武 翔，馬振軍，張晨洋，李 玉，劉元軍

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津唯多維(天津)科技有限公司，天津 300608)

0 前言

自 1977 年 Shirakawa 課題組制備出導(dǎo)電能力有明顯提高的聚乙炔，導(dǎo)電聚合物開始被研究人員重視。常見的導(dǎo)電聚合物包括聚乙炔(Polyacetylene，PA)、聚吡咯(Polypyrrole，PPy)、聚苯胺(Polyaniline，PANI)、聚噻吩(Polythiophene，PTH)等，其中以聚苯胺的研究最為廣泛。 聚苯胺由于原料便宜、合成簡(jiǎn)單、環(huán)境穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率大小可調(diào)、具有優(yōu)良的介電損耗、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最有希望在實(shí)際中得到應(yīng)用的導(dǎo)電高分子之一[1-3]。因此，制作吸波涂層時(shí)，在與其他材料相同的厚度下，質(zhì)量小，且聚苯胺可以耐酸堿腐燭，適用性范圍較廣[4-6]。本文以玻璃纖維和錦綸作為基布,采用原位氧化聚合法,使苯胺單體在織物表面原位聚合，制備出有良較好介電性能的聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合材料、聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料，主要研究了溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合材料、聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

平紋玻璃纖維機(jī)織物，平紋錦綸機(jī)織物

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

表1 實(shí)驗(yàn)用主要藥品

表2 實(shí)驗(yàn)主要儀器

1.3 測(cè)試指標(biāo)與方法

1.3.1 介電常數(shù)測(cè)試

介電常數(shù)是介質(zhì)材料的主要性能參數(shù)之一,介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷會(huì)削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)(真空中)與介質(zhì)中電場(chǎng)的比值即為相對(duì)介電常數(shù)。介電常數(shù)是指真空中絕對(duì)介電常數(shù)與相對(duì)介電常數(shù)的乘積。假設(shè)有較高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，此時(shí)電場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有較為理想的下降，所以它可以作為表征介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的物理參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用BDS50介電譜儀測(cè)介電常數(shù)，選取直徑20mm的電極片在恒溫恒濕條件(溫度20℃～22℃、濕度64%～66%RH)下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試介電常數(shù)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)[7-13]。

1.3.2 強(qiáng)力測(cè)試

試樣的規(guī)格為250×50mm，厚度為1.5mm～3.0mm,夾持距離為100mm，加載速度為200.0mm/min。每組測(cè)試2個(gè)樣品，通過(guò)測(cè)試得到復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)。拉伸性能的測(cè)試參照GB1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法，在Instron萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行材料的拉伸性能測(cè)試。

2.1 聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的性能研究

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料介電常數(shù)的影響

為探究反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺/玻璃纖維復(fù)合材料吸波性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)改變四組反應(yīng)溫度，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)溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料介電常數(shù)實(shí)部的影響

由圖1可知，在頻率為100～103范圍內(nèi)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部在溫度為70℃時(shí)達(dá)到最大，在頻率為103～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部值基本為0。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料介電常數(shù)虛部的影響

由圖2可知，在頻率為100～102范圍內(nèi)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)虛部在70℃時(shí)達(dá)到最大，而其他溫度沒有明顯變化。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料介損耗角正切的影響

由圖3可知，在頻率為100～105這段范圍內(nèi)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的損耗角正切在溫度為70℃時(shí)隨頻率增大而減小，其他溫度下聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料介損耗角正切值為0。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率的影響

圖4 溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率實(shí)部的影響

由圖4可知，聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率實(shí)部在70℃時(shí)隨頻率增大而達(dá)到最大值，其他溫度下為0。

圖5 溫度對(duì)聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率虛部的影響

由圖5可知，在頻率為100～104這段范圍內(nèi)，聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的電導(dǎo)率虛部不隨溫度的變化而變化，而是一直處于0的狀態(tài)。這可能是因?yàn)樵谶@段頻率內(nèi)電子在電場(chǎng)中沒有做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)而與電場(chǎng)能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得電導(dǎo)率虛部一直為0。而在頻率為104～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的電導(dǎo)率虛部隨頻率增大而減小，電子開始做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)并與電場(chǎng)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化，在70℃的時(shí)候發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換最多。

2.1.3 聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的力學(xué)性能研究

(1)拉伸過(guò)程強(qiáng)力分析

圖6 兩種材料斷裂強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

由圖6可知，兩種材料的拉伸強(qiáng)力都隨時(shí)間的增加而先增大后減小，但聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的強(qiáng)力隨時(shí)間的變化速率比空白玻璃纖維的強(qiáng)力的變化速率慢。

(2)撕破過(guò)程強(qiáng)力分析

圖7 兩種材料斷裂強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

由圖7可知，聚苯胺/玻璃纖維的撕破強(qiáng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)速率比空白玻璃纖維的快，聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合吸波材料的斷裂強(qiáng)力遠(yuǎn)大于空白玻璃纖維的斷裂強(qiáng)力。

2.2 聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的性能研究

2.2.1 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料介電常數(shù)的影響

為探究反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料吸波性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)選取四組反應(yīng)溫度，按表4的工藝處方制備不同樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

表4 工藝參數(shù)表

圖8 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部的影響

由圖8可知，聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部隨溫度的升高而變大，在頻率為10后一直處于0的狀態(tài)。

圖9 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料介電常數(shù)虛部的影響

由圖9可知，在頻率為100～102范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)虛部隨著溫度的增大而減小。

圖10 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料介損耗角正切的影響

由圖10可知，隨著頻率的增大，聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料介電損耗角正切逐漸減小，材料的吸波衰減能力從強(qiáng)到弱依次是30℃、50℃、室溫、70℃。

2.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率的影響

圖11 溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料電導(dǎo)率實(shí)部的影響

由圖11可知，聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率實(shí)部隨著溫度的增加逐漸減小，30℃時(shí)，電子在電場(chǎng)中克服阻力做功損耗的能量是最大的。

圖12 溫度對(duì)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合材料電導(dǎo)率虛部的影響

由圖12可知，在頻率為100～105這段范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的電導(dǎo)率虛部不隨溫度的變化而變化，而是一直處于0的狀態(tài)。這可能是因?yàn)樵谶@段頻率內(nèi)電子在電場(chǎng)中沒有做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)而與電場(chǎng)能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得電導(dǎo)率虛部一直為0。而在頻率為105～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的電導(dǎo)率虛部開始減小，可能是因?yàn)殡娮娱_始做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)并與電場(chǎng)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化。

2.2.3 聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的力學(xué)性能研究

(1)拉伸過(guò)程強(qiáng)力分析

圖13 兩種材料斷裂強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

由圖13可知，聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的斷裂強(qiáng)力低于空白錦綸的斷裂強(qiáng)力。

(2)撕破過(guò)程強(qiáng)力分析

圖14 兩種材料斷裂強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

由圖14可知，聚苯胺涂層錦綸復(fù)合吸波材料的強(qiáng)力增加速率比空白錦綸的強(qiáng)力增長(zhǎng)速率快

3 結(jié)論

(1)在70℃下反應(yīng)條件下制得的聚苯胺涂層玻璃纖維復(fù)合織物介電性能最好，在30℃條件下反應(yīng)制得的聚苯胺涂層錦綸復(fù)合織物介電性能最好。

(2)聚苯胺/錦綸復(fù)合吸波材料的斷裂強(qiáng)力低于空白錦綸的斷裂強(qiáng)力，聚苯胺/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的斷裂強(qiáng)力遠(yuǎn)大于空白玻璃纖維的斷裂強(qiáng)力。