复合材料的电磁屏蔽性能在包装视觉传达中的影响研究

翟皓雯

(西安交通大学城市学院,陕西 西安 710018)

包装视觉传达是包装设计中重要的组成部分,如果要想产品的销售取得良好的成绩,包装视觉传达是不可或缺的,因为它是视觉信息的一种传达[1],能够很直观的给客户群体对产品质量、公司形象的良好宣传,而要想获得良好的包装视觉传达效果,用于包装的复合材料需要具有良好的性能,包括具有良好的电磁屏蔽性能以克服外界环境的干扰[2-3]。尤其是随着近年来电子设备的不断普及和通讯行业的快速发展,电磁污染在人们日常生活中经常出现,如何开发出具有良好电磁屏蔽性能的包装材料[4],满足基于包装视觉传达的复合材料的需求,是需要研究的课题,目前这方面的研究还处于起步阶段。本文为了提升包装视觉传达中复合材料的电磁屏蔽性能,制备了氧化石墨烯(GO)/Fe3O4/碳纤维(CF)/聚乙烯醇树脂(PVA)复合材料,对比分析了单一掺杂Fe3O4和碳纤维、碳纤维与纳米Fe3O4比、双层结构对复合材料电磁屏蔽性能的影响,结果将有助于基于包装视觉传达的复合材料的开发并推动其在更广泛领域应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

主要试验材料:Hummers法制备的氧化石墨烯(GO)、纳米Fe3O4粒子、聚乙烯醇树脂(PVA)、短切碳纤维(CF)。

1.2 试样制备

将8 mg/g的氧化石墨烯进行超声分散处理后,均匀涂覆在聚乙烯醇树脂薄膜上,烘干后备用;将PVA、纳米Fe3O4和短切碳纤维混合均匀,涂覆在之前的烘干薄膜上,之后涂覆2 g氧化石墨烯并烘干,制备得到GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料。如果要制备双层复合材料,则重复上述步骤2次,制备双层GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料。

1.3 测试方法

采用JSM-6800型扫描电子显微镜和JEM 1200EX型透射电子显微镜观察显微形貌;采用Agilent N5234A型电磁屏蔽测试仪,根据ASTM D4935标准[5]进行电磁屏蔽性能测试,试样尺寸为22 mm× 10 mm。

2 结果与分析

2.1 显微形貌

图1为氧化石墨烯的表面形貌,分别列出了氧化石墨烯的扫描电镜显微形貌和透射电镜显微形貌。

a、b-SEM;c、d-TEM图1 氧化石墨烯的表面形貌

由图1可见,氧化石墨烯呈透明薄片状,局部可见褶皱,这主要是因为在制备氧化石墨烯过程中,强酸作用下石墨烯发生了氧化[6],在边缘部位形成了一定数量的—OH、—COOH和C—O—C等活性基团,使得石墨烯片层间距发生变化,在内部作用力下发生褶皱[7-8]。

复合材料呈现典型三明治结构,其中表层为厚度9 μm左右的氧化石墨烯层,中间层为碳纤维层,且四氧化三铁基本均匀分散在碳纤维表面,并形成了团簇包覆结构。从表面氧化石墨烯和中间碳纤维层的界面处观察可知,氧化石墨烯与碳纤维结合紧密,未见明显缺陷存在,这种三明治结构有助于电子流动和传输[9-11],使得复合材料具有良好的电磁屏蔽性能,有助于包装视觉传达。

2.2 电磁屏蔽性能

图2为3种复合材料的电磁屏蔽性能,分别列出了GO/Fe3O4/PVA复合材料、GO/CF/PVA复合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料的电磁屏蔽性能随频率的变化曲线。

图2 3种复合材料的电磁屏蔽性能

由图2可知,经对比分析,GO/Fe3O4/PVA复合材料、GO/CF/PVA复合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料的电磁屏蔽性能存在较大差异。电磁屏蔽性能从大至小顺序依次为:GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料、GO/CF/PVA复合材料、GO/Fe3O4/PVA复合材料。由此可见,单一添加CF和单一添加Fe3O4的效果,都不如复合添加Fe3O4/CF的效果,同时掺杂Fe3O4/CF有助于提升包装视觉传达用复合材料的电磁屏蔽性能。究其原因,这可能与其电磁屏蔽性能同时由介电和磁决定有关[12];而Fe3O4/CF二者可以发挥协同作用,如前者有助于优化阻抗,其独特纳米结构有助于在复合材料中形成微结构等[13]。

表1为不同碳纤维含量复合材料的成分配比,分别列出了氧化石墨烯、纳米Fe3O4、碳纤维和PVB的含量,从碳纤维与纳米Fe3O4比值来看,可分为3∶5、4∶5、5∶5和6∶5。不同碳纤维含量复合材料的电磁屏蔽性能结果如图3所示。

表1 不同碳纤维含量的复合材料的成分配比Tab.1 Composition ratio of composites with different carbon fiber content

(a)电磁屏蔽性能

从图3(a)可知,复合材料的电磁屏蔽性能会随着频率升高逐渐减小,但是在相同频率下,复合材料的电磁屏蔽性能从大至小顺序依次为:碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为4∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为5∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为3∶5,由此可见,碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时复合材料具有最好的电磁屏蔽性能。从图3(b)的吸收损耗和图3(c)的反射损耗结果可知,随着包装视觉传达中复合材料的碳纤维含量增加,电磁屏蔽性能有逐渐增强的趋势,碳纤维与纳米Fe3O4比为3∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最差;当碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最好。此外,电磁屏蔽性能会随着频率升高而降低,这主要是因为复合材料的屏蔽与吸收损耗有关,频率升高会使得吸收损耗和反射损耗都有所提升[14-16],相应的电磁屏蔽性能会有所减小。整体而言,GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料良好的电磁屏蔽性能主要与碳纤维和纳米Fe3O4的协同作用有关,碳纤维会有助于形成导电网络而提升电子传输效率,而纳米Fe3O4有助于提升介电和磁性能[17-18]。

表2为双层复合材料的成分配比,分别列出了氧化石墨烯、纳米Fe3O4、碳纤维和PVB的含量,以及复合材料层数,从碳纤维与纳米Fe3O4比值来看,也分为3∶5、4∶5、5∶5和6∶5,只是层数为双层。双层复合材料的电磁屏蔽性能结果如图4所示。

表2 双层复合材料的配比Tab.2 Proportion of double-layer composite materials

(a)电磁屏蔽性能

从图4(a)可知,复合材料的电磁屏蔽性能会随着频率升高逐渐减小,但是在相同频率下,复合材料的电磁屏蔽性能从大至小顺序依次为:碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为5∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为4∶5、碳纤维与纳米Fe3O4比为3∶5,由此可见,碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时复合材料具有最好的电磁屏蔽性能。从图4(b)、图4(c)可知,随着包装视觉传达中复合材料的碳纤维含量增加,电磁屏蔽性能有逐渐增强的趋势,碳纤维与纳米Fe3O4比为3∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最差;当碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最好。此外,双层复合材料与单层复合材料类似,其电磁屏蔽性能会随着频率升高而降低,这也与复合材料的屏蔽与吸收损耗有关,频率升高会使得吸收损耗和反射损耗都有所提升[19-20],相应的电磁屏蔽性能会有所减小。整体而言,相同碳纤维与纳米Fe3O4比时,双层复合材料的电磁屏蔽性能要优于单层复合材料,如碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时,双层复合材料和单层复合材料的电磁屏蔽值分别为29.7、20.7 dB,前者约为后者的143.48%。

3 结语

(1)GO/Fe3O4/CF/PVA复合材料呈现典型三明治结构,其中表层为厚度9 μm左右的氧化石墨烯层,中间层为碳纤维层,且四氧化三铁基本均匀分散在碳纤维表面,并形成了团簇包覆结构;

(2)随着包装视觉传达中复合材料的碳纤维含量增加,电磁屏蔽性能有逐渐增强的趋势,碳纤维与纳米Fe3O4比为3∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最差,而当碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时复合材料的电磁屏蔽性能最好;

(3)相同碳纤维与纳米Fe3O4比时,双层复合材料的电磁屏蔽性能要优于单层复合材料,如碳纤维与纳米Fe3O4比为6∶5时,双层复合材料和单层复合材料的电磁屏蔽值分别为29.7、20.7dB,前者约为后者的143.48%。