大连理工大学宾月珍教授团队《CEJ》：天然橡胶增韧碳纳米管巴基纸及其在电磁屏蔽，导热，焦耳加热和摩擦纳米发电等领域的应用

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可穿戴电子设备的快速发展在改善人们生活水平的同时，也产生了电磁辐射。电磁污染不仅会影响设备的正常运行，甚至会威胁到人类的健康。碳纳米管巴基纸（Buckypaper, BP）由于优异的导电性被广泛于电磁屏蔽领域。之前该课题组探讨了碳纳米管在不同溶剂中的分散性及真空过滤成膜性，并详细研究了BP的结构及其性能（Compos. Sci. Technol. 2019,181,107699. Mater. Design. 2019,184,108175.）。虽然BP具有优异电磁屏蔽性能（EMI SE），在35 μm厚时EMI SE为31.2 dB，但其断裂伸长率仅为2%，这限制了其进一步的应用。研究人员通过真空过滤、超声波浸渍、交联等方式将高分子材料引入BP来改善其柔韧性。但BP断裂伸长率增加并不明显，同时操作过程太复杂，涉及特殊条件，程序和设备。因此简单高效制备兼具高柔韧性和高电导率的BP仍存在困难。此外除了优异的电磁屏蔽性能，还应考虑在实际应用中对多功能的要求，如兼具导热、焦耳加热、摩擦发电、传感、阻燃等。

鉴于此，大连理工大学宾月珍教授团队选择环保的天然橡胶（NR）作为BP的“增韧剂”，通过简单的真空过滤方法，制备了NR增韧BP（简称NR-BP），制备的NR-BP兼具柔韧性和高电导率，拓展了其在电磁屏蔽，导热，焦耳加热和摩擦纳米发电机（TENGs）等领域的应用，为制备多功能可穿戴电子设备提供了一种新策略 (图1)。

图1. NR-BP的制备及其多功能性（电磁屏蔽，导热，焦耳加热和TENGs）

由图2可知，真空辅助过滤可以很容易地放大得到A4或更大尺寸的NR-BP。制备的NR-BP可以进一步折叠成纸鹤和纸船，放置在花上，显示出良好的柔韧性和轻质的特点。同时NR-BP在高断裂伸长率下仍然表现出优异的导电性，其中CNR4（20wt% NR）的断裂伸长率和电导率分别为 27.80%和32.26 S/cm，CNR1（50wt% NR）的断裂伸长率和电导率分别为191.23%和21.74 S/cm。

图2. NR-BP的基本特征

由图3可知，NR-BP具有优异的电磁屏蔽性能，其中CNR4的EMI SE和SSE/t分别为 31.9 dB（50μm）和8504 dB·cm²/g，CNR1的EMI SE和SSE/t分别为28.3 dB 和6232 dB·cm²/g。

 图3. NR-BP的电磁屏蔽性能

由图4可知，NR-BP具有优异的导热性能，BP垂直和水平方向的热导率分别为0.358和9.046 W/mK，CNR4 分别为0.346 and 6.977 W/mK, 而 CNR1 为0.343 and 4.457 W/mK。2D WAXD结果显示NR-BP水平方向取向程度明显高于垂直方向，NR含量对取向程度影响较小，材料的导热性能主要与导电性有关。

 图4. NR-BP的导热性能

由图5可知，CNR4具有优异的焦耳加热性能，在2、4和6V的加载电压下，其平衡温度分别可达到为45.6、104.9和 155.5 °C。

图5. CNR4的焦耳加热性能

由图6可知，CNR4可以作为TENGs的柔性电极，制备的CNR4-TENG可以在单电极模式和垂直接触分离模式下工作。最优的开路电压（V_OC）、短路电流（I_SC）和短路电荷（Q_SC）分别为 27 V、1.8 µA和15 nC 。

图6. CNR4-TENG性能

该成果以“Natural Rubber Toughened Carbon Nanotube Buckypaper and Its Multifunctionality in Electromagnetic Interference Shielding, Thermal conductivity, Joule Heating and Triboelectric nanogenerators”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI: 10.1016/j.cej.2021.133499）。文章的第一作者是大连理工大学博士生樊明帅，通讯作者为宾月珍教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133499

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