苯胺濃度和氧化劑濃度對聚苯胺/棉復合材料的吸波性能影響

殷光，張一曲，王錫晨，趙俊程，劉元軍

( 1． 天津工業(yè)大學紡織學院，天津300387; 2． 天津工業(yè)大學藝術與服裝學院，天津300387)

0 引言

導電聚合物因為它們的多樣化結構、獨特的摻雜機制、優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性、良好的導電性使其研究非常有意義[1-8]。它們在電池、電化顯示裝置、分子電子學、電磁屏蔽以及微波吸收材料等的潛在應用價值很大[9-13]。由于獨特的性能、優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和電子設備的應用潛力，聚苯胺(PANI)是最有前途的聚合物導電材料之一[14-16]。本文主要探討了苯胺濃度、氧化劑濃度對聚苯胺/棉復合吸波材料介電常數(shù)實部、虛部、損耗角正切的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和藥品

材料：平紋棉織物

藥品：苯胺，摻雜劑(對甲苯磺酸)，氧化劑(過硫酸銨)等。

1.2 聚苯胺/棉復合吸波材料的制備過程[14-16]

第一步吸附階段:將織物潤濕,然后將織物浸潤在苯胺單體的酸溶液中,浸潤1h使苯胺單體充分吸附到織物上。

第二步反應階段:加入氧化劑的酸溶液,使其攪拌均勻保持穩(wěn)定頻率滴加到吸附液中,在一定溫度下使苯胺發(fā)生聚合反應,反應時間為1.5h,在織物上生成聚苯胺。

第三步:用10%的乙醇溶液洗,然后水洗,自然晾干。

1.3 測試指標[14-16]

1.3.1 介電常數(shù)測試

介電常數(shù)的測試根據(jù)SJ20512-1995《微波大損耗固體材料復介電常數(shù)和復磁導率測試方法》標準測試。

1.3.2 表面電阻測試

表面電阻使用Agilent Technologies公司的U3402A萬用電表進行測試。

為后續(xù)評價相關指標提供了事實依據(jù)。

1.3.3 電鏡測試

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)主要用于材料表面形貌的研究。

2 結果與討論

2.1 苯胺濃度的影響

為探究苯胺濃度對聚苯胺/棉復合材料吸波性能的影響，本組實驗改變五組苯胺濃度，按表1的工藝處方制備不同樣品進行各項指標測試。

表1 工藝參數(shù)表

由圖1可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的實部逐漸變小，苯胺濃度對復合材料的極化能力影響較大,苯胺用量達到一定濃度，介電常數(shù)的實部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)實部減小。

由圖2可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的虛部逐漸變?。槐桨窛舛葘秃喜牧系碾姄p耗磁波能力影響較大,苯胺用量達到一定濃度，介電常數(shù)的虛部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)虛部減小。

圖1 苯胺濃度對介電常數(shù)實部的影響

圖2 苯胺濃度對介電常數(shù)虛部的影響

由圖3可知，隨著頻率的增大，介損耗角正切逐漸減小，材料的吸波衰減能力從強到弱依次是苯胺濃度0.45mol/L、0.3mol/L、0.6mol/L、0.15mol/L、0.75mol/L。這是因為當苯胺單體濃度過低時,不能在織物表面得到一層致密的聚苯胺膜,而當苯胺單體濃度大于0.45mol/L時,反應液變得十分粘稠,此時易產(chǎn)生副反應,不利于生成高導電性的聚苯胺,因織物的導電性變差。

表2 苯胺濃度對電阻的影響

由表2可知，苯胺濃度為0.45mol/L,復合材料的表面電阻最小,導電性最好。

圖4 不同苯胺濃度的聚苯胺/棉復合材料的SEM圖

注：a1、a2、a3是苯胺濃度0.15mol/L實驗組在200x、800x、1600x下的電鏡圖片；b1、b2、b3是苯胺濃度0.3mol/L實驗組在200x、800x、1600x下的電鏡圖片；c1、c2、c3是苯胺濃度0.45mol/L實驗組在200x、800x、1600x下的電鏡圖片；d1、d2、d3是苯胺濃度0.6mol/L實驗組在200x、800x、1600x下的電鏡圖片；e1、e2、e3是苯胺濃度0.75mol/L實驗組在200x、800x、1600x下的電鏡圖片；

圖4為不同苯胺溶液濃度制備的聚苯胺/棉復合材料的SEM圖。由圖4可知，棉纖維是中空的扭曲帶狀結構，隨苯胺濃度上升而逐漸被包覆。

2.2 氧化劑用量的影響

為探究氧化劑用量對聚苯胺/棉復合材料吸波性能的影響，本組實驗改變五組氧化劑用量，按表3的工藝處方制備不同樣品進行各項指標測試。

表3 工藝參數(shù)表

圖5 氧化劑用量對介電常數(shù)實部的影響

圖6 氧化劑用量對介電常數(shù)虛部的影響

由圖5可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的實部逐漸變小；氧化劑的用量對復合材料的極化能力影響較大,氧化劑用量達到一定濃度，介電常數(shù)的實部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)實部減小。

由圖6可知，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的虛部逐漸變?。谎趸瘎┑挠昧繉秃喜牧系碾姶挪〒p耗能力影響較大。氧化劑用量達到一定濃度，介電常數(shù)的虛部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)虛部減小。

圖7 氧化劑用量對介損耗角正切的影響

由圖7可知，隨著頻率的增大，介損耗角正切逐漸減小，材料的吸波衰減能力從強到弱依次是過硫酸銨和苯胺的摩爾比1:1.5、2:1.5、1:1、1:2、2:1。原因可能是當過硫酸銨用量較低時,由于反應體系的活性中心相對較少,生成的PANI不能進一步氧化為“苯醌”形式或者生成不了合適數(shù)量的“苯一醌”結構,導致吸波性能差。氧化劑過量,不但會進一步氧化PANI的主鏈,破壞其共扼結構,而且容易使纖維發(fā)生氧化降解,不利于聚苯胺吸附在纖維上,從而造成吸波效果差。

表4 氧化劑濃度對電阻的影響

由表4可知，過硫酸銨和苯胺的摩爾比為2∶1.5和1∶1.5對應的表面電阻較小，復合材料的導電性較好。原因可能是氧化劑與苯胺的初始摩爾比大于1時會造成氧化劑過量,使沉積在纖維表面的聚苯胺氧化成全氧化態(tài)的結構形式,不利于織物導電性的提高。

3 結論

苯胺濃度對復合材料的極化能力影響較大,苯胺用量達到一定濃度，介電常數(shù)的實部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)實部減小。苯胺濃度對復合材料的電損耗磁波能力影響較大,苯胺用量達到一定濃度，介電常數(shù)的虛部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)虛部減小。

氧化劑的用量對復合材料的極化能力影響較大,氧化劑用量達到一定濃度，介電常數(shù)的實部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)實部減小。氧化劑的用量對復合材料的電磁波損耗能力影響較大，氧化劑用量達到一定濃度，介電常數(shù)的虛部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)虛部減小。

參考文獻

[1] 劉元軍,趙曉明.吡咯濃度對聚吡咯涂層棉復合材料吸波性能的影響[J].材料科學與工藝,2016,24(6):51-55.

[2] 劉元軍,趙曉明,李衛(wèi)斌.氧化劑對聚吡咯復合材料介電性能的影響[J].材料科學與工藝,2016,24(5):41-46.

[3] 劉元軍,趙曉明,拓曉,等.聚吡咯吸波材料性能探討[J].成都紡織高等專科學校學報,2015,32(4):60-63.

[4] 趙曉明，魯亞穩(wěn).吸波材料的最新研究進展及發(fā)展趨勢[J].成都紡織高等專科學校學報,2016(3):120-124.

[5] 趙連英,董衛(wèi)東,黃亮,等.淺述吸波紡織面料開發(fā)的幾種途徑[J].現(xiàn)代紡織技術,2011,19(3):53-55.

[6] 趙連英.吸波(雷達隱身)紡織品開發(fā)[J].現(xiàn)代紡織技術,2009,17(6):64.

[7] 姜淑媛,陳志華,孫承科,郭伏.電磁輻射屏蔽織物——微波防護布的設計[J].絲綢,2004(2):9-10.

[8] 唐三湘.新型醫(yī)用屏蔽織物開發(fā)初探[J].絲綢,1999(9):37-38.

[9] 劉元軍,趙曉明,梁騰隆.柔性聚吡咯/尼龍復合材料介電性能的研究[J].材料導報,2016,30(18):60-65+79.

[10] 趙家琪,劉元軍,趙曉明.溫度對聚吡咯涂層棉復合材料介電性能和電阻的影響[J].成都紡織高等?？茖W校學報,2017,34(4):5-7.

[11] 武翔,劉元軍,趙曉明,趙家琪.聚吡咯涂層尼龍導電織物的性能研究[J].成都紡織高等?？茖W校學報,2017,34(4):18-21.

[12] 劉元軍,劉國熠,趙曉明.滑石粉涂層復合材料的制備及其介電性能和電導率[J].材料導報,2017,31(18):28-32.

[13] 劉元軍,劉國熠,趙曉明.聚吡咯/聚酯纖維復合材料吸波性能的探討[J].材料科學與工藝,2017,25(4):31-37.

[14] 趙曉明，孫嘉瑞.導電聚苯胺的研究進展及其在紡織領域的應用[J].紡織科學與工程學報，2018(1)：153-158.

[15] 劉元軍,趙家琪,趙曉明.反應溫度和時間對聚苯胺/滌綸復合材料介電性能的影響[J].成都紡織高等專科學校學報,2017,34(3):13-16.

[16] 劉元軍，武翔，錢學浩.氧化劑種類和濃度對聚苯胺/錦綸復合材料吸波性能的影響.[J].紡織科學與工程學報,2018(1):56-60.