復合材料的電磁屏蔽性能在包裝視覺傳達中的影響研究

翟皓雯

(西安交通大學城市學院,陜西 西安 710018)

包裝視覺傳達是包裝設計中重要的組成部分,如果要想產品的銷售取得良好的成績,包裝視覺傳達是不可或缺的,因為它是視覺信息的一種傳達[1],能夠很直觀的給客戶群體對產品質量、公司形象的良好宣傳,而要想獲得良好的包裝視覺傳達效果,用于包裝的復合材料需要具有良好的性能,包括具有良好的電磁屏蔽性能以克服外界環境的干擾[2-3]。尤其是隨著近年來電子設備的不斷普及和通訊行業的快速發展,電磁污染在人們日常生活中經常出現,如何開發出具有良好電磁屏蔽性能的包裝材料[4],滿足基于包裝視覺傳達的復合材料的需求,是需要研究的課題,目前這方面的研究還處于起步階段。本文為了提升包裝視覺傳達中復合材料的電磁屏蔽性能,制備了氧化石墨烯(GO)/Fe3O4/碳纖維(CF)/聚乙烯醇樹脂(PVA)復合材料,對比分析了單一摻雜Fe3O4和碳纖維、碳纖維與納米Fe3O4比、雙層結構對復合材料電磁屏蔽性能的影響,結果將有助于基于包裝視覺傳達的復合材料的開發并推動其在更廣泛領域應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

主要試驗材料:Hummers法制備的氧化石墨烯(GO)、納米Fe3O4粒子、聚乙烯醇樹脂(PVA)、短切碳纖維(CF)。

1.2 試樣制備

將8 mg/g的氧化石墨烯進行超聲分散處理后,均勻涂覆在聚乙烯醇樹脂薄膜上,烘干后備用;將PVA、納米Fe3O4和短切碳纖維混合均勻,涂覆在之前的烘干薄膜上,之后涂覆2 g氧化石墨烯并烘干,制備得到GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料。如果要制備雙層復合材料,則重復上述步驟2次,制備雙層GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料。

1.3 測試方法

采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡和JEM 1200EX型透射電子顯微鏡觀察顯微形貌;采用Agilent N5234A型電磁屏蔽測試儀,根據ASTM D4935標準[5]進行電磁屏蔽性能測試,試樣尺寸為22 mm× 10 mm。

2 結果與分析

2.1 顯微形貌

圖1為氧化石墨烯的表面形貌,分別列出了氧化石墨烯的掃描電鏡顯微形貌和透射電鏡顯微形貌。

a、b-SEM;c、d-TEM圖1 氧化石墨烯的表面形貌

由圖1可見,氧化石墨烯呈透明薄片狀,局部可見褶皺,這主要是因為在制備氧化石墨烯過程中,強酸作用下石墨烯發生了氧化[6],在邊緣部位形成了一定數量的—OH、—COOH和C—O—C等活性基團,使得石墨烯片層間距發生變化,在內部作用力下發生褶皺[7-8]。

復合材料呈現典型三明治結構,其中表層為厚度9 μm左右的氧化石墨烯層,中間層為碳纖維層,且四氧化三鐵基本均勻分散在碳纖維表面,并形成了團簇包覆結構。從表面氧化石墨烯和中間碳纖維層的界面處觀察可知,氧化石墨烯與碳纖維結合緊密,未見明顯缺陷存在,這種三明治結構有助于電子流動和傳輸[9-11],使得復合材料具有良好的電磁屏蔽性能,有助于包裝視覺傳達。

2.2 電磁屏蔽性能

圖2為3種復合材料的電磁屏蔽性能,分別列出了GO/Fe3O4/PVA復合材料、GO/CF/PVA復合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料的電磁屏蔽性能隨頻率的變化曲線。

圖2 3種復合材料的電磁屏蔽性能

由圖2可知,經對比分析,GO/Fe3O4/PVA復合材料、GO/CF/PVA復合材料和GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料的電磁屏蔽性能存在較大差異。電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料、GO/CF/PVA復合材料、GO/Fe3O4/PVA復合材料。由此可見,單一添加CF和單一添加Fe3O4的效果,都不如復合添加Fe3O4/CF的效果,同時摻雜Fe3O4/CF有助于提升包裝視覺傳達用復合材料的電磁屏蔽性能。究其原因,這可能與其電磁屏蔽性能同時由介電和磁決定有關[12];而Fe3O4/CF二者可以發揮協同作用,如前者有助于優化阻抗,其獨特納米結構有助于在復合材料中形成微結構等[13]。

表1為不同碳纖維含量復合材料的成分配比,分別列出了氧化石墨烯、納米Fe3O4、碳纖維和PVB的含量,從碳纖維與納米Fe3O4比值來看,可分為3∶5、4∶5、5∶5和6∶5。不同碳纖維含量復合材料的電磁屏蔽性能結果如圖3所示。

表1 不同碳纖維含量的復合材料的成分配比Tab.1 Composition ratio of composites with different carbon fiber content

(a)電磁屏蔽性能

從圖3(a)可知,復合材料的電磁屏蔽性能會隨著頻率升高逐漸減小,但是在相同頻率下,復合材料的電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為4∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為5∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5,由此可見,碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時復合材料具有最好的電磁屏蔽性能。從圖3(b)的吸收損耗和圖3(c)的反射損耗結果可知,隨著包裝視覺傳達中復合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最差;當碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最好。此外,電磁屏蔽性能會隨著頻率升高而降低,這主要是因為復合材料的屏蔽與吸收損耗有關,頻率升高會使得吸收損耗和反射損耗都有所提升[14-16],相應的電磁屏蔽性能會有所減小。整體而言,GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料良好的電磁屏蔽性能主要與碳纖維和納米Fe3O4的協同作用有關,碳纖維會有助于形成導電網絡而提升電子傳輸效率,而納米Fe3O4有助于提升介電和磁性能[17-18]。

表2為雙層復合材料的成分配比,分別列出了氧化石墨烯、納米Fe3O4、碳纖維和PVB的含量,以及復合材料層數,從碳纖維與納米Fe3O4比值來看,也分為3∶5、4∶5、5∶5和6∶5,只是層數為雙層。雙層復合材料的電磁屏蔽性能結果如圖4所示。

表2 雙層復合材料的配比Tab.2 Proportion of double-layer composite materials

(a)電磁屏蔽性能

從圖4(a)可知,復合材料的電磁屏蔽性能會隨著頻率升高逐漸減小,但是在相同頻率下,復合材料的電磁屏蔽性能從大至小順序依次為:碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為5∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為4∶5、碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5,由此可見,碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時復合材料具有最好的電磁屏蔽性能。從圖4(b)、圖4(c)可知,隨著包裝視覺傳達中復合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最差;當碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最好。此外,雙層復合材料與單層復合材料類似,其電磁屏蔽性能會隨著頻率升高而降低,這也與復合材料的屏蔽與吸收損耗有關,頻率升高會使得吸收損耗和反射損耗都有所提升[19-20],相應的電磁屏蔽性能會有所減小。整體而言,相同碳纖維與納米Fe3O4比時,雙層復合材料的電磁屏蔽性能要優于單層復合材料,如碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時,雙層復合材料和單層復合材料的電磁屏蔽值分別為29.7、20.7 dB,前者約為后者的143.48%。

3 結語

(1)GO/Fe3O4/CF/PVA復合材料呈現典型三明治結構,其中表層為厚度9 μm左右的氧化石墨烯層,中間層為碳纖維層,且四氧化三鐵基本均勻分散在碳纖維表面,并形成了團簇包覆結構;

(2)隨著包裝視覺傳達中復合材料的碳纖維含量增加,電磁屏蔽性能有逐漸增強的趨勢,碳纖維與納米Fe3O4比為3∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最差,而當碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時復合材料的電磁屏蔽性能最好;

(3)相同碳纖維與納米Fe3O4比時,雙層復合材料的電磁屏蔽性能要優于單層復合材料,如碳纖維與納米Fe3O4比為6∶5時,雙層復合材料和單層復合材料的電磁屏蔽值分別為29.7、20.7dB,前者約為后者的143.48%。