烘干溫度對石墨烯單層涂層織物電磁性能的影響

劉元軍，羅蕙敏，王彩霞，趙曉明

(1.天津工業大學紡織科學與工程學院，天津300387；2.天津市先進纖維與儲能技術重點實驗室，天津300387；3. 天津市先進紡織復合材料重點實驗室，天津300387)

0 前言

長期的電磁輻射會對身體免疫力造成嚴重的影響，甚至誘發一些疾病和癌突變。 因此，研究出性能優良的電磁防護織物相當重要[1-5]。

石墨烯是迄今為止發現的最薄的二維材料，是由碳六元環組成的二維周期性結構。 這種獨特的二維片狀結構使其在添加量很少的條件下就能形成導電網絡，不僅在物理、化學等方面具有高導電、高抗拉強度等優異的電學、力學和熱學性能，還具備很好的電磁屏蔽性能[6-8]。 由于其獨特的二維片狀結構，所以石墨烯能夠在添加量很少的條件下形成導電網絡，具有優異的導電性和邊界效應。 石墨烯主要是通過電損耗的方式來實現對電磁波的吸收和衰減[9-11]。 石墨烯是極具發展潛力的輕質電磁防護材料，原因如下：一方面，相對于其他材料的棒狀形或球形，石墨烯的片狀結構有利于增大織物的多次反射損耗[12]。 將高電導率的石墨烯均勻分散到織物表面，使片狀結構的石墨烯一層層緊密平行排列，通過面與面的接觸實現導電通路，形成理想的導電網絡，可以增大電磁波的反射損耗。 另一方面，石墨烯是納米材料，納米顆粒尺寸小，比表面積大，表面原子比例高，懸掛鍵增多，因此界面極化和多重散射成為重要的吸波機制[13-14]。

本課題以錦綸為基布，以聚氨酯為基體，以石墨烯為功能粒子，采用涂層工藝制備了石墨烯單層涂層織物，重點研究了烘干溫度對石墨烯單層涂層織物的電磁性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料和藥品

材料：錦綸、藥品如表1 所示。

表1 主要實驗藥品

1.2 主要的實驗儀器

主要實驗儀器如表2 所示。

1.3 石墨烯單層涂層織物的制備

本實驗采用控制變量法，以烘箱溫度為變量，溫度分別為60℃、80 ℃、100 ℃和120 ℃。 石墨烯的質量是相對聚氨脂質量的20%。 將石墨烯緩緩加入到樹脂當中，滴加增稠劑再攪拌30 min，接著用粘度儀測粘度，然后上涂層機涂層，設定涂層厚度為0.5mm，改變烘箱溫度，設定烘干時間為10 min。

1.4 測試指標

1.4.1 介電常數的測試

將制備好的涂層織物放在介電譜儀上，按要求放好試樣，進行測試，分別測試其實部、虛部、損耗角正切值和膜，然后保存圖像，進行數據處理，作圖并進行數據分析[15-20]。

1.4.2 屏蔽性能的測試

將制備好的涂層織物放在矢量網絡分析儀上，按要求放好試樣，進行測試，保存好圖像，繪圖并進行分析。 測試方法采用《電磁屏蔽材料測量方法》中精度較高的法蘭同軸法[21]。

1.4.3 拉伸性能的測試

參照GB1447-2005 纖維增強塑料拉伸性能實驗方法，試樣規格為5 cm×20 cm，夾持距離為10 cm[22-24]。

2 結果與討論

為了探究烘干溫度對石墨烯單層涂層織物介電性能(實部、虛部、損耗角正切值)的影響，本實驗以錦綸為基布，改變烘干溫度(60 ℃、80 ℃、100℃、120 ℃)制備了四種不同的石墨烯單層涂層織物，其測試工藝參數如表3 所示。

2.1 烘干溫度對石墨烯單層涂層織物介電性能的影響

石墨烯單層涂層織物的介電常數的實部在不同溫度下隨頻率的變化如圖1 所示。

圖1 烘干溫度對介電常數實部的影響

由圖1 可知，在0 MHz～1000 MHz 的頻率范圍內，烘干溫度為80 ℃時，石墨烯單層涂層織物的實部最大(其值為10.0 ～39.1)，此時織物對電磁波的極化能力最強。 烘干溫度為120 ℃時，石墨烯單層涂層織物的實部最小(其值為8.6 ～34.1)，此時織物對電磁波的極化能力最弱。 另外，在0 MHz ～1000 MHz 的頻率范圍內，五種石墨烯單層涂層織物的實部均隨頻率增大而減小。 介電常數的實部的大小本質上反映了材料極化能力的強弱，實部越大，材料的極化能力越強。 溫度會影響載流子遷移率，進而影響極化能力。 因此烘干溫度為80 ℃時，石墨烯單層涂層織物對電磁波的極化能力越強。但是當頻率較高時，電介質的極化速度跟不上電場的變化速度，所以實部會慢慢減小。

石墨烯單層涂層織物的介電常數的虛部在不同溫度下隨頻率的變化如圖2 所示。

由圖2 可知，在0 MHz～1000 MHz 的頻率范圍內，烘干溫度為100 ℃時，石墨烯單層涂層織物的虛部最大(其值為10.0 ～39.2)，此時涂層織物對電磁波的損耗能力最強。 烘干溫度為120 ℃時，石墨烯單層涂層織物的虛部最小(其值為8.6 ～33.8)，對電磁波的損耗能力最弱。 另外，在0 MHz～1000 MHz 的頻率范圍內，四種石墨烯單層涂層織物的虛部均隨頻率增大而減小。 介電常數的虛部的大小本質上反映了材料對電磁波的損耗能力，虛部越大，材料對電磁波的損耗能力越強。 石墨烯是由石墨氧化還原得到的，雖然經過氧化的石墨烯相對穩定，但是溫度過高會引起基團的流失，影響石墨烯表面剩余官能團的極化作用，進而影響材料的介電損耗，從而影響材料對電磁波的吸收。 因此，烘干溫度為100 ℃時，石墨烯單層涂層織物對電磁波的損耗能力最強。

圖2 烘干溫度對介電常數虛部的影響

圖3 烘干溫度對介電常數損耗角正切值的影響

石墨烯單層涂層織物的介電常數的損耗角正切值如圖3 所示。由圖3 可知，在0 MHz ～1000 MHz 頻率范圍內，隨著溫度的升高，四種石墨烯單層涂層織物的損耗角正切曲線基本重合，四種涂層織物對電磁波的衰減能力基本相同。 損耗角正切值可以間接的反映材料的吸波性能，表征材料對電磁波的衰減能力。 而在此次實驗中除了烘干溫度，其他條件都一致，可見烘干溫度對損耗角正切值的影響比較小。

2.2 烘干溫度對石墨烯單層涂層織物屏蔽性能的影響

石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能如圖4 所示。

圖4 烘干溫度對屏蔽效能的影響

由圖4 可知，在0 MHz ～40 MHz 頻率范圍內，隨著烘干溫度的升高，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能逐漸增大，對電磁波的屏蔽能力增強。 烘干溫度為120℃時，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能最大(其值為6.8 dB ～78.6 dB)，此時織物對電磁波的屏蔽能力最強；烘干溫度為60 ℃時，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能最小(其值為5.9 dB ～57.8 dB)，此時石墨烯單層涂層織物對電磁波的屏蔽能力最弱。 烘干溫度為100 ℃時，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能值為6.4 dB ～59.9 dB；烘干溫度為80 ℃時，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能值為6.3 dB～58.6 dB。 此外，在0 MHz～40 MHz 頻率范圍內，隨著頻率的增加，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能逐漸減小

2.3 烘干溫度對單層涂層織物力學性能的影響

石墨烯單層涂層織物的最大載荷值與最大載荷位移如表4 所示。

表4 最大載荷值與最大載荷位移

石墨烯單層涂層織物的力學性能如圖5 所示。

圖5 烘干溫度對織物力學性能的影響

由表4 和圖5 可知，在0 mm～30 mm 載荷位移范圍內，烘干溫度為60 ℃時，石墨烯單層涂層織物斷裂需要的拉伸應力最大，載荷值可達604.729 N，此時的最大位移為29.892 mm。

3 結論

在0 MHz～1000 MHz 頻率范圍內，烘干溫度為80 ℃時，石墨烯單層涂層織物的介電常數實部最大，即此時該材料的極化能力最強；烘干溫度為100 ℃時，石墨烯單層涂層織物的介電常數虛部最大，即此時該材料對電磁波的損耗能力最強；烘干溫度對損耗角正切值影響不大；在0 MHz～40 MHz頻率范圍內，烘干溫度為120 ℃時，石墨烯單層涂層織物的屏蔽效能最大，對電磁波的屏蔽能力最強。