江南大学付少海教授团队《ACS AMI》：超薄MXene复合涂层实现织物高效电磁屏蔽和阻燃性能

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电磁屏蔽涂层织物可以保护精密仪器和生物体免受电磁辐射的危害，是信息化社会极具发展潜力的功能材料。然而，为了获得良好的电磁屏蔽性能，织物表面导电涂层的往往需要达到毫米级别，极大地影响了织物的柔软舒适性。实现涂层织物高效电磁屏蔽效率和柔软性间的良好平衡仍然具有挑战。

近期，江南大学付少海教授团队通过在普通棉织物表面构筑交替结构的过渡金属碳氮化合物（MXene）/绝缘聚合物涂层，在涂层厚度为纳米级别时织物的电磁屏蔽性能满足了商业用要求并实现了优越的阻燃性能。相关成果以标题“Ultrathin MXene/Polymer Coatings with an Alternating Structure on Fabrics for Enhanced Electromagnetic Interference Shielding and Fire-Resistant Protective Performances”发表在ACS Applied Materials & Interfaces。

该研究通过逐步组装技术在织物表面制备了交替结构的MXene/聚乙烯亚胺（PEI）涂层，将高效电磁屏蔽元素、层状结构和高纳米填料含量这三个特点巧妙地结合到同一涂层中，使得导电涂层织物在保持柔软特性的同时实现高效的电磁屏蔽性能。PEI的引入不仅提升了MXene层在化学腐蚀和机械损伤过程中稳定性，并且能够保持与纯MXene涂层织物相近的导电性。更重要的是MXene/PEI交替结构增加了材料的介电性能以及电磁波在涂层内部的多次反射作用，复合涂层织物的电磁屏蔽效率相较于纯MXene涂层织物有了显著地提升（138.95%）。由于其高效的屏蔽性能，拥有纳米级厚度（~500nm）涂层的织物满足了商业用电磁屏蔽材料的要求，并能够维持涂层织物良好的柔软性（0.08cN·cm²/cm）和透气性（477.05mm/s）。此外，MXene/PEI复合涂层也赋予了织物良好的阻燃性能，这是在电子设备高度集成化和微型化的5G时代智能织物所需要的性能。该研究为新一代便携式与可穿戴电磁屏蔽产品设计纳米厚度的涂层材料提供了新见解。

示意图1 通过逐步组装技术制备电磁屏蔽和阻燃织物。

图1 MXene和涂层织物的表征。MXene和MAX相的（a）XRD；（b）XPS；MXene的（c）AFM；（d）TEM；（e）-（f）棉织物的SEM；MX₁₀P₁-10的（g）-（h）SEM；（i）EDX；（j）纤维截面图；（k）光学照片；（l）透气性实验。

图2 （a）涂层织物单位面积涂层质量以及织物厚度；涂层织物的（b）表面电阻；（c）XPS；MX₁₀-10和MX₁₀P₁-10在（d）超声后的涂层质量保有率；（e）HCl溶液中浸泡后的表面电阻；（f）NaOH溶液中浸泡后的表面电阻；（g）弯曲后的表面电阻；（h）表面撕拉后的表面电阻。

图3 涂层织物的介电性能。X波段涂层织物的复介电常数（a）介电常数实部；（b）介电常数虚部；（c）MXene/PEI涂层介电性能机理示意图。

图4 涂层织物的电磁屏蔽性能。（a）棉织物、MXene涂层织物、MXene/PEI复合涂层织物在X波段的电磁屏蔽效率；（b）MXene/PEI涂层织物的电磁屏蔽机理示意图；（c）单位涂层厚度的电磁屏蔽效率的对比；（d）MX₁₀P₁-10在红外灯下照射以及冷却的红外热成像图；（e）MX₁₀P₁-10包裹蓝牙耳机前后电磁辐射变化的光学照片；MXene/PEI涂层织物（f）不同组装次数的电磁屏蔽效率；（g）不同MXene分散液浓度的电磁屏蔽效率。

图5 织物的阻燃性能。燃烧试验的光学照片（a）棉织物；（b）MX₁₀-10；（c）MX₁₀P₁-10；（d）MX₁₀P₁-10碳残留物的SEM；棉织物和MX₁₀-10、MX₁₀P₁-10的（e）热释放速率；（f）碳残留物的拉曼光谱

相关链接

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c11638

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