ABS/CNTs/Fe3O4复合材料及其双峰泡沫的电磁屏蔽性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.008

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (8): 46-52.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.008

ABS/CNTs/Fe₃O₄复合材料及其双峰泡沫的电磁屏蔽性能研究

孙鹤¹^,², 何欣¹^,², 骆彤雨¹^,², 吉欣¹^,², 廖琪玲¹^,², 张玉霞¹^,², 周洪福¹^,²()

^1.北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048
^2.中国轻工业聚合物发泡材料加工与应用重点实验室，北京 100048

收稿日期:2024-04-25 出版日期:2024-08-26 发布日期:2024-08-19
通讯作者: 周洪福（1982—），男，教授，从事聚合物改性和聚合物发泡材料的研究，zhouhongfu@th.btbu.edu.cn
E-mail:zhouhongfu@th.btbu.edu.cn
基金资助:
大学生科学研究与创业行动计划(G023)

Study on electromagnetic interference shielding properties of ABS/CNTs/Fe₃O₄ composite and its bimodal foam

SUN He¹^,², HE Xin¹^,², LUO Tongyu¹^,², JI Xin¹^,², LIAO Qiling¹^,², ZHANG Yuxia¹^,², ZHOU Hongfu¹^,²()

^1.College of Light Industry Science and Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Key Laboratory of Processing and Application of Polymeric Foams of China National Light Industry Council，Beijing 100048，China

Received:2024-04-25 Online:2024-08-26 Published:2024-08-19
Contact: ZHOU Hongfu E-mail:zhouhongfu@th.btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用熔融共混和超临界二氧化碳（scCO₂）发泡技术，分别制备了具有优异导电能力和电磁干扰屏蔽性能（EMI SE）的丙烯腈⁃丁二烯⁃苯乙烯（ABS）/碳纳米管（CNTs）/四氧化三铁（Fe₃O₄）复合材料及其双峰泡沫。研究了2种填料复配比例及含量变化对ABS复合材料及其双峰泡沫的发泡性能、导电性能、介电性能和EMI SE的影响。实验结果表明，随着CNTs和Fe₃O₄含量逐渐增加，ABS双峰泡沫的平均泡孔尺寸逐渐减小，泡孔密度逐渐增加。其中，平均大泡孔尺寸从283.54 μm减小至70.79 μm，平均小泡孔则从11.89 μm减小至7.19 μm；而大泡孔的泡孔密度从2.88×10⁴ 个/cm³增加到2.51×10⁶ 个/cm³，小泡孔的泡孔密度则从2.18×10⁸ 个/cm³增加到1.12×10⁹ 个/cm³。同时，ABS复合材料的电导率也从0.304 1 S/cm增加至1.360 8 S/cm，总EMI SE由28.65 dB提高到43.05 dB。发泡后，ABS双峰泡沫电导率从0.002 7 S/cm增加至0.065 4 S/cm，总EMI SE从10.89 dB提高至21.08 dB。ABS复合材料及其双峰泡沫的比电磁屏蔽效能（SSE）最高可达41.33 dB/（g·cm^-3）。

关键词: 丙烯腈?丁二烯?苯乙烯, 复合材料, 超临界二氧化碳发泡, 电导率, 电磁干扰屏蔽

Abstract:

In this study， acrylonitrile⁃butadiene⁃styrene （ABS）/carbon nanotubes （CNTs）/ferriferous oxide （Fe₃O₄） composite and its bimodal foams with excellent conductivity and electromagnetic interference shielding （EMI SE） were prepared by melt blending and supercritical carbon dioxide foaming technique， respectively. The effects of the mixture ratio and content of the two fillers on the foaming properties， electrical conductivity， dielectric properties and EMI SE of ABS composites and bimodal foams were studied. The experimental results indicated that the average cell size of ABS bimodal foams decreased with the gradual increase of CNTs and Fe₃O₄ contents， the average large cell size descended from 283.54 μm to 70.79 μm， and the average small cell size declined from 11.89 μm to 7.19 μm. While the cell density of large cells in ABS bimodal foams went from 2.88×10⁴ cell/cm³ to 2.51×10⁶ cell/cm³ and the cell density of small cells increased from 2.18×10⁸ cell/cm³ to 1.12×10⁹ cell/cm³. The electrical conductivity of ABS composites boosted from 0.304 1 S/cm to 1.360 8 S/cm， and the total EMI SE increased from 28.65 dB to 43.05 dB with the gradual increase of CNTs and Fe₃O₄ contents. After foaming， the electrical conductivity of ABS bimodal foams augmented from 0.002 7 S/cm to 0.065 4 S/cm， and the total EMI SE increased from 10.89 dB to 21.08 dB. The maximum specific electromagnetic shielding effectiveness of ABS composite and its bimodal foams was 41.33 dB/（g·cm^-3）.

Key words: acrylonitrile?butadiene?styrene, composite, supercritical carbon dioxide foaming, electrical conductivity, electromagnetic interference shielding

中图分类号:

TQ322

孙鹤, 何欣, 骆彤雨, 吉欣, 廖琪玲, 张玉霞, 周洪福. ABS/CNTs/Fe₃O₄复合材料及其双峰泡沫的电磁屏蔽性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(8): 46-52.

SUN He, HE Xin, LUO Tongyu, JI Xin, LIAO Qiling, ZHANG Yuxia, ZHOU Hongfu. Study on electromagnetic interference shielding properties of ABS/CNTs/Fe₃O₄ composite and its bimodal foam[J]. China Plastics, 2024, 38(8): 46-52.

图/表 11

样品名称	ABS/%	CNTs/%	Fe₃O₄/%	密度/g·cm^-3
C5F0	95	5	0	1.09
C5F10	85	5	10	1.13
C10F0	90	10	0	1.11
C10F10	80	10	10	1.23
C10F20	70	10	20	1.31

表1 实验配方

Tab.1 Experimental formula

图1 ABS双峰泡沫发泡机理

Fig.1 Foaming mechanism of the ABS bimodal foams

图2 不同ABS双峰泡沫的SEM照片

Fig.2 SEM images of various ABS bimodal foams

样品名称	大泡孔尺寸/μm	小泡孔尺寸/μm	大泡孔的N₀/个·cm^-3	小泡孔的N₀/个·cm^-3	$V V E R$
BF⁃C5F0	283.54	11.89	2.88×10⁴	2.18×10⁸	2.86
BF⁃C5F10	204.99	9.15	7.02×10⁴	6.28×10⁸	2.69
BF⁃C10F0	252.65	10.54	3.26×10⁴	4.56×10⁸	2.77
BF⁃C10F10	104.93	8.52	1.28×10⁶	8.56×10⁸	2.61
BF⁃C10F20	70.79	7.19	2.51×10⁶	1.12×10⁹	2.56

样品名称	大泡孔尺寸/μm	小泡孔尺寸/μm	大泡孔的N₀/个·cm^-3	小泡孔的N₀/个·cm^-3	$V V E R$
BF⁃C5F0	283.54	11.89	2.88×10⁴	2.18×10⁸	2.86
BF⁃C5F10	204.99	9.15	7.02×10⁴	6.28×10⁸	2.69
BF⁃C10F0	252.65	10.54	3.26×10⁴	4.56×10⁸	2.77
BF⁃C10F10	104.93	8.52	1.28×10⁶	8.56×10⁸	2.61
BF⁃C10F20	70.79	7.19	2.51×10⁶	1.12×10⁹	2.56

表2 ABS双峰泡沫的泡孔参数

Tab.2 Cell parameters of the ABS bimodal foams

表2 ABS双峰泡沫的泡孔参数

Tab.2 Cell parameters of the ABS bimodal foams

图3 不同 ABS复合材料及其双峰泡沫的电导率

Fig.3 Electrical conductivity of various ABS composites and their bimodal foams

图4 不同ABS复合材料的ε'，ε''，μ'和μ''

Fig.4 ε'，ε''，μ' and μ'' of various ABS composites

图5 不同ABS双峰泡沫的ε'，ε''，μ'和μ''

Fig.5 ε'，ε''，μ' and μ'' of various ABS bimodal foams

图6 不同ABS复合材料的EMI SE

Fig.6 EMI SE of various ABS composites

图7 不同ABS双峰泡沫的EMI SE

Fig.7 EMI SE of various ABS bimodal foams

样品名称	ρ_f/g·cm^-3	ABS复合材料在 8.2 GHz的SE_T/dB	ABS双峰泡沫在 8.2 GHz的SE_T/dB	ABS复合材料的 SSE/dB·（g·cm^-3）^-1	ABS双峰泡沫的 SSE/dB·（g·cm^-3）^-1
C5F0	0.38	22.22	10.89	20.38	28.65
C5F10	0.42	25.87	12.56	22.11	29.90
C10F0	0.40	33.44	15.36	29.59	38.40
C10F10	0.47	38.82	18.68	31.56	39.74
C10F20	0.51	43.05	21.08	32.86	41.33

表3 ABS复合材料及其双峰泡沫在8.2 GHz的SSE

Tab.3 SSE of the ABS composites and their bimodal foams at 8.2 GHz

图8 ABS双峰泡沫的电磁屏蔽机理

Fig.8 Electromagnetic shielding mechanism of the ABS bimodal foams

参考文献 23

1	牛翔宇，凌新龙. 电磁屏蔽材料的研究进展［J］. 纺织科学与工程学报， 2023， 40（02）： 109⁃118.
	NIU X Y， LING X L. Research progress of electromagnetic shielding materials［J］. Journal of Textile Science & Engineering， 2023， 40（02）： 109⁃118.
2	史有强，吴昕昱，张昳，等. 电磁屏蔽材料及其测试技术研究［J］.失效分析与预防，2021， 16（6）： 426⁃434.
	SHI Y Q， WU X Y， ZHANG Y， et al. Research of electromagnetic interference shielding materials and test techniques［J］. Failure Analysis and Prevention， 2021， 16（6）： 426⁃434.
3	孙天，赵晓明. 电磁屏蔽材料的研究进展［J］. 纺织科学与工程报， 2018， 35（2）： 118⁃122.
	SUN T， ZHAO X M. Research progress of electromagnetic shielding textile materials［J］. Journal of Textile Science and Engineering， 2018， 35（2）： 118⁃122.
4	刘云杰，金碧辉，马昊宇，等. 乙烯⁃乙烯醇共聚物/碳纳米管复合发泡材料的电磁屏蔽性能研究［J］. 高分子学报， 2023， 54（1）： 106⁃120.
	LIU Y J， JIN B H， MA H Y， et al. Electromagnetic shielding properties of ethylene⁃vinyl alcohol copolymer/ carbon nanotube nanocomposite foams［J］. Acta Polymerica Sinica， 2023， 54（1）： 106⁃120.
5	幸锦福，刘卜金，蒋团辉，等. 双峰泡孔结构聚合物发泡技术研究进展［J］. 工程塑料应用， 2022， 50（08）： 152⁃157.
	XING J F， LIU B J， JIANG T H， et al. Research progress on foaming technology of bimodal cell structure polymer foam［J］. Engineering Plastics Application， 2022， 50（08）： 152⁃157.
6	Wang F， Hong R Y， Feng W G， et al. Electrical and mechanical properties of ABS/EPDM composites filled with carbon black［J］. Materials Letters， 2014， 125： 48⁃50.
7	孙天厚，邓建国，张军华. 填充型电磁屏蔽复合材料［J］. 宇航材料工艺， 2010， 40（05）： 4⁃9.
	SUN T H， DENG J G， ZHANG J H. Filling type electromagnetic shielding composite［J］. Aerospace Materials & Technology， 2010， 40（05）： 4⁃9.
8	王在铎，马晶，王方颉，等. 填充复合型聚合物基电磁屏蔽材料研究进展［J］.宇航材料工艺， 2022， 52（05）： 1⁃7.
	WANG Z D， MA J J， WANG F J， et al. Research progress of filled compound polymer⁃based electromagnetic interference shielding materials［J］. Aerospace Materials & Technology， 2022， 52（05）： 1⁃7.
9	王星然，王明昊，顿东星，等. 聚合物/碳系填料发泡复合材料电磁屏蔽性能的研究进展［J］. 中国塑料， 2020， 34（10）： 110⁃118.
	WANG X R， WANG M H， DUN D X， et al. Research progress in electromagnetic shielding performance of polymer/carbon fillers foaming composites［J］. China Plastics， 2020， 34（10）： 110⁃118.
10	Wu B Z， Zhu H H， Yang Y H， et al. Effect of different proportions of CNTs/Fe₃O₄ hybrid filler on the morphological， electrical and electromagnetic interference shielding properties of poly（lactic acid） nanocomposites［J］. E⁃Polymers， 2023， 23（1）： 20230006.
11	Yang J M， Liao X， Li J S， et al. Light⁃weight and flexible silicone rubber/MWCNTs/Fe₃O₄ nanocomposite foams for efficient electromagnetic interference shielding and microwave absorption ［J］. Composites Science and Technology， 2019， 181：027.
12	Xu L Q， Huang H X. Formation mechanism and tuning for bi⁃modal cell structure in polystyrene foams by synergistic effect of temperature rising and depressurization with supercritical CO₂ ［J］. Journal of Supercritical Fluids， 2016， 109： 177⁃185.
13	Fu H， Bai Y， Duan S Q， et al. Structure design of multi⁃layered ABS/CNTs composite foams for EMI shielding application with low reflection and high absorption characteristics ［J］. Applied Surface Science， 2023， 624：157168.
14	Bai Y A， Zhang K J， Cui W S， et al. Electromagnetic shielding performance of acrylonitrile⁃butadiene⁃styrene/CNTs composite foams with different cell structures［J］. Journal of Supercritical Fluids， 2022， 186：105608.
15	Jiang Q Y， Liao X， Yang J M， et al. A two⁃step process for the preparation of thermoplastic polyurethane/graphene aerogel composite foams with multi⁃stage networks for electromagnetic shielding ［J］. Composites Communications， 2020， 21：100416.
16	鲁露，周金堂，彭贵玉，等. 原位生长FeCo/rGo纳米复合材料的电磁波吸收性能研究［J］. 功能材料， 2024， 55（01）： 1 124⁃1 129，1 157.
	LU L， ZHOU J T， PENG G Y， et al. Electromagnetic wave absorption properties of FeCo/rGo nanocomposites grown in situ［J］. Journal of Functional Materials， 2024， 55（01）： 1 124⁃1 129，1 157.
17	黄才华，黄陈，吴海华，等. 熔融沉积成型Fe₃O₄⁃MWCNTs/PLA微波吸收材料性能［J］. 复合材料学报， 2024， 41（04）： 1 954⁃1 967.
	HUANG C H， HUANG C， WU H H， et al. Properties of microwave absorbers formed by fused deposition modeling with Fe₃O₄⁃MWCNTs/PLA composite wire［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2024， 41（04）： 1 954⁃1 967.
18	Ma L， Hamidinejad M， Wei L F， et al. Absorption⁃dominant EMI shielding polymer composite foams： microstructure and geometry optimization ［J］. Materials Today Physics， 2023， 30：100940.
19	Wang M， Tang X H， Cai J H， et al. Fabrication， mechanisms and perspectives of conductive polymer composites with multiple interfaces for electromagnetic interference shielding： a review ［J］. Carbon， 2021， 177： 377⁃402.
20	Yao Y Y， Jin S H， Zou H M， et al. Polymer⁃based lightweight materials for electromagnetic interference shielding： a review ［J］. Journal of Materials Science， 2021， 56（11）： 6 549⁃6 580.
21	Bora P J， Anil A G， Vinoy K J， et al. Outstanding absolute electromagnetic interference shielding effectiveness of cross⁃linked PEDOT：PSS film［J］. Advanced Materals Interfaces， 2019， 6（22）：201901353.
22	Chen J， Liao X， Li S J， et al. A promising strategy for efficient electromagnetic interference shielding by designing a porous double⁃percolated structure in MWCNT/polymer⁃based composites ［J］. Composites Part A⁃Applied Science and Manufacturing， 2020， 138：106059.
23	Zhao Y S， Hou J J， Bai Z Y， et al. Facile preparation of lightweight PE/PVDF/Fe₃O₄/CNTs nanocomposite foams with high conductivity for efficient electromagnetic interference shielding［J］. Composites Part A⁃Applied Science and Manufacturing， 2020， 139：106095.

[1]	何和智, 黄宗海, 赖文, 熊华威. PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 1-8.
[2]	魏佳, 刘凯, 彭丽娟, 田阳阳, 赵琳, 李艳红, 杨佩佩, 李松伟, 陆波. 壳聚糖/聚苯胺⁃氧化石墨烯尼古丁分子印迹复合材料的制备与吸附性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 32-36.
[3]	曹帅, 姜涛, 刘雄, 王瑛, 李文戈, 吴新锋. MXene导热复合材料的制备研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(6): 139-144.
[4]	王涵, 梁金华, 高振国, 姜炜, 周昊. 微胶囊型自修复环氧树脂材料的力学性能及修复效率[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 40-46.
[5]	宋子睿, 刘伯军, 张明耀. ABS接枝粉料结构及抗氧剂用量对ABS树脂性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 88-93.
[6]	赵小红, 卢杏. 淀粉的改性及其对淀粉/PBAT/碳酸钙复合材料结构和性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 40-46.
[7]	姜曙, 王阳, 翟孟雷, 李庆涛, 黄明, 刘春太. 连续碳纤增强B柱加强板结构设计与铺覆仿真[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 73-78.
[8]	国江, 许梦伊, 李辉, 黄想, 林浩, 姜胜宝, 陈尚, 陈程. 聚丙烯/氧化锆复合材料的制备及介电性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 44-48.
[9]	陈清江, 董志聪, 李红发, 吴毅江, 高松, 聂文翔, 罗应文. 改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 20-25.
[10]	段书谦, 刘姝雅, 刘江慧, 成晓琼, 蒙丹, 张先群, 陈肖, 付海. 网络化聚吡咯/聚氨酯复合材料的抗静电性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 33-38.
[11]	韩志勇, 马斯景, 路鹏程. 铝合金与复合材料连接表面处理方法的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 124-133.
[12]	相利学, 唐波, 周刚, 代旭明, 王二轲, 姜涛, 吴新锋. 3D打印技术在高导热复合材料中的应用研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 125-132.
[13]	李家伟张克宏李文慧郭星雨丁宇. 聚羟基脂肪酸酯/茶粉复合材料的制备与性能研究[J]. , 2023, 37(6): 10-15.
[14]	王怡佳张燕陈婷刘继延刘学清. 聚氨酯/甲基二苯基氧化膦的冷结晶及阻燃性能研究[J]. , 2023, 37(5): 104-109.
[15]	管羽付烨翁云宣. 生物降解聚酯降解性能调控研究进展[J]. , 2023, 37(3): 103-112.

ABS/CNTs/Fe₃O₄复合材料及其双峰泡沫的电磁屏蔽性能研究

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