氧化石墨烯涂层织物的制备及其电磁性能

　　摘要:为得到性能优良的电磁防护材料,采用涂层工艺制备氧化石墨烯涂层织物,并分析织物种类、氧化石墨烯含量、电磁波入射面对涂层织物的屏蔽效能(SE)及介电常数的影响。结果表明:与涤棉织物、芳纶织物和15%不锈钢纤维织物相比,以30%不锈钢纤维织物为基布所得材料的屏蔽效能和介电常数值较高。在0.01GHz~3GHz频率范围内,以30%不锈钢纤维织物作为基布时,涂层织物的屏蔽效能在整个频段范围内均可达到30dB以上,材料屏蔽性能优异;当氧化石墨烯含量为3%时,涂层织物的屏蔽效能最大为46.27dB,介电常数实部最大为25.5,虚部值最大为2.12,表明材料对电磁波的极化及损耗能力较强。此外,电磁波射入面不同,涂层织物的屏蔽效能的整体变化趋势相似。

　　关键词:氧化石墨烯;涂层工艺;导电织物;屏蔽效能;介电常数

　　0引言

　　随着电信技术的迅速发展,越来越多的电子产品及精密设备出现在日常生活中,给人们的生活带来了极大便利,但同时也产生了大量的电磁辐射。电磁污染已经成为继大气、水、噪声污染之后的第4大污染源[1-2]。长时间处于电磁辐射环境或当电磁辐射的强度达到一定程度时,不仅会影响精密电子仪器的信号,还会对人类的身体健康产生威胁。电磁辐射会影响人们的神经系统,伴随着出现头晕、头痛、失眠和记忆力衰退等症状[3-6]。同时,电磁波还会干扰飞机、雷达等军用电子设备的信号,威胁军事信息安全[7]。

　　因此,电磁防护材料的研发对军事、民用等领域都具有重要意义。目前,常用的电磁屏蔽材料多为金属基、本征导电聚合物等,存在易腐蚀、重量大、频段窄等缺点,已经不再能满足军事和民用上的多元化需求[8-9]。氧化石墨烯在保持石墨烯导电性好、质轻、比表面积大等优秀特性的同时,还能够溶解在水和有机溶剂中。因为其表面含有大量的极性官能团,催化活性高,是非常理想的电磁材料[10-13]。管宇鹏等采用Pickering乳液技术和化学还原法,将纤维素纳米纤丝(CNF)、氧化石墨烯以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)混合,制备了CNF/RGO/PMMA电磁屏蔽复合材料[14]。该材料对于X波段不同频率(8.2~124.GHz)具有良好的电磁屏蔽效能及稳定性,电磁屏蔽效能可达20dB以上,屏蔽性能良好。

　　黄芙蓉等以硝酸银、氧化碳纳米管(O-MWCNT)和氧化石墨烯为原料,采用辐射还原一步在成功地制备了花状结构Ag/O-MWCNT/RGO复合材料,多种物质共同作用增强了材料的电磁性能[15]。现有电磁材料的研究集中在粉末态及硬质复合材料领域,对于柔性电磁防护织物的研究较少,因此其应用受到限制[16-19]。随着研究的深入,刘元军等将石墨、石墨烯整理到锦纶织物上,制备了柔性电磁防护材料[20]。在0MHz~40MHz频率范围内,石墨烯和石墨用量8∶2混合时,石墨烯/石墨材料的屏蔽效能最大,对电磁波的屏蔽能力最强。此外,该团队还研究了聚苯胺/棉复合材料、聚苯胺/涤纶复合材料的电磁性能[21-22]。可见,将屏蔽剂与纺织物复合是制备柔性电磁屏蔽材料的有效方法。

　　本文选择涤棉织物、芳纶织物以及2种不锈钢纤维导电织物作为基布,比较了4种不同织物作为基布时,材料的屏蔽性能和介电性能的变化规律,并探讨导电织物面和涂层面分别作为电磁波射入面时屏蔽效能的变化。其中,导电织物由不锈钢纤维、涤纶纤维、棉纤维混纺而成,内部纤维彼此交织形成连通的导电网络。与氧化石墨烯涂层一样,可被视为反射层,形成反射层和反射层的组合,能有效增强材料的电磁屏蔽性能。

　　1实验

　　1.1材料及仪器

　　1.1.1材料

　　多层氧化石墨烯(直径10~50μm,分析纯,苏州碳丰石墨烯科技有限公司);聚氨酯树脂(粘度<300mPa·s,工业级,广州誉衡环保材料有限公司);消泡剂(分析纯,山东优索化工科技有限公司);增稠剂(分析纯,广州典木复合材料经营部);锶铁氧体、钡铁氧体(直径1~5μm,分析纯,上海卜微应用材料技术有限公司);镍锌铁氧体、钴铁氧体(直径1~5μm,分析纯,河北江钻焊接材料有限公司)。

　　1.1.2仪器

　　YG141D型数字式织物厚度仪,莱州市电子仪器有限公司;DGG-9148A型高温鼓风干燥箱,上海鳌珍仪器制造有限公司;LTE-S87609型涂层机,瑞士WernerMathis公司;E4991B型介电谱仪,美国是德科技(中国)有限公司;ZNB40型矢量网络分析仪,德国Rohde&Schwarz公司;4060型激光切割机,安徽嘉速科技有限公司;U400/80-320型单向串激电动机,上海微特电机有限公司。

　　1.2制备工艺

　　1)固定织物:将4种织物分别裁剪成30cm×25cm的样块,实验前将样品块固定在针板架上。固定过程中,保持布面张力均匀、平整无褶皱。

　　2)涂料的制备:称取适量的水溶性聚氨酯树脂和氧化石墨烯。将水溶性聚氨酯用强力搅拌机持续搅拌,转速为1000r/min;搅拌过程中,将氧化石墨烯缓慢加入到树脂中,加料过程中转速保持不变。加料完成后,将转速设置为1800r/min,高速搅拌40min,使功能粒子均匀分散在树脂中。在高速搅拌过程中缓慢滴加消泡剂,减少涂料中的气泡;滴加增稠剂,使涂料具备所需粘度。加入不同质量的氧化石墨烯,分别制备不同氧化石墨烯含量的涂料。

　　3)涂层织物的制备:设置涂层机的涂层厚度0.8mm,将涂料均匀涂覆于织物表面,再将织物置于80℃烘箱中烘干30min,拿出后自然晾干,制得氧化石墨烯涂层织物。对于氧化石墨烯含量(相对于聚氨酯质量分数)分别为1%、2%、3%、4%、5%的涂层织物,分别测试其电磁参数并分析其屏蔽性能。

　　2结果与讨论

　　2.1对涤棉涂层织物电磁性能的影响

　　采用控制变量法,以涤棉混纺织物为基布,改变氧化石墨烯含量,制备氧化石墨烯涂层织物,实验测试其电磁性能,对应于氧化石墨烯相对于聚氨脂的质量分数为1%、2%、3%、4%,5%。在0.01GHz~3GHz频率范围内,不同氧化石墨烯含量涤棉涂层织物的屏蔽效能(SE值)随频率的增加而逐渐减小,即在该频段区间内涂层织物对电磁波的屏蔽性能逐渐减弱。随着氧化石墨烯含量的增加,SE值先增大后减小;当氧化石墨烯的含量为3%时,SE有最大值17.82dB。由于氧化石墨烯含量变化梯度小,所以各含量曲线数值相差不大,。

　　在1MHz~1GHz频率范围内,随频率的增加,不同氧化石墨烯含量涂层织物的介电常数实部呈逐渐下降的趋势,即对电磁波的极化能力逐渐减弱。随着石墨烯含量的增加,介电常数实部先增大后减小;当氧化石墨烯含量为2%时,涤棉涂层织物的介电常数实部最大为3.65。涤棉涂层织物的介电常数虚部和损耗角正切值均呈现先增加后趋于平缓的趋势。当氧化石墨烯含量为2%时,介电常数虚部值最大可达到0.27,损耗角正切值最大为0.1,材料对电磁波的衰减和损耗能力最好。原因可能是随着氧化石墨烯含量的增加,涂层内氧化石墨烯颗粒增多,在涂层内部形成连续的导电网络,对电磁波的介电损耗能力逐渐增强[23]。

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　　3结论

　　1)4种氧化石墨烯涂层织物的电磁屏蔽效能不同。以导电织物作为基布时,材料的屏蔽性能较好。在0.01GHz~3GHz频率范围内,30%不锈钢纤维导电涂层织物的屏蔽效能值最大,材料的电磁屏蔽性能最强。

　　2)以不锈钢纤维导电织物作为基布,电磁波从不同面(涂层面和织物面)射入时,材料的屏蔽效能变化趋势相同,均呈先增大后减小再增大的趋势。

　　3)在1MHz~1GHz频率范围内,30%不锈钢纤维导电涂层织物的介电常数实部、虚部和损耗角正切值最大,该材料对电磁波的极化、损耗及衰减能力最强。

　　参考文献(References):

　　[1]DÍAZ-ORTIZÁ,PRIETOP,DELAHOZA.Acriticaloverviewontheeffectofmicrowaveirradiationinorganicsynthesis[J].TheChemicalRecord,2019,19(1):85-97.

　　[2]LIXL,YINXW,SONGCQ,etal.Self-assemblycore-shellgraphene-bridgedhollowMXenesspheres3DfoamwithultrahighspecificEMabsorptionperformance[J].AdvancedFunctionalMaterials,2018,28(41):1803938.

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

　　作者：王欢欢1,刘元军1,郭顺德2,赵晓明1