小姐一般不让嫖客干什么,在线 | 一区二区三区,第28部分夫妇交换系列

四川大學王延青 Carbon：單分散修飾超長單壁碳納米管/芳綸納米纖維制備兼具焦耳熱性能的高強度電磁干擾屏蔽膜

2023-08-03 來源：高分子科技

隨著信息技術的快速發展，電磁污染越來越嚴重，單一的電池屏蔽材料無法滿足一些新興領域的新要求，包括微波吸收、電傳感器、除冰和電加熱。制造結構設計新穎、輕量化、多功能的多功能復合材料得到了廣泛的探索。其中，碳納米管（CNTs）因其優良的導電性、導熱性、強的力學性能和輕質等優點而被用作優良的導電填料。然而，CNTs的無序纏繞帶來了大量的結構缺陷和管間的大接觸電阻，不利于實現材料優異的導電性。單分散的超長SWCNTs具有更長的縱橫比，減少了π-π堆疊相互作用導致的團聚，有利于構建更高效的導電網絡，提高材料的各項性能。

單組分材料力學性能難以提高，不能滿足結構材料的應用要求。芳綸纖維可分解成芳綸納米纖維(ANF)，成為高強復合材料的研究熱點。單壁碳納米管（SWCNT）和 ANF 的芳香結構具有高度的結構相似性，難點在于如何構建有效的混合網絡結構，以解決 SWCNT 和 ANF 之間填料與基體結合力差的問題。研究發現，可以通過調整結構來制備復合材料，以平衡界面相互作用。由于碳納米管極易聚集成納米管束，因此導電填料最好能改善碳納米管的分散性并增強氫鍵界面對復合材料性能的提升至關重要。

基于此，四川大學王延青特聘研究員課題組，在碳材料專業期刊Carbon 上發表題為“Mono-dispersion decorated ultra-long single-walled carbon nanotube/ aramid nanofiber for high-strength electromagnetic interference shielding film with Joule heating properties”的研究論文。文章第一作者為四川大學高分子科學與工程學院材料學碩士研究生張丁月，文章通訊作者為四川大學特聘研究員王延青。

在這項工作中，他們從自然界中的珍珠層結構中汲取靈感，通過一種新穎的雙網絡互穿策略制備了層狀 ANF/SWCNT 復合薄膜。其中，復合薄膜中的雙網絡可借助定向過濾構建成具有優先取向的層狀結構。這種策略表明，它能有效增加 ANF 和 SWCNT 網絡之間的氫鍵相互作用，并從 SWCNT 在 ANF 水溶液中的單分散性中獲益。在拉伸過程中，所制備薄膜中雙網絡的優先取向和豐富的氫鍵共同作用，產生了較高的斷裂強度（113.45 Mpa）和較低的斷裂應變（<2%）。此外，復合薄膜還具有可調的導電性（131.9-798.57 S/cm）、顯著的電磁屏蔽 EMI SE（43.01-75.28 dB）和 1.281 × 104 dB cm2 g^-1 的比屏蔽效能（SSE/t）。更有趣的是，薄膜還具有快速熱響應（<15 秒）和長期穩定的焦耳加熱性能，在相對較低的外加電壓（0.5-5 V）下具有較寬的溫度響應范圍（89-445 ℃）。他們的研究為填料界面的雙網互穿設計提供了思路，從而制備出高性能、可持續的生物啟發薄膜材料，用于電磁波屏蔽和電熱轉換應用。

本文要點

要點一：單分散超長單壁碳納米管分散液和ANF/SWCNT薄膜的制備

如何使 SWCNTs 均勻地分散在聚合物基體中，成為一種高效的導電添加劑，一直是人們關注的問題。他們將超長 SWCNT通過連續運行的珠磨機系統將 SWCNT 束分解穩定。然后，預先分散的超長 SWCNTs 分散體通過它們之間的π-π相互作用被引入到均相 ANF 溶液中。將得到的分散體抽濾成膜后，即使在真空抽濾過程中受到力的作用，它們仍然保持單獨分散的狀態，沒有觀察到明顯的聚集。SWCNT 在水中呈管狀單個分布（稱為單分散），無明顯團聚，分散劑分子螺旋吸附在SWCNT 表面。

利用紫外-可見吸收光譜來估計 SWCNT 的分散狀態，發現 PVP+SC 混合分散劑的分散效率最高，由于兩種分散劑的協同作用，PVP 增加了 SWCNT 在 H₂O 中的相容性，而 SC 中解離的

電子對提供了靜電斥力，阻止了 SWCNT 相互靠近，從而達到了穩定分散的效果。SWCNT 在溶劑中呈現膠體分散狀態，并有明顯的丁達爾現象。在水溶液中分別放置 3 個月和 6 個月后，對分散液的穩定性進行了測試，結果表明平均粒徑的變化可以忽略不計。

圖1：. (a) 利用偶極/偶極靜電相互作用和穩定相互作用實現 SWCNTs 單分散的示意圖。(b) SWCNT 與 ANFs 之間的相互作用。(c) 單分散 SWCNTs 在 H₂O 溶液中的掃描電鏡圖像。(d) 單分散 SWCNTs 吸附分散劑的 TEM 圖像。(e）SWCNTs 分散體和粉末的拉曼光譜；（f）紫外-可見光譜；（g）分散效率；（h）照片；（i）SWCNT 分散體的粒度分析和丁達爾效應。(j) 使用不同分散劑的 SWCNTs 分散體的 Zeta 電位和粒度分布分析。(k）SWCNT 分散體的穩定性分析。

超長 SWCNT 和納米芳綸纖維構建了層狀多層結構。憑借較高的長徑比優勢，它們可以相互組裝和纏繞，從而使 SWCNTs 在 ANF 網絡中均勻分散。由此可以推斷，ANF 骨架上豐富而規整的芳香環可以通過 π-π 相互作用增強與功能化 SWCNT 的相互作用，并為 SWCNT 的附著提供強大的物理交聯位點。在未拉伸狀態下，SWCNTs 和 ANFs 之間存在π-π共軛力和范德華力相互作用，在過濾過程中形成ANF/SWCNT 緊密交織的網絡，從而將應力均勻分布在框架上，防止因應力集中而過早斷裂。拉伸過程中，SWCNT 和 ANF 的拉伸薄膜部分被拉出，進一步耗散能量，當斷裂發生時，SWCNT 和 ANF 之間的 π-π 相互作用被打破，導致材料斷裂。ANF-SWCNT-50 薄膜的力學性能最好，其斷裂強度可達 113.45 MPa，斷裂應變小于 2%，優于純 ANF 薄膜。

圖2：(a) ANF 薄膜和含有 50 wt% SWCNT 的復合薄膜的圖像。純 ANF 薄膜的橫截面（b）和拉伸橫截面（e）以及 ANF/SWCNT 薄膜的橫截面（c）和拉伸橫截面（f）的掃描電鏡圖像。(d) 薄膜拉伸測試示意圖。ANF/SWCNT 薄膜的機械性能：（g）應力-應變曲線，（h、i）拉伸強度、模量、拉伸應變和韌性圖。(j) ANF/SWCNT 薄膜的斷裂機制示意圖。

要點二：SWCNT/ANF的相互作用

通過傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）和 X 射線衍射（XRD）檢測了復合薄膜的化學成分和晶體結構。ANFs 薄膜的傅立葉變換紅外光譜顯示出典型的 -C=O 拉伸振動峰和 -N-H 拉伸振動峰，加入SWCNT之后，這兩個峰的寬度逐漸變寬，表明相互作用能量降低，證實了 ANFs 和 SWCNT 之間存在氫鍵作用。純 ANF 薄膜，存在明顯的 Kevlar 散射特征峰如C-C 環拉伸振動、C-H 面內彎曲， N-H 彎曲和 C-O 拉伸，隨著 SWCNT 的引入，Kevlar 散射特征峰被掩蓋，主要顯示出 SWCNT 的 G 峰。XPS 分析。引入 SWCNT 后，C1s 的特征峰向高能藍色峰移動，酰胺鍵上苯環的參與和 SWCNT 的作用證實了 ANFs 和 SWCNT 之間存在 π-π 相互作用。ANFs 結構中N1s 特征吸收峰，對于使用不同分散劑的 ANF/SWCNT 復合薄膜，π-π 的特征峰出現在高能藍色范圍內，分析證實 ANFs 與 SWCNT 之間存在相互作用，這有利于改善納米材料的機械性能同時，這也是制備多功能復合薄膜的必要條件。

圖3：(a) ANF/SWCNT 復合薄膜的傅立葉變換紅外光譜、(b) XRD 圖和 (c) 拉曼光譜。(d) C 1s 高分辨率 XPS 光譜。(e) N 1s 高分辨率 XPS 光譜。(f) 使用不同分散劑的 ANF/SWCNT 的 C1s 高分辨率 XPS 光譜。

要點三：電磁干擾屏蔽性能及DFT仿真計算

復合薄膜具有 0.18-2.53 Ω/□ 的低平方電阻和可調節的超高導電率（131.9-798.57 S/cm）。隨著 SWCNT 含量的增加，復合薄膜的電導率呈上升趨勢，可以點亮燈泡，具有優異而穩定的導電性能。隨著 SWCNTs 含量的增加，復合薄膜的 EMI SE 從 43.01 dB 逐漸增加到 75.28 dB。在已報道的最先進的 CNT/金屬/碳基材料中，制備的復合薄膜具有出色的導電性、EMI 性能和輕質特性。均勻分散的 ANFs 和 SWCNT 可形成緊密交織的結構，具有良好的阻抗匹配性，從而使更多的電磁波進入材料內部，在內部形成多重反射，增強吸波效果。在材料內部耗散過程中，電磁波與 SWCNT 產生的大量電子相互作用，絕緣 ANF 與導電 SWCNT 之間的界面發生界面極化損耗。分散劑引入的極性官能團會增加偶極極化損耗。入射電磁脈沖的傳導損耗、偶極子極化損耗、界面極化和多重反射有助于電磁脈沖的有效耗散，賦予 ANF/SWCNT 復合薄膜很高的電磁屏蔽效果。使用 ANF/SWCNT 復合薄膜作為屏蔽材料時，LED 面板則無法接收藍牙信號。因此，他們認為該復合材料在電磁屏蔽領域具有很大的發展潛力。

圖4：(a) 不同 SWCNT 和 ANFs 重量比的復合薄膜的導電率和方阻。(b) 電磁屏蔽（EMI）性能。(c) 不同 SWCNT 和 ANFs 重量比的復合薄膜的 EMI SE 值和密度。(d) 復合薄膜的 EMI SE 值、電導率和密度與已報道的最先進的 CNT/金屬/碳基材料的比較。(e) 復合薄膜的電磁干擾屏蔽機理 (f) 不同材料覆蓋的 SWCNT/ANF 復合薄膜在接收器上屏蔽電磁干擾的實際應用模擬：（左）純 ANF 薄膜；（右）ANF/SWCNTs 復合薄膜。

根據中的密度泛函理論（DFT）計算結果，與 ANF/未加工的 SWCNT 粉末范德華界面的結合能 -0.61 eV 相比，ANF/單分散 SWCNT 中氫鍵的形成具有更高的結合能 -3.52 eV。表明ANF 和單分散 SWCNT 的界面發生了極化，其中分散劑聚合物也能起到極化作用，有利于增加它們之間的相互作用。實驗驗證還表明，兩種分散劑的協同作用使復合薄膜的電磁干擾屏蔽性能顯著提高，達到 64.57 dB，而使用單一分散劑的電磁干擾屏蔽值較低。當電磁波進入薄膜時，SWCNT 表面產生的界面偶極子和電子極化會放大對入射電磁波的響應，并通過進一步增加介電損耗來改善對電磁波的吸收性能。

圖5：(a) ANF/SWCNT 的相互作用能的密度泛函理論 (DFT) 計算。(b) EMI 屏蔽性能。(c) 使用不同分散劑的復合薄膜的 EMI SE 和密度。

要點四：焦耳加熱特性

除了優異的電磁干擾屏蔽性能外，復合薄膜還被研究用作基于電熱轉換的電加熱器。添加 SWCNT 后，復合薄膜的平面熱導率有了很大提高。基于復合薄膜優異的導電性，我們對其電熱性能進行了測試。將薄膜切割成具有固定長寬比的長條，然后在兩側貼上銅帶，通電。在不同的直流電壓下，紅外成像儀提取了 ANF/SWCNT 復合薄膜隨時間變化的溫度曲線。持續 15 秒后，在 0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 和 5.0 V 的低電壓下，基于焦耳定律的穩態溫度分別達到 89.1、98.4、140.5、222.4、313.4 和 445.0 ℃。根據中溫度-電壓平方的線性曲線，在電阻加熱或焦耳加熱的過程中，電能以熱量的形式耗散。我們在 2-5 V 的循環電壓下對樣品進行了溫度響應分析，在兩次循環后薄膜的最高溫度保持穩定。同時，在長達 1500 秒的持續時間內觀察到的穩定溫度約為 124.4 °C，呈現出長期穩定的焦耳加熱性能。該復合薄膜具有優異的電氣、機械性能和低驅動電壓，熱響應速度快且長期穩定，被認為是實現個人熱管理的潛在材料。

圖6：(a) 不同 ANF 和 SWCNT 比例的薄膜在 0.5-5 V 不同電壓下的熱導率和 (b, c) 時間與溫度的關系曲線。(e) 真實的實驗數據以及溫度與 U² 的線性擬合。 (f) 復合薄膜在電壓逐漸升高時的溫度變化。(g) 在連續施加 2 至 5 V 電壓時復合薄膜表面溫度的線性變化，以及電壓與時間的插入曲線。(h) 電壓與最高溫度與其他材料的比較。(i) 2 V 恒定電壓下 1500 秒的焦耳加熱性能。

綜上所述，通過氫鍵界面連接的可持續生物啟發雙網絡結構 ANF/SWCNT 復合薄膜，能夠利用芳綸納米纖維和單壁碳納米管的單分散性創建混合雙網絡。通過定向過濾，ANF 和單分散超長 SWCNT 的雙網絡可以在拉伸過程中構建成具有優先取向的層狀結構，從而獲得較高的機械性能和高達 113.45 Mpa的斷裂強度。計算模擬和實驗證明，ANF 和 SWCNT 雙網絡之間的氫鍵和層間相互作用可實現可調節的導電率（131.9-798.57 S/cm）和顯著的 EMI SE（43.01-75.28 dB）。此外，薄膜還具有優異的焦耳加熱性能，熱響應速度快（< 15 秒），驅動電壓低（0.5-5 V），溫度響應范圍寬（89-445 °C）。這種多功能復合薄膜在電磁屏蔽設備、熱管理和可穿戴電子設備等廣泛的輕量級應用中是一種很有前途的替代品。

文章鏈接

Mono-dispersion decorated ultra-long single-walled carbon nanotube/ aramid nanofiber for high-strength electromagnetic interference shielding film with Joule heating properties

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118315

通訊作者簡介

王延青特聘研究員簡介：四川大學特聘研究員，四川省“海外高層次人才引進計劃”特聘專家，國家制革技術研究推廣中心特聘專家，四川省專家服務團專家，日本政府高端引進外國人（日本高度人才1號）。入選四川大學“雙百人才工程”計劃（2019-2023），日本學術振興會（JSPS）外國人特別研究員（2015-2017）。2019年加入四川大學高分子科學與工程學院高材系獨立開展研究工作，成立先進碳與能源材料應用研究室。主要從事超長碳納米管的單分散原理、碳基材料的設計制備及其在能源、環境相關領域的應用研究，主要包括：超長碳納米管在非/弱極性有機體系的分散研究、新型高倍率快充鋰電池導電劑、低溫鋰電池負極、鈉電池硬碳負極、電磁屏蔽/吸波材料、超級電容器、碳基導熱/散熱材料、柔性顯示材料、先進高分子功能材料等，在Advanced Science，Carbon，Chemical Engineering Journal，Small，J Mater Chem A，Energy Storage Materials等高水平學術期刊上發表論文50余篇。研究成果獲得了山東省科技進步一等獎、國家優秀自費留學生獎學金、中國專利優秀獎、山東省專利獎、四川省特聘專家、四川省“天府峨眉計劃”創業領軍人才、JSPS外國青年學者研究獎勵、北海道大學私費外國人留學生特待制度、四川大學優秀科技人才獎、鹽都特聘專家等。課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/wangyanqing

版權與免責聲明：中國聚合物網原創文章。刊物或媒體如需轉載，請聯系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。

（責任編輯：xu）

【大中小】【打印】【關閉】

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊

更多>>科教新聞

私密直播全婐app免费大渔直播,国产av成人无码免费视频,男女同房做爰全过程高潮,国产精品自产拍在线观看

誠邀關注高分子科技