烘干温度对石墨烯单层涂层织物电磁性能的影响

刘元军，罗蕙敏，王彩霞，赵晓明

(1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387；2.天津市先进纤维与储能技术重点实验室，天津300387；3. 天津市先进纺织复合材料重点实验室，天津300387)

0 前言

长期的电磁辐射会对身体免疫力造成严重的影响，甚至诱发一些疾病和癌突变。 因此，研究出性能优良的电磁防护织物相当重要[1-5]。

石墨烯是迄今为止发现的最薄的二维材料，是由碳六元环组成的二维周期性结构。 这种独特的二维片状结构使其在添加量很少的条件下就能形成导电网络，不仅在物理、化学等方面具有高导电、高抗拉强度等优异的电学、力学和热学性能，还具备很好的电磁屏蔽性能[6-8]。 由于其独特的二维片状结构，所以石墨烯能够在添加量很少的条件下形成导电网络，具有优异的导电性和边界效应。 石墨烯主要是通过电损耗的方式来实现对电磁波的吸收和衰减[9-11]。 石墨烯是极具发展潜力的轻质电磁防护材料，原因如下：一方面，相对于其他材料的棒状形或球形，石墨烯的片状结构有利于增大织物的多次反射损耗[12]。 将高电导率的石墨烯均匀分散到织物表面，使片状结构的石墨烯一层层紧密平行排列，通过面与面的接触实现导电通路，形成理想的导电网络，可以增大电磁波的反射损耗。 另一方面，石墨烯是纳米材料，纳米颗粒尺寸小，比表面积大，表面原子比例高，悬挂键增多，因此界面极化和多重散射成为重要的吸波机制[13-14]。

本课题以锦纶为基布，以聚氨酯为基体，以石墨烯为功能粒子，采用涂层工艺制备了石墨烯单层涂层织物，重点研究了烘干温度对石墨烯单层涂层织物的电磁性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要实验材料和药品

材料：锦纶、药品如表1 所示。

表1 主要实验药品

1.2 主要的实验仪器

主要实验仪器如表2 所示。

1.3 石墨烯单层涂层织物的制备

本实验采用控制变量法，以烘箱温度为变量，温度分别为60℃、80 ℃、100 ℃和120 ℃。 石墨烯的质量是相对聚氨脂质量的20%。 将石墨烯缓缓加入到树脂当中，滴加增稠剂再搅拌30 min，接着用粘度仪测粘度，然后上涂层机涂层，设定涂层厚度为0.5mm，改变烘箱温度，设定烘干时间为10 min。

1.4 测试指标

1.4.1 介电常数的测试

将制备好的涂层织物放在介电谱仪上，按要求放好试样，进行测试，分别测试其实部、虚部、损耗角正切值和膜，然后保存图像，进行数据处理，作图并进行数据分析[15-20]。

1.4.2 屏蔽性能的测试

将制备好的涂层织物放在矢量网络分析仪上，按要求放好试样，进行测试，保存好图像，绘图并进行分析。 测试方法采用《电磁屏蔽材料测量方法》中精度较高的法兰同轴法[21]。

1.4.3 拉伸性能的测试

参照GB1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能实验方法，试样规格为5 cm×20 cm，夹持距离为10 cm[22-24]。

2 结果与讨论

为了探究烘干温度对石墨烯单层涂层织物介电性能(实部、虚部、损耗角正切值)的影响，本实验以锦纶为基布，改变烘干温度(60 ℃、80 ℃、100℃、120 ℃)制备了四种不同的石墨烯单层涂层织物，其测试工艺参数如表3 所示。

2.1 烘干温度对石墨烯单层涂层织物介电性能的影响

石墨烯单层涂层织物的介电常数的实部在不同温度下随频率的变化如图1 所示。

图1 烘干温度对介电常数实部的影响

由图1 可知，在0 MHz～1000 MHz 的频率范围内，烘干温度为80 ℃时，石墨烯单层涂层织物的实部最大(其值为10.0 ～39.1)，此时织物对电磁波的极化能力最强。 烘干温度为120 ℃时，石墨烯单层涂层织物的实部最小(其值为8.6 ～34.1)，此时织物对电磁波的极化能力最弱。 另外，在0 MHz ～1000 MHz 的频率范围内，五种石墨烯单层涂层织物的实部均随频率增大而减小。 介电常数的实部的大小本质上反映了材料极化能力的强弱，实部越大，材料的极化能力越强。 温度会影响载流子迁移率，进而影响极化能力。 因此烘干温度为80 ℃时，石墨烯单层涂层织物对电磁波的极化能力越强。但是当频率较高时，电介质的极化速度跟不上电场的变化速度，所以实部会慢慢减小。

石墨烯单层涂层织物的介电常数的虚部在不同温度下随频率的变化如图2 所示。

由图2 可知，在0 MHz～1000 MHz 的频率范围内，烘干温度为100 ℃时，石墨烯单层涂层织物的虚部最大(其值为10.0 ～39.2)，此时涂层织物对电磁波的损耗能力最强。 烘干温度为120 ℃时，石墨烯单层涂层织物的虚部最小(其值为8.6 ～33.8)，对电磁波的损耗能力最弱。 另外，在0 MHz～1000 MHz 的频率范围内，四种石墨烯单层涂层织物的虚部均随频率增大而减小。 介电常数的虚部的大小本质上反映了材料对电磁波的损耗能力，虚部越大，材料对电磁波的损耗能力越强。 石墨烯是由石墨氧化还原得到的，虽然经过氧化的石墨烯相对稳定，但是温度过高会引起基团的流失，影响石墨烯表面剩余官能团的极化作用，进而影响材料的介电损耗，从而影响材料对电磁波的吸收。 因此，烘干温度为100 ℃时，石墨烯单层涂层织物对电磁波的损耗能力最强。

图2 烘干温度对介电常数虚部的影响

图3 烘干温度对介电常数损耗角正切值的影响

石墨烯单层涂层织物的介电常数的损耗角正切值如图3 所示。由图3 可知，在0 MHz ～1000 MHz 频率范围内，随着温度的升高，四种石墨烯单层涂层织物的损耗角正切曲线基本重合，四种涂层织物对电磁波的衰减能力基本相同。 损耗角正切值可以间接的反映材料的吸波性能，表征材料对电磁波的衰减能力。 而在此次实验中除了烘干温度，其他条件都一致，可见烘干温度对损耗角正切值的影响比较小。

2.2 烘干温度对石墨烯单层涂层织物屏蔽性能的影响

石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能如图4 所示。

图4 烘干温度对屏蔽效能的影响

由图4 可知，在0 MHz ～40 MHz 频率范围内，随着烘干温度的升高，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能逐渐增大，对电磁波的屏蔽能力增强。 烘干温度为120℃时，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最大(其值为6.8 dB ～78.6 dB)，此时织物对电磁波的屏蔽能力最强；烘干温度为60 ℃时，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最小(其值为5.9 dB ～57.8 dB)，此时石墨烯单层涂层织物对电磁波的屏蔽能力最弱。 烘干温度为100 ℃时，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能值为6.4 dB ～59.9 dB；烘干温度为80 ℃时，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能值为6.3 dB～58.6 dB。 此外，在0 MHz～40 MHz 频率范围内，随着频率的增加，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能逐渐减小

2.3 烘干温度对单层涂层织物力学性能的影响

石墨烯单层涂层织物的最大载荷值与最大载荷位移如表4 所示。

表4 最大载荷值与最大载荷位移

石墨烯单层涂层织物的力学性能如图5 所示。

图5 烘干温度对织物力学性能的影响

由表4 和图5 可知，在0 mm～30 mm 载荷位移范围内，烘干温度为60 ℃时，石墨烯单层涂层织物断裂需要的拉伸应力最大，载荷值可达604.729 N，此时的最大位移为29.892 mm。

3 结论

在0 MHz～1000 MHz 频率范围内，烘干温度为80 ℃时，石墨烯单层涂层织物的介电常数实部最大，即此时该材料的极化能力最强；烘干温度为100 ℃时，石墨烯单层涂层织物的介电常数虚部最大，即此时该材料对电磁波的损耗能力最强；烘干温度对损耗角正切值影响不大；在0 MHz～40 MHz频率范围内，烘干温度为120 ℃时，石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最大，对电磁波的屏蔽能力最强。