研究背景
聚乙烯是應(yīng)用最廣泛的工程塑料之一，具有諸多優(yōu)良性能，如良好的加工特性、較好的耐化學(xué)試劑性能、高介電強(qiáng)度、高力學(xué)性能和低生產(chǎn)成本等，因此，聚乙烯已普遍應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，如包裝業(yè)、消費(fèi)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(yōu)點(diǎn)和不足。HDPE具有良好的流動(dòng)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和抗蠕變性能，但是其耐磨性較差。UHMWPE具有優(yōu)異的力學(xué)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(yōu)良的聚合物材料，共混改性已經(jīng)成為一種極其重要的有效途徑。
另一方面，隨著新工業(yè)不斷發(fā)展，僅僅依靠聚合物材料自身的性能，已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的新需求，通過(guò)在聚合物材料中添加各種納米填料，形成納米復(fù)合材料，是一種常見(jiàn)的有效途徑。其中，碳納米管（CNT）由于高導(dǎo)電率和大長(zhǎng)徑比等優(yōu)點(diǎn)，一直是納米復(fù)合材料領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種納米填料。
本工作以HDPE和UHMWPE/HDPE共混物（簡(jiǎn)寫為UH-HDPE）為聚合物基體，CNF為納米填料，制備兩相和多相聚合物基納米復(fù)合材料。研究CNF在聚合物基體中的分散及分布特性，并討論CNF含量及其分布狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料介電性能的影響規(guī)律。
結(jié)果展示
圖1為HDPE和CNF含量分別為1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和10%的CNF/HDPE復(fù)合材料斷面微觀形貌。可以看出，CNF可良好分散于HDPE基體中，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。這說(shuō)明在熔融共混過(guò)程中，轉(zhuǎn)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(dǎo)致的團(tuán)聚體。圖1 不同含量CNF在HDPE基體中的分散狀態(tài)
(a)1%CNF；(b)10%CNF
圖2為HDPE及其復(fù)合材料的橫斷面微觀形貌。當(dāng)CNF含量為 1%時(shí)（（b）），復(fù)合材料的斷面與HDPE（（a））基本相同，表面均較平整光滑。當(dāng)CNF含量提高至5%（（c）），斷面開(kāi)始變得不平整，出現(xiàn)少許空孔。當(dāng)CNF含量達(dá)到10%時(shí)（（d）），斷面上出現(xiàn)大量空孔，且HDPE發(fā)生明顯的塑性變形。圖2 HDPE及其復(fù)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復(fù)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(gè)區(qū)域，分別以A區(qū)域和B區(qū)域表示。由圖3（b）和（c）可以看到，CNF主要分散于A區(qū)域，而在B區(qū)域無(wú)法觀察到CNF的存在。A區(qū)域?yàn)镠DPE相，B區(qū)域?yàn)閁HMWPE相，CNF主要分散于HDPE相中。CNF/UH-HDPE復(fù)合材料中實(shí)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(tài)。CNF在CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE復(fù)合材料中，均呈良好分散狀態(tài)，但僅分散于HDPE基體中。在CNF/HDPE復(fù)合材料中，CNF呈均勻分布狀態(tài)，在CNF/UH-HDPE復(fù)合材料中，由于CNF無(wú)法滲入U(xiǎn)HMWPE相，CNF呈非均勻分布狀態(tài)。圖3 CNF在UH-HDPE基體中的分散狀態(tài)
(a)UH-HDPE；(b)1%CNF/UH-HDPE；
(c)3%CNF/UH-HDPE
CNF/HDPE復(fù)合材料的介電常數(shù)如圖4所示，頻率范圍是102~106 Hz。可以看到，復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著CNF含量增加而顯著提高。當(dāng)CNF含量達(dá)到7.5%以上時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)提高至190 (100 Hz)，約為HDPE材料的50倍。復(fù)合材料的界面相是其介電性能的決定性因素。尤其是在納米復(fù)合材料中，由于納米填料尺寸小、比表面積大，會(huì)在復(fù)合材料中引入大量界面區(qū)域，對(duì)復(fù)合材料的介電行為產(chǎn)生顯著的影響。在CNF/HDPE復(fù)合材料中，隨著CNF含量增加，CNF/HDPE界面區(qū)域急劇增多，因此大幅度提高復(fù)合材料的介電常數(shù)。還可以看到，HDPE的介電常數(shù)不隨頻率的改變而發(fā)生變化，隨著CNF含量的增加，復(fù)合材料的介電常數(shù)逐漸開(kāi)始隨著頻率發(fā)生變化，當(dāng)CNF含量達(dá)到7.5%以上時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的頻率依賴性，介電常數(shù)隨著頻率提高而降低。圖4 CNF/HDPE復(fù)合材料的介電常數(shù)
(a)1%~10%CNF/HDPE；
(b)1%~5%CNF/HDPE局部放大圖
圖5為CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE復(fù)合材料在頻率為100 Hz時(shí)的介電常數(shù)對(duì)比圖。可以看到， CNF/UH-HDPE三相復(fù)合材料的介電常數(shù)變化趨勢(shì)與CNF/HDPE兩相復(fù)合材料基本相同，復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著CNF含量增加而提高。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即在CNF含量相同時(shí)，CNF/UH-HDPE復(fù)合材料的介電常數(shù)高于CNF/HDPE復(fù)合材料。圖5 CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE復(fù)合材料介電常數(shù)對(duì)比圖
CNF/HDPE復(fù)合材料的介電損耗如圖6所示。由圖可知，當(dāng)CNF含量≤4%時(shí)，復(fù)合材料的介電損耗和HDPE基本相同，且不隨頻率改變而發(fā)生變化。當(dāng)CNF含量為5%時(shí)，介電損耗值增大至0.1左右，同時(shí)表現(xiàn)出明顯的頻率依賴性。當(dāng)CNF含量達(dá)到7.5%以上時(shí)，低頻介電損耗急劇增大，強(qiáng)烈依賴于頻率變化。這說(shuō)明當(dāng)CNF達(dá)到一定含量后，偶極子取向極化效應(yīng)顯著增強(qiáng)。在低頻范圍，偶極子有足夠時(shí)間跟上電場(chǎng)方向變化而發(fā)生取向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致大量能量損耗。此結(jié)果與介電常數(shù)的變化趨勢(shì)一致。圖6 CNF/HDPE復(fù)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復(fù)合材料的介電損耗對(duì)比圖。可以看出，當(dāng)CNF含量為1%時(shí)，兩相和三相復(fù)合材料均未產(chǎn)生明顯的介電損耗，與聚合物材料維持在相同水平上。當(dāng)CNF含量達(dá)到3%，兩相復(fù)合材料的介電損耗仍無(wú)明顯變化，三相復(fù)合材料的介電損耗略有增加。這是由于引入U(xiǎn)HMWPE，提高了HDPE相中CNF的實(shí)際含量，此結(jié)果對(duì)應(yīng)于CNF/UH-HDPE復(fù)合材料略高的介電常數(shù)。圖7 CNF/UH-HDPE和CNF/HDPE復(fù)合材料的介電損耗對(duì)比圖
文章來(lái)源： 《材料工程》
多相碳納米纖維/聚乙烯復(fù)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(biāo)題：《【科研進(jìn)展】多相碳納米纖維/聚乙烯復(fù)合材料介電性能》
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