中国 电磁屏蔽包装材料 行业包装应用情况分析 市场展望在信息化时代,人们的工作生活都离不开电子产品,由此给人们带来的电磁辐射危害也不容忽视。电磁

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2018年中国电磁屏蔽包装材料行业包装应用情况分析及市场展望(图)

字体大小: 2018-05-16 11:28  来源:中国报告网

中国报告网提示:在信息化时代,人们的工作生活都离不开电子产品,由此给人们带来的电磁辐射危害也不容忽视。电磁


        在信息化时代,人们的工作生活都离不开电子产品,由此给人们带来的电磁辐射危害也不容忽视。电磁辐射除了对人体有害,还会影响电子设备、电子精密仪器、计算机的工作,可能造成信息失真、功能失灵等,因此需要采用防电磁包装来加以保护。其防护包装原理,通常是采用电磁屏蔽材料将内容物包裹起来,或者采用电磁屏蔽材料制成的包装容器将内容物封闭起来。当外界电磁场到达包装材料或容器时,通过电磁在材料表面的反射和在内部的吸收,或利用电磁在屏蔽层中的涡流现象耗散其能量,来削弱外界电磁场对内装物的影响,从而达到包装保护的目的。

        一、电磁屏蔽原理

        屏蔽材料对电磁波的作用有反射、吸收和透射3种形式,如图所示。

图表:电磁屏蔽原理示意图
 

图表来源:公开资料整理

        按照Schelkunoff电磁屏蔽理论,屏蔽效能按公式(1)计算:

        SE=SER+SEA+SEM(1)

        屏蔽效能SE是电磁波反射损耗SER、吸收损耗SEA和内部多次反射损耗SEM的总和,单位为dB。一般当SEA>15dB 时,SEM可忽略。

        根据具体应用的需求,SE达到30-60dB的,可以用于一般工业产品的防护;SE达到60-90dB的,可以用于航空航天以及军用设备等防护。

        二、常见的电磁屏蔽材料及包装应用  

        常见的电磁屏蔽材料包括两大类,一类是表面导电材料,通过化学镀金、真空喷镀、金属熔射、溅射等方法,在材料表面镀上一层金属,使其反射电磁波;另一类是导电复合材料,在材料中填充金属粉、金属纤维、炭黑、碳纤维等导电填料,形成导电网络而达到屏蔽效果,可能用到的基体材料有聚合物、纸张、织物等。本文对电磁屏蔽包装材料常用的种类及包装应用分别进行介绍。

        (一)导电聚合物电磁屏蔽材料

        导电聚合物与传统的金属电磁屏蔽材料相比,具有质量轻、强度高、耐腐蚀、成本低、易加工、易调节电导率等优点。目前,这种性能优异的导电聚合物已经成功应用于部分电器制品和电子器件的屏蔽包装,以及很多军用品的隐身包装上。用导电聚合物制成的透明导电电磁屏蔽涂料,可以方便地喷涂于各种形状的塑料制件表面;可以制成导电纸,用做敏感集成电路的屏蔽包装;可制成电磁屏蔽薄膜直接用于包装。此外,利用其电致变色性能还可制成智能电磁吸收剂。

        按照其化学成分和制备方法的不同,导电聚合物电磁屏蔽材料可以分成本征型和复合型两种。

        1、本征型导电聚合物

        本征型导电聚合物材料也被称为结构导电聚合物材料,代表性的有聚苯胺 (PANI)、聚吡咯(PPY)、聚乙撑二氧噻吩 (PEDOT)等。通过改变掺杂过程、掺杂溶剂等,可实现其对不同频段的电磁波辐射的吸收,如微波、红外波、雷达波等,还可对特定频率的电磁波进行屏蔽。

        2、复合型导电聚合物

        复合型导电塑料是指将导电物质如金属粉末、金属纤维、炭黑等与树脂混合,在混合机或挤出机中经过混合、塑化,然后用注塑成型等方法而制备成的具有导电性的塑料。

        导电聚合物的研究在美国、日本等国家比较成熟,在我国的研究起步稍晚,目前的研究方向是提高性能、降低成本。有研究人员将油炉法炭黑和聚乙烯树脂混炼造粒,得到的塑料粒子再采用共挤吹膜工艺,制备出导电聚乙烯膜,并和其他基材复合而成软塑包装复合材料。目前这种材料已被广泛应用于需要防电磁辐射、防静电的电子、化工及军工产品的包装。还有研究人员利用微层共挤出设备制备了(聚丙烯-炭黑)/聚丙烯层状复合材料,实验证明其导电性和电磁屏蔽性能均优于普通共混材料,且层状材料的断裂伸长率和拉伸强度也要高于普通共混材料。

        (二)电磁屏蔽纸张

        碳纤维纸是研究较多的一类电磁波屏蔽纸,因为碳纤维因为具有好的导电性和高的比强度,因此很适合作为电磁屏蔽材料,其屏蔽作用主要靠反射损耗。研究结果表明,其屏蔽效果与碳纤维含量有很大关系,当碳纤维含量低于15%时,SE小于30dB;含量高于25%时,SE可达到30dB以上;双层纸可达到35dB以上,接近铜箔的屏蔽效果。碳纤维纸除了具有良好的屏蔽效果,还可以通过选择纤维配比来调节屏蔽效果,以满足不同产品的防护需要。碳纤维纸可以作为电子仪器的包装材料,也可以与其他材料进行复合,如作为屏蔽用建筑材料。

        电磁屏蔽涂布纸是由电磁屏蔽涂料在纸张表面涂布而成,这种涂料通常由合成树脂、导电填料、助剂等混合而成,在纸张表面固化成膜,从而起到屏蔽效果。目前,导电填料使用的较多的是银系、碳系、铜系、镍系。对于涂布纸性能的影响因素很多,包括胶黏剂的种类及用量,填料的用量、分散性及稳定性,干燥时间等。有研究者采用镍粉为填料,通过正交实验得到的最佳方案为镍粉用量25.5%、胶黏剂配比为5:1、胶黏剂用量为22%、涂布量为60g/m2时,涂布纸的导电性和屏蔽效果较好,在频率为9kHz~1500MHz的范围内,纸张屏蔽效能在28~32dB之间,性能较为稳定。如果将金属粉末和树脂制备的涂料涂布于碳纤维原纸表面,所得到的碳纤维电磁屏蔽涂布纸比普通涂布纸的屏蔽效果更好,在最佳涂布工艺条件下,该涂布纸的最高屏蔽效能可达到56dB。

        碳纳米管导电纸是一种新型的电磁波屏蔽材料,利用碳纳米管优异的导电性能和电磁屏蔽性能,可以制备宽波段屏蔽效果良好的屏蔽纸张。通过对碳纳米管进行改性,可以进一步提高屏蔽性能。研究结果表明经十八胺改性后的多壁碳纳米管导电纸的电磁屏蔽性能,比普通多壁碳纳米管导电纸的屏蔽性能提高了几倍。但是由于成本的限制,目前没有用于商业化包装产品。

        (三)电磁屏蔽织物

        根据制备方法、屏蔽机理的不同,导电织物电磁屏蔽材料可分为两种:一种是在织物中加入一定比例的导电纤维,一种是将导电材料镀(或涂覆)在织物表面。

        参考观研天下发布《2018年中国电磁屏蔽包装材料行业分析报告-市场运营态势与发展趋势预测

        1、导电纤维织物

        最早的屏蔽织物是金属丝和天然纤维的混编织物,生产该类织物的工艺简单可行。织物中金属纤维的含量越高,紧度越大,其屏蔽效能越好。但由于金属纤维自身质量较大,存在容易弯曲打结、抗弯强度差、织物厚重且手感较硬等缺点,且用该方法制备的电磁屏蔽织物在不同频段的屏蔽效果差异很大,这些因素限制了它的发展前景。之后又出现了共混/共聚纺丝织物、非晶态合金织物等。

        共混/共聚纺丝法制备的织物成本低、易上色,弥补了金属纤维不能上色的缺点。其加工工艺是将具有电磁屏蔽性能的粒子与普通纤维切片共混/共聚后进行纺丝,制备具有良好导电性的纤维,然后编织成屏蔽织物。但这种工艺用于电磁屏蔽织物的研究在国内外尚处于起步阶段,其工艺的关键是选择一种可以均匀地分散在纤维中的理想的屏蔽剂,使纤维在具备良好电磁屏蔽性能的同时又具有良好的可纺性和力学性能。目前研究的屏蔽剂种类主要为金属氧化物粉体、碳系材料、本征型导电高分子等。

        织物中常用到的导电材料除了金属,还有碳系材料如炭黑、碳纤维等。在碳纤维织物方面的研究发现,碳纤维的间距、排布方式对屏蔽性能有较大影响,而通过对碳纤维表面进行改性可以提高其电磁屏蔽性能,改性方法主要包括表面活化、表面沉积、表面镀金属等。

        2、金属镀层织物

        金属镀层常用的方法有化学镀、电镀和真空镀三类,化学镀是利用化学还原反应,在纤维表面形成一层薄的金属膜;电镀则是通过电化学原理进行镀膜;真空镀则是在真空状态下在纤维上形成薄膜。从电磁屏蔽织物的专利申请情况来看,铜、镍和银这三种金属的使用比例共达到77%左右。其中铜和镍的使用相对比较稳定,一直占有重要地位。银纤维是比较先进的屏蔽材料,比一般的抗菌、抗静电、防辐射纤维具有更多样的特性,而且技术比较成熟。被镀纤维可选用锦纶、涤纶、莫代尔纤维等。

        有研究表明,先用3-氨丙基三甲氧硅烷与莫代尔织物进行偶联反应,然后用银、金、钯对织物表面进行活化反应,最后采用传统化学镀金法将铜镀在织物表面;该材料的SE在 100~1000MHz频段为35.2~50.5dB,满足一般工业和电子产品的包装防护要求。还有研究人员通过敏化、活化、化学镀铜工艺,在无纺布表面镀上金属铜,然后再镀上少量的镍,可以达到和进口电磁屏蔽材料相同的效果。

        非晶态合金是具有微观组织结构的新型金属材料,具有力学性能好、高电阻率、较高磁导率和较低矫顽力、化学稳定性高、耐腐蚀性好等优点。非晶态合金织物是在涤纶织物、聚酯纤维织物等织物表面,采用化学镀法或电沉积法制备的二元、三元或四元非晶态合金织物。研究者在涤纶织物表面电沉积非晶态钼/镍合金和锌/镍/硫合金镀层,在100~3000MHz的频率范围内,两者的电磁屏蔽效能都达到80dB以上。由于非晶态合金织物的电磁屏蔽性能非常好,适合作为电发火弹药等军事用品的电磁防护包装,具有十分重要的军事及战略意义。

        三、新型电磁屏蔽包装材料

        (一)利乐包装废弃物制备电磁屏蔽材料

        南京林业大学的研究人员以金属粉、废弃的利乐包装、高密度聚乙烯等为主要原料,制备了一种电磁屏蔽复合材料,并系统研究了金属粉种类和填充量、偶联剂种类及浓度、实验处理方式等对该复合材料电磁屏蔽性能的影响。该研究不仅可减少利乐包装废弃物对环境的污染,又可以制备电磁屏蔽材料,为复合包装材料的综合回收利用探索了一条新的途径。

        (二)胶原纤维-植物纤维复合屏蔽纸

        四川大学的研究人员以家畜动物皮为原料,从中提取出胶原纤维并对其进行化学改性,得到一种新型的微波吸收剂。该吸收剂与植物纤维混合抄片,可制成具有微波屏蔽功能的纸张。该纸张的屏蔽效能随着胶原纤维吸波剂用量的增加而不断提高,定量为90g/m2的纸样,当吸波剂用量为60%时,最大屏蔽能力超过35dB,且胶原纤维吸波剂还能够增加成纸的机械强度。

        四、结论与展望

        从专利方面来看,我国在电磁屏蔽材料方面的专利申请人大多为国内科研机构,如南昌航空大学、东华大学、扬州大学等,企业申请量只占了很小的比例5%。而国外的情况完全相反,专利申请人中公司占了较大比例,如日本前10位的申请人均为企业。这说明我国电磁波屏蔽材料的产业化、市场化水平偏低,没有将科研成果应用于生产。

        因此,根据目前电磁屏蔽包装材料的发展状况和日益增长的市场需求,研制具有高性能、稳定性好、易于加工、经济环保的电磁屏蔽包装材料,成为目前市场迫切的需要。对该领域的研究方向提出以下建议:

        1)防电磁包装对材料性能的要求,除了能对电磁波实现宽频段屏蔽效果,还要具有良好的力学性能。通过对材料的结构进行合理设计,如层状复合包装材料,既可以提高材料在不同频段的电磁屏蔽性能,又可以提高材料的力学性能。

        2)研究开发具有多功能的防护包装,比能同时防电磁波、防静电等,以满足对电磁波、静电敏感的内装产品的防护要求。

        3)研制强度高、质量轻、易于加工,并且耐腐蚀的综合性能优良的电磁屏蔽包装材料。其中,导电聚合物可能是一种很有发展前景的材料。

        4)如果能通过对废弃包装材料进行加工再利用,制备出具有良好电磁屏蔽效果的包装,将会是一条践行绿色包装的最佳途径。

资料来源:公开资料,观研天下整理,转载请注明出处(ZQ)

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