郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队：用于高效电磁屏蔽、电热性能和应变传感器的多功能水性聚氨酯/Ag复合薄膜

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近些年来，随着柔性电子工业的迅速发展，多功能复合材料的制备与研究愈发引起了人们的关注。水性聚氨酯（WPU）因其优异的成膜性，形成的膜具有出色的力学性能而被广泛应用。与此同时，在聚合物基体中引入金属银（Ag），其高导电导热性赋予了复合薄膜多功能化的可能。但是Ag填料在聚合物基体中的分散性一直以来都是一个难题，金属在常规溶剂中的不溶，及微观尺度上的自发团聚，很大程度上限制了实际应用。因此，提高填料的分散性，是保证复合材料可靠性能的关键。

基于此，郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队的刘宪虎博士课题组通过引入Capstone FS-30含氟表面活性剂的方法，降低去离子水的表面张力，并提高微米级片状Ag在溶剂中的润湿性，改善了填料在聚合物基体中的分散性。通过简单的溶液共混及喷涂技术，实现了超薄、超轻、力学性能优异的WPU/Ag复合薄膜的制备，该复合薄膜在电磁屏蔽，电热性能和应变传感器等方面都有着令人惊喜的表现。

图1 (a)WPU/Ag复合薄膜的制备过程示意图；所制备的薄膜具有(b-d)优异的柔性和(e)高导电性。

加入Capstone FS-30后，片状Ag能够良好地分散在WPU基体中，并通过喷涂技术，制备了厚度为50μm的WPU/Ag复合薄膜。活性剂由亲水的环氧乙烷链和疏水的碳氟化合物链组成。C-F尾部的疏水性使其倾向于集中在液-气界面上，因此Capstone FS-30可以为水性产品提供较低的表面张力（约21 mNm^-1），Ag片可以更好地分散在体系中，提升了复合材料的结构稳定性。

图2 WPU/Ag复合薄膜的微观形貌结构。

通过观察薄膜横截面的微观形貌，可以看到片状Ag均匀地分散在基体中。随着填料含量的上升，“砖-泥”结构更加明显，Ag片像砖一样被WPU所扮演的“泥”牢牢地包裹，在面内方向不断重叠与扩散，并出现了分层现象。Ag搭接构成了相应的通路，理想网络结构的建立，对复合材料的性能有着重要的影响。

图3 WPU/Ag复合薄膜的电磁屏蔽性能。

电磁性能测试中，Ag片含量为70wt%时，WPU/Ag复合薄膜的电导率可达1101.3S cm^-1，展现了优异的导电性能。在厚度仅为50μm的条件下，该复合膜具有超高的电磁屏蔽性能，达到68.9dB。在后续的耐环境测试中也有着良好的稳定性，经过500次的扭转、弯曲、折叠试验后，其屏蔽性能保留率仍保持在90%以上，这在不同的环境条件下具有广阔的应用前景。

图4 WPU/Ag复合薄膜的电热性能。

另外，Ag作为自然界导热性最好的金属之一，使得复合薄膜在电热转化测试中有着出色的表现。在仅施加2V低电压的情况下，薄膜表面可升温至125℃，且具有较好的稳定性，其电热转化能力远超之前文献中的其他导电填料（如MXene、碳纳米管、石墨烯等）。通过控制电压的开关，温度的变化具有一致性，表现出了良好的循环性能，可实现迅速地升温与降温要求，可应用到诸如保温、除冰等实际需求当中。

图5 WPU/Ag复合薄膜的拉伸传感性能。

WPU/Ag复合薄膜经过10次的预拉伸后，在0-35%的应变范围内，应变响应系数随着应变的增加而迅速上升。不同的应变程度和速率下，例如，当应变速率从1增加到10mm/min时，薄膜的归一化电阻保持稳定，同时也表现出了优良的拉伸性能与可恢复性。在施加小应变大应变速率的情况下，其响应时间达到了50ms的超低水平，并且经过1000个周期的循环测试，试样仍表现出了优秀的抗疲劳特性和相对稳定性。以上结果都表明了WPU/Ag复合薄膜在柔性电子传感器，例如检测人体关节运动等方面有着巨大的应用潜力。

以上相关成果以题为“Flexible and Thin Multifunctional Waterborne Polyurethane/Ag Film for High-Efficiency Electromagnetic Interference Shielding, Electro-Thermal and Strain Sensing Performances”于近日发表在《Composites Part B: Engineering》期刊上。论文第一学生作者为郑州大学河南省资源与材料工业技术研究院2020级硕士研究生贾云鹏，通讯作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心刘宪虎副教授和材料科学与工程学院（河南省资源与材料工业技术研究院）潘亚敏博士。上述研究工作得到了国家自然科学基金(51803190)和资源材料协同创新中心开放基金(Zycl202004)的资金支持。

原文链接： Y. Jia#, R. Sun#, Y. Pan*, X. Wang, Z. Zhai, Z. Min, G. Zheng, C. Liu, C. Shen, X. Liu*, Flexible and Thin Multifunctional Waterborne Polyurethane/Ag Film for High-Efficiency Electromagnetic Interference Shielding, Electro-Thermal and Strain Sensing Performances, Composites Part B: Engineering, 2021, 210, 108668. 

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108668

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