁屏蔽材料
                        技术领域
本发明涉及一种电磁屏蔽材料；更具体地，本发明涉及一种电磁屏蔽材料，该电磁屏蔽材料通过采用其中的碳纳米管和金属粉末作为电导体而具有增强的电磁屏蔽效率。
                        背景技术
电磁波能够在部分电子器件中引起故障。其对人类健康的更严重的负面影响也受到怀疑。因此，多数国家根据国际标准，即国际电工委员会(IEC)的国际无线电干扰特别委员会(International Special Committee on RadioInterference，缩写为CISPR)和电磁兼容(EMC)来管理电磁干扰和耐电磁性。因此，为了销售各种电子器件，电子器件应该满足对于电磁波的规定。
为了保护电子器件和室内免于电磁波干扰，主要使用电磁屏蔽材料。用于上述目的的电磁材料应该具有良好的导电性以使电磁波向材料中的渗透最小，及低导磁性以将磁能转换成热。
现有技术的电磁屏蔽材料一般是通过将具有高电导率的金属粉末或碳纳米管分散在聚合物如硅橡胶、聚氨酯、聚碳酸酯和环氧树脂中制备的，其中金属粉末或碳纳米管的体积百分比大于30％。这里，金属粉末主要采用具有高电导率的银粉末或银涂布的铜粉末。当超过30％体积的银粉末分散在聚合物中时，可能得到体积电阻率小于0.01欧姆·厘米且电磁屏蔽效率为约50dB的电磁屏蔽材料。
然而，近年来，仍然需要具有更加增强的体积电阻率和电磁屏蔽效率的电磁屏蔽材料，以满足电磁屏蔽干扰的刚性规定。为了解决上述问题，将许多金属粉末如银粉末分散在聚合物中。然而，随着越来越多的金属粉末分散在聚合物中，在电磁屏蔽效率增强的同时，机械性能如冲击强度恶化。因而，当大量金属粉末分散在聚合物中时，难于稳定地制备电磁屏蔽材料。
同时，因为S.Iijima已经开发了碳纳米管，公开于1991年出版的NatureVol.354，56页，所以对于碳纳米管的各种研究一直进行到现在。与其它常规材料相比，碳纳米管具有如下有利的优点：它的弹性系数高达约1.0～1.8MPa；它的耐热性增强，在真空状态下能承受2800℃；它的热导率为金刚石的2倍；及它的电流传递能力约为铜的1000倍。因此，碳纳米管广泛地用于纳米级电气/电子器件、纳米传感器、光电器件和高功能的复合材料。在将碳纳米管应用于电磁屏蔽的情况下，在将超过0.04％体积的碳纳米管分散在聚合物中时，可能得到体积电阻率像半导体一样低的电磁屏蔽材料，因为少量的碳纳米管使得导电网络在聚合物中形成。
然而，现有技术的电磁屏蔽材料有其缺点，即难于获得所需的电磁屏蔽效率。即，虽然有大量分散在聚合物中的碳纳米管，但是电磁屏蔽材料具有约10欧姆·厘米的较高的体积电阻率，以及较差的屏蔽效率。而且，难于将即使少量的碳纳米管分散在聚合物中，使得限制了将它用于电磁屏蔽材料。
                        发明内容
因此，本发明目的在于提供一种电磁屏蔽材料，其通过采用碳纳米管和金属粉末作为电导体而具有增强的性质。
根据本发明，提供一种电磁屏蔽材料，该电磁屏蔽材料包含：用于基质的聚合物树脂；及导电性填料，该导电性填料包括碳纳米管和金属。
                        附图说明
通过结合附图对实施方案进行的下列说明，本发明的其它目的和方面将会显而易见，附图中：
图1为根据本发明优选实施方案的电磁屏蔽材料的组成示意图；及
图2为用于测量根据本发明电磁屏蔽材料的表面电阻率的设备的透视图。
                      具体实施方式
在下文中，将参照附图详述根据本发明优选实施方案的电磁屏蔽材料。
图1图示了根据本发明的电磁屏蔽材料的组成。
参照图1，本发明的电磁屏蔽材料包含聚合物树脂103的基质和导电性填料，该导电性填料包括金属粉末102和碳纳米管101。在本发明中，碳纳米管的体积百分比为约0.2～10％，金属粉末以约7.0～30％的体积百分比分散在聚合物树脂103中。在这种情况下，导电性填料的总体积百分比应该为约7.2～40％。
首先，可以将能够复合碳纳米管101和金属粉末102的聚合物用于聚合物树脂103，而不管它的分子量、密度、分子结构和官能团。例如，聚合物树脂103可以采用通用的聚合物如硅橡胶、聚氨酯、聚碳酸酯、聚乙酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)等。另外，还可以将功能性的热固性树脂如环氧、聚酰亚胺等用于聚合物树脂103。而且，也可以将通过共混上述聚合物得到的聚合物材料用于聚合物树脂103。然而，在需要高耐热性和高抗机械冲击强度的情况下，硅橡胶或聚氨酯更适于聚合物树脂103。
通常，碳纳米管101是通过选自化学气相沉积、电弧放电、等离子炬和离子碰撞的预定方法制备的，其中所述碳纳米管具有单壁纳米管(SWNT)或多壁纳米管(MWNT)。通常，为了增强碳纳米管101在聚合物树脂103中的分散性，应当对其进行预处理，如采用酸的精制处理或者采用氟气体的重整处理。但是，在本发明中，可以使用未经精制处理或重整处理的碳纳米管101作为导电性填料。
从傅立叶变换红外(FT-IR)光谱的结果中可以明白，优选本发明的碳纳米管101选自：具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰(stretch bonding peak)的纳米管，具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰、存在于约1570～1430cm-1的碳C-C伸缩结合峰和存在于约1650cm-1的羧基C＝O伸缩振动峰的纳米管，具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰、存在于约1650cm-1的羧基C＝O伸缩振动峰和存在于约3550cm-1的-OH结合峰的纳米管，具有存在于约1250cm-1的C-F结合峰的纳米管，及其混合物。如果不使用前述的碳纳米管，则碳纳米管的分散性和导电性会恶化，使得对电磁屏蔽效率产生不良影响。而且，在这种情况下，碳纳米管与金属粉末102之间的相互作用差，使得电磁屏蔽效率会变差。
在本发明中，相对于整个复合材料，碳纳米管101至少为0.2％体积。碳纳米管的体积百分比应该优选为约0.2～10％。如果碳纳米管的体积百分比小于约0.2％，碳纳米管101和粉末金属102之间的相互作用太差，使得电磁屏蔽材料不具有所需的导电性。另一方面，如果碳纳米管101的体积百分比大于约10％，导电性会增加，但是分散性会更差，因而难于研磨和形成电磁屏蔽材料。
用于本发明的金属粉末102可以采用常规金属粉末如银粉末、银涂布的铜等。然而，也可以使用预定的导电纤维如钢纤维、铜纤维、铝纤维、镍纤维等代替金属粉末102。这里，金属粉末102具有这样的特性，使得电导率应大于约105S/cm，体积百分比应大于约7.0％。如果金属粉末102的体积百分比小于约7.0％，导电性会降低，并且电磁屏蔽效率会恶化，因为不能借助于金属粉末102与碳纳米管101之间的相互作用产生足够的渗透(percolation)。因此，在本发明中，考虑到聚合物树脂103的高抗机械冲击性、电磁屏蔽材料的密度和可成形性，优选金属粉末102的体积百分比应为约7.0～30％。
本发明的电磁屏蔽材料还可以包含增强分散性的正离子型分散剂、负离子型分散剂或非离子型分散剂。另外，还可以根据需要引入诸如环氧、羧基、胺等硅烷偶联剂和相容剂(compatibilizer)，其在共混至少两种类型的聚合物树脂时可能是需要的。
将在下文中描述根据本发明的电磁屏蔽材料的制备方法。
本发明的电磁屏蔽材料的制备方法从制备原料即碳纳米管101、金属粉末102和聚合物树脂103开始。其后，将原料在混合机如亨舍尔混合机(Henshel mixer)，Lodige混合机，均化器(homgenizer)等中混合。接着，通过双辊磨或捏合机，熔化和捏合碳纳米管101、金属粉末102和聚合物环氧103的混合物，然后冷却所述捏合的混合物，从而制得电磁屏蔽材料。这里，为了促进混合过程，可以使用能够溶解聚合物树脂103的溶剂如甲乙酮、乙醇、异丙醇、甲苯或其混合物。应当注意，溶剂不应存在于最终产品即电磁屏蔽材料中。因而，产物中残留的溶剂应在预定的制备过程中除去。通过利用溶剂，可以制备具有各种形状如本体型(bulk type)、涂布型和喷涂型的电磁屏蔽材料。
将参照附表1～3详细阐述本发明的实验结果和实施例。
在表1中，给出了实验中测量的体积电阻率和电磁屏蔽效率。实验中采用的试样通过下列步骤提供。首先，在称量表1中所述的各种材料之后，将聚氨酯分散在甲乙酮溶剂中，其中聚氨酯与甲乙酮的体积比为1∶6。随后，将预定量的碳纳米管与硝酸搅拌约30分钟，所述硝酸是以1∶3的混合比用25wt％的硫酸水溶液稀释的，然后除去酸水溶液。向混有聚氨酯和甲乙酮的溶液中加入该碳纳米管和银粉末。其后，搅拌混有聚氨酯、碳纳米管、银粉末和甲乙酮的溶液，并进行超声波处理。接着，在除去甲乙酮溶剂之后，用双辊磨进行处理，由此得到导电性复合材料。
                            表1
这里，体积电阻率是通过测量装置如图2所示的MIL-G-835288TM，及测量低电阻的欧姆计如3450mΩ的Hi-testerTM测量的。有关MIL-G-835288TM的详细说明参见下文。试样#1至试样#4均具有25.4mm×35.0mm×0.5mm的长方体形状。为了测得体积电阻率，首先测量表面电阻率(Ω/面积)，然后将表面电阻率转换成体积电阻率(欧姆·厘米)。
参照图2，图示了用于测量表面电阻率的MIL-G-835288TM装置的透视图。
在图2中，外部测量设备201的输入/输出端与具有绝缘体202和镀银的黄铜203的4-端测量探头连接。在该探头下，布置有衬垫样品204，即试样。在本发明中，如果试样具有大于1.4英寸×1英寸的预定尺寸，则可以测量表面电阻率。所测量的数据显示在液晶显示器(LCD)上。最后，表面电阻率乘以试样厚度，从而求出体积电阻率的值。
同时，可根据ASTM D4935-89规范，利用网络分析器(network analyzer)如Agilent 8722ESTM和2-端口法兰连接的同轴夹具(port flanged coaxialholder)，在约50MHz～6GHz范围内测量电磁屏蔽效率，其中实验中采用的试样直径为约133.0mm。在测量s-参数后，利用S21参数评价屏蔽效率，并利用S11参数评价回程损耗(return loss)。这里，S21参数是指入射电磁波的透射量，用于评价电磁屏蔽效率。
参照表1，在各试样的电磁屏蔽材料中，碳纳米管的体积百分比由0.2％增加到0.6％，银粉末的体积百分比由7.0％增加到10％。从表1中可以看出，如果碳纳米管的体积百分比大于约0.2％和银粉末的体积百分比大于约7.0％，则体积电阻率降低和电磁屏蔽效率增加。
表2给出了根据本发明的将碳纳米管分散在甲乙酮溶液中而不进行酸处理时的各试样的体积电阻率和屏蔽效率的另一实验数据。在表2中，由于各试样是按与表1的实验中相同的步骤制备的，所以在此省略了有关试样的进一步说明。
                         表2
与表1的实验结果相比，表2的实验采用银涂布的铜粉末代替银粉末，其它实验条件与表1的实验相似。从表1和2中可以看出，在采用分别超过0.2％体积和7.0％体积的碳纳米管和金属粉末的情况下，包含碳纳米管和金属粉末混合物的本发明的电磁屏蔽材料具有低体积电阻率和高屏蔽效率。
参照表3，还给出了另一具有一种导电性填料或两种导电性填料的试样的实验数据，其中碳纳米管和金属粉末的各自体积百分比均超出了本发明的电磁屏蔽材料的范围。
                        表3
从表3中可以看出，如果电磁屏蔽材料像试样#9和#11一样由硅橡胶和碳纳米管构成，则体积电阻率非常高，而屏蔽效率非常低。此外，在碳纳米管的体积百分比和银粉末的体积百分比分别小于0.2％和大于30.0％的情况下，即使电磁屏蔽材料包含碳纳米管和银粉末两种导电性填料，体积电阻率和屏蔽效率也差。具体地，如果电磁屏蔽材料仅利用碳纳米管制备，实验数据表明屏蔽效率非常低。而且，如果碳纳米管超过约10％体积，例如像试样#11一样的15％体积，分散性严重恶化，使得不可能制备电磁屏蔽材料。与本发明相比，在将超过30％的银粉末填充在硅橡胶中的情况下，即使电磁屏蔽材料具有良好的屏蔽效率，也难于得到具有高抗机械冲击性能的电磁屏蔽材料、重量轻的材料和节省成本的材料。
如上所述，因为本发明同时采用两种导电性填料，即，碳纳米管和金属粉末，可以得到屏蔽效率和物理/机械性能增强的电磁屏蔽材料。即，与现有技术的电磁屏蔽材料相比，聚合物树脂103中的金属粉末102较少，使得大量的聚合物树脂103提供良好的机械性能，即，高的抗机械冲击性能。另外，本发明提供有利的优点，即少量的金属粉末使得制备成本降低及屏蔽材料的重量减轻。此外，本发明的电磁屏蔽材料具有另一个优点，即它的热辐射性质增强，因为碳纳米管和金属粉末具有良好的导电性。
本申请包含与在2003年10月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请2003-72074相关的主题，其全部内容引入在本文中作为参考。
尽管已经为了说明性目的公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员将会理解其中可以进行各种修改、添加和替换，而不脱离如所附的权利要求书限定的本发明的范围和构思。

Claims (9)

1.一种电磁屏蔽材料，包含：
用于基质的聚合物树脂；及
导电性填料，该导电性填料包括碳纳米管和金属。
2.如权利要求1的电磁屏蔽材料，其中所述碳纳米管的体积百分比为约0.2～10％，所述金属粉末的体积百分比为约7.0～30％，使得导电性填料的总体积百分比为约7.2～40％。
3.如权利要求1的电磁屏蔽材料，其中所述碳纳米管采用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
4.如权利要求3的电磁屏蔽材料，其中所述碳纳米管是通过选自化学气相沉积、电弧放电、等离子炬和离子碰撞中的方法制备的。
5.如权利要求3的电磁屏蔽材料，其中所述碳纳米管为选自下列的材料：具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰的纳米管，具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰、存在于约1570～1430cm-1的碳C-C伸缩结合峰和存在于约1650cm-1的羧基C＝O伸缩振动峰的纳米管，具有存在于约1300～1100cm-1的苯基-羰基C-C伸缩结合峰、存在于约1650cm-1的羧基C＝O伸缩振动峰和存在于约3550cm-1的-OH结合峰的纳米管，具有存在于约1250cm-1的C-F结合峰的纳米管，及其混合物。
6.如权利要求1的电磁屏蔽材料，其中所述聚合物树脂为选自下列的通用聚合物：硅橡胶，聚氨酯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯醇，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)，及其混合物。
7.如权利要求1的电磁屏蔽材料，其中所述聚合物树脂为选自环氧、聚酰亚胺及其混合物的热固性树脂。
8.如权利要求1的电磁屏蔽材料，其中所述金属的电导率大于105S/cm。
9.如权利要求8的电磁屏蔽材料，其中所述金属为选自下列的材料：银粉末，银涂布的铜粉末，钢纤维，铜纤维，铝纤维，及镍纤维。
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