趙家琪，劉元軍，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

溫度對(duì)聚吡咯涂層棉復(fù)合材料介電性能和電阻的影響

趙家琪，劉元軍，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

探討了溫度對(duì)聚吡咯涂層棉復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切、表面電阻的影響。結(jié)果表明：溫度對(duì)聚吡咯涂層棉復(fù)合材料介電性能和電阻的影響較大，70℃實(shí)驗(yàn)組的聚吡咯涂層棉復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切較小，導(dǎo)電性較差；與棉織物相比較，聚吡咯涂層棉復(fù)合材料吸濕速率下降。

棉 吡咯 溫度 聚吡咯 介電性能 電阻

電磁波一方面危害人類(lèi)身體健康，另一方面干擾電子設(shè)備運(yùn)行[1-7]。當(dāng)日常生活中使用家用電器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)以不停轉(zhuǎn)換的形式向外傳播的電磁波遇到各類(lèi)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的感應(yīng)電勢(shì)[8-10]，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[11-15]。因此，治理電磁波污染，制備吸波和屏蔽材料已成為當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大問(wèn)題[16-19]。導(dǎo)電高聚物是一種重要的吸波劑，其中聚吡咯由于其密度小、合成方便、電導(dǎo)率可控、形貌多樣等優(yōu)點(diǎn)作為吸波劑應(yīng)用甚廣[20-21]。聚吡咯屬于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，它是經(jīng)過(guò)摻雜之后具有導(dǎo)電功能的。本實(shí)驗(yàn)采用原位聚合法，以三氯化鐵為氧化劑，以對(duì)甲苯磺酸為摻雜劑，制備具有良好介電性能的柔性聚吡咯涂層棉復(fù)合材料，重點(diǎn)探討溫度對(duì)聚吡咯涂層棉復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部、損耗角正切、表面電阻的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要材料和試劑

純棉機(jī)織物、吡咯、三氯化鐵、對(duì)甲苯磺酸、無(wú)水乙醇等。

1.2 制備工藝過(guò)程

第一步：將純棉機(jī)織物置入吡咯單體溶液中處理30min。

第二步：將氧化劑、摻雜劑緩慢滴加到吸附液中，在一定溫度下反應(yīng)1.5h。

第三步：水洗，晾干。

1.3 測(cè)試指標(biāo)和方法

1.3.1 介電常數(shù)和損耗角正切測(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。

1.3.2 表面電阻測(cè)試

使用U3402A萬(wàn)用電表進(jìn)行測(cè)試。將待測(cè)樣品平鋪在絕緣墊板上，讀取1.0cm間距的表面電阻值，單位為歐姆，測(cè)試5次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)聚吡咯復(fù)合材料介電性能的影響

為探究反應(yīng)溫度對(duì)聚吡咯/棉復(fù)合材料吸波性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)改變四組溫度數(shù)值，按表1的工藝處方制備不同樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

表1 工藝參數(shù)表

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

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)介電常數(shù)虛部的影響

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)損耗角正切的影響

圖1至圖3是反應(yīng)溫度對(duì)聚吡咯/棉復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、虛部和損耗角正切的影響。

由圖1可知，在高頻波段溫度對(duì)復(fù)合材料極化能力的影響有一定差別，整體趨勢(shì)隨著頻率升高而下降。其中反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，在0～106Hz頻率范圍內(nèi)對(duì)材料極化能力相對(duì)其他幾組最差。

由圖 2可知，四個(gè)反應(yīng)溫度下，復(fù)合材料的損耗能力隨頻率增高而降低。其中70℃實(shí)驗(yàn)組的損耗能力明顯不如其他三組。這是因?yàn)榉磻?yīng)在較低溫度下進(jìn)行，更利于聚吡咯聚合形成規(guī)整結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)鏈，均勻地在材料基布表面成膜，從而改善復(fù)合材料的損耗能力。

由圖3可知，反應(yīng)溫度70℃實(shí)驗(yàn)組的損耗角正切值明顯不如其他三組好。其他反應(yīng)溫度對(duì)復(fù)合材料的微波耦合能力在不同頻率下影響較為不穩(wěn)定，在不同頻率下出現(xiàn)互相交錯(cuò)的情況。

可以看出，聚合溫度對(duì)聚合過(guò)程及聚吡咯的導(dǎo)電率有顯著影響。隨著聚合溫度的升高，聚吡咯的電導(dǎo)率逐漸減小。圖4是載流子在導(dǎo)電聚合物中的遷移示意圖。

圖4 載流子在導(dǎo)電聚合物中的遷移

2.2 溫度對(duì)聚吡咯復(fù)合材料介電性能的影響

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)電阻的影響

由圖5可知，反應(yīng)溫度對(duì)織物表面電阻的影響較為明顯，70℃實(shí)驗(yàn)組表面電阻值最大，導(dǎo)電性能最差；溫度較低時(shí)，表面電阻值較小，導(dǎo)電性能較好。這可能是由于吡咯的過(guò)氧化導(dǎo)致聚吡咯共軛結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)電性能下降，或者聚吡咯在材料基布上成膜不均，部分脫落，導(dǎo)致其電阻升高。

2.3 吸濕速率測(cè)試

圖6 整理前后棉織物吸濕速率對(duì)比

圖6為整理前后棉織物的吸濕速率對(duì)比曲線，由圖可知經(jīng)聚吡咯整理過(guò)后的棉織物吸濕速率有所上升。原因在于聚吡咯在織物上的聚集形態(tài)是有很多空隙的“菜花”狀，并且大小為納米級(jí)，因此有利于吸水，宏觀表現(xiàn)為織物的吸濕速率上升。

3 結(jié)論

(1)在高頻波段溫度對(duì)材料極化能力的影響有一定差別，整體趨勢(shì)隨著頻率升高而下降。其中反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，對(duì)材料極化能力相對(duì)其他幾組最差。

(2)材料的損耗能力隨頻率增高而降低。其中70℃實(shí)驗(yàn)組的損耗能力明顯不如其他三組。

(3)反應(yīng)溫度70℃實(shí)驗(yàn)組的損耗角正切值明顯不如其他三組好。其他反應(yīng)溫度對(duì)材料的微波耦合能力在不同頻率下影響較為不穩(wěn)定，在不同頻率下出現(xiàn)互相交錯(cuò)的情況。

(4)反應(yīng)溫度對(duì)織物表面電阻的影響較為明顯，70℃實(shí)驗(yàn)組表面電阻值最大，導(dǎo)電性能最差；溫度較低時(shí)，表面電阻值較小，導(dǎo)電性能較好。

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2017-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)、天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13JCQNJC03000)、天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610058-Y7)。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：防護(hù)材料的制備及其性能研究。

TS101.4

A

1008-5580(2017)04-0005-03