CN104553175A - 一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料及制备方法 - Google Patents

一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料及制备方法，它包括若干复合层，各复合层的介电参数不同；各复合层由交联的纤维组成，该纤维由聚合物和无机纳米粒子的混合溶液通过电纺工艺得到，其制备方法为：将不同质量比的聚合物与高介电无机纳米粒子加入溶剂中，室温下搅拌溶解，得到混合均匀的纺丝溶液；将不同无机纳米粒子含量的混合溶液按定顺序依次电纺，制备具有阻抗渐变性质的复合纤维无纺布。本发明制备方法简单便捷、产率高、成本低，安全可控，制得的阻抗匹配材料具有阻抗渐变结构，介电常数高且介电损耗低。

Description

一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料及制备方法
技术领域
本发明属于介电复合材料技术领域，特别涉及可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料及制备方法。
背景技术
人体微波辐射计是一种用于人体接受并测量电磁波的辐射计，其要求无论人体所处在各种不同姿态状态下，还是对电磁波的吸收和遮挡，这种微波辐射计都能够提供全方位的辐射吸收和良好的阻抗匹配性能，并且要求尽量小的辐射损失和干扰，另外要求其力学性能好，不会使人体产生排异反应。人体微波辐射计阻抗匹配材料要实现与人体的良好耦合，使人体发射的微波信号可以以较低的损耗被微波辐射计接收，那么就要考虑这种复合材料与人体皮肤的阻抗匹配问题，即使介质表面对电磁波的反射系数尽可能小，电磁波入射到介质表面能量最大限度地透入介质进而被吸收。一方面，电磁波在人体皮肤与空气的接触面上会引起较大失配，这就要求阻抗匹配材料具有较高的相对介电常数，以满足与人体皮肤的匹配需求；另一方面，根据阻抗匹配原理，可通过改变复合材料各层面的介电参数，形成阻抗渐变结构，使其具有良好的吸波性能。
现有高介电常数材料主要是无机铁电陶瓷材料，这种无机材料虽然有着高的介电常数和热稳定性，但其脆性大、加工温度高，与目前电路集成加工技术的相容性差的缺点也限制了它的应用。聚合物材料具有良好的加工性能、较低的加工温度和介电损耗，但通常大多数聚合物的介电常数较低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可穿戴的人体微波辐射计用的阻抗匹配材料，其具有阻抗渐变结构，介电常数高且介电损耗低。
本发明的另一目的是提供一种可穿戴的人体微波辐射计用的阻抗匹配材的制备方法，该方法工艺简单，条件安全可控，可制备具有阻抗渐变结构的高介电低损耗的阻抗匹配材料。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，它包括若干复合层，各复合层的介电参数不同；各复合层由交联的纤维组成，该纤维由聚合物和无机纳米粒子的混合溶液通过电纺工艺得到。
所述各复合层无机纳米粒子含量逐层增大。
所述聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10。
所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种或几种，所述聚合物分子量为5000～1000000；所述无机纳米粒子为钛酸钡、钛酸铅、钛酸铜钙中的一种或几种，所述无机纳米粒子的平均粒径为0～300nm。
一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料的制备方法，它包括下列步骤：
1)、先将聚合物原料加入溶剂中，在室温下搅拌溶解，得到若干组聚合物溶液；再将无机纳米粒子加入所得的聚合物溶液中，其中聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10，在室温下剧烈搅拌，并超声使纳米粒子分散，得到不同质量比的混合溶液；
2)、分别将所述不同质量比的混合溶液置于电纺设备中，按无机纳米粒子含量增大的顺序排列，在设定的电纺条件下，分别交替电纺2h，制得阻抗渐变的阻抗匹配材料。
所述步骤1)中的聚合物为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种或几种，所述聚合物分子量为5000～1000000；所述无机纳米粒子为钛酸钡、钛酸铅、钛酸铜钙中的一种或几种，所述无机纳米粒子的平均粒径为0～300nm；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种或多种。
所述步骤2)中的电纺工艺参数为：电压5～30kV，混合溶液注射速度为0.1～1mL/h，接收距离为5～30cm。
本发明的有益效果是：本发明制备方法采用静电纺丝的方法制备可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，制备工艺简单便捷、产率高，可大面积生产，成本低，制备的阻抗匹配材料具有阻抗渐变结构，介电常数高且介电损耗低。
附图说明
图1为本发明可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1中不同无机粒子含量的复合层的SEM图像。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料的制备方法，它包括下列步骤：
1)、先将聚合物原料加入溶剂中，在室温下搅拌溶解，得到若干组聚合物溶液；再将无机纳米粒子加入所得的聚合物溶液中，其中聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10，在室温下剧烈搅拌，并超声使纳米粒子分散，得到不同质量比的混合溶液；
2)、分别将所述不同质量比的混合溶液置于电纺设备中，按无机纳米粒子含量增大的顺序排列，在设定的电纺条件下，分别交替电纺2h，制得阻抗渐变的阻抗匹配材料。
其中，步骤1)中的聚合物可以为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺(PI)中的一种或几种，所述聚合物分子量为5000～1000000；无机纳米粒子为高介电常数的钛酸盐，如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、钛酸铜钙(CCTO)中的一种或几种，该无机纳米粒子的平均粒径为0～300nm；该溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮中的一种或多种。
其中，步骤2)中的电纺工艺参数为：电压5～30kV，混合溶液注射速度为0.1～1mL/h，接收距离为5～30cm。
上述制备方法制得的可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，如图1所示，包括若干复合层1、2、3，层数并不以此为限，可以更多。各复合层的介电参数不同，由电纺工艺得到，电纺工艺用到的纺丝溶液含有聚合物和无机纳米粒子。各复合层中聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10，且无机纳米粒子含量由复合层1至复合层3逐层增大，使得整个阻抗匹配材料具有阻抗渐变性质。
本发明以聚合物为基体，引入高介电常数或易极化的微纳米尺度的无机颗粒形成的聚合物基复合介电材料，其不仅具有优良的介电性能，同时具备了良好的力学性能和加工性能。静电纺丝是一种简便快捷的制备一维连续微纳米长丝的技术手段，其制备的微纳米纤维无纺布材料具有良好的柔性和透气性能，能够满足人体微波辐射计阻抗匹配材料的要求。本发明在电纺工艺中，通过改变高介电无机粒子在复合材料中的含量，可控的调节复合材料的介电常数，并对其进行渐变式的顺序组装，制备出了具有阻抗渐变的可穿戴的人体微波辐射计用的阻抗匹配材料，同时具有良好的柔韧性。
以下举若干具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
采用以下方法制备阻抗匹配材料1：
1)、将6gPVDF粉末溶解于44gDMF/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMF与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g BaTiO3纳米颗粒加入到配好的PVDF溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液，分别标示为a、b、c、d、e。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料1。不同无机粒子含量的复合层的SEM图像如图2所示。
实施例2
采用以下方法制备阻抗匹配材料2：
1)、将6gPVDF粉末溶解于44gDMAc/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMAc与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g PbTiO3纳米颗粒加入配好的PVDF溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料2。
实施例3
采用以下方法制备阻抗匹配材料3：
1)、将6gPVDF粉末溶解于44gDMF/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMF与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g CCTO纳米颗粒加入配好的PVDF溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料3。
实施例4
采用以下方法制备阻抗匹配材料4：
1)、将6gPS颗粒溶解于44gDMF/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMF与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g BaTiO3纳米颗粒加入配好的PS溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料4。
实施例5
采用以下方法制备阻抗匹配材料5：
1)、将6gPS颗粒溶解于44gDMAc/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMAc与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g PbTiO3纳米颗粒加入配好的PS溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料5。
实施例6
采用以下方法制备阻抗匹配材料6：
1)、将6gPS颗粒溶解于44gDMF/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMF与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g PbTiO3纳米颗粒加入配好的PS溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料6。
实施例7
采用以下方法制备阻抗匹配材料7：
1)、将6g可溶性的PI颗粒溶解于44gDMF/丙酮混合溶剂中，其中溶剂DMF与丙酮的质量比为7:3，在室温下磁力搅拌3h至均一溶液。再分别将0g、1.5g、4g、9g、24g PbTiO3纳米颗粒加入配好的PI溶液中，剧烈搅拌2h，再将其超声分散处理1h，得到五种分散均一的不同质量比的混合溶液。
2)、分别将五种混合溶液置于注射器中，注射口用7号针头，将其放入医用注射泵中，针头与高压电源正极相连，取面积为10×10cm的铝箔作为收集器，其与大地相连。启动电纺系统，按无机纳米粒子含量由少到多的顺利将混合溶液进行2h的电纺，溶液注射速度为1mL/h，电压为12kV，接收距离为15cm，得到具有一定厚度的介电常数渐变的阻抗匹配材料7。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，其特征在于，它包括若干复合层，各复合层的介电参数不同；各复合层由交联的纤维组成，该纤维由聚合物和无机纳米粒子的混合溶液通过电纺工艺得到。
2.根据权利要求1所述的可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，其特征在于，所述各复合层无机纳米粒子含量逐层增大。
3.根据权利要求2所述的可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，其特征在于，所述聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料，其特征在于，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种或几种，所述聚合物分子量为5000～1000000；所述无机纳米粒子为钛酸钡、钛酸铅、钛酸铜钙中的一种或几种，所述无机纳米粒子的平均粒径为0～300nm。
5.一种可穿戴的人体微波辐射计用阻抗匹配材料的制备方法，其特征在于，它包括下列步骤：
1)、先将聚合物原料加入溶剂中，在室温下搅拌溶解，得到若干组聚合物溶液；再将无机纳米粒子加入所得的聚合物溶液中，其中聚合物和无机纳米粒子的质量比为1:0～1:10，在室温下剧烈搅拌，并超声使纳米粒子分散，得到不同质量比的混合溶液；
2)、分别将所述不同质量比的混合溶液置于电纺设备中，按无机纳米粒子含量增大的顺序排列，在设定的电纺条件下，分别交替电纺2h，制得阻抗渐变的阻抗匹配材料。
6.根据权利要求5所述的可穿戴的人体微波辐射计用的阻抗匹配材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的聚合物为聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种或几种，所述聚合物分子量为5000～1000000；所述无机纳米粒子为钛酸钡、钛酸铅、钛酸铜钙中的一种或几种，所述无机纳米粒子的平均粒径为0～300nm；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、丙酮中的一种或多种。
7.根据权利要求5或6所述的可穿戴的人体微波辐射计用的阻抗匹配材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的电纺工艺参数为：电压5～30kV，混合溶液注射速度为0.1～1mL/h，接收距离为5～30cm。2 -->
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