CPAM對碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的影響研究

鄒文俊　陸趙情　楊　潔

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,

陜西西安，710021)

?

·電磁屏蔽紙·

CPAM對碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的影響研究

鄒文俊陸趙情楊潔

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,

陜西西安，710021)

摘要：在抄造碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的過程中,研究了CPAM(陽離子聚丙烯酰胺)用量對鎳粉留著率、紙張導電性能及強度性能的影響。結果表明，CPAM用量在0.4%時碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的各項性能最好。

關鍵詞：CPAM；碳纖維；鎳粉；導電性；電磁屏蔽紙

隨著電子工業的高速發展,電子電器設備無處不在。這些設備在極大提高人們生活水平、促進社會發展的同時,也會產生電磁輻射。這些電磁輻射可以穿透眾多物質,產生電磁污染,在電子工業高速發展的今天電磁污染日益突出[1],成為除大氣污染、水污染和噪音污染外的又一環境污染,被稱作第四大污染[2]?？茖W研究表明, 長期處于電磁波輻射環境中，人們的身心健康會受到嚴重威脅[3-5]。聯合國早在1969年人類環境會議上就把電磁輻射列入“造成公害的主要污染物”[6]。電磁干擾是電磁輻射影響范圍更廣的方面。所謂電磁干擾(electromagnetic interference,簡稱EMI)通常是指有害電磁波對電子設備的正常運作產生干擾甚至引起障礙的現象[7- 8]。全世界每年由于電磁干擾而發生的電氣設備故障所造成的經濟損失高達5億美元。隨著對電磁輻射所引起的危害的重視,電磁屏蔽材料的研究也越來越多,碳纖維紙作為屏蔽材料可以用于商業或電子產品的防電磁輻射和抗電磁干擾等方面,而且符合對現代材料輕量化的要求[9-10]。由于鎳粉的電阻率比碳纖維要低得多, 因此添加鎳粉抄造的碳纖維屏蔽紙具有更好的屏蔽效果,而且還具備高強度、高模量、低質量等性能[11]。鎳粉和纖維一樣表面都呈負電性,兩者在一起會產生排斥作用,使得鎳粉主要依靠機械截留作用留著在紙張中,造成其留著率較低。因此,在紙張抄造過程中加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM),利用靜電橋梁作用可以將填料吸附在纖維上,起到增強、助留的作用。前期研究發現當鎳粉用量為80%,采用碳纖維與植物纖維混合漿料(其中含碳纖維25%)時,抄造的紙張綜合性能最好。本實驗主要研究CPAM用量對鎳粉留著率及碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙性能的影響。

1實驗

1.1實驗原料

短切碳纖維：長度3 mm,南京緯達復合材料有限公司提供；鎳粉：粒徑≤1.5 μm，無錫順達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,寧波中華紙業有限公司提供；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)：相對分子質量1000萬,日本住友精化公司提供。

1.2實驗儀器

ZQSz 23Valley打漿機，肖氏打漿度儀，抄片器，陜西科技大學機械廠；GFJO4A高速分散機，上海涂料工業機械廠；標準漿樣疏解器，瑞典產；抗張強度試驗儀，瑞典L &W公司；FZ-2006A電阻率測試儀，上海華巖有限公司；JY-50M高溫爐，陜西科技大學；S4800掃描電鏡(SEM)，日本HITACHI公司。

1.3實驗方法

1.3.1碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的抄造

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

用高速分散機將導電鎳粉分散10 min,使其均勻分散。在已分散好的碳纖維-植物纖維混合漿料(其中含碳纖維25%)中加入80%鎳粉和一定量CPAM(用量均對絕干纖維量),疏解500轉后,利用抄片器抄造碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙。

1.3.2鎳粉留著率的測定[12-13]

將每組紙張撕好,平衡水分后炭化,冷卻后放入高溫爐中于900℃下進行灼燒至質量恒定,冷卻后稱取質量。根據式(1)測定鎳粉留著率。

(1)

式中，Rt為鎳粉留著率，%；A為紙張灰分,%；B為紙料灰分,%；C為纖維灰分,%；D為填料灼燒減量,%；0.94為抄紙后紙漿的得率及纖維原料和膠料中的灰分平均含量的總修正系數。

1.3.3導電率的測定

采用四探針法使用FZ-2006A電阻率測試儀測試紙樣的電阻率,取兩次極性相反數值絕對值的平均值。

2結果與討論

2.1CPAM用量對鎳粉留著率的影響

圖1為CPAM用量對鎳粉留著率的影響。由圖1可以看出,鎳粉留著率隨CPAM用量的增加而提高，隨后趨于穩定。這主要是因為CPAM用量的增加使纖維表面的正電荷吸附點增加,在鎳粉用量一定的情況下,能吸附更多帶負電的鎳粉,從而使鎳粉留著率提高。當CPAM用量低于0.3%時,鎳粉留著率增加較快,超過0.3%后變化趨勢不明顯。在未添加CPAM時,纖維和鎳粉都帶有負電荷,兩者沒有靜電吸附作用,主要是依靠機械截流作用使鎳粉留著在紙張內,因此鎳粉留著率較低。CPAM用量較少時,纖維表面正電荷吸附點較少,鎳粉很少一部分能被吸附,導致留著率依然不高；但CPAM用量逐漸增加后,纖維表面的正電荷區域變多,即吸附點增多,所以留著率也得到了提高。膠體吸附作用對鎳粉留著率的提高有巨大作用,CPAM的使用很大程度上提高了鎳粉的留著率。

圖1　CPAM用量對鎳粉留著率的影響

2.2CPAM用量對紙張抗張強度的影響

圖2為CPAM用量對紙張抗張強度的影響。如圖2所示,紙張抗張指數隨CPAM用量的增加先增大后下降。在未添加CPAM時,紙張的抗張指數約為26.5 N·m/g,CPAM用量為0.4%時,紙張抗張指數最大,為34.0 N·m/g。隨著CPAM用量的增加,物料之間通過架橋作用形成微絮聚團,結合力得到增強,從而使紙張強度加強。但是當CPAM用量過大時,物料過度地發生絮聚,從微絮聚團變成較大的絮聚團,導致纖維和填料分布不均,紙張勻度較差,從而引起局部應力集中,紙張的抗張強度變差。

圖2　CPAM用量對紙張抗張指數的影響

2.3CPAM用量對紙張導電性能的影響

圖3為CPAM用量對紙張導電性能的影響。由圖3可知,紙張電阻率隨CPAM用量的增加逐漸下降,導電能力提高。當CPAM用量為0.4%時,電阻率基本達到穩定狀態。分析其原因可能是,CPAM用量的增加導致了鎳粉留著在紙張內的數量增多,由于鎳粉的長徑比很小，能給導電網絡通路提供較好的近程導電能力,使電阻率下降,導電能力得到提高；當CPAM用量超過0.4%時,鎳粉粒子的數量趨于穩定,因此,其電阻率也基本穩定。

圖3　CPAM用量對紙張電阻率的影響

圖4　添加CPAM前后紙張的掃描電鏡圖(×1000)

圖4為添加CPAM前后碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙的SEM圖片。由圖4可知,添加了CPAM的紙張內部纖維上比未添加CPAM的吸附了更多的鎳粉粒子,即CPAM的加入使鎳粉留著率明顯提高,紙張的強度性能和導電性能均得到提高。

3結論

在抄造碳纖維-鎳粉電磁屏蔽紙時添加陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，研究CPAM用量對鎳粉留著率、紙張強度性能及導電性能的影響。結果表明，當CPAM用量為0.4%時，鎳粉留著率及紙張各項性能最好。

參考文獻

[1]Liu Yan-kun, Feng Yu-jie, Tian Yang. Electroless niclkel plating on the surface of carbon fiber[J]. Journal of Harbin in Institute of Technology(New Series), 2009, 16(5): 601.

[2]Hu Yaqin. Carbon Black/ABS composite plate absorbing materials[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2006.

胡雅琴.炭黑/ABS復合平板吸波材料的研究[D]. 大連： 大連理工大學, 2006.

[3]Liu Ya ning. Mechanism of biological effects of electromagnetic radiation Review[J]. Preclinical and Clinical, 2000, 20(1): 20.

劉亞寧. 電磁輻射生物效應的機理研究述評[J]. 基礎醫學與臨床, 2000, 20(1): 20.

[4]Zhong Linxin, Zhang Meiyun, Chen Junzhi. Carbon fiber shielding paper shielding properties[J]. Transations of China Pulp and Paper, 2008, 23 (4): 90.

鐘林新, 張美云, 陳均志. 碳纖維屏蔽紙屏蔽性能的研究[J]. 中國造紙學報, 2008, 23(4)： 90.

[5]DONG Yan-hui, ZHANG Mei-yun, ZHONG Lin-xin. Research Nickel-plated Carbon Fiber Shielding Paper Performance[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(3): 15.

董艷暉, 張美云, 鐘林新. 鍍鎳碳纖維屏蔽紙性能的研究[J]. 中國造紙, 2009, 28(3)： 15.

[6]Lu Jingcan. Electromagnetic radiation pollution[J]. Industrial Measurement, 1997(1): 27.

盧敬叁. 電磁輻射污染環境[J]. 工業計量, 1997(1)： 27.

[7]Zhong Kehuang, Li Zhongyi. Electromagnetic interference shielding coatings[J]. New Chemical Materials, 1989,17(3): 33.

鐘克煌, 李中怡. 屏蔽電磁波干擾的涂料[J]. 化工新型材料, 1989, 17(3)： 33.

[8]Ding Min. Analysis of electromagnetic interference and its suppression measures[J]. Science and Technology Dissemination, 2014(16): 67.

丁敏. 電磁干擾及其抑制措施的分析[J]. 科技傳播, 2014(16)： 67.

[9]ZHANG Mei-yun, ZHONG Lin-xin, CHEN Zhi-jun. Performance and Application of Carbon Fiber Conductive Sheet[J]. China Pulp & Paper, 2008, 27(3): 13.

張美云, 鐘林新, 陳均志. 碳纖維導電紙的性能及應用[J]. 中國造紙, 2008, 27(3)： 13.

[10]Zhong Linxin, Zhang Meiyun, Peng Xinwen. Mechanical properties of carbon fiber paper[J]. Paper and Paper Making, 2009, 28(3): 18.

鐘林新, 張美云, 彭新文. 碳纖維紙的力學性能[J]. 紙和造紙, 2009, 28(3): 18.

[11]Tzeng Shinn-shyong, Chang Fa-Yen. Electrical resistivity of electroless nickel coated carbon fibers[J]. Thin Solid Films, 2001, 388: 143.

[12]Long Yanquan. Paper Principles and Engineering[M]. Beijing: China Light Industry Press, 1994.

隆言泉. 造紙原理與工程[M]. 北京： 中國輕工業出版社, 1994.

[13]CHENG Jin-lan, ZHAI hua-min, WU Hui-ying. Papermaking main seasoning dynamic retention characteristics[J]. Transaction of China Pulp & Paper, 2009, 24 (4): 46.

(責任編輯：劉振華)

Effect of CPAM on Electromagnetic Shield Paper Made of Carbon Fiber-Nickel Powder

ZOU Wen-jun*LU Zhao-qingYANG Jie

(CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,ShaanxiProvinceofKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: m18092157189@163.com)

Abstract：In this paper the effect of CPAM on electromagnetic shield paper made of carbon fifer-nickel powder was studied by adding various dosage of CPAM to the furnish and comparing the strength property and conductivty of the paper, and the retention rate of nickel powder. Experimental results showed that when the CPAM dosage was 0.4%, the properties of carbon fiber-nickel powder electromagnetic shield paper was the best.

Key words：CPAM； carbon fiber； nickel powder； conductivity； electromagnetic shielding paper

收稿日期：2015- 08-15(修改稿)

中圖分類號：TS761

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.02.014

作者簡介：鄒文俊先生,在讀碩士研究生；研究方向：高性能紙基功能材料的研究。