电磁屏蔽纸!超薄“三明治+梯度”结构的CNT/MXene/纳米纤维素复合材料

Ultrathin and Flexible CNTs/MXene/Cellulose Nanofibrils Composite Paper for Highly Efficient Electromagnetic Interference Shielding in X-Band

Wentao Cao, Chang Ma, ShuoTan, Mingguo Ma*, Pengbo Wan*, Feng Chen*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 72

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0304-y
本文亮点 ▍

1 采用交替抽滤的策略,设计出具有梯度结构和“三明治结构”的超薄柔性碳纳米管/MXene/纳米纤维素三元复合纸。

2 该三元纳米复合纸展现出优异的力学性能和高效的X波段电磁屏蔽性能。
3 基于碳纳米管、MXene以及纳米纤维素,探索了不同组分和结构的设计对于电磁屏蔽性能的影响机理,对于拓宽MXene材料的应用领域具有重要的参考价值。

内容简介 ▍

同济大学附属第十人民医院陈峰研究员课题组北京林业大学马明国教授课题组北京化工大学万鹏博研究员课题组合作,研制出具有梯度结构和“三明治结构”的超薄柔性碳纳米管/Ti3C2MXene/纳米纤维素三元复合电磁屏蔽纸 (CMT GS)。曹文涛博士生为论文的第一作者。

本文采用交替抽滤的策略,成功设计出具有多级结构、优异力学性能、高效电磁屏蔽性能的CNTs/Ti3C2 MXene/CNFs复合纸。通过调整不同组分的排列组合方式,研究了不同组分、不同内部结构对复合材料力学性能和电磁屏蔽性能的影响机理。

所得三元复合电磁屏蔽纸的导电性可达2506.6 S/m,拉伸强度可达97.9±5.0 MPa,拉伸断裂应变可达4.6±0.2%,电磁屏蔽性能最高可达38.4 dB。

本研究的开展有利于解决传统屏蔽材料厚度大、柔韧性差等问题,将生物质纳米纤维素与碳纳米管和MXene进行复合,并引入其他功能性材料和独特的结构设计,对于开辟纳米纤维素功能化和高值化利用,拓展MXene电磁屏蔽材料的应用领域具有重要的参考价值。

/ 研究背景 /

随着电子科技的繁荣发展,功能性电磁材料和设备已广泛应用于各个领域,由此引发的电磁污染也引起人们的广泛关注。电磁污染不仅会干扰电子设备的正常运行,使设备出现系统失控或功能失灵的严重故障,而且会对周围自然生态环境造成破坏,出现基因突变、生长受限、病变或凋亡等现象。除此之外,长期高强度的电磁辐射污染也会危害人类身体健康,对人体神经系统、免疫系统、生殖系统和内分泌系统等造成严重的影响,从而引发一系列的临床疾病。

高效的电磁屏蔽材料可以有效的减轻或消除电磁辐射对于设备运行和人体健康的影响。相对于比重大、耐酸碱性差的传统金属材料,碳基材料如碳纳米管(CNTs)由于具有轻量和柔韧性好的特点受到了人们的青睐。目前虽然已经取得了一定的研究进展,但是如何制备超薄、柔性和具有高效屏蔽性能的材料仍然是当前亟待解决的难题

MXenes是于2011年被美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi课题组首次报道的一类新型的二维过渡金属碳化物/碳氮化物。它的化学式为Mn+1AXn, 其中(n = 1–3),M代表早期过渡金属;A通常代表第三主族和第四主族化学元素;X代表C或N元素。近年来,MXenes材料由于具有大的比表面积和高的导电性等优点,被广泛报道用作电磁屏蔽材料。然而,MXene的力学性能较差,难以承受一定程度的变形,限制了其应用领域的拓展。纳米纤维素(CNFs)作为一种极具发展潜力的天然生物高分子材料,相比普通纤维素有机械强度高、杨氏模量高、亲水性强等优点,经常被用作复合材料中的力学增强相。

图文导读 ▍

CMT GS的制备过程及原料分析

采用交替抽滤的策略,设计出具有梯度和“三明治结构”的碳纳米管/Ti3C2MXene/纳米纤维素三元复合电磁屏蔽纸,如图1所示。所得复合屏蔽纸可以达到仅约38 μm的超薄厚度。

图1 (a)CMT GS复合纸的制备过程; (b,c)Ti3C2MXene的水分散液和TEM图; (d,e)CNTs的水分散液和TEM图; (f,g)CNFs的水分散液和FTIR图; (h,i)CMC GS复合纸的柔性及厚度分析。

复合材料的基础表征

CNTs的加入会使CNTs/Ti3C2 MXene (CM) 层的截面呈现波浪状起伏结构,并引入很多裂缝状微孔,从而增加其复合层的比表面积,如图2所示。所制备的CMC GS复合纸具有明显的梯度结构和“三明治”结构。

图2 (a,b)CNTs/Ti3C2MXene复合层的SEM和BET分析; (c)CMT GS复合纸的SEM和EDS mapping图像。
CMT GS复合纸的力学性能分析

机械性能测试结果表明,CNFs的加入会明显提升复合材料的力学性能,其中CMT GS复合纸拉伸强度可达97.9±5.0 MPa,拉伸断裂应变可达4.6±0.2%。并且在弯曲过程中,CMT GS复合纸的导电性基本不变。

图3 (a)材料的力学性能分析;(b)CMT GS复合纸在弯曲过程中的电阻变化;(c)CMT GS复合纸的断裂机制分析。
特殊结构对复合纸电磁屏蔽性能的影响
对具有不同结构的复合材料的电磁屏蔽性能研究结果表明,具有中间绝缘CNFs层的“三明治”结构可以显著提高复合材料的电磁屏蔽值 (EMI SE);而梯度结构对复合材料的EMI SE值影响不大,但对材料的吸收系数 (A) 和屏蔽系数 (R) 有较大影响。
图4 (a)不同“三明治”结构的复合纸的屏蔽性能对比; (b)具有不同CNFs含量的CM-CNFs-CM复合纸的屏蔽性能对比; (c,d)不同梯度结构的CM复合纸的EMI SE值和A值对比。
特殊结构对复合纸电磁屏蔽性能的影响
通过合理调控各组分的比例和抽滤顺序,所制备的CMT GS复合纸的屏蔽性能最高可以达到38.4 dB;并且CMT GS复合纸对比于其他金属基或碳基屏蔽材料在厚度和屏蔽性能方面都展现出极大地优势。
图5 (a,b)具有不同结构的CMT GS复合纸的EMI SE值和A值对比; (c)CMT GS复合纸的屏蔽机制分析; (d)CMT GS复合纸的屏蔽性能和其他屏蔽材料的对比。
作者简介

陈峰

(本文通讯作者)
同济大学附属第十人民医院和转化医学高等研究院
研究员、博士生导师
第十人民医院攀登人才计划领军人才
主要研究领域

主要致力于仿生结构材料及其在生物医学领域应用的研究。

主要研究成果

至今发表和被接收SCI论文100余篇,包括Chem. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Mater. Horiz., Biomaterials, Small等权威或著名学术期刊,论文被引4100余次,H指数35;获中国发明专利授权18项,美国专利授权1项;研究成果曾得到了人民日报、中国科学报及英国皇家物理学会等几十家国内外学术机构或重要媒体的关注报道。

Email: fchen@tongji.edu.cn

马明国

(本文通讯作者)

北京林业大学

材料科学与技术学院教授、博士生导师

林业生物质材料与能源教育部工程研究中心副主任

主要研究领域

主要从事纳米纤维素资源化、功能化、高值化以及循环利用的研究工作。

主要研究成果

已发表SCI收录论文130余篇,发表的论文在SCI中被他人引用3000余次,H-Index指数25;获授权国家发明专利10件,被邀请撰写综述论文14篇,参与编写英文专著12部。主持完成包括国家自然科学基金面上项目等课题18项,参与国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家“十二五”科技支撑计划、十三五国家重点研发计划等项目11项。2016年度荣获教育部自然科学奖二等奖,2017年度荣获中国林业青年科技奖。

Email: mg_ma@bjfu.edu.cn

万鹏博

(本文通讯作者)

北京化工大学

材料科学与工程学院研究员、博士生导师

主要研究领域

主要从事有机/无机纳米功能复合材料的可控合成、表面改性、分离分析及其在催化、传感、能源、环境、纳米器件、超分子组装、高分子功能化等方面的应用研究。

主要研究成果

近年来在Adv. Mater., Adv.Funct. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等期刊发表SCI论文多篇;数篇论文入选ESI TOP1%高被引论文。研究成果多次被MaterialsViews China网站报道。主持国家自然科学基金面上/青年项目、北京市自然科学基金面上项目、中石化安全工程研究院项目等,参与科技部重大专项(2016YFC0801300)。

Email: pbwan@mail.buct.edu.cn

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