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南科大王湘麟教授、陳柔羲副教授/天工大范杰教授：用于高性能電磁干擾屏蔽的核殼PANI/PVDF@PANI納米纖維復(fù)合膜
2024-02-20  來(lái)源：高分子科技

  5G通訊技術(shù)的到來(lái)，推動(dòng)了各式先進(jìn)電子儀器設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，如柔性便攜式智能電子、可穿戴電子、衛(wèi)星通信、飛行器、軍事及醫(yī)療設(shè)備等，電磁波作為信息傳輸?shù)闹匾浇，也在日益快速增長(zhǎng)中不斷躍升能級(jí)。然而，電磁波技術(shù)的飛速發(fā)展在為我們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也不可避免地帶來(lái)了電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）。能量和密度不斷增加的EMI輻射不僅會(huì)影響高精密電子設(shè)備的正常運(yùn)行，也會(huì)對(duì)人類(lèi)健康造成威脅。因此，為了有效減弱電磁輻射（Electromagnetic radiation, EMR）污染，開(kāi)發(fā)新一代高性能電磁干擾屏蔽材料至關(guān)重要。



  近期，南方科技大學(xué)王湘麟講席教授、陳柔羲副教授團(tuán)隊(duì)與天津工業(yè)大學(xué)范杰教授團(tuán)隊(duì)，以“Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”為題在《Nano Letters》上發(fā)表研究文章。文章第一作者是天津工業(yè)大學(xué)博士研究生陳明伊，南方科技大學(xué)碩士研究生李懋春和高宇非。團(tuán)隊(duì)采用種子聚合法制備了核殼雙重聚苯胺(PANI)納米纖維膜。在核層中加入的本征態(tài)PANI是經(jīng)過(guò)溶液共混紡絲，使其均勻的分散在整根纖維中，當(dāng)纖維膜浸泡在含有苯胺的酸性介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)氧化聚合后，核層的PANI起到“晶種”的作用，同時(shí)纖維帶有電荷，吸附更多的苯胺單體粘附在模板纖維表面而進(jìn)行原位聚合，最終形成均勻的核殼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是利用了靜電吸附作用和聚苯胺氫鍵產(chǎn)生的豐富附著點(diǎn)，讓更多的PANI生長(zhǎng)并包覆在纖維表面，大大提高了苯胺單體的利用率與單根纖維負(fù)載聚苯胺的容量，同時(shí)也讓殼層PANI更加牢固的“貼附”在核層表面，確保了核殼結(jié)構(gòu)和電磁干擾屏蔽性能的穩(wěn)定性。納米纖維的多層結(jié)構(gòu)有利于電磁波多次反射而被損耗，因此，采用該方法制備的復(fù)合膜，綜合了基底材料與PANI的特性，具有柔韌性和輕薄性的同時(shí)，也具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、透氣性、透濕性以及電磁干擾屏蔽性能。 


圖1 (a)現(xiàn)實(shí)生活中存在的電磁干擾輻射;(b)PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜的制備方法示意圖;(c)復(fù)合膜柔軟性展示照片;(d)復(fù)合膜輕薄性展示照片;(e)化學(xué)氧化聚合后產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu). 


圖2 (a)PVDF納米纖維SEM圖。(b)10PANI/PVDF納米纖維SEM圖。(c)30PANI/PVDF納米纖維SEM圖;(d)PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(e)10PANI/PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(F)30PANI/PVDF@PANI納米纖維SEM圖。(g-i)30PANI/PVDF@PANI納米纖維的EDS圖。 


圖3 (a)不同納米纖維膜的XRD曲線(xiàn)。(b)不同納米纖維膜的FTIR曲線(xiàn)。(c-d)不同納米纖維膜的TGA曲線(xiàn)。(e)不同納米纖維膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。(F)不同納米纖維膜彈性模量。(g)30PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜120s承受500g砝碼的照片。(h)30PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜彎曲、折疊、卷曲、耐磨的照片。(i)不同納米纖維膜的接觸角。(j)不同納米纖維膜的透濕性。(k)不同納米纖維膜的透氣性。 


圖4 (a)各種復(fù)合膜的電導(dǎo)率。(b)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜在X波段的SE值。(c)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜在X波段的SEA值。(d)PVDF@PANI納米纖維膜和各種PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜在X波段的SER值。(e-g)不同PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜在X波段的R、T、A值。(h)不同PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜12.4GHz的R、T、A值。(i)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜在2000次彎曲循環(huán)后的SE值。(j) LED燈 與30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜連接的照片。(k) 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜、未摻雜30PANI/PVDF納米纖維膜和摻雜30PANI/PVDF-P納米纖維膜的電磁屏蔽照片。(l) 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜、未摻雜30PANI/PVDF納米纖維膜和摻雜30PANI/PVDF-P納米纖維膜的電磁屏蔽前后照片（從左到右順序）。(m)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜電磁屏蔽開(kāi)關(guān)100次循環(huán)。 


圖5 (a)30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜的EMI屏蔽機(jī)制。(b)本工作與PANI基復(fù)合材料的SE/t值的比較。(c)1.5m×0.6m 30PANI/PVDF@PANI納米纖維膜的照片。


  PANI是一種低成本且電導(dǎo)率可控的介電材料，具有合成方便、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、微波損耗等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前景的功能高分子之一。當(dāng)入射電磁波到達(dá)30PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜的表面時(shí)，由于其殼層具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，導(dǎo)電的可移動(dòng)電子與電磁波相互作用，PANI殼層和PANI/PVDF核層界面的電特性差異引起了阻抗失配，導(dǎo)致大多數(shù)電磁波被反射回來(lái)，其余部分進(jìn)入復(fù)合膜內(nèi)部。傳入的電磁波與核層PANI中的大量電子相互作用，PANI自由電子發(fā)生移動(dòng)并形成電流來(lái)?yè)p耗其能量。此外，纖維的分層結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致電磁波在復(fù)合膜內(nèi)部多次反射，電磁波的傳輸路徑得到了擴(kuò)展，最終在復(fù)合膜內(nèi)外部多次反射直到完全衰減。穩(wěn)定的核-殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)為反射和吸收微波提供了更多的界面。30PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜在厚度僅為1.2mm的情況下，實(shí)現(xiàn)了高性能EMI屏蔽性能（44.7dB）。此外，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜顯著的SE/t值372.5 dB? cm-1。隨著靜電紡絲技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展，PANI/PVDF@PANI復(fù)合膜可實(shí)現(xiàn)規(guī)；a(chǎn)，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)輕薄柔軟電磁干擾屏蔽材料的需求。


  原文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c05021


  下載：Flexible and Robust Core-Shell PANI/PVDF@PANI Nanofiber Membrane for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding

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