导电聚合物复合材料（conductive polymer composites；CPCs）中分离结构的形成是一种在相对较低的填料负载下实现高导电性的有效策略。然而，并非所有聚合物都能满足传统热压成型（compression molding；CM）的要求，并且它总是会导致聚合物域之间出现弱界面结合。在此，提出了一种基于选择性微波烧结（selective microwave Sintering；SMS）的清洁且节能的方法，用于制备具有显着增强的电磁干扰（electromagnetic interference；EMI）屏蔽和机械性能的分离聚（乙烯-辛烯）（poly(ethylene-co-octene)；POE）/碳纳米管（carbon nanotube；CNT）复合材料。在外部力场下，CNT纳米颗粒选择性地分散并涂覆在POE颗粒的表面上。涂覆的CNT层作为微波吸收器，因此会在不破坏原始CNT分离网络的情况下，诱导相邻POE域的局部熔化和焊接。在这种情况下，POE链在界面区域发生强烈的相互扩散和缠结，以确保POE颗粒之间的高质量烧结。制备的导电POE/CNT复合材料具有显着增强的机械性能，与热压成型制备的样品相比，其拉伸强度几乎提高了2倍，断裂伸长率提高了10倍以上。此外，含2.10 vol% CNT的SMS复合材料在12.0 GHz频率下分别表现出优异的电导率为26.0 S/m和EMI SE为34.7 dB。此外，还通过红外热像仪和COMSOL模拟对烧结过程、强化机制以及相邻聚合物颗粒之间的融合行为进行了深入研究。

一、引言

随着电子设备的广泛应用，电磁污染问题日益严重，对电子设备和人体健康造成危害。CPCs因其轻质、可调导电性、耐腐蚀性和易于加工等优点，成为理想的电磁屏蔽材料。构建分离结构是提高 CPCs 导电性和电磁屏蔽性能的有效策略，但传统的热压成型方法存在局限性，难以实现高性能分离结构 CPCs 的制备。此外，分离结构的设计和制造过程往往导致机械性能下降。

国际知名期刊《Composites Science and Technology》曾发表了由四川大学聚合物材料工程国家重点实验室的研究团队完成的有关微波选择性烧结制备的分离结构聚合物/碳纳米管复合材料的研究成果。该研究提出了一种基于SMS制备POE/CNT复合材料的新方法。通过将 CNT 涂覆在 POE 粒子表面，利用微波加热的局部选择性，实现 POE 粒子之间的快速熔融和焊接，从而构建了高性能的分离结构。该复合材料展现出优异的电磁屏蔽性能和力学性能，为制备高性能 CPCs 提供了新的思路。论文标题为“Enhanced electromagnetic interference shielding and mechanical properties of segregated polymer/carbon nanotube composite via selective microwave sintering”。

二、研究内容及方法

研究使用了来自Suyu塑料有限公司的POE粉末和来自比利时Nanocyl S.A.的CNT作为填料。通过球磨机将不同体积分数的POE粉末与CNT混合，形成复合颗粒。这些复合颗粒被填充到特制的Teflon模具中，并在微波炉中进行选择性微波烧结，使POE颗粒之间熔融焊接形成分离结构。对烧结后的复合材料进行压缩，确保颗粒之间良好的焊接。为了比较，还使用传统的CM方法在62°C和10MPa下制备了具有相同CNT浓度的分相POE/CNT复合材料。

图1 通过选择性微波烧结制备分离的POE/CNT复合材料的工艺示意图。

该研究利用光学显微镜和扫描电子显微镜详细观察了通过SMS制备的POE/CNT复合材料的微观结构和形态。结果表明，通过球磨涂覆的CNT均匀地分布在POE颗粒表面，有助于在随后的烧结过程中形成导电网络。与传统CM样品相比，SMS样品的断裂面更加平整，CNT层与基体结合良好，没有明显的缺陷。随着微波烧结时间的延长，CNT层逐渐变薄并最终消失，这表明微波烧结显著提高了界面结合和机械强度，同时保持了完整的分相网络结构。此外，通过红外热像仪和COMSOL模拟，研究者们还深入探讨了微波辐射下复合材料的加热行为、增强机制以及邻近聚合物颗粒的融合行为。

图2 SEM图像显示了SMS2.10的断裂表面（a、b和c）和界面区域（d、e和f）的微观结构，微波时间分别为6、8和10秒；界面区域的结构演化（g）；在不同MW辐照时间下烧结的SMS2.10的电导率（h）和EMI SE（i）。

文章探讨了在微波辐射下选择性加热行为，这一行为依赖于POE和CNT的介电特性差异。通过实验观察了不同CNT含量的复合颗粒在300W微波场中6秒内的实时温度分布，发现CNT的负载量增加显著提高了微波加热效率。采用COMSOL Multiphysics软件模拟了微波辐射下POE/CNT复合颗粒的加热机制，结果显示热量主要集中在CNT涂层的外表面，而由于POE基体对微波的透明性，内部聚合物在辐射下保持未加热状态。这些发现证实了微波选择性加热模式的高效性和可控性，证明了其在构建完美分离导电结构方面的优势。

图3 在300W的给定MW功率下，POE/CNT复合颗粒在不同时间内的红外热图像（a:2s，b:4s，c:6s，d:8s，e:10s，f:12s）。

图4 POE/CNT复合颗粒的微波加热行为和传热的COMSOL模拟（模式网格（a）和10 W下1秒（b）、5秒（c）和10秒（d）的模拟过程）。

关于SMS 制备的 POE/CNT 复合材料的导电性和电磁屏蔽性能，研究发现，SMS 制备的复合材料与传统的CM制备的样品具有相似的导电性，表明 SMS 能够形成完善的导电网络。随着 CNT 含量的增加，两种制备方法的复合材料导电性都显著提高，表现出明显的渗流行为。SMS 制备的复合材料在 8.2-12.4 GHz 频率范围内表现出优异的电磁屏蔽性能，且随着 CNT 含量的增加而提高，平均屏蔽效能超过 20 dB，满足商业应用的要求。通过COMSOL模拟和实验数据，作者进一步探讨了复合材料的电磁屏蔽机制，以及如何通过构建分相结构来提高EMI屏蔽性能。

图5 具有不同CNT负载量的CM和SMS样品的抗拉强度（a）；具有0.43和2.10vol%CNT的SMS和CM样品的拉伸应力-应变曲线；具有不同CNT负载量的SMS样品的拉伸模量和断裂伸长率（c）；SMS2.10在不同应变下的循环拉伸恢复曲线（d）；拉伸断裂CM和SMS样品的数码照片（e）；SEM图像显示了拉伸CM（f）和SMS（g）样品的断裂表面和微观结构。

文章通过SMS制备的POE/CNT复合材料的机械性能进行了深入研究。与传统的CM样品相比，SMS样品展现出显著提高的拉伸强度和断裂伸长率，特别是当CNT含量较高时。例如，SMS2.10 样品的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了 100% 和 1000%。此外，SMS样品在循环拉伸恢复测试中显示出卓越的韧性和稳定性。SMS 技术通过局部加热和焊接相邻的 POE 域，有效地促进了分子链的扩散和缠结，从而增强了复合材料内部的相互作用和界面结合力。此外，CNT 填料在拉伸应力下重新排列和分散，吸收了大量的能量，并促进了应力的传递，从而提高了复合材料的弹性和韧性。

三、小结

该研究结果表明，微波选择性烧结技术能够有效制备具有高性能分离结构的 POE/CNT 复合材料。微波烧结实现了局部选择性加热和焊接，提高了界面结合强度和机械性能，同时保持了优异的电磁屏蔽性能。该研究为制备高性能 CPCs 提供了新的思路，具有重要的理论意义和应用价值。

原始文献:

Xu, D., Chen, W., & Liu, P. (2020). Enhanced electromagnetic interference shielding and mechanical properties of segregated polymer/carbon nanotube composite via selective microwave sintering. Composites Science and Technology, 199, 108355.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108355