【科研進展】多相碳納米纖維/聚乙烯複合材料介電性能

2021-01-08 澎湃新聞
【科研進展】多相碳納米纖維/聚乙烯複合材料介電性能

2020-12-23 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

研究背景

聚乙烯是應用最廣泛的工程塑料之一，具有諸多優良性能，如良好的加工特性、較好的耐化學試劑性能、高介電強度、高力學性能和低生產成本等，因此，聚乙烯已普遍應用於眾多工業領域，如包裝業、消費品、管狀器具和絕緣材料等。高密度聚乙烯（HDPE）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是較為重要的兩種聚乙烯材料，各有其自身優點和不足。HDPE具有良好的流動性能、化學穩定性和抗蠕變性能，但是其耐磨性較差。UHMWPE具有優異的力學性能和耐摩擦性能，但是抗蠕變性能較差，且熔體黏度很大，難以加工成型。為了獲取綜合性能優良的聚合物材料，共混改性已經成為一種極其重要的有效途徑。

另一方面，隨著新工業不斷發展，僅僅依靠聚合物材料自身的性能，已經無法滿足日益增長的新需求，通過在聚合物材料中添加各種納米填料，形成納米複合材料，是一種常見的有效途徑。其中，碳納米管（CNT）由於高導電率和大長徑比等優點，一直是納米複合材料領域中極具競爭力的一種納米填料。

本工作以HDPE和UHMWPE/HDPE共混物（簡寫為UH-HDPE）為聚合物基體，CNF為納米填料，製備兩相和多相聚合物基納米複合材料。研究CNF在聚合物基體中的分散及分布特性，並討論CNF含量及其分布狀態對複合材料介電性能的影響規律。

結果展示

圖1為HDPE和CNF含量分別為1%（質量分數，下同）和10%的CNF/HDPE複合材料斷面微觀形貌。可以看出，CNF可良好分散於HDPE基體中，無明顯團聚現象發生。這說明在熔融共混過程中，轉矩流變儀的高剪切力作用足以打破由CNF自身的高表面能而導致的團聚體。

圖1 不同含量CNF在HDPE基體中的分散狀態

(a)1%CNF；(b)10%CNF

圖2為HDPE及其複合材料的橫斷面微觀形貌。當CNF含量為 1%時（圖2（b）），複合材料的斷面與HDPE（圖2（a））基本相同，表面均較平整光滑。當CNF含量提高至5%（圖2（c）），斷面開始變得不平整，出現少許空孔。當CNF含量達到10%時（圖2（d）），斷面上出現大量空孔，且HDPE發生明顯的塑性變形。

圖2 HDPE及其複合材料的橫斷面微觀形貌

(a)HDPE；(b)1%CNF/HDPE；

(c)5%CNF/HDPE；(d)10%CNF/HDPE

圖3為UH-HDPE共混物和CNF/UH-HDPE複合材料的橫斷面微觀形貌，其中CNF含量為1%和3%。由圖3（a）可以看到，UH-HDPE共混物的橫斷面上有明暗不同的兩個區域，分別以A區域和B區域表示。由圖3（b）和（c）可以看到，CNF主要分散於A區域，而在B區域無法觀察到CNF的存在。A區域為HDPE相，B區域為UHMWPE相，CNF主要分散於HDPE相中。CNF/UH-HDPE複合材料中實際存在CNF、HDPE和UHMWPE三相，可以將UHMWPE看作一種絕緣填料，在HDPE基體中用以改變CNF的分布狀態。CNF在CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE複合材料中，均呈良好分散狀態，但僅分散於HDPE基體中。在CNF/HDPE複合材料中，CNF呈均勻分布狀態，在CNF/UH-HDPE複合材料中，由於CNF無法滲入UHMWPE相，CNF呈非均勻分布狀態。

圖3 CNF在UH-HDPE基體中的分散狀態

(a)UH-HDPE；(b)1%CNF/UH-HDPE；

(c)3%CNF/UH-HDPE

CNF/HDPE複合材料的介電常數如圖4所示，頻率範圍是102~106 Hz。可以看到，複合材料的介電常數隨著CNF含量增加而顯著提高。當CNF含量達到7.5%以上時，複合材料的介電常數提高至190 (100 Hz)，約為HDPE材料的50倍。複合材料的界面相是其介電性能的決定性因素。尤其是在納米複合材料中，由於納米填料尺寸小、比表面積大，會在複合材料中引入大量界面區域，對複合材料的介電行為產生顯著的影響。在CNF/HDPE複合材料中，隨著CNF含量增加，CNF/HDPE界面區域急劇增多，因此大幅度提高複合材料的介電常數。還可以看到，HDPE的介電常數不隨頻率的改變而發生變化，隨著CNF含量的增加，複合材料的介電常數逐漸開始隨著頻率發生變化，當CNF含量達到7.5%以上時，複合材料的介電常數表現出強烈的頻率依賴性，介電常數隨著頻率提高而降低。

圖4 CNF/HDPE複合材料的介電常數

(a)1%~10%CNF/HDPE；

(b)1%~5%CNF/HDPE局部放大圖

圖5為CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE複合材料在頻率為100 Hz時的介電常數對比圖。可以看到， CNF/UH-HDPE三相複合材料的介電常數變化趨勢與CNF/HDPE兩相複合材料基本相同，複合材料的介電常數隨著CNF含量增加而提高。同時還發現一個有趣的現象，即在CNF含量相同時，CNF/UH-HDPE複合材料的介電常數高於CNF/HDPE複合材料。

圖5 CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE複合材料介電常數對比圖

CNF/HDPE複合材料的介電損耗如圖6所示。由圖可知，當CNF含量≤4%時，複合材料的介電損耗和HDPE基本相同，且不隨頻率改變而發生變化。當CNF含量為5%時，介電損耗值增大至0.1左右，同時表現出明顯的頻率依賴性。當CNF含量達到7.5%以上時，低頻介電損耗急劇增大，強烈依賴於頻率變化。這說明當CNF達到一定含量後，偶極子取向極化效應顯著增強。在低頻範圍，偶極子有足夠時間跟上電場方向變化而發生取向運動，導致大量能量損耗。此結果與介電常數的變化趨勢一致。

圖6 CNF/HDPE複合材料的介電損耗

(a)1%~10%CNF/HDPE；

(b)1%~7.5%CNF/HDPE局部放大圖

圖7為CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE複合材料的介電損耗對比圖。可以看出，當CNF含量為1%時，兩相和三相複合材料均未產生明顯的介電損耗，與聚合物材料維持在相同水平上。當CNF含量達到3%，兩相複合材料的介電損耗仍無明顯變化，三相複合材料的介電損耗略有增加。這是由於引入UHMWPE，提高了HDPE相中CNF的實際含量，此結果對應於CNF/UH-HDPE複合材料略高的介電常數。

圖7 CNF/UH-HDPE和CNF/HDPE複合材料的介電損耗對比圖

文章來源： 《材料工程》

多相碳納米纖維/聚乙烯複合材料介電性能

孫莉莉, 吳南, 彭睿

2020, 40(4): 109-115

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000013

原標題：《【科研進展】多相碳納米纖維/聚乙烯複合材料介電性能》

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