聚吡咯吸波材料性能探讨

刘元军，赵晓明，拓 晓，赵家琪，李锦芳，郭映雪

(天津工业大学纺织学部，天津300387)

0 前言

高强度的电磁辐射以热效应和非热效应两种方式作用于人体，可导致机体发生机能障碍和功能紊乱［1－3］。电磁辐射对公众健康的危害主要是健康效应。健康效应又分为躯体效应和种群效应。种群效应并非短期内可以观察，且影响方向和程度并未明确［4－6］。躯体效应又分为热效应和非热效应。其中热效应的机理现已得到较为透彻的研究，表现为人体接受电磁辐射后机体升温，如果机体吸收的辐射能很多，仅靠人体的温度调节功能不能及时将热量散发，则会引起体温升高，进而引发各种症状。对于非热效应，现仅了解到确实存在机体吸收电磁波虽不引起体温升高，但引起例如神经衰弱等生物学变化的现象，但机理尚不明确。同时，当电磁场向外传播的电磁波遇到导体时，会产生微小的感应电势。而电子设备中不但有金属导体，且有很多放大电路，这时这个感应电势就有可能被放大并以杂波的方式出现，进而对设备中的正常信号形成干扰［7－9］。此类影响电子设备稳定运行，表现为收音机、电视机不能正常收听、收视，医学仪器或探测仪器结果判断出现误差或错误，或是航空导航或军事联系受阻等［10－12］。基于人类本身的身体健康和电子设备的可靠运行考虑，开发出性能优良的电磁防护材料就显得尤为重要，电磁防护材料不仅需要电磁屏蔽材料，也需要性能良好的吸波材料。导电高分子吸波材料一般是由有机高分子物质(聚吡咯、聚苯胺等)与导电物质(金属、非金属类及氧化物类填料)或掺杂剂(浓硫酸、盐酸、三氯化铁及其它有机物)经过一定的复合工艺复合而成［13－14］。与其他吸波材料相比，导电高分子材料质量轻、密度小(只有铁氧体的1/5)，且具有很好的加工成膜、成纤性。棉纤维具有腰圆形截面、纵向天然转曲，使棉织物具有较大比表面积，有利于反应中织物对吡咯单体吸收和吡咯聚合链在织物表面生成［15－20］。本课题采用原位聚合法以纤维素纤维为基布，制备具有良好吸波性能的聚吡咯复合材料。首先探讨了时间对复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切的影响。其次对复合材料进行了扫描电镜等测试，最后研究了其强力。

1 实验

1.1 实验材料

平纹纯棉机织物

1.2 实验药品

本课题所使用的实验仪器如表1所示。

表1 实验药品

1.3 实验仪器

本课题所使用的实验仪器如表2所示。

表2 实验仪器

1.4 制备工艺过程

(1)吸附阶段:将棉织物置入吡咯单体溶液中处理30min，使吡咯单体充分吸附到棉织物上。

(2)反应阶段:将三氯化铁溶液缓慢滴加到吡咯单体吸附液中，室温反应时间为30min～150min。

(3)水洗。

1.5 测试指标与方法

1.5.1 介电常数和损耗角正切测试

介电常数和损耗角正切的测试根据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》标准测试。

1.5.2 电阻测试

表面电阻使用 Agilent Technologies公司的U3402A万用电表进行测试。

1.5.3 电镜测试

扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)主要用于材料表面形貌的研究。由于它制样简单，样品的电子损伤小，所以SEM成为高分子材料常用的重要分析手段。

1.5.4 拉伸性能测试［21－23］

拉伸性能测试参照GB1447－2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法测试。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对复合材料吸波性能的影响

为探究反应时间对复合材料吸波性能的影响，本组实验改变五组反应时间数值，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 反应时间对介电常数实部的影响

图1为反应时间对吸波复合材料介电常数实部的影响，横坐标为频率，纵坐标为介电常数实部，由图可知，反应时间为30min时，复合材料介电常数的实部最大，所有实部数值均在104以上，说明此时对电磁波具有最好的极化能力，吸波性能最佳，但是由于时间太短、反应不充分，导致聚吡咯的牢度较差。反应时间为120min时，复合材料介电常数的实部仅低于反应时间为30min的实验组，其高于其他三个实验组，所有实部数值均在103以上，说明此时对电磁波具有较好的极化能力，吸波性能良好，且由于时间较长，反应充分，导致聚吡咯牢度较好。综合比较最终确定反应时间为120min时，复合材料的吸波性能和牢度较好。

图2 反应时间对介电常数虚部的影响

图2为反应时间对吸波复合材料介电常数虚部的影响，横坐标为频率，纵坐标为介电常数虚部，由图可知，反应时间为30min时，复合材料介电常数的虚部最大，所有虚部数值均在105以上，说明此时对电磁波具有最好的损耗能力，吸波性能最佳，但是由于时间太短、反应不充分，导致聚吡咯的牢度较差。反应时间为120min时，复合材料介电常数的虚部仅低于反应时间为30min的实验组，其高于其他三个实验组，所有虚部数值均在104以上，说明此时对电磁波具有较好的损耗能力，吸波性能良好，且由于时间较长，反应充分，导致聚吡咯牢度较好。综合比较最终确定反应时间为120min时，复合材料的吸波性能和牢度较好。

图3 反应时间对损耗角正切的影响

图3为反应时间对吸波复合材料损耗角正切的影响，横坐标为频率，纵坐标为损耗角正切值，由图可知5组吸波复合材料的损耗角正切均随频率升高而下降。反应时间为60min时，复合材料的损耗角正切大，所有虚部数值均在102以上，但是由于时间太短反应不充分导致聚吡咯的牢度较差。反应时间为90min时，复合材料损耗角正切仅低于反应时间为60min的实验组，其高于其他三个实验组，吸波性能良好，且由于时间较长，反应充分，导致聚吡咯牢度较好。

2.2 反应时间对复合材料电阻的影响

图4 反应时间对电阻的影响

聚吡咯属于结构型导电高分子材料，结构型导电高分子材料是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据导电载流子的种类，结构型导电高分子聚合物分为离子型和电子型两类;根据电导率的大小分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质，其导电时载流子主要是离子;电子型导电高分子是指以共轭高分子为主体的导电高分子材料，其导电时的载流子主要是电子或空穴。图4为反应时间对吸波复合材料电阻的影响，横坐标为位移，纵坐标为拉伸载荷，由图可知，反应时间对吸波复合材料的电阻影响不大，各实验组的复合材料导电效果都比较理想，表面电阻在10－15欧姆之间。

2.3 吸波复合材料的强力

图5 吸波复合材料的强力

图5为吸波复合材料的位移载荷曲线，横坐标为位移，纵坐标为拉伸载荷，由图可知，吸波复合材料的强力与棉织物相当，即对棉织物进行聚吡咯整理后织物的强力没有明显下降。

2.4 吸波复合材料的外观形貌

图6 吸波复合材料的外观形貌

图6为吸波复合材料的外观形貌，由图可知聚吡咯吸波复合材料的棉织物表面附着聚吡咯颗粒。

3 结论

(1)反应时间为120min时，复合材料介电常数的实部仅低于反应时间为30min的实验组，其高于其他三个实验组，所有实部数值均在103以上;此时复合材料介电常数的虚部仅低于反应时间为30min的实验组，高于其他三个实验组，所有虚部数值均在104以上，吸波性能良好。反应时间为90min时，复合材料损耗角正切仅低于反应时间为60min的实验组，其高于其他三个实验组，吸波性能良好，聚吡咯牢度较好。

(2)反应时间对吸波复合材料的电阻影响不大，各实验组的复合材料导电效果都比较理想，表面电阻在10～15欧姆之间。吸波复合材料的强力与棉织物相当，即对棉织物进行聚吡咯整理后织物的强力没有明显下降。

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