反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電性能的影響

劉元軍，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電性能的影響

劉元軍，趙家琪，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

選用滌綸為基材，采用原位聚合法，以苯胺為單體，以對(duì)甲苯磺酸為摻雜劑，以過(guò)硫酸銨為氧化劑制備柔性聚苯胺/滌綸復(fù)合材料；重點(diǎn)探討了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電性能的影響。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度為30℃和50℃制得的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部最大，對(duì)電磁波的極化能力和損耗能力均最強(qiáng)。反應(yīng)溫度50℃制得的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的損耗角正切最大，表面電阻最低，導(dǎo)電性能最好。反應(yīng)時(shí)間為2.5h制得的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切最大，表面電阻最低，導(dǎo)電性能最好。

反應(yīng)溫度 反應(yīng)時(shí)間 介電性能 滌綸 復(fù)合材料

目前，吸波材料的研究日趨重要[1-8]。導(dǎo)電高分子材料是一種新型的吸波材料[9-12]。導(dǎo)電高分子包括聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)、聚吡咯(PPy)等[13]，此類材料具有質(zhì)量輕、環(huán)境穩(wěn)定性及導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，但其難溶于有機(jī)或無(wú)機(jī)溶液，聚苯胺(PANI)膜強(qiáng)度極差,且具有脆性[14-15]，可制備導(dǎo)電高分子與各類織物的復(fù)合材料,此類復(fù)合材料具備良好的回彈力、機(jī)械性、柔韌性等。目前，制備上述材料采用原位聚合法較為簡(jiǎn)單，可操作性較強(qiáng)[16-17]。

滌綸纖維是合成纖維，是當(dāng)前合成纖維中產(chǎn)量最大、用途最廣的纖維，具有良好的透氣性、排濕性，較強(qiáng)的抗酸堿性、抗紫外線的能力等。

本實(shí)驗(yàn)選用滌綸為基材，采用原位聚合法，以苯胺為單體，以對(duì)甲苯磺酸為摻雜劑，以過(guò)硫酸銨為氧化劑制備柔性聚苯胺/滌綸復(fù)合材料；重點(diǎn)探討了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要材料和試劑

材料：平紋滌綸機(jī)織物。

試劑：苯胺、過(guò)硫酸銨、對(duì)甲苯磺酸等，均為分析純。

1.2 制備工藝過(guò)程

第一步：將滌綸織物置入苯胺單體的對(duì)甲苯磺酸溶液中一定溫度處理一定時(shí)間。

第二步：將氧化劑過(guò)硫酸銨、摻雜劑對(duì)甲苯磺緩慢滴加到吸附液中，在一定溫度處理一定時(shí)間。

1.3 測(cè)試指標(biāo)和方法

1.3.1 介電常數(shù)和損耗角正切測(cè)試

根據(jù)SJ20512-1995 《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的介電常數(shù)和損耗角正切[18-24]。

1.3.2 表面電阻測(cè)試

使用U3402A萬(wàn)用電表進(jìn)行測(cè)試。將待測(cè)樣品平鋪在絕緣墊板上，讀取1.0cm間距的表面電阻值，單位為歐姆，測(cè)試5次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的介電性能的影響

改變反應(yīng)時(shí)間(室溫，30℃，50℃，70℃)，按表1的工藝處方制備不同樣品，測(cè)試其介電常數(shù)。

表1 工藝參數(shù)表

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)介電常數(shù)虛部部的影響

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)介損耗角正切的影響

苯胺單體通過(guò)液體/固體界面的吸附作用在尼龍表面吸附并發(fā)生原位聚合反應(yīng)生成聚苯胺。本征態(tài)聚苯胺由還原單元和氧化單元組成,其結(jié)構(gòu)為:

y值表征聚苯胺的氧化還原程度,y值決定聚苯胺的電導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)、組分、顏色等,完全還原型(y=1)和完全氧化型(y=0)都為絕緣體。聚苯胺的吸波機(jī)理是導(dǎo)電損耗型,電磁能主要衰減在電阻上。

由圖1可知隨著頻率的增大,聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部逐漸變??；反應(yīng)溫度為30℃和50℃制得的材料極化能力較強(qiáng)。由圖2可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的虛部逐漸變小；反應(yīng)溫度對(duì)材料的影響較大，反應(yīng)溫度為30℃和50℃制得的材料對(duì)電磁波損耗能力較強(qiáng)。由圖3可知，隨著頻率的增大，損耗角正切逐漸減小，50℃時(shí)材料的吸波衰減能力較強(qiáng)。原因可能是聚合反應(yīng)本身就是放熱，升高溫度使反應(yīng)加快，形成的聚苯胺膜不均勻，吸波性能就較差。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)電阻的影響

由表2可知，50℃時(shí)制備的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的表面電阻最低，導(dǎo)電性能最好，原因可能是50℃使聚合反應(yīng)緩慢充分，在滌綸織物表面形成的聚苯胺薄膜均勻。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的介電性能的影響

改變反應(yīng)時(shí)間(0.5h，1h，1.5h，2h，2.5h)，按表3的工藝處方制備不同樣品，測(cè)試其介電常數(shù)。

表3 工藝參數(shù)表

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

由圖4可知，隨著頻率的增大,聚苯胺/滌綸復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部逐漸變小；反應(yīng)時(shí)間對(duì)材料的極化能力影響較大。反應(yīng)時(shí)間為2.5h制得的材料的實(shí)部最大，極化能力最強(qiáng)。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

由圖5可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的虛部逐漸變小；反應(yīng)時(shí)間對(duì)材料的影響較大，反應(yīng)時(shí)間為2.5h制得的材料的虛部最大，對(duì)電磁波損耗能力最強(qiáng)。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)損耗角正切的影響

由圖6可知，隨著頻率的增大，損耗角正切逐漸減小，反應(yīng)時(shí)間為2.5h制得的材料的吸波衰減能力最強(qiáng)。原因可能是反應(yīng)時(shí)間較短時(shí),聚苯胺得不到很好的聚合和摻雜。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電阻的影響

由表4可知，反應(yīng)時(shí)間為2.5h時(shí)，聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的電阻最小，導(dǎo)電性最好。

3 結(jié)論

(1)反應(yīng)溫度為30℃和50℃時(shí)制得的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料對(duì)電磁波的極化能力、損耗能力、衰減能力均較強(qiáng)。

(2)反應(yīng)時(shí)間為2.5h制得的聚苯胺/滌綸復(fù)合材料對(duì)電磁波的極化能力、損耗能力、衰減能力均最強(qiáng)。

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Influence of Reaction Temperature and Time on the Dielectric Property of Polyaniline/Nylon Composites

LIUYuan-jun,ZHAOJia-qi,ZHAOXiao-ming

(Textile Department, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387)

Flexible polyaniline/dacron composites were prepared by using aniline as a monomer, p-toluene sulfonic acid as the doping agent and ammonium persulfate as the oxidant on dacron fabric and taking in-situ polymerization method; the influence of reaction temperature and time on the dielectric property of polyaniline/nylon composites was mainly investigated. The results showed that when the reaction temperatures were 30℃ and 50℃, the values of the real and imaginary parts of the dielectric constant for the prepared polyaniline/dacron composites were the largest and the polarization property and loss property for electromagnetic waves were both the strongest. When the reaction temperature was 50℃, the loss angle tangent value of the prepared polyaniline/nylon composites was the largest, the surface electrical resistance was the lowest and the conductive performance was the best. When the reaction time was 2.5h, the values of the real and imaginary parts of the dielectric constant and the loss angle tangent value for the prepared polyaniline/dacron composites were all the largest, the surface electrical resistance was the lowest and the conductive performance was the best.

reaction temperature reaction time dielectric property dacron composites

2017-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)，天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13JCQNJC03000)，天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610058-Y7)。

劉元軍(1986-),女，博士，研究方向：涂層吸波材料的制備及其介電性能研究。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS 101.4

A

1008-5580(2017)03-0013-04