通过双重掺杂碳纳米管（CNT）和二氧化锡（SnO?）来调节EVA聚合物薄膜的电学性能，以应用于电缆领域

《Solid State Sciences》：Tuning electrical properties of EVA polymer film by dual-doping CNT and SnO 2 for cable applications

本研究将锡氧化物（SnO?）与碳纳米管（CNT）整合至乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）基体中，以提高中电压电缆的绝缘性能。通过FTIR、XRD、SEM和TGA分析发现，1.5% CNT的EVA/SnO?@CNT复合材料具有最佳电导率（3.9×10?? S/m）和热稳定性，纳米复合材料的导电网络和分散性得到显著优化。

　　

Foziah F. Al-Fawzan|Amal F. Abd El-Gawad|S.A. Fayek|Mahmoud G.A. Saleh|Abdulaal Zuhayr Al-Khazaal|Nadiyah Alahmadi|A.I. Sharshir

沙特阿拉伯利雅得，Princess Nourah bint Abdulrahman大学科学学院化学系，邮政信箱84428，11671

摘要

本研究探讨了将碳纳米管（CNT）和二氧化锡（SnO₂）纳米颗粒整合到聚（乙烯-醋酸乙烯酯）（EVA）基体中以提高中压电缆耐久性的可行性。将纳米颗粒整合到EVA绝缘材料中旨在改善电缆的电气和介电性能。通过将EVA溶解在四氢呋喃（THF）中，并按不同比例（0.5%、1%和1.5%）加入2 wt%的SnO₂纳米颗粒和CNT来制备纳米复合膜。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析验证了纳米颗粒有效整合到EVA基体中。EVA/SnO₂@0.15 CNT的直流电导率为（47*10^?10?S/m）。对SnO₂纳米复合材料的介电特性进行了研究，发现含有1.5% CNT的样品在频谱范围内表现出最高的交流电导率（3.9?×?10^?6?S/m）、介电常数和介电损耗。使用XRD和SEM研究了制备的柔性薄膜的结构和形态特性。通过溶胶-凝胶法制备的SnO₂具有P₄mnm（136）空间群，a₌4.80500??和c₌3.20500??，属于四方相晶体结构，PDF编号为01-080-6729。其体积为74.00A^o3，密度为6.764?g/cm³

引言

聚合物复合材料这一材料类别包含绝缘的聚合物基体和导电填料，具有广泛的应用前景。从技术角度来看，有机-无机杂化光学材料尤为重要。当明确了无机组分与聚合物介质之间的相互作用后，可以制备出具有优异性能的杂化材料。由于聚合物基体的纳米复合材料具有吸引人的特性，因此在工业材料科学创新领域占据重要地位[1]。为了促进电子在样品两端的传输，这些材料的导电性能取决于内部导电网络的建立。由于使用碳纳米管制备具有导电性的聚合物纳米复合材料存在困难，学术界和工业界的研究人员对此表现出浓厚兴趣[2]。纳米材料因其在经济各个领域以及化妆品、医药、电子、抗菌剂、农业和工程（如电缆）等行业的潜在应用而受到广泛关注[3]。多种具有优异物理、电气和结构特性的聚合物被用于电力系统的各个领域。已经研究了多种聚合物系统，以评估它们在工业应用中的性能和可行性[4]。基于聚合物的纳米复合材料将有机聚合物基体与无机纳米颗粒结合在一起，成为过去几十年里科学和工业界高度关注的新兴材料类别。由于其可调节的结构、机械、光学和电气性能，这些纳米复合材料有望应用于微电子封装、生物医学工程、汽车零部件、光通信设备、特定药物输送、热塑性器件、传感技术、分离膜、航空航天结构、包装膜、阻燃系统、粘合剂和各种消费品[5]。我们的目标是使用少量填料达到渗透阈值，同时保持或改善诸如热导率、机械强度等性能。实现具有增强导电性、静电充电行为、阻燃性能、高热导率和机械强度的材料是本研究的主要目标。但要实现这些目标，必须克服许多挑战[6]。填料分散的一个主要问题是，作为典型胶体材料的碳纳米管（CNT）不会自发地悬浮在聚合物中。纳米管之间的强烈相互作用会导致它们聚集在一起，形成几乎无法分解的束或“绳索”[7]。本研究的重点是制备既柔韧又导电的基底。EVA具有优良的机械性能，如良好的柔软性、高柔韧性和易加工性，使其成为一种有吸引力的膜材料。向EVA中添加导电化学物质可以轻松制备出导电的EVA基膜[8]。众所周知，碳纳米管（CNT）具有优异的电化学性能，如较大的比表面积、良好的导电性、柔韧性和规则的孔结构。用于镜片的擦拭纸价格低廉、便携且柔韧。此外，其三维结构由交织的纤维素纤维构成。这些特性启发了我们使用涂有EVA和CNT复合材料的擦拭纸来制备高导电基底的方法[9]。在过去十年中，含有聚合物和碳纳米管（CNT）的复合材料已在许多需要改善机械和/或电磁性能的工业应用中得到应用。影响聚合物/CNT复合材料机械和物理性能的因素有很多，包括填料类型（单壁、双壁、多壁）、聚合物类型、界面（表面处理、功能化、表面能等）以及复合方法[10]。这些变量对复合材料最终性能的影响已得到广泛研究。由于改善某一性能有时需要牺牲另一性能，研究新型材料的研究人员必须保持开放的心态，并愿意接受妥协。例如，分散良好的CNT的聚合物/CNT复合材料具有更好的机械性能，而连续相的松散堆积CNT聚集体的复合材料则具有更好的导电性[11]。二氧化锡（SnO₂因其吸引人的特性（如光学透明度、低电阻率、均匀性和压电活性）而被视为理想材料。此外，掺锡的In₂O₃（ITO）和氧化锌（ZnO）不如SnO₂薄膜稳定，这是一个重要优势。对于光电设备和太阳能电池窗口层等应用而言，SnO₂是更优的选择。SnO₂具有3.6?eV的宽带隙，是一种缺氧的n型简并半导体，属于金属四方结构[12]。由于金属氧化物在电子结构中的延展性，它们在材料科学和纳米技术的多个子领域中发挥着关键作用，包括与绝缘体、半导体和金属相关的领域。半导体纳米颗粒因其优异的光学、电气和磁性能而受到关注。随着簇尺寸的减小，由于量子形式下载流子的限制，带隙会向蓝端移动[13]。n型半导体氧化物如SnO₂具有3.6?eV的较高带隙。SnO₂的一个独特性质是它既透明又导电，这是周期表第IV族中其他元素所不具备的[14]。除了具有最大的三阶非线性光学易感性外，SnO₂在形成薄膜时还具有较高的电子迁移率。由于存在氧空位、载流子密度增加以及优异的电气和光学性能，SnO₂的带隙较宽。在大规模应用中，SnO₂可用于气体传感器[15]、反射镜、变阻器、透明太阳能电池电极、DSSC的光电极材料[16]、光电设备[17]、可充电锂电池[18]、电致变色窗口[19]等。含有分散在聚合物介质中的纳米颗粒的纳米复合材料因其多样化的应用而受到广泛关注。由于其微小的尺寸，纳米颗粒具有较大的表面积，从而成为智能聚合物材料。纳米复合材料的量子纠缠效应使其适合增强和改善各种聚合物基体；因此，由纳米填料和聚合物基体组成的纳米复合材料是一个值得研究的课题。聚合物材料在可持续能源生产方面展现出巨大潜力。与煤炭和石油等传统能源相比，太阳能提供了一种可靠、可再生且环保的解决方案，能够满足不断增长的全球能源需求。捕获阳光的设备利用光伏效应将太阳辐射有效转化为可用电能[20]。

本研究的目的是探讨涂有SnO₂和CNT的EVA纳米复合材料的制备及其性能，以用于中压电缆的绝缘。我们的目标是研究不同量的CNT、分散方法和表面改性对纳米复合材料热性能和电气性能的影响。更高效和现代的电力分配系统可能正在研发中，研究结果可能会揭示纳米复合材料如何提高中压电缆绝缘的效率。EVA/SnO₂@CNT（乙烯-醋酸乙烯酯/二氧化锡/碳纳米管）纳米复合材料的导电性创新在于利用一维导电填料（CNT）与n型半导体填料（SnO₂）的协同效应，建立灵活的、低渗透阈值的导电网络。这种方法解决了聚合物基体固有的导电性不足问题，并减少了单独使用碳纳米管所需的过量填料用量，从而提高了电气和结构性能。

部分内容摘要

材料

乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）中的醋酸乙烯酯（VA）含量为35%。氯化锡二水合物（SnCl₂?2H₂O）、氢氧化铵（NH₄OH）、乙醇（99%）、2-丙醇（99%）、四氢呋喃（THF）和聚（乙烯-醋酸乙烯酯）（EVA）均从上海Macklin生化有限公司（中国上海）采购。纯多壁碳纳米管（长度约10–45?mm，外径50–75?nm，内径5–15?nm，比表面积>30 m²/g，导电率98?S/cm，纯度约95%）

表征

首先使用TA设备进行热重分析（TGA 55）来评估手头的聚合物薄膜。样品在氮气（N₂）气氛下的烤箱中以10?°C/min的速率进行连续加热处理，以确定其烧结温度并评估其热稳定性。在室温下，使用配备Cu靶的X射线衍射仪（Xpert，Malvern Panalytical）对所得聚合物薄膜进行了X射线衍射（XRD）分析

XRD

通过X射线衍射可以了解相的结构和纯度。我们使用XRD研究了制备的材料。图1显示了由EVA、SnO₂和CNT制成的聚合物薄膜的XRD图谱。在20.77?处出现的一个显著结晶峰表明了纯净EVA样品的结晶度[21]。由于EVA晶体结构中的链间氢键作用，纯净EVA样品的峰位与ICD卡片#00-66-1656非常吻合

结论

采用简单的制备方法，通过添加SnO₂、CNT和EVA来处理非功能性的EVA基体，以改善用于电缆的柔性薄膜的电气性能。CNT的加入抑制了聚集现象，使得SnO₂域的分布更加均匀，从而显示出更好的颗粒分散性。FT-IR和XRD分析验证了EVA/SnO₂@CNT复合材料的主要特性。TGA结果表明

CRediT作者贡献声明

Foziah F. Al-Fawzan：撰写——原始草案、方法论、研究。Amal F. Abd El-Gawad：撰写——审稿与编辑、数据管理。S.A. Fayek：监督。Mahmoud G.A. Saleh：可视化、形式分析、数据管理。Abdulaal Zuhayr Al-Khazaal：方法论、形式分析、数据管理。Nadiyah Alahmadi：方法论、研究。A.I. Sharshir：监督。

研究数据政策

作者声明所有数据均存在且可获取。

资助

无财务支持。

利益冲突声明

尊敬的教授/主编：我代表我的合作者提交这篇题为《通过双重掺杂CNT和SnO₂调节EVA聚合物薄膜的电气性能以用于电缆应用》的综述文章，希望其在《固态科学》期刊上发表。

我确认标题页上列出的所有作者都阅读了这篇综述文章，认可数据的有效性和解释的合法性，并同意将其提交给《固态科学》期刊。

我确认

致谢

作者感谢Princess Nourah bint Abdulrahman大学的研究人员（项目编号PNURSP2026R156）以及沙特阿拉伯利雅得的Princess Nourah bint Abdulrahman大学的支持。同时，作者也感谢Northern Border University（沙特阿拉伯阿拉尔）的科学研究部门通过项目编号“NBU-FFR-2026-144-01”对本研究的资助。