西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組通過在纖維素、聚苯胺基體中分別引入銀納米線、 Ti₃C₂T_x MXene（ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12: 18023；Compos Sci Technol, 2019, 183: 107833）實現其電磁屏蔽性能的有效提升；以芳綸納米纖維為增強層、 Ti₃C₂T_x MXene/銀納米線雜化導電填料為導電層，制備的雙層結構電磁屏蔽復合膜（ACS Nano, 2020, 14: 8368）兼具良好的柔韌性、優異的力學性能、高電導率、突出的寬頻電磁屏蔽性能和熱管理性能等特性；并采用離子誘導自組裝和真空輔助抽濾成膜工藝制備出多孔結構的Ti₃C₂T_x MXene/rGO電磁屏蔽復合膜（Carbon, 2021, 175: 271），有效解決二維材料的自堆疊問題，增大片層間距、增加多重反射界面、延長電磁波傳輸路徑，實現其電磁屏蔽性能的高效提升。

最近，SFPC課題組2020級博士研究生張雅莉同學借助“靜電紡絲-鋪層-熱壓”工藝制備了上下層為Fe₃O₄/聚乙烯醇（PVA）復合電紡纖維、中間層為Ti₃C₂T_x/PVA復合電紡纖維的三明治結構電磁屏蔽復合膜。靜電紡絲工藝促使Fe₃O₄和Ti₃C₂T_x沿PVA電紡纖維的徑向排列，有利于增加導磁、導電以及導熱通路形成的可能性。上下磁性層、中間導電層的三明治結構使電磁波在復合膜中經歷“吸收-反射-再吸收”的過程，并使Fe₃O₄和Ti₃C₂T_x的有效濃度提高，增加三明治結構電磁屏蔽復合膜對電磁波的磁滯損耗，且有助于在較低Ti₃C₂T_x用量下迅速實現其完整導電、導熱通路的高效搭建。得益于靜電紡絲工藝與三明治結構的優化設計構建，當Ti₃C₂T_x用量為13.3 wt%且Fe₃O₄用量為26.7 wt%時，三明治結構電磁屏蔽復合膜在75 μm厚度下的電磁屏蔽效能（EMI SE）為40 dB，高于相同填料用量下基于共混-靜電紡絲-熱壓工藝制備的電磁屏蔽復合膜（21 dB）；此外三明治結構電磁屏蔽復合膜還具有優異的導熱性能（導熱系數λ和熱擴散系數α分別為2.86 W/(m·K)和2.43 mm²/s）和力學性能（拉伸強度、韌性和楊氏模量分別高達27.7 MPa、6 MJ/m³和8.27 GPa）。

圖1 三明治結構電磁屏蔽復合膜的制備示意圖（a）及填料表征（b-g）

圖2 復合電紡纖維和三明治結構電磁屏蔽復合膜的微觀形貌

圖3 三明治結構電磁屏蔽復合膜的電磁屏蔽性能

圖4 三明治結構電磁屏蔽復合膜的電磁屏蔽機理示意圖

圖5 三明治結構電磁屏蔽復合膜的導熱性能

圖6 三明治結構電磁屏蔽復合膜的力學性能

本工作近期以“Flexible Sandwich-Structured Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposite Films with Excellent Thermal Conductivities”為題發表于Small（2021, 10.1002/smll.202101951.）上。第一作者為西北工業大學化學與化工學院20級博士研究生張雅莉同學，通訊作者是西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授。本研究工作得到了國家自然科學基金（51773169和51973173）、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊以及2021年度博士論文創新基金（CX2021107）的資助和支持。

論文信息：

Yali Zhang, Kunpeng Ruan, and Junwei Gu*. Flexible Sandwich-Structured Electromagnetic Interference Shielding Nanocomposite Films with Excellent Thermal Conductivities. Small, 2021, 10.1002/smll.202101951. 2020IF=13.281.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/smll.202101951