MXene具有优异的电子、光学、机械和电化学性能,在储能、催化、医药、电磁屏蔽等领域展现了巨大的应用潜力,已成为新一代二维材料研究热点。MXene具有类似金属的导电性能、独特的多层结构和丰富的末端基团,使其在制备高效的电磁屏蔽复合材料方面受到了广泛的关注。不难设想,得益于MXene与电磁波良好的相互作用,MXene也能像碳纳米管(CNTs)、石墨烯等碳材料一样将电磁能高效转化为热能,在微波场作用下激发快速的升温现象。然而,人们更多的关注了MXene的电磁屏蔽性能,对其微波加热效应少有研究,微波加热机理尚待进一步验证。
基于以上想法,该工作首次系统研究了由强电磁波吸收导致的Ti3C2Tx微波加热行为,并有效利用Ti3C2Tx快速的微波加热效应在聚丙烯(PP)基体中构筑了完整的隔离导电网络,赋予了PP/Ti3C2Tx复合材料优异的电磁屏蔽和抗熔滴性能。首先,采用部分交联的多巴胺/聚乙烯亚胺对PP进行表面包覆改性,通过絮凝-自组装的方法将单层/少层的Ti3C2Tx富集在改性PP颗粒表面;在最佳的微波工艺下,Ti3C2Tx作为 “界面焊接层”引发了独特的选择性加热现象,极短时间内(10~20 s)在PP基体中构建了Ti3C2Tx隔离导电网络。
图1. 基于自组装和微波选择性烧结快速制备具有隔离结构的PP/Ti3C2Tx复合材料流程图。
将PP/Ti3C2Tx颗粒类比为具有核壳结构的微球,通过COMSOL多物理场的有限元模拟研究了电磁波分布和热传现象。结果表明:微波对包覆颗粒表现为快速、选择性的加热行为,9s即可使界面达到170℃左右,实现界面熔接成型。微波烧结PP/Ti3C2Tx的TEM、OM、SEM图像展现了完美的隔离界面和三维网络。
图2. 利用COMSOL有限元模拟研究PP/Ti3C2Tx微波加热行为(1500W,20s):(a)单个颗粒截面温度分布;9个堆叠颗粒(b)表面和(c)截面温度分布;(d)颗粒填充至模具的红外热成像图;(e,f)微波烧结PP/Ti3C2Tx的界面TEM图;PP/Ti3C2Tx的(g)OM、(h)SEM和(i)Ti元素分布。
微波烧结赋予了PP/Ti3C2Tx完整的隔离结构,使其具有超低导电逾渗阈值(0.02091 vol%),在极低的Ti3C2Tx含量下(1.138 vol%),微波烧结成型PP/Ti3C2Tx的电导率和电磁屏蔽效能分别为500.0 S m-1和75.12~78.85 dB(X波段)。微波烧结PP/Ti3C2Tx的电磁屏蔽机理体现在宏观和微观两方面:电磁波进入隔离结构,在Ti3C2Tx构筑的三维网络中发生多次反射;电磁波在界面富集的Ti3C2Tx多层之间发生多次反射,从而大幅削弱入射电磁波强度达到高效屏蔽效果。
图3. (a)微波烧结PP/Ti3C2Tx的导电逾渗行为;(b)不同含量PP/Ti3C2Tx在X-波段上的电磁屏蔽效能;12GHz下不同含量PP/Ti3C2Tx的(c)SET,SEA和SER值以及(d)趋肤深度;(e)微波烧结PP/Ti3C2Tx与现有文献样品在X-波段上的电磁屏蔽效能对比;(f)电磁波与PP/Ti3C2Tx相互作用机理。
与此同时,Ti3C2Tx在燃烧过程中能迅速形成高质量的阻隔层,有效阻断了PP熔体的聚集,在仅0.5wt%的添加量下,PP/Ti3C2Tx表现了优异的抗熔滴效果,即使在火焰燃烧后也保持了完整的外观和整体结构。
图4. 燃烧测试的视频截图:(a)PP,(b)PDA-PEI@PP,(c)1wt% Ti3C2Tx@PP和(d)4wt% Ti3C2Tx@PP;燃烧测试后残余物的宏观和微观形貌:(e, f)1wt% Ti3C2Tx@PP和(g, h)4wt% Ti3C2Tx@PP;燃烧前后的Ti3AlC2、Ti3C2Tx、Ti3C2Tx@PP的XPS(i)总元素谱图和Ti元素分谱。
上述研究成果在《Chemical Engineering Journal》在线发表,题为Microwave-Induced Segregated Composite Network with MXene as Interfacial Solder for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Anti-dripping。四川大学高分子研究所硕士生马文杰为论文的第一作者,四川大学刘鹏举助理研究员为论文通讯作者。该研究得到了郑州大学王建峰副教授、深圳大学刘卓鑫助理教授的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131699
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