電磁波吸收功能木基膠合板的制備與性能?

劉 娜 解 帥 張建均 冀志江

（1.湖南福湘木業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 岳陽 414000；

2.中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

電磁輻射是人類無法感知，卻存在巨大潛在危害的一種新型污染。應(yīng)用具有電磁防護功能的建筑裝飾材料，可有效解決建筑空間電磁輻射污染問題。木材價格低廉、易于加工、應(yīng)用廣泛，是建筑材料中唯一具有可再生和可自然降解特性的生物資源[1]。因此，開發(fā)具備電磁防護功能木材將具有廣闊的應(yīng)用前景。

自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者相繼在木基材料的電磁防護性能改進方面進行研究，但是大部分研究都集中在木基材料的電磁屏蔽效能改善方面。常見的木材電磁功能改性工藝包括化學(xué)鍍層[2-6]、夾層處 理[7-8]、碳化處理[9]、復(fù)合導(dǎo)電介質(zhì)[10-12]等工藝。Pan等[13]通過在木材表面化學(xué)鍍Cu-Ni涂層實現(xiàn)電磁屏蔽效果，在300 kHz～2.0 GHz頻率范圍內(nèi)，平均電磁屏蔽效能達到90.69 dB。Dang等[14]采用機械磨削輔助熱壓法制備了碳纖維增強聚丙烯酰胺/木纖維復(fù)合板，該復(fù)合板在8～12 GHz范圍內(nèi)最大屏蔽效能為41.03 dB。侯俊峰等[15]將電磁屏蔽碳?xì)峙c楊木單板疊層復(fù)合制備電磁屏蔽膠合板，當(dāng)碳?xì)种刑祭w維填充量為120 g/m2時，膠合板屏蔽效能為52.61～68.37 dB（100 kHz～1.5 GHz）。

目前，電磁屏蔽材料多為反射型屏蔽，在電磁輻射治理中存在二次污染的風(fēng)險[16]。電磁波吸收可將電磁波能量徹底吸收轉(zhuǎn)化，更適合電磁輻射污染的治理。然而，鮮有低頻電磁波吸收功能木基人造板材相關(guān)的研究報道，為此，本文針對城市及人居建筑空間常見的1～5 GHz電磁輻射防護，基于木質(zhì)基板電磁改性工藝和連續(xù)漸變阻抗結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，開發(fā)電磁波吸收功能木基膠合板，并對其吸波性能和其他理化性能進行研究。

1 材料與方法

1.1 材料

木材基體：厚度為2 mm的桉木單板，初含水率為8%～10%，平均密度為450 g/cm3，裁剪成30 cm×30 cm尺寸，廣西賀州市平桂區(qū)鵝塘區(qū)土發(fā)木材加工廠；膠黏劑：大豆蛋白膠黏劑（自制），固體含量為40%～42%；丙烯酸乳液：乳白色藍光液體，固體含量為（47±1）%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度20 ℃，黏度為500～3 500 Pa·s，北京科之信乳膠有限公司；納米炭黑：天津金秋實化工有限公司，微觀形貌為球形顆粒，顆粒尺寸為50～100 nm（如圖1所示）；其他輔助材料：去離子水（自制）；4080A型炭黑分散劑，維波斯新材料（濰坊）有限公司，消泡劑，巴斯夫（中國）有限公司。

圖1 納米炭黑TEM圖Fig.1 TEM image of nano carbon black

1.2 設(shè)備

安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號N5234A，美國安捷倫科技有限公司；安捷倫阻抗分析儀，型號E4991，美國安捷倫科技有限公司；角錐喇叭天線，西安恒達微波技術(shù)開發(fā)有限公司；同軸傳輸/反射法測試校準(zhǔn)件和夾具，型號85054D，美國安捷倫科技有限公司；高速分散機，型號SAII-S300，上海索維機電設(shè)備有限公司；熱壓機，型號200T，無錫市強通機械有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號FESEM SU 8220，日本Hitachi公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制備

1）電磁改性劑制備：納米炭黑和炭黑分散劑按質(zhì)量比1∶0.2分散于一定質(zhì)量的乳液中，利用高速分散機攪拌30 min，攪拌速度為2 500 r/min。將納米炭黑含量為2%、3%和4%的電磁改性劑分別記為A改性劑、B改性劑和C改性劑。

2）木質(zhì)基板電磁改性：在已稱重的木質(zhì)基板兩面涂刷電磁改性劑，完全干燥后再次稱重，保證涂刷電磁改性劑后各木質(zhì)基板增加的質(zhì)量一致。將表面涂刷A改性劑、B改性劑和C改性劑的基板分別記為A板、B板和C板。

3）吸波膠合板制備：根據(jù)表1的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行木質(zhì)基板疊層組合，單面施膠，施膠量為180～200 g/m2；12 MPa壓力預(yù)壓40 min后進行熱壓，熱壓時間10 min，熱壓壓力12 MPa。

表1 試樣結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Structural design parameters of the samples

1.3.2 電磁性能測試

納米炭黑的電磁參數(shù)測試采用同軸傳輸/反射法，納米炭黑和石蠟以1∶1體積比混合后成型為外徑7 mm、內(nèi)徑3.04 mm的圓環(huán)試樣進行測試。木質(zhì)基板的阻抗利用阻抗分析儀進行測試，測試樣品尺寸為2 cm×2 cm。

1.3.3 吸波性能測試

依據(jù)JC/T 2499—2018《建筑材料吸收電磁波性能測試方法》中的弓形法對膠合板吸波性能進行測試，測試頻段為1.1～5 GHz。

1.3.4 其他性能測試

依據(jù)GB/T 9846—2015《普通膠合板》，測試膠合板的浸漬剝離、膠合強度、靜曲強度、彈性模量和甲醛釋放量等性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米炭黑電磁性能

利用同軸傳輸/反射法測試納米炭黑介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，如圖2 所示。從圖2a可以看出，納米碳黑具有較高的介電常數(shù)實部（ε′）、虛部（ε"）和損耗正切值（tanδe），且呈現(xiàn)出明顯的頻散效應(yīng)，隨頻率增加介電常數(shù)實部和虛部值不斷降低。納米碳黑的磁導(dǎo)率如圖2b所示，可以看出納米碳黑的磁導(dǎo)率實部和虛部值分別在1 和0 附近波動，說明納米碳黑不具有磁損耗能力。因此，納米碳黑是一種介電損耗材料，在與電磁波相互作用過程中可通過隧道效應(yīng)、阻尼振動、極化效應(yīng)和接觸傳導(dǎo)等機制實現(xiàn)對電磁波的吸收[17-19]。

圖2 納米炭黑的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率Fig.2 Permittivity and permeability of nano carbon black

2.2 木質(zhì)基板表面形貌

利用掃描電鏡對木質(zhì)基板電磁改性前后的表面形貌和元素分布進行表征，如圖3、4 所示。由圖3a可以看出，未改性木質(zhì)基板表面的木纖維呈規(guī)則性排列；對觀察區(qū)域進行元素分布面掃描分析，發(fā)現(xiàn)C元素（圖3b）和O元素（圖3c）的分布規(guī)律和數(shù)量基本相同，與木材的化學(xué)成分基本一致。

圖3 未改性木質(zhì)基板表面微觀形貌及C、O元素分布圖Fig.3 Surface morphology of unmodified wood substrate and distribution of C and O elements

圖4a為經(jīng)表面改性的木質(zhì)基板表面形貌，可以看出，電磁改性劑在木質(zhì)基板表面形成了連續(xù)、光滑的修飾層，完全遮蓋了木材原本的纖維狀微觀形貌。圖4b、c的元素分布面掃描結(jié)果顯示，改性木質(zhì)基板表面的C元素數(shù)量明顯增加，O元素數(shù)量明顯減小，且C元素分布均勻，證明電磁改性劑中納米炭黑在木質(zhì)基材表面均勻分布。

圖4 電磁改性后木質(zhì)基板表面微觀形貌及C、O元素分布圖Fig.4 Surface morphology of electromagnetic modified wood substrate and distribution of C and O elements

2.3 連續(xù)漸變阻抗結(jié)構(gòu)設(shè)計

具有良好吸波性能的材料要滿足兩個基本要求[20-21]：一是材料本身具有較強的電磁損耗能力，二是材料與自由空間阻抗具有良好的匹配性。以具有高介電損耗的納米炭黑對木質(zhì)基板進行表面電磁改性，可以賦予木質(zhì)基板較強的電磁損耗能力。為了改善膠合板的阻抗匹配，設(shè)計了連續(xù)漸變阻抗結(jié)構(gòu)，即沿著電磁波傳播方向各層材料的阻抗逐漸減小，且要保證相鄰層之間阻抗突變較小，以減小各界面層對電磁波的反射作用，保證電磁波盡量多地入射到材料內(nèi)部被衰減[22]。

利用阻抗分析儀測試了不同納米炭黑摻量電磁改性劑改性木質(zhì)基板的阻抗值，如圖5 所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，隨著電磁改性劑中納米炭黑摻量的增加，改性木質(zhì)基板的阻抗值逐漸降低。基于該阻抗測試結(jié)果，以A、B、C 3 種改性木質(zhì)基板為匹配層、過渡層和吸收層，按由上至下順序進行排列制備連續(xù)漸變阻抗結(jié)構(gòu)吸波膠合板。

圖5 不同納米炭黑摻量電磁改性劑改性木質(zhì)基板的阻抗值Fig.5 Impedance value of wood substrate modified by electromagnetic modifier with different nano carbon black content

2.4 膠合板吸波性能

采用弓形法測試膠合板的吸波性能，結(jié)果如圖6所示。圖6a反映了改變吸收層數(shù)對膠合板吸波性能的影響規(guī)律，從圖中反射率曲線可以看出，當(dāng)膠合板為3 層結(jié)構(gòu)時，在測試頻段范圍內(nèi)反射率僅在0～-5 dB之間。增加一層吸收層后，反射率得到明顯提升，在1.9～3.2 GHz范圍反射率低于-7 dB；當(dāng)設(shè)置3 層吸收層時，吸波性能顯著提升，在3.5 GHz獲得-39 dB的反射吸收峰，且在2.3～5 GHz范圍內(nèi)反射率均低于-7 dB。

圖6b反映了改變過渡層數(shù)對膠合板吸波性能的影響規(guī)律。從圖中測試曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著過渡層層數(shù)增加，反射率曲線呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，反射吸收峰向低頻方向移動，反射率小于-7 dB的吸波頻段不斷拓寬。當(dāng)過渡層為3 層，膠合板整體層數(shù)為7 層時，反射率在2～5 GHz范圍內(nèi)均小于-7 dB。

圖6 不同層結(jié)構(gòu)設(shè)計的膠合板反射率測試曲線Fig.6 Reflectivity test curves of plywood with different layer structure designs

圖6c所示為在膠合板層數(shù)相同條件下，改變匹配層、過渡層和吸收層設(shè)置對吸波性能的影響。從圖中曲線可以看出，當(dāng)整體膠合板層數(shù)不變時，反射吸收峰位置不變，但是吸收峰強度各不相同。當(dāng)膠合板含有1 層匹配層、2 層過渡層和4 層吸收層時，最小反射率值可達-41 dB，具有最寬的吸波頻寬（1.8～5 GHz反射率小于-7 dB）；吸收層層數(shù)減小或匹配層層數(shù)增多時，反射吸收峰強度減弱。

反射吸收峰的出現(xiàn)是由膠合板上下表面反射波干涉引起的劇烈吸收，根據(jù)干涉理論可知[23-25]，膠合板反射吸收峰位置變化主要歸因于膠合板厚度的變化。當(dāng)膠合板厚度增大時，反射吸收峰向低頻方向移動，當(dāng)厚度不發(fā)生變化時，反射吸收峰位置固定在某一頻率。吸收層層數(shù)增多，膠合板中電損耗介質(zhì)納米炭黑的含量增大，整體電磁損耗能力提升，吸波性能顯著增強。

2.5 其他理化性能

依據(jù)GB/T 9846—2015 對制備的膠合板各項理化性能進行測試，結(jié)果如表2 所示。由表中測試結(jié)果可知，膠合板的浸漬剝離、膠合強度、靜曲強度、彈性模量和甲醛釋放量等理化性能均超出標(biāo)準(zhǔn)值，該吸波功能膠合板能夠滿足工程實際性能需求，且具有顯著的電磁波吸收效果，可達到電磁輻射防護目的。

表2 膠合板其他理化性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of other physical and chemical properties of plywood

3 結(jié)論

本研究運用木質(zhì)基板電磁改性工藝和連續(xù)漸變阻抗結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，開發(fā)電磁波吸收功能木基膠合板，并對其吸波性能和其他理化性能進行研究，得出以下結(jié)論：

1）以納米炭黑為電磁改性劑對木質(zhì)基板進行表面電磁改性，可在木質(zhì)基板表面形成均勻、連續(xù)、光滑的電磁改性涂層。

2）基于改性木質(zhì)基板的連續(xù)漸變結(jié)構(gòu)設(shè)計制備的膠合板具有突出吸波性能，膠合板層數(shù)增加反射吸收峰向低頻方向移動，增加吸收層層數(shù)可拓寬吸波頻段；在膠合板厚度一定時，減少吸收層層數(shù)或增加匹配層層數(shù)，反射吸收峰強度減弱。

3）開發(fā)的吸波膠合板可實現(xiàn)對1.8～5 GHz電磁波反射率小于-7 dB，膠合強度、靜曲強度等其他理化性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可應(yīng)用于實際工程解決電磁輻射污染問題。