摘要:為得到性能優良的電磁防護材料,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、電磁波入射面對涂層織物的屏蔽效能(SE)及介電常數的影響。結果表明: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值較高。在0.01GHz~3GHz頻率范圍內,以30%不銹鋼纖維織物作為基布時,涂層織物的屏蔽效能在整個頻段范圍內均可達到30dB以上,材料屏蔽性能優異;當氧化石墨烯含量為3%時,涂層織物的屏蔽效能最大為46.27dB,介電常數實部最大為25.5,虛部值最大為2.12,表明材料對電磁波的極化及損耗能力較強。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。

　　關鍵詞:氧化石墨烯;涂層工藝;導電織物;屏蔽效能;介電常數

　　0引言

　　隨著電信技術的迅速發展,越來越多的電子產品及精密設備出現在日常生活中,給人們的生活帶來了極大便利,但同時也產生了大量的電磁輻射。電磁污染已經成為繼大氣、水、噪聲污染之后的第4大污染源[1-2]。長時間處于電磁輻射環境或當電磁輻射的強度達到一定程度時,不僅會影響精密電子儀器的信號,還會對人類的身體健康產生威脅。電磁輻射會影響人們的神經系統,伴隨著出現頭暈、頭痛、失眠和記憶力衰退等癥狀[3-6]。同時,電磁波還會干擾飛機、雷達等軍用電子設備的信號,威脅軍事信息安全[7]。

　　因此,電磁防護材料的研發對軍事、民用等領域都具有重要意義。目前,常用的電磁屏蔽材料多為金屬基、本征導電聚合物等,存在易腐蝕、重量大、頻段窄等缺點,已經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電性好、質輕、比表面積大等優秀特性的同時,還能夠溶解在水和有機溶劑中。因為其表面含有大量的極性官能團,催化活性高,是非常理想的電磁材料[10-13]。管宇鵬等采用Pickering乳液技術和化學還原法,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電磁屏蔽復合材料[14]。該材料對于X波段不同頻率(8.2~124.GHz)具有良好的電磁屏蔽效能及穩定性,電磁屏蔽效能可達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構Ag/O-MWCNT/RGO復合材料,多種物質共同作用增強了材料的電磁性能[15]。現有電磁材料的研究集中在粉末態及硬質復合材料領域,對于柔性電磁防護織物的研究較少,因此其應用受到限制[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材料[20]。在0MHz~40MHz頻率范圍內,石墨烯和石墨用量8∶2混合時,石墨烯/石墨材料的屏蔽效能最大,對電磁波的屏蔽能力最強。此外,該團隊還研究了聚苯胺/棉復合材料、聚苯胺/滌綸復合材料的電磁性能[21-22]。可見,將屏蔽劑與紡織物復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種不銹鋼纖維導電織物作為基布,比較了4種不同織物作為基布時,材料的屏蔽性能和介電性能的變化規律,并探討導電織物面和涂層面分別作為電磁波射入面時屏蔽效能的變化。其中,導電織物由不銹鋼纖維、滌綸纖維、棉纖維混紡而成,內部纖維彼此交織形成連通的導電網絡。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,能有效增強材料的電磁屏蔽性能。

　　1實驗

　　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,工業級,廣州譽衡環保材料有限公司);消泡劑(分析純,山東優索化工科技有限公司);增稠劑(分析純,廣州典木復合材料經營部);鍶鐵氧體、鋇鐵氧體(直徑1~5μm,分析純,上海卜微應用材料技術有限公司);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型高溫鼓風干燥箱,上海鰲珍儀器制造有限公司;LTE-S87609型涂層機,瑞士WernerMathis公司;E4991B型介電譜儀,美國是德科技(中國)有限公司;ZNB40型矢量網絡分析儀,德國Rohde&Schwarz公司;4060型激光切割機,安徽嘉速科技有限公司;U400/80-320型單向串激電動機,上海微特電機有限公司。

　　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,實驗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力攪拌機持續攪拌,轉速為1000r/min;攪拌過程中,將氧化石墨烯緩慢加入到樹脂中,加料過程中轉速保持不變。加料完成后,將轉速設置為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:設置涂層機的涂層厚度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。對于氧化石墨烯含量(相對于聚氨酯質量分數)分別為1%、2%、3%、4%、5%的涂層織物,分別測試其電磁參數并分析其屏蔽性能。

　　2結果與討論

　　2.1對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,實驗測試其電磁性能,對應于氧化石墨烯相對于聚氨脂的質量分數為1%、2%、3%、4%,5%。在0.01GHz~3GHz頻率范圍內,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,即在該頻段區間內涂層織物對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;當氧化石墨烯的含量為3%時,SE有最大值17.82dB。由于氧化石墨烯含量變化梯度小,所以各含量曲線數值相差不大,。

　　在1MHz~1GHz頻率范圍內,隨頻率的增加,不同氧化石墨烯含量涂層織物的介電常數實部呈逐漸下降的趨勢,即對電磁波的極化能力逐漸減弱。隨著石墨烯含量的增加,介電常數實部先增大后減小;當氧化石墨烯含量為2%時,滌棉涂層織物的介電常數實部最大為3.65。滌棉涂層織物的介電常數虛部和損耗角正切值均呈現先增加后趨于平緩的趨勢。當氧化石墨烯含量為2%時,介電常數虛部值最大可達到0.27,損耗角正切值最大為0.1,材料對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,涂層內氧化石墨烯顆粒增多,在涂層內部形成連續的導電網絡,對電磁波的介電損耗能力逐漸增強[23]。

　　電力論文范例：超導電力技術在智能電網建設中的應用

　　3結論

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

　　2)以不銹鋼纖維導電織物作為基布,電磁波從不同面(涂層面和織物面)射入時,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,30%不銹鋼纖維導電涂層織物的介電常數實部、虛部和損耗角正切值最大,該材料對電磁波的極化、損耗及衰減能力最強。

　　參考文獻(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