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  隨著可持續性發展要求的提出，熱塑性樹脂在聚合物基復合材料中的應用受到了越來越多的關注。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、可回收重復利用等優點。然而，熱塑性樹脂在加工成型過程中需要加熱至熔融狀態，傳統熱傳導和熱輻射等方式加熱速度慢，效率低且能耗極高，嚴重制約了熱塑性樹脂在復合材料中的發展應用。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，對熱塑性復合材料的發展顯得尤為重要。

  針對上述問題，武漢理工大學王鈞教授團隊進行了微波加熱熱塑性復合材料的高效、可控性研究，設計了不同含量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理，并對加熱結果進行了模擬驗證。MWCNT/PP復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的質量分數為3%時達到最高（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質量分數變化的規律和所測的微波吸收率的變化規律是一致的（圖2），這表明MWCNT的加入能使熱塑性樹脂具有可調的微波加熱的性能，并且其最優值可以通過材料的S參數進行預測。

圖2 樣品的吸收率和實測微波加熱最高溫度曲線

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

圖3 （a）電導率和微波反射率隨MWCNT質量分數變化曲線 （b）樣品的微波反射率、透射率和吸收率隨MWCNT質量分數變化曲線

  利用微波-熱耦合仿真對材料微波加熱進行模擬的結果如圖4所示，與實測的樣品最高溫度對比如圖5所示。當MWCNT質量分數小于4%時，其最高溫度隨質量分數變化的模擬結果與實驗結果吻合較好。而當MWCNT的質量含量大于4%時，其最高溫度的模擬結果出現了小幅上升。MWCNT質量分數為6%時的模擬最高溫度為281 ℃，實測值為215 ℃。測量與仿真結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現理想的均勻分散。多壁碳納米管填料在試樣表面的團聚會增加屏蔽效應的作用，使得現實中能夠有效進入材料產生熱量的微波能量減少。因此，測得的最高溫度將呈現下降趨勢，而不是保持一個穩定的范圍。雖然當MWCNT含量大于4%時，樣品的最高溫度模擬結果略有提高，但當MWCNT質量含量大于3%時，模擬值趨于穩定，變化不大。因此，根據實驗和模擬結果，可以判定MWCNT/PP復合材料在MWCNT填料質量含量為3%時具有最佳的微波加熱性能，且材料在微波加熱過程中電導損耗為主要損耗機理。

圖4 樣品微波加熱仿真結果

圖5 仿真和實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，實測和仿真結果一致性高，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”為題發表在《Composites Science and Technology》上，文章第一作者是武漢理工大學材料學院碩士研究生唐林，通訊作者為武漢理工大學王鈞教授和武漢紡織大學張斌博士。該研究工作得到國家自然科學基金（No. 51672201）和湖北省數字化紡織裝備重點實驗室開放課題（DTLL2020014）的支持。

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