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        反應(yīng)溫度對(duì)涂層復(fù)合吸波材料介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響

        2019-03-07 08:22:54馬振軍張晨洋劉元軍
        關(guān)鍵詞:虛部聚苯胺錦綸

        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(kāi)始被研究人員重視。常見(jiàn)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(méi)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(méi)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(kāi)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(méi)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(kāi)始減小,可能是因?yàn)殡娮娱_(kāi)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。

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