趙曉明，李衛(wèi)斌，趙家琪，劉元軍

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

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滌綸纖維介電性能研究

趙曉明，李衛(wèi)斌，趙家琪，劉元軍

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

摘要：首先利用自行設計的工藝，將纖維和石蠟混合制備了不同纖維長度和纖維含量的纖維試樣，對其介電常數(shù)進行了測試與分析，研究了同纖維長度下，滌綸纖維含量對滌綸纖維試樣介電常數(shù)的影響，其次詳細探討了滌綸紗線垂直和平行排布方式對介電常數(shù)的影響。結(jié)果表明：纖維含量對其介電常數(shù)有較大的影響，纖維越多，其介電常數(shù)的實部和虛部越大，且隨著纖維長度的變大，介電常數(shù)的差值逐漸減小。當紗線試樣排布方式與外加電場垂直時，紗線細度和排列密度均對介電常數(shù)造成了影響。當排列密度相同時，紗線越粗，紗線的間隔越小，紗線間貯存的空氣越少，其介電常數(shù)值越大，其儲存能量的能力和介電損耗能力越強。隨著紗線排列密度的增加，三種紗線的介電常數(shù)數(shù)據(jù)差距減小。紗線與電場方向平行排列時的介電常數(shù)高于與電場垂直排列的紗線的介電常數(shù)。

關(guān)鍵詞：吸波性能介電常數(shù)排布方式實部虛部

0前言

吸波材料最早應用于軍事目的，目前，已經(jīng)深入拓展到工業(yè)生產(chǎn)、勞動保護、提高電子器件和設備性能、電子信息保密和人體防護等諸多領(lǐng)域，吸波材料得到越來越廣泛的關(guān)注[1]。近年來，很多研究者開發(fā)了一系列高性能功能紡織材料，并將其應用在電磁防護領(lǐng)域[2-7]。介電常數(shù)是表征材料吸波性能的重要參數(shù),對纖維和紡織材料介電性能的研究已經(jīng)成為重要的研究課題。介電常數(shù)是電磁波吸收材料非常重要的電磁參數(shù)，用ε表示在外電場中材料極化感生的電荷越多其介電常數(shù)越大，反之越小。通常將介電常數(shù)表示為ε = ε′- jε″，ε′為介電常數(shù)的實部，ε″為介電常數(shù)虛部，是極化電荷和介電損耗的宏觀參數(shù)[8]。

為了探究紡織材料的吸波機理，本文重點研究了紡織材料的介電性能，為開發(fā)柔性吸波材料做好基礎(chǔ)準備工作。利用自行設計的工藝，分別制作了纖維和紗線的集合體試樣，對其介電常數(shù)進行了測試與分析。

1實驗

1.1試驗材料及設備

本文在實驗中所用材料及主要儀器如表1所示。

表1　試驗材料與儀器

1.2試樣的制備

1.2.1纖維試樣的制備

由于纖維自身的特點不易直接進行電磁參數(shù)測量，故將纖維與石蠟混合制得圓柱形試樣進行測試。為了考察纖維長度對其介電常數(shù)的影響，故將滌綸纖維切成2mm、4mm、6mm的長度，并分別按照一定的比例(5%、10%、15%、20%)與固體石蠟混合，在電熱恒溫水浴鍋加熱條件下用玻璃棒攪拌至石蠟融化，并在超聲波清洗器中將纖維與石蠟混合均勻，然后將混合物填充到根據(jù)介電譜儀電極片尺寸大小制作的模具中制成直徑為3cm的圓形試樣。在制備試樣過程中，要求試樣材料應均勻，試樣中應避免氣孔(直徑小于0.1mm均勻分布的微孔除外)出現(xiàn)，并且無裂縫。試樣表面應保持干凈清潔、平整光滑。

1.2.2紗線試樣的制備

根據(jù)所用測試儀器對試樣尺寸的要求，不能對單根紗線進行測量，因此制備了紗線的集合體試樣對紗線進行介電性能的測試。當紗線在電場中的排布方式不同時，電場在紗線間的傳播方式也不同，因此在制備紗線試樣時考慮了紗線排布方向與電場方向平行和垂直兩種類型的試樣。同時考慮到試樣是紗線和空氣的混合體，紗線的含量對試樣有很大的影響，在制作垂直試樣時設計了兩種紗線的排列密度(20根/cm和30根/cm)。在制作平行試樣時將一定根數(shù)的紗線做成紗線束并梳理平直，用超薄紙片捆扎成圓形，再用鋒利的刀片按需要厚度切成圓柱形試樣[89-90]。測試試樣的有效直徑是2cm，因此在準備試樣時，試樣的實際尺寸要比電極片的尺寸大一點。

1.3介電常數(shù)測試

采用德國Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介電阻抗譜儀測試介電常數(shù)，測試頻率為0Hz～107Hz。由于紡織品本身的特性，它的介電常數(shù)很容易受到空氣濕度及溫度的影響，所以本次實驗在恒溫恒濕(20℃～22℃、64%～66%RH)條件下進行測試。下圖1為Novocontrol介電阻抗譜儀的測試單元。

圖1　介電阻抗譜儀的測試單元

2結(jié)果與討論

2.1同纖維長度下，纖維含量對纖維試樣介電常數(shù)的影響

(1)纖維長度為2mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖2　長度為2mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

測試結(jié)果是纖維和石蠟混合體的介電常數(shù)，樣品中石蠟的質(zhì)量是固定的，混合體的介電常數(shù)主要受纖維含量的影響。當試樣中纖維的含量越高，測試結(jié)果越接近纖維的介電常數(shù)。由圖2中可以看出，纖維的質(zhì)量百分比越多，混合體的介電常數(shù)的實部和虛部越大，其極化能力和電磁損耗能力越強。四種樣品中，纖維隨頻率變化的趨勢是相同的，都隨著頻率的增大而呈現(xiàn)微弱的減小趨勢。含量為20%的纖維試樣的介電常數(shù)實部和虛部都是最大的，其儲存能量的能力和介電損耗的能力都是最強的，其在頻率為1KHz時，實部為4.41，虛部為0.158。同時，從圖中也可以看出，10%、15%和20%三種含量的纖維試樣的介電常數(shù)實部和虛部相互接近，隨著纖維含量的增加，介電常數(shù)變大的趨勢減緩。

(2)纖維長度為4mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖3　長度為4mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

圖3表示纖維長度為4mm的四種不同含量的纖維石蠟混合試樣的介電常數(shù)實部和虛部隨外加電場頻率的變化情況。纖維介電常數(shù)實部隨著頻率的升高而逐漸降低，含量為5%的纖維試樣在整個頻率范圍內(nèi)變化較小，其值也較小,其它三種含量的纖維在整個頻段內(nèi)的變化較大，但三個纖維試樣的εˊ值的數(shù)據(jù)差距較小，但依舊表現(xiàn)出了隨含量增加，εˊ變大的趨勢。當頻率大于104Hz時，四種纖維試樣的介電常數(shù)實部明顯聚攏，纖維含量對試樣的介電常數(shù)影響減弱。對于ε〞，四種含量的纖維試樣在整個頻率范圍內(nèi)，均呈現(xiàn)了隨頻率增加而變小的趨勢，且隨含量的增加，ε〞值增大，其介電損耗越強，隨著頻率增加，四種試樣的ε〞數(shù)據(jù)差距也在減小。

(3)纖維長度為6mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖4　長度為6mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

圖4表示纖維長度為6mm的四種不同含量的纖維石蠟混合試樣的介電常數(shù)實部和虛部隨外加電場頻率的變化情況。纖維介電常數(shù)實部隨著頻率的升高而逐漸降低，含量為5%的纖維試樣在整個頻率范圍內(nèi)變化較小，其值也較小。另外三種含量的纖維試樣的εˊ在整個頻率范圍內(nèi)變化較大，隨頻率變化趨勢明顯，差距較小，但依舊表現(xiàn)出了隨含量增加，εˊ值變大的規(guī)律。當頻率大于103Hz時，四種纖維試樣的介電常數(shù)實部明顯聚攏，纖維含量對試樣的介電常數(shù)影響減弱。相對于4mm纖維試樣，6mm纖維試樣的介電常數(shù)實部曲線聚攏更快更明顯。對于ε〞，四種含量的纖維試樣在頻率低于105Hz時呈現(xiàn)了隨頻率增加先減小后增大的趨勢，當頻率高于105Hz時呈現(xiàn)了隨頻率增加而減小的趨勢。隨著含量的增加，ε〞值增大，其介電損耗越強，隨著頻率增加ε〞數(shù)據(jù)差距也較小。

2.2紗線垂直排布方式對介電常數(shù)的影響

圖5　排列密度為20根/cm的紗線試樣介電常數(shù)實部和虛部

圖5所示為紗線試樣的介電常數(shù)實部和虛部隨頻率變化的曲線，試樣中紗線的排列密度為20根/cm，測試中紗線排布方式與電場方向垂直。該試樣為紗線和空氣的集合體，在三種細度紗線的試樣中，紗線越細，紗線間的距離越大，試樣中存儲的空氣越多，其介電常數(shù)受空氣影響也較大。在測試中發(fā)現(xiàn)三種細度的紗線中，59tex的紗線最粗，其介電常數(shù)的實部和虛部都比較大，具有較好的極化能力和介電損耗能力，在頻率為為1KHz時，其介電常數(shù)實部為4.19，虛部為1.92。45tex和32tex紗線的介電常數(shù)實部和虛部都比較接近。三種紗線的介電常數(shù)都隨著頻率的增大而呈減小的趨勢，且其差距也在減小，當紗線處在高頻區(qū)(f>104Hz)時，三條曲線差距越來越小，近乎重合，因此紗線的介電常數(shù)受細度的影響會越來越小，甚至可以忽略其影響。

圖6　排列密度為30根/cm的紗線試樣介電常數(shù)實部和虛部

圖6所示為紗線試樣的介電常數(shù)實部和虛部隨頻率變化的曲線圖，試樣中紗線的排列密度為30根/cm，測試中紗線排布方式與電場方向垂直。當紗線的排列密度增大時，其介電常數(shù)受細度影響規(guī)律是一樣的，介電常數(shù)的實部和虛部都隨著頻率的增加而降低。在整個頻率范圍內(nèi)，三種紗線的介電常數(shù)差值減小，表現(xiàn)在三條曲線在低頻區(qū)(f>100Hz)就開始聚攏，所以當紗線的排列密度較大時，紗線細度對其試樣的介電常數(shù)影響較小。通過具體數(shù)據(jù)比較，密度為20根/cm的紗線試樣比密度為30根/cm的試樣介電常數(shù)值略大，具體數(shù)值見表2。

表2　三種細度紗線的介電常數(shù)

2.3紗線平行排布方式對介電常數(shù)的影響

圖7　紗線平行排列時的介電常數(shù)實部和虛部

當紗線排列方向與外加電場方向平行時，纖維內(nèi)部的極性分子和基團在電場作用下轉(zhuǎn)動，并沿電場方向定向排列，取向排列程度越高其集合體在此方向上的介電常數(shù)越大。因此，紗線與電場方向平行排列時的介電常數(shù)高于與電場垂直排列的紗線的介電常數(shù)。在準備的三種試樣中，59tex紗線的介電常數(shù)實部和虛部都比較大，表現(xiàn)出了隨排列增加而減小的趨勢，并且隨著頻率的增加，其介電常數(shù)數(shù)據(jù)差值也在減小。

3結(jié)論

(1)本論文將纖維和石蠟混合制備了不同纖維長度和纖維含量的纖維試樣，在測試中發(fā)現(xiàn)纖維含量對其介電常數(shù)有較大的影響，纖維越多，其介電常數(shù)的實部和虛部越大，且隨著纖維長度的變大，介電常數(shù)的差值逐漸減小。

(2)當紗線試樣排布方式與外加電場垂直時，紗線細度和排列密度均對介電常數(shù)造成了影響。當排列密度相同時，紗線越粗，紗線的間隔越小，紗線間貯存的空氣越少，其介電常數(shù)值越大，其儲存能量的能力和介電損耗能力越強。隨著紗線排列密度的增加，三種紗線的介電常數(shù)數(shù)據(jù)差距減小。紗線與電場方向平行排列時的介電常數(shù)高于與電場垂直排列的紗線的介電常數(shù)。

參考文獻

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中圖分類號：TS102.522

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0089-05

基金項目：國家自然科學基金項目(51206122)。

收稿日期：2015-10-12

第一作者：趙曉明(1963-)，博士，天津市特聘教授，博士生導師，研究方向：吸波材料的制備與性能研究。