不同復(fù)合沉積方式制備導(dǎo)電海綿的研究

戴冰潔，陳紅輝, ，陳立新，吳一帆，喻鵬,*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南中鋰新材料有限公司，湖南 常德 415001）

隨著高科技電子產(chǎn)品的普及使用，對(duì)人類身體健康產(chǎn)生損害的電磁輻射也隨之出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外大量研究者開(kāi)始認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)并廣泛研究如何降低甚至避免電磁輻射對(duì)人體健康的影響[1-3]。其中，具有可以大幅降低材料密度，賦予材料良好彈性、抗疲勞性、隔熱性等性能的多孔材料[4-5]由于還具有壓阻特性和可調(diào)諧的電磁屏蔽性能[6]，受到了廣大研究人員的青睞。設(shè)計(jì)能高效屏蔽電磁波且兼具多種功能化應(yīng)用性能(如自清潔[7]、自愈合[8]、阻燃[9]等)的多孔結(jié)構(gòu)材料也成為研究熱點(diǎn)。基于此，本文采用電沉積及化學(xué)沉積的方式，在聚氨酯海綿表面復(fù)合沉積納米埃洛石管(Al4[Si4O10](OH)8)，重點(diǎn)探討了不同工藝對(duì)導(dǎo)電海綿的電磁屏蔽性能及阻燃性能的影響，以期為擴(kuò)展電磁屏蔽材料的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料及試劑

多孔聚氨酯海綿(50.0 cm × 50.0 cm × 0.1 cm，孔徑50 μm，開(kāi)孔率95%)由東莞永迪提供，納米埃洛石管(分析純，SiO243%，Al2O335%，粒徑100 nm)購(gòu)自廣州新稀冶金化工，其他試劑均為市售分析純。

1.2 分析測(cè)試

電鍍采用直流電源(20 A/12 V，廣東金順怡)，樣品的表觀形貌由掃描電鏡(JSM-6360LV)表征； 電阻采用四探針儀(ST-2253)測(cè)量；電磁屏蔽性能采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent-5242A)在頻率1～10 GHz的范圍內(nèi)測(cè)試；阻燃性能采用錐形量熱儀(Stanton Redcroft)測(cè)試。

1.3 樣品制備

1.3.1 化學(xué)沉積

工藝流程：除油→粗化→還原→敏化→活化→化學(xué)鍍。

采用文獻(xiàn)[10]的復(fù)合化學(xué)鍍工藝，前處理按常規(guī)進(jìn)行，化學(xué)鍍工藝參數(shù)如下：硫酸鎳28 g/L，次磷酸鈉26 g/L，檸檬酸三鈉6 g/L，納米埃洛石管0.25 g/L，乙酸鈉15 g/L，丁二酸8 g/L，十二烷基苯磺酸鈉0.01 g/L，pH 4.5，溫度85 °C，時(shí)間30 min。

1.3.2 電沉積

采用PVD(物理氣相沉積)工藝在真空度1.0 × 10?2Pa、靶功率10 kW的條件下對(duì)聚氨酯海綿進(jìn)行30 min的導(dǎo)電處理。將0.25 g/L納米埃洛石管添加至由180 g/L硫酸鎳、35 g/L氯化鎳和30 g/L硼酸組成的電鍍液中分散。電沉積工藝條件為：pH 4.5，電流密度3.0 A/dm2，時(shí)間10 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積方式對(duì)導(dǎo)電海綿鍍層厚度的影響

將不同沉積工藝制備的導(dǎo)電海綿肋條進(jìn)行剝離，通過(guò)掃描電鏡分析晶體尺寸。從圖1可以看出，采用電沉積方式獲得的復(fù)合鍍層平均厚度為15.03 μm，化學(xué)沉積樣品的復(fù)合鍍層平均厚度為10.38 μm：電沉積的沉積效率明顯高于化學(xué)沉積。

圖1 不同沉積方式所得導(dǎo)電海綿的鍍層厚度 Figure 1 Thickness of coatings prepared on conductive sponges by different deposition methods

2.2 沉積方式對(duì)導(dǎo)電海綿導(dǎo)電性的影響

多孔聚氨酯導(dǎo)電海綿因其三維開(kāi)孔結(jié)構(gòu)而具有水平導(dǎo)電和垂直導(dǎo)電的全方位導(dǎo)電特性。電導(dǎo)率是電磁屏蔽材料的重要性能，材料的電導(dǎo)率越大，其電磁屏蔽效果越好[11]。通過(guò)換算，電阻越小則電磁屏蔽效果越好。將不同沉積方式所得的樣品裁切掉四周邊緣10 cm，沿邊緣按1 cm間距連續(xù)測(cè)試垂直電阻及水平電阻，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同沉積方式所得導(dǎo)電海綿的導(dǎo)電性 Figure 2 Conductivity of conductive sponges prepared by different deposition methods

可以看出，電沉積和化學(xué)沉積樣品的電阻均勻性都較差，但電沉積樣品的電阻明顯低于化學(xué)沉積樣品。因?yàn)榧{米埃洛石管為無(wú)機(jī)非金屬物質(zhì)，在電解質(zhì)中隨著鎳離子在聚氨酯海綿表面無(wú)規(guī)則隨機(jī)沉積，形成無(wú)規(guī)則的鎳包覆納米埃洛石管的復(fù)合層，因此表面鎳層沉積的均勻性也較差。

2.3 沉積方式對(duì)導(dǎo)電海綿電磁屏蔽效能的影響

各種屏蔽材料對(duì)外場(chǎng)電磁波的屏蔽效果用屏蔽效能(SE)來(lái)定量評(píng)價(jià)[12]。SE隨材料厚度的增加而顯著增加。這是由于屏蔽材料的厚度增加使得電磁波在其內(nèi)部的穿透損耗增加，同時(shí)電磁波在其內(nèi)部的多次反射也大大增加，進(jìn)而令材料對(duì)電磁波的吸收損耗增加[13]。

從圖3可以看出，電沉積樣品的電磁屏蔽效能平均為28 dB，而化學(xué)沉積樣品平均為20.5 dB，并且電沉積樣品在5～9 GHz中高頻段內(nèi)屏蔽效能達(dá)到峰值。因?yàn)橥ㄟ^(guò)電沉積工藝得到的金屬?gòu)?fù)合鍍層不僅比化學(xué)沉積鍍層致密，而且鍍層更厚，所以其電磁屏蔽效能更優(yōu)。

圖3 不同沉積方式所得導(dǎo)電海綿的電磁屏蔽效能 Figure 3 Electromagnetic shielding effectiveness of conductive sponges prepared by different deposition methods

2.4 沉積方式對(duì)導(dǎo)電海綿阻燃性能的影響

熱釋放速率(HRR)被認(rèn)為是測(cè)量火災(zāi)發(fā)展和傳播最重要的參數(shù)，它提供了火災(zāi)尺寸的量度，因此HRR也被稱為火強(qiáng)度。HRR或熱釋放峰值(pkHRR)越大，單位時(shí)間內(nèi)反饋給材料表面的熱量越多，材料熱解就會(huì)越快，揮發(fā)性可燃物生成量越多，火焰的傳播就越快，因此HRR或pkHRR越大，材料在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性就越大[14]。

從圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，不同沉積方式制備的復(fù)合鍍層導(dǎo)電海綿的熱釋放速率均呈線性上升之勢(shì)，但在400 s后，電沉積樣品的熱釋放速率開(kāi)始小于化學(xué)沉積樣品，并且隨時(shí)間推移而愈發(fā)明顯。這說(shuō)明通過(guò)電沉積方式制備的復(fù)合鍍層導(dǎo)電海綿具備更優(yōu)良的阻燃性能。

圖4 不同沉積方式所得導(dǎo)電海綿的阻燃性能 Figure 4 Flame retardancy of conductive sponges prepared by different deposition methods

2.5 沉積方式對(duì)導(dǎo)電海綿微觀形貌的影響

通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)：化學(xué)沉積樣品表面鍍層松散，分布不均勻，聚氨酯基體未全面覆蓋，而電沉積樣品表面鍍層致密，嚴(yán)密包覆聚氨酯基體。致密的鍍層將獲得良好的導(dǎo)電性和電磁屏蔽效能(見(jiàn)圖2和圖3)。

圖5 化學(xué)沉積(a)和電沉積(b)所得導(dǎo)電海綿的SEM圖像 Figure 5 SEM images of conductive sponges prepared by electroless deposition (a) and electrodeposition (b)

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)電沉積鎳基納米埃洛石管復(fù)合鍍層，獲得了具備優(yōu)良導(dǎo)電性能、電磁屏蔽性能和阻燃性能的導(dǎo)電海綿。

(2) 電沉積制備的鎳基納米埃洛石管復(fù)合鍍層導(dǎo)電海綿的電磁屏蔽性能在5～9 GHz中高頻段內(nèi)達(dá)到峰值。