聊城大学战艳虎副教授和四川大学夏和生教授团队CEJ：轻质、隔热的橡胶基电磁屏蔽材料

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电磁屏蔽橡胶材料因其高弹性、良好的密封性，成为设备连接器件不可或缺的材料。为提高橡胶材料的电磁屏蔽性能，科研人员在导电填料的类型选择及表面修饰、导电网络的构筑、复合材料的结构设计等方面开展了大量的研究工作，具体如下：（1）导电填料的表面修饰提高分散性和增加功能性；（2）导电填料的选择性分布构建导电网络；（3）乳液混合法构筑导电填料的隔离网络；（4）加工工艺的优化获得层层结构或多孔结构。随着新兴导电材料的开发、制备工艺的优化和屏蔽理论的深入探讨，该领域得到快速地发展，但是仍面临如下挑战：基于新型结构的设计，实现高效电磁屏蔽橡胶材料的多功能化，以满足特定领域的需求。

聊城大学战艳虎副教授团队、四川大学夏和生教授团队一直致力于橡胶材料的高性能化与功能化研究，并取得一系列创新性成果：发明了原位还原-胶乳法，实现石墨烯在橡胶基体中的分散和网络构筑（Macromol. Mater. Eng., 2011, 296, 590，J. Mater. Chem., 2012, 22, 10464和Mater. Lett. 2017, 192, 115–118）；建立在橡胶基体中构筑电磁耦合杂化网络的工艺，并阐释电磁耦合杂化网络对电磁屏蔽性能的调控机制（Chem. Eng. J., 2018, 344,184-193）；利用超临界二氧化碳发泡技术在橡胶材料中构筑微尺度多孔结构，阐明了隔离网络与泡孔结构并存对电磁屏蔽性能的协同增强机制(Nanoscale, 2019, 11, 1011-1020)；构建层层结构、获得各向异性橡胶基电磁屏蔽材料（Nanoscale, 2020, 12, 7782–7791）；突破技术瓶颈，首次利用水合肼作为还原剂，获得可用于传感器领域的石墨烯/天然橡胶多孔材料（Compos. Sci. Technol., 2021, 205, 108689）。近期，两个团队为解决发泡过程中隔离网络易被破坏的难题，再次合作，运用胶乳混合与模板发泡联用技术，获得轻质、隔热的橡胶基电磁屏蔽材料。

图1. 轻质、隔热的橡胶基电磁屏蔽材料的优点

利用胶乳混合法将碳纳米管包覆在天然橡胶粒子的表面，再将可膨胀微球分散在碳纳米管/天然橡胶乳液中，冷冻干燥后，模压发泡获得具有新型“海岛”结构的橡胶泡沫材料（如图2所示）。所谓的新型的“海岛”结构是指：以具有碳纳米管隔离网络的橡胶相为连续相、以具有薄壳结构的聚丙烯酸空心球为分散性（如图3a和b）。这种新型结构赋予材料神奇的特性：（1）可膨胀微球膨胀过程中，碳纳米管的隔离网络不会破坏，因而发泡前后材料的导电率相对稳定（如图3c）；（2）含有异丁烷的中空微球赋予材料超低的导热系数（0.020 W/m K，如图3d）；（3）隔离网络和泡孔结构的协同效应赋予材料优异的电磁屏蔽性能（44.2 dB），详见图3e和f。通过优化发泡率，当材料的密度为0.5 g/cm³和厚度为2 mm时，该材料的导热系数为0.048 W/m K、屏蔽效能为44.2 dB，可应用于防屏蔽和隔热领域。

图2. 轻质、隔热的橡胶基电磁屏蔽材料的制备流程

图3. 轻质、隔热的橡胶基电磁屏蔽材料的微观结构（a和b）、导电性能（c）、导热系数（d）和电磁屏蔽性能及屏蔽机理（e和f）

以上相关成果以Thermal insulating rubber foams embedded with segregated carbon nanotube networks for electromagnetic shielding applications为题，发表在Chemical Engineering Journal上。聊城大学硕士生谢兆新和四川大学硕士生蔡易凡为共同一作，聊城大学战艳虎副教授和四川大学夏和生教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135118

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