镍粉对碳纤维屏蔽纸的影响

邹文俊，陆赵情，杨洁

（陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安710021）

镍粉对碳纤维屏蔽纸的影响

邹文俊，陆赵情，杨洁

（陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安710021）

利用湿法造纸工艺，将镍粉和碳纤维/植物纤维混合浆料混合均匀，上网成形抄造碳纤维电磁屏蔽纸。研究发现不同镍粉添加量对材料的力学性能、导电性能和电磁屏蔽性能均有显著影响；并且测试了复合材料的屏蔽效能，发现填充镍粉的碳纤维复合材料相对于未填充镍粉的碳纤维电磁屏蔽材料的屏蔽效能提高了超过10 db；并且发现碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料能实现宽屏带屏蔽。

电磁屏蔽纸；碳纤维；镍粉；导电性；屏蔽效能

1 引言

随着电子工业的发展越来越迅猛，电子产品的应用越来越广泛，电磁波始终存在于人们的日常生活中，由电磁干扰（electromagnetic interference，简称EMI）所引起的危害也越加受到人们的重视，它不仅影响各种电子电器的正常工作，还会危害人类的健康［1-3］。为了降低电磁波的有害影响，将电磁波的传播控制在限定区域内，就要进行电磁屏蔽，即采用低电阻的导体材料，利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和导体内部的吸收以及传输过程中的损耗而产生屏蔽作用。电磁屏蔽复合材料以其屏蔽效果优良、成形加工方便、质轻、成本低廉等优点而受到研究者们的广泛关注［4］。

本文主要是针对碳纤维和镍粉复合材料的导电性能、电磁屏蔽性能进行了详细的研究，讨论了镍粉添加量对复合材料的力学性能、导电性能和电磁屏蔽效能的影响，并且探究了碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料的导电机理。

2 实验

2.1 实验原料

短切碳纤维，长度3mm，南京纬达复合材料有限公司提供。镍粉，粒径≤1.5μm，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1 000万，日本住友精化公司提供。

2.2 实验仪器

实验使用的实验仪器如表1所示。

表1 实验使用的仪器设备

2.3 试验方法

（1）将适量的十二烷基苯磺酸钠溶解在温度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。

（2）用高速分散机将导电镍粉分散10 min，使其均匀分散，和CPAM加入到已分散良好的碳纤维/植物纤维混合浆料（其中碳纤维为25%质量分数，以纸页质量计）中混合，疏解500 r后，利用抄纸技术，上网成形，研究不同镍粉添加量对导电镍粉的留着率及吸附率、材料的力学性能和导电性能的影响，并对其导电机理进行探究。

2.4 分析测试

2.4.1 留着率和吸附率的测定及计算

（1）留着率的测定［5］

将每组纸页撕好，平衡水分后，碳化约1 h，冷却后放入高温炉中于温度900℃下进行灼烧至恒重，冷却后称重。留着率的测定公式如下：

式中：A为纸页灰分，%；B为纸料灰分，%；C为纤维灰分，%；D为填料灼烧减量，%；0.94为抄纸后纸浆得率及纤维原料和胶料中的灰分平均含量的总修正系数。

（2）吸附率的计算［6］

填料吸附率=填料留着量/原绝干纤维浆料×100

2.4.2 导电性能的测定

采用四针探法使用FZ-2006A电阻率测试仪测试试样的电阻率，取2次极性相反的数值的绝对值的平均值。

2.4.3 屏蔽效能的测定

本实验屏蔽效能的测定采用法兰同轴测试装置，配套使用的还有衰减器和2根同轴电缆。样品屏蔽效能的测定是在频率范围100 kHz～1.5 GHz内进行的（见图1）。

图1 屏蔽效能测试原理图

2.4.4 纸张抗张强度的测定

纸张抗张强度采用抗张强度测试仪按QB/T 2303.13—2008测定。

3 结果与讨论

3.1 导电镍粉添加量对材料性能的影响

镍粉和纤维一样表面都呈现电负性，二者在一起有排斥作用，而镍粉主要依靠机械截留作用留着，造成其留着率较低；因此，本实验采用加入CPAM，利用静电桥梁作用吸附填料和纤维，起到增强助留的作用［7］。

3.1.1 添加量对导电镍粉留着率及吸附率的影响

图2显示了添加量对导电镍粉留着率及吸附率的影响。

由图2可知，随着镍粉加入量的不断增加，镍粉的留着率却在不断地下降，而镍粉的吸附率随之不断提高。这是因为镍粉留着是机械截流和胶体吸附共同作用的结果，当CPAM用量一定时，胶体吸附作用也是有一定限度的。当镍粉加入量较少时，每个镍粉粒子被留着的几率相对较高，表现出较高的留着率，但因为镍粉加入量本身就少，导致即使有较高留着率，被留着的导电镍粉粒子的数量也很少，因此刚开始吸附率较低；随着加入量的逐渐增加，镍粉粒子因数量较多被留着的几率变得相对较低，留着率也随之降低，但是留下的镍粉粒子总量的增多，使吸附率不断升高。

图2 镍粉加入量对其留着率和吸附率的影响

3.1.2 镍粉吸附率对纸张力学性能的影响

影响纸张抗张强度最关键的因素是纤维本身强度大小和纤维之间结合力的强弱。图3显示了镍粉吸附率对纸张抗张指数的影响。

图3 镍粉吸附率对纸张抗张指数的影响

由图3可以看出，纸张的抗张指数随着镍粉吸附率的增加而不断下降。这是因为在纤维种类和用量都相同的情况下，纤维之间的结合力受到镍粉加入量的影响，纤维的连接和氢键都会减弱或变少；因此，镍粉吸附率越高，加入的镍粉粒子数量越多，对纸张的力学性能影响越大，表现为抗张指数不断下降。

3.1.3 镍粉吸附率对纸张导电性能的影响

在碳纤维含量一定的情况下，镍粉的吸附率是影响纸张导电性能的关键因素。图4显示了镍粉吸附率对纸张电阻率的影响。

图4 镍粉吸附率对纸张电阻率的影响

由4图可知，纸张的电阻率随着镍粉吸附率的提高不断下降，导电性得到提高。这是因为在具有较大长/径比的碳纤维贡献较好远程导电能力［8-10］的同时，镍粉的加入，提高了纸张的近程导电能力，发挥了二者的协同作用，从而使电阻率不断下降，获得了较好的导电性；因此，在选用导电材料时，应将二者有机地结合起来，选用较大长/径比和较小长/径比的材料，综合考虑远程导电能力和近程导电能力。

3.2 碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料导电机理的探究

碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料是由碳纤维和镍粉等2种导电物质组成。如图5所示。

图5 碳纤维/镍粉复合材料的扫描电镜图

由图5可见，镍粉基本上均匀分布在碳纤维之间的空隙内或吸附在碳纤维和植物纤维表面。碳纤维具有较大的长/径比，能贡献远程导电能力，构成了导电网络的主要通路；而镍粉具有较小的长/径比，能贡献近程导电能力，很难形成和碳纤维一样的导电通路；所以当镍粉含量较低时，镍粉会对碳纤维形成的导电网络进行完善、补充，降低电阻率，提高导电性能；当镍粉含量较多时，镍粉除了对碳纤维导电网络空隙进行填充，还会随着数量不断增多，距离变得很小，发生隧道效应，使相邻的导电镍粉粒子发生电子跃迁，形成导电通路，与碳纤维导电网络相辅相成，起到协同作用。

3.3 碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料的屏蔽效能

本实验屏蔽效能的检验，按SJ 20524—1995，在100 kHz～1.5 GHz频段内测试试样的屏蔽效能，除了给出100 kHz～1.5 GHz频段内的测试结果，还要在典型频率点100 kHz、30MHz、50MHz、100MHz、300 MHz、500 MHz、1.0 GHz和1.5 GHz等给出测试数据。实验对未填充镍粉的碳纤维电磁屏蔽材料和填充了镍粉的碳纤维复合材料的屏蔽效能进行了测试和研究，结果见图6（图中：“A”表示未填充镍粉的碳纤维电磁屏蔽材料的屏蔽效能；“B”表示碳纤维/镍粉电磁屏蔽复合材料的屏蔽效能）。

图6 碳纤维电磁屏蔽材料的屏蔽效能

通过对比图6中“A”和“B”这2条屏蔽效能曲线可以看出，填充镍粉的碳纤维复合材料相对于未填充镍粉的屏蔽效能提高了超过10 db，说明镍粉的填充使得材料的屏蔽效能大幅度提高。这主要是因为镍粉的填充使复合材料的电阻率下降，导电性能得到明显提升；线状的碳纤维提供了远程导电能力，易搭接成网状，而填充的镍粉粒子提供近程导电能力，它分散在碳纤维之间或碳纤维之间的空隙，一方面可以给间隔较大的碳纤维提供导电桥梁；而另一方面是镍粉粒子距离较小或接触时可以提供更多的导电通路，使导电性提高，从而提高了反射损耗和涡流损耗［11］进而提高了屏蔽效能。复合材料同时存在2种类型的导电材料，导电能力互补，其屏蔽效能在不同频率波段都得到提高，屏蔽效能也得到了弥补。

4 结论

（1）随着镍粉添加量的增加，镍粉留着率由高降低，吸附率由低升高。

（2）镍粉的填充使材料的导电性能增大，但是力学性能有所下降。

（3）填充的导电镍粉提供了近程导电能力同时碳纤维提供了远程导电能力，二者发生协同作用，大幅度提高了材料的导电性能；而且实现了宽带屏蔽。

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Effect of Nickel Powder of Carbon Fiber Shielding Paper

ZOUWen-jun，LU Zhao-qing，YANG Jie
（College of Light Industry and Energy，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China）

The nickel powder and carbon fiber/plant fibermixed slurry mixing，the internetmanufacture paper with pulp molding of carbon fiber in electromagnetic shielding paper.The influence of nickel content on thematerial mechanical properties and electrical conductivity and electromagnetic shielding was researched.By testing the shielding effectiveness of composite materials，we found shielding effectiveness of nickel filling carbon fiber composite material increase more than 10 db，relatived to the composite which had no fillers.And it was found that carbon fiber/nickel electromagnetic shielding compositematerials can realize widescreen with shielding.

electromagnetic shielding paper；carbon fiber；nickel powder；conductive；shielding effectiveness

TS761.2

A

1007-2225（2016）04-0006-04

邹文俊先生（1991-），在读研究生；研究方向是高性能纸基功能材料；E-mail：18092157189@163.com。

2016-04-25（修回）

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目（201333）；陕西省科技厅科技新星专项（2015KJXX-34）；陕西省教育厅重点实验项目（12JS018）

本文文献格式：邹文俊，陆赵情，杨洁.镍粉对碳纤维屏蔽纸的影响［J］.造纸化学品，2016，28（4）∶6-9.