大連理工大學(xué)賓月珍教授團(tuán)隊(duì)《CEJ》：天然橡膠增韌碳納米管巴基紙及其在電磁屏蔽，導(dǎo)熱，焦耳加熱和摩擦納米發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用

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2021年11月16日 11:41

可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展在改善人們生活水平的同時(shí)，也產(chǎn)生了電磁輻射。電磁污染不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí){到人類的健康。碳納米管巴基紙（Buckypaper, BP）由于優(yōu)異的導(dǎo)電性被廣泛于電磁屏蔽領(lǐng)域。之前該課題組探討了碳納米管在不同溶劑中的分散性及真空過濾成膜性，并詳細(xì)研究了BP的結(jié)構(gòu)及其性能（Compos. Sci. Technol. 2019,181,107699. Mater. Design. 2019,184,108175.）。雖然BP具有優(yōu)異電磁屏蔽性能（EMI SE），在35 μm厚時(shí)EMI SE為31.2 dB，但其斷裂伸長(zhǎng)率僅為2%，這限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。研究人員通過真空過濾、超聲波浸漬、交聯(lián)等方式將高分子材料引入BP來改善其柔韌性。但BP斷裂伸長(zhǎng)率增加并不明顯，同時(shí)操作過程太復(fù)雜，涉及特殊條件，程序和設(shè)備。因此簡(jiǎn)單高效制備兼具高柔韌性和高電導(dǎo)率的BP仍存在困難。此外除了優(yōu)異的電磁屏蔽性能，還應(yīng)考慮在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)多功能的要求，如兼具導(dǎo)熱、焦耳加熱、摩擦發(fā)電、傳感、阻燃等。

鑒于此，大連理工大學(xué)賓月珍教授團(tuán)隊(duì) 選擇環(huán)保的天然橡膠（NR ）作為BP 的 “增韌劑 ”，通過簡(jiǎn)單的真空過濾方法，制備了NR 增韌BP （簡(jiǎn)稱NR-BP ），制備的NR-BP 兼具柔韌性和高電導(dǎo)率，拓展了其在電磁屏蔽，導(dǎo)熱，焦耳加熱和摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG s）等領(lǐng)域的應(yīng)用，為制備多功能可穿戴電子設(shè)備提供了一種新策略 (圖1 ) 。

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圖1. NR-BP的制備及其多功能性（電磁屏蔽，導(dǎo)熱，焦耳加熱和TENGs）

由圖2 可知，真空輔助過濾可以很容易地放大得到A4 或更大尺寸的NR-BP 。制備的NR-BP 可以進(jìn)一步折疊成紙鶴和紙船，放置在花上，顯示出良好的柔韌性和輕質(zhì)的特點(diǎn) 。同時(shí)NR-BP 在高斷裂伸長(zhǎng)率下仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性，其中CNR4 （20 wt% NR ）的斷裂伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率分別為 27.80% 和32.26 S/cm ，CNR1 （50 wt% NR ）的斷裂伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率分別為191.23% 和21.74 S/cm 。

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圖2. NR-BP的基本特征

由圖3 可知，NR-BP 具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，其中CNR4 的 EMI SE 和SSE/t 分別為 31.9 dB （50μm ）和8504 dB·cm ²/g ，CNR1 的 EMI SE 和SSE/t 分別為28.3 dB 和6232 dB·cm ²/g 。

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圖3. NR-BP的電磁屏蔽性能

由圖4 可知，NR-BP 具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，BP 垂直和水平方向的熱導(dǎo)率分別為0.358 和9.046 W/mK ，CNR4 分別為0.346 and 6.977 W/mK, 而 CNR1 為0.343 and 4.457 W/mK 。2D WAXD 結(jié)果顯示 NR-BP 水平方向取向程度明顯高于垂直方向， NR 含量對(duì)取向程度影響較小，材料的導(dǎo)熱性能主要與導(dǎo)電性有關(guān)。

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圖4. NR-BP的導(dǎo)熱性能

由圖5 可知，CNR4 具有優(yōu)異的焦耳加熱性能，在2、4和6V 的加載電壓下，其平衡溫度分別可達(dá)到為45.6 、104.9 和 155.5 °C 。

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圖5. CNR4的焦耳加熱性能

由圖6可知，CNR4可以作為TENGs的柔性電極，制備的CNR4-TENG可以在單電極模式和垂直接觸分離模式下工作。最優(yōu)的開路電壓（V_OC）、短路電流（I_SC）和短路電荷（Q_SC）分別為 27 V、1.8 μA和15 nC 。

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圖6. CNR4-TENG性能

該成果以“Natural Rubber Toughened Carbon Nanotube Buckypaper and Its Multifunctionality in Electromagnetic Interference Shielding, Thermal conductivity, Joule Heating and Triboelectric nanogenerators ”為題，發(fā)表在《 Chemical Engineering Journal 》上（DOI: 10.1016/j.cej.2021.133499）。文章的第一作者是大連理工大學(xué)博士生樊明帥，通訊作者為賓月珍教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133499

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