CPAM对碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的影响研究

邹文俊　陆赵情　杨　洁

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,

陕西西安，710021)



·电磁屏蔽纸·

CPAM对碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的影响研究

邹文俊陆赵情杨洁

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,

陕西西安，710021)

摘要：在抄造碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的过程中,研究了CPAM(阳离子聚丙烯酰胺)用量对镍粉留着率、纸张导电性能及强度性能的影响。结果表明，CPAM用量在0.4%时碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的各项性能最好。

关键词：CPAM；碳纤维；镍粉；导电性；电磁屏蔽纸

随着电子工业的高速发展,电子电器设备无处不在。这些设备在极大提高人们生活水平、促进社会发展的同时,也会产生电磁辐射。这些电磁辐射可以穿透众多物质,产生电磁污染,在电子工业高速发展的今天电磁污染日益突出[1],成为除大气污染、水污染和噪音污染外的又一环境污染,被称作第四大污染[2]。科学研究表明, 长期处于电磁波辐射环境中，人们的身心健康会受到严重威胁[3-5]。联合国早在1969年人类环境会议上就把电磁辐射列入“造成公害的主要污染物”[6]。电磁干扰是电磁辐射影响范围更广的方面。所谓电磁干扰(electromagnetic interference,简称EMI)通常是指有害电磁波对电子设备的正常运作产生干扰甚至引起障碍的现象[7- 8]。全世界每年由于电磁干扰而发生的电气设备故障所造成的经济损失高达5亿美元。随着对电磁辐射所引起的危害的重视,电磁屏蔽材料的研究也越来越多,碳纤维纸作为屏蔽材料可以用于商业或电子产品的防电磁辐射和抗电磁干扰等方面,而且符合对现代材料轻量化的要求[9-10]。由于镍粉的电阻率比碳纤维要低得多, 因此添加镍粉抄造的碳纤维屏蔽纸具有更好的屏蔽效果,而且还具备高强度、高模量、低质量等性能[11]。镍粉和纤维一样表面都呈负电性,两者在一起会产生排斥作用,使得镍粉主要依靠机械截留作用留着在纸张中,造成其留着率较低。因此,在纸张抄造过程中加入阳离子聚丙烯酰胺(CPAM),利用静电桥梁作用可以将填料吸附在纤维上,起到增强、助留的作用。前期研究发现当镍粉用量为80%,采用碳纤维与植物纤维混合浆料(其中含碳纤维25%)时,抄造的纸张综合性能最好。本实验主要研究CPAM用量对镍粉留着率及碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸性能的影响。

1实验

1.1实验原料

短切碳纤维：长度3 mm,南京纬达复合材料有限公司提供；镍粉：粒径≤1.5 μm，无锡顺达金属粉末有限公司提供；植物纤维：漂白针叶木浆,打浆度40°SR,宁波中华纸业有限公司提供；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)：相对分子质量1000万,日本住友精化公司提供。

1.2实验仪器

ZQSz 23Valley打浆机，肖氏打浆度仪，抄片器，陕西科技大学机械厂；GFJO4A高速分散机，上海涂料工业机械厂；标准浆样疏解器，瑞典产；抗张强度试验仪，瑞典L &W公司；FZ-2006A电阻率测试仪，上海华岩有限公司；JY-50M高温炉，陕西科技大学；S4800扫描电镜(SEM)，日本HITACHI公司。

1.3实验方法

1.3.1碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的抄造

将适量的十二烷基苯磺酸钠溶解在60℃的水中,加入碳纤维,用电动搅拌器搅拌10 min,去除原来丝束上的表面油脂杂质,用清水清洗后干燥备用。

用高速分散机将导电镍粉分散10 min,使其均匀分散。在已分散好的碳纤维-植物纤维混合浆料(其中含碳纤维25%)中加入80%镍粉和一定量CPAM(用量均对绝干纤维量),疏解500转后,利用抄片器抄造碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸。

1.3.2镍粉留着率的测定[12-13]

将每组纸张撕好,平衡水分后炭化,冷却后放入高温炉中于900℃下进行灼烧至质量恒定,冷却后称取质量。根据式(1)测定镍粉留着率。

(1)

式中，Rt为镍粉留着率，%；A为纸张灰分,%；B为纸料灰分,%；C为纤维灰分,%；D为填料灼烧减量,%；0.94为抄纸后纸浆的得率及纤维原料和胶料中的灰分平均含量的总修正系数。

1.3.3导电率的测定

采用四探针法使用FZ-2006A电阻率测试仪测试纸样的电阻率,取两次极性相反数值绝对值的平均值。

2结果与讨论

2.1CPAM用量对镍粉留着率的影响

图1为CPAM用量对镍粉留着率的影响。由图1可以看出,镍粉留着率随CPAM用量的增加而提高，随后趋于稳定。这主要是因为CPAM用量的增加使纤维表面的正电荷吸附点增加,在镍粉用量一定的情况下,能吸附更多带负电的镍粉,从而使镍粉留着率提高。当CPAM用量低于0.3%时,镍粉留着率增加较快,超过0.3%后变化趋势不明显。在未添加CPAM时,纤维和镍粉都带有负电荷,两者没有静电吸附作用,主要是依靠机械截流作用使镍粉留着在纸张内,因此镍粉留着率较低。CPAM用量较少时,纤维表面正电荷吸附点较少,镍粉很少一部分能被吸附,导致留着率依然不高；但CPAM用量逐渐增加后,纤维表面的正电荷区域变多,即吸附点增多,所以留着率也得到了提高。胶体吸附作用对镍粉留着率的提高有巨大作用,CPAM的使用很大程度上提高了镍粉的留着率。

图1　CPAM用量对镍粉留着率的影响

2.2CPAM用量对纸张抗张强度的影响

图2为CPAM用量对纸张抗张强度的影响。如图2所示,纸张抗张指数随CPAM用量的增加先增大后下降。在未添加CPAM时,纸张的抗张指数约为26.5 N·m/g,CPAM用量为0.4%时,纸张抗张指数最大,为34.0 N·m/g。随着CPAM用量的增加,物料之间通过架桥作用形成微絮聚团,结合力得到增强,从而使纸张强度加强。但是当CPAM用量过大时,物料过度地发生絮聚,从微絮聚团变成较大的絮聚团,导致纤维和填料分布不均,纸张匀度较差,从而引起局部应力集中,纸张的抗张强度变差。

图2　CPAM用量对纸张抗张指数的影响

2.3CPAM用量对纸张导电性能的影响

图3为CPAM用量对纸张导电性能的影响。由图3可知,纸张电阻率随CPAM用量的增加逐渐下降,导电能力提高。当CPAM用量为0.4%时,电阻率基本达到稳定状态。分析其原因可能是,CPAM用量的增加导致了镍粉留着在纸张内的数量增多,由于镍粉的长径比很小，能给导电网络通路提供较好的近程导电能力,使电阻率下降,导电能力得到提高；当CPAM用量超过0.4%时,镍粉粒子的数量趋于稳定,因此,其电阻率也基本稳定。

图3　CPAM用量对纸张电阻率的影响

图4　添加CPAM前后纸张的扫描电镜图(×1000)

图4为添加CPAM前后碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸的SEM图片。由图4可知,添加了CPAM的纸张内部纤维上比未添加CPAM的吸附了更多的镍粉粒子,即CPAM的加入使镍粉留着率明显提高,纸张的强度性能和导电性能均得到提高。

3结论

在抄造碳纤维-镍粉电磁屏蔽纸时添加阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，研究CPAM用量对镍粉留着率、纸张强度性能及导电性能的影响。结果表明，当CPAM用量为0.4%时，镍粉留着率及纸张各项性能最好。

参考文献

[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复合平板吸波材料的研究[D]. 大连： 大连理工大学, 2006.

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

刘亚宁. 电磁辐射生物效应的机理研究述评[J]. 基础医学与临床, 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.

钟林新, 张美云, 陈均志. 碳纤维屏蔽纸屏蔽性能的研究[J]. 中国造纸学报, 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.

董艳晖, 张美云, 钟林新. 镀镍碳纤维屏蔽纸性能的研究[J]. 中国造纸, 2009, 28(3)： 15.

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

卢敬叁. 电磁辐射污染环境[J]. 工业计量, 1997(1)： 27.

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

钟克煌, 李中怡. 屏蔽电磁波干扰的涂料[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. 电磁干扰及其抑制措施的分析[J]. 科技传播, 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.

张美云, 钟林新, 陈均志. 碳纤维导电纸的性能及应用[J]. 中国造纸, 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.

钟林新, 张美云, 彭新文. 碳纤维纸的力学性能[J]. 纸和造纸, 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. 造纸原理与工程[M]. 北京： 中国轻工业出版社, 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.

(责任编辑：刘振华)

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)

中图分类号：TS761

文献标识码：A

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

作者简介：邹文俊先生,在读硕士研究生；研究方向：高性能纸基功能材料的研究。