聚合物基体在调控磁铁矿填充纳米复合材料功能性能中的作用

《Polymer Engineering & Science》：The Governing Role of Polymer Matrix in Tailoring the Functional Properties of Magnetite-Filled Nanocomposites

本研究系统对比了Fe3O4负载热塑性纳米复合材料在PP、PE、PVDF和PVC中的性能，发现极性基体影响纳米分散及结晶相形成。PP和PE体系热稳定性提升最显著，PVDF表现出优异介电调谐性，且光学特性与基体密切相关。该材料在电磁屏蔽、光热系统及介电器件中具应用潜力。

　　

摘要

本研究采用统一的制备工艺，系统地比较了四种基体（聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚氯乙烯（PVC）中负载Fe₃O₄的热塑性纳米复合材料的性能。纳米颗粒的负载量为1–10 wt%。结构分析证实所有体系中均形成了结晶态的Fe₃O₄。PVDF发生了α-β相变，这从2θ?=?18.4°峰的消失中可以明显看出；20.8°处的峰值表明β相被诱导形成。热重分析揭示了纳米复合材料的热降解行为与基体类型有关。通过TGA分析评估了Fe₃O₄纳米颗粒对PVDF、PP、PE和PVC聚合物热稳定性的影响。结果表明，添加Fe₃O₄后，PP和PE聚合物的降解起始温度升高，从而提高了它们的热稳定性。而在PVDF+5%Fe₃O₄和PVC+5%Fe₃O₄体系中，只有50%质量损失时的温度高于基体聚合物本身的温度。对于这些纳米复合材料，其初始和最终质量损失对应的温度均低于基体聚合物，这归因于纳米颗粒在这些聚合物中的催化作用。介电测量显示，在1 kHz频率下，PVDF的介电常数（ε）最大提高了6倍，PE提高了3倍；在极性基体中观察到了明显的Maxwell–Wagner–Sillars色散现象。光谱椭圆偏振法分析表明，在1.5 eV光子能量下，消光系数随基体类型的不同而变化：k_PP?≈0.25?>?k_PE?≈0.19?>?k_PVDF?≈0.13?>?k_PVC?≈0.08。基于PP的纳米复合材料的折射率（n）在6.5 eV时达到最大值。这些发现定量支持了基体极性、结晶度及界面相容性对Fe₃O₄填充纳米复合材料的热稳定性、介电性能和光学性质具有重要影响的观点。基于PP的纳米复合材料具有最佳的光学和热性能，而PVDF则具有介电可调性。这些材料在电磁干扰屏蔽、光热系统和介电器件方面具有广泛应用潜力。

亮点

• 基体的极性决定了Fe₃O₄的分散状态和结晶相的形成。
• PP和PE基体显著提高了热稳定性。
• PVDF表现出强烈的β相诱导效应和高介电可调性。
• 光学吸收和折射率受基体类型的影响。

数据可用性声明

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