南科大王湘麟教授、陈柔羲副教授/天工大范杰教授：用于高性能电磁干扰屏蔽的核壳PANI/PVDF@PANI纳米纤维复合膜

2024-02-20 来源：高分子科技

5G通讯技术的到来，推动了各式先进电子仪器设备和联网技术的快速发展，如柔性便携式智能电子、可穿戴电子、卫星通信、飞行器、军事及医疗设备等，电磁波作为信息传输的重要媒介，也在日益快速增长中不断跃升能级。然而，电磁波技术的飞速发展在为我们生活带来便利的同时，也不可避免地带来了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。能量和密度不断增加的EMI辐射不仅会影响高精密电子设备的正常运行，也会对人类健康造成威胁。因此，为了有效减弱电磁辐射（Electromagnetic radiation, EMR）污染，开发新一代高性能电磁干扰屏蔽材料至关重要。

近期，南方科技大学王湘麟讲席教授、陈柔羲副教授团队与天津工业大学范杰教授团队，以“Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”为题在《Nano Letters》上发表研究文章。文章第一作者是天津工业大学博士研究生陈明伊，南方科技大学硕士研究生李懋春和高宇非。团队采用种子聚合法制备了核壳双重聚苯胺(PANI)纳米纤维膜。在核层中加入的本征态PANI是经过溶液共混纺丝，使其均匀的分散在整根纤维中，当纤维膜浸泡在含有苯胺的酸性介质中发生化学氧化聚合后，核层的PANI起到“晶种”的作用，同时纤维带有电荷，吸附更多的苯胺单体粘附在模板纤维表面而进行原位聚合，最终形成均匀的核壳结构。该结构是利用了静电吸附作用和聚苯胺氢键产生的丰富附着点，让更多的PANI生长并包覆在纤维表面，大大提高了苯胺单体的利用率与单根纤维负载聚苯胺的容量，同时也让壳层PANI更加牢固的“贴附”在核层表面，确保了核壳结构和电磁干扰屏蔽性能的稳定性。纳米纤维的多层结构有利于电磁波多次反射而被损耗，因此，采用该方法制备的复合膜，综合了基底材料与PANI的特性，具有柔韧性和轻薄性的同时，也具有优异的机械强度、透气性、透湿性以及电磁干扰屏蔽性能。

图1 (a)现实生活中存在的电磁干扰辐射;(b)PANI/PVDF@PANI复合膜的制备方法示意图;(c)复合膜柔软性展示照片;(d)复合膜轻薄性展示照片;(e)化学氧化聚合后产物的化学结构.

图2 (a)PVDF纳米纤维SEM图。(b)10PANI/PVDF纳米纤维SEM图。(c)30PANI/PVDF纳米纤维SEM图;(d)PVDF@PANI纳米纤维SEM图。(e)10PANI/PVDF@PANI纳米纤维SEM图。(F)30PANI/PVDF@PANI纳米纤维SEM图。(g-i)30PANI/PVDF@PANI纳米纤维的EDS图。

图3 (a)不同纳米纤维膜的XRD曲线。(b)不同纳米纤维膜的FTIR曲线。(c-d)不同纳米纤维膜的TGA曲线。(e)不同纳米纤维膜应力-应变曲线。(F)不同纳米纤维膜弹性模量。(g)30PANI/PVDF@PANI复合膜120s承受500g砝码的照片。(h)30PANI/PVDF@PANI复合膜弯曲、折叠、卷曲、耐磨的照片。(i)不同纳米纤维膜的接触角。(j)不同纳米纤维膜的透湿性。(k)不同纳米纤维膜的透气性。

图4 (a)各种复合膜的电导率。(b)PVDF@PANI纳米纤维膜和各种PANI/PVDF@PANI复合膜在X波段的SE值。(c)PVDF@PANI纳米纤维膜和各种PANI/PVDF@PANI复合膜在X波段的SE_A值。(d)PVDF@PANI纳米纤维膜和各种PANI/PVDF@PANI复合膜在X波段的SE_R值。(e-g)不同PANI/PVDF@PANI复合膜在X波段的R、T、A值。(h)不同PANI/PVDF@PANI复合膜12.4GHz的R、T、A值。(i)30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜在2000次弯曲循环后的SE值。(j) LED灯与30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜连接的照片。(k) 30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜、未掺杂30PANI/PVDF纳米纤维膜和掺杂30PANI/PVDF-P纳米纤维膜的电磁屏蔽照片。(l) 30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜、未掺杂30PANI/PVDF纳米纤维膜和掺杂30PANI/PVDF-P纳米纤维膜的电磁屏蔽前后照片（从左到右顺序）。(m)30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜电磁屏蔽开关100次循环。

图5 (a)30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜的EMI屏蔽机制。(b)本工作与PANI基复合材料的SE/t值的比较。(c)1.5m×0.6m 30PANI/PVDF@PANI纳米纤维膜的照片。

PANI是一种低成本且电导率可控的介电材料，具有合成方便、热稳定性和化学稳定性优异、微波损耗等优点，被认为是最有前景的功能高分子之一。当入射电磁波到达30PANI/PVDF@PANI复合膜的表面时，由于其壳层具有优异的导电性，导电的可移动电子与电磁波相互作用，PANI壳层和PANI/PVDF核层界面的电特性差异引起了阻抗失配，导致大多数电磁波被反射回来，其余部分进入复合膜内部。传入的电磁波与核层PANI中的大量电子相互作用，PANI自由电子发生移动并形成电流来损耗其能量。此外，纤维的分层结构也会导致电磁波在复合膜内部多次反射，电磁波的传输路径得到了扩展，最终在复合膜内外部多次反射直到完全衰减。稳定的核-壳异质结构为反射和吸收微波提供了更多的界面。30PANI/PVDF@PANI复合膜在厚度仅为1.2mm的情况下，实现了高性能EMI屏蔽性能（44.7dB）。此外，这种独特的结构赋予PANI/PVDF@PANI复合膜显著的SE/t值372.5 dB? cm^-1。随着静电纺丝技术的工业化发展，PANI/PVDF@PANI复合膜可实现规模化生产，满足市场对轻薄柔软电磁干扰屏蔽材料的需求。

原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05021

下载：Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding

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（责任编辑：xu）

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