江南大学戴磊教授团队：轻薄、柔性、高性能纤维素纸基电磁屏蔽材料系列进展

2024-09-03 来源：高分子科技

电磁干扰（EMI）屏蔽材料能够有效缓解和解决电磁辐射污染及干扰问题，对人民生命健康与国防安全等重要领域意义重大。轻薄型高屏蔽性能EMI屏蔽材料是当前发展的重要趋势，而以天然纤维素为原料制备该类材料则更符合当前可持续发展要求，对于“低碳”发展具有重要意义。基于此，江南大学纺织科学与工程学院戴磊教授课题组以纤维素为主要原料，MXene为导电填料，通过对纤维素纸表面改性和结构设计，构建了一系列轻薄、柔性高性能的电磁屏蔽材料。相关成果相继发表在Carbohydrate Polymers（IF=10.7）、Journal of Materials Science & Technology（IF=11.2）和Chemical Engineering Journal（IF=13.3）学术期刊上，江南大学戴磊教授为通讯作者，研究生韦嘉盛为第一作者，常州大学雷廷宙教授共同指导了该工作。研究工作得到了国家自然科学基金（22178208；31901265）的资助。

1. 基于全多糖水凝胶和MXene设计的电磁屏蔽纸

本项工作以TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）为主要原料，通过与阳离子瓜尔豆胶（CGG）自组装形成水凝胶，在纤维素纸表面封装MXene，构建了一种电磁屏蔽复合纸（TC-M）。结果显示，复合纸的电导率为3843 S·m^?1，EMI屏蔽效能（EMI SE）达到49.37 dB，且组装形成的双层复合纸EMI SE高达73.99 dB。此外，聚二甲基硅氧烷（PDMS）的引入保护了复合纸的EMI屏蔽性能，改善了复合纸的耐用性。

图1. TC-M复合纸的制备示意图

图2. TC-M复合纸的EMI屏蔽性能

图3. TC-M复合纸的EMI屏蔽性能

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861723009128

2. 具有保护性水凝胶膜的超薄柔性电磁屏蔽复合纸

MXene电磁屏蔽材料在强度和稳定性方面的不足阻碍了其实际应用。在此，本项工作基于简单的逐层涂覆和干燥工艺，构建了一种表面具有三层功能结构的纤维素复合纸（TC@MT）。具体而言，TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）/阳离子淀粉（CS）/MXene凝胶层和TOCNF/MXene珍珠状层保证了复合纸良好的EMI屏蔽性能和机械性能，而表面的TOCNF/CS水凝胶薄膜层主要用以保护MXene。结果显示，复合纸在MXene用量为20 g m^?2，厚度仅为0.1894 mm时，表现出出色的屏蔽性能（40.3 dB），其绝对屏蔽效能高达13216 dB cm² g^?1。此外，复合纸还具有良好的机械性能，其拉伸强度可达11.7 MPa。由于表面水凝胶膜层的致密结构，其在浸入水、HCl（1 M）和乙醇液体中时有效地保护了MXene，从而使复合纸保持稳定的EMI屏蔽性能。

图4. TC@MT复合纸的制备示意图

图5. TC@MT复合纸的EMI屏蔽性能

图6. 表面水凝胶膜的保护性能

原文链接：https://www.jmst.org/EN/10.1016/j.jmst.2023.05.056

3. 具有类瓦楞纸结构的高性能电磁屏蔽复合纸

受瓦楞纸中间层超大距离的启发，他们通过组装两张改性纤维素纸和气凝胶薄膜，提出了一种具有类瓦楞纸结构的新型复合纸（TCT/TC/TCT）。由于纤维素纸和气凝胶膜的存在，组装的复合纸构成了一个标准的Fabry-Pérot腔（“导电层-绝缘层-导电层”），这有助于电磁波能量的衰减。该复合纸在厚度为0.6678 mm，MXene含量为6.9 wt%时，EMI SE达到71.0 dB。此外，复合纸还表现出优异的红外隐身能力，能够有效屏蔽人体的热辐射。且复合纸在高温条件下（高达120 ℃）仍表现出出色的红外隐身能力。

图7. TCT/TC/TCT复合纸的制备示意图

图8. TCT/TC/TCT复合纸的EMI屏蔽性能

图9. TCT/TC/TCT复合纸的红外隐身性能

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472406460X

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