反應(yīng)溫度對(duì)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響

羅蕙敏，殷 光，趙曉明，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

1977年，美國的MacDiarmid A．G，Heeger A．J．和日本的Shirakawa H.發(fā)現(xiàn)經(jīng)碘摻雜后的聚乙炔電導(dǎo)率從10-9S/cm提高到103S/cm，將其從絕緣狀態(tài)變?yōu)榫哂袑?dǎo)電能力的導(dǎo)電狀態(tài)而形成導(dǎo)電高聚物。經(jīng)此后導(dǎo)電高聚物作為一種高新功能材料而被推上國際歷史科學(xué)的大舞臺(tái)引發(fā)高度重視。之后Diaz在1979年使用電化學(xué)方法合成了聚吡咯(PPy),繼而一系列如聚苯胺(PAN)、聚噻吩(PTh)及其衍生物等導(dǎo)電性的芳環(huán)和雜環(huán)聚合物相繼被開發(fā)制造出來，目前對(duì)此的探索已經(jīng)有相當(dāng)深入的研究基礎(chǔ)[1-3]。聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩這三種是具有代表性的導(dǎo)電高聚物[4-6]。導(dǎo)電高聚物的吸波機(jī)理主要是通過一系列的過程實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和電磁損耗，具體過程是利用某些高分子聚合物的共扼電子的線性或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物的作用從而吸收電磁波[7-8]。吸波材料的吸波原理直白的說就是將電磁能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量消耗掉的過程，部分穿進(jìn)吸波材料表面射入材料內(nèi)部的電磁波與材料發(fā)生一定的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而使電磁能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或其他形的式能而消耗。吸波性能的兩個(gè)最主要考察特性是阻抗匹配特性和衰減特性。照射在材料表面的電磁波會(huì)發(fā)生反射和折射。本文主要研究了溫度對(duì)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

平紋錦綸織物，平紋玻璃纖維織物(海安縣利來雅紡織有限公司提供)。

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)、損耗角正切以及電導(dǎo)率測(cè)試

介電常數(shù)、損耗角正切和電導(dǎo)率的測(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)，在BDS50介電譜儀上進(jìn)行了介電常數(shù)測(cè)試[9-12]。

1.3.2 強(qiáng)力測(cè)試

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YG028萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行材料的拉伸和撕破性能的測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料介電性能和電導(dǎo)率的影響

為研究溫度對(duì)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合材料介電性能的影響，本組實(shí)驗(yàn)控制吡咯濃度和摻雜劑(對(duì)甲苯磺酸)濃度以及過硫酸銨和吡咯的摩爾比不變用四組不同溫度按表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 溫度對(duì)聚吡咯/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100～101范圍內(nèi)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部隨溫度的變化而無規(guī)則的變化，而在頻率為101～107范圍內(nèi)聚吡咯/錦綸復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部不隨溫度的變化而變化，而是一直處于趨于0的狀態(tài)。

圖2 溫度對(duì)聚吡咯/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)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)虛部隨著溫度的增大先增大而減小，在30℃最大，而在70℃時(shí)為0。

圖3 溫度對(duì)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料損耗角正切的影響

由圖3可知，在頻率為100～102這段范圍內(nèi)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的損耗角正切的圖像呈現(xiàn)雜亂無章的走向，而且隨著溫度的改變也無規(guī)律的變化。

圖4 溫度對(duì)聚吡咯/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，聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料電導(dǎo)率實(shí)部隨著溫度的增加先增大后減小，在30℃最大，而在70℃時(shí)為0。

圖5 溫度對(duì)聚吡咯/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100～105這段范圍內(nèi)聚吡咯/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，而是一直處于趨于0的狀態(tài)。這可能是因?yàn)樵谶@段頻率內(nèi)電子在電場中沒有做簡諧運(yùn)動(dòng)而與電場能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得電導(dǎo)率虛部一直趨于0。而在頻率為105～107范圍內(nèi)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的電導(dǎo)率虛部有了變化，隨著溫度的變化電子開始做簡諧運(yùn)動(dòng)并與電場發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化。

2.2 聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料強(qiáng)力分析

以玻璃纖維做空白對(duì)照，1為聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料，2為空白玻璃纖維。

(1)拉伸過程強(qiáng)力分析

圖6 兩種材料強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

圖7 兩種材料伸長位移隨時(shí)間的變化

表4 拉伸過程中兩種材料的斷裂強(qiáng)力和位移

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，但聚吡咯/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的玻璃纖維強(qiáng)力的變化速率慢。由圖7可知，兩種材料的伸長位移隨時(shí)間的增加增大速率一樣，但是空白錦綸的伸長位移較短。由表4可知，聚吡咯/玻璃纖維復(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)撕破過程強(qiáng)力分析

圖8 兩種材料強(qiáng)力隨時(shí)間的變化

圖9 兩種材料撕破位移隨時(shí)間的變化

表5 撕破過程中兩種材料的斷裂強(qiáng)力和位移

由圖8可知，聚吡咯/玻璃纖維的撕破強(qiáng)力隨時(shí)間的增長速率比空白玻璃纖維的快。由圖9可知，兩種材料的撕破位移隨時(shí)間的增加速率相同，但空白玻璃纖維撕破的時(shí)間更長。表5則表明聚吡咯/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。

3 結(jié)論

(1)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)實(shí)部和損耗角正切受溫度影響較小。在頻率為100～102范圍內(nèi)聚吡咯/玻璃纖維復(fù)合吸波材料的介電常數(shù)虛部隨著溫度的增大先增大而減小，在30℃最大，而在70℃時(shí)為0。

(2)經(jīng)聚吡咯附著的玻璃纖維其強(qiáng)度增高。