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  隨著可持續(xù)性發(fā)展要求的提出，熱塑性樹脂在聚合物基復(fù)合材料中的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。相較于熱固性樹脂，熱塑性樹脂具有韌性好、損傷容限大、儲存不受限制、成型工藝簡便、可回收重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。然而，熱塑性樹脂在加工成型過程中需要加熱至熔融狀態(tài)，傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)和熱輻射等方式加熱速度慢，效率低且能耗極高，嚴(yán)重制約了熱塑性樹脂在復(fù)合材料中的發(fā)展應(yīng)用。因此，研究熱塑性樹脂高效加熱成型方式，并將其工藝過程可控化，對熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展顯得尤為重要。

  針對上述問題，武漢理工大學(xué)王鈞教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了微波加熱熱塑性復(fù)合材料的高效、可控性研究，設(shè)計(jì)了不同含量MWCNT作為微波敏化劑填料，通過熔融共混工藝將其均勻分散到PP基體中，制備出具有微波吸收性能的MWCNT/PP復(fù)合材料，研究了MWCNT含量對材料微波加熱性能的影響及微波加熱機(jī)理，并對加熱結(jié)果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。MWCNT/PP復(fù)合材料在商用微波爐（2.45 GHz）中加熱5 s后的溫度分布如圖1所示，可以看出樣品的溫度在MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到最高（290 ℃）。

圖1 樣品在2.45 GHz微波爐中加熱5 s后的溫度分布圖

  加熱溫度隨MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律和所測的微波吸收率的變化規(guī)律是一致的（圖2），這表明MWCNT的加入能使熱塑性樹脂具有可調(diào)的微波加熱的性能，并且其最優(yōu)值可以通過材料的S參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

圖2 樣品的吸收率和實(shí)測微波加熱最高溫度曲線

  圖3展示了MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)對電導(dǎo)率及微波加熱性能的影響。圖3a表明材料的微波反射率（R）與其電導(dǎo)率的變化密切相關(guān)。圖3b表明隨著MWCNT含量的升高，微波透射率（T）值迅速下降，當(dāng)MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，下降速率趨于平緩，但仍然在不斷下降，最終趨近于零。即當(dāng)MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，電磁波難以通過樣品，出現(xiàn)了有效的電磁屏蔽效應(yīng)。樣品的微波吸收率（A）呈現(xiàn)先增大后緩慢減小的變化趨勢，在MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，MWCNT/PP復(fù)合材料具備最高的微波吸收率。樣品反射率（R）隨著MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先迅速增加后緩慢增長的趨勢，當(dāng)MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，增長趨勢放緩但仍然在不斷地增長，因此能有效進(jìn)入材料內(nèi)部的微波能量一直在減少，最終造成了微波吸收率在達(dá)到峰值（3%）后不斷減小。

圖3 （a）電導(dǎo)率和微波反射率隨MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線 （b）樣品的微波反射率、透射率和吸收率隨MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

  利用微波-熱耦合仿真對材料微波加熱進(jìn)行模擬的結(jié)果如圖4所示，與實(shí)測的樣品最高溫度對比如圖5所示。當(dāng)MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，其最高溫度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。而當(dāng)MWCNT的質(zhì)量含量大于4%時(shí)，其最高溫度的模擬結(jié)果出現(xiàn)了小幅上升。MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)的模擬最高溫度為281 ℃，實(shí)測值為215 ℃。測量與仿真結(jié)果差異的原因可能是分析模型過于簡化、微波源功率不恒定等。此外，填料在樣品制備過程中難以實(shí)現(xiàn)理想的均勻分散。多壁碳納米管填料在試樣表面的團(tuán)聚會增加屏蔽效應(yīng)的作用，使得現(xiàn)實(shí)中能夠有效進(jìn)入材料產(chǎn)生熱量的微波能量減少。因此，測得的最高溫度將呈現(xiàn)下降趨勢，而不是保持一個(gè)穩(wěn)定的范圍。雖然當(dāng)MWCNT含量大于4%時(shí)，樣品的最高溫度模擬結(jié)果略有提高，但當(dāng)MWCNT質(zhì)量含量大于3%時(shí)，模擬值趨于穩(wěn)定，變化不大。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，可以判定MWCNT/PP復(fù)合材料在MWCNT填料質(zhì)量含量為3%時(shí)具有最佳的微波加熱性能，且材料在微波加熱過程中電導(dǎo)損耗為主要損耗機(jī)理。

圖4 樣品微波加熱仿真結(jié)果

圖5 仿真和實(shí)測的樣品微波加熱最高溫度曲線

  本研究為解決熱塑性材料成型過程中加熱效率低和能耗高的問題提供了新的思路，以微波敏化劑作為填料加入熱塑性樹脂中能有效提高材料的微波加熱性能，實(shí)測和仿真結(jié)果一致性高，為微波加熱工藝制度的確定提供了可靠方法。該工作以“Remarkable microwave heating performance of MWCNTs/polypropylene composites verified by electromagnetic-thermal coupling experiment and simulation”為題發(fā)表在《Composites Science and Technology》上，文章第一作者是武漢理工大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生唐林，通訊作者為武漢理工大學(xué)王鈞教授和武漢紡織大學(xué)張斌博士。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（No. 51672201）和湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（DTLL2020014）的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109428