随着电子信息行业的高速发展，电磁波促进人类文明发展进步的同时也带来部分的负面影响.比如医院一些检测设备受电磁波影响不能正常工作或者影响医疗测试数据的精确性；飞机受电磁波干扰不能正常起飞运行或遭遇危险；另外，电磁波负载各类信息，国家机密、企业技术等又有被泄露的危险，因此制备吸收电磁波的材料就显得尤为重要^[1-2].目前对电磁吸波材料的研究已经有了很大的发展，但随着信息科技进步，各行业对电磁吸波材料的要求也有了相应的变化.目前电磁吸波材料正朝着"薄、轻、宽、强"的方向发展，也就是吸波材料需要具有吸波层薄，密度小，吸收频率范围宽，吸收能力强的效果.

金属的导电性好，但是同时金属的密度大，塑性差，再加之容易氧化等，不适合大量生产加工.而导电高分子材料比如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等，导电性能好，耐腐蚀，密度小，强度高，越来越多的被用在屏蔽或者吸收电磁波材料等^[3-5].其中吡咯的电势分别为+0.76 V (相对于Ag/Ag⁺)，氧化势相对较低，是最容易被氧化的单体之一^[6-10].聚酯纤维由有机二元酸和二元醇缩聚而成，其具有优良的耐皱性、弹性、尺寸稳定性、电绝缘性能，耐日光，耐摩擦，耐化学试剂，不霉不蛀等^[11-12].吡咯在聚酯纤维表面进行聚合是液体/固体界面的吸附作用使吡咯吸附在织物上^[13-15].

本文采用原位聚合法，以吡咯为单体，以三氯化铁为氧化剂，以盐酸为掺杂剂，选用聚酯纤维为基材制备具有良好介电性能的柔性聚吡咯/聚酯纤维复合材料；重点探讨了该复合材料介电常性能、表面电阻；其次研究了其外观形貌和强力.

1 实验 1.1 主要材料和试剂

聚酯纤维，浙江杭州荣盛化纤有限公司提供；三氯化铁、盐酸、无水乙醇等均为分析纯，天津市光复化学试剂科技有限公司提供.

1.2 制备工艺过程

1) 将聚酯纤维平纹织物置入吡咯单体溶液中处理40 min，使吡咯单体充分吸附到聚酯纤维基布上.2) 保持40滴/min的稳定频率将氧化剂三氯化铁、掺杂剂盐酸缓慢滴加到吸附液中，在一定温度下使吡咯发生原位聚合反应生成聚吡咯.具体工艺参数如表 1、表 2、表 3所示.

1.3 测试指标和方法 1.3.1 吸波性能测试

采用BDS50型介电谱仪(德国Novocontorl Gmbh公司)测试聚吡咯/聚酯纤维复合材料介电常数和损耗角正切^[16-20].

对样本材料进行介电常数、阻抗测量时，在某一频率ω/2π的电压为U₁，U₁引起在同一频率的电流为I₁，此外，由于样品材料的存在，电压与电流之间存在一定的相位角，可用相位角φ表示，如图 1所示.

样品材料的电磁特性和几何结构将决定电压U₁、电流I₁和相位角φ.用复数对其表达：

$ u\left( t \right) = {U_1}{\rm{cos}}\omega t = {\rm{Re}}({U^*}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega t}}), $

(1a)

$ i\left( t \right) = {I_1}{\rm{cos}}\left( {\omega t + \varphi } \right) = {\rm{Re}}({I^*}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega t}}). $

(1b)

其中, U^*=U′+iU″，U′=U₁，U″=0；I^*=I′+iI″，I′=I₁cos φ，I″=I₁sin φ.对于样本的线性电磁响应，得到样本材料的特性阻抗与复介电常数如式(2)、(3) 所示：

$ {Z^*} = Z\prime + {\rm{i}}Z'' = {U^*}/{I^*}, $

(2)

$ {\varepsilon ^*}\left( \omega \right) = \varepsilon \prime - {\rm{i}}\varepsilon '' = \frac{{ - {\rm{i}}}}{{\omega {Z^*}\left( \omega \right)}}\frac{1}{{{C_0}}}. $

(3)

1.3.2 表面电阻测试

采用U3402A型万用电表(Agilent Technologies公司)测试聚吡咯/聚酯纤维复合材料表面电阻，测试20次计算其平均值.

1.3.3 微观形貌测试

采用Quanta200型环境扫描电子显微镜(捷克FEI公司)观察聚吡咯/聚酯纤维复合材料表面形貌.

1.3.4 强力测试

采用3369型Instron万能强力仪(美国Instron公司)测试聚吡咯/聚酯纤维复合材料，得到位移-载荷曲线.

2 结果与讨论 2.1 吡咯浓度对聚吡咯/聚酯纤维复合材料介电性能、电阻的影响

图 2和图 3分别为吡咯浓度与介电常数实部和虚部的关系曲线.由图 2和图 3可知，在0~10⁶ Hz范围内，5组复合材料的介电常数实部、虚部均随频率的增高而下降；吡咯浓度为0.8 mol/L时，其复合材料的介电常数实部、虚部均最大；1.0和0.6 mol/L实验组的介电常数实部、虚部值次之.即，吡咯浓度0.8 mol/L实验组的极化能力和损耗能力均最优，吡咯浓度较低的实验组极化能力和损耗能力较弱.图 4为吡咯浓度与损耗角正切的关系曲线.由图 4可知，各组样品在0~10⁶ Hz范围内损耗角正切值均随频率升高而下降，1.0 mol/L实验组的损耗角正切最大.损耗角正切表征材料的吸波衰减能力，其值越大则吸波性能就越好.

图 5为吡咯浓度-电阻关系曲线.由图 5可知，吡咯浓度0.8 mol/L实验组复合材料的表面电阻最小，0.2 mol/L实验组复合材料的表面电阻最大，其电阻是0.8 mol/L实验组的12倍，这可能因为, 当吡咯浓度较小时，在聚酯纤维上反应并聚集的聚吡咯较少，没有形成均匀连续的薄膜，因此电阻较大，导电性较差.

2.2 聚吡咯/聚酯纤维复合材料电镜测试

由图 6可知，吡咯浓度较低时，纤维表面有鳞片状的聚吡咯附着；吡咯浓度升高，则开始出现具有微孔的“菜花状”聚集体；吡咯浓度继续增高，聚吡咯基本完全覆盖聚酯纤维表面，并且有“菜花”状多孔结构堆积.

2.3 吡咯浓度对聚吡咯/聚酯纤维复合材料强力的影响

吡咯浓度对强力的影响见图 7.由图 7可知，经聚吡咯处理的聚酯纤维织物与未处理织物强力相当，说明聚吡咯未对聚酯纤维强力造成影响.

2.4 温度对介电性能、电阻的影响

改变聚合反应温度，按表 2工艺处方制备4组样品，得到的温度对介电常数实部、介电常数虚部、损耗角正切的影响结果分别见图 8、图 9、图 10.由图 8可知，各实验组介电常数实部均随频率升高而下降，室温实验组的介电常数实部最大，极化能力最强.由图 9可知，室温实验组的介电常数虚部最大，损耗能力最强，其次是30 ℃实验组.由图 10可知，各实验组损耗角正切均随频率升高而下降，室温实验组的损耗角正切最大，且明显优于其他组.

由图 11可知，室温实验组复合材料的表面电阻最小，导电性能力最强；温度较高实验组，复合材料电阻较大.

2.5 反应时间对介电性能、电阻的影响

改变聚合反应时间，按表 3工艺处方制备5组样品.由图 12~14可知，各实验组复合材料的介电常数实部、虚部、损耗角正切均随频率升高而下降，并且反应时间150 min实验组复合材料的各项介电性能都明显优于其他组.这可能是由于聚酯纤维表面较光滑，在反应前未经减碱量处理，所以需要较长反应时间.

由图 15可知，反应时间150 min的实验组复合材料的电阻最小，导电率最好；反应时间30 min的实验组，复合材料的电阻最大，导电率最差.

3 结论

在0~10⁶ Hz频率内，不同吡咯浓度实验组复合材料的介电常数实部、虚部均随频率的增高而下降.吡咯浓度0.8 mol/L的实验组，介电常数的实部、虚部均最大；1.0 mol/L实验组的损耗角正切最大.吡咯浓度0.8 mol/L的实验组表面电阻最小，0.2 mol/L实验组表面电阻最大，其电阻是0.8 mol/L实验组的12倍.在0~10⁶ Hz频率内，室温实验组的介电常数实部、虚部、损耗角正切最大，且明显优于其他组.室温实验组的表面电阻最小，导电性能力最强；温度较高的实验组，电阻较大.反应时间150 min实验组的各项介电性能都明显优于其他组，且其电阻最小，导电率最好；反应时间30 min的实验组，电阻最大，导电率最差.