摘要:為得到性能優(yōu)良的電磁防護(hù)材料,采用涂層工藝制備氧化石墨烯涂層織物,并分析織物種類、氧化石墨烯含量、電磁波入射面對(duì)涂層織物的屏蔽效能(SE)及介電常數(shù)的影響。結(jié)果表明:與滌棉織物、芳綸織物和15%不銹鋼纖維織物相比,以30%不銹鋼纖維織物為基布所得材料的屏蔽效能和介電常數(shù)值較高。在0.01GHz~3GHz頻率范圍內(nèi),以30%不銹鋼纖維織物作為基布時(shí),涂層織物的屏蔽效能在整個(gè)頻段范圍內(nèi)均可達(dá)到30dB以上,材料屏蔽性能優(yōu)異;當(dāng)氧化石墨烯含量為3%時(shí),涂層織物的屏蔽效能最大為46.27dB,介電常數(shù)實(shí)部最大為25.5,虛部值最大為2.12,表明材料對(duì)電磁波的極化及損耗能力較強(qiáng)。此外,電磁波射入面不同,涂層織物的屏蔽效能的整體變化趨勢相似。

　　關(guān)鍵詞:氧化石墨烯;涂層工藝;導(dǎo)電織物;屏蔽效能;介電常數(shù)

　　0引言

　　隨著電信技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多的電子產(chǎn)品及精密設(shè)備出現(xiàn)在日常生活中,給人們的生活帶來了極大便利,但同時(shí)也產(chǎn)生了大量的電磁輻射。電磁污染已經(jīng)成為繼大氣、水、噪聲污染之后的第4大污染源[1-2]。長時(shí)間處于電磁輻射環(huán)境或當(dāng)電磁輻射的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí),不僅會(huì)影響精密電子儀器的信號(hào),還會(huì)對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生威脅。電磁輻射會(huì)影響人們的神經(jīng)系統(tǒng),伴隨著出現(xiàn)頭暈、頭痛、失眠和記憶力衰退等癥狀[3-6]。同時(shí),電磁波還會(huì)干擾飛機(jī)、雷達(dá)等軍用電子設(shè)備的信號(hào),威脅軍事信息安全[7]。

　　因此,電磁防護(hù)材料的研發(fā)對(duì)軍事、民用等領(lǐng)域都具有重要意義。目前,常用的電磁屏蔽材料多為金屬基、本征導(dǎo)電聚合物等,存在易腐蝕、重量大、頻段窄等缺點(diǎn),已經(jīng)不再能滿足軍事和民用上的多元化需求[8-9]。氧化石墨烯在保持石墨烯導(dǎo)電性好、質(zhì)輕、比表面積大等優(yōu)秀特性的同時(shí),還能夠溶解在水和有機(jī)溶劑中。因?yàn)槠浔砻婧�有大量的極性官能團(tuán),催化活性高,是非常理想的電磁材料[10-13]。管宇鵬等采用Pickering乳液技術(shù)和化學(xué)還原法,將纖維素納米纖絲(CNF)、氧化石墨烯以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)混合,制備了CNF/RGO/PMMA電磁屏蔽復(fù)合材料[14]。該材料對(duì)于X波段不同頻率(8.2~124.GHz)具有良好的電磁屏蔽效能及穩(wěn)定性,電磁屏蔽效能可達(dá)20dB以上,屏蔽性能良好。

　　黃芙蓉等以硝酸銀、氧化碳納米管(O-MWCNT)和氧化石墨烯為原料,采用輻射還原一步在成功地制備了花狀結(jié)構(gòu)Ag/O-MWCNT/RGO復(fù)合材料,多種物質(zhì)共同作用增強(qiáng)了材料的電磁性能[15]。現(xiàn)有電磁材料的研究集中在粉末態(tài)及硬質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域,對(duì)于柔性電磁防護(hù)織物的研究較少,因此其應(yīng)用受到限制[16-19]。隨著研究的深入,劉元軍等將石墨、石墨烯整理到錦綸織物上,制備了柔性電磁防護(hù)材料[20]。在0MHz~40MHz頻率范圍內(nèi),石墨烯和石墨用量8∶2混合時(shí),石墨烯/石墨材料的屏蔽效能最大,對(duì)電磁波的屏蔽能力最強(qiáng)。此外,該團(tuán)隊(duì)還研究了聚苯胺/棉復(fù)合材料、聚苯胺/滌綸復(fù)合材料的電磁性能[21-22]。可見,將屏蔽劑與紡織物復(fù)合是制備柔性電磁屏蔽材料的有效方法。

　　本文選擇滌棉織物、芳綸織物以及2種不銹鋼纖維導(dǎo)電織物作為基布,比較了4種不同織物作為基布時(shí),材料的屏蔽性能和介電性能的變化規(guī)律,并探討導(dǎo)電織物面和涂層面分別作為電磁波射入面時(shí)屏蔽效能的變化。其中,導(dǎo)電織物由不銹鋼纖維、滌綸纖維、棉纖維混紡而成,內(nèi)部纖維彼此交織形成連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。與氧化石墨烯涂層一樣,可被視為反射層,形成反射層和反射層的組合,能有效增強(qiáng)材料的電磁屏蔽性能。

　　1實(shí)驗(yàn)

　　1.1材料及儀器

　　1.1.1材料

　　多層氧化石墨烯(直徑10~50μm,分析純,蘇州碳豐石墨烯科技有限公司);聚氨酯樹脂(粘度<300mPa·s,工業(yè)級(jí),廣州譽(yù)衡環(huán)保材料有限公司);消泡劑(分析純,山東優(yōu)索化工科技有限公司);增稠劑(分析純,廣州典木復(fù)合材料經(jīng)營部);鍶鐵氧體、鋇鐵氧體(直徑1~5μm,分析純,上海卜微應(yīng)用材料技術(shù)有限公司);鎳鋅鐵氧體、鈷鐵氧體(直徑1~5μm,分析純,河北江鉆焊接材料有限公司)。

　　1.1.2儀器

　　YG141D型數(shù)字式織物厚度儀,萊州市電子儀器有限公司;DGG-9148A型高溫鼓風(fēng)干燥箱,上海鰲珍儀器制造有限公司;LTE-S87609型涂層機(jī),瑞士WernerMathis公司;E4991B型介電譜儀,美國是德科技(中國)有限公司;ZNB40型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,德國Rohde&Schwarz公司;4060型激光切割機(jī),安徽嘉速科技有限公司;U400/80-320型單向串激電動(dòng)機(jī),上海微特電機(jī)有限公司。

　　1.2制備工藝

　　1)固定織物:將4種織物分別裁剪成30cm×25cm的樣塊,實(shí)驗(yàn)前將樣品塊固定在針板架上。固定過程中,保持布面張力均勻、平整無褶皺。

　　2)涂料的制備:稱取適量的水溶性聚氨酯樹脂和氧化石墨烯。將水溶性聚氨酯用強(qiáng)力攪拌機(jī)持續(xù)攪拌,轉(zhuǎn)速為1000r/min;攪拌過程中,將氧化石墨烯緩慢加入到樹脂中,加料過程中轉(zhuǎn)速保持不變。加料完成后,將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1800r/min,高速攪拌40min,使功能粒子均勻分散在樹脂中。在高速攪拌過程中緩慢滴加消泡劑,減少涂料中的氣泡;滴加增稠劑,使涂料具備所需粘度。加入不同質(zhì)量的氧化石墨烯,分別制備不同氧化石墨烯含量的涂料。

　　3)涂層織物的制備:設(shè)置涂層機(jī)的涂層厚度0.8mm,將涂料均勻涂覆于織物表面,再將織物置于80℃烘箱中烘干30min,拿出后自然晾干,制得氧化石墨烯涂層織物。對(duì)于氧化石墨烯含量(相對(duì)于聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為1%、2%、3%、4%、5%的涂層織物,分別測試其電磁參數(shù)并分析其屏蔽性能。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1對(duì)滌棉涂層織物電磁性能的影響

　　采用控制變量法,以滌棉混紡織物為基布,改變氧化石墨烯含量,制備氧化石墨烯涂層織物,實(shí)驗(yàn)測試其電磁性能,對(duì)應(yīng)于氧化石墨烯相對(duì)于聚氨脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%,5%。在0.01GHz~3GHz頻率范圍內(nèi),不同氧化石墨烯含量滌棉涂層織物的屏蔽效能(SE值)隨頻率的增加而逐漸減小,即在該頻段區(qū)間內(nèi)涂層織物對(duì)電磁波的屏蔽性能逐漸減弱。隨著氧化石墨烯含量的增加,SE值先增大后減小;當(dāng)氧化石墨烯的含量為3%時(shí),SE有最大值17.82dB。由于氧化石墨烯含量變化梯度小,所以各含量曲線數(shù)值相差不大,。

　　在1MHz~1GHz頻率范圍內(nèi),隨頻率的增加,不同氧化石墨烯含量涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部呈逐漸下降的趨勢,即對(duì)電磁波的極化能力逐漸減弱。隨著石墨烯含量的增加,介電常數(shù)實(shí)部先增大后減小;當(dāng)氧化石墨烯含量為2%時(shí),滌棉涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部最大為3.65。滌棉涂層織物的介電常數(shù)虛部和損耗角正切值均呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢。當(dāng)氧化石墨烯含量為2%時(shí),介電常數(shù)虛部值最大可達(dá)到0.27,損耗角正切值最大為0.1,材料對(duì)電磁波的衰減和損耗能力最好。原因可能是隨著氧化石墨烯含量的增加,涂層內(nèi)氧化石墨烯顆粒增多,在涂層內(nèi)部形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),對(duì)電磁波的介電損耗能力逐漸增強(qiáng)[23]。

　　電力論文范例：超導(dǎo)電力技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

　　3結(jié)論

　　1)4種氧化石墨烯涂層織物的電磁屏蔽效能不同。以導(dǎo)電織物作為基布時(shí),材料的屏蔽性能較好。在0.01GHz~3GHz頻率范圍內(nèi),30%不銹鋼纖維導(dǎo)電涂層織物的屏蔽效能值最大,材料的電磁屏蔽性能最強(qiáng)。

　　2)以不銹鋼纖維導(dǎo)電織物作為基布,電磁波從不同面(涂層面和織物面)射入時(shí),材料的屏蔽效能變化趨勢相同,均呈先增大后減小再增大的趨勢。

　　3)在1MHz~1GHz頻率范圍內(nèi),30%不銹鋼纖維導(dǎo)電涂層織物的介電常數(shù)實(shí)部、虛部和損耗角正切值最大,該材料對(duì)電磁波的極化、損耗及衰減能力最強(qiáng)。

　　參考文獻(xiàn)(References):

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　　[3]HINRIKUSH,BACHMANNM,LASSJ.Understandingphysicalmechanismoflow-levelmicrowaveradiationeffect[J].InternationalJournalofRadiationBiology,2018,94(10):877-882.

　　作者：王歡歡1,劉元軍1,郭順德2,趙曉明1