四川大学刘鹏举研究小组CEJ：以MXene作为界面焊接剂的微波构建隔离结构复合材料--用于高效电磁屏蔽和抗熔滴

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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Ti₃C₂T_x微波加热行为，并有效利用Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x富集在改性PP颗粒表面；在最佳的微波工艺下，Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x复合材料流程图。

将PP/Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x的界面TEM图；PP/Ti₃C₂T_x的（g）OM、（h）SEM和（i）Ti元素分布。

微波烧结赋予了PP/Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x含量下（1.138 vol%），微波烧结成型PP/Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x构筑的三维网络中发生多次反射；电磁波在界面富集的Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x的导电逾渗行为；（b）不同含量PP/Ti₃C₂T_x在X-波段上的电磁屏蔽效能；12GHz下不同含量PP/Ti₃C₂T_x的（c）SET，SEA和SER值以及（d）趋肤深度；（e）微波烧结PP/Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x相互作用机理。

与此同时，Ti₃C₂T_x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/Ti₃C₂T_x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% Ti₃C₂T_x@PP和（d）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃烧测试后残余物的宏观和微观形貌：（e, f）1wt% Ti₃C₂T_x@PP和（g, h）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃烧前后的Ti₃AlC₂、Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x@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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