КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C08L23/00 C08L25/06 C08L27/06 C08K3/04 C08J9/24 G12B17/02 H01Q17/00 

Изобретение относится к получению композиционных материалов для защиты от электромагнитного излучения экранированием и может быть использовано в электронике, радиотехнике, а также в ряде изделий специального назначения. Кроме того, материал может быть использован для безэховых камер и в различных узлах технических приборов, радиотехнических устройств.

При выборе экранирующих материалов, как правило, считают, что на низких частотах (до 1 МГц) доминирующим фактором является магнитная проницаемость, а на высоких (выше 1 МГц) - проводимость материала. Длительное время в практике электромагнитного экранирования применялись традиционные материалы - металлические листы, поскольку, во-первых, высокая проводимость обеспечивает диссипацию энергии электромагнитной волны в толще металла, и во-вторых, значительная разница импедансов металла и воздуха приводит к большому коэффициенту отражения излучения от поверхности металлического экрана.

С применением проводящих добавок в виде хлопьев, волокон, полосок и порошка исключается и необходимость вторичных операций экранирования, требующих больших трудовых затрат, и обеспечивается непрерывное экранирование излучения. При правильном выборе проводящих добавок и использовании подходящего метода смешения компонентов можно добиться высокой степени экранирования при сохранении и даже улучшении физико-механических свойств изделия. Использование добавок в виде волокон и чешуек обеспечивает лучший контакт между частицами при небольшом наполнении, что приводит к увеличению проводимости при более низкой стоимости и при меньшей плотности детали.

Электропроводящие композиционные материалы, создаваемые для экранирования электромагнитного излучения, могут содержать наполнители различных форм: мелкодисперсные порошки, проводящие волокна, сеточные, тканые или фольгированные материалы. Выбор тех или иных электропроводящих наполнителей зависит от решаемой задачи.

При разработке рецептур композиций для совмещения электропроводящих наполнителей с полимерными связующими для создания материала решаются следующие задачи.

1. Обеспечение хорошей формуемости композиции

2. Снижение истирания оборудования

3. Снижение весовых характеристик материалов

4. Увеличение пластичности материалов

5. Обеспечение стабильности экранирующих характеристик материалов

6. Защита металлических наполнителей от коррозии

7. Разработка приемов получения волокнистых материалов заданных длины и диаметра.

По типу физических механизмов, обеспечивающих защитные свойства, все материалы можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся материалы, поглощающие энергию излучения за счет трансформации электромагнитной энергии в тепловую. Вторую группу составляют материалы, которые отражают электромагнитную волну благодаря разнице импедансов экрана и окружающего пространства. Третью группу составляют материалы, являющиеся комбинированными из первых двух групп материалов.

Так, например, известен композиционный материал для экранирования электромагнитного излучения, состав и способ для получения материала, в котором в качестве электропроводящих наполнителей используются углеродная сажа с углеродными волокнами в смеси с полиэтиленом при плотности 0,89÷ 0,91. Полиэтилен указанной плотности проявляет хорошие качестве при пластическом формовании. [Заявка Японии 62-101654, кл. C 01 L 101/00, C 08 R 7/06, опубл. 1987 г.].

Экранирующая способность для электромагнитных волн с частотой 100 МГц составляет 20-45 дБ.

Недостатком известного материала является следующее. Для его получения необходимо первоначально экструдировать смесевую композицию. Такая операция требует больших энергозатрат. По сравнению с ТРГ углеродная сажа и углеродные волокна имеют меньшую проводимость. Поэтому при меньших степенях наполнения ПЭ можно достичь более высоких значений проводимости и соответственно увеличить экранирующую способность материала.

Известен композиционный материал для экранирования электромагнитного излучения, состав и способ для получения материала [Патент США №5093070, кл. МКИ G 21 C 19/02, НКИ 376/267, опубл. 1992 г.]. Известный материал на основе полифениленсульфида содержит 20% стекловолокна (длина 1-20 мм, диаметр 4-50 мкм) и 24 об.% волокон из медного сплава (длина 0,504 мм, диаметр 30-150 мкм) и имеет объемное сопротивление ≈ 1,2· 10^-2 Ом· см.

После тепловой обработки при 140° С в течение 500 ч и после термического удара (1000 циклов от 120° С до 40° С) этот показатель составлял, соответственно, величины 1,9· 10^-2 и 2,1· 10^-2 Ом· см.

При совмещении термопластических связующих с металлическими волокнами возникает целый ряд проблем:

1) плохая формируемость композиции;

2) значительная масса композиции;

3) небольшое удлинение материалов, отсутствие пластичности;

4) истирание оборудования при обработке формованием.

Поэтому обработка поверхности волокнистых наполнителей модифицированными графитами (например, коллоидным графитом) или введение в композиции модифицированного графита улучшает их формуемость и снижает истираемость оборудования. Терморасширение модифицированного графита в матрице полимера перед его формованием увеличивает число токопроводящих путей на единицу объема, повышает проводимость материала и, соответственно, его экранирующую способность.

Наиболее близким техническими решением к предложенному является композиционный материал экранирования электромагнитного излучения, представляющий собой продукт термообработки и формования смеси полимерного связующего, выбранного из ряда полиолефинов, и электропроводящего наполнителя, содержащего графит [Патент Японии №64-11161, кл. C 08 L 101/00, С 08 К 3/04, опубл. 1989 г.].

Наиболее близким техническими решением к предложенному является способ получения композиционного материала экранирования от электромагнитного излучения, включающий смешение полимерного связующего, выбранного из ряда полиолефинов, и электропроводящего наполнителя, содержащего графит, совмещение смеси и последующее формование [Патент Японии №64-11161, кл. C 08 L 101/00, С 08 К 3/04, опубл. 1989 г.].

В качестве электропроводящего наполнителя используют смесь терморасщепленного графита (с размером частиц 40:20000 мкм) и сажи.

В качестве полимерного связующего используют полипропилен.

Материал получают следующим образом. 57 мас.ч. полимерного связующего (полипропилен) смешивают при 200° С с 13 ч. сажи (сорбционная способность по дибутилфталату 400 мл/100 г) и 30 ч. вспененного графита (с диаметром частиц 500 и 2,8 мкм). Для получения материала указанную смесь прессуют.

В результате получают материал с удельным сопротивлением, соответственно, 6,7· 10^-2 и 0,2 Ом· см и экранирующей способностью для электромагнитных волн с частотой 300 МГц 68,5 и 52,4 дБ.

Известное техническое решение имеет ряд недостатков.

Поскольку при изготовлении известного материала, поглощающего электромагнитные волны, сначала осуществляют вспенивание графита и затем смешивание его с полимерным связующим, процесс изготовления сильно осложняется, при этом возникают затруднения с получением материала с однородными свойствами. Процесс осложняется, во-первых, из-за трудности совмещения ТРГ с предельно низкой насыпной плотностью (4-20 г/л) с полимером, во-вторых, совмещение ТРГ с полимером осуществляется экструзией и возникают неравномерности распределений наполнителя в полимере.

Задачей изобретения является создание композиционного материала для экранирования электромагнитного излучения, обладающего высокими экранирующими свойствами без применения сложной технологии.

Указанная задача решается тем, что в способе получения композиционного материала для экранирования электромагнитного излучения, включающем смешение полимерного связующего, выбранного из группы, включающей полиолефин, полистирол, фторопласт и ПВХ-пластизоль, и электропроводящий наполнитель, содержащий модифицированный графит, совмещение смеси и ее формование, после совмещения смеси дополнительно осуществляют терморасширение смеси в режиме термоудара при температуре 250-310° С, причем в качестве модифицированного графита используют продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами, а смешение полимерного связующего и электропроводящего наполнителя проводят при массовом соотношении электропроводящего наполнителя и полимерного связующего, равном 50-80:20-50 соответственно.

Предпочтительно в качестве полиолефина использовать полиэтилен, полипропилен.

Предпочтительно продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами получать при массовом соотношении графита, серной и азотной кислот 1:6,0-6,4:0,4 соответственно.

Целесообразно совмещение смеси вести прессованием и/или нагреванием при температуре не выше 180° С в течении 20-70 минут, а терморасширение смеси осуществлять в течение 2-3 минут.

Кроме того, указанная задача решается тем, что композиционный материал для экранирования электромагнитного излучения, полученный по вышеуказанному способу, характеризуется в диапазоне длин волн от 2 до 5 см при толщине материала не более 0,1 мм уменьшением коэффициента прохождения от –40 до -85 дБ.

Предпочтительно для создания материала с требуемыми эксплуатационными характеристиками формование вести методом горячего прессования или прокаткой на вальцах.

Получение модифицированного графита, используемого в качестве электропроводящего наполнителя в композиционном материале, проводят следующим образом.

В реактор с мешалкой загружают природный графит, серную кислоту (концентрацией 92 мас.%) и азотную кислоту (концентрацией 55 мас.%), перемешивают в течение 60 минут, избыток кислот отделяют, образовавшееся соединение внедрения графита обрабатывают газообразным аммиаком до прекращения поглощения аммиака или промывают водой до рН 6,8-7,0.

Пример 1

На основе полиэтилена низкого давления (ПЭНД) и модифицированного графита (содержание графита в смеси 50 и 60 мас.%) формируют образцы путем прессования при давлении -0,5 МПа.

Полученные образцы терморасширяют при температуре 300° С в течение 3-х минут.

Терморасширенные полиэтиленграфитовые композиции прокатывают на вальцах с переменным зазором при температуре 150° С до толщины 0,1 мм или прессуют при температуре 135° С и давлении ~12 МПа в течение 3-х минут.

Были проведены радиофизические измерения изготовленных образцов, результаты которых представлены в таблице.

Пример 2

Порошки полимера фторопласта Ф-32Л смешивают с модифицированным графитом (содержание графита в смеси 50 и 66 мас.%) и прессуют при давлении ~ 0,5 МПа. Прессованные образцы подвергают термоудару при температуре 300° С в течение 3-х минут.

Далее образцы прессуют до получения материала с объемной плотностью не менее 250 г/л и прокатывают на вальцах с переменным зазором при температуре 170° С до толщины 0,1 мм или прессуют в пресс-форме до толщины 0,1 мм при давлении 10 МПа и прогревают при температуре 180° С в течение 40 минут.

Были проведены радиофизические измерения изготовленных образцов, результаты которых представлены в таблице.

Применение технологии терморасширения композиции с наполнителем приводит к существенному увеличению экранирующих свойств композиции до 80 дБ в диапазоне длин волн 2-5 см при толщине материала не более 0.1 мм.

Кроме того, такой подход технологически уменьшает количество технологических операций, например исключает операцию экструзии, требующей больших энергозатрат, при совмещении полимерного компонента с электропроводящими наполнителями и в получении электропроводящих композиций с малой объемной плотностью для последующего формования изделий.

Таблица№
п/пСвязующееСодержание графита, масс.%Объемная плотность образцов, г/лПроводимость образцов, Ом^-1·^см-1Коэффициент прохождения образцов,
-дБ     Частота 8.0 ГГцЧастота 12.4 ГГц12345671Полиэтилен низкого давления Вспененных:   85
54---  50Прокатанных (толщ.≈ 0.4 мм):  60870
10704.1
1835
3355
56   Прессованных (толщ.≈ 0.4 мм):   1070
9402.0
1529
2551
522Фторопласт Ф-32Л Вспененных:   50
40---  50Прокатанных (толщ.≈ 0.1 мм):  661100
1500111
21353
6252
62   Прессованных (толщ.≈ 0.1 мм):   1400
1300500
59078
8181
85

Изобретение относится к получению композиционного материала для защиты от электромагнитного излучения экранированием и может быть использовано в электронике, радиотехнике, а также в ряде изделий специального назначения. Кроме того, материал может быть использован для безэховых камер и в различных узлах технических приборов, радиотехнических устройств. Способ включает смешение электропроводящего наполнителя, содержащего модифицированный графит, и полимерного связующего при массовом соотношении, равном 50-80:20-50 мас.% соответственно. После совмещения смеси дополнительно осуществляют терморасширение смеси в режиме термоудара при температуре 250-310°С с последующим ее формованием. Причем полимерное связующее выбирают из группы, включающей полиолефин, полистирол, фторопласт, ПВХ-пластизоль, а в качестве модифицированного графита используют продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами. Полученный композиционный материал характеризуется в диапазоне длин волн от от 2 до 5 см при толщине материала не более 0,1 мм уменьшением коэффициента прохождения от -40 до -85 дБ. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения композиционного материала для экранирования электромагнитного излучения, включающий смешение полимерного связующего, выбранного из группы, включающей полиолефин, полистирол, фторопласт и ПВХ-пластизоль, и электропроводящего наполнителя, содержащего модифицированный графит, совмещение смеси и ее формование, отличающийся тем, что после совмещения смеси дополнительно осуществляют терморасширение смеси в режиме термоудара при температуре 250-310°С, причем в качестве модифицированного графита используют продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами, а смешение полимерного связующего и электропроводящего наполнителя проводят при массовом соотношении электропроводящего наполнителя и полимерного связующего равном 50-80:20-50 соответственно.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полиолефина используют полиэтилен, полипропилен.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами получают при массовом соотношении графита, серной и азотной кислот 1:6,0-6,4:0,4 соответственно.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что совмещение смеси ведут прессованием и/или нагреванием при температуре не выше 180°С в течение 20-70 мин.5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что терморасширение смеси осуществляют в течение 2-3 мин.6. Композиционный материал для экранирования электромагнитного излучения, отличающийся тем, что он получен по способу по одному из пп. 1-5 и характеризуется в диапазоне длин волн от 2 до 5 см при толщине материала не более 0,1 мм уменьшением коэффициента прохождения от –40 до -85 дБ.