反应温度对涂层复合吸波材料介电常数和电导率的影响

武 翔，马振军，张晨洋，李 玉，刘元军

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津唯多维(天津)科技有限公司，天津 300608)

0 前言

自 1977 年 Shirakawa 课题组制备出导电能力有明显提高的聚乙炔，导电聚合物开始被研究人员重视。常见的导电聚合物包括聚乙炔(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为广泛。 聚苯胺由于原料便宜、合成简单、环境稳定性好、电导率大小可调、具有优良的介电损耗、热稳定性高等优点，而被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子之一[1-3]。因此，制作吸波涂层时，在与其他材料相同的厚度下，质量小，且聚苯胺可以耐酸碱腐烛，适用性范围较广[4-6]。本文以玻璃纤维和锦纶作为基布,采用原位氧化聚合法,使苯胺单体在织物表面原位聚合，制备出有良较好介电性能的聚苯胺涂层玻璃纤维复合材料、聚苯胺涂层锦纶复合材料，主要研究了温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合材料、聚苯胺涂层锦纶复合材料的介电常数和电导率的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

平纹玻璃纤维机织物，平纹锦纶机织物

1.2 实验药品和仪器

表1 实验用主要药品

表2 实验主要仪器

1.3 测试指标与方法

1.3.1 介电常数测试

介电常数是介质材料的主要性能参数之一,介质在外加电场时，会产生感应电荷，感应电荷会削弱电场，原外加电场(真空中)与介质中电场的比值即为相对介电常数。介电常数是指真空中绝对介电常数与相对介电常数的乘积。假设有较高介电常数的材料放在电场中，此时电场的强度会在电介质内有较为理想的下降，所以它可以作为表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。本实验采用BDS50介电谱仪测介电常数，选取直径20mm的电极片在恒温恒湿条件(温度20℃～22℃、湿度64%～66%RH)下进行测试，测试介电常数根据SJ20512-1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》标准[7-13]。

1.3.2 强力测试

试样的规格为250×50mm，厚度为1.5mm～3.0mm,夹持距离为100mm，加载速度为200.0mm/min。每组测试2个样品，通过测试得到复合材料的断裂强力和断裂伸长。拉伸性能的测试参照GB1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，在Instron万能材料试验机上进行材料的拉伸性能测试。

2.1 聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的性能研究

2.1.1 反应温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料介电常数的影响

为探究反应温度对聚苯胺/玻璃纤维复合材料吸波性能的影响，本组实验改变四组反应温度，按表3的工艺处方制备不同样品进行各项指标测试。

表3 工艺参数表

图1 反应温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料介电常数实部的影响

由图1可知，在频率为100～103范围内聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的介电常数实部在温度为70℃时达到最大，在频率为103～107范围内聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的介电常数实部值基本为0。

图2 反应温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料介电常数虚部的影响

由图2可知，在频率为100～102范围内聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的介电常数虚部在70℃时达到最大，而其他温度没有明显变化。

图3 反应温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料介损耗角正切的影响

由图3可知，在频率为100～105这段范围内聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的损耗角正切在温度为70℃时随频率增大而减小，其他温度下聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料介损耗角正切值为0。

2.1.2 反应温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料电导率的影响

图4 温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料电导率实部的影响

由图4可知，聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料电导率实部在70℃时随频率增大而达到最大值，其他温度下为0。

图5 温度对聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料电导率虚部的影响

由图5可知，在频率为100～104这段范围内，聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的电导率虚部不随温度的变化而变化，而是一直处于0的状态。这可能是因为在这段频率内电子在电场中没有做简谐运动而与电场能量发生转换，使得电导率虚部一直为0。而在频率为104～107范围内聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的电导率虚部随频率增大而减小，电子开始做简谐运动并与电场发生了能量转化，在70℃的时候发生的能量转换最多。

2.1.3 聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的力学性能研究

(1)拉伸过程强力分析

图6 两种材料断裂强力随时间的变化

由图6可知，两种材料的拉伸强力都随时间的增加而先增大后减小，但聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的强力随时间的变化速率比空白玻璃纤维的强力的变化速率慢。

(2)撕破过程强力分析

图7 两种材料断裂强力随时间的变化

由图7可知，聚苯胺/玻璃纤维的撕破强力随时间的增长速率比空白玻璃纤维的快，聚苯胺涂层玻璃纤维复合吸波材料的断裂强力远大于空白玻璃纤维的断裂强力。

2.2 聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的性能研究

2.2.1 反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料介电常数的影响

为探究反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料吸波性能的影响，本组实验选取四组反应温度，按表4的工艺处方制备不同样品进行各项指标测试。

表4 工艺参数表

图8 反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料介电常数实部的影响

由图8可知，聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的介电常数实部随温度的升高而变大，在频率为10后一直处于0的状态。

图9 反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料介电常数虚部的影响

由图9可知，在频率为100～102范围内聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的介电常数虚部随着温度的增大而减小。

图10 反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料介损耗角正切的影响

由图10可知，随着频率的增大，聚苯胺涂层锦纶复合材料介电损耗角正切逐渐减小，材料的吸波衰减能力从强到弱依次是30℃、50℃、室温、70℃。

2.2.2 反应温度对聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料电导率的影响

图11 温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料电导率实部的影响

由图11可知，聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料电导率实部随着温度的增加逐渐减小，30℃时，电子在电场中克服阻力做功损耗的能量是最大的。

图12 温度对聚苯胺涂层锦纶复合材料电导率虚部的影响

由图12可知，在频率为100～105这段范围内聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的电导率虚部不随温度的变化而变化，而是一直处于0的状态。这可能是因为在这段频率内电子在电场中没有做简谐运动而与电场能量发生转换，使得电导率虚部一直为0。而在频率为105～107范围内聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的电导率虚部开始减小，可能是因为电子开始做简谐运动并与电场发生了能量转化。

2.2.3 聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的力学性能研究

(1)拉伸过程强力分析

图13 两种材料断裂强力随时间的变化

由图13可知，聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的断裂强力低于空白锦纶的断裂强力。

(2)撕破过程强力分析

图14 两种材料断裂强力随时间的变化

由图14可知，聚苯胺涂层锦纶复合吸波材料的强力增加速率比空白锦纶的强力增长速率快

3 结论

(1)在70℃下反应条件下制得的聚苯胺涂层玻璃纤维复合织物介电性能最好，在30℃条件下反应制得的聚苯胺涂层锦纶复合织物介电性能最好。

(2)聚苯胺/锦纶复合吸波材料的断裂强力低于空白锦纶的断裂强力，聚苯胺/玻璃纤维复合吸波材料的断裂强力远大于空白玻璃纤维的断裂强力。