郑大刘春太教授团队《ACS AMI》: 可拉伸多功能MXene褶皱涂层织物用于电磁干扰屏蔽和电/光热转换应用

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如今，随着5G时代的到来和电子设备的快速发展，电磁干扰(EMI)和辐射污染严重影响着人类的健康。传统的电磁屏蔽材料在拉伸和弯曲变形下的机械稳定性较差，在大应变下电磁屏蔽性能急剧下降，因此有必要研制柔性可穿戴式电磁屏蔽材料。开发可拉伸电磁屏蔽的关键材料是具有应变不变性电导率的可拉伸导体。一种有效的方法是将导电填料与弹性基体结合，通过预拉伸、热收缩和溶剂诱导等方法，形成屈曲的褶皱结构。这种方法具有简便和高可控性。近年来，可拉伸导体的研究大多集中在应变传感器上，对可拉伸电磁屏蔽方面的研究并不多。此外，具有加热效应的可穿戴材料在电疗和人体节能加热方面引起了极大的研究兴趣。因此，有必要设计一种集电磁屏蔽和可调热管理性能于一体的可拉伸、可穿戴材料。

郑州大学橡塑模具国家工程研究中心刘春太教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“MXene-coated Wrinkled Fabrics for Stretchable and Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding and Electro/Photo-Thermal Conversion Applications”的文章（DOI：10.1021/acsami.1c19890）。通过简单的预拉伸和喷涂方法制备了具有褶皱结构的热塑性聚氨酯(TPU) /MXene复合织物(TMFs)。其褶皱结构存储了一定的可拉伸表面区域，保护MXene导电网络在拉伸过程中不受破坏。其中，极低的MXene负载量(0.5 mg cm^-2)的TMF在50%的应变范围内，在动态拉伸过程中以及反复拉伸后均中表现出良好稳定的30 dB左右的电磁屏蔽性能。此外，由于其高导电性和局部表面等离子体共振(LSPR)效应，TMFs具有优异的焦耳加热(在5 V电压下可达104℃)和光热转换性能，并且在拉伸状态下仍具有良好的电/光热转换性能。因此，本工作在有效屏蔽电磁波的基础上集成了可调节热管理性能，为多功能可穿戴材料提供了新的策略。

图1（a）Ti₃C₂T_x MXene纳米片和（b）具有精细微褶皱结构的TPU/MXene织物的制造过程示意图。

图2（a）Ti₃AlC₂、（b）多层Ti₃C₂T_x 和（c）Ti₃C₂T_x  MXene纳米片的SEM图，（d）分层Ti₃C₂T_x  MXene纳米片的TEM和（e）AFM图像（（e）中插图是对应的SAED图案）。（f）通过AFM图像统计分层Ti₃C₂T_x  MXene的横向尺寸。（g）Ti₃AlC₂和分层Ti₃C₂T_x  MXene的XRD图谱。（g）Ti₃AlC₂和Ti₃C₂T_x  MXene的XPS图谱。（i）Ti₃C₂T_x  MXene的XPS Ti 2p图谱。

图3（a-c）不同放大倍数下TPU纳米纤维膜表面形态的SEM图像，（d-f）具有褶皱结构的TPU/MXene织物在动态拉伸过程中的表面形态变化，（g-i）动态拉伸过程中平面TPU/MXene织物表面形态的变化。

图4（a）不同MXene含量TMF的EMI屏蔽性能。TMF-12（b）在不同施加应变下，以及（c）在50个应变周期后的电磁干扰屏蔽性能。（d）不同MXene含量的TMF和平面TMF的R-A系数。（e）TMF-12在不同施加应变下的R-A系数。（f）褶皱TMF的EMI屏蔽机理图。

图5（a）在4 V电压下TMF的温度曲线。（b）在1至5 V下TMF-9的温度曲线和对应的（c）红外相机图像。（d）在不同电压下的饱和温度与U²的关系。（e）在4 V电压下，TMF-9在各种施加应变下的温度曲线。（f）TMF-9加热器的温度可调性。（g，h）戴在手套上的可穿戴TMF-9加热器的数字和红外相机图像。

图6（a）100 mW/cm²光照射下TMFs的温度-时间曲线。右边的插图是对应的红外图像。（b）不同辐照功率密度下TMF-9的温度曲线。（c）实验数据和饱和温度与辐照功率密度的线性拟合。（d）TMF-3在开-关光照循环下的温度-时间曲线。100mW/cm²辐照功率密度下TMF-9在不同应变下的（e）温度曲线和（f）红外相机图像。

郑州大学橡塑模具国家工程研究中心的硕士研究生董婧雯是该论文的第一作者，通讯作者为苏凤梅副教授、冯跃战副教授和刘春太教授。该研究得到了国家自然科学基金(21704096,51703217,12072325)和河南省自然科学项目(20A430028)的资金支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c19890 

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