劉元軍，趙曉明，拓 曉，趙家琪，李錦芳，郭映雪

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津300387)

0 前言

高強(qiáng)度的電磁輻射以熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩種方式作用于人體，可導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生機(jī)能障礙和功能紊亂［1－3］。電磁輻射對(duì)公眾健康的危害主要是健康效應(yīng)。健康效應(yīng)又分為軀體效應(yīng)和種群效應(yīng)。種群效應(yīng)并非短期內(nèi)可以觀察，且影響方向和程度并未明確［4－6］。軀體效應(yīng)又分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。其中熱效應(yīng)的機(jī)理現(xiàn)已得到較為透徹的研究，表現(xiàn)為人體接受電磁輻射后機(jī)體升溫，如果機(jī)體吸收的輻射能很多，僅靠人體的溫度調(diào)節(jié)功能不能及時(shí)將熱量散發(fā)，則會(huì)引起體溫升高，進(jìn)而引發(fā)各種癥狀。對(duì)于非熱效應(yīng)，現(xiàn)僅了解到確實(shí)存在機(jī)體吸收電磁波雖不引起體溫升高，但引起例如神經(jīng)衰弱等生物學(xué)變化的現(xiàn)象，但機(jī)理尚不明確。同時(shí)，當(dāng)電磁場(chǎng)向外傳播的電磁波遇到導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的感應(yīng)電勢(shì)。而電子設(shè)備中不但有金屬導(dǎo)體，且有很多放大電路，這時(shí)這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)就有可能被放大并以雜波的方式出現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備中的正常信號(hào)形成干擾［7－9］。此類影響電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，表現(xiàn)為收音機(jī)、電視機(jī)不能正常收聽、收視，醫(yī)學(xué)儀器或探測(cè)儀器結(jié)果判斷出現(xiàn)誤差或錯(cuò)誤，或是航空導(dǎo)航或軍事聯(lián)系受阻等［10－12］?；谌祟惐旧淼纳眢w健康和電子設(shè)備的可靠運(yùn)行考慮，開發(fā)出性能優(yōu)良的電磁防護(hù)材料就顯得尤為重要，電磁防護(hù)材料不僅需要電磁屏蔽材料，也需要性能良好的吸波材料。導(dǎo)電高分子吸波材料一般是由有機(jī)高分子物質(zhì)(聚吡咯、聚苯胺等)與導(dǎo)電物質(zhì)(金屬、非金屬類及氧化物類填料)或摻雜劑(濃硫酸、鹽酸、三氯化鐵及其它有機(jī)物)經(jīng)過一定的復(fù)合工藝復(fù)合而成［13－14］。與其他吸波材料相比，導(dǎo)電高分子材料質(zhì)量輕、密度小(只有鐵氧體的1/5)，且具有很好的加工成膜、成纖性。棉纖維具有腰圓形截面、縱向天然轉(zhuǎn)曲，使棉織物具有較大比表面積，有利于反應(yīng)中織物對(duì)吡咯單體吸收和吡咯聚合鏈在織物表面生成［15－20］。本課題采用原位聚合法以纖維素纖維為基布，制備具有良好吸波性能的聚吡咯復(fù)合材料。首先探討了時(shí)間對(duì)復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切的影響。其次對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了掃描電鏡等測(cè)試，最后研究了其強(qiáng)力。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

平紋純棉機(jī)織物

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

本課題所使用的實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)藥品

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本課題所使用的實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.4 制備工藝過程

(1)吸附階段:將棉織物置入吡咯單體溶液中處理30min，使吡咯單體充分吸附到棉織物上。

(2)反應(yīng)階段:將三氯化鐵溶液緩慢滴加到吡咯單體吸附液中，室溫反應(yīng)時(shí)間為30min～150min。

(3)水洗。

1.5 測(cè)試指標(biāo)與方法

1.5.1 介電常數(shù)和損耗角正切測(cè)試

介電常數(shù)和損耗角正切的測(cè)試根據(jù)SJ20512－1995《微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

1.5.2 電阻測(cè)試

表面電阻使用 Agilent Technologies公司的U3402A萬用電表進(jìn)行測(cè)試。

1.5.3 電鏡測(cè)試

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)主要用于材料表面形貌的研究。由于它制樣簡(jiǎn)單，樣品的電子損傷小，所以SEM成為高分子材料常用的重要分析手段。

1.5.4 拉伸性能測(cè)試［21－23］

拉伸性能測(cè)試參照GB1447－2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合材料吸波性能的影響

為探究反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合材料吸波性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)改變五組反應(yīng)時(shí)間數(shù)值，按表3的工藝處方制備不同樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

表3 工藝參數(shù)表

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的影響

圖1為反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部的影響，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為介電常數(shù)實(shí)部，由圖可知，反應(yīng)時(shí)間為30min時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部最大，所有實(shí)部數(shù)值均在104以上，說明此時(shí)對(duì)電磁波具有最好的極化能力，吸波性能最佳，但是由于時(shí)間太短、反應(yīng)不充分，導(dǎo)致聚吡咯的牢度較差。反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部?jī)H低于反應(yīng)時(shí)間為30min的實(shí)驗(yàn)組，其高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，所有實(shí)部數(shù)值均在103以上，說明此時(shí)對(duì)電磁波具有較好的極化能力，吸波性能良好，且由于時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)充分，導(dǎo)致聚吡咯牢度較好。綜合比較最終確定反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，復(fù)合材料的吸波性能和牢度較好。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

圖2為反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料介電常數(shù)虛部的影響，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為介電常數(shù)虛部，由圖可知，反應(yīng)時(shí)間為30min時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)的虛部最大，所有虛部數(shù)值均在105以上，說明此時(shí)對(duì)電磁波具有最好的損耗能力，吸波性能最佳，但是由于時(shí)間太短、反應(yīng)不充分，導(dǎo)致聚吡咯的牢度較差。反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)的虛部?jī)H低于反應(yīng)時(shí)間為30min的實(shí)驗(yàn)組，其高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，所有虛部數(shù)值均在104以上，說明此時(shí)對(duì)電磁波具有較好的損耗能力，吸波性能良好，且由于時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)充分，導(dǎo)致聚吡咯牢度較好。綜合比較最終確定反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，復(fù)合材料的吸波性能和牢度較好。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)損耗角正切的影響

圖3為反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料損耗角正切的影響，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為損耗角正切值，由圖可知5組吸波復(fù)合材料的損耗角正切均隨頻率升高而下降。反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí)，復(fù)合材料的損耗角正切大，所有虛部數(shù)值均在102以上，但是由于時(shí)間太短反應(yīng)不充分導(dǎo)致聚吡咯的牢度較差。反應(yīng)時(shí)間為90min時(shí)，復(fù)合材料損耗角正切僅低于反應(yīng)時(shí)間為60min的實(shí)驗(yàn)組，其高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，吸波性能良好，且由于時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)充分，導(dǎo)致聚吡咯牢度較好。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合材料電阻的影響

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)電阻的影響

聚吡咯屬于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料是指高分子結(jié)構(gòu)本身或經(jīng)過摻雜之后具有導(dǎo)電功能的高分子材料。根據(jù)導(dǎo)電載流子的種類，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子聚合物分為離子型和電子型兩類;根據(jù)電導(dǎo)率的大小分為高分子半導(dǎo)體、高分子金屬和高分子超導(dǎo)體。離子型導(dǎo)電高分子通常又叫高分子固體電解質(zhì)，其導(dǎo)電時(shí)載流子主要是離子;電子型導(dǎo)電高分子是指以共軛高分子為主體的導(dǎo)電高分子材料，其導(dǎo)電時(shí)的載流子主要是電子或空穴。圖4為反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料電阻的影響，橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為拉伸載荷，由圖可知，反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料的電阻影響不大，各實(shí)驗(yàn)組的復(fù)合材料導(dǎo)電效果都比較理想，表面電阻在10－15歐姆之間。

2.3 吸波復(fù)合材料的強(qiáng)力

圖5 吸波復(fù)合材料的強(qiáng)力

圖5為吸波復(fù)合材料的位移載荷曲線，橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為拉伸載荷，由圖可知，吸波復(fù)合材料的強(qiáng)力與棉織物相當(dāng)，即對(duì)棉織物進(jìn)行聚吡咯整理后織物的強(qiáng)力沒有明顯下降。

2.4 吸波復(fù)合材料的外觀形貌

圖6 吸波復(fù)合材料的外觀形貌

圖6為吸波復(fù)合材料的外觀形貌，由圖可知聚吡咯吸波復(fù)合材料的棉織物表面附著聚吡咯顆粒。

3 結(jié)論

(1)反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)的實(shí)部?jī)H低于反應(yīng)時(shí)間為30min的實(shí)驗(yàn)組，其高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，所有實(shí)部數(shù)值均在103以上;此時(shí)復(fù)合材料介電常數(shù)的虛部?jī)H低于反應(yīng)時(shí)間為30min的實(shí)驗(yàn)組，高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，所有虛部數(shù)值均在104以上，吸波性能良好。反應(yīng)時(shí)間為90min時(shí)，復(fù)合材料損耗角正切僅低于反應(yīng)時(shí)間為60min的實(shí)驗(yàn)組，其高于其他三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，吸波性能良好，聚吡咯牢度較好。

(2)反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸波復(fù)合材料的電阻影響不大，各實(shí)驗(yàn)組的復(fù)合材料導(dǎo)電效果都比較理想，表面電阻在10～15歐姆之間。吸波復(fù)合材料的強(qiáng)力與棉織物相當(dāng)，即對(duì)棉織物進(jìn)行聚吡咯整理后織物的強(qiáng)力沒有明顯下降。

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