电磁波吸收功能木基胶合板的制备与性能∗

刘 娜 解 帅 张建均 冀志江

（1.湖南福湘木业有限责任公司，湖南 岳阳 414000；

2.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

电磁辐射是人类无法感知，却存在巨大潜在危害的一种新型污染。应用具有电磁防护功能的建筑装饰材料，可有效解决建筑空间电磁辐射污染问题。木材价格低廉、易于加工、应用广泛，是建筑材料中唯一具有可再生和可自然降解特性的生物资源[1]。因此，开发具备电磁防护功能木材将具有广阔的应用前景。

自20世纪80年代开始，国内外学者相继在木基材料的电磁防护性能改进方面进行研究，但是大部分研究都集中在木基材料的电磁屏蔽效能改善方面。常见的木材电磁功能改性工艺包括化学镀层[2-6]、夹层处 理[7-8]、碳化处理[9]、复合导电介质[10-12]等工艺。Pan等[13]通过在木材表面化学镀Cu-Ni涂层实现电磁屏蔽效果，在300 kHz～2.0 GHz频率范围内，平均电磁屏蔽效能达到90.69 dB。Dang等[14]采用机械磨削辅助热压法制备了碳纤维增强聚丙烯酰胺/木纤维复合板，该复合板在8～12 GHz范围内最大屏蔽效能为41.03 dB。侯俊峰等[15]将电磁屏蔽碳毡与杨木单板叠层复合制备电磁屏蔽胶合板，当碳毡中碳纤维填充量为120 g/m2时，胶合板屏蔽效能为52.61～68.37 dB（100 kHz～1.5 GHz）。

目前，电磁屏蔽材料多为反射型屏蔽，在电磁辐射治理中存在二次污染的风险[16]。电磁波吸收可将电磁波能量彻底吸收转化，更适合电磁辐射污染的治理。然而，鲜有低频电磁波吸收功能木基人造板材相关的研究报道，为此，本文针对城市及人居建筑空间常见的1～5 GHz电磁辐射防护，基于木质基板电磁改性工艺和连续渐变阻抗结构设计理论，开发电磁波吸收功能木基胶合板，并对其吸波性能和其他理化性能进行研究。

1 材料与方法

1.1 材料

木材基体：厚度为2 mm的桉木单板，初含水率为8%～10%，平均密度为450 g/cm3，裁剪成30 cm×30 cm尺寸，广西贺州市平桂区鹅塘区土发木材加工厂；胶黏剂：大豆蛋白胶黏剂（自制），固体含量为40%～42%；丙烯酸乳液：乳白色蓝光液体，固体含量为（47±1）%，玻璃化转变温度20 ℃，黏度为500～3 500 Pa·s，北京科之信乳胶有限公司；纳米炭黑：天津金秋实化工有限公司，微观形貌为球形颗粒，颗粒尺寸为50～100 nm（如图1所示）；其他辅助材料：去离子水（自制）；4080A型炭黑分散剂，维波斯新材料（潍坊）有限公司，消泡剂，巴斯夫（中国）有限公司。

图1 纳米炭黑TEM图Fig.1 TEM image of nano carbon black

1.2 设备

安捷伦矢量网络分析仪，型号N5234A，美国安捷伦科技有限公司；安捷伦阻抗分析仪，型号E4991，美国安捷伦科技有限公司；角锥喇叭天线，西安恒达微波技术开发有限公司；同轴传输/反射法测试校准件和夹具，型号85054D，美国安捷伦科技有限公司；高速分散机，型号SAII-S300，上海索维机电设备有限公司；热压机，型号200T，无锡市强通机械有限公司；场发射扫描电子显微镜，型号FESEM SU 8220，日本Hitachi公司。

1.3 试验方法

1.3.1 试样制备

1）电磁改性剂制备：纳米炭黑和炭黑分散剂按质量比1∶0.2分散于一定质量的乳液中，利用高速分散机搅拌30 min，搅拌速度为2 500 r/min。将纳米炭黑含量为2%、3%和4%的电磁改性剂分别记为A改性剂、B改性剂和C改性剂。

2）木质基板电磁改性：在已称重的木质基板两面涂刷电磁改性剂，完全干燥后再次称重，保证涂刷电磁改性剂后各木质基板增加的质量一致。将表面涂刷A改性剂、B改性剂和C改性剂的基板分别记为A板、B板和C板。

3）吸波胶合板制备：根据表1的结构设计参数进行木质基板叠层组合，单面施胶，施胶量为180～200 g/m2；12 MPa压力预压40 min后进行热压，热压时间10 min，热压压力12 MPa。

表1 试样结构设计参数Tab.1 Structural design parameters of the samples

1.3.2 电磁性能测试

纳米炭黑的电磁参数测试采用同轴传输/反射法，纳米炭黑和石蜡以1∶1体积比混合后成型为外径7 mm、内径3.04 mm的圆环试样进行测试。木质基板的阻抗利用阻抗分析仪进行测试，测试样品尺寸为2 cm×2 cm。

1.3.3 吸波性能测试

依据JC/T 2499—2018《建筑材料吸收电磁波性能测试方法》中的弓形法对胶合板吸波性能进行测试，测试频段为1.1～5 GHz。

1.3.4 其他性能测试

依据GB/T 9846—2015《普通胶合板》，测试胶合板的浸渍剥离、胶合强度、静曲强度、弹性模量和甲醛释放量等性能。

2 结果与分析

2.1 纳米炭黑电磁性能

利用同轴传输/反射法测试纳米炭黑介电常数和磁导率，如图2 所示。从图2a可以看出，纳米碳黑具有较高的介电常数实部（ε′）、虚部（ε"）和损耗正切值（tanδe），且呈现出明显的频散效应，随频率增加介电常数实部和虚部值不断降低。纳米碳黑的磁导率如图2b所示，可以看出纳米碳黑的磁导率实部和虚部值分别在1 和0 附近波动，说明纳米碳黑不具有磁损耗能力。因此，纳米碳黑是一种介电损耗材料，在与电磁波相互作用过程中可通过隧道效应、阻尼振动、极化效应和接触传导等机制实现对电磁波的吸收[17-19]。

图2 纳米炭黑的介电常数和磁导率Fig.2 Permittivity and permeability of nano carbon black

2.2 木质基板表面形貌

利用扫描电镜对木质基板电磁改性前后的表面形貌和元素分布进行表征，如图3、4 所示。由图3a可以看出，未改性木质基板表面的木纤维呈规则性排列；对观察区域进行元素分布面扫描分析，发现C元素（图3b）和O元素（图3c）的分布规律和数量基本相同，与木材的化学成分基本一致。

图3 未改性木质基板表面微观形貌及C、O元素分布图Fig.3 Surface morphology of unmodified wood substrate and distribution of C and O elements

图4a为经表面改性的木质基板表面形貌，可以看出，电磁改性剂在木质基板表面形成了连续、光滑的修饰层，完全遮盖了木材原本的纤维状微观形貌。图4b、c的元素分布面扫描结果显示，改性木质基板表面的C元素数量明显增加，O元素数量明显减小，且C元素分布均匀，证明电磁改性剂中纳米炭黑在木质基材表面均匀分布。

图4 电磁改性后木质基板表面微观形貌及C、O元素分布图Fig.4 Surface morphology of electromagnetic modified wood substrate and distribution of C and O elements

2.3 连续渐变阻抗结构设计

具有良好吸波性能的材料要满足两个基本要求[20-21]：一是材料本身具有较强的电磁损耗能力，二是材料与自由空间阻抗具有良好的匹配性。以具有高介电损耗的纳米炭黑对木质基板进行表面电磁改性，可以赋予木质基板较强的电磁损耗能力。为了改善胶合板的阻抗匹配，设计了连续渐变阻抗结构，即沿着电磁波传播方向各层材料的阻抗逐渐减小，且要保证相邻层之间阻抗突变较小，以减小各界面层对电磁波的反射作用，保证电磁波尽量多地入射到材料内部被衰减[22]。

利用阻抗分析仪测试了不同纳米炭黑掺量电磁改性剂改性木质基板的阻抗值，如图5 所示。从图中数据可以看出，随着电磁改性剂中纳米炭黑掺量的增加，改性木质基板的阻抗值逐渐降低。基于该阻抗测试结果，以A、B、C 3 种改性木质基板为匹配层、过渡层和吸收层，按由上至下顺序进行排列制备连续渐变阻抗结构吸波胶合板。

图5 不同纳米炭黑掺量电磁改性剂改性木质基板的阻抗值Fig.5 Impedance value of wood substrate modified by electromagnetic modifier with different nano carbon black content

2.4 胶合板吸波性能

采用弓形法测试胶合板的吸波性能，结果如图6所示。图6a反映了改变吸收层数对胶合板吸波性能的影响规律，从图中反射率曲线可以看出，当胶合板为3 层结构时，在测试频段范围内反射率仅在0～-5 dB之间。增加一层吸收层后，反射率得到明显提升，在1.9～3.2 GHz范围反射率低于-7 dB；当设置3 层吸收层时，吸波性能显著提升，在3.5 GHz获得-39 dB的反射吸收峰，且在2.3～5 GHz范围内反射率均低于-7 dB。

图6b反映了改变过渡层数对胶合板吸波性能的影响规律。从图中测试曲线可以发现，随着过渡层层数增加，反射率曲线呈现出规律性变化，反射吸收峰向低频方向移动，反射率小于-7 dB的吸波频段不断拓宽。当过渡层为3 层，胶合板整体层数为7 层时，反射率在2～5 GHz范围内均小于-7 dB。

图6 不同层结构设计的胶合板反射率测试曲线Fig.6 Reflectivity test curves of plywood with different layer structure designs

图6c所示为在胶合板层数相同条件下，改变匹配层、过渡层和吸收层设置对吸波性能的影响。从图中曲线可以看出，当整体胶合板层数不变时，反射吸收峰位置不变，但是吸收峰强度各不相同。当胶合板含有1 层匹配层、2 层过渡层和4 层吸收层时，最小反射率值可达-41 dB，具有最宽的吸波频宽（1.8～5 GHz反射率小于-7 dB）；吸收层层数减小或匹配层层数增多时，反射吸收峰强度减弱。

反射吸收峰的出现是由胶合板上下表面反射波干涉引起的剧烈吸收，根据干涉理论可知[23-25]，胶合板反射吸收峰位置变化主要归因于胶合板厚度的变化。当胶合板厚度增大时，反射吸收峰向低频方向移动，当厚度不发生变化时，反射吸收峰位置固定在某一频率。吸收层层数增多，胶合板中电损耗介质纳米炭黑的含量增大，整体电磁损耗能力提升，吸波性能显著增强。

2.5 其他理化性能

依据GB/T 9846—2015 对制备的胶合板各项理化性能进行测试，结果如表2 所示。由表中测试结果可知，胶合板的浸渍剥离、胶合强度、静曲强度、弹性模量和甲醛释放量等理化性能均超出标准值，该吸波功能胶合板能够满足工程实际性能需求，且具有显著的电磁波吸收效果，可达到电磁辐射防护目的。

表2 胶合板其他理化性能测试结果Tab.2 Test results of other physical and chemical properties of plywood

3 结论

本研究运用木质基板电磁改性工艺和连续渐变阻抗结构设计理论，开发电磁波吸收功能木基胶合板，并对其吸波性能和其他理化性能进行研究，得出以下结论：

1）以纳米炭黑为电磁改性剂对木质基板进行表面电磁改性，可在木质基板表面形成均匀、连续、光滑的电磁改性涂层。

2）基于改性木质基板的连续渐变结构设计制备的胶合板具有突出吸波性能，胶合板层数增加反射吸收峰向低频方向移动，增加吸收层层数可拓宽吸波频段；在胶合板厚度一定时，减少吸收层层数或增加匹配层层数，反射吸收峰强度减弱。

3）开发的吸波胶合板可实现对1.8～5 GHz电磁波反射率小于-7 dB，胶合强度、静曲强度等其他理化性能均满足标准要求，可应用于实际工程解决电磁辐射污染问题。