TW201942213A - 電磁波吸收片及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電磁波吸收片，其包含導電性短纖維與絕緣材料，在一個方向上呈現特大的電磁波吸收性。

Description

電磁波吸收片及其製造方法
本發明係關於電磁波吸收片。
隨著高度資訊化社會的發展、多元媒體社會的到來，電子設備所產生的電磁波對於其他設備或人體產生不良影響的電磁波障礙逐漸成為嚴重的社會問題。當電磁波環境越漸惡化，提供了各種電磁波吸收片，以吸收分別對應的電磁波（參照日本特開2004-140335號公報）。例如，電磁波吸收之中，有人提出了使用鐵氧磁體（ferrite）等的電磁波吸收體、使用碳黑等的電磁波吸收體等。 然而，該等電磁波吸收體，僅在特定吸收波長區域進行吸收，而無法對應廣泛的波長區域。例如，使用鐵氧磁體等的電磁波吸收體，雖吸收數GHz的頻寬，但無法在數十GHz的頻寬中進行吸收。另一方面，使用碳黑等的電磁波吸收體，雖進行數十GHz的吸收，但難以說是適合在數GHz的頻寬中的吸收。實際上，電磁波吸收體為了滿足預期的吸收頻率或該頻率中的最大吸收量等的條件，而使用從多種電磁波吸收體適當地來選定方法等，但難以提共至實際運用。 又，隨著要求高效率及大容量的發電機、馬達、逆變器、轉換器、印刷基板、纜線等的高頻設備的小型化、輕量化發展，而要求一種耐熱性高的電磁波吸收材料，其可承受因高頻大電流的流入所導致的導線發熱。特別是經施加高電壓的逆變器、馬達等的電氣/電子設備中，設備的溫度大幅上升，因此亦要求耐熱性高的材料。 又，高頻設備邁向小型化、輕量化，特別是在電磁波發生源附近，具有特定方向性而輻射的電磁波變多，因而要求一種小型、輕量，且在特定方向上呈現強大電磁波吸收性的電磁波吸收片。
本發明之目的在於提供一種電磁波吸收片，其可吸收高頻率且大範圍的電磁波，且耐熱性高、更加輕量。
本案發明人，為了解決上述課題而詳細研究的結果，發現藉由下述電磁波吸收多層片可解決上述課題，進而完成本發明，其中該電磁波吸收多層片，其特徵係將包含導電性短纖維與絕緣材料，且在一個方向上呈現特大之電磁波吸收性的電磁波吸收片，以及該電磁波吸收片以不同方向且非對稱地重疊。 本發明的一實施態樣，係一種電磁波吸收片，其包含導電性短纖維與絕緣材料，在一個方向上呈現特大的電磁波吸收性。較佳係電磁波吸收片於至少一個方向上對於頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。又，該絕緣材料較佳為聚間苯二甲醯間苯二胺。又，較佳係電磁波吸收片在300℃下熱處理30分鐘後，其在頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，於至少一個方向上的變化率為10%以下，再佳為1%以下。又，包含該導電性短纖維與絕緣材料的片材較佳係經過定向。 再者，係一種該電磁波吸收片的製造方法，其在使包含導電性短纖維與絕緣材料的片材往一個方向上移動的同時，進行低空隙率化。 再者，係一種電磁波吸收多層片，其將該電磁波吸收片以不同方向且非對稱性地重疊。較佳為一種電磁波吸收多層片，其將該電磁波吸收片以正交方向且非對稱性地重疊。較佳為一種電磁波吸收多層片，其在將該電磁波吸收片重疊後進行加壓加工。較佳為一種電磁波吸收多層片，其在將該電磁波吸收片重疊之後進行熱壓加工。又，較佳係電磁波吸收多層片於至少一個方向上對於頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。再佳係在至少一個方向上，頻率範圍6~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。又，較佳係電磁波吸收多層片在300℃下熱處理30分鐘後，其在頻率5GHz下的電磁波吸收率，相對於熱處理前，於至少一個方向上的變化率為10%以下，再佳為1%以下。 再者，係一種電氣/電子電路，其中裝設有該電磁波吸收片或是該電磁吸收多層片。 再者，係一種纜線，其中裝設有該電磁波吸收片或是該電磁吸收多層片。 以下，詳細說明本發明。
（導電性短纖維）
作為本發明中所使用之導電性短纖維，可列舉一種導電性短纖維，其係在從具有約10-1 Ω･cm以下之體積電阻率的導體，至具有約10-1 ~108 Ω･cm之體積電阻率的半導體的大範圍內具有導電性的纖維物，且其纖維徑與纖維長度的關係如下式所表示。 100≤纖維長/纖維徑≤20000 作為這樣的導電性短纖維，例如，可列舉金屬纖維、碳纖維等的具有均勻導電性的材料，或是電鍍金屬的纖維、金屬粉末混合纖維、碳黑混合纖維等的將導電材料與非導電材料混合而整體呈現導電性的材料，但不限於該等材料。其中，本發明較佳係使用碳纖維。本發明中所使用的碳纖維，較佳係將纖維狀有機物在惰性氣體環境下進行高溫燒成而碳化者。一般而言，碳纖維大致分成將聚丙烯腈（PAN）纖維燒成而成者，以及將瀝青紡紗後燒成而成者，但除此之外，亦具有將嫘縈或苯酚等的樹脂紡紗後進行燒成而製造者，此等亦可用於本發明中。燒成之前，先使用氧等進行氧化交聯處理，而能夠防止在燒成時熔斷。 本發明中所使用的導電性短纖維的纖維長度係選自1mm~20mm的範圍。 導電性短纖維的選擇中，更佳係使用導電性高且在後述的濕式抄造法中呈現良好分散的材料。又，沿著一個方向進行低空隙率化時，藉由將導電性短纖維變形、切斷而形成電感，藉此可得到在高頻吸收大範圍之電磁波的電磁波吸收片。 導電性短纖維在電磁波吸收片中的含量較佳為片材總重量的1wt%~40wt%，更佳為3wt%~20wt%。 （絕緣材料）
本發明中，絕緣材料係體積電阻率在1×107 Ω･cm以上的材料，為了運用絕緣材料本身的介電損耗來吸收電磁波，在20℃、頻率60Hz的介電損耗正切較佳為0.01以上，在20℃、頻率60Hz的相對介電係數較佳為4以下，但不限於此。 介電損耗正切在0.01以上的絕緣材料，係指在20℃下照射60Hz之電磁波的條件下，介電損耗正切在0.01以上的物質。絕緣材料，一般而言，以下式表示的介電損耗越大，電磁波的吸收量變得越多。 P=E2 ×tanδ×2πf×εr ×ε0 ×S/d （W） 式中，P為介電損耗（W），E為電壓（V），tanδ為絕緣材料的介電損耗正切，f為頻率（Hz），εr為絕緣材料的相對介電係數，ε0為真空中的介電係數（8.85418782×10-12 （m-3 kg-1 s4 A2 ）），S為導電性物質與絕緣材料的接觸面積（m2 ），d為導電性物質間的距離（m）。 如上式所表示，因為介電損耗與導電性物質和絕緣材料之接觸面積成正比，因此絕緣材料的形狀較佳為使接觸面積變大的膜狀微小粒子，但不限於此。 絕緣材料在20℃、頻率60Hz的相對介電係數若在4以下，則電磁波不易反射，因此認為適合作為本發明的絕緣材料。 作為絕緣材料，例如，可列舉：在20℃、60Hz的介電損耗正切為0.01以上的聚間苯二甲醯間苯二胺以及其共聚物、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯/苯乙烯共聚物、聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、尼龍6、尼龍66等，但不限於該等。 該等的絕緣材料之中，聚間苯二甲醯間苯二胺以及其共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯/苯乙烯共聚物、聚氯三氟乙烯、尼龍66，在20℃頻率60Hz的相對介電係數小至4以下，不易反射電磁波，因此認為適合作為本發明的絕緣材料。 該等的絕緣材料之中，從具備良好的成型加工性、阻燃性、耐熱性等特性的觀點來看，較佳係使用聚間苯二甲醯間苯二胺的纖條體（以下稱為醯胺纖條體）及/或短纖維（以下稱為醯胺短纖維）。特別是聚間苯二甲醯間苯二胺的纖條體，因為其膜狀微小粒子的形態，而能增大與導電性物質的接觸面積，使得上述的介電損耗變大，電磁波的吸收量變多，從這樣的觀點來看可較佳地使用。 絕緣材料在電磁波吸收片中的含量，較佳為片材總重量的60wt%~99wt%，更佳為80wt%~97wt%。 （在一個方向上呈現特大電磁波吸收性的電磁波吸收片）
本發明中，在一個方向上特大的電磁波吸收性，係指在片材的至少一個方向上，後述傳遞衰減率Rtp的最小值之絕對值，與和該一個方向正交的方向之Rtp的最小值之絕對值的比值在1.2以上。該比值較佳為1.5以上。 本發明中，在一個方向上呈現特大電磁波吸收性的電磁波吸收片，一般可以下述方法製造：將前述導電性短纖維與絕緣材料混合後進行片材化，使其在一個方向上移動的同時進行低空隙率化的方法，或是藉由長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機等，使導電性短纖維在一個方向上定向的方法。具體而言，片材化係使用例如：以乾式將由導電性短纖維、上述纖條體及短纖維混合後，利用氣流形成片材的方法；將由導電性短纖維、上述醯胺纖條體及醯胺短纖維在液體媒介中分散混合後，吐出至液體穿透性的支持體，例如網或是輸送帶上以進行片材化，再去除液體以進行乾燥的方法等。該等之中，較佳係選擇使用水作為媒介的所謂的濕式抄造法。 濕式抄造法中，常見下述方法：至少將由導電性短纖維、上述的醯胺纖條體及醯胺短纖維的單一或是混合物的水性漿液輸送至抄紙機並使其分散後，進行脫水、擠水以及乾燥操作，再捲繞作為片材。 作為抄紙機，例如，可使用長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機及將該等組合的複合式抄紙機等。以複合式抄紙機進行製造的情況，藉由使摻合比例不同的水性漿液成形為片材而使其合一，可得到由複數的紙層所構成的複合片材。
又，本發明中，在一個方向上呈現特大電磁波吸收性的電磁波吸收片，藉由長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機，使導電性短纖維在一個方向上定向，藉此在後述使其往一個方向上移動的同時進行低空隙率化，而在將導電性短纖維變形、切斷時，更容易形成電感。 濕式抄造時，可因應需求使用分散性提升劑、消泡劑、紙力增強劑等的添加劑而無妨，但使用上必須注意避免阻礙本發明之目的。 又，本發明的電磁波吸收片中，在不阻礙本發明之目的的範圍內，除了上述成分以外，亦可添加其他纖維狀成分。此外，使用上述添加劑及其他纖維狀成分的情況中，較佳為片材總重量的20wt%以下。 將如此所得之片材，例如在一對旋轉的金屬製輥之間進行壓縮，藉此可使其在一個方向上移動，同時進行低空隙率化。沿著一個方向進行低空隙率化時，藉由將導電性短纖維變形、切斷而形成電感，可得到於高頻率中在一個方向上於大範圍內呈現特大電磁波吸收性（較佳係在至少一個方向上頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上）的電磁波吸收片。又，電磁波吸收片，在 300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，其在至少一個方向上的變化率較佳為10%以下，更佳為1%以下。
本發明中，低空隙率化，係指藉由在上述一對旋轉的金屬製輥之間進行壓縮等的方法，使空隙率降低至低空隙率化前之空隙率的3/4以下，具體而言，若低空隙率化前的空隙率為80%，則低空隙率化後的空隙率為60%以下，較佳為55%以下。 沿著一個方向進行低空隙率化的壓縮加工的條件，只要可沿著一個方向將導電性短纖維變形、切斷，則無特別限制。例如，在一對旋轉的金屬製輥之間進行壓縮的情況，可例示為金屬輥的表面溫度100~400℃，金屬輥之間的線壓在50~1000kg/cm的範圍內。為了得到高拉伸強度與表面平滑性，輥溫度較佳為270℃以上，更佳為300℃~400℃。又，線壓較佳為100~500kg/cm。又，為了形成在一個方向上定向的電感，片材的移動速度較佳為1m/分鐘以上，更佳為2m/分鐘以上。 上述的壓縮加工亦可進行多次，又，亦可將上述方法所得之片狀物重疊多片再進行壓縮加工。 再者，亦可藉由將上述方法所得之片材重疊多片以作為電磁波吸收多層片，亦可在重疊後藉由加壓加工或是熱壓加工使其接著，或是以黏著劑等貼合，以調整抑制電磁波穿透的性能、厚度。通常電磁波之電場的方向與磁場的方向為正交，藉由在重疊時使上述片材在不同方向、較佳為正交方向上重合，可將被吸收之電磁波的電場、磁場兩者的方向配置在與電感平行的方向上。又，如本發明，應用導電性短纖維之介電損耗吸收電磁波的情況，使電場方向與電感方向成為平行的片材靠近電磁波產生源，使磁場方向與電感方向平行的片材遠離電磁波產生源，以此方式配置的非對稱重疊，因為電磁波吸收性不會因片材中的電感所產生的反電動勢而變弱，因此呈現高電磁波吸收性（較佳係在至少一個方向上頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上，更佳係在至少一個方向上頻率範圍6~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上）。又，電磁波吸收多層片，在300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，在至少一個方向上的變化率較佳為10%以下，更佳為1%以下。
本發明的電磁波吸收片或是電磁波吸收多層片具有下述優良特性：（1） 具有電磁波吸收性，（2）尤其在一個方向上呈現特大電磁波吸收性，因此可選擇性吸收特定方向上的電磁波，（3）在包含高頻的大範圍頻率中呈現（1）、（2）的特性，（4）具備耐熱性、阻燃性，（5）具有良好的加工性；因此本發明適合用作電氣電子設備、特別是需要輕量化的油電混合車、電動車中的電子設備等的電磁波吸收片，尤其若是將本發明之電磁波吸收片或是電磁波吸收多層片透過例如黏著劑等的絕緣物裝設於例如印刷基板等的電氣/電子電路、纜線上，則可抑制電磁波的產生。 此外，例如以金屬、樹脂等框體覆蓋電氣/電子電路的情況，亦可藉由例如黏著劑等將本發明的電磁波吸收片或是電磁波吸收多層片固定於框體內部而進行裝設。此情況中，在電氣/電子電路與電磁波吸收片之間較佳係存在絕緣物（空氣、樹脂等）。在製造本發明之電磁波吸收片時，在上述加壓加工時，預先重疊絕緣性片材而進行加壓加工，可使表面絕緣。另外，上述的絕緣性片材係指上述絕緣材料所構成之片材。 以下，舉出實施例更具體說明本發明。另外，該等的實施例僅為例示，對於本發明的內容並無任何限定。 [實施例]
（測量方法） （1）片材的單位面積重量、厚度、密度、空隙率 依照JISC2300-2實施，密度係由（單位面積重量/厚度）算出。空隙率係由密度、原料組成與原料的比重算出。 （2）拉伸強度 以寬度15mm、夾頭間隔50mm、拉伸速度50mm/min的條件實施。 （3）介電係數、介電損耗正切 依照JISK6911實施。 （4）電磁波吸收性能 使用依據IEC62333的近場用電磁波評價系統，在微帶線（MSL）上夾住聚乙烯膜（厚度38μm）以積層試片，在片材上以絕緣性的重物施加500g的載重，對於50MHz~20GHz的入射波，以網路分析儀測量反射波S11的電力及穿透波S21的電力。 以下式求得傳遞衰減率Rtp。 Rtp=10×log[10S21/10 /（1-10S11/10 ）]（dB） [10S21/10 /（1-10S11/10 ）]表示電磁波衰減率， 1-[10S21/10 /（1-10S11/10 ）]表示電磁波吸收率。 Rtp=-20（dB）的時候，電磁波吸收率為99%， Rtp＜-20（dB）的時候，電磁波吸收率超過99%。 Rtp越小，電磁波的衰減越大，可說是電磁波吸收性能高。 又，將試片在300℃下熱處理30分鐘後，以下式求得頻率5GHz的電磁波吸收率的變化率Cr。 Cr=|（熱處理後的電磁波吸收率-熱處理前的電磁波吸收率）/熱處理前的電磁波吸收率| Cr越小，可說是耐熱性越高。 （原料調製）
使用日本特開昭52-15621號公報記載的靜子與轉子的組合所構成之漿液粒子的製造裝置（濕式沉澱機），製造聚間苯二甲醯間苯二胺的纖條體（以下記載為「間醯胺纖條體」）。以打漿機對其進行處理，將長度加重平均纖維長調整為0.9mm（濾水度200cm3 ）。另一方面，將Du Pont公司製間醯胺纖維（NOMEX（註冊商標），單紗纖度2.2dtex）裁切為長度6mm（以下記載為「間醯胺短纖維」），作為聚間苯二甲醯間苯二胺的短纖維，以作為抄紙用原料。 （介電係數、介電損耗正切測量）
製作聚間苯二甲醯間苯二胺的澆鑄膜，以橋接法在20℃下測量介電係數、介電損耗正切，結果顯示於表1。 [表1] （實施例1~5） （片材製作）
將如上述調製之間醯胺纖條體（體積電阻率1×1016 Ω･cm）、間醯胺短纖維（體積電阻率1×1016 Ω･cm）及碳纖維（Toho Tenax股份有限公司製、纖維長度3mm，單纖維徑7μm，纖度0.67dtex，體積電阻率1.6×10-3 Ω･cm（分別分散於水中，以製作漿液。以使間醯胺纖條體、間醯胺短纖維及碳纖維成為表2所示之摻合比例的方式混合該漿液，在TAPPI式手抄機（剖面積325cm2 ）加入水流以調整定向性（縱向與橫向的拉伸強度的比），進行處理以製作片狀物（空隙率79%）。使水流的方向為縱向，使與縱向垂直的平面方向為橫向。接著，將所得之片材於一對金屬製砑光輥之間在縱向上移動，以表2所示的條件壓縮加工，得到片狀物。又，以表2所示的條件將上述片狀物重疊。 如此所得之片材的主要特性值顯示於表2。 （關於原料的比重，係使間醯胺纖條體的比重為1.38，間醯胺短纖維的比重為1.38，碳纖維的比重為1.8）。
[表2] （比較例） （片材製作）
將如上述調製的間醯胺纖條體、間醯胺短纖維以及碳纖維（Toho Tenax股份有限公司製，纖維長3mm，單纖維徑7μm，纖度0.67dtex，體積電阻率1.6×10-3 Ω･cm）分別分散於水中，以製作漿液。以使間醯胺纖條體、間醯胺短纖維及碳纖維成為表3所示之摻合比例的方式混合該漿液，以TAPPI式手抄機（剖面積325cm2 ）進行處理，製作表3所示的片狀物。 接著，藉由一對金屬板，以表3所示的條件，將所得之片材進行壓縮加工，得到片狀物。雖並未特別具有方向性，但使一個方向為縱向、使與縱向垂直的平面方向為橫向。 如此所得之片材的主要特性值顯示於表3。
[表3]
如表2所示，實施例1~5的電磁波吸收片，在包含至20GHz之高頻的大範圍的頻率中，針對至少一個方向上的電磁波吸收性呈現優良的特性。特別是實施例3、4所示的以不同方向且非對稱性重疊的片材，呈現優良的特性。 相對於此，如表3所示，比較例之片材所呈現的電磁波吸收性，其頻率範圍狹窄，並不足以作為目標的電磁波吸收片。
無
無

Claims (17)

  1. 一種電磁波吸收片，包含導電性短纖維與絕緣材料，其在一個方向上呈現特大的電磁波吸收性。
  2. 如申請專利範圍第1項之電磁波吸收片，其在至少一個方向上，頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電磁波吸收片，其中該絕緣材料為聚間苯二甲醯間苯二胺。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電磁波吸收片，其在300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，其在至少一個方向上的變化率在10%以下。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之電磁波吸收片，其在300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，其在至少一個方向上的變化率在1%以下。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之電磁波吸收片，其中包含該導電性短纖維與絕緣材料的片材經過定向。
  7. 一種如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片的製造方法，該方法包含下述步驟：使包含導電性短纖維與絕緣材料之片材在一個方向上移動的同時，進行低空隙率化。
  8. 一種電磁波吸收多層片，其係將如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片以不同方向且非對稱性地重疊。
  9. 一種電磁波吸收多層片，其係將如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片以正交方向且非對稱性地重疊。
  10. 如申請專利範圍第8或9項之電磁波吸收多層片，其中在將如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片重疊後進行加壓加工。
  11. 如申請專利範圍第8或9項之電磁波吸收多層片，其中在將如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片重疊後進行熱壓加工。
  12. 如申請專利範圍第8至11項中任一項之電磁波吸收多層片，其在至少一個方向上，頻率範圍14~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。
  13. 如申請專利範圍第8至11項中任一項之電磁波吸收多層片，其在至少一個方向上，頻率範圍6~20GHz之電磁波的電磁波吸收率在99%以上。
  14. 如申請專利範圍第8至13項中任一項之電磁波吸收多層片，其在300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，其在至少一個方向上的變化率在10%以下。
  15. 如申請專利範圍第8至13項中任一項之電磁波吸收多層片，其在300℃下熱處理30分鐘後，於頻率5GHz的電磁波吸收率，相對於熱處理前，其在至少一個方向上的變化率在1%以下。
  16. 一種電氣/電子電路，其中裝設有如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片，或是如申請專利範圍第8至15項中任一項之電磁波吸收多層片。
  17. 一種纜線，其中裝設有如申請專利範圍第1至6項中任一項之電磁波吸收片，或是如申請專利範圍第8至15項中任一項之電磁波吸收多層片。
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