天津工业大学林佳弘特聘教授/李婷婷副教授课题组CEJ：用于高性能电磁屏蔽的超薄柔软疏水MXene基导电复合膜的构筑

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随着智能技术的快速发展，电子设备已经得到普及应用，而电子设备在接收或发送电信号时会不断地产生电磁波，这样不仅影响精密仪器的正常使用，还会危害人体健康。因此，开发轻质柔软的高性能电磁屏蔽材料对于减少或消除电磁辐射具有重要意义。基于此，天津工业大学李婷婷副教授与台湾逢甲大学林佳弘特聘教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授合作，利用纺织材料自身优势，通过层层组装技术构筑多功能电磁屏蔽复合膜，实现其在复杂环境下使用时屏蔽效果的稳定性，取得了系列研究成果(Compos Part A-Appl S 2019, 105685 高被引; Compos Part A-Appl S 2020, 106199; Prog Org Coat 2020,105861)。基于前期研究成果，研究团队提出将具有独特层状结构、丰富的表面官能团和优异的物理化学性能的二维过渡金属（MXene）与纳米纤维膜结合，通过构筑聚多巴胺（PDA）亲水层、MXene导电层和含硅疏水层制备多功能导电复合膜。以上研究成果以“MXene-coated conductive composite film with ultrathin, flexible, self-cleaning for high-performance electromagnetic interference shielding”为题发表在期刊Chemical Engineering Journal上。

图1  MXene纳米片的制备及复合膜结构示意图

经过刻蚀后，MXene纳米片内部含有丰富的官能团，具有良好的亲水性和优异的导电性。然而纯MXene膜力学性能差，严重限制了其在电磁屏蔽领域的实际应用。MXene纳米片具有丰富的活性端基，可以通过氢键与基材结合，从而弥补其机械强度低的缺点。与其它纺织材料相比， PAN纳米纤维膜具有比表面积大、重量轻、厚度可控等优点，而且PAN中含有极性基团-CN，易于被多巴胺修饰，从而提高其界面相容性。该研究借助MXene水溶液良好的成膜性，将其与改性的PAN纳米纤维膜结合制备柔软轻质且厚度可控的具有三明治结构和起伏层状结构的导电复合膜（见图1）。由于层状结构的存在，当电磁波透过第一层MXene 层时会继续遇到下一个阻挡层，电磁波会不断的在MXene导电层中被反射和衰减，最终使电磁波能量以热量的形式消散。

图2 MXene处理后纳米纤维膜表面微观形貌变化

由于纳米纤维膜具有较大的比表面积，MXene水溶液无法进入纳米纤维膜内部，而是在基材表面形成均匀的MXene导电层（见图2）。随着浸涂次数的增加，基材表面隆起和褶皱会明显加，从而使得表面粗糙度增大。当浸涂次数为4次时，制备的导电复合膜的厚度仅为45μm，具备三明治结构和层状结构。MXene纳米片在基材表面形成的致密层状结构有利于形成完整的导电网络，从而更好的屏蔽和衰减入射的电磁波。

图3 不同功能层处理后对导电复合膜接触角的影响

可穿戴的EMI屏蔽材料通常会受到外部污染。 一旦被污染，其电磁屏蔽效果可能会大大降低。 例如, 在户外运动时，人体产生的汗液会破坏材料的导电性，从而降低其电磁屏蔽效益。因此, 开发具有超疏水新型多功能电磁屏蔽材料对于可穿戴电子设备的长期使用具有重要意义。该研究引入含硅疏水层有效避免MXene 纳米片在高湿度环境下被氧化或分解，提高导电复合膜在复杂环境下使用时的电导率的稳定性。最终制备的疏水导电复合膜的拉伸强度为93.55MPa，接触角约为144°，电导率仍可高达92.68S/cm。除此之外，基于仿生策略和层层组装策略制备的导电复合膜可以不断的折叠和弯曲，具有良好的柔韧性和轻质特性（见图3）。

图4 导电复合膜的SSE/t和电磁屏蔽机理示意图

该研究制备的疏水复合膜厚度仅有45μm，其EMI SE and SSE/t高达32dB and 4085.92 cm²g^-1 （见图4），在厚度和SSE/t方面具有非常明显的优势，在智能穿戴和智能传感器等方面表现出巨大的应用潜力。除此之外，该项工作证明了纳米纤维膜和二维过渡金属材料结合制备电磁屏蔽复合材料的巨大优势，对拓宽MXene基导电复合材料的实际应用具有重要意义。

简而言之，该研究采用层层组装策略，将MXene纳米片与纳米纤维膜结合制备超薄疏水电磁屏蔽复合膜，为多功能导电复合材料的设计提供了新的思路。论文的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院王艳婷博士，天津工业大学李婷婷副教授和台湾逢甲大学林佳弘特聘教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128681

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