热点分享！碳材料在高分子电磁屏蔽复合材料中的应用

近日，由DT新材料主办的“2023高分子电磁屏蔽复合材料及应用论坛”在宁波举行。卡博特公司特种聚合物业务高翔博士受邀参加此次论坛，并做了题为“碳材料在高分子电磁屏蔽复合材料中的应用”的主题报告。

新一代高频通信技术、新能源汽车和物联网的发展，以及电子设备和器件的高性能化和轻量化，都对材料的电磁屏蔽和干扰防护功能提出了更高的要求。在高分子电磁屏蔽材料的制备中，碳材料导电剂可以在赋予高分子材料电磁屏蔽性能的同时，带来轻量化，小型化，耐腐蚀，易加工等优点。卡博特公司作为一家全球领先的特种化学品和高性能材料公司，向全球供应各种碳材料导电剂，包括了导电炭黑，碳纳米管，石墨烯以及碳纳米结构等。在电磁屏蔽应用中，卡博特公司积累了丰富的研究和开发经验。主题报告中，高博士为到场观众着重介绍了卡博特公司独有的碳纳米结构CNS和CNS母粒产品，以及这些产品在抗静电，静电释放以及电磁屏蔽应用上的研究成果和解决方案。

碳纳米结构的英文名称是Carbon Nanostructures (CNS)。它是一种有一定取向的，纳米管上具有独特枝杈结构的多壁碳纳米管材料。相较于已商业化的多数多壁碳纳米管（CNT），它的独特之处在于：纯度较高，缠结较少，有枝杈结构，容易分散，从而更容易形成导电通路。CNS与CNT在导电塑料中的导电通路如下图所示，CNS的枝杈结构可以更有效的形成导电通路。

在塑料应用中，卡博特公司开发了一系列CNS母粒产品，还可以为用户使用CNS母粒提供加工和成型工艺上的指导。使用CNS导电母粒产品带来的好处包括了：使用方便和安全，可以帮助用户实现更好的分散。卡博特的CNS母粒产品系列如下表所示，产品的树脂基体包括PC，PS，PP，PA6，TPU，PPS，PBT等，用户可以根据不同需求选择所需要的母粒产品。此外，卡博特在上海的应用开发实验室具备操作和使用纳米材料的能力，可以为用户提供定制化的解决方案。

在抗静电或者静电释放应用中，CNS可以在较低的含量实现优异的导电性能或在相同含量时比其他导电填料表现出更优异的导电性能，如下图所示，CNS在PC中的导电性能明显优于市场上常见的CNT以及超导炭黑材料。

在电磁屏蔽应用中，CNS母粒也有独特的产品性能，主要体现在CNS的屏蔽效能优于其他碳材料导电添加剂，可以在较大频率范围内实现优异的屏蔽效能，可与其他导电添加剂共同使用以实现协同增效。

下图对比了不同含量的CNS与CNT以及超导炭黑，在不同电磁波频率下的电磁屏蔽效能。测试的样品是厚度为2mm的PA6注塑样品，测试方法为ASTM D4935。其中CNS的测试样品通过CNS母粒XS6907A制得。从图中可以看出，CNS表现出了比CNT和超导炭黑更高的电磁屏蔽效能，且屏蔽效能随着CNS含量的提高而逐渐提高。

另外，CNS母粒可以使导电塑料在较大的频率范围内实现优异的电磁屏蔽性能。下图展示了使用CNS作为导电添加剂的塑料样品在较大的频率范围内均表现出优异的屏蔽效能，且其屏蔽效能随着电磁波频率的升高而逐渐提高。

此外，CNS还可与其他导电添加剂配合使用，实现电磁屏蔽性能上的协同效应。如下图（a）所示，在CNS导电材料中加入一定量的导电炭黑，可以明显增强材料的电磁屏蔽效率。在含有5%CNS的样品中添加5%导电炭黑，即可将屏蔽效能提高大约15dB。另外，碳纤维Carbon Fiber（CF）是现在较为广泛使用的应用于电磁屏蔽的导电添加剂。如下图（b）所示，在碳纤维复合材料中通过CNS母粒XS6907A添加CNS，可以实现屏蔽效能的大幅提高。在15%CF的样品中添加3%CNS，屏蔽效能可以提高超过40dB。

综上，本文介绍了卡博特使用独特的专有工艺制造的碳纳米材料CNS和CNS母粒产品。在抗静电和静电释放应用领域，CNS母粒的主要特点是，可以在较低的添加量下达到所需的导电性能。在电磁屏蔽应用领域，使用CNS母粒所制得的导电塑料具有优异的电磁屏蔽性能。CNS母粒不仅可单独使用达到较好的屏蔽效能，也可与其他导电材料复合使用，达到协同增效的目的。卡博特公司可以提供基于多种聚合物基材的CNS母粒产品，帮助用户实现产品中所需的导电或电磁屏蔽性能。