反应温度和时间对聚苯胺/涤纶复合材料介电性能的影响

刘元军，赵家琪，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

反应温度和时间对聚苯胺/涤纶复合材料介电性能的影响

刘元军，赵家琪，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

选用涤纶为基材，采用原位聚合法，以苯胺为单体，以对甲苯磺酸为掺杂剂，以过硫酸铵为氧化剂制备柔性聚苯胺/涤纶复合材料；重点探讨了反应温度、反应时间对聚苯胺/涤纶复合材料介电性能的影响。结果表明：反应温度为30℃和50℃制得的聚苯胺/涤纶复合材料的介电常数实部、虚部最大，对电磁波的极化能力和损耗能力均最强。反应温度50℃制得的聚苯胺/涤纶复合材料的损耗角正切最大，表面电阻最低，导电性能最好。反应时间为2.5h制得的聚苯胺/涤纶复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大，表面电阻最低，导电性能最好。

反应温度 反应时间 介电性能 涤纶 复合材料

目前，吸波材料的研究日趋重要[1-8]。导电高分子材料是一种新型的吸波材料[9-12]。导电高分子包括聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)、聚吡咯(PPy)等[13]，此类材料具有质量轻、环境稳定性及导电性好等优点，但其难溶于有机或无机溶液，聚苯胺(PANI)膜强度极差,且具有脆性[14-15]，可制备导电高分子与各类织物的复合材料,此类复合材料具备良好的回弹力、机械性、柔韧性等。目前，制备上述材料采用原位聚合法较为简单，可操作性较强[16-17]。

涤纶纤维是合成纤维，是当前合成纤维中产量最大、用途最广的纤维，具有良好的透气性、排湿性，较强的抗酸碱性、抗紫外线的能力等。

本实验选用涤纶为基材，采用原位聚合法，以苯胺为单体，以对甲苯磺酸为掺杂剂，以过硫酸铵为氧化剂制备柔性聚苯胺/涤纶复合材料；重点探讨了反应温度、反应时间对聚苯胺/涤纶复合材料介电性能的影响。

1 实验

1.1 主要材料和试剂

材料：平纹涤纶机织物。

试剂：苯胺、过硫酸铵、对甲苯磺酸等，均为分析纯。

1.2 制备工艺过程

第一步：将涤纶织物置入苯胺单体的对甲苯磺酸溶液中一定温度处理一定时间。

第二步：将氧化剂过硫酸铵、掺杂剂对甲苯磺缓慢滴加到吸附液中，在一定温度处理一定时间。

1.3 测试指标和方法

1.3.1 介电常数和损耗角正切测试

根据SJ20512-1995 《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》标准测试聚苯胺/涤纶复合材料的介电常数和损耗角正切[18-24]。

1.3.2 表面电阻测试

使用U3402A万用电表进行测试。将待测样品平铺在绝缘垫板上，读取1.0cm间距的表面电阻值，单位为欧姆，测试5次取平均值。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对聚苯胺/涤纶复合材料的介电性能的影响

改变反应时间(室温，30℃，50℃，70℃)，按表1的工艺处方制备不同样品，测试其介电常数。

表1 工艺参数表

图1 反应温度对介电常数实部的影响

图2 反应温度对介电常数虚部部的影响

图3 反应温度对介损耗角正切的影响

苯胺单体通过液体/固体界面的吸附作用在尼龙表面吸附并发生原位聚合反应生成聚苯胺。本征态聚苯胺由还原单元和氧化单元组成,其结构为:

y值表征聚苯胺的氧化还原程度,y值决定聚苯胺的电导率、结构、组分、颜色等,完全还原型(y=1)和完全氧化型(y=0)都为绝缘体。聚苯胺的吸波机理是导电损耗型,电磁能主要衰减在电阻上。

由图1可知随着频率的增大,聚苯胺/涤纶复合材料介电常数的实部逐渐变小；反应温度为30℃和50℃制得的材料极化能力较强。由图2可知，随着频率的增大,介电常数的虚部逐渐变小；反应温度对材料的影响较大，反应温度为30℃和50℃制得的材料对电磁波损耗能力较强。由图3可知，随着频率的增大，损耗角正切逐渐减小，50℃时材料的吸波衰减能力较强。原因可能是聚合反应本身就是放热，升高温度使反应加快，形成的聚苯胺膜不均匀，吸波性能就较差。

表2 反应温度对电阻的影响

由表2可知，50℃时制备的聚苯胺/涤纶复合材料的表面电阻最低，导电性能最好，原因可能是50℃使聚合反应缓慢充分，在涤纶织物表面形成的聚苯胺薄膜均匀。

2.2 反应时间对聚苯胺/涤纶复合材料的介电性能的影响

改变反应时间(0.5h，1h，1.5h，2h，2.5h)，按表3的工艺处方制备不同样品，测试其介电常数。

表3 工艺参数表

图4 反应时间对介电常数实部的影响

由图4可知，随着频率的增大,聚苯胺/涤纶复合材料介电常数的实部逐渐变小；反应时间对材料的极化能力影响较大。反应时间为2.5h制得的材料的实部最大，极化能力最强。

图5 反应时间对介电常数虚部的影响

由图5可知，随着频率的增大,介电常数的虚部逐渐变小；反应时间对材料的影响较大，反应时间为2.5h制得的材料的虚部最大，对电磁波损耗能力最强。

图6 反应时间对损耗角正切的影响

由图6可知，随着频率的增大，损耗角正切逐渐减小，反应时间为2.5h制得的材料的吸波衰减能力最强。原因可能是反应时间较短时,聚苯胺得不到很好的聚合和掺杂。

表4 反应时间对电阻的影响

由表4可知，反应时间为2.5h时，聚苯胺/涤纶复合材料的电阻最小，导电性最好。

3 结论

(1)反应温度为30℃和50℃时制得的聚苯胺/涤纶复合材料对电磁波的极化能力、损耗能力、衰减能力均较强。

(2)反应时间为2.5h制得的聚苯胺/涤纶复合材料对电磁波的极化能力、损耗能力、衰减能力均最强。

[1] 赵晓明,李卫斌.织物介电常数的影响因素分析[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(2):1-5.

[2] 鲁亚稳,赵晓明.电磁屏蔽织物的研究现状及影响因素[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(3):206-210.

[3] 蒋建清,李茂松. 棉不锈钢长丝包芯纱开发及电磁屏蔽性能研究[J]. 棉纺织技术,2012(7):24-27.

[4] 张小娜,李卫斌,赵晓明.金属特性纤维及其在纺织上的应用研究[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(1):136-140+163.

[5] 孙宏,韩慧敏,叶丽珠,沈梦滢. 再生蚕丝蛋白纤维混纺织物屏蔽效能分析[J]. 棉纺织技术,2016(4):36-38.

[6] 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(1):28-31.

[7] 肖倩倩,肖秋利. 电磁屏蔽纤维的研究进展与应用[J]. 棉纺织技术,2012(9):62-64.

[8] 汪秀琛,韩梦笛,张永恒,刘哲. 电磁屏蔽织物中导电纤维的三维排列结构模拟[J]. 棉纺织技术,2016(2):24-27.

[9] 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(3):23-29.

[10]唐晓宁,田明伟,曲丽君,朱士凤,郭肖青.二氧化钛添加量对聚苯胺织物性能的影响[J].棉纺织技术,2014(8):9-12.

[11]刘元军,赵晓明,拓晓.铁氧体涂层针织物吸波材料的制备及其力学性能研究[J].染整技术,2015(11):28-32.

[12]赵晓明,鲁亚稳.吸波材料的最新研究进展及发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(3):120-124.

[13]赵振云，高兵，李兰倩，等.导电聚苯胺的研究进展及应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(4)：147-153.

[14]狄剑锋,单文巧.聚苯胺导电织物超声波辅助生产工艺研究[J].棉纺织技术,2014(4):26-28+33.

[15]刘元军,赵晓明,李卫斌.氧化剂对聚吡咯复合材料介电性能的影响[J].材料科学与工艺,2016(5):1-6.

[16]刘元军,赵晓明,拓晓,赵家琪,李锦芳,郭映雪.聚吡咯吸波材料性能探讨[J].成都纺织高等专科学校学报,2015(4):60-63.

[17]刘元军,赵晓明.吡咯浓度对聚吡咯涂层棉复合材料吸波性能的影响[J].材料科学与工艺,2016(6):1-5.

[18]刘元军,赵晓明,拓晓.吸波涂层织物的制备及其力学性能研究[J].棉纺织技术,2015(9):1-4.

[19]刘元军,李卫斌,李锦芳,赵晓明.组织结构和经密对碳纤维织物吸波性能研究[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(2):15-20.

[20]刘元军,赵晓明,拓晓.石墨/碳化硅/铁氧体涂层复合材料性能研究[J].材料科学与工艺,2016(1):90-96.

[21]赵晓明,刘元军.双层涂层复合材料的介电性能[J].航空材料学报,2016(2):7-13.

[22]赵晓明,李卫斌,赵家琪,刘元军.涤纶纤维介电性能研究[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(1):89-93.

[23]刘元臣.铁氧体含量和厚度对涂层织物介电常数的影响[J].成都纺织高等专科学校学报,2016(1):107-110.

[24]刘元军,赵晓明,拓晓.铁氧体/碳化硅涂层复合材料的介电性能研究[J].功能材料,2016(7):7140-7144.

Influence of Reaction Temperature and Time on the Dielectric Property of Polyaniline/Nylon Composites

LIUYuan-jun,ZHAOJia-qi,ZHAOXiao-ming

(Textile Department, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387)

Flexible polyaniline/dacron composites were prepared by using aniline as a monomer, p-toluene sulfonic acid as the doping agent and ammonium persulfate as the oxidant on dacron fabric and taking in-situ polymerization method; the influence of reaction temperature and time on the dielectric property of polyaniline/nylon composites was mainly investigated. The results showed that when the reaction temperatures were 30℃ and 50℃, the values of the real and imaginary parts of the dielectric constant for the prepared polyaniline/dacron composites were the largest and the polarization property and loss property for electromagnetic waves were both the strongest. When the reaction temperature was 50℃, the loss angle tangent value of the prepared polyaniline/nylon composites was the largest, the surface electrical resistance was the lowest and the conductive performance was the best. When the reaction time was 2.5h, the values of the real and imaginary parts of the dielectric constant and the loss angle tangent value for the prepared polyaniline/dacron composites were all the largest, the surface electrical resistance was the lowest and the conductive performance was the best.

reaction temperature reaction time dielectric property dacron composites

2017-02-24

国家自然科学基金项目(51206122)，天津应用基础与前沿技术研究计划项目(13JCQNJC03000)，天津工业大学大学生创新创业训练计划项目(201610058-Y7)。

刘元军(1986-),女，博士，研究方向：涂层吸波材料的制备及其介电性能研究。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS 101.4

A

1008-5580(2017)03-0013-04