涤纶纤维介电性能研究

2016-05-10赵晓明李卫斌赵家琪刘元军

纺织科学与工程学报 2016年1期

关键词：虚部实部纤维长度

赵晓明，李卫斌，赵家琪，刘元军

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

涤纶纤维介电性能研究

赵晓明，李卫斌，赵家琪，刘元军

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

摘要：首先利用自行设计的工艺，将纤维和石蜡混合制备了不同纤维长度和纤维含量的纤维试样，对其介电常数进行了测试与分析，研究了同纤维长度下，涤纶纤维含量对涤纶纤维试样介电常数的影响，其次详细探讨了涤纶纱线垂直和平行排布方式对介电常数的影响。结果表明：纤维含量对其介电常数有较大的影响，纤维越多，其介电常数的实部和虚部越大，且随着纤维长度的变大，介电常数的差值逐渐减小。当纱线试样排布方式与外加电场垂直时，纱线细度和排列密度均对介电常数造成了影响。当排列密度相同时，纱线越粗，纱线的间隔越小，纱线间贮存的空气越少，其介电常数值越大，其储存能量的能力和介电损耗能力越强。随着纱线排列密度的增加，三种纱线的介电常数数据差距减小。纱线与电场方向平行排列时的介电常数高于与电场垂直排列的纱线的介电常数。

关键词：吸波性能介电常数排布方式实部虚部

0前言

吸波材料最早应用于军事目的，目前，已经深入拓展到工业生产、劳动保护、提高电子器件和设备性能、电子信息保密和人体防护等诸多领域，吸波材料得到越来越广泛的关注[1]。近年来，很多研究者开发了一系列高性能功能纺织材料，并将其应用在电磁防护领域[2-7]。介电常数是表征材料吸波性能的重要参数,对纤维和纺织材料介电性能的研究已经成为重要的研究课题。介电常数是电磁波吸收材料非常重要的电磁参数，用ε表示在外电场中材料极化感生的电荷越多其介电常数越大，反之越小。通常将介电常数表示为ε = ε′- jε″，ε′为介电常数的实部，ε″为介电常数虚部，是极化电荷和介电损耗的宏观参数[8]。

为了探究纺织材料的吸波机理，本文重点研究了纺织材料的介电性能，为开发柔性吸波材料做好基础准备工作。利用自行设计的工艺，分别制作了纤维和纱线的集合体试样，对其介电常数进行了测试与分析。

1实验

1.1试验材料及设备

本文在实验中所用材料及主要仪器如表1所示。

表1　试验材料与仪器

1.2试样的制备

1.2.1纤维试样的制备

由于纤维自身的特点不易直接进行电磁参数测量，故将纤维与石蜡混合制得圆柱形试样进行测试。为了考察纤维长度对其介电常数的影响，故将涤纶纤维切成2mm、4mm、6mm的长度，并分别按照一定的比例(5%、10%、15%、20%)与固体石蜡混合，在电热恒温水浴锅加热条件下用玻璃棒搅拌至石蜡融化，并在超声波清洗器中将纤维与石蜡混合均匀，然后将混合物填充到根据介电谱仪电极片尺寸大小制作的模具中制成直径为3cm的圆形试样。在制备试样过程中，要求试样材料应均匀，试样中应避免气孔(直径小于0.1mm均匀分布的微孔除外)出现，并且无裂缝。试样表面应保持干净清洁、平整光滑。

1.2.2纱线试样的制备

根据所用测试仪器对试样尺寸的要求，不能对单根纱线进行测量，因此制备了纱线的集合体试样对纱线进行介电性能的测试。当纱线在电场中的排布方式不同时，电场在纱线间的传播方式也不同，因此在制备纱线试样时考虑了纱线排布方向与电场方向平行和垂直两种类型的试样。同时考虑到试样是纱线和空气的混合体，纱线的含量对试样有很大的影响，在制作垂直试样时设计了两种纱线的排列密度(20根/cm和30根/cm)。在制作平行试样时将一定根数的纱线做成纱线束并梳理平直，用超薄纸片捆扎成圆形，再用锋利的刀片按需要厚度切成圆柱形试样[89-90]。测试试样的有效直径是2cm，因此在准备试样时，试样的实际尺寸要比电极片的尺寸大一点。

1.3介电常数测试

采用德国Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介电阻抗谱仪测试介电常数，测试频率为0Hz～107Hz。由于纺织品本身的特性，它的介电常数很容易受到空气湿度及温度的影响，所以本次实验在恒温恒湿(20℃～22℃、64%～66%RH)条件下进行测试。下图1为Novocontrol介电阻抗谱仪的测试单元。

图1　介电阻抗谱仪的测试单元

2结果与讨论

2.1同纤维长度下，纤维含量对纤维试样介电常数的影响

(1)纤维长度为2mm，不同含量纤维试样介电常数分析

图2　长度为2mm的纤维试样介电常数随频率变化曲线

测试结果是纤维和石蜡混合体的介电常数，样品中石蜡的质量是固定的，混合体的介电常数主要受纤维含量的影响。当试样中纤维的含量越高，测试结果越接近纤维的介电常数。由图2中可以看出，纤维的质量百分比越多，混合体的介电常数的实部和虚部越大，其极化能力和电磁损耗能力越强。四种样品中，纤维随频率变化的趋势是相同的，都随着频率的增大而呈现微弱的减小趋势。含量为20%的纤维试样的介电常数实部和虚部都是最大的，其储存能量的能力和介电损耗的能力都是最强的，其在频率为1KHz时，实部为4.41，虚部为0.158。同时，从图中也可以看出，10%、15%和20%三种含量的纤维试样的介电常数实部和虚部相互接近，随着纤维含量的增加，介电常数变大的趋势减缓。

(2)纤维长度为4mm，不同含量纤维试样介电常数分析

图3　长度为4mm的纤维试样介电常数随频率变化曲线

图3表示纤维长度为4mm的四种不同含量的纤维石蜡混合试样的介电常数实部和虚部随外加电场频率的变化情况。纤维介电常数实部随着频率的升高而逐渐降低，含量为5%的纤维试样在整个频率范围内变化较小，其值也较小,其它三种含量的纤维在整个频段内的变化较大，但三个纤维试样的εˊ值的数据差距较小，但依旧表现出了随含量增加，εˊ变大的趋势。当频率大于104Hz时，四种纤维试样的介电常数实部明显聚拢，纤维含量对试样的介电常数影响减弱。对于ε〞，四种含量的纤维试样在整个频率范围内，均呈现了随频率增加而变小的趋势，且随含量的增加，ε〞值增大，其介电损耗越强，随着频率增加，四种试样的ε〞数据差距也在减小。

(3)纤维长度为6mm，不同含量纤维试样介电常数分析

图4　长度为6mm的纤维试样介电常数随频率变化曲线

图4表示纤维长度为6mm的四种不同含量的纤维石蜡混合试样的介电常数实部和虚部随外加电场频率的变化情况。纤维介电常数实部随着频率的升高而逐渐降低，含量为5%的纤维试样在整个频率范围内变化较小，其值也较小。另外三种含量的纤维试样的εˊ在整个频率范围内变化较大，随频率变化趋势明显，差距较小，但依旧表现出了随含量增加，εˊ值变大的规律。当频率大于103Hz时，四种纤维试样的介电常数实部明显聚拢，纤维含量对试样的介电常数影响减弱。相对于4mm纤维试样，6mm纤维试样的介电常数实部曲线聚拢更快更明显。对于ε〞，四种含量的纤维试样在频率低于105Hz时呈现了随频率增加先减小后增大的趋势，当频率高于105Hz时呈现了随频率增加而减小的趋势。随着含量的增加，ε〞值增大，其介电损耗越强，随着频率增加ε〞数据差距也较小。

2.2纱线垂直排布方式对介电常数的影响

图5　排列密度为20根/cm的纱线试样介电常数实部和虚部

图5所示为纱线试样的介电常数实部和虚部随频率变化的曲线，试样中纱线的排列密度为20根/cm，测试中纱线排布方式与电场方向垂直。该试样为纱线和空气的集合体，在三种细度纱线的试样中，纱线越细，纱线间的距离越大，试样中存储的空气越多，其介电常数受空气影响也较大。在测试中发现三种细度的纱线中，59tex的纱线最粗，其介电常数的实部和虚部都比较大，具有较好的极化能力和介电损耗能力，在频率为为1KHz时，其介电常数实部为4.19，虚部为1.92。45tex和32tex纱线的介电常数实部和虚部都比较接近。三种纱线的介电常数都随着频率的增大而呈减小的趋势，且其差距也在减小，当纱线处在高频区(f>104Hz)时，三条曲线差距越来越小，近乎重合，因此纱线的介电常数受细度的影响会越来越小，甚至可以忽略其影响。

图6　排列密度为30根/cm的纱线试样介电常数实部和虚部

图6所示为纱线试样的介电常数实部和虚部随频率变化的曲线图，试样中纱线的排列密度为30根/cm，测试中纱线排布方式与电场方向垂直。当纱线的排列密度增大时，其介电常数受细度影响规律是一样的，介电常数的实部和虚部都随着频率的增加而降低。在整个频率范围内，三种纱线的介电常数差值减小，表现在三条曲线在低频区(f>100Hz)就开始聚拢，所以当纱线的排列密度较大时，纱线细度对其试样的介电常数影响较小。通过具体数据比较，密度为20根/cm的纱线试样比密度为30根/cm的试样介电常数值略大，具体数值见表2。

表2　三种细度纱线的介电常数

2.3纱线平行排布方式对介电常数的影响

图7　纱线平行排列时的介电常数实部和虚部

当纱线排列方向与外加电场方向平行时，纤维内部的极性分子和基团在电场作用下转动，并沿电场方向定向排列，取向排列程度越高其集合体在此方向上的介电常数越大。因此，纱线与电场方向平行排列时的介电常数高于与电场垂直排列的纱线的介电常数。在准备的三种试样中，59tex纱线的介电常数实部和虚部都比较大，表现出了随排列增加而减小的趋势，并且随着频率的增加，其介电常数数据差值也在减小。

3结论

(1)本论文将纤维和石蜡混合制备了不同纤维长度和纤维含量的纤维试样，在测试中发现纤维含量对其介电常数有较大的影响，纤维越多，其介电常数的实部和虚部越大，且随着纤维长度的变大，介电常数的差值逐渐减小。

(2)当纱线试样排布方式与外加电场垂直时，纱线细度和排列密度均对介电常数造成了影响。当排列密度相同时，纱线越粗，纱线的间隔越小，纱线间贮存的空气越少，其介电常数值越大，其储存能量的能力和介电损耗能力越强。随着纱线排列密度的增加，三种纱线的介电常数数据差距减小。纱线与电场方向平行排列时的介电常数高于与电场垂直排列的纱线的介电常数。

参考文献

[1]刘元军,赵晓明,李卫斌. 吸波材料研究进展[J]. 成都纺织高等专科学校学报,2015,32(3): 23-29.

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[8]杨海燕,赵晓明. 织物介电常数影响因素的研究[J]. 天津工业大学学报,2014,33(2): 28-31.

中图分类号：TS102.522

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0089-05