微波4秒自修复!耐久稳定电磁屏蔽纺织品

Near-Intantaneously Self-Healing Coating Toward Stable and Durable Electromagnetic Interference Shielding

Lihua Zou, Chuntao Lan, Songlin Zhang*, Xianhong Zheng, Zhenzhen Xu*, Changlong Li, Li Yang, Fangtao Ruan, Swee Ching Tan*

Nano-Micro Letters (2021)13: 190

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00709-0

本文亮点

1通过在织物表面依次构筑导电聚合物和疏水防护层成功制备了耐久且稳定的电磁屏蔽纺织品。

2. 当防护层遭受物理或化学类刺激而被破坏时,仅通过微波加热约4秒即可实现自修复,进一步保护和延长织物的电磁屏蔽性能。

3. 借助电磁屏蔽材料微波加热效应,该方法可促进完成多次自修复,是一种潜在的普适性策略

内容简介

材料电磁屏蔽性能的耐久稳定性对电子产品的正常工作及人体健康具有重要意义。大量的研究表明,超疏水涂层整理可有效提高功能材料的耐久稳定性。尽管超疏水整理能够延长电磁屏蔽材料的耐久稳定性,但是超疏水防护层在遭受物理及化学作用的破坏时会大大的降低其保护作用。设计和构筑可快速自修复的超疏水涂层可有效解决其防护效果下降带来的弊端,延长功能材料的使用寿命。安徽工程大学徐珍珍教授,新加坡国立大学陈瑞深(TAN Swee Ching)助理教授等在本文中依次在棉织物表面构筑导电聚吡咯(PPy)和聚全氟辛基三乙氧基硅烷(POTS),制备了可快速自修复、超疏水的电磁屏蔽织物。在物理机械外力(弯曲、扭曲、胶带粘贴)作用下及化学溶液(强酸、强碱)环境中依然能保持良好的电磁屏蔽性能。在POTS表面遭受不可避免的损坏时,利用PPy的电磁波吸收性能,借助微波辐射(~4 s)实现了POTS疏水层的自修复,修复效率达到~99%,而且这一自修复过程在重复10次后,其电磁屏蔽效能保持率超过~96%。

图文导读

I PPyn@POTS涂层织物形貌和结构表征

采用原位聚合和浸渍涂层的方法,依次在棉织物表面沉积PPy和POTS(图1a)。图2示出,PPy6@POTS均匀沉积在纤维表面,涂层后的织物依然轻质柔软。

图1. (a) PPyn@POTS涂层织物的制备流程,(b-d) 涂层织物的多种功能,分别是电磁屏蔽,疏水自清洁,耐久与自修复。

图2. (a) 原棉纤维,(b, c) PPy@POTS涂层后纤维的SEM图;(d) PPy6@POTS涂层织物光学照片;(e) 元素分布图;(f) XPS谱图。

II PPyn@POTS涂层导电和电磁屏蔽性能

在PPy涂层织物表面沉积一层薄的POTS,对其导电性能影响非常小(图3a)。在经历100次循环机械作用后,PPy6@POTS涂层织物的导电性能依然保持稳定(图3b-d),表明POTS薄层增强了涂层织物的电性能的稳定性。涂层织物不仅具有良好的导电性能,而且表现出优良的电磁屏蔽性能和电磁波吸收特性(图3f-g)。基于POTS的优良保护作用,PPy6@POTS织物在机械作用、水溶液作用下电磁屏蔽性能依然表现出较好的稳定性,但仍存在一定的下降趋势(图3h, i)。

图3. (a) POTS涂层前后织物的表面电阻;(b-d) 弯曲、扭转和胶带粘贴后织物的表面电阻变化;(e) POTS涂层前后织物的电磁屏蔽效能;(f, g) 电磁屏蔽因子及吸收率、反射率和透波率系数;(h, i) 机械作用、化学作用时涂层织物电磁屏蔽性能变化。

III POTS涂层的保护作用

PPyn@POTS涂层织物的水接触角随着PPy的沉积次数(n)增加而增加,并达到了超疏水的效果(图4a),展现出疏水自清洁的效果(图4b)。这一超疏水特性有助于抵御外界液体入侵织物内部,并保持其优异的超疏水性能(图4c),进而对涂层织物的导电性能和电磁屏蔽性能起到一定的保护作用(图4d, e),但是随着浸泡时间的延长,其导电及电磁屏蔽性能呈现下降趋势。

图4. POTS对涂层织物的保护作用。(a) 水接触角;(b) 自清洁;(c) 在不同溶液中浸泡后的水接触角和(d) 表面电阻;(e) 酸性及碱性环境中浸泡后织物的电磁屏蔽效能。

IV POTS涂层的快速修复与电磁屏蔽耐久性

从上述可知,当疏水POTS层遭受化学破坏时,含氧的极性官能团将会出现在纤维表面,使PPy@POTS涂层织物由疏水变成亲水,对PPy导电层的保护作用会逐步丧失。在自然环境下,POTS的自修复非常缓慢,因此,防护层的快速修复具有重要意义。我们利用PPy具有优良的电磁波吸收功能这一特性,以电磁波作为刺激源,对受损的织物进行辐射来加快自修复(图5a)。结果表明,仅4 s电磁辐射后涂层织物的超疏水性能得以恢复,这一修复时间比现有报道中的自修复时间至少少了10倍。借助COMSOL软件进行模拟,模拟结果与实际吻合(图5b-e),当利用家用微波炉对涂层织物辐射4 s时,其温度升高至133℃。基于此,对经过96 h浸泡的涂层织物进行微波辐射4 s,发现其超疏水性能实现了自修复(图5f),而且此自修复过程重复10次后,修复效率超过96%(图5g)。

除了研究超疏水的自修复,进一步研究了自修复后织物电磁屏蔽性能的变化,结果表明自修复后织物的电磁屏蔽性能变化很小(图6a, b),说明POTS的自修复对PPy导电层具有优异的保护作用,进而提升织物电磁屏蔽性能的耐久性。相比于其他的自修复方式,本文采用的微波辐射的方法在修复时间上具有明显的优势,时间至少缩短10倍(图6c)。

图5. 微波加热作用下涂层织物的快速自修复。(a) 自修复机理;(b) PPy涂层纱线截面模型;(c) 微波加热4s后纱线截面模拟温度图;(d) 微波加热4s后红外温度谱图;(e) 实验与模拟温度图;(f) 自修复前后水接触角图;(g)多次自修复与水接触角及修复效率的关系图。

图6. 耐久电磁屏蔽性能及与其他自修复方法的比较。(a-b) 电磁屏蔽效能与自修复次数的关系;(c) 与其他自修复方法的比较。

作者简介

邹梨花

本文第一作者

安徽工程大学 讲师

主要研究领域

电磁屏蔽及智能纺织品的研究开发。

兰春桃

本文共同一作

中科院北京纳米能源与系统研究所 助理研究员

主要研究领域

智能纺织品的研究开发。

Email: lanchuntao@binn.cas.cn

徐珍珍

本文通讯作者

安徽工程大学 教授

主要研究领域

主要研究方向为锂/钠离子电池、超级电容器以及催化材料等。

主要研究成果

功能纺织品及纤维增强复合材料的研究开发。

Email: xuzhenzhen@ahpu.edu.cn

陈瑞深 (TAN Swee Ching)

本文通讯作者

新加坡国立大学 助理教授

主要研究领域

主要从事大气水收集,海水淡化,以及基于蛋白质的太阳能电池等方面的研究。

主要研究成果

以第一作者和通讯作者在Joule, Energy Environ.Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., ACS Nano, Nano Energy等学术期刊上发表论文近50篇,并获得多项发明专利。其研究成果曾被Forbes, Reuters, MIT Technology Review, Business Insider, Eco-Business, South China Morning Post, Daily Mail, Science Daily, Hong Kong TVB, Yahoo News, Phys.org等报道。

Email: msetansc@nus.edu.sg

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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