柔性纳米纤维/金属纳米粒子复合膜的制备及电磁屏蔽性能的研究

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随着现代通讯技术和各种电子设备的广泛使用,空间中产生了大量密集且强烈的电磁辐射。不仅威胁着人们的身体健康,还对精密的仪器造成严重干扰,电磁波成为继噪音、空气和水污染后的第四大公害。探索性能优异的电磁屏蔽材料已经成为迫切需要解决的问题。近年来,屏蔽材料的设计向着薄型化、轻量化、宽频段和强吸收方向发展,取得了大量的成果。优异的电磁屏蔽性能要求材料具有较好的电导率,常用的材料主要有金属材料、碳材料、导电高分子等。金属材料由于其高的电导率、易加工等优点,被广泛应用于电磁屏蔽材料的研究。但由于密度大、柔性差等缺点限制了其实际应用。金属与聚合物的复合可有效降低材料的密度,实现较强的力学性能,成为研究的热点。目前,该领域的研究主要集中在金属粒子或纳米线等与聚合物的机械混合或发泡处理。然而,低的金属含量无法实现性能要求,而提高含量又会导致填料严重团聚,不仅无法显著的增加电导率,还会降低机械性能和可加工性。本文利用高压静电纺技术制备聚合物纳米纤维,结合化学沉积技术在其表面生长金属纳米粒子,得到了交联聚丙烯腈(CPAN)纳米纤维(NF)/金属纳米粒子(MNPs)复合膜。研究了其在X波段(812.4GHz)、Ku波段(1218GHz)、K波段(1826.5 GHz)的电磁屏蔽性能。CPAN NF/MNPs很好的保留了金属优良的电导率,在利用复合纳米结构的优势得到较高电磁屏蔽性能的同时,实现了密度的降低和机械柔性的增加。本论文的研究内容包括以下三个部分:(1)通过高压静电纺丝技术结合金属化学沉积方法,在交联的PAN纳米纤维表面生长具有磁性的金属镍纳米粒子,得到了CPAN NF/Ni NPs复合纳米纤维膜。该复合膜材料表现出较好的电磁屏蔽性能,当化学沉积时间为90 min时,实现了最好的综合屏蔽性能。其电导率为1001.28 S cm-1;电磁屏蔽效率可达49.80 dB(厚度为34μm);SSE和SSEt分别可达40.49 dB cm3 g-1和11908.18 dB cm2 g-1;拉伸强度为11.88 Mpa,断裂伸长率为8.36%。(2)为了提高金属化纳米纤维膜的电磁屏蔽性能,在交联的PAN纳米纤维表面生长具有更好电导率的铜纳米粒子,得到CPAN NF/Cu NPs复合纳米纤维膜。该复合膜材料表现出优异的电磁屏蔽性能,当化学沉积时间为90 min时,实现了最好的综合屏蔽性能。其电导率可达10004.61 S cm-1;电磁屏蔽效率为57.69 dB(厚度为35μm);SSE和SSEt分别可达49.31 dB cm3 g-1和14941.72 dB cm2 g-1;拉伸强度为5.78 Mpa,断裂伸长率为10.92%。(3)为了进一步提高材料的电磁屏蔽性能,通过金属化学沉积方法,在交联的PAN纳米纤维表面生长导电性最好的金属银粒子,得到CPAN NF/Ag NPs复合纳米纤维膜,其电磁屏蔽性能达到三种复合纤维膜的最高值。当化学沉积时间为90 min,实现了最好的综合屏蔽性能。由于其电导率可高达61110.65 S cm-1,电磁屏蔽效率可达到83.50 dB(厚度为35μm);SSE和SSEt分别为39.39 dB cm3 g-1和11254.43 dB cm2 g-1;断裂强度和断裂伸长率分别为18.02 MPa和9.99%。
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