【科研进展】多相碳纳米纤维/聚乙烯复合材料介电性能

研究背景    

聚乙烯是应用最广泛的工程塑料之一，具有诸多优良性能，如良好的加工特性、较好的耐化学试剂性能、高介电强度、高力学性能和低生产成本等，因此，聚乙烯已普遍应用于众多工业领域，如包装业、消费品、管状器具和绝缘材料等。高密度聚乙烯（HDPE）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是较为重要的两种聚乙烯材料，各有其自身优点和不足。HDPE具有良好的流动性能、化学稳定性和抗蠕变性能，但是其耐磨性较差。UHMWPE具有优异的力学性能和耐摩擦性能，但是抗蠕变性能较差，且熔体黏度很大，难以加工成型。为了获取综合性能优良的聚合物材料，共混改性已经成为一种极其重要的有效途径。

另一方面，随着新工业不断发展，仅仅依靠聚合物材料自身的性能，已经无法满足日益增长的新需求，通过在聚合物材料中添加各种纳米填料，形成纳米复合材料，是一种常见的有效途径。其中，碳纳米管（CNT）由于高导电率和大长径比等优点，一直是纳米复合材料领域中极具竞争力的一种纳米填料。

本工作以HDPE和UHMWPE/HDPE共混物（简写为UH-HDPE）为聚合物基体，CNF为纳米填料，制备两相和多相聚合物基纳米复合材料。研究CNF在聚合物基体中的分散及分布特性，并讨论CNF含量及其分布状态对复合材料介电性能的影响规律。

结果展示

图1为HDPE和CNF含量分别为1%（质量分数，下同）和10%的CNF/HDPE复合材料断面微观形貌。可以看出，CNF可良好分散于HDPE基体中，无明显团聚现象发生。这说明在熔融共混过程中，转矩流变仪的高剪切力作用足以打破由CNF自身的高表面能而导致的团聚体。

图2为HDPE及其复合材料的横断面微观形貌。当CNF含量为 1%时（图2（b）），复合材料的断面与HDPE（图2（a））基本相同，表面均较平整光滑。当CNF含量提高至5%（图2（c）），断面开始变得不平整，出现少许空孔。当CNF含量达到10%时（图2（d）），断面上出现大量空孔，且HDPE发生明显的塑性变形。

(c)5%CNF/HDPE；(d)10%CNF/HDPE

图3为UH-HDPE共混物和CNF/UH-HDPE复合材料的横断面微观形貌，其中CNF含量为1%和3%。由图3（a）可以看到，UH-HDPE共混物的横断面上有明暗不同的两个区域，分别以A区域和B区域表示。由图3（b）和（c）可以看到，CNF主要分散于A区域，而在B区域无法观察到CNF的存在。A区域为HDPE相，B区域为UHMWPE相，CNF主要分散于HDPE相中。CNF/UH-HDPE复合材料中实际存在CNF、HDPE和UHMWPE三相，可以将UHMWPE看作一种绝缘填料，在HDPE基体中用以改变CNF的分布状态。CNF在CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE复合材料中，均呈良好分散状态，但仅分散于HDPE基体中。在CNF/HDPE复合材料中，CNF呈均匀分布状态，在CNF/UH-HDPE复合材料中，由于CNF无法渗入UHMWPE相，CNF呈非均匀分布状态。

(c)3%CNF/UH-HDPE

CNF/HDPE复合材料的介电常数如图4所示，频率范围是102~106 Hz。可以看到，复合材料的介电常数随着CNF含量增加而显著提高。当CNF含量达到7.5%以上时，复合材料的介电常数提高至190 (100 Hz)，约为HDPE材料的50倍。复合材料的界面相是其介电性能的决定性因素。尤其是在纳米复合材料中，由于纳米填料尺寸小、比表面积大，会在复合材料中引入大量界面区域，对复合材料的介电行为产生显著的影响。在CNF/HDPE复合材料中，随着CNF含量增加，CNF/HDPE界面区域急剧增多，因此大幅度提高复合材料的介电常数。还可以看到，HDPE的介电常数不随频率的改变而发生变化，随着CNF含量的增加，复合材料的介电常数逐渐开始随着频率发生变化，当CNF含量达到7.5%以上时，复合材料的介电常数表现出强烈的频率依赖性，介电常数随着频率提高而降低。

图5为CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE复合材料在频率为100 Hz时的介电常数对比图。可以看到， CNF/UH-HDPE三相复合材料的介电常数变化趋势与CNF/HDPE两相复合材料基本相同，复合材料的介电常数随着CNF含量增加而提高。同时还发现一个有趣的现象，即在CNF含量相同时，CNF/UH-HDPE复合材料的介电常数高于CNF/HDPE复合材料。

CNF/HDPE复合材料的介电损耗如图6所示。由图可知，当CNF含量≤4%时，复合材料的介电损耗和HDPE基本相同，且不随频率改变而发生变化。当CNF含量为5%时，介电损耗值增大至0.1左右，同时表现出明显的频率依赖性。当CNF含量达到7.5%以上时，低频介电损耗急剧增大，强烈依赖于频率变化。这说明当CNF达到一定含量后，偶极子取向极化效应显著增强。在低频范围，偶极子有足够时间跟上电场方向变化而发生取向运动，导致大量能量损耗。此结果与介电常数的变化趋势一致。

图7为CNF/HDPE和CNF/UH-HDPE复合材料的介电损耗对比图。可以看出，当CNF含量为1%时，两相和三相复合材料均未产生明显的介电损耗，与聚合物材料维持在相同水平上。当CNF含量达到3%，两相复合材料的介电损耗仍无明显变化，三相复合材料的介电损耗略有增加。这是由于引入UHMWPE，提高了HDPE相中CNF的实际含量，此结果对应于CNF/UH-HDPE复合材料略高的介电常数。

文章来源： 《材料工程》

多相碳纳米纤维/聚乙烯复合材料介电性能

孙莉莉, 吴南, 彭睿

2020, 40(4): 109-115   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000013

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