銅/聚苯胺/滌綸復合電磁屏蔽織物的制備及性能研究

俞　菁，沈　勇，張慧芳，檀國登

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海　201620；2.上海工程技術大學化學化工學院，上海　201620)

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銅/聚苯胺/滌綸復合電磁屏蔽織物的制備及性能研究

俞菁1，沈勇1，張慧芳2，檀國登1

(1.上海工程技術大學服裝學院，上海201620；2.上海工程技術大學化學化工學院，上海201620)

摘要：利用原位聚合法制備導電聚苯胺和滌綸復合織物，該復合織物經超支化聚酰胺-胺/Ag+絡合液活化處理后，采用化學鍍方法在其表面均勻沉積金屬銅，得到銅/聚苯胺/滌綸復合織物。利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、電磁屏蔽效能等方法對試樣進行測試分析，結果顯示，聚苯胺作中間層可使銅層平均粒徑明顯降低，熱穩定性和耐摩擦性等性能有所提高，且在300 kHz～3 GHz頻率范圍內銅/聚苯胺/滌綸復合織物的電磁屏蔽效能最高可達130 dB。

關鍵詞：化學纖維紡織；滌綸；聚苯胺；鍍銅；電磁屏蔽效能

隨著電子科技的飛速發展，電磁波成為繼噪音、水污染、空氣污染后的第四大污染，因此電磁屏蔽材料的開發成為研究熱點。由于織物具有可折疊性、可成形性、成本低等特性，現已成為制備電磁屏蔽材料的主要基材之一[1]。一般的電磁屏蔽織物利用金屬對纖維或織物進行處理，織物通常通過2個方法獲得電磁屏蔽效能：一是對纖維或織物進行表面處理，包括多層導電層包覆、導電涂層、真空鍍等；二是導電體的填充，包括加入或混合導電填充物、導電纖維、紗線混紡等[2-7]。由于織物金屬化學鍍具有相對均勻的金屬沉積和導電能力，對于無導電能力和經過復雜改性的基底材料都適用，可處理樣品面積大等特點[8-9]，現已成為目前制備電磁屏蔽織物的主要方法。

盡管金屬復合織物具有優異的電磁屏蔽效能，但其存在著服用性能差、力學強度和耐劃傷性差、硬度大等缺陷，限制了其在很多領域上的應用[10-11]。因此，研究者嘗試利用高分子導電材料取代金屬在電磁屏蔽織物上的應用[1,12]。其中，導電聚苯胺原料價格低廉，具有合成方法簡單可控、分子結構多樣化、摻雜或非摻雜狀態下均很穩定，耐高溫及抗氧化性能好，質量密度低的特性，且易在塑料、玻璃、陶瓷等基物上成膜[1,13-14]，因此成為主要研究對象。但是聚苯胺的導電性是由于聚苯胺經質子酸摻雜后，電荷在分子鏈上的遷移或鏈間的躍遷產生的，其電導率遠小于金屬，因此導電聚苯胺電磁屏蔽效能低于金屬。

為了使織物能在提高電磁屏蔽效能的同時具有良好的物理化學性能，開發金屬和導電高分子復合型電磁屏蔽織物日益重要。有研究者[15]在導電聚苯胺復合織物的基礎上電化學鍍銅，由表面形貌分析，其鍍層均勻致密，但電化學方法樣品處理面積小。也有人[16]在聚苯胺復合織物的基礎上采用SnCl2敏化、AgNO3活化對聚苯胺/滌綸復合織物進行前處理后化學鍍銅，但其銅鍍層晶粒尺寸較大，方阻為203 mΩ/sq, 均勻性和結合牢度差。由于滌綸具有疏水性，一般的敏化和活化液無法在滌綸表面均勻分布，影響活化中心的吸附量與均勻度，使得銅鍍層質量較差，從而影響了復合織物的導電能力和鍍層的結合牢度。

以滌綸為基體，先用原位聚合法在滌綸織物表面制備聚苯胺膜，聚苯胺的π電子共軛結構與滌綸結構中的苯環之間存在π-π吸引力作用，亞氨基與滌綸結構的羰基、氧原子形成氫鍵，均能使滌綸和導電聚苯胺結合牢度增加。然后用超支化聚酰胺-胺/Ag+絡合液對導電聚苯胺/滌綸復合織物進行活化處理后化學鍍銅，聚苯胺的苯環和胺與超支化聚酰胺-胺中的羰基和氨基形成氫鍵，從而使銅鍍層與聚苯胺結合力增大；聚苯胺上存在大量親水基團，大大提高了織物的親水性，使得活化中心的吸附量和均勻性提高[11,17]。因此在聚苯胺/滌綸復合織物表面化學鍍制備的銅鍍層均勻致密，且與織物結合力能力大。

1試驗部分

1.1材料與儀器

織物：滌塔夫290 T；紗支密度：經向密度19 根/cm，緯向密度10 根/cm；克重：55.4 g/m2；經退漿等前處理。

試劑：苯胺(C6H5NH2)，鹽酸(HCl)，過硫酸銨(APS)，硫酸銅(CuSO4)，硫酸鎳(NiSO4)等均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司提供)。超支化聚酰胺-胺為自制[18]。

儀器： S-3400N掃描電子顯微鏡，日本日立公司提供；D2 HASER型X射線衍射儀，德國布魯克AXS公司提供；STAPT-1000型熱失重儀，德國Linseis公司提供；DR-913織物防電磁輻射性能測試儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司提供；CHI-660E電化學工作站，上海辰華儀器有限公司提供。

1.2銅/聚苯胺/滌綸復合織物的制備

1.2.1聚苯胺/滌綸復合織物的制備

將滌綸織物浸入質量濃度為20 g/L的NaOH溶液中進行堿減量處理，溫度為95 ℃，浴比為1∶50，于90 min后取出，冷卻至室溫，用5%的醋酸溶液清洗，再用蒸餾水進行清洗、烘干。

將處理后的滌綸織物浸入濃度為0.5 mol/L的苯胺單體溶液(n(苯胺)∶n(鹽酸)=1∶1)中吸附2 h，達飽和吸附后取出；將織物浸入濃度為0.3 mol/L的過硫酸銨和鹽酸(n(過硫酸銨)∶n(鹽酸)=1∶1.2)的混合溶液中，反應后迅速取出，于均勻軋車中軋壓后立即置于0 ℃環境中2 h；將織物取出，室溫下晾干，用丙酮去除其表面殘留的短鏈產物。

3.以文章的主要人物出場開頭。記敘文中往往有人物描寫，尤其是小說，一開始就把主要人物介紹給讀者，會使讀者對主要人物留下一個初步的印象。如《變色龍》開頭：“警官奧楚蔑洛夫穿著……”一個裝腔作勢、不倫不類的沙皇走狗粉墨登場了，讓人感到驚奇。《最后一課》《普通勞動者》也是以主要人物出場作開頭的。

1.2.2聚苯胺/滌綸復合織物化學鍍銅

所制備的聚苯胺/滌綸復合織物的活化方法參見文獻[18—19]。然后在活化后的復合織物表面化學鍍銅，鍍液配方的質量濃度為硫酸銅20 g/L，硫酸鎳2 g/L，酒石酸鈉90 g/L，甲醛10 mL/L，氫氧化鈉14 g/L。反應溫度為35 ℃，反應35 min。反應結束后將織物水洗、烘干。同時，純滌綸織物也用上述方法化學鍍銅。控制聚苯胺/滌綸復合織物與純滌綸單位面積上的銅層增重量相同，用以對比各項性能。

1.3測試與表征

用D2 HASER型X射線衍射儀室溫下測試樣品的結構特征，銅激發α射線(λ=0.154 nm)2θ范圍內，為 5°～80°、掃描速率為0.25°/min。熱失重(TG)利用STAPT-1000 (Germany) 測試，在氮氣氛圍下由50 ℃升溫至800 ℃，升溫速率為20 ℃/min。利用DR-913G型電磁屏蔽測試儀測試樣品的電磁屏蔽效能，該儀器使用法蘭同軸法測試，標準為GB/T23326—2009不銹鋼纖維與棉滌混紡電磁波屏蔽本色布、GB/T25471—2010電磁屏蔽涂料的屏蔽效能測量方法、SJ20524—1995材料屏蔽效能的測量方法ASTM4935—1999等，測試電磁波頻率范圍為300kHz～3GHz。利用CHI660E型電化學工作站測試樣品的極化曲線。采用“透明膠帶法”測量導電織物與鍍層之間的結合力[18]，即用2kg的滾柱在粘有膠帶的銅鍍層上來回滾動10 次，然后緩慢將膠帶剝離，通過膠帶上的金屬粉末量來確定鍍層結合牢度的強弱。

2結果與討論

2.1表面形貌分析

分別測試堿減量處理后的滌綸織物、聚苯胺/滌綸復合織物、銅/滌綸復合織物、銅/聚苯胺/滌綸復合織物的掃描電鏡圖，如圖1所示。圖1a)顯示滌綸織物堿減量處理后有明顯刻蝕現象，圖1b)顯示在滌綸織物表面形成均勻的聚苯胺包覆層；圖1c)是滌綸織物直接化學鍍銅，銅粒徑大，易團聚成大的顆粒浮于織物表面；圖1d)是在聚苯胺/滌綸復合織物表面化學鍍銅，可以看到銅在聚苯胺的大分子上生成。對比圖1c)和圖1d)明顯可以看出，聚苯胺作為中間層使得銅膜粒子更加均勻，且粒徑更小，晶界密度增大，這樣電流更容易通過，使得表面電阻減小，電磁屏蔽效能提高。

圖1　不同織物的掃描電鏡圖Fig.1　SEM images of different textures

2.2結構特征

圖2分別為滌綸織物、聚苯胺/滌綸復合織物、銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物的X射線衍射譜圖。

圖2　不同織物的X射線衍射圖Fig.2　XRD spectrum of different textures

由圖2中曲線a可見，織物的X射線衍射峰出現在2θ= 17.40°，23.12°，25.69°處，分別是滌綸(010)、(110)、(100)處的特征峰；圖2中曲線b中的聚苯胺/滌綸復合織物在2θ= 18.32°，23.11°，25.89°處分別出現3個X射線衍射峰，這分別是聚苯胺(010)、(100)、(110)處的特征峰[20]，說明了聚苯胺包覆住了滌綸纖維，且具有一定的結晶度；圖2中曲線c為銅的標準XRD譜圖(PDF#04-0836)，X射線衍射峰出現在2θ=43.297°，50.433°，74.130°，分別是銅(111)、(200)、(220)特征峰；圖2中曲線d中銅/滌綸復合織物的X射線衍射峰出現在2θ=42.71°，49.88°，73.73°，分別是銅(111)，(200)，(220)特征峰[21]；圖2中曲線e中銅/聚苯胺/滌綸復合織物的X射線衍射峰出現在2θ=43.10°，50.23°，74.02°，也分別是銅(111)、(200)、(220)特征峰，說明了銅包覆在聚苯胺/滌綸復合織物的表面。同時由圖2中曲線d和曲線e比較可見，銅/聚苯胺/滌綸復合織物中銅層的衍射峰強度要高于銅/滌綸復合織物，證明了在聚苯胺/滌綸復合織物表面沉積銅的結晶度要高于滌綸織物。

經Scherrer公式計算可以得到，銅/滌綸復合織物的銅層平均粒徑為26.64 nm，而銅/聚苯胺/滌綸復合織物的銅層平均粒徑為8.97 nm，因而，聚苯胺作為過渡層可以使得銅層平均粒徑明顯減小，該分析結果與掃描電鏡分析結果一致。

2.3熱穩定性分析

圖3和表1分別為滌綸織物、聚苯胺/滌綸復合織物、銅/滌綸復合織物、銅/聚苯胺/滌綸復合織物的熱重曲線和數據分析。由圖3可見，在第1階段0～150 ℃范圍內，這4個樣品在該階段有1%左右的失重率，這主要是因為織物上所帶的水分所致，其中，聚苯胺/滌綸復合織物的失重率最高，表明聚苯胺層的親水性要高于滌綸和銅層；在第2階段350～540 ℃范圍內，4種織物都發生了顯著的失重(見表1)，這主要為有機大分子鏈的降解和部分碳化引起的，其中聚苯胺/滌綸復合織物的初始分解溫度比滌綸織物低，失重率要高于滌綸織物，這主要是由于聚苯胺主鏈中的N-C鍵易斷裂所導致的，而銅層的導熱性和儲熱性要高于氮氣，使銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物的最大分解溫度要低于滌綸織物和聚苯胺/滌綸復合織物，且由于銅層不易分解，故銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物的失重率都顯著低于滌綸織物和聚苯胺/滌綸復合織物；在第3階段540 ℃以上的失重主要由于剩余的有機大分子碳化引起的，失重較低。

圖3　不同織物的熱重曲線Fig.3　Thermogravimetric curves of different textures

樣品第1階段失重率/%第2階段特征參數初始分解溫度/℃最大分解溫度/℃結束分解溫度/℃失重率/%第3階段失重率/%殘渣率/%滌綸織物0.53377.5449.13522.5281.871.8515.75聚苯胺/滌綸復合織物3.24352.4445.56531.0582.505.448.82銅/滌綸復合織物0.81377.8438.74521.1849.381.0548.76銅/聚苯胺/滌綸復合織物1.58377.7432.85516.8347.281.5849.56

2.4方阻與電磁屏蔽效能

滌綸織物、聚苯胺/滌綸復合織物、銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物的方阻如表2所示。從表2中可以看出，聚苯胺膜和銅膜均可使織物具有一定的導電能力，其中聚苯胺/滌綸復合織物方阻大于銅/滌綸復合織物，這主要是由于導電聚苯胺和金屬銅的導電機理不同所致。導電聚苯胺的導電機理是聚苯胺經質子酸摻雜后，電荷在分子鏈上的遷移或鏈間的躍遷實現的，而金屬導電機理主要是由于導體內部存在大量可以自由移動的自由電子，這使得金屬銅的導電能力明顯大于導電高分子的導電能力。從表2中也可看出銅/聚苯胺/滌綸復合織物的方阻比銅/滌綸復合織物的方阻小，主要是因為聚苯胺使得形成的銅致密性好，電子導通能力強，因此方阻降低。

表2　不同樣品的方阻

圖4　不同織物的電磁屏蔽效能Fig.4　Electromagnetic shielding effectiveness of different textures

圖4分別為滌綸織物、聚苯胺/滌綸復合織物、銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物的電磁屏蔽效能曲線圖。一般來說，材料方阻越小，導電能力越好，電磁屏蔽能力越好。圖4曲線a可見滌綸導電能力差，幾乎沒有電磁屏蔽能力；圖4曲線b可見滌綸表面包覆了導電聚苯胺膜后，導電能力有所提高，電磁屏蔽效能可增加到5～8 dB；圖4曲線c和圖4曲線d可見銅/滌綸復織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物中，銅鍍層能使復合織物的導電能力大大增加，因此電磁屏蔽能力可達到80 dB以上，而其中銅/聚苯胺/滌綸復合織物的電磁屏蔽效能大于銅/滌綸復合織物，這主要是由于一方面聚苯胺使得銅層的晶界密度提高，電子導通能力增大，因此導電性提高，電磁屏蔽效能高；另一方面導電聚苯胺作為吸波材料[22]，而金屬銅是反射為主的電磁屏蔽材料[23]，二者復合可對電磁波同時具有良好的反射和吸收能力。

2.5耐腐蝕性

圖5對比了銅/聚苯胺/滌綸復合織物以及銅/滌綸復合織物的腐蝕電流密度，即銅膜在質量分數為3.5%NaCl，10% HCl，10%NaOH條件下的腐蝕速率。表3是銅/聚苯胺/滌綸復合織物以及銅/滌綸復合織物在不同條件下的腐蝕速率(icorr)[18,23]。根據文獻研究，粒徑越小，腐蝕速率越小，耐腐蝕性越好[19,24]。結合圖5和表3可明顯看出在中性和酸堿性條件下，銅聚苯胺/滌綸復合織物腐蝕速率均較低，因此耐腐蝕性好，與文獻研究結果相符合。

圖5　不同溶液中織物的極化曲線 Fig.5　Tafel plots of fabrics in different solutions

2.6結合牢度

聚酯膠帶黏附前后復合織物質量如表4所示，銅/滌綸復合織物和銅/聚苯胺/滌綸復合織物銅的質量減少率分別為0.44%和0.23%，因此聚苯胺作為中間層使得銅鍍層的結合力增大。這是因為以聚苯胺作為中間層，其苯環大分子結構與滌綸織物的苯環之間具有π-π吸引力作用，這種吸引力作用要遠大于滌綸織物與超支化聚酰胺-胺之間的范德華力，因此以超支化聚酰胺-胺負載的銀離子為活化中心形成的銅鍍層與基體聚苯胺/滌綸復合織物的結合能力比與基體滌綸織物的結合能力好；并且，聚苯胺上具有親水性基團氨基，大大增大了復合織物的親水性，使得織物能夠均勻吸附超支化絡合液，使負載離子排布均勻，銅粒子粒徑減小，排列更加緊湊，表示銅鍍層與基體的結合面積增大，則結合力增大[25]。

表3　　　銅/聚苯胺/滌綸復合織物和銅/滌綸復合

表4　不同基底表面銅膜的結合牢度

3結語

本文用超支化聚酰胺-胺/Ag+對滌綸織物和聚苯胺/滌綸復合織物進行活化處理后化學鍍銅，并測定其SEM，XRD，TG、電磁屏蔽效能等進行對比分析。結果顯示，引入聚苯胺作為中間層，可有效降低鍍層金屬粒子平均粒徑，熱穩定性和耐摩擦性等性能均有所提高，且在300 kHz～3 GHz頻率范圍內銅/聚苯胺/滌綸復合織物的電磁屏蔽效能最高可達130 dB。對比防電磁波紡織品行業標準(FTTS-FA-03)，銅/聚苯胺/滌綸復合織物的電磁屏蔽效能不僅能滿足民生用途，且在專業用途上也能達到“AAAAA”級別。

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Preparation and properties of copper/polyaniline/polyester composite electromagnetic shielding fabric

YU Jing1, SHEN Yong1, ZHANG Huifang2, TAN Guodeng1

(1.Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract:Conductive polyaniline and polyester composite fabric(PANI/PET) is prepared by in-situ polymerization, and after it is activated by hyperbranched polyamidomine/Ag+, Cu is uniformly deposited on its surface by electroless copper plating, finally Cu/PANI/PET composite fabric is obtained. Scanning electron microscope, X-ray diffraction and electromagnetic shielding effectiveness are used to analyze the samples. The results show that using PANI as the middle layer can reduce the average grain size apparently and improve the thermal stability and the friction resistance, and the electromagnetic shielding effectiveness of Cu/PANI/PET can reach 130 dB in the frequency range of 300 kHz～3 GHz.

Keywords:chemical fiber textile； terylene； polyaniline； copper plating； electromagnetic shielding effectiveness

中圖分類號：TS195.5

文獻標志碼：A

通訊作者：沈勇教授。E-mail:shenyong@sues.edu.cn

作者簡介：俞菁(1990—)，女，江蘇靖江人，碩士研究生，主要從事紡織材料的表面改性及功能整理方面的研究。

基金項目：上海市科委科技創新(重點)項目(12ZZ180)

收稿日期：2015-11-22；修回日期：2016-01-20；責任編輯：張軍

doi:10.7535/hbkd.2016yx02012

文章編號：1008-1542(2016)02-0185-07

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