偶聯劑A151對羰基鐵粉/甲基乙烯基硅橡膠吸波復合材料性能的影響

李淑環，李 寧，徐麗紅，牟守勇，鄒 華

（1.北京橡膠工業研究設計院，北京 100143；2.北京化工大學北京市新型高分子材料制備與加工重點實驗室，北京 100029）

目前高分子基吸波材料的研究主要集中在吸波涂料和吸波樹脂2個方面，對以橡膠等彈性體為基體的吸波材料研究較少。而橡膠基吸波材料除了具有優良的吸波性能外，同時具有柔軟、質量小、彈性好、可以任意彎曲和剪裁、使用方便等優點，近年來受到研究人員的關注[1-3]。硅橡膠分子鏈柔順，內聚能密度小，硅氧鍵熱穩定性好，耐高低溫（-100～250 ℃）性能和彈性好，粘度和硬度小，填充量大，是一種廣泛用于航天航空領域的橡膠材料。

磁性金屬粉末對電磁波具有吸收、透過和極化等多種功能，其吸收電磁波的基本要求是：金屬粉末粒徑應小于工作頻帶高端頻率時的屈服深度，而復合材料厚度應大于工作頻帶低端頻率時的屈服深度，這樣既能吸收電磁波，又能使電磁波不穿透復合材料。目前主要使用的磁性金屬粉為微米級鐵、鈷、鎳及其合金粉末[4]。磁性金屬（合金）粉末溫度穩定性好、介電常數大，在吸波材料中應用廣泛。其中羰基鐵粉（CI）對低頻（2~8 GHz）電磁波具有較好的吸收效果[5]，是一種典型的吸波填料。

本工作制備了以甲基乙烯基硅橡膠（MVQ）為基體，以CI為吸波填料的高性能吸波復合材料。但是CI作為一種無機填料，與有機基體MVQ的相容性較差，所以吸波復合材料的加工性能和物理性能隨填料用量增大而降低[5]。本工作用MVQ常用的偶聯劑A151（乙烯基三乙氧基硅烷）[6]對CI進行表面處理，以期改善吸波復合材料的加工性能、物理性能和吸波性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

MVQ，中昊晨光化工研究院產品；CI，自制；硫化劑DBPMH（2，5-二甲基-2，5-二叔丁基過氧化己烷），江蘇強盛化工有限公司產品；偶聯劑A151，化學純，北京化學試劑公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方見表1。1#~5#配方中偶聯劑A151/CI用量比分別為0，2%，4%，6%，8%。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備與儀器

Φ160 mm×320 mm雙輥開煉機，廣東湛江機械廠產品；平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產品；XL-30型場發射環境掃描電子顯微鏡（ESEM），美國FEI公司產品；D/Max 2500 VB2+/PC型X射線衍射儀（XRD），日本理學公司產品；MR-C3型無轉子硫化儀，北京環峰化工機械試驗廠產品；CMT4104型電子拉力機，深圳新三思計量技術公司產品；基于N5230A矢量網絡分析儀的反射率測量系統和基于PNA E 868B矢量網絡分析儀的電磁參數測量系統，美國Agileat公司產品。

1.4 試樣制備

CI是五羰基鐵用羰基法熱分解還原成的鐵粉，含有極少量的碳（質量分數1.090%）、氧（質量分數0.074%）、硫（質量分數小于0.01%）等。

膠料混煉在開煉機上進行，加入MVQ、經偶聯劑A151處理的CI和硫化劑混煉均勻，薄通數次后出片。混煉膠在平板硫化機上硫化（165 ℃/10 MPa×15 min），除硫化強力試片外，還硫化外徑7 mm、內徑3 mm、厚2 mm的測試電磁參數的環狀試樣；硫化長180 mm、寬180 mm、厚1.3 mm的測試反射率的條狀試樣。

1.5 性能測試

ESEM測試：用ESEM觀察CI的粒徑和形貌，以及復合材料拉伸斷裂面的微觀相態（試樣經噴金處理后觀察）。

XRD測試：用XRD觀察CI的晶格結構，CuKα X射線源（波長0.154 nm），掃描角度（2θ）為3～90°。

反射率測試：通過基于矢量網絡分析儀的反射率測量系統，采用弓形法測量反射率，以金屬鋁板為襯板，電磁波垂直入射，掃描頻率2~18 GHz。

電磁參數測試：通過基于矢量網絡分析儀的電磁參數測量系統，采用同軸法測量電磁參數，掃描頻率2~18 GHz。

2 結果與討論

2.1 CI的微觀結構和相分析

CI的ESEM照片見圖1。從圖1可以看出，CI為球形顆粒，粒徑分布均一，主要粒徑范圍為2～3 μm，最大粒徑不超過5 μm。

圖1 CI的ESEM照片

CI的XRD譜見圖2。與數據庫中的標準譜對比得出，CI的晶格結構為單一立方晶系結構。

圖2 CI的XRD譜

2.2 不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料硫化特性

不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料硫化特性見表2。

表2 不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料硫化特性（165 ℃）

從表2可以看出：隨著偶聯劑A151用量增大，復合材料的ML減小，說明偶聯劑A151改善了CI與MVQ的相容性，復合材料的加工性能更好；與1#配方膠料相比，添加偶聯劑A151的2#~5#配方膠料的MH，MH-ML和t90-t10總體減小，這可能是偶聯劑A151含乙烯基，其與MVQ的結合及本身的自聚都會消耗硫化劑，從而消耗硫化劑的有效用量，影響復合材料的交聯和硫化速度。

2.3 不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料物理性能

不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料物理性能見表3。

從表3可以看出，與1#配方復合材料相比，添加偶聯劑A151的2#~5#配方復合材料硬度和拉伸強度增大。這是由于偶聯劑A151對CI表面處理后，提高了CI與MVQ的相容性和界面結合力。隨著偶聯劑A151用量增大，復合材料硬度先增大后減小，壓縮永久變形先減小后增大。原因是由于偶聯劑A151用量較小時，改善了CI與MVQ的界面結合，提高了膠料的交聯程度；當偶聯劑A151用量增大時，其與MVQ的反應以及本身的自聚都會消耗一部分硫化劑，從而影響復合材料的交聯程度。添加偶聯劑A151的4種膠料中，2#配方復合材料的拉伸強度和拉斷伸長率較大，壓縮永久變形最小，綜合物理性能較好。

表3 不同用量偶聯劑的CI/MVQ吸波復合材料物理性能

添加偶聯劑A151前后的CI/MVQ吸波復合材料斷面的ESEM照片見圖3。

從圖3可以看出：未添加偶聯劑A151的1#配方復合材料斷面有大量粉體拔出，說明CI與MVQ界面結合差，復合材料受力后，斷裂發生在結合薄弱的兩相結合界面處；經偶聯劑A151處理后的2#配方復合材料的斷面整齊，斷裂發生在橡膠基體處，無粉體拔出，說明偶聯劑A151改善了CI與MVQ的界面結合，從而提高了復合材料的物理性能。

圖3 添加偶聯劑A151前后的CI/MVQ吸波復合材料斷面的ESEM照片

2.4 不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料電磁參數

不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料復介電常數（εr=ε′-jε″）、復磁導率（μr=μ′-jμ″）、介電損耗（tanδe=ε″/ε′）和磁損耗（tanδm=μ″/μ′）見圖4。

從圖4可以看出，隨著偶聯劑A151用量增大，復合材料的εr和tanδe先增大后減小，而μr和tanδm變化不大。其中，tanδe在測試頻率內均小于0.18，而tanδm大得多，在0.5~0.9之間，說明復合材料的內部損耗主要為磁損耗。

圖4 不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料電磁參數

2.5 不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料反射率

不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料的反射率見圖5。

圖5 不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料反射率

影響復合材料反射率的主要因素是tanδm，不

同用量偶聯劑A151的復合材料的μr和tanδm曲線在測試頻率內幾乎重合，所以當復合材料厚度固定時，其反射率曲線也應基本重合，這從圖5得到了印證。從圖5可以看出，不同用量偶聯劑A151的復合材料的反射率曲線走勢相同，說明偶聯劑A151對CI/MVQ復合材料吸波性能的影響很小。

3 結論

（1）CI為球形顆粒，粒徑分布比較均一，主要粒徑范圍為2～3 μm，晶格結構為單一立方晶系結構。

（2）偶聯劑A151改善了CI與MVQ的相容性，提高了CI/MVQ吸波復合材料的加工性能，但對硫化速度有一定影響。

（3）添加偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料硬度和拉伸強度增大，偶聯劑A151/CI用量比為2%的復合材料拉伸強度和拉斷伸長率較大，壓縮永久變形最小，綜合物理性能較好。

（4）CI/MVQ吸波復合材料的內部損耗主要為磁損耗。

（5）不同用量偶聯劑A151的CI/MVQ吸波復合材料的反射率曲線走勢基本一致，偶聯劑A151對復合材料吸波性能的影響很小。