反应温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数和电导率的影响

罗蕙敏，殷 光，赵晓明，李 玉，刘元军

(1天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387;2.天津唯多维(天津)科技有限公司，天津 300608)

0 前言

1977年，美国的MacDiarmid A．G，Heeger A．J．和日本的Shirakawa H.发现经碘掺杂后的聚乙炔电导率从10-9S/cm提高到103S/cm，将其从绝缘状态变为具有导电能力的导电状态而形成导电高聚物。经此后导电高聚物作为一种高新功能材料而被推上国际历史科学的大舞台引发高度重视。之后Diaz在1979年使用电化学方法合成了聚吡咯(PPy),继而一系列如聚苯胺(PAN)、聚噻吩(PTh)及其衍生物等导电性的芳环和杂环聚合物相继被开发制造出来，目前对此的探索已经有相当深入的研究基础[1-3]。聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩这三种是具有代表性的导电高聚物[4-6]。导电高聚物的吸波机理主要是通过一系列的过程实现阻抗匹配和电磁损耗，具体过程是利用某些高分子聚合物的共扼电子的线性或平面形构型与高分子电荷转移络合物的作用从而吸收电磁波[7-8]。吸波材料的吸波原理直白的说就是将电磁能转化为其他形式的能量消耗掉的过程，部分穿进吸波材料表面射入材料内部的电磁波与材料发生一定的物理和化学反应，从而使电磁能量转化为内能或其他形的式能而消耗。吸波性能的两个最主要考察特性是阻抗匹配特性和衰减特性。照射在材料表面的电磁波会发生反射和折射。本文主要研究了温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数和电导率的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

平纹锦纶织物，平纹玻璃纤维织物(海安县利来雅纺织有限公司提供)。

1.2 实验药品和仪器

表1 实验用主要药品

表2 实验主要仪器

1.3 测试指标与方法

1.3.1 介电常数、损耗角正切以及电导率测试

介电常数、损耗角正切和电导率的测试根据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，在BDS50介电谱仪上进行了介电常数测试[9-12]。

1.3.2 强力测试

拉伸性能的测试参照GB1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，在YG028万能材料试验机上进行材料的拉伸和撕破性能的测试。

2 结果与讨论

2.1 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料介电性能和电导率的影响

为研究温度对聚吡咯/玻璃纤维复合材料介电性能的影响，本组实验控制吡咯浓度和掺杂剂(对甲苯磺酸)浓度以及过硫酸铵和吡咯的摩尔比不变用四组不同温度按表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

图1 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料介电常数实部的影响

由图1可知，在频率为100～101范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数实部随温度的变化而无规则的变化，而在频率为101～107范围内聚吡咯/锦纶复合吸波材料的介电常数实部不随温度的变化而变化，而是一直处于趋于0的状态。

图2 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料介电常数虚部的影响

由图2可知，在频率为100～102范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数虚部随着温度的增大先增大而减小，在30℃最大，而在70℃时为0。

图3 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料损耗角正切的影响

由图3可知，在频率为100～102这段范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的损耗角正切的图像呈现杂乱无章的走向，而且随着温度的改变也无规律的变化。

图4 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料电导率实部的影响

由图4可知，聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料电导率实部随着温度的增加先增大后减小，在30℃最大，而在70℃时为0。

图5 温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料电导率虚部的影响

由图5可知，在频率为100～105这段范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的电导率虚部不随温度的变化而变化，而是一直处于趋于0的状态。这可能是因为在这段频率内电子在电场中没有做简谐运动而与电场能量发生转换，使得电导率虚部一直趋于0。而在频率为105～107范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的电导率虚部有了变化，随着温度的变化电子开始做简谐运动并与电场发生了能量转化。

2.2 聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料强力分析

以玻璃纤维做空白对照，1为聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料，2为空白玻璃纤维。

(1)拉伸过程强力分析

图6 两种材料强力随时间的变化

图7 两种材料伸长位移随时间的变化

表4 拉伸过程中两种材料的断裂强力和位移

由图6可知，两种材料的拉伸强力都随时间的增加而先增大后减小，但聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的强力随时间的变化速率比空白的玻璃纤维强力的变化速率慢。由图7可知，两种材料的伸长位移随时间的增加增大速率一样，但是空白锦纶的伸长位移较短。由表4可知，聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的断裂强力低于空白锦纶的断裂强力。

(2)撕破过程强力分析

图8 两种材料强力随时间的变化

图9 两种材料撕破位移随时间的变化

表5 撕破过程中两种材料的断裂强力和位移

由图8可知，聚吡咯/玻璃纤维的撕破强力随时间的增长速率比空白玻璃纤维的快。由图9可知，两种材料的撕破位移随时间的增加速率相同，但空白玻璃纤维撕破的时间更长。表5则表明聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的断裂强力远大于空白玻璃纤维的断裂强力。

3 结论

(1)聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数实部和损耗角正切受温度影响较小。在频率为100～102范围内聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数虚部随着温度的增大先增大而减小，在30℃最大，而在70℃时为0。

(2)经聚吡咯附着的玻璃纤维其强度增高。