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氧化锆珠在水性电磁屏蔽涂料的应用

发布日期:2021-03-04 21:41 浏览次数:

本文采用炭黑、石墨粉和石墨烯为导电材料调配出一种水性电磁屏蔽涂料,可做内墙底漆使用,对水泥、砂浆、腻子、石膏、砖石均有较强的附着力,电磁屏蔽涂料的最佳配方为:导电浆料∶粘合剂基料=70%∶30%,石墨烯∶炭黑∶石墨粉=40%∶30%∶30%。经权威部门测试,在0.3MHz~40GHz频段的屏蔽效能40.1~62.3dB;将水性电磁屏蔽涂料应用于屏蔽室施工中,实测涂料墙200MHz~3.0GHz频段的屏蔽效能42~48dB,具备较好的屏蔽效果。

屏蔽室施工通常采用金属板焊接,尽管屏蔽效果好,但是造价偏高,不利于推广普及[1];如果改用电磁屏蔽涂料施工,则造价显著降低,有利于大规模推广。水性电磁屏蔽涂料采用碳系导电材料和水性粘合剂配制而成,产品中不含银、铜、镍等金属颗粒,抗氧化性极佳,不会氧化生锈,屏蔽效能持久。水性电磁屏蔽涂料中不含苯、铅、汞等有害物质,不含有毒溶剂,对人体和环境无毒副作用,属于绿色建材。水性电磁屏蔽涂料可做内墙底漆使用,对水泥,砂浆、腻子、石膏、砖石、木材、布料均有优异的附着力,而且使用寿命长;在水性电磁屏蔽涂料干燥后,再涂刷白色或彩色内墙面漆,即可达到遮盖和美化效果。 
水性电磁屏蔽涂料使用炭黑、石墨粉和石墨烯作为导电材料。采用液相剥离法来制备的石墨烯,产品纯度高,缺陷较少,导电性能优异[2],与炭黑、石墨粉复合,导电性能良好,在电磁屏蔽涂料领域中具备较高的应用价值。
 
1实验部分
1.1试剂和仪器
乙炔炭黑:国产,表观比容≥14cm3/g,吸碘值≥460g/kg,电阻率≥2.0Ω·m;石墨粉:国产,纯度99.5%,粒度1000目;薄层石墨烯:国产,厚度1~10层,片径≤15μm,电导率100000S/m;多层石墨烯:美国,厚度20纳米,片径≤10μm,电导率100000S/m;丙烯酸粘合剂乳液:国产,含固量≥50%,粘度3000-4000mPa.s;无石棉纤维水泥板:测试建筑涂料标准板,规格150mm*70mm*4mm;IKAEUROSTAR60顶置式搅拌器;BrookfieldDV-I+数字粘度计;200ml立式砂磨机;RTS-9双电测四探针测试仪;BT-9300S激光粒度分布仪。
1.2水性电磁屏蔽涂料加工工艺 
首先采用碳导电材料、分散剂、水等为原料,经混合、研磨,加工成导电浆料;然后将成膜剂、流平剂、防霉防腐剂与粘合剂乳液混合制成粘合剂基料;最后将导电浆料和粘合剂基料按比例混合,调配成水性电磁屏蔽涂料。加工生产过程中无VOC排放、无副产和三废产生。(见图1)
1.3测试方法
外观、容器中状态、施工性、涂膜外观、干燥时间:参照GB/T9756-2009《合成树脂乳液内墙涂料》;附着力:GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》;方块电阻:采用RTS-9四探针测试仪;
表面电阻:采用表面电阻测试仪;刷涂厚度:采用数字千分尺法;黏度:采用Brookfield,4#转子,10rpm,20℃;
屏蔽效能(屏蔽材料):参照GJB6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》;
屏蔽效能(屏蔽室):参照GB/T12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》。

2结果与讨论
2.1研磨介质对导电材料粒径的影响: 
导电材料采用炭黑:石墨粉=50%:50%,分散剂为BYK-190,砂磨机转数1430rpm,研磨时间1h,制得的导电浆料用激光粒度仪测定粒度分布,下面探讨不同材质研磨介质对导电材料粒径的影响规律。

从图2可知,1.0~1.5mm玻璃珠研磨效果较差,研磨后的碳导电材料粒度分布宽,粒径偏大;而1.0~1.2mm氧化锆珠研磨效果明显改善,研磨后的碳导电材料粒度分布窄,平均粒度0.5~10μm,具有明显的双峰分布特征。
从图3可知,不同种类研磨介质的研磨效果排序为:氧化锆珠(95%)>硅酸锆珠>玻璃珠;其中,1.0~1.2mm氧化锆珠研磨效果最好,使用粒径较大或较小锆珠,研磨效果下降。将导电材料研磨成更小的颗粒,可以在电磁屏蔽涂料成膜后形成更多的导电网络,有利于提高导电性,增强屏蔽效果。

2.2导电材料用量对涂料导电性的影响
在调配电磁屏蔽涂料过程中,导电浆料与粘合剂基料的配比对涂料的导电性影响较大,采用上述2.1中制备的导电浆料为原料,与粘合剂基料按不同比例混合,调配出电磁屏蔽涂料,并测试导电性能,研究导电浆料用量对涂料导电性的影响规律。

从图4可知,随着导电浆料用量的增加,电磁屏蔽涂料的导电性迅速提高,方块电阻迅速下降;当导电浆料:粘合剂基料=70%∶30%时,方块电阻10Ω/□,导电性比较理想;继续增加导电浆料比例,导电性变化不大。所以,导电浆料:粘合剂基料的最佳比例为70%∶30%。
2.3石墨烯对涂料导电性的影响
采用炭黑和石墨粉为导电材料,只能调配出方块电阻10Ω/□的电磁屏蔽涂料,下面利用石墨烯替代40%的炭黑和石墨粉,调配成电磁屏蔽涂料后测试导电性,研究石墨烯对涂料导电性的影响,图5、图6是添加石墨烯后的涂层SEM照片。

从图5、图6可以看出,石墨烯层状排列构成导电网络主体,炭黑和石墨粉填充到空隙中,形成更多的导电网络,进一步提升导电性。在添加中国生产的薄层石墨烯后,涂料导电性从10Ω/□提高到5~6Ω/□;添加美国生产的多层石墨烯,涂料导电性从10Ω/□提高到5Ω/□;添加石墨烯可使涂料导电性提高一倍。
2.4水性电磁屏蔽涂料测试结果 
水性电磁屏蔽涂料在无石棉纤维水泥板(测试建筑涂料标准板)上涂刷,按照1.3中的测试方法检测各项应用性能,实测结果如表1所示。

经北京无线电计量测试研究所测试,在0.3MHz~40GHz频段,屏蔽效能40.1~62.3dB。

3实际施工效果 
3.1施工方案
基材处理:水泥墙面需用腻子补平凹凸处,打磨平整,再刷一遍界面剂;搅拌涂料:水性电磁屏蔽涂料使用前需用600转/分钟搅拌器搅拌10min;施工方法:一般推荐滚涂,也可以刷涂、无气
喷涂;
涂刷用量:通常1kg涂料刷1~2m2墙面;表干时间:1~2h,实干时间16~24h(正常室温);
施工和保养条件:5~40℃,环境湿度<85%,保养时间3天(25℃);
涂刷面漆:电磁屏蔽涂料干透后,再刷两遍内墙面漆。
3.2施工效果
在空军某部雷达站屏蔽室施工中,底漆涂刷水性电磁屏蔽涂料,面漆涂刷白色内墙乳胶漆,完工后墙壁洁白,遮盖效果良好,与普通装修无异,实现了屏蔽性能与装修效果的统一。
经北京无线电计量测试研究所现场测试,在200MHz~3.0GHz频段,涂料墙的屏蔽效能42~48dB,达到预期目标。
4结论
(1)当导电浆料∶粘合剂基料=70%∶30%,
炭黑∶石墨粉=50%∶50%时,可以调配出方块电阻10Ω/□的水性电磁屏蔽涂料;采用石墨烯∶炭黑∶石墨粉=40%∶30%∶30%的比例,涂料导电性可提高一倍。
(2)经权威部门测试,0.3MHz~40GHz频段,水性电磁屏蔽涂料的屏蔽效能40.1~62.3dB。
(3)将水性电磁屏蔽涂料应用于空军某雷达站屏蔽室施工中,实测200MHz-3.0GHz频段,涂料墙的屏蔽效能42~48dB,达到设计要求,获得用户好评。

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