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  MXene具有優(yōu)異的電子、光學(xué)、機(jī)械和電化學(xué)性能，在儲(chǔ)能、催化、醫(yī)藥、電磁屏蔽等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，已成為新一代二維材料研究熱點(diǎn)。MXene具有類似金屬的導(dǎo)電性能、獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)和豐富的末端基團(tuán)，使其在制備高效的電磁屏蔽復(fù)合材料方面受到了廣泛的關(guān)注。不難設(shè)想，得益于MXene與電磁波良好的相互作用，MXene也能像碳納米管（CNTs）、石墨烯等碳材料一樣將電磁能高效轉(zhuǎn)化為熱能，在微波場(chǎng)作用下激發(fā)快速的升溫現(xiàn)象。然而，人們更多的關(guān)注了MXene的電磁屏蔽性能，對(duì)其微波加熱效應(yīng)少有研究，微波加熱機(jī)理尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。

  基于以上想法，該工作首次系統(tǒng)研究了由強(qiáng)電磁波吸收導(dǎo)致的Ti₃C₂T_x微波加熱行為，并有效利用Ti₃C₂T_x快速的微波加熱效應(yīng)在聚丙烯（PP）基體中構(gòu)筑了完整的隔離導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，賦予了PP/Ti₃C₂T_x復(fù)合材料優(yōu)異的電磁屏蔽和抗熔滴性能。首先，采用部分交聯(lián)的多巴胺/聚乙烯亞胺對(duì)PP進(jìn)行表面包覆改性，通過(guò)絮凝-自組裝的方法將單層/少層的Ti₃C₂T_x富集在改性PP顆粒表面；在最佳的微波工藝下，Ti₃C₂T_x作為 “界面焊接層”引發(fā)了獨(dú)特的選擇性加熱現(xiàn)象，極短時(shí)間內(nèi)（10~20 s）在PP基體中構(gòu)建了Ti₃C₂T_x隔離導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

圖1. 基于自組裝和微波選擇性燒結(jié)快速制備具有隔離結(jié)構(gòu)的PP/Ti₃C₂T_x復(fù)合材料流程圖。

  將PP/Ti₃C₂T_x顆粒類比為具有核殼結(jié)構(gòu)的微球，通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)的有限元模擬研究了電磁波分布和熱傳現(xiàn)象。結(jié)果表明：微波對(duì)包覆顆粒表現(xiàn)為快速、選擇性的加熱行為，9s即可使界面達(dá)到170℃左右，實(shí)現(xiàn)界面熔接成型。微波燒結(jié)PP/Ti₃C₂T_x的TEM、OM、SEM圖像展現(xiàn)了完美的隔離界面和三維網(wǎng)絡(luò)。

圖2. 利用COMSOL有限元模擬研究PP/Ti₃C₂T_x微波加熱行為（1500W，20s）：（a）單個(gè)顆粒截面溫度分布；9個(gè)堆疊顆粒（b）表面和（c）截面溫度分布；（d）顆粒填充至模具的紅外熱成像圖；（e，f）微波燒結(jié)PP/Ti₃C₂T_x的界面TEM圖；PP/Ti₃C₂T_x的（g）OM、（h）SEM和（i）Ti元素分布。

  微波燒結(jié)賦予了PP/Ti₃C₂T_x完整的隔離結(jié)構(gòu)，使其具有超低導(dǎo)電逾滲閾值（0.02091 vol%），在極低的Ti₃C₂T_x含量下（1.138 vol%），微波燒結(jié)成型PP/Ti₃C₂T_x的電導(dǎo)率和電磁屏蔽效能分別為500.0 S m^-1和75.12~78.85 dB（X波段）。微波燒結(jié)PP/Ti₃C₂T_x的電磁屏蔽機(jī)理體現(xiàn)在宏觀和微觀兩方面：電磁波進(jìn)入隔離結(jié)構(gòu)，在Ti₃C₂T_x構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生多次反射；電磁波在界面富集的Ti₃C₂T_x多層之間發(fā)生多次反射，從而大幅削弱入射電磁波強(qiáng)度達(dá)到高效屏蔽效果。

圖3. （a）微波燒結(jié)PP/Ti₃C₂T_x的導(dǎo)電逾滲行為；（b）不同含量PP/Ti₃C₂T_x在X-波段上的電磁屏蔽效能；12GHz下不同含量PP/Ti₃C₂T_x的（c）SET，SEA和SER值以及（d）趨膚深度；（e）微波燒結(jié)PP/Ti₃C₂T_x與現(xiàn)有文獻(xiàn)樣品在X-波段上的電磁屏蔽效能對(duì)比；（f）電磁波與PP/Ti₃C₂T_x相互作用機(jī)理。

  與此同時(shí)，Ti₃C₂T_x在燃燒過(guò)程中能迅速形成高質(zhì)量的阻隔層，有效阻斷了PP熔體的聚集，在僅0.5wt%的添加量下，PP/Ti₃C₂T_x表現(xiàn)了優(yōu)異的抗熔滴效果，即使在火焰燃燒后也保持了完整的外觀和整體結(jié)構(gòu)。

圖4. 燃燒測(cè)試的視頻截圖：（a）PP，（b）PDA-PEI@PP，（c）1wt% Ti₃C₂T_x@PP和（d）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃燒測(cè)試后殘余物的宏觀和微觀形貌：（e, f）1wt% Ti₃C₂T_x@PP和（g, h）4wt% Ti₃C₂T_x@PP；燃燒前后的Ti₃AlC₂、Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x@PP的XPS（i）總元素譜圖和Ti元素分譜。

  上述研究成果在《Chemical Engineering Journal》在線發(fā)表，題為Microwave-Induced Segregated Composite Network with MXene as Interfacial Solder for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Anti-dripping。四川大學(xué)高分子研究所碩士生馬文杰為論文的第一作者，四川大學(xué)劉鵬舉助理研究員為論文通訊作者。該研究得到了鄭州大學(xué)王建峰副教授、深圳大學(xué)劉卓鑫助理教授的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131699

  下載：Microwave-Induced Segregated Composite Network with MXene as Interfacial Solder for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Anti-dripping