趙曉明，李衛(wèi)斌，趙家琪，劉元軍

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

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滌綸纖維介電性能研究

趙曉明，李衛(wèi)斌，趙家琪，劉元軍

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

摘要：首先利用自行設(shè)計(jì)的工藝，將纖維和石蠟混合制備了不同纖維長(zhǎng)度和纖維含量的纖維試樣，對(duì)其介電常數(shù)進(jìn)行了測(cè)試與分析，研究了同纖維長(zhǎng)度下，滌綸纖維含量對(duì)滌綸纖維試樣介電常數(shù)的影響，其次詳細(xì)探討了滌綸紗線垂直和平行排布方式對(duì)介電常數(shù)的影響。結(jié)果表明：纖維含量對(duì)其介電常數(shù)有較大的影響，纖維越多，其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部越大，且隨著纖維長(zhǎng)度的變大，介電常數(shù)的差值逐漸減小。當(dāng)紗線試樣排布方式與外加電場(chǎng)垂直時(shí)，紗線細(xì)度和排列密度均對(duì)介電常數(shù)造成了影響。當(dāng)排列密度相同時(shí)，紗線越粗，紗線的間隔越小，紗線間貯存的空氣越少，其介電常數(shù)值越大，其儲(chǔ)存能量的能力和介電損耗能力越強(qiáng)。隨著紗線排列密度的增加，三種紗線的介電常數(shù)數(shù)據(jù)差距減小。紗線與電場(chǎng)方向平行排列時(shí)的介電常數(shù)高于與電場(chǎng)垂直排列的紗線的介電常數(shù)。

關(guān)鍵詞：吸波性能介電常數(shù)排布方式實(shí)部虛部

0前言

吸波材料最早應(yīng)用于軍事目的，目前，已經(jīng)深入拓展到工業(yè)生產(chǎn)、勞動(dòng)保護(hù)、提高電子器件和設(shè)備性能、電子信息保密和人體防護(hù)等諸多領(lǐng)域，吸波材料得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。近年來(lái)，很多研究者開發(fā)了一系列高性能功能紡織材料，并將其應(yīng)用在電磁防護(hù)領(lǐng)域[2-7]。介電常數(shù)是表征材料吸波性能的重要參數(shù),對(duì)纖維和紡織材料介電性能的研究已經(jīng)成為重要的研究課題。介電常數(shù)是電磁波吸收材料非常重要的電磁參數(shù)，用ε表示在外電場(chǎng)中材料極化感生的電荷越多其介電常數(shù)越大，反之越小。通常將介電常數(shù)表示為ε = ε′- jε″，ε′為介電常數(shù)的實(shí)部，ε″為介電常數(shù)虛部，是極化電荷和介電損耗的宏觀參數(shù)[8]。

為了探究紡織材料的吸波機(jī)理，本文重點(diǎn)研究了紡織材料的介電性能，為開發(fā)柔性吸波材料做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。利用自行設(shè)計(jì)的工藝，分別制作了纖維和紗線的集合體試樣，對(duì)其介電常數(shù)進(jìn)行了測(cè)試與分析。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

本文在實(shí)驗(yàn)中所用材料及主要儀器如表1所示。

表1　試驗(yàn)材料與儀器

1.2試樣的制備

1.2.1纖維試樣的制備

由于纖維自身的特點(diǎn)不易直接進(jìn)行電磁參數(shù)測(cè)量，故將纖維與石蠟混合制得圓柱形試樣進(jìn)行測(cè)試。為了考察纖維長(zhǎng)度對(duì)其介電常數(shù)的影響，故將滌綸纖維切成2mm、4mm、6mm的長(zhǎng)度，并分別按照一定的比例(5%、10%、15%、20%)與固體石蠟混合，在電熱恒溫水浴鍋加熱條件下用玻璃棒攪拌至石蠟融化，并在超聲波清洗器中將纖維與石蠟混合均勻，然后將混合物填充到根據(jù)介電譜儀電極片尺寸大小制作的模具中制成直徑為3cm的圓形試樣。在制備試樣過程中，要求試樣材料應(yīng)均勻，試樣中應(yīng)避免氣孔(直徑小于0.1mm均勻分布的微孔除外)出現(xiàn)，并且無(wú)裂縫。試樣表面應(yīng)保持干凈清潔、平整光滑。

1.2.2紗線試樣的制備

根據(jù)所用測(cè)試儀器對(duì)試樣尺寸的要求，不能對(duì)單根紗線進(jìn)行測(cè)量，因此制備了紗線的集合體試樣對(duì)紗線進(jìn)行介電性能的測(cè)試。當(dāng)紗線在電場(chǎng)中的排布方式不同時(shí)，電場(chǎng)在紗線間的傳播方式也不同，因此在制備紗線試樣時(shí)考慮了紗線排布方向與電場(chǎng)方向平行和垂直兩種類型的試樣。同時(shí)考慮到試樣是紗線和空氣的混合體，紗線的含量對(duì)試樣有很大的影響，在制作垂直試樣時(shí)設(shè)計(jì)了兩種紗線的排列密度(20根/cm和30根/cm)。在制作平行試樣時(shí)將一定根數(shù)的紗線做成紗線束并梳理平直，用超薄紙片捆扎成圓形，再用鋒利的刀片按需要厚度切成圓柱形試樣[89-90]。測(cè)試試樣的有效直徑是2cm，因此在準(zhǔn)備試樣時(shí)，試樣的實(shí)際尺寸要比電極片的尺寸大一點(diǎn)。

1.3介電常數(shù)測(cè)試

采用德國(guó)Novocontorl Gmbh公司制造的Novocontrol Technologies Alpha-A High Performance Frequency Analyzer即介電阻抗譜儀測(cè)試介電常數(shù)，測(cè)試頻率為0Hz～107Hz。由于紡織品本身的特性，它的介電常數(shù)很容易受到空氣濕度及溫度的影響，所以本次實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕(20℃～22℃、64%～66%RH)條件下進(jìn)行測(cè)試。下圖1為Novocontrol介電阻抗譜儀的測(cè)試單元。

圖1　介電阻抗譜儀的測(cè)試單元

2結(jié)果與討論

2.1同纖維長(zhǎng)度下，纖維含量對(duì)纖維試樣介電常數(shù)的影響

(1)纖維長(zhǎng)度為2mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖2　長(zhǎng)度為2mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

測(cè)試結(jié)果是纖維和石蠟混合體的介電常數(shù)，樣品中石蠟的質(zhì)量是固定的，混合體的介電常數(shù)主要受纖維含量的影響。當(dāng)試樣中纖維的含量越高，測(cè)試結(jié)果越接近纖維的介電常數(shù)。由圖2中可以看出，纖維的質(zhì)量百分比越多，混合體的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部越大，其極化能力和電磁損耗能力越強(qiáng)。四種樣品中，纖維隨頻率變化的趨勢(shì)是相同的，都隨著頻率的增大而呈現(xiàn)微弱的減小趨勢(shì)。含量為20%的纖維試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都是最大的，其儲(chǔ)存能量的能力和介電損耗的能力都是最強(qiáng)的，其在頻率為1KHz時(shí)，實(shí)部為4.41，虛部為0.158。同時(shí)，從圖中也可以看出，10%、15%和20%三種含量的纖維試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部相互接近，隨著纖維含量的增加，介電常數(shù)變大的趨勢(shì)減緩。

(2)纖維長(zhǎng)度為4mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖3　長(zhǎng)度為4mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

圖3表示纖維長(zhǎng)度為4mm的四種不同含量的纖維石蠟混合試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨外加電場(chǎng)頻率的變化情況。纖維介電常數(shù)實(shí)部隨著頻率的升高而逐漸降低，含量為5%的纖維試樣在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變化較小，其值也較小,其它三種含量的纖維在整個(gè)頻段內(nèi)的變化較大，但三個(gè)纖維試樣的εˊ值的數(shù)據(jù)差距較小，但依舊表現(xiàn)出了隨含量增加，εˊ變大的趨勢(shì)。當(dāng)頻率大于104Hz時(shí)，四種纖維試樣的介電常數(shù)實(shí)部明顯聚攏，纖維含量對(duì)試樣的介電常數(shù)影響減弱。對(duì)于ε〞，四種含量的纖維試樣在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，均呈現(xiàn)了隨頻率增加而變小的趨勢(shì)，且隨含量的增加，ε〞值增大，其介電損耗越強(qiáng)，隨著頻率增加，四種試樣的ε〞數(shù)據(jù)差距也在減小。

(3)纖維長(zhǎng)度為6mm，不同含量纖維試樣介電常數(shù)分析

圖4　長(zhǎng)度為6mm的纖維試樣介電常數(shù)隨頻率變化曲線

圖4表示纖維長(zhǎng)度為6mm的四種不同含量的纖維石蠟混合試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨外加電場(chǎng)頻率的變化情況。纖維介電常數(shù)實(shí)部隨著頻率的升高而逐漸降低，含量為5%的纖維試樣在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變化較小，其值也較小。另外三種含量的纖維試樣的εˊ在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變化較大，隨頻率變化趨勢(shì)明顯，差距較小，但依舊表現(xiàn)出了隨含量增加，εˊ值變大的規(guī)律。當(dāng)頻率大于103Hz時(shí)，四種纖維試樣的介電常數(shù)實(shí)部明顯聚攏，纖維含量對(duì)試樣的介電常數(shù)影響減弱。相對(duì)于4mm纖維試樣，6mm纖維試樣的介電常數(shù)實(shí)部曲線聚攏更快更明顯。對(duì)于ε〞，四種含量的纖維試樣在頻率低于105Hz時(shí)呈現(xiàn)了隨頻率增加先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)頻率高于105Hz時(shí)呈現(xiàn)了隨頻率增加而減小的趨勢(shì)。隨著含量的增加，ε〞值增大，其介電損耗越強(qiáng)，隨著頻率增加ε〞數(shù)據(jù)差距也較小。

2.2紗線垂直排布方式對(duì)介電常數(shù)的影響

圖5　排列密度為20根/cm的紗線試樣介電常數(shù)實(shí)部和虛部

圖5所示為紗線試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線，試樣中紗線的排列密度為20根/cm，測(cè)試中紗線排布方式與電場(chǎng)方向垂直。該試樣為紗線和空氣的集合體，在三種細(xì)度紗線的試樣中，紗線越細(xì)，紗線間的距離越大，試樣中存儲(chǔ)的空氣越多，其介電常數(shù)受空氣影響也較大。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)三種細(xì)度的紗線中，59tex的紗線最粗，其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都比較大，具有較好的極化能力和介電損耗能力，在頻率為為1KHz時(shí)，其介電常數(shù)實(shí)部為4.19，虛部為1.92。45tex和32tex紗線的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都比較接近。三種紗線的介電常數(shù)都隨著頻率的增大而呈減小的趨勢(shì)，且其差距也在減小，當(dāng)紗線處在高頻區(qū)(f>104Hz)時(shí)，三條曲線差距越來(lái)越小，近乎重合，因此紗線的介電常數(shù)受細(xì)度的影響會(huì)越來(lái)越小，甚至可以忽略其影響。

圖6　排列密度為30根/cm的紗線試樣介電常數(shù)實(shí)部和虛部

圖6所示為紗線試樣的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨頻率變化的曲線圖，試樣中紗線的排列密度為30根/cm，測(cè)試中紗線排布方式與電場(chǎng)方向垂直。當(dāng)紗線的排列密度增大時(shí)，其介電常數(shù)受細(xì)度影響規(guī)律是一樣的，介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都隨著頻率的增加而降低。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，三種紗線的介電常數(shù)差值減小，表現(xiàn)在三條曲線在低頻區(qū)(f>100Hz)就開始聚攏，所以當(dāng)紗線的排列密度較大時(shí)，紗線細(xì)度對(duì)其試樣的介電常數(shù)影響較小。通過具體數(shù)據(jù)比較，密度為20根/cm的紗線試樣比密度為30根/cm的試樣介電常數(shù)值略大，具體數(shù)值見表2。

表2　三種細(xì)度紗線的介電常數(shù)

2.3紗線平行排布方式對(duì)介電常數(shù)的影響

圖7　紗線平行排列時(shí)的介電常數(shù)實(shí)部和虛部

當(dāng)紗線排列方向與外加電場(chǎng)方向平行時(shí)，纖維內(nèi)部的極性分子和基團(tuán)在電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿電場(chǎng)方向定向排列，取向排列程度越高其集合體在此方向上的介電常數(shù)越大。因此，紗線與電場(chǎng)方向平行排列時(shí)的介電常數(shù)高于與電場(chǎng)垂直排列的紗線的介電常數(shù)。在準(zhǔn)備的三種試樣中，59tex紗線的介電常數(shù)實(shí)部和虛部都比較大，表現(xiàn)出了隨排列增加而減小的趨勢(shì)，并且隨著頻率的增加，其介電常數(shù)數(shù)據(jù)差值也在減小。

3結(jié)論

(1)本論文將纖維和石蠟混合制備了不同纖維長(zhǎng)度和纖維含量的纖維試樣，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)纖維含量對(duì)其介電常數(shù)有較大的影響，纖維越多，其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部越大，且隨著纖維長(zhǎng)度的變大，介電常數(shù)的差值逐漸減小。

(2)當(dāng)紗線試樣排布方式與外加電場(chǎng)垂直時(shí)，紗線細(xì)度和排列密度均對(duì)介電常數(shù)造成了影響。當(dāng)排列密度相同時(shí)，紗線越粗，紗線的間隔越小，紗線間貯存的空氣越少，其介電常數(shù)值越大，其儲(chǔ)存能量的能力和介電損耗能力越強(qiáng)。隨著紗線排列密度的增加，三種紗線的介電常數(shù)數(shù)據(jù)差距減小。紗線與電場(chǎng)方向平行排列時(shí)的介電常數(shù)高于與電場(chǎng)垂直排列的紗線的介電常數(shù)。

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中圖分類號(hào)：TS102.522

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-5580(2016)01-0089-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)。

收稿日期：2015-10-12

第一作者：趙曉明(1963-)，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：吸波材料的制備與性能研究。