一种新型电磁波屏蔽涂料的制备与性能研究

1、一种新型电磁波屏蔽涂料的制备与性能研究    摘要：以镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须与镍粉作为屏蔽复合填料，制备了一种新型镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂电磁波屏蔽复合涂料，研究了不同含量的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须对屏蔽复合涂料的导电性和屏蔽性能的影响。结果表明：（1）屏蔽复合涂料中，镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的最佳含量为复合填料的5 wt%；（2）当涂层厚度为0.3 mm 时，该涂层的电阻率为1.32 cm，与不含晶须的涂层相比，电阻率降低了1.08 cm；（3）在300 kHz1.5GHz 频段内，该涂层的屏蔽效能为37.197 dB46.1

2、39 dB，与不含晶须的涂层相比，屏蔽效能提高了5.3859.854 dB。关键词：镀锡镍硅酸钙镁晶须；电磁屏蔽涂料；电磁屏蔽技术；导电性；屏蔽效能中图分类号：TD985,X505,TB3331引言由于比重小、造型设计灵活、加工方便和成本低廉，因而工程塑料在电子产品中的应用越来越广泛，但工程塑料在电磁场中易产生静电和滞电现象，对电磁场几乎无屏障作用。为了提高电子电气产品抗电磁波辐射的能力，除了需正确设计电路和合理布局电子元件外，采用电磁屏蔽涂料对其实施屏蔽是较为行之有效的技术途径之一1。目前，电磁波屏蔽涂料主要有银系、镍系和铜系等类型。尽管银、铜的导电性好，但银易迁移、铜易氧化，而且其成本过高

3、，这在一定程度上限制了银、铜系电磁波屏蔽涂料在EMC 中的推广应用。镍不易氧化，又能有效地屏蔽EM 射线，因此，镍系屏蔽涂料在电磁波屏蔽材料中占有较大比重，已成为当前欧美等国家主要的电磁屏蔽专用涂料2。我国对镍的消费市场需求较大，但由于受矿产资源条件等限制，镍资源短缺矛盾日渐突出，提高了镍系电磁波屏蔽涂料的成本，在一定程度上抑制了企业提高电子电气产品电磁兼容性的积极性。硅酸钙镁晶须是以四川某地天然透闪石-透辉石矿物为原料，通过水热生长法等制备而成的一种新型针状结构的硅酸盐晶须材料3。其原料来源广泛，制备工艺与设备简单，因此，硅酸钙镁晶须的成本低廉，作为复合材料增强体的效果良好；但其导电性较差，

4、在一定程度上影响了该晶须的使用范围。为此，笔者采用化学镀方法研制了一种新型镀锡镍硅酸钙镁晶须4，并将其与镍粉复合作为屏蔽填料，以环氧树脂为粘结剂，按照涂料制备的方法5，研制出了一种新型300 kHz1.5 GHz 屏蔽用含镀锡镍硅酸钙镁矿物晶须的新型屏蔽复合涂料，研究了不同含量的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须对屏蔽复合涂料的导电性和屏蔽性能的影响。2. 实验2.1 原材料微米级球形镍粉，其中，Ni>99.5 wt%，O<0.25 wt%，C<0.15 wt%，Fe<0.03 wt%，S<0.005基金项目：教育部博士点基金联合资助项目（20050616008）；四川省

5、青年基金项目（09ZQ026-047）；矿物学、岩石学、矿床学国家重点（培育）学科建设项目（SZD0407）wt%，其它杂质<0.05 wt%，平均粒度为25 m；镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须，其中， O=48.24 t%，Si=10.78 t %，Mg=5.44 t %，Ca=2.26 t %，Sn=22.45 t %，Ni=2.19 t %，Na=4.38t %，P=2.46 t %和S=1.80t %；环氧树脂；专用稀释剂等。2.2 屏蔽涂料与涂层的制备方法电磁波屏蔽复合涂料的基本组成见表1。以镍粉和镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的混合物为复合填料，其中，镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的含量

6、分别为0 wt%、1 wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%、6 wt%、7 wt%和8 wt%；以环氧树脂为粘结剂；以专用稀释剂调节涂料黏度。表1 屏蔽涂料的基础配方Table 1 The basic formula of the shielding coating名称 复合填料 环氧树脂稀释剂 助剂份数 70-90 10-30 根据涂料黏度适量加入微量按照屏蔽涂料与涂层制备方法5，制备了一种新型镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂电磁波屏蔽复合涂料及涂层，其具体方法如下：（1）填料的表面处理，通过测试涂层电性能的方法来优化选择偶联剂的种类及含量，本实验选用0.5-3%

7、的钛酸酯偶联剂对镀Sn-Ni硅酸钙镁晶须和镍粉填料进行表面处理；（2）混料处理，将环氧树脂和经过表面处理的填料及添加剂按一定比例称料混合，用少量溶剂稀释至粘稠状，并在三辊研磨机研磨2-4 遍；（3）涂料黏度调节与测定，涂料黏度根据具体施工要求确定，将研磨好的涂料加入稀释剂搅拌均匀，稀释剂的加入量根据涂料黏度确定，用涂-4 杯黏度测定仪测定黏度至10-30 S，封装备用；（4）涂层基体试样的预处理，以外径115 mm、内径10 mm 和厚度1-3 mm 的PVC 板作为电磁波屏蔽复合涂料附着的基体，将样板经砂纸打磨，并用香蕉水清洗干净后凉干；（5）涂层的制备：用喷涂法制备涂层，喷涂时将样板固定，

8、调节喷枪的气流量和喷出液面的宽度，将制备好的电磁屏蔽涂料均匀地喷涂于基板上，涂层厚度控制在0.3 mm；（6）涂膜的固化，将喷涂好的基板放入干燥箱里在50-100 预烘1030 min，然后取出于室温自然放置24-48 h 固化。2.3 涂层性能的测试方法（1）涂层的导电性测试：采用VC9807A+型数字万用电表测试涂层的电阻。（2）涂层的屏蔽效能测试：用屏蔽效能同轴测试设备进行测试材料电磁波屏蔽效能。设备的主要性能参数为：工作频率300 kHz-1.5 GHz，阻抗50 ，测量屏蔽效能的动态范围不小于100 dB。测试标准参见SJ20524-95材料屏蔽效能的测量方法6。3 结果与讨论3.1

9、 镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须对屏蔽材料导电性的影响图 2 为镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须不同含量对镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料导电性的影响的测试结果。00.511.522.530 1 2 3 4 5 6 7 8复合填料中镀Sn-Ni晶须的质量百分数/%屏蔽涂层电阻率/cm图2 镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须含量对屏蔽涂料电阻率的影响Fig. 2 The effects of content of Sn-coated Calcium-magnesium Silicate Whisker onthe resistivity of the shielding coating从图2

10、 可见，未添加镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率达到2.4 cm，随着镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须含量的逐渐增加，镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料电阻率逐渐降低，当镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须含量为5 wt%时，复合涂料的电阻率达到最低值1.32 cm，继续增加镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的含量，复合涂料的电阻率反而进一步增大。这表明，添加5 wt%的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率比不含晶须的涂层电阻率降低了1.08 cm，涂料的导电性能得到明显改善。环氧树脂是一种导电性很差的高分子物质，对电磁波几乎也没有屏蔽作用。镀

11、Sn-Ni硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料之所以能够导电，是由于导电填料粒子之间的相互接触状况形成一定的导电网骨架的缘故。其电导效应为各种载流子传输电荷量的总和，即iii i = n q v式中， 为涂层材料的电导率， i n 是载流子的浓度， i q 是载流子的电荷， i v 是载流子的迁移率。根据涂层中填料粒子的几何堆积理论可知，随着镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须含量的逐渐增加，由于纤维状镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的桥接作用使镍粉粒子之间的相互联接点增多，填料颗粒接触几率增多，形成的三维导电网络骨架更加完整致密。在电磁波的作用下，载流子的浓度增加，载流子的迁移通道增多，因此，涂层材料的

12、电导率自然会增大，相应的，涂层试样的电阻率就会逐渐降低。镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的含量达到5 wt%时，形成的三维导电网络骨架变得完整致密，载流子的迁移通道达到最大值，因此，镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率达到最低值。进一步增加镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的含量，会降低涂料的流动性和分散能力，降低涂膜的质量，因此，镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料构成的涂层的电阻率反而有所增大。3.2 镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须对屏蔽材料屏蔽效能的影响图 3 为镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须/镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料在300 kHz-1.5 GHz 频段的电磁屏

13、蔽效能测试结果。（a）不含镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须 （b）含5%镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须图3 镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须对屏蔽涂料屏蔽效能的影响Fig. 3 The effects of content of Sn-Ni-coated Calcium-magnesium Silicate Whiskeron shielding effectiveness of the shielding coating从图3（a）可见，在300 kHz-1.5 GHz 频段范围内，镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电磁波屏蔽效能为27.343 dB-40.754 dB，其最低值与最高值之差达到13.411 dB

14、，材料的整体屏蔽效果不好。从图5（b）可见，在300 kHz-1.5 GHz 频段范围内，含5 wt%的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的复合涂料的电磁波屏蔽效能为37.197 dB -46.139 dB，其最低值与最高值之差为8.942 dB，与不含镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电磁波屏蔽效能相比，屏蔽效能提高了5.385-9.854 dB。这表明添加5 %的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须使镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的整体屏蔽效果得到明显提高。这是由于没有镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的桥接作用，球型镍粉粒子之间呈点接触，颗粒之间的接触几率较少，形成的三维导电网络骨架较疏松，电磁

15、波可透过其与环氧树脂形成的涂层，因此，对电磁波的反射和吸收损耗较小，相应的，涂层的屏蔽效能较差。随着频率增高，屏蔽效能对导电性的依附作用增强，因此，在高频段，不含镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电磁波屏蔽效能较差，从而导致材料的整体屏蔽效果不理想。        4 结论（1）镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料中，随镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须含量的增加，涂料电阻率逐渐降低，继续增加镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须的含量，材料的电阻率反而会增大，镀Sn-Ni硅酸钙镁晶须的最佳含量为屏蔽复合填料含量的5 wt

16、%。（2）镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率为2.4 cm，添加5 %的镀Sn-Ni硅酸钙镁晶须的镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的电阻率为1.32 cm，比不含晶须的涂层电阻率降低了1.08 cm，涂料的导电性能得到明显改善。（3）在300 kHz-1.5 GHz 频段范围内，镍粉/环氧树脂屏蔽复合涂料的屏蔽效能为27.343dB-40.754 dB，最低值与最高值之差达到13.411 dB，涂层的屏蔽性能较差；而添加含5 %的镀Sn-Ni 硅酸钙镁晶须后，屏蔽效能达到了37.197 dB-46.139 dB，最低值与最高值之差缩小为8.942 dB，屏蔽效能提高了5.385-9.854 dB，涂

17、料的屏蔽性能得到明显改善。参考文献1 管登高,黄婉霞,陈家钊,等. 10kHz1GHz 含镀锡镍硅酸钙镁矿物晶须的新型屏蔽涂料的研制及其在EMC 中的工程应用J. 电讯技术，2000，(6)：13-18.2 吴行,饶大庆,谢宁,等. 镍基电磁屏蔽涂料的研究J.功能材料,2001,32(3)：240-243 孙传敏. 用天然矿物透闪石制备硅酸钙镁晶须J. 成都理工大学学报(自然科学版)，2005，32(1)：65-71.4 管登高，孙传敏，林金辉，等. 硅酸钙镁矿物晶须表面化学镀锡镍配方及工艺P.中 国专利：200910216280.9，2009-11-20.5 管登高镍基电磁波屏蔽复合涂料制备

18、及在EMC 中的工程应用 J电子元件与材料，2004，23(2)：41-436 SJ20524-95,材料屏蔽效能的测量方法S.Preparation and properties of a new type of electromagneticshielding composite materialSun Chuanmin1, Guan Denggao1,2, Sun Yao2, Lin Jinghui1, Wang Ziyou2,Lu Changshou21. College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chen

19、gdu, Sichuan (610059)2. College of Materials and Chemistry & Chemical Engineering, Chengdu University of Technology,Chengdu, Sichuan（610059）AbstractA new type of Sn-Ni-coated calcium-magnesium silicate whisker/nickel powder/epoxy resinelectromagnetic shielding composite coating was prepared by p

20、reparation methods of paints usingSn-Ni-coated whisker and nickel powders as filler and using epoxy resin as binder. The effects of thewhisker on the electric conductivity and electromagnetic wave shielding effectiveness of the coatingwere studied. The experiment shows that: (1) The optimum addition amount of Sn-Ni-coatedcalcium-magnesium silicate whisker is 5 wt%