石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物电磁性能和力学性能的影响

刘元军，孙嘉瑞，叶美晨，李玉，赵晓明

(1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.天津唯多维(天津)科技有限公司，天津 300608)

0 引言

电磁波无处不在，电磁波污染已成为继大气污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染源[1]，被科学研究学者称为“电子垃圾”或“电子辐射污染”[2-6]。一方面，电磁波影响使用大规模集成电路和微电流电子设备的正常工作，容易造成电子设备的误动作或操作障碍[7-10]。另一方面，如果电磁波长期作用于人体细胞、组织和器官，会导致食欲不振、头晕乏力、精神衰弱、免疫力降低等问题，严重的甚至致癌[10-14]。事实上，电磁污染作为一种看不见触不到的新型污染，给人类社会带来的不良影响已引起许多国家的重视，目前防治电磁污染已经被列入重要的环境保护项目之一[15-20]。在科技飞速发展的今天，电磁波是不可抗拒的存在，所以必须正视开发电磁防护材料的重要性[20-22]。本文以玄武岩纤维织物为基布，以聚氨酯为基体，以石墨和石墨烯作为功能粒子用以防护电磁波，采用涂层工艺，在基布两面分别涂覆石墨和石墨烯涂料，制备了双层涂层玄武岩纤维织物，探讨了石墨涂层厚度对织物的电磁性能和力学性能的影响。

1 实验

1.1 材料和试剂

材料：玄武岩纤维阻燃布，由成都点石玄武纤维技术有限公司提供。

药品：增稠剂7011，由广州典木复合材料经营部提供；聚氨酯PU2540，由广州誉衡环保材料有限公司提供；石墨烯粉末，由天津市开瑞斯精细化工有限公司提供；石墨粉末，由天津市风船化学试剂科技有限公司提供。

1.2 实验仪器

采用上海维特电机有限公司生产的U400/90-220型电动搅拌器进行涂料的制备；采用苏州轩沃瑞智能科技有限公司生产的XWR-150型涂层机进行涂层织物的制备；采用上海鳌珍仪器制造有限公司生产的DGG-9148A型高温鼓风干燥箱进行涂层织物的烘干；采用是德科技(中国)有限公司生产的E4991B型介电谱仪测试介电性能；采用德国Rohde &Schwarz公司生产的ZNB40矢量网络分析仪测试屏蔽效能；采用美国英斯特朗(INSTRON)公司生产的5969 型INSTRON万能强力机测试力学性能。

1.3 制备过程

(1)准备基布：将合适大小的玄武岩纤维织物平整固定于涂层机针板架上。(2)制备涂层浆料：设定电动搅拌器以750 rad/min对树脂进行搅拌，期间加入称量好的功能粒子(石墨或石墨烯)，待功能粒子完全加入后，加入适量增稠剂，设定电动搅拌器以2000 rad/min继续搅拌30 min即得搅拌均匀的涂料。(3)制备涂层织物：将石墨涂料涂覆于玄武岩纤维织物两面，烘干固化后，再将石墨烯涂料涂覆于织物另一面，烘干固化后即得双层涂层玄武岩纤维织物。

1.4 测试方法[23-25]

1.4.1 介电常数的测试

参照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》标准对待测试样进行测试。取待测样品裁剪为20 mm×20 mm 的平滑矩形，将介电谱仪提前开启预热30 min后进行仪器校准，输入待测样品厚度进行测试。

1.4.2 屏蔽效能的测试

参照GJB 6190-2008《电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》标准对待测试样进行测试。取待测样品裁剪为100 mm×100 mm 的平滑矩形，将矢量网络分析仪提前开启预热30 min后进行仪器校准，将待测样品置于夹具之间进行测试。

1.4.3 拉伸强力的测试

参照GB1447283拉伸性能的标准实验方法，在INSTRON3369 万能材料试验机上，对涂层织物进行拉伸性能测试。取待测样品裁剪为50 mm×200 mm的平滑矩形，调整测试夹持距离为10 cm，调整加载速度为100 mm/min后，夹好试样进行测试。

2 结果与讨论

为了研究石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物电磁性能和力学性能的影响，以玄武岩纤维织物为基布，改变石墨涂层厚度(涂层厚度分别为0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm)，制备了四块石墨涂层厚度不同的双层涂层玄武岩纤维织物，具体工艺参数如表1所示。

表1 工艺参数表

2.1 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物介电性能的影响

石墨涂层厚度不同的双层涂层玄武岩纤维织物的介电常数的实部曲线、虚部曲线以及损耗角正切曲线分别如图1、图2、图3所示

图1 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物实部的影响

如图1所示，在0 MHz～1050 MHz频率范围内，随着石墨涂层厚度增加，介电常数实部逐渐增大，对电磁波的极化能力逐渐增强，石墨涂层厚度为2.0 mm时，介电常数实部最大，对电磁波的极化能力最强。在1050 MHz～1500 MHz频率范围内，石墨涂层厚度为1.5 mm 的涂层织物的实部要略低于石墨涂层厚度为1.0 mm的涂层织物，但差值不大。

图2 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物虚部的影响

如图2所示，在0 MHz～700 MHz频率范围内，随着石墨涂层厚度增加，介电常数虚部先增大后减小，对电磁波的损耗能力逐渐增强后减弱；石墨涂层厚度为1.5 mm时，介电常数虚部最大，对电磁波的损耗能力最强，石墨涂层厚度超过1.5 mm时，介电常数虚部变小，对电磁波的损耗能力变弱。在0 MHz～700 MHz频率范围内，石墨涂层厚度为1.5 mm的双层涂层织物对电磁波的损耗能力最强。

在700 MHz～1500 MHz频率范围内，随着石墨涂层厚度增加，介电常数虚部先减小后增大，石墨涂层厚度为1.0 mm时，介电常数虚部最小，对电磁波的损耗能力最弱，石墨涂层厚度超过1.0 mm时，介电常数虚部变大，对电磁波的损耗能力变强。因此，在700 MHz～1500 MHz频率范围内，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层织物对电磁波的损耗能力最强。

图3 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物损耗角正切的影响

如图3所示，在0 MHz～1250 MHz频率范围内，随着石墨涂层厚度增加，损耗角正切逐渐增大，对电磁波的衰减能力逐渐增强；石墨涂层厚度为1.5 mm时，损耗角正切值最大，对电磁波的衰减能力最强，石墨涂层厚度超过1.5 mm时，损耗角正切值变小，对电磁波的衰减能力变弱。

在1250 MHz～1500 MHz频率之间，随着石墨涂层厚度增加，损耗角正切逐渐增大，对电磁波的衰减能力逐渐增强，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层玄武岩纤维织物对电磁波的衰减能力最强。

2.2 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物屏蔽性能的影响

石墨涂层厚度不同的双层涂层玄武岩纤维织物的屏蔽效能曲线如图4、图5所示。

图4 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物屏蔽效能的影响(0 MHZ～40 MHZ)

图5 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物屏蔽效能的影响(5 MHZ～40 MHZ)

如图4、图5所示，随电磁波频率增加，石墨含量不同的双层涂层玄武岩纤维织物的电磁屏蔽效能均减小。在0 MHz～40 MHz频率范围内，随着石墨涂层厚度增加，双层涂层玄武岩织物的屏蔽效能逐渐增大，石墨涂层厚度为2.0 mm时，涂层织物屏蔽效能最大，对电磁波的屏蔽能力最强。这可能是因为随涂层织物厚度增加，单位面积内的石墨含量也增加，形成了以石墨粒子为导体的导电通路且导电效果也更好，其电磁屏蔽能力随之增强。因此，屏蔽效能从小到大依次为涂层厚度为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的双层涂层玄武岩纤维织物。

总之，随石墨涂层厚度增加，双层涂层玄武岩纤维织物的电磁屏蔽效能增加，对电磁波的屏蔽能力增强。在本组实验中，对电磁波屏蔽能力最强的是石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层玄武岩纤维织物。

2.3 石墨涂层厚度对双层涂层玄武岩纤维织物力学性能的影响

石墨涂层厚度不同的双层涂层玄武岩纤维织物的位移-载荷曲线图如图6所示，最大载荷、最大载荷位移如表2所示。

图6 不同石墨涂层厚度的双层涂层玄武岩纤维织物位移-载荷曲线图

表2 最大载荷和最大载荷位移表

如图6所示，四块织物随着位移增大均发生了断裂现象，可以明显看出样品1的断裂伸长率最小，样品4的断裂伸长率最大，且随着石墨涂层厚度增加断裂伸长也越来越大。

总之，随石墨涂层厚度增加，双层涂层玄武岩纤维织物的断裂强力呈增大趋势，断裂伸长率逐渐增大。

3 结论

(1)在0 MHz～1500 MHz的频率范围内，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层织物对电磁波的极化能力最强。

(2)在0 MHz～700 MHz的频率范围内，石墨涂层厚度为1.5 mm的双层涂层织物对电磁波的损耗能力最强，在700 MHz～1500 MHz的频率范围内，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层织物对电磁波的损耗能力最强。

(3)在0 MHz～1250 MHz的频率范围内，石墨涂层厚度为1.5 mm的双层涂层织物对电磁波的衰减能力最强，在1250 MHz～1500 MHz频率范围内，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层织物对电磁波的衰减能力最强。

(4)在0 MHz～40 MHz的频率范围内，石墨涂层厚度为2.0 mm的双层涂层织物对电磁波的屏蔽能力最强。

(5)随石墨涂层厚度增加，双层涂层织物的力学性能随之增强。