氧化劑對聚苯胺滌棉復合織物電磁性能的影響

　　摘要:采用原位聚合法制備聚苯胺/滌棉復合織物,探討氧化劑種類及濃度對復合織物在107~108Hz頻率范圍內的屏蔽效能、表面電阻,以及在106~109Hz頻率范圍內介電常數實部、虛部、損耗角正切值的影響。結果表明:以過硫酸銨作為氧化劑時,復合織物的屏蔽性能、介電性能達到最佳,隨著氧化劑濃度的增大,屏蔽效能、介電常數實部虛部損耗角正切均先增大后減小。當以過硫酸銨為氧化劑,氧化劑與苯胺濃度比值為2∶1,頻率為1.81×107Hz時,屏蔽效能達到最大值9.84dB;在106~109Hz頻率范圍內,介電常數實部、虛部以及損耗角正切值達到最大值,分別為5.89、0.45、0.13。

　　關鍵詞:聚苯胺;原位聚合;氧化劑;屏蔽性能;導電性能;介電性能

　　0引言

　　隨著電磁波的廣泛使用,電子設備在日常生活中的應用越來越普遍,在給人類社會帶來巨大便利的同時,也帶來了電磁污染問題[1-3]。電磁波在一定程度上限制了軍事和民用設備的運行,還會對生物健康產生不可逆轉的傷害[4],電磁防護材料應運而生。理想的電磁波防護材料應該滿足:吸收頻段寬、匹配厚度薄、質量輕、吸收能力強等4個基本要求[5-6]。

　　目前,在電磁防護領域應用較為廣泛的材料包括碳系材料[7]、磁性粒子以及導電聚合物[8-9]等。聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)等是當前最常見的導電聚合物[10],近年來在電磁防護領域應用廣泛。聚苯胺具有成本低、易合成、有反復質子摻雜能力[11]等優勢。苯胺單體在一定條件下發生化學氧化聚合反應,可以生成具有一定分子量的聚苯胺[12]。聚苯胺主要的合成方法有溶液聚合[13]、乳液聚合[14]、微乳液聚合[15]、模板聚合[16]、酶催化聚合法等。導電聚合物具有共軛π鍵主鏈和較低的密度,對電磁波的響應較強,極化損耗增強,從而提高材料的電磁防護能力[17]。

　　國內外眾多學者已經研發了種類繁多、性能優良的電磁防護材料,然而在投入應用中仍有很多的挑戰。目前,應用于8~12GHz頻段之間的電磁防護材料研究較為廣泛,這些材料主要應用于反雷達探測、衛星通信等場所。然而,隨著電子科技的發展和人類生活水平的提高,電視廣播、無限電通訊等(頻段在107~108Hz)電子設備被大量使用,低頻段電磁污染日益嚴重,因此,研究107~108Hz的材料的電磁性能具有重要意義。本文采用原位聚合法制備了聚苯胺/滌棉復合織物,研究了氧化劑種類及濃度對滌棉復合織物在107~108Hz頻率范圍內的屏蔽效能、表面電阻的影響,以及在106~109Hz頻率范圍內介電常數實部、虛部、損耗角正切值的影響。

　　1實驗

　　1.1材料與藥品

　　1.1.1材料

　　滌棉混紡織物(平紋機織物,混紡比為10/90)由寶雞億帛商貿有限公司提供;苯胺(分析純,天津市化學試劑供銷公司);六水合三氯化鐵(分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司);過氧化氫(分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司);二水合氯化銅(分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司);過硫酸銨(分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司)。

　　1.1.2儀器

　　矢量網絡分析儀(ZNB40,德國Rohde&Schwarz公司);數字萬用表(F8808A,美國FLUKE公司);介電譜儀(E4991B,是德科技(中國)有限公司)。

　　1.2制備工藝

　　1)配制溶液:取苯胺單體,加蒸餾水攪拌使其充分溶解,配制成規定濃度的苯胺單體溶液;取摻雜劑,加蒸餾水攪拌使其完全溶解,配制成規定濃度的摻雜劑溶液;取氧化劑,加蒸餾水攪拌使其完全溶解,配制成規定濃度的氧化劑溶液。

　　2)將基布放入蒸餾水中潤濕,便于吸附;然后將織物浸潤在已經配備好的苯胺單體酸溶液中,浸潤30min,使織物充分吸附苯胺單體。將提前配備好的氧化劑酸溶液按照固定的頻率滴加到吸附液中,在室溫下使苯胺發生聚合反應;反應60min后在織物上生成聚苯胺,使用無水乙醇溶液洗滌之后使用蒸餾水沖洗,自然晾干。聚苯胺/滌棉復合織物的制備流程如圖1所示。

　　2結果與討論

　　2.1氧化劑種類的選擇

　　為了探討氧化劑種類對聚苯胺/滌棉復合織物電磁性能的影響,以對甲苯磺酸為摻雜劑,分別選用過硫酸銨、過氧化氫、氯化銅、三氯化鐵等4種氧化劑,浴比為1∶30,苯胺濃度為0.2mol/L,采用原位聚合法制備了聚苯胺/滌棉復合織物。選用苯胺濃度0.2mol/L的原因是,當苯胺濃度過低時,生成的聚苯胺不能完全覆蓋在織物表面,無法在織物表面形成致密的聚苯胺涂層[18],復合織物的導電能力與介電性能均較差,無法形成理想的導電網絡,復合織物的電磁屏蔽性能較差;當苯胺濃度適宜時,可以在織物表面生成均勻致密的聚苯胺[19],復合織物的導電能力和介電性能均得到改善,對電磁波的極化、損耗、衰減能力提高,增強了對電磁波的吸收。

　　而當苯胺濃度過高時,織物表面的苯胺達到飽和,易產生副反應,不利于生成高導電性的聚苯胺,且附著力下降,容易出現團聚和缺陷,過量的苯胺無法被氧化劑充分氧化[20],無法形成完整的導電網絡,導致電磁屏蔽性能與介電性能變差[21-22]。分別以過氧化氫、六水合三氯化鐵、二水合氯化銅及過硫酸銨為氧化劑,在摻雜劑濃度0.4mol/L、苯胺濃度0.2mol/L、氧化劑濃度0.4mol/L、反應時間90min、反應溫度25℃等工藝條件下制備復合織物,制備復合織物屏蔽效能,表面電阻,介電常數實部、虛部以及損耗角正切值等,結果如圖2所示。

　　當氧化劑濃度較低時,織物表面形成的聚苯胺含量較少,無法覆蓋織物表層;逐漸增大氧化劑的濃度,織物表面形成了致密均勻的聚苯胺。當氧化劑濃度為0.4mol/L時,織物表面的聚苯胺狀態最佳,織物被生成聚苯胺均勻包覆;繼續增大氧化劑濃度則會發生團聚現象,影響復合織物的性能。產生上述現象的原因可能是加入氧化劑引發苯胺單體發生氧化反應生成聚苯胺,氧化劑濃度不同會導致聚苯胺的氧化程度不同。

　　當氧化劑濃度較小時,無法形成結構完整的交替的苯環和氮原子,摻雜態聚苯胺的產率下降[24],無法形成結構完整的導電網絡,復合織物的電磁屏蔽性能和介電性能較差[25];氧化劑濃度過大加快了苯胺聚合速度,這不利于聚苯胺鏈的增長,還會造成過氧化現象,生成雜質聚對苯亞胺[17],在織物表面形成團聚,導致介電性能下降;當氧化劑濃度適宜時可以生成導電性能良好的摻雜態聚苯胺,復合織物可以有效的屏蔽、吸收電磁波。

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　　3結論

　　1)氧化劑的種類和濃度均對復合織物的屏蔽效能、表面電阻、介電常數實部、虛部以及損耗角正切值有所影響,適宜的氧化劑濃度可以有效氧化苯胺,避免氧化不完全或者過氧化現象的發生。

　　2)當苯胺濃度為0.2mol/L,摻雜劑對甲苯磺酸濃度為0.4mol/L,氧化劑過硫酸銨濃度為0.4mol/L,頻率為1.81×107Hz時,屏蔽效能達到最大值9.84dB;在106~109Hz頻率范圍內,介電常數實部、虛部以及損耗角正切值達到最大值,分別為5.89、0.45、0.13。

　　參考文獻(References):

　　[1]MAGISETTYR,SHUKLAA,KANDASUBRAMANIANB.Terpolymer(ABS)cermet(Ni-NiFe2O4)hybridnanocompositeengineered3D-carbonfabricmatasaX-bandelectromagneticinterferenceshieldingmaterial[J].MaterialsLetters,2019,238:214-217.

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　　[3]石好好,蘇曉磊,劉毅.二維層狀Ti3C2的制備及其增強的微波吸收性能[J].紡織高校基礎科學學報,2020,33(4):51-58.

　　作者：劉凡1,劉元軍1,郭順德2,趙曉明1

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