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    電子論文

    水性吸波涂料的研究進展

    時間:2021年09月08日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:水性吸波涂料具有高效吸波和環保健康的特點,在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景.首先介紹了水性涂料的親水機理及吸波涂料的制備工藝方法,進而綜述了國內外有關電損耗主導型和磁損耗主導型2類水性吸波涂料的研究進展,分析了存在的問題,并展望了水

      摘要:水性吸波涂料具有高效吸波和環保健康的特點,在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景.首先介紹了水性涂料的親水機理及吸波涂料的制備工藝方法,進而綜述了國內外有關電損耗主導型和磁損耗主導型2類水性吸波涂料的研究進展,分析了存在的問題,并展望了水性吸波涂料的發展方向.

      關鍵詞:吸波材料;吸波涂料;水性涂料;環保

    吸附材料

      0引言

      水性涂料是以水作為分散介質或溶劑、樹脂作為分散相制成的涂料.涂料基本組成是基料、溶劑、顏料、填料和助劑等,水性涂料不同于溶劑型涂料之處在于水性涂料使用的溶劑或分散介質為水,而溶劑型涂料使用的溶劑為有機溶劑[1].水性涂料包括水溶性涂料、水稀釋性涂料、水分散性涂料.吸波材料能將投射到其表面的電磁波的能量通過材料的電磁損耗轉換為熱能,或者通過其他方式將電磁波能量耗散掉[2].

      電磁損耗根據吸波機理不同可以分為電損耗型和磁損耗型[3],單一種類的吸波型材料存在局限性和不足,將不同種類吸波材料共混或復合處理能夠實現吸波性能的互補,通過調節復合物的電磁參數達到阻抗匹配要求,實現寬頻強效吸波的效果,是一種非常有效的優化性能的方法,在當前的吸波材料研究中,嘗試運用非常廣泛.李琳等[4]利用界面聚合法制備出聚苯胺納米纖維/鋰鋅鐵氧體復合吸波材料,在高頻和低頻區域皆有反射率小于-10dB的波段,最大吸收波峰可達-33.8dB,其吸波性能較單純的電損耗型的聚苯胺納米纖維或磁損耗型的純鋰鋅鐵氧體都有很大提高.吸波材料的發展一直追求“薄、輕、寬、強”的目標[5].

      電磁技術論文范例: 電磁流量計測量結果的不確定度評定

      傳統溶劑型吸波涂料的研究及其應用較為成熟和普遍,但是隨著多年以來的實踐應用,溶劑型吸波涂料的固有弊端日益突出.溶劑型涂料含有40%以上有機溶劑,涂料在使用過程中會揮發出大量有機化合物(VOC),不僅污染環境,還會損害接觸者的健康[6].并且這種危害不僅在設備涂敷或者噴涂過程中大量存在,而且在設備使用過程中會長期存在.如果運用到武器裝備上,能直接引起操作者身體不適甚至可能造成操作失誤[7].

      水性吸波材料兼具良好的電磁波吸收功能和環保功能,除此之外,水性吸波材料還具有其他優勢,主要表現在:1)不使用有機溶劑,可以規避有機溶劑原料運送、儲存、使用過程中面臨的燃爆風險;2)以水為溶劑或分散劑,可以節省大量資源;3)涂裝工具可以直接用水清洗,能夠減少清洗成本;4)粘黏性較低,成分更加細密,涂刷效果更好;5)在濕表面和潮濕環境中可以直接涂覆施工,且與材質表面適應性好.水性吸波材料有望在多方面替代傳統溶劑型吸波材料,可以被廣泛應用于軍事裝備隱身以及民用醫療設備、飛機、通訊等電磁防護領域,極具研究價值.本文中,筆者介紹了水性涂料的親水機理及吸波涂料的制備工藝,綜述了國內外有關電損耗主導型和磁損耗主導型2類水性吸波涂料的研究進展,分析了存在的問題,并展望了水性的吸波涂料的發展方向。

      1水性涂料

      水性涂料中的水溶性涂料在樹脂中引入羥基、氨基、羧基等官能團,具有親水性.羧基用氨或低分子有機胺中和成鹽,氨基用低分子酸中和成鹽,中和后的樹脂能夠分散在水中形成透明溶液.

      水性乳膠涂料中不溶于水的聚合物通過體系中表面活性劑使其以膠體形式分散在水中,從而達到親水性目的[6].水性涂料最大的特點是用水作為溶劑或分散劑,極大降低了涂料使用過程中造成的污染,但是水性涂料也存在著許多方面的不足,制約其在各方面取代傳統溶劑型涂料,主要表現在:1)成膜后耐水性差;2)水對金屬物質有腐蝕性;3)成膜速度慢;4)涂料容易受到微生物破壞[8].為了解決這些矛盾,科研工作者通常是通過水性樹脂改性的方法完善其性能.

      Jeong等[9]合成的氟化氨基甲酸酯低聚物與基底聚氨酯硬段具有相同重復單元,在水合前將其與基底聚氨酯混合,結果得到的改性聚氨酯產物的耐水性和耐油性都得到提高.Cui等[10]將聚多巴胺(PDA)修飾氧化石墨烯(GO)納米片生成的PDA-GO納米片分散在乙醇中與水性環氧反應生成GO-PDA/EP,研究發現在腐蝕介質的滲透作用下,GO-PDA/EP的基材表面腐蝕較少,這證明了GO-PDA/EP優異的防腐性和阻隔性.水性涂料的組成和制備過程與溶劑型涂料大致相同,但是水性涂料需要更多的助劑,配方更加復雜,同時水性涂料制備工藝的要求更高.首先要考慮的問題就是水性涂料的穩定性問題,其次是增稠劑、消泡劑的加入方式,以及乳液的攪拌問題[1].

      水性吸波涂料制備過程中應注意以下幾個方面的問題:1)填料是該水性吸波涂料實現吸波性能的核心,可以視情況預先對填料進行改性處理;2)攪拌時間不宜過長,攪拌速度不宜過快,這是為了避免產生的大量氣泡溢出攪拌罐造成事故或者乳液發生破乳,條件具備的情況下可以在攪拌過程中同時進行超聲振蕩;3)如果使用固態增稠劑,必須先溶解后加入,液態增稠劑應先用3~5倍增稠劑用量的水稀釋后加入,加入增稠劑的過程要緩慢且均勻;4)消泡劑最好先取其中的1/3~1/2加入色漿中,其余加入乳液中,消泡劑的加入量參考廠家推薦量并參照乳液涂料生產靜止24h后的涂裝效果確定[1];5)噴涂可以使用的設備包括空氣噴槍、高壓無氣噴涂機[11]、空氣靜電噴涂機[12],噴涂過程中要保持噴涂場所良好的通風效果;6)對制備好的涂層材料樣品,采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層形貌,利用矢量網絡分析儀進行涂層吸波性能測試。

      2電損耗主導型水性吸波涂料

      電磁波進入吸波涂層會發生介電損耗[15],介電損耗主要由電導損耗、弛豫損耗和共振損耗構成[16].電導損耗是指涂層中存在的弱聯系導電載流子做定向漂移形成傳導電流進而造成電能以熱能方式損失掉[17].弛豫損耗產生的原因主要是偶極子極化[18].原子、離子以及電子在振動時會發生共振效應,這就是共振損耗的產生方式[19].

      在交變電磁場環境中,材料介電常數為復數形式,表示為ε=ε′-jε″,實部表示材料的儲能能力,虛部表示材料的損耗電磁波能量的能力.tanδε=ε″/ε′為材料介電損耗角正切,材料介電常數虛部和介電損耗角正切值越大,代表材料對交變電磁場介電損耗越大[20].吸波材料在X波段(8~12GHz)和Ku波段(12~18GHz)的吸收效應則主要由介電損耗造成[21].常見的電損耗型吸波材料是各種形式的碳[22]、SiC粉[23].為了實現吸波填料與水性樹脂基體更好的分散效果,在制備涂料操作之前可以預先對填料進行處理.

      班國東等[24]以短切碳纖維為填料,水性聚氨酯為基體做研究.先用丙酮將碳纖維進行表面處理,目的是為了清除碳纖維表面的膠劑,便于其與水性聚氨酯充分混合.研究中發現,當碳纖維長度選擇為3mm、質量分數為0.9%時,復合吸波材料具有較好的頻散特性,ε′達到17.93,ε″達到8.83,表明材料有較大的儲存能量的能力和介電損耗能力,適合作為吸波能力強、吸波頻帶寬的雷達吸波材料.若對低頻段有一定的吸波需求,可以嘗試對吸波劑進行摻雜或復合,加入低頻段吸波材料,增強吸波劑在低頻段的吸波效果.

      陳祥鳳等[25]的研究是采用含量超過12%的十二烷基苯磺酸鈉(分散劑)對“殼/核”型碳包覆鐵納米顆粒改性,將改性后的納米顆粒作為填料,以水性丙烯酸樹脂為基體.當吸收劑填充量為25%(質量分數)時,如果涂層厚度為3mm,反射損耗低于-10dB的頻帶寬為3.8GHz,峰值為-14.3dB;如果涂層厚度為5mm,吸收峰向低頻移動,反射損耗低于-10dB的頻帶寬為3.2GHz,且峰值出現在-17.2dB.通過科學利用納米材料特殊的物理性能,實現了吸波劑密度低、介電常數高、波段寬等目標.

      3磁損耗主導型水性吸波涂料

      磁性介質的損耗機制主要是渦流損耗、磁滯損耗、磁共振和剩磁效應[26].通過導體的變化的磁通量會在導體內部產生渦流,就能使電磁能以熱能形式損耗[27].磁滯損耗指的是在磁性狀態改變時,材料的磁化強度總是落后于磁場強度,其內在機理為畤壁的不可逆移動,每次循環中,磁滯損耗量等于磁滯回線面積大小[27].磁共振指的是材料磁體中的磁偶子的固有頻率與外加磁場頻率相同時引起的磁共振[26].

      因為磁通密度變化滯后外加磁場一個相位角,從而產生剩磁,為消耗剩磁需要消耗磁場能量,即為剩磁效應.與介電常數類似,交變電磁場中材料磁導率表示為μ=μ′-jμ″,材料的磁損耗角正切表示為tanδμ=μ″/μ′,磁損耗性能好的材料磁導率虛部和磁損耗角正切較大[20].吸波材料在S波段(2~4GHz)和C波段(4~8GHz)內的吸收效應主要由磁損耗造成[21].

      用途比較廣泛的磁主導型吸波材料有鐵氧體[28]、羰基鐵粉[29]、磁性金屬[30]及其納米材料[31]等.羅平等[32]以片狀羰基鐵為填料,以水性聚氨酯為基體設計了雙層吸波材料.雙層吸波材料設計是基于傳輸線理論,目的是為了達到最佳的吸波效能.羅平等將利用球磨機片狀化處理過的羰基鐵粉分別按照體積分數15%和40%與水性聚氨酯混合,制得2種濃度的羰基鐵吸波涂料.

      雙層吸波材料的第1層羰基鐵粉體積分數為15%,厚度為1.5mm,第2層的羰基鐵粉體積分數為40%,厚度0.7mm,吸波材料在2.0~18.0GHz的最小反射損耗達-16dB,反射損耗小于-10dB的帶寬為12.3GHz.并且此雙層吸波涂層的硬度、耐沖擊性、柔韌性、附著力等力學性能也符合工藝要求.當工藝條件應用到實際生產時,還需要考慮羰基鐵粉易氧化的問題.

      陶睿等[21]的研究以碳纖維和羰基鐵粉為填料,它們的含量分別占吸收劑和基體樹脂等不揮發成分總質量的25%和60%.以水性聚氨酯為基料,加入0.5%增稠劑,攪拌分散后按照2mm厚度涂覆于模具中,干燥烘烤之后便固化定型.這種設計能使碳纖維和羰基鐵粉各自的優勢互補,得到頻帶更寬、吸波效能更好的材料.涂層有2個吸收峰,分別出現在4.5,12.0GHz,在3.5~8.5GHz和11.0~15.0GHz這2個頻段的反射率均小于-10dB,有效吸收帶寬可達到9.0GHz.

      索慶濤等[33]采用球磨法制備了FeNi合金粉體,然后進行Ba0.6Sr0.4TiO3表面包覆改性,制得吸波粉體,并以此作為涂層填料,以水性環氧樹脂為涂料基體,制備出了無VOC排放的水性吸波涂層.制備所得涂層在3.8GHz頻率達到損耗峰值,反射率為-31dB,內部損耗值為0.24.同時對比用相同劑量填料制備所得溶劑型吸波材料,吸波效果差異不大.材料附著力、柔韌性、沖擊強度等力學性能符合相關標準要求.材料實際應用過程中還應考慮其在高頻段的吸波效能,實現寬頻吸波.

      4水性吸波材料發展前景展望

      水性吸波材料兼具傳統溶劑型吸波材料厚度薄、頻帶寬、重量輕、吸波能力強的優勢,同時具備傳統溶劑型吸波材料所沒有的環保特性,也契合了當前相關行業對吸波材料環保性能的迫切需求,是近些年吸波材料研究的熱點,應用前景廣闊.在此基礎上,如果對結合傳輸線理論[34]的多層吸波材料設計思路、磁性吸收劑磁場定向技術[35]、納米新型材料[36-37]等成果加以研究,在吸波材料領域肯定能挖掘出更多有用成果,研制出綜合性能更加優異的吸波材料;但是,目前水性吸波材料仍處于研究初期,有多方面的問題亟待相關研究者進行理論和實驗研究.

      筆者認為水性吸波涂料應重點在以下幾個方向開展攻關研究工作:

      1)水的化學性質相對有機溶劑較為活潑,且水中一般溶解有氧氣,在將水作為涂料中的分散劑使用時,易被氧化的填料容易與水及氧氣發生化學反應從而變性失效,所以需要深入研究并解決涂料制備過程中填料的氧化問題;2)吸波涂料使用環境大多復雜、嚴酷,這就需要涂料具備良好的理化性能,如附著力和耐沖擊等,還未投入實際應用的水性吸波涂料是否具備長期穩定達標的理化性能還有待論證;

      3)當前改性水性樹脂的工藝種類較多,在改性過程中可能會改變水性樹脂的電磁性能,如果運用此類水性樹脂制備吸波涂料,可能會影響到涂料的吸波效果,這有待分析和研究;4)水性吸波材料原材料昂貴,工藝復雜,生產制備成本高,這就迫切需要開發低廉成本的工藝和配方進而推動水性吸波材料的廣泛應用;5)水的蒸發潛熱大,烘烤型水性涂料涂覆后對烘烤能量需求大,這一問題需要攻克和優化.

      參考文獻:

      [1]張玉龍,齊貴亮.水性涂料配方精選[M].3版.北京:化學工業出版社,2017.ZHANGYulong,QIGuiliang.WaterborneCoatingsFormulaSelection[M].3rded.Beijing:ChemicalIndustryPress,2017.

      [2]劉順華,劉軍民,董星龍.電磁屏蔽和吸波材料[M].北京:化學工業出版社,2006.LIUShunhua,LIUJunmin,DONGXinglong.ElectromagneticShieldingandAbsorbingMaterials[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2006.

      [3]CAOMaosheng,HANChen,WANGXixi,etal.GrapheneNanohybrids:ExcellentElectromagneticPropertiesfortheAb-sorbingandShieldingofElectromagneticWaves[J].JournalofMaterialsChemistryCMaterialsforOptical&ElectronicDevices,2018(6):4586-4602.doi:10.1039/c7tc05869a

      作者:袁江杭,曲兆明,孫肖寧,袁揚,王慶國

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