石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物電磁性能和力學(xué)性能的影響

劉元軍，孫嘉瑞，葉美晨，李玉，趙曉明

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；2.天津唯多維(天津)科技有限公司，天津 300608)

0 引言

電磁波無處不在，電磁波污染已成為繼大氣污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染源[1]，被科學(xué)研究學(xué)者稱為“電子垃圾”或“電子輻射污染”[2-6]。一方面，電磁波影響使用大規(guī)模集成電路和微電流電子設(shè)備的正常工作，容易造成電子設(shè)備的誤動作或操作障礙[7-10]。另一方面，如果電磁波長期作用于人體細胞、組織和器官，會導(dǎo)致食欲不振、頭暈乏力、精神衰弱、免疫力降低等問題，嚴重的甚至致癌[10-14]。事實上，電磁污染作為一種看不見觸不到的新型污染，給人類社會帶來的不良影響已引起許多國家的重視，目前防治電磁污染已經(jīng)被列入重要的環(huán)境保護項目之一[15-20]。在科技飛速發(fā)展的今天，電磁波是不可抗拒的存在，所以必須正視開發(fā)電磁防護材料的重要性[20-22]。本文以玄武巖纖維織物為基布，以聚氨酯為基體，以石墨和石墨烯作為功能粒子用以防護電磁波，采用涂層工藝，在基布兩面分別涂覆石墨和石墨烯涂料，制備了雙層涂層玄武巖纖維織物，探討了石墨涂層厚度對織物的電磁性能和力學(xué)性能的影響。

1 實驗

1.1 材料和試劑

材料：玄武巖纖維阻燃布，由成都點石玄武纖維技術(shù)有限公司提供。

藥品：增稠劑7011，由廣州典木復(fù)合材料經(jīng)營部提供；聚氨酯PU2540，由廣州譽衡環(huán)保材料有限公司提供；石墨烯粉末，由天津市開瑞斯精細化工有限公司提供；石墨粉末，由天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司提供。

1.2 實驗儀器

采用上海維特電機有限公司生產(chǎn)的U400/90-220型電動攪拌器進行涂料的制備；采用蘇州軒沃瑞智能科技有限公司生產(chǎn)的XWR-150型涂層機進行涂層織物的制備；采用上海鰲珍儀器制造有限公司生產(chǎn)的DGG-9148A型高溫鼓風(fēng)干燥箱進行涂層織物的烘干；采用是德科技(中國)有限公司生產(chǎn)的E4991B型介電譜儀測試介電性能；采用德國Rohde &Schwarz公司生產(chǎn)的ZNB40矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試屏蔽效能；采用美國英斯特朗(INSTRON)公司生產(chǎn)的5969 型INSTRON萬能強力機測試力學(xué)性能。

1.3 制備過程

(1)準備基布：將合適大小的玄武巖纖維織物平整固定于涂層機針板架上。(2)制備涂層漿料：設(shè)定電動攪拌器以750 rad/min對樹脂進行攪拌，期間加入稱量好的功能粒子(石墨或石墨烯)，待功能粒子完全加入后，加入適量增稠劑，設(shè)定電動攪拌器以2000 rad/min繼續(xù)攪拌30 min即得攪拌均勻的涂料。(3)制備涂層織物：將石墨涂料涂覆于玄武巖纖維織物兩面，烘干固化后，再將石墨烯涂料涂覆于織物另一面，烘干固化后即得雙層涂層玄武巖纖維織物。

1.4 測試方法[23-25]

1.4.1 介電常數(shù)的測試

參照SJ20512-1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試方法》標準對待測試樣進行測試。取待測樣品裁剪為20 mm×20 mm 的平滑矩形，將介電譜儀提前開啟預(yù)熱30 min后進行儀器校準，輸入待測樣品厚度進行測試。

1.4.2 屏蔽效能的測試

參照GJB 6190-2008《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》標準對待測試樣進行測試。取待測樣品裁剪為100 mm×100 mm 的平滑矩形，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提前開啟預(yù)熱30 min后進行儀器校準，將待測樣品置于夾具之間進行測試。

1.4.3 拉伸強力的測試

參照GB1447283拉伸性能的標準實驗方法，在INSTRON3369 萬能材料試驗機上，對涂層織物進行拉伸性能測試。取待測樣品裁剪為50 mm×200 mm的平滑矩形，調(diào)整測試夾持距離為10 cm，調(diào)整加載速度為100 mm/min后，夾好試樣進行測試。

2 結(jié)果與討論

為了研究石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物電磁性能和力學(xué)性能的影響，以玄武巖纖維織物為基布，改變石墨涂層厚度(涂層厚度分別為0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm)，制備了四塊石墨涂層厚度不同的雙層涂層玄武巖纖維織物，具體工藝參數(shù)如表1所示。

表1 工藝參數(shù)表

2.1 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物介電性能的影響

石墨涂層厚度不同的雙層涂層玄武巖纖維織物的介電常數(shù)的實部曲線、虛部曲線以及損耗角正切曲線分別如圖1、圖2、圖3所示

圖1 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物實部的影響

如圖1所示，在0 MHz～1050 MHz頻率范圍內(nèi)，隨著石墨涂層厚度增加，介電常數(shù)實部逐漸增大，對電磁波的極化能力逐漸增強，石墨涂層厚度為2.0 mm時，介電常數(shù)實部最大，對電磁波的極化能力最強。在1050 MHz～1500 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為1.5 mm 的涂層織物的實部要略低于石墨涂層厚度為1.0 mm的涂層織物，但差值不大。

圖2 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物虛部的影響

如圖2所示，在0 MHz～700 MHz頻率范圍內(nèi)，隨著石墨涂層厚度增加，介電常數(shù)虛部先增大后減小，對電磁波的損耗能力逐漸增強后減弱；石墨涂層厚度為1.5 mm時，介電常數(shù)虛部最大，對電磁波的損耗能力最強，石墨涂層厚度超過1.5 mm時，介電常數(shù)虛部變小，對電磁波的損耗能力變?nèi)?。? MHz～700 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為1.5 mm的雙層涂層織物對電磁波的損耗能力最強。

在700 MHz～1500 MHz頻率范圍內(nèi)，隨著石墨涂層厚度增加，介電常數(shù)虛部先減小后增大，石墨涂層厚度為1.0 mm時，介電常數(shù)虛部最小，對電磁波的損耗能力最弱，石墨涂層厚度超過1.0 mm時，介電常數(shù)虛部變大，對電磁波的損耗能力變強。因此，在700 MHz～1500 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層織物對電磁波的損耗能力最強。

圖3 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物損耗角正切的影響

如圖3所示，在0 MHz～1250 MHz頻率范圍內(nèi)，隨著石墨涂層厚度增加，損耗角正切逐漸增大，對電磁波的衰減能力逐漸增強；石墨涂層厚度為1.5 mm時，損耗角正切值最大，對電磁波的衰減能力最強，石墨涂層厚度超過1.5 mm時，損耗角正切值變小，對電磁波的衰減能力變?nèi)酢?/p>

在1250 MHz～1500 MHz頻率之間，隨著石墨涂層厚度增加，損耗角正切逐漸增大，對電磁波的衰減能力逐漸增強，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層玄武巖纖維織物對電磁波的衰減能力最強。

2.2 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物屏蔽性能的影響

石墨涂層厚度不同的雙層涂層玄武巖纖維織物的屏蔽效能曲線如圖4、圖5所示。

圖4 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物屏蔽效能的影響(0 MHZ～40 MHZ)

圖5 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物屏蔽效能的影響(5 MHZ～40 MHZ)

如圖4、圖5所示，隨電磁波頻率增加，石墨含量不同的雙層涂層玄武巖纖維織物的電磁屏蔽效能均減小。在0 MHz～40 MHz頻率范圍內(nèi)，隨著石墨涂層厚度增加，雙層涂層玄武巖織物的屏蔽效能逐漸增大，石墨涂層厚度為2.0 mm時，涂層織物屏蔽效能最大，對電磁波的屏蔽能力最強。這可能是因為隨涂層織物厚度增加，單位面積內(nèi)的石墨含量也增加，形成了以石墨粒子為導(dǎo)體的導(dǎo)電通路且導(dǎo)電效果也更好，其電磁屏蔽能力隨之增強。因此，屏蔽效能從小到大依次為涂層厚度為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的雙層涂層玄武巖纖維織物。

總之，隨石墨涂層厚度增加，雙層涂層玄武巖纖維織物的電磁屏蔽效能增加，對電磁波的屏蔽能力增強。在本組實驗中，對電磁波屏蔽能力最強的是石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層玄武巖纖維織物。

2.3 石墨涂層厚度對雙層涂層玄武巖纖維織物力學(xué)性能的影響

石墨涂層厚度不同的雙層涂層玄武巖纖維織物的位移-載荷曲線圖如圖6所示，最大載荷、最大載荷位移如表2所示。

圖6 不同石墨涂層厚度的雙層涂層玄武巖纖維織物位移-載荷曲線圖

表2 最大載荷和最大載荷位移表

如圖6所示，四塊織物隨著位移增大均發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，可以明顯看出樣品1的斷裂伸長率最小，樣品4的斷裂伸長率最大，且隨著石墨涂層厚度增加斷裂伸長也越來越大。

總之，隨石墨涂層厚度增加，雙層涂層玄武巖纖維織物的斷裂強力呈增大趨勢，斷裂伸長率逐漸增大。

3 結(jié)論

(1)在0 MHz～1500 MHz的頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層織物對電磁波的極化能力最強。

(2)在0 MHz～700 MHz的頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為1.5 mm的雙層涂層織物對電磁波的損耗能力最強，在700 MHz～1500 MHz的頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層織物對電磁波的損耗能力最強。

(3)在0 MHz～1250 MHz的頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為1.5 mm的雙層涂層織物對電磁波的衰減能力最強，在1250 MHz～1500 MHz頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層織物對電磁波的衰減能力最強。

(4)在0 MHz～40 MHz的頻率范圍內(nèi)，石墨涂層厚度為2.0 mm的雙層涂層織物對電磁波的屏蔽能力最強。

(5)隨石墨涂層厚度增加，雙層涂層織物的力學(xué)性能隨之增強。