反應溫度對涂層復合吸波材料介電常數(shù)和電導率的影響

武 翔，馬振軍，張晨洋，李 玉，劉元軍

(1.天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，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 課題組制備出導電能力有明顯提高的聚乙炔，導電聚合物開始被研究人員重視。常見的導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、合成簡單、環(huán)境穩(wěn)定性好、電導率大小可調(diào)、具有優(yōu)良的介電損耗、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而被認為是最有希望在實際中得到應用的導電高分子之一[1-3]。因此，制作吸波涂層時，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合材料、聚苯胺涂層錦綸復合材料，主要研究了溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復合材料、聚苯胺涂層錦綸復合材料的介電常數(shù)和電導率的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

平紋玻璃纖維機織物，平紋錦綸機織物

1.2 實驗藥品和儀器

表1 實驗用主要藥品

表2 實驗主要儀器

1.3 測試指標與方法

1.3.1 介電常數(shù)測試

介電常數(shù)是介質(zhì)材料的主要性能參數(shù)之一,介質(zhì)在外加電場時，會產(chǎn)生感應電荷，感應電荷會削弱電場，原外加電場(真空中)與介質(zhì)中電場的比值即為相對介電常數(shù)。介電常數(shù)是指真空中絕對介電常數(shù)與相對介電常數(shù)的乘積。假設有較高介電常數(shù)的材料放在電場中，此時電場的強度會在電介質(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)。本實驗采用BDS50介電譜儀測介電常數(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)下進行測試，測試介電常數(shù)根據(jù)SJ20512-1995《微波大損耗固體材料復介電常數(shù)和復磁導率測試方法》標準[7-13]。

1.3.2 強力測試

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。每組測試2個樣品，通過測試得到復合材料的斷裂強力和斷裂伸長。拉伸性能的測試參照GB1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法，在Instron萬能材料試驗機上進行材料的拉伸性能測試。

2.1 聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料的性能研究

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

為探究反應溫度對聚苯胺/玻璃纖維復合材料吸波性能的影響，本組實驗改變四組反應溫度，按表3的工藝處方制備不同樣品進行各項指標測試。

表3 工藝參數(shù)表

圖1 反應溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料介電常數(shù)實部的影響

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合吸波材料的介電常數(shù)實部在溫度為70℃時達到最大，在頻率為103～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料的介電常數(shù)實部值基本為0。

圖2 反應溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復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合吸波材料的介電常數(shù)虛部在70℃時達到最大，而其他溫度沒有明顯變化。

圖3 反應溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復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合吸波材料的損耗角正切在溫度為70℃時隨頻率增大而減小，其他溫度下聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料介損耗角正切值為0。

2.1.2 反應溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料電導率的影響

圖4 溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料電導率實部的影響

由圖4可知，聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料電導率實部在70℃時隨頻率增大而達到最大值，其他溫度下為0。

圖5 溫度對聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料電導率虛部的影響

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合吸波材料的電導率虛部不隨溫度的變化而變化，而是一直處于0的狀態(tài)。這可能是因為在這段頻率內(nèi)電子在電場中沒有做簡諧運動而與電場能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得電導率虛部一直為0。而在頻率為104～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的電導率虛部隨頻率增大而減小，電子開始做簡諧運動并與電場發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化，在70℃的時候發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換最多。

2.1.3 聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料的力學性能研究

(1)拉伸過程強力分析

圖6 兩種材料斷裂強力隨時間的變化

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

(2)撕破過程強力分析

圖7 兩種材料斷裂強力隨時間的變化

由圖7可知，聚苯胺/玻璃纖維的撕破強力隨時間的增長速率比空白玻璃纖維的快，聚苯胺涂層玻璃纖維復合吸波材料的斷裂強力遠大于空白玻璃纖維的斷裂強力。

2.2 聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的性能研究

2.2.1 反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料介電常數(shù)的影響

為探究反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復合材料吸波性能的影響，本組實驗選取四組反應溫度，按表4的工藝處方制備不同樣品進行各項指標測試。

表4 工藝參數(shù)表

圖8 反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復合材料介電常數(shù)實部的影響

由圖8可知，聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的介電常數(shù)實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 反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復合材料介電常數(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 反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復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到弱依次是30℃、50℃、室溫、70℃。

2.2.2 反應溫度對聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料電導率的影響

圖11 溫度對聚苯胺涂層錦綸復合材料電導率實部的影響

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

圖12 溫度對聚苯胺涂層錦綸復合材料電導率虛部的影響

由圖12可知，在頻率為100～105這段范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的電導率虛部不隨溫度的變化而變化，而是一直處于0的狀態(tài)。這可能是因為在這段頻率內(nèi)電子在電場中沒有做簡諧運動而與電場能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得電導率虛部一直為0。而在頻率為105～107范圍內(nèi)聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的電導率虛部開始減小，可能是因為電子開始做簡諧運動并與電場發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化。

2.2.3 聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的力學性能研究

(1)拉伸過程強力分析

圖13 兩種材料斷裂強力隨時間的變化

由圖13可知，聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的斷裂強力低于空白錦綸的斷裂強力。

(2)撕破過程強力分析

圖14 兩種材料斷裂強力隨時間的變化

由圖14可知，聚苯胺涂層錦綸復合吸波材料的強力增加速率比空白錦綸的強力增長速率快

3 結(jié)論

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

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