摻雜劑對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的介電性能研究

劉元軍，劉旭琳，殷 光

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院,天津 300387)

0 前言

吸波材料按材料耗損機(jī)理的不同，可分為磁介質(zhì)型(磁損耗型)、電介質(zhì)型(介電損耗型)和電阻型(導(dǎo)電損耗型)[1-4]。導(dǎo)電高分子屬于電阻型吸波材料[5-10]。 其中涂敷型吸波材料應(yīng)用廣泛，是當(dāng)代屏蔽或者吸波材料的主要發(fā)展方向[11-19]。傳統(tǒng)的吸波材料包括鐵氧體、石墨、碳化硅等，缺點(diǎn)是密度大、吸波頻帶窄等[20-23]；新型吸波材料有導(dǎo)電聚合物(聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯)等，其具有吸收能力強(qiáng)、密度小等優(yōu)點(diǎn)[24-26]。本文主要探討了摻雜劑對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料介電性能的影響。其次對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了掃描電鏡、紅外光譜等測(cè)試，研究了其吸濕速率、拉伸強(qiáng)力、水洗牢度等服用性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和藥品

材料：平紋棉織物

藥品：苯胺，摻雜劑(對(duì)甲苯磺酸、鹽酸、硝酸、冰乙酸)，氧化劑(過(guò)硫酸銨)，乙醇等。

1.2 聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的制備過(guò)程[27-29]：

(1)將織物浸潤(rùn)在苯胺單體的酸溶液(對(duì)甲苯磺酸、鹽酸、硝酸、冰乙酸)中浸潤(rùn)1h。

(2)加入過(guò)硫酸銨(氧化劑)的酸溶液(對(duì)甲苯磺酸、鹽酸、硝酸、冰乙酸),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(yīng),反應(yīng)時(shí)間為1.5h,在織物上生成聚苯胺。

(3)水洗,晾干。

1.3 測(cè)試指標(biāo)[27-29]

1.3.1 介電常數(shù)

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

1.3.2 表面電阻

使用U3402A型號(hào)的萬(wàn)用電表進(jìn)行測(cè)試

1.3.3 紅外光譜

通過(guò)紅外光譜測(cè)定可以推斷試劑中哪些基團(tuán)參與了反應(yīng)，為后續(xù)評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)提供了事實(shí)依據(jù)。

1.3.4 電鏡

采用掃描電子顯微鏡研究表面形貌

1.3.5 強(qiáng)力

參照GB1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法測(cè)試

1.3.6 吸濕速率

測(cè)定水分在不同時(shí)間內(nèi)上升高度，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以水分上升高度為縱坐標(biāo)繪制吸濕速率曲線。

1.3.7 牢度測(cè)試

將待測(cè)樣品分別用相同的方法水洗1次、2次、3次、4次、5次后測(cè)試介電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻雜劑種類(lèi)的影響

按表1工藝處方制備樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

表1 工藝參數(shù)表

圖1 摻雜劑種類(lèi)對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

圖2 摻雜劑種類(lèi)對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

圖3 摻雜劑種類(lèi)對(duì)介損耗角正切的影響

由圖1可以看出，摻雜劑種類(lèi)的不同，對(duì)介電常數(shù)實(shí)部影響較大,其中介電常數(shù)實(shí)部從大到小依次是硝酸、鹽酸、對(duì)甲苯磺酸、冰乙酸。由圖2可以看出，對(duì)甲苯磺酸對(duì)于材料的電磁波損耗能力影響較小。由圖3可以看出，鹽酸和硝酸對(duì)應(yīng)的介損耗角較大，說(shuō)明鹽酸和硝酸作為摻雜劑的摻雜效果較好，材料的吸波能力好。

表2 摻雜劑種類(lèi)對(duì)電阻的影響

由表2可見(jiàn)，摻雜劑種類(lèi)對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的電阻影響較大。鹽酸、硝酸作為摻雜劑制備的聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的電阻最小，導(dǎo)電性最好。

2.2 摻雜劑用量的影響

為探究摻雜劑用量對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合材料吸波性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)改變五組摻雜劑用量，按表3的工藝處方制備不同樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

表3 工藝參數(shù)表

由圖4可以看出，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的實(shí)部逐漸變??；摻雜劑的用量對(duì)材料的極化能力影響較大,摻雜劑用量達(dá)到一定濃度，介電常數(shù)的實(shí)部出現(xiàn)峰值，繼續(xù)增加用量，介電常數(shù)實(shí)部減小。原因可能是隨著摻雜劑用量的增加，“摻雜度”慢慢飽和。

圖4 摻雜劑用量對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

圖5 摻雜劑用量對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

由圖5可以看出，隨著頻率的增大,介電常數(shù)的虛部逐漸減小;摻雜劑的用量對(duì)材料的電磁波損耗能力影響較大,摻雜劑用量達(dá)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)實(shí)部減小。摻雜劑用量為0.4mol/L,材料的電磁波損耗能力最強(qiáng)。

圖6 摻雜劑用量對(duì)介損耗角正切的影響

由圖6可以看出，材料的吸波衰減能力從強(qiáng)到弱依次是摻雜劑用量0.4mol/L、0.8mol/L、0.6mol/L、0.2mol/L、0mol/L。沒(méi)有加入摻雜劑時(shí)，材料的吸波衰減能力是零。

表4 摻雜劑濃度對(duì)電阻的影響

由表4可見(jiàn)，摻雜劑用量對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的電阻影響較大。摻雜劑用量為0.8mol/L、0.6mol/L制備的聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的電阻相對(duì)較小，導(dǎo)電性較好；酸濃度過(guò)高和過(guò)低時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)電性均較小。

2.3 聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的其他性能研究

2.3.1 紅外光譜測(cè)試

(a)棉織物 (b)聚苯胺/棉復(fù)合材料

圖7中的(a)為純棉織物的紅外光譜圖,(b)為聚苯胺/棉復(fù)合材料的紅外光譜圖。從(a)中可以看出: 棉織物紅外光譜，具有纖維素纖維的一些特征峰，3333cm-1處為纖維素纖維結(jié)構(gòu)中O-H的伸縮振動(dòng)峰，2900cm-1附近的吸收峰是C-H的伸縮振動(dòng)峰。同時(shí)，1159cm-1、1107cm-1、1029cm-1處產(chǎn)生的吸收峰為纖維素纖維紅外特征吸收峰。從(b)可以看出：吸收峰整體平緩，反應(yīng)前比較尖銳的吸收峰，如3333cm-1處O-H的伸縮振動(dòng)峰，1159cm-1、1107cm-1、1029cm-1處纖維素纖維紅外特征吸收峰，都明顯減弱。

2.3.2 電鏡測(cè)試

注：a1、a2、a3是未經(jīng)整理的棉織物電鏡圖片；b1、b2、b3是聚苯胺/棉復(fù)合材料的電鏡圖片

圖8 棉織物整理前后的電鏡圖

由圖8可見(jiàn)，未經(jīng)處理的棉纖維呈扁平帶狀，聚苯胺吸附在織物表面上。

2.3.3 強(qiáng)力測(cè)試

表5 聚苯胺/棉復(fù)合材料的力學(xué)變化

由表5可知,聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的強(qiáng)力比純棉織物的強(qiáng)力增強(qiáng)了，說(shuō)明織物的基本性能沒(méi)有弱化。

2.3.4 吸濕速率測(cè)試

圖9 整理前后棉織物吸濕速率對(duì)比

由圖9可見(jiàn)，經(jīng)聚苯胺整理過(guò)后的棉織物吸濕速率有所上升。

2.3.5 牢度測(cè)試

表6 洗滌次數(shù)對(duì)牢度的影響

圖10 不同水洗次數(shù)的聚苯胺/棉復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部

圖11 不同水洗次數(shù)的聚苯胺/棉復(fù)合材料介電常數(shù)虛部

由圖10、圖11、圖12可以看出洗滌一次對(duì)牢度影響較大，繼續(xù)洗滌，對(duì)牢度的影響不大，說(shuō)明復(fù)合材料的牢度良好。

3 結(jié)論

摻雜劑對(duì)聚苯胺/棉復(fù)合吸波材料的介電性能，表面電阻影響較大；聚苯胺/棉復(fù)合材料既具備良好的吸波性能，又具有良好的潤(rùn)濕性、強(qiáng)力、牢度。