基于聚苯胺的柔性红外隐身薄膜的制备与性能

doi:10.13475/j.fzxb.20250304001

基于聚苯胺的柔性红外隐身薄膜的制备与性能

吴晋瑶¹, 钟毅¹^,², 张琳萍¹^,², 徐红¹^,², 毛志平^,¹^,²

1.东华大学化学与化工学院, 上海 201620

2.东华大学国家染整工程技术研究中心, 上海 201620

Preparation and properties of flexible infrared stealth films based on polyaniline

WU Jinyao¹, ZHONG Yi¹^,², ZHANG Linping¹^,², XU Hong¹^,², MAO Zhiping^,¹^,²

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China

2. National Engineering Research Center for Dyeing and Finishing of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

通讯作者: 毛志平(1969—),男,研究员,博士。主要研究方向为纺织印染清洁加工及功能整理。E-mail:zhpmao@dhu.edu.cn。

收稿日期: 2025-03-20 修回日期: 2025-06-12

基金资助:

山东省重点研发计划(重大科技创新工程)项目(2021ZDPT03)

Received: 2025-03-20 Revised: 2025-06-12

作者简介 About authors

吴晋瑶(1999—),女,硕士生。主要研究方向为聚苯胺复合材料在红外隐身领域应用研究。

摘要

为解决聚苯胺(PANI)直接成膜柔韧性差,易脆裂剥落以及使用高发射率的黏合剂影响材料红外隐身性能的问题,选取具有化学稳定性不同厚度的柔性纳米多孔聚丙烯薄膜(nanoPP)和柔性聚酰亚胺薄膜(PI)作为基材,通过简单的刮涂法将掺杂樟脑磺酸的聚苯胺涂料(PANI-CSA)均匀负载于薄膜表面,制得柔性红外隐身薄膜:涂覆聚苯胺的nanoPP(PANI/PP)和涂覆聚苯胺的PI(PANI/PI)。通过表征柔性薄膜的结构、力学性能、红外发射率及红外热成像,探究其红外隐身性能。结果表明:以厚度为16 μm的nanoPP(nanoPP₁₆)为基材制得的PANI/PP₁₆薄膜在8~14 μm中红外波段的发射率低至0.21,且具有良好的柔韧性;能够在60 min内保持优异的红外隐身效果,与人体保持9~10 ℃的辐射温差,使人体完全隐匿于环境中;热稳定性良好,可适用于240 ℃以下的红外隐身应用场景。

关键词： 聚苯胺; 柔性薄膜; 可穿戴红外隐身材料; 纳米多孔聚丙烯薄膜; 聚酰亚胺薄膜

Abstract

Objective The continuous improvement of detection technologies presents significant challenges to stealth technology, getting more attention on the development of efficient infrared stealth technology. Polyaniline (PANI) offers an innovative approach with its unique electrochromic properties, low cost, low infrared radiation emissivity and easy processing. However, the practical application of PANI is hampered by problems such as poor flexibility, fragility, and easy peeling, and the application of its coatings is affected by high emissivity binder, which greatly limits its application in wearable devices. In order to realize the full potential of PANI, material properties must be optimised to address these limitations. In this research, the polyimide (PI) film and nanoporous polypropylene (nanoPP) films and were selected as the substrate to fabricate the flexible infrared stealth films.

Method Intrinsic state polyaniline was synthesized by chemical oxidative polymerization and subsequently doped with camphorsulfonic acid (CSA) through sufficient grinding at a molar ratio of 1∶0.8. The mixture was then stirred in an m-cresol solution for 48 h to obtain low-emissivity polyaniline coatings (PANI-CSA). The selected PI film and nanoPP films with a thickness of 16 μm (nanoPP₁₆), and a thickness of 25 μm (nanoPP₂₅)) were thoroughly washed with anhydrous ethanol and dried. The PANI-CSA coatings were uniformly applied to the films at a controlled height of 42 μm using a spatula and dried naturally at room temperature, hence obtaining the flexible low-emissivity films: polyaniline coated PI film (PANI/PI), polyaniline coated nanoPP₁₆ film (PANI/PP₁₆), and polyaniline coated nanoPP₂₅(PANI/PP₂₅).

Results The morphologies and structures of PI, nanoPP₁₆, nanoPP₂₅, PANI/PI, PANI/PP₁₆ and PANI/PP₂₅ films were analysed using SEM images. Among them, nanoPP₁₆ shows flat, interconnected slit-like porous structure with concentrated and regular pore size distribution. According to the particle size of the PANI-CSA coating (45.06 nm), the polyaniline can follow the solvent to enter into the pores of the film, and through the synergistic effect of mechanical interlocking effect and intermolecular van der Waals' force, the PANI/PP₁₆ film has smooth, low-emissivity surfaces without the use of high emissivity binders. Infrared reflectance and emissivity tests show that PANI/PI, PANI/PP₁₆ and PANI/PP₂₅ films all have low infrared emissivity and meet the requirements for infrared cloaking. Notably, PANI/PP₁₆ has the lowest emissivity (0.21), which is attributed to its moderate pore size, which allows for deeper penetration of the polyaniline and avoids agglomeration during drying. In a 60 min infrared stealth monitoring experiment using an infrared camera, PANI/PI initially showed good stealth performance, but the effect became uneven over time, with the emissivity temperature rising to 30.2 ℃ after 20 min and losing its stealth capability completely after 30 min. In contrast, PANI/PP₁₆ maintains excellent infrared stealth performance, with the surface radiation temperature stabilised at 23-24 ℃ in 60 min, which effectively masks the human body temperature and meets the requirement of long-time stealth. Thermal stability analysis shows that PANI/PP₁₆ can be used in infrared stealth scenarios up to 240 ℃. The unique properties of nanoPP₁₆, including its porous structure and flexibility, not only improve the adhesion and uniformity of polyaniline coatings without the use of binders, but also solve the brittleness problem usually associated with rigid polymers such as polyaniline. This combination of structural and functional advantages makes PANI/PP₁₆ an ideal candidate for applications requiring long-lasting and effective infrared cloaking capabilities. These findings highlight the importance of substrate selection and structural design in optimising the performance of polyaniline coatings for advanced cloaking applications.

Conclusion The results show that the PANI/PP₁₆ film has an emissivity as low as 0.21 in the mid-infrared band (8-14 μm) and maintains excellent infrared stealth performance for up to 60 min, with a radiant temperature difference of 9-10 ℃ from the palm of the hand, which allows the human body to be hidden from the environment. It is also thermally stable and can be used for infrared cloaking in scenarios up to 240 ℃. Additionally, the film has excellent flexibility, which successfully overcomes the problems of poor flexibility, fragility and flaking of pure polyaniline film, and effectively avoids the influence of conventional high emissivity binders on the overall stealth effect of the material This study provides a new approach for the application of polyaniline in the field of wearable infrared stealth materials

Keywords： polyaniline; flexible film; wearable infrared stealth material; nanoporous polypropylene film; polyimide film

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本文引用格式

吴晋瑶, 钟毅, 张琳萍, 徐红, 毛志平. 基于聚苯胺的柔性红外隐身薄膜的制备与性能[J]. 纺织学报, 2025, 46(09): 1-8 doi:10.13475/j.fzxb.20250304001

WU Jinyao, ZHONG Yi, ZHANG Linping, XU Hong, MAO Zhiping. Preparation and properties of flexible infrared stealth films based on polyaniline[J]. Journal of Textile Research, 2025, 46(09): 1-8 doi:10.13475/j.fzxb.20250304001

随着科技的迅猛发展与侦测技术的持续革新,军事目标在现代战场上的暴露风险显著增加,这促使各国军事科研机构加大了对各类隐身技术的研发力度^[1-2]。其中,红外隐身技术因其在陆地、海洋及空中作战环境中的广泛应用前景而受到特别关注^[3-4]。低发射率红外隐身材料是红外隐身技术的核心组成部分^[5-6],其主要功能是通过降低军事目标表面的红外发射率^[7],减少红外辐射特征,使目标难以被红外探测系统识别和追踪^[8-9]。

导电聚合物因其独特的电学和光学特性,成为突破有机低发射率材料研究的关键方向^[10-11]。其中,聚苯胺(PANI)凭借其独特的电致变色能力、轻量化特性、低成本及易加工性,为红外隐身领域提供了新的解决方案,并通过与其它材料的复合进一步拓展了应用潜力。然而,尽管PANI及其衍生物具有结构多样性和易加工的优点,但其难熔的特性增加了材料制备的复杂性和成本,并限制了最终产品的成形加工性能。实际应用中,为改善聚苯胺的加工性能,通常需要采用特殊工艺或添加助剂,此外,PANI在加工成均匀薄膜或涂层时需依赖复杂工艺(如溶液浇铸、电化学沉积),且成品柔韧性差、易脆裂剥落,难以适应可穿戴设备的应用需求^[12-13]。同时,聚苯胺涂料在织物基材上的应用通常依赖于黏合剂,而黏合剂所具有的高发射率特性,显著增加了复合体系在8~14 μm波段的红外发射率,导致材料整体红外隐身性能受到影响^[14-15],因此,要充分发挥聚苯胺的优势,需针对具体应用场景开发更有效的技术,优化材料性能以克服上述限制。

纳米多孔聚丙烯薄膜(nanoPP)、聚酰亚胺(PI)薄膜是具有高红外透明性的有机聚合物^[16],因此本文选用这些薄膜作为负载低发射率聚苯胺涂料的基材,成功制得了兼有低发射率和良好柔韧性的复合薄膜,克服了聚苯胺直接成膜时柔韧性差、易脆裂剥落的缺陷。同时,利用基材的孔径结构特征,实现机械互锁效应和分子间范德华力的协同作用,使得PANI涂层牢固附着。该设计有效规避了传统高发射率黏合剂对材料整体隐身效果的影响,为聚苯胺在可穿戴红外隐身领域的应用提供了新思路。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

薄膜:纳米多孔聚丙烯薄膜(A273),厚度为16 μm(nanoPP₁₆),聚丙烯薄膜,厚度为25 μm(nanoPP₂₅),美国Celgard公司;聚酰亚胺薄膜,深圳市润海电子有限公司。

试剂:苯胺、过硫酸铵(AR,国药集团化学试剂有限公司);盐酸、氨水、L-樟脑磺酸、间甲酚、无水乙醇(AR,上海泰坦科技股份有限公司)。

仪器:Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技有限公司);TM-3030型扫描电子显微镜、SU8010型场发射扫描电子显微镜(日立有限公司);209F3型热重分析仪(德国耐驰仪器公司);FLIR T540型红外热成像仪(美国福禄克电子仪器仪表公司);Zetasizer Nano ZS型纳米粒度及Zeta电位分析仪(英国Malvern Panalytical公司)。

1.2 样品的制备

1.2.1 低发射率聚苯胺涂料的制备

根据课题组前期的研究^[17],利用化学氧化聚合法制备本征态聚苯胺,制备步骤如下:以过硫酸铵为引发剂,在冰水浴条件下缓慢滴入苯胺的盐酸溶液中,于0~5 ℃下反应6 h,反应结束后,将产物充分洗涤后,置于氨水溶液中充分搅拌12 h,得到本征态聚苯胺。最后,将聚苯胺与樟脑磺酸以1∶0.8的量比混合后充分研磨掺杂,在间甲酚溶液中充分搅拌48 h,得到低发射率聚苯胺(PANI-CSA)涂料。

1.2.2 柔性红外隐身复合薄膜的制备

将所选取的薄膜PI、nanoPP₁₆、nanoPP₂₅,用无水乙醇进行充分洗涤干燥,基于课题组前期对聚苯胺(PANI)涂料体系参数的深入研究^[18],设置42 μm的高度将PANI-CSA涂料用刮刀均匀涂覆在薄膜上,室温下自然干燥,制得柔性低发射率薄膜PANI/PI、PANI/PP₁₆、PANI/PP₂₅。

1.3 性能表征与测试

1.3.1 形貌观察

使用场发射扫描电子显微镜和扫描电子显微镜观察基材PI、nanoPP₁₆、nanoPP₂₅薄膜以及涂覆聚苯胺后PANI/PI、PANI/PP₁₆、PANI/PP₂₅柔性低发射率薄膜的表面形貌。在载物台上贴上导电胶,将待测样品贴在上面放入喷金装置中喷金60 s,取出后放入仪器中观测样品表面的形态结构,最大加速电压为5 kV。

1.3.2 化学结构表征

使用傅里叶变换红外光谱仪对聚苯胺及柔性聚苯胺复合薄膜进行官能团分析,以确认聚苯胺的成功负载及柔性薄膜的结构特征。扫描范围为4 000~400 cm^-1,扫描次数为32。

1.3.3 热稳定性能表征

使用热重分析仪对样品进行热分解分析,研究样品的热稳定性能。选取约8 mg样品制成坩埚试样,在氮气氛围下,以10 ℃/min的升温速率,在30~600 ℃范围内对样品进行热分解分析。

1.3.4 发射率测试

使用傅里叶变换红外光谱仪对不同基材制备的柔性红外隐身薄膜PANI/PI、PANI/PP₁₆、PANI/PP₂₅进行发射率测试。扫描范围为4 000~400 cm^-1,扫描次数为32。

当物体表面接受能量时,对于透明物体,其吸收率α、反射率β和透过率γ之间的关系满足α+β+γ=1。基尔霍夫热辐射定律:在热平衡状态下,物体的吸收率与发射率相等。

根据上述定义将傅里叶变换红外光谱仪测量数据通过计算得到材料的发射率。

1.3.5 红外隐身效果测试

使用红外热成像仪对放置于手掌的不同基材制备的柔性薄膜拍摄红外热成像图和测量辐射温度。

1.3.6 平均粒度以及Zeta电位测试

将所制备的PANI-CSA涂料在超声清洗器中超声波处理30 min,使PANI在间甲酚溶剂中充分分散,使用纳米粒度及Zeta电位分析仪对PANI-CSA涂料进行平均粒度以及Zeta电位的测试,探究涂料的平均粒径以及其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 柔性红外隐身薄膜的化学结构分析

图1示出PANI/PP₁₆、nanoPP₁₆和PANI/PI、PI的傅里叶红外光谱图。从图1(a)可见,在nanoPP₁₆的红外光谱中,2 950~2 800 cm^-1区域的强吸收峰归因于聚丙烯分子链中甲基亚甲基(—CH₂—)和(—CH₂)的C—H键伸缩振动,1 455和1 376 cm^-1处吸收峰分别对应亚甲基的剪式振动和甲基的变形振动,证实了聚丙烯分子链中富含甲基和亚甲基单元。PANI/PP₁₆薄膜的红外光谱在3 500~3 200 cm^-1区域出现宽而强的吸收峰,对应于—N—H—基团的伸缩振动,表明分子链上存在氨基或亚氨基结构。1 583和1 500 cm^-1处的吸收峰分别对应醌式结构中—C=N—键和苯式结构中C=C键的伸缩振动,反映了聚苯胺分子链中的“苯-醌”交替结构。1 316 cm^-1处的吸收峰归属于C—N键的伸缩振动,1 165和827 cm^-1处的吸收峰分别对应苯环上C—N键的面内和面外弯曲振动,这些吸收峰进一步证明PANI/PP₁₆薄膜表面聚苯胺的成功负载。如图1(b)所示,在PI的红外光谱中1 776和1 712 cm^-1处的吸收峰为酰亚胺环上C=O不对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰;1 362 cm^-1处吸收峰为酰亚胺环上C—N—C伸缩振动峰,反映了酰亚胺环的基本结构特征;1 496 cm^-1处的峰与苯环的C=C振动有关;721 cm^-1处的吸收峰为酰亚胺环的面外弯曲振动(O=C—N—C=O),进一步确认聚酰亚胺的化学结构。在PANI/PI复合薄膜的红外谱图中,聚苯胺的特征峰包括:3 040~2 810 cm^-1区域的N—H伸缩振动峰,1 460和1 396 cm^-1处的C=N键和C=C键的伸缩振动峰,以及1 260 cm^-1处的C—N键伸缩振动峰,表明PANI在PI上的成功负载。

图1

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图1 不同薄膜的FT-IR光谱图

Fig.1 FT-IR spectra of different films. (a) PANI/PP₁₆ and nanoPP₁₆; (b) PANI/PI and PI

2.2 孔隙对柔性低发射率薄膜的影响

图2示出PI、nanoPP₁₆、nanoPP₂₅基材薄膜以及涂覆相同厚度聚苯胺的PANI/PI、PANI/PP₁₆、PANI/PP₂₅薄膜形貌结构的扫描电镜照片。可知不同薄膜的微观结构存在显著差异,图2(a)显示,PI薄膜表面光滑,无明显孔隙结构。对于nanoPP薄膜:图2(b)中,nanoPP₁₆呈现扁长且相互贯通的狭缝状多孔结构,孔径分布集中且规则;图2(c)中,nanoPP₂₅的孔隙结构与nanoPP₁₆相似,但孔径更大且分布更宽泛,多为微米级孔隙。因此,nanoPP薄膜整体表现出稳定且均匀的孔隙结构,有利于聚苯胺在其表面附着。如图2(d)所示,涂覆相同厚度聚苯胺涂料后,PI薄膜因含有极性基团而具有较高的表面能,聚苯胺可附着在薄膜表面,但分布不均匀,存在少量裂纹。相比之下,PANI/PP₁₆,PANI/PP₂₅表面聚苯胺涂层紧密附着,形成光滑的低发射率表面。

图2

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图2 不同薄膜的扫描电镜照片

Fig.2 SEM images of different films

对PANI-CSA涂料的平均粒径和Zeta电位进行测试,结果如图3所示。

图3

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图3 PANI-CSA涂料的粒径和Zeta电位

Fig.3 Particle size and Zeta potential of PANI-CAS coating

如图3所示,PANI-CSA涂料的平均粒径为(45.06±0.63) nm,这证明其能够进入nanoPP薄膜的孔隙内部,并形成致密的涂层。其Zeta电位为(25.10±4.65) mV,表明该涂料的分散稳定性较低,易发生团聚现象,尤其是在涂覆于表面光滑的PI薄膜上时,在室温干燥过程中影响聚苯胺的最终分布状态。相比之下,nanoPP₁₆和nanoPP₂₅薄膜由于其独特的多孔结构(如图2(b)、(c)所示),允许聚苯胺深入并填充这些孔隙,从而有效减少了干燥过程中的团聚现象。

图4示出PANI/PP₁₆薄膜和PANI/PI薄膜的截面和断面形貌扫描电镜照片。以PANI/PP₁₆薄膜为例(PANI/PP₂₅薄膜结构与之相同),从图4(a)、(b)可清晰看到PANI与nanoPP₁₆薄膜之间的紧密结合。这主要是通过机械互锁效应以及分子间的范德华力作用,使得聚苯胺涂层牢固附着在nanoPP₁₆薄膜表面。而对于PANI/PI薄膜,尽管也能实现一定的结合,但从图4(c)、(d)可看出,其结合存在轻微分层现象,整体结合不如PANI/PP₁₆薄膜紧密。

图4

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图4 柔性薄膜的截面和断面扫描电镜照片

Fig.4 SEM images of cross-sections and sections of flexible films. (a) Cross-section of PANI/PP₁₆ film;(b) Section of PANI/PP₁₆ film; (c) Cross-section of PANI/PI film; (d) Section of PANI/PI film

图5示出不同基材在8~14 μm波段的红外透过率和发射率。本文所选择的基材PI,nanoPP₁₆和nanoPP₂₅薄膜均为高红外透过率薄膜,其中PI薄膜的透过率为0.25,nanoPP₁₆和nanoPP₂₅薄膜的透过率均为0.81。因此,基材PI拥有较低的发射率(0.44),而nanoPP₁₆(0.01)和nanoPP₂₅(0.02)薄膜拥有极低的发射率,但由于其高透过率的特性,无法阻挡隐身目标的热量溢出,因此基材薄膜的发射率在本文研究中不具备讨论意义。

图5

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图5 不同基材的发射率和透过率

Fig.5 Emissivity and transmittance of different substrates

以nanoPP薄膜为基材制备柔性薄膜,测试了PANI/PI、PANI/PP₁₆、PANI/PP₂₅的反射率和发射率,结果如图6所示。红外反射率测试结果表明这3种复合薄膜的红外发射率都较低,成功避免了黏合剂对发射率造成的影响,满足红外隐身的需求^[19]。然而PANI/PI薄膜由于表面存在团聚现象,不够光滑平整(见图2),影响了材料的反射性能,因此表现出的发射率为0.3。在nanoPP薄膜中,nanoPP的狭缝状孔隙结构能够更好地负载聚苯胺涂层,表层聚苯胺形成均匀平整的表面与孔隙中的聚苯胺合成一体,增加涂层的牢度,同时平整的表面体现了聚苯胺的低红外发射率性能。与nanoPP₂₅相比,nanoPP₁₆薄膜由于表面孔径结构和大小的优势,更小的孔径可以使聚苯胺分子更均匀地深入孔隙内部并与基材形成紧密连接,同时有效防止聚苯胺在干燥过程中的团聚,有助于维持涂层的致密和平整,从而实现更低的发射率(0.21)。因此,以低的发射率,而nanoPP₁₆薄膜为基材的PANI/PP₁₆复合薄膜呈现出最低的红外发射率。

图6

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图6 不同基材制备的复合薄膜的反射率和发射率

Fig.6 Reflectance and emissivity of composite films prepared from different substrates

2.3 不同基材涂覆聚苯胺的红外隐身效果分析

图7示出PI、nanoPP₁₆、nanoPP₂₅、PANI/PI,PANI/PP₁₆和PANI/PP₂₅薄膜在60 min内于人体手掌上的红外隐身效果。

图7

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图7 不同薄膜的红外热成像图

Fig.7 Infrared thermogram images of different films

为进一步探究不同薄膜的红外隐身性能,选取PI、nanoPP₁₆、nanoPP₂₅、PANI/PI、PANI/PP₁₆和PANI/PP₂₅薄膜置于手掌心,利用红外热成像仪监测其60 min内的红外隐身效果。如图7所示,nanoPP₁₆和nanoPP₂₅,由于存在孔结构,无法有效减少人体热量向外界环境的辐射,因此能够清晰展现手掌的原始温度,不具备隐身效果。相比之下,尽管PI薄膜具备一定的隔热性能,但高红外透过率导致其无法有效遮蔽热辐射信号,因此不具备有效的隐身效果。PANI/PI薄膜在初始5 min内表现出良好的隐身效果,表面辐射温度为25.2 ℃,但随着时间延长,隐身效果逐渐不均匀,20 min时辐射温度上升至30.2 ℃,30 min后完全失去隐身效果。相比之下,PANI/PP₁₆薄膜因其表面均匀致密且光滑平整的聚苯胺涂层,展现出优异的红外隐身性能,在60 min内表面辐射温度稳定维持在23~24 ℃,与人体手掌保持9~10 ℃的温差,能够有效隐匿人体温度,满足长时间红外隐身需求。PANI/PP₂₅薄膜的性能与PANI/PP₁₆类似,但由于PANI/PP₁₆薄膜凭借更低的发射率和更优异的柔性,在人体服用红外隐身领域展现出更大的应用潜力,为后续发展提供了新思路。

2.4 PANI/PP₁₆薄膜的柔性分析

图8示出PANI/PP₁₆薄膜的柔性性能。由图可知,纳米多孔聚丙烯薄膜的特殊多孔结构和优异柔性有效中和了聚苯胺作为刚性聚合物的脆性问题。nanoPP薄膜的纳米孔隙结构通过机械互锁效应以及分子间范德华力的协同作用,有效抵抗界面剥离,因此,PANI/PP₁₆薄膜可在不使用高发射率黏合剂的情况下将聚苯胺涂料紧密附着在nanoPP₁₆薄膜表面,随意弯曲扭转都不会使聚苯胺涂层剥落,不仅具有更低的红外发射率,还兼具优异的柔性,更适合应用于人体可穿戴红外隐身材料。

图8

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图8 PANI/PP₁₆薄膜的柔性

Fig.8 Flexibility of PANI/PP₁₆ film

2.5 PANI/PP₁₆薄膜的热稳定性分析

为探究PANI/PP₁₆薄膜的热稳定性,对nanoPP₁₆、PANI、PANI-CSA以及PANI/PP₁₆进行了TG和DTG分析,结果如图9所示。可以看出,nanoPP₁₆在350 ℃开始热分解,并于455 ℃达到最快分解速率,此时其主链结构降解,“碳—碳”单键和双键交替结构被破坏,生成多种气态产物,最终在490 ℃完成分解,仅留下微量碳质残留物。PANI的热分解主要集中在450~600 ℃之间,分解速率在530 ℃达到峰值,此时“苯-醌”交替结构遭到破坏,生成多种气态产物;在100 ℃附近,约10%的质量损失归因于吸附水或结合水的蒸发,而当温度接近600 ℃时,大部分有机成分已完全分解,残留质量约为初始质量的60%。PANI-CSA在100 ℃附近同样表现出约6%的吸附水或结合水蒸发,在240~350 ℃范围内发生CSA脱掺杂及分解,随着温度升高,分子链段运动增强,导致更多掺杂剂脱除;随后在400~580 ℃范围内,聚苯胺主链发生断裂分解,再次引发显著的质量损失。作为涂覆PANI-CSA的nanoPP薄膜,PANI/PP₁₆的热分解曲线与PANI-CSA类似,在370~510 ℃范围内同时发生聚丙烯主链和聚苯胺主链的断裂分解,呈现出明显的质量下降趋势(见图9(b))。因此,可以适用于240 ℃以下的红外隐身场景。

图9

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图9 nanoPP₁₆、PANI、PANI-CSA和PANI/PP₁₆在氮气条件下的TGA曲线和DTG曲线

Fig.9 TGA curves (a) and DTG curves (b) of nanoPP₁₆, PANI, PANI-CSA and PANI/PP₁₆ under nitrogen gas conditions

3 结论

利用简单的刮涂法制备了具有良好柔性的低发射率薄膜:负载聚苯胺的聚酰亚胺(PANI/PI),负载聚苯胺厚度为16 μm的纳米多孔聚乙烯(PANI/PP₁₆)和负载聚苯胺厚度为25 μm的纳米多孔聚乙烯(PANI/PP₂₅),通过实验得到如下主要结论。

1) 所制备PANI/PI,PANI/PP₁₆和PANI/PP₂₅薄膜表面的聚苯胺涂层均匀紧密,因此都具有较低的发射率表面。

2) 得益于薄膜优异的耐有机溶剂性能和纳米多孔结构特性,可以在不使用高发射率黏合剂的情况下使聚苯胺涂料紧密附着,避免了黏合剂对体系发射率的影响,制得具有低发射率(0.21)和良好的柔性的PANI/PP₁₆薄膜,成功克服了聚苯胺直接成膜时柔韧性差、易脆裂剥落和涂覆黏合剂影响发射率的问题。

3) PANI/PP₁₆薄膜具有良好的热稳定性,可以满足于240 ℃以下场景的红外隐身需求,且在60 min内能够保持良好的红外隐身效果,其优异的柔性使其适用于红外隐身纺织品材料,为聚苯胺在可穿戴红外隐身领域的应用提供了新思路。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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