掺杂剂对聚苯胺/棉复合吸波材料的介电性能研究

2018-09-12刘元军刘旭琳

纺织科学与工程学报 2018年3期

刘元军，刘旭琳，殷光

(天津工业大学纺织学院,天津 300387)

0 前言

吸波材料按材料耗损机理的不同，可分为磁介质型(磁损耗型)、电介质型(介电损耗型)和电阻型(导电损耗型)[1-4]。导电高分子属于电阻型吸波材料[5-10]。其中涂敷型吸波材料应用广泛，是当代屏蔽或者吸波材料的主要发展方向[11-19]。传统的吸波材料包括铁氧体、石墨、碳化硅等，缺点是密度大、吸波频带窄等[20-23]；新型吸波材料有导电聚合物(聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯)等，其具有吸收能力强、密度小等优点[24-26]。本文主要探讨了掺杂剂对聚苯胺/棉复合吸波材料介电性能的影响。其次对复合材料进行了扫描电镜、红外光谱等测试，研究了其吸湿速率、拉伸强力、水洗牢度等服用性能。

1 实验部分

1.1 实验材料和药品

材料：平纹棉织物

药品：苯胺，掺杂剂(对甲苯磺酸、盐酸、硝酸、冰乙酸)，氧化剂(过硫酸铵)，乙醇等。

1.2 聚苯胺/棉复合吸波材料的制备过程[27-29]：

(1)将织物浸润在苯胺单体的酸溶液(对甲苯磺酸、盐酸、硝酸、冰乙酸)中浸润1h。

(2)加入过硫酸铵(氧化剂)的酸溶液(对甲苯磺酸、盐酸、硝酸、冰乙酸),使其搅拌均匀保持稳定频率滴加到吸附液中,在一定温度下使苯胺发生聚合反应,反应时间为1.5h,在织物上生成聚苯胺。

(3)水洗,晾干。

1.3 测试指标[27-29]

1.3.1 介电常数

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

1.3.2 表面电阻

使用U3402A型号的万用电表进行测试

1.3.3 红外光谱

通过红外光谱测定可以推断试剂中哪些基团参与了反应，为后续评价相关指标提供了事实依据。

1.3.4 电镜

采用扫描电子显微镜研究表面形貌

1.3.5 强力

参照GB1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法测试

1.3.6 吸湿速率

测定水分在不同时间内上升高度，以时间为横坐标，以水分上升高度为纵坐标绘制吸湿速率曲线。

1.3.7 牢度测试

将待测样品分别用相同的方法水洗1次、2次、3次、4次、5次后测试介电性能。

2 结果与讨论

2.1 掺杂剂种类的影响

按表1工艺处方制备样品进行各项指标测试。

表1 工艺参数表

图1 掺杂剂种类对介电常数实部的影响

图2 掺杂剂种类对介电常数虚部的影响

图3 掺杂剂种类对介损耗角正切的影响

由图1可以看出，掺杂剂种类的不同，对介电常数实部影响较大,其中介电常数实部从大到小依次是硝酸、盐酸、对甲苯磺酸、冰乙酸。由图2可以看出，对甲苯磺酸对于材料的电磁波损耗能力影响较小。由图3可以看出，盐酸和硝酸对应的介损耗角较大，说明盐酸和硝酸作为掺杂剂的掺杂效果较好，材料的吸波能力好。

表2 掺杂剂种类对电阻的影响

由表2可见，掺杂剂种类对聚苯胺/棉复合吸波材料的电阻影响较大。盐酸、硝酸作为掺杂剂制备的聚苯胺/棉复合吸波材料的电阻最小，导电性最好。

2.2 掺杂剂用量的影响

为探究掺杂剂用量对聚苯胺/棉复合材料吸波性能的影响，本组实验改变五组掺杂剂用量，按表3的工艺处方制备不同样品进行各项指标测试。

表3 工艺参数表

由图4可以看出，随着频率的增大,介电常数的实部逐渐变小；掺杂剂的用量对材料的极化能力影响较大,掺杂剂用量达到一定浓度，介电常数的实部出现峰值，继续增加用量，介电常数实部减小。原因可能是随着掺杂剂用量的增加，“掺杂度”慢慢饱和。

图4 掺杂剂用量对介电常数实部的影响

图5 掺杂剂用量对介电常数虚部的影响

由图5可以看出，随着频率的增大,介电常数的虚部逐渐减小;掺杂剂的用量对材料的电磁波损耗能力影响较大,掺杂剂用量达到一定浓度，介电常数的虚部出现峰值，继续增加用量，介电常数实部减小。掺杂剂用量为0.4mol/L,材料的电磁波损耗能力最强。

图6 掺杂剂用量对介损耗角正切的影响

由图6可以看出，材料的吸波衰减能力从强到弱依次是掺杂剂用量0.4mol/L、0.8mol/L、0.6mol/L、0.2mol/L、0mol/L。没有加入掺杂剂时，材料的吸波衰减能力是零。

表4 掺杂剂浓度对电阻的影响

由表4可见，掺杂剂用量对聚苯胺/棉复合吸波材料的电阻影响较大。掺杂剂用量为0.8mol/L、0.6mol/L制备的聚苯胺/棉复合吸波材料的电阻相对较小，导电性较好；酸浓度过高和过低时,复合材料的导电性均较小。

2.3 聚苯胺/棉复合吸波材料的其他性能研究

2.3.1 红外光谱测试

(a)棉织物 (b)聚苯胺/棉复合材料

图7中的(a)为纯棉织物的红外光谱图,(b)为聚苯胺/棉复合材料的红外光谱图。从(a)中可以看出: 棉织物红外光谱，具有纤维素纤维的一些特征峰，3333cm-1处为纤维素纤维结构中O-H的伸缩振动峰，2900cm-1附近的吸收峰是C-H的伸缩振动峰。同时，1159cm-1、1107cm-1、1029cm-1处产生的吸收峰为纤维素纤维红外特征吸收峰。从(b)可以看出：吸收峰整体平缓，反应前比较尖锐的吸收峰，如3333cm-1处O-H的伸缩振动峰，1159cm-1、1107cm-1、1029cm-1处纤维素纤维红外特征吸收峰，都明显减弱。

2.3.2 电镜测试