绒面吸波织物的制备及其吸波性能

丁志荣， 张琰卿， 温 娇， 郝瑞莉， 高 阳

(南通大学， 江苏 南通 226019)



绒面吸波织物的制备及其吸波性能

丁志荣， 张琰卿， 温 娇， 郝瑞莉， 高 阳

(南通大学， 江苏 南通 226019)

为开发柔性宽频吸波面料，利用绒面立体结构织物作为吸波面料的基布，分别以乙炔炭黑和铁硅铝作为吸波剂制备了新型的绒面吸波功能面料。研究结果表明：绒面织物经过吸波剂浸渍整理后，具有质量轻、手感柔软、吸波性能良好的特点；绒面长度为3 cm时，采用乙炔炭黑浸渍的绒面织物的吸波性能优于铁硅铝浸渍的绒面织物；当织物绒毛长度控制在1～2 cm时，经过乙炔炭黑浸渍整理后，小于-6 dB的有效吸波频带宽度达13.5 GHz，吸波峰值达-28 dB。

绒面结构； 乙炔炭黑； 铁硅铝； 浸渍； 吸波性能

吸波材料是指能吸收衰减入射的电磁波能量，将其转化为热能等其他形式能量，或者利用电磁波干涉使其相互抵消的一类功能性复合材料。近几年,关于吸波材料的研究有较大发展。TING Tzuhao等[1]研究的钛酸钡/聚苯胺结构复合材料在2～40 GHz范围内最优反射值达到-27 dB。郭飞等[2]利用羰基铁粉和二氧化锰为吸收剂，石蜡为基体制备复合材料，在2～18 GHz内最优反射值达-29 dB。Yoshihiro Egami等[3]研究超高频率下聚吡咯涂覆非织造布最优反射值达到-32 dB。温娇等[4]在金属纱线混纺布上涂覆羰基铁使其在2～18 GHz频率范围内最优反射值达-22.6 dB。这类涂层产品通常需要多层复合，一般情况下，材料显得厚重而且吸收频带较窄。本文研究以具有特殊空间结构的绒面立体织物作为吸波涂层面料的基布，在此基础上制备出新型吸波功能面料。相比平面吸波涂层面料而言较为柔软，既满足了有效吸收电磁波所必须的厚度，又实现了涂层面料的轻量化。该复合面料具有吸波频带宽、手感柔软、质量轻、保暖性能好等特征，作为防护服用面料，其适用性更加广泛。

1 基本理论

为使绒面吸波面料具有吸收电磁波能力，必须做到：一是阻抗匹配，即入射电磁波能最大限度地进入面料内部而不被反射；二是最大化衰减，即电磁波进入绒面吸波面料内部后，通过内部反射、吸收得到快速的衰减和损耗。

文献[5-6]表明，在满足阻抗匹配情况下，吸波介质的介电常数和磁导率的虚部越大，其电磁损耗能力越大，有利于衰减吸收。然而，从阻抗匹配看，吸波介质的介电常数和磁导率的实部要跟随增大，才能提高材料的储能容量和阻抗匹配性，因此，表面阻抗匹配和内部衰减吸收是矛盾的。为满足吸波体材料表面阻抗匹配和内部的吸收衰减，采用一种广义匹配定律[7]：ε′/ε″=μ′/μ″，更易获得宽频、轻薄的吸收材料。式中：ε′和ε″分别为无量纲的相对复介电常数实部和虚部；μ′和u″分别为无量纲的相对复磁导率的实部和虚部。

2 实验部分

2.1 实验材料

绒面织物(南通大昌纺织有限公司，纯涤纶纬编单面绒，绒毛长度为1、2、3、6、9 cm，其余规格参数相同)；101-APF超级柔软粘结剂(上海誉辉化工有限公司)；稀释剂无水乙醇；分散剂OP-7；乙炔炭黑(ACB，密度为0.067 g/cm3)；铁硅铝(Fe-Si-Al, FSA，密度为1.2 g/cm3)。

2.2 试样制备

分别取体积分数为40%吸波剂(乙炔炭黑，铁硅铝)加入到无水乙醇和101-APF中，用JB500D搅拌机以2 000 r/min的速度搅拌60 min，制成吸波剂。分别将不同绒长的绒面织物在吸波溶剂中浸渍3 h左右，然后取出，经浸轧、烘干制得绒面结构吸波面料。试样制备方案如表1所示。

2.3 试样测试

2.3.1 吸波粉体形态

对试样进行喷金处理后，采用KYKY-2800B扫描电镜分别在4 000倍和200倍的放大倍数下观察乙炔炭黑的微观形貌，分析其特征和尺度。

表1 试样制备方案

2.3.2 吸波粉体电磁参数

参照SJ 20512—1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》测量乙炔炭黑的电磁参数：将粉体(乙炔炭黑)与树脂均匀混合，然后在专用模具中压制成厚度为2 mm，内径为3 mm，外径为7 mm的同轴试样，在Aligent E8363B矢量网络分析仪上采用同轴传输/反射法进行测量[8]。

2.3.3 吸波面料的吸波性能

参照GJB 2038—1994《雷达吸波材料反射率测试方法》测试吸波面料的反射损耗，即在微波暗室中以测试角15°的弓形法，通过Aligent E8363B矢量网络分析仪测试反射率。

3 结果与讨论

3.1 吸波剂的形貌特征分析

图1示出乙炔炭黑和铁硅铝的扫描电镜照片。从图1(a)中可知，乙炔炭黑是一种具有尖角的不规则的微小颗粒，粒子小(最大宽度20 nm左右)，孔隙多。由于颗粒尺度在纳米级，因此比表面积大，单位质量粒子数目多，粉体团聚现象明显，结构性较高，有助于形成空间导电回路[9]，增强电阻损耗。此外，所形成的多孔结构也有利于界面产生极化以及对电磁波的多重散射和反射[10]。从图1(b)中可知，铁硅铝呈现扁平片状形态，铁硅铝薄片的厚度为3～5 μm，薄片长度为100 μm左右，具有较大的长径比。这些由片型或针型颗粒构成的介质吸波性能将优于球形颗粒[11-12]。

3.2 吸波剂的电磁特性

乙炔炭黑的电磁参数如图2所示。从图2(a)可见，其ε′约为6.5 ～10，ε′值随频率的升高而降低，ε″约1.4 ～2.25，在10 GHz附近ε″出现峰值2.25，表明在此频带附近乙炔炭黑介电损耗明显。从图2(b)可见，其μ′和μ″接近1和0，表明乙炔炭黑磁损耗能力较弱。

图1 吸波剂的电镜照片Fig.1 SEM images of absorbing agent. (a) Acetylene carbon black (×4 000)； (b) Fe-Si-Al (×200)

图2 乙炔炭黑的电磁参数Fig.2 Electromagnetic parameters of acetylene carbon black.(a) Permittivity ε of ACB(mass fraction 5%); (b) Permeability μ of ACB(mass fraction 5%)

铁硅铝的电磁参数变化规律如图3所示。从图3(a)可见，其ε′值约为20～150，ε″值约为15～80。从图3(b)可见，其μ′值约为0～16，μ″值约为1～8，μ′和μ″均随频率升高而减小。介电损耗角正切与磁损耗角正切在12～18 GHz均接近于1，符合广义匹配定律，说明在此频带吸波效果较好。

图3 铁硅铝的电磁参数Fig.3 Electromagnetic parameters of Fe-Si-Al. (a)Permittivity ε of FSA (mass fraction 20%);(b) Permeability μ of FSA (mass fraction 20%)

3.3 绒面吸波面料性能的分析

图4示出1#～6#试样的电磁波反射损耗曲线。从图中可见：在测量的2.6～18 GHz频率范围内，1#试样(绒毛长度1 cm)的-6 dB以上反射损耗的频带范围是2～5.5 GHz和8 GHz以上的频率，对应最大损耗-27 dB的反射频率在11.5 GHz附近；2#试样(绒毛长度2 cm)的-6 dB以上反射损耗的频带范围是2～4.5 GHz和7 GHz以上的频率，对应最大损耗-28 dB的反射频率在9.7 GHz附近；3#试样(绒毛长度3 cm)的-6 dB以上反射损耗的频带范围是7 GHz以上的频率，与最大损耗-15 dB对应的反射频率在18 GHz以上；4#试样(绒毛长度6 cm)和5#试样(绒毛长度9 cm)的反射损耗均达到-6 dB以上，最大损耗为-26 dB，与其对应的反射频率也在18 GHz以上；6#试样(绒毛长度3 cm)的-6 dB以上反射损耗的频带范围7.2 GHz以上的频率，与最大损耗-16.5 dB对应的频率约9 GHz附近。对比文献[4]，利用体积分数40%的乙炔炭黑制备厚度为1.5 mm的平面涂层吸波面料，其反射损耗几乎为0。由此可见，绒面吸波面料具有良好的吸波性能，并且对于3 cm长度的绒面织物而言，采用乙炔炭黑涂层的绒面织物的吸波性能优于铁硅铝涂层的绒面织物。

从实验结果看，绒毛的长短对吸波性能有明显影响，绒毛增长，导致织物增厚，绒面面料吸波能力提高，符合吸波材料厚度对吸波能力影响的一般规律，但是，绒毛过长，反而导致低频吸波能力衰弱，如试样5#(绒毛长度9 cm)。其原因：一是由于绒毛被吸波粉体包覆后具有一定的导电性，此时，较短的毛绒能够垂直于底布，形成的纤维极化方向与电磁波入射方向平行，其电磁损耗明显[13]；二是由于相邻绒毛黏结形成类似于角锥或交叉的结构，如图5所示。

图4 绒面织物的反射损耗曲线Fig.4 Reflection loss curves versus frequency of pile fabric impregnated absorbing materials on different base fabric.(a) Fabric impregnated ACB; (b) Fabric impregnated FSA

图5 绒面吸波浸渍织物绒毛结构模型Fig.5 Structure model of pile fabric impregnated with absorbing agent. (a) Pyramid formation or cross structures by action of adhesive; (b) Transmission of electromagnetic wave instructure model

电磁波入射到绒面吸波体后，将产生复杂的反射、透射和折射[14]，形成电磁波的多次传播损耗，因此，控制适当的绒毛长度，既有利于提高绒面吸波面料的吸波性能，又能够减少面料的厚度和质量。

综上分析，在5个乙炔炭黑涂层的试样中，2#试样(绒毛长度2 cm)和1#试样(绒毛长度1 cm)的吸波性能优于其他试样。

4 结 论

1)绒面织物由于具有特殊的空间结构，经过吸波剂浸渍整理后，不但依然具有质量轻、手感柔软的特点，而且吸波性能良好。

2)当绒毛长度控制在1～2 cm时，由于黏结剂的作用，部分绒毛黏结能够形成类似于角锥或交叉的结构竖立于地组织上，这种特殊的空间结构有利于电磁波在绒毛间的多次传播损耗，导致面料吸收频带宽，吸波效果好。同时由于绒毛被吸波粉体包覆后具有一定导电性，电磁波电场平行于纤维极化方向，更有利于电磁波的吸收。

3)当绒毛长度为3 cm时，采用乙炔炭黑浸渍的绒面织物的吸波性能优于铁硅铝浸渍的绒面织物。

FZXB

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Preparation and microwave absorption performance of pile absorbing fabric

DING Zhirong， ZHANG Yanqing， WEN Jiao， HAO Ruili， GAO Yang

(NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In order to develop flexible and broadband microwave absorbing fabric, novel pile absorbing composite fabric is prepared by using stereo pile fabric as base cloth and acetylene carbon black and Fe-Si-Al as absorbent agent. The results show that the pile fabric finished by impregnation of the absorbent agent has advantages of light weight, soft hand feeling and good performance of wave-absorbing; the absorption performance of the pile fabric impregnated acetylene with carbon black is superior to that impregnated with Fe-Si-Al; and when the floss length of the fabric is controlled from 1 to 2 cm, the pile fabric impregnated with acetylene carbon black has the effective bandwidth (smaller than -6 dB) up to 13.5 GHz, and the absorption peak is up to -28 dB.

pile structure； acetylene carbon black； Fe-Si-Al； impregnation； absorption performance

10.13475/j.fzxb.20140902805

2014-09-19

2015-06-28

江苏省科技厅产学研前瞻性研究项目(BY2012131)

丁志荣(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向为纺织材料及产品设计、数字化纺织技术。E-mail:ding.zr@ntu.edu.cn。

TS 101.3

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