国立产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）纳米管实用研究中心【研究中心主任：畠健二】CNT应用组太田清介研究员、片田有信指定深入研究专家物理测量标准研究部[研究部主任 Yasuhiro Nakamura] 电磁测量研究小组 Yuto Kato，研究员超级成长法制成碳纳米管(SGCNT)，高电磁波屏蔽我们开发了一种可形成功能性薄膜的涂料。
作为屏蔽各种电子设备电磁波的一种方式，电子设备及其连接的部件均由金属制成外壳中。近年来，随着电子设备变得更加多样化、更小、更轻，越来越多地使用由树脂或橡胶制成的复杂形状的外壳以及覆盖有这些材料的部件。因此，将电磁屏蔽涂料作为基材涂敷到复杂形状的外壳和部件上以提供电磁屏蔽能力的方法引起了人们的关注。然而，现有的电磁波屏蔽涂料存在基材选择性有限、电磁波屏蔽能力低等问题。
我们现在开发了一种使用SGCNT的水性涂料（SGCNT基水性涂料），可以形成具有电磁波屏蔽能力的涂膜。该涂料对底材选择性高，可采用棒涂、喷涂、浸涂等多种涂装方法。因此，不仅可以在平面上形成涂膜，还可以在复杂形状的基材上形成涂膜。此外，所形成的涂膜具有高电磁波屏蔽能力、高温耐久性、柔韧性，并且可以追随基材的变形。未来，它有望在多种领域用作电磁屏蔽措施，包括高温环境下使用的汽车线束以及具有运动部件和复杂形状的工业机器人。
该技术将于 2017 年 6 月 14 日至 15 日在船堀塔厅（东京江户川区）举行的第 28 届塑料成型加工学会年会上的特别展位上展出。
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| 使用新开发的SGCNT基水性涂料在聚酰亚胺片上形成的涂膜 |
近年来，随着无线通信电子设备数量的增加，以及通信速度的加快和频带的扩大，对电磁波屏蔽措施的需求不断增长，以抑制可能导致电子设备故障的不必要的辐射（杂散）。屏蔽电磁波的传统方法是将电子设备和与其连接的部件容纳在金属外壳中，但近年来，随着电子设备变得更小、更轻，通常使用由树脂或橡胶制成的复杂形状的外壳以及覆盖这些材料的部件，并且将电磁屏蔽涂料作为基材涂敷到复杂形状的外壳和部件上以提供电磁屏蔽能力的方法引起了人们的关注。
目前常见的电磁波屏蔽涂料之一是金属（银（Ag））基涂料，该涂料的主要成分是Ag颗粒、连接Ag颗粒的粘结剂树脂和有机溶剂。虽然有机溶剂具有优异的电磁波屏蔽能力，但其具有溶解其他物质的性质，这限制了其可应用的基材。使用炭黑（CB）颗粒和水的CB基涂料也已被开发出来，但它们存在电磁波屏蔽能力低的问题。
产业技术研究院确立了将SGCNT以网状方式铺展分散在橡胶材料中的技术，即使使用少量的SGCNT，也能制造出具有高导电性的SGCNT橡胶复合材料（AIST 新闻公告 2011 年 10 月 12 日）和使用导电、柔性和可拉伸SGCNT橡胶复合材料的柔性器件（AIST 新闻公告 2015 年 8 月 12 日）等已经开发出来。此外，我们正在通过优化SGCNT在橡胶材料中以网络形式铺展和分散的状态，开发具有高电磁屏蔽能力的SGCNT橡胶复合材料。这次碳纳米管复合材料研究中心，我们利用AIST先前开发的分散技术，开发了一种SGCNT基水性涂料，该涂料具有高电磁波屏蔽能力，并且易于在各种形状复杂的基材上形成涂膜。
新开发的基于SGCNT的水性涂料可以通过多种方式应用，包括棒涂和喷涂（图1）。棒涂法是利用棒将涂料涂敷在平坦的表面上，适合涂抹于大面积的平坦表面，而喷涂法则是利用喷涂的方式来涂抹涂料，适合涂抹于复杂的形状。因此，新开发的SGCNT基水性涂料可以应用于各种形状的基材，以提供电磁波屏蔽能力。此外，由于该涂料为水性涂料，因此对基材具有较高的选择性，并且由于SGCNT的机械性能，涂膜具有优异的柔韧性，可以跟随基材的变形。
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图1采用SGCNT基水性涂料形成的涂膜
通过棒涂法(左)和喷涂法(右)形成的涂膜 |
另外，SGCNT基水性涂料的SGCNT在水中呈网状铺展分散，具有优异的涂装性能（涂装性能优异的涂料是在涂装过程中具有高流动性（低粘度），而在涂装结束时具有低流动性（高粘度）的涂料）。
新开发的基于SGCNT的水性涂料具有高速度，在粘度测量过程中产生高度流动状态剪切切换时到低速剪切，形成低流动性状态，粘度迅速恢复并增加（图2）。这表明，在涂料高速移动的涂装操作中，涂料的流动性增加（粘度降低），而在涂装结束时，当涂料停止移动时，涂料的流动性降低（粘度增加）。因此，涂料不易在涂膜表面滴落，即使在形状复杂的基材上也容易形成涂膜。
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| 图 2 基于 SGCNT 的水性涂料（左）和涂料粘度随剪切速率的变化（右） |
接下来，使用该SGCNT系水性涂料，通过棒涂法和喷涂法形成涂膜，测定45～6GHz频率范围内的电磁波屏蔽能力。结果，棒涂法和喷涂法在测量区域中均显示出30dB（999%）以上的电磁波屏蔽能力，超过20dB（990%），这是实际使用所必需的（图3）。此外，这些涂层还具有优异的耐热性，即使在180℃、24小时的加热试验后，即使是使用棒涂法形成的薄涂膜也保持了与加热试验前相同的电磁波屏蔽能力（图3中的红色虚线）。
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| 图3使用新开发的SGCNT基水性涂料形成的涂膜的电磁波屏蔽能力 |
最后，我们比较了新开发的SGCNT水性涂料、市售的Ag基涂料和CB基涂料采用棒涂法形成的涂膜的特性（图4）。 SGCNT基水性涂料以水作为分散介质来分散成膜物质，因此对可涂覆的基材具有高度选择性。涂膜具有足够实际使用的电磁波屏蔽能力，并且SGCNT的机械性能具有优异的柔韧性和抗变形能力。因此，即使因温度变化而发生变形，也不会产生裂纹，表面状态也保持不变，确认不存在因加热而劣化的情况。市售的银基涂料具有优异的电磁屏蔽能力，但它们使用有机溶剂作为分散介质来防止银颗粒氧化，这限制了它们的适用基材。此外，由于使用粘合剂树脂来连接Ag颗粒，因此在高温环境下，形成有涂膜的基材与粘合剂树脂之间的热膨胀系数差异导致变形，导致破裂和剥离。由市售CB基涂料形成的涂膜使用水作为分散介质，因此尽管它们在可涂覆的基材上具有高选择性，但它们没有表现出足够的电磁波屏蔽能力。
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| 图4 开发产品与市售产品的特性比较 |
未来，CNT复合材料研究中心正在考虑使用新开发的SGCNT基水性涂料在企业提供的基材上形成电磁屏蔽膜，并提供样品。