一、研究背景

納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的電氣和機(jī)械特性、耐腐蝕性、耐高溫性以及在各種環(huán)境中的可靠性能。然而，聚合物中納米填料的正確選擇在很大程度上會(huì)影響納米復(fù)合材料的性能，如結(jié)構(gòu)、熱耐久性、水回彈性、阻燃性能和機(jī)械性能。因此，全世界的研究人員都在努力開發(fā)能滿足當(dāng)前市場實(shí)際應(yīng)用需求的材料。

聚合物納米復(fù)合材料的最新進(jìn)展表明，通過加入各種納米填料，聚合物納米復(fù)合材料的機(jī)械、電氣和熱性能得到了顯著改善。例如，El Gohary 等人（2023 年）研究了摻雜納米銅粒子（Cu NPs）和納米氧化鋅（ZnO NRs）的聚乙烯醇（PVA）和海藻酸鈉混合物的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和介電特性。這種混合納米復(fù)合材料的性能指標(biāo)得到了提高，由于其結(jié)構(gòu)完整性和電氣性能得到了改善，因此非常適合儲(chǔ)能應(yīng)用。同樣，Meera 和 Ramesan（2023 年）也探索了沸石納米顆粒對(duì)羧甲基殼聚糖/PVA 混合納米復(fù)合材料的增強(qiáng)作用。他們?cè)谘芯恐惺褂玫木G色合成方法得到了具有優(yōu)異機(jī)械、熱和阻隔性能的納米復(fù)合材料。這些性能的提高對(duì)于生物降解包裝和其他環(huán)保材料的應(yīng)用至關(guān)重要。

在另一項(xiàng)研究中，Ramesan 等人（2018 年）制備并表征了一種基于 PVA、腰果樹膠 (CTG) 和浮石顆粒的聚合物共混復(fù)合材料。他們的研究發(fā)現(xiàn)，添加浮石顆粒會(huì)導(dǎo)致 PVA/CTG 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，從而改善導(dǎo)電性和介電性能，尤其是在浮石含量為 10 wt% 時(shí)。這種改善歸因于浮石顆粒在聚合物鏈中的有序性提高。此外，在 PVA 基質(zhì)中加入導(dǎo)電納米填料（如碳納米管 (CNT) 和氧化鋅等金屬氧化物）也是許多研究的重點(diǎn)。例如，研究表明，加入此類納米填料可顯著提高聚合物基體的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，從而拓寬了 PVA 基納米復(fù)合材料在先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在另一項(xiàng)研究中，使用不同重量比的 MWCNT 合成了 PVA/MWCNT 納米復(fù)合薄膜，可用于開發(fā)基于納米技術(shù)的能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備。

對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的深入研究表明，PVA 作為一種基本聚合物，具有水溶性、無害性、良好的電學(xué)和光學(xué)特性、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的介電特性等顯著特點(diǎn)。另一方面，氧化鋅是一種無機(jī)物，以其半導(dǎo)體和壓電特性而聞名，在電子應(yīng)用中具有重要價(jià)值。碳納米管為圓柱形結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和導(dǎo)電性能對(duì)增強(qiáng)復(fù)合材料的電氣屬性非常重要。由于碳納米管具有各種優(yōu)異特性，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

因此，本研究旨在探討 CNTs 和 ZnO 對(duì)電紡絲法合成的 PVA 基復(fù)合材料的電氣和機(jī)械性能的影響。此外，本研究還旨在探討這些納米填料的加入如何提高 PVA 復(fù)合材料的性能，從而擴(kuò)大其在先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、摘要

本研究以碳納米管（CNTs）和氧化鋅（ZnO）為填料，在聚乙烯醇（PVA）基體中合成了聚合物復(fù)合納米纖維和薄膜，旨在評(píng)估它們的電氣和機(jī)械性能。采用靜電紡絲機(jī)器和溶液澆鑄技術(shù)，將不同重量比的 CNTs 和 ZnO 分別加入 PVA 基體中，制備出了復(fù)合納米纖維和薄膜。將特定重量比的 PVA、ZnO 和 CNT 混合后制備溶液，然后進(jìn)行磁力攪拌和超聲波均質(zhì)。電紡絲在 20 千伏電壓下進(jìn)行，注射器到收集器的距離為 14.5 厘米，流速為 2.4 毫升/小時(shí)。使用傅立葉變換紅外光譜和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征。PVA/5%ZnO/0.5%CNT 復(fù)合材料在高頻下的介電常數(shù)最高，為 10.3，而 PVA/5%CNT 在 2 MHz 時(shí)的電容最高，為 31.1 pF。PVA/5%ZnO/0.5%CNT 復(fù)合材料的最大交流電導(dǎo)率也達(dá)到了 2.72 × 10- 7S/m。機(jī)械測試表明，PVA/5%CNT 復(fù)合材料的楊氏模量、應(yīng)力屈服和負(fù)載屈服均有明顯改善，楊氏模量達(dá)到 387.12 兆帕，應(yīng)力屈服達(dá)到 6.92 兆帕。氧化鋅和碳納米管填料的添加增強(qiáng)了電氣和機(jī)械性能，使這些復(fù)合材料適合應(yīng)用于微電子設(shè)備和包裝材料。

三、結(jié)論

利用靜電紡絲機(jī)器合成了純 PVA 基體及其復(fù)合材料的二元和三元復(fù)合納米纖維，并通過溶液澆鑄法合成了薄膜。與該領(lǐng)域的其他研究相比，合成的二元和三元 PVA 基復(fù)合材料在電氣和機(jī)械性能方面都有顯著提高。傅立葉變換紅外光譜和掃描電鏡分析對(duì)這些復(fù)合納米纖維進(jìn)行了表征。對(duì)電紡納米纖維的電氣性能進(jìn)行了評(píng)估。使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測量了薄膜的機(jī)械性能。傅立葉變換紅外光譜結(jié)果證實(shí)了填料與主基體之間的強(qiáng)烈相互作用。掃描電子顯微鏡分析表明，添加的材料分散良好，沒有孔隙、空洞或團(tuán)聚，與純 PVA 納米纖維相比，納米纖維的密度有所增加。電學(xué)特性包括介電常數(shù)、電容、交流電導(dǎo)率和介電損耗。PVA/5%ZnO)/0.5%CNTs 的介電常數(shù)最高，達(dá)到 10.3，超過了 PVA-TiO2 和 PVA-SiO2 復(fù)合材料等類似研究中報(bào)告的數(shù)值，而 PVA/5%CNTs 的最大電容為 31.1 pF。此外，PVA/5%ZnO/0.5%CNTs 復(fù)合材料的電導(dǎo)率為 2.72 × 10- 7S/m，優(yōu)于 PVA-Graphene 和 PVA-Ag 復(fù)合材料等其他材料。同樣，還測量了薄膜的機(jī)械性能。機(jī)械性能，包括增強(qiáng)的楊氏模量、應(yīng)力屈服、應(yīng)變屈服和斷裂伸長率，進(jìn)一步凸顯了這些復(fù)合材料的卓越性能。這些增強(qiáng)的性能使這些材料特別適用于微電子設(shè)備，因?yàn)樵谶@些設(shè)備中，高介電常數(shù)和可控導(dǎo)電性是實(shí)現(xiàn)高效性能的關(guān)鍵。復(fù)合膜機(jī)械強(qiáng)度和耐久性的提高也使其成為理想的包裝材料，既能提供柔韌性，又能提供強(qiáng)度。因此，這些復(fù)合材料在電氣和機(jī)械特性方面的進(jìn)步凸顯了它們?cè)谖㈦娮樱姎猓┖头庋b（機(jī)械）應(yīng)用中的潛在用途。

圖1.溶液制備示意圖。

圖2.電紡絲方案

圖3.純 PVA（a,b）、PVA/5%ZnO（c,d）、PVA/5%CNT（e,f）、PVA/5%ZnO/0.5%CNT（g,h）和 PVA/5%ZnO/1%CNT （i,j）的掃描電鏡分析。

圖4.純 PVA（a,b）、PVA/5%ZnO（c,d）、PVA/5%CNT（e,f）、PVA/5%ZnO/0.5%CNT（g,h）和 PVA/5%ZnO/1%CNT （i,j）的掃描電鏡分析。