一種納米片狀摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料及其製備方法與流程
2023-05-23 13:43:36 1
本發明屬於電磁屏蔽技術領域，具體涉及一種具有納米片狀摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料，以及一種通過化學氧化聚合製備具有納米片狀摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料的方法。
背景技術：
精密儀器及設備在工作中，往往會產生電磁幹擾和電磁輻射從而影響設備的正常運行，設置電磁屏蔽層是一種簡便有效的防止電磁幹擾和輻射危害的方法。傳統的金屬板材製成的電磁屏蔽材料由於重量重，安裝困難以及成本較高而限制了它的適用性。導電高分子材料中的聚苯胺，原料易得，製備簡單，環境穩定性好，電導率大小可調，成為新型電磁屏蔽材料之一。聚苯胺形態可控，可通過調節得到各種形態結構，如納米粒子、納米棒、納米管、納米纖維。微納結構聚苯胺集合了聚苯胺的優異導電高分子性能和納米顆粒材料的功能性於一身，納米片狀結構使得二維方向上聚苯胺顆粒之間的有效接觸面積增大，有利於提高其電學性能和屏蔽效能。目前用於製備聚苯胺納米片狀結構的方法主要採用模板法。使用模板法製備聚苯胺過程中模板劑不易除去，且使用的有機溶劑存在環境汙染問題，形貌參數不易調控。
CN200810150265.4公開了一種使用脂溶性視黃醇為模板劑，通過模板聚合製備聚苯胺納米結構片狀的方法。此種方法引入了外界物質作為模板，在得到產物過程中需要去除模板，且模板的存在一定程度上降低了製備聚苯胺的電導率。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服傳統金屬系電磁屏蔽材料的缺點，同時通過材料的結構設計，提供一種屏蔽效能高、屏蔽範圍廣、質輕、價廉的摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料及其製備方法。
本發明提供的納米片狀摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料，其特徵在於所述的電磁屏蔽材料呈現納米片狀形貌，平均尺寸為1～6μm，厚度為13～95nm，且片狀大小可控。
本發明提供的摻雜聚苯胺基電磁屏蔽材料，其特徵在於摻雜聚苯胺是採用化學氧化法製備的。
本發明提供的納米片狀摻雜聚苯胺基電磁屏蔽材料製備方法包括如下步驟：
(1)分別配置磷酸與十二烷基苯磺酸的酸溶液，兩種酸溶液的濃度均為0.5～2.0mol/L；
(2)稱取適量氧化劑溶於十二烷基苯磺酸溶液，記為溶液A，氧化劑在溶液A中含量是0.99～3.94mol/L；取苯胺單體溶於磷酸溶液中，記為溶液B，苯胺單體在溶液B中含量是1.64～4.93mol/L；所述磷酸與十二烷基苯磺酸的摩爾比為0.67～2.67，所述氧化劑為過硫酸銨，重鉻酸鉀，高錳酸鉀中的一種，將上述溶液超聲分散均勻後冷卻至‐10～0℃；
(3)將溶液A緩慢滴入溶液B中，在‐10～0℃下發生氧化聚合反應，反應時間為1～12h；
(4)反應完畢後，將反應產物進行過濾和洗滌，真空乾燥後即得納米片狀摻雜聚苯胺基電磁屏蔽材料。
本發明的有益效果如下：
(1)聚合條件簡單。不使用外來模板或介質，反應原料易得，可操作性強。
(2)所得電磁屏蔽材料中聚苯胺結構可控，通過控制混合酸中兩種酸的摩爾比及單體濃度就可以控制納米片狀聚苯胺的尺寸大小。
(3)所得電磁屏蔽材料能有效提高聚苯胺的接觸面積，提高電學性能，增加與電磁波的接觸面積，進而提升摻雜聚苯胺對電磁波的吸收效果和屏蔽效能。
附圖說明
圖1為本發明實施例1製備的納米片狀摻雜聚苯胺的掃描電鏡圖。
圖2為本發明實施例1製備的納米片狀摻雜聚苯胺的電磁屏蔽效能圖。
具體實施實施例
下面結合實施例和附圖，對本發明的技術方案進行更加清楚完整的描述。
實施例1
首先分別配置1.5mol/L磷酸及1.5mol/L十二烷基苯磺酸的酸溶液。將過硫酸銨溶解於20mL十二烷基苯磺酸溶液中，濃度為1.97mol/L，將此溶液稱為A；將苯胺單體分散於10mL磷酸溶液中，濃度為3.29mol/L，記為溶液B。將A和B兩種混合液超聲分散0.5h後冷卻至0℃。將A置於恆壓漏鬥中，控制B溶液溫度為0℃，對B溶液進行攪拌，攪拌速度為300轉/分鐘，將A溶液逐滴滴入B中，保持滴加速度恆定，0.5h後滴加完畢。在此溫度下繼續攪拌反應4h。反應結束後，將含有目標產物的混合液抽濾，用去離子水和無水乙醇反覆洗滌至濾液無色透明並呈現中性。所得產物用真空烘箱60℃處理24h，得到納米片狀摻雜聚苯胺電磁屏蔽材料。所述電磁屏蔽材料的掃描電鏡圖如圖1所示，呈現出二維片狀結構，其平均尺寸約為3.2μm，厚度約為35nm，將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為40dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例2
方法如實施例1，只是將反應溫度降低至‐5℃。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中略有降低，為2.6μm，厚度增加至43nm。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為35dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例3
方法如實施例1，只是將反應溫度降低至‐10℃。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為2.1μm，厚度增加至49nm。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為31dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例4
方法如實施例1，只是將反應時間減少為1h。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為1.7μm，厚度減小至19nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為21dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例5
方法如實施例1，只是將反應時間增加至12h。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中增加，為5.8μm，厚度增加至73nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為33dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例6
方法如實施例1，只是將過硫酸銨的濃度減小為1.64mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為2.1μm，厚度約40nm。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為31dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例7
方法如實施例1，只是將過硫酸銨的濃度減小為1.31mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為1.8μm，厚度增加至67nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為25dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例8
方法如實施例1，只是將氧化劑改變為重鉻酸鉀。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為1.9μm，厚度為31nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為19dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例9
方法如實施例1，只是將氧化劑改變為高錳酸鉀。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，為2.3μm，厚度為37nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為23dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例10
方法如實施例1，只是將磷酸濃度調整為0.5mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中增大，為3.7μm，厚度增加至53nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為33dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例11
方法如實施例1，只是將磷酸濃度調整為2mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中有所減小，為2.7μm，厚度減小至25nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為31dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例12
方法如實施例1，只是將十二烷基苯磺酸濃度調整為2.0mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中增大，為4.5μm，厚度增大至95nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為35dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例13
方法如實施例1，只是將十二烷基苯磺酸濃度調整為0.5mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中有所減小，為2.3μm，厚度為29nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為31dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例14
方法如實施例1，只是將苯胺在B溶液中的濃度調整為1.64mol/L，將過硫酸銨在A溶液中的濃度調整為0.99mol/L。檢測此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中減小，約為1.1μm，厚度減小至15nm。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為20dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例15
方法如實施例1，只是將苯胺單體在B溶液中的濃度調整為4.93mol/L，將過硫酸銨在A溶液中的濃度調整為2.96mol/L。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中有所增大，約為4.8μm，厚度增加至71nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為30dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例16
方法如實施例1，只是將磷酸用量調整為20mL，十二烷基苯磺酸用量調整為10mL。檢測此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中有所減小，約為2.8μm，厚度減小至30nm左右。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為29dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
實施例17：
方法如實施例1，只是將磷酸和十二烷基苯磺酸用量均調整為15mL。將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試此種摻雜聚苯胺平均尺寸較實施例1中有所減小，約為1.4μm，厚度減小至13nm左右。測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能為20dB左右。材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能列於表1中。
對比例
CN200810150265.4中的實施例1，將製備的材料壓製成0.35mm厚的薄片，測試其在電磁波頻率為8.2～12.4GHz下的電磁屏蔽效能。將材料的電磁屏蔽效能列於表1中。
通過實施例1～17，可以看出本發明公開的納米片狀摻雜聚苯胺的微觀形貌具有可調控性，此種聚苯胺具有優異的電磁屏蔽效能。
通過實施例1～5的比較，可以看出反應時間對聚苯胺的微觀形貌有所影響，同時對屏蔽效能有所影響。
通過實施例1～17與對比例的比較，可以看出採用本發明所述方法可以製備出高比表面積，高屏蔽效能的電磁屏蔽材料。
表1材料微觀結構尺寸及電磁屏蔽效能
上述實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明。顯然，本發明並不局限於所描述的實施例。基於本發明中的實施例，熟悉本技術領域的人員還可據此做出多種變化，但任何與本發明等同或相類似的變化都屬於本發明保護的範圍。