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南科大王湘麟教授、陳柔羲副教授/天工大范杰教授：用于高性能電磁干擾屏蔽的核殼PANI/PVDF@PANI納米纖維復合膜

2024-02-20 來源：高分子科技

5G通訊技術的到來，推動了各式先進電子儀器設備和聯網技術的快速發展，如柔性便攜式智能電子、可穿戴電子、衛星通信、飛行器、軍事及醫療設備等，電磁波作為信息傳輸的重要媒介，也在日益快速增長中不斷躍升能級。然而，電磁波技術的飛速發展在為我們生活帶來便利的同時，也不可避免地帶來了電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。能量和密度不斷增加的EMI輻射不僅會影響高精密電子設備的正常運行，也會對人類健康造成威脅。因此，為了有效減弱電磁輻射（Electromagnetic radiation, EMR）污染，開發新一代高性能電磁干擾屏蔽材料至關重要。

近期，南方科技大學王湘麟講席教授、陳柔羲副教授團隊與天津工業大學范杰教授團隊，以“Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”為題在《Nano Letters》上發表研究文章。文章第一作者是天津工業大學博士研究生陳明伊，南方科技大學碩士研究生李懋春和高宇非。團隊采用種子聚合法制備了核殼雙重聚苯胺(PANI)納米纖維膜。在核層中加入的本征態PANI是經過溶液共混紡絲，使其均勻的分散在整根纖維中，當纖維膜浸泡在含有苯胺的酸性介質中發生化學氧化聚合后，核層的PANI起到“晶種”的作用，同時纖維帶有電荷，吸附更多的苯胺單體粘附在模板纖維表面而進行原位聚合，最終形成均勻的核殼結構。該結構是利用了靜電吸附作用和聚苯胺氫鍵產生的豐富附著點，讓更多的PANI生長并包覆在纖維表面，大大提高了苯胺單體的利用率與單根纖維負載聚苯胺的容量，同時也讓殼層PANI更加牢固的“貼附”在核層表面，確保了核殼結構和電磁干擾屏蔽性能的穩定性。納米纖維的多層結構有利于電磁波多次反射而被損耗，因此，采用該方法制備的復合膜，綜合了基底材料與PANI的特性，具有柔韌性和輕薄性的同時，也具有優異的機械強度、透氣性、透濕性以及電磁干擾屏蔽性能。

圖1 (a)現實生活中存在的電磁干擾輻射;(b)PANI/PVDF@PANI復合膜的制備方法示意圖;(c)復合膜柔軟性展示照片;(d)復合膜輕薄性展示照片;(e)化學氧化聚合后產物的化學結構.

圖2 (a)PVDF納米纖維SEM圖。(b)10PANI/PVDF納米纖維SEM圖。(c)30PANI/PVDF納米纖維SEM圖;(d)PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(e)10PANI/PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(F)30PANI/PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(g-i)30PANI/PVDF@PANI納米纖維的EDS圖。

圖3 (a)不同納米纖維膜的XRD曲線。(b)不同納米纖維膜的FTIR曲線。(c-d)不同納米纖維膜的TGA曲線。(e)不同納米纖維膜應力-應變曲線。(F)不同納米纖維膜彈性模量。(g)30PANI/PVDF@PANI復合膜120s承受500g砝碼的照片。(h)30PANI/PVDF@PANI復合膜彎曲、折疊、卷曲、耐磨的照片。(i)不同納米纖維膜的接觸角。(j)不同納米纖維膜的透濕性。(k)不同納米纖維膜的透氣性。

圖4 (a)各種復合膜的電導率。(b)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復合膜在X波段的SE值。(c)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復合膜在X波段的SE_A值。(d)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復合膜在X波段的SE_R值。(e-g)不同PANI/PVDF@PANI復合膜在X波段的R、T、A值。(h)不同PANI/PVDF@PANI復合膜12.4GHz的R、T、A值。(i)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜在2000次彎曲循環后的SE值。(j) LED燈與30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜連接的照片。(k) 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜、未摻雜30PANI/PVDF納米纖維膜和摻雜30PANI/PVDF-P納米纖維膜的電磁屏蔽照片。(l) 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜、未摻雜30PANI/PVDF納米纖維膜和摻雜30PANI/PVDF-P納米纖維膜的電磁屏蔽前后照片（從左到右順序）。(m)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜電磁屏蔽開關100次循環。

圖5 (a)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜的EMI屏蔽機制。(b)本工作與PANI基復合材料的SE/t值的比較。(c)1.5m×0.6m 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜的照片。

PANI是一種低成本且電導率可控的介電材料，具有合成方便、熱穩定性和化學穩定性優異、微波損耗等優點，被認為是最有前景的功能高分子之一。當入射電磁波到達30PANI/PVDF@PANI復合膜的表面時，由于其殼層具有優異的導電性，導電的可移動電子與電磁波相互作用，PANI殼層和PANI/PVDF核層界面的電特性差異引起了阻抗失配，導致大多數電磁波被反射回來，其余部分進入復合膜內部。傳入的電磁波與核層PANI中的大量電子相互作用，PANI自由電子發生移動并形成電流來損耗其能量。此外，纖維的分層結構也會導致電磁波在復合膜內部多次反射，電磁波的傳輸路徑得到了擴展，最終在復合膜內外部多次反射直到完全衰減。穩定的核-殼異質結構為反射和吸收微波提供了更多的界面。30PANI/PVDF@PANI復合膜在厚度僅為1.2mm的情況下，實現了高性能EMI屏蔽性能（44.7dB）。此外，這種獨特的結構賦予PANI/PVDF@PANI復合膜顯著的SE/t值372.5 dB? cm^-1。隨著靜電紡絲技術的工業化發展，PANI/PVDF@PANI復合膜可實現規模化生產，滿足市場對輕薄柔軟電磁干擾屏蔽材料的需求。

原文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05021

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

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（責任編輯：xu）

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