一种具有电磁屏蔽功能的织物涂层整理剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种织物涂层整理剂,尤其涉及一种纳米四氧化三铁/聚吡咯复合材料为主要成分,负载在织物上,得到具有电磁屏蔽隐身功能的织物涂层整理剂及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展,电磁波辐射对人们生活和工作的影响越来越大。在机场,飞机曾因电磁波干扰无法起飞而误点;在医院,移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常运转;电脑的普及,使得电脑病、电磁过敏症频频出现。在当今的战争中,高度信息化和电子化,使飞机、坦克、舰艇等所处的环境日益复杂。众所周知雷达是探测目标的可靠方法之一,针对雷达电子的侦察和反侦察,人们对电磁波吸收材料进行了大量的研究工作。
所谓吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量,并通过损耗将其转变为热能的一类材料。工程应用上除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外,还要求材料具有重量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。在各种雷达目标的表面涂上吸波材料,尤其在军事服装上使其具有吸波功能,是提高其生存、突防及纵深攻击能力的有效手段,正受到世界各军事强国的高度重视。在此种背景下,具有电磁波隐身性能的纺织品应运而生。
织物涂层整理剂,是一种均匀涂布于织物表面的高分子类化合物。它通过粘合作用,在织物表面形成一层或多层薄膜,使织物改善外观和风格,同时还具有防水、透湿、阻燃等特殊功能。通常采用金属粉或导电高分子作为织物的涂层剂,能够对电磁波进行吸收或能量衰减损耗,实现电磁屏蔽隐身。
聚吡咯(PPy),具有空气稳定性好、易于电化学聚合成膜、无毒等优点,是一种具有广泛应用前景的导电高分子材料。铁氧体是以铁为主要成分的一种或多种金属元素的复合氧化物。它是一种具有强磁性、高居里点的氧化物磁性材料。纳米材料是一种空间尺寸在1~100nm的超微细结构材料,它具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特性。纳米粒子的量子尺寸效应使其在电磁特性方面,隐身吸波与大尺度材料相比,具有极好的吸波特性,同时具有宽频带、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点。无机层状物或超纯化、超细的无机纳米粒子与导电聚合物复合可得到导电聚合物基纳米复合材料。在这种复合材料中,具有特殊的导电结构,通过阻抗匹配和电磁损耗能实现对电磁波的吸收。
目前,已有许多研究者对铁氧体/聚吡咯复合材料及其电磁屏蔽性能进行了研究。陈爱华等【陈爱华等.Fe3O4/聚吡咯复合材料的制备及表征[J].复合材料学报,2004.21(2)】报道了通过化学共沉淀法制备出Fe3O4纳米粒子,采用乙醇对Fe3O4纳米粒子表面进行处理,然后通过乳液原位复合制备Fe3O4/聚吡咯复合材料。得到的材料的电导率在7.69s/cm~13.6s/cm,饱和磁强度M s=12.06emu/g~24.38emu/g。李效玉等【中国专利,CN 1506399A,聚吡咯/磁性铁系氧化物粒子复合材料的制备方法】提出了一种将磁性铁系氧化物粒子在Fe3+铁离子盐分散剂溶液中超声分散15~60分钟,使磁性氧化物粒子表面吸附上Fe3+,然后采用通用的磁分离方法将磁性粒子从溶液中分离出来,对磁性铁系氧化物进行表面处理,在溶液中超声分散。将处理过的磁性铁系氧化物粒子、去离子水、掺杂剂、吡咯单体、氧化剂等投料到反应釜中反应,得到的复合粒子的导电率在10S/cm左右,饱和磁强度仅为30emu/g。P.Chandrasekhar等【Broadband MicrowaveAdsorption and shielding peopertities of poly(aniline)[J]Synthetic Metals,1999,105:105-120】使用不同的磺酸掺杂剂掺杂在聚苯胺中,与银粉复合,得到的导电薄膜的电磁屏蔽效能可达50~60dB。王炜等【中国专利,CN 101768853A,电磁屏蔽织物的改性纳米二氧化钛涂层整理剂的制备方法】将改性后的纳米二氧化钛添加到树脂中拌匀搅拌,得到织物涂层整理剂。唐志勇等【中国专利,CN101215746,芳香族聚酰胺电磁屏蔽织物的制备方法】将芳香族聚酰胺织物和不锈钢织物混合,采用常规的纺织工艺,织成所需支数的混纺纱线,然后采用常规的织布方法,将混纺纱线纺织成织物,得到的产品具有较高的阻燃、耐热、电磁屏蔽性能。王炜等【中国专利,CN 101113568,一种黑色金属化电磁屏蔽织物及其制备方法】采用铬酸溶液浸泡化学镀铜的织物纺织品后,清水冲洗;配制电镀黑镍溶液,浸镀化学镀铜的织物纺织品至置换反应完成;电镀后的织物纺织品水洗,涂覆保护树脂,烘干即可。具有良好的耐磨性能、耐腐蚀性能以及吸光性能,具有装饰、保护、吸光等作用。一般而言,通过在织物中添加金属粉或单一的导电高分子材料来实现电磁波隐身存在许多不足。如:(1)所用的金属填料(如粉状、片状或织物状镍、铜、银等)成本较高且制作工艺复杂;(2)所制备出的织物涂层电磁屏蔽吸收效果不佳;(3)金属粉末容易在表面发生迁移,污染环境。(4)单一组分导电涂层剂仅赋予织物涂层电磁屏蔽的波频较窄且性能不高。
在现有研究报道中未见利用无机-有机复合的纳米四氧化三铁/聚吡咯复合材料来制备高电磁屏蔽隐身性能的织物涂层整理剂。
发明内容
本发明涉及一种具有电磁屏蔽隐身性能的织物涂层整理剂及其制备方法。该种涂层整理剂制备方法简单,较传统金属粉涂层整理剂的成本低,同时减少了金属粉迁移带来的污染,而且具有较宽的电磁波频率吸收范围和较高的吸收强度。本发明所述纳米四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽涂层整理剂克服了传统金属系电磁干扰屏蔽涂层整理剂的不足,也突破了其它聚合物复合材料在电磁屏蔽性能方面的吸波频率宽度较窄,吸波效率较低的现状。本发明的优势还在于该种涂层整理剂兼具电磁波屏蔽、手感柔顺性、抗皱性能、抗静电和防腐蚀耐候效果。
本发明所述的电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中以高导电率和磁导率的纳米四氧化三铁/聚吡咯复合材料为电磁波吸收的主要成分,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的主要成膜物质为水性丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、氨基树脂、环氧树脂、醇酸树脂或聚酯树脂,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的分散体系为去离子水,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的消泡剂为(改性)聚二甲基硅氧烷类、磷酸酯类、BYK(无机)有机硅类、Efka2018或SPA202,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的防沉剂为气相二氧化硅、膨润土、钛酸酯偶联剂或羟甲基织物素,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的流平剂为乙二醇单丁醚、水溶性醚酯、聚二甲基硅氧烷或聚醚(或酯、烷基)改性有机硅类,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的分散剂为聚磷酸钠、油酸钠、烷基硫酸钠、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚乙烯醚、十八烷基二甲基甜菜碱或大豆卵磷脂聚甲基丙烯酸钠,电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂中的成膜助剂为乙二醇苯醚、乙二醇丁醚醇酸酯、丙二醇丙醚、二元酸二甲酯类、二元酸二乙酯类或丁基卞醇乙酸酯。
本发明所提及的电磁屏蔽隐身织物涂层整理剂的制备方法如下:
(1)负载纳米四氧化三铁/聚吡咯复合材料的织物制备
将一定量(7~50份)的织物浸泡在10~30份表面活性剂溶液中,然后添加10~40份FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在3~2∶1),加入50~100份蒸馏水,在氮气保护下搅拌15~40min,滴加10~30份的0.5~5mol/L的NH4OH溶液,调节pH=7~10,超声波分散,继续反应1~2h,然后通过磁性分离器进行磁性分离,去除溶液中未反应的铁氧化物,用1~20份的1~10mol/L的油酸钠进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干2~3h,得到产物A。
将烘干后负载有1~20份四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在40~80份吡咯单体的去离子水溶液中,滴入10~100份的FeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌2~6h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在40℃~60℃下干燥12~24h备用,得到产物B。
(2)电磁屏蔽隐身涂层整理剂的制备
1)取上述负载有40.7~65.9份纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与38.4~85.2份树脂成分、47.6~93.3份去离子水混合,在分散机中均匀分散1~3.5h,得到水性分散体系。
2)取0.08~1.24份消泡剂、0.02~1.55份分散剂、0.05~0.99份流平剂、0.45~1.41份防沉剂,0.25~0.78份成膜助剂加入上述水性分散体系,球磨分散1~5h,超声波震荡1~3h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层剂C。
(3)织物的电磁屏蔽隐身涂层整理处理
将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行涂层处理,再60℃烘干3~5h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
其中,所说的表面活性剂为二烷基季铵盐、烷基酰胺基季铵盐、十二烷基硫醇、聚乙二醇、聚丙烯酸铵等中的至少一种。
所说的树脂为水性丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、氨基树脂、环氧树脂、醇酸树脂、聚酯树脂中的至少一种。
所说的消泡剂为(改性)聚二甲基硅氧烷类、磷酸酯类、BYK(无)有机硅类、Efka2018或SPA202中的至少一种。
所说的分散剂为聚磷酸钠、油酸钠、烷基硫酸钠、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷基酚聚乙烯醚、十八烷基二甲基甜菜碱、大豆卵磷脂聚甲基丙烯酸钠型中的至少一种。
所说的流平剂为乙二醇单丁醚、水溶性醚酯、聚二甲基硅氧烷、聚醚(或酯、烷基)改性有机硅类中的至少一种。
所说的防沉剂为气相二氧化硅、膨润土、钛酸酯偶联剂、羟甲基织物素中的至少一种。
所说的成膜助剂为乙二醇苯醚、乙二醇丁醚醇酸酯、丙二醇丙醚、二元酸二甲酯类、二元酸二乙酯类、丁基卡必醇乙酸酯等中的至少一种。
本发明具有以下特点:
1、使用季铵盐类表面活性剂活化织物表面,不仅赋予织物耐久性的柔软效果,而且大大增加纳米粒子在表面的负载量。
2、采用原位化学法在织物表面制备出纳米四氧化三铁/聚吡咯复合材料,具有较高的导电率、磁导率,且具有质轻、制备简便、性价比高等特性。
3、与单一组分的屏蔽织物涂层剂和传统金属粉织物涂层剂相比,复合材料涂层剂整理剂拓宽了屏蔽频段,提高了屏蔽性能。
4、本发明所述的具有电磁屏蔽功能的织物涂层剂符合国家标准,具有环保友好性。
具体实施方式
实施例1:
步骤1:将7g织物浸泡在10g二乙醇胺溶液中,然后添加10gFeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在2∶1),加入50mL蒸馏水,在氮气保护下搅拌15min,滴加10mL的0.5mol/L的NH4OH溶液,调节pH=7,超声波分散,继续反应1h,然后磁性分离,用1g的1mol/L的油酸纳进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干2h,得到产物A。
步骤2:将烘干后负载有1g四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在40mL吡咯单体的去离子水溶液中,滴入10g的FeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌2h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在40℃下干燥12h备用,得到产物B。
步骤3:取上述负载有40.7g纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与38.4g水性丙烯酸树脂、47.6mL去离子水混合,在分散机中均匀分散2h,得到水性分散体系。取0.08g BYK025消泡剂、0.02g烷基硫酸钠、0.05g乙二醇单丁醚、0.45g有机膨润土,0.25g丙二醇丙醚加入上述水性分散体系,球磨分散1h,超声波震荡1h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层整理剂C。
步骤4:将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行整理处理,先浸轧(轧余率60%),再60℃烘干3h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
实施例2:
步骤1:将15g织物浸泡在14.5g聚乙二醇溶液中,然后添加18gFeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在2.2∶1),加入60mL蒸馏水,在氮气保护下搅拌20min,滴加15mL 1mol/L的NH4OH溶液,调节pH=7.5,超声波分散,继续反应1.5h,然后磁性分离,用5mL的1mol/L的油酸纳进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干2h,得到产物A。
步骤2:将烘干后负载有5g四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在45mL吡咯单体的去离子水溶液中,滴入52gFeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌4h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在40℃下干燥12备用,得到产物B。
步骤3:将负载有47.6g纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与51.2g水性聚氨酯树脂成分、54.9mL去离子水混合,在分散机中均匀分散1.5h,得到水性分散体系。加入0.13g BYK080消泡剂、0.09g烷基硫酸钠、0.12g聚烷基改性有机硅、0.95g羟甲基织物素、0.48g二元酸二乙酯类到上述水性分散体系,球磨分散1.5h,超声震荡1h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层整理剂C。
步骤4:将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行涂层处理,先浸轧(轧余率60%),再60℃烘干3h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
实施例3:
步骤1:将24g织物浸泡在22g十烷基三甲基溴化铵溶液中,然后添加26.8gFeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在2.7∶1),加入65mL蒸馏水,在氮气保护下搅拌30min,滴加20mL 2.5mol/L的NH4OH溶液,调节pH=8,超声波分散,继续反应2h,然后磁性分离,用10mL的5mol/L的油酸纳进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干2h,得到产物A。
步骤2:将烘干后负载有13.6g四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在54g吡咯单体的去离子水溶液中,滴入70g的FeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌4h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在50℃下干燥18h备用,得到产物B。
步骤3:将负载有59.2g纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与64.6g水性醇酸树脂成分、70.5mL去离子水混合,在分散机中均匀分散2.5h,得到水性分散体系。加入0.49g松油醇消泡剂、0.87g十八烷基二甲基甜菜碱、0.28g水溶性醚酯、0.65g改性有机膨润土、0.41g丙二醇丙醚到上述水性分散体系中,球磨分散3.5h,超声波震荡2.5h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层整理剂C。
步骤4:将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行涂层处理,先浸轧(轧余率60%),再60℃烘干3h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
实施例4:
步骤1:将37g织物浸泡在25.9g聚丙烯酸铵溶液中,然后添加38gFeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在2.8∶1),加入85mL蒸馏水,在氮气保护下搅拌40min,滴加28mL的4mol/L的NH4OH溶液,调节pH=9,超声波分散,继续反应2h,然后磁性分离,用18mL的8mol/L的油酸纳进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干3h,得到产物A。
步骤2:将烘干后负载有17.4g四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在70g份吡咯单体的去离子水溶液中,滴入85g的FeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌5h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在55℃下干燥20h备用,得到产物B。
步骤3:将负载有53.2g纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与77.6g水性聚酯树脂成分、83.7mL去离子水混合,在分散机中均匀分散2.5h,得到水性分散体系。加入1.09g BYK022消泡剂、1.33g大豆卵磷脂聚甲基丙烯酸钠、0.83g聚醚改性有机硅、118g钛酸酯偶联剂、0.52g乙二醇苯醚到上述水性分散体系中,球磨分散2.5h,超声波震荡2h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层整理剂C。
步骤4:将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行涂层处理,先浸轧(轧余率60%),再60℃烘干3h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
实施例5:
步骤1:将50g织物浸泡在30g十二烷基硫醇溶液中,然后添加40gFeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O(比例在3∶1),加入100mL蒸馏水,在氮气保护下搅拌40min,滴加30mL的5mol/L的NH4OH溶液,调节pH=10,超声波分散,继续反应2h,然后磁性分离,用20mL的10mol/L的油酸纳进行洗涤几次,再将织物捞出在60℃烘干3h,得到产物A。
步骤2:将烘干后负载有20g四氧化三铁纳米粒子的织物A浸泡在80g吡咯单体的去离子水溶液中,滴入100g的FeCl3溶液,在氮气保护下继续搅拌6h,用水和无水乙醇洗涤几次后,在60℃下干燥24h备用,得到产物B。
步骤3:将负载有65.9g纳米四氧化三铁/聚吡咯导电复合材料的织物B,与85.2g水性环氧树脂溶液、93.3mL去离子水混合,在分散机中均匀分散3.5h,得到水性分散体系。加入1.24g SPA202消泡剂、1.55g烷基硫酸钠、0.99g聚酯改性有机硅、1.41g钛酸酯偶联剂、0.78g丁基卡必醇乙酸酯到上述水性分散体系中,球磨分散5h,超声波震荡3h,过滤即可得到四氧化三铁/聚吡咯电磁屏蔽织物涂层整理剂C。
步骤4:将具有电磁屏蔽功能的涂层整理剂C对织物进行整理处理,先浸轧(轧余率60%),再60℃烘干3h,恒温恒湿(25℃,65%)静置48h。
各实例样品的电磁屏蔽性能测试结果见表1。
表1 样品性能测试结果