一种低反射高屏蔽水性聚氨酯电磁屏蔽复合泡沫的制备方法技术

本发明专利技术涉及功能复合材料领域，具体为一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法。本发明专利技术通过调控不同填料的密度以及充分利用冷冻取向方法来实现屏蔽材料的低反射高屏蔽特征。首先将具有优异电导率的膨胀微球负载银纳米粒子和导电性能与磁性能均衡的石墨烯负载铁钴纳米粒子与水溶性聚氨酯混合，通过冷冻干燥法制备电磁屏蔽泡沫。通过调控不同类型填料的密度实现填料的局部分布，上层低密度高导电膨胀微球负载银纳米粒子能够保证泡沫屏蔽性能的高效化；下层高密度磁性石墨烯负载铁钴纳米粒子能够降低电磁波反射，同时通过磁滞损耗对电磁波进行有效吸收。获得具有低反射高屏蔽特征电磁屏蔽复合泡沫。

Preparation method of low reflection and high shielding waterborne polyurethane electromagnetic shielding composite foam

The invention relates to the field of functional composite materials, in particular to a preparation method of low reflective high shielding waterborne polyurethane / graphene loaded iron cobalt / expanded microsphere loaded silver electromagnetic shielding composite foam. The invention realizes the low reflection and high shielding characteristics of shielding material by adjusting the density of different fillers and making full use of the freezing orientation method. Firstly, the silver nanoparticles with excellent electrical conductivity and silver nanoparticles with conductive properties and magnetic properties were used to mix the graphene loaded iron cobalt nanoparticles with water-soluble polyurethanes. The electromagnetic shielding foam was prepared by freeze drying method. By adjusting the density of different types of fillers, the local distribution of fillers can be achieved. The silver nanoparticles with high density, high conductivity and high conductivity can ensure the high efficiency of foam shielding performance. The low density magnetic graphene loaded iron cobalt nanoparticles can reduce the electromagnetic wave reflection and effectively absorb the electromagnetic wave through hysteresis loss. An electromagnetic shielding composite foam with low reflection and high shielding characteristics was obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种低反射高屏蔽水性聚氨酯电磁屏蔽复合泡沫的制备方法
本专利技术涉及功能复合材料领域，具体为一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法。
技术介绍
随着通讯、广播、雷达以及家用电器等各类电磁辐射系统的广泛应用，复杂、恶劣的电磁环境已经成为人们看不见、听不着也不易察觉的第4大污染，即电磁污染。电磁污染、甚至电磁脉冲武器系统的应用，给船舶电子系统、电磁脉冲测试系统以及电子设备的设计带来了新的挑战，即系统的电磁兼容性问题，也造成了越来越多的灾害和事故。因此，开发出频带宽、屏蔽效能高的电磁屏蔽材料对于电磁危害防护的意义重大。随着现代电子工业的迅速发展，高度集成的高功率无线通信系统和电子设备急剧增加，制备具有高屏蔽效能的轻质电磁屏蔽泡沫已经成为亟待解决的问题。提高电磁屏蔽复合材料的电导率是实现其屏蔽效能高效化的有效手段[Shahzad,Faisal,etal.Science353.6304(2016):1137-1140；Lee,Tae-Won,etal.ACSAppl.Mater.Interfaces8.20(2016):13123-13132；Jia,Li-Chuan,etal.ACSAppl.Mater.interfaces10.14(2018):11941-11949.]，但是较高的电导率往往会使入射电磁波在屏蔽材料表面大量反射，造成二次污染。尤其在高精密的电子仪器中，反射的电磁波会对仪器设备本身造成干扰，因此制备具有低反射特征高屏蔽效能的屏蔽泡沫显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种制备工艺简单且具有低反射和高屏蔽特性的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法，石墨烯负载铁钴纳米粒子、膨胀微球负载银纳米粒子以及水性聚氨酯共混均匀后，低密度的膨胀微球负载银纳米粒子会浮于水性聚氨酯溶液上层、高密度的石墨烯负载铁钴纳米粒子会沉于水性聚氨酯溶液下层，然后将混合溶液放到浸入在液氮中的冷台上，利用温度梯度使冰晶自下而上生长，冰晶生长过程一方面驱使膨胀微球负载银纳米粒子进一步分布于混合溶液上层，另一方面使聚氨酯形成取向结构，待溶液完全冷冻后转移至冷冻干燥机，利用冷冻干燥的方法去除水分，得到具有低反射高屏蔽特征的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫。作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述复合泡沫中石墨烯负载铁钴纳米粒子的含量为5wt％～10wt％，膨胀微球负载银纳米粒子的含量为5wt％～15wt％。作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述石墨烯负载铁钴纳米粒子的密度为8.38g/cm3，电导率为2×10-2S/m，磁饱和强度为39.7emu/g。作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述膨胀微球负载银纳米粒子的密度为0.027g/cm3，电导率为5.2×104S/m。作为本专利技术技术方案的进一步改进，水性聚氨酯的密度为0.95g/cm3，固含量为35wt％(水性聚氨酯的固含量)。作为本专利技术技术方案的进一步改进，所述复合泡沫的电导率随着石墨烯负载铁钴纳米粒子和膨胀微球负载银纳米粒子含量的增加而上升，所述复合材料的电磁屏蔽效能随着石墨烯负载铁钴纳米粒子和膨胀微球负载银纳米粒子含量而逐步增加。本专利技术利用不同填料(石墨烯负载铁钴纳米粒子、膨胀微球负载银纳米粒子)与聚合物基体(水性聚氨酯)的密度差，通过冷冻干燥方法来实现屏蔽材料的低反射高屏蔽特征。上层低密度高导电膨胀微球负载银纳米粒子能够保证泡沫屏蔽性能的高效化；下层高密度磁性石墨烯负载铁钴纳米粒子能够降低电磁波反射，同时通过磁滞损耗对电磁波进行有效吸收。最终获得具有低反射高屏蔽特征的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫。本专利技术通过制备具有低反射高屏蔽特征的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫，能够在有效减少电磁波反射的前提下，显著提高复合泡沫的电导率和电磁屏蔽性能，实现复合泡沫低反射、高导电、高电磁屏蔽性能的目标；同时，通过改变填料的加入量，可以调节复合泡沫的电导率以及电磁屏蔽性能，得到电导率和电磁屏蔽性能稳定、轻质的电磁屏蔽复合泡沫。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为膨胀微球负载银纳米粒子前后的扫描电镜图。从图中可以看出，通过化学沉积手段，在微球表面形成了均匀的银层，能够有效改善微球的电导率。通过对导电性能进行测试，膨胀微球负载银纳米粒子的电导率达到5.2×104S/m。其中，上面一排(a)、(b)、(c)为膨胀微球的扫描电镜图，下面一排(d)、(e)、(f)为膨胀微球负载银纳米粒子的扫描电镜图。图2为所制备的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴(10wt％)/膨胀微球负载银(15wt％)电磁屏蔽复合泡沫的扫描电镜图。从图中可以看出，通过对填料密度的调控及冷冻干燥制备技术，实现了填料在复合泡沫内部的局部分布。冰晶生长过程中使聚氨酯形成如图2所示的竖向泡孔的取向结构，此取向结构的泡沫材料相对于横向泡孔或其他不规则泡孔结构，柔韧性和回弹性更好。在本专利技术中，所述取向结构指的是泡孔壁沿冰晶生长方向平行排列。图3为所制备的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴(10wt％)/膨胀微球负载银(15wt％)电磁屏蔽复合泡沫中Ag、Co、Fe元素的分布图。由图可以看出，绝大部分膨胀微球负载银纳米粒子集中于石墨烯负载铁钴纳米粒子上部，极其微量的膨胀微球负载银纳米粒子位于石墨烯负载铁钴纳米粒子内，且石墨烯负载铁钴纳米粒子集中于复合泡沫下层。图4为使用铺膜法制备的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合薄膜，与冷冻干燥法制备得到的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫相比，两种填料在薄膜的上层和下层均有分布，未呈现明显的局部分布形态，由此导致复合薄膜屏蔽效能偏低但反射效能偏高(性能参数见对比例一)。图5为所制备的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的电导率图。从图中可以看出复合泡沫的电导率随着填料含量的增加而上升，最高可达到380.7S/m。图6为所制备的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的电磁屏蔽效能图。从中可以看出，复合材料的电磁屏蔽效能随着填料含量而逐步增加，最高能够达到84.9dB。从图中可以看出，通过对填料密度调控制备的复合泡沫能够有效降低复合材料的反射效能，最低能够达到0.34dB。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细的说明。实施例一：水性聚氨酯/石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法，其特征在于，石墨烯负载铁钴纳米粒子、膨胀微球负载银纳米粒子以及水性聚氨酯共混均匀后，低密度的膨胀微球负载银纳米粒子会浮于水性聚氨酯溶液上层、高密度的石墨烯负载铁钴纳米粒子会沉于水性聚氨酯溶液下层，然后将混合溶液放到浸入在液氮中的冷台上，利用温度梯度使冰晶自下而上生长，冰晶生长过程一方面驱使膨胀微球负载银纳米粒子进一步分布于混合溶液上层，另一方面使聚氨酯形成取向结构，待溶液完全冷冻后转移至冷冻干燥机上，利用冷冻干燥的方法去除水分，得到具有低反射高屏蔽特征的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫。

【技术特征摘要】
1.一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法，其特征在于，石墨烯负载铁钴纳米粒子、膨胀微球负载银纳米粒子以及水性聚氨酯共混均匀后，低密度的膨胀微球负载银纳米粒子会浮于水性聚氨酯溶液上层、高密度的石墨烯负载铁钴纳米粒子会沉于水性聚氨酯溶液下层，然后将混合溶液放到浸入在液氮中的冷台上，利用温度梯度使冰晶自下而上生长，冰晶生长过程一方面驱使膨胀微球负载银纳米粒子进一步分布于混合溶液上层，另一方面使聚氨酯形成取向结构，待溶液完全冷冻后转移至冷冻干燥机上，利用冷冻干燥的方法去除水分，得到具有低反射高屏蔽特征的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫。2.根据权利要求1所述的一种低反射高屏蔽的水性聚氨酯/石墨烯负载铁钴/膨胀微球负载银电磁屏蔽复合泡沫的制备方法，其特征在于，所述复合泡沫中石墨烯负载铁钴纳米粒子的含量为5wt%~10wt%，膨胀微球负载银纳米粒子的含量为5wt%~15wt%。3.根据权利要求2所述的一种低反射高屏蔽...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，杨雅琦，朱慧鑫，盛安，段宏基，赵贵哲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14