福大施永乾教授、南昆大宋平安教授 CEJ：通过“加固”方法制备具有优异电磁干扰屏蔽性能的阻燃多功能气凝胶复合材料

2023-09-11 来源：高分子科技

实现优异的EMI屏蔽性能与满足机械性能的实际商业要求之间存在根本性的矛盾。在导电网络中添加电绝缘增强材料以实现适当的机械性能而不破坏导电网络的完整性仍然是一个紧迫的挑战。添加过多的导电填料也会导致密度增加和成本增加。因此，应该付出更多努力来开发一种新方法，通过控制较低的导电填料量并保持导电网络的完整性来在机械性能和EMI屏蔽之间取得平衡。同时，传统聚合物由于其固有的易燃性，通常缺乏较高的防火安全性。因此，赋予聚合物材料高防火安全性和优异的EMI屏蔽效率也是一个非常重要的问题。

近期，福州大学环境与安全工程学院施永乾教授/澳大利亚南昆士兰大学农业与环境科学学院宋平安教授合作提出了一种“加固”方法，成功制造了阻燃热塑性聚氨酯（TPU）增强细菌纤维素（BC）/MXene/改性碳化硅纳米线（MSiCnw）气凝胶复合材料。所得气凝胶复合材料展现出无序孔结构，其中BC/MXene/MSiCnw作为内部骨架，紧密附着的阻燃TPU片材作为保护层。合成的气凝胶复合材料具有优异的机械性能，可承受反复压缩，其抗压强度达到8.86kPa，较BC气凝胶高735.8%。在低MXene含量（6.17wt.%）下，气凝胶复合材料的EMI利用效率为1209.08 dB/g g^-1，平均EMI屏蔽效能(SE)高达81.6dB（K频段）。此外，气凝胶复合材料还表现出优异的阻燃性能（热释放速率峰值降低了69.8%）。更有趣的是，气凝胶复合材料表现出令人满意的隔热性能，并达到34.4mW m^-1 K^-1的低导热率。总体而言，制备的高度防火安全的BC/MXene/MSiCnw/FRTPU气凝胶复合材料显示出多功能性，使其适合应用于电磁屏蔽和隔热领域。

图1. MXene气凝胶复合材料的设计、制备。(a) 气凝胶的制备过程。(b) 阻燃剂CAPS、(c) Ti₃C₂T_x纳米片、(d) BC和(e) MSiCnw的TEM图像。(f-g) 靠近B₁M₃ST_FRs表面的断裂表面形貌的SEM图像。(h-i) B₁M₃ST_FRs内部断裂表面形貌的SEM图像。(j) 图(f)的N、Si、P和Ti的SEM映射图像。(k) 图(h)的N、Si、P和Ti的SEM映射图像。

图2. (a) B₁M₃ST_FRs压缩前后的数码照片。(b) BA、(c) BST_FRs和(d) B₁M₃ST_FRs的应力循环曲线。不同循环次数的(e) BA、(f) BST_FRs和(g) B₁M₃ST_FRs的应力应变曲线。(h) B₁M₃ST_FRs的弹性机制。

图3. 气凝胶复合材料的(a) HRR、(b) SPR、(c) 炭残留物、(d) FRI、(e) FGI和(f) FPI。(g) B₁M₃ST_FR_s放置在石棉瓦上并用酒精灯加热的数码照片。(i) 气凝胶复合材料的阻燃机理。

图4. (a-b) 气凝胶复合材料在X波段和K波段的EMISE。(c-d) X波段和K波段气凝胶复合材料的SET、SEA和SER。(e-f) X波段和K波段气凝胶复合材料的SE_R/SE_T和SEA/SET。(g-h) 气凝胶复合材料在X波段和K波段的A、R和T值。(i-j) 气凝胶复合材料在X波段和K波段的A_eff。(k) 导电填料含量与EMI利用效率与先前报道的复合材料的比较。(l) 气凝胶复合材料的EMI屏蔽机制。

图5. 模拟气凝胶复合材料在实际应用中的EMI SE的实际照片。

图6. (a) 气凝胶复合材料的热导率。(b) 加热台示意图。(c) B₁M₃ST_FRs上表面检测到的温度与加热平台环境温度的变化。(d) 分别在0秒、300秒和600秒捕获的B₁M₃ST_FRs的热红外图像。加热平台的温度设置为130℃。（e）本研究与以前的导热率报告之间的比较。

这项研究以“Flame retardant and multifunctional BC/MXene/MSiCnw/FRTPU aerogel composites with superior electromagnetic interference shielding via “Consolidating” method”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上(DOI:10.1016/j.cej.2023.145904)。福州大学环境与安全工程学院2021级硕士研究生王恒睿和2020级硕士研究生陈可欣为该论文的第一作者。施永乾教授和宋平安教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（52173070）、福州大学贵重仪器设备开放测试基金（2023T013）和澳大利亚研究理事会（FT190100188, LP220100278）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145904

通讯作者简介

施永乾：现为福州大学环境与安全工程学院校聘教授，博士生导师，入选福建省高层次人才C类、2022年全球前2%顶尖科学家、福州大学“旗山学者”，中国消防协会第八届科普教育工作委员会委员、中国消防协会第四届防火材料委员会委员、中国塑料加工工业协会第五届专家委员会委员、江苏省科技副总、宝应县“星链工程”特聘专家。2016年6月获中国科学技术大学工学博士学位，并于同年10月获香港城市大学哲学博士学位。研究兴趣包括材料热解与燃烧机制、材料安全评价理论与技术、阻燃多功能材料设计与应用等。截止目前，在Advanced Functional Materials等知名期刊上发表SCI收录论文130余篇（其中ESI高被引论文11篇/热点论文1篇），被引用7200余次（H-Index：49），申请和授权专利10余件。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金等科研项目10余项。成果荣获中国职业安全健康协会科学技术一等奖、中国安全生产协会第二届安全科技进步二等奖、第十五届福建省自然科学优秀学术论文一等奖等。担任Polymers（中科院3区）客座编辑、Frontiers in Materials（中科院3区）副编辑以及American Journal of Chemical Engineering、Current Materials Science等编委和《中国塑料》青年编委。

宋平安：澳大利亚南昆士兰大学农业与环境科学学院教授，澳大利亚研究理事会未来研究员（ARC Future Fellow），入选2021和2022年全球前2%顶尖科学家。2009年获得浙江大学高分子化学与物理专业博士学位。主要致力于高分子材料的共混改性及其结构-性能关系、阻燃剂及阻燃涂层、火灾预警等方面的研究。迄今，已主持包括6项国家级项目在内的30余项科研项目。以第一作者和/或通讯作者等在Science, Adv. Mater.（3）, Matter, Adv. Funct. Mater.（3）, ACS Nano（4）、Prog. Mater. Sci.、Prog. Polym. Sci.、Mater. Sci. Eng. R: Rep.和Macromolecules（5）等材料和高分子领域的国际知名学术期刊上发表SCI收录论文230余篇；总被引用达14900余次，H-指数74 (Goolge Scholar)，其中ESI高被引论文32篇。研究工作得到Science、澳大利亚ABCNews、MIT技术评论等媒体的广泛报道；研究工作入选澳大利亚研究理事会年度报告。编写英文书籍章节2章。目前担任期刊Sustainable Materials and Technologies（IF: 9.6）的副编辑，以及Compos. Part B: Eng.（IF:13.1）、J. Mater. Sci. Technol. （IF：10.9）和ACS Sustainable Chemistry &Engineering (IF:8.4) 的期刊的编委。

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（责任编辑：xu）

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