石墨烯修饰碳纤维填充木塑复合材料的电磁干扰屏蔽性能外文翻译资料

 2023-01-05 18:02:10

石墨烯修饰碳纤维填充木塑复合材料的电磁干扰屏蔽性能

陈娟，1,2赵阳滕，1,2赵越英，3刘文秀，1,2

1 山东省建筑材料制备计量重点实验室，济南大学，济南，250022，中华人民共和国

2 济南大学材料科学与工程学院，济南250022

3 山东夏光实业有限公司，济宁，272000，中华人民共和国

将碳纤维（CF）、 氧化石墨烯沉积碳纤维（GO-CF）和还原氧化石墨烯沉积碳纤维（rGO-CF）引入木塑复合材料（WPC）中。研究了木塑复合材料在X波段（8.2～12.4GHz）的电磁干扰（EMI）屏蔽效能（SE）。结果表明，GO-CF和rGO-CF对改善木塑复合材料电磁干扰屏蔽效能的效果优于CF。rGO片材有利于碳纤维在基体中的分散，可以建立更有效的电子网络。具有4 wt%rGO-CF和4 mm屏蔽厚度的WPC的SE为29 dB。与CF的23dB的WPC相比，rGO-CF的WPC增加了26%。用rGO-CF填充的WPC在EMI屏蔽材料中具有广阔的应用前景。

引言

近年来，木塑复合材料（WPC）因其成本低、密度低、生物降解性强、可再生性强等优点得到了广泛的应用[1-3]。WPC由热塑性树脂、木纤维和添加剂制成。木塑复合材料通常通过挤压、压缩成型和注射成型技术进行加工[4]。

电子和通信设备的广泛使用，必然造成电磁干扰（EMI）的问题[5]。碳纤维填充导电高分子复合材料（CF）具有密度低、力学性能好、加工性能好等优点，已被用作电磁干扰屏蔽材料，引起了人们的广泛关注[6]。在树脂基体中加入短或长的导电不连续碳纤维（CF），可以形成许多导电网络[7]。Hong等人[8]合成的PP复合材料由长度为200–250 mm，质量分数30%的CF增强，并含有质量分数为1%的CNT。所得复合材料的最佳电磁屏蔽效能（SE）约为16dB。陆等[6]研究了镀镍碳纤维（Ni-CF）的导电性和屏蔽效能。用10%体积分数的镍纤维填充的ABS树脂的屏蔽效能约为50分贝。Wang等人[9]制造了用于EMI屏蔽应用的Ni-CF增强硅橡胶复合材料， 80%的Ni-CF所得复合材料在30–1200MHz频率范围具有高的SE值80dB，。Arjmand等人[10]发现随着屏蔽材料厚度的增加，反射和吸收的EMI-SE均增加。Ameli等人[11]通过发泡将CF的渗透阈值的体积分数从8.5vol%降低到7 vol%。

氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）由于其优异的电性能、力学性能、纳米级的二维结构，引起了广泛的关注，并在制备轻质EMI屏蔽材料方面进行了深入的探索[12-14]。梁[13]报道了当石墨烯的质量分数为15%时，制备得石墨烯/环氧树脂复合材料可达到最大的21dB屏蔽。Chen等人[14]开发了一种新型聚苯胺（PAni）复合材料。分别用镍纳米颗粒和银纳米颗粒对石墨烯进行改性。结果表明，含5.0 wt%银纳米粒子的PAni复合材料的抗电磁干扰强度最高，为29.33dB。

同时，纤维涂层技术，特别是碳纳米管和石墨烯等纳米碳材料涂层技术，已被开发用于各种用途[15–18]。黄[15]通过电泳沉积（EPD）方法将GO附着在碳纤维（GO-CF）表面，并通过后续退火工艺得到rGO-CF，其改善了CF/聚合物复合材料的界面性能和力学性能。Gnidakouong等人[16]了在30MHz至1.5GHz的频率范围内，多壁碳纳米管（MWCNTs ）包覆的纺织玻璃纤维或碳纤维增强不饱和聚酯基复合材料的EMI-SE。指出玻璃纤维与多壁碳纳米管的结合可以使导电性和SE值最大化。在我们之前的工作中，GO-CF被引入到水泥基体中。GO-CF水泥基复合材料的SE比CF水泥基复合材料的SE更有效[19]。

然而，据我们所知，很少有关于CF填充WPC的EMI屏蔽性能的报告。在这项工作中，使用电泳沉积（EPD）制备了两种不同类型的CF，即GO-CF和rGO-CF。分别将CF、GO-CF和rGO-CF引入到WPC中。本研究旨在探讨碳纤维（CF）、氧化石墨烯沉积（GO-CF）和还原氧化石墨烯沉积rGO-CF填充的木塑复合材料（WPC）的电磁屏蔽性能，并对木塑复合材料的微观结构进行了分析，探讨了电磁波的屏蔽机理。

实验

材料

聚氯乙烯（PVC，S-700）由中国益明贸易有限公司采购。T700SC CF（拉伸强度4900MPa，电阻率5 x10-4Omega;·cm）由日本Toray提供。硼氢化钠（NaBH4）由中国阿拉丁工业公司供应。改良的Hummer方法用于合成GO；氧化石墨烯是通过化学剥离鳞片石墨[20，21]获得的。玉米秸秆来源于中国山东省农村。

样品制备

如图1所示，通过电泳沉积（EPD）方法[15]对CF表面进行GO修饰。1. 以NH4HCO3为电解液，对腐蚀的碳纤维进行处理。CF先在3V直流电压下处理5min[19]。然后用蒸馏水洗涤两次，并用1.5 mg/ml GO作为电解质溶液。在15 V直流电压下处理40min。EPD后，用蒸馏水冲洗GO-CF，并浸入蒸馏水中40min，除去GO-CF表面残留的GO。最后在80oC下用NaBH4溶液化学还原3h，得到rGO-CF。

图1。电泳沉积示意图。[彩色图片可在wileyonlinelibrary.com上查看]

将PVC和玉米秸秆纤维在80oC干燥箱中干燥8h。将CF、GO-CF和rGO-CF固定在纤维切割机上，两端夹紧，并切割成4 mm。随后将所有的原材料和辅助材料混合在一起。使用开炼机在1350C下使所有原料均化5min（表1），转速为30转/min。所有原料及辅料一次又一次地混入片状物料中。最后，在185oC条件下，在硫化机上热压10min，制成4 mm厚的WPC板。

表1.原材料比例。

样品

聚氯乙烯（重量%）

玉米秸秆纤维（wt%）

CF（重量%）

1

79

20

1

2

78

20

2

3

77

20

3

4

76

20

4

5

76

20

4（GO-CF）

6

76

20

4（rGO CF）

表征

采用场发射扫描电子显微镜（SEM，FEI QUANTA FEG 250,，日本）分析了碳纤维表面及木塑复合材料断裂表面形貌。

使用安捷伦网络分析仪（N5234A）测量了这些材料在X波段（8.2–12.4 GHz）的电磁干扰强度。将尺寸为22.4 mm* 10 mm* 4 mm的矩形试样固定到波导样品支架中，每种复合材料至少制备5个试样。最后的结果是从所有测试样本中取平均值。

EMI SE表示特定频率范围内的EMI降低，定义为透过功率（Pt）与入射功率（Pl）之比，通常用公式1[22]中定义的分贝（dB）表示：

SEtotal(dB)=-10log(Pt/Pl） (1)

较高的总屏蔽效能（SEtotal）值意味着大量的辐射功率被反射或吸收，而不是被透过[23]。

屏蔽机理主要分为两类（图2）：吸收（A）和反射[多重反射（M）和直接反射（R）]。SEtotal（或总损失）是反射屏蔽（SER）、吸收（SEA）和多次反射（SEM）的贡献之和。集合的定义见公式2[22，23]：

SEtotal(dB)=SEA SER SEM (2)

当SEA大于15dB时，可以忽略SEM，公式3[24，25]中定义了SEtotal：

SEtotal(dB)=SEA SEM (3)

t, f, mu;r, 和delta;r分别是入射波的厚度、频率、相对渗透率和相对电导率。使用一系列方程式计算A、R和SER，如下所示：

A=1.13t(f·mu;r·delta;r)·1/2 (4)

R=168-10log(mu;r·f/delta;r) (5)

SER =-10log(1-R) (6)

图2。通过屏蔽材料的电磁波衰减[彩色图片可在wileyonlinelibrary.com上查看]

结果和讨论

CF、GO-CF和rGO-CF的扫描电镜形貌

图3显示了CF、GO-CF和rGO-CF的表面形貌。图3a可见碳纤维表面相对光滑。图3b中则可见， EPD处理后，碳纤维表面被GO片紧密覆盖，碳纤维表面的粗糙和起皱结构是由于存在超薄和弯曲的GO片。图3c显然表明，rGO-CF具有相似的弯曲和起皱的薄片。在我们前期的工作中，用拉曼光谱和红外光谱对CF、GO-CF和rGO-CF的化学组成进行了表征[26]。

图3。表面形貌图：（a）CF，（b）GO-CF和（c）rGO-CF。

电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)

图4展示了具有不同CF含量的WPC的EMI SE、SEA和SER。如图4a所示，含碳纤维的木塑复合材料的SE值随X波段频率的增加而减小，随碳纤维质量分数的增加而增大。当CF含量为4 wt%时，SE达到23 dB。这一结果表明，为了达到渗透阈值和足够的EMI屏蔽水平，需要足够的CF在PVC矩阵中形成三维导电网络[27]。为了揭示EMI屏蔽机制，分别测量和计算SEA和SER，如图4b和c所示。根据等式4，a与X波段（8.2–12.4 GHz）的频率成正比。A随着频率的增加而增加。然而，根据式5，r与频率成反比。结果表明，随着频率的增加，SEA平值增大，而SER值急剧下降，导致SE值呈下降趋势。随着碳纤维含量的增加，SEA从10到21dB。当WPC中CF含量为1或2 wt%时，CF含量太低，无法相互连接并建立网络，因此SEA低于15 dB。然后，随着碳纤维含量的增加，导电结构的三维网络越来越紧密，形成了更大的导电路径，增加了介电损耗，导致SEA的增加。SER值比SEA低（从0.5到6dB不等），这表明吸收是主要的EMI屏蔽机制。

图4.不同

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